專利名稱：Cmos圖像傳感器中的光電二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及CMOS圖像傳感器，并且特別地，涉及CMOS圖像傳感器中的光電二極管及其制造方法。盡管本發(fā)明適于較寬范圍的應(yīng)用，但是，本發(fā)明特別地適用于增加光電二極管的電荷容量。
背景技術(shù)：
通常，圖像傳感器是將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。此外，圖像傳感器主要被分成電荷耦合器件(下文中縮寫為CCD)圖像傳感器以及互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(下文中縮寫為CMOS)圖像傳感器。
CCD包括以矩陣形式排列的多個(gè)光電二極管(PD)，用于分別將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；在多個(gè)以矩陣形式排列的光電二極管之間沿垂直方向設(shè)置多個(gè)垂直電荷耦合器件(VCCD)，用于沿垂直方向分別傳輸由光電二極管產(chǎn)生的電荷；水平電荷耦合器件(HCCD)，用于沿水平方向傳輸由每個(gè)垂直電荷耦合器件傳輸?shù)碾姾?；以及讀出放大器，通過(guò)感測(cè)沿水平方向傳輸?shù)碾姾?，輸出電信?hào)。
但是，上述配置的CCD具有復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，耗費(fèi)相當(dāng)多的功率消耗，并且由于多步驟光學(xué)處理而需要復(fù)雜的制造過(guò)程。此外，由于很難將控制電路、信號(hào)處理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D轉(zhuǎn)換器)等集成在CCD芯片上，因此，上述配置的CCD不利于減小產(chǎn)品的尺寸。
最近，注意力已經(jīng)轉(zhuǎn)向了作為下一代圖像傳感器的CMOS圖像傳感器，其克服了CCD的缺點(diǎn)。CMOS圖像傳感器采用了用于通過(guò)形成在半導(dǎo)體襯底上的MOS晶體管檢測(cè)每個(gè)單位像素的輸出的轉(zhuǎn)換方法，以通過(guò)使用控制電路、信號(hào)處理電路等作為外圍電路的CMOS技術(shù)來(lái)分別對(duì)應(yīng)單位像素。即，CMOS圖像傳感器以下述方式形成圖像通過(guò)在單位像素中配置光電二極管以及MOS晶體管，來(lái)根據(jù)轉(zhuǎn)換方法順序地檢測(cè)每個(gè)單位像素的電信號(hào)。
應(yīng)用CMOS制造技術(shù)的CMOS圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于低功耗、根據(jù)少量光學(xué)處理步驟的簡(jiǎn)單制造過(guò)程等?？蓪⒖刂齐娐贰⑿盘?hào)處理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路等集成在CMOS傳感器芯片上的CMOS圖像傳感器有助于產(chǎn)品的小型化。由此，CMOS圖像傳感器被廣泛地用在諸如數(shù)字照相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等不同的應(yīng)用中。
同時(shí)，CMOS圖像傳感器根據(jù)晶體管的數(shù)量分成3-T型、4-T型、5-T型等。3-T型CMOS圖像傳感器包括一個(gè)光電二極管和三個(gè)晶體管。以及4-T型CMOS圖像傳感器包括一個(gè)光電二極管和四個(gè)晶體管。
圖1是普通4-TCMOS傳感器的單位像素的電路圖。
參照?qǐng)D1，4-T型CMOS圖像傳感器包括作為光感應(yīng)裝置(photo-sensing means)的光電二極管PD和四個(gè)NMOS晶體管Tx、Rx、Dx和Sx。
在四個(gè)NMOS晶體管中的傳輸晶體管Tx用于將由光電二極管PD產(chǎn)生的光電荷運(yùn)送到浮動(dòng)感測(cè)節(jié)點(diǎn)(floating sensing node)。復(fù)位晶體管Rx用于將存儲(chǔ)在浮動(dòng)感測(cè)節(jié)點(diǎn)中的電荷放電以檢測(cè)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)晶體管Dx用作源極輸出器。以及，選擇晶體管Sx可操作地用于轉(zhuǎn)換以及尋址(addressing)。
DC柵極是負(fù)載晶體管，用于通過(guò)施加作為晶體管的柵極電壓的恒定電壓來(lái)使得預(yù)定電流流動(dòng)。‘VDD’、‘VSS’以及‘輸出’分別為單位像素的驅(qū)動(dòng)電源電壓、接地電壓以及輸出電壓。
在上面所述的CMOS圖像傳感器中，作為光感測(cè)裝置的光電二極管的配置對(duì)CMOS圖像傳感器的電荷容量起重要作用。
圖2是CMOS圖像傳感器中的光電二極管的橫截面圖。
參照?qǐng)D2，附圖標(biāo)號(hào)1至5分別表示半導(dǎo)體襯底、用于器件隔離的STI(淺溝道隔離)層、光電二極管離子注入擴(kuò)散層、耗盡層以及入射光。并且，通過(guò)將反向偏壓施加到光電二極管離子注入擴(kuò)散層3，來(lái)產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)的耗盡層4。
在上述配置的光電二極管中，如果將反向偏壓施加到光電二極管離子注入擴(kuò)散層3，則形成如圖2所示的耗盡層4。
入射光5一旦進(jìn)入耗盡層4，就會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)(EHP)。將空穴排到半導(dǎo)體襯底1并且將電子集聚在耗盡層4，從而實(shí)現(xiàn)了光電二極管功能。因此，產(chǎn)生的EHP越多，越能更好地增強(qiáng)光電二極管特性。
在將偏壓施加給光電二極管離子注入層3的初始階段，形成很寬的耗盡層4。隨著EHP增加，電子聚集在耗盡層中，而空穴被排到半導(dǎo)體襯底1。在這種情況下，根據(jù)電子聚集的增加，耗盡層4逐漸減小，以在偏壓影響之前恢復(fù)成光電二極管離子注入擴(kuò)散層3的輪廓。
因此，如果光電二極管離子注入注射層3的區(qū)域很小，則電子聚集能力，即，電荷容量相應(yīng)地減少。如果光電二極管離子注入注射層3的區(qū)域很大，則電荷容量相應(yīng)地增大。
下面參照?qǐng)D3對(duì)根據(jù)相關(guān)技術(shù)的CMOS圖像傳感器的光電二極管的制造方法進(jìn)行解釋。
圖3是用于解釋根據(jù)相關(guān)技術(shù)的CMOS圖像傳感器的光電二極管的制造方法的橫截面圖。
參照?qǐng)D3，用于淺溝道隔離的器件隔離層12形成在半導(dǎo)體襯底11上。隨后，在半導(dǎo)體襯底11上進(jìn)行光電二極管雜質(zhì)離子注入，以形成光電二極管區(qū)13。
這樣，通過(guò)在半導(dǎo)體襯底11上涂感光層(在附圖中未示出)、通過(guò)曝光和顯影使所涂的感光層形成圖樣、并然后通過(guò)使用形成圖樣的感光層作為掩模將雜質(zhì)離子注入半導(dǎo)體襯底，形成光電二極管區(qū)域13。
隨后，通過(guò)退火使注入到光電二極管區(qū)域13中的雜質(zhì)離子擴(kuò)散。
在STI層12的邊界附近的光電二極管區(qū)域13的離子可部分地?cái)U(kuò)散到半導(dǎo)體襯底11和器件隔離層12之間的接觸面，并且與在器件隔離層12下面的場(chǎng)溝道終止離子注入層的離子(與光電二極管雜質(zhì)的類型相反的類型)相結(jié)合。因此，在器件隔離層12附近的光電二極管區(qū)域的離子濃度將小于光電二極管區(qū)域12的中心部分的離子濃度。
正如前面說(shuō)明中所述，光電二極管的電荷容量與光電二極管區(qū)域13的尺寸成比例。因此，光電二極管的電荷聚集能力隨著光電二極管區(qū)域13的減小的尺寸成比例地降低。
因此，如果光電二極管區(qū)域13的尺寸很小，在低照明強(qiáng)度的情況下，即，入射光量很少的情況下不是大問(wèn)題。然而，在高照明強(qiáng)度的情況下，即，入射光量很多的情況下，因?yàn)橛扇肷涔廪D(zhuǎn)換的電子不能聚集，所以CMOS圖像傳感器的感測(cè)能力低下。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明涉及CMOS圖像傳感器中的光電二極管及其制造方法，其基本上避免了由于相關(guān)技術(shù)的局限性和不足而產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題。
本發(fā)明的目的在于提供一種CMOS圖像傳感器中的光電二極管及其制造方法，通過(guò)該光電二極管，以增加光電二極管區(qū)域的尺寸的方式來(lái)增強(qiáng)電荷聚集能力。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種CMOS圖像傳感器中的光電二極管及其制造方法，通過(guò)該光電二極管，增強(qiáng)了CMOS圖像傳感器在高照明強(qiáng)度下的圖像感測(cè)能力。
本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目的和特征將作為說(shuō)明書的一部分隨后闡述，在本領(lǐng)域技術(shù)人員分析以下內(nèi)容的基礎(chǔ)上變得顯而易見(jiàn)，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)在說(shuō)明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。
為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)和其它優(yōu)點(diǎn)，并根據(jù)本發(fā)明的目的，如本文中所體現(xiàn)和概括描述的，根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器中的光電二極管，包括第一外延層，形成在半導(dǎo)體襯底上；第一光電二極管區(qū)，形成在第一外延層的預(yù)定表面區(qū)域中；第二外延層，形成在包括第一光電二極管區(qū)的第一外延層上；第二光電二極管區(qū)，形成在第二外延層的預(yù)定區(qū)域中，以連接到第一光電二極管區(qū)；以及第三光電二極管區(qū)，形成在第二外延層中，以等間隔與第二光電二極管區(qū)隔開(kāi)并且不連接到第一光電二極管區(qū)。
在本發(fā)明的另一方面中，制造CMOS圖像傳感器中的光電二極管的方法，包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底上形成第一外延層；在第一外延層的預(yù)定表面區(qū)域中形成第一光電二極管區(qū)；在包括第一光電二極管區(qū)的第一外延層上形成第二外延層；在第二外延層的預(yù)定區(qū)域中形成第二光電二極管區(qū)，以與第一光電二極管區(qū)連接；以及，在第二外延層中形成第三光電二極管區(qū)，以等間隔與第二光電二極管區(qū)隔開(kāi)并且不與第一光電二極管區(qū)連接。
應(yīng)該了解，本發(fā)明的前面的概述以及隨后的詳述是示范性和說(shuō)明性的，目的在于提供對(duì)所要求的本發(fā)明的進(jìn)一步的說(shuō)明。


附圖提供了對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，其被并入并且構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分。

本發(fā)明的實(shí)施例，并與說(shuō)明書一起解釋本發(fā)明的原理。在附圖中圖1是普通4-T CMOS傳感器的單位像素的電路圖；圖2是CMOS圖像傳感器中的光電二極管的橫截面圖；圖3是用于解釋根據(jù)相關(guān)技術(shù)的CMOS圖像傳感器的光電二極管制造方法的橫截面圖；
圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的CMOS圖像傳感器中的光電二極管的橫截面圖；以及圖5A至圖5D是用于解釋根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的CMOS圖像傳感器中的光電二極管的制造方法的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
以下將詳細(xì)參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其實(shí)例在附圖中示出。任何可能的情況下，在所有附圖中使用相同的附圖標(biāo)號(hào)表示相同或相似的部件。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的CMOS圖像傳感器中的光電二極管的橫截面圖。
參照?qǐng)D4，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的CMOS圖像傳感器中的光電二極管，包括第一外延層102，形成在半導(dǎo)體襯底101上；第一光電二極管區(qū)104，形成在第一外延層102的預(yù)定表面區(qū)域中；第二外延層105，形成在包括第一光電二極管區(qū)104的第一外延層102上；第二光電二極管區(qū)108，形成在第二外延層105的預(yù)定區(qū)域中，以與第一光電二極管區(qū)104連接；以及第三光電二極管區(qū)110，形成在第二外延層105中，以等間隔與第二光電二極管區(qū)108隔開(kāi)并且不與第一光電二極管區(qū)104連接。
同時(shí)，在設(shè)置到半導(dǎo)體襯底101的第二外延層105上形成器件隔離層106，以將晶體管彼此隔離。
這樣，形成寬于第一光電二極管區(qū)104的第三光電二極管區(qū)110，以獲得高感光性。具有低感光性的第一二極管區(qū)104的動(dòng)態(tài)范圍大于第三光電二極管區(qū)110的動(dòng)態(tài)范圍，該動(dòng)態(tài)范圍用于區(qū)別光和遮擋物。
圖5A至圖5D是用于解釋根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的CMOS圖像傳感器中的光電二極管制造方法的橫截面圖。
參照?qǐng)D5A，通過(guò)第一外延處理，第一外延層102形成在半導(dǎo)體襯底101上。
在這種情況下，形成第一外延層102以獲得光電二極管的寬且深的耗盡區(qū)。這樣提高了用于聚集光電荷的低壓光電二極管的功率(power)并且增強(qiáng)了感光性。
在第一外延層102上涂覆第一光刻膠層103之后，通過(guò)曝光和顯影使第一光刻膠層103形成圖樣。
隨后，通過(guò)使用形成圖樣的第一光刻膠層103作為掩模將光電二極管雜質(zhì)離子注入第一外延層102，來(lái)在第一外延層102的表面區(qū)域中形成具有預(yù)定厚度的第一光電二極管區(qū)104。
參照?qǐng)D5B，在去除第一光刻膠層之后，通過(guò)第二外延處理，在第一外延層102上形成第二外延層105。
在這種情況下，第一光電二極管層104被第二外延層105覆蓋。
參照?qǐng)D5C，有源區(qū)和器件隔離區(qū)被限定在半導(dǎo)體襯底101上，在該半導(dǎo)體襯底上方形成有第二外延層105。并且，通過(guò)STI或LOCOS(硅局部氧化)在器件隔離區(qū)上形成器件隔離層106。
特別地，以如下方式形成器件隔離層106。
首先，在半導(dǎo)體襯底上順序形成襯墊氧化層、襯墊氮化層、以及TEOS(四乙基正硅酸酯，tetra ethyl ortho silicate)氧化層。并且，在TEOS氧化層上形成光刻膠層。
隨后，使用限定有源區(qū)和器件隔離區(qū)的掩模，通過(guò)曝光和顯影使光刻膠層形成圖樣。在這種情況下，去除對(duì)應(yīng)器件隔離區(qū)的光刻膠層。
使用形成圖樣的光刻膠層作為掩模，選擇性地去除在器件隔離區(qū)上的襯墊氧化層、襯墊氮化層以及TEOS氧化層。
使用形成圖樣的襯墊氧化層、襯墊氮化層以及TEOS氧化層作為掩模，將對(duì)應(yīng)器件隔離區(qū)的半導(dǎo)體襯底蝕刻至預(yù)定的深度以形成溝道。然后，去除光刻膠層。
在具有在其上形成的溝道的襯底上形成薄犧牲氧化層。在襯底上形成O3-TEOS層以填充溝道。在這種情況下，在溝道內(nèi)壁上形成犧牲氧化層。并且，在超過(guò)1000℃的處理溫度下，形成O3-TEOS層。
隨后，在具有在其上形成的器件隔離層106的半導(dǎo)體襯底101上涂覆第二光刻膠層107。然后通過(guò)曝光和顯影使第二光刻膠層107形成圖樣。
同時(shí)，形成在中間具有預(yù)定間隙的器件隔離層106以形成雙重結(jié)構(gòu)。
使用形成圖樣的第二光刻膠層107作為掩模，通過(guò)將光電二極管雜質(zhì)離子注入到半導(dǎo)體襯底101上方的第二外延層105中，在第二外延層105中形成第二光電二極管區(qū)108。
在這種情況下，第二光電二極管區(qū)108連接到第一光電二極管區(qū)104。
同時(shí)，通過(guò)經(jīng)由雙重器件隔離層106的間隙進(jìn)行的離子注入，設(shè)置第二光電二極管區(qū)108。
參照?qǐng)D5D，在去除形成圖樣的第二光刻膠層107之后，在半導(dǎo)體襯底101上方涂第三光刻膠層109。然后通過(guò)曝光和顯影使第三光刻膠層109形成圖樣。
隨后，使用形成圖樣的第三光刻膠層109作為掩模，通過(guò)將光電二極管雜質(zhì)離子注入到半導(dǎo)體襯底101上方的第二外延層105中，在第二外延層105的表面區(qū)域中形成第三光電二極管區(qū)110。
在這種情況下，形成的第三光電二極管區(qū)110寬于第一光電二極管區(qū)104。
此后，去除形成圖樣的第三光刻膠層109并且進(jìn)一步執(zhí)行CMOS圖像傳感器制造過(guò)程。
因此，本發(fā)明提供了以下的效果或優(yōu)點(diǎn)。
首先，通過(guò)形成多結(jié)構(gòu)光電二極管區(qū)來(lái)增加光電二極管區(qū)的尺寸，本發(fā)明可提高CMOS圖像傳感器的電荷容量。
因此，可以制造對(duì)于大量入射光，在高照明強(qiáng)度下具有極好圖像感測(cè)能力的CMOS圖像傳感器。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種CMOS圖像傳感器中的光電二極管，包括第一外延層，形成在半導(dǎo)體襯底上；第一光電二極管區(qū)，形成在所述第一外延層的預(yù)定表面區(qū)域中；第二外延層，形成在包括所述第一光電二極管區(qū)的所述第一外延層上；第二光電二極管區(qū)，形成在所述第二外延層的預(yù)定區(qū)域中，以與所述第一光電二極管區(qū)連接；以及第三光電二極管區(qū)，形成在所述第二外延層中，以等間隔與所述第二光電二極管區(qū)隔開(kāi)并且不與所述第一光電二極管區(qū)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電二極管，其中，所述第三光電二極管區(qū)被形成為寬于所述第一光電二極管區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電二極管，其中，所述第一光電二極管區(qū)的動(dòng)態(tài)范圍大于所述第三光電二極管區(qū)的動(dòng)態(tài)范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電二極管，其中還包括器件隔離層，形成在所述第二外延層上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電二極管，其中所述隔離層在其中間具有預(yù)定間隙。
6.一種CMOS圖像傳感器中的光電二極管的制造方法，包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底上形成第一外延層；在所述第一外延層的預(yù)定表面區(qū)域中形成第一光電二極管區(qū)；在包括所述第一光電二極管區(qū)的所述第一外延層上形成第二外延層；在所述第二外延層的預(yù)定區(qū)域中形成第二光電二極管區(qū)，以與所述第一光電二極管區(qū)連接；以及在所述第二外延層中形成第三光電二極管區(qū)，所述第三光電二極管區(qū)以等間隔與所述第二光電二極管區(qū)隔開(kāi)并且不與所述第一光電二極管區(qū)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括在所述第二外延層上形成用于器件隔離的器件隔離層的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述隔離層形成為在其中間具有預(yù)定間隙。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，形成的所述第三光電二極管區(qū)寬于所述第一光電二極管區(qū)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述第一光電二極管區(qū)的動(dòng)態(tài)范圍大于所述第三光電二極管區(qū)的動(dòng)態(tài)范圍。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種CMOS圖像傳感器中的光電二極管及其制造方法，通過(guò)該光電二極管，以增加光電二極管區(qū)域尺寸的方式，增強(qiáng)電荷聚集能力。本發(fā)明包括第一外延層，形成在半導(dǎo)體襯底上；第一光電二極管區(qū)，形成在第一外延層的預(yù)定表面區(qū)域中；第二外延層，形成在包括第一光電二極管區(qū)的第一外延層上；第二光電二極管區(qū)，形成在第二外延層的預(yù)定區(qū)域中，以連接到第一光電二極管區(qū)；以及第三光電二極管區(qū)，形成在第二外延層中，以等間隔與第二光電二極管區(qū)隔開(kāi)并且不與第一光電二極管區(qū)連接。
文檔編號(hào)H01L21/822GK1819224SQ20051009748
公開(kāi)日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2005年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月29日
發(fā)明者李昌恩 申請(qǐng)人:東部亞南半導(dǎo)體株式會(huì)社