專利名稱：Cmos圖像傳感器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種CMOS傳感器及其制造方法。
背景技術：
一般而言，圖像傳感器是用于將光學圖像轉換為電信號的半導體器件，并且主要分為電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器和CMOS圖像傳感器。
CCD具有多個光電二極管(PD)，這些光電二極管布置為矩陣的形式，以將光學信號轉換為電信號。CCD包括多個垂直電荷耦合器件(VCCD)，這些垂直電荷耦合器件設置在垂直布置于矩陣中的光電二極管之間，從而當各個光電二極管產(chǎn)生電荷時，沿垂直方向傳輸這些電荷；多個水平電荷耦合器件(HCCD)，用于沿水平方向傳輸由多個VCCD已傳輸?shù)碾姾?；以及感測放大器，通過感測沿水平方向傳輸?shù)碾姾?，輸出電信號?br> 然而，這種CCD有很多缺點，例如驅動模式復雜，功耗高等等。另外，這種CCD需要多個步驟的光刻工藝，所以對于CCD的制造工藝比較復雜。
此外，因為難以將控制器、信號處理器以及模擬/數(shù)字轉換器(A/D轉換器)集成在單個CCD芯片上，所以這種CCD不適用于緊湊型產(chǎn)品。
近來，作為能夠解決上述CCD問題的下一代圖像傳感器，CMOS圖像傳感器受到矚目。
CMOS圖像傳感器是一種利用多個MOS晶體管和切換模式連續(xù)檢測各單元像素輸出的器件，其中，該MOS晶體管與該單元像素對應，通過使用外圍器件(例如控制器以及信號處理器)的CMOS技術，形成在半導體襯底上。
也就是說，CMOS圖像傳感器在各單元像素中包括PD和MOS晶體管，并且以切換模式，通過MOS晶體管連續(xù)檢測各單元像素的電信號，從而獲得圖像。
因為CMOS圖像傳感器使用CMOS技術，所以它具有多個優(yōu)點，例如功耗低，光刻工藝步驟相對較少的較簡單的制造工藝。
此外，因為控制器、信號處理器以及A/D轉換器可集成在單個CMOS圖像傳感器芯片上，所以CMOS圖像傳感器可使得產(chǎn)品的尺寸緊湊。
因此，CMOS圖像傳感器廣泛用于各種應用，例如數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機等等。
同時，根據(jù)晶體管的數(shù)目，CMOS圖像傳感器分為3T、4T以及5T型CMOS圖像傳感器。3T型CMOS圖像傳感器包括一個光電二極管和三個晶體管，而4T型CMOS圖像傳感器包括一個光電二極管和四個晶體管。
以下，將描述4T型CMOS圖像傳感器的單元像素的布局。
圖1為根據(jù)現(xiàn)有技術的4T型CMOS圖像傳感器的等效電路圖，圖2為示出根據(jù)現(xiàn)有技術的4T型CMOS圖像傳感器的單元像素的布局示意圖。
如圖1所示，CMOS圖像傳感器的單元像素100包括光電二極管10和四個晶體管，其中光電二極管10用作光電轉換部分。
四個晶體管分別為轉移、復位、驅動以及選擇晶體管20、30、40以及50。此外，負載晶體管60電連接至各單元像素100的輸出端子OUT。
附圖標記FD表示浮置擴散區(qū)，附圖標記Tx、Rx、Dx以及Sx分別表示轉移、復位、驅動以及選擇晶體管20、30、40以及50的柵極電壓。
如圖2所示，4T型CMOS圖像傳感器的單元像素具有在其中限定的有源區(qū)，以及在除了有源區(qū)之外的預定區(qū)上形成隔離層。一個光電二極管PD形成在有源區(qū)的較寬區(qū)域上，四個晶體管的柵極23、33、43以及53與有源區(qū)的剩余區(qū)域交疊。
也就是說，第一柵極23與轉移晶體管20合并，第二柵極33與復位晶體管30合并，第三柵極43與驅動晶體管40合并，第四柵極53與選擇晶體管50合并。
將摻雜劑注入除了各晶體管的柵極23、33、43以及53的下部之外的有源區(qū)，從而形成晶體管的源極/漏極(S/D)區(qū)。
圖3A至圖3C為沿圖2的I-I’線提取的剖視圖，并示出根據(jù)現(xiàn)有技術的CMOS圖像傳感器的制造過程。
如圖3A所示，通過外延工藝，在高密度P型半導體襯底61上形成低密度P型外延層62。
隨后，在半導體襯底61上限定有源區(qū)和隔離區(qū)，并通過STI工藝在隔離區(qū)形成隔離層63。
另外，在外延層62的整個表面上依次沉積絕緣層和導電層(例如，高密度多晶硅層)，其中，外延層62上形成有隔離層63。然后，選擇性地去除導電層以及絕緣層，從而形成柵極65以及柵極絕緣層64。
之后，如圖3B所示，在半導體襯底61的整個表面上涂覆第一光致抗蝕劑膜，然后，通過曝光和顯影工藝對第一光致抗蝕劑膜進行圖案化，使得能夠暴露出藍色、綠色和紅色光電二極管區(qū)。
另外，利用已圖案化的第一光致抗蝕劑膜作為掩模，將低密度N型摻雜劑注入外延層62，從而形成低密度N型擴散區(qū)67，作為藍色、綠色和紅色光電二極管區(qū)。
隨后，將第一光致抗蝕劑全部去除，在半導體襯底61的整個表面上沉積絕緣層，并對所得到的結構進行回蝕工藝，從而在柵極65的兩側形成間隔件68。
之后，在半導體襯底61的整個表面上涂覆第二光致抗蝕劑膜，并通過曝光和顯影工藝對第二光致抗蝕劑膜進行圖案化，從而覆蓋光電二極管區(qū)，并暴露出各晶體管的源極/漏極區(qū)。
接著，利用已圖案化的第二光致抗蝕劑膜作為掩模，將高密度N型摻雜劑注入已暴露的源極/漏極區(qū)，從而形成N型擴散區(qū)(浮置擴散區(qū))70。
之后，如圖3C所示，去除第二光致抗蝕劑膜，并在半導體襯底61的整個表面上涂覆第三光致抗蝕劑膜。在這種狀態(tài)下，對第三光致抗蝕劑膜進行曝光和顯影工藝，從而將第三光致抗蝕劑膜圖案化，以暴露出各光電二極管區(qū)。
接著，利用已圖案化的第三光致抗蝕劑膜作為掩模，將P型摻雜劑注入具有N型擴散區(qū)67的光電二極管區(qū)，從而在半導體襯底的表面上形成P型擴散區(qū)72。之后，去除第三光致抗蝕劑膜，并對半導體襯底61進行熱處理工藝，從而擴展各雜質擴散區(qū)。
將轉移晶體管導通，以轉移光電二極管區(qū)(也就是N型擴散區(qū)67)的電子，從而將電子存儲在浮置區(qū)(也就是N型擴散區(qū)70)，其中電子通過光產(chǎn)生。
然而，由于形成在光電二極管區(qū)的N型擴散區(qū)67的損耗區(qū)的擴展，造成轉移晶體管在N型擴散區(qū)70與低密度N型擴散區(qū)67之間的穿透(見標號76)，從而降低了CMOS圖像傳感器的特性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種CMOS圖像傳感器及其制造方法，能夠改善CMOS圖像傳感器的光敏感度。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供一種CMOS圖像傳感器，包括半導體襯底；光電二極管區(qū)和浮置擴散區(qū)，形成在所述半導體襯底上；晶體管，形成在所述光電二極管區(qū)與所述浮置擴散區(qū)之間；隔離層，形成在所述晶體管的下側；以及溝道區(qū)，形成在所述晶體管與所述隔離層之間。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，還提供一種CMOS圖像傳感器的制造方法，該方法包括以下步驟形成第一隔離層，所述第一隔離層在半導體襯底上限定有源區(qū)和隔離層，以及在所述有源區(qū)形成第二隔離層；通過去除一部分所述第二隔離層并填充導電層，形成溝道區(qū)；在所述溝道區(qū)的上側形成柵極絕緣層和柵極；以及在所述溝道區(qū)的兩側形成光電二極管區(qū)和浮置擴散區(qū)。


圖1為示出根據(jù)現(xiàn)有技術的4T型CMOS圖像傳感器的等效電路圖；圖2為示出根據(jù)現(xiàn)有技術的4T型CMOS圖像傳感器的單元像素的布局示意圖；圖3A至圖3C為示出根據(jù)現(xiàn)有技術的CMOS圖像傳感器的制造方法的剖視圖；圖4A至圖4E為示出根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的制造方法的剖視圖。
具體實施例方式
以下，將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的CMOS傳感器及其制造方法。
圖4A至圖4E為沿圖2的I-I’線提取的剖視圖，示出根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的制造方法。
如圖4A所示，對高密度P型半導體襯底161進行外延工藝，從而形成低密度P型外延層162。
接著，在半導體襯底161上限定有源區(qū)和隔離區(qū)后，通過淺溝槽隔離(STI)工藝在隔離區(qū)以及柵極區(qū)上形成第一隔離層163a以及第二隔離層163b。
之后，雖然在圖中未示出，按如下步驟形成第一隔離層163a和第二隔離層163b首先，在半導體襯底上依次形成襯墊(pad)氧化物層、襯墊氮化物層以及正硅酸乙酯(TEOS)氧化物層。接著，在TEOS氧化物層上形成光致抗蝕劑膜。之后，利用限定了有源區(qū)和隔離區(qū)的掩模以及限定了柵極區(qū)的掩模，對光致抗蝕劑膜進行曝光和顯影工藝，從而將光致抗蝕劑膜圖案化。此時，將隔離區(qū)和柵極區(qū)的光致抗蝕劑膜去除。
接著，利用已圖案化的光致抗蝕劑膜作為掩模，選擇性地去除隔離區(qū)和柵極區(qū)的襯墊氧化物層、襯墊氮化物層以及TEOS氧化物層。
利用已圖案化的襯墊氧化物層、襯墊氮化物層以及TEOS氧化物層作為掩模，將半導體襯底的隔離區(qū)和柵極區(qū)蝕刻至預定深度，從而形成溝槽。接著，將光致抗蝕劑膜全部去除。
接著，用絕緣材料填充溝槽，從而在溝槽中形成隔離層163a以及163b。之后，將襯墊氧化物層、襯墊氮化物層以及TEOS氧化物層去除。
第一隔離層163a形成在隔離區(qū)上，而第二隔離層163b形成在柵極區(qū)上。
此時，第一隔離層163a和第二隔離層163b中的至少一個可包括氧化物層，該氧化物層通過硅的局部氧化(LOCOS)工藝而部分地氧化。與STI工藝相比，LOCOS工藝可得到較低的應力，并減少由暗電流所帶來的問題。
如圖4B所示，在形成有隔離層的半導體襯底上涂覆光致抗蝕劑膜，并將具有預定圖案的光掩模排列在光致抗蝕劑膜的上部。之后，通過向光掩模照射光線，進行曝光工藝，然后對所得到的結構進行顯影工藝，從而將光致抗蝕劑膜圖案化。因此，形成暴露出第二隔離層163b的光致抗蝕劑圖案。
利用光致抗蝕劑圖案，對所得到的結構進行蝕刻工藝，從而去除第二隔離層的上部。這樣就形成了溝槽148。
溝槽148形成為其寬度接近于之后將形成的柵極的寬度。
之后，如圖4C所示，在形成有溝槽148的半導體襯底161的整個表面上形成例如多晶硅層的導電層后，進行例如CMP工藝的平面化工藝，直到暴露出半導體襯底161，使得導電層150僅埋置在溝槽148中。
之后，對埋置的導電層150進行離子注入工藝，從而形成摻雜導電層150。摻雜導電層150被限定為之后將形成的晶體管的溝道區(qū)。
之后，如圖4D所示，在形成有第一隔離層163a和第二隔離層163b的外延層162的整個表面上依次沉積柵極絕緣層164以及導電層，例如多晶硅層165。
在這種情況下，可通過熱氧化工藝或化學氣相沉積(CVD)方案形成柵極絕緣層164。
接著，選擇性地去除導電層和柵極絕緣層164，從而形成柵極165。
如圖4E所示，在形成有柵極165和柵極絕緣層164的半導體襯底的整個表面上涂覆光致抗蝕劑膜，并通過曝光和顯影工藝對光致抗蝕劑膜進行選擇性地圖案化，以暴露出各光電二極管區(qū)。接著，利用已圖案化的光致抗蝕劑膜作為掩模，將低密度導電型(N型)摻雜劑注入外延層162，從而在光電二極管區(qū)形成N型擴散區(qū)167。
之后，在去除了光致抗蝕劑膜，并且在包括擴散區(qū)167的半導體襯底161的整個表面上形成絕緣層后，對所得到的結構的整個表面進行回蝕工藝，從而在柵極165b的兩側形成間隔件168。
之后，在包括間隔件168的半導體襯底161的整個表面上涂覆光致抗蝕劑膜后，進行曝光和顯影工藝，從而將光致抗蝕劑膜圖案化，使得光致抗蝕劑膜在覆蓋各光電二極管區(qū)的同時，暴露出各晶體管的源極/漏極區(qū)(在此為浮置擴散區(qū))。
此外，利用已圖案化的光致抗蝕劑膜作為掩模，將高密度第二導電型(N型)摻雜劑注入已暴露的源極/漏極區(qū)，從而形成N型擴散區(qū)(浮置擴散區(qū))170。
然后，去除光致抗蝕劑膜。接著，在半導體襯底161的整個表面上涂覆光致抗蝕劑膜，然后通過曝光和顯影工藝對光致抗蝕劑膜進行圖案化，使得暴露出各光電二極管區(qū)。之后，利用已圖案化的光致抗蝕劑膜作為掩模，將第一導電型(P型)摻雜劑注入形成有N型擴散區(qū)167的外延層162，從而在外延層162的表面上形成P型擴散區(qū)172。
去除光致抗蝕劑膜，并對半導體襯底161進行熱處理工藝，從而使各雜質擴散區(qū)擴散。
此時，雖然形成在光電二極管區(qū)的N型擴散區(qū)167的損耗區(qū)174被擴展，但是通過第二隔離層163b防止在轉移晶體管的N型擴散區(qū)170與低密度N型擴散區(qū)167之間發(fā)生穿透。
之后，雖然在圖中未示出如下過程，在所得到的結構的整個表面上形成具有多個層間介電層的金屬互連，然后形成濾色層和微透鏡，從而形成圖像傳感器。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在光電二極管區(qū)與轉移晶體管之間形成第二隔離層，從而可防止在轉移晶體管中形成的雜質區(qū)與光電二極管區(qū)之間的穿透。因此，可防止在該晶體管導通之前，光電二極管中通過光產(chǎn)生的電子脫離光電二極管，可改善圖像傳感器的敏感度，可提高圖像傳感器的低發(fā)光特性，并且可減少在該晶體管導通之前產(chǎn)生的暗電流。
權利要求
1.一種CMOS圖像傳感器，包括半導體襯底；光電二極管區(qū)和浮置擴散區(qū)，形成在所述半導體襯底上；晶體管，形成在所述光電二極管區(qū)與所述浮置擴散區(qū)之間；隔離層，形成在所述晶體管的下側；以及溝道區(qū)，形成在所述晶體管與所述隔離層之間。
2.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中，所述半導體襯底形成有第一導電型低密度外延層。
3.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中，所述光電二極管區(qū)包括第二導電型低密度擴散區(qū)和第一導電型高密度擴散區(qū)，所述第一導電型高密度擴散區(qū)形成在所述第二導電型低密度擴散區(qū)中。
4.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中，所述浮置擴散區(qū)包括第二導電型高密度擴散區(qū)。
5.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中，所述隔離層包括埋置在溝槽內的絕緣材料。
6.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中，所述隔離層包括通過硅的局部氧化工藝形成的氧化物層。
7.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中，所述溝道區(qū)包括埋置在溝槽內的導電層。
8.一種CMOS圖像傳感器的制造方法，該方法包括以下步驟在半導體襯底上形成限定有源區(qū)和隔離層的第一隔離層，以及在所述有源區(qū)形成第二隔離層；通過去除一部分所述第二隔離層并填充導電層，形成溝道區(qū)；在所述溝道區(qū)的上側形成柵極絕緣層和柵極；以及在所述溝道區(qū)的兩側形成光電二極管區(qū)和浮置擴散區(qū)。
9.如權利要求8所述的方法，其中形成光電二極管區(qū)的步驟包括以下步驟在所述溝道區(qū)的第一側形成第二導電型低密度擴散區(qū)；以及在所述第二導電型低密度擴散區(qū)的表面上形成第一導電型擴散區(qū)。
10.如權利要求8所述的方法，其中形成浮置擴散區(qū)的步驟還包括在所述溝道區(qū)的第二側形成第二導電型擴散區(qū)的步驟。
11.如權利要求8所述的方法，還包括在所述柵極的兩側形成間隔件的步驟。
12.如權利要求8所述的方法，其中形成第二隔離層的步驟包括以下步驟在所述有源區(qū)中形成溝槽；以及用絕緣材料填充所述溝槽。
13.如權利要求8所述的方法，其中形成第二隔離層的步驟還包括通過氧化一部分所述有源區(qū)形成氧化物層的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種CMOS圖像傳感器及其制造方法。該CMOS圖像傳感器包括半導體襯底；光電二極管區(qū)和浮置擴散區(qū)，形成在所述半導體襯底上；晶體管，形成在所述光電二極管區(qū)與所述浮置擴散區(qū)之間；隔離層，形成在所述晶體管的下側；以及溝道區(qū)，形成在所述晶體管與所述隔離層之間。
文檔編號H01L21/822GK1992302SQ200610169068
公開日2007年7月4日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權日2005年12月28日
發(fā)明者任勁赫 申請人:東部電子股份有限公司