CN112563299B - Cmos图像传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种CMOS图像传感器及其制备方法，所述方法包括：提供一衬底，所述衬底上形成有第一环形沟槽，所述第一环形沟槽包括相对的第一子沟槽和第二子沟槽。对所述第一子沟槽执行离子注入工艺，以在所述第一子沟槽下方的衬底中形成阱区。采用绝缘介质填充所述第一环形沟槽，以形成第一浅沟槽隔离结构。对至少部分所述阱区以及所述第一浅沟槽隔离结构包围的部分所述衬底执行离子注入工艺，以形成第一光电二极管。因此，本发明通过在所述第一光电二极管的形成区域内形成所述阱区，并利用所述阱区阻挡光照，以替代挡光层，避免第一光电二极管过快饱和，降低其灵敏度。故本发明不仅降低成本，还对其他元器件没有干扰，提高成品率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种CMOS图像传感器及其制备方法。
背景技术
图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，其中大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片两大类。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，而且在汽车电子，监控，生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。
像素单元是CMOS图像传感器实现感光功能的核心器件，其通常包括用于光电转换的光电二极管、用于信号控制和传输的传输管、复位管、源极跟随管和行选管等晶体管。其中，像素单元的动态范围是图像传感器最重要的性能指标之一。所述动态范围指的是在同一场景中像素单元能够探测到的最强光和最弱光的光强比值。对此，在像素单元中会同时设置一个大光电二极管和小光电二极管。大光电二极管用于感应弱光，其灵敏度要尽量高。小光电二极管用于感应强光，为了避免小光电二极管在强光下的过快饱和，其灵敏度要尽量低。因此，目前常用的方法是在小光电二极管上形成一挡光层来减少进光量，从而达到降低灵敏度的目的。
然而，挡光层的形成需要额外的工艺步骤，造成制作成本上升，同时由于挡光层刻蚀使用的等离子体会造成大光电二极管表面的等离子损伤，从而引起暗电流和白色像素增加，导致像素单元性能劣化，可靠性和成品率下降。
因此，需要一种新的CMOS图像传感器及其制备方法，以更好的降低小光电二极管的灵敏度，便于像素单元的动态范围的获取。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CMOS图像传感器及其制备方法，以解决如何降低光电二极管的灵敏度的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种CMOS图像传感器的制备方法，包括：
提供一衬底，所述衬底上形成有第一环形沟槽，所述第一环形沟槽包括相对的第一子沟槽和第二子沟槽；
对所述第一子沟槽执行离子注入工艺，以在所述第一子沟槽下方的衬底中形成阱区；
采用绝缘介质填充所述第一环形沟槽，以形成第一浅沟槽隔离结构；
对至少部分所述阱区以及所述第一浅沟槽隔离结构包围的部分所述衬底执行离子注入工艺，以形成第一光电二极管。
可选的，在所述的CMOS图像传感器的制备方法中，采用P型杂质对所述第一子沟槽执行离子注入工艺，形成P型所述阱区时，采用N型杂质对至少部分P型所述阱区以及所述第一浅沟槽隔离结构包围的部分所述衬底执行离子注入工艺，以形成所述第一光电二极管；或者，
当采用N型杂质对所述第一子沟槽执行离子注入工艺，形成N型所述阱区时，采用P型杂质对至少部分N型所述阱区以及所述第一浅沟槽隔离结构包围的部分所述衬底执行离子注入工艺，以形成所述第一光电二极管。
可选的，在所述的CMOS图像传感器的制备方法中，所述第一环形沟槽呈方形，所述第一子沟槽的宽度大于所述第二子沟槽的宽度。
可选的，在所述的CMOS图像传感器的制备方法中，提供一衬底，所述衬底上形成有第一环形沟槽，所述第一环形沟槽包括相对的第一子沟槽和第二子沟槽，所述衬底上还形成有第二环形沟槽，所述第二环形沟槽与所述第一环形沟槽相邻接，且部分所述第二环形沟槽与所述第二子沟槽相重叠。
可选的，在所述的CMOS图像传感器的制备方法中，在采用绝缘介质填充所述第一环形沟槽的同时，采用绝缘介质填充所述第二环形沟槽，以形成第二浅沟槽隔离结构。
可选的，在所述的CMOS图像传感器的制备方法中，在形成所述第一光电二极管的同时，对所述第二浅沟槽隔离结构包围的部分所述衬底执行离子注入工艺，以形成第二光电二极管。
可选的，在所述的CMOS图像传感器的制备方法中，在形成所述第一光电二极管和所述第二光电二极管之后，所述CMOS图像传感器的制备方法还包括：
形成第一栅极结构、第二栅极结构、第一悬浮漏极和第二悬浮漏极；其中，
所述第一栅极结构位于所述第一浅沟槽隔离结构包围的所述衬底的表面，所述第一光电二极管和所述第一悬浮漏极分别位于所述第一栅极结构两侧的衬底内，且与所述第一栅极结构相邻接；
所述第二栅极结构位于所述第二浅沟槽隔离结构包围的所述衬底的表面，所述第二光电二极管和所述第二悬浮漏极分别位于所述第二栅极结构两侧的衬底内，且与所述第二栅极结构相邻接。
可选的，在所述的CMOS图像传感器的制备方法中，在形成第一栅极结构、第二栅极结构、第一悬浮漏极和第二悬浮漏极之后，所述CMOS图像传感器的制备方法还包括：在所述衬底表面形成金属互连层。
可选的，在所述的CMOS图像传感器的制备方法中，在所述衬底表面形成金属互连层之后，所述CMOS图像传感器的制备方法还包括：
倒置半导体结构，以使所述金属互连层位于所述衬底的下面；
所述金属互连层的底面与一硅片键合；
去除部分厚度的所述衬底，以暴露所述第一光电二极管和所述第二光电二极管。
基于同一发明构思，本发明还提供一种CMOS图像传感器，包括：
一衬底，所述衬底上形成有第一环形沟槽，所述第一环形沟槽包括相对的第一子沟槽和第二子沟槽；
一阱区，所述阱区形成于所述第一子沟槽下方的衬底中；
第一光电二极管，所述第一光电二极管形成于至少部分所述阱区中并延伸至所述第一环形沟槽包围的部分所述衬底中。
综上所述，本发明提供一种CMOS图像传感器及其制备方法，包括：提供一衬底，所述衬底上形成有第一环形沟槽，所述第一环形沟槽包括相对的第一子沟槽和第二子沟槽。对所述第一子沟槽执行离子注入工艺，以在所述第一子沟槽下方的衬底中形成阱区。采用绝缘介质填充所述第一环形沟槽，以形成第一浅沟槽隔离结构。对至少部分所述阱区以及所述第一浅沟槽隔离结构包围的部分所述衬底执行离子注入工艺，以形成第一光电二极管。因此，本发明通过在所述第一光电二极管的形成区域内形成所述阱区，并利用所述阱区阻挡光照，以替代挡光层，避免第一光电二极管过快饱和，降低其灵敏度。故本发明不仅降低成本，还对其他元器件没有干扰，提高成品率。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种磁传感器的制备方法流程图；
图2是本发明实施例中的步骤一中的衬底俯视图；
图3-9是本发明实施例中的一种CMOS图像传感器的制备方法各步骤形成的结构示意图；
其中，附图标记说明如下：
100-衬底；101-阱区；102a-第一浅沟槽隔离结构；102b-第二浅沟槽隔离结构；103-第一光电二极管；104-第二光电二极管；105-第一栅极结构；106-第二栅极结构；107-第一悬浮漏极；108-第二悬浮漏极；109-金属互连层；110-硅片；P1-第一环形沟槽；P2-第二环形沟槽；P10-第一子沟槽；P11-第二子沟槽。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种CMOS图像传感器及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
为解决上述技术问题，本实施例提供一种CMOS图像传感器的制备方法，请参阅图1，包括：
步骤一S10：提供一衬底，所述衬底上形成有第一环形沟槽，所述第一环形沟槽包括相对的第一子沟槽和第二子沟槽。
步骤二S20：对所述第一子沟槽执行离子注入工艺，以在所述第一子沟槽下方的衬底中形成阱区。
步骤三S30：采用绝缘介质填充所述第一环形沟槽，以形成第一浅沟槽隔离结构。
步骤四S40：对至少部分所述阱区以及所述第一浅沟槽隔离结构包围的部分所述衬底执行离子注入工艺，以形成第一光电二极管。
以下结合附图2-9，具体阐述本实施例提供的所述CMOS图像传感器的制备方法：
步骤一S10：请参阅图2-3，提供一衬底100，所述衬底100上形成有第一环形沟槽P1，所述第一环形沟槽P1包括相对的第一子沟槽P10和第二子沟槽P11。
其中，图2为所述衬底100的俯视图，图3为图2中A-A’处的剖视图。所述衬底100可为后续工艺提供操作平台，其可以是本领域技术人员熟知的任何用以承载半导体集成电路组成元件的底材，可以是裸片，也可以是经过外延生长工艺处理后的晶圆，进一步的，所述衬底100可选为绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)基底、体硅(bulk silicon)基底、锗基底、锗硅基底、磷化铟(InP)基底、砷化镓(GaAs)基底或者绝缘体上锗基底等。
进一步的，在形成所述第一环形沟槽P1的同时，还在所述衬底100上还形成有第二环形沟槽P2，所述第二环形沟槽P2与所述第一环形沟槽P1相邻接，且部分所述第二环形沟槽P2与所述第二子沟槽P11相重叠。所述第一环形沟槽P1和所述第二环形沟槽P2，可选的，均呈方形。其中，所述第一子沟槽P10的宽度大于所述第二子沟槽P11的宽度，且所述第一子沟槽P10和所述第二子沟槽P11的深度均相等。所述第一环形沟槽P1包围的所述衬底100的面积大于所述第二环形沟槽P2包围的所述衬底100的面积。
可选的，采用干法刻蚀工艺或者湿法刻蚀工艺形成所述第一环形沟槽P1和所述第二环形沟槽P2。
步骤二S20：请参阅图4，对所述第一子沟槽P10执行离子注入工艺，以在所述第一子沟槽P10下方的衬底100中形成阱区101。
在本申请实施例中，所述阱区101包围所述第一子沟槽P10，或者说所述阱区101自所述第一子沟槽P10的表面向所述衬底100延伸。
其中，在执行离子注入工艺中采用P型杂质或N型杂质。可选的，所述P型杂质包括硼离子或镓离子等，所述N型杂质包括磷离子或砷离子等。进一步的，注入离子时的注入能量范围为10KeV～5000KeV，离子浓度范围为1×1011/cm2～5×1015/cm2。优选的，注入的角度为垂直于所述第一环形沟槽P1底面或者为，与垂直于所述第一环形沟槽P1的法线夹角在45度之内。
步骤三S30：请参阅图5，采用绝缘介质填充所述第一环形沟槽P1，以形成第一浅沟槽隔离结构102a。
其中，在形成第一浅沟槽隔离结构102a的同时，采用绝缘介质填充所述第二环形沟槽P2，以形成第二浅沟槽隔离结构102b。具体的，采用化学气相沉积工艺在所述第一环形沟槽P1和所述第二环形沟槽P2中生长绝缘介质。其中，所述绝缘介质包括二氧化硅。填充后，采用化学机械研磨工艺将所述衬底100表面的多余的绝缘介质去除，以使得所述第一浅沟槽隔离结构102a和所述第二浅沟槽隔离结构102b的顶表面与所述衬底齐平。所述第一浅沟槽隔离结构102a和所述第二浅沟槽隔离结构102b在所述CMOS图像传感器中用于电性隔离。
步骤四S40：请参阅图6，对至少部分所述阱区101以及所述第一浅沟槽隔离结构102a包围的部分所述衬底100执行离子注入工艺，以形成第一光电二极管103。
在形成所述第一光电二极管103的同时，对所述第二浅沟槽隔离结构102b包围的部分所述衬底100执行离子注入工艺，以形成第二光电二极管104。其中，所述第一光电二极管103的深度大于所述阱区101的深度。所述第一光电二极管103的深度等于所述第二光电二极管104的深度，且所述第二光电二极管104的形成区域的宽度大于所述第一光电二极管103的形成区域的宽度。所述第二光电二极管104用于感应弱光，第一光电二极管103用于感应强光。
其中，当采用P型杂质对所述第一子沟槽P1执行离子注入工艺，形成P型所述阱区101时，采用N型杂质对至少部分P型所述阱区101以及所述第一浅沟槽隔离结构102a包围的部分所述衬底100执行离子注入工艺，以形成所述第一光电二极管103。当采用N型杂质对所述第一子沟槽P1执行离子注入工艺，形成N型所述阱区101时，采用P型杂质对至少部分N型所述阱区101以及所述第一浅沟槽隔离结构102a包围的部分所述衬底100执行离子注入工艺，以形成所述第一光电二极管104。具体的，如图6所示，所述第一光电二极管104的形成区域包括全部或部分阱区101以及所述第一浅沟槽隔离结构102a包围的部分所述衬底100。即，对全部阱区101或者靠近所述第一子沟槽P1的部分阱区101执行离子注入工艺，以及对所述第一浅沟槽隔离结构102a包围的靠近第一子沟槽P1的部分所述衬底100执行离子注入。其中，保留部分所述第一浅沟槽隔离结构102a包围的所述衬底100用于在后续工艺中形成第一栅极结构105和第一悬浮漏极107。
进一步的，在所述第一光电二极管103覆盖的至少部分所述阱区101内包括N型杂质和P型杂质。因所述N型杂质和所述P型杂质会进行反向消耗，故能够实现减薄所述第一光电二极管103的感光面积，进而避免所述第一光电二极管103在强光下的过快饱和，以降低其感光灵敏度。
进一步的，本实施例提供的所述CMOS图像传感器的制备方法是在填充所述第一子沟槽P10之前，对所述第一子沟槽P10执行离子注入，而不是在形成所述第一浅沟槽隔离结构102a之后，再形成所述阱区101。其目的在于使得形成的所述阱区101的深度更深，从而能够进一步减薄所述第一光电二极管103的感光区，更好地降低其感光灵敏度。因此，本实施例提供的所述CMOS图像传感器的制备方法无需额外制备挡光层，即可实现降低所述第一光电二极管102a的灵敏度降低，且对所述第二光电二极管104的性能没有影响。
请参阅图7，在形成所述第一光电二极管103和所述第二光电二极管104之后，所述CMOS图像传感器的制备方法还包括：形成第一栅极结构105、第二栅极结构106、第一悬浮漏极107和第二悬浮漏极108。其中，所述第一栅极结构105位于所述第一浅沟槽隔离结构102a包围的所述衬底100的表面，所述第一光电二极管103和所述第一悬浮漏极107分别位于所述第一栅极结构105两侧的衬底100内，且与所述第一栅极结构105相邻接。所述第二栅极结构106位于所述第二浅沟槽隔离结构102b包围的所述衬底100的表面，所述第二光电二极管104和所述第二悬浮漏极108分别位于所述第二栅极结构106两侧的衬底100内，且与所述第二栅极结构106相邻接。
进一步的，在所述衬底100表面，被所述第一光电二极管103的形成区域覆盖的至少部分所述阱区102的边界与所述第一光电二极管103的边界之间保留一定的间隙，以便于电荷能够经所述第一光电二极管103传输至所述第一栅极结构105。其中，所述第一栅极结构105和第二栅极结构106均由多晶硅层以及形成于所述多晶硅层两侧的侧墙组成。所述第一悬浮漏极107和所述第二悬浮漏极108经离子注入形成。
请参阅图8，在形成第一栅极结构105、第二栅极结构106、第一悬浮漏极107和第二悬浮漏极108之后，所述CMOS图像传感器的制备方法还包括：在所述衬底100表面形成金属互连层109。可选的，在所述衬底100表面形成一低K介电层，然后在所述低K介电层中形成若干金属层，并经金属接触孔结构实现互连。所述金属互连层109可作为所述CMOS图像传感器的金属层间电容。
请参阅图9，在所述衬底100表面形成金属互连层109之后，倒置半导体结构，以使所述金属互连层109位于所述衬底100的下面。所述金属互连层109的底面与一硅片110键合，以承载所述半导体结构。可选的，采用化学机械研磨工艺，去除部分厚度的所述衬底100，以暴露所述第一光电二极管103和所述第二光电二极管104。所述CMOS图像传感器的后续工艺为本领域技术人员所熟知的工艺步骤，在此不做赘述。
基于同一发明构思，本实施例还提供一种CMOS图像传感器，请参阅图2和7包括：
一衬底100，所述衬底100上形成有第一环形沟槽P1，所述第一环形沟槽P1包括相对的第一子沟槽P10和第二子沟槽P11。
一阱区101，所述阱区101形成于所述第一子沟槽P10下方的衬底100中。
第一光电二极管101，所述第一光电二极管101形成于至少部分所述阱区101中并延伸至所述第一环形沟槽P10包围的部分所述衬底100中。
进一步的，所述衬底100上还形成有第二环形沟槽P2。所述第二环形沟槽P2与所述第一环形沟槽P1相邻接，且部分所述第二环形沟槽P2与所述第二子沟槽P11相重叠。经填充后，所述第一环形沟槽P1成为所述第一浅沟槽隔离结构102a，所述第二环形沟槽P2成为所述第二浅沟槽隔离结构102b。则所述光电二极管101形成于部分或全部所述阱区101中并延伸至所述第一浅沟槽隔离结构102a包围的部分所述衬底100中。此外，所述CMOS图像传感器还包括第二光电二极管104，所述第二光电二极管104位于所述第二浅沟槽隔离结构102b包围的部分所述衬底100中。其中，所述第一光电二极管覆盖的部分或全部所述阱区101中掺杂有N型杂质和P型杂质，且所述N型杂质和所述P型杂质可反向消耗，以实现减薄所述第一光电二极管103的感光面积，避免其在强光下的过快饱和，进而降低其感光灵敏度。
综上所述，本实施例提供的所述CMOS图像传感器及其制备方法，通过在所述第一光电二极管103的形成区域内形成所述阱区101，并利用所述阱区101内N型杂质和P型杂质的反向消耗，以减薄所述第一光电二极管103的感光面积，实现原挡光层的阻挡光照的作用，避免第一光电二极管103过快饱和，降低其灵敏度。故本实施例提供的方法无需额外制备挡光层，即可实现降低第一光电二极管的灵敏度103，不仅降低成本，还对其他元器件没有干扰，提高成品率。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，包括：
提供一衬底，所述衬底上形成有第一环形沟槽，所述第一环形沟槽包括相对的第一子沟槽和第二子沟槽；
对所述第一子沟槽执行离子注入工艺，以在所述第一子沟槽下方的衬底中形成阱区；
采用绝缘介质填充所述第一环形沟槽，以形成第一浅沟槽隔离结构；
对至少部分所述阱区以及所述第一浅沟槽隔离结构包围的部分所述衬底执行离子注入工艺，以形成第一光电二极管；
其中，所述第一光电二极管覆盖的所述至少部分所述阱区内注入有电性相反的杂质，以形成反向消耗。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，当采用P型杂质对所述第一子沟槽执行离子注入工艺，形成P型所述阱区时，采用N型杂质对至少部分P型所述阱区以及所述第一浅沟槽隔离结构包围的部分所述衬底执行离子注入工艺，以形成所述第一光电二极管；或者，
当采用N型杂质对所述第一子沟槽执行离子注入工艺，形成N型所述阱区时，采用P型杂质对至少部分N型所述阱区以及所述第一浅沟槽隔离结构包围的部分所述衬底执行离子注入工艺，以形成所述第一光电二极管。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，所述第一环形沟槽呈方形，所述第一子沟槽的宽度大于所述第二子沟槽的宽度。
4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，提供一衬底，所述衬底上形成有第一环形沟槽，所述第一环形沟槽包括相对的第一子沟槽和第二子沟槽，所述衬底上还形成有第二环形沟槽，所述第二环形沟槽与所述第一环形沟槽相邻接，且部分所述第二环形沟槽与所述第二子沟槽相重叠。
5.根据权利要求4所述的CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，在采用绝缘介质填充所述第一环形沟槽的同时，采用绝缘介质填充所述第二环形沟槽，以形成第二浅沟槽隔离结构。
6.根据权利要求5所述的CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，在形成所述第一光电二极管的同时，对所述第二浅沟槽隔离结构包围的部分所述衬底执行离子注入工艺，以形成第二光电二极管。
7.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，在形成所述第一光电二极管和所述第二光电二极管之后，所述CMOS图像传感器的制备方法还包括：
形成第一栅极结构、第二栅极结构、第一悬浮漏极和第二悬浮漏极；其中，
所述第一栅极结构位于所述第一浅沟槽隔离结构包围的所述衬底的表面，所述第一光电二极管和所述第一悬浮漏极分别位于所述第一栅极结构两侧的衬底内，且与所述第一栅极结构相邻接；
所述第二栅极结构位于所述第二浅沟槽隔离结构包围的所述衬底的表面，所述第二光电二极管和所述第二悬浮漏极分别位于所述第二栅极结构两侧的衬底内，且与所述第二栅极结构相邻接。
8.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，在形成第一栅极结构、第二栅极结构、第一悬浮漏极和第二悬浮漏极之后，所述CMOS图像传感器的制备方法还包括：在所述衬底表面形成金属互连层。
9.根据权利要求8所述的CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，在所述衬底表面形成金属互连层之后，所述CMOS图像传感器的制备方法还包括：
倒置半导体结构，以使所述金属互连层位于所述衬底的下面；
所述金属互连层的底面与一硅片键合；
去除部分厚度的所述衬底，以暴露所述第一光电二极管和所述第二光电二极管。
10.一种CMOS图像传感器，其特征在于，所述CMOS图像传感器包括：
一衬底，所述衬底上形成有第一环形沟槽，所述第一环形沟槽包括相对的第一子沟槽和第二子沟槽；
一阱区，所述阱区形成于所述第一子沟槽下方的衬底中；
第一光电二极管，所述第一光电二极管形成于至少部分所述阱区中并延伸至所述第一环形沟槽包围的部分所述衬底中；
其中，所述第一光电二极管覆盖的所述至少部分所述阱区内注入有电性相反的杂质，以形成反向消耗。
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