專利名稱：圖像傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖像傳感器及其制造方法。
背景技術(shù)：
圖像傳感器是用于將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，其主要?jiǎng)澐譃殡姾神?合圖像傳感器(CCD)和互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器(CIS)。
CMOS圖像傳感器應(yīng)用切換模式來依次檢測(cè)MOS晶體管(其對(duì)應(yīng)于像素?cái)?shù))的輸 出。CMOS技術(shù)可以集成諸如控制電路和信號(hào)處理電路等外圍器件。CMOS圖像傳感器單元 包括光電二極管和多個(gè)MOS晶體管。 圖1是示出現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器的剖面圖。參照?qǐng)Dl，針對(duì)半導(dǎo)體襯底(例如 硅襯底IO)而重復(fù)執(zhí)行離子注入工藝和硅外延生長(zhǎng)工藝。從而分別形成光電二極管22、24 和26以接收紅光、綠光和藍(lán)光。 具體來說，在襯底10中形成用于紅色光電二極管22的離子注入層。然后，在離子 注入層上方形成第一硅外延層12。接著，經(jīng)由離子注入工藝在第一硅外延層12中形成綠色 光電二極管24。另外，在第一硅外延層12的預(yù)定部位形成用以連接紅色光電二極管22的 插塞42。 接著，再次執(zhí)行硅外延生長(zhǎng)工藝以形成第二硅外延層14。在第二硅外延層14中形 成藍(lán)色光電二極管26。另外，在第二硅外延層14中形成用以連接綠色光電二極管24的插 塞46和用以連接紅色光電二極管22的插塞44。在第二硅外延層14上形成多個(gè)用以轉(zhuǎn)換 光電二極管22、24和26中收集的光電荷的MOS晶體管。每個(gè)M0S晶體管都包括柵極30、柵 絕緣層32和間隔件34。 在這樣的CMOS圖像傳感器中，紅色光電二極管22和綠色光電二極管24的面積大 于藍(lán)色光電二極管26的面積。然而，因?yàn)閭鬏斁w管設(shè)置在頂部且藍(lán)色光電二極管26位 于紅色光電二極管24和綠色光電二極管26之上，紅色光電二極管24和綠色光電二極管26 的實(shí)際光接收面積大大減少。 另外，因?yàn)橛糜谔幚戆l(fā)自紅色光電二極管22或綠色光電二極管24的信號(hào)的插塞 42、44和46經(jīng)由離子注入工藝而形成，當(dāng)外界光照射插塞42、44和46時(shí)，在這些插塞之中 可能會(huì)產(chǎn)生信號(hào)噪聲。 另外，為避免紅色、綠色和藍(lán)色光電二極管22、24和26相互干擾，紅色、綠色和藍(lán) 色光電二極管22、24和26必須相互分離。因此，必須在每一個(gè)外延層中形成額外的離子注 入層以相互隔離紅色、綠色和藍(lán)色光電二極管22、24和26。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種圖像傳感器及其制造方法。本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種
具有使用光反射的結(jié)構(gòu)的圖像傳感器及其制作方法。另外，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種圖像
傳感器及其制作方法，其中，CM0S圖像傳感器的制造工藝可以被簡(jiǎn)化，光接收面積可以最大
4化，并且可以很容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)襯底表面與光電二極管之間的距離控制。 根據(jù)本實(shí)施例的圖像傳感器，可包括半導(dǎo)體襯底，該半導(dǎo)體襯底限定了溝槽；第 一反射部，形成在溝槽中并具有傾斜曲面；第二反射部，形成在第一反射部上方，使得溝槽 的剩余空間由第二反射部填充；以及垂直型光電二極管，形成在襯底的鄰近溝槽的區(qū)域中。
根據(jù)本實(shí)施例的制造圖像傳感器的方法，可包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底中形成 溝槽；在溝槽中形成具有傾斜曲面的第一反射部；在第一反射部上方形成第二反射部，使 得溝槽的剩余空間由第二反射部填充；以及在襯底的鄰近溝槽的區(qū)域上形成垂直型光電二 極管。 本發(fā)明能夠擴(kuò)大光電二極管的光接收面積，使得光電二極管的光轉(zhuǎn)換效率得以最 大化。本發(fā)明還能夠防止結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的插塞所造成的信號(hào)噪聲，并能改善圖像傳感器的 性能。


示例性圖1是示出現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器的剖面圖。 示例性圖2是示出根據(jù)實(shí)施例的圖像傳感器的結(jié)構(gòu)的平面圖。 示例性圖3是沿示例性圖2中A-A'線的圖像傳感器的側(cè)剖面圖。 示例性圖4是示出在根據(jù)實(shí)施例的半導(dǎo)體襯底中形成的溝槽的側(cè)剖面圖。 示例性圖5是示出根據(jù)實(shí)施例的半導(dǎo)體襯底中的由第一材料溶液填充的溝槽的
側(cè)剖面圖。 示例性圖6是示出根據(jù)實(shí)施例的被傾斜的半導(dǎo)體襯底的側(cè)剖面圖。 示例性圖7是示出根據(jù)實(shí)施例的形成光電二極管后的圖像傳感器的配置的側(cè)剖面圖。 示例性圖8是示出根據(jù)實(shí)施例的形成隔離層后的圖像傳感器的配置的側(cè)剖面圖。
具體實(shí)施例方式
示例性圖2是示出根據(jù)實(shí)施例的圖像傳感器的結(jié)構(gòu)的平面圖。示例性圖3是沿示 例性圖2中A-A'線的圖像傳感器的側(cè)剖面圖。根據(jù)實(shí)施例所述的圖像傳感器通過利用反 射區(qū)(第二材料層)110的全反射功能可以改善光接收效率，這將在后面結(jié)合示例性圖3至 圖8來加以描述。這種全反射結(jié)構(gòu)可方便其他組件的位置調(diào)整。 參照示例性圖2和圖3，從其平面圖來看，可在襯底中反射區(qū)110右側(cè)形成光電二 極管120和傳輸晶體管的柵極141。另外，可在襯底中反射區(qū)110下方形成多個(gè)晶體管142、 143和144及浮置擴(kuò)散區(qū)145。晶體管142、 143和144包括選擇晶體管142、存取晶體管143 和復(fù)位晶體管144。 如示例性圖3所示，可在傳輸晶體管的柵極141 一側(cè)形成光電二極管120，且可在 柵極141的另一側(cè)形成浮置擴(kuò)散區(qū)145。傳輸晶體管將產(chǎn)生于光電二極管120的電信號(hào)加 以積聚。浮置擴(kuò)散層145存儲(chǔ)在傳輸晶體管中積聚的電信號(hào)，復(fù)位晶體管144將功率施加 至浮置擴(kuò)散層145。 另外，由于電信號(hào)被存儲(chǔ)在浮置擴(kuò)散層145中，因此可改變柵極電勢(shì)，從而所述存 取晶體管143施加電信號(hào)。這時(shí)，選擇晶體管142輸出自存取晶體管143施加的電信號(hào)。
在下文中，將結(jié)合示例性圖4至圖8來描述根據(jù)實(shí)施例的制造圖像傳感器的方法。 示例性圖4至圖8是沿示例性圖2中B-B'線的圖像傳感器的側(cè)剖面圖。示例性圖4是示 出在根據(jù)實(shí)施例的半導(dǎo)體襯底100中形成的溝槽T的側(cè)剖面圖。 參考示例性圖4，可在半導(dǎo)體襯底100(例如硅晶片)中形成溝槽T。具體而言，可 在半導(dǎo)體襯底的P型外延層(稍后可在此形成光電二極管110)中以預(yù)定深度(例如0.5 至2.0ym)形成溝槽T。溝槽T可經(jīng)由干法蝕刻工藝而形成。在實(shí)施例中，每個(gè)溝槽T都可 以呈正方形，以使稍后形成的反射層的區(qū)域最大化?？稍诮橛跍喜跿之間的區(qū)域處形成光 電二級(jí)管、隔離層和傳輸晶體管的柵極141。 示例性圖5是示出根據(jù)實(shí)施例的半導(dǎo)體襯底100的由第一材料溶液105a填充的 溝槽T的側(cè)剖面圖。第一材料溶液105a可經(jīng)由旋涂法來置于溝槽T中，使得第一材料溶液 105a的液面不超過溝槽T深度的一半。 示例性圖6是示出根據(jù)實(shí)施例的被傾斜的半導(dǎo)體襯底100的側(cè)剖面圖。在第一材 料溶液105a被置于溝槽T中后，可以預(yù)定角度(即大約5至7(T的范圍)傾斜半導(dǎo)體襯 底IOO，使得第一材料溶液105a沿溝槽T的傾斜方向保持水平。根據(jù)實(shí)施例，溝槽T具有矩 形形狀，因此當(dāng)半導(dǎo)體襯底100如示例性圖6所示以約45°的角度傾斜時(shí)，第一材料溶液 105a可以沿溝槽T的傾斜方向保持水平。當(dāng)半導(dǎo)體襯底處于傾斜位置，可執(zhí)行烘焙工藝以 對(duì)第一材料溶液105a進(jìn)行固化(cure)。這樣就能形成第一反射區(qū)105(參見示例性圖7)。
第一材料溶液105a例如可包括呈液相的PAE(聚亞芳基醚(Poly AryleneEther)) 和聚酰亞胺至少之一。如示例性圖6所示，在固化工藝期間，第一材料溶液105a的表面可 能會(huì)由于所述第一材料溶液105a中的表面張力而下凹。在對(duì)第一材料溶液105a進(jìn)行固化 之后，半導(dǎo)體襯底IOO可返回其原來的位置。換句話說，可將半導(dǎo)體襯底IOO再次水平設(shè)置 以進(jìn)行后續(xù)工藝。 示例性圖7是示出根據(jù)實(shí)施例的形成光電二極管120后的圖像傳感器的配置的側(cè) 剖面圖。如果已經(jīng)形成第一材料溶液，可將第二材料溶液置于溝槽T的剩余空間中，然后可 對(duì)第二材料溶液進(jìn)行固化以形成第二反射區(qū)110。 第二材料溶液可具有大于第一材料溶液的折射率，并且可包括Si02。第二材料溶 液可經(jīng)由旋涂工藝而填充于溝槽T中。 不同于第一反射層105，第二反射區(qū)110不需要具有凹反射表面，所以第二反射區(qū) 110可經(jīng)由CVD(化學(xué)氣相沉積)工藝形成，不需要執(zhí)行液體涂敷和固化工藝。
如果第一反射區(qū)105包括PAE或者聚酰亞胺，而第二反射區(qū)110包括Si(^，則第一 反射區(qū)105的折射率大約是第二反射區(qū)110的折射率的80%。在此情形下，入射到溝槽T 頂面之上的光穿過具有更高折射率的第二反射區(qū)IIO，并全部被反射為朝向溝槽T(其形成 在光電二極管120附近)的側(cè)壁，而不會(huì)穿過第一反射區(qū)105。 如果已經(jīng)形成第二反射區(qū)110，可執(zhí)行光致抗蝕劑涂敷工藝、標(biāo)線片(reticle)對(duì) 準(zhǔn)工藝以及曝光和顯影工藝，由此形成部分暴露了介于溝槽T之間的襯底的第一光致抗蝕 劑圖案115?？稍诎雽?dǎo)體襯底100的被第一光致抗蝕劑圖案115暴露的區(qū)域中形成光電二 極管。 然后，通過使用第一光致抗蝕劑圖案115作為掩模，可執(zhí)行第一離子注入工藝，由 此形成光電二極管120。例如，在第一離子注入工藝期間，在提供15KeV至1500KeV的離子
6注入能量的同時(shí)，可以約1. 0 x 10"atom/cm2至1. 0 x 1014atom/cm2的比率、約0至10°的 注入角度來注入離子(例如為As或者P)。在形成光電二極管120后，可移除光致抗蝕劑圖 案115。 示例性圖8是示出根據(jù)實(shí)施例的形成隔離層130后的圖像傳感器的配置的側(cè)剖面 圖。如示例性圖8所示，可通過光致抗蝕劑涂敷工藝、標(biāo)線片對(duì)準(zhǔn)工藝以及曝光和顯影工藝 形成限定了隔離層130的第二光致抗蝕劑圖案125。 可在半導(dǎo)體襯底100的介于溝槽T之間的區(qū)域上方部分形成第二光致抗蝕劑圖案 125，以部分暴露鄰近溝槽T的半導(dǎo)體襯底100的兩側(cè)。然后，通過執(zhí)行使用第二光致抗蝕 劑圖案125作為掩模的第二離子注入工藝，可形成隔離層130。 例如，在第二離子注入工藝期間，在提供15KeV至500KeV的離子注入能量的同時(shí)， 可以約1. 0 x 10"atom/cm2至1. 0 x 1013atom/cm2的比率來注入離子(例如B或BF2)。總 的來說，如果N型光電二極管與存在于溝槽T的側(cè)壁中的缺陷相接觸，就會(huì)出現(xiàn)噪聲并產(chǎn)生 泄露電流。為防止噪聲，溝槽T的側(cè)壁必須與光電二極管120隔開預(yù)定距離。這個(gè)距離在 制造微型圖像傳感器時(shí)會(huì)成為局限。然而，根據(jù)實(shí)施例，隔離層130可以將溝槽T的側(cè)壁與 光電二極管120隔開，因此可將半導(dǎo)體襯底100的介于溝槽T之間的區(qū)域?qū)挾葴p至小。在 隔離層130形成之后，可移除第二光致抗蝕劑圖案125。 與此同時(shí)，選擇晶體管142、存取晶體管143、傳輸晶體管141和復(fù)位晶體管144可
具有基本相同的結(jié)構(gòu)。在下文中將結(jié)合示例性圖2來對(duì)以上晶體管做概要描述。 在半導(dǎo)體襯底100中，溝槽形成于反射區(qū)110的下方并有氧化物填充其中，由此形
成限定了晶體管區(qū)的多個(gè)隔離區(qū)。然后，可在半導(dǎo)體襯底ioo上方沉積絕緣層和多晶硅層，
并且通過使用光致抗蝕劑圖案作為掩模來蝕刻所得到的結(jié)構(gòu)，由此而形成構(gòu)成晶體管的柵
極絕緣層和柵電極。例如，晶體管142、 143、 144和141可被實(shí)現(xiàn)為MOS晶體管。另外，還可
形成間隔件、LDD區(qū)域和源極/漏極區(qū)。 然后，可形成暴露了晶體管142、143、144和141的側(cè)方區(qū)域的光致抗蝕劑圖案，所 述晶體管142、 143、 144和141位于介于反射區(qū)110之間的襯底中。通過使用光致抗蝕劑圖 案作為掩模，可執(zhí)行離子注入工藝，由此形成浮置擴(kuò)散層145。 接下來，可執(zhí)行金屬互連工藝?？稍诎雽?dǎo)體襯底上方、以及在光電二極管120除反 射區(qū)110之外的區(qū)域上方形成金屬互連。因此，入射至半導(dǎo)體襯底100中的光大部分被該 金屬互連阻擋。也就是說，所述光可以僅僅通過反射區(qū)iio而入射至半導(dǎo)體襯底中。
換句話說，當(dāng)光垂直入射至半導(dǎo)體襯底100的表面時(shí)，反射區(qū)110對(duì)所述光進(jìn)行水 平反射，使得反射光被收集到光電二極管120中。因此，光電二極管120產(chǎn)生傳輸至傳輸晶 體管的柵極的電信號(hào)。 參照示例性圖2，以成對(duì)的方式制備兩個(gè)反射區(qū)110、兩個(gè)光電二極管120和兩個(gè) 傳輸晶體管柵極141，從而構(gòu)成一個(gè)單元像素，其中，兩個(gè)傳輸晶體管柵極141共享在傳輸 晶體管柵極141下方形成的浮置擴(kuò)散層145。 自兩個(gè)光電二極管120產(chǎn)生的信號(hào)由晶體管142、143和144以預(yù)定時(shí)間間隔進(jìn)行 交替采樣。根據(jù)選擇晶體管142的控制信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)這種采樣操作。
本發(fā)明的實(shí)施例至少具有以下優(yōu)點(diǎn)。首先，這些實(shí)施例可以提供具有使用光反射 的新結(jié)構(gòu)的圖像傳感器及其制作方法。第二，入射至圖像傳感器中的光從反射區(qū)的凹面以
75至70°范圍內(nèi)的多個(gè)不同角度進(jìn)行反射，使得所述光能被收集至光電二極管中。由此，就 能安裝用來阻擋位于光電二極管上方的光的障礙物，且有利于實(shí)現(xiàn)具有堆疊結(jié)構(gòu)的器件。
第三，能夠擴(kuò)大光電二極管的光接收面積，使得光電二極管的光轉(zhuǎn)換效率得以最 大化。另外，不需要通過復(fù)雜的離子注入工藝來形成將光電二極管電連接至晶體管的插塞。 第四，因?yàn)椴迦哂泻?jiǎn)單結(jié)構(gòu)，就能防止結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的插塞所造成的信號(hào)噪聲，并能改善 圖像傳感器的性能。 第五，通過使用隔離層，可對(duì)光反射表面與光電二極管之間的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此 圖像傳感器的尺寸得以最小化，而且與通過調(diào)節(jié)注入能量來控制光電二極管在襯底上的位 置的現(xiàn)有技術(shù)相比，每個(gè)層的位置都可以得到精確控制。 對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯然可以對(duì)所公開的實(shí)施例進(jìn)行各種改進(jìn)和變化。 因此，本發(fā)明所公開的實(shí)施例旨在涵蓋這些顯而易見的改進(jìn)和變化，只要它們落入所附權(quán) 利要求及其等同物的范圍內(nèi)即可。
8
權(quán)利要求
一種方法，包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底中形成溝槽；在所述溝槽中形成具有傾斜曲面的第一反射部；在所述第一反射部上方形成第二反射部，使得所述溝槽的剩余空間由所述第二反射部填充；以及在所述襯底的鄰近溝槽的區(qū)域上形成垂直型光電二極管。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述溝槽形成于P型外延層中，所述光電二極管 也形成于所述P型外延層中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，形成所述第一反射部的步驟包括 在所述溝槽中填充第一材料溶液；傾斜所述半導(dǎo)體襯底，使得所述第一材料溶液的表面沿所述溝槽的壁的對(duì)角線方向延 伸；以及固化所述第一材料溶液，由此獲得所述第一反射部。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，形成所述第二反射部的步驟包括 在所述溝槽的位于所述第一反射部上方的剩余空間中填充第二材料溶液；以及 固化所述第二材料溶液，由此獲得所述第二反射部。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述光電二極管的步驟包括 形成暴露了所述半導(dǎo)體襯底的介于所述溝槽之間的中心區(qū)域的第一光致抗蝕劑圖案；通過使用所述第一光致抗蝕劑圖案作為掩模而執(zhí)行第一離子注入工藝，形成所述光電 二極管；以及移除所述第一光致抗蝕劑圖案。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟在包括所述第一反射部和第二反射部的反射區(qū)的第一橫側(cè)形成傳輸晶體管的柵極，使 得所述傳輸晶體管的柵極連接至形成于所述反射區(qū)第一橫側(cè)的所述光電二極管；在所述反射區(qū)的第二橫側(cè)形成多個(gè)晶體管，其中，所述第二橫側(cè)鄰近形成所述光電二 極管的第一橫側(cè)；以及在所述半導(dǎo)體襯底的介于所述晶體管和所述柵極之間的區(qū)域上形成浮置擴(kuò)散層。
7. —種圖像傳感器，包括 半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底限定了溝槽；第一反射部，形成在所述溝槽中，且所述第一反射部具有傾斜曲面；第二反射部，形成在所述第一反射部上方，使得所述溝槽的剩余空間由所述第二反射 部填充；以及垂直型光電二極管，形成在所述襯底的鄰近所述溝槽的區(qū)域中。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的圖像傳感器，還包括傳輸晶體管的柵極，形成在包括所述第一反射部和第二反射部的反射區(qū)的第一外側(cè)， 使得所述傳輸晶體管的柵極連接至形成于所述反射區(qū)的第一橫側(cè)的所述光電二極管；多個(gè)晶體管，設(shè)置在所述反射區(qū)的第二橫側(cè)，其中，所述第二橫側(cè)鄰近形成所述光電二 極管的第一橫側(cè)；以及浮置擴(kuò)散層，形成在所述半導(dǎo)體襯底的介于所述晶體管和所述柵極之間的區(qū)域上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的圖像傳感器，其中，兩個(gè)反射區(qū)、兩個(gè)光電二極管和兩個(gè)傳輸晶體管被設(shè)置為構(gòu)成一個(gè)單元像素，且所述兩個(gè)傳輸晶體管的柵極共享形成于所述傳輸晶 體管的柵極下方的浮置擴(kuò)散層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的圖像傳感器，其中，所述晶體管以預(yù)定的時(shí)間間隔對(duì)從所述 兩個(gè)光電二極管產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行交替采樣。
全文摘要
一種圖像傳感器及其制造方法，該圖像傳感器包括溝槽，形成在半導(dǎo)體襯底中；第一反射部，形成在該溝槽中并具有傾斜曲面；第二反射部，形成在第一反射部上，使得溝槽的剩余空間由該第二反射部填充；以及垂直型光電二極管，形成在襯底的介于溝槽之間的區(qū)域上。所述制造圖像傳感器的方法包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底中形成溝槽；在溝槽中形成具有傾斜曲面的第一反射部；在第一反射部上形成第二反射部；使得溝槽的剩余空間由第二反射部填充；以及在襯底的介于溝槽之間的區(qū)域上形成垂直型光電二極管。本發(fā)明能夠擴(kuò)大光電二極管的光接收面積，使得光電二極管的光轉(zhuǎn)換效率得以最大化。
文檔編號(hào)H01L21/8234GK101764093SQ200910225020
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2009年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月24日
發(fā)明者樸正秀 申請(qǐng)人:東部高科股份有限公司