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COMS圖像傳感器，更具體而言，涉及一種具有改良特性的COMS圖像傳感器及其制造方法。
背景技術(shù)：
通常，圖像傳感器是將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號的半導(dǎo)體IC器件。圖像傳感器主要分為電荷耦合器件(CCD)和CMOS圖像傳感器。
CCD包括多個垂直電荷耦合器件(VCCD)、水平電荷耦合器件(HCCD)和感測放大器(sense amplifier)，在所述多個垂直電荷耦合器件中以矩陣形式設(shè)置了用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的多個光電二極管(PD)。VCCD形成于以矩陣形式垂直設(shè)置的光電二極管之間，并在垂直方向上傳送從每個光電二極管生成的電荷。HCCD在水平方向上傳送由VCCD所傳送的電荷。感測放大器對水平方向上所發(fā)送的電荷進(jìn)行感測并根據(jù)所檢測的電荷來產(chǎn)生電信號。
但是，這種CCD具有復(fù)雜的驅(qū)動，消耗大量功率并且需要多步光刻步驟，導(dǎo)致了復(fù)雜的制造工藝。
此外，在傳統(tǒng)的CCD中，難以將控制電路、信號處理器、A/D轉(zhuǎn)換器等集成在一個CCD芯片上。這使得難以將CCD小型化。
近來，為了克服電荷耦合器件的以上缺點(diǎn)，作為下一代圖像傳感器，CMOS圖像傳感器正在引起廣泛關(guān)注。
在CMOS圖像傳感器中，將控制電路、信號處理電路用作外圍電路的CMOS技術(shù)被用來在半導(dǎo)體襯底中形成與單元像素的數(shù)目對應(yīng)的MOS晶體管。這樣，利用MOS晶體管順序地對來自每個單元像素的輸出進(jìn)行檢測，即，采用切換模式(switching mode)。
即，在CMOS圖像傳感器中，在單元像素中形成光電二極管和MOS晶體管。CMOS圖像傳感器適合于按照切換方法，通過對各個單元像素的電信號順序地進(jìn)行檢測來形成圖像。
由于CMOS圖像傳感器是通過CMOS制造技術(shù)制造的，因此它具有如下優(yōu)點(diǎn)，如相對低的功耗，以及通過相對較少次數(shù)的光刻步驟而簡化的制造工藝。
此外，CMOS圖像傳感器具有如此構(gòu)造，其中可以將控制電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器等集成在圖像傳感器芯片上，由此提供了產(chǎn)品小型化的優(yōu)點(diǎn)。
因此，這種CMOS圖像傳感器已經(jīng)被廣泛用于各個應(yīng)用中，如數(shù)字相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。
按照晶體管的數(shù)量，CMOS圖像傳感器被分為3T、4T和5T型等。例如，3T型包括一個光電二極管和三個晶體管且4T型包括一個光電二極管和四個晶體管。
此后，將對用于4T CMOS傳感器中的單元像素的布局進(jìn)行描述。
圖1為用于普通4T CMOS圖像傳感器的等效電路。圖2為示出了普通4T CMOS圖像傳感器中單元像素的布局。
如圖1所示，CMOS圖像傳感器的單元像素100包括作為光電變換器的光電二極管10和四個晶體管。
四個晶體管包括轉(zhuǎn)移晶體管20、復(fù)位晶體管30、驅(qū)動晶體管40和選擇晶體管50。另外，負(fù)載晶體管60電連接到單元像素100的輸出端(OUT)。
標(biāo)號FD、Tx、Rx、Dx和Sx分別表示漂移擴(kuò)散區(qū)、轉(zhuǎn)移晶體管20的柵電壓、復(fù)位晶體管30的柵電壓、驅(qū)動晶體管40的柵電壓和選擇晶體管50的柵電壓。
如圖2所示，在普通4T CMOS圖像傳感器的單元像素中，限定了有源區(qū)，并且在有源區(qū)以外的區(qū)域中形成器件隔離膜。在有源區(qū)的較寬區(qū)域中形成單個PD，并在有源區(qū)的剩余部分中形成四個晶體管的柵電極23、33、43和53，以便進(jìn)行重疊。
即，由柵電極23形成轉(zhuǎn)移晶體管20，由柵電極33形成復(fù)位晶體管30，由柵電極43形成驅(qū)動晶體管40，并由柵電極53形成選擇晶體管50。
這里，將雜質(zhì)離子注入到除了各柵電極23、33、43和53的底部以外的各個晶體管的有源區(qū)中，由此形成每個晶體管的源極/漏極區(qū)(S/D)。
圖3為沿著圖2的線I-I′獲得的截面視圖，示出了常規(guī)的CMOS圖像傳感器。
如圖3中所示，低濃度P-型外延層62形成在高濃度P++型半導(dǎo)體襯底61中。器件隔離膜63形成在其中形成P-外延層62的半導(dǎo)體襯底61的器件隔離區(qū)中。
此后，柵絕緣膜64形成在半導(dǎo)體襯底61的整個表面上，且轉(zhuǎn)移晶體管的柵電極65形成在柵絕緣膜64上。
這里，在柵電極65下的器件隔離膜63之間的P-外延層62形成了溝道區(qū)C。
另一方面，以上配置的轉(zhuǎn)移晶體管起在沒有損失的情況下平穩(wěn)地將電子從光電二極管(圖2中PD)轉(zhuǎn)移到浮動擴(kuò)散區(qū)(圖1和2中的FD)的作用。
即，電子通過形成在轉(zhuǎn)移晶體管柵電極65下的溝道區(qū)C，從光電二極管轉(zhuǎn)移到浮動擴(kuò)散區(qū)。
然而，以上常規(guī)CMOS圖像傳感器包括以下缺點(diǎn)。
由于器件隔離膜的界面缺陷，在溝道區(qū)和器件隔離膜之間的界面附近流動的少量電子被損失(即，由于器件隔離膜的界面中漏電流的損失)，由此降低了圖像傳感器的特性。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決以上問題而進(jìn)行了本發(fā)明，且本發(fā)明的一個目的是提供一種CMOS圖像傳感器及其制造方法，其防止在器件隔離膜的界面中出現(xiàn)漏電流，以提高圖像傳感器的特性。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種CMOS圖像傳感器，包括器件隔離膜，形成在半導(dǎo)體襯底的器件隔離區(qū)中，限定有源區(qū)和器件隔離區(qū)；形成在半導(dǎo)體襯底上的柵絕緣膜，所述柵絕緣膜在器件隔離膜之間的有源區(qū)處和在器件隔離膜的界面區(qū)域處具有不同的厚度；形成在柵絕緣膜上的柵電極；形成在柵電極一側(cè)的半導(dǎo)體襯底中的浮動擴(kuò)散區(qū)；以及形成在柵電極另一側(cè)的半導(dǎo)體襯底中的光電二極管區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造CMOS圖像傳感器的方法，所述方法包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底的器件隔離區(qū)中形成器件隔離膜，所述半導(dǎo)體襯底限定了器件隔離區(qū)和有源區(qū)；在半導(dǎo)體襯底上形成柵絕緣膜，所述柵絕緣膜在器件隔離膜之間的有源區(qū)處和在器件隔離膜的界面處具有不同的厚度；在半導(dǎo)體襯底上的晶體管區(qū)中形成柵絕緣膜，以具有不同的厚度；在柵絕緣膜上形成柵電極；在柵電極一側(cè)的半導(dǎo)體襯底中形成浮動擴(kuò)散區(qū)；以及在柵電極另一側(cè)的半導(dǎo)體襯底中形成光電二極管區(qū)。


圖1為用于普通4T CMOS圖像傳感器的等效電路。
圖2為示出了普通4T CMOS圖像傳感器中單元像素的布局。
圖3為沿著圖2的線I-I′獲得的截面視圖，示出了常規(guī)的CMOS圖像傳感器。
圖4a為沿著圖2的線I-I′獲得的截面視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器。
圖4b為沿著圖2的線IV-IV′獲得的截面視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器。
圖5a到5d為沿著圖2中的線I-I′獲得的截面視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的制造CMOS圖像傳感器的方法。
圖6a到6c為沿著圖2中的線IV-IV′獲得的截面視圖，且圖示了在形成了圖5a至5d的柵電極后根據(jù)本發(fā)明的制造CMOS圖像傳感器的方法。
具體實(shí)施例方式
此后將參照附圖，對根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器及其制造方法進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖4a為沿著圖2的線I-I′獲得的截面視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器。圖4b為沿著圖2的線IV-IV′獲得的截面視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器。
如圖4a和4b所示，低濃度P-外延層102形成在高濃度P++型半導(dǎo)體襯底101的表面中，且器件隔離膜103形成在其中形成P-外延層102的半導(dǎo)體襯底101的器件隔離區(qū)中。
在半導(dǎo)體襯底103的整個表面上形成了具有不同厚度的柵絕緣膜104。在柵絕緣膜104上所形成的是轉(zhuǎn)移晶體管的柵電極106。
這里，通過在柵電極106下的器件隔離膜103之間的P-外延層限定了溝道區(qū)C。
另外，n-型擴(kuò)散區(qū)108形成在柵電極106一側(cè)的有源區(qū)中，且n+型擴(kuò)散區(qū)110形成在柵電極106另一側(cè)的有源區(qū)中。
這里，n-型擴(kuò)散區(qū)108是光電二極管區(qū)，且n+型擴(kuò)散區(qū)110是浮動擴(kuò)散區(qū)。
另一方面，本發(fā)明的CMOS圖像傳感器如此地配置，使得柵絕緣膜103具有不同的厚度。即，在器件隔離膜103一側(cè)的柵絕緣膜103具有較厚的厚度，而在溝道區(qū)C中心部分的柵絕緣膜103具有相對較薄的厚度。
利用根據(jù)本發(fā)明的上述配置的CMOS圖像傳感器，當(dāng)溝道區(qū)C形成且然后電子經(jīng)由溝道區(qū)從光電二極管區(qū)向浮動擴(kuò)散區(qū)行進(jìn)時，電子優(yōu)選地向著具有較強(qiáng)電場的中心區(qū)域(圖1中箭頭所示方向)移動。由此，相對而言，可以同樣多地減少向著相鄰器件隔離膜103而移動的電子的量。
因此，可利用以下方法來最小化電子損失，由此能夠提高圖像傳感器的特性。
圖5a至5d是沿著圖2中的線I-I′獲得的截面視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的制造CMOS圖像傳感器的方法。
如圖5a中所示，使用外延工藝，將低濃度的第一導(dǎo)電(P-型)外延層102形成在如高濃度的第一導(dǎo)電(P++型)單晶硅的半導(dǎo)體襯底101上。
這里，形成外延層102，以便在光電二極管中具有大且深的耗盡區(qū)。這是為了提高用于收集光電荷的低壓光電二極管的能力并進(jìn)一步地提高其光靈敏度。
另一方面，半導(dǎo)體襯底101可以具有在n型襯底中所形成的p型外延層。
然后，將有源區(qū)和器件隔離區(qū)限定在半導(dǎo)體襯底101中，并使用STI工藝將器件隔離膜103形成在器件隔離區(qū)中。
盡管圖中沒有示出，但這里還是要解釋用于形成器件隔離膜103的方法。
首先，在半導(dǎo)體襯底上順序形成焊盤(pad)氧化膜、焊盤氮化膜以及TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate，原硅酸四乙酯)氧化膜，且然后在TEOS氧化膜上形成光敏膜。
此后，利用用于限定有源區(qū)和器件隔離區(qū)的掩模，對光敏區(qū)進(jìn)行曝光和顯影，由此將光敏膜圖案化。這時，將器件隔離區(qū)上的光敏膜去除。
另外，將經(jīng)過圖案化的光敏膜用作掩模，選擇性地把器件隔離區(qū)上的焊盤氧化膜、焊盤氮化膜和TEOS氧化膜去除。
然后，將經(jīng)過圖案化的焊盤氧化膜、焊盤氮化膜以及TEOS氧化膜用作掩膜，對器件隔離區(qū)的半導(dǎo)體襯底進(jìn)行蝕刻，以形成具有期望深度的溝槽。將光敏膜全部去除。
此后，將絕緣材料掩埋在溝槽內(nèi)，以在溝槽內(nèi)形成器件隔離膜103。然后，去除焊盤氧化膜、焊盤氮化膜和TEOS氧化膜。
如圖5b中所示，在其中形成器件隔離膜103的外延層102的整個表面上，將柵絕緣膜104形成為40～70的厚度。
然后，在柵絕緣膜104上涂覆光敏膜105之后，通過曝光和顯影工藝來執(zhí)行選擇性圖案化，使得器件隔離膜103之間的中心區(qū)域被敞開。
另外，使用經(jīng)過圖案化的光敏膜105作為掩膜，從柵絕緣膜104的暴露表面選擇性地去除期望厚度的柵絕緣膜104。
這里，將柵絕緣膜104從其表面去除約30的厚度。
因此，在器件隔離膜103之間保留在半導(dǎo)體襯底101上的柵絕緣膜104具有10～40的厚度，且在器件隔離膜103和與其相鄰的半導(dǎo)體襯底101上所形成的柵絕緣膜103具有40～70的厚度。
另一方面，本發(fā)明的這個實(shí)施例圖示了從柵絕緣膜104的表面去除期望厚度的柵絕緣膜104，但不限于此。例如，第一柵絕緣膜形成為40～70的厚度，從在器件隔離膜103之間的中心部分選擇性地去除第一柵絕緣膜，且在其中去除第一柵絕緣膜的區(qū)域中形成具有10～40厚度的第二柵絕緣膜。
如圖5c中所示，當(dāng)光敏膜105被去除時，柵絕緣膜104成為具有不同的厚度。
如圖5d中所示，把導(dǎo)電層(例如，高濃度多晶硅層)淀積在具有不同厚度的柵絕緣膜104上，且通過光蝕刻工藝將其選擇性地去除，以形成轉(zhuǎn)移晶體管的柵電極106。
另一方面，圖6a至6c是沿著圖2中的線IV-IV′獲得的截面視圖，且圖示了根據(jù)本發(fā)明在形成圖5a至5d的柵電極后制造CMOS圖像傳感器的方法。
如圖6a所示，將第一光敏膜107涂覆在包括柵電極106的半導(dǎo)體襯底101的整個表面上，且然后通過曝光和顯影工藝來圖案化，使得光電二極管區(qū)被敞開。
這里，形成經(jīng)過圖案化的第一光敏膜107，以便包括柵電極106的上部的一部分。
另外，使用經(jīng)過圖案化的第一光敏膜107作為掩膜，將低濃度的n-型雜質(zhì)離子注入到所暴露的光電二極管區(qū)，以形成n-型擴(kuò)散區(qū)108。
這里，n-型擴(kuò)散區(qū)108還可以用作轉(zhuǎn)移晶體管的源區(qū)(圖1和2中的Tx)。
另一方面，如果在每個n-型擴(kuò)散區(qū)108和低濃度P-型外延層102之間施加反向偏壓，則產(chǎn)生了耗盡層。該耗盡層接收光來生成電子，這在復(fù)位晶體管關(guān)斷時減少了驅(qū)動晶體管的電勢。當(dāng)復(fù)位晶體管在導(dǎo)通后被關(guān)斷時，電勢連續(xù)降低，由此生成電壓差。電壓差經(jīng)過信號處理以操作圖像傳感器。
如圖6b中所示，在第一光敏膜107被完全去除后，將第二光敏膜109涂覆在半導(dǎo)體襯底101的整個面上。然后，通過曝光和顯影工藝來執(zhí)行圖案化，使得暴露每個晶體管的源/漏區(qū)。
此后，使用經(jīng)過圖案化的第二光敏膜109作為掩膜，將高濃度n+型雜質(zhì)離子注入到所暴露的源/漏區(qū)中，以在半導(dǎo)體襯底101內(nèi)形成高濃度n+型擴(kuò)散區(qū)(浮動擴(kuò)散區(qū))110。
這里，高濃度n+型雜質(zhì)離子采用As離子，且使用約80keV的離子注入能量注入約4E15的劑量。
如圖6c所示，將第二光敏膜109去除。然后，對半導(dǎo)體襯底101執(zhí)行熱處理(例如，快速熱處理工藝)，以在n-型擴(kuò)散區(qū)域108和n+型擴(kuò)散區(qū)域110中擴(kuò)散雜質(zhì)離子。
這里，執(zhí)行熱處理，使得就一個尺度而言，n-型擴(kuò)散區(qū)108和n+型擴(kuò)散區(qū)域110的擴(kuò)展區(qū)域變得不大于0.4μm(擴(kuò)展量/側(cè))。
盡管已經(jīng)參照幾個示例性實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是，該描述是本發(fā)明的說明，而不對本發(fā)明構(gòu)成限制。在不脫離由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍和精神的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行各種修改、改變和替換。
如上所述，本發(fā)明的CMOS圖像及其制造方法具有以下效果。
即，傳遞晶體管的柵絕緣膜具有不同的厚度，由此當(dāng)電子從光電二極管行進(jìn)到浮動擴(kuò)散區(qū)時最小化了電子損失。
權(quán)利要求
1.一種CMOS圖像傳感器，包括形成在半導(dǎo)體襯底的器件隔離區(qū)中的器件隔離膜，以限定有源區(qū)和器件隔離區(qū)；形成在所述半導(dǎo)體襯底上的柵絕緣膜，所述柵絕緣膜在所述器件隔離膜的界面區(qū)域處和在所述器件隔離膜之間的所述有源區(qū)處具有不同的厚度；形成在所述柵絕緣膜上的柵電極；形成在所述柵電極一側(cè)的所述半導(dǎo)體襯底中的浮動擴(kuò)散區(qū)；以及形成在所述柵電極另一側(cè)的所述半導(dǎo)體襯底中的光電二極管區(qū)。
2.如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述柵絕緣膜如此形成，使得其在所述器件隔離膜界面?zhèn)鹊暮穸却笥谠谒銎骷綦x膜之間的所述有源區(qū)中的所述柵絕緣膜的厚度。
3.如權(quán)利要求2所述的CMOS圖像傳感器，其中在所述器件隔離膜界面?zhèn)鹊乃鰱沤^緣膜具有40～70的厚度，而在所述器件隔離膜之間的中心區(qū)域形成的所述柵絕緣膜具有10～40的厚度。
4.一種制造CMOS圖像傳感器的方法，所述方法包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底的器件隔離區(qū)中形成器件隔離膜，所述半導(dǎo)體襯底限定了器件隔離區(qū)和有源區(qū)；在所述半導(dǎo)體襯底上形成柵絕緣膜，所述柵絕緣膜在所述器件隔離膜的界面處和在所述器件隔離膜之間的有源區(qū)處具有不同的厚度；在所述半導(dǎo)體襯底上的晶體管區(qū)中形成柵絕緣膜，以具有不同的厚度；在所述柵絕緣膜上形成柵電極；在所述柵電極一側(cè)的所述半導(dǎo)體襯底中形成浮動擴(kuò)散區(qū)；以及在所述柵電極另一側(cè)的所述半導(dǎo)體襯底中形成光電二極管區(qū)。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中通過在形成了器件隔離膜的半導(dǎo)體襯底的整個表面上形成柵絕緣膜來形成所述柵絕緣膜，并將在所述器件隔離膜之間的所述有源區(qū)的中心區(qū)域中形成的所述柵絕緣膜蝕刻到期望深度。
6.如權(quán)利要求4的方法，其中所述柵絕緣膜形成步驟包括以下步驟在形成了器件隔離膜的半導(dǎo)體襯底的整個表面上形成第一柵絕緣膜，選擇性地去除在所述器件隔離膜之間的中心區(qū)域形成的所述第一柵絕緣膜，以及在所述第一柵絕緣膜的被去除部分中形成第二柵絕緣膜，所述第二柵絕緣膜具有比所述第一柵絕緣膜大的厚度。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中所述第一柵絕緣膜形成為具有40～70的厚度，且所述第二柵絕緣膜形成為具有10～40的厚度。
全文摘要
所公開的是一種CMOS圖像傳感器。器件隔離膜形成在半導(dǎo)體襯底的器件隔離區(qū)中，以限定有源區(qū)和器件隔離區(qū)。柵絕緣膜形成在半導(dǎo)體襯底上。柵絕緣膜在器件隔離膜的界面區(qū)域處和在器件隔離膜之間的有源區(qū)處具有不同厚度。柵電極形成在柵絕緣膜上。浮動擴(kuò)散區(qū)形成在柵電極一側(cè)的半導(dǎo)體襯底中。光電二極管區(qū)形成在柵電極另一側(cè)的半導(dǎo)體襯底中。還公開了一種制造該CMOS圖像傳感器的方法。
文檔編號H01L21/822GK1941389SQ200610127890
公開日2007年4月4日 申請日期2006年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月28日
發(fā)明者全寅均 申請人:東部電子株式會社