專利名稱：制造cmos圖像傳感器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器，更具體地，本發(fā)明涉及一種用于制造CMOS圖像傳感器的方法，其通過減小晶體管的關(guān)態(tài)電流(off-current)，改善圖像特性。
背景技術(shù)：
CMOS圖像傳感器是一種采用使用控制電路、信號處理電路等作為外圍電路的CMOS技術(shù)，并在半導(dǎo)體襯底上形成對應(yīng)于單位像素數(shù)量的MOS晶體管，以使用轉(zhuǎn)換方法檢測各個像素的電信號。即，CMOS圖像傳感器的每個像素均包括光電二極管和MOS晶體管。因此，在轉(zhuǎn)換方法中，電信號從各個像素順序輸出，以顯示圖像。
由于CMOS圖像傳感器使用CMOS制造技術(shù)，CMOS圖像傳感器具有低功耗的優(yōu)點，并具有通過更少照相處理步驟制造方法簡單的優(yōu)點。在CMOS圖像傳感器中，控制電路、信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換器電路等能夠被集成在CMOS圖像傳感器芯片中，從而使產(chǎn)品能夠以緊湊的尺寸制造。因此，CMOS圖像傳感器目前廣泛應(yīng)用在諸如數(shù)字照相機和數(shù)字?jǐn)z像機的多種實用技術(shù)中。
同時，根據(jù)晶體管的數(shù)量，將CMOS圖像傳感器分為3T-型、4T-型、和5T-型，其中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。
在下文中，根據(jù)相關(guān)技術(shù)的3T-型CMOS圖像傳感器的等效電路和布局圖將描述如下。
圖1是根據(jù)相關(guān)技術(shù)的3T-型CMOS圖像傳感器的等效電路圖。圖2是根據(jù)相關(guān)技術(shù)的3T-型CMOS圖像傳感器中的一個像素的布局圖。
如圖1所示，根據(jù)相關(guān)技術(shù)的3T-型CMOS圖像傳感器的一個單位像素包括一個光電二極管PD和三個nMOS晶體管T1、T2和T3。
光電二極管PD的陰極與第一nMOS晶體管T1的漏極和第二nMOS晶體管T2的柵極連接。
此外，第一和第二nMOS晶體管T1和T2的源極與用于接收參考電壓VR的電源線連接。第一nMOS晶體管T1的柵極與用于接收復(fù)位信號RST的復(fù)位線連接。
第三nMOS晶體管T3的源極與第二nMOS晶體管的漏極連接，第三nMOS晶體管T3的漏極經(jīng)信號線與讀取電路(未示出)連接。此外，第三nMOS晶體管T3的柵極與用于接收選擇信號SLCT的選擇線連接。
此時，第一nMOS晶體管T1作為用于使光電二極管PD中收集的光學(xué)電荷復(fù)位的復(fù)位晶體管Rx。而且，第二nMOS晶體管T2是用作源跟隨器緩存放大器的驅(qū)動晶體管Dx。第三nMOS晶體管T3是能夠通過轉(zhuǎn)換來尋址信號的選擇晶體管Sx。
同時，包括光電二極管PD的復(fù)位晶體管Rx的預(yù)定部分對應(yīng)于非自對準(zhǔn)金屬硅化物區(qū)(non-salicide area)，復(fù)位晶體管Rx的其余部分對應(yīng)于自對準(zhǔn)金屬硅化物區(qū)(salicide area)。
如圖2所示，在3T-型CMOS圖像傳感器的單位像素中，限定有源區(qū)10。因此，一個光電二極管20形成在有源區(qū)10的大尺寸部分中。此外，三個晶體管的各個柵電極30、40和50由有源區(qū)10的其余部分覆蓋。
更確切地說，復(fù)位晶體管Rx由柵電極30形成，驅(qū)動晶體管Dx由柵電極40形成，而選擇晶體管Sx由柵電極50形成。在這種情況下，雜質(zhì)離子被注入除柵電極30、40和50下面部分之外的各個晶體管的有源區(qū)10，從而形成各個晶體管中的源極區(qū)和漏極區(qū)。
因此，電壓Vdd被施加到在復(fù)位晶體管Rx和驅(qū)動晶體管Dx之間的源極區(qū)和漏極區(qū)。此外，設(shè)置在選擇晶體管Sx一側(cè)的源極區(qū)和漏極區(qū)與讀取電路連接(未示出)。
雖然未示出，各個柵電極30、40和50均與信號線連接。信號線的每一端均具有與外部驅(qū)動電路連接的焊盤(pad)。
圖3是沿圖2的直線A-A′的橫截面視圖，示出了當(dāng)根據(jù)相關(guān)技術(shù)制造CMOS圖像傳感器時，在晶體管的源極區(qū)和漏極區(qū)中形成高摻雜的n+型擴散區(qū)的方法。
如圖3所示，為了覆蓋裝置絕緣層63、光電二極管的輕摻雜的n-型擴散區(qū)69、柵電極65、并使晶體管的源極區(qū)和漏極區(qū)暴露，在使用圖案化的光刻膠71作為掩模的狀態(tài)下，高摻雜的n+型雜質(zhì)離子被注入源極和漏極區(qū)的暴露部分，從而形成高摻雜的n+型擴散區(qū)72。在圖3中，未說明的參考標(biāo)號62代表在高摻雜的P++型半導(dǎo)體襯底61中形成的輕摻雜的p-型外延層；未說明的參考標(biāo)號64代表柵極絕緣層，未說明的參考標(biāo)號67代表在每個源極和漏極區(qū)中形成的輕摻雜的n-u型擴散區(qū)。
然而，根據(jù)相關(guān)技術(shù)制造CMOS圖像傳感器的方法具有如下缺點。
在普通CMOS圖像傳感器中，單位像素的三個晶體管是用于傳送光電二極管的信號的電路。如果關(guān)態(tài)電流很大，可以導(dǎo)致傳感圖像中的缺陷。
當(dāng)形成n+型源極和漏極區(qū)時，雜質(zhì)離子可以被注入柵電極的下側(cè)，從而可以產(chǎn)生關(guān)態(tài)電流。
更確切地說，柵電極由多晶硅形成。在多晶硅的晶體結(jié)構(gòu)中，原子規(guī)則地排列成三維結(jié)構(gòu)。當(dāng)將雜質(zhì)離子向預(yù)定方向注入時，會產(chǎn)生溝道效應(yīng)。因此，雜質(zhì)離子可以被注入晶體管的溝道下側(cè)。更確切地說，由于不期望的離子注入，溝道門限電壓VT會降低，從而關(guān)態(tài)電流會增加。
特別地，由于溝道效應(yīng)會隨意產(chǎn)生，可能導(dǎo)致在整個像素陣中需要晶體管具有Vt、Idsat和Ioff的均勻特性的圖像傳感器的嚴(yán)重問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提出了一種用于制造CMOS圖像傳感器的方法，其基本上消除了由于相關(guān)技術(shù)的限制和缺點導(dǎo)致的一個或多個問題。
本發(fā)明的一個目標(biāo)在于提供一種制造CMOS圖像傳感器的方法，其通過防止在形成源極和漏極區(qū)的離子注入過程中雜質(zhì)離子被注入柵電極的下側(cè)，可減小關(guān)態(tài)電流。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)在于提供一種制造CMOS圖像傳感器的方法，其中，當(dāng)將雜質(zhì)離子注入源極和漏極區(qū)時，在包括柵電極的硅襯底表面上形成的非晶體層(amorphous layer)被用作屏蔽層，以最小化溝道效應(yīng)并減小關(guān)態(tài)電流。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)在于提供一種用于制造CMOS圖像傳感器的方法，其中，當(dāng)將雜質(zhì)離子注入源極和漏極區(qū)時，在包括柵電極的硅襯底表面上形成的基于TEOS的氧化物層被用作屏蔽氧化物，可以減小關(guān)態(tài)電流，并防止甚至在低溫時設(shè)備特性的變化。
本發(fā)明的其它方面、目標(biāo)和特性將在下面描述，部分在隨后檢驗時對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得明顯，或通過實現(xiàn)本發(fā)明而了解。通過在說明書和權(quán)利要求以及附圖中特別指出的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)和獲得本發(fā)明的目標(biāo)和其它優(yōu)點。
為實現(xiàn)這些目標(biāo)和其它優(yōu)點，根據(jù)本發(fā)明的目的，在此舉例和概括描述了一種用于制造CMOS圖像傳感器的方法，包括在包括光電二極管區(qū)和晶體管區(qū)的第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的晶體管區(qū)上形成柵電極；在光電二極管區(qū)和晶體管區(qū)中的柵電極的兩側(cè)分別形成輕摻雜的第二導(dǎo)電型擴散區(qū)；在包括柵電極的半導(dǎo)體襯底的整個表面上形成屏蔽層；形成光刻膠圖案，以覆蓋光電二極管區(qū)和柵電極；使用光刻膠圖案作為掩模，通過將高密度的第二導(dǎo)電型雜質(zhì)離子注入半導(dǎo)體襯底的整個表面，形成高摻雜的第二導(dǎo)電型擴散區(qū)；以及，去除光刻膠圖案和氧化物層。
應(yīng)該理解，本發(fā)明的以上概括描述和以下詳細(xì)描述均是示例性和說明性的，為了提供所要求的本發(fā)明的進一步說明。


附圖用于進一步解釋本發(fā)明，結(jié)合到本申請中并構(gòu)成本申請的一部分，示出了本發(fā)明的實施例，并與說明書一起用于說明本發(fā)明的原理。在附圖中圖1是根據(jù)相關(guān)技術(shù)的CMOS圖像傳感器中的一個像素的等效電路圖；圖2是根據(jù)相關(guān)技術(shù)的CMOS圖像傳感器中的一個像素的布局圖；圖3是沿圖2的直線A-A′的橫截面視圖，示出當(dāng)根據(jù)相關(guān)技術(shù)制造CMOS圖像傳感器時，在晶體管的源極和漏極區(qū)中形成高摻雜的n+型擴散區(qū)的過程；圖4A至圖4E是用于制造根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的方法的橫截面視圖；以及圖5是將根據(jù)相關(guān)技術(shù)和根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器中的關(guān)態(tài)電流特性進行比較的模擬結(jié)果。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細(xì)描述，其實例在附圖中示出。如果可能，在所有附圖中，相同的參考標(biāo)號將用于指示相同或相似的部件。
在下文中，將參照附圖進行描述用于制造根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的方法。
圖4A至圖4E是用于制造根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的方法的沿圖2的直線A-A′的橫截面視圖。
如圖4A所示，通過外延處理，在半導(dǎo)體襯底101中形成輕摻雜的第一導(dǎo)電型(P-型)外延層102，其中，半導(dǎo)體襯底101由高摻雜的第一導(dǎo)電型(P++型)硅形成。此時，外延層102在光電二極管中具有大的和深的耗盡區(qū)，以提高用于收集電荷的低電壓光電二極管的容量，并且改善光敏性。
因此，在包括外延層102的半導(dǎo)體襯底101中形成STI層103，用于裝置的隔離。
雖然未示出，以下將描述形成STI層103的方法。
首先，墊氧化物層(pad oxide layer)、墊氮化物層和TEOS(四乙基硅酸鹽)氧化物層被順序形成在半導(dǎo)體襯底上。然后，在TEOS氧化物層上形成光刻膠。
此后，利用用于限定有源區(qū)和STI區(qū)的掩模，通過曝光和顯影使光刻膠圖案化。在這種情況下，與STI區(qū)對應(yīng)的光刻膠被去除。
然后，使用圖案化的光刻膠作為掩模，墊氧化物層、墊氮化物層和TEOS氧化物層被從STI區(qū)去除。
利用圖案化的墊氧化物層、墊氮化物層和TEOS氧化物層作為掩模，對應(yīng)于STI區(qū)的半導(dǎo)體襯底被蝕刻預(yù)定深度，從而形成溝槽。此后，光刻膠被完全去除。
然后，犧牲氧化物層很薄地形成在包括溝槽的半導(dǎo)體襯底的整個表面上，形成O3TEOS層以填充溝槽。此時，在溝槽的內(nèi)側(cè)壁處形成犧牲氧化物層。在1000℃的溫度以上形成O3TEOS層。
隨后，對半導(dǎo)體襯底的整個表面進行CMP(化學(xué)機械拋光)處理，由此使O3TEOS層留在溝槽中，從而在溝槽中形成STI層103。然后，去除墊氧化物層、墊氮化物層和TEOS氧化物層。
此后，柵電極絕緣層104和導(dǎo)電層(例如，高摻雜的多晶硅層)被順序形成在包括STI層103的外延層102的整個表面上，然后被選擇性地去除，從而在每個晶體管中形成柵電極105。在這種情況下，柵絕緣層104可以用熱氧化物處理或利用CVD方法形成。
如圖4B所示，第一光刻膠106被覆蓋在包括柵電極105的半導(dǎo)體襯底101的整個表面上，對涂敷的第一光刻膠106執(zhí)行曝光和顯影處理。這樣，第一光刻膠圖案化，以覆蓋光電二極管，并使每個晶體管的源極和漏極區(qū)暴露。
使用圖案化的第一光刻膠106作為掩模，第二導(dǎo)電型(n-型)雜質(zhì)離子被注入到暴露的源極和漏極區(qū)，從而形成輕摻雜的n-型擴散區(qū)107。
如圖4C所示，在完全去除第一光刻膠106后，第二光刻膠108被涂敷在半導(dǎo)體襯底101的整個表面上，且然后被圖案化，以通過曝光和顯影暴露光電二極管。使用圖案化的第二光刻膠108作為掩模，第二導(dǎo)電型(n-型)雜質(zhì)離子被注入到外延層102，從而在光電二極管中形成輕摻雜的n-型擴散區(qū)109。此時，用于形成光電二極管的輕摻雜的n-型擴散區(qū)109的處理的離子注入能量高于用于形成源極和漏極區(qū)的輕摻雜的n-型擴散區(qū)107的處理的離子注入能量。因此，光電二極管的輕摻雜的n-型擴散區(qū)109比源極和漏極區(qū)的輕摻雜的n-型擴散區(qū)107更深且更大。
如圖4D所示，在完全去除第二光刻膠108后，在半導(dǎo)體襯底101的整個表面上形成絕緣層，然后對絕緣層執(zhí)行溝道腐蝕處理(etch-back process)。這樣，絕緣側(cè)壁110在柵電極105的兩側(cè)形成。
因此，TEOS型的氧化物層111在包括柵電極105和絕緣側(cè)壁110的半導(dǎo)體襯底101的整個表面上形成100±30的厚度。提供氧化物層111以防止在低溫時器件特性的變化，并改善器件特性。
然后，第三光刻膠112被涂敷在包括氧化物層111的半導(dǎo)體襯底61的整個表面上，然后被圖案化，以覆蓋光電二極管區(qū)和柵電極105，并通過曝光和顯影暴露每個晶體管中的源極和漏極區(qū)。
使用圖案化的第三光刻膠112作為掩模，高密度的n+型雜質(zhì)離子被注入曝光的源極和漏極區(qū)，從而形成高摻雜的n+型擴散區(qū)113。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明形成高摻雜的n+型擴散區(qū)113時，與相關(guān)技術(shù)相比，離子注入能量變得更高。更確切地說，在根據(jù)相關(guān)技術(shù)形成高摻雜的n+型擴散區(qū)的情況下，離子注入能量保持在約60KeV。同時，在根據(jù)本發(fā)明形成高摻雜的n+型擴散區(qū)的情況下，離子注入能量保持在約80KeV。
如圖4E所示，在去除第三光刻膠112后，利用各向同性濕蝕刻法(isotropic wet-etching method)去除氧化物層111。然后，對半導(dǎo)體襯底101有選擇地執(zhí)行自對準(zhǔn)金屬硅化物處理。這樣，對應(yīng)于柵電極105和高摻雜的n+型擴散區(qū)113，在半導(dǎo)體襯底101的表面上有選擇地形成自對準(zhǔn)金屬硅化物層114。
圖5是將根據(jù)相關(guān)技術(shù)(#22和#23)和根據(jù)本發(fā)明(#24和#25)的CMOS圖像傳感器中的關(guān)態(tài)電流特性進行比較的實驗的模擬結(jié)果。
如圖5所示，在用于形成CMOS圖像傳感器(#22和#23)的相關(guān)技術(shù)方法和用于形成根據(jù)本發(fā)明(#24和#25)的CMOS圖像傳感器的方法之間，關(guān)態(tài)電流特征存在差別，其中，在注入雜質(zhì)離子前，形成厚度約為100的氧化物層，用于形成源極和漏極區(qū)。
在圖5中，根據(jù)相關(guān)技術(shù)和本發(fā)明，在用于具有232*40陣列的晶體管圖案的CMOS圖像傳感器的相同條件下，測量晶體管的關(guān)態(tài)電流。
在根據(jù)相關(guān)技術(shù)(#22and#23)的CMOS圖像傳感器的情況下，關(guān)態(tài)電流隨著溝道概率(channeling probability)的增加而增加，而關(guān)態(tài)電流值在1E-8和E-6的范圍內(nèi)不均勻。因此，在相關(guān)技術(shù)中，不可能保持均勻的關(guān)態(tài)電流。同時，在根據(jù)本發(fā)明(#24和#25)的CMOS圖像傳感器的情況下，保持1E-8的均勻關(guān)態(tài)電流值。并且，當(dāng)溝道概率高時，由根據(jù)本發(fā)明的方法制造的CMOS圖像傳感器的關(guān)態(tài)電流值低于由根據(jù)相關(guān)技術(shù)的方法制造的CMOS圖像傳感器的關(guān)態(tài)電流值。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明制造CMOS圖像傳感器的方法具有如下優(yōu)點。
在根據(jù)本發(fā)明的用于制造CMOS圖像傳感器的方法中，為了形成源極和漏極區(qū)，在注入高摻雜的n+型雜質(zhì)離子前，在半導(dǎo)體襯底的整個表面上形成氧化物層，這樣，就可以防止高摻雜的n+型雜質(zhì)離子滲透到柵電極的下側(cè)，從而減小了晶體管的關(guān)態(tài)電流。此外，可以防止設(shè)備特性隨著溫度變化而變化。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于制造CMOS圖像傳感器的方法，包括在包括光電二極管區(qū)和晶體管區(qū)的第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的晶體管區(qū)上形成柵電極；在所述光電二極管區(qū)和所述晶體管區(qū)中的所述柵電極兩側(cè)分別形成輕摻雜的第二導(dǎo)電型擴散區(qū)；在包括所述柵電極的所述半導(dǎo)體襯底的整個表面上形成屏蔽層；形成光刻膠圖案，以覆蓋所述光電二極管區(qū)和所述柵電極；使用光刻膠圖案作為掩模，通過將高密度的第二導(dǎo)電型雜質(zhì)離子注入所述半導(dǎo)體襯底的整個表面，形成高摻雜的第二導(dǎo)電型擴散區(qū)；以及去除所述光刻膠圖案和所述氧化物層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述屏蔽層由基于TEOS的氧化物材料形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述屏蔽層包括非晶體層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述光電二極管區(qū)的所述輕摻雜的第二導(dǎo)電型擴散區(qū)比所述晶體管區(qū)的所述輕摻雜的第二導(dǎo)電型擴散區(qū)深。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述氧化物層的厚度在70和130之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，以濕蝕刻法去除所述氧化物層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過以約80KeV的能量注入所述第二導(dǎo)電型雜質(zhì)離子，形成所述高摻雜的第二導(dǎo)電型擴散區(qū)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過將第一導(dǎo)電型雜質(zhì)離子注入所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的所述表面形成外延層，其中，與所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的密度相比，所述第一導(dǎo)電型雜質(zhì)離子的密度相對較低。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述晶體管區(qū)的所述柵電極上和所述高摻雜的第二導(dǎo)電型擴散區(qū)的上表面上形成自對準(zhǔn)金屬硅化物層。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種制造CMOS圖像傳感器的方法，其通過在形成源極區(qū)和漏極區(qū)的離子注入過程中，防止雜質(zhì)離子被注入柵電極的下側(cè)，來減小關(guān)態(tài)電流，所述方法包括在包括光電二極管區(qū)和晶體管區(qū)的第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的晶體管區(qū)上形成柵電極；在光電二極管區(qū)和晶體管區(qū)中的柵電極兩側(cè)分別形成輕摻雜的第二導(dǎo)電型擴散區(qū)；在包括柵電極的半導(dǎo)體襯底的整個表面上形成屏蔽層；形成光刻膠圖案以覆蓋光電二極管區(qū)和柵電極；使用光刻膠圖案作為掩模，通過將高密度的第二導(dǎo)電型雜質(zhì)離子注入半導(dǎo)體襯底的整個表面，形成高摻雜的第二導(dǎo)電型擴散區(qū)；以及去除光刻膠圖案和氧化物層。
文檔編號H01L21/82GK1790670SQ20051012370
公開日2006年6月21日 申請日期2005年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月19日
發(fā)明者韓昌勛 申請人:東部亞南半導(dǎo)體株式會社