专利名称：图像传感器像素及其制造方法
技术领域：
本发明涉及图像传感器像素的结构及其制造方法，更具体地，涉及包括晶体管的有源元件的有源像素型互补金属氧化物半导体(CMOS) 图像传感器。
背景技术：
图像传感器通过利用半导体器件对外界能量(例如光子)作出响应 的特性而采集图像。每个自然界中存在的物体产生的光均具有独特能量 值，例如在波长方面。从每个物体上产生的光由图像传感器的像素感测 进而转换为电学值。图像传感器的像素的一个示例为4晶体管CMOS的 有源像素。
图1是图像传感器的电路图，其由四个晶体管110至140及一个二 极管190组成。图像传感器的电路操作如下。首先，对于复位期，光电 二极管190响应于RX信号和TX信号而复位。聚集于光电二极管的光被 转换为电信号，进而通过传输晶体管110、激励晶体管130、和选择晶体 管140将该电信号传输至输出节点Vout。
图2是形成在半导体衬底上的CMOS图像传感器的平面图。图3是 图2沿X-X'线剖开的剖视图。
现将参照图2和图3,对传统的图像传感器像素进行描述。
受剖开方向的限制，在图3中未示出图2中的激励晶体管130和 选择晶体管140。在图2和图3中，相同的标号表示相同的元件。
图像传感器需要对光能敏感。因而，半导体衬底101可为具有较 低漏电流的外延生长衬底。
传输晶体管110和复位晶体管120之间的节点由金属层125通过 接触层连接至激励晶体管130的栅极。
P阱保护层150防止图3的P阱151在将要形成光电二极管l90的区域上形成。
PDN层160通过对光电二极管190的阴极进行N型杂质的离子注 入而形成。PDP层180通过对光电二极管190的阳极进行P型杂质的离 子注入而形成。PN结形成在PDN层160与PDP层180彼此重叠的区域， 因此形成光电二才及管190的面积。
虽然未在图3中示出，但是光电二极管190和传输晶体管IIO的 源区通过PDC层185连接。
同时，随着半导体的技术的发展，图像传感器像素及光电二极管 的尺寸缩小。此外，增加了与半导体衬底重叠的绝缘层的数量及金属 布线层的数量。因此，像素表面和光电二极管间的距离增大，进而减 少了聚集于像素的光电二极管190的光。因此，降低了图像传感器的 图像质量。
为了解决以上问题，在传统的方法中，将凸透镜形式的微透镜形 成在滤色镜上，该滤色镜是形成的像素的最高层，以使得能将进入图 像传感器的入射光聚集，进而增加到达光电二极管190的光。
已普遍发现，当采用大的光电二极管以提供足够数量的光时，在 困像传感器中能得到更好的图像质量。填充因数被定义为光电二极管 在整个像素区域上占据的面积。像素的特性可利用填充因数来估测。
如图2所示，在传统的有源像素中，因为必须将光电二极管190 和晶体管110至140设置在一个.平面上，所以填充因数仅为6-16%。 因此，光敏度降低、相邻像素间的距离减小、并且串扰增加，从而产 生很多噪声。
此外，参照图2，晶体管110至140及场氧化层195形成在单位 像素内除了用于形成光电二极管190的区域之外的特定区域。这是因 为必须要首先形成晶体管110至140,然后场氧化层195被用来将晶 体管110至140彼此分开。
因此，在本发明中，在图像传感器的单位像素内，除了由光电二 极管190及晶体管110至140占据的区域之外，能够有效地利用场氧 化层195的下部区域。
发明内容
技术问题
为了解决上述问题，本发明的一个目的在于提供一种图像传感器像素及其制造方法，在所述图像传感器像素中的有限范围内可增加光电二极管的面积。
本发明的另一目的在于提供一种图像传感器像素，其中光电二极 管在半导体衬底的沟槽区形成从而实现较高的填充因数。
本发明的另一目的在于提供一种图像传感器像素，其将相邻像素 间的串扰减到最少。
本发明的另一目的在于提供一种图像传感器像素，在其中能够在 有限的像素尺寸内构造占据更大面积的光电二极管，从而得到高的灵 敏度。
本发明的另 一 目的在于提供一种不需要微透镜的图像传感器像素。
本发明的另一目的在于提供一种图像传感器像素，使用所述图像 传感器的像素的电子装置能够提高其性能，并且消费者能够得到具有 竟争力的价格。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种图像传感器像素，包括埋入半导体衬底内部的光电二极管；以及在所述光电二极管形成之后形成的像素晶体管。
根据本发明的另一方面，提供了一种图像传感器像素，包括像 素晶体管；将所述像素晶体管分隔开的场氧化层；以及光电二极管，位于所述场氧化层的特定或全部区域内的下部。根据本发明的另 一方面，提供了一种图像传感器像素的制造方法，包括(a)在半导体衬 底的特定区域内形成沟槽区；(b)形成包括至少一部分所述沟槽区的 光电二极管；以及(c)在所述光电二极管形成之后，形成像素晶体管。
图1是具有4晶体管结构的CMOS图像传感器的电路图2是传统的CMOS图像传感器的平面图3是传统的CMOS图像传感器的剖视图4是根据本发明的实施方式的像素层的平面图5是根据本发明的实施方式的另一像素层的平面图6是根据本发明的实施方式的包括光电二极管连接层的像素的 剖-见图7是根据本发明的实施方式的包括晶体管层的像素的剖视图8是图4沿X-X'线剖开的剖视图9是图5沿X-X'线剖开的剖视图10是图6沿X-X'线剖开的剖视图11是图7沿X-X'线剖开的剖视图12是包括金属层的像素的剖视图13是图2的简化图，其强调示出了在传统像素中光电二极管的 面积；
图14是强调示出了在根据本发明的实施方式的像素中的光电二 极管的面积的俯-观图。
具体实施例方式
为了更充分地理解本发明、其优点、及通过实现本发明而达到的 目的，以下参照附图对本发明的示例性实施方式进行说明。
在下文中，将通过参照
本发明的示例性实施方式而对本 发明进行详细描述。图中相同的标号表示相同的元件。
图4至图7是示出了根据本发明的实施方式的图像传感器像素的 制造方法的平面图。图8至图12是图4至图7沿X-X方向剖开的剖 视图。本领域技术人员将会理解，以下描述将集中在本发明的关键方 面，而并非说明所述制造方法的所有方面。
现参照图4和图8，对根据本发明的实施方式的图像传感器像素 的制造方法进行描述。
通过采用场掩膜415对半导体衬底400 —部分上的图8的沟槽区410进行蚀刻。半导体衬底400可使用外延生长的晶片以获得半导体 图像传感器的低漏电流特征。
光电二极管的第一电4及411通过离子注入形成在沟槽区410上。 在这种情况下，如果使用P型半导体衬底，则对第一电极411注入N 型离子，从而形成负电极。
光电二极管的正电才及413通过注入P型离子而形成，其注入深度 小于光电二极管的负电极411的深度。采用倾斜的离子注入方式注入 P型离子，以使得P型区域可在半导体衬底400内形成的沟槽的侧面 上适当地形成。
场氧化层420以适当的厚度形成，然后对其进行化学机械抛光 (CMP)以使得场氧化层420只保留在沟槽区410上。参照图5，在 场氧化层420保留在沟槽区410上的状态中，场氧化层420与沟槽区 410重叠。P阱层由图5的标号431表示。参照图9，应用光刻胶430 以形成P阱431。
在通过离子注入形成P阱431之后，用于将光电二极管与晶体管 连才矣的光电二极管连接区440和450通过离子注入形成。如图6所示， 优选地以不同的离子能级和深度、单独进行两次离子注入以形成光电 二才及管连接区440和450。然而，如果必要的话，可以只进行一次离 子注入。
随后，如图7和图11所示，形成像素晶体管460、 470、 480及 490，并利用N型离子注入掩膜461、通过离子注入形成有源区451、 452、 453及454。
有源区451、 452、 453及454由新的标号表示的原因是因为在图 4至图6中定义为场掩膜415的区域中，只有存在于N型离子注入掩 膜461内部的区域通过离子注入变为有源区，并且因为场氧化层420
随后，像素晶体管460、 470、 480及490通过4吏用金属接触层和 金属层而适当地连接，进而分别形成传输晶体管460、复位晶体管470、 激励晶体管480、及选择晶体管490 (参见图2 )。
本领域技术人员将会理解，所述连接工艺与通常的CMOS晶体管
制造工艺相同或相似。因此，在此不再赘述。
图13是图2的简化图，其示出了传统的图像传感器像素100,其 中对光电二极管180的区域和包括晶体管的区域610的其余部分进行 强调。
图14是图7的简化图，其示出了根据本发明的实施方式的图像传 感器像素600,其中强调了光电二极管680的区域。在这里，除了 P 阱层431和有源层415之外的区域均变为用于光电二极管680的区域， 从而使填充因数最大化。
通过比较图13和图14,本发明的优点将变得显而易见。
在图13的现有技术中，由氧化层195分开的晶体管在光电二极管 180形成之前形成。因此，光电二极管180、场氧化层195、及晶体管 占据了整个像素的面积。
然而在图14的本发明中，当光电二极管680在整个像素600中的 沟槽区上形成之后，场氧化层195形成在光电二极管680的上部，而 晶体管形成在其余区域。也就是说，单个像素只包括用于光电二极管 680的区域以及其余的区域431和415。因此，传统上用于场氧化层 195的区域可被用于光电二极管680，从而使填充因数最大化。
根据图4至图7中示出的本发明的实施方式，光电二极管形成为 "U"形，以使得沟槽区可占据大部分像素面积，从而增大填充因数。
虽然没有示出，但光电二极管也可形成为"L"形。所述形状依 照光电二极管和像素晶体管的位置而变化。光电二极管可通过使用浅 槽凹口以埋入的形式形成，这包括在本发明的范围之内。
根据本发明，光电二极管的表面积增大，进而提高了填充因数及 光敏度。
此外，在图像传感器的单位像素内，除了形成晶体管的区域之外 的全部像素面积都变为光电二极管区域，因此使填充因数最大化。
此外，因为可聚集更多的光，所以不再需要微透镜，进而提供了 经济利益。
另外，光电二极管的突出结构使得相邻像素间的串扰减到最少，进 而提高了图像传感器的效率。
尽管结合本发明的示例性实施方案对本发明进行了详细说明和描 述，但本领域技术人员可以理解，在不脱离权利要求所限定的本发明 的精神和范围的情况下，可对本发明进行各种形式上和细节上的变化。
权利要求
1.一种图像传感器像素，包括光电二极管，埋入半导体衬底内部；以及像素晶体管，在所述光电二极管形成之后形成。
2.如权利要求l所述的像素，还包括沟槽区，其在所述半导体衬底的特定区域内形成。
3.如权利要求2所述的像素，还包括场氧化层，其形成在所述沟 槽区的上部。
4. 一种图像传感器像素，包括 多个像素晶体管；场氧化层，其将所述像素晶体管分隔开；以及 光电二极管，位于所述场氧化层的特定或全部区域的下部。
5. —种图像传感器像素的制造方法，包括 在半导体衬底的特定区域内形成沟槽区；形成包括至少一部分所述沟槽区的光电二极管；以及 在所述光电二极管形成之后，形成像素晶体管。
6.如权利要求5所述的制造方法，还包括在所述光电二极管形成 之后，在所述沟槽区的上部形成场氧化层。
全文摘要
提供了一种图像传感器像素及其制造方法，该像素内部的场氧化层的特定或全部面积可用作光电二极管以增大填充因数。该图像传感器像素包括埋入半导体衬底内的光电二极管，在光电二极管形成之后形成的像素晶体管。图像传感器像素包括像素晶体管；将像素晶体管隔开的场氧化层；位于场氧化层特定或全部区域下部的光电二极管。制造方法包括在半导体衬底的特定区域内形成沟槽区；形成包括至少一部分沟槽区的光电二极管；以及在所述光电二极管形成之后形成像素晶体管。因此，光电二极管的表面积增大，从而填充因数及光敏度提高。在图像传感器的单位像素内，除了形成晶体管的区域之外的全部像素面积都变为光电二极管区域，因此使填充因数最大化。
文档编号H01L27/146GK101203959SQ200680022212
公开日2008年6月18日 申请日期2006年6月14日 优先权日2005年6月23日
发明者朴哲秀 申请人:(株)赛丽康;朴哲秀