CN102522414A - 混合型cmos图像传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合型CMOS图像传感器及其制作方法，包括：图像传感器，形成于支撑衬底表面；所述支撑衬底的材料是半导体材料；所述图像传感器包括驱动电路区域和光学传感区域；其特征在于：驱动电路区域的支撑衬底中具有顶层半导体层，所述顶层半导体层通过绝缘埋层与支撑衬底隔离；驱动电路区域中的晶体管形成于所述顶层半导体层中；光学传感区域中的支撑衬底中具有顶层光吸收层，所述顶层光吸收层通过绝缘埋层与支撑衬底隔离；光学传感区域中的光学传感器形成于所述顶层光吸收层中。本发明可以大大提高光的吸收效率，并防止由于宇宙射线照射产生的大量的电子空穴对CMOS图像传感器的感光区域以及驱动电路造成的器件失效或者质量下降等影响。

Description

混合型CMOS图像传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器及其制作方法，特别涉及带有绝缘埋层的混合型CMOS图像传感器及其制作方法，属于半导体技术领域。
背景技术
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，每个感光像素，包括读出电路区域和光学感光区域，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个或者4个MOS晶体管构成，简称为3T或4T类型。
附图1A所示是现有技术中一种典型的图像传感器结构示意图，所示为一个像素单元，包括驱动电路区域I和光学传感区域II，其中驱动电路区域I是典型的4T型驱动电路，包括转移晶体管T1、复位晶体管T2、源跟随晶体管T3以及行选通开关晶体管T4，光学传感区域II包括一光敏二极管D1。上述各个晶体管以及与光敏二极管D1之间的连接关系、各个端口的外接信号以及工作原理请详细参考附图1A所示电路结构。现有技术中对图像传感器的介绍，此处不再赘述。
图1B为现有的SOI CMOS图像传感器像素结构，意在表示驱动电路区域I和光学传感区域II相互之间的位置关系，故其中除衬底101之外，仅在光学传感区域II之中进一步示出了光敏二极管D1的第一掺杂区域111和第二掺杂区域112，而驱动电路区域I仅以转移晶体管T1表示，包括栅极121、源极掺杂区域122、漏极掺杂区域123。在上述驱动电路区域I和光学传感区域II两个区域之间包括介质隔离结构130。参考附图1B，第一掺杂区域111、源极掺杂区域122和漏极掺杂区域123应当具有相同的导电类型，且与衬底100的导电类型相反，而第二掺杂区域112应当与衬底的导电类型相同，例如对于N型的衬底100而言，第一掺杂区域111、源极掺杂区域122和漏极掺杂区域123应当是P型的，而第二掺杂区域112应当是N型的。
现有技术制作CMOS图像传感器的方法，由于体硅衬底与感光区已经外围电路直接接触，在宇宙射线的辐射下，会产生大量的空穴电子对并转移到外围电路和感光区，就会造成CMOS图像传感器直接失效或者成像质量急剧下降。为了使图像传感器能够稳定地应用在航空航天以及其他极端环境中，需要上述传感器进一步具有抵抗高能粒子辐射的能力。一种有效的方法是将附图1B所示的结构制作在SOI衬底上。
附图1C所示是现有技术中一种带有绝缘埋层的图像传感器结构，同时参考附图1B，所述带有绝缘埋层的图像传感器结构的衬底进一步包括支撑衬底101、绝缘埋层102以及顶层半导体层103，其余结构均与附图1B类似。由于光敏二极管D1所接受的光是来自于衬底表面的，故第一掺杂区域111和第二掺杂区域112需要一定的深度来吸收入射光，故晶体管的源极掺杂区域122和漏极掺杂区域123必然与绝缘埋层102之间具有一距离，即驱动电路区域I只能制作成部分耗尽结构。显然这种部分耗尽结构并未实现驱动电路区域I和光学传感区域II之间的介质隔离，一旦有高能粒子穿越驱动电路区域I和光学传感区域II，仍然可以使图像传感器发生电学失效。
故，现有技术的缺点在于，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器件的抗辐射等性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种混合型CMOS图像传感器，它可以采用该结构大大提高光的吸收效率，并防止由于宇宙射线照射产生的大量的电子空穴对CMOS图像传感器的感光区域以及驱动电路造成的器件失效或者质量下降等影响。
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种混合型CMOS图像传感器，包括：图像传感器，形成于支撑衬底表面；所述支撑衬底的材料是半导体材料；所述图像传感器包括驱动电路区域和光学传感区域；其特征在于：驱动电路区域的支撑衬底中具有顶层半导体层，所述顶层半导体层通过绝缘埋层与支撑衬底隔离；驱动电路区域中的晶体管形成于所述顶层半导体层中；光学传感区域中的支撑衬底中具有顶层光吸收层，所述顶层光吸收层通过绝缘埋层与支撑衬底隔离；光学传感区域中的光学传感器形成于所述顶层光吸收层中。
本发明的有益效果在于：可以大大提高光的吸收效率，并防止由于宇宙射线照射产生的大量的电子空穴对CMOS图像传感器的感光区域以及驱动电路造成的器件失效或者质量下降等影响。
所述顶层光吸收层的介质材料是磷化铟InP或GeInGaSe2。
本发明还提供了一种混合型CMOS图像传感器的制作方法，包括如下步骤：
提供支撑衬底，所述支撑衬底表面依次具有连续的绝缘埋层和连续的顶层半导体层；
去除光学传感区域的顶层半导体层并生长顶层光吸收层；
在所述光吸收层中制作光学传感器件；
在驱动电路区域的顶层半导体层中形成晶体管。
所述顶层光吸收层介质材料是磷化铟InP或GeInGaSe2。
所述顶层光吸收层采用外延或化学气相沉积方法形成。
所述形成光学传感器件的步骤包括：向所述顶层光吸收层注入第一掺杂离子，形成具有第一导电类型的第一掺杂区域；在第一掺杂区域内注入第二掺杂离子，形成具有第二导电类型的第二掺杂区域。
所述第二掺杂离子离子注入的能量小于所述第一掺杂离子离子注入能量，所述第二掺杂离子离子注入的剂量大于所述第一掺杂离子离子注入的剂量。
所述第一导电类型可以为N型或P型，所述第二导电类型相应的为P型或N型。
所述支撑衬底和顶层半导体层的材料为单晶硅或应变硅或锗或锗硅。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1A是现有技术中一种典型的图像传感器结构示意图；
图1B为现有的SOI CMOS图像传感器像素结构示意图；
图1C是现有技术中一种带有绝缘埋层的图像传感器结构示意图；
图2是本发明具体实施方式提供的混合型CMOS图像传感器制作方法流程图；
图3A至图3E所示是本具体实施方式提供的混合型CMOS图像传感器制作方法各步骤示意图；
图4是本发明实施例所述混合型CMOS图像传感器结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种对光具有高吸收效率的CMOS图像传感器及其制作方法。采用该结构可以大大提高光的吸收效率，并防止由于宇宙射线照射产生的大量的电子空穴对CMOS图像传感器的感光区域以及驱动电路造成的器件失效或者质量下降等影响。
如图4所示，为了解决上述问题，本发明提供了一种带有绝缘埋层的图像传感器，所述图像传感器形成于支撑衬底表面，所述支撑衬底的材料是半导体材料，所述图像传感器包括驱动电路区域和光学传感区域，驱动电路区域的支撑衬底中具有顶层半导体层，顶层半导体层通过绝缘埋层与支撑衬底隔离；驱动电路区域中的晶体管形成于顶层半导体层中，光学传感区域中的光学传感器件形成于一种对光具有高吸收率的材料中，该材料通过绝缘埋层与支撑衬底隔离。
作为可选的技术方案，所述的对光具有高吸收率的材料可以是磷化铟InP材料、GeInGaSe2等材料中的任意一种。
本发明进一步提供了一种上述带有绝缘埋层的图像传感器的制作方法，包括如下步骤：提供支撑衬底，所述支撑衬底表面依次具有连续的绝缘埋层和连续的顶层半导体层：去除光学传感区域的顶层半导体层，在该区域形成光学传感器件；在驱动电路区域的顶层半导体层中形成晶体管。驱动电路和光学传感器之间绝缘隔离。
作为可选的技术方案，所述形成光学传感器件的步骤包括：在隔离层表面外延一层对光具有高吸收率的材料，向外延半层内注入第一掺杂离子，形成具有第一导电类型的第一掺杂区域：在第一掺杂区域中的部分区域注入第二掺杂离子，形成具有第二导电类型的第二掺杂区域。
作为可选的技术方案，所述支撑衬底和顶层半导体层的材料为单晶硅。
作为可选的技术方案，所述去除光学传感区域的顶层半导体层的工艺采用等离子体辅助刻蚀工艺。
本发明的优点在于，驱动电路区域和光学传感区域的底部均设置了绝缘埋层与支持衬底隔离，形成完全被绝缘介质围拢的驱动电路区域和光学传感区域，提高了驱动电路区域和光学传感区域的抗高能粒子辐射的能力，光学传感区域吸收光的材料从普通的半导体材料换为对光吸收率高的光吸收材料，提高了光学传感器的吸收效率。故上述方法所制作的带有绝缘埋层的图像传感器能够更好地避免了高能粒子从衬底处穿越驱动电路区域和光学传感区域而造成传感器失效，并能提高图像传感器对光的吸收效率。
接下来结合附图详细介绍本发明所述一种带有绝缘埋层的图像传感器及其制作方法的具体实施方式。
附图2所示是本具体实施方式的实施步骤示意图，包括：步骤S20，提供支撑衬底，所述支撑衬底表面依次具有连续的绝缘埋层和连续的顶层半导体层：步骤S21，去除光学传感区域的顶层半导体层；步骤S22，在绝缘埋层上生长一层对光吸收率高的材料；步骤S23，在步骤S22中生长的材料上光学传感器件；步骤S25，在驱动电路区域的顶层半导体层中形成晶体管。
附图3A至附图3E所示是本具体实施方式的工艺示意图。
如图3A所示，提供支撑衬底301，所述支撑衬底301表面依次具有连续的绝缘埋层302和连续的顶层半导体层303；所述顶层半导体层303的材料为单晶硅或应变硅或锗或锗硅；所述支撑衬底301为硅或蓝宝石。
如图3B所示，去除光学传感区域的顶层半导体层303。
如图3C所示，在光学传感区域绝缘埋层302上生长一层对光吸收率高的材料形成顶层光吸收层304；所述顶层光吸收层304的介质材料是磷化铟InP或GeInGaSe2。
如图3D所示，向所述顶层光吸收层304注入第一掺杂离子，形成具有第一导电类型的第一掺杂区域308；在第一掺杂区域308内注入第二掺杂离子，形成具有第二导电类型的第二掺杂区域309。在顶层光吸收层304上形成光学传感器件。所述第二掺杂离子离子注入的能量小于所述第一掺杂离子注入能量，所述第二掺杂离子离子注入的剂量大于所述第一掺杂离子离子注入的剂量。即：第一掺杂区308的掺杂浓度小于第二掺杂区309的掺杂浓度，且第二掺杂区309位于第一掺杂区308内。
作为可选实施方式，第一掺杂离子离子注入的能量范围是400KeV至2000KeV，剂量范围是1×1012cm-2至5×1013cm-2，第二掺杂离子离子注入的能量范围是100KeV至400KeV，剂量范围是5×1013cm-2至1×1014cm-2。所述第一导电类型可以为N型或P型，所述第二导电类型相应的为P型或N型。所述第一掺杂区域308和第二掺杂区域309共同构成光学传感器305。
步骤S25，在驱动电路区域的顶层半导体层303中形成像素读出电路及驱动电路。所述像素读出电路及驱动电路均包括若干MOS晶体管，如图3E所示，以晶体管306示意。所述光学传感器305的信号输出至晶体管306栅极，并通过像素读出电路等读出。此处，光学传感器305中光生电信号的读出为现有技术，此处不再赘述。驱动电路和光学传感器305之间具有隔离层307，通过STI、硅岛隔离等技术实现。
作为可选实施方式，步骤S25中，驱动电路区域的读出电路采用4T像素读出电路结构，其传输晶体管栅极覆盖部分第一掺杂区域308，所述第一掺杂区域308形成传输晶体管的一个有源区。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明通过刻蚀再生长的方法，在埋氧层上生长一种光吸收系数较大、且能对可见光敏感的半导体材料作为感光区域，而驱动电路部分材料还是硅材料。从而达到在SOI的顶层硅厚度上形成对吸收所有可见光波长的感光区域，大大提高了像素的光的敏感度和量子效率，并能保证整个像素抗辐射的效果。
本发明技术方案并不限定在SOI衬底上，其顶层半导体层可以为单晶硅、锗硅或其他可用于半导体制备的材料；其支撑衬底可以为硅或蓝宝石。
本发明所述的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(简称顶层硅)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常见的闩锁效应；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、核反应堆等辐射环境具有广泛的应用前景。
本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。

Claims (10)

1.一种混合型CMOS图像传感器，包括：
图像传感器，形成于支撑衬底表面；
所述支撑衬底的材料是半导体材料；
所述图像传感器包括驱动电路区域和光学传感区域；
其特征在于：
驱动电路区域的支撑衬底中具有顶层半导体层，所述顶层半导体层通过绝缘埋层与支撑衬底隔离；
驱动电路区域中的晶体管形成于所述顶层半导体层中；
光学传感区域中的支撑衬底中具有顶层光吸收层，所述顶层光吸收层通过绝缘埋层与支撑衬底隔离；
光学传感区域中的光学传感器形成于所述顶层光吸收层中。
2.如权利要求1所述的混合型CMOS图像传感器，其特征在于：所述顶层光吸收层的介质材料是磷化铟InP或GeInGaSe2。
3.一种权利要求1所述混合型CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供支撑衬底，所述支撑衬底表面依次具有连续的绝缘埋层和连续的顶层半导体层；
去除光学传感区域的顶层半导体层并生长顶层光吸收层；
在所述光吸收层中制作光学传感器件；
在驱动电路区域的顶层半导体层中形成晶体管。
4.如权利要求3所述的混合型CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，所述顶层光吸收层介质材料是磷化铟InP或GeInGaSe2。
5.如权利要求4所述的混合型SOI CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，所述顶层光吸收层采用外延或化学气相沉积方法形成。
6.如权利要求5所述的混合型CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，所述形成光学传感器件的步骤包括：向所述顶层光吸收层注入第一掺杂离子，形成具有第一导电类型的第一掺杂区域；在第一掺杂区域内注入第二掺杂离子，形成具有第二导电类型的第二掺杂区域。
7.如权利要求6所述的混合型CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，所述第二掺杂离子离子注入的能量小于所述第一掺杂离子离子注入能量，所述第二掺杂离子离子注入的剂量大于所述第一掺杂离子离子注入的剂量。
8.如权利要求7所述的混合型CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。
9.如权利要求7所述的混合型CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
10.如权利要求3-9中任意一项所述的混合型CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，所述顶层半导体层的材料为单晶硅或应变硅或锗或锗硅。
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