专利名称：像素单元、cmos图像传感器及像素单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种像素单元及其制作方法、包含该像素单元的CMOS图像传感器。
背景技术：
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(CXD)图像传感器。C⑶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。CMOS图像传感器中将光学图像转化为相应的电信号的部件为像素单元。参照图I所示，像素单元包括感光单元11与像素电路区域12。图2是沿图I中的A-A直线的剖视结构示意图。可以看出，感光单元11形成有感光区域111，像素单元形成有将感光单元11转换成的电信号传输出去的晶体管121。此外，为防止感光区域111受后续制程或使用过程中的水汽等的污染，在该包含感光区域111的半导体衬底上形成有一层致密性较好的氮化硅层13。根据需要，后续晶体管121上形成有金属互连结构，感光区域111上形成有滤光元件及微透镜等。然而，上述的像素单元在使用过程中会有暗电流过大的问题，相应地，包含该像素单元的CMOS图像传感器有灵敏度较差的问题。针对上述问题产生的原因，一般认为是由感光区域111的缺陷造成的。为了改善上述缺陷，现有技术也有一些方案被提出。例如在形成晶体管121及金属互连结构时同时在像素电路区域12形成底部位于半导体衬底与氮化硅层13的界面的通孔，并向该通孔内通入氢气，以利用氢气中的氢原子对其自由电子的束缚性不强的特点改善感光区域111的缺陷。但是上述方案的改善效果很有限。
发明内容
本发明解决的问题是提出一种新的像素单元及其制作方法、包含该像素单元的CMOS图像传感器，较好地改善像素单元的暗电流过大的问题，及包含该像素单元的CMOS图像传感器的灵敏度较差的问题。为解决上述问题，本发明提供一种像素单元，包括具有感光区域的基底；位于所述感光区域上的氧化硅层； 位于所述氧化硅层上的氮化硅层。可选地，所述氧化硅层的厚度范围为50微米-500微米。
可选地，所述氮化硅层的厚度范围为100微米-500微米。可选地，所述基底包括半导体衬底、位于所述半导体衬底表面的外延层。可选地，所述基底具有多个感光区域，相邻感光区域之间通过浅沟槽隔离。可选地，临近所述感光区域的基底具有晶体管。可选地，所述晶体管为转移晶体管。可选地，所述感光区域的掺杂离子类型为N型或P型。基于上述像素单元，本发明还提供了一种包含上述像素单元的CMOS图像传感器。此外，本发明还提供了上述像素单元的制作方法，包括 在基底上形成感光区域；在所述感光区域上形成氧化硅层；在所述氧化硅层上形成氮化硅层；可选地，在基底上形成感光区域是通过掺杂离子注入形成的。可选地，在基底上形成感光区域的工艺为选择性外延生长工艺和原位掺杂。可选地，在所述感光区域上形成氧化硅层是通过化学气相沉积形成或局部氧化法形成。可选地，在所述感光区域上形成氧化硅层时还形成临近区域的晶体管的栅极氧化层的部分。与现有技术相比，本发明具有以下优点1)现有方案通过在像素电路区域形成通孔对半导体衬底与氮化硅层的界面进行处理以改善感光区域的缺陷，但该感光区域被致密的氮化硅层覆盖，因而，改善效果有限。不同于上述方案，本发明提出在感光区域与氮化硅层之间设置氧化硅层，以避免氮化硅层直接与感光区域接触时，由于氮化硅层结合力过强造成感光区域与之接触的表面出现缺陷。2)可选方案中，氧化硅层的形成方法为化学气相沉积法或局部氧化法，相对于局部氧化法，化学气相沉积法不使用原基底的感光区域的厚度，因而，该感光区域仍可根据原像素单元的规格参数制作，使得本方案与现有工艺兼容性好。3)可选方案中，所述氧化硅层的厚度范围为50微米-500微米，氮化硅层的厚度范围为100微米-500微米，即避免了感光区域的缺陷产生，又实现了对感光区域进行隔绝水汽等污染。4)可选方案中，临近所述感光区域的基底具有晶体管，即像素电路区域具有实现转移、选择等的晶体管，在感光区域上形成氧化层时同时形成该晶体管的栅极氧化层的部分。
图I是现有像素单元的俯视图；图2是沿图I中A-A直线的像素单元局部截面结构示意图；图3是实施例一中的4T晶体管像素单元的电路图；图4是实施例一中的像素单元的制作方法流程图；图5是实施例一中的像素单元的截面结构示意图；图6是实施例二中的像素单元的截面结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。本发明人在研究像素单元的暗电流过程中，发现该暗电流产生的原因不仅仅是现有一般认为的感光区域的缺陷产生的，更重要的原因是与为了实现隔绝水汽等其它污染物而在该感光区域表面形成的氮化硅层有关。该氮化硅层中由于氮原子对其它原子的外层电子吸附性较强，易造成感光区域的硅原子或其它掺杂元素失去电子，该失去电子的硅或其它掺杂元素易形成悬空的不饱和键，即缺陷，该缺陷在光被转换为电子后捕获电子，影响被检测到的电子数目，造成光电转换效率低。上述问题在无光照到感光区域时，会造成暗电流较大的问题。针对上述问题，本发明提出在感光区域与其上的氮化硅层之间设置氧化硅层，该氧化硅层中的氧原子对其它原子的外层电子吸附性较弱，因而，不会造成感光区域的硅原子或其它掺杂元素失去电子，因而避免了缺陷产生。 氧化硅层的形成方法有两种，一种为气相沉积，采用外界引入该层的方法，另一种为局部氧化法(L0C0S)，后者采用现有的基底上的硅形成氧化硅层。以下以第一种方法为例，介绍本发明的实施例一。实施例一CMOS图形传感器中的像素单元常用的结构有3T晶体管、4T晶体管。以下以4T晶体管为例，介绍采用本发明的技术方案制作的像素单元。参照图3所示的4T晶体管的电路示意图，其像素单元2包括光传感器21，用于产生并收集照射在感光区域上的光产生的电荷；转移晶体管22，用于将光电电荷从光传感器21转移到感应节点(通常为浮动扩散区23)。浮动扩散区23电连接到源跟随晶体管24的栅极。此外，像素单元2还包括复位晶体管25，用于将浮动扩散区23重设到预定电压Vdd ;行选择晶体管26，用于响应地址信号而将信号Vrat从源跟随晶体管24输出到输出端。参照图4所示的流程图及图5所示的像素单元的截面结构示意图，首先执行步骤S11，在基底20上形成感光区域211。本实施例中，光传感器21可以为光电二极管，例如PN结、PIN结等。为形成光电二极管，该基底20为P型或N型硅衬底，相应地，在基底20上定义阱区，注入P型掺杂离子区或N型掺杂离子区以形成感光区域211。上述光电二极管的形成工艺为常规工艺，具体参数参照现有参数，在此不再赘述。此外，在具体制作过程中，本步骤在基底20形成多个感光区域211，相邻感光区域211之间通过浅沟槽(STI) 27隔离。需要说明的是，在感光区域211的临近区域的基底20，即像素电路区域上会通过其它工艺形成各种晶体管，如图5所示的转移晶体管22和复位晶体管25。因而，本步骤还在基底20的像素电路区域形成各晶体管的源漏区(未标示)。接着执行步骤S12，仍参照图5所示，在所述感光区域211上形成氧化硅层28。本实施例中，在所述感光区域211上形成氧化硅层28是通过局部氧化法(LOCOS)形成。该局部氧化法为常规工艺，形成的具体参数可以参照现有工艺。
如前所述，本步骤形成氧化硅层28的目的是利用其中的氧原子对基底20中的硅及其它掺杂离子的外层电子吸附力不强，不易造成基底20，尤其是感光区域211的表面出现悬空的不饱和键，即避免了缺陷的产生。同时，基于该氧化硅层28的特性，其对水汽等污染物的隔绝效果不如氮化硅佳。因而，其上后续还会形成氮化硅层。本发明人发现，氧化硅层28的厚度选择范围为50微米-500微米时可以较好实现上述目的。需要说明的是，像素电路区域的各种晶体管，如图5所示的转移晶体管22和复位晶体管25的栅极氧化层也可以为氧化物-氮化物-氧化物的三层ONO结构。因而，本步骤在形成氧化硅层28时，形成了感光区域211的临近区域的基底20上的晶体管的栅极氧化层的第一层氧化物。然后执行步骤S13，在所述氧化硅层28上形成氮化硅层29。
本步骤中形成氮化硅层29的工艺可以为化学气相沉积、物理气相沉积等常规工艺。本发明人发现，氮化硅层29的厚度选择范围为100微米-500微米时可以较好实现隔绝水汽等污染物的目的。此外，本步骤在形成氮化硅层29时，形成了感光区域211的临近区域的基底20上的晶体管的栅极氧化层的第二层氮化物。之后，在氮化硅层29的表面的预定区域自下而上依次形成像素电路的其它晶体管的第三层氧化物(未标示)、栅极(未标示)。像素单元2的其它晶体管等按现有制作方法完成。至此，本实施例一的像素单元2已经制作完毕。综上，该像素单元2包括具有感光区域211的基底20 ；位于所述感光区域211上的氧化硅层28 ；位于所述氧化硅层28上的氮化硅层29。基于上述像素单元2，本实施例一还提供了包括上述像素单元2的CMOS图像传感器。实施例二本实施例二提供的像素单元及其制作方法与实施例一大致相同。区别在于如图6所示,该基底20’包括实施例一中的注入N或P型元素的半导体衬底(娃衬底)20,还包括其上外延生长的外延层30。感光区域211、感光区域211临近的像素电路区域的晶体管的源漏区均采用选择性外延生长法形成在该外延层30。此外，感光区域211、感光区域211临近的像素电路区域的晶体管的源漏区为边生长，边进行离子掺杂的过程，即原位掺杂工艺。上述原位掺杂工艺可以降低感光区域211内的缺陷。实施例三本实施例三提供的像素单元及其制作方法与实施例一大致相同。区别在于感光区域211上的氧化硅层28不是通过LOCOS法形成，而是通过化学气相沉积法形成。该化学气相沉积法例如采用硅烷与氧气反应生成。可以理解的是，该方法的好处在于不必占用已形成的感光区域211的厚度，这样，感光区域211、感光区域211临近的像素电路区域的晶体管的源漏区、隔绝各感光区域211的STI结构27仍按照现有规格参数制作，因而，本方法与现有工艺兼容性好。
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。 ·
权利要求
1.一种像素単元，其特征在于，包括 具有感光区域的基底； 位于所述感光区域上的氧化硅层； 位于所述氧化娃层上的氮化娃层。
2.根据权利要求I所述的像素単元，其特征在于，所述氧化硅层的厚度范围为50微米-500微米。
3.根据权利要求I所述的像素単元，其特征在于，所述氮化硅层的厚度范围为100微米-500微米。
4.根据权利要求I所述的像素単元，其特征在于，所述基底包括半导体衬底、位于所述半导体衬底表面的外延层。
5.根据权利要求I所述的像素単元，其特征在于，所述基底具有多个感光区域，相邻感光区域之间通过浅沟槽隔离。
6.根据权利要求I所述的像素単元，其特征在于，临近所述感光区域的基底具有晶体管。
7.根据权利要求6所述的像素単元，其特征在于，所述晶体管为转移晶体管。
8.根据权利要求I所述的像素単元，其特征在于，所述感光区域的掺杂离子类型为N型或P型。
9.ー种CMOS图像传感器，其特征在于，包括权利要求I至8任意一项所述的像素単元。
10.一种像素単元的制作方法，其特征在于，包括 在基底上形成感光区域； 在所述感光区域上形成氧化硅层； 在所述氧化硅层上形成氮化硅层；
11.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，在基底上形成感光区域是通过掺杂离子注入形成的。
12.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，在基底上形成感光区域的エ艺为选择性外延生长エ艺和原位掺杂。
13.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，在所述感光区域上形成氧化硅层是通过化学气相沉积形成或局部氧化法形成。
14.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，在所述感光区域上形成氧化硅层时还形成临近区域的晶体管的栅极氧化层的部分。
全文摘要
一种像素单元，包括具有感光区域的基底、自下而上位于所述感光区域上的氧化硅层与氮化硅层。此外，本发明还提供了该像素单元的制作方法，包含该像素单元的CMOS图像传感器。采用本发明的技术方案，可以较好地改善像素单元的暗电流过大的问题，同时可以改善包含该像素单元的CMOS图像传感器的灵敏度较差的问题。
文档编号H01L27/146GK102856337SQ20121030422
公开日2013年1月2日 申请日期2012年8月23日 优先权日2012年8月23日
发明者令海阳 申请人:上海宏力半导体制造有限公司