CN112151557A - Cmos图像传感器的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种CMOS图像传感器的实现方法，包括：于半导体衬底上形成沟槽，至少部分所述沟槽用于后续步骤中形成图像传感器像素单元的源跟随晶体管；填充第三阻挡层，覆盖沟槽；采用图形化工艺刻蚀沟槽周围的部分区域，形成浅沟槽隔离结构；填充氧化层覆盖所述浅沟槽隔离结构；采用化学机械研磨所述氧化层停止至第三阻挡层；去除第三阻挡层；在所述沟槽中填充多晶硅层，刻蚀至少部分沟槽形成源跟随晶体管。
Description
技术领域
本发明涉及一种CMOS图像传感器的实现方法。
背景技术
图像传感器已变得无所不在。图像传感器在数码静态相机、蜂窝式电话、监控摄像机，以及医疗、汽车及其它应用中广泛使用。用以制造图像传感器的技术持续大幅进步。举例来说，对更高分辨率及更低功耗的需求已经促进这些装置的进一步微型化及集成化。目前图像传感器可分为电荷耦合式（CCD，Charge Coupled Device）图像传感器和金属氧化物半导体（CMOS， Complementary Metal-Oxide Semiconductor）图像传感器。其中，由于CMOS图像传感器集成度高，兼容性好，并且功率低，并随着CMOS制作工艺的改进，CMOS图像传感器已经成为目前图像传感器的主流技术。
现有的CMOS图像传感器像素单元由3T或 4T结构组成，其中4T(4-Transistors)由转移晶体管、源跟随晶体管、复位晶体管、行选通晶体管组成；3T(3-Transistors) 由转移晶体管、源跟随晶体管、复位晶体管组成。请参考图1，图1 为现有技术中一种CMOS图像传感器像素单元部分区域的侧面剖视图，其中TX为转移晶体管、SF为源跟随晶体管，其工作原理简介如下：入射光注入光电二极管区域产生光生载流子（电子和空穴）；光生电子和空穴在PN结内建电场的作用下分离而使得光生电子聚集在光电二极管的N型区域；TX管打开将聚集在光电二极管N型区域的光生电子导入FD浮置扩散区，通过SF源跟随晶体管来感知FD浮置扩散区在TX管打开前后的电势变化来读出光电二极管中的信号。
随着CMOS图像传感器特征尺寸的缩小，一方面，为了降低图像传感器的读出噪声，需要高性能的源跟随晶体管；另一方面，为了获得像素单元相对较大的满阱容量，必须增大光电二极管的N型掺杂剂量以及掺杂深度；而现有技术中TX管的栅极结构为平面结构，为此光电二极管N型深处的光生电子可能会无法读出，最终导致Lag（图像残留）的出现。
因此如何实现在持续提高图像传感器集成度的基础上，获得高性能的源跟随晶体管以降低读出噪声，以及获得相对较大的满阱容量而又尽可能的避免Lag（图像残留）的出现，优化转移晶体管的性能，提高图像传感器的电学性能，为业内一直探讨，亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种CMOS图像传感器的实现方法，包括：
于半导体衬底上形成沟槽，至少部分所述沟槽用于后续步骤中形成图像传感器像素单元的源跟随晶体管；
填充第三阻挡层，覆盖沟槽；
采用图形化工艺刻蚀沟槽周围的部分区域，形成浅沟槽隔离结构；
填充氧化层覆盖所述浅沟槽隔离结构；
采用化学机械研磨所述氧化层停止至第三阻挡层；
去除第三阻挡层；
在所述沟槽中填充多晶硅层，刻蚀至少部分沟槽形成源跟随晶体管。
优选的，所述源跟随晶体管是鳍形场效应晶体管，所述源跟随晶体管栅极的下端与半导体衬底之间是通过栅极氧化层隔离。
优选的，所述沟槽包括两种不同深度；其中，深沟槽比所述浅沟槽隔离结构的深度深500埃以上，浅沟槽比所述浅沟槽隔离结构的深度浅100埃以上；所述深沟槽用于形成垂直转移晶体管，所述浅沟槽用于形成源跟随晶体管或其他晶体管。
优选的，在图形化工艺刻蚀沟槽周围的部分区域形成浅沟槽隔离结构的步骤中，采用自对准工艺技术刻蚀。
优选的，刻蚀垂直转移晶体管栅极与浮置扩散区相邻的区域使得所述区域的垂直转移晶体管栅极低于浮置扩散区的下表面100埃以上，以减少垂直转移晶体管栅极与浮置扩散区之间的电容，提高转换增益。
优选的，所述垂直转移晶体管栅极远离浮置扩散区的区域位于浅沟槽隔离结构的上部，便于后续垂直转移晶体管栅极的电学连接。
优选的，采用第一阻挡层保护图像传感器像素单元区域，先形成图像传感器外围电路区域的浅沟槽隔离结构、并进行阱离子注入；
去除第一阻挡层，采用第二阻挡层保护外围电路区域，再形成图像传感器像素单元区域的两种深度的沟槽、以及采用第三阻挡层覆盖沟槽, 通过图形化工艺刻蚀沟槽周围的部分区域，形成图像传感器像素单元区域的浅沟槽隔离结构。
优选的，所述图像传感器像素单元区域的浅沟槽隔离结构与图像传感器外围电路区域的浅沟槽隔离结构可采用同一刻蚀步骤形成。
优选的，所述图像传感器外围电路区域的晶体管采用与图像传感器像素单元内源跟随晶体管相似的鳍形场效应晶体管结构，以提高外围电路的性能。
优选的，在图像传感器像素单元区域的光电二极管形成过程中，在形成浅沟槽隔离结构之前完成部分或全部光电二极管的P型阱注入, 部分或全部光电二极管的N型阱注入，在后续形成浅沟槽隔离结构的步骤中不采用高温氧化工艺步骤，以避免前序步骤离子注入形成光电二极管的掺杂区域的离子扩散。
优选的，在图像传感器像素单元区域的浅沟槽隔离结构形成后，采用自对准工艺形成光电二极管的P型钉扎层。
优选的，形成图像传感器像素单元区域的浅沟槽隔离结构，采用自对准工艺形成光电二极管的P型钉扎层，
再形成侧墙结构；自对准注入光电二极管N型掺杂，所述侧墙结构提高光电二极管N型掺杂区域与垂直转移晶体管的对准精度。
优选的，图像传感器像素单元每个光电二极管有两个垂直转移晶体管，一个实现正常信号读取功能，另一个实现溢出电荷的收集功能。
优选的，所述第一阻挡层、第二阻挡层、第三阻挡层为：SiN，SiON，SiC, SiNC,SiONC中的任意一种或多种组合。
优选的，去除第三阻挡层后先形成栅极氧化层，进而形成源跟随晶体管以及垂直转移晶体管的栅极。
本发明的CMOS图像传感器的实现方法，具有以下有益技术效果：
1. 在半导体衬底上形成两种不同深度的沟槽区域，深沟槽用于形成垂直转移晶体管的栅极，浅沟槽用于形成源跟随晶体管或其他晶体管的栅极。
2. 在深沟槽中对应形成垂直转移晶体管的栅极，立体结构的TX管栅极可增加图像传感器像素单元的集成度，提高转移晶体管对底部光生电子的转移功能，避免Lag的出现。
3. 垂直转移晶体管的部分栅极位于浮置扩散区的下部，减少浮置扩散区的电容，提高图像传感器像素单元的转换增益（Conversion Gain）。
4. 垂直转移晶体管的部分栅极位于浅沟槽隔离结构的上部，便于后续垂直转移晶体管栅极的电学连接。
5. 在浅沟槽中对应形成源跟随晶体管的栅极，所述源跟随晶体管的栅极与衬底之间通过栅极氧化层隔离，形成鳍形场效应晶体管结构，以提高源跟随晶体管的电学性能，降低图像传感器像素单元的读出噪声。
6. 图像传感器外围电路的晶体管可采用源跟随晶体管相似的鳍形场效应晶体管结构提高围电路的性能。
7.图像传感器像素单元每个光电二极管有两个垂直转移晶体管，一个实现正常信号读取功能，另一个实现溢出电荷的收集功能，以降低电荷的溢出（Blooming）效应。
附图说明
通过说明书附图以及随后与说明书附图一起用于说明本发明某些原理的具体实施方式，本发明所具有的其它特征和优点将变得清楚或得以更为具体地阐明。
图1为现有技术中一种CMOS图像传感器像素单元部分区域的侧面剖视图；
图2是本发明CMOS图像传感器工艺步骤一中对应的图像传感器俯视图；
图3是根据本发明CMOS图像传感器工艺步骤一中对应的图像传感器的另一俯视图；
图4至图13是根据本发明CMOS图像传感器实现方法工艺步骤对应的结构示意图；
图14为形成CMOS图像传感器的步骤流程图。
具体实施方式
在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。另外,为例便与描述,本文中可以使用诸如”在……下方”、“在……下面”、“下部”、“在……上面”、“上部”等空间关系属于，以免输入图中所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。除了途中所示的方位外，空间关系术语旨在包括器件在使用或操作过程找那个的不同方位。装置可以以其他方式定向（旋转90度或在其他方位上），并且在本文中使用的空间关系描述符可以同样地作相应地解释。
本发明提供了一种CMOS图像传感器的实现方法，请参考图2、图3、图4至图13。图2是本发明CMOS图像传感器工艺步骤一中对应的图像传感器俯视图；图3是根据本发明CMOS图像传感器工艺步骤一中对应的图像传感器的另一俯视图；图4至图13是根据本发明CMOS图像传感器实现方法工艺步骤对应的结构示意图。
如图2所示，在本实施例中于半导体材质上形成沟槽，图2中为在图像传感器像素单元区域形成对应于后续垂直转移晶体管区域的若干第一沟槽100。
请继续参考图3，图 3所示的图示中，图像传感器像素单元区域形成了对应于图像传感器像素单元的源跟随晶体管的第二沟槽200（图3中还包括较短的用于形成复位晶体管的沟槽，未示意）；第一沟槽100、第二沟槽200分别具有不同深度，其中，第一沟槽100比浅沟槽隔离结构的深度深500埃以上，第二沟槽200比浅沟槽隔离结构的深度浅100埃以上；进一步优选的，第一沟槽（即深沟槽）的深度为4000-6000埃，第二沟槽（即浅沟槽）的深度为1500-2500埃，所述浅沟槽隔离结构的深度为2500-3500埃；第一沟槽100用于形成垂直转移晶体管，第二沟槽200用于形成源跟随晶体管或其他晶体管（例如较短的用于形成复位晶体管的沟槽）；在本实施例中第二沟槽200在后续工艺步骤中适于形成源跟随晶体管。
在沟槽的实现方式中，可采用第一阻挡层保护图像传感器像素单元区域，先形成图像传感器外围电路区域的浅沟槽隔离结构、并进行外围电路的阱离子注入以及光电二极管的深N阱注入；进一步去除第一阻挡层，采用第二阻挡层保护外围电路区域，再形成图像传感器像素单元区域的两种深度的沟槽100、200、以及采用第三阻挡层覆盖沟槽100、200,通过图形化工艺刻蚀沟槽100、200周围的部分区域，形成图像传感器像素单元区域的浅沟槽隔离结构。在另一实施例中，图像传感器像素单元区域的浅沟槽隔离结构与图像传感器外围电路区域的浅沟槽隔离结构可采用同一刻蚀步骤形成。请继续参考图3并结合图4，其中图4为图3沿A-A方向切割并从S方向观察的侧面剖视图。并结合图4至图13通过若干实施例描述CMOS图像传感器的实现方法的工艺步骤图。
图4中在半导体衬底20上依次铺设形成氧化硅层400、氮化硅层500，再形成第一沟槽100、第二沟槽200，如上述实施例中所述，第一沟槽100、第二沟槽200及外围电路区域的浅沟槽隔离结构可通过工艺步骤进行选择。
请继续参考图5，图5中去除氮化硅层500，需要指出的是该步骤清除是为了保证较小的深宽比，为后续阻挡层的填充提供基础，再进行氧化层（未标示）及阻挡层的填充，图5中在第一沟槽100、第二沟槽200中均填充了第三阻挡层；第一阻挡层、第二阻挡层、第三阻挡层为：SiN，SiON，SiC, SiNC, SiONC中的任意一种或多种组合。采用图形化工艺刻蚀沟槽100、200周围的部分区域，形成浅沟槽隔离结构300，在本实施例中采用自对准工艺技术刻蚀（首先图形化工艺，然后刻蚀，打开相应区域的阻挡层，然后部分区域以剩下的阻挡层为掩膜，自对准工艺刻蚀，形成浅沟槽隔离结构300）；可选择的采用牺牲氧化层方式进行修复刻蚀损伤。
请继续参考图6至图11，图6中于对应于浅沟槽隔离结构300的区域形成P型钉扎层，在一实施例中，采用自对准工艺形成光电二极管的P型钉扎层。图7步骤中分别铺设氧化层（未标示）及氮化硅层430，覆盖浅沟槽隔离结构300区域。图8中刻蚀氮化硅层430形成若干侧墙610、620结构，其中侧墙结构610对应于垂直转移晶体管，侧墙结构620对应于源跟随晶体管；侧墙结构610、620可提高光电二极管N型掺杂区域与垂直转移晶体管的对准精度；图9中在对应钉扎层的下部可采用自对准掺杂N型的光电二极管载流子收集区630。 在一实施例中，在图像传感器像素单元区域的光电二极管形成过程中，在浅沟槽隔离结构300之前完成部分或全部光电二极管的P型阱注入 , 部分或全部光电二极管的N型阱注入，在后续形成浅沟槽隔离结构300的步骤中不采用高温氧化工艺步骤（高温1000摄氏度左右或以上，1-3个小时时间），以避免前序步骤离子注入形成光电二极管的掺杂区域的离子扩散。
请继续参考图9，图9在形成光电二极管载流子收集区630后，进一步填充氧化层（未标示）覆盖浅沟槽隔离结构300，采用化学机械研磨氧化层停止至第三阻挡层。图10中将位于第一沟槽100、第二沟槽200的第三阻挡层及氧化物层去除。图11中对源跟随晶体管，垂直转移晶体管的沟道区域进行P型离子注入，并进行深区域、浅区域的P型阱隔离650注入。
请继续参考图12、图13，图12中依次铺设栅极氧化层（未标示）、多晶硅层700，多晶硅层700填充第一沟槽100、第二沟槽200区域用于后续形成晶体管的栅极，并进行多晶硅层700的离子注入掺杂，采用退火工艺使得掺杂离子扩散，进一步对多晶硅层700进行刻蚀形成源跟随晶体管栅极720，垂直转移晶体管栅极710；在一实施例中，刻蚀垂直转移晶体管栅极710与浮置扩散区800相邻的区域使得所述区域的垂直转移晶体管栅极710低于浮置扩散区800的下表面100埃以上，以减少垂直转移晶体管栅极与浮置扩散区之间的电容，提高转换增益。在一实施例中，垂直转移晶体管栅极710远离浮置扩散区800的区域位于浅沟槽隔离300的上部，便于后续垂直转移晶体管栅极710的电学连接。
在一实施例中，源跟随晶体管是鳍形场效应晶体管，源跟随晶体管栅极的下端与半导体衬底（即半导体材质）之间是通过栅极氧化层隔离。在一实施例中，图像传感器外围电路区域的晶体管采用与图像传感器像素单元内源跟随晶体管相似的鳍形场效应晶体管结构，以提高外围电路的性能。
请继续参考图3，其中图像传感器像素单元每个光电二极管有两个垂直转移晶体管，图3中第一垂直转移晶体管1000（此示意图是4-share的像素单元，因此1000代表4个共用浮置扩散区的第一垂直转移晶体管）实现正常信号读取功能；第二垂直转移晶体管2000, 实现溢出电荷的收集功能；其中，第二垂直转移晶体管2000的多晶硅栅极（未标注）是连接在一起并接地GND，第二垂直转移晶体管2000的浮置扩散区的电压为常高，即电压一直处于清电子时候的电压。
请继续参考图14，图14为形成CMOS图像传感器的步骤流程图，包括如下步骤：
S100于半导体衬底上形成沟槽，至少部分所述沟槽用于后续步骤中形成图像传感器像素单元的源跟随晶体管；
S200填充第三阻挡层，覆盖沟槽；
S300采用图形化工艺刻蚀沟槽周围的部分区域，形成浅沟槽隔离结构；
S400填充氧化层覆盖所述浅沟槽隔离结构；
S500采用化学机械研磨所述氧化层停止至第三阻挡层；
S600去除第三阻挡层；
S700在所述沟槽中填充多晶硅层，刻蚀至少部分沟槽形成源跟随晶体管。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，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作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (15)
1.一种CMOS图像传感器的实现方法，其特征在于，包括：
于半导体衬底上形成沟槽，至少部分所述沟槽用于后续步骤中形成图像传感器像素单元的源跟随晶体管；
填充第三阻挡层，覆盖沟槽；
采用图形化工艺刻蚀沟槽周围的部分区域，形成浅沟槽隔离结构；
填充氧化层覆盖所述浅沟槽隔离结构；
采用化学机械研磨所述氧化层停止至第三阻挡层；
去除第三阻挡层；
在所述沟槽中填充多晶硅层，刻蚀至少部分沟槽形成源跟随晶体管。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的实现方法，其特征在于，所述源跟随晶体管是鳍形场效应晶体管，所述源跟随晶体管栅极的下端与半导体衬底之间是通过栅极氧化层隔离。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的实现方法，其特征在于，所述沟槽包括两种不同深度；其中，深沟槽比所述浅沟槽隔离结构的深度深500埃以上，浅沟槽比所述浅沟槽隔离结构的深度浅100埃以上；所述深沟槽用于形成垂直转移晶体管，所述浅沟槽用于形成源跟随晶体管或其他晶体管。
4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的实现方法，其特征在于，在图形化工艺刻蚀沟槽周围的部分区域形成浅沟槽隔离结构的步骤中，采用自对准工艺技术刻蚀。
5.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器的实现方法，其特征在于，刻蚀垂直转移晶体管栅极与浮置扩散区相邻的区域使得所述区域的垂直转移晶体管栅极低于浮置扩散区的下表面100埃以上，以减少垂直转移晶体管栅极与浮置扩散区之间的电容，提高转换增益。
6.根据权利要求5所述的CMOS图像传感器的实现方法，其特征在于，所述垂直转移晶体管栅极远离浮置扩散区的区域位于浅沟槽隔离结构的上部，便于后续垂直转移晶体管栅极的电学连接。
7.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器的实现方法，其特征在于，采用第一阻挡层保护图像传感器像素单元区域，先形成图像传感器外围电路区域的浅沟槽隔离结构、并进行阱离子注入；
去除第一阻挡层，采用第二阻挡层保护外围电路区域，再形成图像传感器像素单元区域的两种深度的沟槽、以及采用第三阻挡层覆盖沟槽, 通过图形化工艺刻蚀沟槽周围的部分区域，形成图像传感器像素单元区域的浅沟槽隔离结构。
8.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器的实现方法，其特征在于，所述图像传感器像素单元区域的浅沟槽隔离结构与图像传感器外围电路区域的浅沟槽隔离结构可采用同一刻蚀步骤形成。
9.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器的实现方法，其特征在于，所述图像传感器外围电路区域的晶体管采用与图像传感器像素单元内源跟随晶体管相似的鳍形场效应晶体管结构，以提高外围电路的性能。
10.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的实现方法，其特征在于，在图像传感器像素单元区域的光电二极管形成过程中，在形成浅沟槽隔离结构之前完成部分或全部光电二极管的P型阱注入, 部分或全部光电二极管的N型阱注入，在后续形成浅沟槽隔离结构的步骤中不采用高温氧化工艺步骤，以避免前序步骤离子注入形成光电二极管的掺杂区域的离子扩散。
11.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器的实现方法，其特征在于，在图像传感器像素单元区域的浅沟槽隔离结构形成后，采用自对准工艺形成光电二极管的P型钉扎层。
12.根据权利要求11所述的CMOS图像传感器的实现方法，其特征在于，形成图像传感器像素单元区域的浅沟槽隔离结构，采用自对准工艺形成光电二极管的P型钉扎层，
再形成侧墙结构；自对准注入光电二极管N型掺杂，所述侧墙结构提高光电二极管N型掺杂区域与垂直转移晶体管的对准精度。
13.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器的实现方法，其特征在于，图像传感器像素单元每个光电二极管有两个垂直转移晶体管，一个实现正常信号读取功能，另一个实现溢出电荷的收集功能。
14.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器的实现方法，其特征在于，
所述第一阻挡层、第二阻挡层、第三阻挡层为：SiN，SiON，SiC, SiNC, SiONC中的任意一种或多种组合。
15.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器的实现方法，其特征在于，去除第三阻挡层后先形成栅极氧化层，进而形成源跟随晶体管以及垂直转移晶体管的栅极。
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