CMOS图像传感器的制造方法转让专利
申请号 : CN200710305313.8
文献号 : CN100590849C
文献日 : 2010-02-17
发明人 : 沈喜成
申请人 : 东部高科股份有限公司
摘要 :
本发明提供一种CMOS图像传感器的制造方法，该方法可以包括如下步骤：在半导体衬底上形成限定有源区的隔离层；在半导体衬底的晶体管区中形成第一和第二栅极；在第一栅极的第一侧的半导体衬底中形成光电二极管区；在光电二极管区上形成氧化层，该氧化层的厚度大于介电层的厚度；在第二栅极的第二侧上的半导体衬底中和第一栅极与第二栅极之间的半导体衬底中形成源/漏极延伸区；通过离子注入经过介电层，在半导体衬底的晶体管区中形成源/漏极区域；以及经过氧化层在该光电二极管区中形成的互补离子注入区域。
权利要求 :
1、一种CMOS图像传感器的制造方法，包括如下步骤： 在半导体衬底的有源区中形成第一栅极和第二栅极； 在该半导体衬底、该第一栅极和该第二栅极上形成介电层； 通过经由介电层进行离子注入，在该半导体衬底的有源区中形成光电二极管区，其中该半导体衬底的有源区位于该第一栅极的第一侧； 在使用干法或湿法蚀刻从该光电二极管区去除该介电层之后，通过热氧化在该光电二极管区上形成氧化层，该氧化层的厚度大于该介电层的厚度； 在该半导体衬底中该第二栅极的第二侧以及该第一栅极与该第二栅极之间形成源/漏极延伸区； 通过经由该介电层进行离子注入，在该半导体衬底的该晶体管区中形成源/漏极区域；以及 经过该氧化层在该光电二极管区中形成互补离子注入区域。
2、 如权利要求1所述的方法，还包括通过热氧化该半导体衬底及该第一栅极和该第二栅极形成该介电层。
3、 如权利要求1所述的方法，还包括在该半导体衬底中形成用以限定该有源区的隔离层。
4、 如权利要求1所述的方法，还包括在该半导体衬底的该晶体管区中形成该第一栅极和该第二栅极。
5、 如权利要求4所述的方法，其中该第一栅极和该第二栅极包括转移晶 体管和复位晶体管。
6、 如权利要求1所述的方法，还包括在该第一栅极和该第二栅极的侧壁上形成多个间隔部件。
7、 如权利要求6所述的方法，其中在形成所述源/漏极延伸区之后并在形成所述源/漏极区域之前形成所述间隔部件。
说明书 :
CMOS图像传感器的制造方法
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器的制造方法。 背景技术
图像传感器是用于将光图像转换为电信号的半导体器件，并主要分成电 荷耦合器件（CCD)和互补金属氧化物半导体（CMOS)图像传感器。
CCD具有多个光电二极管（PD)，所述光电二极管以矩阵形式排列以 将光信号转换为电信号。CCD包括：多个垂直电荷耦合器件（VCCD)，设 置在矩阵中垂直排列的多个光电二极管之间，以使得从每一个光电二极管产 生电荷时以垂直方向传输电荷；多个水平电荷耦合器件（HCCD)，用于以 水平方向传输己从VCCD被传输的电荷；以及感测放大器，通过感测以水平 方向被传输的电荷来输出电荷。
然而，这种CCD有各种缺点，例如复杂的驱动模式、高功耗等等。此 外，所述CDD通常需要多步光刻工艺，从而使得CCD的制造工艺相对较复 杂。
另外，因为难以将控制器、信号处理器和模/数转换器（A/D转换器）整 合到CCD的单芯片上，因此CCD可能无法适用于小型产品。
近年来，CMOS图像传感器用作可以解决某些CCD问题的下一代图像 传感器而受到关注。CMOS图像传感器是使用切换模式以通过MOS晶体管 顺序检测每一单元像素输出的器件，其中通过CMOS技术将MOS晶体管形 成在对应于单元像素的半导体衬底上，CMOS图像传感器可使用例如控制器 和信号处理器的外围设备。S卩，CMOS传感器包括每一单元像素中的PD和 MOS晶体管，并在切换模式下通过MOS晶体管顺序检测每一单元像素的电 信号以实现图像。
因为CMOS图像传感器利用CMOS技术，因此CMOS图像传感器具有 以下优点：例如低功耗，以及具有相对较少数目的光刻工艺步骤的相对简单
3的制造过程。另外，因为可以将控制器、信号处理器和A/D转换器整合在
CMOS图像传感器的单芯片上，所以CMOS图像传感器允许产品具有小尺 寸。因此，CMOS图像传感器已被广泛用于各种应用中，例如数码相机和数 码摄像机等等。
同时，根据每一单元像素的晶体管数目将CMOS图像传感器分成3T、 4T和5T型CMOS图像传感器。3T型CMOS图像传感器的每一单元像素包 括一个光电二极管和三个晶体管，而4T型CMOS图像传感器的每一单元像 素包括一个光电二极管和四个晶体管。
此后，将描述关于4T型CMOS图像传感器的单元像素的布局的细节。 图1是表示相关的4T型CMOS图像传感器的单元像素的布局。 如图1所示，有源区被限定在CMOS图像传感器的单元像素10中，而 隔离层形成在除了有源区之外的半导体衬底上。 一个光电二极管（PD) 16 形成在有源区的宽部，而四个晶体管的栅极13、 14、 20和30与该有源区的 剩余部分交叠。
转移晶体管结合栅极13，而复位晶体管结合栅极14。驱动晶体管结合 栅极20，而选择晶体管合并栅极30。
单元像素10包括浮置的源/漏杂质区18，源/漏杂质区18形成在该半导 体衬底的有源区中的栅极13和14之间的半导体衬底的表面上。
图像传感器是用于将光图像转换为电信号的半导体器件，并主要分成电 荷耦合器件（CCD)和互补金属氧化物半导体（CMOS)图像传感器。
CCD具有多个光电二极管（PD)，所述光电二极管以矩阵形式排列以 将光信号转换为电信号。CCD包括：多个垂直电荷耦合器件（VCCD)，设 置在矩阵中垂直排列的多个光电二极管之间，以使得从每一个光电二极管产 生电荷时以垂直方向传输电荷；多个水平电荷耦合器件（HCCD)，用于以 水平方向传输己从VCCD被传输的电荷；以及感测放大器，通过感测以水平 方向被传输的电荷来输出电荷。
然而，这种CCD有各种缺点，例如复杂的驱动模式、高功耗等等。此 外，所述CDD通常需要多步光刻工艺，从而使得CCD的制造工艺相对较复 杂。
另外，因为难以将控制器、信号处理器和模/数转换器（A/D转换器）整 合到CCD的单芯片上，因此CCD可能无法适用于小型产品。
近年来，CMOS图像传感器用作可以解决某些CCD问题的下一代图像 传感器而受到关注。CMOS图像传感器是使用切换模式以通过MOS晶体管 顺序检测每一单元像素输出的器件，其中通过CMOS技术将MOS晶体管形 成在对应于单元像素的半导体衬底上，CMOS图像传感器可使用例如控制器 和信号处理器的外围设备。S卩，CMOS传感器包括每一单元像素中的PD和 MOS晶体管，并在切换模式下通过MOS晶体管顺序检测每一单元像素的电 信号以实现图像。
因为CMOS图像传感器利用CMOS技术，因此CMOS图像传感器具有 以下优点：例如低功耗，以及具有相对较少数目的光刻工艺步骤的相对简单
3的制造过程。另外，因为可以将控制器、信号处理器和A/D转换器整合在
CMOS图像传感器的单芯片上，所以CMOS图像传感器允许产品具有小尺 寸。因此，CMOS图像传感器已被广泛用于各种应用中，例如数码相机和数 码摄像机等等。
同时，根据每一单元像素的晶体管数目将CMOS图像传感器分成3T、 4T和5T型CMOS图像传感器。3T型CMOS图像传感器的每一单元像素包 括一个光电二极管和三个晶体管，而4T型CMOS图像传感器的每一单元像 素包括一个光电二极管和四个晶体管。
此后，将描述关于4T型CMOS图像传感器的单元像素的布局的细节。 图1是表示相关的4T型CMOS图像传感器的单元像素的布局。 如图1所示，有源区被限定在CMOS图像传感器的单元像素10中，而 隔离层形成在除了有源区之外的半导体衬底上。 一个光电二极管（PD) 16 形成在有源区的宽部，而四个晶体管的栅极13、 14、 20和30与该有源区的 剩余部分交叠。
转移晶体管结合栅极13，而复位晶体管结合栅极14。驱动晶体管结合 栅极20，而选择晶体管合并栅极30。
单元像素10包括浮置的源/漏杂质区18，源/漏杂质区18形成在该半导 体衬底的有源区中的栅极13和14之间的半导体衬底的表面上。
发明内容
本发明的实施例提供一种CMOS图像传感器的制造方法，其能够在通过 增加暗信号或像素的暗缺陷（defect)引起的低照明环境中最小化特性损失， 该暗信号或像素的暗缺陷是由光电二极管的上部发生离子注入损害引起的。
根据本发明的实施例，CMOS图像传感器的制造方法包括以下步骤：在 半导体衬底的有源区中形成第一栅极和第二栅极；在半导体衬底、第一栅极 和第二栅极上形成介电层；通过经由介电层进行离子注入，在半导体衬底的 有源区中形成光电二极管区，其中半导体衬底的有源区位于第一栅极的第一 侧；在使用干法或湿法蚀刻从光电二极管区去除介电层之后，通过热氧化在 光电二极管区上形成氧化层，氧化层的厚度大于介电层的厚度；在半导体衬 底中第二栅极的第二侧以及第一栅极与第二栅极之间形成源/漏极延伸区；通过经由介电层进行离子注入，在半导体衬底的晶体管区中形成源/漏极区域； 以及经过氧化层在光电二极管区中形成互补离子注入区。
根据本发明的实施例，CMOS图像传感器的制造方法包括以下步骤：在 半导体衬底的有源区中形成第一栅极和第二栅极；在半导体衬底、第一栅极 和第二栅极上形成介电层；通过经由介电层进行离子注入，在半导体衬底的 有源区中形成光电二极管区，其中半导体衬底的有源区位于第一栅极的第一 侧；在使用干法或湿法蚀刻从光电二极管区去除介电层之后，通过热氧化在 光电二极管区上形成氧化层，氧化层的厚度大于介电层的厚度；在半导体衬 底中第二栅极的第二侧以及第一栅极与第二栅极之间形成源/漏极延伸区；通过经由介电层进行离子注入，在半导体衬底的晶体管区中形成源/漏极区域； 以及经过氧化层在光电二极管区中形成互补离子注入区。
附图说明
图1是示出相关的4T型CMOS图像传感器的单元像素的布局图；以及 图2至图8是示出根据本发明实施例的制造CMOS图像传感器的方法的 截面图。
具体实施方式
此后，参考附图详细描述根据本发明实施例的制造CMOS图像传感器的 方法。图2至图7是示意性示出根据各种实施例制造CMOS图像传感器的方 法的截面图。
如图2所示，在半导体衬底中限定有源区和隔离区，通过浅沟槽隔离 (STI)工艺在隔离区中形成隔离层。此后，在所述有源区中生长栅极氧化 物，在半导体衬底上沉积导电层（例如高浓度的多晶硅层）。然后，通过光 刻-蚀刻工艺选择性地去除部分该导电层和栅极氧化物，从而在半导体衬底的 有源区中形成相隔一定距离的第一和第二栅极103及104。
在此情形下，第一栅极103可以是转移晶体管，第二栅极104可以是复 位晶体管。
如图3所示，生长（例如通过湿或干热氧化）或沉积（例如通过化学气 相沉积（CVD))薄介电层109 (例如二氧化硅），该化学气相沉积（CVD) 可以是等离子体增强CVD (PE-CVD)或高密度等离子体辅助CVD (HDP-CVD)。介电层109具有第一厚度T1，该第一厚度T1可以是10至 100A的厚度（例如20至50A的厚度）。
然后，第一光致抗蚀剂被涂在半导体衬底的整个表面上，包括第一和第 二栅极103和104，并通过曝光和显影工艺被图案化，以形成第一光致抗蚀 剂图案105，从而定义了光电二极管区。第一光致抗蚀剂图案105的边缘对 准并不是严格的，只要其位于栅极103上或是环绕待被注入区域的场氧化层 结构（例如STI)即可。
此后，将第一光致抗蚀剂105用作离子注入掩模，经过介电层109将n 型杂质离子以低密度注入至半导体衬底，从而在半导体衬底的表面上形成光电二极管区106。然后，通过湿蚀刻或干蚀刻去除由第一光抗蚀剂图案105
暴露的介电层109的部分。
如图4所示，在衬底和栅极103的暴露的区域中或上生长（例如通过湿 或干热氧化）热氧化层111。热氧化层111有第二厚度T2，该第二厚度T2 大于介电层109的第一厚度Tl ，并可以是20至150 A的厚度（例如30至100 A的厚度）。相信热氧化层111可以修复为形成光电二极管区106进行n型 杂质离子注入而引起的缺陷，同时降低或省去了随后进行退火以修复这种离 子注入缺陷的需要。然后，第一光致抗蚀剂105被除去，从而产生图4所示 的结构。
如图5所示，将第二光致抗蚀剂涂覆在半导体衬底的整个表面上，包括 第一和第二栅极103和104。然后，通过曝光和显影工艺图案化该第二光致 抗蚀剂，以形成第二光致抗蚀剂图案，使得光电二极管区106被覆盖，而晶 体管103和104的源/漏极区被暴露。第二光致抗蚀剂图案的边缘对准并不是 严格的。然后，将第二光致抗蚀剂用作离子注入掩模，将n+型杂质离子注入 到一个或多个源/漏极区，从而形成源/漏极延伸区108。
然后除去第二光致抗蚀剂，并且对半导体衬底执行热处理工艺，从而使 一个或多个离子杂质区扩散。虽然热处理温度可以足够高以修复衬底中的一 些或全部离子注入损伤，但是热处理温度和时间通常完全足以扩散和/或激活 被注入的离子。
在上述注入和/或蚀刻工艺期间，在对应于光电二极管区106的半导体衬 底的表面可能发生离子损伤。如果在热氧化过程中光电二极管区106被氧化， 则被损伤的硅表面可变成硅氧化物（例如Si02)层，从而可以有效去除光电 二极管区106的受损伤的部分。
如图6所示，绝缘材料被共形地沉积到（例如通过CVD)整个衬底上， 包括介电层109和热氧化层111，然后绝缘材料被各向异性地蚀刻（例如回 蚀(etch back))，以在栅极103和104的侧壁上形成间隔部件(spacer) 112。 在一个实施例中，绝缘材料包括氮化硅。可选地，该绝缘材料包括氮化硅上 存在二氧化硅（silicon dioxide-on-silicon nitride)的双层结构。
在半导体衬底上涂覆第三光致抗蚀剂之后，如图7所示，通过曝光和显 影工艺图案化该第三光致抗蚀剂，以在介电层109上形成第三光致抗蚀剂图
6案110，从而暴露光电二极管区106的上部。第三光致抗蚀剂图案U0的边 缘对准不是严格的（特别是相对于介电层109和热氧化层111之间的界面）。
此后，利用第三光致抗蚀剂110、栅极103和最接近光电二极管106的 栅极103的侧部上的间隔部件112作为离子注入掩模，将p型离子注入至光 电二极管区以在光电二极管106上形成P0注入区114，从而在光电二极管区 中产生P-N界面，用于将光转换为电信号。p型离子注入以相对低能量被执 行并通过相对厚的热氧化层，从而防止和/或降低对光电二极管区106中的衬 底的表面的一些离子注入损伤。在掺杂剂扩散和激活期间（例如上述的热处 理期间）， 一些或全部相对较小的注入损伤可被修复。
如图8所示，除去第三光致抗蚀剂图案110，并在光电二极管区106上 的热氧化层111上及部分栅极103上形成第四光致抗蚀剂图案114，从而在 CMOS图像传感器的单元像素的晶体管区域中（包括栅极104)暴露源/漏极 区。此后，将第四光致抗蚀剂图案114、栅极（例如103和104)以及间隔 部件109用作离子注入掩模，将高剂量的n型离子注入至衬底的晶体管区域 中，以形成N+注入区域116，从而实质上完成了单元像素中的晶体管形成， 用于从光电二极管106传送电信号。
虽然以下工艺未被显示在附图中，但可以在单元像素上或之上形成前期 金属介电层（pre-metal dielectric layer)，可以在前期金属介电层上和接触孔 中或其中的通孔中、以及在多个夹层介电层上或之中形成金属互连，然后形 成滤色镜层和微透镜阵列，从而实质上完成了制造图像传感器的过程。
如上所述，本发明的CMOS图像传感器制造方法具有以下优点。
在离子注入之后，通过在衬底的光电二极管区中执行热氧化工艺可以降 低或消除在光电二极管形成期间在其上部发生的源极泄漏（leakage source)， 从而改善图像传感器的特性，而无需改变MOSFET的特性。
在说明书中所提及的"一个实施例"、"实施例"、"示例性实施例" 等指的是结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括在本发明的至少一 个实施例中。在说明书中各位置出现的这种表述不一定都指同一实施例。此 外，当结合任一实施例描述特定特点、结构或特征时，可以看出其处于所属 领域普通技术人员用以根据其它实施例实现这些特点、结构或特征的范围 内。尽管参照本发明的多个示例性实例描述了实施例，但是可以理解的是可 由所属领域普通技术人员设计的多种其它修改和实施例将落于本发明所公 开的原理的精神和范围内。更具体地，在本发明公开、附图和所附权利要求 的范围内，可以对组成部分和/或主要组成结构的配置进行改变和修改。除了 组成部分和/或配置的改变和修改之外，可替代物的使用对于所属领域普通技 术人员来说也是清楚的。
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如图2所示，在半导体衬底中限定有源区和隔离区，通过浅沟槽隔离 (STI)工艺在隔离区中形成隔离层。此后，在所述有源区中生长栅极氧化 物，在半导体衬底上沉积导电层（例如高浓度的多晶硅层）。然后，通过光 刻-蚀刻工艺选择性地去除部分该导电层和栅极氧化物，从而在半导体衬底的 有源区中形成相隔一定距离的第一和第二栅极103及104。
在此情形下，第一栅极103可以是转移晶体管，第二栅极104可以是复 位晶体管。
如图3所示，生长（例如通过湿或干热氧化）或沉积（例如通过化学气 相沉积（CVD))薄介电层109 (例如二氧化硅），该化学气相沉积（CVD) 可以是等离子体增强CVD (PE-CVD)或高密度等离子体辅助CVD (HDP-CVD)。介电层109具有第一厚度T1，该第一厚度T1可以是10至 100A的厚度（例如20至50A的厚度）。
然后，第一光致抗蚀剂被涂在半导体衬底的整个表面上，包括第一和第 二栅极103和104，并通过曝光和显影工艺被图案化，以形成第一光致抗蚀 剂图案105，从而定义了光电二极管区。第一光致抗蚀剂图案105的边缘对 准并不是严格的，只要其位于栅极103上或是环绕待被注入区域的场氧化层 结构（例如STI)即可。
此后，将第一光致抗蚀剂105用作离子注入掩模，经过介电层109将n 型杂质离子以低密度注入至半导体衬底，从而在半导体衬底的表面上形成光电二极管区106。然后，通过湿蚀刻或干蚀刻去除由第一光抗蚀剂图案105
暴露的介电层109的部分。
如图4所示，在衬底和栅极103的暴露的区域中或上生长（例如通过湿 或干热氧化）热氧化层111。热氧化层111有第二厚度T2，该第二厚度T2 大于介电层109的第一厚度Tl ，并可以是20至150 A的厚度（例如30至100 A的厚度）。相信热氧化层111可以修复为形成光电二极管区106进行n型 杂质离子注入而引起的缺陷，同时降低或省去了随后进行退火以修复这种离 子注入缺陷的需要。然后，第一光致抗蚀剂105被除去，从而产生图4所示 的结构。
如图5所示，将第二光致抗蚀剂涂覆在半导体衬底的整个表面上，包括 第一和第二栅极103和104。然后，通过曝光和显影工艺图案化该第二光致 抗蚀剂，以形成第二光致抗蚀剂图案，使得光电二极管区106被覆盖，而晶 体管103和104的源/漏极区被暴露。第二光致抗蚀剂图案的边缘对准并不是 严格的。然后，将第二光致抗蚀剂用作离子注入掩模，将n+型杂质离子注入 到一个或多个源/漏极区，从而形成源/漏极延伸区108。
然后除去第二光致抗蚀剂，并且对半导体衬底执行热处理工艺，从而使 一个或多个离子杂质区扩散。虽然热处理温度可以足够高以修复衬底中的一 些或全部离子注入损伤，但是热处理温度和时间通常完全足以扩散和/或激活 被注入的离子。
在上述注入和/或蚀刻工艺期间，在对应于光电二极管区106的半导体衬 底的表面可能发生离子损伤。如果在热氧化过程中光电二极管区106被氧化， 则被损伤的硅表面可变成硅氧化物（例如Si02)层，从而可以有效去除光电 二极管区106的受损伤的部分。
如图6所示，绝缘材料被共形地沉积到（例如通过CVD)整个衬底上， 包括介电层109和热氧化层111，然后绝缘材料被各向异性地蚀刻（例如回 蚀(etch back))，以在栅极103和104的侧壁上形成间隔部件(spacer) 112。 在一个实施例中，绝缘材料包括氮化硅。可选地，该绝缘材料包括氮化硅上 存在二氧化硅（silicon dioxide-on-silicon nitride)的双层结构。
在半导体衬底上涂覆第三光致抗蚀剂之后，如图7所示，通过曝光和显 影工艺图案化该第三光致抗蚀剂，以在介电层109上形成第三光致抗蚀剂图
6案110，从而暴露光电二极管区106的上部。第三光致抗蚀剂图案U0的边 缘对准不是严格的（特别是相对于介电层109和热氧化层111之间的界面）。
此后，利用第三光致抗蚀剂110、栅极103和最接近光电二极管106的 栅极103的侧部上的间隔部件112作为离子注入掩模，将p型离子注入至光 电二极管区以在光电二极管106上形成P0注入区114，从而在光电二极管区 中产生P-N界面，用于将光转换为电信号。p型离子注入以相对低能量被执 行并通过相对厚的热氧化层，从而防止和/或降低对光电二极管区106中的衬 底的表面的一些离子注入损伤。在掺杂剂扩散和激活期间（例如上述的热处 理期间）， 一些或全部相对较小的注入损伤可被修复。
如图8所示，除去第三光致抗蚀剂图案110，并在光电二极管区106上 的热氧化层111上及部分栅极103上形成第四光致抗蚀剂图案114，从而在 CMOS图像传感器的单元像素的晶体管区域中（包括栅极104)暴露源/漏极 区。此后，将第四光致抗蚀剂图案114、栅极（例如103和104)以及间隔 部件109用作离子注入掩模，将高剂量的n型离子注入至衬底的晶体管区域 中，以形成N+注入区域116，从而实质上完成了单元像素中的晶体管形成， 用于从光电二极管106传送电信号。
虽然以下工艺未被显示在附图中，但可以在单元像素上或之上形成前期 金属介电层（pre-metal dielectric layer)，可以在前期金属介电层上和接触孔 中或其中的通孔中、以及在多个夹层介电层上或之中形成金属互连，然后形 成滤色镜层和微透镜阵列，从而实质上完成了制造图像传感器的过程。
如上所述，本发明的CMOS图像传感器制造方法具有以下优点。
在离子注入之后，通过在衬底的光电二极管区中执行热氧化工艺可以降 低或消除在光电二极管形成期间在其上部发生的源极泄漏（leakage source)， 从而改善图像传感器的特性，而无需改变MOSFET的特性。
在说明书中所提及的"一个实施例"、"实施例"、"示例性实施例" 等指的是结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括在本发明的至少一 个实施例中。在说明书中各位置出现的这种表述不一定都指同一实施例。此 外，当结合任一实施例描述特定特点、结构或特征时，可以看出其处于所属 领域普通技术人员用以根据其它实施例实现这些特点、结构或特征的范围 内。尽管参照本发明的多个示例性实例描述了实施例，但是可以理解的是可 由所属领域普通技术人员设计的多种其它修改和实施例将落于本发明所公 开的原理的精神和范围内。更具体地，在本发明公开、附图和所附权利要求 的范围内，可以对组成部分和/或主要组成结构的配置进行改变和修改。除了 组成部分和/或配置的改变和修改之外，可替代物的使用对于所属领域普通技 术人员来说也是清楚的。
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