CN102456732A - Mos晶体管及其制造方法、cmos图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MOS晶体管及其制造方法及CMOS图像传感器，该MOS晶体管包括：半导体衬底，在所述半导体衬底上具有栅极，所述栅极包括栅氧层和位于栅氧层上的栅导电层，在所述栅极两侧的半导体衬底中具有源极区和漏极区，其特征在于，所述栅氧层包括含氮的氧化硅层和位于含氮的氧化硅层和半导体衬底之间的不含氮的氧化硅层，从而使得MOS晶体管的稳定性提高。

Description

MOS晶体管及其制造方法、CMOS图像传感器

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及MOS晶体管及其制造方法、CMOS图像传感器。

背景技术

目前，图像传感器存在多种噪声，这些噪声将和信号一起输出，从而造成了输出的图像质量下降。其中，噪声源包括：固定图案噪声、闪烁噪声和光噪声。固定图案噪声一般可以通过对信号进行滤波而消除，光噪声可以通过后端金属的调节和电介质的减薄来达到减弱的目的，然而闪烁噪声无法通过后续电路去除。

闪烁噪声又称1/f噪声，在CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)传感器的结构里，由于一列CCD只有一个源跟随器(通常为一个MOS晶体管)这样一个放大器件，从而源跟随器MOS晶体管的面积可以做的很大，随着面积的增大可以使闪烁噪声大大减小。CMOS图像传感器相对于CCD图像传感器而言，具有集成度高，功耗低，成本低等优势，得到了越来越广泛的应用。然而对于CMOS图像传感器，像素的设计有很多种结构，一般包括n个晶体管，每个晶体管实现不同的功能。CMOS图像传感器像素最常见的是3T和4T结构。如图1所示为CMOS图像传感器1个3T结构的像素的示意图，3T结构即在像素中有三个晶体管，分别是复位管RST，源跟随器SF和行选通开关管SEL(4T在3T的基础上增加了一个传输管)，在每个像素中，都有一个光电二极管PD，用来将光信号转化成电信号，从而达到感光的目的。无论3T还是4T结构的像素，每个像素都需要一个单独的源跟随器(通常为一MOS晶体管)。随着CMOS图像传感器中像素数目的增大，为了保证CMOS图形传感器的面积不增大，就需要减小像素面积，这样源跟随器MOS晶体管的面积就需要减小，因此闪烁噪声本身会随着源跟随器MOS晶体管的面积减少而增大，闪烁噪声的存在使图像信号输出时叠加一个无法通过后续电路去除的噪声，使得最终输出图像会显得比较毛糙，图像信噪比下降，严重影响了CMOS图像传感器的质量。除此之外，CMOS图像传感器中，传输MOS晶体管带来的闪烁噪声也会对CMOS图像传感器带来较大的影响。

在现有的MOS晶体管的制造技术中，通常首先在半导体衬底上形成栅氧层，在栅氧层上形成栅导电层，然后通过刻蚀栅导电层和栅氧层形成栅极，接着在栅极两侧的衬底中离子注入形成源极区和漏极区，从而形成MOS晶体管。其中，所述栅氧层通常利用氧化物形成，例如二氧化硅(SiO₂)或者掺杂的二氧化硅。在MOS晶体管的制造过程中，离子注入形成源极区和漏极区时，同时有注入的P型或者N型离子穿通(boron)栅极，进入栅氧层。所述穿通进入的离子会导致MOS晶体管产生漏电流或者负偏置温度稳定性(NBTI)变差。

为了解决所述漏电流的问题，现有的MOS器件的制造工艺中，通常会利用在含氮的氛围中退火，从而在栅氧层中引入氮原子，这样会阻碍N型离子或者P型离子进入栅氧层。图2所示为含氮栅氧层与不含氮栅氧层形成的MOS器件的闪烁噪声比较图，其中曲线S1为含氮栅氧层形成的MOS器件的闪烁噪声，曲线S2为不含氮栅氧层形成的MOS器件的闪烁噪声。从图2可见，相比于掺氮的栅氧层，硅和二氧化硅界面不掺氮的栅氧层闪烁噪声会有数量级别的减小。

在公告号“CN100369209C”的中国专利文献中公开了一种形成栅介电层(栅氧层)的方法，包括：于半导体衬底上形成氧化硅层；以及使用含惰性气体与氮气的等离子体对该氧化硅层进行第一与第二掺氮步骤，以形成栅介电层，其中该第二掺氮步骤相较之下，该第一掺氮步骤的功率较低，压力较低，但惰性气体/氮气比较高。

但是上述的栅氧层中由于引入氮原子，使得大量氮原子(约占原子总数的2.5％)存在于硅衬底和栅氧层的界面处，而氮原子的存在增大了载流子与上述界面的散射，使得MOS晶体管沟道内的电流在低频情况下的波动加大，使得MOS晶体管的稳定性变差。

因而将上述的MOS晶体管用在CMOS图像传感器中，充当源跟随器MOS晶体管会导致CMOS图像传感器的闪烁噪声增大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了MOS晶体管及其制造方法，使得MOS晶体管的稳定性提高。

本发明还提供了一种CMOS图像传感器及其制造方法，使得图像传感器的精确度更高。

其中，一种MOS晶体管，包括：

半导体衬底，在所述半导体衬底上具有栅极，所述栅极包括栅氧层和位于栅氧层上的栅导电层，在所述栅极两侧的半导体衬底中具有源极区和漏极区，所述栅氧层包括含氮的氧化硅层和位于含氮的氧化硅层和半导体衬底之间的不含氮的氧化硅层。

可选的，所述含氮氧化硅层的厚度和不含氮的氧化硅层的厚度比为1∶9至3∶7。

可选的，所述栅氧层的厚度为60至70埃。

可选的，所述氧化硅为二氧化硅。

一种CMOS图像传感器，包括用于采集光强的光电二极管、源跟随器晶体管、复位晶体管和行选通开关晶体管；

所述源跟随器晶体管为所述的MOS晶体管。

可选的，所述复位晶体管为所述的MOS晶体管。

可选的，所述行选通开关晶体管为所述的MOS晶体管。

可选的，还包括传输晶体管，所述传输晶体管为所述的MOS晶体管。

一种MOS晶体管的制造方法，包括步骤：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底上形成含氮的氧化硅层；

在所述含氮的氧化硅层下的半导体衬底中形成不含氮的氧化硅层，所述含氮的氧化硅层和不含氮的氧化硅层构成栅氧层；

在所述栅氧层上形成栅导电层；

刻蚀所述栅导电层和栅氧层，形成栅极；

在栅极两侧的半导体衬底中形成源极区和漏极区。

可选的，所述在半导体衬底上形成含氮的氧化硅层的步骤包括：

利用热氧化的方法在衬底表面生长氧化硅层；

在氧气和含氮气体的氛围中对所述生长的氧化硅层进行退火。

可选的，所述生长氧化硅层的温度为700摄氏度至900摄氏度。

可选的，所述退火的温度为800摄氏度至1000摄氏度。

可选的，所述利用热氧化的方法在衬底表面生长氧化硅层的步骤中通入的气体包括氧气和氮气，其中氮气作为缓冲气体。

可选的，在氧气和含氮气体的氛围中对所述生长的氧化硅层进行退火步骤中通入的气体包括氧气，还包括一氧化氮、二氧化氮或者其混合气体。

可选的，所述在含氮的氧化硅层下的半导体衬底中形成不含氮氧化硅层的步骤包括：

对具有含氮的氧化硅层的半导体衬底进行热氧化，从而在所述含氮氧化硅层下的半导体衬底中生长不含氮氧化硅层。

和现有技术相比，本发明的优点在于：

通过将MOS晶体管的栅氧层结构改为包括含氮的氧化硅层和位于含氮的氧化硅层和半导体衬底之间的不含氮的氧化硅层的复合层结构，这样利用含氮的氧化硅层克服了掺杂的离子穿通的问题，利用不含氮的氧化硅层克服了氮原子造成的界面态不好的问题，从而即减小了MOS管的漏电流，还提供了MOS晶体管的稳定性，进一步的将该MOS晶体管用于CMOS图形传感器中，减小了图像传感器的闪烁噪声，提供了图像传感器的精确度。

附图说明

图1为现有技术中的一种CMOS图像传感器的电路图；

图2为含氮栅氧层与不含氮栅氧层形成的MOS器件的闪烁噪声比较图；

图3为本发明的一种MOS晶体管的结构示意图；

图4为本发明的MOS晶体管的制造方法一实施例的流程图；

图5-图10为本发明的MOS晶体管的制造方法实施例的示意图；

图11为本发明的CMOS图像传感器一实施例的像素电路图；

图12为本发明的CMOS图像传感器另一实施例的像素电路图。

具体实施方式

参考背景技术可见，为了减小掺杂离子的穿通问题，会向栅氧层中引入氮原子，造成使大量氮原子(约占原子总数的2.5％)存在于硅衬底和栅氧层的界面处。这样，由于氮原子的存在增大了载流子与上述界面的散射，使得MOS晶体管沟道内的电流在低频情况下的波动加大，使得MOS晶体管的稳定性变差。因而将上述的MOS晶体管用在CMOS图像传感器中，充当源跟随器MOS晶体管会导致CMOS图像传感器的闪烁噪声增大。

本发明提供了一种MOS晶体管及其制造方法，通过将MOS晶体管的栅氧层结构改为包括含氮的氧化硅层和位于含氮的氧化硅层和半导体衬底之间的不含氮的氧化硅层的结构，这样利用含氮的氧化硅层克服了掺杂的离子穿通的问题，利用不含氮的氧化硅层克服了氮原子造成的界面态不好的问题，从而即减小了MOS管的漏电流，还提高了MOS晶体管的稳定性，进一步的将该MOS晶体管用于CMOS图形传感器中，减小了图像传感器的闪烁噪声，提高了图像传感器的精确度。

图3为本发明的一种MOS晶体管的结构示意图。如图3所示，包括：半导体衬底100，在所述半导体衬底100上具有栅极108，所述栅极108包括栅氧层和位于栅氧层上的栅导电层106，在所述栅极两侧的半导体衬底中具有源极区110和漏极区112，其特征在于，所述栅氧层包括含氮的氧化硅层102和位于含氮的氧化硅层102和半导体衬底之间的不含氮的氧化硅层104。还可以在栅极两侧具有栅极侧壁层105。所述栅导电层106位于所述含氮的氧化硅层102表面上。

其中可选的，所述含氮的氧化硅层的厚度和不含氮的氧化硅层的厚度比为1∶9至3∶7。

其中可选的，所述栅氧层的厚度为60至70埃。

其中可选的，所述氧化硅为二氧化硅。

图4为本发明的MOS晶体管的制造方法一实施例的流程图；

如图4所示，发明的MOS晶体管的制造方法包括下列步骤：

S110：提供半导体衬底；

S120：在半导体衬底上形成含氮的氧化硅层；

S130：在所述含氮的氧化硅层下的半导体衬底中形成不含氮的氧化硅层，所述含氮的氧化硅层和不含氮的氧化硅层构成栅氧层；

S140：在所述栅氧层上形成栅导电层；

S150：刻蚀所述栅导电层和栅氧层，形成栅极；

S160：在栅极两侧的半导体衬底中形成源极区和漏极区。

图5-图10为本发明的MOS晶体管的制造方法实施例的示意图。下面结合图4-图10对本发明的具体实施方式做详细的说明。

首先执行步骤S110，参考图5，提供一半导体衬底100，所述的半导体衬底100可以是单晶硅、多晶硅或非晶硅；所述半导体衬底100也可以是硅、锗、砷化镓或硅锗化合物；该半导体衬底100还可以具有外延层或绝缘层上硅结构；所述的半导体衬底100还可以是其它半导体材料，这里不再一一列举。

在所述半导体衬底100中可以具有P阱，所述P阱可以用本领域技术人员所习知的方法形成，例如，在半导体衬底100上先通过光刻工艺定义出形成P阱的区域，然后进行离子注入，形成P阱，注入的离子为P型离子，例如硼离子。

接着，执行步骤S120，参考图6，在半导体衬底100上形成含氮的氧化硅层102。氧化硅层102可以为二氧化硅材料。本实施例中氧化硅层102利用热氧化生长或者淀积的方法产生。因为该氧化硅层102起到电绝缘的作用，而且随着工艺尺寸的减小，需要该氧化硅层102很薄，因此采用热氧化生长的方式可以获得高质量的氧化硅层102。例如该步骤可以具体为：

先清洗半导体衬底100，去除表面的沾污和氧化层，然后将半导体衬底100放入氧化炉，通入氧气，在700摄氏度至900摄氏度之间半导体衬底100表面生在一层6埃至18埃的二氧化硅材料的氧化硅层102。优选的，在该过程中还可以通入氮气作为缓冲气体，同时还可以引入氮原子。

然后在氧气和含氮气体的氛围中对所述生长的氧化硅层进行退火。例如，停止向氧化炉中通入氮气，取而代之的是通入一氧化氮、二氧化氮或者其混合气体。并且继续通入氧气，在温度800摄氏度至1000摄氏度之间进行退火，从而向氧化硅层102中引入氮原子，在本实施例中，退火的时间为10s至60s，具体的退火时间取决于需要形成的氧化硅中的氮原子浓度，时间越长氮原子浓度越大。该步退火的温度高于氧化生长氧化硅层102的温度，例如生长氧化硅层102的温度为800摄氏度，则该退火的温度为900摄氏度。从而在退火之后将氮原子掺杂在氧化硅层102内，即氧化硅层102成为含氮的氧化硅层。并且该含氮的氧化硅层102占栅氧层总厚度的10％至30％，例如具体为6至18埃。

在另一实施例中，向氧化硅层102中掺氮还可以采用快速热渗氮(RTN)，炉中渗氮，远距离等离子渗氮(RPN)或去耦等离子体渗氮(DPN)等方式。例如具体可以采用去耦等离子体渗氮(DPN)方法，可以在氧化硅层102掺杂入剂量为2E15～6E15的N离子。

接着，执行步骤S130，参考图7，在所述含氮的氧化硅层102下的半导体衬底100中形成不含氮的氧化硅层104，所述含氮的氧化硅层102和不含氮的氧化硅层104构成栅氧层。具体的，可以将具有含氮的氧化硅层102的半导体衬底100放入氧化炉中，向氧化炉中通入氧气。因为含氮的氧化硅层很薄，氧气会穿过含氮的氧化硅层102和其下方的半导体衬底的硅反应，在含氮的氧化硅层102下方生长氧化硅层，该氧化硅层的生长过程中，由于没有引入氮原子，因此生成的氧化硅层104为不含氮的氧化硅层，具体的材料可以为二氧化硅。该不含氮的氧化硅层104和含氮的氧化硅层102构成栅氧层。不含氮的氧化硅层的厚度占栅氧层厚度的70％至90％。在本实施例中，所述栅氧层的厚度为60至70埃。

接着，执行步骤S140，参考图8，在栅氧层形成栅导电层106。栅导电层106的材料可以为多晶硅。例如栅导电层106可以采用化学气相淀积形成，包括常压化学气相淀积(APCVD)、低压化学气相淀积(LPCVD)、等离子体辅助化学气相淀积等。因为LPCVD具有优良的台阶覆盖能力。因此本实施例中在栅导电层106的形成过程采用LPCVD。本领域技术人员可以根据制造工艺来确定栅导电层106所需的厚度。

接着，执行步骤S150，参考图9，刻蚀栅导电层106和栅氧层，形成栅极。该步可以采用本领域技术人员熟知的方法，例如先涂覆光刻胶层，然后进行光刻和刻蚀，形成栅极108。

接着，执行步骤S160，参考图10，在栅极108两侧的半导体衬底100中形成源极区110和漏极区112。该步可以采用本领域技术人员熟知的方法，例如采用离子注入的方式向具有栅极的半导体衬底注入P型离子，例如硼离子，在栅极两侧的半导体衬底中便形成高浓度的源极区110和漏极区112。在形成源极区和漏极区之前还可以包括在栅极108的侧上形成侧壁层。

本发明，通过掺氮的方法在栅氧层与栅导电层106接触的表面处形成一层含氮的氧化硅层102，从而可以减少后期离子注入形成源极区和漏极区的过程中离子穿通，这样可以减少MOS管的漏电，提高NBTI(负偏置温度稳定性)。并且还在栅氧层的和衬底100接触的表面处形成不含氮的氧化硅层104，这样该层氧化硅层因为不含氮，因此不会存在氮单元造成的载流子在衬底和栅氧层界面的散射，因此减小了沟道电流在低频情况下的波动，提高了MOS管的稳定性。

在本发明的另一个实施例中还提供了一种CMOS图像传感器，例如该图像传感器的像素可以为3T结构，如图11所示，包括用于采集光强的光电二极管PD、源跟随器晶体管SF、复位晶体管RST和行选通开关晶体管SEL，所述光电二极管PD的正极接地，负极耦接复位晶体管RST的源极，复位晶体管RST的漏极接电源VDD，源跟随器晶体管SF的栅极耦接复位晶体管RST的源极，源跟随器晶体管SF的漏极接电源VDD，源跟随器晶体管SF的源极耦接行选通开关晶体管SEL的漏极，行选通开关晶体管SEL的源极为像素的输出端。其中，所述源跟随器晶体管SF为上述实施例中的MOS晶体管。在CMOS图像传感器中源跟随器晶体管带来的闪烁噪声对图形的影响最大，因此采用本发明的MOS晶体管可以大大的减小闪烁噪声，使得闪烁噪声结果与不掺氮的栅氧层噪声，例如图2中曲线S2基本相同。

进一步的，还可以将CMOS图像传感器像素中的复位晶体管RST和/或行选通开关晶体管SEL也采用上述实施例中的MOS晶体管，更进一步的还可以将CMOS图像传感器中的所有的MOS晶体管都替换为上述实施例中的MOS晶体管，这样使得所有的MOS晶体管可以采用相同的制造工艺，因此节省了工艺过程，还最大程度的减小了闪烁噪声，提高了CMOS图像传感器的精确度。

本发明还提供了一种具有4T结构的像素的图像传感器，参考图12，光电二极管PD的正极接地，负极耦接传输晶体管TX的源极，传输晶体管TX的漏极耦接复位晶体管RST的源极，复位晶体管RST的漏极接电源VDD，源跟随器晶体管SF的栅极耦接复位晶体管RST的源极，源跟随器晶体管SF的漏极接电源VDD，源跟随器晶体管SF的源极耦接行选通开关晶体管SEL的漏极，行选通开关晶体管SEL的源极为像素的输出端。由此可见，4T结构的像素与3T结构的像素不同之处在于多传输晶体管TX，因此其中除了将源跟随器晶体管SF、复位晶体管RST和行选通开关晶体管SEL替换为上述的MOS晶体管外，还可以将传输晶体管替换为上述实施例中的MOS晶体管。

除此之外，本发明的MOS晶体管还可以用于其他的图像传感器中，采用相同的原理减少闪烁噪声。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (15)

1.一种MOS晶体管，包括：

半导体衬底，在所述半导体衬底上具有栅极，所述栅极包括栅氧层和位于栅氧层上的栅导电层，在所述栅极两侧的半导体衬底中具有源极区和漏极区，其特征在于，所述栅氧层包括含氮的氧化硅层和位于含氮的氧化硅层和半导体衬底之间的不含氮的氧化硅层。

2.如权利要求1所述的MOS晶体管，其特征在于，所述含氮氧化硅层的厚度和不含氮的氧化硅层的厚度比为1∶9至3∶7。

3.如权利要求2所述的MOS晶体管，其特征在于，所述栅氧层的厚度为60至70埃。

4.如权利要求2所述的MOS晶体管，其特征在于，所述氧化硅为二氧化硅。

5.一种CMOS图像传感器，包括用于采集光强的光电二极管、源跟随器晶体管、复位晶体管和行选通开关晶体管；

其特征在于，所述源跟随器晶体管为权利要求1至4中任意一项所述的MOS晶体管。

6.根据权利要求5所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述复位晶体管为权利要求1至4中任意一项所述的MOS晶体管。

7.根据权利要求5所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述行选通开关晶体管为权利要求1至4中任意一项所述的MOS晶体管。

8.根据权利要求5所述的CMOS图像传感器，其特征在于，还包括传输晶体管，所述传输晶体管为权利要求1至4中任意一项所述的MOS晶体管。

9.一种MOS晶体管的制造方法，其特征在于，包括步骤：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底上形成含氮的氧化硅层；

在所述含氮的氧化硅层下的半导体衬底中形成不含氮的氧化硅层，所述含氮的氧化硅层和不含氮的氧化硅层构成栅氧层；

在所述栅氧层上形成栅导电层；

刻蚀所述栅导电层和栅氧层，形成栅极；

在栅极两侧的半导体衬底中形成源极区和漏极区。

10.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述在半导体衬底上形成含氮的氧化硅层的步骤包括：

利用热氧化的方法在衬底表面生长氧化硅层；

在氧气和含氮气体的氛围中对所述生长的氧化硅层进行退火。

11.如权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述生长氧化硅层的温度为700摄氏度至900摄氏度。

12.如权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述退火的温度为800摄氏度至1000摄氏度。

13.如权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述利用热氧化的方法在衬底表面生长氧化硅层的步骤中通入的气体包括氧气和氮气，其中氮气作为缓冲气体。

14.如权利要求10所述的制造方法，其特征在于，在氧气和含氮气体的氛围中对所述生长的氧化硅层进行退火步骤中通入的气体包括氧气，还包括一氧化氮、二氧化氮或者其混合气体。

15.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述在含氮的氧化硅层下的半导体衬底中形成不含氮氧化硅层的步骤包括：

对具有含氮的氧化硅层的半导体衬底进行热氧化，从而在所述含氮氧化硅层下的半导体衬底中生长不含氮氧化硅层。

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