CN1395313A - 互补式金氧半图像感测器的结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种互补式金氧半图像感测器的制造方法，此方法是在基底中形成隔离层，以将基底区隔为二极管感测区以及晶体管元件区。接着，在晶体管元件区形成栅极结构之后，再在栅极结构两侧的晶体管元件区中形成源/漏极区，且同时在光二极管感测区中形成掺杂区。然后，在光二极管感测区上形成自对准绝缘层，再在基底上形成保护层。而后，依序在保护层上形成介电层、金属导线，再在介电层以及金属导线上形成保护层，其中介电层以及金属导线的层数视制作工艺决定，并且在每一介电层之间都形成保护层。

Description

互补式金氧半图像感测器的 结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种光二极管图像感测元件(Photodiode image sensor device)的结构及其制造方法，特别是涉及一种互补式金氧半图像感测器(CMOSImage Sensor，CIS)的结构及其制造方法。

背景技术

光二极管图像感测器是目前常见的一种图像感测元件。典型的光二极管图像感测器，至少包括一个重置晶体管(Reset transistor)以及一个二极管所形成的光感测区。以N型掺杂区、P型基体所形成的二极管作为感光区域为例，光二极管图像感测器在操作时在重置晶体管的栅极施加一电压，使重置晶体管开启后，对N/P二极管接面电容充电。当充电到一高位之后，关掉重置晶体管，使N/P二极管产生逆偏而形成空乏区。当光照射在此N/P二极管感光区时，产生的电子空穴对会被空乏区的电场分开，使电子往N型掺杂区移动，而使N型掺杂区的电位降低，至于空穴则会往P型基体流走。

电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)具有高动态范围、低的暗电流(Dark current)，并且其技术发展成熟，因此为现今最常使用的图像感测器。然而，电荷耦合元件也具有制作工艺特殊而导致价格昂贵、驱动电路须以高电压操作使得功率消耗(Power dissipation)很高，并且无法随机存取(Randomaccess)等问题点的存在。

而互补式金氧半图像感测器具有高量子效率(Quantum efficiency)、低读出噪音(Read noise)、高动态范围(Dynamic range)及随机存取的特性，并且百分之百与互补式金氧半导体制作工艺相容，因此能够很容易地在同一芯片上与其他控制电路、模拟数字电路(A/D converter)、和数字信号处理电路整合在一起，达成所谓的System On a Chip(SOC)的目标。因此互补式金氧半图像感测器制作工艺技术的演进将能够大幅度降低图像感测器的成本、像素尺寸、以及消耗功率。因此近年来在低价位领域的应用上，互补式金氧半图像感测器已成为电荷耦合元件的代替品。

现有互补式金氧半图像感测器的制造方法略述如下：

请参照图1A，首先，在基底100中形成场氧化层102，再在基底100上形成重置晶体管130的栅氧化层104以及复晶硅栅极106。接着，以场氧化层102以及复晶硅栅极106作为植入掩模，利用离子植入与热驱入制作工艺，在基底100中形成源/漏极区108及光二极管感测区110的掺杂区112。然后，在复晶硅栅极106以及栅极氧化层104的侧壁形成间隙壁114。其后，在光二极管感测区110之上形成一层自对准绝缘层(Self Align Block，SAB)116，以形成光二极管互补式金氧半图像感测元件。

接着，请参照图1B，进行此光二极管互补式金氧半图像感测元件的后段制作工艺(Backend process)，此后段制作工艺例如是在基底100上形成介电层118，再于介电层118上形成金属导线120，然后，在基底上形成介电层122，再于介电层122上形成金属导线124。

然而，此种以现有制造方法所得到的互补式金氧半图像感测器存在着下述的问题：

在进行后段制作工艺时，其中例如是接触窗/介层窗开口的限定、金属导线的限定等，无可避免的会使用到等离子体蚀刻法。此等离子体蚀刻法具有相当大的能量而会造成相当大的压降(Voltage drop)，此压降不仅是会对一般的晶体管元件造成破坏，也会对于光二极管感测区的表面会造成破坏，特别是此等离子体造成的破坏在场氧化层周围的鸟嘴区更形严重，因而使得光二极管感测区更容易产生漏电流的现象。上述漏电流的问题将会使得感测器产生相当大的暗电流，导致读出噪音的增加。

而且，对于同一晶片上所形成的多个感测器而言，其单一感测器的暗电流的数值大小分布有一段相当大的范围，即是每一感测器之间暗电流的差值可能会相当大，因而造成感测器的均一性不佳。

发明内容

本发明的目的在于提出一种互补式金氧半图像感测器的结构及其制造方法，在元件表面与介电层之间、以及介电层彼此之间形成保护层，以能够防止等离子体的破坏。

本发明的另一目的在于提出一种互补式金氧半图像感测器的结构及其制造方法，能够使互补式金氧半图像感测器中暗电流的问题减至最低。

本发明的另一目的在于提出一种互补式金氧半图像感测器的结构及其制造方法，能够提高互补式金氧半图像感测器的均一性。

本发明的目的是这样实现的，即提供一种互补式金氧半图像感测器的结构，包括光二极管感测区、晶体管元件区、晶体管、自对准绝缘层、介电层以及第一、第二保护层。其中，光二极管感测区与晶体管元件区配置于基底之中，且晶体管配置在晶体管元件区之上。自对准绝缘层配置于光二极管感测区之上，而第一保护层配置整个基底之上并覆盖自对准绝缘层。多个介电层，其中每一介电层距离第一保护层不同高度设置在第一保护层上。以及多个第二保护层，其中每一第二保护层设置于每一相邻的介电层之间。

本发明还提供一种制作上述互补式金氧半图像感测器的制造方法，其方法在基底上形成隔离层以区隔出光二极管感测区以及晶体管元件区。接着，在晶体管元件区上形成一栅极结构，再进行淡离子植入步骤，以在晶体管元件区形成淡漏极掺杂区以及在光二极管感测区形成轻掺杂区。然后，在栅极结构侧壁形成间隙壁，再进行浓离子植入步骤，以在晶体管元件区形成源/漏极区以及在光二极管感测区形成重掺杂区。其后，在光二极管感测区形成一层自对准绝缘层之后，再在基底上形成一层保护层以覆盖整个基底，并且保护层与自对准绝缘层的材质间具有不同的折射率。而后，进行此感测器元件的后段制作工艺，此后段制作工艺依序在保护层上形成介电层、金属导线，再在介电层以及金属导线上形成保护层，其中介电层以及金属导线的层数视制作工艺决定，并且在每一介电层之间都形成保护层。

综上所述，本发明的重要特征由于在形成光二极管互补式金氧半图像感测元件之后，在整个基底上覆盖一层保护层，其后并在后段制作工艺中，在每一介电层之间也形成保护层，通过此各保护层的作用，能够避免在后段制作工艺中所使用的等离子体蚀刻法对光二极管感测区造成破坏，从而能够将暗电流的产生降到最小。

而且，此各保护层覆盖在整个基底上，除了主要必须保护的光二极管感测区之外，对于其他的区域也具有保护其不受等离子体蚀刻制作工艺破坏的效果。

此外，对同一晶片的多个感测器而言，此各形成多个保护层的感测器，其暗电流数值的分布大小集中在密集的范围内，因此此各感测器的暗电流特性十分接近，即是此各互补式金氧半图像感测器具有相当良好的均一性。

并且，保护层与自对准绝缘层以及介电层的材料之间具有不同的折射率。由于入射光进入光二极管感测区表面时，经由相邻的保护层与介电层、自对准绝缘层两种不同折射率材质的折射，并且光二极管感测区吸收此经由折射过的入射光之后所转换产生光电子的能力较佳，因此具有较高的量子效率。

附图说明

图1A至图1B为现有的互补式金氧半图像感测器的剖视图；

图2A至图2F为本发明的较佳实施例中，互补式金氧半图像感测器的制造方法的流程剖视图；

图3为入射光进入本发明较佳实施例的互补式金氧半图像感测器的示意图。

具体实施例方式

请参照图2F，本发明的互补式金氧半图像感测器，包括光二极管感测区260、晶体管元件区270、晶体管250、自对准绝缘层224、保护层228、234、236、介电层230、234以及金属导线232、236。

上述的光二极管感测区260、晶体管元件区270设置于基底200中，且以隔离层202区隔开来，在隔离层202下方更形成有通道隔绝区204。

晶体管250例如是一重置晶体管或是一传送晶体管，其结构包括栅氧化层206a、栅极导体层208a、间隙壁216、源/漏极区220。栅氧化层206a与栅极导体层208a配置在晶体管元件区270上，且间隙壁216配置于栅氧化层206a与栅极导体层208a的侧壁，而源/漏极区220设置在间隙壁216两侧的晶体管元件区270中。

栅氧化层204a的材质例如为氧化硅，其形成的方法例如为热氧化法。栅极导体层206a其材质例如为复晶硅、复晶硅与金属硅化物所组成的复晶硅化金属以及金属所组成的族群其中之一。其形成的方法例如为化学气相沉积法或溅射法。当栅极导体层208a为复晶硅，较佳的晶体管250其栅极导体层208a、源极/漏极区220上还包括金属硅化物层226，以降低其片电阻。

光二极管感测区260由重掺杂区222与基底200所组成。重掺杂区222的掺杂型态与源/漏极区220相同、但与基底200相异。当基底200的掺杂型态为p型，重掺杂区222的掺杂型态则为n型；若基底200的掺杂型态为n型，重掺杂区214的掺杂型态则为p型。

自对准绝缘层224配置在光二极管感测区260上，其材质例如是以等离子体增强型化学气相沉积法所形成的氧化硅。

保护层228覆盖自对准绝缘层224且配置在整个基底200上。保护层228的材质例如为氮化硅，其形成的方法例如是等离子体增强型化学气相沉积法。

介电层230、金属导线232以及保护层234依序设置在保护层228上，其中介电层230的材质例如是氧化硅，形成的方法例如是等离子体增强型化学气相沉积法，金属导线的材质例如是复晶硅、铝、铜、钨所组的族群其中之一，形成的方法例如是磁控直流溅射法以及化学气相沉积法，保护层234的材质例如是氮化硅，形成的方法例如是以等离子体增强型化学气相沉积法，且通入硅甲烷与氨气以作为制作工艺气体所形成。

介电层236、金属导线238以及保护层240依序设置在保护层234上，其形成方法依照形成介电层230、金属导线232以及保护层234的方法所形成。

并且在上述结构中，介电层以及金属导线的层数依照制作工艺的需要设置，并且，虽然在图2F中所绘示的金属导线并未互相连接，然而金属导线的电连接关系以及设置的位置同样能够依照制作工艺需要而调整。

上述的互补式金氧半图像感测器的制造方法如图2A至图2F所示。

首先，请参照图2A，在基体200上形成隔离层202以界定出光二极管感测区260以及晶体管元件区270，且在隔离层202的下方形成有通道阻绝区204，其中隔离层202例如是氧化硅材质的场氧化层，形成的方法例如是使用局部区域的热氧化法。然后，在基底200上依序形成绝缘层206以及导体层208。其中绝缘层206的材质例如为氧化硅，形成的方法例如为热氧化法。导体层208的材质例如是选自复晶硅、复晶硅与金属硅化物所组成的复晶硅化金属以及金属所组的族群其中之一，其形成的方法例如为化学气相沉积法或磁控直流溅射法。

接着，请参照图2B，以光刻与蚀刻步骤限定导体层208与绝缘层206，以于晶体管元件区270形成晶体管250的栅极导体层208a与栅氧化层206a。然后，再以隔离层202以及栅极导体层208a为掩模，对基底200进行一淡离子植入步骤210，以于栅极导体层208a以及栅氧化层206a两侧的基底200中形成淡掺杂漏极区212以及于光二极管感测区260形成浅掺杂区214。其中淡离子植入步骤210视基底200为p型或n型，所植入的杂质例如为n型的磷或砷、或为p型的硼。

接着，请参照图2C，在栅极导体层208a以及栅氧化层206a的侧壁形成间隙壁216。其中间隙壁216的材质例如为氧化硅，其形成的方法例如是以化学气相沉积法，先在基底200上覆盖一层氧化硅层(未图示)，再以非等向性回蚀刻的方式于形成间隙壁216。然后，以隔离层202、栅极导体层208a以及间隙壁216为掩模，对基底200进行一深离子植入步骤218，以于间隙壁214两侧的基底200中形成源/漏极区220以及于光二极管感测区260形成重掺杂区222。其中深离子植入步骤218视基底200为p型或n型，所植入的杂质例如为n型的磷或砷、或为p型的硼。

接着，请参照图2D，在光二极管感测区260上形成自对准绝缘层224，其中自对准绝缘层224的材质例如是氧化硅，其形成的方法例如是以等离子体增强型化学气相沉积法，在基底形成一层氧化硅层(未图示)，然后将预定形成自对准金属硅化物的区域，例如是晶体管元件区270的氧化硅层移除。其后，再在晶体管元件区270的栅极导体层208a以及源/漏极220上形成自对准硅化金属层226。

接着，请参照图2E，在基底200上形成保护层228，其中保护层228的覆盖区域包括光二极管感测区260、晶体管元件区270以及未图示的周边逻辑电路区。保护层228的材质例如是氮化硅，形成的方法例如是以等离子体增强型化学气相沉积法，且通入硅甲烷与氨气以作为制作工艺气体所形成。

由于在形成光二极管互补式金氧半图像感测元件之后，在整个基底200上覆盖一层保护层228，因此能够避免进行后续的后段制作工艺所使用的等离子体蚀刻法对光二极管感测区260造成破坏。

接着，请参照图2F，进行此感测元件的后段制作工艺，此后段制作工艺例如是在基底200上覆盖一层介电层230，接着在介电层230上形成金属导线232，然后，再在介电层230以及金属导线232上形成保护层234。其中介电层230的材质例如是氧化硅，形成的方法例如是等离子体增强型化学气相沉积法，金属导线的材质例如是复晶硅、铝、铜、钨所组的族群其中之一，形成的方法例如是使用磁控直流溅射法以及化学气相沉积法形成一层金属层(未图示)，再经由等离子体蚀刻法限定出金属导线232，保护层234的材质例如是氮化硅，形成的方法例如是以等离子体增强型化学气相沉积法，且通入硅甲烷与氨气以作为制作工艺气体所形成。

其后，依照与上述形成介电层230、金属导线232、保护层234相同的方法，在保护层234上依序形成介电层236、金属导线238、保护层240。在上述的后段制作工艺中，其中介电层以及金属导线的层数依照制作工艺的需要设置，并且，虽然在图2F中所绘示的金属导线并未互相连接，然而金属导线的电连接关系以及设置的位置同样是依照制作工艺需要而调整。

由于在每次形成介电层以及金属导线之后，就在介电层以及金属导线上覆盖保护层，因此更能确保光二极管感测区260不受等离子体蚀刻制作工艺的破坏。

此外，由于此各保护层的作用，对于同一晶片上的多个互补式金氧半图像感测器而言，此各元件所产生暗电流的数值大小，密集地集中在一个范围内，即是此各元件具有较佳的均一性。

接着，请参照图3，图3所示的仅为图2F中的光二极管感测区260部分。其中保护层228、234、340的材质为氮化硅，且自对准绝缘层224、介电层230、236的材质为氧化硅，由于相邻的两种材质之间具有不同的折射率。当入射光300经由保护层240、介电层236、保护层234、介电层230、保护层228以及自对准绝缘层224射入光二极管感测区260表面时，光二极管感测区260在接收此入射光300时，能得到较佳的转换产生光电子的能力，即是具有较高的量子效率。

综上所述，本发明的重要特征在于，由于在形成光二极管互补式金氧半图像感测元件之后，在整个基底上覆盖一层保护层，其后并在后段制作工艺中，在每一介电层之间也形成保护层，通过此各保护层的作用，能够避免在后段制作工艺中所使用的等离子体蚀刻法对光二极管感测区造成破坏，从而能够将暗电流的产生降到最小。

而且，此各保护层覆盖在整个基底上，除了主要必须保护的光二极管感测区之外，对于其他的区域也具有保护其不受等离子体蚀刻制作工艺破坏的效果。

此外，对同一晶片的多个感测器而言，此形成多个保护层的感测器，其暗电流数值的分布大小集中在密集的范围内，因此，此各感测器的暗电流特性十分接近，即是此各互补式金氧半图像感测器具有相当良好的均一性。

并且，保护层与自对准绝缘层以及介电层的材质之间具有不同的折射率。由于入射光进入光二极管感测区表面时，经由保护层与介电层、自对准绝缘层两种不同折射率材质的折射，并且光二极管感测区吸收此经由折射过的入射光之后所转换产生光电子的能力较佳，因此具有较高的量子效率。

虽然结合以上一较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (20)

1.一种互补式金氧半图像感测器的结构，该感测器至少包括：

一基底；

一光二极管感测区，设置于该基底中；

一晶体管元件区，设置于该基底中，且该光二极管感测区与该晶体管元件区以一隔离层区隔；

一晶体管，设置在该晶体管元件区上，该晶体管包括一栅氧化层、一栅极导体层、一间隙壁与一源/漏极区；

一自对准绝缘层，设置在该光二极管感测区上；

一第一保护层，设置在该基底上，且至少覆盖该自对准绝缘层；

多个介电层，其中每一该各介电层距离该第一保护层不同高度设置于该第一保护层上；以及

多个第二保护层，其中每一该第二保护层设置于每一相邻的该介电层之间。

2.如权利要求1所述的互补式金氧半图像感测器的结构，其中还包括于每一该介电层以及每一该第二保护层之间的每一该介电层上设置多个金属导线。

3.如权利要求1所述的互补式金氧半图像感测器的结构，其中该第一保护层以及该第二保护层的材质包括防止等离子体蚀刻侵蚀的材质。

4.如权利要求1所述的互补式金氧半图像感测器的结构，其中该第一保护层以及该第二保护层的材质包括氮化硅。

5.如权利要求1所述的互补式金氧半图像感测器的结构，其中该自对准绝缘层以及该各介电层的材质包括氧化硅。

6.如权利要求1所述的互补式金氧半图像感测器的结构，其中该光二极管感测区包括一掺杂区，且该掺杂区的掺杂型态与该源/漏极区相同。

7.如权利要求1所述的互补式金氧半图像感测器的结构，还包括一金属硅化物层覆盖于该栅极导体层与该源极/漏极区上。

8.如权利要求1所述的互补式金氧半图像感测器的结构，其中该基底具有p型掺杂，该光二极管感测区包括一n型掺杂区。

9.如权利要求1所述的互补式金氧半图像感测器的结构，其中该基底具有n型掺杂，该光二极管感测区包括一p型掺杂区。

10.一种互补式金氧半图像感测器的制造方法，该方法包括下列步骤：

(a)提供一基底；

(b)在该基底中形成多个隔离层，且该各隔离层将该基底区隔为一光二极管感测区以及一晶体管元件区；

(c)在该基底上形成一栅氧化层、一栅极导体层；

(d)限定该栅极导体层以及该栅氧化层，以于该晶体管元件区形成一栅极结构：

(e)在该栅极结构两侧的该晶体管元件区中形成一源/漏极区，且同时在该光二极管感测区中形成一掺杂区；

(f)在该光二极管感测区上形成一自对准绝缘层；

(g)在该基底上形成一第一保护层；

(h)在该第一保护层上形成一第一介电层；以及

(i)重复(g)～(h)的步骤，以在该第一介电层上形成多个第二保护层以及多个第二介电层。

11.如权利要求10所述的互补式金氧半图像感测器的制造方法，其中在该第二保护层与该第一介电层之间的该第一介电层表面上，以及该第二保护层与该第二介电层的该第二介电层表面上，还形成有多个金属导线。

12.如权利要求10所述的互补式金氧半图像感测器的制造方法，其中该第一保护层以及该各第二保护层的材质包括防止等离子体蚀刻侵蚀的材质。

13.如权利要求10所述的互补式金氧半图像感测器的制造方法，其中该第一保护层以及该各第二保护层的材质包括氮化硅。

14.如权利要求13所述的互补式金氧半图像感测器的制造方法，其中形成该第一保护层以及该各第二保护层的方法包括一等离子体增强型化学气相沉积法。

15.如权利要求14所述的互补式金氧半图像感测器的制造方法，其中该等离子体增强型化学气相沉积法所使用的反应气体源包括硅甲烷与氨气。

16.如权利要求10所述的互补式金氧半图像感测器的制造方法，其中该自对准绝缘层、该第一介电层及该各第二介电层的材质包括氧化硅。

17.如权利要求10所述的互补式金氧半图像感测器的制造方法，其中形成该自对准绝缘层、该第一介电层及该各第二介电层的方法包括等离子体增强型化学气相沉积法。

18.如权利要求10所述的互补式金氧半图像感测器的制造方法，其中还包括进行一自对准金属硅化制作工艺，以在该栅极导体层与该源/漏极区形成一金属硅化物。

19.如权利要求10所述的互补式金氧半图像感测器的制造方法，其中该基底具有p型掺杂，且形成该源/漏极区以及该掺杂区所植入的离子包括n型掺杂。

20.如权利要求10所述的互补式金氧半图像感测器的制造方法，其中该基底具有n型掺杂，且形成该源/漏极区以及该掺杂区所植入的离子包括p型掺杂。

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