专利名称：双极结晶体管及具有该结构的cmos图像传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双极结晶体管和具有该双极结晶体管的CMOS图像传感器背景技术图像传感器是一种将光图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器可 以是电荷耦合器件(CCD)，其中各金属氧化物半导体(MOS)电容器可处 于彼此邻近的位置、可存储电荷载流子，并且可进一步传输这些电荷载流子。 可选择地，图像传感器也可以是CMOS (互补MOS)图像传感器，其采用 切换的工作方式。CMOS器件可包括与像素个数相当的多个MOS晶体管。 CMOS器件可包括外围电路、控制电路和信号处理电路，并且可使用这些 电路连续检测输出。CMOS图像传感器可通过在单位像素中形成光电二极管和MOS晶体管 以及以切换的工作方式检测信号来产生图像。在制造CMOS图像传感器的现有工艺中，可通过对外延层进行CMOS 处理来制造NPN元件。图1是示出现有技术的水平型NPN双极结晶体管元件的示图，图2是 示出图1中所示的水平型NPN双极结晶体管元件的横截面图。参照图1和图2，水平型NPN双极结晶体管元件可包括位于P型半导体 衬底100上的浅沟槽隔离(STI)区160，其可作为器件隔离区，此外该水平 型NPN双极结晶体管元件还可包括P阱112和N阱110。N型发射极E、 P型基极B和N型集电极C可形成在P阱112中；N型 护环(N-ISO)可形成在N阱110中，并且可使得P阱112与其外围隔开。STI区160可形成在发射极E和基极B之间以及集电极C和N型护环 (N-ISO)之间，并且可分隔各区。在发射极E、基极B和集电极C的上层可形成有发射极接触区126、集
电极接触区130和基极接触区128，其中所述发射极接触区126和集电极接 触区130可注入有高浓度的N型离子，基极接触区128可注入有P型离子。 N型护环(N-ISO)区的上层可形成有护环接触区，其中所述护环接触区可 注入有高浓度的N型离子。发射极接触区126、集电极接触区130、基极接触区128和N型护环 (N-ISO)区分别与金属电极133a、 133b、 133c和133d接触。可形成具有发射极和集电极两者的P阱，其中允许从N型发射极E注入 的电子流向N型集电极C，并可在正常激活模式下形成水平集电极电流IC。然而，在双极结晶体管元件BJT中，集电极电流IC与基极电流IB的比 (即IC/IB)可称为共发射极电流增益(P)，并且可作为用以确定元件DC 性能的重要属性。现有技术存在这样的问题，即，由于基极层较宽，所以现有技术中的水 平型双极结晶体管(BJT)元件的电流增益较小。例如，水平型双极结晶体 管(BJT)元件的电流增益可小于具有垂直流向电流的垂直型双极结晶体管 元件的电流增益。此外，由于在考虑到元件结构的情况下电流可能不均匀，所以难以预料 和模拟电流。发明内容本发明实施例涉及一种CMOS图像传感器。本发明实施例涉及一种水 平型双极结晶体管及其制造方法，和具有该元件的CMOS图像传感器及其制 造方法。本发明实施例涉及一种双极结晶体管及其制造方法，以及具有该元件的 CMOS图像传感器及其制造方法，其通过同时形成光电二极管区域可简化制 造工艺，获得较大电流增益，并可简化电流期望值。在本发明实施例中，提供一种双极结晶体管，包括在半导体衬底上形 成有至少一个外延层的半导体器件、在该半导体衬底和该外延层的至少两个 层上垂直叠置的第一电导率的集电极区、在该半导体衬底和该外延层的至少 两个层上垂直叠置的与该集电极区邻近的第一电导率的发射极区、以及在该 半导体衬底和该外延层上形成的第二电导率的基极区。
在本发明实施例中，提供一种双极结晶体管的制造方法，包括以下步骤: 制备第二导电衬底；通过在该第二导电衬底中注入第一导电离子来形成第一 集电极区和第一发射极区；在该第二导电衬底上形成第一外延层，并通过在 该第一外延层中注入该第一导电离子来形成与该第一集电极区连接的第二 集电极区和与该第一发射极区连接的第二发射极区；通过在该第一外延层中 注入该第一导电离子来形成与该第二集电极区连接的第三集电极区和与该 第二发射极区连接的第三发射极区；在该第一外延层上形成第二外延层和浅 沟槽隔离区；通过在该第二外延层中注入第二导电杂质来形成P阱，并通过 在该第二外延层中注入该第一导电杂质来形成与该第三集电极区连接的第 四集电极区和与该第三发射极区连接的第四发射极区；通过在该第二外延层 中注入该第一导电离子来在该第四集电极区上形成集电极接触区和在该第 四发射极区上形成发射极接触区；和通过在该第二外延层中注入第二导电离 子来形成基极接触区。在本发明实施例中，提供一种具有双极结晶体管的CMOS图像传感器， 包括第一电导率的红色光电二极管、第一电导率的第一集电极区、以及第 一电导率的第一发射极区，形成于第二导电衬底上；第一外延层，具有与所 述红色光电二极管连接的第一电导率的第一插塞、与所述第一集电极区连接 的第二集电极区、以及与所述第一发射极区连接的第二发射极区；第一电导 率的绿色光电二极管、与所述第一外延层中的第二集电极区连接的第三集电 极区、以及与所述第一外延层中的第二发射极区连接的第三发射极区，其中 绿色光电二极管通过在所述第一外延层中注入离子而形成；第二外延层，具 有与所述绿色光电二极管连接的第一电导率的第二插塞、与所述第三发射极 区连接的第四发射极区、以及与所述第三集电极区连接的第四集电极区；第 一电导率的蓝色光电二极管、与形成于所述第二外延层上的所述第四发射极 区连接的第一电导率的发射极接触区、以及与形成于所述第二外延层上的所 述第四集电极区连接的第一电导率的集电极区；和第二电导率的基极接触 区，形成在所述第二外延层上。在本发明实施例中，提供一种具有双极结晶体管的CMOS图像传感器制 造方法以及用以限定光电二极管区域和双极结晶体管形成区域的方法，包括 如下步骤制备第二导电衬底；通过在该第二导电衬底中注入第一导电离子 来形成红色光电二极管、第一集电极区、和第一发射极区；在该第二导电衬 底上形成第一外延层，并通过在该第一外延层中注入该第一导电离子来形成 与该红色光电二极管连接的第一插塞、与该第一集电极区连接的第二集电极 区和与该第一发射极区连接的第二发射极区；通过在该第一外延层中注入该 第一导电离子来形成绿色光电二极管、与该第二集电极区连接的第三集电极 区和与该第二发射极区连接的第三发射极区；在该第一外延层上形成第二外 延层和浅沟槽隔离区；通过在该第二外延层中注入该第二导电杂质来形成P 阱，并通过在该第二外延层中注入第一导电杂质来形成第二插塞、与该第三 集电极区连接的第四集电极区和与该第三发射极区连接的第四发射极区；通 过在该第二外延层中注入该第一导电离子来形成蓝色光电二极管、以及与该 第四集电极区连接的集电极接触区和与该第四发射极区连接的发射极接触 区；和通过在该第二外延层中注入第二导电离子来形成基极接触区。
图1是示出现有技术的水平型NPN双极结晶体管元件的示图。 图2是示出图1中所示的水平型NPN双极结晶体管元件的横截面图。 图3是示出根据本发明实施例的在CMOS图像传感器中的光电二极管区 域和双极结晶体管区域的横截面图。图4是示出图3的双极结晶体管区域的示图。图5A至图5K是示出根据本发明实施例的双极结晶体管的制造过程的 示图。
具体实施方式
参照图3，在光电二极管区域中，形成于半导体衬底上的P型半导体衬 底200可形成有红色光电二极管区域252。可生长第一外延层210，并通过 在P型第一外延层210上注入高浓度离子来形成第一插塞254。因此，通过 在第一外延层210上注入P型离子所形成的P型第一外延层210可连接至红 色光电二极管区域252，并且可提取信号。可形成具有光致抗蚀剂图案(未示出)的P型第一外延层210。第一外 延层210的一部分可注入有离子。P型第一外延层210可形成有绿色光电二
极管区域256。可在包含绿色光电二极管区域256的P型第一外延层210上 生长第二外延层220，并且第二外延层220可形成有浅沟槽隔离区域260， 用以限定有源区。可在第二外延层220上形成光致抗蚀剂图案(未示出)。可通过在第二 外延层220上注入离子来形成光致抗蚀剂图案(未示出)和第二插塞258。可通过执行阱工艺在包含STI区260的P型第二外延层220上形成光致 抗蚀剂图案(未示出)。可通过注入离子在与红色光电二极管区域252连接 的第一插塞254上形成第二插塞258，也可形成与绿色光电二极管区域256 连接的第二插塞258。可在P型第二外延层220上形成光致抗蚀剂图案，并且可通过注入离子 来形成蓝色光电二极管区域259。可垂直排列红色光电二极管区域252、绿色光电二极管区域256和蓝色 光电二极管区域259，以形成一个像素。参照图3和图4，示出由发射极区、集电极区和基极区(共同)形成的 第一和第二 NPN双极结晶体管。在第一 NPN双极结晶体管中，集电极电流IC可从第一发射极区El流 向第一集电极区C1。在本发明实施例中，由于第一发射极区E1和第一集电 极区C1的正对面积较大，所以与此对应的大量电流可均匀流动。在本发明实施例中，在第二NPN双极结晶体管的集电极中，电流IC可 从第二发射极区E2流向第二集电极区C2。由于第二发射极区E2和第二集 电极区C2的正对面积小于第一 NPN双极结晶体管，所以小于第一 NPN双 极结晶体管的集电极电流可均匀流动。在本发明实施例中，第一和第二 NPN双极结晶体管的基极区B可以共用。根据本发明实施例，可形成具有不同电流增益的双极结晶体管。 在根据本发明实施例的NPN双极结晶体管中，当在P型半导体衬底200上形成红色光电二极管区域252时，也可形成N型的第一集电极区202和第一发射极区214。当形成第一插塞254时，在第一NPN双极结晶体管中，可形成N型第 二集电极区203和N型第二发射极区215，其中所述N型第二集电极区203
被配置为与第一集电极区202连接，所述N型第二发射极区215被配置为与 第一发射极区214连接。当在第一外延层210上形成绿色光电二极管区域256时，在第一 NPN 双极结晶体管中，可在第一外延层210上形成N型第三发射极区216和N 型第三集电极区204，其中所述N型第三发射极区216被配置为与第二发射 极区215连接，所述N型第三集电极区204被配置为与第二集电极区203连 接。在本发明实施例中，可形成具有第三发射极区216a和第三集电极区204a 的第二NPN双极结晶体管。在本发明实施例中，在第一 NPN双极结晶体管中，第一至第三发射极 区214、 215和216可被连接，并以垂直方向形成，以及第一至第三集电极 区202、 203和204可被连接，并以垂直方向形成。在本发明实施例中，当形成第二插塞258时，在第一NPN双极结晶体 管中，可形成第四集电极区205，以使其可接触第三集电极区204并可连接 至其上的层，以及可形成第四发射极区218，以使其可接触发射极区217并 可连接至其上的层。在本发明实施例中，在第二 NPN双极结晶体管中，可形成第四发射极 区217a和第四集电极区205a，其中所述第四发射极区217a可连接至第三发 射极区216a，所述第四集电极区205a可连接至第三集电极区204a。在本发明实施例中，当在第二外延层220上形成蓝色光电二极管区域259 时，可在第四发射极区217上形成N型发射极接触区218，以及可形成与第 四集电极区205接触的N型集电极接触区206。在本发明实施例中，发射极区214和集电极区202等可形成有与P型基 极接触区228分离的光致抗蚀剂图案。在本发明实施例中，在发射极E、基极B和集电极C之间可以是分隔各 区的STI区260。基极区B可以由半导体衬底200、第一外延层210和第二外延层220形成。因此，在本发明实施例中，第一 NPN双极结晶体管可注入有电子，一 并 使电子从第一至第四发射极区214、 215、 216和217移向第一至第四集电极
区202、 203、 204和205。在本发明实施例中，在NPN双极结晶体管元件BJT中，集电极电流(IC) 与基极电流IB的比(即IC/IB)可称为共发射极电流增益(3)，因此根据 NPN双极结晶体管的结构，集电极电流可在水平方向均匀流动，从而增加了 电流量。因此如果制造出与现有技术的双极结晶体管元件具有相同面积的双 极结晶体管元件，则能够获得较大的电流增益。在本发明实施例中，根据第一 NPN双极结晶体管和第二 NPN双极结晶 体管可知，通过改变发射极区E和集电极区C的大小以及基极层宽度可以制 造出具有各种电流增益的双极结晶体管。图5A至图5K示出根据本发明实施例的双极结晶体管的制造过程。参照图5A，可制备半导体衬底200，并且可向衬底200中注入P型离子 (例如硼离子)，以制备P型半导体衬底200。参照图5B，可在P型半导体衬底200上形成第一光致抗蚀剂图案281 。 根据本发明实施例，P型半导体衬底200可通过第一光致抗蚀剂图案281中 的开口而暴露，并且可以几十keV能量注入N型离子(例如As离子)。这 样可形成红色光电二极管252 (见图3)，并且可同时形成第一集电极区202 和第一发射极区214。可去除第一光致抗蚀剂图案281 。参照图5C，可在P型半导体衬底200上形成第一外延层210，其中在所 述p型半导体衬底200上形成有第一集电极区202。参照图5D，可将P型离子(例如硼(B)离子)注入到第一外延层210， 以制备P型第一外延层210。参照图5E，可在P型第一外延层210上形成第二光致抗蚀剂图案282， 并且可形成第一插塞254 (见图3)。此时，可以几百至几千keV能量向通 过第二光致抗蚀剂图案282的开口而暴露的第一外延层210中注入N型离子 (例如As离子)来形成第二集电极区203和第二发射极区215。可去除第二光致抗蚀剂图案282。参照图5F，可在P型第一外延层210上形成第三光致抗蚀剂图案283， 并且可形成蓝色光电二极管256 (见图3)。此时，可以几十keV能量向通
过第三光致抗蚀剂图案283的开口而暴露的P型第一外延层210中注入N型 离子(例如As离子)来形成第三集电极区204和第三发射极区216。 可去除第三光致抗蚀剂图案283。参照图5G，可在P型第一外延层210上形成第二外延层220。 可在第二外延层220上形成浅沟槽隔离260，作为隔离区。 参照图5H，可在第二外延层220上形成第四光致抗蚀剂图案284，其中 在所述第二外延层220上形成有P阱221，并且可形成有第二插塞(见图3)。 此时，可以几千keV能量向通过第四光致抗蚀剂图案284的开口而暴露的第 二外延层220中注入N型离子(例如As离子)来形成第四集电极区205和 第四发射极区217。可去除第四光致抗蚀剂图案284。参照图51，可在第二外延层220上形成第五光致抗蚀剂图案285，并且 可形成蓝色光电二极管区域259 (见图3)。此时，可在第四发射极区217 上形成发射极接触区219，以及可在第四集电极区205上形成集电极接触区 206。可去除第五光致抗蚀剂图案285。参照图5J，可在第二外延层220上形成第六光致抗蚀剂图案286，并且 可向通过第六光致抗蚀剂图案286的开口而暴露的一部分第二外延层220中 注入P型离子来形成基极接触区228。最后，可形成如图5K所示的在双基 底结构中通过使用光电二极管工艺形成的NPN双极结晶体管。之后，可去除第六光致抗蚀剂图案286。在本发明实施例中，根据本发明实施例的NPN双极结晶体管结构，集 电极电流可以在水平方向均匀流动，从而可增加电流的总量。在制造出与现 有技术的双极结晶体管元件具有相同面积的双极结晶体管元件时，能够获得 较大的电流增益。在本发明实施例中，根据第一 NPN双极结晶体管和第二 NPN双极结晶 体管可知，可通过改变发射极区E和集电极区C的大小以及基极层宽度来制 造具有各种电流增益的双极结晶体管元件。在本发明实施例中，水平型双极结晶体管元件(BJT)和具有该元件的 CMOS图像传感器可形成光电二极管。在本发明实施例中，双极结晶体管的 集电极电流可以在水平方向均匀流动，从而可增加电流的总量。如某制造出
与现有技术的双极结晶体管元件具有相同面积的双极结晶体管元件，则使其 能够获得较大的电流增益。
在本发明实施例中，可对叠置的发射极区和集电极区的大小进行改变以 及对基极层宽度进行改变，从而可制造具有不同电流增益的双极结晶体管元 件。
显然对所属领域普通人员来说可对本发明实施例进行各种修改和改变。 因此，本发明实施例旨在覆盖落于所附权利要求范围内的修改和改变。应理 解的是，当提到一个层在另一层或衬底"上"或"上方"时，其可以直接位 于该另一层或衬底上，或者也可以在其间插入其它层。
权利要求
1.一种具有双极结晶体管的CMOS图像传感器，包括第一电导率的第一光电二极管、第一电导率的第一集电极区、以及第一电导率的第一发射极区，形成于导电衬底上；第一外延层，具有与所述第一光电二极管连接的第一电导率的第一插塞、与所述第一集电极区连接的第二集电极区、以及与所述第一发射极区连接的第二发射极区；第一电导率的第二光电二极管、与所述第二集电极区连接的第三集电极区、以及与所述第一外延层中的第二发射极区连接的第三发射极区，其中所述第二光电二极管通过在所述第一外延层中注入离子而形成；第二外延层，位于所述第一外延层上，并具有与所述第二光电二极管连接的第一电导率的第二插塞、与所述第三发射极区连接的第四发射极区、以及与所述第三集电极区连接的第四集电极区；第一电导率的第三光电二极管、与所述第四发射极区连接的第一电导率的发射极接触区、以及与形成于所述第二外延层上的所述第四集电极区连接的第一电导率的集电极区；和第二电导率的基极接触区，形成于所述第二外延层上。
2. 如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述第一光电二极管 包括红色光电二极管，所述第二光电二极管包括绿色光电二极管，以及所述 第三光电二极管包括蓝色光电二极管。
3. 如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述第一外延层和所 述第二外延层具有第二电导率。
4. 如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述第一外延层和所 述第二外延层由具有第二电导率的基极区限定。
5. 如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述第二外延层包括 浅沟槽隔离区，用以隔离所述发射极接触区、所述集电极接触区和所述基极 接触区。
6. 如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中通过注入N型离子形 成第一电导率，以及通过注入P型离子形成第二电导率。
7. 如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述第一、第二、第 三和第四发射极区与所述第一、第二、第三和第四集电极区具有第一电导率。
8. —种CMOS图像传感器的制造方法，包括以下步骤-制备第二电导率的衬底；通过在该衬底中注入第一电导率的离子来形成第一光电二极管、第一集 电极区和第一发射极区；在该衬底上形成第一外延层，并通过在该第一外延层中注入第一电导率 的离子来形成与该第一光电二极管连接的第一插塞、与该第一集电极区连接 的第二集电极区、以及与该第一发射极区连接的第二发射极区；通过在该第一外延层中注入第一电导率的离子来形成第二光电二极管、 以及与该第二集电极区连接的第三集电极区和与该第二发射极区连接的第 三发射极区；在该第一外延层上形成第二外延层和浅沟槽隔离区；通过在该第二外延层中注入第二电导率的杂质来形成P阱，以及通过在 该第二外延层中注入第一电导率的杂质来形成第二插塞、与该第三集电极区 连接的第四集电极区、和与该第三发射极区连接的第四发射极区；通过在该第二外延层中注入第一电导率的离子来形成第三光电二极管、 以及与该第四集电极区连接的集电极接触区和与该第四发射极区连接的发 射极接触区；和通过在该第二外延层中注入第二电导率的离子来形成基极接触区。
9. 如权利要求8所述的制造方法，其中所述第一光电二极管包括红色 光电二极管，所述第二光电二极管包括绿色光电二极管，以及所述第三光电 二极管包括蓝色光电二极管。
10. 如权利要求8所述的制造方法，其中所述发射极区和所述集电极区 被配置为使得电流从所述第一至第四发射极区流向所述第一至第四集电极 区。
11. 如权利要求8所述的制造方法，其中该半导体衬底、该第一外延层 和该第二外延层形成第二电导率的基极区。
12. 如权利要求8所述的制造方法，其中所述双极结晶体管包括NPN 型晶体管。
13.如权利要求8所述的制造方法，其中通过注入N型离子形成第一电导率，以及通过注入p型离子形成第二电导率。
全文摘要
本发明提供一种水平型双极结晶体管元件(BJT)和具有该元件的CMOS图像传感器。在本发明实施例中，双极结晶体管的集电极电流可以在水平方向均匀流动，从而可增加电流的总量。在本发明实施例中，可获得较大电流增益。在本发明实施例中，可制造出具有不同电流增益的双极结晶体管元件。
文档编号H01L21/70GK101132016SQ20071014240
公开日2008年2月27日 申请日期2007年8月22日 优先权日2006年8月22日
发明者秀 林 申请人:东部高科股份有限公司