CN111146220A - 一种减小噪声的图像传感器结构及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减小噪声的图像传感器结构及制造方法，图像传感器结构包括：设于所述半导体衬底上像素单元区域的厚栅氧层；设于所述厚栅氧层上的源极跟随管栅极；其中，所述厚栅氧层上具有凹槽，所述凹槽底面处残余的所述厚栅氧层厚度大于等于薄栅氧层的厚度要求，所述凹槽具有向下渐缩的侧壁轮廓，所述源极跟随管栅极同时覆盖于所述凹槽的底面和所述凹槽以外的所述厚栅氧层表面上。本发明能够有效降低图像传感器像素单元的读出噪声，并可以有效降低源极跟随管工作时在复合栅氧结构台阶处的电场强度，同时还能够降低源极跟随管栅氧劣化的概率。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器技术领域，特别是涉及一种能够减小图像传感器像素单元噪声的图像传感器结构及制造方法。
背景技术
通常，图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。图像传感器包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片。
CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比具有低功耗、低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于微型数码相机(DSC)、手机摄像头、摄像机和数码单反(DSLR)等消费电子领域，同时在汽车电子、监控、生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。
对CMOS图像传感器而言，用于感光的像素单元结构的特性直接决定了最终图像传感器的性能。通常用于定义像素单元性能的参数包括量子效率、暗电流、动态范围和噪声等，其中噪声是非常关键的指标，噪声的大小决定了图像传感器能检测到的最小信号，是其在低光下成像能力的重要决定因素。
请参考图1-图2，图1是一种常规像素单元的版图结构，图2是沿图1中“AB”方向形成的CMOS图像传感器像素单元截面结构示意图。如图1-图2所示，在常规像素单元的版图结构中，源极跟随管是影响像素单元噪声的关键器件。而常规像素单元的复位管、源极跟随管和行选管是使用同一种厚栅氧(厚栅氧上方为复位管栅极、源极跟随管栅极和行选管栅极)，对源极跟随管下方的栅氧结构没有进行优化，造成图像传感器最终的噪声性能较差。
为了减小像素单元的噪声，需要使用薄栅氧的源极跟随管，而且当源极跟随管的栅氧使用厚栅氧和薄栅氧的复合式栅氧结构具有最佳的噪声特性。
但是，当CMOS图像传感器使用先进工艺节点的工艺时，复合式栅氧结构中的薄栅氧的耐压开始无法满足要求。以55纳米节点的CMOS图像传感器工艺为例，其厚栅氧在70埃左右，而薄栅氧在20埃左右。当图1中的像素单元处于工作状态时，其源极跟随管栅极上的电压在2伏左右，而20埃的薄栅氧的耐压小于2伏，这就造成复合式栅氧结构中的薄栅氧无法使用现有工艺。
通常需要50埃左右的中间厚度栅氧才能耐2伏左右的工作电压，即最终工艺需要20埃、50埃和70埃三种厚度的栅氧。但由于基准工艺仅有20埃和70埃两种，如果通过氧化增加50埃的栅氧，由于热过程的影响，原有基准工艺的器件会产生漂移，造成原有器件模型和单元库无法使用。而重新提参建模和进行单元库验证，需要花费极大的资源才能实现。
同时，在源极跟随管下方实现复合栅氧结构时，由于厚栅氧和薄栅氧之间存在的高度差，在这两种厚度栅氧的交界处，多晶栅极下方的电场较大，容易造成栅极氧化层的击穿和像素单元功能的失效。
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，提供一种减小噪声的图像传感器结构及制造方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种减小噪声的图像传感器结构，包括：
半导体衬底；
设于所述半导体衬底上像素单元区域的厚栅氧层；
设于所述厚栅氧层上的源极跟随管栅极；
其中，所述厚栅氧层上具有凹槽，所述凹槽底面处残余的所述厚栅氧层厚度大于等于薄栅氧层的厚度要求，所述凹槽具有向下渐缩的侧壁轮廓，所述源极跟随管栅极同时覆盖于所述凹槽的底面和所述凹槽以外的所述厚栅氧层表面上。
进一步地，所述凹槽的侧壁由环设于所述凹槽内的边墙的露出表面构成。
进一步地，所述源极跟随管栅极中的一部分位于所述凹槽的底面上，所述凹槽的部分底面露出。
进一步地，还包括：设于所述凹槽以外的所述厚栅氧层上的复位管栅极和行选管栅极。
进一步地，还包括：设于所述像素单元区域的所述半导体衬底中的浅槽隔离和像素器件阱注入结构。
进一步地，还包括：设于所述半导体衬底上核心器件区域的薄栅氧层。
进一步地，还包括：设于所述薄栅氧层上的核心器件栅极。
进一步地，还包括：设于所述核心器件区域的所述半导体衬底中的浅槽隔离和核心器件阱注入结构。
一种减小噪声的图像传感器结构制造方法，包括以下步骤：
提供一半导体衬底，在所述半导体衬底上的像素单元区域形成浅槽隔离和像素器件阱注入结构，以及在所述半导体衬底上的核心器件区域形成浅槽隔离和核心器件阱注入结构；
在所述半导体衬底表面上全片生长厚栅氧层；
在所述厚栅氧层上形成一凹槽，并使所述凹槽底面处残余的所述厚栅氧层厚度大于等于薄栅氧层的厚度要求；
在所述凹槽中淀积边墙介质；
通过各向异性的干法刻蚀，将所述半导体衬底表面的边墙介质去除，在所述凹槽的侧壁上形成边墙，使所述凹槽具有向下渐缩的侧壁轮廓；
将所述核心器件区域的所述厚栅氧层去除，暴露出所述半导体衬底表面，并在所述核心器件区域生长薄栅氧层；
在所述半导体衬底表面上全片淀积栅极材料并刻蚀，在所述像素单元区域的所述厚栅氧层上形成复位管栅极、源极跟随管栅极和行选管栅极，并使所述源极跟随管栅极同时覆盖于所述凹槽的底面和所述凹槽以外的所述厚栅氧层表面上，以及在所述核心器件区域的所述薄栅氧层上形成核心器件栅极。
进一步地，形成所述源极跟随管栅极时，在所述栅极材料上覆盖光刻胶，通过版图设计，使所述源极跟随管位置的所述栅极材料上的所述光刻胶只部分覆盖住所述凹槽，以便后续将未覆盖有所述光刻胶的所述栅极材料去除后，使所述凹槽的部分底面露出。
从上述技术方案可以看出，本发明通过将源极跟随管栅极下方的栅氧层采用由厚栅氧层和厚度减薄后的残余厚栅氧层组成的复合栅氧结构构成，可以有效降低图像传感器像素单元的读出噪声；同时，针对厚栅氧层与残余厚栅氧层交界处介质厚度差较大，容易造成电场强度聚集和栅氧可靠性劣化问题，为了保证像素单元的可靠性，在厚栅氧层和残余厚栅氧层的交界处(即凹槽侧壁处)增设了边墙结构，通过形成缓变的边墙轮廓，可以有效降低源极跟随管工作时在复合栅氧结构台阶处的电场强度；并且，为了进一步保证源极跟随管栅氧结构的可靠性，通过版图设计，使环绕凹槽侧壁的边墙只有部分与源极跟随管栅极有交叠，而边墙的其他部分与源极跟随管栅极没有交叠，从而降低了源极跟随管栅氧劣化的概率。
附图说明
图1是一种常规像素单元的版图结构示意图。
图2是沿图1中“AB”方向形成的CMOS图像传感器像素单元截面结构示意图。
图3是本发明一较佳实施例的一种减小噪声的图像传感器结构示意图。
图4是本发明一较佳实施例的一种减小噪声的图像传感器结构制造方法流程图。
图5-图18是本发明一较佳实施例的一种减小噪声的图像传感器结构制造方法工艺步骤示意图。
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，请参考图3，图3是本发明一较佳实施例的一种减小噪声的图像传感器结构示意图。如图3所示，本发明的一种减小噪声的图像传感器结构，建立在半导体衬底20上，半导体衬底20可采用例如硅衬底20，但本发明不限于此。图像传感器结构中具有常规像素单元区域和核心器件区域，图示为常规像素单元区域，核心器件区域可参考图18。本发明的减小噪声的图像传感器结构可包括：
设于半导体衬底20上像素单元区域的厚栅氧层23；设于厚栅氧层23上的源极跟随管栅极27。
请参考图3。厚栅氧层23上具有凹槽26，凹槽26所在位置用于设置源极跟随管栅极27。其中，凹槽26底面处残余的厚栅氧层29厚度大于等于常规薄栅氧层的厚度要求；并且，凹槽26具有向下渐缩的侧壁轮廓，例如可具有弧形或倾斜的侧壁轮廓，从而减缓了由凹槽26顶部与凹槽26底面所形成的台阶的高度差，即使得凹槽26以外的厚栅氧层23与凹槽26内的残余厚栅氧层29之间形成一定的缓冲坡度。
源极跟随管栅极27同时覆盖在凹槽26底面的残余厚栅氧层29和凹槽26以外的厚栅氧层23表面上。
为了形成具有向下渐缩的侧壁轮廓的凹槽26，可以在凹槽26的侧壁处设置环绕凹槽26侧壁的一圈边墙25结构，即凹槽26的侧壁可由环绕在凹槽26内的边墙25的露出表面所构成，也即边墙25的露出表面构成了凹槽26结构的新的侧壁。
进一步地，源极跟随管栅极27整体结构中的一部分位于凹槽26的底面上，使凹槽26的部分底面露出。如图3所示，凹槽26结构中只有位于右侧的由残余的厚栅氧层29与厚栅氧层23所形成的台阶与源极跟随管栅极27有交叠，而凹槽26结构中位于左侧的由残余的厚栅氧层29与厚栅氧层23所形成的台阶与源极跟随管栅极27没有交叠。
进一步地，图像传感器结构的像素单元区域中还可包括：设于半导体衬底20中的浅槽隔离22和像素器件阱注入21结构，以及设于凹槽26以外(源极跟随管栅极27旁侧)的厚栅氧层23上的复位管栅极24和行选管栅极28。
请参考图18中的右图。图像传感器结构的核心器件区域中还可包括：设于半导体衬底20中的浅槽隔离22和核心器件阱注入30结构，设于半导体衬底20上的薄栅氧层35，以及设于薄栅氧层35上的核心器件栅极38。
下面通过具体实施方式并结合附图，对本发明的一种减小噪声的图像传感器结构制造方法进行详细说明。
请参考图3并结合参考图5-图18，图3是本发明一较佳实施例的一种减小噪声的图像传感器结构示意图。图5-图18是本发明一较佳实施例的一种减小噪声的图像传感器结构制造方法工艺步骤示意图。如图3所示，本发明的一种减小噪声的图像传感器结构制造方法，可用于制造上述的减小噪声的图像传感器结构，并可包括以下步骤：
首先，进行常规CMOS图像传感器的浅槽隔离22和阱注入21、30等前道工艺。
如图5所示，其中图左代表像素单元区域，图右代表核心器件区域(下同)。以硅衬底20为例，在硅衬底20上使用常规前道工艺，在像素单元区域形成浅槽隔离22和像素器件阱注入21等结构，以及在核心器件区
然后，如图6所示，在硅衬底20上进行全片的厚栅氧层23生长。
根据不同的图像传感器工艺，其厚栅氧层23的厚度略有不同，通常在70埃到100埃左右。例如，厚栅氧层23的生长厚度在70埃左右。
接着，进行源极跟随管栅氧部分腐蚀。
如图7所示，先在硅衬底20上覆盖一层光刻胶31，然后进行光刻工艺，通过曝光和显影，将后续需要进行湿法腐蚀或干法刻蚀以形成凹槽26的厚栅氧层23上方的光刻胶去除。
如图8所示，通过光刻和湿法腐蚀，将源极跟随管处的厚栅氧层23进行部分腐蚀，以移除部分厚栅氧层23，形成一个凹槽26结构，即在凹槽26底面上形成位于源极跟随管下方的残余厚栅氧层29。
残余厚栅氧层29的厚度需要满足后续源极跟随管的工作电压要求，此厚度应大于等于薄栅氧层35的厚度要求。通常需要在耐压2伏以上，即残余厚栅氧层29厚度需要在50埃以上，
随后，如图9所示，在整个硅衬底20的表面进行栅氧边墙介质25’的淀积。
边墙介质25’可以使用二氧化硅、氮氧化硅和氮化硅等单层或多层复合结构。
接着进行栅氧边墙刻蚀。
如图10所示，可通过各向异性的介质干法刻蚀，将硅衬底20表面的边墙介质25’层去除，在凹槽26的侧壁上形成边墙25，即形成源极跟随管下方位于厚栅氧层23和残余厚栅氧层29之间形成的左侧台阶32、右侧台阶33处的边墙25结构。利用边墙25露出于凹槽26的侧面表面，使凹槽26具有了向下渐缩的新的侧壁轮廓。
接着，如图11所示，在硅衬底20上覆盖一层光刻胶34，然后使用光刻工艺，通过曝光和显影，将核心器件区域的光刻胶去除，保留像素单元区域的光刻胶。
如图12所示，使用常规CMOS的湿法腐蚀工艺，将核心器件区域的厚栅氧层23去除，暴露出硅衬底20表面。
如图13所示，再通过干法或湿法去胶，将像素单元区域的光刻胶34移除。
然后，如图14所示，进行核心器件区域的薄栅氧层35生长。
最后，通过多晶硅的淀积、光刻和刻蚀，形成各器件的多晶硅栅极。
如图15所示，在上述形成的结构表面上全片淀积栅极材料，例如可采用多晶硅36作为栅极材料。
如图16所示，在多晶硅36上覆盖一层光刻胶37，进行多晶硅栅极的光刻，可通过版图设计，使源极跟随管位置的多晶硅36材料上的光刻胶37只部分覆盖住凹槽26，例如图示的只覆盖住右侧台阶33，而使得左侧台阶32上方没有光刻胶37覆盖，以便后续将未覆盖有光刻胶37位置上的多晶硅36材料去除后，使凹槽26的部分底面露出。
随后，如图17所示，通过干法刻蚀进行多晶硅栅极刻蚀，形成复位管栅极24、源极跟随管栅极27、行选管栅极28和核心器件栅极38等多晶栅结构。其中，由厚栅氧层23及残余厚栅氧层29所形成的图示凹槽26左侧台阶32与源极跟随管栅极27没有交叠，使源极跟随管栅极27同时覆盖于凹槽26的底面和凹槽26以外的厚栅氧层23表面上。
最后，如图18所示，通过干法或湿法去胶，将多晶硅栅极上的残余光刻胶37去除，形成本发明的减小噪声的图像传感器结构。
本发明提出的上述减小图像传感器像素单元噪声的制造工艺，由于使用湿法腐蚀厚栅氧层来形成残余厚栅氧层，并形成源极跟随管复合栅氧结构，因此没有改变基准工艺的热过程，对基准工艺的器件特性没有影响，且不会改变器件模型；同时，在厚栅氧层与残余厚栅氧层交界的台阶处使用边墙结构来减小源极跟随管下方厚栅氧和薄栅氧交界处的电场强度，有效防止了复合栅氧结构栅氧质量的劣化和击穿问题。
以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的保护范围，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)
1.一种减小噪声的图像传感器结构，其特征在于，包括：
半导体衬底；
设于所述半导体衬底上像素单元区域的厚栅氧层；
设于所述厚栅氧层上的源极跟随管栅极；
其中，所述厚栅氧层上具有凹槽，所述凹槽底面处残余的所述厚栅氧层厚度大于等于薄栅氧层的厚度要求，所述凹槽具有向下渐缩的侧壁轮廓，所述源极跟随管栅极同时覆盖于所述凹槽的底面和所述凹槽以外的所述厚栅氧层表面上。
2.根据权利要求1所述的减小噪声的图像传感器结构，其特征在于，所述凹槽的侧壁由环设于所述凹槽内的边墙的露出表面构成。
3.根据权利要求1所述的减小噪声的图像传感器结构，其特征在于，所述源极跟随管栅极中的一部分位于所述凹槽的底面上，所述凹槽的部分底面露出。
4.根据权利要求1所述的减小噪声的图像传感器结构，其特征在于，还包括：设于所述凹槽以外的所述厚栅氧层上的复位管栅极和行选管栅极。
5.根据权利要求1所述的减小噪声的图像传感器结构，其特征在于，还包括：设于所述像素单元区域的所述半导体衬底中的浅槽隔离和像素器件阱注入结构。
6.根据权利要求1所述的减小噪声的图像传感器结构，其特征在于，还包括：设于所述半导体衬底上核心器件区域的薄栅氧层。
7.根据权利要求6所述的减小噪声的图像传感器结构，其特征在于，还包括：设于所述薄栅氧层上的核心器件栅极。
8.根据权利要求6所述的减小噪声的图像传感器结构，其特征在于，还包括：设于所述核心器件区域的所述半导体衬底中的浅槽隔离和核心器件阱注入结构。
9.一种减小噪声的图像传感器结构制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一半导体衬底，在所述半导体衬底上的像素单元区域形成浅槽隔离和像素器件阱注入结构，以及在所述半导体衬底上的核心器件区域形成浅槽隔离和核心器件阱注入结构；
在所述半导体衬底表面上全片生长厚栅氧层；
在所述厚栅氧层上形成一凹槽，并使所述凹槽底面处残余的所述厚栅氧层厚度大于等于薄栅氧层的厚度要求；
在所述凹槽中淀积边墙介质；
通过各向异性的干法刻蚀，将所述半导体衬底表面的边墙介质去除，在所述凹槽的侧壁上形成边墙，使所述凹槽具有向下渐缩的侧壁轮廓；
将所述核心器件区域的所述厚栅氧层去除，暴露出所述半导体衬底表面，并在所述核心器件区域生长薄栅氧层；
在所述半导体衬底表面上全片淀积栅极材料并刻蚀，在所述像素单元区域的所述厚栅氧层上形成复位管栅极、源极跟随管栅极和行选管栅极，并使所述源极跟随管栅极同时覆盖于所述凹槽的底面和所述凹槽以外的所述厚栅氧层表面上，以及在所述核心器件区域的所述薄栅氧层上形成核心器件栅极。
10.根据权利要求9所述的减小噪声的图像传感器结构制造方法，其特征在于，形成所述源极跟随管栅极时，在所述栅极材料上覆盖光刻胶，通过版图设计，使所述源极跟随管位置的所述栅极材料上的所述光刻胶只部分覆盖住所述凹槽，以便后续将未覆盖有所述光刻胶的所述栅极材料去除后，使所述凹槽的部分底面露出。
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| CN111524923B (zh) * | 2020-05-29 | 2024-02-02 | 上海华力微电子有限公司 | 源极跟随管及cmos传感器的形成方法 |
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