專利名稱：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，尤其涉及一種能夠防止轉(zhuǎn)移晶體管 (transfer transistor)的泄漏電流的CMOS圖像傳感器及其制備方法。半導(dǎo)體器將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。圖像傳感器可以分為互補(bǔ)金屬一氧化 物一硅(CMOS)圖像傳感器或者電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器。與CMOS 圖像傳感器相比，CCD圖像傳感器具有更好的光敏性和較低的噪音。然而， CCD圖像傳感器可能更難于制備成高度集成器件并且具有較高的電力消耗。相反，與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器具有較簡單的制備工 藝、較高的集成度和較低的電力消耗。近年來，由于制備半導(dǎo)體器件的技術(shù)己 經(jīng)發(fā)展，用于制備CMOS圖像傳感器的技術(shù)己經(jīng)發(fā)展。CMOS圖像傳感器的 像素可以包括用于接收光線的光敏二極管和用于控制通過光敏二極管輸入的 圖像信號(hào)的晶體管。根據(jù)晶體管數(shù)量，CMOS圖像傳感器可以分為3T型、4T 型或5T型。3T型CMOS圖像傳感器包括光敏二極管和三個(gè)晶體管，而4T型 CMOS圖像傳感器包括光敏二極管和四個(gè)晶體管。圖l示出相關(guān)的CMOS圖像傳感器的平面圖。參考圖l， 4T型CMOS圖 像傳感器包括光敏二極管區(qū)PD、轉(zhuǎn)移晶體管Tx、復(fù)位晶體管Rx和驅(qū)動(dòng)晶體 管Dx。在有源區(qū)1的最寬部分中形成光敏二極管區(qū)PD。形成轉(zhuǎn)移晶體管Tx、 復(fù)位晶體管Rx和驅(qū)動(dòng)晶體管Dx，以覆蓋除光敏二極管區(qū)PD之外的有源區(qū)1。 為了使晶體管總數(shù)達(dá)到每個(gè)光敏二極管對(duì)應(yīng)4個(gè)晶體管，可以包括選擇晶體管 Sx。光敏二極管PD檢測(cè)入射光線并根據(jù)光線強(qiáng)度產(chǎn)生電荷。轉(zhuǎn)移晶體管Tx將在光敏二極管PD中產(chǎn)生的電荷傳送到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。在傳送電荷之前， 為了啟動(dòng)復(fù)位晶體管Rx，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD將從光敏二極管PD接收的電子移動(dòng) 到復(fù)位晶體管Rx。因此，可以將浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD設(shè)定到具有預(yù)定能級(jí)的預(yù)定 低電荷狀態(tài)。為了檢測(cè)信號(hào)，復(fù)位晶體管Rx釋放存儲(chǔ)在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD中的電荷。驅(qū) 動(dòng)晶體管Dx作為用于將從光敏二極管PD接收的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的源極 跟隨器。如圖2所示，CMOS圖像傳感器可以包括在光敏二極管區(qū)PD和轉(zhuǎn)移晶體 管Tx區(qū)中的P-型外延層4、器件隔離膜6、柵極IO、 n-型擴(kuò)散區(qū)14、柵隔層 (gate spacer) 12和11+-型擴(kuò)散區(qū)16。在半導(dǎo)體襯底2之上形成P-型外延層4。 在由光敏二極管區(qū)PD、有源區(qū)1和器件隔離區(qū)確定的半導(dǎo)體襯底2的器件隔 離區(qū)中形成器件隔離膜6。在外延層4之上形成柵極10，且在它們之間插入柵絕緣層8。在光敏二極 管區(qū)PD的外延層4中形成n-型擴(kuò)散區(qū)14。在柵極10的兩個(gè)側(cè)壁上形成柵隔 層12。通過將n+-型摻雜劑離子注入到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD的外延層4中形成n+-型擴(kuò)散區(qū)16。通常，4T型CMOS圖像傳感器的轉(zhuǎn)移晶體管Tx具有低的閥值電壓。當(dāng) 轉(zhuǎn)移晶體管Tx的閥值電壓降低時(shí)，施加到光敏二極管PD的電壓增加。因此， 可以將在光敏二極管PD產(chǎn)生的全部電子傳送到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。然而，如圖3 所示，由于光敏二極管PD和轉(zhuǎn)移晶體管Tx的能級(jí)之間的差異較小，因此當(dāng) 關(guān)閉轉(zhuǎn)移晶體管Tx時(shí)泄漏電流增加。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及一種能夠防止轉(zhuǎn)移晶體管的泄漏電流的CMOS圖像傳感器及 其制備方法。本發(fā)明涉及一種包括轉(zhuǎn)移晶體管的互補(bǔ)金屬一氧化物一硅 (CMOS)圖像傳感器。該轉(zhuǎn)移晶體管包括在由光敏二極管區(qū)、有源區(qū)和器件 隔離區(qū)限定的半導(dǎo)體襯底之上形成的外延層?？梢栽谄骷綦x區(qū)中形成器件隔 離膜?？梢栽谟糜谵D(zhuǎn)移晶體管的外延層之上形成柵極，且在它們之間插入柵絕 緣層?？梢酝ㄟ^將第一摻雜劑離子注入到光敏二極管區(qū)的外延層中形成第一摻 雜劑擴(kuò)散區(qū)?？梢栽谂R近柵極的第一摻雜劑擴(kuò)散區(qū)中形成勢(shì)阱區(qū)?？梢酝ㄟ^將第二摻雜劑離子注入到柵隔層的側(cè)表面浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的外延層中形成第二摻雜 劑擴(kuò)散區(qū)。在實(shí)施方式中，注入到勢(shì)阱區(qū)的n-型摻雜劑離子的劑量可以低于第二摻雜 劑擴(kuò)散區(qū)的劑量而可以高于第一摻雜劑擴(kuò)散區(qū)的劑量。同樣，在實(shí)施方式中， 可以按照1013到1015 atoms/cm2的劑量和100 KeV到150 KeV的能量將n-型摻 雜劑離子注入到勢(shì)阱區(qū)中。本發(fā)明涉及一種制備包括轉(zhuǎn)移晶體管的CMOS圖像傳感器的方法。該方 法包括在由光敏二極管區(qū)、有源區(qū)和器件隔離區(qū)限定的半導(dǎo)體襯底之上形成外 延層?？梢栽谄骷綦x區(qū)中形成器件隔離膜。可以在用于轉(zhuǎn)移晶體管的外延層 之上相繼形成柵絕緣層和柵金屬層。可以對(duì)柵絕緣層和柵金屬層構(gòu)圖，而且可 以形成柵極。為了形成第一慘雜劑擴(kuò)散區(qū)，可以將第一摻雜劑離子注入到光敏 二極管區(qū)的外延層中?？梢栽谂R近柵極的第一摻雜劑擴(kuò)散區(qū)中形成勢(shì)阱區(qū)。可 以將第二摻雜劑離子注入到柵隔層的側(cè)表面浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的外延層中并且形成 第二摻雜劑擴(kuò)散區(qū)。在實(shí)施方式中，注入到勢(shì)阱區(qū)的n-型摻雜劑離子劑量可以低于第二摻雜劑 擴(kuò)散區(qū)的摻雜劑離子劑量而可以高于第一摻雜劑擴(kuò)散區(qū)的摻雜劑離子劑量。同 樣，在實(shí)施方式中，可以按照1013到10"atoms/cn^的劑量和100KeV到150 KeV的能量將n-型摻雜劑離子注入到勢(shì)阱區(qū)中。在實(shí)施方式中，柵極的形成 可以包括在柵極的兩個(gè)側(cè)壁之上形成柵隔層。在實(shí)施方式中，第一摻雜劑可以 是n—型摻雜劑，而第二摻雜劑可以是11+-型摻雜劑。


圖1是示出相關(guān)的CMOS圖像傳感器的平面圖。 圖2是沿圖1所示的CMOS圖像傳感器的線A-A'截取的橫截面視圖。 圖3是示出圖2所示CMOS圖像傳感器的能級(jí)的視圖。 示例圖4是示出根據(jù)實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器的橫截面視圖。 示例圖5是示出示例圖4所示CMOS圖像傳感器的能級(jí)的視圖。 示例圖6A到6C是示出制備示例圖4所示的CMOS圖像傳感器的方法的 視圖。
具體實(shí)施方式
參考示例圖4，根據(jù)實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器包括轉(zhuǎn)移晶體管。CMOS 圖像傳感器還包括P-型外延層104、器件隔離膜106、柵極IIO、 n-型擴(kuò)散區(qū)、 柵隔層112、 11+-型擴(kuò)散區(qū)116和勢(shì)阱區(qū)120。在？+-型半導(dǎo)體襯底102之上形 成P-型外延層104。在由光敏二極管區(qū)PD、有源區(qū)和器件隔離區(qū)確定的半導(dǎo) 體襯底的器件隔離區(qū)中形成器件隔離膜106。在用于轉(zhuǎn)移晶體管的外延層104之上形成柵極110，且在它們之間插入柵 絕緣層108。在光敏二極管區(qū)PD的外延層104中形成n-型擴(kuò)散區(qū)114。在柵 極110的兩個(gè)側(cè)壁之上形成柵隔層112。通過將11+-型摻雜劑離子注入到浮動(dòng) 擴(kuò)散區(qū)FD的外延層104中形成!1+-型擴(kuò)散區(qū)116。通過將n-型摻雜劑離子注 入到n-型擴(kuò)散區(qū)114中形成勢(shì)阱區(qū)120。特別地，勢(shì)阱區(qū)120成為勢(shì)壘。更加詳細(xì)地，通過增加臨近轉(zhuǎn)移晶體管 Tx的光敏二極管FD的n-型擴(kuò)散區(qū)114的濃度形成勢(shì)壘。將注入到勢(shì)阱區(qū)120 的n-型摻雜劑離子數(shù)量，g卩，劑量設(shè)定為低于11+-型擴(kuò)散區(qū)116的摻雜劑離子 劑量而高于n-型擴(kuò)散區(qū)114的摻雜劑離子劑量。就是說，以10|3到1015 atoms/cm2的劑量和100 KeV到150 KeV的能量將n-型摻雜劑離子注入到勢(shì)阱 區(qū)120中。以上述離子注入條件，將信號(hào)電子優(yōu)先收集在勢(shì)阱區(qū)120中，如示例圖5 所示。因此，當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)移晶體管Tx時(shí)，電子流入到具有較低能級(jí)的浮動(dòng)擴(kuò)散 區(qū)FD中。相反，由于轉(zhuǎn)移晶體管Tx的通道能級(jí)相對(duì)高于現(xiàn)有技術(shù)的，當(dāng)關(guān) 閉轉(zhuǎn)移晶體管Tx時(shí)，減少了轉(zhuǎn)移晶體管Tx的泄漏電流?，F(xiàn)在將參考圖6A到6C描述制備CMOS圖像傳感器的方法。參考圖6A， 在半導(dǎo)體襯底102之上形成外延層104、柵絕緣層108、柵極110和n-型擴(kuò)散 區(qū)114。首先，為了形成低濃度P-型外延層104， ？+-型半導(dǎo)體襯底102經(jīng)受外 延工藝。此后，在外延層104之上形成轉(zhuǎn)移晶體管Tx的柵絕緣層108和柵極 110。更加詳細(xì)地，通過沉積方法在外延層104之上相繼形成柵絕緣膜和柵金屬 層。順序地，為了形成柵絕緣膜108和柵極110，通過光刻法使用掩模對(duì)柵絕 緣膜和柵金屬層構(gòu)圖。此后，形成光刻膠圖像，以便曝光外延層104的光敏二 極管區(qū)PD。接下來，為了形成n-型擴(kuò)散區(qū)114，將n-型摻雜劑離子注入到曝光的光敏二極管區(qū)PD中。如示例圖6B所示，在柵極UO的兩個(gè)側(cè)壁之上形成柵隔層112。更加詳 細(xì)地，為了在柵極110側(cè)壁之上形成柵隔層112，在柵極110之上形成絕緣膜 (SiN)并且執(zhí)行回蝕(etch-back)工藝。接下來，形成光刻膠圖像118，以 便曝光臨近轉(zhuǎn)移晶體管Tx的n-型擴(kuò)散區(qū)114的一部分。如示例圖6C所示，為了形成勢(shì)阱區(qū)120，將n-型摻雜劑離子注入到曝光 的n-型擴(kuò)散區(qū)114中。注入到勢(shì)阱區(qū)120中的n-型摻雜劑離子劑量低于下面 描述的11+-型擴(kuò)散區(qū)116的摻雜劑離子劑量而高于n-型擴(kuò)散區(qū)114的摻雜劑離 子劑量。此后，通過將11+-型摻雜劑離子注入到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)？0的外延層104 中形成11+-型擴(kuò)散區(qū)116。該類型的轉(zhuǎn)移晶體管Tx也可應(yīng)用于3T型CMOS圖像傳感器。根據(jù)實(shí)施 方式，在臨近轉(zhuǎn)移晶體管Tx的光敏二極管區(qū)PD的n-型擴(kuò)散區(qū)中形成勢(shì)阱區(qū)。 因此，在實(shí)施方式中，由于該轉(zhuǎn)移晶體管Tx的通道能級(jí)相對(duì)高于現(xiàn)有技術(shù)的 通道能級(jí)，當(dāng)轉(zhuǎn)移晶體管Tx處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，減少了轉(zhuǎn)移晶體管Tx的泄漏 電流。根據(jù)實(shí)施方式，由于將在光敏二極管區(qū)PD中產(chǎn)生的電子收集在勢(shì)阱區(qū) 中，因此當(dāng)從遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)移晶體管Tx的位置遷移時(shí)電子損失的可能性降低，并且 由此可以改進(jìn)傳感器的靈敏性。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員，明顯且顯而易見的是可以在公開的實(shí)施方式中作出 不同修改和改變。因此，所公開的實(shí)施方式應(yīng)當(dāng)覆蓋這些明顯且顯而易見的修 改和改變，只要它們?cè)谒綑?quán)利要求及其等效的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括外延層，形成在由光敏二極管區(qū)和有源區(qū)限定的半導(dǎo)體襯底之上；柵極，形成在外延層之上，在它們之間插入柵絕緣層；第一摻雜劑擴(kuò)散區(qū)，通過將第一摻雜劑離子注入到光敏二極管區(qū)的外延層中而形成；勢(shì)阱區(qū)，形成在臨近柵極的第一摻雜劑擴(kuò)散區(qū)中；第二摻雜劑擴(kuò)散區(qū)，通過將第二摻雜劑離子注入到柵隔層的側(cè)表面浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的外延層中而形成。
2. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，注入到勢(shì)阱區(qū)的n-型摻雜劑 離子劑量低于第二摻雜劑擴(kuò)散區(qū)的而高于第一摻雜劑擴(kuò)散區(qū)的。
3. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，以1013到10'Satoms/cn^的劑 量將n-型摻雜劑離子注入到勢(shì)阱區(qū)中。
4. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，以100 KeV到150 KeV的能 量將n-型摻雜劑離子注入到勢(shì)阱區(qū)中。
5. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述第一摻雜劑是n-型摻雜劑。
6. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述第二摻雜劑是11+-型摻雜劑。
7. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述柵形成互補(bǔ)金屬一氧化 物一硅圖像傳感器中的轉(zhuǎn)移晶體管的一部分。
8. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，當(dāng)轉(zhuǎn)移晶體管處于關(guān)閉狀態(tài) 時(shí)，將信號(hào)電子優(yōu)先收集在勢(shì)阱區(qū)中。
9. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)移晶體管時(shí)，來自 勢(shì)阱區(qū)的信號(hào)電子流入到第二摻雜劑擴(kuò)散區(qū)中，所述第二摻雜劑擴(kuò)散區(qū)的能級(jí) 比第一摻雜劑擴(kuò)散區(qū)中的勢(shì)阱區(qū)外部的信號(hào)電子的能級(jí)低。
10. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，同樣由器件隔離區(qū)限定在半 導(dǎo)體襯底之上形成的外延層，而且在器件隔離區(qū)中形成器件隔離膜。
11. 一種方法，包括在由光敏二極管區(qū)和有源區(qū)限定的半導(dǎo)體襯底之上形成外延層； 在用于轉(zhuǎn)移晶體管的外延層之上相繼形成柵絕緣膜和柵金屬層； 為了形成柵極，對(duì)柵絕緣膜和柵金屬層構(gòu)圖；為了形成第一摻雜劑擴(kuò)散區(qū)，將第一摻雜劑離子注入到光敏二極管區(qū)的外 延層中；在臨近柵極的第一摻雜劑擴(kuò)散區(qū)中形成勢(shì)阱區(qū)；以及為了形成第二摻雜劑擴(kuò)散區(qū)，將第二摻雜劑離子注入到柵隔層的側(cè)表面浮 動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的外延層中。
12. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，注入到勢(shì)阱區(qū)的n-型摻雜 劑離子劑量低于第二摻雜劑擴(kuò)散區(qū)的慘雜劑離子劑量而高于第一摻雜劑擴(kuò)散 區(qū)的摻雜劑離子劑量。
13. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，以1013到1015atoms/cm2 的劑量將n-型摻雜劑離子注入到勢(shì)阱區(qū)中。
14. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，以100 KeV到150 KeV的 能量將n-型摻雜劑離子注入到勢(shì)阱區(qū)中。
15. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，柵極的形成包括在柵極的 側(cè)壁之上形成柵隔層。
16. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，所述第一摻雜劑是n-型摻 雜劑而第二摻雜劑是11+-型摻雜劑。
17. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，所述柵形成互補(bǔ)金屬一氧 化物一硅圖像傳感器中轉(zhuǎn)移晶體管的一部分。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，當(dāng)轉(zhuǎn)移晶體管處于關(guān)閉狀 態(tài)時(shí)，將信號(hào)電子優(yōu)先收集在勢(shì)阱區(qū)中。
19. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)移晶體管時(shí)，信 號(hào)電子從勢(shì)阱區(qū)流入到第二摻雜劑擴(kuò)散區(qū)中，所述第二摻雜劑擴(kuò)散區(qū)的能級(jí)比 第一摻雜劑擴(kuò)散區(qū)中的勢(shì)阱區(qū)外部的信號(hào)電子能級(jí)低。
20. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，包括在另外限定半導(dǎo)體襯 底的器件隔離區(qū)中形成器件隔離膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能夠防止轉(zhuǎn)移晶體管的泄漏電流的CMOS圖像傳感器及其制備方法。本發(fā)明涉及一種包括轉(zhuǎn)移晶體管的互補(bǔ)金屬一氧化物—硅(CMOS)圖像傳感器。該轉(zhuǎn)移晶體管包括在由光敏二極管區(qū)、有源區(qū)和器件隔離區(qū)限定的半導(dǎo)體襯底之上形成的外延層?？梢栽谄骷綦x區(qū)中形成器件隔離膜?？梢栽谟糜谵D(zhuǎn)移晶體管的外延層之上形成柵極，且在它們之間插入柵絕緣層。可以通過將第一摻雜劑離子注入到光敏二極管區(qū)的外延層中形成第一摻雜劑擴(kuò)散區(qū)?？梢栽谂R近柵極的第一摻雜劑擴(kuò)散區(qū)中形成勢(shì)阱區(qū)?？梢酝ㄟ^將第二摻雜劑離子注入到柵隔層的側(cè)表面浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的外延層中形成第二摻雜劑擴(kuò)散區(qū)。
文檔編號(hào)H01L27/146GK101221967SQ200710308350
公開日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月29日
發(fā)明者任劤爀 申請(qǐng)人:東部高科股份有限公司