CN1992303A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开CMOS图像传感器及其制造方法。该CMOS图像传感器包括：半导体衬底，其具有有源区和隔离区；形成在该有源区上的光电二极管区和晶体管区，其形成在该有源区上；多个半导体图案，其形成在该光电二极管区上；晶体管，其形成在该晶体管区上；第一导电类型第一扩散区，其形成在该光电二极管区上；第一导电类型第二扩散区，其形成在该晶体管区上；以及第二导电类型第三扩散区，其形成在该第一扩散区上。
Description
技术领域
本发明涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器及其制造方法。
背景技术
通常，图像传感器是用于将光图像转换为电信号的半导体器件，主要分为电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
CCD具有用以将光信号转换为电信号的多个光电二极管(PD)，所述光电二极管以矩阵形式排列。该CCD包括：多个垂直电荷耦合器件(VCCD)，其设置在以矩阵形式垂直排列的各光电二极管之间，从而当各光电二极管产生电荷时在垂直方向传输电荷；多个水平电荷耦合器件(HCCD)，用于在水平方向传输从VCCD传输来的电荷；以及读出放大器，用于通过读出正在水平方向传输的电荷来输出电信号。
然而，这种CCD具有各种缺点，例如驱动模式复杂、功耗高等。而且，CCD需要多步光处理，因此CCD的制造工艺复杂。
此外，由于很难将控制器、信号处理器以及模/数转换器(A/D转换器)集成在单一CCD芯片上，因此CCD不适用于体积小巧的产品。
近来，CMOS图像传感器作为能够解决CCD问题的下一代图像传感器而成为热点。
CMOS图像传感器是使用开关模式的器件，以通过MOS晶体管依次检测各像素单元的输出，其中通过使用***器件(例如控制器和信号处理器)的CMOS技术将MOS晶体管形成在对应于各像素单元的半导体衬底上。
即该CMOS图像传感器在各像素单元中包括光电二极管和MOS晶体管，并且以开关模式依次检测各像素单元的电信号以实现成像。
由于CMOS图像传感器利用CMOS技术，该CMOS图像传感器具有例如功耗低以及由于具有相对较少数目的光处理步骤从而制造工艺简单等优点。
此外，因为控制器、信号处理器以及A/D转换器可以集成到单一CMOS图像传感器芯片，所以CMOS图像传感器使得产品能够小型化。
因而，CMOS图像传感器已被广泛使用在各种应用中，例如数码照相机、数码摄像机等。
同时，根据晶体管的数目将CMOS图像传感器分为3T、4T以及5T型CMOS图像传感器。3T型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和三个晶体管，而4T型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和四个晶体管。
4T型CMOS图像传感器的像素单元的布局如下：
图1为示出根据现有技术的4T型CMOS图像传感器的等效电路图，图2为示出根据现有技术的4T型CMOS图像传感器的布局视图。
如图1所示，CMOS图像传感器的像素单元100包括光电二极管10以及四个晶体管，该光电二极管10是光电子器件。
这里，所述四个晶体管包括转移晶体管20、复位晶体管30、驱动晶体管40以及选择晶体管50。此外，负载晶体管60电连接到各像素单元100的输出端子OUT。
标号FD、Tx、Rx、Dx以及Sx分别表示浮置扩散区、转移晶体管20的栅极电压、复位晶体管30的栅极电压、驱动晶体管的栅极电压以及选择晶体管的栅极电压。
如图2所示，CMOS图像传感器的像素单元具有在其上限定的有源区，并且在除了有源区以外的像素单元的预定区域形成隔离层。光电二极管PD形成在有源区的较宽区域，并且四个晶体管的栅极23、33、43以及53与有源区的其余区域重叠。
即第一栅极23包括在转移晶体管20中，第二栅极33包括在复位晶体管30中，第三栅极43包括在驱动晶体管40以及第四栅极53包括在选择晶体管50中。
将掺杂剂注入到除了栅极23、33、43以及53下部以外的各晶体管的有源区，从而形成各晶体管的源极/漏极(S/D)区。
图3A至3E是沿图2的I-I’线的截面图，其示出根据现有技术制造CMOS图像传感器的过程。
如图3A所示，对高密度P++半导体衬底61进行外延工艺，从而形成低密度P-外延层62。
然后，在半导体衬底61上限定有源区和隔离区之后，通过STI(浅沟槽隔离)工艺在隔离区上形成隔离层63。
虽然在图中未示出，但以下说明形成隔离层63的工艺：
首先，在半导体衬底上依次形成衬垫(pad)氧化物层、衬垫氮化物层和正硅酸乙酯(TEOS)氧化物层。然后，在正硅酸乙酯氧化物层上形成光致抗蚀剂膜。
之后，利用限定有源区和隔离区的掩模对光致抗蚀剂膜进行曝光和显影工艺，从而图案化该光致抗蚀剂膜。这时，在隔离层上形成的光致抗蚀剂膜被去除。
然后，利用图案化的光致抗蚀剂膜作为掩模选择性地去除在隔离层上形成的衬垫氧化物层、衬垫氮化物层以及正硅酸乙酯氧化物层。
接着，利用图案化的衬垫氧化物层、衬垫氮化物层以及正硅酸乙酯氧化物层作为蚀刻掩模将半导体衬底的隔离区蚀刻预定的深度，从而形成沟槽。之后将光致抗蚀剂膜完全去除。
然后，在沟槽中填充隔离材料，从而在沟槽中形成隔离层63。之后，去除衬垫氧化物层、衬垫氮化物层以及正硅酸乙酯氧化物层。
此外，在形成有隔离层63的外延层62的整个表面上依次沉积栅极隔离层64和导电层(例如高密度多晶硅层)。然后，选择性地去除导电层和栅极绝缘层64以形成栅极65。
之后，如图3B所示，在半导体衬底61的整个表面上涂布第一光致抗蚀剂膜66，然后通过曝光和显影工艺图案化第一光致抗蚀剂膜66，从而可以暴露蓝色、绿色和红色的光电二极管区。
此外，利用图案化的第一光致抗蚀剂膜66作为掩模将低密度N型掺杂剂注入到外延层62，从而形成作为蓝色、绿色和红色的光电二极管区的低密度N-型扩散区67。
然后，如图3C所示，将第一光致抗蚀剂膜66完全去除，然后在半导体衬底61的整个表面上沉积隔离层。在这种情况下，进行回蚀刻工艺以在栅极65的两侧形成侧壁绝缘层68。
接着，在半导体衬底61的整个表面上涂布第二光致抗蚀剂膜69之后，对第二光致抗蚀剂膜69进行曝光和显影工艺以覆盖光电二极管区而暴露各晶体管的源极/漏极区。
然后，利用图案化的第二光致抗蚀剂膜69作为掩模将高密度N+型掺杂剂注入到暴露的源极/漏极区，从而形成N+型扩散区(浮置扩散区)70。
之后，如图3D所示，去除第二光致抗蚀剂膜69并且在半导体衬底61的整个表面上涂布第三光致抗蚀剂膜71。在这种情况下，对第三光致抗蚀剂膜71进行曝光和显影工艺，从而图案化第三光致抗蚀剂膜71以暴露各光电二极管区。
然后，利用图案化的第三光致抗蚀剂膜71作为掩模将P0型掺杂剂注入到具有N-型扩散区67的光电二极管区，从而在半导体衬底表面上形成P0型扩散区72。
之后，如图3E所示，去除第三光致抗蚀剂膜71并且对半导体衬底61进行热处理工艺，从而扩展各杂质扩散区。
在此基础上，人们不断进行研究以提高CMOS图像传感器的集成度和灵敏度。
发明内容
本发明的目的是提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其中通过增加光电二极管的单元面积在保持集成度的同时能够改善图像传感器的灵敏度。
根据本发明的一个方案，本发明提供一种CMOS图像传感器，该CMOS图像传感器包括：半导体衬底，其具有有源区和隔离区；形成在该有源区上的光电二极管区和晶体管区；多个半导体图案，其形成在该光电二极管区上；晶体管，其形成在该晶体管区上；第一导电类型第一扩散区，其形成在该光电二极管区上；第一导电类型第二扩散区，其形成在该晶体管区上；以及第二导电类型第三扩散区，其形成在该第一扩散区上。优选地，在该CMOS图像传感器中，所述多个半导体图案具有彼此相同的高度。优选地，在该CMOS图像传感器中，所述多个半导体图案以恒定的间距排列。优选地，在该CMOS图像传感器中，该晶体管包括转移晶体管。优选地，在该CMOS图像传感器中，该晶体管包括栅极绝缘层、在该栅极绝缘层上形成的栅极以及在该栅极两侧形成的侧壁绝缘层。优选地，在该CMOS图像传感器中，所述半导体图案包括第二导电类型外延层。
根据本发明的另一方案，本发明提供一种制造CMOS图像传感器的方法，该方法包括以下步骤：在半导体衬底上形成有源区和隔离区；在有源区的光电二极管区上形成多个半导体图案；在该有源区的晶体管区上形成栅极绝缘层和栅极；在该光电二极管区上形成第一导电类型第一扩散区；在栅极两侧上形成侧壁绝缘层；在晶体管区上形成第一导电类型第二扩散区；以及在该第一扩散区上形成第二导电类型第三扩散区。优选地，在该方法中，所述多个半导体图案具有彼此相同的高度。优选地，在该方法中，所述多个半导体图案以恒定的间距排列。优选地，在该方法中，所述半导体图案包括第二导电类型外延层。优选地，在该方法中，形成所述多个半导体图案的步骤包括以下子步骤：在该光电二极管区上形成外延层，以及通过光处理和蚀刻处理选择性地去除该外延层。
附图说明
图1为示出根据现有技术的4T型CMOS图像传感器的等效电路图；
图2为示出根据现有技术的4T型CMOS图像传感器的像素单元的布局视图；
图3A至3E是沿图2的I-I’线的截面图，其示出根据现有技术的CMOS图像传感器的制造过程。
图4为示出根据本发明的CMOS图像传感器的截面图；以及
图5A-5F示出根据本发明CMOS图像传感器的制造过程的截面图。
具体实施方式
下文，参照附图描述根据本发明的CMOS图像传感器及其制造方法。
图4为示出根据本发明的CMOS图像传感器的截面图。
如图4所示，CMOS图像传感器包括：P-型外延层(P-EPI)102，其形成在P++型导电半导体衬底101上，在该P++型导电半导体衬底101上限定了包括光电二极管区和晶体管区的有源区以及隔离区；隔离层103，其形成在隔离区上以限定半导体衬底101的有源区；多个半导体图案104，其以恒定的间距排列(优选地对准)在半导体衬底101的光电二极管区上；栅极106，形成在半导体衬底的有源区上，其中在栅极106和半导体衬底的有源区之间***栅极绝缘层105；低密度N-型扩散区108，其形成在半导体衬底101的光电二极管区上；侧壁绝缘层109，其形成在栅极105的两侧；高密度N+型扩散区(浮置扩散区)111，其形成在栅极105的晶体管区；以及P0型扩散区113，其在形成有低密度N-型扩散区108的半导体衬底101的表面上形成。
半导体图案104包括P型外延层。因为光电二极管区的表面积由于半导体图案104而扩大，所以在不需额外增加光电二极管表面积的情况下就能够提高图像传感器的光敏度。
同时，高密度P+型杂质区(未示出)可以形成在隔离层103的附近。
图5A至5F为示出根据本发明的CMOS图像传感器的制造过程的截面图。
如图5A所示，对高密度P++型半导体衬底101进行外延工艺，从而形成低密度P-型外延层102。
然后，在半导体衬底101上限定有源区和隔离区之后，通过STI(浅沟槽隔离)工艺在隔离区上形成隔离层103。
虽然在图中未示出，但以下说明形成隔离层103的工艺：
首先，在半导体衬底上依次形成衬垫氧化物层、衬垫氮化物层以及TEOS(正硅酸乙酯)氧化物层。然后，在TEOS氧化物层上形成光致抗蚀剂膜。
之后，利用限定有源区和隔离区的掩模对光致抗蚀剂膜进行曝光和显影工艺，从而图案化该光致抗蚀剂膜。这时，形成在隔离层上的光致抗蚀剂膜被去除。
然后，利用图案化的光致抗蚀剂膜作为掩模选择性地去除在隔离层上形成的衬垫氧化物层、衬垫氮化物层以及TEOS氧化物层。
接着，利用图案化的衬垫氧化物层、衬垫氮化物层以及TEOS氧化物层作为蚀刻掩模将半导体衬底的隔离区蚀刻预定的深度，从而形成沟槽。之后，将该光致抗蚀剂膜完全去除。
然后，将该沟槽填充隔离材料，从而在该沟槽中形成隔离层103。之后，将衬垫氧化物层、衬垫氮化物层以及TEOS氧化物层去除。
在半导体衬底101的整个表面上形成半导体层(例如，P型外延层)之后，通过光处理和蚀刻处理选择性地去除该半导体层，从而形成彼此之间具有恒定间距的多个半导体图案104。
这时，半导体图案104形成在半导体衬底101的预定区域上，其中在该预定区域中随后将形成光电二极管区。
此外，如图5B所示，在形成有半导体图案104的半导体衬底101的整个表面上依次沉积栅极绝缘层105和导电层(例如高密度多晶硅层)。
这时，栅极绝缘层105可以通过热氧化工艺或CVD工艺形成。
然后，选择性地去除该导电层和栅极绝缘层105以形成栅极106。
栅极106是转移晶体管的栅极。
之后，如图5C所示，在包括栅极105的半导体衬底101的整个表面上涂布第一光致抗蚀剂膜107，然后通过曝光和显影工艺选择性地图案化第一光致抗蚀剂膜107，从而暴露各光电二极管区。
此外，利用图案化的第一光致抗蚀剂膜107作为掩模将低密度第二导电类型(N-型)掺杂剂注入到外延层102，从而在该光电二极管区形成N-型扩散区108。
然后，如图5D所示，完全去除第一光致抗蚀剂膜107，然后在包括栅极106的半导体衬底101的整个表面上沉积绝缘层。在这种情况下，对半导体衬底101的整个表面进行回蚀刻工艺以在栅极106的两侧形成侧壁绝缘层109。
接着，在包括栅极106的半导体衬底101的整个表面上涂布第二光致抗蚀剂膜110之后，对第二光致抗蚀剂膜110进行曝光和显影工艺以覆盖光电二极管区而暴露各晶体管的源极/漏极区(即浮置扩散区)。
然后，利用图案化的第二光致抗蚀剂膜110作为掩模将高密度第二导电类型(N+型)掺杂剂注入到暴露的源极/漏极区，从而形成N+型扩散区(浮置扩散区)111。
之后，如图5E所示，去除第二光致抗蚀剂膜110并且在半导体衬底101的整个表面上涂布第三光致抗蚀剂膜112。在这种情况下，对第三光致抗蚀剂膜110进行曝光和显影工艺，从而图案化第三光致抗蚀剂膜110以暴露各光电二极管区。
然后，利用图案化的第三光致抗蚀剂膜112作为掩模将第一导电类型(P0型)掺杂剂注入到形成有N-型扩散区108的外延层102，从而在外延层102的表面上形成P0型扩散区113。
之后，如图5F所示，去除第三光致抗蚀剂膜112并且对半导体衬底101进行热处理工艺，从而扩展各杂质扩散区。
接着，虽然在图中未示出，但是在上述处理所形成的结构的整个表面上形成多个层间介电层，然后形成滤色镜层和微透镜，从而获得图像传感器。
如上所述，根据本发明的CMOS图像传感器及其制造方法具有以下优点：
即由于多个半导体图案以恒定间距形成在半导体衬底的光电二极管区上，因此可以扩大光电二极管的单元面积，从而提高图像传感器的光灵敏度和特性。
显而易见，本领域技术人员可以对本发明作出各种修改和变化。因而，应该认为本发明覆盖了落入所附权利要求书及其等同方案的范围内的各种修改和变化。
Claims (11)
1、一种CMOS图像传感器，包括：
半导体衬底，其具有有源区和隔离区；
形成在该有源区上的光电二极管区和晶体管区；
多个半导体图案，其形成在该光电二极管区上；
晶体管，其形成在该晶体管区上；
第一导电类型第一扩散区，其形成在该光电二极管区上；
第导电类型第二扩散区，其形成在该晶体管区上；以及
第二导电类型第三扩散区，其形成在该第一扩散区上。
2、如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述多个半导体图案具有彼此相同的高度。
3、如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述多个半导体图案以恒定的间距排列。
4、如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中该晶体管包括转移晶体管。
5、如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中该晶体管包括栅极绝缘层、在该栅极绝缘层上形成的栅极以及在该栅极两侧形成的侧壁绝缘层。
6、如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述半导体图案包括第二导电类型外延层。
7、一种CMOS图像传感器的制造方法，该方法包括以下步骤：
在半导体衬底上形成有源区和隔离区；
在该有源区的光电二极管区上形成多个半导体图案；
在该有源区的晶体管区上形成栅极绝缘层和栅极；
在该光电二极管区上形成第一导电类型第一扩散区；
在该栅极两侧上形成侧壁绝缘层；
在该晶体管区上形成第一导电类型第二扩散区；以及
在所述第一扩散区上形成第二导电类型第三扩散区。
8、如权利要求7所述的方法，其中所述多个半导体图案具有彼此相同的高度。
9、如权利要求7所述的方法，其中所述多个半导体图案以恒定的间距排列。
10、如权利要求7所述的方法，其中所述半导体图案包括第二导电类型外延层。
11、如权利要求7所述的方法，其中形成所述多个半导体图案的步骤包括以下子步骤：
在该光电二极管区上形成外延层，以及
通过光处理和蚀刻处理选择性地去除该外延层。
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