CN101399279B - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种图像传感器及其制造方法。可以制备包括光电二极管区、晶体管区以及浮置扩散区的半导体衬底。可以将栅极电介质置于位于晶体管区中的半导体衬底的表面下方。可以提供第一电介质图案，该第一电介质图案的一部分位于该光电二极管和该浮置扩散区中的半导体衬底的表面上，并且一部分位于该光电二极管和该浮置扩散区中的半导体衬底的表面下。可以将第二电介质置于该栅极电介质的下方。该第二电介质可以将该栅极电介质的深度延伸至该半导体衬底中，以便间隔出从该光电二极管区至该浮置扩散区的光电子迁移通道。根据本发明的图像传感器及其制造方法可以抑制电子捕获或闪烁噪声的形成，并且提高图像传感器的光学特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器及其制造方法。
背景技术
一般来说，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的单位像素包括光电二极管和金属氧化物半导体(MOS)晶体管。该CMOS图像传感器以开关方式连续检测每个单位像素的电信号以产生图像。
根据每个单位像素中的晶体管数量，可以将CMOS图像传感器分为3T型、4T型以及5T型CMOS图像传感器。例如，4T型CMOS图像传感器包括光电二极管PD、迁移晶体管TX、复位晶体管RX、驱动晶体管DX以及选择晶体管SX。光电二极管PD用于接收光以产生光电(photoelectric)电荷。迁移晶体管TX用于将在光电二极管PD中产生的光电电荷迁移至浮置扩散区FD。复位晶体管RX用于将浮置扩散区FD的电位设置到所需的水平，并且通过释放光电电荷复位该浮置扩散区FD。驱动晶体管DX用作源极跟随缓冲(follower buffer)放大器，其中将浮置扩散区FD的电压施加至栅极。选择晶体管SX通过开关操作完成寻址(addressing)。
在这种CMOS图像传感器中，光线射入光电二极管以在该光电二极管中产生电子-空穴对，并且将该电子-空穴对迁移至浮置扩散区。
此时，在半导体衬底的表面上会发生如悬挂键等缺陷。当电荷从光电二极管迁移至浮置扩散区时，悬挂键会捕获电荷，从而引发噪声。
发明内容
本发明的实施例提供一种图像传感器及其制造方法，该方法可以提高图像传感器的光学特性。
在一个实施例中，一种图像传感器可以包括：半导体衬底，该半导体衬底包括光电二极管区、晶体管区以及浮置扩散区；位于该晶体管区中的该半导体衬底上表面的下面的栅极电介质；第一电介质图案，该第一电介质图案的一部分位于该光电二极管区和该浮置扩散区中的该半导体衬底上表面的上面，并且该第一电介质图案的一部分位于该光电二极管区和该浮置扩散区中的该半导体衬底上表面的下方；以及位于该栅极电介质下方的第二电介质，该第二电介质将该栅极电介质的深度延伸至该半导体衬底上表面的下方。
在另一实施例中，制造图像传感器的方法可以包括：提供半导体衬底，该半导体衬底包括光电二极管区、晶体管区以及浮置扩散区；在该晶体管区中的该半导体衬底表面下形成栅极电介质；形成第一电介质图案，该第一电介质图案的一部分位于该光电二极管区和该浮置扩散区中的该半导体衬底上表面的上面，并且该第一电介质图案的一部分位于该光电二极管区和该浮置扩散区中的该半导体衬底上表面的下面；以及在该栅极电介质的下方形成第二电介质，以将该栅极电介质的深度延伸至该半导体衬底表面的下面。
根据本发明的图像传感器及其制造方法可以抑制电子捕获或闪烁噪声的形成并且提高图像传感器的光学特性。
下文将结合附图和说明书详细描述一个或多个实施例。显然从说明书和附图，以及从权利要求中可以得到其它技术特征。
附图说明
图1至图8为根据实施例的图像传感器的制造工艺的剖视图。
具体实施方式
在下文中，将结合随附附图对图像传感器及其制造方法的实施例进行详细描述。
在下文中，当涉及层、区域、图案或者结构时，当使用术语“上”或“上方”时，可以理解为该层、区域、图案或者结构直接位于另一层或结构的上面，或者其中也可以出现中间层、区域、图案或者结构。在下文中，当涉及层、区域、图案或者结构时，当使用术语“下”或“下方”时，可以理解为该层、区域、图案或者结构直接位于另一层或结构的下面，或者其中也可以出现中间层、区域、图案或者结构。
可以理解的是为了能够清楚地理解本发明，可以简化本发明实施例的附图和说明书以说明有关的元件，并且为了清楚地描述本发明，可以省去其它公知的元件。本领域普通技术人员可以得到其它想要的和/或需要的元件，以便实现本发明。然而，由于这些元件在本领域中已经充分公开，并且由于这些元件不便于更好地理解本发明，因此在下文中不提及这些元件。
如图8所示，根据本发明实施例的图像传感器包括位于半导体衬底10上面的光电二极管区A、晶体管区B以及浮置扩散区C；栅极电介质50；第一电介质图案40；以及第二电介质70。将栅极电介质50置于晶体管区B中的半导体衬底10上表面(如虚线所示)的下面。将第一电介质图案40的一部分置于光电二极管区A和浮置扩散区C中的半导体衬底10上表面的下面，并且将第一电介质图案40的一部分置于光电二极管区A和浮置扩散区C中半导体衬底10上表面的上面。将第二电介质70置于栅极电介质50的下方。
栅极电介质50、第一电介质图案40以及第二电介质70可以由氧化物(例如SiO2)形成。
将栅极90置于晶体管区B中的栅极电介质50的上面。将光电二极管80置于光电二极管区A中的第一电介质图案40的下方。将浮置节点95置于浮置扩散区C中的第一电介质图案40的下方。
根据实施例，图像传感器可以在距离半导体衬底的表面有一预定距离处间隔出一条从光电二极管至浮置节点的电子迁移通道，从而抑制在半导体衬底的表面上产生的包括悬挂键等缺陷所引起的电子捕获或闪烁噪声(flickernoise)，并且提高光学特性。
现在将参考图1至图8描述根据实施例的制造图像传感器的方法。
如图1所示，在半导体衬底10的上面形成第一电介质30。
例如，半导体衬底10可以为重度掺杂的P型衬底(P++)，该P型衬底具有轻度掺杂的P型外延层。可以在重度掺杂的P型衬底上实施外延工艺以形成轻度掺杂的P型外延层。
可以在半导体衬底10中形成多个器件隔离区20，以限定有源区和场效应区。可以在有源区的上面形成包括光电二极管和晶体管的单位像素。包括光电二极管的区域被称为光电二极管区A。包括晶体管的栅极的区域被称为晶体管区B。包括浮置节点的区域被称为浮置扩散区C。
可以在半导体衬底10的有源区的上面形成第一电介质30。在实施例中，可以在O2气氛中由氧化物(例如SiO2)通过热处理工艺形成该第一电介质30。
第一电介质30与半导体衬底10的硅进行反应，以便在半导体衬底10表面(如虚线所示)的上面和下面形成第一电介质30。例如，可以将在半导体衬底10表面上形成的一部分第一电介质30称为上部电介质33，并且可以将在半导体衬底10表面下形成的另一部分第一电介质30称为下部电介质31。该上部电介质33与该下部电介质31的高度比为2:1。高度比可以根据电介质形成工艺的条件进行修改。
如图2所示，可以形成第一光致抗蚀剂图案100以暴露半导体衬底10上面的晶体管区B。可以形成第一光致抗蚀剂图案100以暴露对应于晶体管区B的第一电介质30的表面，而该第一光致抗蚀剂图案100覆盖对应于光电二极管区A和浮置扩散区C的第一电介质30的表面。
然后，采用第一光致抗蚀剂图案100作为掩模在第一电介质30上实施蚀刻工艺。在某一实施例中，可以通过湿化或干化蚀刻方法移除一部分暴露的第一电介质30。
因此，可以移除一部分置于晶体管区B中且通过第一光致抗蚀剂图案100暴露的第一电介质30的上部电介质33。此外，将置于光电二极管区A中的第一电介质30和被第一光致抗蚀剂图案100覆盖的浮置扩散区C的其它部分保留。同样地，由于移除了一部分位于晶体管区B中的上部电介质33，因此仅在半导体衬底10的晶体管区B中保留下部电介质31。
此后，可以移除第一光致抗蚀剂图案100。
因此，如图3所示，在晶体管区B中的半导体衬底10上提供栅极电介质50，并且在光电二极管区A和浮置扩散区C中提供第一电介质图案40。
通过在晶体管区B中的半导体衬底10表面下形成的下部电介质31以提供栅极电介质50。通过在光电二极管区A和浮置扩散区C中的半导体衬底10表面的上面和下面形成的第一电介质30以提供第一电介质图案40。这样，栅极电介质50的厚度小于第一电介质图案40的厚度。
如图4所示，可以在第一电介质图案40和栅极电介质50上形成虚拟电介质60。根据实施例，可以在O2气氛中由氧化物(例如SiO2)通过热处理工艺形成该虚拟电介质60。
基于此点，可以在栅极电介质50的下方形成第二电介质70。当形成虚拟电介质60时，会通过栅极电介质50与半导体衬底10进行反应以形成第二电介质70。这是因为当形成虚拟电介质60时，栅极电介质50的厚度小并且氧化物在该栅极电介质50的下方快速生长。尽管可以在第一电介质图案40的下方形成第二电介质，然而由于第一电介质图案40的厚度大于栅极电介质50的厚度，因此在第一电介质图案40的下方形成的第二电介质的厚度比较小。进一步而言，在某一实施例中，可以完全不在第一电介质图案40的下方形成第二电介质。
如图5和图6所示，可以形成第二光致抗蚀剂图案200以暴露位于半导体衬底10上面的晶体管区B。
可以形成第二光致抗蚀剂图案200以暴露晶体管区B，并且覆盖光电二极管区A和浮置扩散区C。在这种情况下，用于形成第一光致抗蚀剂图案100的掩模也可以用于第二光致抗蚀剂图案200。
可以采用第二光致抗蚀剂图案200作为蚀刻掩模针对虚拟电介质60实施蚀刻工艺。在某一实施例中，可以通过湿化或干化蚀刻方法移除虚拟电介质60。
因此，移除一部分置于晶体管区B中且通过第二光致抗蚀剂图案200暴露的虚拟电介质60，并且通过保留的虚拟电介质60，可以在光电二极管区A和浮置扩散区C中保留被第二光致抗蚀剂图案200覆盖的虚拟第一电介质图案65。同样地，由于移除了一部分位于晶体管区B中的虚拟电介质60，因此仅在半导体衬底10上的晶体管区B中保留栅极电介质50和第二电介质70。
此后，可以移除第二光致抗蚀剂图案200。
如上所述，在半导体衬底10表面下的晶体管区B中形成栅极电介质50和第二电介质70，以便使随后形成的光电子的迁移通道与半导体衬底10的表面间隔一预定距离。第二电介质70将栅极电介质50的深度延伸至半导体衬底10中。
如图6所示，可以形成第三光致抗蚀剂图案300以覆盖半导体衬底10上的晶体管区B。可以形成第三光致抗蚀剂图案300以覆盖晶体管区B，并且暴露光电二极管区A和浮置扩散区C。
然后，采用第三光致抗蚀剂图案300作为蚀刻掩模，针对位于光电二极管区A和浮置扩散区C中的虚拟第一电介质图案65实施蚀刻工艺。在实施例中，可以通过湿化蚀刻方法移除虚拟第一电介质图案65。在这种情况下，通过控制蚀刻时间可以仅移除虚拟第一电介质图案65，以便在光电二极管区A和浮置扩散区C中保留第一电介质图案40。
此后，可以移除第三光致抗蚀剂图案300。
如图7所示，在晶体管区B中的半导体衬底10表面的下方保留栅极电介质50和第二电介质70。同样地，在光电二极管区A和浮置扩散区C中的半导体衬底10表面的上面和下面保留第一电介质图案40。
因此，在晶体管区B中的包括栅极电介质50和第二电介质70的电介质的厚度大于位于半导体衬底10表面下的部分的第一电介质图案40的厚度。
如图8所示，可以在光电二极管区A中形成光电二极管80；可以在晶体管区B中形成栅极90；并且可以在浮置扩散区C中形成浮置节点95。
根据实施例，可以将栅极电介质50和第二电介质70置于半导体衬底10上表面的下面，从而在距离半导体衬底10的表面有一预定距离处间隔出一条从光电二极管80连接至浮置节点95的光电子迁移通道。
因此，可以抑制在半导体衬底10的表面上产生的由包括悬挂键等缺陷所引起的电子捕获或闪烁噪声，以提高图像传感器的光学特性。
根据实施例，根据本发明的图像传感器及其制造方法可以将栅极电介质延伸至半导体衬底的表面下方。因此，在半导体衬底中通过将栅极电介质延伸至一定深度，可以在距离半导体衬底的表面有一预定距离处间隔出一条从晶体管源极至晶体管漏极的电子迁移通道。从而，在距离半导体衬底的表面有一预定距离处间隔出一条从光电二极管至浮置节点的电子迁移通道，以抑制电子捕获或闪烁噪声的形成，并且提高图像传感器的光学特性。
说明书中所涉及的“一实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等，其含义是结合实施例描述的特定特征、结构、或特性均包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中出现于各处的这些短语并不一定都涉及同一个实施例。此外，当结合任何实施例描述特定特征、结构或特性时，都认为其落在本领域技术人员结合其它实施例就可以实现这些特征、结构或特性的范围内。
尽管对实施例的描述中结合了其中多个示例性实施例，但可以理解的是本领域技术人员完全可以推导出许多其它变化和实施例，并落入本公开内容的原理的精神和范围之内。尤其是，可以在该公开、附图和所附权利要求的范围内对组件和/或附件组合设置中的排列进行多种变化和改进。除组件和/或排列的变化和改进之外，其它可选择的应用对于本领域技术人员而言也是显而易见的。
Claims (19)
1.一种图像传感器，包括：
半导体衬底，该半导体衬底包括光电二极管区和晶体管区；
栅极电介质，设置于该晶体管区中的该半导体衬底的表面下；
第一电介质图案，具有位于该光电二极管区中的该半导体衬底的表面上的部分和位于该光电二极管区中的该半导体衬底的表面下的部分；以及
第二电介质，位于该栅极电介质的下方；
其中提供该第二电介质，使得进入该半导体衬底中的包括该栅极电介质和该第二电介质的电介质的深度大于位于该半导体衬底的表面下方的该第一电介质图案的部分的深度。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中该栅极电介质、该第一电介质图案以及该第二电介质包括二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，进一步包括栅极，设置于该栅极电介质上。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中该栅极电介质的上表面高度实质上与该半导体衬底的表面高度相等。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中该半导体衬底进一步包括浮置扩散区，其中在该浮置扩散区中还提供该第一电介质图案。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中该第一电介质图案位于该半导体衬底表面上的部分的厚度大于该第一电介质图案位于该半导体衬底表面下的部分的厚度。
7.一种制造图像传感器的方法，该方法包括以下步骤：
提供半导体衬底，该半导体衬底包括光电二极管区和晶体管区；
在该晶体管区中的该半导体衬底的表面下方形成栅极电介质；
在该光电二极管区中形成第一电介质图案，该第一电介质图案具有位于该半导体衬底的表面上的部分和位于该半导体衬底的表面下的部分；以及
在该栅极电介质的下方形成第二电介质；
其中提供该第二电介质，使得进入该半导体衬底中的包括该栅极电介质和该第二电介质的电介质的深度大于位于该半导体衬底的表面下方的该第一电介质图案的部分的深度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中该栅极电介质的形成步骤包括以下步骤：
在半导体衬底上形成第一电介质，该第一电介质包括上部电介质和下部电介质，其中该上部电介质延伸至该半导体衬底的表面之上，且该下部电介质延伸至该半导体衬底的表面之下；以及
移除位于该晶体管区中的该上部电介质的至少一部分。
9.根据权利要求8所述的方法，其中形成包括该上部电介质和该下部电介质的该第一电介质的步骤包括实施热氧化工艺。
10.根据权利要求8所述的方法，其中该上部电介质的移除步骤包括以下步骤：
形成第一光致抗蚀剂图案，暴露位于该晶体管区中的该第一电介质；以及
采用该第一光致抗蚀剂图案作为掩模，针对该第一电介质的该上部电介质实施蚀刻工艺。
11.根据权利要求8所述的方法，其中在光电二极管区中形成的该上部电介质和该下部电介质提供该第一电介质图案。
12.根据权利要求7所述的方法，其中形成该第二电介质的步骤包括以下步骤：
在形成该栅极电介质后，通过热处理工艺在该半导体衬底上形成虚拟电介质，其中在该热处理工艺期间，在该栅极电介质的下方形成该第二电介质；以及
移除该虚拟电介质。
13.根据权利要求12所述的方法，其中移除该虚拟电介质的步骤包括以下步骤：
形成第二光致抗蚀剂图案，暴露位于该晶体管区中的该虚拟电介质；以及
采用该第二光致抗蚀剂图案作为掩模，实施蚀刻工艺以移除位于该栅极电介质上的该虚拟电介质。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤：
在移除位于该栅极电介质上的该虚拟电介质后，形成覆盖该栅极电介质的第三光致抗蚀剂图案；以及
采用该第三光致抗蚀剂图案作为掩模，实施第二蚀刻工艺以移除位于该第一电介质图案上的该虚拟电介质。
15.根据权利要求7所述的方法，其中该栅极电介质、该第一电介质图案以及该第二电介质由二氧化硅形成。
16.根据权利要求7所述的方法，进一步包括在该栅极电介质上形成栅极。
17.根据权利要求7所述的方法，进一步包括在形成该第一电介质图案后，在该光电二极管区中形成光电二极管。
18.根据权利要求7所述的方法，其中该半导体衬底进一步包括浮置扩散区，该方法进一步包括以下步骤：
在该浮置扩散区中形成该第一电介质图案。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括以下步骤：
在形成该第一电介质图案后，在该浮置扩散区中形成浮置节点。
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