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CMOS圖像傳感器及其制造方法。
背景技術(shù)：
一般來說，圖像傳感器是一種用于將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的半導(dǎo)體器 件。 一般將圖像傳感器分類為電荷耦合器件(CCD)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS)圖像傳感器(CIS)。
CCD包含大量排列成矩陣形式的用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電二極 管(PD) 。 CCD包括大量垂直電荷耦合器件(VCCD)，水平電荷耦合器 件(HCCD)，以及傳感放大器。這些VCCD是在排列成矩陣形式的各個(gè)PD 間形成的，并在垂直方向傳遞由各PD產(chǎn)生的電荷。HCCD在水平方向上傳遞 由各VCCD傳遞的電荷。傳感放大器感應(yīng)水平傳遞的電荷并據(jù)此生成電信號(hào)。
CCD復(fù)雜并且能耗較高。另外，由于需要具有多步照像工藝的制造工藝， 所以CCD的制造工藝復(fù)雜。并且，由于將控制器、信號(hào)處理器以及模數(shù)(A/D) 轉(zhuǎn)換器集成于一個(gè)CCD芯片中的復(fù)雜性，減小CCD的尺寸也十分困難。
最近，人們?yōu)榱松a(chǎn)能夠克服CCD缺點(diǎn)的CIS做出了大量努力。CIS是 應(yīng)用COMS制造技術(shù)采用對(duì)應(yīng)于在半導(dǎo)體襯底中形成的單位像素的數(shù)量的 MOS晶體管的一種器件。CIS可通過各個(gè)MOS晶體管順序探測(cè)來自每個(gè)單位 像素的輸出。在CMOS制造技術(shù)中，控制器和信號(hào)處理器被用作外圍電路。 尤其是，在CIS中，在一個(gè)單位像素中形成光電二極管以及MOS晶體管。于 是CIS就可以有序探測(cè)每個(gè)單位像素的電信號(hào)以捕獲一幅圖像。
應(yīng)用CMOS制造技術(shù)，CIS具有相對(duì)較低的能耗以及以相對(duì)簡(jiǎn)單的制造 工藝，其部分原因在于照像工藝步驟的減少。而且，部分原因在于將控制器、
信號(hào)處理器、A/D轉(zhuǎn)換電路等其他電路集成到一塊CIS芯片，與減小CCD的 尺寸相比減小CIS的尺寸具有更小的技術(shù)難度。因此，CIS被廣泛應(yīng)用于多種 應(yīng)用領(lǐng)域，例如數(shù)碼相機(jī)或者數(shù)碼攝像機(jī)。
圖1A-1E示出了現(xiàn)有技術(shù)中制造CIS的方法。如圖1A中所示，應(yīng)用外延 工藝，在高濃度？++型半導(dǎo)體襯底61中形成低濃度p-型外延層62。在半導(dǎo)體 襯底61中定義有源區(qū)以及器件隔離區(qū)。然后，應(yīng)用淺槽隔離(STI)工藝，在 器件隔離區(qū)中形成器件隔離膜63。其后，柵絕緣膜64以及導(dǎo)電層(conductive layer)，例如高濃度多晶硅層順序地沉積在包括器件隔離膜63的外延層62 的整個(gè)表面上。然后，選擇性去除導(dǎo)電層和柵絕緣膜64，從而形成了柵極65。 如圖1B中所示，第一光刻膠膜66涂覆在半導(dǎo)體襯底61的整個(gè)表面上并 通過曝光以及顯影工藝對(duì)其進(jìn)行構(gòu)圖以使藍(lán)色，綠色，以及紅色光電二極管區(qū) 暴露出來。隨后，應(yīng)用構(gòu)圖后的第一光刻膠膜66作為掩模，將低濃度N型摻 雜劑注入外延層62中，從而形成N—型擴(kuò)散區(qū)67，該擴(kuò)散區(qū)為藍(lán)色，綠色，以 及紅色光電二極管區(qū)。當(dāng)用于光電二極管區(qū)的M型擴(kuò)散區(qū)67形成時(shí)，執(zhí)行磷 (P)的離子注入。為了提高信號(hào)傳輸?shù)男?，?yīng)用不同的離子注入能量執(zhí)行 兩種工藝序列。
如圖1C中所示，第一光刻膠膜66被徹底地去除。然后將絕緣膜沉積并 在半導(dǎo)體襯底61的整個(gè)表面之上并且對(duì)其進(jìn)行回刻(etch back)。因而，在 柵極65的兩側(cè)表面上形成絕緣側(cè)壁68。在第二光刻膠膜69涂覆于半導(dǎo)體襯 底61的整個(gè)表面上之后，通過曝光和顯影工藝對(duì)其構(gòu)圖以覆蓋光電二極管區(qū) 并暴露出每個(gè)晶體管的源/漏區(qū)。接下來，應(yīng)用已構(gòu)圖的第二光刻膠膜69作為 掩模，將高濃度N"型摻雜劑注入暴露出的源/漏區(qū)，從而形成了 N"型擴(kuò)散區(qū)(浮 動(dòng)擴(kuò)散區(qū))70。
如圖1D中所示，第二光刻膠膜69被去除。在將第三光刻膠膜71涂覆于 半導(dǎo)體襯底61的整個(gè)表面上之后，應(yīng)用曝光和顯影工藝對(duì)其構(gòu)圖以暴露出每 個(gè)光電二極管區(qū)。應(yīng)用己構(gòu)圖的第三光刻膠膜71作為掩模，將pG型摻雜劑， 例如BF2+，注入到包括N型擴(kuò)散區(qū)67的光電二極管區(qū)中。從而，在N型擴(kuò)散 區(qū)62之上形成pQ型擴(kuò)散區(qū)72。在這種連接中，由于光電二極管與半導(dǎo)體襯底 61之間界面的缺點(diǎn)，光電二極管的表面將產(chǎn)生電子。這將引起電子向光電二 極管區(qū)的移動(dòng)，因此在表面產(chǎn)生了不需要的信號(hào)。因而，具有在表面形成的多個(gè)空穴的P型擴(kuò)散區(qū)72，通過讓電子與這些空穴相耦合以起到去除電子的作 用。但是一部分電子沒有被去除或者沒有與空穴相耦合，并因此引發(fā)了暗電流(dark current)，從而惡化了 CMOS傳感器的產(chǎn)品特性。如圖IE中所示，第三光刻膠膜71被去除。將半導(dǎo)體襯底進(jìn)行熱處理， 從而促進(jìn)在每個(gè)雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)中的擴(kuò)散。為了去除暗電流，通過P型離子注入， P型結(jié)層(junction layer)形成得較厚，隨之而來的，暗電流降低但是光敏度 也降低了。因而，在離子注入之后，不應(yīng)使P型摻雜劑擴(kuò)散到光電二極管區(qū)。圖2示出了制造圖IA-IE中的現(xiàn)有工藝CIS時(shí)，由初次和二次離子注入 形成的光電二極管區(qū)中硅深度與慘雜劑濃度之間的關(guān)系。如圖2中所示，在 160KeV和100KeV兩個(gè)不同的能級(jí)上分別執(zhí)行了兩次N型離子注入序列，以 形成光電二極管區(qū)。低能離子注入是在離子注入角度為大約4度至約10度之 間執(zhí)行的。高能離子注入是在離子注入角度為零度時(shí)執(zhí)行的。然而，在現(xiàn)有工藝中，對(duì)小劑量且高速擴(kuò)散的硼(B)的擴(kuò)散的控制上存 在局限性。因此，低能離子注入使很難實(shí)現(xiàn)所需形式的濃度分布(concentration profile)。如圖3A所示，通過電子與P型空穴相耦合能夠去除大多數(shù)電子，即暗電 流在光電二極管表面產(chǎn)生的原因，但是部分電子會(huì)自然地流入能量低的N型 區(qū)。這將導(dǎo)致不必要信號(hào)的產(chǎn)生并因而在圖像中產(chǎn)生噪音。同樣地，很難控制 P型摻雜劑擴(kuò)散入N型區(qū)，并因而，光敏特性，特別是，對(duì)藍(lán)基色(blue color-based)短波長(zhǎng)光的敏感性惡化了。在現(xiàn)有工藝中，如上所述，為N型摻雜劑的磷(P)或砷(As)的離子注 入是在CIS的光電二極管區(qū)執(zhí)行的。在那之后，執(zhí)行為？型摻雜劑的8 2+的 離子注入。硼(B)擴(kuò)散的理論方法主要受由晶格間的間隙(interstitial)引起 的瞬時(shí)增強(qiáng)擴(kuò)散(TED)效應(yīng)的影響。因此，如圖3B所示，在低能級(jí)的情況 下，當(dāng)在硼離子注入后執(zhí)行熱工藝時(shí)，很難控制摻雜分布(濃度分布)。發(fā)明內(nèi)容通常，本發(fā)明的示例性實(shí)施方式涉及一種互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS) 圖像傳感器(CIS)及其制造方法。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，制造CIS的示 例性方法便于控制摻雜分布并改善了光電二極管的暗電流以及光敏特性。
在一個(gè)示例性實(shí)施方式中， 一種制造CIS的方法包括將第一傳導(dǎo)型摻 雜劑注入半導(dǎo)體襯底中以在半導(dǎo)體襯底的表面中形成光電二極管區(qū)，將第二傳 導(dǎo)型摻雜劑注入光電二極管區(qū)以形成第二傳導(dǎo)型擴(kuò)散區(qū)，以及將氟離子注入第 二傳導(dǎo)型擴(kuò)散區(qū)以形成氟擴(kuò)散區(qū)。在另一種示例性實(shí)施方式中， 一種CIS包括在半導(dǎo)體襯底中形成的外 延層，在外延層形成中的光電二極管區(qū)，在光電二極管區(qū)中形成的第一擴(kuò)散區(qū)， 以及在第一擴(kuò)散區(qū)中形成的第二擴(kuò)散區(qū)。


從下述與結(jié)合附圖所提供的示例性實(shí)施方式的描述中，可以更 清楚地理解本發(fā)明示例性實(shí)施方式的諸方面，在附圖中 圖1A-1E示出了說明制造CIS的現(xiàn)有技術(shù)方法的截面圖；圖2示出了說明制造圖1A-1E中現(xiàn)有技術(shù)的CIS時(shí)由初次和二次離子注 入形成的光電二極管區(qū)中硅深度與摻雜劑濃度之間關(guān)系的曲線圖；圖3A示出了基于圖1A-1E中現(xiàn)有技術(shù)的CIS的光電二極管區(qū)表面附近的 P型以及N型摻雜劑的摻雜分布的能量曲線圖；圖3B示出了說明圖1A-1E中現(xiàn)有技術(shù)的CIS中通過氟離子注入的硼擴(kuò)散 的示意圖；圖4A-4F示出了說明制造示例性CIS的示例性方法的截面圖；圖5A示出了說明一般情況下硼濃度分布與氟濃度分布之間關(guān)系的曲線圖；圖5B示出了說明在圖4A-4F的示例性CIS中氟離子注入時(shí)硼與氟濃度分 布之間關(guān)系的曲線圖；以及圖6示出了說明在圖4A-4F的示例性CIS中通過氟離子注入抑制硼擴(kuò)散 的情形下的示意圖。
具體實(shí)施方式
在下文中，詳細(xì)參照

本發(fā)明的示例性實(shí)施方式。 現(xiàn)在參照?qǐng)D4A-4F，其示出了制造示例性CIS的示例性方法。如圖4A所 示，應(yīng)用外延工藝在例如高濃度？++型單晶硅的半導(dǎo)體襯底101中形成低濃度P—型外延層102。形成外延層102以使光電二極管中具有大而深的耗盡區(qū)(depletionregion)，從而增強(qiáng)低壓光電二極管以收集光電荷的能力并且改善 其光敏性。其次，在半導(dǎo)體襯底101中定義有源區(qū)和器件隔離區(qū)。然后，應(yīng)用 淺溝槽隔離(STI)工藝在器件隔離區(qū)形成器件隔離膜103?，F(xiàn)在介紹一種用于形成器件隔離區(qū)膜103的示例性方法。首先，在半導(dǎo)體 襯底101上方順序形成焊盤氧化膜，焊盤氮化膜，以及正硅酸四乙酯(TEOS) 氧化膜。然后在TEOS氧化膜上方形成光刻膠膜。其次，應(yīng)用限定有有源區(qū)以 及器件隔離區(qū)的掩模對(duì)光刻膠膜進(jìn)行曝光并且進(jìn)行構(gòu)圖。然后，去除器件隔離 區(qū)的光刻膠膜。之后，利用已構(gòu)圖的光刻膠膜作為掩模有選擇地去除器件隔離 區(qū)的焊盤氧化膜，悍盤氮化膜，以及TEOS氧化膜。然后應(yīng)用已構(gòu)圖的焊盤氧 化膜，焊盤氮化膜，以及TEOS氧化膜作為掩模，將對(duì)應(yīng)于器件隔離源區(qū)的半 導(dǎo)體襯底蝕刻至預(yù)定深度，從而形成溝槽。之后，將光刻膠膜去除。隨后，將 絕緣材料埋在溝槽中，從而在溝槽中形成器件隔離膜103。之后，去除焊盤氧 化膜，焊盤氮化膜，以及TEOS氧化膜。在包括器件隔離膜103的外延層102的整個(gè)表面上順序沉積柵絕緣膜104 以及導(dǎo)電層，例如高濃度多晶硅層。柵極隔離膜104可通過熱氧化工藝或化學(xué) 氣相沉積(CVD)方法中的一種形成。選擇性地去除導(dǎo)電層以及柵絕緣膜104， 從而形成柵極105。柵極105成為傳輸晶體管(transfertransistor)的柵極。如圖4B所示，將第一光刻膠膜106涂覆在包括柵極105的半導(dǎo)體襯底101 的整個(gè)表面上方，并通過曝光和顯影工藝對(duì)其進(jìn)行構(gòu)圖以使每個(gè)藍(lán)色，綠色， 以及紅色光電二極管區(qū)暴露出來。之后，應(yīng)用已構(gòu)圖的第一光刻膠膜106作為 掩模，將低濃度N型摻雜劑注入外延層102，從而形成N—型擴(kuò)散區(qū)107，即藍(lán) 色，綠色，以及紅色光電二極管區(qū)。當(dāng)N"型擴(kuò)散區(qū)107即光電二極管區(qū)形成時(shí)，執(zhí)行磷(P)的離子注入。為 了提高信號(hào)傳輸效率，采用不同的離子注入能量執(zhí)行兩種工藝的序列。也即是 說，分別在大約160KeV以及約100KeV的能量上連續(xù)執(zhí)行用于形成光電二極 光管區(qū)的N型離子注入。低能離子注入是在離子注入角度為大約4度至約10 度之間執(zhí)行的。高能離子注入是在離子注入角度為零度時(shí)執(zhí)行的。如圖4C中所示，將第一光刻膠膜106去除。在半導(dǎo)體襯底101的整個(gè)表 面上沉積絕緣膜并且蝕刻絕緣膜。從而，在柵極105的兩側(cè)表面上形成了絕緣 側(cè)壁108。之后，將第二光刻膠膜109涂覆在半導(dǎo)體襯底101的整個(gè)表面上方。 隨后，通過曝光和顯影工藝對(duì)第二光刻膠膜109進(jìn)行構(gòu)圖以覆蓋光電二極管區(qū) 并且暴露出源/漏區(qū)。上面所述的示例性工藝中，在絕緣側(cè)壁108形成以前，將低濃度N型或 P型摻雜劑注入在柵極105的兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底101中。從而，將在柵極105 的兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底101中形成輕摻雜漏極(LDD)區(qū)(未示出)。其后，應(yīng) 用已構(gòu)圖的第二光刻膠膜109作為掩模，將高濃度N"型摻雜劑注入暴露的源/ 漏區(qū)。從而，在暴露的源/漏區(qū)形成N^型擴(kuò)散區(qū)(浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū))110。如圖4D所示，將第二光刻膠膜109去除。隨后，將第三光刻膠膜lll涂 覆在半導(dǎo)體襯底101的整個(gè)表面上方，并通過曝光和顯影工藝對(duì)其進(jìn)行構(gòu)圖以 使每個(gè)光電二極管區(qū)暴露出來。應(yīng)用已構(gòu)圖的第三光刻膠膜111作為掩模，在 包括N—型擴(kuò)散區(qū)107的外延層102中注入傳導(dǎo)型(pG型)摻雜劑。從而，在 外延層102的表面形成了 po型擴(kuò)散區(qū)112。注入到P"型擴(kuò)散區(qū)112的摻雜劑 為二氟化硼(BF2)離子。以濃度為大約1X10"離子/平方厘米(atoms/cm2) 至約5X1017atoms/cm2 ，并以大約為5KeV至約20KeV的注入能量執(zhí)行BF2 離子注入。如圖4E中所示，應(yīng)用第三光刻膠膜111作為掩模將氟(F)離子注入P0 型擴(kuò)散區(qū)112中。結(jié)果，在P0型擴(kuò)散區(qū)112中形成氟擴(kuò)散區(qū)113。在這點(diǎn)上， 在用于在N—型擴(kuò)散區(qū)107中形成P型結(jié)的BF/離子注入之后，在硼的低端峰 值(a lower end of Boron peak)將氟(F)離子注入，從而降低了光電二極管 與N型結(jié)之間界面的不需要的電子流動(dòng)，并因而避免暗電流。例如，在將BF2+離子以離子注入能量為大約10KeV注入之后，以離子注 入能量為大約6KeV注入氟(F+)離子；或者，在將BF2+離子以離子注入能量 為大約20KeV注入之后，以離子注入能量為大約8KeV注入氟(F+)離子。 根據(jù)示例性CIS的所需工作特性，也可選用其他離子注入能量以及離子注入總?cè)鐖D4F中所示，將第三光刻膠膜lll去除，并對(duì)半導(dǎo)體襯底101進(jìn)行熱 處理，從而促進(jìn)在每個(gè)雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)的擴(kuò)散。盡管圖中沒有示出后續(xù)工藝，但是在上述工藝后的產(chǎn)物的整個(gè)表面上層 間絕緣膜(interlayer insulation)中可形成大量金屬配線。后續(xù)，可形成彩色濾
光層和微透鏡。
圖5A以及圖5B示出了硼濃度分布和氟濃度分布之間的關(guān)系。圖5B特 別示出了在圖4A-4F所述示例性CIS中，當(dāng)氟離子注入時(shí)，硼和氟濃度分布 之間的關(guān)系。
如圖5A和5B所示，執(zhí)行氟(F)離子注入，從而使氟(F)濃度分布， 即氟離子注入能量，可位于硼濃度分布中硼峰值的下面，以抑制硼離子擴(kuò)散。
圖6示出了說明在圖4A-4F所述示例性CIS中通過氟離子注入抑制硼離 子擴(kuò)散的情況的曲線圖。如圖6所述，由于能量勢(shì)壘，在PG型擴(kuò)散區(qū)112中 形成的電子無法輕易地流入N型擴(kuò)散區(qū)107。因此，可以抑制暗電流的產(chǎn)生， 并因而改善了 CIS的特性。
圖4A-4F中的示例性CIS，在光電二極管區(qū)注入P型摻雜劑，然后在注入 P型摻雜劑的光電二極管區(qū)注入氟離子。從而，抑制在界面產(chǎn)生的電子的噪音， 改善暗電流特性。另外，對(duì)硼擴(kuò)散的抑制可以改善短波長(zhǎng)的光敏感性?，F(xiàn)已參照一些示例性實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了公開和描述，但是本領(lǐng)域技 術(shù)人員可以理解，在不脫離由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍的情 況下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變形。
權(quán)利要求
1、一種用于制造互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器的方法，所述方法包括將第一傳導(dǎo)型摻雜劑注入半導(dǎo)體襯底中以在半導(dǎo)體襯底表面中形成光電二極管區(qū)；將第二傳導(dǎo)型摻雜劑注入所述光電二極管區(qū)中以形成第二傳導(dǎo)型擴(kuò)散區(qū)；以及將氟離子注入所述第二傳導(dǎo)型擴(kuò)散區(qū)以形成氟擴(kuò)散區(qū)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在根據(jù)產(chǎn)品的特性控制離 子注入能量注入總量的情況下進(jìn)行所述氟離子的注入。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括 所述形成氟擴(kuò)散區(qū)之后，對(duì)所述半導(dǎo)體襯底執(zhí)行熱處理。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二傳導(dǎo)型摻雜劑包 括二氟化硼離子。
5、 一種互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器，包括 在半導(dǎo)體襯底中形成的外延層； 在所述外延層中形成的光電二極管區(qū)； 在所述光電二極管區(qū)中形成的第一擴(kuò)散區(qū)；以及 在所述第一擴(kuò)散區(qū)中形成的第二擴(kuò)散區(qū)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器，其特征在 于，所述光電二極管區(qū)中具有注入所述外延層的第一傳導(dǎo)型摻雜劑。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器，其特征在 于，所述第一擴(kuò)散區(qū)中具有注入所述光電二極管區(qū)的第二傳導(dǎo)型摻雜劑。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器，其特征在 于，所述第二傳導(dǎo)型摻雜劑包括二氟化硼離子。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器，其特征在 于，所述第二擴(kuò)散區(qū)包括氟離子。
全文摘要
一種互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器(CIS)以及其制造方法。制造CIS的方法包括將第一傳導(dǎo)型摻雜劑注入半導(dǎo)體襯底中以在半導(dǎo)體襯底的表面中形成光電二極管區(qū)，將第二傳導(dǎo)型摻雜劑注入光電二極管區(qū)以形成第二傳導(dǎo)型擴(kuò)散區(qū)，以及將氟離子注入第二傳導(dǎo)型擴(kuò)散區(qū)以形成氟擴(kuò)散區(qū)。
文檔編號(hào)H01L21/822GK101211833SQ20071015159
公開日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2007年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日
發(fā)明者李政皓 申請(qǐng)人:東部高科股份有限公司