CN106981495A - 一种cmos图像传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种CMOS图像传感器及其制作方法，包括：半导体衬底，形成于半导体衬底上的多个像素区域，形成于相邻像素区域之间半导体衬底中的深沟槽，在深沟槽中填充有掺杂第一导电类型杂质的多晶硅，在半导体衬底中对应像素区域内形成有多个具有第二导电类型的阱区，在半导体衬底上还形成有与多晶硅相连的通孔，以及与通孔相连的互连金属层。本发明的CMOS图像传感器在相邻像素区域之间的半导体衬底中形成深沟槽，并在深沟槽中填充掺杂的多晶硅，彻底隔绝相邻的像素区域，通过通孔将多晶硅连接互连金属层，并可通过施加特定的电压，从而将像素区域中产生的多余的光电子导出，因此，CMOS图像传感器具有较高的性能。

Description

一种CMOS图像传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种CMOS图像传感器及其制作方法。
背景技术
在半导体技术领域中，图像传感器是一种能将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器大体上可以分为电荷耦合元件(CCD)和互补金属氧化物半导体图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)。CCD图像传感器的优点是对图像敏感度较高，噪声小，但是CCD图像传感器与其他器件的集成比较困难，而且CCD图像传感器的功耗较高。相比之下，CMOS图像传感器由于具有工艺简单、易与其他器件集成、体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点而逐渐取代CCD的地位。目前CMOS图像传感器被广泛应用于数码相机、照相手机、数码摄像机、医疗用摄像装置(例如胃镜)、车用摄像装置等领域之中。
CMOS图像传感器是通过对光电效应产生的光电子，进行有效的读取，从而产生对应的图像信息，其像素区域的性能和其各个像素区域的隔离性能具有非常强的相关性，具体如图1所示，图中右侧箭头所指为正常读取方式，而左侧箭头则是非正常(即右侧图像产生的光电子进入左侧区域使得左侧区域像素给出错误的图像信息)。
一旦CMOS图像传感器的其中一个像素的信号如果对其他像素产生影响，图像就会发生偏差。解决上述问题的关键方法在于如何有效的隔离两个相邻的像素，目前比较常用的方法一般都是比较深的离子注入来实现像素之间的隔离。
因此，为解决上述技术问题，有必要提出一种新的CMOS图像传感器及其制作方法。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
针对现有技术的不足，本发明实施例一提供一种CMOS图像传感器，包括：
半导体衬底，形成于所述半导体衬底上的多个像素区域，形成于相邻所述像素区域之间所述半导体衬底中的深沟槽，在所述深沟槽中填充有掺杂第一导电类型杂质的多晶硅，在所述半导体衬底中对应所述像素区域内形成有多个具有第二导电类型的阱区，在所述半导体衬底上还形成有与所述多晶硅相连的通孔，以及与所述通孔相连的互连金属层。
进一步，在相邻所述像素区域之间的半导体衬底中还形成有隔离结构。
进一步，所述隔离结构的底部位于所述深沟槽的顶部上。
进一步，所述通孔贯穿所述隔离结构连接所述多晶硅。
进一步，在相邻所述像素区域之间的半导体衬底中还形成有具有所述第一导电类型的隔离阱。
进一步，所述隔离阱包围部分所述深沟槽，所述隔离阱的底部高于所述深沟道的底部。
进一步，所述深沟槽的深度为2～3微米。
进一步，在每个所述像素区域中形成有光电二极管以及多个晶体管。
进一步，还包括与所述晶体管电连接的多个通孔。
进一步，在所述多晶硅的下方所述深沟槽的底部和侧壁上形成有衬垫层。
本发明实施例二提供一种CMOS图像传感器的制作方法，包括：
步骤S1：提供半导体衬底，所述半导体衬底已定义有源区以及若干像素区域；
步骤S2：刻蚀部分所述半导体衬底，以形成位于相邻所述像素区域之间的深沟槽；
步骤S3：在所述深沟槽内沉积填充掺杂第一导电类型杂质的多晶硅；
步骤S4：在所述有源区之间的所述半导体衬底中形成浅沟槽隔离结构，其中，在相邻所述像素区域之间已经形成有深沟槽的区域，所述浅沟槽隔离结构位于所述半导体衬底中所述多晶硅的上方；
步骤S5：在所述半导体衬底中形成多个具有第二导电类型的阱区，并在所述半导体衬底上的所述有源区中形成前端器件；
步骤S6：在所述半导体衬底上形成分别与所述多晶硅以及所述前端器件相连接的通孔；
步骤S7：在所述通孔上形成与所述通孔电连接的互连金属层。
进一步，在所述步骤S2中，形成所述深沟槽的步骤包括：
步骤S21：在所述半导体衬底的表面上沉积形成硬掩膜层；
步骤S22：图案化所述硬掩膜层，以暴露位于相邻所述像素区域之间的部分半导体衬底的表面；
步骤S23：以图案化的所述硬掩膜层为掩膜，刻蚀暴露的部分所述半导体衬底，以形成位于相邻所述像素区域之间的深沟槽。
进一步，所述步骤S3包括步骤：
步骤S31：在所述深沟槽内沉积掺杂第一导电类型杂质的多晶硅，所述多晶硅覆盖所述硬掩膜层，对所述多晶硅进行平坦化，停止于所述硬掩膜层中；
步骤S32：回蚀刻部分所述多晶硅，以使所述多晶硅的上表面低于所述硬掩膜层的表面；
步骤S33：去除所述硬掩膜层。
进一步，所述深沟槽的深度范围为2～3μm。
进一步，在所述步骤S2之后所述步骤S3之前，还包括步骤：在所述深沟槽的底部和侧壁上形成衬垫层。
进一步，所述衬垫层的材料包括氧化硅。
进一步，在所述步骤S4中，形成所述浅沟槽隔离结构的步骤包括：
步骤S41：在所述半导体衬底的表面上以及所述多晶硅的表面上依次沉积垫氧化物层和垫氮化物层；
步骤S42：刻蚀所述垫氮化物层、垫氧化物层和部分深度的所述半导体衬底，以在所述有源区之间形成浅沟槽，其中，在相邻所述像素区域之间已经形成有深沟槽的区域，还包括对部分所述多晶硅进行刻蚀以形成所述浅沟槽的步骤；
步骤S43：在所述浅沟槽内形成隔离材料，所述隔离材料覆盖所述垫氮化物层；
步骤S44：平坦化所述隔离材料，以暴露所述垫氮化物层；
步骤S45：去除所述垫氮化物层，以形成所述浅沟槽隔离结构。
进一步，所述前端器件包括形成于每个所述像素区域中的光电二极管以及多个晶体管。
进一步，在所述步骤S5中，在形成所述前端器件之前还包括：在相邻所述像素区域之间的半导体衬底中形成具有所述第一导电类型的隔离阱的步骤。
进一步，所述隔离阱包围部分所述深沟槽，所述隔离阱的底部高于所述深沟道的底部。
根据本发明的制作方法，在CMOS图像传感器的相邻像素区域之间的半导体衬底中形成深沟槽，并在深沟槽中填充掺杂的多晶硅，彻底隔绝相邻的像素区域，因此，在超强光线情况下产生的海量的光电子，将直接被多晶硅收集，而不会对相邻的像素区域产生影响，另外，通过通孔将多晶硅连接互连金属层，并可通过施加特定的电压，从而将像素区域中产生的多余的光电子导出，因此，本发明的制作方法提高了CMOS图像传感器的性能。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1示出了现有的一种CMOS图像传感器的剖视图；
图2示出了本发明一具体实施方式的CMOS图像传感器的剖视图；
图3A-图3K示出了本发明一具体实施方式的CMOS图像传感器的制作方法依次实施所获得器件的剖视图；
图4为本发明一具体实施方式的CMOS图像传感器的制作方法的流程图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本发明的范围。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
实施例一
下面，参照图2对本发明提出的CMOS图像传感器的结构进行详细描述，其中，图2示出了本发明一具体实施方式的CMOS图像传感器的剖视图。
如图2所示，本发明的一具体实施方式中的CMOS图像传感器包括：半导体衬底200，形成于所述半导体衬底200上的多个像素区域，在所述半导体衬底200中对应所述像素区域内形成有多个具有第二导电类型的阱区2031、2041，形成于相邻所述像素区域之间所述半导体衬底200中的深沟槽201，在所述深沟槽201中填充有掺杂第一导电类型杂质的多晶硅2012，在所述半导体衬底200上还形成有与所述多晶硅2012相连的通孔206，以及与所述通孔206相连的互连金属层207。
具体地，所述半导体衬底200可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。在半导体衬底200中定义有各种有源区。示例性地，半导体衬底200还可以为具有第二导电类型的衬底。
在本实施例中，上文或下文中涉及的第一导电类型和第二导电类型为相反的类型，其中，第一导电类型为N型，则第二导电类型为P型，或者，第一导电类型为P型，则第二导电类型为N型。
所述半导体衬底200上形成有多个像素区域，在每个所述像素区域中还可以形成有光电二极管203以及多个晶体管204。示例性地，光电二极管203包括形成于半导体衬底中的具有第二导电类型的阱区201，以及形成于阱区201中的具有第一导电类型的掺杂区202，所述第二导电类型与所述第一导电类型相反，所述阱区201与其中的掺杂区202构成PN结，作为光电二极管，用于接收光以产生光电荷。其中，根据实际器件的需求，晶体管的数目可以为三个或者四个等。
以具有4个晶体管的CMOS图像传感器为例，其可以包括一个光电二极管203和四个晶体管204(仅示出部分)，即光电二极管203、传输晶体管、重置晶体管、驱动晶体管和选择晶体管，还可以包括浮置扩散区(未示出)，其可以从光电二极管接收电子，然后将电荷信号转换成电压信号。
其中，传输晶体管位于光电二极管的一侧，所述传输晶体管包括位于所述半导体衬底200上的栅极结构。进一步，所述栅极结构包括依次位于所述半导体衬底200上的栅极介电层和栅极材料层进一步，在所述栅极结构的侧壁上还形成有间隙壁。
重置晶体管、选择晶体管和驱动晶体管均包括形成于所述半导体衬底上的栅极结构，在栅极结构的两侧的半导体衬底中还形成有与所述掺杂区2031相同的掺杂类型的源区和漏区，即源区和漏区为第一导电类型，本实施例中，当掺杂区2031为N型时，源区和漏区也为N型。此外，亦可视产品需求及功能性考量，另于源极/漏极区域与各栅极之间分别形成有轻掺杂漏极(LDD)。进一步地，在所述栅极结构的侧壁上还形成有间隙壁。
在上述晶体管中，栅极介电层可以包括传统的电介质材料诸如具有电介质常数从大约4到大约20(真空中测量)的硅的氧化物、氮化物和氮氧化物。或者，栅极介电层可以包括具有电介质常数从大约20到至少大约100的通常较高电介质常数电介质材料。这种较高电介质常数电解质材料可以包括但不限于：氧化铪、硅酸铪、氧化钛、钛酸锶钡(BSTs)和锆钛酸铅(PZTs)。栅极材料层可以包括各个材料，所述各个材料包含但不限于：某些金属、金属合金、金属氮化物和金属硅化物，及其层压制件和其复合物。栅极材料层也可以包括掺杂的多晶硅和多晶硅-锗合金材料(即，具有从每立方厘米大约1e18到大约1e22个掺杂原子的掺杂浓度)以及多晶硅金属硅化物(polycide)材料(掺杂的多晶硅/金属硅化物叠层材料)。
本发明的CMOS图像传感器还进一步包括形成于相邻所述像素区域之间所述半导体衬底200中的深沟槽201，在所述深沟槽中填充有掺杂有第一导电类型杂质的多晶硅2012。
在一个示例中，在所述多晶硅2012的下方所述深沟槽201的底部和侧壁上还形成有衬垫层2011。衬垫层2011的材料可以为任何适合的绝缘材料，例如氧化硅、氮氧化硅等，本实施例中，较佳地衬垫层2011的材料包括氧化硅。
示例性地，深沟槽201的深度范围可以为2～3微米。所述多晶硅2012中掺杂有第一导电类型杂质，当第一导电类型为N型时，N型杂质可以为P、As等N型施主中的一种或几种，或者，当第一导电类型为P型时，P型杂质可以为B等P型施主。
在半导体衬底200中还形成有用于隔离器件的多个隔离结构202，示例性地，在相邻所述像素区域之间的半导体衬底200中还形成有隔离结构202。所述隔离结构202较佳地为浅沟槽隔离结构，浅沟槽隔离结构包括位于半导体衬底200中的浅沟槽，位于浅沟槽底部侧壁上的衬垫层以及填充浅沟槽的隔离材料，其中，衬垫层的材料可以为氧化物或氮氧化物等，本实施例中，较佳地，衬垫层的材料为氧化硅。隔离材料可以包括氧化硅等。
进一步地，位于相邻像素区域之间的隔离结构202的底部位于所述深沟槽201的顶部上，而深沟槽201的顶部低于半导体衬底200的表面。
在一个示例中，在相邻所述像素区域之间的半导体衬底200中还形成有具有所述第一导电类型的隔离阱205。该隔离阱205用于隔离相邻像素区域。进一步地，所述隔离阱205包围部分所述深沟槽201，所述隔离阱205的底部高于所述深沟道201的底部。隔离阱具有与其两侧用于形成器件的阱区相反的导电类型，例如，其具有与阱区2031相反的导电类型。
本发明的CMOS图像传感器还包括形成于所述半导体衬底100上与所述多晶硅2012相连的通孔207，以及与所述通孔207相连的互连金属层208。
进一步地，在半导体衬底100上形成覆盖半导体衬底100上形成的器件的介电层206。示例性地，位于相邻像素区域之间的所述通孔207贯穿该介电层206以及隔离结构202与深沟槽201中填充的多晶硅2012相连接。
示例性地，还包括与每个像素区域中的晶体管204电连接的多个通孔207，该通孔也与互连金属层208电连接。
其中，互连金属层208可以包括多层金属层，相邻金属层有金属通孔相连接，以构成互连结构。
在一个示例中，通孔207可以为任何合适的金属通孔，例如W、Cu或者Al通孔等。
综上所述，本发明的CMOS图像传感器的结构，在相邻像素区域之间的半导体衬底中设置深沟槽并在深沟槽中填充掺杂的多晶硅，彻底隔绝相邻的像素区域，因此，在超强光线情况下产生的海量的光电子，将直接被多晶硅收集，而不会对相邻的像素区域产生影响，另外，通过通孔将多晶硅连接互连金属层，并可通过施加特定的电压，从而将像素区域中产生的多余的光电子导出，因此本发明的CMOS图像传感器具有更高的性能。
实施例二
下面，参考图3A-3K以及图4对本发明一具体实施例的CMOS图像传感器的制作方法做详细描述。其中，图3A-图3K示出了本发明一具体实施方式的CMOS图像传感器的制作方法依次实施所获得器件的剖视图；图4为本发明一具体实施方式的CMOS图像传感器的制作方法的流程图。
作为示例，本实施例中的CMOS图像传感器的制作方法，具体包括如下步骤：
首先，执行步骤S401，提供半导体衬底，所述半导体衬底已定义有源区以及若干像素区域。
如图3A所示，所述半导体衬底300可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。示例性地，半导体衬底300还可以为具有第二导电类型的衬底。在半导体衬底300中定义有各种有源区以及像素区域图形，其中像素区域图形对应的半导体衬底用于之后的像素区域中相应器件的制作。
接着，执行步骤S402，刻蚀部分所述半导体衬底，以形成位于相邻所述像素区域之间的深沟槽。
在一个示例中，如图3A至3C所示，形成所述深沟槽的步骤包括：
首先，如图3A所示，在所述半导体衬底300的表面上沉积形成硬掩膜层301。硬掩膜层301的材料可以选择任何适合的硬掩膜材料，例如氮化物、氧化物、氮氧化物等。本实施例中，硬掩膜层301的材料包括氧化硅。可采用任何沉积方法形成，比较常用的包括化学气相沉积和物理气相沉积等。
接着，如图3B所示，图案化所述硬掩膜层301，以暴露位于相邻所述像素区域之间的部分半导体衬底300的表面。可采用光刻工艺和刻蚀工艺实现对硬掩膜层301的图案化，其定义预定形成的深沟槽的关键尺寸。
接着，如图3C所示，以图案化的所述硬掩膜层301为掩膜，刻蚀暴露的部分所述半导体衬底300，以形成位于相邻所述像素区域之间的深沟槽302。可采用任何适用的刻蚀方法完成对半导体衬底300的刻蚀，例如，湿法刻蚀或者干法刻蚀，其中，干法刻蚀工艺包括但不限于：反应离子刻蚀(RIE)、离子束刻蚀、等离子体刻蚀或者激光切割。最好通过一个或者多个RIE步骤进行干法刻蚀。示例性地，刻蚀形成的深沟槽302的深度范围可以为2～3μm。
接着，执行步骤S403，在所述深沟槽内沉积填充掺杂第一导电类型杂质的多晶硅。
在一个示例中，如图3C所示，在形成多晶硅之前，还包括步骤：在所述深沟槽302的底部和侧壁上形成衬垫层3021。衬垫层3021的材料可以为任何适合的绝缘材料，例如氧化硅、氮氧化硅等，本实施例中，较佳地衬垫层3021的材料包括氧化硅。可采用化学气相沉积或物理气相沉积等方法形成。
作为示例，形成掺杂第一导电类型杂质的多晶硅的步骤包括以下步骤：
首先，如图3D所示，在所述深沟槽302内沉积掺杂第一导电类型杂质的多晶硅3022，所述多晶硅3022覆盖所述硬掩膜层301，对所述多晶硅3022进行平坦化，停止于所述硬掩膜层301中。
多晶硅3022可以采用本领域技术人员熟知的任何方法制备形成，作为示例，多晶硅3022的形成方法可选用低压化学气相淀积(LPCVD)工艺。形成所述多晶硅层的工艺条件包括：反应气体为硅烷(SiH4)，所述硅烷的流量范围可为100～200立方厘米/分钟(sccm)，如150sccm；反应腔内温度范围可为700～750摄氏度；反应腔内压力可为250～350毫毫米汞柱(mTorr)，如300mTorr；所述反应气体中还可包括缓冲气体，所述缓冲气体可为氦气(He)或氮气，所述氦气和氮气的流量范围可为5～20升/分钟(slm)，如8slm、10slm或15slm。其中，当第一导电类型为N型时，可在沉积工艺期间通过供应如磷化氢(PH3)或砷化氢(AsH3)等掺杂物质使多晶硅3022包括如磷(P)或砷(As)或其组合等的N型掺杂杂质。而当第一导电类型为P型时，可在沉积工艺器件通过供应如BF2等掺杂物质使多晶硅3022包括B等的P型掺杂杂质。
可以使用半导体制造领域中常规的平坦化方法来实现多晶硅3022表面的平坦化。该平坦化方法的非限制性实例包括机械平坦化方法和化学机械抛光平坦化方法。化学机械抛光平坦化方法更常用。
接着，如图3E所示，回蚀刻部分所述多晶硅302，以使所述多晶硅302的上表面低于所述硬掩膜层301的表面。回蚀刻可以采用湿法刻蚀或者干法刻蚀。在本发明的一具体实施例中，可以采用干法刻蚀执行回刻蚀工艺，干法蚀刻工艺包括但不限于：反应离子蚀刻(RIE)、离子束蚀刻、等离子体蚀刻或者激光切割。例如采用等离子体刻蚀，刻蚀气体可以采用基于氧气(O2-based)的气体。具体的，采用较低的射频能量并能产生低压和高密度的等离子体气体来实现干法刻蚀。作为一个实例，采用等离子体刻蚀工艺，采用的刻蚀气体为基于氧气(O2-based)的气体，刻蚀气体的流量范围可为50立方厘米/分钟(sccm)～150立方厘米/分钟(sccm)，反应室内压力可为5毫托(mTorr)～20毫托(mTorr)。其中，干法刻蚀的刻蚀气体还可以是溴化氢气体、四氟化碳气体或者三氟化氮气体。需要说明的是上述蚀刻方法仅仅是示例性的，并不局限于该方法，本领域技术人员还可以选用其他常用的方法。
接着，如图3F所示，去除所述硬掩膜层301。既可以采用干法刻蚀也可以采用湿法刻蚀移除硬掩膜层301。干法刻蚀能够采用基于氟化碳气体的各向异性蚀刻法。湿法刻蚀能够采用氢氟酸溶液，例如缓冲氧化物蚀刻剂(buffer oxide etchant(BOE))或氢氟酸缓冲溶液(buffer solution of hydrofluoric acid(BHF))。
接着，执行步骤S404，在所述有源区之间的所述半导体衬底中形成浅沟槽隔离结构，其中，在相邻所述像素区域之间已经形成有深沟槽的区域，所述浅沟槽隔离结构位于所述半导体衬底中所述多晶硅的上方。
作为示例，形成浅沟槽隔离结构的方法包括以下步骤：首先，如图3G所示，在所述半导体衬底300的表面上以及所述多晶硅3022的表面上依次沉积垫氧化物层303和垫氮化物层304。示例性地，该垫氧化物层303的材料可以包括氧化硅，垫氮化物层304的材料可以包括氮化硅。
接着，如图3H所示，刻蚀所述垫氮化物层304、垫氧化物303和部分深度的所述半导体衬底300，以在所述有源区之间形成浅沟槽，其中，在相邻所述像素区域之间已经形成有深沟槽的区域，还包括对部分所述多晶硅3022进行刻蚀以形成所述浅沟槽的步骤。可采用本领域技术人员熟知的任何方法进行该步骤的刻蚀，包括但不限于湿法刻蚀或者干法刻蚀等。
接着，继续参考图3H，在所述浅沟槽内形成隔离材料，所述隔离材料覆盖所述垫氮化物层304。该隔离材料可为任何适合的绝缘材料，包括但不限于氧化硅、氮氧化硅或氮化硅等。本实施例中，较佳地垫氮化物层304包括高密度等离子体(HDP)制造工艺形成的氧化硅的材料层。隔离材料的沉积方法可采用化学气相沉积、等离子化学气相沉积等。之后，平坦化所述隔离材料，以暴露所述垫氮化物层304。可采用任何适合的方法进行该步骤中的平坦化工艺，本实施例中，较佳地，采用化学机械抛光。
接着，参考图3I，去除所述垫氮化物层304，以形成所述浅沟槽隔离结构305。可采用任何对氮化物层304具有高的刻蚀选择比的湿法刻蚀工艺去除垫氮化物层304，例如，可采用热磷酸刻蚀去除垫氮化物层304。
接着，执行步骤S405，在所述半导体衬底中形成多个具有第二导电类型的阱区，并在所述半导体衬底上的所述有源区中形成前端器件。
可采用本领域技术人员熟知的任何方法形成该步骤中的多个阱区，例如，采用离子注入工艺。当所述第二导电类型为P型时，可采用向半导体衬底中的预定形成阱区的区域离子注入B离子而形成P型阱区，而第二导电类型为N型时，可采用向半导体衬底中的预定形成阱区的区域离子注入As、P等P型掺杂离子而形成N型阱区。
在一个示例中，在形成前端器件之前，还可在相邻所述像素区域之间的半导体衬底中形成具有所述第一导电类型的隔离阱，所述隔离阱包围部分所述深沟槽，所述隔离阱的底部高于所述深沟道的底部。
其中，对于前端器件的制备工艺可以采用本领域技术人员熟知的任何工艺来实现，例如常见的CMOS制备工艺等。对于CMOS图像传感器而言，所述前端器件包括形成于每个所述像素区域中的光电二极管以及多个晶体管(未示出)。示例性地，光电二极管包括形成于半导体衬底中的具有第二导电类型的阱区，以及形成于阱区中的具有第一导电类型的掺杂区，所述第二导电类型与所述第一导电类型相反，所述阱区与其中的掺杂区构成PN结，作为光电二极管，用于接收光以产生光电荷。
其中，根据实际器件的需求，晶体管的数目可以为三个或者四个等。以具有4个晶体管的CMOS图像传感器为例，其可以包括一个光电二极管和四个晶体管，即光电二极管、传输晶体管、重置晶体管、驱动晶体管和选择晶体管，还可以包括浮置扩散区(未示出)，其可以从光电二极管接收电子，然后将电荷信号转换成电压信号。
其中，传输晶体管位于光电二极管的一侧，所述传输晶体管包括位于所述半导体衬底上的栅极结构。进一步，所述栅极结构包括依次位于所述半导体衬底上的栅极介电层和栅极材料层进一步，在所述栅极结构的侧壁上还形成有间隙壁。其可以采用现有的栅极结构的任何制造方法形成。
重置晶体管、选择晶体管和驱动晶体管均包括形成于所述半导体衬底上的栅极结构，在栅极结构的两侧的半导体衬底中还形成有与光电二极管中的掺杂区相同的掺杂类型的源区和漏区，即源区和漏区为第一导电类型，本实施例中，当掺杂区为N型时，源区和漏区也为N型。可采用离子注入的方法形成。此外，亦可视产品需求及功能性考量，另于源极/漏极区域与各栅极之间分别形成轻掺杂漏极(LDD)。进一步地，在所述栅极结构的侧壁上还形成有间隙壁。
在上述晶体管中，栅极介电层可以包括传统的电介质材料诸如具有电介质常数从大约4到大约20(真空中测量)的硅的氧化物、氮化物和氮氧化物。或者，栅极介电层可以包括具有电介质常数从大约20到至少大约100的通常较高电介质常数电介质材料。这种较高电介质常数电解质材料可以包括但不限于：氧化铪、硅酸铪、氧化钛、钛酸锶钡(BSTs)和锆钛酸铅(PZTs)。栅极材料层可以包括各个材料，所述各个材料包含但不限于：某些金属、金属合金、金属氮化物和金属硅化物，及其层压制件和其复合物。栅极材料层也可以包括掺杂的多晶硅和多晶硅-锗合金材料(即，具有从每立方厘米大约1e18到大约1e22个掺杂原子的掺杂浓度)以及多晶硅金属硅化物(polycide)材料(掺杂的多晶硅/金属硅化物叠层材料)。所述栅极材料层的形成工艺可以采用本领域技术人员熟知的任何现有技术，较佳的为化学气相沉积法，例如低压等离子体化学气相沉积或者等离子体增强化学气相沉积工艺。
接着，执行步骤S406，在所述半导体衬底上形成分别与所述多晶硅以及所述前端器件相连接的通孔。
示例性地，如图3J和图3K所示，在形成通孔之前，可先沉积介电层306以覆盖半导体衬底300以及其上的前端器件(未示出)。介电层306可以使用例如SiO2、碳氟化合物(CF)、掺碳氧化硅(SiOC)、或碳氮化硅(SiCN)等。或者，也可以使用在碳氟化合物(CF)上形成了SiCN薄膜的膜等。碳氟化合物以氟(F)和碳(C)为主要成分。碳氟化合物也可以使用具有非晶体(非结晶性)构造的物质。介电层306还可以使用例如掺碳氧化硅(SiOC)等多孔质构造。可采用化学气相沉积或其他任何合适的方法制备。
在一个示例中，形成通孔的方法包括：在介电层306上形成图案化的掩膜层，该掩膜层定义预定形成的通孔的位置以及尺寸等。以图案化的掩膜层为掩膜刻蚀贯穿介电层306，其中，对于相邻像素区域之间形成有深沟槽302的区域，为了实现通孔307与多晶硅3022的电连接，还需对深沟槽302上方的浅沟槽隔离结构305进行刻蚀，直到暴露多晶硅3022，之后在通孔中填充金属材料，例如Cu、Al或W等，以形成最终的通孔307。其中，由于连接多晶硅3022的通孔307与连接前端器件的通孔307具有不同的深度，因此，可分别对其进行刻蚀。
最后，执行步骤S407，在所述通孔307上形成与所述通孔307电连接的互连金属层308。
互连金属层308可以包括多层金属层，相邻金属层有金属通孔相连接，以构成互连结构，例如铜金属互连结构等。该互连金属层308可以互连金属层308的形成工艺可采用本领域技术人员熟知的任何工艺，例如，大马士革工艺等。
上述内容中，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型，或者，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型，根据实际的器件类型进行选择。
至此完成了本发明的CMOS图像传感器的关键制作步骤的介绍，其中，对于完整的CMOS图像传感器的制备还可以包括其他的中间步骤以及后续步骤，再次均不再赘述。
综上所述，根据本发明的制作方法，在CMOS图像传感器的相邻像素区域之间的半导体衬底中形成深沟槽，并在深沟槽中填充掺杂的多晶硅，彻底隔绝相邻的像素区域，因此，在超强光线情况下产生的海量的光电子，将直接被多晶硅收集，而不会对相邻的像素区域产生影响，另外，通过通孔将多晶硅连接互连金属层，并可通过施加特定的电压，从而将像素区域中产生的多余的光电子导出，因此，本发明的制作方法提高了CMOS图像传感器的性能。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (20)

1.一种CMOS图像传感器，其特征在于，包括：半导体衬底，形成于所述半导体衬底上的多个像素区域，形成于相邻所述像素区域之间所述半导体衬底中的深沟槽，在所述深沟槽中填充有掺杂第一导电类型杂质的多晶硅，在所述半导体衬底中对应所述像素区域内形成有多个具有第二导电类型的阱区，在所述半导体衬底上还形成有与所述多晶硅相连的通孔，以及与所述通孔相连的互连金属层。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，在相邻所述像素区域之间的半导体衬底中还形成有隔离结构。
3.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述隔离结构的底部位于所述深沟槽的顶部上。
4.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述通孔贯穿所述隔离结构连接所述多晶硅。
5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，在相邻所述像素区域之间的半导体衬底中还形成有具有所述第一导电类型的隔离阱。
6.根据权利要求5所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述隔离阱包围部分所述深沟槽，所述隔离阱的底部高于所述深沟道的底部。
7.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述深沟槽的深度为2～3微米。
8.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，在每个所述像素区域中形成有光电二极管以及多个晶体管。
9.根据权利要求8所述的CMOS图像传感器，其特征在于，还包括与所述晶体管电连接的多个通孔。
10.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，在所述多晶硅的下方所述深沟槽的底部和侧壁上形成有衬垫层。
11.一种CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，包括：
步骤S1：提供半导体衬底，所述半导体衬底已定义有源区以及若干像素区域；
步骤S2：刻蚀部分所述半导体衬底，以形成位于相邻所述像素区域之间的深沟槽；
步骤S3：在所述深沟槽内沉积填充掺杂第一导电类型杂质的多晶硅；
步骤S4：在所述有源区之间的所述半导体衬底中形成浅沟槽隔离结构，其中，在相邻所述像素区域之间已经形成有深沟槽的区域，所述浅沟槽隔离结构位于所述半导体衬底中所述多晶硅的上方；
步骤S5：在所述半导体衬底中形成多个具有第二导电类型的阱区，并在所述半导体衬底上的所述有源区中形成前端器件；
步骤S6：在所述半导体衬底上形成分别与所述多晶硅以及所述前端器件相连接的通孔；
步骤S7：在所述通孔上形成与所述通孔电连接的互连金属层。
12.根据权利要求11所述的制作方法，其特征在于，在所述步骤S2中，形成所述深沟槽的步骤包括：
步骤S21：在所述半导体衬底的表面上沉积形成硬掩膜层；
步骤S22：图案化所述硬掩膜层，以暴露位于相邻所述像素区域之间的部分半导体衬底的表面；
步骤S23：以图案化的所述硬掩膜层为掩膜，刻蚀暴露的部分所述半导体衬底，以形成位于相邻所述像素区域之间的深沟槽。
13.根据权利要求12所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S3包括步骤：
步骤S31：在所述深沟槽内沉积掺杂第一导电类型杂质的多晶硅，所述多晶硅覆盖所述硬掩膜层，对所述多晶硅进行平坦化，停止于所述硬掩膜层中；
步骤S32：回蚀刻部分所述多晶硅，以使所述多晶硅的上表面低于所述硬掩膜层的表面；
步骤S33：去除所述硬掩膜层。
14.根据权利要求11所述的制作方法，其特征在于，所述深沟槽的深度范围为2～3μm。
15.根据权利要求11所述的制作方法，其特征在于，在所述步骤S2之后所述步骤S3之前，还包括步骤：在所述深沟槽的底部和侧壁上形成衬垫层。
16.根据权利要求15所述的制作方法，其特征在于，所述衬垫层的材料包括氧化硅。
17.根据权利要求11所述的制作方法，其特征在于，在所述步骤S4中，形成所述浅沟槽隔离结构的步骤包括：
步骤S41：在所述半导体衬底的表面上以及所述多晶硅的表面上依次沉积垫氧化物层和垫氮化物层；
步骤S42：刻蚀所述垫氮化物层、垫氧化物层和部分深度的所述半导体衬底，以在所述有源区之间形成浅沟槽，其中，在相邻所述像素区域之间已经形成有深沟槽的区域，还包括对部分所述多晶硅进行刻蚀以形成所述浅沟槽的步骤；
步骤S43：在所述浅沟槽内形成隔离材料，所述隔离材料覆盖所述垫氮化物层；
步骤S44：平坦化所述隔离材料，以暴露所述垫氮化物层；
步骤S45：去除所述垫氮化物层，以形成所述浅沟槽隔离结构。
18.根据权利要求11所述的制作方法，其特征在于，所述前端器件包括形成于每个所述像素区域中的光电二极管以及多个晶体管。
19.根据权利要求11所述的制作方法，其特征在于，在所述步骤S5中，在形成所述前端器件之前还包括：在相邻所述像素区域之间的半导体衬底中形成具有所述第一导电类型的隔离阱的步骤。
20.根据权利要求19述的制作方法，其特征在于，所述隔离阱包围部分所述深沟槽，所述隔离阱的底部高于所述深沟槽的底部。
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