CN102651372B - Cmos图像传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供图像传感器及其制作方法，所述制作方法包括：在半导体衬底内形成浅沟槽隔离结构；在所述半导体衬底内形成环绕所述浅沟槽隔离结构的掺杂层；在所述浅沟槽隔离结构一侧形成光电二极管的感光区，所述掺杂层位于所述浅沟槽隔离结构与感光区之间。本发明形成的CMOS图像传感器的暗电流较小，提高了CMOS图像传感器的成像质量。

Description

CMOS图像传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及CMOS图像传感器及其制作方法。

背景技术

图像传感器的作用是将光学图像转化为相应的电信号。图像传感器分为互补金属氧化物(CMOS)图像传感器和电荷耦合器件(CCD)图像传感器。CCD图像传感器的优点是对图像敏感度较高，噪声小，但是CCD图像传感器与其他器件的集成比较困难，而且CCD图像传感器的功耗较高。相比之下，CMOS图像传感器具有工艺简单、易与其他器件集成、体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点。目前CMOS图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、照相手机、数码摄像机、医疗用摄像装置(例如胃镜)、车用摄像装置等。

CMOS图像传感器的基本单元是由一个光电二极管和多个晶体管构成。现有的CMOS图像传感器利用标准的CMOS工艺制作。具体地，请结合图1～图3所示的现有的CMOS图像传感器制作方法剖面结构示意图。

首先，请参考图1，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100上形成有硬掩膜层101，所述硬掩膜层101内形成有开口，所述开口露出下方的半导体衬底100。

然后，请参考图2，沿所述开口刻蚀所述半导体衬底100，在所述半导体衬底100内形成沟槽。接着，在所述沟槽内形成衬垫层103，所述衬垫层103覆盖所述沟槽的侧壁和底部，在所述衬垫层103上形成填充层104，所述填充层104位于所述衬垫层103上方，所述填充层104将所述沟槽和开口填满。在所述填充层104形成之后，需要进行平坦化工艺，使得所述填充层104与所述硬掩膜层101齐平。

接着，请参考图3，去除所述硬掩膜层。所述填充层104和衬垫层103形成浅沟槽隔离结构。根据工艺需要，还可以进行刻蚀工艺，对所述填充层104的高度进行调节，从而形成符合工艺要求高度的浅沟槽隔离结构。所述浅沟槽隔离结构用于对CMOS图像传感器相邻的像素单元之间进行隔离。

然后，继续参考图3，在所述浅沟槽隔离结构的一侧形成光电二极管的感光区105，并且按照标准的CMOS工艺流程制作CMOS图像传感器的晶体管和外围电路。

在公开号为CN 101399223A的中国专利申请中可以发现更多关于现有的CMOS图像传感器的信息。

发明内容

本发明解决的问题是提供了一种CMOS图像传感器及其制作方法，形成的CMOS图像传感器的暗电流较小，提高了CMOS图像传感器的成像质量。

为解决上述问题，本发明提供了一种CMOS图像传感器的制作方法，包括：

在半导体衬底内形成浅沟槽隔离结构；

在所述半导体衬底内形成环绕所述浅沟槽隔离结构的掺杂层；

在所述浅沟槽隔离结构一侧形成光电二极管的感光区，所述掺杂层位于所述浅沟槽隔离结构与感光区之间。

可选地，所述半导体衬底的导电类型为P型，所述掺杂离子的导电类型为P型，所述掺杂层的厚度范围为100～2000埃，所述掺杂层中的掺杂离子的浓度范围为1E17～2E18cm^-3。

可选地，所述浅沟槽隔离结构包括位于沟槽的侧壁和底部的衬垫层以及位于所述衬垫层上的填充层，所述填充层将所述沟槽填满；所述掺杂层的制作方法包括：

对所述填充层进行离子注入，在所述填充层内形成掺杂离子，所述掺杂离子的导电类型与所述半导体衬底的导电类型相同；

对所述半导体衬底进行退火，使得所述掺杂离子向所述半导体衬底扩散，形成环绕所述浅沟槽隔离结构的掺杂层。

可选地，所述离子注入的深度不超过所述沟槽的深度。

可选地，所述离子注入的深度范围为500～5000埃，所述离子注入的剂量范围为1E12～5E15cm^-2。

可选地，所述离子注入分至少两次进行，每次离子注入的能量不同，且所述每次离子注入的剂量相同。

可选地，所述退火为快速热退火或炉管退火。

可选地，所述快速热退火在氮气环境中进行，所述快速热退火的温度范围为800～1200摄氏度，所述快速热退火的时间范围为2～30秒；所述炉管退火在氮气环境中进行，所述炉管退火的温度范围为700～1200摄氏度，所述炉管退火的时间范围为5～120分钟。

可选地，所述衬垫层和填充层的材质为电学绝缘材质。

相应地，本发明还提供一种CMOS图像传感器，包括：

半导体衬底，所述半导体衬底内形成有浅沟槽隔离结构；

掺杂层，环绕所述浅沟槽隔离结构；

感光区，位于所述浅沟槽隔离结构一侧的半导体衬底内，且所述掺杂层位于所述感光区与浅沟槽隔离结构之间。

可选地，所述半导体衬底的导电类型为P型，所述掺杂离子的导电类型为P型，所述掺杂层的厚度范围为100～2000埃，所述掺杂层中的掺杂离子的浓度范围为1E17～2E18cm^-3。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明首先在半导体衬底内形成环绕浅沟槽隔离结构的掺杂层；然后在所述浅沟槽隔离结构一侧形成光电二极管的感光区，所述掺杂层位于所述浅沟槽隔离结构与感光区之间；所述掺杂层可以防止浅沟槽隔离结构与半导体衬底的交界面的由于悬挂键引起的界面态缺陷导致电子扩散或漂移进入光电二极管的感光区，从而防止所述电子进入感光区形成暗电流，提高了图像传感器的成像质量；并且由于所述掺杂层是通过对填充层进行离子注入，通过退火扩散至半导体衬底，与对半导体衬底直接进行离子注入形成扩散层会损伤半导体衬底相比，本发明没有损伤半导体衬底，防止离子注入损伤半导体衬底引起氧化增强扩散效应。

附图说明

图1～图3是现有技术的图像传感器的制作方法剖面结构示意图；

图4是本发明的图像传感器的制作方法流程示意图；

图5～图9是本发明的图像传感器的制作方法剖面结构示意图。

具体实施方式

现有的CMOS图像传感器的成像质量不高。经过发明人研究发现，造成所述CMOS图像传感器的成像质量不高的主要原因之一是，CMOS图像传感器的暗电流较大。具体地，结合图3，造成暗电流的主要原因之一是由于在浅沟槽隔离结构的衬垫层103与半导体衬底100之间的交界面的悬挂键导致，所述悬挂键会在所述衬垫层103与半导体衬底100之间的交界面形成界面态缺陷，从而在所述衬垫层103与半导体衬底100的界面上容易因为热产生而形成大量电子(所述热产生的原因是由于半导体器件制作过程中需要的各种加热工艺，例如氧化工艺、退火工艺)，所述电子会在半导体衬底100内扩散或漂移，当部分电子到达光电二极管的感光区105时，将会造成暗电流，影响图像传感器的成像质量。

为了解决上述问题，本发明提出一种图像传感器的制作方法，请结合图4所示的本发明的图像传感器的制作方法流程示意图。所述方法包括：

步骤S1，在半导体衬底内形成浅沟槽隔离结构；

步骤S2，在所述半导体衬底内形成环绕所述浅沟槽隔离结构的掺杂层；

步骤S3，在所述浅沟槽隔离结构一侧形成光电二极管的感光区，所述掺杂层位于所述浅沟槽隔离结构与感光区之间。

下面结合具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。为了更好地说明本发明的技术方案，请结合图5～图9所示的本发明一个实施例的图像传感器的制作方法的剖面结构示意图。

首先，请参考图5，提供半导体衬底200。所述半导体衬底200的材质可以为硅、锗硅或绝缘体上硅。所述半导体衬底200可以为P型硅衬底。所述半导体衬底200中的P型掺杂杂质的浓度范围可以为1E15～2E16cm^-3。作为本发明的又一实施例，所述半导体衬底200的材质还可以为N型硅衬底，所述半导体衬底200中的N型掺杂杂质的浓度范围为1E15～2E16cm^-3。

然后，请继续参考图5，作为本发明的一个实施例，在所述半导体衬底200上依次形成缓冲层201和硬掩膜层202，所述硬掩膜层202和缓冲层201内形成有开口，所述开口露出下方的半导体衬底200。所述开口用于定义后续要形成的浅沟槽隔离结构的位置和形状。

所述硬掩膜层202的材质为氮化硅，其可以利用化学气相沉积工艺制作。所述硬掩膜层202的厚度范围为500～5000埃。所述缓冲层201用于缓冲所述硬掩膜层202与半导体衬底200之间的应力。所述缓冲层201的材质应根据所述硬掩膜层202的材质进行具体的设置。当所述硬掩膜层202的材质为氮化硅时，所述缓冲层201的材质可以为氧化硅或氮氧化硅，所述缓冲层201可以利用氧化工艺或化学气相沉积工艺制作，所述缓冲层201的厚度范围为10～300埃。然后，请参考图6，沿所述开口刻蚀所述半导体衬底200，在所述半导体衬底200内形成沟槽。所述刻蚀可以为干法刻蚀或湿法刻蚀，所述干法刻蚀或湿法刻蚀与现有技术相同，作为本领域技术人员的公知技术，在此不做详细的说明。

接着，请继续参考图6，在所述沟槽的侧壁和底部形成衬垫层203，所述衬垫层203利用氧化工艺制作。所述衬垫层203用于使得所述沟槽的底部与侧壁交界处更加平滑，从而有利于后续形成的填充层更好地将沟槽填满，从而提高最终形成的浅沟槽隔离结构的隔离效果。所述衬垫层203的厚度范围为20～500埃。

接着，请继续参考图6，在所述衬垫层203上形成填充层204，所述填充层204至少将所述沟槽填满，所述填充层204与所述衬垫层203共同构成浅沟槽隔离结构。作为一个实施例，所述填充层204还填充了所述开口，并且所述填充层204部分覆盖所述硬掩膜层202。所述填充层204可以利用化学气相沉积工艺制作。

接着，请参考图7，作为可选的实施例，对所述填充层204进行平坦化工艺，使得所述填充层204与所述硬掩膜层202齐平，所述平坦化工艺可以为化学机械研磨工艺。

接着，请继续参考图7，在所述硬掩模层202上形成光刻胶层205，所述光刻胶层205内形成有光刻胶开口，所述光刻胶开口露出下方的填充层204。所述光刻层用于后续进行离子注入的阻挡层。所述光刻胶层205利用现有的涂胶、显影和曝光工艺制作，在此不做赘述。

然后，请继续参考图7，进行离子注入，在所述填充层204内进行离子注入，在所述填充层204内形成掺杂离子。所述掺杂离子的导电类型与半导体衬底200的导电类型相同。本实施例中，所述半导体衬底200的导电类型为P型，因此所述掺杂离子的导电类型也为P型。具体地，所述掺杂离子可以为硼离子、氟化硼离子或铟离子。

为了防止所述离子注入损伤半导体衬底200，作为可选的实施例，所述离子注入的深度应不超过所述沟槽的深度。

本实施例中，所述沟槽的深度范围为500～5000埃，因此，所述离子注入的深度范围为500～5000埃，所述离子注入的剂量范围为1E12～5E15cm^-2。

由于在后续的工艺步骤中将通过退火工艺使得所述掺杂离子从所述填充层204扩散至所述半导体衬底200，从而形成包围所述浅沟槽隔离结构的掺杂层。为了能够使得掺杂离子能够均匀扩散，从而保证后续形成的掺杂层的厚度均匀，作为可选的实施例，所述离子注入分多次进行，每次离子注入离子注入的深度不同，且每次离子注入的剂量相同。作为一个实施例，所述离子注入分为2次进行，其中，第一次离子注入的深度为沟槽深度的2/3，第二次离子注入的深度为沟槽深度。作为本发明的又一实施例，所述离子注入分3次进行，其中第一次离子注入的深度为沟槽深度的1/3，第二次离子注入的深度为沟槽深度的2/3，第三次离子注入的深度为沟槽深度。发明人发现，利用多次离子注入，在后续的退火后形成的掺杂层的厚度更加均匀。

然后，请参考图8，进行刻蚀工艺，去除所述光刻胶层205和硬掩膜层202，所述刻蚀工艺与现有技术相同，作为本领域技术人员的公知技术，在此不做详细的说明。

根据工艺要求，还可以对所述填充层204的厚度进行调整，制作符合工艺要求的浅沟槽隔离结构。

然后进行刻蚀工艺，去除所述缓冲层201。所述刻蚀工艺利用现有技术进行，作为本领域技术人员的公知技术，在此不做详细的说明。

然后，请参考图9，对所述半导体衬底200进行退火，使得所述填充层204内的掺杂离子扩散至所述半导体衬底200内，形成掺杂层206，所述掺杂层206包围所述浅沟槽隔离结构。所述掺杂层206内的掺杂离子的浓度范围为1E17～2E18cm^-3，所述掺杂层206的厚度范围为100～2000埃，所述掺杂层206中的掺杂离子的浓度范围为1E17～2E18cm^-3。本发明所述的退火为快速热退火或炉管退火。作为一个实施例，所述退火为快速热退火，所述快速热退火在氮气环境中进行，所述快速热退火的温度范围为800～1050摄氏度，所述快速热退火的时间范围为2～30秒。作为本发明的又一实施例，所述退火为炉管退火，所述炉管退火在氮气环境中进行，所述炉管退火的温度范围为700～1200摄氏度，所述炉管退火的时间范围为5～120分钟。

需要说明的是，本发明所述的退火可以单独进行，也可以利用后续制作图像传感器的晶体管和光电二极管的过程中与其他工艺集成进行，例如可以利用形成光电二极管的感光区的掺杂离子的退火工艺集成，或还可以利用形成晶体管的掺杂阱区的掺杂离子的退火工艺集成，以减小所述半导体衬底200的热预算，防止所述半导体衬底200变形。

然后，请参考图9，在所述浅沟槽隔离结构一侧的半导体衬底200内形成光电二极管的感光区207，所述感光区207与所述浅沟槽隔离结构和掺杂层206之间具有间隙。所述掺杂层206位于所述感光区207与浅沟槽隔离结构之间。

所述感光区207用于进行光电转换，所述感光区207利用离子注入工艺形成，所述感光区207的掺杂离子的导电类型与半导体衬底200的导电类型相反。本实施例中，在所述半导体衬底为P型半导体衬底的情况下，所述感光区207的掺杂离子的导电类型为N型。形成所述感光区207的离子注入的剂量范围为1E12～5E14cm^-2，所述感光区207的深度范围为500～5000埃。

由于在所述浅沟槽隔离结构与所述感光区207之间设置了掺杂层207，从而所述掺杂层206防止所述浅沟槽隔离结构与所述半导体衬底200之间由于悬挂键引起的界面态缺陷导致的电子扩散或漂移至感光区207，从而防止由于所述电子引起暗电流。

然后，按照现有的方法，利用所述半导体衬底200制作图像传感器的晶体管和外围处理电路，作为本领域人员的公知技术，在此不做赘述。

需要说明的是，在制作图像传感器的过程中还需要制作的晶体管之间的浅沟槽隔离结构、像素单元之间的隔离结构，在实际中，可以仅将环绕光电二极管的感光区207的浅沟槽隔离结构的填充层204进行离子注入，并且在所述环绕光电二极管207的浅沟槽隔离结构周围形成掺杂层206，其他的浅沟槽隔离结构周围可以形成掺杂层，也可以不形成掺杂层。

经过上述步骤，形成了本发明的图像传感器，请结合图9，所述图像传感器包括：

半导体衬底200，所述半导体衬底内形成有沟槽；

浅沟槽隔离结构，位于所述半导体衬底200的沟槽内，所述浅沟槽隔离结构包括形成于沟槽内的衬垫层203和位于衬垫层203上方的填充层204，所述填充层204将所述沟槽填满；

掺杂层206，环绕所述浅沟槽隔离结构；

感光区207，位于所述浅沟槽隔离结构一侧的半导体衬底200内，且所述掺杂层206位于所述感光区207与浅沟槽隔离结构之间；

晶体管和外围电路，位于所述半导体衬底200内，所述晶体管和外围电路与现有技术的晶体管和外围电路的结构相同，在此不做详细的说明。

所述掺杂层206的掺杂离子的导电类型与半导体衬底200的导电类型相同，以所述半导体衬底200为P型半导体衬底为例，所述掺杂层206内的掺杂离子的导电类型为P型。所述掺杂层206内的掺杂离子的浓度范围为1E17～2E18cm^-3，所述掺杂层206的厚度范围为100～2000埃，所述掺杂层206中的掺杂离子的浓度范围为1E17～2E18cm^-3。

综上，本发明首先在半导体衬底内形成衬垫层和填充层，所述衬垫层和填充层构成浅沟槽隔离结构；然后对所述填充层进行离子注入，在所述填充层内形成导电类型与半导体衬底的导电类型相同，然后进行退火，使得所述掺杂离子向所述半导体衬底扩散，在所述浅沟槽隔离结构与所述半导体衬底的交界面形成掺杂层，所述掺杂层环绕所述浅沟槽隔离结构的底部和侧壁；接着去除所述硬掩膜层，在所述浅沟槽隔离结构的一侧形成光电二极管的感光区；所述掺杂层可以防止浅沟槽隔离结构与半导体衬底的交界面由于悬挂键引起的界面态缺陷导致的电子扩散或迁移进入光电二极管的感光区，从而防止所述电子进入感光区形成暗电流，提高了图像传感器的成像质量；并且由于所述掺杂层是通过对填充层进行离子注入，通过退火扩散至半导体衬底，与对半导体衬底直接进行离子注入形成扩散层会损伤半导体衬底相比，本发明没有损伤半导体衬底，防止离子注入损伤形成晶格缺陷而增加漏电现象。

本发明虽然已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，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，包括：

在半导体衬底内形成浅沟槽隔离结构；

在所述半导体衬底内形成环绕所述浅沟槽隔离结构的掺杂层；

在所述浅沟槽隔离结构一侧形成光电二极管的感光区，所述掺杂层位于所述浅沟槽隔离结构与感光区之间；

所述浅沟槽隔离结构包括位于沟槽的侧壁和底部的衬垫层以及位于所述衬垫层上的填充层，所述填充层将所述沟槽填满；所述掺杂层的制作方法包括：

对所述填充层进行离子注入，在所述填充层内形成掺杂离子，所述掺杂离子的导电类型与所述半导体衬底的导电类型相同；

对所述半导体衬底进行退火，使得所述掺杂离子向所述半导体衬底扩散，形成环绕所述浅沟槽隔离结构的掺杂层。

2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，所述半导体衬底的导电类型为P型，所述掺杂离子的导电类型为P型，所述掺杂层的厚度范围为100～2000埃，所述掺杂层中的掺杂离子的浓度范围为1E17～2E18cm^-3。

3.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，所述离子注入的深度不超过所述沟槽的深度。

4.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，所述离子注入的深度范围为500～5000埃，所述离子注入的剂量范围为1E12～5E15cm^-2。

5.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，所述离子注入分至少两次进行，每次离子注入的能量不同，且所述每次离子注入的剂量相同。

6.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，所述退火为快速热退火或炉管退火。

7.如权利要求6所述的CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，所述快速热退火在氮气环境中进行，所述快速热退火的温度范围为800～1200摄氏度，所述快速热退火的时间范围为2～30秒；所述炉管退火在氮气环境中进行，所述炉管退火的温度范围为700～1200摄氏度，所述炉管退火的时间范围为5～120分钟。

8.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，所述衬垫层和填充层的材质为电学绝缘材质。