專利名稱：垂直型cmos圖像傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CMOS圖像傳感器及其制備方法，尤其涉及一種能夠防 止產(chǎn)生噪聲的垂直型CMOS圖像傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件的一種類型是將光圖像轉(zhuǎn)換為電信號的圖像傳感器。圖像傳感 器可分為互補金屬一氧化物一硅(CMOS)圖像傳感器和電荷耦合器件(CCD) 圖像傳感器。與CMOS圖像傳感器相比，CCD圖像傳感器在光敏性和噪聲方 面具有更加優(yōu)異的特性。然而，CCD圖像傳感器在高集成度方面存在困難并 且具有較高的功耗。相反，CMOS圖像傳感器具有制備工藝簡單、集成度高和 功耗低的特征。
因此，隨著制備半導(dǎo)體器件的技術(shù)提高，CMOS圖像傳感器的制備及其特 征己經(jīng)明顯提高。CMOS圖像傳感器的像素可包括多個用于接收光的光電二極 管和用于控制從光電二極管接收的圖像信號的CMOS元件。光電二極管根據(jù) 通過濾色片輸入的紅光、綠光和藍光的波長和強度產(chǎn)生電子一空穴對。輸出信 號取決于所產(chǎn)生的電子數(shù)量而變化。因此，可以感應(yīng)圖像。
CMOS圖像傳感器還可包括在其中形成諸如光電二極管的光電轉(zhuǎn)換部分 的像素區(qū)域和用于檢測從像素區(qū)域輸出的信號的外圍電路區(qū)域。外圍電路區(qū)域 可設(shè)置為圍繞像素區(qū)域。
在CMOS圖像傳感器中，垂直型CMOS圖像傳感器可包括使用n+p光電 二極管的像素結(jié)構(gòu)，就是說，在其中垂直地在像素中實現(xiàn)紅光光電二極管、綠 光光電二極管和藍光光電二極管的結(jié)構(gòu)?？赏ㄟ^相應(yīng)傳送柵極Tx選擇性地遷 移電荷。通過與像素相關(guān)的晶體管的運行使分別在外延層中實現(xiàn)的垂直型光電
二極管輸出到最終輸出端。
因此，因為對于光電二極管而言，傳送柵極Tx、復(fù)位晶體管、源極跟隨
器、選擇晶體管具有典型的4-晶體管結(jié)構(gòu)，而且像素包括n+p光電二極管和 NMOS晶體管，由于光電二極管的暗電流、復(fù)位噪聲、隨機行噪聲和閃爍噪 聲，CMOS圖像傳感器性能較差。因此，垂直型CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì) 量將惡化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例涉及可以防止產(chǎn)生噪聲的垂直型CMOS圖像傳感器及其 制備方法。
實施例涉及一種制備CMOS圖像傳感器的方法，其可以至少包括下面步 驟中的一個通過將n-型摻雜劑注入到半導(dǎo)體襯底的整個表面中，在半導(dǎo)體襯 底中形成第一 n-型注入?yún)^(qū)域；通過在第一 n-型注入?yún)^(qū)域中注入摻雜劑形成P+-型紅光光電二極管；使用外延生長方法在包括？+-型紅光光電二極管的半導(dǎo)體 襯底上形成第一硅外延層；形成延伸貫穿第一硅外延層并電連接到P"-型紅光 光電二極管的第一？+-型插塞(plug);通過將n-型摻雜劑注入到包括第一P+-型插塞的第一硅外延層的整個表面中，在第一硅外延層中形成第二 n-型注入?yún)^(qū) 域；通過在第二11-型注入?yún)^(qū)域中注入摻雜劑形成？+-型綠光光電二極管；在包 括？+-型綠光光電二極管的第一硅外延層上形成第二硅外延層；在第二硅外延 層上執(zhí)行淺槽隔離，以限定有源區(qū)并形成用于形成場效應(yīng)區(qū)的多個器件隔離 膜；通過將n-型摻雜劑注入到器件隔離膜之間的有源區(qū)中形成多個n-阱區(qū)域； 通過將？+-型摻雜劑注入到第二硅外延層中形成延伸貫穿第二硅外延層并電連 接？+-型綠光光電二極管和第一 ？+-型插塞的一對第二 ？+-型插塞；隨后通過將 摻雜劑注入到器件隔離膜之間的一個n-阱區(qū)域中，在第二硅外延層中形成P+-型藍光光電二極管。
實施例涉及一種制備垂直型CMOS圖像傳感器的方法，其可以至少包括 下面步驟中的一個在半導(dǎo)體襯底中形成第一 n-型注入?yún)^(qū)域；在第一 n-型注 入?yún)^(qū)域中形成第一光電二極管；在包括第一光電二極管的半導(dǎo)體襯底上形成第 一硅外延層；在第一硅外延層中形成電連接到第一光電二極管的第一插塞；在 第一硅外延層中形成第二 n-型注入?yún)^(qū)域；在第二 n-型注入?yún)^(qū)域中形成電連接
到第一插塞的第二光電二極管；在包括n-型注入?yún)^(qū)域和第二光電二極管的第一 硅外延層上形成第二硅外延層；在第二硅外延層中形成多個器件隔離膜；在第 二硅外延層中形成多個n-型阱區(qū)；在第二硅外延層中形成電連接到第二光電二 極管和第一插塞的一對第二插塞；隨后在一個n-阱區(qū)域中形成第三光電二極管。
實施例涉及一種垂直型CMOS圖像傳感器，其可以包括半導(dǎo)體襯底； 在半導(dǎo)體襯底中形成的？+-型紅光光電二極管；在包括？+-型紅光光電二極管的 半導(dǎo)體襯底上形成的第一硅外延層；在第一硅外延層中形成的？+-型綠光光電 二極管；在包括？+-型綠光光電二極管的第一硅外延層上形成的第二硅外延層； 在第二硅外延層中形成的？+-型藍光光電二極管；在第一硅外延層中形成的在 一個末端電連接到？+-型紅光光電二極管且在另一個末端電連接到？+-型綠光 光電二極管的第一？+-型插塞；以及在第二硅外延層中形成且電連接到？+-型綠 光光電二極管的第二 ？+-型插塞。


圖1到圖3J示出根據(jù)本發(fā)明實施例的垂直型CMOS圖像傳感器。
具體實施例方式
如示例圖1所示，根據(jù)實施例的垂直型CMOS圖像傳感器可以包括下述 像素結(jié)構(gòu)，在其中多個空穴可以用作在P 光電二極管產(chǎn)生的電子/空穴的主 載流子并且通過PMOS晶體管遷移。垂直型CMOS圖像傳感器可以包括下述 結(jié)構(gòu)，在其中可以將？+-型綠光光電二極管70和？+-型藍光光電二極管120分 別層設(shè)在包括？+-型紅光光電二極管30的半導(dǎo)體襯底10上和/或上方的在n-型外延層中，就是說，在基本垂直方向上的第一硅外延層40和第二硅外延層 80中。在該垂直型CMOS圖像傳感器中，對于光電二極管，可以用P"N型光 電二極管取代N+P型光電二極管，并且對于像素晶體管可以將PMOS晶體管 連接到垂直型CMOS圖像傳感器。
如示例圖2所示，根據(jù)實施例，可以將傳送柵極Tx、復(fù)位晶體管Rx、源 極跟隨器S/F、選擇晶體管SELECT連接到由PMOS晶體管實現(xiàn)的垂直型 CMOS圖像傳感器。因此，可以降低噪聲并且可以實現(xiàn)低噪聲電路。
如示例圖3A所示，根據(jù)實施例的制備垂直型CMOS圖像傳感器的方法可 以包括制備n-型半導(dǎo)體襯底10?？蓪-型摻雜劑注入到半導(dǎo)體襯底10的整個 表面中以在半導(dǎo)體襯底10的整個表面上方形成n-型注入?yún)^(qū)域20?？梢栽诔?將要形成？+-型紅光光電二極管30之外的n-型注入?yún)^(qū)域20上和/或上方形成第 一光刻膠圖案21。隨后可以使用第一光刻膠圖案21將用于形成？+-型紅光光 電二極管30的摻雜劑注入到n-型注入?yún)^(qū)域20中。
如示例圖3B所示，在n-型注入?yún)^(qū)域20中形成？+-型紅光光電二極管30 之后，可以執(zhí)行灰化工藝，以去除第一光刻膠圖案21。隨后可以使用任何一 種外延層生長工藝，包括使用TCS (SiHCl3)的分子束外延(MBE)工藝和氣 相外延(VPE)工藝，在包括？+-型紅光光電二極管30的半導(dǎo)體襯底10上和/ 或上方形成第一硅外延層40。
如示例圖3C所示，在形成第一硅外延層40之后，可以在第一硅外延層 40上和/或上方形成用于形成第一 ？+-型插塞50的第二光刻膠圖案41 。隨后可 以使用第二光刻膠圖案41將？+-型摻雜劑注入到第一硅外延層40中以形成第 一？+-型插塞50。可以通過選擇性注入金屬離子形成第一？+-型插塞50，并且 可以將其電連接到？+-型紅光光電二極管30和可以在后面形成的？+-型綠光光 電二極管70。
如示例圖3D所示，在形成第一？+-型插塞50之后，可以去除第二光刻膠 圖案41。隨后可以將n-型摻雜劑注入到整個表面中，就是說，包括第一 P+-型插塞50的第一硅外延層40的表面層，以形成n-型注入?yún)^(qū)域60 。
如示例圖3E所示，在第一硅外延層40中形成n-型注入?yún)^(qū)域60之后，為 了打開在其中形成？+-型綠光光電二極管70的區(qū)域和其中形成第一 ？+-型插塞 50的區(qū)域，可以形成第三光刻膠圖案61。隨后可以通過第三光刻膠圖案61 將用于形成？+-型綠光光電二極管70的摻雜劑注入到n-型注入?yún)^(qū)域60和第一 P+-型插塞50中，從而在n-型注入?yún)^(qū)域60中形成？+-型綠光光電二極管70。
如示例圖3F所示，在形成？+-型綠光光電二極管70之后，隨后可以執(zhí)行 灰化工藝以去除第三光刻膠圖案61，并且可以隨后在包括n-型注入?yún)^(qū)域60的 第一硅外延層40上和/或上方形成第二硅外延層80?？梢允褂门c第一硅外延層 40相同的外延方法形成第二硅外延層80。
如示例圖3G所示，在形成第二硅外延層80之后，可以對于第二硅外延
層80執(zhí)行淺槽隔離(STI)工藝，以限定有源區(qū)并形成用于形成場效應(yīng)區(qū)的多 個器件隔離膜90。
如示例圖3G所示，在第二硅外延層80中形成器件隔離膜90之后，可以 形成用于在器件隔離膜90之間開啟有源區(qū)的第四光刻膠圖案91 。隨后可以通 過第四光刻膠圖案91注入n-型摻雜劑以形成n-阱100。
如示例圖3I所示，在第二硅外延層80中形成n-阱100之后，可以隨后去 除第四光刻膠圖案91。為了形成分別連接到？+-型綠光光電二極管70和第一 P十-型插塞50的兩個第二 ？+-型插塞110，可以隨后在第二硅外延層80上和/ 或上方形成第五光刻膠圖案92。隨后可以使用第五光刻膠圖案92將？+-型摻 雜劑注入到第二硅外延層80中，以形成分別連接到？+-型綠光光電二極管70 和第一 ？+-型插塞50的第二 ？+-型插塞110。
如示例圖3J所示，在形成第二？+-型插塞IIO之后，隨后可以執(zhí)行灰化工 藝以去除第五光刻膠圖案92。隨后可以形成用于在第二硅外延層80上方的器 件隔離膜90之間開啟n-阱100區(qū)域的第六光刻膠圖案111。隨后可以使用第 六光刻膠圖案111將用于形成？+-型藍光光電二極管120的摻雜劑注入到器件 隔離膜90之間的n-阱100區(qū)域中，以形成？+-型藍光光電二極管120。
在形成？+-型藍光光電二極管120之后，可以隨后使用灰化工藝去除第六 光刻膠圖案111。后續(xù)工藝可以是與制備典型垂直型CMOS圖像傳感器的方法 相同的工藝。就是說，在執(zhí)行形成N+-型源極/漏極區(qū)域的工藝和形成P+-型源 極/漏極區(qū)域的工藝之后，可以執(zhí)行形成觸點的工藝和后續(xù)膜后端(BEOL)工 藝。
如圖2所示，由于根據(jù)實施例的垂直型CMOS圖像傳感器可以連接到傳 送柵極Tx、復(fù)位晶體管、源極跟隨器S/F和由PMOS構(gòu)成的選擇晶體管，其 能夠防止產(chǎn)生噪聲。由于可以實現(xiàn)具有使用P+N光電二極管的新型像素結(jié)構(gòu) 的垂直型CMOS圖像傳感器，其能夠抑制噪聲的產(chǎn)生并且改進圖像質(zhì)量。
雖然這里已經(jīng)描述了實施例，應(yīng)該理解，可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明 原理的精神和范圍內(nèi)設(shè)計多種其它修改和實施例。更加明確地，在本說明書、 附圖和權(quán)利要求范圍內(nèi)的目標組合布置的組分部分和/或布置中能夠進行不同 的變化和修改。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，除了組分部分和/或布置中的變化和修 改，替代使用也將是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底中形成的P+-型紅光光電二極管；在包括P+-型紅光光電二極管的半導(dǎo)體襯底上形成的第一硅外延層；在第一硅外延層中形成P+-型綠光光電二極管；在包括P+-型綠光光電二極管的第一硅外延層上形成的第二硅外延層；在第二硅外延層中形成的P+-型藍光光電二極管；在第一硅外延層中形成并且一個末端電連接到P+-型紅光光電二極管而另一個末端電連接到P+-型綠光光電二極管的第一P+-型插塞；以及在第二硅外延層中形成且電連接到P+-型綠光光電二極管的第二P+-型插塞。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于半導(dǎo)體襯底和第一硅外延層各具有在其整個表面上形成的n-型注入?yún)^(qū)域，并且 +-型藍光光電二極管形成在第二硅外延層的n-阱區(qū)域中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，？+-型紅光光電二極管、P+-型綠光光電二極管和？+-型藍光光電二極管包括P+N光電二極管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，？+-型紅光光電二極管、P+-型綠光光電二極管和？+-型藍光光電二極管包括P+N光電二極管。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，還包括 形成在第一硅外延層中并電連接到？+-型紅光光電二極管和？+-型綠光光電二極管的第一插塞；以及在第二硅外延層中形成并且電連接到？+-型綠光光電二極管和第一插塞的 一對第二插塞。
6. —種方法，包括通過將n-型摻雜劑注入到半導(dǎo)體襯底的整個表面中，在半導(dǎo)體襯底中形成 第一n-型注入?yún)^(qū)域；通過在在第一 n-型注入?yún)^(qū)域中注入慘雜劑，形成？+-型紅光光電二極管；使用外延生長方法，在包括P+-型紅光光電二極管的半導(dǎo)體襯底上形成第 一硅外延層；形成延伸貫穿第一硅外延層并電連接到P+-型紅光光電二極管的第一 P+-型插塞；通過將n-型摻雜劑注入到包括第一 P+-型插塞的第一硅外延層的整個表面 中，在第一硅外延層中形成第二n-型注入?yún)^(qū)域；通過在第二 n-型注入?yún)^(qū)域中注入摻雜劑而形成P+-型綠光光電二極管； 在包括P+-型綠光光電二極管的第一硅外延層上形成第二硅外延層； 在第二硅外延層上執(zhí)行淺槽隔離，以限定有源區(qū)并形成用于形成場效應(yīng)區(qū)的多個器件隔離膜；通過將n-型摻雜劑注入到器件隔離膜之間的有源區(qū)中形成多個n-阱區(qū)域； 通過將P+-型摻雜劑注入到第二硅外延層中，形成延伸貫穿第二硅外延層并且電連接到P+-型綠光光電二極管和第一 ？+-型插塞的一對第二 P+-型插塞；以及隨后通過將摻雜劑注入到器件隔離膜之間的一個n-阱區(qū)域中，在第二硅外延層 中形成P+-型藍光光電二極管。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，P+-型紅光光電二極管、P+-型綠光光電二極管和P+-型藍光光電二極管包括P+N光電二極管。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，第一硅外延層和第二硅外 延層至少使用分子束外延工藝和氣相外延工藝中的一種形成。
9. 一種方法，包括在半導(dǎo)體襯底中形成第一 n-型注入?yún)^(qū)域； 在第一 n-型注入?yún)^(qū)域中形成第一光電二極管； 在包括第一光電二極管的半導(dǎo)體襯底上形成第一硅外延層； 在第一硅外延層中形成電連接到第一光電二極管的第一插塞； 在第一硅外延層中形成第二 n-型注入?yún)^(qū)域；在第二 n-型注入?yún)^(qū)域中形成電連接到第一插塞的第二光電二極管； 在包括n-型注入?yún)^(qū)域和第二光電二極管的第一硅外延層上形成第二硅外 延層；在第二硅外延層中形成多個器件隔離膜；在第二硅外延層中形成多個n-型阱區(qū)域；在第二硅外延層中形成電連接到第二光電二極管和第一插塞的一對第二 插塞；隨后在一個n-阱區(qū)域中形成第三光電二極管。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，形成第一n-型注入?yún)^(qū)域包 括將n-型摻雜劑注入到半導(dǎo)體襯底的整個表面中。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，形成第一光電二極管包括 將P+-型摻雜劑注入到第一 n-型注入?yún)^(qū)域中。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，第一光電二極管包括P+-型紅光光電二極管。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，形成第一硅外延層是至少 使用分子束外延工藝和氣相外延工藝中的一種來執(zhí)行。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，形成第一插塞包括將P+-型摻雜劑注入到第一硅外延層中以及形成第二插塞包括將？+-型摻雜劑注入到 第二硅外延層中。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，形成n-型注入?yún)^(qū)域包括將 n-型摻雜劑注入到第一硅外延層的整個表面中。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，形成第二光電二極管包括 將P+-型摻雜劑注入到第二 n-型注入?yún)^(qū)域和第一插塞中。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，第二光電二極管包括P+-型綠光光電二極管。
18. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，形成多個器件隔離膜包括 在第二硅外延層上執(zhí)行淺槽隔離工藝以限定有源區(qū)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，形成第三光電二極管包括 將P+-型摻雜劑注入到一個n-阱區(qū)域中。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，第三光電二極管包括P+-型藍光光電二極管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種垂直型CMOS圖像傳感器及其制備方法，包括在半導(dǎo)體襯底中形成的P⁺-型紅光光電二極管，在半導(dǎo)體襯底上形成并且包括在其中形成的P⁺-型綠光光電二極管的第一硅外延層，在第一硅外延層上形成并且包括在其中形成的P⁺-型藍光光電二極管的第二硅外延層；在第一硅外延層中形成的且電連接到P⁺-型紅光光電二極管的第一P⁺-型插塞，和第二硅外延層中電連接到P⁺-型綠光光電二極管的第二P⁺-型插塞。
文檔編號H01L27/146GK101207147SQ20071030152
公開日2008年6月25日 申請日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月22日
發(fā)明者秀 林 申請人:東部高科股份有限公司