CMOS图像传感器及其制造方法.pdf

公开了一种CMOS图像传感器及其制造方法，其中n－型杂质区形成在光电二极管和转移晶体管之间，以便减少暗电流和死区。该CMOS图像传感器包括：第一导电类型的半导体基板，包括光电二极管区和晶体管区；栅电极，形成在所述基板的晶体管区上；第二导电类型的第一杂质区，形成在所述光电二极管区和所述栅电极之间的半导体基板的部分中；以及第二导电类型的第二杂质区，形成在所述半导体基板的光电二极管区中。

1.  一种CMOS图像传感器，包括：
第一导电类型的半导体基板，包括光电二极管区和晶体管区；
栅电极，形成在所述基板的晶体管区上；
第二导电类型第一杂质区，形成在所述光电二极管区和所述栅电极之间的所述半导体基板的部分中。

2.  如权利要求1所述的CMOS图像传感器，进一步包括：
第二导电类型的第二杂质区，形成在所述半导体基板的光电二极管区中。

3.  如权利要求2所述的CMOS图像传感器，其中所述第二导电类型的第二杂质区具有比所述第一杂质区的深度更深的深度。

4.  如权利要求2所述的CMOS图像传感器，进一步包括：
第一导电类型的杂质区，形成在所述半导体基板的对应于所述第二杂质区的上表面的部分中。

5.  如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述第一导电类型是p-型，而所述第二导电类型是n-型。

6.  如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述栅电极用于转移晶体管。

7.  一种制造CMOS图像传感器的方法，包括步骤：
制备包括光电二极管区和晶体管区的第一导电类型的半导体基板；
在所述半导体基板的晶体管区上形成栅电极；
在所述光电二极管区和所述栅电极之间的所述半导体基板的部分中形成第二导电类型的第一杂质区。

8.  如权利要求7所述的方法，进一步包括在所述半导体基板的光电二极管区中形成第二导电类型的第二杂质区的步骤。

9.  如权利要求8所述的方法，其中所述第二杂质区通过执行比形成所述第一杂质区所执行的更高能量离子注入而形成。

10.  如权利要求8所述的方法，进一步包括在所述半导体基板的对应于所述第二杂质区的上表面的部分中形成第一导电类型的杂质区的步骤。

11.  如权利要求7所述方法，其中所述第一导电类型是p-型，而所述第二导电类型是n-型。

12.  如权利要求7所述的传感器，其中所述栅电极用于转移晶体管。

CMOS图像传感器及其制造方法
本申请要求2004年12月29日提交的韩国专利申请No.10-2004-0114778的利益，其如同在此完全阐述一样在此引入作为参考以用于任何目的。
技术领域
本发明涉及一种CMOS图像传感器及其制造方法，并且更具体地，涉及一种在光电二极管和转移晶体管之间形成n-型杂质区的以便降低暗电流(dark-current)和死区(dead-zone)的CMOS图像传感器及其制造方法。
背景技术
通常，图像传感器是用于将光学图像转换为电信号的半导体器件。图像传感器基本分类为电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物硅(CMOS)图像传感器。
电荷耦合器件(CCD)包括以矩阵设置的多个光电二极管，每个光电二极管把光信号转换为电信号。在光电二极管矩阵中，在各个垂直设置的相邻光电二极管之间提供多个垂直电荷耦合器件(VCCD)以垂直方向传送由各个光电二极管产生的电荷，以在垂直方向传送由各个光电二极管所生成的电荷，并且提供多个水平电荷耦合器件(HCCD)，以在水平方向传送由各个垂直电荷耦合器件所传送的电荷。另外，提供感测放大器以感测水平传送的电荷并从而输出电信号。
电荷耦合器件(CCD)的缺点包括复杂的驱动方法、高的电功耗以及需要多步光工艺的复杂制造工艺。此外，在电荷耦合器件(CCD)的情况下，难以将控制电路、信号处理电路、模/数转换电路(A/D转换器)等等集成到电荷耦合器件芯片。这使得不可能获得紧凑尺寸的产品。
最近，互补金属氧化物硅(CMOS)图像传感器作为解决电荷耦合器件(CCD)的问题的下一代图像传感器已非常受到认可。CMOS图像传感器是采用CMOS技术的器件，其使用控制电路、信号处理电路等作为外围电路，使得具有相同数量单位像素的MOS晶体管形成在半导体基板上，由此各个单位像素的输出通过开关方法由MOS晶体管顺序地检测到。即，在CMOS图像传感器中，光电二极管和MOS晶体管形成在单位像素中以通过开关方法顺序检测各个单位像素的电信号，从而获得图像。
由于采用了CMOS制造技术，CMOS图像传感器具有几个优点，例如低的电功耗，以及基于减少数量的光工艺步骤的简化的制造工艺。而且，CMOS图像传感器使控制电路、信号处理电路、模/数转换电路等等能够集成到CMOS图像传感器芯片，并且因此可容易地获得紧凑的产品尺寸。由此，当前，CMOS图像传感器被广泛应用于各种领域，如例如数字静态相机和数字视频相机。
同时，CMOS图像传感器根据晶体管数量可被分类为3T-型，4T-型和5T-型CMOS图像传感器。3T-型CMOS图像传感器具有一个光电二极管和三个晶体管，而4T-型CMOS图像传感器具有一个光电二极管和四个晶体管。
现在，将解释4T-型CMOS图像传感器中所提供的单位像素的布局。
图1是说明常规4T-型CMOS图像传感器中所提供的单位像素的布局的示意图，而图2是说明图1的常规4T-型CMOS图像传感器的单位像素的等效电路图。
如图1和2所示，常规4T-型CMOS图像传感器的单位像素包括其中限定的有源区10，使得一个光电二极管20形成在有源区10的宽的部分，并且四个晶体管的栅电极110、120、130以及140形成以与剩余有源区10重叠。具体地，转移晶体管Tx由栅电极110形成，重置晶体管Rx由栅电极120形成，驱动晶体管Dx由栅电极130形成，以及选择晶体管Sx由栅电极140形成。这里，杂质离子被注入除了栅电极110、120、130和140下的部分以外的各个晶体管的有源区10，使得各个晶体管的源/漏区形成。相应地，电源电压Vdd被施加到重置晶体管Rx与驱动晶体管Dx之间的源/漏区，并且电源电压Vss被施加到选择晶体管Sx一侧的源/漏区上。
下面将描述具有上述配置的常规CMOS图像传感器的制造方法。
图3A到3E是沿图1的线I-I′所获得的截面图，说明常规CMOS图像传感器制造方法的顺序工艺。
参考图3A，低密度p-型外延层2形成在p-型半导体基板1上。随后，外延层2通过使用掩模经受曝光和显影工艺，所述掩模限定了有源区和器件隔离区，使得器件隔离区的外延层2被蚀刻到预定深度，以形成沟槽。然后，O₃TEOS膜形成在基板上以填充沟槽，并且通过使用化学机械抛光(CMP)工艺被图案化，以便只保留在沟槽区中。以此方法，器件隔离膜3形成在器件隔离区中。
此后，栅绝缘膜和传导层以此顺序形成在基板的整个表面上，并且被选择性地去除，以形成栅绝缘膜4和栅电极5。
参考图3B，光阻剂膜(photoresist film)沉积在基板的整个表面上，并且经受曝光和显影工艺，使得光阻剂膜图案6被形成为暴露光电二极管区。具体地，光阻剂膜图案6被配置使得其暴露栅电极5的一部分而覆盖邻近于器件隔离膜3的有源区的一部分。然后，n-型杂质离子通过高能离子注入工艺被注入光电二极管区的外延层2中，以形成光电二极管n-型杂质区7。形成光电二极管n-型杂质区7之后，光阻剂膜图案6被去除。
当光电二极管n-型杂质区7通过高能离子注入工艺注入n-型杂质离子而形成之后，n-型杂质离子可由经过栅电极5而掺到栅电极5下的沟道区。这里，应注意转移晶体管必须被制造成具有用于快速转移电荷的低门限电压。但是，因为n-型杂质离子被掺入栅电极5下的沟道区，转移晶体管的门限电压值Vth被降至目标值以下，导致关断泄漏电流增加。
接着，绝缘膜沉积在基板的整个表面上并经受回蚀刻(etch back)工艺，以在栅电极5的侧壁上形成侧壁绝缘膜。然后，在形成光阻剂膜图案以暴露光电二极管区之后，p-型杂质离子被注入光电二极管n-型杂质区7的表面中，以形成光电二极管p-型杂质区。但是当执行回蚀刻工艺以在栅电极5的侧壁上形成间隔物时，光电二极管区的表面可显示出离子损伤，遭受增加地晶体缺陷。因此，所产生的CMOS图像传感器可遭受暗电流的增加。相应地，为解决此问题，常使用间隔物块掩模(spacer block mask)，而不是形成间隔物。
具体地，参考图3C，在形成光阻剂膜图案9以暴露光电二极管区而不形成间隔物之后，p-型杂质离子被注入光电二极管n-型杂质区7的表面，以形成光电二极管p-型杂质区10。
接下来，参考图3D，在此工序中绝缘膜11和光阻剂膜沉积在半导体基板的整个表面上，并经受曝光和显影工艺，使得光阻剂膜图案12形成以覆盖光电二极管区。这之后，参考图3E，绝缘膜11通过使用光阻剂膜图案12作为掩模被选择性地去除，以形成间隔物块掩模11a。
如参考图3C到3E所示的间隔物块掩模形成工艺有利于最小化光电二极管区表面上的离子损伤的产生。但是，由于p-型杂质离子在间隔物块掩模形成之前被注入光电二极管n-型杂质区7的表面这一事实，p-型杂质离子可以增加的密度重掺杂在转移晶体管的源区(见图1和2)中。这在从光电二极管产生的电荷的转移中增加了潜在的障碍，导致死区的增加，这使传感器暴露于过于过量的光，阻止了在特定时间的信号产生。此外，当p-型杂质离子被注入，它们可对转移晶体管的栅电极下的区有影响，劣化了转移晶体管的沟道化。
发明内容
相应地，本发明涉及一种CMOS图像传感器及其制造方法，其基本上消除了由于相关技术的局限性和缺点而引起的一个或多个问题。
本发明的一个目的是提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其中在掺杂光电二极管之前在光电二极管和转移晶体管相邻的部分执行n-型掺杂，因此暗电流的增加和死区的产生可被最小化。
本发明另外的优点、目的和特征将在随后的描述中部分阐述，且部分将根据对以下的审查而对本领域的普通技术人员变得明显，或可从本发明的实践中了解。本发明的目的和其他优点可以通过本书面说明和权利要求以及附图所特别指出的结构而实现或获得。
为实现这些目的和其他优点并与本发明的目的一致，如在此体现和广泛描述的，一种包括光电二极管区和转移晶体管的栅电极的CMOS图像传感器包括：第一导电类型的半导体基板，包括光电二极管区和晶体管区；栅电极，形成在基板的晶体管区上；以及第二导电类型的第一杂质区，形成在光电二极管区和栅电极之间的半导体基板的部分中。
优选地，所述CMOS图像传感器进一步包括形成在半导体基板的光电二极管区中的第二导电类型的第二杂质区。
优选地，该第二杂质区具有比第一杂质区的深度更深的深度。
在本发明的另一方面，提供了一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括步骤：制备包括光电二极管区和晶体管区的第一导电类型的半导体基板；在半导体基板的晶体管区上形成栅电极；在光电二极管区和栅电极之间的半导体基板的部分中形成第二导电类型的第一杂质区。
优选地，所述方法进一步包括在半导体基板的光电二极管区中形成第二导电类型的第二杂质区的步骤。
优选地，所述第二杂质区通过执行比形成第一杂质区所执行的更高能量的离子注入而形成。
应理解本发明的前述的总体说明和随后的详细说明是示范性和解释性的，且旨在提供对如权利要求的本发明的进一步的解释。
附图说明
附图被包括以提供对本发明进一步的理解并且被引入及组成本申请的一部分，说明了本发明的实施例且与本描述一起用于解释本发明的原理。在所述图中：
图1是说明常规CMOS图像传感器中提供的单位像素的布局的示图；
图2是等效电路图，说明了图1的常规CMOS图像传感器的单位像素。
图3A到3E是截面图，说明了常规CMOS图像传感器制造方法的顺序工艺；及
图4A到4E是截面图，说明了根据本发明的CMOS图像传感器制造方法的顺序工艺。
具体实施方式
现在将根据本发明的优选实施例对CMOS图像传感器及其制造方法进行详细参考，其实例在附图中说明。只要可能，相同参考号将在整个附图中使用以代表相同或类似部分。
图4A到4E是截面图，说明了根据本发明优选实施例的CMOS图像传感器制造方法的顺序工艺。
参考图4A，低密度p-型外延层32形成在p-型半导体基板31上。接下来，通过使用限定有源区和器件隔离区的掩模图案，器件隔离区的外延层32被蚀刻为预定深度，以形成沟槽。然后，O₃TEOS膜形成在基板上以填充沟槽，并通过使用化学机械抛光(CMP)工艺被图案化，以便只保留在沟槽区中。以此方式，器件隔离膜33形成在器件隔离区中。
这之后，栅绝缘膜和传导层以此顺序形成在基板的整个表面上，并被选择性地去除，以形成栅绝缘膜34和栅电极35。
接着，光阻剂膜沉积在基板的整个表面上，并经受曝光和显影工艺，使得光阻剂膜图案36形成以暴露相邻于转移晶体管的栅电极35的光电二极管区的p-型外延层32。然后，通过使用光阻剂膜图案36作为掩模，n-型杂质离子被注入外延层32中以形成第一n-型杂质区37。形成第一n-型杂质区37之后，光阻剂膜图案36被去除。
这里，第一n-型杂质区37保证转移晶体管可以平滑地转移电荷，且使得能用低能离子注入来形成逻辑晶体管的结。因此低能量离子注入的实现可防止转移晶体管的栅沟道化现象。
参考图4B，光阻剂膜沉积在基板的整个表面上，并经受曝光和显影工艺，使得光阻剂膜图案38被形成为暴露光电二极管区。具体地，光阻剂膜图案38被如此配置使其暴露光电二极管区同时覆盖相邻于器件隔离膜33的有源区的部分以及第一n-型杂质区37的部分。然后，n-型杂质离子通过高能量离子注入工艺被注入暴露的光电二极管区、即光电二极管区的外延层32中，以形成第二n-型杂质区39。在形成第二n-型杂质区39之后，光阻剂膜图案38被去除。这里，第二n-型杂质区39具有比第一n-型杂质区37的深度更深的深度。
参考图4C，光阻剂膜沉积在基板的整个表面上，并经受曝光和显影工艺，使得光阻剂膜图案41形成以暴露光电二极管区。然后，通过使用光阻剂膜图案41作为掩模，p-型杂质离子被注入第二n-型杂质区39的表面上，以形成光电二极管p-型杂质区40。形成光电二极管p-型杂质区40之后，光阻剂膜图案41被去除。
参考图4D，绝缘膜43和光阻剂膜以此顺序沉积在半导体基板的整个表面上，并经受曝光和显影工艺，以形成光阻剂膜图案42以便覆盖光电二极管区。
参考图4E，绝缘膜43通过使用光阻剂膜图案42作为掩模而经受各向异性蚀刻，以形成间隔物块掩模43a。
如图4E所示，通过上述顺序工艺制造的本发明的CMOS图像传感器具有一配置，其中第一n-型杂质区37形成在p-型外延层32的光电二极管区和转移晶体管的栅电极35之间，而第二n-型杂质区39和p-型杂质区40形成在光电二极管区的外延层32中。
如从以上描述中显而易见的，根据本发明的CMOS图像传感器及其制造方法具有以下作用。
第一，根据本发明，在形成光电二极管之前，第一n-型杂质区形成在光电二极管和转移晶体管的栅电极之间。这保证了转移晶体管可以平滑地转移电荷，并且使得能用低能量离子注入来形成逻辑晶体管的结。因此，本发明具有防止转移晶体管的栅沟道化现象的作用。
第二，根据本发明，在光电二极管和转移晶体管的栅电极之间形成第一n-型杂质区之后，在形成光电二极管之前，第二n-型杂质区形成在光电二极管区。相应地，转移晶体管的栅沟道化现象可被更有效地防止。
第三，由于光电二极管和转移晶体管的栅电极之间的第一n-型杂质区的形成，可能防止在形成光电二极管p-型杂质区期间的死区的产生。
第四，本发明具有防止在间隔物形成期间在光电二极管表面上产生离子损伤的作用。
将对本领域技术人员显而易见的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下可进行各种修改和变化。因此，意味着如果对本发明的修改和变化在所附的权利要求及其等价物范围内，本发明覆盖所述修改和变化。