CN104078472A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CMOS图像传感器及其制造方法。在所述光电二极管区形成锗浓度渐变的硅锗层，从而提高了光学生成效率，在较弱的光下也容易激发出电流，提高了CMOS图像传感器的使用效率。

Description

CMOS图像传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造及光电成像技术领域，特别涉及一种CMOS图像传感器（image sensor）及其制造方法。

背景技术

传统的图像传感器主要是电荷耦合传感器（CCD），但是其具有制造复杂、价格高昂等缺陷，导致其不能够符合大规模生产的需要。

近年来，CMOS图像传感器由于其低能耗以及相对少的光刻工艺步骤使其制造工艺相对简单而被人关注。而且CMOS图像传感器允许控制电路、信号处理电路和模数转换器被集成在芯片上，使其可以适用于各种尺寸的产品中广泛使用于各种领域，因此CMOS图像传感器作为下一代图像处理器已成为不争的事实。

CMOS图像传感器主要包括光电二极管，其感光区的主要材料为硅，通过光照射激发电流，进而使得CMOS运作。

然而，随着像素尺寸的不断缩小以及环境的限制，例如光强度的变化，CMOS图像传感器在高端领域中的应用也将面临更大的挑战，例如当光较弱时，光电二极管激发的电流很小，乃至不被激发，此时其就不能够发挥应有的作用。因此，有必要对现有技术进行改进，以尽可能的提高量子效率（quantum efficiency）和转换增益（conversion gain）等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，以解决现有技术中的CMOS图像传感器使用局限性较大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种CMOS图像传感器的制造方法，包括：

提供衬底，所述衬底包括外延层，所述衬底包括光电二极管区；

在所述外延层中形成沟槽；

在所述沟槽中生长锗浓度逐渐变化的硅锗层；

在所述硅锗层上生长覆盖层。

可选的，对于所述的CMOS图像传感器的制造方法，所述沟槽位于所述光电二极管区。

可选的，对于所述的CMOS图像传感器的制造方法，所述锗浓度随着远离所述沟槽边缘而增大，同时随着远离所述覆盖层而增大。

可选的，对于所述的CMOS图像传感器的制造方法，所述锗浓度为7.5E21/cm³～2.1E22/cm³。

可选的，对于所述的CMOS图像传感器的制造方法，所述沟槽为Σ形或U形。

可选的，对于所述的CMOS图像传感器的制造方法，所述硅锗层采用外延生长形成。

可选的，对于所述的CMOS图像传感器的制造方法，在生长硅锗层的同时进行光电二极管区离子注入。

可选的，对于所述的CMOS图像传感器的制造方法，在形成沟槽前，还包括如下步骤：

在所述外延层中形成浅沟道隔离；以及

在所述外延层上形成栅极结构。

可选的，对于所述的CMOS图像传感器的制造方法，所述光电二极管区位于所述浅沟道隔离和栅极结构之间。

可选的，对于所述的CMOS图像传感器的制造方法，所述覆盖层的材料为硅。

可选的，对于所述的CMOS图像传感器的制造方法，在生长覆盖层后，还包括如下工艺步骤：

对光电二极管区进行表层离子注入；

进行晶体二极管的源/漏区离子注入；

形成层间介质层覆盖所述衬底及栅极结构；以及

在所述层间介质层上形成后线层。

可选的，对于所述的CMOS图像传感器的制造方法，所述后线层包括依次形成的介质层、金属布线层、滤光层、平坦层及微透镜层。

本发明提供一种CMOS图像传感器，包括：

包括外延层的衬底，所述衬底具有光电二极管区；

形成于所述外延层中的硅锗层，所述硅锗层中锗的浓度逐渐变化；

覆盖所述硅锗层的覆盖层。

与现有技术相比，在本发明提供的CMOS图像传感器及其制造方法中，在所述光电二极管区形成锗浓度渐变的硅锗层，从而大大的提高了光学生成效率，这便在较弱的光下也容易激发出电流，提高了CMOS图像传感器的使用效率。

附图说明

图1为本发明实施例的CMOS图像传感器的制造方法的流程图；

图2～图6为本发明实施例的CMOS图像传感器的制造方法的过程示意图。

具体实施方式

在背景技术中已经提及，利用现有的方法制造CMOS图像传感器，会在一定程度上受到外界因素的制约，从而使得实用性降低。经发明人研究发现，在较弱的光照条件下，由于硅的带隙（band gap）较宽，光电激发效率有限，而锗具有比硅要窄的带隙，在相同光照条件下激发效率更高，此外，锗具有较高的折射率和低色散性，同时锗具有对红外透明的特性，因此能够接收更多的光子，故发明人考虑将锗应用到CMOS图像传感器中。

以下结合附图和具体实施例对本发明提供的CMOS图像传感器的制造方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1，本发明提供一种CMOS图像传感器的制造方法，主要包括如下过程：

步骤S101：提供衬底，所述衬底包括外延层，所述衬底具有光电二极管区；

步骤S102：在所述外延层中形成沟槽；

步骤S103：在所述沟槽中生长锗浓度逐渐变化的硅锗层；

步骤S104：在所述硅锗层上生长覆盖层覆盖所述沟槽。

具体的，如图2所示，在衬底1中经外延工艺生长轻掺杂的P型的外延层2，所述衬底1包括光电二极管区3，其中，所述衬底1由高掺杂的P型硅形成，此时光电二极管区3在外延层2中具有大而深的耗尽区，以提高用于收集电荷的低电压光电二极管的容量，并改善光敏性。

然后，如图3所示，在所述外延层2中形成浅沟道隔离（STI）4，用于不同区域的隔离。之后在所述外延层2上形成包括覆盖浅沟道隔离4的栅氧化层以及覆盖所述栅氧化层的导电层（例如可以是多晶硅层），并经过刻蚀工艺进行选择性去除，以获得栅极结构5。其中，所述浅沟道隔离4及栅极结构5分列于所述光电二极管区的外两侧（即光电二极管区位于所述浅沟道隔离4和栅极结构5之间）。

接着，如图3所示，在所述光电二极管区的外延层2中形成沟槽6，本实施例中，所述沟槽6的形状为Σ形，这里优选为使用湿法刻蚀和干法刻蚀结合的方法获得所述沟槽6。在其他可选的实施例中，也可以采用U形的沟槽。

请参考图4，在所述沟槽中形成硅锗层7，优选的，采用外延生长工艺形成，在本发明中，所述硅锗层7中锗的浓度含量是逐渐变化的，优选的，其遵循如下规律：所述锗浓度随着远离所述沟槽边缘而增大，在此需要说明的是，这里的沟槽边缘包括沟槽的开口处，即图4中靠近Σ形沟槽的6条边处的锗的含量要低于位于沟槽的中间区域71处的锗的含量。

在本发明中，以单位立方厘米中含锗的剂量为5E22定义为100%含锗，则所述硅锗层7中锗的含量优选为15%～42%，即所述锗的浓度为7.5E21/cm³～2.1E22/cm³。例如靠近沟槽边处的锗的浓度为8E21/cm³，自边缘向中心逐渐增加至2E22/cm³。

采用上述硅锗层能够有效的提高光学生成效率（optical generationefficiency），使得光电二极管受环境约束的影响大大降低，极大的提高了CMOS图像传感器的使用效率。

请继续参考图4，在生长硅锗层7的同时进行光电二极管区的离子注入。具体的，本实施例中采用磷注入，其剂量可以在1E12/cm³～1E16/cm³。

请参考图5，当硅锗层7形成后，紧接着形成一覆盖层8覆盖所述硅锗层7，所述覆盖层8的材料为硅，可以采用外延工艺形成，其厚度以覆盖住所述硅锗层7为宜，本发明在此并不做具体限定。

接着，如图6所示，当所述覆盖层7生长完成后，对光电二极管区3进行较浅的表层离子注入；再进行晶体二极管（图中光电二极管区3右侧的结构）的离子注入，即源/漏区的离子注入，形成源/漏区9。

接下来，可进行常规的工艺，例如继续形成层间介质层（以下未图示）覆盖所述衬底及栅极结构，在所述层间介质层上形成后线层（BEOL），包括依次形成的介质层、金属布线层、滤光层、平坦层及微透镜层等，此处不再赘述。

上述制造方法还能够与逻辑器件（logic devices）的制造过程有着良好的匹配，可以预料的是，当CMOS图像传感器的采用45nm以下工艺进行制作时，批量生产的程序将得到简化，从而提高生产效率。

根据上述制造方法，可以得到本发明的CMOS图像传感器，如图6所示，主要包括：

包括外延层2的衬底1，所述衬底1具有光电二极管区3；

形成于所述外延层2中的硅锗层7，所述硅锗层7中锗的浓度逐渐变化；

覆盖所述硅锗层7的覆盖层8。

上述实施例提供的CMOS图像传感器及其制造方法中，在所述光电二极管区形成锗浓度渐变的硅锗层，从而大大的提高了光学生成效率，这便在较弱的光下也容易激发出电流，提高了CMOS图像传感器的使用效率。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，包括：

提供衬底，所述衬底包括外延层，所述衬底包括光电二极管区；

在所述外延层中形成沟槽；

在所述沟槽中生长锗浓度逐渐变化的硅锗层；

在所述硅锗层上生长覆盖层。

2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述沟槽位于所述光电二极管区。

3.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述锗浓度随着远离所述沟槽边缘而增大，同时随着远离所述覆盖层而增大。

4.如权利要求3所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述锗浓度为7.5E21/cm³～2.1E22/cm³。

5.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述沟槽为Σ形或U形。

6.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述硅锗层采用外延生长形成。

7.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，在生长硅锗层的同时进行光电二极管区离子注入。

8.如权利要求7所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，在形成沟槽前，还包括如下步骤：

在所述外延层中形成浅沟道隔离；以及

在所述外延层上形成栅极结构。

9.如权利要求8所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述光电二极管区位于所述浅沟道隔离和栅极结构之间。

10.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述覆盖层的材料为硅。

11.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，在生长覆盖层后，还包括如下工艺步骤：

对光电二极管区进行表层离子注入；

进行晶体二极管的源/漏区离子注入；

形成层间介质层覆盖所述衬底及栅极结构；以及

在所述层间介质层上形成后线层。

12.如权利要求11所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述后线层包括依次形成的介质层、金属布线层、滤光层、平坦层及微透镜层。

13.一种CMOS图像传感器，利用如权利要求1～12中任意一项所述的制造方法形成，其特征在于，所述CMOS图像传感器包括：

包括外延层的衬底，所述衬底具有光电二极管区；

形成于所述外延层中的硅锗层，所述硅锗层中锗的浓度逐渐变化；

覆盖所述硅锗层的覆盖层。