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)明涉及圖像傳感器，尤其是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器及其制造方法，其中控制光電二極管投射(projection)深度來獲得改善的色平衡。
背景技術(shù)：
圖像傳感器是用于將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，包括電荷耦合器件和互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器。
一般的電荷耦合器件包括將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電二極管陣列，多個(gè)垂直的電荷耦合器件，形成在以矩陣型配置對(duì)準(zhǔn)的各垂直光電二極管之間，并垂直地傳送產(chǎn)生自各光電二極管的電荷，水平電荷耦合器件，用于水平地傳送由各垂直電荷耦合器件傳送的電荷，以及讀出放大器，用于檢測和輸出水平傳送的電荷。電荷耦合器件的缺陷在于驅(qū)動(dòng)方法復(fù)雜、高功耗、以及需要多級(jí)照相處理的復(fù)雜制造工藝。另外，在電荷耦合器件中，難以將諸如控制電路、信號(hào)處理器、以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器這樣的互補(bǔ)電路集成到單芯片器件中，因而，阻礙了利用這種圖像傳感器的緊湊型(薄型)產(chǎn)品的發(fā)展，例如，數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。
另一方面，CMOS圖像傳感器采用了利用控制電路和信號(hào)處理電路作為外圍電路的CMOS技術(shù)，還采用了允許利用與排列的像素的數(shù)量對(duì)應(yīng)設(shè)置的MOS晶體管順序檢測輸出而由此檢測圖像的開關(guān)技術(shù)。另外，CMOS圖像傳感器利用了CMOS制造技術(shù)，即，使用更少光刻步驟的簡單的制造方法，從而使器件具有低功耗。
在上述的CMOS圖像傳感器中，通常，光電二極管是基于入射光信號(hào)形成光學(xué)圖像的有源器件。在這種CMOS圖像傳感器中，每個(gè)光電二極管檢測入射光，相應(yīng)的CMOS邏輯電路根據(jù)輸入波長將所檢測到的光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，光電二極管的光敏性隨著更多光線可以到達(dá)光電二極管而增加。一種提高CMOS圖像傳感器的光敏性的方式是提高其“填充系數(shù)”，即，由光電二極管所占的表面區(qū)域與圖像傳感器的整個(gè)表面區(qū)域的比值度。因此，通過增加響應(yīng)入射光的區(qū)域來提高填充系數(shù)。當(dāng)全部波長(白光)的量子效率是1時(shí)，即，表示到達(dá)光電二極管的穿過光譜的平衡的傳輸，包括在光電二極管處接收的互補(bǔ)成分的紅光、藍(lán)光、和綠光，進(jìn)一步促進(jìn)了入射到光電二極管上的光的集中。
為了將入射光集中到一個(gè)或多個(gè)光電二極管上，可以提供具有優(yōu)異的光透射比的材料制成的諸如用于折射入射光的凸微透鏡這樣的器件。凸微透鏡可用于將入射到光電二極管的緊鄰區(qū)域外的圖像傳感器上的任何光重新導(dǎo)向。在彩色圖像傳感器中，具有預(yù)定的曲率(即，凸透鏡)的這種微透鏡可以被設(shè)置在用于通過各種顏色(波長)的光的濾色器層的上方。如圖1所示，根據(jù)相關(guān)技術(shù)的CMOS圖像傳感器包括設(shè)置用于根據(jù)入射光的強(qiáng)度和波長產(chǎn)生電信號(hào)的三個(gè)光電二極管。
參看圖1，根據(jù)相關(guān)技術(shù)的CMOS圖像傳感器包括限定器件隔離區(qū)域和有源區(qū)域的p型半導(dǎo)體襯底10上生長的p型外延層11。場氧化物層12形成在半導(dǎo)體襯底10的隔離區(qū)域中，以將藍(lán)(B)光、綠(G)光、和紅(R)光的光信號(hào)輸入?yún)^(qū)域彼此隔離開。作為彩色圖像傳感器的各光電二極管的第一、第二和第三n型區(qū)域13、14和15通過在半導(dǎo)體襯底10的有源區(qū)域中進(jìn)行離子植入來形成相等的深度。接下來，通過插入圖樣化有門(gate)電極的門絕緣膜16，在半導(dǎo)體襯底10的有源區(qū)域上形成一系列的門電極17。在各門電極的側(cè)面形成電介質(zhì)隔離物(spacer)18。在包括門電極17的半導(dǎo)體襯底10的整個(gè)表面的上方形成電介質(zhì)中間層19。包括藍(lán)、綠、紅濾色器(即，濾色器陣列)的濾色器層20形成在電介質(zhì)中間層19上，以對(duì)應(yīng)第一、第二和第三n型區(qū)域13、14和15。在包括濾色器層20的半導(dǎo)體襯底10的整個(gè)表面的上方形成平坦化層21。在平坦化層21上形成對(duì)應(yīng)濾色器層20的各濾色器的多個(gè)微透鏡22。
在CMOS圖像傳感器的運(yùn)行過程中，入射光由微透鏡會(huì)聚并由各n型區(qū)域中的光電二極管接收。在該光信號(hào)接收過程中，各種顏色的光根據(jù)波長穿透硅層預(yù)定深度，例如紅光這樣的較長波長獲得較深的穿透。
由于如上所述的相關(guān)技術(shù)的CMOS圖像傳感器的光電二極管分別由第一、第二和第三n型區(qū)域13、14和15形成，因此它們具有相同的投射深度，而不考慮預(yù)期的光譜接收，即，紅光、綠光、或藍(lán)光。然而，由于不同顏色(波長)的入射光的穿透深度不同，不考慮光譜接收而使用具有相同投射深度的光電二極管導(dǎo)致了例如紅光這樣的具有較長波長的顏色的吸收系數(shù)較低。這種在吸收方面的變化導(dǎo)致了光譜的紅色端的不希望的較低的等級(jí)以及由此導(dǎo)致的顏色不平衡。進(jìn)而，由于較長的波長及其較深的穿透，紅光的吸收可能會(huì)超出相應(yīng)的光電二極管(有源)區(qū)域的下限，并導(dǎo)致串?dāng)_，即，相鄰的有源區(qū)域之間的電荷轉(zhuǎn)移。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明旨在提供一種CMOS圖像傳感器及其制造方法，能基本上消除由于相關(guān)技術(shù)的限制和缺點(diǎn)造成的一個(gè)或多個(gè)問題。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以提供一種CMOS圖像傳感器及其制造方法，在用于彩色圖像檢測的光電二極管的排列中獲得色平衡。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以提供一種CMOS圖像傳感器，由此光電二極管根據(jù)入射到濾色器層的相應(yīng)濾色器的光的波長而具有變化的投射深度。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以提供一種CMOS圖像傳感器，由此對(duì)于較長波長的入射光，有源區(qū)域(光電二極管)的投射深度較深。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以提供一種CMOS圖像傳感器，其中可以減少串?dāng)_。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以提供一種制造上述任一種CMOS圖像傳感器的合適的方法。
在以下描述中，本發(fā)明另外的特征和優(yōu)點(diǎn)將部分地得以闡述，通過該說明部分地將變得顯而易見，或可從本發(fā)明的實(shí)施獲得。
如本文中所體現(xiàn)和廣泛描述的，為了獲得根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的這些和其它優(yōu)點(diǎn)，提供了一種具有多個(gè)有源器件的CMOS圖像傳感器，該有源器件用于根據(jù)波長接收對(duì)應(yīng)的多個(gè)波段的每一波段的入射光。該傳感器包括半導(dǎo)體襯底；和用于各波段的入射光的有源區(qū)域，分別形成在半導(dǎo)體襯底表面的上方，具有相對(duì)各波段的入射光的預(yù)定深度。
應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的上述一般性描述和下述具體描述是示范性和說明性的，目的在于提供對(duì)所要求的本發(fā)明的進(jìn)一步的說明。


附圖、本發(fā)明的說明性實(shí)施例、以及描述用以說明本發(fā)明的原理，其中附圖包含進(jìn)來以提供對(duì)本發(fā)明的原理進(jìn)一步的理解，且整合在本申請(qǐng)中并構(gòu)成本發(fā)明的部分。
在圖中圖1是相關(guān)技術(shù)的CMOS圖像傳感器的剖面圖；圖2A-2G是圖解根據(jù)本發(fā)明的用于制造CMOS圖像傳感器的方法步驟。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在詳細(xì)參看本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例，其實(shí)例在附圖中示出。在任何可能的位置，相同的參考標(biāo)號(hào)將在圖中自始至終是指相同或相似部分。而且，所示的層厚度、相對(duì)比例以及其他尺寸可能被夸大或變形，以便更清楚的描述半導(dǎo)體元件以及材料，包括層、膜、沉積物、和其他區(qū)域。
圖2A-2G圖解了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于制造CMOS圖像傳感器的方法步驟。
如圖2A所示，在p++型半導(dǎo)體襯底100上形成p-型外延層101。單晶硅襯底被用作半導(dǎo)體襯底100。
如圖2B所示，通過在半導(dǎo)體襯底100的用于限定有源區(qū)域的器件隔離區(qū)域中的淺溝槽隔離處理或硅的局部氧化處理來形成場氧化物層102。接下來，在外延層101上形成門絕緣膜103和用于形成門電極的材料層。門電極的材料可以是多晶硅或厚度大約為2000-3000的金屬。部分門電極材料層和門絕緣膜103通過光刻和蝕刻處理被選擇性地去除，由此在由場氧化物層102限定的有源區(qū)域內(nèi)形成門電極104。所示的門電極104是每單位像素的轉(zhuǎn)移(transfer)晶體管的門電極。一層(未示出)絕緣材料沉積在包括門電極104的半導(dǎo)體襯底100的整個(gè)表面上方，然后被深蝕刻以留下形成在每個(gè)門電極的側(cè)面的電介質(zhì)隔離物105。
如圖2C所示，光刻膠被沉積在包括門電極104的半導(dǎo)體襯底100的整個(gè)表面上方并通過已知的曝光和顯影處理被圖樣化，來形成具有對(duì)應(yīng)于要通過離子植入形成的多個(gè)n型區(qū)域(作為用于接收藍(lán)色、綠色、和紅色光的光電二極管)中的每一個(gè)之處的開口的第一光刻膠圖樣106。利用第一光刻膠圖樣106作為掩模，首先植入輕度摻雜的n型雜質(zhì)離子，由此在外延層101露出的表面中形成第一n型區(qū)域107。該露出的表面在場氧化物之一的上方一點(diǎn)到門電極上方一點(diǎn)之間延伸，以使場氧化物和門電極也作為掩模的一部分。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，光電二極管可以被預(yù)定的間隔分離開。應(yīng)該理解，雖然第一n型區(qū)域107將被用于接收藍(lán)色光的光電二極管，但是同樣的離子植入也用于(同樣的深度)其他顏色中的每個(gè)。
如圖2D所示，在去除第一光刻膠圖樣106之后，第二光刻膠圖樣被沉積在半導(dǎo)體襯底100的整個(gè)表面的上方，并通過曝光和顯影處理而被圖樣化，從而形成具有僅用于綠色和紅色區(qū)域(即，用于接收綠色和紅色光的光電二極管)的開口的第二光刻膠圖樣108。利用第二光刻膠圖樣108作為掩模，再次植入輕度摻雜的n型雜質(zhì)離子，由此在外延層101露出的表面中，即，在每一個(gè)都被賦予相對(duì)于第一n型區(qū)域107(藍(lán)色區(qū)域)深距離“g”的增加的深度的綠色和紅色區(qū)域中，形成第二n型區(qū)域109。在綠色和紅色區(qū)域達(dá)到的n型雜質(zhì)離子的離子濃度和植入深度可取決于要制造的特定器件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)特性。在一個(gè)示例性的實(shí)施例中，上述第二n型區(qū)域109(綠色區(qū)域)的形成達(dá)到了比第一n型區(qū)域107(藍(lán)色區(qū)域)深約10-50％的深度。
如圖2E所示，在去除第二光刻膠108之后，第三光刻膠沉積在半導(dǎo)體襯底100的整個(gè)表面的上方，并通過曝光和顯影處理被圖樣化，以形成具有僅用于紅色區(qū)域的開口的第三光刻膠圖樣110。利用第三光刻膠圖樣110作為掩模，再次植入輕度摻雜的n型雜質(zhì)離子，由此在外延層101露出的表面中形成第三n型區(qū)域111(紅色區(qū)域)。通過這種處理，由此，紅色區(qū)域被賦予相對(duì)于由第二離子植入(圖2D)獲得的區(qū)域109(綠色區(qū)域)的深度還深距離“r”的增加的深度。根據(jù)一個(gè)示范性的實(shí)施例，距離r大約為綠色區(qū)域的最終深度的10-50％。
因此，在根據(jù)本發(fā)明的用于制造CMOS圖像傳感器的方法的一個(gè)實(shí)施例中，作為有源器件區(qū)的各光電二極管區(qū)域的深度根據(jù)入射到各區(qū)域的光的波長變化，使得各光電二極管區(qū)域具有相對(duì)于對(duì)應(yīng)濾色器層的多個(gè)波段的入射光之中的各入射光波段的預(yù)定深度。因此，預(yù)定的深度隨著入射光波段的波長的增加而由淺到深地變化，以使對(duì)于入射光波段的最短波長，預(yù)定深度最淺，而對(duì)于入射光波段的最長波長，預(yù)定深度最深。同樣，藍(lán)色區(qū)域(n型區(qū)域107)最短，而紅色區(qū)域(n型區(qū)域111)最長。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，三個(gè)離子植入步驟是利用分別包括三個(gè)孔(藍(lán)色、綠色和紅色)、兩個(gè)孔(綠色和紅色)、和一個(gè)孔(紅色)的孔徑組的連續(xù)的掩模圖樣，以相等的能級(jí)進(jìn)行的。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，三個(gè)離子植入步驟是以增加的能級(jí)，和/或利用包括一個(gè)孔(藍(lán)色)、一個(gè)孔(綠色)和一個(gè)孔(紅色)的孔徑組的連續(xù)的掩模圖樣進(jìn)行的。
如圖2F所示，在去除第三光刻膠110之后，電介質(zhì)中間層112形成在半導(dǎo)體襯底100的整個(gè)表面的上方。此后，形成具有交錯(cuò)的多個(gè)濾色器的濾色器層。藍(lán)色濾色器113對(duì)應(yīng)于n型區(qū)域107形成在電介質(zhì)中間層112上，綠色濾色器114對(duì)應(yīng)于n型區(qū)域109在電介質(zhì)中間層上形成，紅色濾色器115對(duì)應(yīng)于n型區(qū)域111在電介質(zhì)中間層上形成。以這種方式，藍(lán)色濾色器113設(shè)置在具有n型雜質(zhì)離子的最淺植入深度的n型區(qū)域107的上方，紅色濾色器115設(shè)置在具有n型雜質(zhì)離子的最深植入深度的n型區(qū)域111的上方。這樣，用于過濾各波段的波長的光的藍(lán)色、綠色、和紅色濾色器113、114、和115通過沉積鹽抗蝕劑順序地形成，然后經(jīng)歷曝光和顯影處理。
如圖2G所示，在包括濾色器層的半導(dǎo)體襯底100的整個(gè)表面上方形成平坦化層116，用于形成透鏡的材料層被沉積在平坦化層116上。通過選擇性地圖樣化微透鏡材料層，然后回流被圖樣化的材料層，形成對(duì)應(yīng)于濾色器層的濾色器113、114、和115的濾色器的多個(gè)微透鏡117。例如抗蝕劑或四乙基硅酸鹽(tetra-ethyl-ortho-silicate)這樣的氧化物膜可以被用作微透鏡材料層。
在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器中，n型區(qū)域111和半導(dǎo)體襯底100之間的距離最短，n型區(qū)域107和半導(dǎo)體襯底100之間的距離最長。減少p型半導(dǎo)體型襯底和n型區(qū)域107、109和111之間的距離減少了相鄰像素之間串?dāng)_發(fā)生的可能性，相鄰像素之間串?dāng)_對(duì)于最長波長，即紅色光，最為嚴(yán)重。如果p型半導(dǎo)體型襯底和n型區(qū)域107、109和111之間的距離被減少，在光電荷的回流期間，電子空穴對(duì)的重組就被積極地進(jìn)行來減少了漂移電子的濃度，從而減少了串?dāng)_。因此，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，場氧化物層102的總深度至少等于n型區(qū)域中的最大(例如，紅色)深度。
從而，在圖2G中顯示了根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器，其中p型外延層101在由器件隔離區(qū)域和有源區(qū)域限定的p型半導(dǎo)體襯底100上生長。場氧化物層102形成在器件隔離區(qū)域中，以隔離綠光、紅光和藍(lán)光的輸入?yún)^(qū)域。作為光電二極管的n型區(qū)域107、109、和111在有源區(qū)域中以變化的深度形成。通過插入門絕緣膜103，在有源區(qū)域上形成門電極104。電介質(zhì)隔離物105在門電極104的側(cè)面形成。電介質(zhì)中間層112在包括門電極104的半導(dǎo)體襯底100的整個(gè)表面的上方形成。濾色器層的濾色器113、114和115對(duì)應(yīng)于形成的n型區(qū)域107、109和111在電介質(zhì)中間層112上形成。平坦化層116在包括濾色器113、114、和115的半導(dǎo)體襯底100的整個(gè)表面的上方形成。微透鏡117在平坦化層116上對(duì)應(yīng)于各自的濾色器113、114、和115而形成。
在如上所描述的根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的CMOS圖像傳感器及其制造方法中，由于紅色光進(jìn)入到其中的光電二極管形成的深度比其他二極管深，紅色信號(hào)的特性可以被改善，以便分配由光電二極管中的紅色光產(chǎn)生的光電荷。由于對(duì)應(yīng)于紅色光的光電二極管和p型半導(dǎo)體襯底之間的距離被減小了，從而可以減小相鄰像素之間的串?dāng)_。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)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、等同更換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)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，所述CMOS圖像傳感器具有用于根據(jù)波長接收對(duì)應(yīng)的多個(gè)波段的入射光的多個(gè)有源器件，所述方法包括在半導(dǎo)體襯底的上方形成用于各波段入射光的有源區(qū)域，其中，每個(gè)有源區(qū)域具有相對(duì)于入射光的每個(gè)波段的預(yù)定深度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述半導(dǎo)體襯底上方形成覆蓋各有源區(qū)域的電介質(zhì)中間層；在所述電介質(zhì)中間層上形成濾色器層，所述濾色器層具有對(duì)應(yīng)于各形成的有源區(qū)域的交錯(cuò)的多個(gè)濾色器；在所述濾色器層上形成平坦化層；以及在所述平坦化層上形成位于所述濾色器層的各濾色器上方的微透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述多個(gè)濾色器包括紅色濾色器、綠色濾色器、和藍(lán)色濾色器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，各有源區(qū)域形成為分別對(duì)應(yīng)于所述藍(lán)色濾色器、綠色濾色器、和紅色濾色器的一系列的第一、第二、和第三光電二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述第三光電二極管形成的深度大于所述第一和第二光電二極管的深度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述第一光電二極管形成的深度小于所述第二和第三光電二極管的深度。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述第三光電二極管形成的深度比所述第二光電二極管的深度深約10-50％。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述第二光電二極管形成的深度比所述第一光電二極管的深度深約10-50％。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，利用具有分別用于所述第一、第二、和第三光電二極管、用于所述第二和第三光電二極管、以及用于所述第三光電二極管的孔徑組的連續(xù)的掩模圖樣、通過以相等的離子能量進(jìn)行的三個(gè)離子植入步驟，來形成所述第一、第二、和第三光電二極管。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，利用具有分別用于所述第一光電二極管、所述第二光電二極管、和所述第三光電二極管的孔徑組的連續(xù)的掩模圖樣、通過以不同的離子能量進(jìn)行的三個(gè)離子植入步驟，來形成所述第一、第二、和第三光電二極管。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述有源區(qū)域的形成包括在所述半導(dǎo)體襯底的上方沉積第一光刻膠膜，并將所述第一光刻膠膜圖樣化，以限定用于所述第一、第二和第三光電二極管的各區(qū)域；利用所述圖樣化的第一光刻膠膜作為掩模，以第一離子植入能量將雜質(zhì)離子植入所述各區(qū)域中的每一個(gè)，來形成所述第一光電二極管；在所述半導(dǎo)體襯底的上方沉積第二光刻膠膜，并將所述第二光刻膠膜圖樣化，以便僅露出所述第二和第三光電二極管區(qū)域；利用所述圖樣化的第二光刻膠膜作為掩模，以第二離子植入能量將雜質(zhì)離子植入所述露出的第二和第三光電二極管區(qū)域中的每一個(gè)，來形成所述第二光電二極管；在所述半導(dǎo)體襯底的上方沉積第三光刻膠膜，并將所述第三光刻膠膜圖樣化，以便只露出所述第三光電二極管區(qū)域；以及利用所述圖樣化的第三光刻膠膜作為掩模，以第三離子植入能量將雜質(zhì)離子植入所述露出的第三光電二極管區(qū)域，來形成所述第三光電二極管；其中，所述第二離子植入能量高于所述第一離子植入能量，并且其中所述第三離子植入能量高于所述第二離子植入能量。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種CMOS圖像傳感器及其制造方法，其中，通過形成根據(jù)透過濾色器層接收到的入射光的波長而改變深度的光電二極管來提高色平衡。預(yù)定的深度隨著入射光波段的波長的增加而由淺到深，以使對(duì)于例如藍(lán)光的入射光的波段的最短波長，預(yù)定的深度最淺，而對(duì)于例如紅光的入射光的波段的最長波長，預(yù)定深度最深。
文檔編號(hào)H01L27/146GK1815716SQ20051013265
公開日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2005年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月21日
發(fā)明者高寬柱 申請(qǐng)人:東部亞南半導(dǎo)體株式會(huì)社