专利名称：Cmos图像传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种CMOS图像传感器，尤其涉及一种能够防止转移晶体管 (transfer transistor)的泄漏电流的CMOS图像传感器及其制备方法。半导体器将光学图像转换为电信号。图像传感器可以分为互补金属一氧化 物一硅(CMOS)图像传感器或者电荷耦合器件(CCD)图像传感器。与CMOS 图像传感器相比，CCD图像传感器具有更好的光敏性和较低的噪音。然而， CCD图像传感器可能更难于制备成高度集成器件并且具有较高的电力消耗。相反，与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有较简单的制备工 艺、较高的集成度和较低的电力消耗。近年来，由于制备半导体器件的技术己 经发展，用于制备CMOS图像传感器的技术己经发展。CMOS图像传感器的 像素可以包括用于接收光线的光敏二极管和用于控制通过光敏二极管输入的 图像信号的晶体管。根据晶体管数量，CMOS图像传感器可以分为3T型、4T 型或5T型。3T型CMOS图像传感器包括光敏二极管和三个晶体管，而4T型 CMOS图像传感器包括光敏二极管和四个晶体管。图l示出相关的CMOS图像传感器的平面图。参考图l， 4T型CMOS图 像传感器包括光敏二极管区PD、转移晶体管Tx、复位晶体管Rx和驱动晶体 管Dx。在有源区1的最宽部分中形成光敏二极管区PD。形成转移晶体管Tx、 复位晶体管Rx和驱动晶体管Dx，以覆盖除光敏二极管区PD之外的有源区1。 为了使晶体管总数达到每个光敏二极管对应4个晶体管，可以包括选择晶体管 Sx。光敏二极管PD检测入射光线并根据光线强度产生电荷。转移晶体管Tx将在光敏二极管PD中产生的电荷传送到浮动扩散区FD。在传送电荷之前， 为了启动复位晶体管Rx，浮动扩散区FD将从光敏二极管PD接收的电子移动 到复位晶体管Rx。因此，可以将浮动扩散区FD设定到具有预定能级的预定 低电荷状态。为了检测信号，复位晶体管Rx释放存储在浮动扩散区FD中的电荷。驱 动晶体管Dx作为用于将从光敏二极管PD接收的电荷转换为电压信号的源极 跟随器。如图2所示，CMOS图像传感器可以包括在光敏二极管区PD和转移晶体 管Tx区中的P-型外延层4、器件隔离膜6、栅极IO、 n-型扩散区14、栅隔层 (gate spacer) 12和11+-型扩散区16。在半导体衬底2之上形成P-型外延层4。 在由光敏二极管区PD、有源区1和器件隔离区确定的半导体衬底2的器件隔 离区中形成器件隔离膜6。在外延层4之上形成栅极10，且在它们之间插入栅绝缘层8。在光敏二极 管区PD的外延层4中形成n-型扩散区14。在栅极10的两个侧壁上形成栅隔 层12。通过将n+-型掺杂剂离子注入到浮动扩散区FD的外延层4中形成n+-型扩散区16。通常，4T型CMOS图像传感器的转移晶体管Tx具有低的阀值电压。当 转移晶体管Tx的阀值电压降低时，施加到光敏二极管PD的电压增加。因此， 可以将在光敏二极管PD产生的全部电子传送到浮动扩散区FD。然而，如图3 所示，由于光敏二极管PD和转移晶体管Tx的能级之间的差异较小，因此当 关闭转移晶体管Tx时泄漏电流增加。发明内容本发明涉及一种能够防止转移晶体管的泄漏电流的CMOS图像传感器及 其制备方法。本发明涉及一种包括转移晶体管的互补金属一氧化物一硅 (CMOS)图像传感器。该转移晶体管包括在由光敏二极管区、有源区和器件 隔离区限定的半导体衬底之上形成的外延层。可以在器件隔离区中形成器件隔 离膜。可以在用于转移晶体管的外延层之上形成栅极，且在它们之间插入栅绝 缘层。可以通过将第一掺杂剂离子注入到光敏二极管区的外延层中形成第一掺 杂剂扩散区。可以在临近栅极的第一掺杂剂扩散区中形成势阱区。可以通过将第二掺杂剂离子注入到栅隔层的侧表面浮动扩散区的外延层中形成第二掺杂 剂扩散区。在实施方式中，注入到势阱区的n-型掺杂剂离子的剂量可以低于第二掺杂 剂扩散区的剂量而可以高于第一掺杂剂扩散区的剂量。同样，在实施方式中， 可以按照1013到1015 atoms/cm2的剂量和100 KeV到150 KeV的能量将n-型掺 杂剂离子注入到势阱区中。本发明涉及一种制备包括转移晶体管的CMOS图像传感器的方法。该方 法包括在由光敏二极管区、有源区和器件隔离区限定的半导体衬底之上形成外 延层。可以在器件隔离区中形成器件隔离膜。可以在用于转移晶体管的外延层 之上相继形成栅绝缘层和栅金属层。可以对栅绝缘层和栅金属层构图，而且可 以形成栅极。为了形成第一惨杂剂扩散区，可以将第一掺杂剂离子注入到光敏 二极管区的外延层中。可以在临近栅极的第一掺杂剂扩散区中形成势阱区。可 以将第二掺杂剂离子注入到栅隔层的侧表面浮动扩散区的外延层中并且形成 第二掺杂剂扩散区。在实施方式中，注入到势阱区的n-型掺杂剂离子剂量可以低于第二掺杂剂 扩散区的掺杂剂离子剂量而可以高于第一掺杂剂扩散区的掺杂剂离子剂量。同 样，在实施方式中，可以按照1013到10"atoms/cn^的剂量和100KeV到150 KeV的能量将n-型掺杂剂离子注入到势阱区中。在实施方式中，栅极的形成 可以包括在栅极的两个侧壁之上形成栅隔层。在实施方式中，第一掺杂剂可以 是n—型掺杂剂，而第二掺杂剂可以是11+-型掺杂剂。
图1是示出相关的CMOS图像传感器的平面图。 图2是沿图1所示的CMOS图像传感器的线A-A'截取的横截面视图。 图3是示出图2所示CMOS图像传感器的能级的视图。 示例图4是示出根据实施方式的CMOS图像传感器的横截面视图。 示例图5是示出示例图4所示CMOS图像传感器的能级的视图。 示例图6A到6C是示出制备示例图4所示的CMOS图像传感器的方法的 视图。
具体实施方式
参考示例图4，根据实施方式的CMOS图像传感器包括转移晶体管。CMOS 图像传感器还包括P-型外延层104、器件隔离膜106、栅极IIO、 n-型扩散区、 栅隔层112、 11+-型扩散区116和势阱区120。在？+-型半导体衬底102之上形 成P-型外延层104。在由光敏二极管区PD、有源区和器件隔离区确定的半导 体衬底的器件隔离区中形成器件隔离膜106。在用于转移晶体管的外延层104之上形成栅极110，且在它们之间插入栅 绝缘层108。在光敏二极管区PD的外延层104中形成n-型扩散区114。在栅 极110的两个侧壁之上形成栅隔层112。通过将11+-型掺杂剂离子注入到浮动 扩散区FD的外延层104中形成!1+-型扩散区116。通过将n-型掺杂剂离子注 入到n-型扩散区114中形成势阱区120。特别地，势阱区120成为势垒。更加详细地，通过增加临近转移晶体管 Tx的光敏二极管FD的n-型扩散区114的浓度形成势垒。将注入到势阱区120 的n-型掺杂剂离子数量，g卩，剂量设定为低于11+-型扩散区116的掺杂剂离子 剂量而高于n-型扩散区114的掺杂剂离子剂量。就是说，以10|3到1015 atoms/cm2的剂量和100 KeV到150 KeV的能量将n-型掺杂剂离子注入到势阱 区120中。以上述离子注入条件，将信号电子优先收集在势阱区120中，如示例图5 所示。因此，当启动转移晶体管Tx时，电子流入到具有较低能级的浮动扩散 区FD中。相反，由于转移晶体管Tx的通道能级相对高于现有技术的，当关 闭转移晶体管Tx时，减少了转移晶体管Tx的泄漏电流。现在将参考图6A到6C描述制备CMOS图像传感器的方法。参考图6A， 在半导体衬底102之上形成外延层104、栅绝缘层108、栅极110和n-型扩散 区114。首先，为了形成低浓度P-型外延层104， ？+-型半导体衬底102经受外 延工艺。此后，在外延层104之上形成转移晶体管Tx的栅绝缘层108和栅极 110。更加详细地，通过沉积方法在外延层104之上相继形成栅绝缘膜和栅金属 层。顺序地，为了形成栅绝缘膜108和栅极110，通过光刻法使用掩模对栅绝 缘膜和栅金属层构图。此后，形成光刻胶图像，以便曝光外延层104的光敏二 极管区PD。接下来，为了形成n-型扩散区114，将n-型掺杂剂离子注入到曝光的光敏二极管区PD中。如示例图6B所示，在栅极UO的两个侧壁之上形成栅隔层112。更加详 细地，为了在栅极110侧壁之上形成栅隔层112，在栅极110之上形成绝缘膜 (SiN)并且执行回蚀(etch-back)工艺。接下来，形成光刻胶图像118，以 便曝光临近转移晶体管Tx的n-型扩散区114的一部分。如示例图6C所示，为了形成势阱区120，将n-型掺杂剂离子注入到曝光 的n-型扩散区114中。注入到势阱区120中的n-型掺杂剂离子剂量低于下面 描述的11+-型扩散区116的掺杂剂离子剂量而高于n-型扩散区114的掺杂剂离 子剂量。此后，通过将11+-型掺杂剂离子注入到浮动扩散区？0的外延层104 中形成11+-型扩散区116。该类型的转移晶体管Tx也可应用于3T型CMOS图像传感器。根据实施 方式，在临近转移晶体管Tx的光敏二极管区PD的n-型扩散区中形成势阱区。 因此，在实施方式中，由于该转移晶体管Tx的通道能级相对高于现有技术的 通道能级，当转移晶体管Tx处于关闭状态时，减少了转移晶体管Tx的泄漏 电流。根据实施方式，由于将在光敏二极管区PD中产生的电子收集在势阱区 中，因此当从远离转移晶体管Tx的位置迁移时电子损失的可能性降低，并且 由此可以改进传感器的灵敏性。对于本领域技术人员，明显且显而易见的是可以在公开的实施方式中作出 不同修改和改变。因此，所公开的实施方式应当覆盖这些明显且显而易见的修 改和改变，只要它们在所附权利要求及其等效的范围内。
权利要求
1.一种装置，包括外延层，形成在由光敏二极管区和有源区限定的半导体衬底之上；栅极，形成在外延层之上，在它们之间插入栅绝缘层；第一掺杂剂扩散区，通过将第一掺杂剂离子注入到光敏二极管区的外延层中而形成；势阱区，形成在临近栅极的第一掺杂剂扩散区中；第二掺杂剂扩散区，通过将第二掺杂剂离子注入到栅隔层的侧表面浮动扩散区的外延层中而形成。
2. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，注入到势阱区的n-型掺杂剂 离子剂量低于第二掺杂剂扩散区的而高于第一掺杂剂扩散区的。
3. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，以1013到10'Satoms/cn^的剂 量将n-型掺杂剂离子注入到势阱区中。
4. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，以100 KeV到150 KeV的能 量将n-型掺杂剂离子注入到势阱区中。
5. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述第一掺杂剂是n-型掺杂剂。
6. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述第二掺杂剂是11+-型掺杂剂。
7. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述栅形成互补金属一氧化 物一硅图像传感器中的转移晶体管的一部分。
8. 如权利要求7所述的装置，其特征在于，当转移晶体管处于关闭状态 时，将信号电子优先收集在势阱区中。
9. 如权利要求7所述的装置，其特征在于，当启动转移晶体管时，来自 势阱区的信号电子流入到第二掺杂剂扩散区中，所述第二掺杂剂扩散区的能级 比第一掺杂剂扩散区中的势阱区外部的信号电子的能级低。
10. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，同样由器件隔离区限定在半 导体衬底之上形成的外延层，而且在器件隔离区中形成器件隔离膜。
11. 一种方法，包括在由光敏二极管区和有源区限定的半导体衬底之上形成外延层； 在用于转移晶体管的外延层之上相继形成栅绝缘膜和栅金属层； 为了形成栅极，对栅绝缘膜和栅金属层构图；为了形成第一掺杂剂扩散区，将第一掺杂剂离子注入到光敏二极管区的外 延层中；在临近栅极的第一掺杂剂扩散区中形成势阱区；以及为了形成第二掺杂剂扩散区，将第二掺杂剂离子注入到栅隔层的侧表面浮 动扩散区的外延层中。
12. 如权利要求ll所述的方法，其特征在于，注入到势阱区的n-型掺杂 剂离子剂量低于第二掺杂剂扩散区的惨杂剂离子剂量而高于第一掺杂剂扩散 区的掺杂剂离子剂量。
13. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，以1013到1015atoms/cm2 的剂量将n-型掺杂剂离子注入到势阱区中。
14. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，以100 KeV到150 KeV的 能量将n-型掺杂剂离子注入到势阱区中。
15. 如权利要求ll所述的方法，其特征在于，栅极的形成包括在栅极的 侧壁之上形成栅隔层。
16. 如权利要求ll所述的方法，其特征在于，所述第一掺杂剂是n-型掺 杂剂而第二掺杂剂是11+-型掺杂剂。
17. 如权利要求ll所述的方法，其特征在于，所述栅形成互补金属一氧 化物一硅图像传感器中转移晶体管的一部分。
18. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，当转移晶体管处于关闭状 态时，将信号电子优先收集在势阱区中。
19. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，当启动转移晶体管时，信 号电子从势阱区流入到第二掺杂剂扩散区中，所述第二掺杂剂扩散区的能级比 第一掺杂剂扩散区中的势阱区外部的信号电子能级低。
20. 如权利要求ll所述的方法，其特征在于，包括在另外限定半导体衬 底的器件隔离区中形成器件隔离膜。
全文摘要
本发明公开了一种能够防止转移晶体管的泄漏电流的CMOS图像传感器及其制备方法。本发明涉及一种包括转移晶体管的互补金属一氧化物—硅(CMOS)图像传感器。该转移晶体管包括在由光敏二极管区、有源区和器件隔离区限定的半导体衬底之上形成的外延层。可以在器件隔离区中形成器件隔离膜。可以在用于转移晶体管的外延层之上形成栅极，且在它们之间插入栅绝缘层。可以通过将第一掺杂剂离子注入到光敏二极管区的外延层中形成第一掺杂剂扩散区。可以在临近栅极的第一掺杂剂扩散区中形成势阱区。可以通过将第二掺杂剂离子注入到栅隔层的侧表面浮动扩散区的外延层中形成第二掺杂剂扩散区。
文档编号H01L27/146GK101221967SQ200710308350
公开日2008年7月16日 申请日期2007年12月29日 优先权日2006年12月29日
发明者任劤爀 申请人:东部高科股份有限公司