CN103579262B - 一种cmos图像传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CMOS图像传感器及其制备方法，所述传感器包括：半导体衬底以及位于衬底上的外延层；第一栅极结构和第二栅极结构，位于所述外延层上；光电二极管区，形成于所述外延层中；第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，位于所述第二栅极结构两侧；层间介质层，形成于所述栅极结构和外延层上方；第一接触塞和第二接触塞，位于所述层间介质层中，其中，所述第一接触塞位于所述第一浮置扩散区上方并与所述第一浮置扩散区电连接，所述第二接触塞位于与所述第二栅极结构上方，并与所述第二栅极结构电连接；所述第一浮置扩散区通过第一接触塞、导线、第二接触塞与所述第二栅极结构形成的电容相连，用于增加第一浮置扩散区电容量。

Description

一种CMOS图像传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，具体地，本发明涉及一种CMOS图像传感器及其制备方法。

背景技术

通常，图像传感器是将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器包括电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器。

由于CMOS图像传感器(CIS)具有改善的制造技术和特性，因此半导体制造技术各方面都集中于开发CMOS图像传感器。CMOS图像传感器利用CMOS技术制造，并且具有较低功耗，更容易实现高度集成，制造出尺寸更小的器件，因此，CMOS图像传感器广泛的应用于各种产品，例如数字照相机和数字摄像机等。

CMOS图像传感器的个像素可以包括用于接收光的多个光电二极管以及用于控制输入视频信号的多个晶体管。按照晶体管的数目，CMOS图像传感器可以分为3T型、4T型等。3T型CMOS图像传感器可以包括一个光电二极管和三个晶体管，而4T型CMOS图像传感器可以包括一个光电二极管和四个晶体管。

图1所示是4T型CIS，包括：光电二极管区PD、传输晶体管Tx、复位晶体管RST、源跟随晶体管SF和行选通晶体管SEL。其中，浮置扩散区FD可以从光电二极管PD接收电子，然后将电子转换为电压。

目前CMOS图像传感器的结构如图1b和1c所示，所述CMOS图像传感器包括在半导体衬底101和/或位于半导体衬底上方的外延层102，所述衬底或外延层102可以分为有源区和器件隔离区，所述有源区中包括光电二极管区（PD）103、浮置扩散区（FD）105以及传输晶体管（Tx）区107，所述外延层102上具有栅极结构104，所述栅极结构中包含栅绝缘层、栅极材料层，所述栅极结构具有绝缘材料的侧墙，所述CMOS图像传感器还包括位于浮置扩散区（FD）105上方的接触塞106，所述接触塞106将有源区中浮置扩散区（FD）105与所述源跟随晶体管SF的栅极结构相连。

工作时，所述光电二极管PD可以感测入射光，然后根据光强的变化产生电荷，传输晶体管Tx将PD产生的电荷转移到浮置扩散区FD，源跟随晶体管SF将电荷转换为电压信号。在转移之前，浮置扩散区FD将电子从光电二极管PD传输到复位晶体管RST以使其导通，由此，浮置扩散区FD可设定为在预定电平下具有低电荷状态。复位RST可以释放存储在浮置扩散区FD中的电荷，用于进行信号检测，而源跟随晶体管SF可充当源跟随器，用于将电荷转换为电信号。

在上述所述的CMOS图像传感器中，如果将所述光电二极管产生的电荷转移到浮置扩散区FD，则复位晶体管RST导通，电荷被传送到源跟随晶体管SF，然后转换为电信号，浮置扩散区则起到了电容的作用，此外，浮置扩散区由源/漏掺杂(N+)与外延层(P)形成结电容，所述结电容主要通过掺杂浓度来控制电容量，但是由此也会引起低电容量的问题。特别是，浮置扩散区FD可以从光电二极管区PD接受电子，然后将电子转换为电压。如果出现低电容量，则引起噪声增加。

因此，如何提高所述CMOS图像传感器中电容量，降低噪声，增加对来自光电二极管PD的电荷接受量，提高整体饱和水平成为目前需要解决的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明为了克服目前CMOS图像传感器中电容量低，容易增加噪声的问题，提供了一种CMOS图像传感器，包括：

半导体衬底以及位于所述衬底上的外延层；

第一栅极结构和第二栅极结构，位于所述外延层上；

光电二极管区，形成于所述外延层中；

第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，位于所述第二栅极结构两侧；

层间介质层，形成于所述栅极结构和外延层上方；

第一接触塞和第二接触塞，位于所述层间介质层中，其中，所述第一接触塞位于所述第一浮置扩散区上方并与所述第一浮置扩散区电连接，所述第二接触塞位于与所述第二栅极结构上方，并与所述第二栅极结构电连接；

导线，位于所述层间介质层上，并与所述第一接触塞和所述第二接触塞电连接；

所述第一浮置扩散区通过第一接触塞、导线、第二接触塞与所述第二栅极结构形成的电容相连，用于增加第一浮置扩散区电容量。

作为优选，所述第二栅极结构下方的所述第一浮置扩散区和所述第二浮置扩散区之间具有与所述第一浮置扩散区和第二浮置扩散区同型高剂量掺杂区，以增加所述第二栅极结构电容的电容量。

作为优选，所述高剂量掺杂能量和剂量与MOS的Vt掺杂相同。

作为优选，所述图像传感器还包括位于整个外延层上方的接触孔蚀刻停止层。

作为优选，所述第一接触塞与所述第一浮置扩散区之间具有金属硅化物层。

作为优选，所述栅极结构包括栅绝缘层、栅材料层以及金属硅化物层。

作为优选，所述栅材料层为硅材料层或多晶硅材料层。

本发明还提供了一种制备上述CMOS图像传感器的方法，包括：

提供半导体衬底并在所述半导体衬底上形成外延层；

在所述外延层上形成第一栅极结构和第二栅极结构；

在所述第一栅极结构的一侧注入掺杂离子形成光电二极管区；

在所述第一栅极结构的另一侧的所述第二栅极结构两侧注入掺杂离子形成第一浮置扩散区和第二浮置扩散区；

沉积层间介质层；

在所述层间介质层中所述第一浮置扩散区上方和所述第二栅极结构上方分别形成第一接触塞和第二接触塞；

在所述层间介质层上形成导线，以电连接所述第一接触塞和第二接触塞。

作为优选，所述方法还包括在所述第一浮置扩散区和第二浮置扩散区之间注入与所述第一浮置扩散区和第二浮置扩散区同型高剂量掺杂的步骤。

作为优选，所述高剂量掺杂能量和剂量与MOS的Vt掺杂相同。

作为优选，在整个所述半导体衬底上方形成接触孔蚀刻停止层。

作为优选，在沉积层间介质层之前还包括在所述第一浮置扩散区上方形成金属硅化物层的步骤。

作为优选，所述栅极结构形成步骤包括：

在所述外延层上方沉积栅极绝缘层；

在所述栅极绝缘层上沉积栅极材料层；

在所述栅极材料层上方沉积金属硅化物层。

作为优选，在所述栅极结构两侧形成LDD区。

作为优选，所述第一接触塞和第二接触塞的形成方法为：

蚀刻所述层间介质层，在所述第一浮置扩散区上方和所述第二浮置扩散区对应的所述接触孔蚀刻停止层上方形成第一接触孔和第二接触孔，填充传导材料并进行平坦化步骤，形成第一接触塞和第二接触塞。

本发明所述的CMOS图像传感器包含硅衬底及外延层、光电二极管、传输晶体管和浮置扩散区。其中在浮置扩散区源/漏掺杂(N+)上面，通过MOS栅极形成MOS电容，在MOS栅极下面加入高剂量掺杂(N+)，增加电容量，进而减少噪声并增加对PD的电荷接收量，提高饱和水平。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，

图1a-c为现有技术中CMOS图像传感器的实例；

图2a-b为本发明中CMOS图像传感器的实例；

图3本发明中CMOS图像传感器制备流程图；

图4a-g为本发明中CMOS图像传感器制备示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述，以说明本发明所述图像传感器以及制备方法。显然，本发明的施行并不限于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。

本发明所述的CMOS图像传感器包括光电二极管区PD，传输晶体管Tx，复位晶体管RST，源跟随晶体管SF和行选通晶体管SEL。本发明所述CMOS图像传感器针对增加浮置扩散区FD电容量进行的改进，因此，在以下具体实施方式或者说明中对浮置扩散区FD进行着重说明，有可能没有提到或者省略了对其他有源器件的说明，但是本领域技术人员可以知道，所述CMOS图像传感器中必然也还包含光电二极管区PD，传输晶体管Tx，复位晶体管RST，源跟随晶体管SF和行选通晶体管SEL以及其他不可或缺的器件。

在本发明中所述的CMOS图像传感器，如图2a、2b所示，包括半导体衬底201，位于半导体衬底上方的外延层202；位于外延层202上的第一栅极结构、第二栅极结构以及位于所述外延层上方接触孔蚀刻停止层213和层间介质层207，其中，所述第二栅极结构中最上层为金属硅化物层；位于第二栅极结构两侧的第一浮置扩散区FD215和第二浮置扩散区FD205，其中所述第一浮置扩散区和所述第二浮置扩散区之间具有与所述第一浮置扩散区和第二浮置扩散区同型高剂量掺杂区，以增加所述第二栅极结构电容的电容量，所述高剂量掺杂能量和剂量与MOS的Vt掺杂可以相同或者不同，作为进一步优选，在本发明中所述高剂量掺杂能量和剂量与MOS的Vt掺杂相同，因此可以使用同一个光罩，若所述掺杂不同，则需要加一个光罩；第一接触塞206和第二接触塞208，其中，所述第一接触塞位于第一浮置扩散区上方，并与所述第一浮置扩散区电连接，所述第二接触塞位于所述第二栅极结构上方，具体地，位于所述栅极结构中最上层的金属硅化物层上方，并且与所述第二栅极结构电连接；导线216位于所述层间介质层上，并与所述第一接触塞和所述第二接触塞电连接，所述第一浮置扩散区215通过第一接触塞206、导线216、第二接触塞208与第二栅极结构形成的电容相连，用于增加第一浮置扩散区电容量。

具体地，本发明中所述的半导体衬底201可以为P++型半导体衬底，P型外延层202，所述栅极结构包括栅绝缘层212、栅材料层204以及金属硅化物层214，所述栅极结构还包括位于栅堆结构两侧的栅极结构间隔壁。

此外，在所述外延层202中可以形成源漏区，以形成所述浮置扩散区，并在所述源漏区域进行掺杂离子的注入，本发明所述源漏区以及LDD区为构成器件的常规部分，因此在图中并没有标示出来。

所述第一、第二栅极结构上方具有接触孔蚀刻停止层213，所述接触孔蚀刻停止层213上又沉积有层间介质层207，以覆盖所述栅极结构。其中，所述接触孔蚀刻停止层213可以覆盖整个外延层，所述第一浮置扩散区FD215和第二浮置扩散区FD205位于所述外延层202中，而所述第一接触塞206和所述第二接触塞208位于所述层间介质层207中，并穿透所述层间介质层207露出其上表面，用于与所述导线216相连，所述第一接触塞206与第一浮置扩散区FD215电连接，所述第二接触塞208与所述第二栅极结构211相接处，形成额外电容，当第一接触塞206和所述第二接触塞208通过所述导线216连通后，所述第一浮置扩散区FD215与所述额外电容相连通，用于增加所述第一浮置扩散区FD215的电容量，作为优选，所述接触孔蚀刻停止层213可以为氮化物层，例如可以为氮化硅等。作为进一步的优选，所述第一接触塞206与所述第一浮置扩散区FD215之间具有金属硅化物层（在所述图示中并没标示）以减小所述连接时的电阻。如图2a所示，所述CMOS图像传感器中还可以包括第三接触塞，所述第三接触塞，可以穿过所述层间介质层207以暴露所述源跟随晶体管SF的栅极结构上表面，所述传输晶体管Tx、复位晶体管RST以及源跟随晶体管SF与有源区除了光电二极管区PD之间均相互重叠。

工作时，所述光电二极管PD可以感测入射光，然后根据光强的变化产生电荷，传输晶体管Tx将PD产生的电荷转移到浮置扩散区FD，源跟随晶体管SF将电荷转换为电压信号。在转移之前，浮置扩散区FD将电子从光电二极管PD传输到复位晶体管RST以使其导通，由此，浮置扩散区FD可设定为在预定电平下具有低电荷状态。复位晶体管RST可以释放存储在浮置扩散区FD中的电荷，用于进行信号检测，而源跟随晶体管SF用于将电荷转换为电信号。由于所述第二浮置扩散区FD205上方的第二栅极结构可以形成额外的电容，即MOS电容，与所述第一浮置扩散区FD215形成并列电容，并通过所述第一接触塞206和所述第二接触塞208和导线216连通，从而使所述第一浮置扩散区FD215的电容量增加，进而减少噪声并增加对PD的电荷接收量，提高饱和水平。此外，在第二栅极结构（MOS栅极）下面加入高剂量掺杂(N+)，可以进一步增加电容量，进一步减少噪声并增加对PD的电荷接收量，提高饱和水平。

此外，本发明还提供了一种制备上述CMOS图像传感器的方法，所述方法流程如图3所示，所述方法包括：

步骤201提供半导体衬底和/外延层，在所述外延层上形成第一栅极结构和第二栅极结构，其中所述第二栅极结构最上方为金属硅化物层；

具体地，如图4a-b所示，通过外延工艺在重掺杂P++半导体衬底201上和/或上方形成轻掺杂P外延层202，作为优选，形成所述第二栅极结构之前还可以在要形成的第二栅极结构的区域209进行高剂量掺杂注入的步骤，以在所述第二栅极结构下方形成高掺杂区域209，所述掺杂可以与所述第一浮置扩散区和第二浮置扩散区同型，作为进一步优选，所述高剂量掺杂能量和剂量与MOS的Vt掺杂相同。

然后在所述外延层上方形成第一栅极结构和第二栅极结构。具体地，所述第一栅极结构作为传输晶体管栅极，所述第二栅极结构作为MOS栅极，其中，所述第一栅极结构和第二栅极结构可以完全一样，其形成方法以第一栅极结构为例进行说明，在所述外延层202上方依次堆叠栅绝缘层212、栅材料层204，然后利用掩膜进行光刻工艺将栅绝缘层、栅材料层204图案化，作为优选，还可以在栅极两侧形成栅极间隔壁；如图4b所示，在栅极绝缘层212、栅材料层204上沉积氧化物绝缘层，然后进行蚀刻，仅保留位于栅极两侧的氧化物，以形成栅极间隔壁。所述蚀刻方法可以为通过光刻然后利用干蚀刻等方法，所述方法均为本领域常用方法，本领域技术人员可以进行选择，在此不再赘述。

步骤202在第一栅极结构一侧注入掺杂离子形成光电二极管区；

具体地，在所述形成的第一栅极结构上沉积光致蚀刻图案并露出所述栅极结构两侧源漏，以所述图案为掩膜进行n杂质离子的注入，以形成LDD区。在此，所述LDD区的形成方法仅仅为示例性的，并不局限于所述方法。在形成LDD区后，还可以在所述202上形成n扩散区203，在本发明的一具体实施方式中可以首先形成另一光致抗蚀剂图案，仅暴露所述光电二极管区，然后以所述图案为掩膜进行n型杂质离子注入，以形成n扩散区203，在该步骤中所述n型杂质离子的能量相比于LDD区所选用例子的能量更高，形成能够比LDD区更深的扩散区，最后去除所述图案，形成光电二极管区，如图4c所示。作为优选，所述外延层202中形成较深的光电二极管区203后，可以提高低压光电二极管收集光生电荷能力，进而提高感光灵敏度。

步骤203在所述第一栅极结构另一侧的所述第二栅极结构两侧注入掺杂离子形成第一浮置扩散区和第二浮置扩散区；

具体地，如图4d所示，在所述第二栅极结构上形成图案掩膜层，暴露第二栅极结构两侧的源漏，在所述源漏进行大量n+型杂质离子，在所述源漏区形成第一浮置扩散区FD215和第二浮置扩散区FD205，其中所述第一浮置扩散区FD215靠近所述第二栅极结构。

步骤204在所述外延层上方形成接触孔蚀刻停止层；

具体地，在所述外延层上方形成接触孔蚀刻停止层，作为优选，如图4e所示，在整个外延层上方沉积接触孔蚀刻停止层213，以覆盖所述栅极结构以及外延层202等，所述接触孔蚀刻停止层213可以选用本领常用绝缘材料或其他硬掩膜材料，例如在本发明中可以优选氮化硅，所述沉积方法可以为选用本领域常用方法。作为优选，在沉积所述接触孔停止层之前还可以在所述第一浮置扩散区上方形成金属硅化物层：具体地，在所述第一浮置扩散区上方沉积金属层，进行一热工艺，以使接触该金属层的外延层表面形成金属硅化物层，然后去除未反应的该金属层，在所述第二栅极结构上以同样的方法形成金属硅化物层214以降低接触电阻，在形成所述金属硅化物层214后，然后再沉积所述接触孔蚀刻停止层。

步骤205沉积层间介质层；

具体地，在所述接触孔蚀刻停止层213上方沉积层间介质层207，如图4f所示。

步骤206在所述层间介质层中所述第一浮置扩散区和所述第二栅极结构中金属硅化物层上方分别形成第一接触塞和第二接触塞；

具体地，在所述层间介质层207上形成图案掩膜层，以所述图案掩膜层为掩膜进行蚀刻，在层间介质层207中形成第一接触孔和第二接触孔，然后沉积传导材料以填充所述第一接触孔和第二接触孔中，并进行平坦化，以形成第一接触塞和第二接触塞，如图4g所示。

步骤207在所述层间介质层上形成导线，以电连接所述第一接触塞和第二接触塞，如图2b所示。

本发明所述的CMOS图像传感器包含硅衬底及外延层、光电二极管、传输晶体管和浮置扩散区。其中在浮置扩散区源/漏掺杂(N+)上面，通过MOS栅极形成MOS电容，在MOS栅极下面加入高剂量掺杂(N+)，增加电容量，进而减少噪声并增加对PD的电荷接收量，提高饱和水平。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (12)

1.一种CMOS图像传感器，包括：

半导体衬底以及位于所述衬底上的外延层；

第一栅极结构和第二栅极结构，位于所述外延层上；

光电二极管区，形成于所述外延层中；

第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，位于所述第二栅极结构两侧；

层间介质层，形成于所述第一栅极结构、所述第二栅极结构和外延层上方；

第一接触塞和第二接触塞，位于所述层间介质层中，其中，所述第一接触塞位于所述第一浮置扩散区上方并与所述第一浮置扩散区电连接，所述第二接触塞位于与所述第二栅极结构上方，并与所述第二栅极结构电连接；

导线，位于所述层间介质层上，并与所述第一接触塞和所述第二接触塞电连接；

所述第一浮置扩散区通过第一接触塞、导线、第二接触塞与所述第二栅极结构形成的电容相连，用于增加第一浮置扩散区电容量；

所述第二栅极结构下方的所述第一浮置扩散区和所述第二浮置扩散区之间具有与所述第一浮置扩散区和第二浮置扩散区同型高剂量掺杂区，以增加所述第二栅极结构电容的电容量。

2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述高剂量掺杂能量和剂量与MOS调整阈值电压的掺杂的能量和剂量相同。

3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括位于整个外延层上方的接触孔蚀刻停止层。

4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第一接触塞与所述第一浮置扩散区之间具有金属硅化物层。

5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第一栅极结构和所述第二栅极结构包括栅绝缘层、栅材料层以及金属硅化物层。

6.根据权利要求5所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述栅材料层为多晶硅材料层。

7.一种制备权利要求1所述CMOS图像传感器的方法，包括：

提供半导体衬底并在所述半导体衬底上形成外延层；

在所述外延层上形成第一栅极结构和第二栅极结构；

在所述第一栅极结构的一侧注入掺杂离子形成光电二极管区；

在所述第一栅极结构的另一侧的所述第二栅极结构两侧注入掺杂离子形成第一浮置扩散区和第二浮置扩散区；

沉积层间介质层；

在所述层间介质层中所述第一浮置扩散区上方和所述第二栅极结构上方分别形成第一接触塞和第二接触塞；

在所述层间介质层上形成导线，以电连接所述第一接触塞和第二接触塞；

所述方法还包括在所述第一浮置扩散区和第二浮置扩散区之间注入与所述第一浮置扩散区和第二浮置扩散区同型高剂量掺杂的步骤；所述高剂量掺杂能量和剂量与MOS调整阈值电压的掺杂相同。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在整个所述半导体衬底上方形成接触孔蚀刻停止层。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在沉积层间介质层之前还包括在所述第一浮置扩散区上方形成金属硅化物层的步骤。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一栅极结构和所述第二栅极结构的形成步骤包括：

在所述外延层上方沉积栅极绝缘层；

在所述栅极绝缘层上沉积栅极材料层；

在所述栅极材料层上方沉积金属硅化物层。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

在所述第一栅极结构两侧形成LDD区。

12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一接触塞和第二接触塞的形成方法为：

蚀刻所述层间介质层，在所述第一浮置扩散区上方和与所述第二浮置扩散区对应的接触孔蚀刻停止层上方形成第一接触孔和第二接触孔，填充导电材料并进行平坦化步骤，形成第一接触塞和第二接触塞。