專利名稱：Cmos圖像傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器及其制造方法。
背景技術(shù)：
通常，圖像傳感器是用于將光圖像轉(zhuǎn)換為電信號的半導(dǎo)體器件，主要分為電荷耦合器件(CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器。
CCD具有用以將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的多個光電二極管(PD)，所述光電二極管以矩陣形式排列。該CCD包括多個垂直電荷耦合器件(VCCD)，其設(shè)置在以矩陣形式垂直排列的各光電二極管之間，從而當(dāng)各光電二極管產(chǎn)生電荷時在垂直方向傳輸電荷；多個水平電荷耦合器件(HCCD)，用于在水平方向傳輸從VCCD傳輸來的電荷；以及讀出放大器，用于通過讀出正在水平方向傳輸?shù)碾姾蓙磔敵鲭娦盘枴?br> 然而，這種CCD具有各種缺點(diǎn)，例如驅(qū)動模式復(fù)雜、功耗高等。而且，CCD需要多步光處理，因此CCD的制造工藝復(fù)雜。
此外，由于很難將控制器、信號處理器以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)集成在單一CCD芯片上，因此CCD不適用于體積小巧的產(chǎn)品。
近來，CMOS圖像傳感器作為能夠解決CCD問題的下一代圖像傳感器而成為熱點(diǎn)。
CMOS圖像傳感器是使用開關(guān)模式的器件，以通過MOS晶體管依次檢測各像素單元的輸出，其中通過使用外圍器件(例如控制器和信號處理器)的CMOS技術(shù)將MOS晶體管形成在對應(yīng)于各像素單元的半導(dǎo)體襯底上。
即該CMOS圖像傳感器在各像素單元中包括光電二極管和MOS晶體管，并且以開關(guān)模式依次檢測各像素單元的電信號以實(shí)現(xiàn)成像。
由于CMOS圖像傳感器利用CMOS技術(shù)，該CMOS圖像傳感器具有例如功耗低以及由于具有相對較少數(shù)目的光處理步驟從而制造工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。
此外，因?yàn)榭刂破鳌⑿盘柼幚砥饕约癆/D轉(zhuǎn)換器可以集成到單一CMOS圖像傳感器芯片，所以CMOS圖像傳感器使得產(chǎn)品能夠小型化。
因而，CMOS圖像傳感器已被廣泛使用在各種應(yīng)用中，例如數(shù)碼照相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等。
同時，根據(jù)晶體管的數(shù)目將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。
4T型CMOS圖像傳感器的像素單元的布局如下圖1為示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)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(shù)的4T型CMOS圖像傳感器的布局視圖。
如圖1所示，CMOS圖像傳感器的像素單元100包括光電二極管10以及四個晶體管，該光電二極管10是光電子器件。
這里，所述四個晶體管包括轉(zhuǎn)移晶體管20、復(fù)位晶體管30、驅(qū)動晶體管40以及選擇晶體管50。此外，負(fù)載晶體管60電連接到各像素單元100的輸出端子OUT。
標(biāo)號FD、Tx、Rx、Dx以及Sx分別表示浮置擴(kuò)散區(qū)、轉(zhuǎn)移晶體管20的柵極電壓、復(fù)位晶體管30的柵極電壓、驅(qū)動晶體管的柵極電壓以及選擇晶體管的柵極電壓。
如圖2所示，CMOS圖像傳感器的像素單元具有在其上限定的有源區(qū)，并且在除了有源區(qū)以外的像素單元的預(yù)定區(qū)域形成隔離層。光電二極管PD形成在有源區(qū)的較寬區(qū)域，并且四個晶體管的柵極23、33、43以及53與有源區(qū)的其余區(qū)域重疊。
即第一柵極23包括在轉(zhuǎn)移晶體管20中，第二柵極33包括在復(fù)位晶體管30中，第三柵極43包括在驅(qū)動晶體管40以及第四柵極53包括在選擇晶體管50中。
將摻雜劑注入到除了柵極23、33、43以及53下部以外的各晶體管的有源區(qū)，從而形成各晶體管的源極/漏極(S/D)區(qū)。
圖3A至3E是沿圖2的I-I’線的截面圖，其示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制造CMOS圖像傳感器的過程。
如圖3A所示，對高密度P++半導(dǎo)體襯底61進(jìn)行外延工藝，從而形成低密度P-外延層62。
然后，在半導(dǎo)體襯底61上限定有源區(qū)和隔離區(qū)之后，通過STI(淺溝槽隔離)工藝在隔離區(qū)上形成隔離層63。
雖然在圖中未示出，但以下說明形成隔離層63的工藝首先，在半導(dǎo)體襯底上依次形成襯墊(pad)氧化物層、襯墊氮化物層和正硅酸乙酯(TEOS)氧化物層。然后，在正硅酸乙酯氧化物層上形成光致抗蝕劑膜。
之后，利用限定有源區(qū)和隔離區(qū)的掩模對光致抗蝕劑膜進(jìn)行曝光和顯影工藝，從而圖案化該光致抗蝕劑膜。這時，在隔離層上形成的光致抗蝕劑膜被去除。
然后，利用圖案化的光致抗蝕劑膜作為掩模選擇性地去除在隔離層上形成的襯墊氧化物層、襯墊氮化物層以及正硅酸乙酯氧化物層。
接著，利用圖案化的襯墊氧化物層、襯墊氮化物層以及正硅酸乙酯氧化物層作為蝕刻掩模將半導(dǎo)體襯底的隔離區(qū)蝕刻預(yù)定的深度，從而形成溝槽。之后將光致抗蝕劑膜完全去除。
然后，在溝槽中填充隔離材料，從而在溝槽中形成隔離層63。之后，去除襯墊氧化物層、襯墊氮化物層以及正硅酸乙酯氧化物層。
此外，在形成有隔離層63的外延層62的整個表面上依次沉積柵極隔離層64和導(dǎo)電層(例如高密度多晶硅層)。然后，選擇性地去除導(dǎo)電層和柵極絕緣層64以形成柵極65。
之后，如圖3B所示，在半導(dǎo)體襯底61的整個表面上涂布第一光致抗蝕劑膜66，然后通過曝光和顯影工藝圖案化第一光致抗蝕劑膜66，從而可以暴露藍(lán)色、綠色和紅色的光電二極管區(qū)。
此外，利用圖案化的第一光致抗蝕劑膜66作為掩模將低密度N型摻雜劑注入到外延層62，從而形成作為藍(lán)色、綠色和紅色的光電二極管區(qū)的低密度N-型擴(kuò)散區(qū)67。
然后，如圖3C所示，將第一光致抗蝕劑膜66完全去除，然后在半導(dǎo)體襯底61的整個表面上沉積隔離層。在這種情況下，進(jìn)行回蝕刻工藝以在柵極65的兩側(cè)形成側(cè)壁絕緣層68。
接著，在半導(dǎo)體襯底61的整個表面上涂布第二光致抗蝕劑膜69之后，對第二光致抗蝕劑膜69進(jìn)行曝光和顯影工藝以覆蓋光電二極管區(qū)而暴露各晶體管的源極/漏極區(qū)。
然后，利用圖案化的第二光致抗蝕劑膜69作為掩模將高密度N+型摻雜劑注入到暴露的源極/漏極區(qū)，從而形成N+型擴(kuò)散區(qū)(浮置擴(kuò)散區(qū))70。
之后，如圖3D所示，去除第二光致抗蝕劑膜69并且在半導(dǎo)體襯底61的整個表面上涂布第三光致抗蝕劑膜71。在這種情況下，對第三光致抗蝕劑膜71進(jìn)行曝光和顯影工藝，從而圖案化第三光致抗蝕劑膜71以暴露各光電二極管區(qū)。
然后，利用圖案化的第三光致抗蝕劑膜71作為掩模將P0型摻雜劑注入到具有N-型擴(kuò)散區(qū)67的光電二極管區(qū)，從而在半導(dǎo)體襯底表面上形成P0型擴(kuò)散區(qū)72。
之后，如圖3E所示，去除第三光致抗蝕劑膜71并且對半導(dǎo)體襯底61進(jìn)行熱處理工藝，從而擴(kuò)展各雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)。
在此基礎(chǔ)上，人們不斷進(jìn)行研究以提高CMOS圖像傳感器的集成度和靈敏度。

發(fā)明內(nèi)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，其中通過增加光電二極管的單元面積在保持集成度的同時能夠改善圖像傳感器的靈敏度。
根據(jù)本發(fā)明的一個方案，本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器，該CMOS圖像傳感器包括半導(dǎo)體襯底，其具有有源區(qū)和隔離區(qū)；形成在該有源區(qū)上的光電二極管區(qū)和晶體管區(qū)；多個半導(dǎo)體圖案，其形成在該光電二極管區(qū)上；晶體管，其形成在該晶體管區(qū)上；第一導(dǎo)電類型第一擴(kuò)散區(qū)，其形成在該光電二極管區(qū)上；第一導(dǎo)電類型第二擴(kuò)散區(qū)，其形成在該晶體管區(qū)上；以及第二導(dǎo)電類型第三擴(kuò)散區(qū)，其形成在該第一擴(kuò)散區(qū)上。優(yōu)選地，在該CMOS圖像傳感器中，所述多個半導(dǎo)體圖案具有彼此相同的高度。優(yōu)選地，在該CMOS圖像傳感器中，所述多個半導(dǎo)體圖案以恒定的間距排列。優(yōu)選地，在該CMOS圖像傳感器中，該晶體管包括轉(zhuǎn)移晶體管。優(yōu)選地，在該CMOS圖像傳感器中，該晶體管包括柵極絕緣層、在該柵極絕緣層上形成的柵極以及在該柵極兩側(cè)形成的側(cè)壁絕緣層。優(yōu)選地，在該CMOS圖像傳感器中，所述半導(dǎo)體圖案包括第二導(dǎo)電類型外延層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，本發(fā)明提供一種制造CMOS圖像傳感器的方法，該方法包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底上形成有源區(qū)和隔離區(qū)；在有源區(qū)的光電二極管區(qū)上形成多個半導(dǎo)體圖案；在該有源區(qū)的晶體管區(qū)上形成柵極絕緣層和柵極；在該光電二極管區(qū)上形成第一導(dǎo)電類型第一擴(kuò)散區(qū)；在柵極兩側(cè)上形成側(cè)壁絕緣層；在晶體管區(qū)上形成第一導(dǎo)電類型第二擴(kuò)散區(qū)；以及在該第一擴(kuò)散區(qū)上形成第二導(dǎo)電類型第三擴(kuò)散區(qū)。優(yōu)選地，在該方法中，所述多個半導(dǎo)體圖案具有彼此相同的高度。優(yōu)選地，在該方法中，所述多個半導(dǎo)體圖案以恒定的間距排列。優(yōu)選地，在該方法中，所述半導(dǎo)體圖案包括第二導(dǎo)電類型外延層。優(yōu)選地，在該方法中，形成所述多個半導(dǎo)體圖案的步驟包括以下子步驟在該光電二極管區(qū)上形成外延層，以及通過光處理和蝕刻處理選擇性地去除該外延層。


圖1為示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)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(shù)的4T型CMOS圖像傳感器的像素單元的布局視圖；圖3A至3E是沿圖2的I-I’線的截面圖，其示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的CMOS圖像傳感器的制造過程。
圖4為示出根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的截面圖；以及圖5A-5F示出根據(jù)本發(fā)明CMOS圖像傳感器的制造過程的截面圖。
具體實(shí)施例方式
下文，參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器及其制造方法。
圖4為示出根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的截面圖。
如圖4所示，CMOS圖像傳感器包括P-型外延層(P-EPI)102，其形成在P++型導(dǎo)電半導(dǎo)體襯底101上，在該P(yáng)++型導(dǎo)電半導(dǎo)體襯底101上限定了包括光電二極管區(qū)和晶體管區(qū)的有源區(qū)以及隔離區(qū)；隔離層103，其形成在隔離區(qū)上以限定半導(dǎo)體襯底101的有源區(qū)；多個半導(dǎo)體圖案104，其以恒定的間距排列(優(yōu)選地對準(zhǔn))在半導(dǎo)體襯底101的光電二極管區(qū)上；柵極106，形成在半導(dǎo)體襯底的有源區(qū)上，其中在柵極106和半導(dǎo)體襯底的有源區(qū)之間插入柵極絕緣層105；低密度N-型擴(kuò)散區(qū)108，其形成在半導(dǎo)體襯底101的光電二極管區(qū)上；側(cè)壁絕緣層109，其形成在柵極105的兩側(cè)；高密度N+型擴(kuò)散區(qū)(浮置擴(kuò)散區(qū))111，其形成在柵極105的晶體管區(qū)；以及P0型擴(kuò)散區(qū)113，其在形成有低密度N-型擴(kuò)散區(qū)108的半導(dǎo)體襯底101的表面上形成。
半導(dǎo)體圖案104包括P型外延層。因?yàn)楣怆姸O管區(qū)的表面積由于半導(dǎo)體圖案104而擴(kuò)大，所以在不需額外增加光電二極管表面積的情況下就能夠提高圖像傳感器的光敏度。
同時，高密度P+型雜質(zhì)區(qū)(未示出)可以形成在隔離層103的附近。
圖5A至5F為示出根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的制造過程的截面圖。
如圖5A所示，對高密度P++型半導(dǎo)體襯底101進(jìn)行外延工藝，從而形成低密度P-型外延層102。
然后，在半導(dǎo)體襯底101上限定有源區(qū)和隔離區(qū)之后，通過STI(淺溝槽隔離)工藝在隔離區(qū)上形成隔離層103。
雖然在圖中未示出，但以下說明形成隔離層103的工藝首先，在半導(dǎo)體襯底上依次形成襯墊氧化物層、襯墊氮化物層以及TEOS(正硅酸乙酯)氧化物層。然后，在TEOS氧化物層上形成光致抗蝕劑膜。
之后，利用限定有源區(qū)和隔離區(qū)的掩模對光致抗蝕劑膜進(jìn)行曝光和顯影工藝，從而圖案化該光致抗蝕劑膜。這時，形成在隔離層上的光致抗蝕劑膜被去除。
然后，利用圖案化的光致抗蝕劑膜作為掩模選擇性地去除在隔離層上形成的襯墊氧化物層、襯墊氮化物層以及TEOS氧化物層。
接著，利用圖案化的襯墊氧化物層、襯墊氮化物層以及TEOS氧化物層作為蝕刻掩模將半導(dǎo)體襯底的隔離區(qū)蝕刻預(yù)定的深度，從而形成溝槽。之后，將該光致抗蝕劑膜完全去除。
然后，將該溝槽填充隔離材料，從而在該溝槽中形成隔離層103。之后，將襯墊氧化物層、襯墊氮化物層以及TEOS氧化物層去除。
在半導(dǎo)體襯底101的整個表面上形成半導(dǎo)體層(例如，P型外延層)之后，通過光處理和蝕刻處理選擇性地去除該半導(dǎo)體層，從而形成彼此之間具有恒定間距的多個半導(dǎo)體圖案104。
這時，半導(dǎo)體圖案104形成在半導(dǎo)體襯底101的預(yù)定區(qū)域上，其中在該預(yù)定區(qū)域中隨后將形成光電二極管區(qū)。
此外，如圖5B所示，在形成有半導(dǎo)體圖案104的半導(dǎo)體襯底101的整個表面上依次沉積柵極絕緣層105和導(dǎo)電層(例如高密度多晶硅層)。
這時，柵極絕緣層105可以通過熱氧化工藝或CVD工藝形成。
然后，選擇性地去除該導(dǎo)電層和柵極絕緣層105以形成柵極106。
柵極106是轉(zhuǎn)移晶體管的柵極。
之后，如圖5C所示，在包括柵極105的半導(dǎo)體襯底101的整個表面上涂布第一光致抗蝕劑膜107，然后通過曝光和顯影工藝選擇性地圖案化第一光致抗蝕劑膜107，從而暴露各光電二極管區(qū)。
此外，利用圖案化的第一光致抗蝕劑膜107作為掩模將低密度第二導(dǎo)電類型(N-型)摻雜劑注入到外延層102，從而在該光電二極管區(qū)形成N-型擴(kuò)散區(qū)108。
然后，如圖5D所示，完全去除第一光致抗蝕劑膜107，然后在包括柵極106的半導(dǎo)體襯底101的整個表面上沉積絕緣層。在這種情況下，對半導(dǎo)體襯底101的整個表面進(jìn)行回蝕刻工藝以在柵極106的兩側(cè)形成側(cè)壁絕緣層109。
接著，在包括柵極106的半導(dǎo)體襯底101的整個表面上涂布第二光致抗蝕劑膜110之后，對第二光致抗蝕劑膜110進(jìn)行曝光和顯影工藝以覆蓋光電二極管區(qū)而暴露各晶體管的源極/漏極區(qū)(即浮置擴(kuò)散區(qū))。
然后，利用圖案化的第二光致抗蝕劑膜110作為掩模將高密度第二導(dǎo)電類型(N+型)摻雜劑注入到暴露的源極/漏極區(qū)，從而形成N+型擴(kuò)散區(qū)(浮置擴(kuò)散區(qū))111。
之后，如圖5E所示，去除第二光致抗蝕劑膜110并且在半導(dǎo)體襯底101的整個表面上涂布第三光致抗蝕劑膜112。在這種情況下，對第三光致抗蝕劑膜110進(jìn)行曝光和顯影工藝，從而圖案化第三光致抗蝕劑膜110以暴露各光電二極管區(qū)。
然后，利用圖案化的第三光致抗蝕劑膜112作為掩模將第一導(dǎo)電類型(P0型)摻雜劑注入到形成有N-型擴(kuò)散區(qū)108的外延層102，從而在外延層102的表面上形成P0型擴(kuò)散區(qū)113。
之后，如圖5F所示，去除第三光致抗蝕劑膜112并且對半導(dǎo)體襯底101進(jìn)行熱處理工藝，從而擴(kuò)展各雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)。
接著，雖然在圖中未示出，但是在上述處理所形成的結(jié)構(gòu)的整個表面上形成多個層間介電層，然后形成濾色鏡層和微透鏡，從而獲得圖像傳感器。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器及其制造方法具有以下優(yōu)點(diǎn)即由于多個半導(dǎo)體圖案以恒定間距形成在半導(dǎo)體襯底的光電二極管區(qū)上，因此可以擴(kuò)大光電二極管的單元面積，從而提高圖像傳感器的光靈敏度和特性。
顯而易見，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作出各種修改和變化。因而，應(yīng)該認(rèn)為本發(fā)明覆蓋了落入所附權(quán)利要求書及其等同方案的范圍內(nèi)的各種修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種CMOS圖像傳感器，包括半導(dǎo)體襯底，其具有有源區(qū)和隔離區(qū)；形成在該有源區(qū)上的光電二極管區(qū)和晶體管區(qū)；多個半導(dǎo)體圖案，其形成在該光電二極管區(qū)上；晶體管，其形成在該晶體管區(qū)上；第一導(dǎo)電類型第一擴(kuò)散區(qū)，其形成在該光電二極管區(qū)上；第導(dǎo)電類型第二擴(kuò)散區(qū)，其形成在該晶體管區(qū)上；以及第二導(dǎo)電類型第三擴(kuò)散區(qū)，其形成在該第一擴(kuò)散區(qū)上。
2.如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述多個半導(dǎo)體圖案具有彼此相同的高度。
3.如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述多個半導(dǎo)體圖案以恒定的間距排列。
4.如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中該晶體管包括轉(zhuǎn)移晶體管。
5.如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中該晶體管包括柵極絕緣層、在該柵極絕緣層上形成的柵極以及在該柵極兩側(cè)形成的側(cè)壁絕緣層。
6.如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述半導(dǎo)體圖案包括第二導(dǎo)電類型外延層。
7.一種CMOS圖像傳感器的制造方法，該方法包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底上形成有源區(qū)和隔離區(qū)；在該有源區(qū)的光電二極管區(qū)上形成多個半導(dǎo)體圖案；在該有源區(qū)的晶體管區(qū)上形成柵極絕緣層和柵極；在該光電二極管區(qū)上形成第一導(dǎo)電類型第一擴(kuò)散區(qū)；在該柵極兩側(cè)上形成側(cè)壁絕緣層；在該晶體管區(qū)上形成第一導(dǎo)電類型第二擴(kuò)散區(qū)；以及在所述第一擴(kuò)散區(qū)上形成第二導(dǎo)電類型第三擴(kuò)散區(qū)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述多個半導(dǎo)體圖案具有彼此相同的高度。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述多個半導(dǎo)體圖案以恒定的間距排列。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述半導(dǎo)體圖案包括第二導(dǎo)電類型外延層。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其中形成所述多個半導(dǎo)體圖案的步驟包括以下子步驟在該光電二極管區(qū)上形成外延層，以及通過光處理和蝕刻處理選擇性地去除該外延層。
全文摘要
本發(fā)明公開CMOS圖像傳感器及其制造方法。該CMOS圖像傳感器包括半導(dǎo)體襯底，其具有有源區(qū)和隔離區(qū)；形成在該有源區(qū)上的光電二極管區(qū)和晶體管區(qū)，其形成在該有源區(qū)上；多個半導(dǎo)體圖案，其形成在該光電二極管區(qū)上；晶體管，其形成在該晶體管區(qū)上；第一導(dǎo)電類型第一擴(kuò)散區(qū)，其形成在該光電二極管區(qū)上；第一導(dǎo)電類型第二擴(kuò)散區(qū)，其形成在該晶體管區(qū)上；以及第二導(dǎo)電類型第三擴(kuò)散區(qū)，其形成在該第一擴(kuò)散區(qū)上。
文檔編號H01L21/822GK1992303SQ200610170110
公開日2007年7月4日 申請日期2006年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月28日
發(fā)明者玄佑碩 申請人:東部電子股份有限公司