CN101546777A - Soi cmos图像传感器结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SOI CMOS图像传感器结构及其制作方法，在SOI材料上制作有CMOS图像传感器，CMOS图像传感器的感光二极管制作在SOI材料的硅衬底里；CMOS电路的其它器件制作在硅薄膜上；感光二极管的N极和P极分别通过金属塞引出后再与CMOS电路连接。既保留了SOI CMOS高速、低功耗、抗闭锁、低软错误几率的优点，也使得感光二极管光吸收效率与体硅CMOS图像传感器相近。

Description

SOI CMOS图像传感器结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种CMOS图像传感器，尤其涉及一种SOI CMOS图像传感器结构及其制作方法。

背景技术

SOI(silicon-on-insulator)指的是绝缘层上的硅，它是由“硅薄膜/绝缘层/硅衬底”三层构成。最上面硅薄膜(简称硅膜)用来做CMOS等半导体器件，中间绝缘埋层(通常为二氧化硅，简称埋氧层)用来隔离器件和硅衬底。

SOI CMOS器件比体硅CMOS器件具有下列优点：寄生电容小、漏电低、具有高速和低功耗特点；消除了体硅CMOS常见的闭锁效应；抑制了衬底的脉冲电流干扰，减少了软错误发生几率。工艺上SOI和体硅CMOS工艺兼容且制造步骤相对简单。这些优点使得它在航天等辐射环境具有广泛的应用前景。

CMOS图像传感器是由CMOS数模电路和感光像素(即感光基本单元)构成，目前市场上主要是有源像素类型，是由一个感光二极管(Photo Diode，简称PD)和3个或4个N型MOS晶体管构成，简称为3T或4T类型。

如图1a、图1b所示，为3T型像素等效电路图以及俯视结构，包括：

复位管栅极001、放大管栅极002、选择管栅极003、感光二极管005、电源006、信号输出007。其原理是首先复位管栅极01接电位脉冲，高电位打开复位管，感光二极管005中电子被吸到电源006，0051点电位升高。当光照射到感光二极管005上产生光电子，0051点电位降低，由于0051连接在放大管栅极002，放大后的电位变化经过选择管输出到007点。图1b为3T俯视结构示意图，其中00205为局域互连线(金属线或多晶硅线)，通过二个金属塞将光电二极管N极0051和放大管栅极002连接。

如图2a和2b所示，为4T型像素等效电路图以及俯视结构，同图1a和图1b所示意的3T像素相比多了一个转移晶体管004和浮空有源区(Floating Diffusion，简称FD)，是将光电子先转移到FD008区以后再放大和读出，其中00208是局域互连线，它将FD008和放大管栅极002连接在一起。4T型像素中感光二极管则是和转移管(N型MOS晶体管)T4的源极连接。

上述现有技术至少存在以下缺点：

当用SOI制作CMOS图像传感器时，由于SOI的硅膜厚度较薄，在其上制作感光二极管受到限制。较薄的硅膜限制了感光二极管耗尽层厚度，光吸收效率下降。增加硅膜的厚度则不能做全耗尽型SOI器件，或者降低部分耗尽型SOI器件的抗辐射等性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种光吸收效率高、抗辐射等性能好的SOI CMOS图像传感器结构及其制作方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的SOI CMOS图像传感器结构，包括在SOI材料上制作有CMOS图像传感器，所述SOI材料自上而下包括硅薄膜、绝缘层、硅衬底，所述CMOS图像传感器包括感光二极管、CMOS电路；

所述感光二极管制作在所述硅衬底里；

所述CMOS电路制作在所述硅薄膜上；

所述感光二极管的N极和P极分别通过金属塞引出后再与所述CMOS电路连接。

本发明的上述的SOI CMOS图像传感器结构的制作方法，包括步骤：

A、在SOI材料的硅衬底中制作CMOS图像传感器的感光二极管；

B、在SOI材料的硅薄膜上制作CMOS图像传感器的CMOS电路；

C、通过金属塞将所述感光二极管与所述CMOS电路连接。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的SOI CMOS图像传感器结构及其制作方法，由于将CMOS图像传感器的感光二极管制作在硅衬底内，但其它器件是用绝缘层上的硅膜制成，所以既保留了SOI CMOS高速、低功耗、抗闭锁、低软错误几率的优点，也使得感光二极管光吸收效率与体硅CMOS图像传感器相近。

附图说明

图1a和图1b分别为现有技术中的3T型CMOS图像传感器的像素等效电路和俯视结构示意图；

图2a和图2b分别为现有技术中的4T型CMOS图像传感器的像素等效电路和俯视结构示意图；

图3为本发明的具体实施例中3T型CMOS图像传感器的俯视结构示意图；

图4a、图4b～图10为本发明的具体实施例一的工艺步骤示意图；

图11～图14为本发明的具体实施例二的工艺步骤示意图。

具体实施方式

本发明的SOI CMOS图像传感器结构，其较佳的具体实施方式如图3所示：

包括在SOI材料上制作有CMOS图像传感器，所述SOI材料自上而下包括硅薄膜、绝缘层、硅衬底，所述CMOS图像传感器包括感光二极管、CMOS电路；

所述感光二极管制作在所述硅衬底里；

所述CMOS电路制作在所述硅薄膜上；

所述感光二极管的N极和P极分别通过金属塞引出后再与所述CMOS电路连接。

所述CMOS电路可以为3T型像素电路，包括复位管、放大管，所述感光二极管与所述复位管和放大管的局域互联。

所述CMOS电路也可以为4T型像素电路，包括转移管、复位管、放大管，所述感光二极管与所述转移管的局域互联。

本发明的上述的SOI CMOS图像传感器结构的制作方法，其较佳的具体实施方式是，包括步骤：

A、在SOI材料的硅衬底中制作CMOS图像传感器的感光二极管；

B、在SOI材料的硅薄膜上制作CMOS图像传感器的CMOS电路；

C、通过金属塞将所述感光二极管与所述CMOS电路连接。

5、根据权利要求4所述的SOI CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在于，所述步骤B包括：

将所述SOI材料的硅薄膜隔离成硅岛，并在其上制作所述CMOS电路的器件，所述CMOS电路的器件包括复位晶体管、转移晶体管、选择管、放大管。

所述步骤C包括：

淀积金属隔离介质，穿过所述硅岛的隔离介质层和金属隔离介质形成深接触孔，填充金属形成深金属塞，引出所述感光二极管的二个电极；

同时，形成穿过所述金属隔离介质的金属塞，引出所述CMOS电路的器件的电极。

所述步骤A中，所述感光二极管的N区和上极P区以及隔离P阱通过常规光刻掩和离子植入技术方法及高温退火完成；

所述离子植入时，选用合适的高能量的磷和硼穿过硅膜和埋氧层。

所述步骤B中，隔离所述硅岛采用硅局域氧化技术或者浅沟槽隔离技术完成。

所述步骤B中，所述CMOS电路的器件的晶体管的制作包括：

栅氧化介质形成，多晶硅淀积和蚀刻，离子植入和退火形成源漏轻掺杂区和重掺杂区，侧壁介质层形成，以及自对准硅化物。

所述步骤C中，所述感光二极管的二个电极的引出也采用二步工艺完成：

第一步在所述步骤B完成后，淀积介质层，蚀刻出连接二个电极的特殊接触孔，再淀积掺浓磷杂质的多晶硅或金属，并回蚀多晶硅或金属，将所述感光二极管的二个电极引至所述硅岛隔离介质层的表面；

第二步在形成所述CMOS电路的器件的常规接触孔和金属塞时，将该金属塞和所述感光二极管的二个电极的引出点连接。

具体实施例一，如图4a、图4b～图10所示：

下面以3T型像素为例说明其实施步骤，用图3a中的A-A’截面图来示意，包括步骤：

首先是SOI材料的选取或制备，图4a示意出SOI材料结构，包括硅衬底01、埋氧层02和硅膜03。此SOI材料可以是由注氧隔离技术(SIMOX，Seperation by Implantation ofOxygen)、注氢键合技术(智能剥离，Smart-Cut)、注氧键合技术或普通键合技术制成。硅衬底01可以是P-型硅，也可以是P型重掺杂硅01a上外延P型轻掺杂硅01b；

如图4b所示，外延层P-型硅01b的厚度为1～10um，掺杂浓度为1E13～5E15，杂质为B。埋氧层02厚度为50～700nm，硅膜厚度为2～700nm。具体选择条件由图像传感器应用范围来定。

然后形成光电二极管以及隔离P阱，如图5所示，采用常规集成电路工艺中的掩膜光刻技术和离子植入法，穿过硅膜03和埋氧层02植入硼离子形成P阱04，例如能量为100～800keV剂量为5E12～5E15，用来隔离感光二极管100，减少感光二极管100之间的电学串扰。再植入高能磷离子，例如能量为400～2000keV剂量为1E12～5E13，形成感光二极管100的N-型掺杂区05。感光二极管100的P-型掺杂区06则通过植入硼离子形成，例如能量为100～400keV剂量为4E12～1E13。

再进行硅岛隔离，如图6所示，硅岛03由隔离介质07实现隔离，具体可采用常规的局部硅氧化法(LOCOS)。具体是先热氧化硅膜03形成100～300A的二氧化硅031，通过淀积和蚀刻形成氮化硅032覆盖硅岛03，再热氧化覆盖硅岛以外区域的硅，形成氧化层区域07作为硅岛的隔离介质。这种方法对于薄的硅膜很适用。对于较厚的硅膜，可以采用浅沟槽隔离法(STI)法，也就是将图6中07区域内原有的硅蚀刻掉，再淀积二氧化硅介质并化学机械抛光形成隔离介质07。

腐蚀掉图6所示意的介质031和032，在硅膜03上热氧化形成栅介质08，如图7所示，栅介质08也可以是氮氧化硅或淀积的高介电常数介质，例如HfSiO或ZrSiO材料。淀积和蚀刻多晶硅，形成栅极09。再用离子注入形成自对准MOS晶体管的源漏轻掺杂区10。

利用淀积和蚀刻法形成侧壁介质11，可以是二氧化硅或氮化硅，如图8所示，离子植入形成自对准源漏N+区域12，再自对准形成硅化物13，13a，13b，可以是钛或钴或镍的硅化物。这时，作为复位管200用的N型MOS晶体管前道工艺已完成。电路中其它N型MOS晶体管以及P型MOS晶体管也相类似，这里不再赘述。

如图9所示，淀积隔离介质14，并用化学机械抛光法平整表面，蚀刻出常规接触孔15a和15b，以及深接触孔16a和16b。由于隔离介质和硅化物蚀刻速率比很高，接触孔15a和15b的底部几乎还在硅化物13a和14b表面上。其中16a和16b可以设计的尺寸大一些，以便容易被蚀刻。淀积金属钨(包括钨塞侧壁和底部的保护薄层，Ti或TiN或Ti/TiN，未示意)，并用化学机械抛光或再回蚀刻方法形成金属塞15a，15b，16a，16b。淀积金属薄膜并蚀刻，形成第一层金属互联线17a，17b，17c。其中17b将复位管源极和感光二极管N极连接(并连接像素放大管，参考图3)，17c连接公共地极。

对于4T型像素，实施步骤同3T相类似，只是图4a、图4b～10的晶体管200为转移管。

本发明中，关于制作在硅衬底内的感光二极管电极引出的具体实施例二，如图11～图14所示：

如图11所示，在形成硅化物后，淀积介质层141，材料为二氧化硅或者氮化硅。蚀刻出连接感光二极管二个电极的接触孔151a和151b。淀积N型重掺杂的多晶硅或金属钨151(包括钨塞侧壁和底部的保护薄层，Ti或TiN或Ti/TiN)，形成图12所示结构；

回蚀刻多晶硅或金属钨151，形成图13所示结构；

再进行常规后道工艺步骤淀积隔离介质14，形成金属塞15a，15b，16a，16b以及互联金属17a，17b，17c，如图14所示。这样做的好处是独立调节引出感光二极管电极工艺步骤，不需要调节任何SOI CMOS后道工艺步骤即可实现SOI CMOS图像传感器制作，对较厚硅膜和埋氧层的SOI特别适合。

本发明将CMOS图像传感器的感光二极管制作在硅衬底内，但其它器件是用绝缘层上的硅膜制成，所以既保留了SOI CMOS高速、低功耗、抗闭锁、低软错误几率的优点，也使得感光二极管光吸收效率与体硅CMOS图像传感器相近。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种SOI CMOS图像传感器结构，包括在SOI材料上制作有CMOS图像传感器，所述SOI材料自上而下包括硅薄膜、绝缘层、硅衬底，其特征在于，所述CMOS图像传感器包括感光二极管、CMOS电路；

所述感光二极管制作在所述硅衬底里；

所述CMOS电路制作在所述硅薄膜上；

所述感光二极管的N极和P极分别通过金属塞引出后再与所述CMOS电路连接。

2、根据权利要求1所述的SOI CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述CMOS电路为3T型像素电路，包括复位管、放大管，所述感光二极管与所述复位管和放大管的局域互联。

3、根据权利要求1所述的SOI CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述CMOS电路为4T型像素电路，包括转移管、复位管、放大管，所述感光二极管与所述转移管的局域互联。

4、一种权利要求1、2或3所述的SOI CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在于，包括步骤：

A、在SOI材料的硅衬底中制作CMOS图像传感器的感光二极管；

B、在SOI材料的硅薄膜上制作CMOS图像传感器的CMOS电路；

C、通过金属塞将所述感光二极管与所述CMOS电路连接。

5、根据权利要求4所述的SOI CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在于，所述步骤B包括：

将所述SOI材料的硅薄膜隔离成硅岛，并在其上制作所述CMOS电路的器件，所述CMOS电路的器件包括复位晶体管、转移晶体管、选择管、放大管。

6、根据权利要求5所述的SOI CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在于，所述步骤C包括：

淀积金属隔离介质，穿过所述硅岛的隔离介质层和金属隔离介质形成深接触孔，填充金属形成深金属塞，引出所述感光二极管的二个电极；

同时，形成穿过所述金属隔离介质的金属塞，引出所述CMOS电路的器件的电极。

7、根据权利要求4所述的SOI CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在于，所述步骤A中，所述感光二极管的N区和上极P区以及隔离P阱通过常规光刻掩和离子植入技术方法及高温退火完成；

所述离子植入时，选用合适的高能量的磷和硼穿过硅膜和埋氧层。

8、根据权利要求5所述的SOI CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在于，所述步骤B中，隔离所述硅岛采用硅局域氧化技术或者浅沟槽隔离技术完成。

9、根据权利要求5所述的SOI CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在于，所述步骤B中，所述CMOS电路的器件的晶体管的制作包括：

栅氧化介质形成，多晶硅淀积和蚀刻，离子植入和退火形成源漏轻掺杂区和重掺杂区，侧壁介质层形成，以及自对准硅化物。

10、根据权利要求6所述的SOI CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在于，所述步骤C中，所述感光二极管的二个电极的引出采用二步工艺完成：

第一步在所述步骤B完成后，淀积介质层，蚀刻出连接二个电极的特殊接触孔，再淀积掺浓磷杂质的多晶硅或金属，并回蚀多晶硅或金属，将所述感光二极管的二个电极引至所述硅岛隔离介质层的表面；

第二步在形成所述CMOS电路的器件的常规接触孔和金属塞时，将该金属塞和所述感光二极管的二个电极的引出点连接。

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