CMOS图像传感器的制造方法及其器件结构

摘要

CMOS图像传感器的器件结构，包括：P型半导体衬底，半导体衬底分为二极管区域和晶体管区域及位于二极管区域和晶体管区域之间的间隙区域；位于晶体管区域的半导体衬底中的P型深掺杂阱；位于半导体衬底表面的栅氧化层，所述栅氧化层包含具有第一厚度的第一栅氧化层和具有第二厚度的第二栅氧化层，第一厚度大于第二厚度，第一栅氧化层位于二极管区域、间隙区域和部分深掺杂阱上方，第二栅氧化层位于其余深掺杂阱上方。所述方法增加了晶体管栅电极与源电极之间的氧化层厚度，减小了晶体管栅电极与源电极之间的电场，减小了漏电流。

权利要求

1.一种CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，包括：提供具有第一导电类型的半导体衬底，所述半导体衬底分为二极管区域和晶体管区域及位于二极管区域和晶体管区域的之间的间隙区域；

在晶体管区域形成具有第一导电类型的深掺杂阱；

在半导体衬底表面形成栅氧化层，所述栅氧化层包含具有第一厚度的第一栅氧化层和具有第二厚度的第二栅氧化层，第一厚度大于第二厚度，第一栅氧化层覆盖二极管区域、间隙区域和部分深掺杂阱，第二栅氧化层覆盖其余部分的深掺杂阱；

在栅氧化层上方形成栅电极，所述栅电极具有第一侧和第二侧，第一侧位于第一栅氧化层上且与间隙区域位置对应，第二侧位于第二栅氧化层上。

2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述第一厚度比所述第二厚度大20～

3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述第一厚度范围为50～

4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述第二厚度范围为15～

5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，位于第一栅氧化层上方的栅电极部分与位于第二栅氧化层上方的栅电极部分的比值为1/2～1/1。

6.一种CMOS图像传感器的器件结构，其特征在于，包括：

具有第一导电类型的半导体衬底，半导体衬底分为二极管区域和晶体管区域及位于二极管区域和晶体管区域之间的间隙区域；

位于晶体管区域的半导体衬底中深掺杂阱，所述深掺杂阱具有第一导电类型；

位于半导体衬底表面的栅氧化层，所述栅氧化层包含具有第一厚度的第一栅氧化层和具有第二厚度的第二栅氧化层，第一厚度大于第二厚度，第一栅氧化层覆盖二极管区域、间隙区域和部分深掺杂阱，第二栅氧化层覆盖其余部分的深掺杂阱；

位于栅氧化层上方的栅电极，所述栅电极具有第一侧和第二侧，第一侧位于第一栅氧化层上且与间隙区域位置对应，第二侧位于第二栅氧化层上。

7.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器的器件结构，其特征在于，所述第一厚度范围为：50～

8.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器的器件结构，其特征在于，所述第二厚度范围为：15～

9.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器的器件结构，其特征在于，所述第一厚度比第二厚度大20～

10.根据权利要求7所述的所述的CMOS图像传感器的器件结构，其特征在于，位于第一栅氧化层上方的栅电极部分与位于第二栅氧化层上方的栅电极部分的比值为1/2～1/1。

说明书

CMOS图像传感器的制造方法及其器件结构

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体器件制造技术领域，特别涉及CMOS图像传感器的制造方法及其器件结构。

背景技术

[0002] 图像传感器的作用是将光学图像转化为相应的电信号。图像传感器分为互补金属氧化物(CMOS)图像传感器和电荷耦合器件(CCD)图像传感器。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。目前CMOS图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、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。

[0003] CMOS图像传感器的基本单元由一个二极管和3个或4个MOS晶体管构成，简称3T类型或4T类型。3T类型的CMOS图像传感器的电路结构示意图如图1a所示，包括：复位晶体管M1、源随器晶体管M2、选择晶体管M3以及二极管PD，所述二极管PD的P端接地，N端与复位晶体管M1源电极串联。4T类型的CMOS图像传感器如图1b所示，包括：复位晶体管M1、源随器晶体管M2、选择晶体管M3、转移晶体管M4、以及二极管PD，二极管PD的P端接地，N端与转移晶体管M4串联。3T和4T结构图像传感器的源随器晶体管M2与二极管PD的N端直接或间接连接，二极管复位后其N端电压随光信号强度的变化通过源随器M2和选择晶体管M3读出。无论是3T结构还是4T结构图像传感器，最主要的技术部分是二极管PD以及二极管PD和转移晶体管M4或者复位晶体管M1的源电极连接部分的结构设计与工艺，要求二极管PD与与转移晶体管M4或则复位晶体管M1之间的漏电流要尽可能的小。

[0004] 申请号为200710046483.9的中国专利申请通过在二极管区域表面的形成一绝缘层进行保护，防止二极管区域的半导体衬底表面受到光刻胶层沾污以及金属离子沾污。参考图2所示，在半导体衬底210第I区域表面增加一层绝缘层220，用以保护第I区域的半导体衬底201表面，防止随后的离子注入工艺中的光刻胶沾污以及在表面形成金属离子。在第II区域的NMOS管区域半导体衬底表面形成栅氧化层206a，在栅氧化层206a上形成多晶硅栅207a。

[0005] 但是，发明人发现采用上述技术形成的器件漏电流较大。

发明内容

[0006] 本发明解决的问题是提供一种CMOS图像传感器的制造方法及其器件结构，能够减小CMOS图像传感器的漏电流。

[0007] 为解决上述问题，本发明提供一种CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，包括：

[0008] 提供具有第一导电类型的半导体衬底，所述半导体衬底分为二极管区域和晶体管区域及位于二极管区域和晶体管区域的之间的间隙区域；

[0009] 在晶体管区域形成具有第一导电类型的深掺杂阱；

[0010] 在半导体衬底表面形成栅氧化层，所述栅氧化层包含具有第一厚度的第一栅氧化层和具有第二厚度的第二栅氧化层，第一厚度大于第二厚度，第一栅氧化层覆盖二极管区域、间隙区域和部分深掺杂阱，第二栅氧化层覆盖其余部分的深掺杂阱；

[0011] 在栅氧化层上方形成栅电极，所述栅电极具有第一侧和第二侧，第一侧位于第一栅氧化层上且与间隙区域位置对应，第二侧位于第二栅氧化层上。

[0012] 可选的，所述第一厚度比所述第二厚度大

[0013] 可选的，所述第一厚度范围为

[0014] 可选的，所述第二厚度范围为

[0015] 可选的，位于第一栅氧化层上方的栅电极部分与位于第二栅氧化层上方的栅电极部分的比值为1/2～1/1。

[0016] 为解决上述问题，本发明还提供一种CMOS图像传感器的器件结构，包括：

[0017] 具有第一导电类型的半导体衬底，半导体衬底分为二极管区域和晶体管区域及位于二极管区域和晶体管区域之间的间隙区域；

[0018] 位于晶体管区域的半导体衬底中深掺杂阱，所述深掺杂阱具有第一导电类型；

[0019] 位于半导体衬底表面的栅氧化层，所述栅氧化层包含具有第一厚度的第一栅氧化层和具有第二厚度的第二栅氧化层，第一厚度大于第二厚度，第一栅氧化层覆盖二极管区域、间隙区域和部分深掺杂阱，第二栅氧化层覆盖其余部分的深掺杂阱；

[0020] 位于栅氧化层上方的栅电极，所述栅电极具有第一侧和第二侧，第一侧位于第一栅氧化层上且与间隙区域位置对应，第二侧位于第二栅氧化层上。

[0021] 可选的，所述第一厚度范围为：

[0022] 可选的，所述第二厚度范围为：

[0023] 可选的，所述第一厚度比第二厚度大

[0024] 可选的，位于第一栅氧化层上方的栅电极部分与位于第二栅氧化层上方的栅电极部分的比值为1/2～1/1。

[0025] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：在晶体管栅电极下方的栅氧化层包括具有第一厚度的第一部分和具有第二厚度的第二部分，第一厚度比第二厚度大 减小了MOS晶体管栅电极与源电极之间的电场，减小了漏电流。

附图说明

[0026] 图1a和1b分别为现有3T和4T类型CMOS图像传感器的电路结构示意图。

[0027] 图2是现有技术CMOS图像传感器的结构示意图。

[0028] 图3是本发明形成CMOS图像传感器的具体实施方式流程示意图

[0029] 图4a至图4d是本发明形成CMOS图像传感器实施过程示意图。

具体实施方式

[0030] 发明人发现，现有技术形成的CMOS图像传感器的漏电流过大的原因是由于以下原因造成：晶体管的栅电极，比如转移晶体管或复位晶体管，与源电极之间的栅氧化层206a厚度较薄，导致比如转移晶体管或复位晶体管栅电极与源电极之间的电场较大，该电场会引发漏电流。

[0031] 针对上述原因，本发明提供一种CMOS图像传感器的制造方法及其器件结构，增加了晶体管的栅电极和源电极之间的栅氧化层厚度，降低了晶体管的栅电极和源电极之间的电场，有效减小了晶体管栅电极和源电极之间的漏电流。

[0032] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

[0033] 图3是本发明形成CMOS图像传感器的具体实施方式流程图。如图3所示，包括：

[0034] 步骤S1，提供具有第一导电类型的半导体衬底，所述半导体衬底分为二极管区域和晶体管区域及位于二极管区域和晶体管区域的之间的间隙区域；

[0035] 步骤S2，在晶体管区域形成具有第一导电类型的深掺杂阱；

[0036] 步骤S3，在半导体衬底表面形成栅氧化层，所述栅氧化层包含具有第一厚度的第一栅氧化层和具有第二厚度的第二栅氧化层，第一厚度大于第二厚度，第一栅氧化层覆盖二极管区域、间隙区和部分深掺杂阱，第二栅氧化层覆盖其余部分的深掺杂阱；

[0037] 步骤S4，在栅氧化层上方形成栅电极，所述栅电极具有第一侧和第二侧，第一侧位于第一栅氧化层上且与间隙区域位置对应，第二侧位于第二栅氧化层上。

[0038] 图4a至图4d是本发明形成CMOS图像传感器的制造方法的实施例示意图。下面结合附图和具体实施例对本发明的实施方式进行详细的说明。

[0039] 本发明所述的CMOS图像传感器的制造方法使用于3T类型和4T类型的图像传感器的制作。本发明的实施例仅以3T类型的CMOS图像传感器的制造方法及其器件结构进行说明。本发明所述的CMOS图像传感器的制造方法如下：

[0040] 步骤S1，如图4a所示，首先提供具有第一导电类型的半导体衬底400，所述半导体衬底分为二极管区域和晶体管区域及位于二极管区域和晶体管区域之间具有间隙区域。图中第I区域为二极管区域，所述第II区域为晶体管区域，图中第III为区域为间隙区域。所述晶体管区域包含三个MOS晶体管。本发明仅仅以NMOS晶体管(复位晶体管)为例进行说明，其他两个晶体管与标准CMOS工艺相同。所述NMOS晶体管的源电极与二极管的深掺杂阱相邻，即二极管的负极与NMOS晶体管的源电极相电连接。

[0041] 在所述半导体衬底400中包含了隔离结构405。所述隔离结构405为浅沟槽隔离结构。形成浅沟槽隔离405的技术为本领域技术人员公知技术。作为本发明的一个实施方式，首先在半导体衬底400上生长厚度为 的第一氧化层，然后在所述第一氧化层上形成厚度为 的氮化硅层，采用通过现有光刻技术采用光刻胶定义出有源区；刻蚀氮化硅层和第一氧化层，刻蚀半导体衬底400至 形成凹槽；去除光刻胶，在半导体衬底400上形成第二氧化层，所述第二氧化层厚度为 采用高密度等离子体增强型化学气相沉积氧化硅填充凹槽，高密度等离子体氧化硅厚度为 然后进行快速热退火以及平坦化处理。

[0042] 步骤S2，如图4b所示，在晶体管区域形成具有第一导电类型的深掺杂阱410。深掺杂阱410为P型。形成P型深掺杂阱410的方法可以为扩散或者离子注入的方法。本发明中，形成深掺杂阱410的方法为在半导体衬底400上方进行P阱注入。P阱注入元素为B。-2
P阱注入能量为500～800KeV，P阱注入剂量5.0E16至3.0E17cm 。深掺杂阱410深度为
500至1000nm。进行P阱离子注入后可以进行快速热退火以便激活注入的离子。作为本发明的一个实施方式，快速热退火的温度在1000～1030℃，时间在10～35秒。

[0043] 步骤S3，如图4c所示，在半导体衬底400表面形成栅氧化层415，所述栅氧化层包含具有第一厚度的第一栅氧化层415a和具有第二厚度的第二栅氧化层415b，第一厚度大于第二厚度，第一栅氧化层415a覆盖二极管区域、间隙区域和部分深掺杂阱410，第二栅氧化层415b覆盖其余深掺杂阱410。

[0044] 作为本发明的一个优选实施方式，形成所述氧化层415的方法具体包括：在半导体衬底400上方形成第三氧化层，所述第三氧化层的厚度范围为 采用现有的光刻和刻蚀技术去除位于深掺杂阱410上方的部分第三氧化层，使得剩余的第三氧化层覆盖二极管区域、间隙区域和部分深掺杂阱410。

[0045] 在半导体衬底表面形成第四氧化层，所述第四氧化层的厚度范围为 所述第四氧化层半导体衬底覆盖二极管区域、间隙区域和晶体管区域。当然，所述第四氧化层覆盖第三氧化层。所述第四氧化层覆盖第三氧化层的部分与第三氧化层共同构成了第一栅氧化层415a，第四氧化层其余部分构成第二栅氧化层415b。第一栅氧化层415a具有第一厚度，第二栅氧化层415b具有第二厚度。第一厚度大于第二厚度。作为本发明的一个实施方式，所述第一厚度的厚度范围为： 所述第二厚度范围为： 所述第一厚度比第二厚度大

[0046] 形成所述第三氧化层、第四氧化层的方法为热氧化或者化学气相沉积的方法。

[0047] 本发明中，位于二极管区域的半导体衬底400表面的第一栅氧化层415a可以在随后的低掺杂源/漏扩散区和源/漏极注入中作为保护层，避免二极管表面的半导体衬底400受到光刻胶、金属离子的沾污，减小漏电流。

[0048] 步骤S4，如图4d所示，在栅氧化层415上方形成栅电极420，所述栅电极420具有第一侧和第二侧，第一侧位于第一栅氧化层415a上且与间隙区域位置对应，第二侧位于第二栅氧化层415b上。所述栅电极420第一侧与间隙区域位置对应具体是指栅电极420的第一侧可以位于间隙区域内部的第一栅氧化层415a上方。位于第一栅氧化层415a上方的栅电极420部分与位于第二栅氧化层415b上方的栅电极420部分的比值为1/2～1/1。

[0049] 形成所述栅电极420的方法为在半导体衬底400的表面形成多晶硅层，然后用光刻和刻蚀工艺形成所述NMOS晶体管栅电极420，所述多晶硅层的厚度为 作为本发明的优选实施方式为多晶硅层厚度

[0050] 通常，在上述各个步骤完成后，还需要进行形成二极管阱、晶体管源/漏扩散区、栅电极侧墙、源/漏电极、金属化、形成接触孔、形成电极等步骤，形成本发明的CMOS图像传感器。

[0051] 上述步骤所述的CMOS图像传感器的制造方法，增大了MOS晶体管栅电极与源电极之间的栅氧化层的厚度，降低了MOS晶体管栅电极与源电极之间的电场，降低了所述电场引发的漏电流，改善了CMOS漏电流特性。

[0052] 如图4d所示，基于上述实施方式形成的CMOS晶体管，包括：

[0053] 半导体衬底400，具有P型导电类型，所述半导体衬底分为二极管区域和晶体管区域及位于二极管区域和晶体管区域之间的间隙区域；图中第I区域为二极管区域，所述第II区域为晶体管区域，图中第III为区域为间隙区域。所述晶体管区域包含三个MOS晶体管。本发明仅仅以二极管和NMOS晶体管(复位晶体管)为例进行说明，其他两个晶体管与标准CMOS工艺相同。所述NMOS晶体管的源电极与二极管的深掺杂阱相邻，即二极管的负极与NMOS晶体管的源电极相电连接。

[0054] 在所述半导体衬底400中包含了隔离结构405。所述隔离结构405为浅沟槽隔离结构。

[0055] 位于晶体管区域深掺杂阱410，深掺杂阱410具有P型导电类型。形成P型深掺杂阱410的方法可以为扩散或者离子注入的方法。P阱注入元素为B。P阱注入能量为500～-2800KeV，P阱注入剂量5.0E16至3.0E17cm 。深掺杂阱410深度为500至1000nm。

[0056] 位于半导体衬底表面的栅氧化层415，所述栅氧化层415包含具有第一厚度的第一栅氧化层415a和具有第二厚度的第二栅氧化层415b，第一厚度大于第二厚度，第一栅氧化层415a覆盖二极管区域、间隙区域和部分深掺杂阱，第二栅氧化层415b覆盖其余部分的深掺杂阱；

[0057] 位于栅氧化层上方的栅电极420，所述栅电极420具有第一侧和第二侧，第一侧位于第一栅氧化层415a上且与间隙区域位置对应，第二侧位于第二栅氧化层上416b。

[0058] 综上，本发明提供了一种CMOS图像传感器结构及其制造方法，增大了MOS晶体管栅电极与源电极之间的栅氧化层厚度，降低了MOS晶体管栅电极与源电极之间的电场，减小了由该电场引发的漏电流，改善了器件的性能。

[0059] 虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。