专利名称：垂直cmos图像传感器的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种垂直CMOS图像传感器的制造方法，更特别地，涉及一种通过控制离子注入的种类(或元素)、剂量和能量来减小或最小化(注入)插头中的径向扩散的垂直CMOS图像传感器的制造方法。
背景技术：
通常，图像传感器是将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器可被分为电荷耦合器件图像传感器CCD以及CMOS图像传感器。在CCD的情况下，金属氧化硅MOS电容器彼此相邻布置，并且将电载流子存储在MOS电容器中并且从该MOS电容器中传递。在CMOS图像传感器中，MOS晶体管的数量通常对应于像素的数量。CMOS技术通常用于形成作为外围电路的控制电路和信号处理电路，从而使用MOS晶体管顺序地输出输出信号。
在根据相关技术的垂直CMOS图像传感器中，通常通过以高能量和大剂量注入磷，来形成深约2μm的插头(其可被用于读出例如红色光电二极管的信号)。在非常大剂量的情况下，可存在相对严重的径向扩散。因而，相邻的光电二极管的隔离特性可能恶化。
在下文中，将描述一种根据相关技术的垂直CMOS图像传感器的制造方法。
图1是示出了根据相关技术的垂直CMOS图像传感器的制造方法的横截面图。
如图1所示，红色光电二极管11形成在第一外延层(未示出)中，并且第二外延层12在其上生长至大约2μm的厚度。随后，在第二外延层12上形成第一光刻胶图样(未示出)，其中，第一光刻胶图样(未示出)具有用于插头的开口部分。为了与红色光电二极管11电连接，使用第一光刻胶图样作为掩模，磷离子以高能量(例如，1200keV)以及以中等能量(例如，500keV)注入到第二外延层12中以形成插头13。在去除第一光刻胶图样后，第二光刻胶图样(未示出)形成在第二外延层12上。随后，通过离子注入，在第二外延层12中形成绿色光电二极管14，并且去除第二光刻胶图样。
接下来，在包括有绿色光电二极管14的第二外延层12上形成第三外延层15，并且在第三外延层15中形成STI(浅沟道隔离)层16。随后，第三光刻胶图样(未示出)形成在第三外延层15上，并且通过离子注入，在第三外延层15中形成第二插头17。
此外，在包括STI层16的第三外延层15上形成第四光刻胶图样(未示出)，并且通过离子注入形成蓝色光电二极管18。
在上述的根据相关技术的垂直CMOS图像传感器中，由于第一插头的径向扩散，相邻的光电二极管之间的隔离特性可能劣化。因此，由于隔离特性的恶化，很难减小单位像素的尺寸。
根据相关技术的垂直CMOS图像传感器的制造方法具有以下的缺点。
在可能形成注入插头的深度约为2μm的地方(例如，用于读出红色光电二极管的信号)，由于大剂量的磷注入(并且可能在某种程度上为大剂量与高能量结合)，径向扩散可能很严重。因此，由于隔离特性的恶化，可能具有关于减小单位像素尺寸的限制。结果，很难获得(或实现可能的)高集成的垂直CMOS图像传感器，并且很难降低生产成本。
发明内容
因此，本发明提供了一种用于垂直CMOS图像传感器的制造方法，其基本上消除了由于相关技术的局限性和缺点而导致的一个或多个问题。
本发明的目的在于提供一种用于垂直CMOS图像传感器的制造方法(其通常通过最小化插头注入的径向扩散来提高集成度以及减小单位像素的尺寸)，在该方法中，以控制的剂量和能量注入磷离子和砷离子。
本发明的其它优点、目的和特征将部分地在随后的说明书中阐述，部分地在本领域技术人员分析以下内容的基础上变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过在说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和达到。
为了实现这些目标和其它优点，并根据本发明的目的，如本文中所体现和概括描述的，一种用于垂直CMOS图像传感器的制造方法包括在半导体衬底中形成第一光电二极管；在包括第一光电二极管的半导体衬底上形成第一外延层；通过将第一和第二离子顺序地注入第一外延层中，来形成第一插头；在第一外延层中形成第二光电二极管；在包括第二光电二极管的第一外延层上形成第二外延层；在第二外延层中形成隔离区；以及在第二外延层中形成第三光电二极管和第二插头。
此时，形成第一插头的过程包括在第一外延层中形成限定第一插头区域的光刻胶图样；通过光刻胶图样，以1500keV的能量注入磷离子，以1200keV的能量注入砷离子，并且以500keV的能量注入砷离子。
此外，可以以小剂量注入磷离子，并且可以以大剂量注入砷离子。
应该理解，本发明的先前的概述和随后的详述都是示例性的和说明性的，目的在于提供对所要求的本发明的进一步说明。
附图提供了对本发明的进一步理解，并入并且构成本申请的一部分。
本发明的实施例，并与说明书一起解释本发明原理。在附图中图1示出了根据相关技术的垂直CMOS图像传感器的制造方法的横截面图；图2至图5示出了根据本发明的垂直CMOS图像传感器的制造方法的横截面图；以及图6和图7示出了根据相关技术和根据本发明的垂直CMOS图像传感器中的结合特性比较的二维仿真结果。
具体实施例方式
以下将详细参照本发明的优选实施例，其实例在附图中示出。任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的附图标号表示相同或相似的部件。
在下文中，将参照附图对根据本发明的垂直CMOS图像传感器的制造方法进行说明。
图2至图5示出了根据本发明的垂直CMOS图像传感器的制造方法的横截面图。
参照图2，第一外延层可生长(通常通过传统的硅或硅-锗的外延生长)在半导体衬底30上，并且第一光刻胶涂覆在包括第一外延层的半导体衬底30上。(可选地，在没有首先形成外延层的情况下，可使用可能与这种外延层相似的具有一定预定性质或特性的单晶硅衬底。)随后，通过传统的光刻法和显影，在半导体衬底30上形成第一光刻胶图样32，其中，第一光刻胶图样32在对应红色光电二极管的衬底或外延层的预定部分或者区域中设置开口。然后，通常通过离子注入(例如，以适于形成这种光电二极管的能量，例如在此所述的相对低的能量，注入用于这种光电二极管的传统剂量的传统掺杂物)，来形成红色光电二极管31，并且去除第一光刻胶图样32。
如图3所示，在包括红色光电二极管31的半导体衬底30上形成2μm厚的第二外延层33(通常通过硅或硅-锗的传统外延生长而形成)。然后，在第二外延层33上涂覆第二光刻胶。随后，通过传统的光刻法和显影，在半导体衬底30上形成第二光刻胶图样34，其中，第二光刻胶图样34设置有通向对应第一插头(其提供了与红色光电二极管31的电连接)的外延层33的预定部分或区域的开口。通过使用第二光刻胶图样34作为掩模注入杂质离子，在对应开口的第二外延层33的预定部分中形成第一插头35。
在下文中，将详细地描述根据本发明的第一和第二实施例的第一插头的制造方法。
根据本发明的第一实施例，使用第二光刻胶图样34作为掩模，以相对高能量(例如，从大约1000keV至大约2000keV，优选地从大约1200keV至大约1800keV，以及在一个实施例中大约为1500keV)注入小剂量的磷离子(例如，从大约5×1012至大约1×1013个原子/cm2)。并随后，使用第二光刻胶图样34作为掩模，以相对高的能量(例如，从大约1000keV至大约1500keV，以及在一个实施例中大约为1200keV)注入一定剂量(例如，从大约5×1012至大约5×1013原子/cm2，优选地从大约7×1012至大约8×1012原子/cm2)的砷离子，从而形成第一插头35。
根据本发明的第二实施例，使用第二光刻胶图样34作为掩模，以相对高的能量(例如，从大约1000keV至大约2000keV，优选地从大约1200keV至大约1800keV，并且在一个实施例中大约为1500keV)注入小剂量的磷离子(例如，从大约5×1012至大约1×1013原子/cm2)。以相对高的能量(例如，从大约1000keV至大约1500keV，并且在一个实施例中大约为1200keV)注入一定剂量的(例如，从大约7×1012至大约8×1012原子/cm2)砷离子。并随后，以相对低的能量(例如，从大约300keV至大约1000keV，优选地从大约400keV至大约800keV并且在一个实施例中大约为500keV)注入一定剂量的(例如，从大约7×1012至大约8×1012原子/cm2)砷离子，从而形成第一插头35。在第一和第二实施例中，离子注入的顺序是可改变的。
在光刻胶图样34中的开口的尺寸可等于或小于用于形成图1所示的相关技术中的插头13的对应开口的尺寸。由此，可改进第一插头35的垂直连通性，并且即使光刻胶图样34中的开口尺寸与用于形成图1中插头13的对应开口尺寸相同，也可以通过减少插头35中的掺杂物(例如，磷)剂量来减少或防止来自第一插头35的掺杂物的径向扩散。
参照图4，在去除第二光刻胶图样34后，涂覆第三光刻胶。随后，通过传统的光刻法和显影形成第三光刻胶图样36，该第三光刻胶图样在对应绿色光电二极管的预定部分或区域中具有开口。然后，可使用第三光刻胶图样36作为掩模，通过注入离子(例如，以适于形成这种光电二极管的能量，例如在此所述的相对低的能量，注入用于这种光电二极管的传统剂量的传统掺杂物)，形成绿色光电二极管37，并随后去除第三光刻胶图样36。
参照5，在包括绿色光电二极管37的第二外延层33上形成第三外延层38(通常通过硅或硅-锗的传统外延生长而形成)。然后，通常通过湿和/或干热氧化(例如，在STI沟道中形成衬里氧化物(liner oxide))和/或块硅氧化物的传统化学气相沉积(其可为等离子增强型和/或等离子辅助型)来填充沟道，随后通过化学机械抛光和/或深蚀刻来从沟道以外的区域中去除氧化物，来进行传统的STI(浅沟道隔离)处理以部分蚀刻第三外延层38并且在其中形成绝缘层(例如，二氧化硅)，由此，形成隔离区39。
随后，在包括隔离区39的第三外延层38上形成第四光刻胶图样。此外，通过传统的离子注入(例如，以适于形成穿过第三外延层38的注入插头40的一个或多个能量注入中等至大剂量的磷和/或砷)，可形成第二插头40以提供与绿色光电二极管37的电连接。在去除第四光刻胶图样后，在第三外延层38上形成第五光刻胶图样，并且通过离子注入形成蓝色光电二极管41(例如，以适于形成这种光电二极管的能量，例如在此所述的相对低的能量，使用用于这种光电二极管的传统剂量的传统掺杂物进行注入)。可选地，除了在此所述的红、绿以及蓝光电二极管以外，可采用包括品红色、黄色、以及青色光电二极管的垂直光电传感器。
图6和图7示出了根据相关技术和根据本发明的垂直CMOS图像传感器中的结合特性比较的二维仿真结果。
在根据相关技术的垂直CMOS图像传感器(图6所示)中，广泛地产生径向扩散。其间，根据二维剖面图可以看出，在根据本发明的垂直CMOS图像传感器(图7所示)的情况下，即使在两种方法中在相同区域(例如，通过相同尺寸的光刻胶开口)中形成注入插头，也可减小或防止这种径向扩散，而不产生垂直特性中的问题。这样，可通过获得相邻光电二极管之间的足够间隔来改进隔离特性。也就是说，在根据本发明的垂直CMOS图像传感器中，利用磷和砷的扩散特性来改进第一插头35的隔离特性，从而通过减小单位像素的尺寸提高了图像传感器的集成度。
如上所述，根据本发明的垂直CMOS图像传感器的制造方法具有以下优势。
在根据本发明的垂直CMOS图像传感器的制造方法中，为了形成用于读出光电二极管的信号的插头，在控制掺杂物剂量和能量的同时，注入磷和/或砷离子。这样，可以通过减小或最小化插头中掺杂物的径向扩散来改进相邻光电二极管之间的隔离特性。结果，根据本发明，可以减少单位像素的尺寸并且可以提高垂直CMOS图像传感器的集成度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种垂直CMOS图像传感器的制造方法，包括在半导体衬底中形成第一光电二极管；在包括所述第一光电二极管的所述半导体衬底上形成第一外延层；通过将第一和第二离子顺序地注入所述第一外延层中，形成第一插头；在所述第一外延层中形成第二光电二极管；在包括所述第二光电二极管的所述第一外延层上形成第二外延层；在所述第二外延层中形成隔离区；以及在所述第二外延层中形成第三光电二极管和第二插头。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述第一插头的过程包括在所述第一外延层中形成限定所述第一插头区域的光刻胶图样；以及使用所述光刻胶图样作为掩模，将磷离子和砷离子注入所述第一外延层中。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，以1200keV至1800keV的能量注入所述磷离子。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，以1500keV的能量注入所述磷离子。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，以1000keV至1500keV的能量注入所述砷离子。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，以1200keV的能量注入所述砷离子。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述第一插头的过程包括在所述第一外延层中形成限定所述第一插头区域的光刻胶图样；使用所述光刻胶图样作为掩模，将磷离子注入所述第一外延层中；使用所述光刻胶图样作为掩模，将第一砷离子注入所述第一外延层中；以及使用所述光刻胶图样作为掩模，将第二砷离子注入所述第一外延层中。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，以1200keV至1800keV的能量注入所述磷离子。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，以1500keV的能量注入所述磷离子。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，以1000keV至1500keV的能量注入所述第一砷离子。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，以1200keV的能量注入所述第一砷离子。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，以400keV至800keV的能量注入所述第二砷离子。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，以500keV的能量注入所述第二砷离子。
14.根据权利要求2所述的方法，其中，注入小剂量的磷离子，以及注入大剂量的砷离子。
15.一种垂直CMOS图像传感器的制造方法，包括通过将具有相对低分子量的第一离子以小剂量和高能量注入所述第一外延层中并将具有相对高分子量的第二离子以大剂量和低能量注入所述第一外延层中，以在其中具有第一光电二极管的半导体衬底上的所述第一外延层中形成第一插头；以及在所述第一外延层中形成第二光电二极管。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，形成所述第一插头的过程包括通过限定所述第一插头区域的光刻胶图样，将磷离子以相对高的能量注入所述第一外延层中以及将砷离子以相对低的能量注入所述第一外延层中。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，以大约1000keV至大约2000keV的能量注入所述磷离子。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，以大约1500keV的能量注入所述磷离子。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，以大约1000keV至大约1500keV的能量注入所述砷离子。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，以大约1200keV的能量注入所述砷离子。
21.根据权利要求16所述的方法，还包括通过所述光刻胶图样，以中等能量注入所述砷离子。
22.根据权利要求16所述的方法，其中，注入小剂量的磷离子。
23.根据权利要求16所述的方法，其中，注入剂量大约为5×1012至大约为1×1013原子/cm2的磷离子。
24.根据权利要求16所述的方法，其中，注入大剂量的砷离子。
25.根据权利要求16所述的方法，其中，注入剂量大约为5×1012至大约为5×1013原子/cm2的砷离子。
26.根据权利要求16所述的方法，还包括在所述第一外延层上形成第二外延层，以及在所述第二外延层中形成第三光电二级管和第二插头。
27.一种垂直CMOS图像传感器，包括半导体衬底，在其中具有第一光电二极管；第一外延层，在所述半导体衬底上，具有在所述第一外延层中的第一插头，所述第一插头包括(i)相对小剂量的第一离子，具有相对低的分子量和相对深的深度；以及(ii)相对大剂量的第二离子，具有相对高的分子量和相对浅的深度；以及在所述第一外延层中的第二光电二极管。
28.根据权利要求27所述的CMOS图像传感器，其中，所述第一离子包括剂量大约为5×1012至大约为1×1013原子/cm2并且深度达到大约2μm的磷。
29.根据权利要求27所述的CMOS图像传感器，其中，所述第二离子包括剂量大约为5×1012至大约为5×1013原子/cm2的砷。
30.根据权利要求27所述的CMOS图像传感器，还包括在所述第一外延层上的第二外延层，所述第二外延层在其中包括第三光电二极管和第二插头。
31.根据权利要求27所述的CMOS图像传感器，所述第二外延层在其中还包括隔离结构。
全文摘要
本发明公开了一种垂直CMOS图像传感器的制造方法，以通过最小化径向扩散来减小像素尺寸以提高集成度，其中，在控制剂量和能量时，注入磷离子和砷离子，该方法包括在半导体衬底中形成第一光电二极管；在半导体衬底上形成第一外延层；通过将第一和第二离子顺序地注入第一外延层，形成第一插头；在第一外延层中形成第二光电二极管；在第一外延层中形成第二外延层；在第二外延层中形成隔离区；以及在第二外延层中形成第三光电二极管和第二插头。
文档编号H01L21/822GK1819236SQ200510135150
公开日2006年8月16日 申请日期2005年12月27日 优先权日2004年12月29日
发明者李相基 申请人:东部亚南半导体株式会社