CN104201182A - 一种背照式图像传感器像素及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种背照式图像传感器像素及其制作方法，图像传感器像素中，复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管制作在半导体基体的正面，电荷传输晶体管制作在半导体基体的内部，光电二极管制作在晶体管器件下方的半导体基体中；电荷传输晶体管的沟道包括漂浮有源区、N型离子区、光电二极管N型区三部分，三部分相互接触，并且N型离子区位于漂浮有源区下方，光电二极管N型区位于N型离子区下方；相邻像素的光电二极管之间设置有P型离子隔离区。光电二极管最大程度地占据了整个像素面积，扩大了光电二极管有源区的填充率，有效提高了背照式图像传感器像素的感光灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器像素，尤其涉及一种背照式图像传感器像素及其制作方法。
背景技术
图像传感器包括前照式图像传感器和背照式图像传感器两种结构，背照式图像传感器一般会采用小面积的像素，以便节省芯片面积，降低生产成本。随着像素单元面积的减小，像素的感光灵敏度参数越来越受到关注，像素感光灵敏度主要与像素中的光电二极管面积相关，光电二极管面积占据像素面积的比例越高，相比相同面积像素的感光灵敏度就会越高。
现有技术中的背照式图像传感器所采用的像素结构，如图1所示。图1中，101为光电二极管区域，101'为相邻像素的光电二极管区，102为P型阱区，103为P型离子隔离区，用来隔离相邻的光电二极管，104为电荷传输晶体管，105为复位晶体管，106为源跟随晶体管，107为选择晶体管；其中，P-epi为半导体基体，STI为逻辑工艺中的浅槽隔离区，N+区为晶体管器件源漏有源区。图1所示，晶体管器件制作在半导体正面，光电二极管区域与晶体管器件区域各占据一定面积，入射光线从背面射入光电二极管101中。
现有技术中的背照式图像传感器像素结构中，制作在硅基体正面的晶体管器件占据了像素的一定面积，因此挤占了光电二极管在像素中的面积比例；从背面入射而来的光线有一部分会射入到图1所示的晶体管器件区域，而不会射入到101区，从而引起入射光损失，降低了像素的感光灵敏度。
发明内容
本发明的目的是提供一种高感光灵敏度的背照式图像传感器像素及其制作方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的背照式图像传感器像素，包括光电二极管、电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，所述复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管制作在半导体基体的正面，所述电荷传输晶体管制作在半导体基体的内部，所述光电二极管制作在晶体管器件下方的半导体基体中；
所述电荷传输晶体管的沟道包括漂浮有源区、N型离子区、光电二极管N型区三部分，三部分相互接触，并且N型离子区位于漂浮有源区下方，光电二极管N型区位于N型离子区下方；
相邻像素的光电二极管之间设置有P型离子隔离区。
本发明的上述的背照式图像传感器像素的制作方法，所述P型离子隔离区、光电二极管N型区、N型离子区的工艺制作在浅槽隔离工艺之前，包括步骤：
a、旋涂光刻胶并显影，在预定区域开口，其开口宽度为0.1um～0.3um；
b、P型离子注入，注入区深度大于等于1.5um，注入区P型离子浓度为1E+17Atom/cm3～1E+18Atom/cm3；
c、清洗光刻胶，将硅体表面上光刻胶全部去掉，P型离子隔离区形成；
d、旋涂光刻胶并显影，在预定区域开口；
e、N型离子注入，注入区距离半导体基体表面大于等于0.6um，注入区N型离子浓度为5E+15Atom/cm3～1E+18Atom/cm3；
f、清洗光刻胶，将硅体表面上光刻胶全部去掉，光电二极管N型离子区形成；
g、旋涂光刻胶并显影，在预定区域开口；
h、N型离子注入，注入区上与漂浮有源区接触，下与光电二极管N型离子区接触，此注入区离子浓度5E+15Atom/cm3～5E+17Atom/cm3；
i、清洗光刻胶，将硅体表面上光刻胶全部去掉，所述N型离子区形成。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的背照式图像传感器像素及其制作方法，由于晶体管器件制作在半导体基体正面，没有挤占光电二级，光电二极管最大程度地占据了整个像素面积，填充率最大化。因此，本发明扩大了光电二极管有源区的填充率，有效提高了背照式图像传感器像素的感光灵敏度。
附图说明
图1是现有技术中的背照式图像传感器像素的切面示意图。
图2是本发明的背照式图像传感器像素的切面示意图。
图3是从背面方向看本发明背照式图像传感器像素的平面示意图。
图4是从正面方向看本发明背照式图像传感器像素的平面示意图。
图5是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成P型离子隔离区前的切面示意图。
图6是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成P型离子隔离区步骤中的旋涂光刻胶并显影示意图。
图7是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成P型离子隔离区步骤中的P型离子注入示意图。
图8是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成P型离子隔离区步骤中的清洗光刻胶示意图。
图9是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成光电二极管N型区步骤中的旋涂光刻胶并显影示意图。
图10是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成光电二极管N型区步骤中的N型离子注入示意图。
图11是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成光电二极管N型区步骤中的清洗光刻胶示意图。
图12是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成N型离子区步骤中的旋涂光刻胶并显影示意图。
图13是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成N型离子区步骤中的N型离子注入示意图。
图14是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成N型离子区步骤中的清洗光刻胶示意图。
图15是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成电荷传输晶体管栅极前的切面示意图。
图16是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成电荷传输晶体管栅极步骤中的淀积氮化硅保护层示意图。
图17是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成电荷传输晶体管栅极步骤中的旋涂光刻胶并显影示意图。
图18是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成电荷传输晶体管栅极步骤中的干法离子刻蚀氮化硅示意图。
图19是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成电荷传输晶体管栅极步骤中的清洗光刻胶示意图。
图20是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成电荷传输晶体管栅极步骤中的干法离子刻蚀硅基体示意图。
图21是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成电荷传输晶体管栅极步骤中的生成薄氧层示意图。
图22是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成电荷传输晶体管栅极步骤中的淀积多晶硅示意图。
图23是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成电荷传输晶体管栅极步骤中的化学机械研磨示意图。
图24是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成电荷传输晶体管栅极步骤中的干法离子刻蚀氮化硅保护层示意图。
图25是本发明的背照式图像传感器像素制作工艺中的形成电荷传输晶体管栅极完毕时的示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
本发明的背照式图像传感器像素，其较佳的具体实施方式是：
包括光电二极管、电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，所述复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管制作在半导体基体的正面，所述电荷传输晶体管制作在半导体基体的内部，所述光电二极管制作在晶体管器件下方的半导体基体中；
所述电荷传输晶体管的沟道包括漂浮有源区、N型离子区、光电二极管N型区三部分，三部分相互接触，并且N型离子区位于漂浮有源区下方，光电二极管N型区位于N型离子区下方；
相邻像素的光电二极管之间设置有P型离子隔离区。
所述光电二极管N型区距离半导体基体表面大于等于0.6um，所述电荷传输晶体管的栅极多晶硅在半导体基体中的深度为0.4um～1um，所述电荷传输晶体管的栅极多晶硅在半导体基体中的宽度大于等于漂浮有源区的宽度，所述电荷传输晶体管的栅极多晶硅在半导体基体中的厚度为0.1um～0.2um。
所述光电二极管为N型光电二极管，所述电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管为N型晶体管。
所述光电二极管N型区与电荷传输晶体管的沟道的交叠区小于等于0.2um，并且与相邻像素的电荷传输晶体管的栅极的距离至少0.1um；
所述P型离子隔离区位于电荷传输晶体管栅极多晶硅下方，所述P型离子隔离区深度大于等于1.5um，宽度为0.1um～0.3um；
所述光电二极管N型区与P型离子隔离区的距离大于等于0.05um。
所述N型离子区的N型离子浓度为5E+15Atom/cm3～5E+17Atom/cm3，所述光电二极管N型区的N型离子浓度为5E+15Atom/cm3～1E+18Atom/cm3，所述P型离子隔离区的P型离子浓度为1E+17Atom/cm3～1E+18Atom/cm3。
所述N型离子是磷离子或砷离子，所述P型离子为硼离子。
本发明的上述的背照式图像传感器像素的制作方法，其较佳的具体实施方式是：
所述P型离子隔离区、光电二极管N型区、N型离子区的工艺制作在浅槽隔离工艺之前，包括步骤：
a、旋涂光刻胶并显影，在预定区域开口，其开口宽度为0.1um～0.3um；
b、P型离子注入，注入区深度大于等于1.5um，注入区P型离子浓度为1E+17Atom/cm3～1E+18Atom/cm3；
c、清洗光刻胶，将硅体表面上光刻胶全部去掉，P型离子隔离区形成；
d、旋涂光刻胶并显影，在预定区域开口；
e、N型离子注入，注入区距离半导体基体表面大于等于0.6um，注入区N型离子浓度为5E+15Atom/cm3～1E+18Atom/cm3；
f、清洗光刻胶，将硅体表面上光刻胶全部去掉，光电二极管N型离子区形成；
g、旋涂光刻胶并显影，在预定区域开口；
h、N型离子注入，注入区上与漂浮有源区接触，下与光电二极管N型离子区接触，此注入区离子浓度5E+15Atom/cm3～5E+17Atom/cm3；
i、清洗光刻胶，将硅体表面上光刻胶全部去掉，所述N型离子区形成。
所述电荷传输晶体管的栅极多晶硅工艺制作在浅槽隔离工艺之后，并制作在晶体管器件多晶硅栅工艺之前，包括步骤：
a1、淀积氮化硅保护层，其厚度为150nm～200nm；
b1、旋涂光刻胶并显影，在预定区域开口，其开口宽度为0.1um～0.2um；
c1、干法离子刻蚀，将光刻胶开口出裸露的氮化硅刻蚀掉；
d1、清洗光刻胶，将氮化硅表面上的光刻胶全部去掉；
e1、干法离子刻蚀，刻蚀裸露的硅体，刻蚀深度为0.4um～1um，形成硅缺口；
f1、氧气环境下，高温加热，其温度为650摄氏度～850摄氏度，在裸露的硅体表面生成一层薄氧化物，氧化物厚度为4nm～15nm；
g1、淀积多晶硅，将硅缺口填平；
h1、化学机械研磨，将氮化硅保护层上面的多晶硅研磨去掉；
i1、干法离子刻蚀，将氮化硅保护层去掉，电荷传输晶体管的栅极形成。
本发明的背照式图像传感器像素及其制作方法，像素结构中将复位晶体管、源跟随晶体管和选择晶体管制作在半导体基体正面，电荷传输晶体管制作在半导体基体内部，光电二极管制作在晶体管器件下方的半导体基体中。由于晶体管器件制作在半导体基体正面，没有挤占光电二级，光电二极管最大程度地占据了整个像素面积，填充率最大化。因此，本发明扩大了光电二极管有源区的填充率，有效提高了背照式图像传感器像素的感光灵敏度。
具体实施例：
本发明优化了背照式图像传感器像素的结构，使光电二极管最大程度地占据像素面积，即光电二极管的填充率最大化。提高了背照式图像传感器像素的感光灵敏度。
图2所示，为本发明的背照式图像传感器像素切面示意图。图2中，201为光电二极管N型电荷收集区，201'为相邻像素的光电二极管N型电荷收集区，202为逻辑P型离子阱区，203为P型离子隔离区，204为电荷传输晶体管，204'为相邻像素的电荷传输晶体管，205为复位晶体管，206为源跟随晶体管，207为选择晶体管，208为N型离子区，208'为相邻像素的N型离子区，209为薄氧化层。其中，FD为漂浮有源区，FD'为相邻像素的漂浮有源区，Vdd为电源电压，STI为浅槽隔离区，N+区为晶体管源漏有源区，P-epi为硅的P型外延层半导体基体。所述光电二极管为N型光电二极管，所述205～207为N型晶体管并且制作在半导体基体正面，所述204制作在半导体基体内部。光电二极管201制作在晶体管器件下方的半导体基体中；201的沟道由漂浮有源区FD、208、201部分三部分组成，三者相互接触，并且208位于FD下方，201位于208下方；相邻像素的201和201'之间设置有P型离子隔离区203。所述光电二极管为N型光电二极管，204～207为N型晶体管，208和208'区的N型离子浓度为5E+15Atom/cm3～5E+17Atom/cm3；201与204沟道的交叠区域小于等于0.2um，201与204'的栅极多晶硅的距离至少0.1um，201区的N型离子浓度为5E+15Atom/cm3～1E+18Atom/cm3，201区距离半导体基体正表面大于等于0.6um；204的栅极多晶硅在半导体基体中的深度为0.4um～1um，其宽度大于等于FD的宽度，其厚度为0.1um～0.2um；203区的深度大于等于1.5um，宽度为0.1um～0.3um，P型离子浓度为1E+17Atom/cm3～1E+18Atom/cm3，203区位于电荷传输晶体管204栅极多晶硅下方，203区与201区的距离大于等于0.05um。所述N型离子可以是磷离子也可以是砷离子，所述P型离子为硼离子。
图3是在图2的背面方向看本发明的图像传感器像素的平面示意图。其中301标记的是本发明的像素单元，从背面方向看到的，201和201'为光电二极管N型区域，光电二极管之间的203区为P型离子隔离区。
图4是在图2的正面方向看本发明的图像传感器像素的平面示意图。其中，204～207与图2中的204～207对应，203与图2和图3中的203对应，FD、Vdd、输出、STI、FD'分别与图2中的FD、Vdd、输出、STI、FD'对应；301为标记本发明像素单元，与图3中的301标记的位置相同。
所述P型离子隔离区203、光电二极管N型区201、N型离子区208的工艺制作在浅槽隔离区工艺之前，如图5所示。其步骤如下：
首先，旋涂光刻胶并显影，在预定区域开口，其开口宽度为0.1um～0.3um，如图6所示；
进一步，P型离子注入，注入区深度大于等于1.5um，注入区P型离子浓度为1E+17Atom/cm3～1E+18Atom/cm3，如图7所示，其中203为P型离子隔离区；
进一步，清洗光刻胶，将硅体表面上光刻胶全部去掉，P型离子隔离区形成，如图8所示；
进一步，旋涂光刻胶并显影，在预定区域开口，如图9所示；
进一步，N型离子注入，注入区距离半导体基体表面大于等于0.6um，注入区N型离子浓度为5E+15Atom/cm3～1E+18Atom/cm3，如图10所示，其中201和201'为光电二极管N型区；
进一步，清洗光刻胶，将硅体表面上光刻胶全部去掉，光电二极管N型离子区形成，如图11所示；
进一步，旋涂光刻胶并显影，在预定区域开口，如图12所示；
进一步，N型离子注入，注入区上与漂浮有源区接触，下与光电二极管N型离子区接触，此注入区离子浓度5E+15Atom/cm3～5E+17Atom/cm3，如图13所示，其中208和208'为N型离子区；
进一步，清洗光刻胶，将硅体表面上光刻胶全部去掉，所述N型离子区形成，如图14所示；
所述P型离子隔离区203、光电二极管N型区201、N型离子区208的工艺制作完毕。
所述电荷传输晶体管204的栅极多晶硅工艺制作在浅槽隔离工艺之后，并制作在晶体管器件多晶硅栅工艺之前，如图15所示，STI为浅槽隔离区，202为逻辑P型区；其步骤如下：
首先，淀积氮化硅保护层，其厚度为150nm～200nm，如图16所示；
进一步，旋涂光刻胶并显影，在预定区域开口，其开口宽度为0.1um～0.2um，如图17所示；
进一步，干法离子刻蚀，将光刻胶开口出裸露的氮化硅刻蚀掉，如图18所示；
进一步，清洗光刻胶，将氮化硅表面上的光刻胶全部去掉，如图19所示；
进一步，干法离子刻蚀，刻蚀裸露的硅体，刻蚀深度为0.4um～1um，形成硅缺口，如图20所示；
进一步，氧气环境下，高温加热，其温度为650摄氏度～850摄氏度，在裸露的硅体表面生成一层薄氧化物，氧化物厚度为4nm～15nm，如图21所示，其中209为薄氧化物层；
进一步，淀积多晶硅，将硅缺口填平，如图22所示；
进一步，化学机械研磨，将氮化硅保护层上面的多晶硅研磨去掉，如图23所示；
进一步，干法离子刻蚀，将氮化硅保护层去掉，电荷传输晶体管的栅极形成，如图24所示；
所述电荷传输晶体管204的栅极多晶硅工艺制作完毕，制作完毕后的示意图如图25所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种背照式图像传感器像素，包括光电二极管、电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，其特征在于，所述复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管制作在半导体基体的正面，所述电荷传输晶体管制作在半导体基体的内部，所述光电二极管制作在晶体管器件下方的半导体基体中；
所述电荷传输晶体管的沟道包括漂浮有源区、N型离子区、光电二极管N型区三部分，三部分相互接触，并且N型离子区位于漂浮有源区下方，光电二极管N型区位于N型离子区下方；
相邻像素的光电二极管之间设置有P型离子隔离区。
2.根据权利要求1所述的背照式图像传感器像素，其特征在于，所述光电二极管N型区距离半导体基体表面大于等于0.6um，所述电荷传输晶体管的栅极多晶硅在半导体基体中的深度为0.4um～1um，所述电荷传输晶体管的栅极多晶硅在半导体基体中的宽度大于等于漂浮有源区的宽度，所述电荷传输晶体管的栅极多晶硅在半导体基体中的厚度为0.1um～0.2um。
3.根据权利要求2所述的背照式图像传感器像素，其特征在于，所述光电二极管为N型光电二极管，所述电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管为N型晶体管。
4.根据权利要求3所述的背照式图像传感器像素，其特征在于，所述光电二极管N型区与电荷传输晶体管的沟道的交叠区小于等于0.2um，并且与相邻像素的电荷传输晶体管的栅极的距离至少0.1um；
所述P型离子隔离区位于电荷传输晶体管栅极多晶硅下方，所述P型离子隔离区深度大于等于1.5um，宽度为0.1um～0.3um；
所述光电二极管N型区与P型离子隔离区的距离大于等于0.05um。
5.根据权利要求4所述的背照式图像传感器像素，其特征在于，所述N型离子区的N型离子浓度为5E+15Atom/cm3～5E+17Atom/cm3，所述光电二极管N型区的N型离子浓度为5E+15Atom/cm3～1E+18Atom/cm3，所述P型离子隔离区的P型离子浓度为1E+17Atom/cm3～1E+18Atom/cm3。
6.根据权利要求5所述的背照式图像传感器像素，其特征在于，所述N型离子是磷离子或砷离子，所述P型离子为硼离子。
7.一种权利要求1至14任一项所述的背照式图像传感器像素的制作方法，其特征在于，所述P型离子隔离区、光电二极管N型区、N型离子区的工艺制作在浅槽隔离工艺之前，包括步骤：
a、旋涂光刻胶并显影，在预定区域开口，其开口宽度为0.1um～0.3um；
b、P型离子注入，注入区深度大于等于1.5um，注入区P型离子浓度为1E+17Atom/cm3～1E+18Atom/cm3；
c、清洗光刻胶，将硅体表面上光刻胶全部去掉，P型离子隔离区形成；
d、旋涂光刻胶并显影，在预定区域开口；
e、N型离子注入，注入区距离半导体基体表面大于等于0.6um，注入区N型离子浓度为5E+15Atom/cm3～1E+18Atom/cm3；
f、清洗光刻胶，将硅体表面上光刻胶全部去掉，光电二极管N型离子区形成；
g、旋涂光刻胶并显影，在预定区域开口；
h、N型离子注入，注入区上与漂浮有源区接触，下与光电二极管N型离子区接触，此注入区离子浓度5E+15Atom/cm3～5E+17Atom/cm3；
i、清洗光刻胶，将硅体表面上光刻胶全部去掉，所述N型离子区形成。
8.根据权利要求7所述的背照式图像传感器像素的制作方法，其特征在于，所述电荷传输晶体管的栅极多晶硅工艺制作在浅槽隔离工艺之后，并制作在晶体管器件多晶硅栅工艺之前，包括步骤：
a1、淀积氮化硅保护层，其厚度为150nm～200nm；
b1、旋涂光刻胶并显影，在预定区域开口，其开口宽度为0.1um～0.2um；
c1、干法离子刻蚀，将光刻胶开口出裸露的氮化硅刻蚀掉；
d1、清洗光刻胶，将氮化硅表面上的光刻胶全部去掉；
e1、干法离子刻蚀，刻蚀裸露的硅体，刻蚀深度为0.4um～1um，形成硅缺口；
f1、氧气环境下，高温加热，其温度为650摄氏度～850摄氏度，在裸露的硅体表面生成一层薄氧化物，氧化物厚度为4nm～15nm；
g1、淀积多晶硅，将硅缺口填平；
h1、化学机械研磨，将氮化硅保护层上面的多晶硅研磨去掉；
i1、干法离子刻蚀，将氮化硅保护层去掉，电荷传输晶体管的栅极形成。
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