CN105185699A - 通过c离子注入降低cmos图像传感器白像素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过C离子注入降低CMOS图像传感器白像素的方法，针对传统CMOS图像传感器白像素较高的问题，通过采用离子注入工艺，在光电二极管周围的P+型隔离区中注入一定浓度的C离子，并通过高温退火工艺，促进P+型隔离区中C离子对氧气的聚集，以及氧聚集形成的氧沉淀对光电二极管中金属离子污染的吸附，从而可有效地降低CMOS图像传感器的白像素。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，更具体地，涉及一种通过C离子注入降低CMOS图像传感器白像素的工艺集成方法。
背景技术
伴随着移动互联网的飞速发展，人们对智能终端的需求愈来愈庞大，而有着智能终端“眼睛”之称的图像传感器也迎来了前所未有的发展空间。传统的CCD图像传感器由于其功耗较大，市场局限在高性能的数码相机中；CMOS图像传感器不仅功耗低，速率快，而且易于与现有的半导体工艺相兼容，生产成本较低，这使得CMOS图像传感器占据了图像传感器市场的半壁江山。
未来CMOS图像传感器发展的方向是高像素、低功耗、高像质。高像素和低功耗要求像素尺寸不断地缩小，然而随着像素尺寸的不断缩小，像素的质量却急剧下降，特别是量子效率和噪声。量子效率是指光电二极管将光子转变成为光生载流子的能力，它与光电二极管的结构密切相光，可以通过调整光电二极管的深度来弥补小尺寸像素量子效率低的问题。但是噪声的降低却非常的困难。表征像素噪声的一个重要参数是暗光下的白像素个数，白像素是指那些亮度相对于周围像素亮度异常偏高的像素点，暗光下白像素个数越多图像的质量就越差。
目前，绝大多数的CMOS图像传感器厂商都采用特定的逻辑运算电路来修复白像素。但是修复前的白像素在通过逻辑运算修复之后，或多或少会对周围像素的原始色彩产生一定的影响。因此，减少修复前的白像素个数仍是提高图像质量的重要方面。
白像素主要来自于光电二极管中的金属污染或晶格缺陷。工艺上降低CMOS图像传感器白像素的主要方法是控制工艺过程中金属污染和晶格缺陷的引入，例如机台端的作业部件尽量选用不含金属元素的材质，晶圆尽量选用带外延层的硅片，等等。虽然这些措施能够减少白像素的个数，但是工艺过程控制非常困难，因为很低的金属离子污染浓度就能够引起白像素的急剧升高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种通过C离子注入降低CMOS图像传感器白像素的方法，可有效降低因金属离子污染引起的白像素数量升高问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种通过C离子注入降低CMOS图像传感器白像素的方法，包括以下步骤：
步骤S01：提供一硅基体，在所述基体上以光刻胶作为阻挡层，通过离子注入工艺在所述基体中形成光电二极管的缓变PN结；
步骤S02：以光刻胶作为阻挡层，通过离子注入工艺在所述基体中形成光电二极管的侧面P+型隔离，并接着通过离子注入工艺向侧面P+型隔离区中注入C离子；
步骤S03：在所述基体上制备多晶硅传输栅，然后，以光刻胶作为阻挡层，通过离子注入工艺形成光电二极管在基体硅表面的P+型隔离，并接着通过离子注入工艺向表面P+型隔离区中注入C离子；
步骤S04：进行高温退火工艺；
步骤S05：制备栅极侧墙，并进行浅层离子注入，以及制备层间电介质、金属和通孔层。
优选地，步骤S01与步骤S02的顺序互换进行。
优选地，步骤S02中，采用多道离子注入工艺在光电二极管的侧面P+型隔离区中注入C离子。
优选地，步骤S02中，采用三道离子注入工艺在光电二极管的侧面P+型隔离区中注入C离子。
优选地，步骤S02中，向侧面P+型隔离区中注入C离子时的离子注入剂量为5E13～5E14/cm2，注入能量为4～60Kev。
优选地，步骤S03中，向表面P+型隔离区中注入C离子时的离子注入剂量为5E13～5E14/cm2，注入能量为2～10Kev。
优选地，步骤S04中，进行高温退火工艺时的退火温度为700～1000摄氏度，退火时间为10～60分钟。
优选地，步骤S03中，采用化学气相沉积工艺生长多晶硅层，并通过光刻以及刻蚀工艺制备形成多晶硅传输栅。
优选地，步骤S01中，所述光电二极管由缓变PN结构成，基体为P型，从深到浅施主型杂质浓度逐渐增加，依次从N型过渡到N+型。
优选地，步骤S05中，采用浅层离子注入方式，形成N+型浮动扩散区，作为传输栅的漏。
从上述技术方案可以看出，本发明针对传统CMOS图像传感器白像素较高的问题，通过采用离子注入工艺，在光电二极管周围的P+型隔离区中注入一定浓度的C离子，并通过高温退火工艺，促进P+型隔离区中C离子对氧气的聚集，以及氧聚集形成的氧沉淀对光电二极管中金属离子污染的吸附，从而可有效地降低CMOS图像传感器的白像素。
附图说明
图1是本发明通过C离子注入降低CMOS图像传感器白像素的方法的流程图；
图2～图9是本发明一较佳实施例中根据图1的方法制作CMOS图像传感器像素单元时的工艺步骤示意图；
图10a～图10b是采用传统的离子注入方式和本发明的离子注入方式在制作CMOS图像传感器时的对比示意图；其中，图10a代表按传统的离子注入方式形成的CMOS图像传感器，图10b代表按本发明的离子注入方式形成的CMOS图像传感器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明通过C离子注入降低CMOS图像传感器白像素的方法的流程图；同时，请结合参阅图2～图9，图2～图9是本发明一较佳实施例中根据图1的方法制作CMOS图像传感器像素单元时的工艺步骤示意图。如图1所示，本发明的通过C离子注入降低CMOS图像传感器白像素的方法，包括以下步骤：
如框01所示，步骤S01：提供一硅基体，在所述基体上以光刻胶作为阻挡层，通过离子注入工艺在所述基体中形成光电二极管的缓变PN结。
请参阅图2。首先，在基体1上涂敷一层光刻胶(图略)，并通过光刻、刻蚀方式对光刻胶进行图形化，将不需要进行离子注入的区域通过光刻胶进行覆盖，去除需要进行离子注入区域的光刻胶。然后，以图形化的光刻胶为阻挡层，通过离子注入工艺(如图示箭头所指，下同)在基体1中形成光电二极管2的缓变PN结。可通过不同的离子注入组合方式来形成此光电二极管结构，以使所形成的光电二极管由缓变PN结构成，基体为P型，从深到浅施主型杂质浓度逐渐增加，依次从N型过渡到N+型。为了控制基体中的晶格缺陷，降低其产生白像素的影响，在本实施例中采用了带外延层的P型硅片1作为基体材料。图中光电二极管2区域的空心圆点表示在离子注入过程中，因电子淋浴作用所挥发的金属元素离子对基体层中的光电二极管所造成的金属污染3。
如框02所示，步骤S02：以光刻胶作为阻挡层，通过离子注入工艺在所述基体中形成光电二极管的侧面P+型隔离，并接着通过离子注入工艺向侧面P+型隔离区中注入C离子。
请参阅图3。接着，将上步骤的光刻胶去除，然后再用同样的方式，在基体上涂敷一层光刻胶，并以图形化的光刻胶为阻挡层，通过离子注入工艺在基体1中形成光电二极管2的侧面P+型隔离4。
请参阅图4。接着，借助本步骤中的光刻胶阻挡层，继续通过离子注入工艺向已形成的侧面P+型隔离区4中注入一定浓度的C离子。作为可选的实施方式，可采用多道离子注入工艺，在光电二极管2的侧面P+型隔离区4中注入C离子。并且，向侧面P+型隔离区中注入C离子时的离子注入剂量可控制在5E13～5E14/cm2，注入能量可控制在4～60Kev。进一步地，优选地采用三道离子注入工艺在光电二极管的侧面P+型隔离区中注入C离子。例如，采用三道离子注入时的离子注入能量及剂量可分别为4Kev和5E13/cm2，10Kev和5E13/cm2，以及20Kev和5E13/cm2。
上述步骤S01与步骤S02的顺序可以互换进行。
如框03所示，步骤S03：在所述基体上制备多晶硅传输栅，然后，以光刻胶作为阻挡层，通过离子注入工艺形成光电二极管在基体硅表面的P+型隔离，并接着通过离子注入工艺向表面P+型隔离区中注入C离子。
请参阅图5。将上步骤的光刻胶去除。接着，可采用化学气相沉积工艺，在基体上生长栅氧化层6和多晶硅层5；然后，可采用光刻以及刻蚀等工艺制备形成多晶硅传输栅5及栅氧6。根据需要，还可进一步进行其他的离子注入工艺。
请参阅图6。接着，用同样的方式，在基体上涂敷一层光刻胶，并以图形化的光刻胶为阻挡层，通过离子注入工艺在基体1中形成光电二极管2在基体硅表面的P+型隔离7。在光电二极管2上表面形成的P+型隔离区域7用来将光电二极管2与基体1上表面进行隔离。
请参阅图7。接着，借助本步骤中的光刻胶阻挡层，继续通过离子注入工艺向已形成的表面P+型隔离区7中注入一定浓度的C离子。作为可选的实施方式，向表面P+型隔离区中注入C离子时的离子注入剂量可控制在5E13～5E14/cm2，注入能量可控制在2～10Kev。例如，向表面P+型隔离区中注入C离子时的离子注入能量及剂量可分别为4Kev和5E13/cm2。
如框04所示，步骤S04：进行高温退火工艺。
请参阅图8。接着，进行高温退火工艺。通过高温退火工艺，可促进光电二极管2周围P+型隔离区4和7中C离子对氧气的聚集，以及氧聚集形成的氧沉淀对光电二极管2中金属污染3的吸附。从图8可以看出，经过高温退火，光电二极管2中的金属污染3已被有效吸附到各个P+型隔离区4和7中(如图示箭头所指)。作为可选的实施方式，进行高温退火工艺时的退火温度可为700～1000摄氏度，退火时间可为10～60分钟。例如，可采用750摄氏度的退火温度和30分钟的退火时间对器件进行高温处理。
如框05所示，步骤S05：制备栅极侧墙，并进行浅层离子注入，以及制备层间电介质、金属和通孔层。
请参阅图9。接着，可通过化学气相沉积、光刻以及刻蚀等工艺制备形成多晶硅传输栅的栅极侧墙(图略)。然后，采用浅层离子注入方式，形成N+型浮动扩散区8，作为传输栅5的漏。最后，可采用标准的CMOS工艺，在基体上方继续形成层间电介质9、金属和通孔层10以及其他相应的步骤，完成CMOS图像传感器像素单元的制作过程。
请参阅图10a～图10b，图10a～图10b是采用传统的离子注入方式和本发明的离子注入方式在制作CMOS图像传感器时的对比示意图；其中，图10a代表按传统的离子注入方式形成的CMOS图像传感器，图10b代表按本发明的离子注入方式形成的CMOS图像传感器。如图10a所示，该传统的传感器包含位于P型基体1中的光电二极管2、浮动扩散区8和基体上的传输栅5。光电二极管2周围由P+型区域4、7作隔离。浮动扩散区8采用N+型作为传输栅的漏。光电二极管2表面形成P+型7，将其与基体1表面进行隔离。按传统的离子注入方式所形成的CMOS图像传感器，在离子注入过程中，因电子淋浴作用所挥发的金属元素离子，可对基体层中的光电二极管造成金属污染3。如果光电二极管2中存在金属污染3，金属污染3将在禁带中形成深能级，在没有光照的情况下，通过热激发产生载流子，从而形成白像素。
如图10b所示，在本发明提供的通过C离子注入降低CMOS图像传感器白像素的集成工艺方法中，器件结构与传统的传感器基本相同，也具有位于P型基体1中的光电二极管2、浮动扩散区8和基体上的传输栅5。光电二极管2周围同样由P+型区域4、7作隔离。浮动扩散区8采用N+型作为传输栅的漏。光电二极管2表面形成P+型7，将其与基体1表面进行隔离。区别在于，本发明通过在光电二极管2周围的P+型隔离区4、7中注入C离子，C离子可聚集氧沉淀，而氧沉淀能够从光电二极管2中过滤吸收金属污染3，将金属污染3吸附到光电二极管2周围的P+型隔离区4、7中(C离子聚集氧沉淀和氧沉淀吸收金属离子的观点摘自文献：VenkataramanaR.Chavva,Kyu-HaShimandToddHenry,‘DarkCurrentReductioninImageSensorsThroughMetalsGettering:ACriticalReviewofDisruptiveTechniques’,AppliedMaterials)，从而可有效地降低白像素。
综上所述，本发明针对传统CMOS图像传感器白像素较高的问题，通过采用离子注入工艺，在光电二极管周围的P+型隔离区中注入一定浓度的C离子，并通过高温退火工艺，促进P+型隔离区中C离子对氧气的聚集，以及氧聚集形成的氧沉淀对光电二极管中金属离子污染的吸附，从而可有效地降低CMOS图像传感器的白像素。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种通过C离子注入降低CMOS图像传感器白像素的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01：提供一硅基体，在所述基体上以光刻胶作为阻挡层，通过离子注入工艺在所述基体中形成光电二极管的缓变PN结；
步骤S02：以光刻胶作为阻挡层，通过离子注入工艺在所述基体中形成光电二极管的侧面P+型隔离，并接着通过离子注入工艺向侧面P+型隔离区中注入C离子；
步骤S03：在所述基体上制备多晶硅传输栅，然后，以光刻胶作为阻挡层，通过离子注入工艺形成光电二极管在基体硅表面的P+型隔离，并接着通过离子注入工艺向表面P+型隔离区中注入C离子；
步骤S04：进行高温退火工艺；
步骤S05：制备栅极侧墙，并进行浅层离子注入，以及制备层间电介质、金属和通孔层。
2.根据权利要求1所述的降低CMOS图像传感器白像素的方法，其特征在于，步骤S01与步骤S02的顺序互换进行。
3.根据权利要求1所述的降低CMOS图像传感器白像素的方法，其特征在于，步骤S02中，采用多道离子注入工艺在光电二极管的侧面P+型隔离区中注入C离子。
4.根据权利要求1所述的降低CMOS图像传感器白像素的方法，其特征在于，步骤S02中，采用三道离子注入工艺在光电二极管的侧面P+型隔离区中注入C离子。
5.根据权利要求1、3或4所述的降低CMOS图像传感器白像素的方法，其特征在于，步骤S02中，向侧面P+型隔离区中注入C离子时的离子注入剂量为5E13～5E14/cm2，注入能量为4～60Kev。
6.根据权利要求1所述的降低CMOS图像传感器白像素的方法，其特征在于，步骤S03中，向表面P+型隔离区中注入C离子时的离子注入剂量为5E13～5E14/cm2，注入能量为2～10Kev。
7.根据权利要求1所述的降低CMOS图像传感器白像素的方法，其特征在于，步骤S04中，进行高温退火工艺时的退火温度为700～1000摄氏度，退火时间为10～60分钟。
8.根据权利要求1所述的降低CMOS图像传感器白像素的方法，其特征在于，步骤S03中，采用化学气相沉积工艺生长多晶硅层，并通过光刻以及刻蚀工艺制备形成多晶硅传输栅。
9.根据权利要求1所述的降低CMOS图像传感器白像素的方法，其特征在于，步骤S01中，所述光电二极管由缓变PN结构成，基体为P型，从深到浅施主型杂质浓度逐渐增加，依次从N型过渡到N+型。
10.根据权利要求1所述的降低CMOS图像传感器白像素的方法，其特征在于，步骤S05中，采用浅层离子注入方式，形成N+型浮动扩散区，作为传输栅的漏。
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