CN105140254A

CN105140254A - Cmos图像传感器结构及形成方法

Info

Publication number: CN105140254A
Application number: CN201510489892.0A
Authority: CN
Inventors: 饶金华
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2015-08-11
Filing date: 2015-08-11
Publication date: 2015-12-09

Abstract

本发明提供了一种CMOS图像传感器结构及形成方法。绝缘体上硅CMOS图像传感器结构包括：从下至上依次为晶圆背面吸杂层、作为支撑层的硅基底层、作为绝缘层的掩埋氧化物层、作为有源层的硅顶层、层间电介质和金属互连层；在硅顶层中形成器件单元和像素单元；像素单元中形成有光电二极管，传输管、复位管和源跟随管。其中，在所述硅顶层和层间电介质中形成有用于吸收杂质的附加吸杂结构，所述附加吸杂结构包围像素单元，所述吸杂结构能有效吸收硅顶层中的杂质，降低暗电流，提高图像质量。

Description

CMOS图像传感器结构及形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，更具体地说，本发明涉及一种以绝缘体上硅为衬底材料的CMOS图像传感器结构及形成方法。

背景技术

绝缘体上硅(SOI)衬底从下至上结构为晶圆背面吸杂层、作为支撑层的硅基底层、作为绝缘层的掩埋氧化物层、作为有源层的硅顶层。图1示意性地示出了根据现有技术的CMOS图像传感器结构的俯视图，图2示意性地示出了根据现有技术的CMOS图像传感器结构沿图1的线A-A’截取的截面图。

如图1和图2所示，根据现有技术的绝缘体上硅(SOI)晶圆上的CMOS图像传感器(CMOSImageSensor，CIS)结构包括从下至上依次为晶圆背面吸杂层10、作为支撑层的硅基底层20、作为绝缘层的掩埋氧化物层30、作为有源层的硅顶层40。在硅顶层40中形成有像素单元100，而且在像素单元100形成有传输管50、源跟随管60、复位管70和选择管80。其中，像素单元100中一般形成有被浅沟槽隔离(STI)结构41隔开的光电二极管42，传输管50和源跟随管60依次布置在光电二极管42的一侧；而且传输管50和源跟随管60之间布置有第一接触区51，源跟随管60相对于第一接触区51的一侧布置有第二接触区61。

如图2所示，由于绝缘体上硅晶圆有掩埋氧化物层30，掩埋氧化物层阻挡了杂质43(例如金属杂质)向晶圆背面吸杂层10的扩散(如图2中的虚线所示)，晶圆背面吸杂层10无法对顶层硅40中的杂质起到吸杂作用。硅顶层40中的杂质在工艺热处理过程中极易扩散到像素单元中的光电二极管区和晶体管接触区并被捕获，形成杂质能级，产生暗电流，影响图像质量。

对此，IBM提出了一种针对绝缘体上硅(SOI)晶圆顶层硅的吸杂方法(专利号US20020140030)，即在硅顶层中形成浅槽隔离(STI)结构后，通过干法蚀刻形成吸杂层沟槽，然后在吸杂层沟槽中填充多晶硅形成附加吸杂层结构。但是这种方法有很大的局限性，由于附加吸杂层结构在工艺初期形成，在随后的工艺过程中会经历很多的高温热处理过程。研究文献表明，多晶硅经过高温热处理后晶粒尺寸变大，吸杂能力大幅下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能够有效吸收杂质的绝缘体上硅晶圆上的CMOS图像传感器吸杂层结构及其形成方法。

为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种以绝缘体上硅为衬底材料的CMOS图像传感器结构，包括：从下至上依次为晶背吸杂层、作为支撑层的硅基底层、作为绝缘层的掩埋氧化物层、作为有源层的硅顶层、层间电介质和氧化物覆盖层；在硅顶层中形成有像素单元；像素单元中形成有光电二极管。而且传输管和源跟随管布置在光电二极管的一侧；而且在硅顶层中，传输管和源跟随管之间布置有第一接触区，源跟随管相对于第一接触区的一侧布置有第二接触区；其中，在所述硅顶层和层间电介质中形成有用于吸收杂质的附加吸杂结构，所述附加吸杂结构包围像素单元。

优选地，所述附加吸杂结构的材料是多晶硅。

优选地，所述附加吸杂结构是由与晶圆平面垂直的四个侧壁包围而成的结构，所述附加吸杂结构的与晶圆平面平行的截面是矩形。

优选地，所述附加吸杂结构的与晶圆平面平行的截面是圆形。

优选地，所述杂质是金属杂质。

根据本发明，还提供了一种绝缘体上硅晶圆上的CMOS图像传感器结构的形成方法，包括：

第一步骤：在绝缘体上硅衬底顶层硅中形成器件单元和像素单元，在像素单元中形成光电二极管、传输管、复位管和源跟随管；而且在硅顶层中在传输管和源跟随管之间布置第一接触区，在源跟随管相对于第一接触区的一侧布置第二接触区；

第二步骤：在第一步骤形成的结构上形成层间电介质；

第三步骤：对层间电介质和硅顶层进行刻蚀以形成包围像素单元的沟槽，沟槽与掩埋氧化物层接触；

第四步骤：在沟槽中填充多晶硅，以形成用于吸收杂质的附加吸杂结构；

第五步骤：在第四步骤形成的结构上形成氧化物覆盖层。

优选地，所述杂质是金属杂质。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1示意性地示出了根据现有技术的CMOS图像传感器结构的俯视图。

图2示意性地示出了根据现有技术的CMOS图像传感器结构沿图1的线A-A’截取的截面图。

图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的CMOS图像传感器结构的俯视图。

图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的CMOS图像传感器结构的沿图3的线B-B’截取的截面图。

图5示意性地示出了根据本发明优选实施例的CMOS图像传感器结构形成方法的流程图。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。

图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的CMOS图像传感器结构的俯视图。图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的CMOS图像传感器结构的沿图3的线B-B’截取的截面图。

如图3和图4所示，根据本发明优选实施例的以绝缘体上硅为衬底材料的CMOS图像传感器结构包括：从下至上依次为晶背吸杂层10、作为支撑层的硅基底层20、作为绝缘层的掩埋氧化物层30、作为有源层的硅顶层40、层间电介质91和氧化物覆盖层92。

在硅顶层40中形成有像素单元100，像素单元100中形成有光电二极管42，而且传输管50和源跟随管60布置在光电二极管42的一侧；而且在硅顶层40中，传输管50和源跟随管60之间布置有第一接触区51，源跟随管60相对于第一接触区51的一侧布置有第二接触区61。

其中，在所述硅顶层40和层间电介质91中形成有用于吸收杂质43(例如金属杂质)的附加吸杂结构93，所述附加吸杂结构93包围光电二极管42、传输管50、第一接触区51、源跟随管60和第二接触区61。

优选地，所述附加吸杂结构93的材料是多晶硅。

优选地，如图2所示，所述附加吸杂结构93是由与晶圆平面垂直的四个侧壁包围而成的结构。也就是说，所述附加吸杂结构93的与晶圆平面平行的截面是矩形。

当然，所述附加吸杂结构93的与晶圆平面平行的截面也可以是诸如圆形之类的任意适当形式。

这样，附加吸杂结构包围的区域内的杂质可有效地被附加吸杂结构吸收，如图4的虚线箭头所示，由此可以降低暗电流。

根据本发明，还提供了上述CMOS图像传感器吸杂层结构的形成方法。图5示意性地示出了根据本发明优选实施例的CMOS图像传感器结构形成方法的流程图。

如图5所示，根据本发明优选实施例的CMOS图像传感器结构形成方法包括：

第一步骤S1：形成基本器件结构；其中，从下至上依次为晶背布置吸杂层10、作为支撑层的硅基底层20、作为绝缘层的掩埋氧化物层30和作为有源层的硅顶层40，并且在硅顶层40中形成像素单元100，在像素单元100中形成光电二极管42，而且在光电二极管42的一侧布置传输管50和源跟随管60，而且在硅顶层40中在传输管50和源跟随管60之间布置第一接触区51，在源跟随管60相对于第一接触区51的一侧布置第二接触区61。

显然，可以采用现有技术中的任意适当方法和顺序形成上述结构。

第二步骤S2：在第一步骤S1形成的结构上形成层间电介质91；

第三步骤S3：对层间电介质91和硅顶层40进行刻蚀以形成包围像素单元的沟槽；沟槽与掩埋氧化物层30接触。

第四步骤S4：在沟槽中填充多晶硅，以形成用于吸收硅顶层杂质43(例如金属杂质)的附加吸杂结构93；

第五步骤S5：在第四步骤S4形成的结构上形成氧化物覆盖层92。

随后可执行形成金属互连层等其它工艺步骤。

在根据本发明优选实施例的CMOS图像传感器结构形成方法中，形成基本器件结构的第一步骤会经历很多高温热处理，但是附加吸杂结构是在器件结构形成步骤之后形成的，避免了绝大多数的高温热处理过程，从而附加吸杂结构的吸收杂质的性能被保持。并且由于第三步骤S3形成的沟槽穿透了层间电介质91和硅顶层40，因此第四步骤S4形成的吸杂层结构93体积远大于仅在硅顶层中形成的附加吸杂层结构(如IBM专利US20020140030)，吸杂能力进一步提升，能有效降低硅顶层中的金属杂质，降低暗电流，提高图像质量。

此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。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做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种以绝缘体上硅为衬底材料的CMOS图像传感器结构，其特征在于包括：从下至上依次布置的吸杂层、作为支撑层的硅基底层、作为绝缘层的掩埋氧化物层、作为有源层的硅顶层、层间电介质和氧化物覆盖层；在硅顶层中形成有像素单元；像素单元中形成有光电二极管，而且传输管和源跟随管布置在光电二极管的一侧；而且在硅顶层中，传输管和源跟随管之间布置有第一接触区，源跟随管相对于第一接触区的一侧布置有第二接触区；其中，在所述硅顶层和层间电介质中形成有用于吸收杂质的附加吸杂结构，所述附加吸杂结构包围像素单元。

2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述附加吸杂结构的材料是多晶硅。

3.根据权利要求1或2所述的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述附加吸杂结构是由与晶圆平面垂直的四个侧壁包围而成的结构，所述附加吸杂结构的与晶圆平面平行的截面是矩形。

4.根据权利要求1或2所述的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述附加吸杂结构的与晶圆平面平行的截面是圆形。

5.根据权利要求1或2所述的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述杂质是金属杂质。

6.一种绝缘体上硅晶圆上的CMOS图像传感器结构的形成方法，其特征在于包括：

第二步骤：在第一步骤形成的结构上形成层间电介质；

第五步骤：在第四步骤形成的结构上形成氧化物覆盖层。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述附加吸杂结构是由与晶圆平面垂直的四个侧壁包围而成的结构，所述附加吸杂结构的与晶圆平面平行的截面是矩形。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述附加吸杂结构的与晶圆平面平行的截面是圆形。

9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述杂质是金属杂质。