CN104393008B - 具有斜面pn结结构的像元单元及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有斜面PN结结构的像元单元及其制造方法，该像元单元包括衬底和衬底上的PN结结构，衬底表面具有向上凸起的截面为多边形的多边形部，多边形部具有顶面，顶面包括至少两个相连的且表面朝上方或斜上方的斜面，PN结结构覆盖于顶面的表面。本发明实现了PN结结构的非平面效果，扩大了PN结的表面积，增大了光吸收的吸收面积，也增加了三角形结构之间的二次光学反射和吸收，从而提高像元单元的光吸收量。本发明可以提高整个CMOS影像传感器的光学灵敏度和清晰度，提升了芯片的性能和可靠性。

Description

具有斜面PN结结构的像元单元及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体器件的制造技术领域，尤其涉及一种具有斜面PN结结构的像元单元及其制造方法。

背景技术

CMOS影像传感器(简称CIS)由于其与CMOS工艺兼容的特点，从而得到快速发展。相对于CCD工艺，其工艺完全与CMOS工艺兼容，其通过将光敏二极管和CMOS处理电路一起制作在硅衬底上，在保证性能的基础上大幅度降低了成本，同时可以大幅度提高集成度，制造像素更高的产品。

传统CIS像元单元(或称像元结构、像素单元)一般为平面结构，即平面P型材料上沉积N型材料或N型材料上沉积P型材料形成PN结，这种平面PN结结构的光吸收面积受限于像元单元PN结的平面面积，扩大平面的面积会提高成本。

为了增大PN结平面面积以提高光吸收能力，提高器件性能，公开号为CN102226996A的中国专利申请提供了一种CMOS影像传感器及其制造方法，该影像传感器在衬底上布置了CMOS处理电路结构，并且在CMOS处理电路结构上布置了金属假图形，以及通过第一导电类型非晶硅材料和第二导电类型非晶硅材料接触而形成的光敏二极管PN结。该发明通过利用不作任何电连接使用的金属假图形，来使光敏二极管PN结形成凹凸状接触，从而增加PN结的面积和耗尽层体积。

然而，上述专利申请亦受平面型结构的PN结所限，其光吸收面积仍然较小，影响光吸收效率和器件性能，如果通过高电压将耗尽层宽度、厚度拉大，那么高电压又会带来功耗、工艺等等问题。

如何提供一种具有非平面型结构的PN结结构的像元单元及其制造方法，增大光吸收面积，来提高光吸收量，从而提高器件性能，是本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。

发明内容

本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提供一种具有斜面PN结结构的像元单元及其制造方法，以增大光吸收面积，提高光吸收量，从而提高器件性能。

为实现上述目的，本发明提供一种具有斜面PN结结构的像元单元，其包括衬底和衬底上的PN结结构，所述衬底表面具有向上凸起的截面为多边形的多边形部，所述多边形部具有顶面，所述顶面包括至少两个相连的且表面朝上方或斜上方的斜面，所述PN结结构覆盖于所述顶面的表面。

进一步地，所述多边形部的顶面包括两个相交的斜面以形成三角形部或包括两个斜面及其中间的平面以形成梯形部。

进一步地，所述三角形部的底边或梯形部的底边与所述衬底表面相平或与所述衬底表面之间还具有中间层。

本发明还提供一种具有斜面PN结结构的像元单元的制造方法，其包括以下步骤：

步骤S101，提供一像元单元，所述像元单元具有露出的衬底以及衬底上图形化后的光刻胶条；

步骤S102，用碱性药液刻蚀露出的衬底，所述碱性药液沿着光刻胶条两侧斜向刻蚀衬底，使衬底形成向上凸起的多边形部，所述多边形部具有顶面，所述顶面包括至少两个相连的且表面朝上方或斜上方的斜面；

步骤S103，在所述顶面上形成PN结结构。

进一步地，步骤S102中多边形部的截面为三角形或梯形，所述顶面包括两个相交的斜面或包括两个斜面及其中间的平面。

进一步地，所述碱性药液是TMAH、KOH。

进一步地，步骤S103包括通过离子注入、扩散或原位掺杂的外延工艺。

进一步地，步骤S103形成的PN结结构包括上层P型材料层和下层N型材料层，或上层N型材料层和下层P型材料层，步骤S103还包括在所述多边形部的两侧衬底分别进行P型掺杂和N型掺杂而形成P型衬底和N型衬底，以分别与所述PN结结构的P型材料层和N型材料层电连接。

进一步地，步骤S103还包括在所述P型衬底、N型衬底和PN结结构的下方形成深阱隔离，以与周边像元单元相隔离。

本发明还提供另一种具有斜面PN结结构的像元单元的制造方法，其包括以下步骤：

步骤S201，提供一像元单元，所述像元单元具有露出的衬底；

步骤S202，刻蚀所述衬底，使衬底表面形成截面为方形的鳍形柱状条；

步骤S203，通过外延工艺，使所述鳍形柱状条的顶面和两个侧面外延生长，形成衬底向上凸起的多边形部，所述多边形部具有顶面，所述顶面包括至少两个相连的且表面朝上方或斜上方的斜面；

步骤S204，在所述顶面上形成PN结结构。

进一步地，步骤S203中多边形部包括顶部的三角形部或梯形部，所述顶面包括两个相交的斜面或包括两个斜面及其中间的平面。

进一步地，步骤S204包括通过离子注入、扩散或原位掺杂的外延工艺。

进一步地，步骤S204形成的PN结结构包括上层P型材料层和下层N型材料层，或上层N型材料层和下层P型材料层，步骤S204还包括在所述PN结结构上方形成接触孔，且所述接触孔的掺杂类型与PN结结构的上层材料相同，以使PN结结构的上层材料与接触孔电连接，且所述衬底与多边形部的掺杂类型均与PN结结构的下层材料相同，以使PN结结构的下层材料与多边形部以及衬底电连接。

进一步地，步骤S203中所述三角形部的底边或梯形部的底边与所述衬底表面之间还具有中间层，所述中间层两侧内凹，步骤S204还包括在所述内凹处下方的衬底上形成PN结结构，并在所述多边形部的两侧衬底分别进行P型掺杂和N型掺杂而形成P型衬底和N型衬底，以分别与内凹处下方衬底上的PN结结构的P型材料层和N型材料层电连接。

进一步地，步骤S204还包括在所述P型衬底、N型衬底和PN结结构的下方形成深阱隔离，以与周边像元单元相隔离。

本发明提供的具有斜面PN结结构的像元单元及其制造方法，与CMOS工艺兼容，通过柱状条上外延生成或者通过碱性药液刻蚀衬底形成多边形部，并在多边形部顶面的斜面上制备PN结结构，形成至少两个斜面的PN结结构，实现PN结结构的非平面效果，扩大了PN结的表面积，增大了光吸收的吸收面积，也增加了三角形结构之间的二次光学反射和吸收，从而提高像元单元的光吸收量。本发明可以提高整个CMOS影像传感器的光学灵敏度和清晰度，提升了芯片的性能和可靠性。

附图说明

为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细描述，其中：

图1a至1c分别为本发明第一实施例像元单元制造方法的各步骤局部剖面示意图；

图2a至2d分别为本发明第二实施例像元单元制造方法的各步骤局部剖面示意图；

图3为本发明第一实施例像元单元的剖面示意图；

图4为本发明第一实施例中PN结结构的电连接示意图；

图5为本发明第一实施例像元单元之间深阱隔离的结构示意图；

图6为本发明第二实施例像元单元的剖面示意图；

图7为本发明第二实施例中PN结结构的电连接示意图；

图8为本发明第二实施例像元单元之间深阱隔离的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1c和2d，分别是本发明像元单元中PN结结构的两个实施例结构示意图。

如图1c所示，第一实施例的具有斜面PN结结构的像元单元，其包括衬底11和衬底11上的PN结结构14，衬底11表面具有向上凸起的截面为三角形的三角形部13，三角形部13具有顶面，顶面包括两个相交的表面朝斜上方的斜面，PN结结构14覆盖于两个斜面的表面。其中，三角形部13的底边与衬底11表面相平。本实施例中，两个三角形部13紧挨在一起，形成连续的两个人字形PN结结构。本实施例的PN结结构为上层P型材料层142、下层N型材料层141的双层结构。

在其他实施例中，三角形部的顶面可以由两个斜面和两个斜面中间的平面构成，以形成梯形部，使PN结结构为对应的形状。

如图2d所示，第二实施例的具有斜面PN结结构的像元单元，其包括衬底21和衬底21上的PN结结构25，衬底21表面具有向上凸起的截面为三角形的三角形部241，三角形部241顶面，顶面包括两个相交的表面朝斜上方的斜面，PN结结构25覆盖于两个斜面的表面。其中，三角形部241的底边与衬底21表面之间还具有中间层部242，中间层部242的两侧内凹使截面呈倒梯形。从图中可见，三角形部241和中间层部242共同构成了衬底21表面向上凸起的五边形部24。本实施例的PN结结构为上层P型材料层252、下层N型材料层251的双层结构。

上述两个实施例实现了PN结结构的非平面效果，扩大了PN结的表面积，增大了光吸收的吸收面积，也增加了三角形结构之间的二次光学反射和吸收，如图1c和2d中的箭头示出的光线反射，从而提高像元单元的光吸收量。

请同时参阅图1a至1c，分别为本发明第一实施例像元单元制造方法的各步骤局部剖面示意图。本实施例的制造方法包括以下步骤：

步骤S101，提供一像元单元，像元单元具有露出的硅衬底11以及衬底上图形化后的光刻胶条12，如图1a所示。其中，露出的衬底11为方形或圆形表面。

步骤S102，用TMAH、KOH等本领域常用碱性药液刻蚀露出的硅衬底11，碱性药液沿着光刻胶条两侧斜向刻蚀衬底，由于常规衬底表面是100晶向，而111晶向的原子密度最大，所以碱性药液会沿着111晶向形成腐蚀面，而111晶向与100晶向的夹角为53度左右，从而使衬底表面形成沿111晶向53度角左右的形貌，形成向上凸起的截面为三角形的三角形部13，三角形部13的顶面包括两个相交且表面朝斜上方的斜面，如图1b所示。

步骤S103，在三角形部13的两个斜面上形成PN结结构14，如图1c所示。

其中，步骤S103包括通过离子注入、扩散或原位掺杂的外延工艺，形成的PN结结构包括上层P型材料层和下层N型材料层，或上层N型材料层和下层P型材料层。本实施例的PN结结构14包括上层P型材料层142和下层N型材料层141。

实际应用中，减少碱性药液的用量或腐蚀的时间，可使衬底表面形成具有平面的梯形形貌，随后制作的PN结结构也即为对应的形状。

实际应用中，本实施例的三角形PN结结构是在硅片的栅结构形成后制作的，而与CMOS工艺兼容。具体地，如图3所示，在栅结构形成之后，刻蚀露出衬底，并在衬底上按照上述步骤制作PN结结构，随后再进行后道工艺金属层、介质层、钝化层等的制作。

为了实现本实施例PN结结构的电连接，本实施例步骤S103中还包括在三角形部13的两侧衬底分别进行P型掺杂和N型掺杂而形成P型衬底111和N型衬底112的电连接引出部分，以分别与PN结结构14的P型材料层142和N型材料层141电连接，如图4所示。

为了实现相邻像元单元之间的隔离，本实施例步骤S103还包括在P型衬底、N型衬底和PN结结构的下方，即PN结结构接触的衬底以及电连接引出部分形成深阱隔离15，以与周边像元单元相隔离，如图5所示。

请接着同时参阅图2a至2d，分别为本发明第二实施例像元单元制造方法的各步骤局部剖面示意图。

步骤S201，提供一像元单元，像元单元具有露出的硅衬底21，如图2a所示。其中，露出的衬底21为方形或圆形表面。

步骤S202，在衬底21表面形成图形化的光刻胶22，如图2a所示，以光刻胶22为掩模利用干法刻蚀衬底21，使衬底21表面形成截面为方形的鳍形柱状条23，如图2b所示。

步骤S203，通过外延工艺，使鳍形柱状条23的顶面和两个侧面外延生长，形成五边形部24，五边形部24包括上半部截面为三角形的三角形部241以及下半部连接三角形部和下方衬底的中间层部242，三角形部241具有两个相连且表面朝斜上方的斜面，如图2c所示。

步骤S204，在三角形部241的两个斜面上形成PN结结构25，如图2d所示。

其中，步骤S204包括通过离子注入、扩散或原位掺杂的外延工艺，形成的PN结结构包括上层P型材料层和下层N型材料层，或上层N型材料层和下层P型材料层。本实施例的PN结结构25包括上层P型材料层252和下层N型材料层251。

实际应用中，本实施例的三角形PN结结构是在硅片的栅结构形成后制作的，而与CMOS工艺兼容。具体地，如图6所示，在栅结构形成之后，刻蚀露出衬底，并在衬底上按照上述步骤制作PN结结构，随后再进行后道工艺金属层、介质层、钝化层等的制作。

为了实现本实施例PN结结构的电连接，步骤S204还包括在PN结结构25上方形成接触孔26以及填充介质层27，且接触孔26的掺杂类型与PN结结构的上层P型材料252相同，以使PN结结构的上层P型材料252与接触孔26电连接；同时，在之前的步骤中，可以使衬底和多边形部的掺杂类型均与PN结结构的下层N型材料251相同，以使PN结结构的下层N型材料251与多边形部以及衬底电连接，从而实现PN结结构的电连接及引出。

本实施例中，由于多边形部的中间层部两侧内凹，在步骤S204进行PN结结构形成的过程中，内凹处下方的衬底也会形成PN结结构，因此，为了将该PN结结构实现电连接和引出，步骤S204还包括在五边形部24的两侧衬底分别进行P型掺杂和N型掺杂而形成P型衬底211和N型衬底212的电连接引出部分，以分别与内凹处下方衬底的PN结结构的P型材料层和N型材料层电连接，如图7所示。

为了实现相邻像元单元之间的隔离，本实施例步骤S204还包括在P型衬底、N型衬底和PN结结构的下方，即PN结结构接触的衬底以及电连接引出部分形成深阱隔离28，以与周边像元单元相隔离，如图8所示。

其中，本发明中的N型材料、P型材料、N型接触结构、P型接触结构均采用本领域常用的元素掺杂，如B、P、As等。形成的N型材料、P型材料可以是多晶硅，也可以是非晶硅。

Claims (4)

1.一种具有斜面PN结结构的像元单元，其特征在于：其包括衬底和衬底上的PN结结构，所述衬底表面具有向上凸起的截面为多边形的多边形部，所述多边形部具有顶面，所述顶面包括两个相交的斜面以形成三角形部或包括两个斜面及其中间的平面以形成梯形部，所述PN结结构覆盖于所述顶面的表面，所述三角形部或梯形部的底边与衬底表面之间还具有中间层部，所述中间层部的两侧内凹使截面呈倒梯形，所述三角形部和中间层部共同构成了衬底表面向上凸起的五边形部，其中，所述中间层部的内凹处下方的衬底也形成PN结结构，共同形成了PN结的三维结构。

2.一种具有斜面PN结结构的像元单元的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S201，提供一像元单元，所述像元单元具有露出的衬底；

步骤S202，刻蚀所述衬底，使衬底表面形成截面为方形的鳍形柱状条；

步骤S203，通过外延工艺，使所述鳍形柱状条的顶面和两个侧面外延生长，形成衬底向上凸起的多边形部，所述多边形部具有顶面，所述顶面包括两个相交的斜面以形成三角形部或包括两个斜面及其中间的平面以形成梯形部，所述多边形部还包括所述三角形部或梯形部的底边与衬底表面之间的中间层部，所述中间层部的两侧内凹使截面呈倒梯形，所述三角形部和中间层部共同构成了衬底表面向上凸起的五边形部；

步骤S204，在所述顶面上以及位于多边形部中间的内凹处下方的衬底上形成双层结构的PN结结构，共同形成了PN结的三维结构。

3.根据权利要求2所述的像元单元的制造方法，其特征在于：步骤S204形成的PN结结构包括上层P型材料层和下层N型材料层，或上层N型材料层和下层P型材料层，步骤S204还包括在所述PN结结构上方形成接触孔，且所述接触孔的掺杂类型与PN结结构的上层材料相同，以使PN结结构的上层材料与接触孔电连接，且所述衬底与多边形部的掺杂类型均与PN结结构的下层材料相同，以使PN结结构的下层材料与多边形部以及衬底电连接。

4.根据权利要求3所述的像元单元的制造方法，其特征在于：步骤S203中所述三角形部的底边或梯形部的底边与所述衬底表面之间还具有中间层，所述中间层两侧内凹，步骤S204还包括在所述内凹处下方的衬底上形成PN结结构，并在所述多边形部的两侧衬底分别进行P型掺杂和N型掺杂而形成P型衬底和N型衬底，以分别与内凹处下方衬底上的PN结结构的P型材料层和N型材料层电连接。