專利名稱：Cmos圖像傳感器以及用于制作它的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開內(nèi)容涉及圖像傳感器，以及更具體地，涉及互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器以及制造它的方法。
背景技術(shù)：
總體上，圖像傳感器是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。更具體地，電荷耦合器件(CCD)是具有多個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器的器件，每個(gè)電容器被形成在彼此最接近的范圍，其中載流子電荷被存儲(chǔ)且被傳輸?shù)矫總€(gè)電容器。
電荷耦合器件(CCD)包括多個(gè)光電二極管(PD)、多個(gè)垂直電荷耦合器件(VCCD)、水平電荷耦合器件(HCCD)、以及感測(cè)放大器。在此，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電二極管以矩陣的形式被排列。垂直電荷耦合器件被形成在以矩陣形式被排列且被形成在垂直方向的每個(gè)光電二極管之間，以便于在垂直方向傳輸由每個(gè)光電二極管所產(chǎn)生的電荷。水平電荷耦合器件在水平方向上傳輸從垂直電荷耦合器件所傳輸?shù)碾姾?。感測(cè)放大器感測(cè)出在水平方向上所傳輸?shù)碾姾刹⑶逸敵鏊鲭姾伞?br> 然而，上面說明的CCD的缺點(diǎn)在于它具有復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)方法、消耗大量能量、并且要求多次照相過程(multiple photo processes)，這使制造過程復(fù)雜化?？刂齐娐?、信號(hào)處理電路、以及模擬-數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器電路不可能被輕易地集成到CCD中，且因此，所述器件不可能以緊湊的尺寸而形成。

發(fā)明內(nèi)容
最近，為了克服CCD這樣的缺點(diǎn)，CMOS圖像傳感器被認(rèn)為是下一代圖像傳感器。CMOS圖像傳感器采用CMOS技術(shù)，其使用控制電路和信號(hào)處理電路作為外圍設(shè)備。CMOS技術(shù)形成對(duì)應(yīng)于半導(dǎo)體基片上的單元象素?cái)?shù)量的MOS晶體管。CMOS圖像傳感器是使用切換方法的器件，所述方法通過使用MOS晶體管可以順序地檢測(cè)每個(gè)單元象素的輸出。更具體地，通過在每個(gè)單元象素中形成光電二極管和MOS晶體管，CMOS圖像傳感器可以通過使用切換方法順序地檢測(cè)每個(gè)單元象素的電信號(hào)，由此來表示圖像。
附加地，因?yàn)镃MOS圖像傳感器使用CMOS制造技術(shù)，所以CMOS圖像傳感器因更少數(shù)量的照相過程，導(dǎo)致消耗更少量的能量、并且具有更簡(jiǎn)單的制造過程。此外，在CMOS圖像傳感器中，控制電路、信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換器電路等可以被集成到CMOS圖像傳感器芯片中，由此允許CMOS圖像傳感器以緊湊的尺寸被形成。因此，CMOS圖像傳感器被廣泛地使用在各種應(yīng)用中，如數(shù)字靜照相機(jī)、數(shù)字視頻照相機(jī)等。
與此同時(shí)，取決于所使用的晶體管的數(shù)量，CMOS圖像傳感器可以被分成3晶體管(3T)類型、4晶體管(4T)類型、以及5晶體管(5T)類型的CMOS圖像傳感器。3T類型包括一個(gè)光電二極管和三個(gè)晶體管。4T類型包括一個(gè)光電二極管和四個(gè)晶體管，以及5T類型包括一個(gè)光電二極管和五個(gè)晶體管?，F(xiàn)在將對(duì)3T類型CMOS圖像傳感器的單元象素的等效電路和布局詳細(xì)加以說明。
圖1示例通用CMOS圖像傳感器的等效電路圖，以及圖2示例通用CMOS圖像傳感器的布局圖。
如圖1中所示，通用3T類型CMOS圖像傳感器的單元象素包括一個(gè)光電二極管(PD)和三個(gè)nMOS晶體管(T1，T2和T3)。光電二極管(PD)的陰極被連接到第一nMOS晶體管(T1)的漏極及第二nMOS晶體管(T2)的柵極。每個(gè)第一和第二晶體管(T1和T2)的源極被連接到提供參考電壓(VR)的電源線。第一nMOS晶體管(T1)的柵極被連接到提供復(fù)位信號(hào)(RST)的復(fù)位線。第三nMOS晶體管(T3)的源極被連接到第二nMOS晶體管(T2)的漏極。第三nMOS晶體管的漏極通過信號(hào)線被連接到讀取器電路(未被示出)。第三nMOS晶體管(T3)的柵極被連接到提供選擇信號(hào)(SLCT)的列選擇線。因此，第一nMOS晶體管(T1)將被稱為復(fù)位晶體管(Rx)、第二nMOS晶體管(T2)將被稱為驅(qū)動(dòng)器晶體管(Dx)、以及第三nMOS晶體管(T3)將被稱為選擇晶體管(Sx)。
參考圖2，在通用3T類型CMOS晶體管的單元象素中，光電二極管20被形成在活性區(qū)上，并且更具體地，被形成在具有較大寬度的部分活性區(qū)上。彼此重疊的三個(gè)晶體管的柵電極120、130和140被形成在活性區(qū)的剩余部分上。更具體地，柵電極120形成復(fù)位晶體管(Rx)，柵晶體管130形成驅(qū)動(dòng)器晶體管(Dx)，以及柵電極140形成選擇晶體管(Sx)。在此，雜質(zhì)離子被注入在除了柵電極120、130和140的下部以外的每個(gè)晶體管的活性區(qū)10中，以便于形成每個(gè)晶體管的源極/漏極區(qū)。因此，功率電壓Vdd被施加到復(fù)位晶體管(Rx)和驅(qū)動(dòng)器晶體管(Dx)之間的源極/漏極區(qū)，以及在選擇晶體管(Sx)一側(cè)上的源極/漏極區(qū)被連接到讀取器電路(未被示出)。
如上面所說明，雖然在圖中未被示出，但是每個(gè)柵電極120、130及140被連接到每個(gè)信號(hào)線。附加地，每個(gè)信號(hào)線在一端被提供有墊(pad)，以便于被連接到外部驅(qū)動(dòng)電路?，F(xiàn)在將詳細(xì)說明被提供有墊的信號(hào)線以及下述制造過程。
現(xiàn)在將對(duì)用于制造CMOS圖像傳感器的相關(guān)技術(shù)方法加以詳細(xì)說明。圖3A到3F示例出沿著圖2中線I-I’而取的橫斷面圖，其示出用于制造CMOS圖像傳感器的相關(guān)技術(shù)方法的過程步驟。
參考圖3A，低濃度的p(-)型外延層2被形成在p型半導(dǎo)體層1上。然后，墊氧化物3、墊氮化物4、以及原硅酸四乙酯(TEOS)氧化物層5被順次地形成在p(-)型外延層2上。然后光敏層6被形成在TEOS氧化物層5上。如圖3B中所示，通過使用限定活性區(qū)和器件分割區(qū)的掩模，曝光及顯影過程被執(zhí)行以去除器件分割區(qū)(device dividing area)上的光敏層6。同樣，圖案化的光敏層6被用作掩模以選擇性地去除器件分割區(qū)中的墊氧化物3、墊氮化物4、以及TEOS氧化物層5。
然后，參考圖3C，圖案化的墊氧化物3、墊氮化物4、以及TEOS氧化物層5被用作掩模以將器件分割區(qū)上的p(-)型外延層2蝕刻成具有預(yù)定厚度，由此形成溝槽7。然后，整個(gè)光敏層6被完全去除。在這之后，如圖3D中所示，犧牲氧化物層8被形成，以在具有其上形成溝槽7的基片的整個(gè)表面上具有小的厚度。在這點(diǎn)上，犧牲氧化物層8還被形成在溝槽7的內(nèi)表面上。并且，O3TEOS層9在等于或高出1000攝氏度(℃)的溫度下被加工。此外，參考圖3E，化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)過程被執(zhí)行，以便于去除O3TEOS層9，除了溝槽區(qū)上的部分以外。然后圖案化的墊氧化物3、墊氮化物4、以及TEOS氧化物層5被去除。
雖然在附圖中未被示出，但是p型阱和n型阱被形成在對(duì)應(yīng)區(qū)的外延層2上。參考圖3F，柵絕緣層和導(dǎo)電層被順次地形成在基片的整個(gè)表面上。然后，柵絕緣層和導(dǎo)電層被順次地去除，由此形成柵電極11和柵絕緣層10。此后，絕緣層被形成在整個(gè)表面上，其隨后被回蝕刻，由此在柵電極11的側(cè)表面上形成側(cè)壁絕緣層12。
此外，p型雜質(zhì)離子和n型雜質(zhì)離子被注入在光電二極管區(qū)，由此形成光電二極管。然后，雖然未被示在附圖中，但是相反導(dǎo)電型的雜質(zhì)離子分別被注入在p型阱和n型阱中，由此在每個(gè)晶體管中形成源極/漏極區(qū)。最終，對(duì)應(yīng)的濾色層和微透鏡被形成在光電二極管上。
然而，相關(guān)技術(shù)CMOS圖像傳感器和用于制造其的方法具有下述缺點(diǎn)。當(dāng)在器件分割區(qū)上形成溝槽時(shí)，接近器件分割區(qū)的外延層的硅晶格結(jié)構(gòu)被破壞，由此導(dǎo)致在光電二極管中的電流泄露，這惡化了光電二極管的光接收特性。
此外，光電二極管區(qū)的表面被墊氧化物去除過程以及犧牲氧化物層形成過程所破壞。這導(dǎo)致因硅懸鍵(silicon dangling bond)而發(fā)生不必要的界面俘獲，這也惡化了光電二極管的光接收特性。


圖1示例通用CMOS圖像傳感器的等效電路圖。
圖2示例通用CMOS圖像傳感器的布局圖。
圖3A至3F示例示出用于制造CMOS圖像傳感器的相關(guān)技術(shù)方法的過程步驟的橫斷面圖。
圖4A至4G示例在此處所公開的各種處理階段中半導(dǎo)體器件的橫斷面圖。
具體實(shí)施例方式
本公開內(nèi)容適用于寬的應(yīng)用范圍。然而，它尤其適用于減少在墊探測(cè)過程期間所形成的金屬墊顆粒，由此提供具有增強(qiáng)光接收特性的高質(zhì)量圖像傳感器。
參考圖4A，低濃度的p(-)型外延層32被形成在p型半導(dǎo)體層31上。然后，墊氧化物33、墊氮化物34、以及原硅酸四乙酯(TEOS)氧化物層35被順次地形成在p(-)型外延層32上。然后光敏層36被形成在TEOS氧化物層35上。如圖4B中所示，通過使用限定活性區(qū)和器件分割區(qū)的掩模，曝光及顯影過程被執(zhí)行以去除器件分割區(qū)上的光敏層36。同樣，圖案化的光敏層36被用作掩模以選擇性地去除器件分割區(qū)中的墊氧化物33、墊氮化物34、以及TEOS氧化物層35。
然后，參考圖4C，圖案化的墊氧化物33、墊氮化物34、以及TEOS氧化物層35被用作掩模以將器件分割區(qū)上的p型外延層32蝕刻成具有預(yù)定厚度，由此形成溝槽37。在這之后，如圖4D中所示，通過熱氧化過程犧牲氧化物層38被形成在溝槽37的內(nèi)表面上。犧牲氧化物層38可被形成為具有小的厚度。然后高濃度的p(+)型雜質(zhì)離子被注入在溝槽37的內(nèi)表面，由此形成高濃度的p(+)型雜質(zhì)離子區(qū)39。在這點(diǎn)上，通過使用傾斜離子注入方法(tilted ion injection method)高濃度的p(+)型雜質(zhì)離子被注入。
參考圖4E，高密度的等離子體(HDP)氧化物層40被沉積在器件的表面上，由此充填了溝槽37區(qū)。
參考圖4F，化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)過程被執(zhí)行，以便于去除HDP氧化物層40，除了溝槽區(qū)上的部分以外。然后圖案化的墊氧化物33、墊氮化物34、以及TEOS氧化物層35被去除。然而，墊氧化物33仍然保留在外延層32的表面上。墊氧化物殘余物將被用作緩沖氧化物，以用于隨后過程中的離子注入。
雖然在附圖中未被示出，但是p型阱和n型阱被形成在對(duì)應(yīng)區(qū)的外延層32上。如圖4G所示，墊氧化物層33被去除，且柵絕緣層和導(dǎo)電層被順次地形成在基片的整個(gè)表面上，其隨后被選擇性地去除，以便于形成柵電極42和柵絕緣層41。然后，n型雜質(zhì)離子被注入在光電二極管區(qū)中，以便于形成光電二極管44。被輕摻雜的漏極(LDD)被形成在活性區(qū)的源極/漏極區(qū)。
接下來，絕緣層被沉積在基片的整個(gè)表面上，并且絕緣層隨后被回蝕刻，由此在柵電極42的側(cè)表面上形成側(cè)壁絕緣層43。然后，雖然在附圖中未被示出，但是相反導(dǎo)電類型的雜質(zhì)離子分別被注入在p型阱和n型阱中，由此在每個(gè)晶體管上形成源極/漏極區(qū)。此外，p(p0)型雜質(zhì)離子被注入到光電二極管44的表面上，以便于形成p0型雜質(zhì)區(qū)45。此后，通過通常所使用的制造過程，對(duì)應(yīng)的濾色層和微透鏡被形成在光電二極管44上。
因此，如圖4G所示，在此處所公開的CMOS圖像傳感器的光電二極管結(jié)構(gòu)中，高濃度的p(+)型雜質(zhì)區(qū)被形成在器件的分割區(qū)，以及(p0)型雜質(zhì)區(qū)被形成在光電二極管的表面上。因?yàn)橄卤砻嬗蓀(-)型外延層形成，所以光電二極管由p型雜質(zhì)區(qū)所覆蓋。
如上所說明，在此所公開的CMOS圖像傳感器以及用于制造其的方法具有下述優(yōu)點(diǎn)。首先，溝槽被形成在器件分割區(qū)中，并且p型雜質(zhì)離子被形成在溝槽的內(nèi)壁上，以便于在圍繞溝槽的p(-)型外延層上形成p(+)型雜質(zhì)區(qū)。因此，即使當(dāng)p(-)型外延層的硅晶格結(jié)構(gòu)在溝槽形成過程期間被破壞，但是電荷的泄漏并不出現(xiàn)在光電二極管中，由此增強(qiáng)了光電二極管的光接收特性。
此外，在執(zhí)行用于形成器件分割層的CMP過程之后，墊氧化物仍然保留在光電二極管的表面上，且因此，不需要單獨(dú)的犧牲氧化物層。在p型阱和n型阱形成過程期間，墊氧化物防止光電二極管的表面被破壞，從而增強(qiáng)了光電二極管的光接收特性，如低照明。
在一個(gè)實(shí)例中，所公開的CMOS圖像傳感器可包括其上限定有器件分割區(qū)和活性區(qū)的半導(dǎo)體基片、具有由p型雜質(zhì)區(qū)所覆蓋的半導(dǎo)體基片的活性區(qū)以及根據(jù)光亮度產(chǎn)生光電荷的光電二極管、以及被形成在光電二極管的垂直線上的濾色層和微透鏡。
在另一個(gè)實(shí)例中，CMOS圖像傳感器可包括其上限定有器件分割區(qū)和活性區(qū)的半導(dǎo)體基片、在半導(dǎo)體基片的器件分割區(qū)上所形成的溝槽、在溝槽內(nèi)壁上所形成的第一p型雜質(zhì)區(qū)、相鄰于第一p型雜質(zhì)區(qū)在活性區(qū)上所形成的器件分割層、在光電二極管區(qū)的表面上所形成的第二p型雜質(zhì)區(qū)、以及在光電二極管垂直線上所形成的濾色層和微透鏡。
在一個(gè)實(shí)例中，器件分割層可由高密度的等離子體(HPD)氧化物層形成。
公開的實(shí)例方法可包括在具有其上限定有活性區(qū)和器件分割區(qū)的p型半導(dǎo)體基片上形成至少第一墊層和第二墊層；在器件分割區(qū)上去除所述第一墊層和第二墊層，以便于暴露p型半導(dǎo)體層，以及選擇性地去除被暴露的p型半導(dǎo)體層，由此形成溝槽；在溝槽內(nèi)壁上所形成的部分p型半導(dǎo)體基片上形成第一p型雜質(zhì)區(qū)；在p型半導(dǎo)體基片的整個(gè)表面上形成器件分割絕緣層，以便于充填溝槽；去除器件分割絕緣層，以便于器件分割絕緣層僅保留在溝槽中；以及去除第二墊層；以及向活性區(qū)注入n型雜質(zhì)離子，由此形成光電二極管區(qū)。
第一墊層可由氧化物層形成，并且第二墊層可由在其上所沉積的氧化物層、或氮化物層、以及原硅酸四乙酯(TEOS)氧化物層形成。
附加地，實(shí)例方法可包括在溝槽內(nèi)壁上所形成的部分p型半導(dǎo)體基片上形成第一p型雜質(zhì)區(qū)之前，在溝槽的內(nèi)壁上形成犧牲氧化物層。同樣，通過使用熱氧化過程可形成犧牲氧化物層。通過使用傾斜離子注入方法來注入p型雜質(zhì)離子，可形成第一p型雜質(zhì)區(qū)。
如上所注明，器件分割絕緣層可由HDP氧化物層形成。通過使用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝，器件分割絕緣層和第二墊層被去除。
另一方法可包括在光電二極管區(qū)的表面上形成第一p型雜質(zhì)區(qū)以及在p型半導(dǎo)體基片上形成柵絕緣層和柵電極，形成源極/漏極區(qū)，以及在光電二極管區(qū)的上表面形成濾色層和微透鏡。
這個(gè)申請(qǐng)?zhí)岢鰧?duì)在2004年9月提交的韓國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?0-2004-0070840的優(yōu)先權(quán)要求，所述專利在此被引入作為參考，就好似在此被完全闡述。
雖然在此已經(jīng)對(duì)根據(jù)本發(fā)明示教所構(gòu)建的某些裝置加以說明，但是這個(gè)專利的覆蓋范圍并不被局限于此。相反地，這個(gè)專利覆蓋所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)的每個(gè)裝置、方法和制造物品，不管是字面或者是在等同物的意義下。
權(quán)利要求
1.一種互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器，包括具有其上限定器件分割區(qū)和活性區(qū)的半導(dǎo)體基片，；具有由p型雜質(zhì)區(qū)所覆蓋的所述半導(dǎo)體基片的所述活性區(qū)以及根據(jù)光的亮度產(chǎn)生光電荷的光電二極管；以及形成在光電二極管的垂直線上的濾色層和微透鏡。
2.一種互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器，包括具有其上限定的器件分割區(qū)和活性區(qū)的半導(dǎo)體基片；在所述半導(dǎo)體基片的所述器件分割區(qū)上所形成的溝槽；在所述溝槽內(nèi)壁上所形成的第一p型雜質(zhì)區(qū)；在相鄰于所述第一p型雜質(zhì)區(qū)的活性區(qū)上所形成的器件分割層；在光電二極管區(qū)的表面上所形成的第二p型雜質(zhì)區(qū)；以及在光電二極管的垂直線上所形成的濾色層和微透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述器件分割層由高密度的等離子體(HPD)氧化物層所形成。
4.一種用于制造互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器的方法，包括在其上具有限定活性區(qū)和器件分割區(qū)的p型半導(dǎo)體基片上形成至少第一墊層和第二墊層；去除在器件分割區(qū)上的第一墊層和第二墊層，以便于暴露p型半導(dǎo)體層，以及選擇性去除已暴露的p型半導(dǎo)體層，由此形成溝槽；在溝槽內(nèi)壁上所形成的部分p型半導(dǎo)體基片上形成第一p型雜質(zhì)區(qū)；在p型半導(dǎo)體基片的整個(gè)表面上形成器件分割絕緣層，以便于充填溝槽；去除器件分割絕緣層，以便于器件分割絕緣層僅保留在溝槽中，并且去除第二墊層；以及向活性區(qū)注入n型雜質(zhì)離子，由此形成光電二極管區(qū)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中第一墊層由氧化物層所形成，以及其中第二墊層由其上所沉積的氧化物層、或氮化物層、以及原硅酸四乙酯(TEOS)氧化物層所形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，進(jìn)一步包括在溝槽內(nèi)壁上所形成的p型半導(dǎo)體基片的部分上形成第一p型雜質(zhì)區(qū)之前，在溝槽內(nèi)壁上形成犧牲氧化物層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述犧牲氧化物層通過使用熱氧化過程而形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中通過使用傾斜離子注入方法來注入p型雜質(zhì)離子而形成所述第一p型雜質(zhì)區(qū)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述器件分割絕緣層由高密度的等離子體(HDP)氧化物層所形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中通過使用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝所述器件分割絕緣層和第二墊層被去除。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，進(jìn)一步包括在光電二極管區(qū)的表面上形成第一p型雜質(zhì)區(qū)。
12.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，進(jìn)一步包括在p型半導(dǎo)體基片上形成柵絕緣層和柵電極；形成源極/漏極區(qū)；以及在光電二極管區(qū)的上表面上形成濾色層和微透鏡。
全文摘要
互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器和其制造方法被公開。在一個(gè)實(shí)例中，所述方法包括在具有其上限定有活性區(qū)和器件分割區(qū)的p型半導(dǎo)體基片上形成至少第一墊層和第二墊層；去除在器件分割區(qū)上的第一墊層和第二墊層，以便于暴露p型半導(dǎo)體層，以及選擇性去除已暴露的p型半導(dǎo)體層，由此形成溝槽；在溝槽內(nèi)壁上所形成的p型半導(dǎo)體基片的部分上形成第一p型雜質(zhì)區(qū)，從而在p型半導(dǎo)體基片的整個(gè)表面上形成器件分割絕緣層，以便于充填溝槽；去除器件分割絕緣層，以便于器件分割絕緣層僅保留在溝槽中，并且去除第二墊層；以及向活性區(qū)注入n型雜質(zhì)離子，由此形成光電二極管區(qū)。
文檔編號(hào)H01L21/76GK1747175SQ20041010361
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2004年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月6日
發(fā)明者黃儁 申請(qǐng)人:東部亞南半導(dǎo)體株式會(huì)社