CN101572249B

CN101572249B - 形成掺杂阱及图像传感器的方法

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Publication number: CN101572249B
Application number: CN2008101056278A
Authority: CN
Inventors: 洪中山; 刘蓓; 霍介光
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2028-04-30
Also published as: CN101572249A

Abstract

一种形成掺杂阱及图像传感器的方法，其中形成掺杂阱的方法，包括：在半导体衬底上形成氧化硅层；在氧化硅层上形成光刻胶层后，刻蚀光刻胶层和氧化硅层至露出半导体衬底，定义掺杂阱图形；灰化光刻胶层至露出氧化硅层，增大掺杂阱图形的关键尺寸；以光刻胶层及氧化硅层为掩膜，沿增大后的掺杂阱图形，向半导体衬底注入离子，形成深度梯度分布的掺杂阱；去除光刻胶层和氧化硅层。本发明还提供形成图像传感器的方法。本发明能将掺杂阱的关键尺寸能控制均匀，且工艺步骤简化。

Description

形成掺杂阱及图像传感器的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及形成掺杂阱及图像传感器的方法。

背景技术

随着半导体技术地不断发展，半导体器件的集成化程度也越来越高，因此，对于半导体器件的关键尺寸的要求也越来越高。

在对半导体器件的关键尺寸进行控制的同时，为了优化结深和减少漏电的原因，对半导体器件之间的接触面积也有所要求，例如现有制作图像传感器的光电二极管掺杂阱的过程中，将掺杂阱做成离子深度分布梯度，以增加与半导体衬底间的接触面积，即PN结面积，进而使结电容增大，使电阻增大，提高抗击穿的能力，并减小漏电流的产生。

如图1所示，在半导体衬底100上形成光刻胶层102，经过曝光显影工艺，定义出第一离子注入开口图形103；以光刻胶层102为掩膜，沿第一离子注入开口图形103，向半导体衬底100中进行第一次离子10注入，形成第一掺杂阱104，所述离子可以是磷，注入离子的剂量为1E13cm^-2，浓度为1E17cm^-3～1E18cm^-3，注入能量为15KeV；其中，由于离子注入时，会与第一次离子注入开口图形103侧壁的光刻胶层103发生反应，生成硬化物质107。

如图2所示，将带有各膜层的半导体衬底100放入灰化炉中，通过控制氧气的注入剂量、注入能量及注入时间等，增大第一离子注入开口图形的关键尺寸，形成第二离子注入开口图形105。

如图3所示，以光刻胶层102为掩膜，沿第二离子注入开口图形105，向半导体衬底100中进行第二次离子15注入，形成第二掺杂阱106，所述离子可以是磷，注入离子的剂量为1E13cm^-2，浓度为1E17cm^-3～1E18cm^-3，注入能量为140KeV；其中第二掺杂阱106与第一掺杂阱104之间由于离子注入的深度不一致，产生深度梯度。

在专利号为6514785的美国专利中还可以发现更多与上述技术方案相关的信息，形成光电二极管区掺杂阱的方法。

现有技术在向半导体衬底进行第一次离子注入时，所述离子会与第一次离子注入开口图形的光刻胶层侧壁发生反应，形成与光刻胶层性质不同的硬化物质，在后续用氧气灰化光刻胶层，增大第一次离子注入开口图形关键尺寸时，关键尺寸的增大量很难控制。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种形成掺杂阱及图像传感器的方法，有效控制离子注入开口图形的关键尺寸。

为解决上述问题，本发明提供一种形成掺杂阱的方法，包括：在半导体衬底上形成氧化硅层；在氧化硅层上形成光刻胶层后，刻蚀光刻胶层和氧化硅层至露出半导体衬底，定义掺杂阱图形；灰化光刻胶层至露出氧化硅层，增大掺杂阱图形的关键尺寸；以光刻胶层及氧化硅层为掩膜，沿增大后的掺杂阱图形，向半导体衬底注入离子，形成深度梯度分布的掺杂阱；去除光刻胶层和氧化硅层。

可选的，所述氧化硅层的厚度为800埃～1200埃。形成氧化硅的方法为热氧化法或化学气相沉积法。

可选的，灰化光刻胶层采用的是氧气。

可选的，所述注入离子为磷。注入离子的剂量为0.5E13cm^-2～1.5E13cm^-2，能量为130KeV～150KeV。

本发明提供一种形成图像传感器的方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底包括光电二极管区域；在半导体衬底上依次形成氧化硅层和光刻胶层；刻蚀光电二极管区域的光刻胶层和氧化硅层至露出半导体衬底，定义深掺杂阱图形；灰化光刻胶层至露出氧化硅层，增大深掺杂阱图形的关键尺寸；以光刻胶层及氧化硅层为掩膜，沿增大后的深掺杂阱图形，向半导体衬底注入离子，形成与半导体衬底导电类型相反且深度梯度分布的深掺杂阱；去除光刻胶层和氧化硅层后，在半导体衬底中形成与半导体衬底导电类型相同的浅掺杂阱。

可选的，灰化光刻胶层采用的是氧气。

与现有技术相比，上述方案具有以下优点：1)刻蚀光刻胶层和氧化硅层至露出半导体衬底，定义掺杂阱图形；灰化光刻胶层至露出氧化硅层，增大掺杂阱图形的关键尺寸；由于在离子注入前就定义好掺杂阱图形的关键尺寸，因此不会受注入离子的影响，关键尺寸能控制均匀。

2)由于只需一次离子注入，就能得到深度梯度分布的掺杂阱，工艺步骤简化。

附图说明

图1至图3是现有技术形成深度梯度分布掺杂阱的示意图；

图4是本发明形成深度梯度分布掺杂阱的具体实施方式流程图；

图5至图7是本发明形成深度梯度分布掺杂阱的实施例示意图；

图8是本发明形成图像传感器的具体实施方式流程图；

图9至图13是本发明形成图像传感器的实施例示意图。

具体实施方式

本发明刻蚀光刻胶层和氧化硅层至露出半导体衬底，定义掺杂阱图形；灰化光刻胶层至露出氧化硅层，增大掺杂阱图形的关键尺寸；由于在离子注入前就定义好掺杂阱图形的关键尺寸，因此不会受注入离子的影响，关键尺寸能控制均匀。进一步由于只需一次离子注入，就能得到深度梯度分布的掺杂阱，工艺步骤简化。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图4是本发明形成深度梯度分布掺杂阱的具体实施方式流程图。如图4所示，执行步骤S101，在半导体衬底上形成氧化硅层；执行步骤S102，在氧化硅层上形成光刻胶层后，刻蚀光刻胶层和氧化硅层至露出半导体衬底，定义掺杂阱图形；执行步骤S103，灰化光刻胶层至露出氧化硅层，增大掺杂阱图形的关键尺寸；执行步骤S104，以光刻胶层及氧化硅层为掩膜，沿增大后的掺杂阱图形，向半导体衬底注入离子，形成深度梯度分布的掺杂阱；执行步骤S105，去除光刻胶层和氧化硅层。

图5至图7是本发明形成深度梯度分布掺杂阱的实施例示意图。如图5所示，在半导体衬底200上形成厚度为800埃～1200埃的氧化硅层202，所述形成氧化硅层202的方法可以是热氧化法，也可以是化学气相沉积法；用旋涂法在氧化硅层202上形成光刻胶层204，经过曝光显影工艺，在光刻胶层204上定义出第一掺杂阱图形205；以光刻胶层204为掩膜，沿第一掺杂阱图形205刻蚀氧化硅层202至露出半导体衬底200。

本实施例中，氧化硅层202的厚度具体例如800埃、850埃、900埃、950埃、1000埃、1050埃、1100埃、1150埃或1200埃等，优选1000埃。

如图6所示，将带有各膜层的半导体衬底200放入灰化炉中，通过控制氧气的注入剂量、注入能量及注入时间等，对光刻胶层204进行灰化至露出氧化硅层202，增大第一掺杂阱图形的关键尺寸至预定尺寸，形成第二掺杂阱图形206。

其中，氧气的注入剂量、注入能量及注入时间由关键尺寸的增大量所决定。

如图7所示，以光刻胶层204和氧化硅层202为掩膜，沿第二掺杂阱图形206，向半导体衬底200中进行离子20注入，形成离子注入深度梯度分布的掺杂阱208。

其中，所述离子20可以是磷；注入离子20的剂量为0.5E13cm^-2～1.5E13cm^-2，具体剂量例如0.5E13cm^-2、1E13cm^-2或0.5E13cm^-2等；注入离子的能量为130KeV～150KeV，具体能量例如130KeV、135KeV、140KeV、145KeV或150KeV等。当注入磷离子的剂量为1E13cm^-2时，注入磷离子的能量为140KeV。

本实施例中，由于第二掺杂阱图形206中原第一掺杂阱图形205部分半导体衬底200曝露，其它部分的半导体衬底200则由氧化硅层202覆盖，因此，在进行离子20注入时，由氧化硅层202覆盖半导体衬底200与半导体衬底200曝露部分的离子注入深度不一致，从而形成的深掺杂阱208中离子注入深度呈梯度分布。

图8是本发明形成图像传感器的具体实施方式流程图。如图8所示，执行步骤S201，提供半导体衬底，所述半导体衬底包括光电二极管区域；执行步骤S202，在半导体衬底上依次形成氧化硅层和光刻胶层；执行步骤S203，刻蚀光电二极管区域的光刻胶层和氧化硅层至露出半导体衬底，定义深掺杂阱图形；执行步骤S204，灰化光刻胶层至露出氧化硅层，增大深掺杂阱图形的关键尺寸；执行步骤S205，以光刻胶层及氧化硅层为掩膜，沿增大后的深掺杂阱图形，向半导体衬底注入离子，形成与半导体衬底导电类型相反且深度梯度分布的深掺杂阱；执行步骤S206，去除光刻胶层和氧化硅层后，在半导体衬底中形成与半导体衬底导电类型相同的浅掺杂阱。

图9至图13是本发明形成图像传感器的实施例示意图。参照附图9，提供具有第一导电类型的半导体衬底301，假设第一导电类型为p型。所述半导体衬底301中形成有用于有源区之间隔离的隔离槽310，形成隔离槽310的方法为本领域技术人员公知的，例如形成浅沟槽隔离的技术。半导体衬底301分为第I区域和第II区域，所述第I区域为光电二极管区域，第II区域为外围电路区域。在半导体衬底301上形成厚度为800埃～1200埃的氧化硅层302，所述形成氧化硅层302的方法可以是热氧化法，也可以是化学气相沉积法；用旋涂法在氧化硅层302上形成光刻胶层304，经过曝光显影工艺，在第I区域的光刻胶层304上定义出第一深掺杂阱图形305；以光刻胶层304为掩膜，沿第一深掺杂阱图形305刻蚀氧化硅层302至露出半导体衬底301。

本实施例中，氧化硅层302的厚度具体例如800埃、850埃、900埃、950埃、1000埃、1050埃、1100埃、1150埃或1200埃等，优选1000埃。

如图10所示，将带有各膜层的半导体衬底301放入灰化炉中，通过控制氧气的注入剂量、注入能量及注入时间等，对光刻胶层304进行灰化至露出氧化硅层302，增大第一深掺杂阱图形的关键尺寸至预定尺寸，形成第二深掺杂阱图形306。

如图11所示，以光刻胶层304和氧化硅层302为掩膜，沿第二深掺杂阱图形306，向半导体衬底301中进行离子30注入，在第I区域形成离子注入深度梯度分布的深掺杂阱307，其中，深掺杂阱307的导电类型为与半导体衬底301相反的第二导电类型n型。

其中，所述离子30可以是磷；注入离子30的剂量为0.5E13cm^-2～1.5E13cm^-2，具体剂量例如0.5E13cm^-2、1E13cm^-2或0.5E13cm^-2等；注入离子的能量为130KeV～150KeV，具体能量例如130KeV、135KeV、140KeV、145KeV或150KeV等。当注入磷离子的剂量为1E13cm^-2时，注入磷离子的能量为140KeV。

本实施例中，由于第二深掺杂阱图形306中原第一深掺杂阱图形305部分半导体衬底301曝露，其它部分的半导体衬底301则由氧化硅层302覆盖，因此，在进行离子30注入时，由氧化硅层302覆盖半导体衬底301与半导体衬底301曝露部分的离子注入深度不一致，从而形成的深掺杂阱307中离子注入深度呈梯度分布。

如图12所示，去除光刻胶层304和氧化硅层302至露出半导体衬底301；在第II区域的NMOS管区域半导体衬底301中形成P阱308、依次位于半导体衬底301表面的栅介质层(未示出)、多晶硅栅311a和311d和覆盖于多晶硅栅311a和311d上的钝化层(未示出)，以及位于半导体衬底301中的多晶硅栅311a和311d两侧的浅掺杂源/漏扩散区312b；在第II区域的PMOS管区域半导体衬底中形成有N阱309、依次位于半导体衬底301表面的栅介质层(未示出)、多晶硅栅311b、311c和覆盖于多晶硅栅311b、311c上的钝化层(未示出)，以及位于半导体衬底301中的多晶硅栅311b和311c两侧的浅掺杂源/漏扩散区312a，其中NMOS管区域与PMOS管区域间由隔离槽310进行隔离。

参照附图13，在半导体衬底301表面形成第一绝缘层(未示出)，所述第一绝缘层为多层，具体例如第一绝缘层可以是由氧化硅层、氮化硅层和氧化硅层共同构成的ONO层。在第II区域形成MOS晶体管的多晶硅栅311a、311b、311c和311d的两侧形成侧墙314。形成侧墙314之后，在第II区域的半导体衬底301中分别形成PMOS晶体管的源/漏极315a、315b和315c、形成NMOS晶体管的源/漏极316a、316b和316c以及在第I区域的半导体衬底表面形成浅掺杂阱318。在形成源/漏极以及形成浅掺杂阱均通过离子注入形成，由于离子注入工艺中，需要首先在第I区域形成光刻胶层，然后进行离子注入。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种形成掺杂阱的方法，其特征在于，包括：

在半导体衬底上形成氧化硅层；

在氧化硅层上形成光刻胶层后，经过曝光显影工艺，在光刻胶层上定义出第一掺杂阱图形；

以光刻胶层为掩膜，沿第一掺杂阱图形刻蚀氧化硅层至露出半导体衬底；

灰化光刻胶层至露出氧化硅层，增大第一掺杂阱图形的关键尺寸至预定尺寸，形成第二掺杂阱图形；

以光刻胶层及氧化硅层为掩膜，沿增大后的第二掺杂阱图形，向半导体衬底注入离子，形成深度梯度分布的掺杂阱；

去除光刻胶层和氧化硅层。

2.根据权利要求1所述形成掺杂阱的方法，其特征在于，所述氧化硅层的厚度为800埃～1200埃。

3.根据权利要求2所述形成掺杂阱的方法，其特征在于，形成氧化硅的方法为热氧化法或化学气相沉积法。

4.根据权利要求1所述形成掺杂阱的方法，其特征在于，灰化光刻胶层采用的是氧气。

5.根据权利要求1所述形成掺杂阱的方法，其特征在于，所述注入离子为磷。

6.根据权利要求5所述形成掺杂阱的方法，其特征在于，注入离子的剂量为0.5E13cm^-2～1.5E13cm^-2，能量为130KeV～150KeV。

7.一种形成图像传感器的方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底包括光电二极管区域；

在半导体衬底上依次形成氧化硅层和光刻胶层，经过曝光显影工艺，在光电二极管区域的光刻胶层上定义出第一深掺杂阱图形；

以光刻胶层为掩膜，沿第一深掺杂阱图形刻蚀氧化硅层至露出半导体衬底；

灰化光刻胶层至露出氧化硅层，增大第一深掺杂阱图形的关键尺寸至预定尺寸，形成第二深掺杂阱图形；

以光刻胶层及氧化硅层为掩膜，沿增大后的第二深掺杂阱图形，向半导体衬底注入离子，形成与半导体衬底导电类型相反且深度梯度分布的深掺杂阱；

去除光刻胶层和氧化硅层后，在半导体衬底中形成与半导体衬底导电类型相同的浅掺杂阱。

8.根据权利要求7所述形成图像传感器的方法，其特征在于，所述氧化硅层的厚度为800埃～1200埃。

9.根据权利要求8所述形成图像传感器的方法，其特征在于，形成氧化硅的方法为热氧化法或化学气相沉积法。

10.根据权利要求7所述形成图像传感器的方法，其特征在于，灰化光刻胶层采用的是氧气。

11.根据权利要求7所述形成图像传感器的方法，其特征在于，所述注入离子为磷。

12.根据权利要求11所述形成图像传感器的方法，其特征在于，注入离子的剂量为0.5E13cm^-2～1.5E13cm^-2，能量为130KeV～150KeV。