一种有源像素结构及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种有源像素结构及其制作方法，该像素结构包括：NMOS器件和PMOS器件，其中，所述NMOS器件在100晶向的SOI顶层多晶硅薄膜上；所述PMOS器件在110晶向或111晶向的SOI顶层多晶硅薄膜上。与普通有源像素结构相比，在具有相同驱动能力下，本发明提供的有源像素结构的填充因子较高，进而提高了有源像素的灵敏度和信噪比。同时，该结构使有源像素的抗辐射性能、速度均得到改善。
【专利说明】一种有源像素结构及其制作方法
(-)【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种有源像素结构及其制作方法。
(二)【背景技术】
[0002]Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS:互补金属氧化物半导体)图像传感器是固态图像传感器中的一种。随着半导体技术、网络和多媒体技术的迅速发展，近年来CMOS图像传感器以其低成本、高可靠性、低功耗、和良好的成像质量等优势，正在逐步取代Charge Coupled Device (电荷耦合器件，(XD)图像传感器，并在科学研究、工业生产、医疗卫生、教育、娱乐、管理和通信等方面得到了广泛的应用，并朝着高清摄像、高精度视觉、抗辐射太空成像等高端领域发展。随着CMOS图像传感器的快速发展，近些年SiliconOn Insulator (SO1:绝缘衬底上的硅)有源像素传感器以其速度快、抗辐射等诸多优点而成为一个研究的热点。
[0003]SOI技术是一种在绝缘层上生长一层单晶硅薄膜并在绝缘层上制作半导体层。SOI作为一种全介质隔离技术，由于器件与衬底之间由一层隐埋氧化层隔开，这种独特结构与体硅结构相比，具有低功耗、集成密度高、速度快、工艺简单、抗干扰能力强、消除了体硅器件的闩锁效应和抗辐射能力强等优点。SOI技术从上世纪60年代开始受到关注，上世纪80年代后有了较大的发展，90年代后期逐渐进入商用领域。由于SOI器件具有很好的等比例缩小的特性，使得SOI技术在深亚微米工艺中的应用中具有着很大吸引力和发展前景。
[0004]发明人发现，现有技术中，SOI器件中的NMOS和PMOS器件的载流子迁移率无法同时达到最大化，影响CMOS器件(包括:N-Mental-Oxide_Semiconductor (NM0S: N型金属氧化物晶体管)和P-Mental-Oxide-Semiconductor (PMOS:P型金属氧化物晶体管)和电路性倉泛。
(三)
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种有源像素结构及其制作方法，用于解决现有技术中存在的SOI器件中的NMOS和PMOS器件的迁移率无法同时达到最大化的问题。
[0006]一方面，提供了一种有源像素结构，包括:NM0S器件和PMOS器件，其中，
[0007]所述NMOS器件在(100)晶向的SOI顶层多晶硅薄膜上；
[0008]所述PMOS器件在(I 10)晶向或(111)晶向的SOI顶层多晶硅薄膜上。
[0009]通过本方案，提出了一种混合晶向有SOI源像素结构，使得SOI有源像素中的NMOS器件制作在(100)晶向的SOI层上，PMOS制作在(110)晶向的SOI层上。空穴迁移率在(110)晶向上具有最大值，使得PMOS管在不增大尺寸的情况下提高了电流驱动能力。与普通有源像素结构相比，在具有相同驱动能力下，混合晶向有源像素的填充因子大大提高，进而提高了有源像素的灵敏度和信噪比。同时，该结构使有源像素的抗辐射性能、速度均得到了提闻。
[0010]另一方面，提供了一种有源像素结构的制作方法，其特征在于，包括:[0011]将第一硅片和第二硅片的表面进行热氧化处理，其中，所述第一硅片和所述第二硅片的晶向不同；
[0012]将表面进行热氧化处理的所述第一硅片所述和第二硅片进行键合；
[0013]将所述第一硅片的一部分SOI层及埋氧层进行刻蚀；
[0014]将所述第二硅片进行外延生长，生长之后的所述第二硅片覆盖所述第一硅片被刻蚀的SOI层部分。
[0015]优选的，所述第一硅片的晶向为100晶向，所述第二硅片的晶向为110晶向或111晶向，所述方法还包括:
[0016]将NMOS器件制作在所述第一硅片的SOI层上；
[0017]将PMOS器件制作在所述第二硅片的SOI层上。
[0018]通过本发明提供了的技术方案，使有源像素中的MOS器件可制作在不同晶向的SOI层上，它针对NMOS和PMOS器件采用不同晶向的衬底，可以有效的增大PMOS器件空穴迁移率，从而改善CMOS器件(包括:NM0S和PMOS器件)和电路性能。该方案可以应用在抗辐射、高速、高清有源图像传感器领域中。
(四)【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1 (A)是根据本发明实施例的110晶向多晶硅衬底示意图；
[0020]图1 (B)是根据本发明实施例的100晶向多晶硅衬底示意图；
[0021]图2是根据本发明实施例的键合后的SOI结构示意图；
[0022]图3是根据本发明实施例的刻蚀掉部分顶层多晶硅层后的SOI结构示意图；
[0023]图4是根据本发明实施例的刻蚀掉部分掩埋氧化层后的SOI结构示意图:
[0024]图5是根据本发明实施例的选择外延生长后的SOI结构示意图；
[0025]图6是根据本发明实施例的化学机械平坦后的SOI结构示意图；
[0026]图7是根据本发明实施例的刻蚀掉掩埋氧化层窗口处多晶硅后的SOI结构示意图；
[0027]图8是根据本发明实施例的混合晶向SOI有源像素结构示意图。
(五)具体实施方案
[0028]下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0029]本发明实施例的设计特点为SOI有源像素中的MOS器件(例如，PMOS器件和NMOS器件)可制作在不同晶向的SOI层上。具体参照图8所示。
[0030]下面结合附图介绍本发明实施例所述的MOS器件的制作方法，该方法包括:
[0031]准备两片不同晶向(通常为(100)晶向和(110)晶向)的硅片A ((110)晶向)和B((100)晶向)。在硅片A中注入氢离子产生起泡层201，注入射程取决于SOI的顶部硅膜厚度。在硅片B表面通过热氧化的方法生成氧化层202，其厚度由SOI材料的掩埋氧化层来决定，如图1所示。
[0032]将硅片A与硅片B经清洗和亲水处理后做低温键合，对键合后的硅片做热处理，使A硅片在氢离子分布的峰值处气泡剥离，形成顶层硅膜203 (110)晶向为(110)的SOI结构衬底，如图2所示。[0033]在图2结构的基础上，刻蚀掉用于制作像素感光器件和欲形成不同晶向SOI层的部位的表面娃层，暴露出部分隐埋氧化层202,如图3所不。
[0034]在图3结构的基础上，在隐埋氧化层202上涂光刻胶，用光刻技术，刻蚀掉部分隐埋氧化层，用于制作像素感光器件和通过选择外延生长生成不同晶向SOI层的窗口 301，如图4所示。
[0035]在图4结构的基础上利用选择外延生长，在绝缘层上形成如图5所示的晶向为(100)的薄多晶硅层(SOI层)204 (100)，其厚度根据设计需要而定。
[0036]利用化学机械平坦化方法(CMP)对选择外延生长后的顶层规模进行平坦化，化学机械抛光后的结构如图6所示。
[0037]在图6结构的基础上,刻蚀掉窗口 301处的多晶娃,露出用于制作有源像素感光器件的硅衬底，其结构如图7所示。在晶向为(110)的顶层硅膜203 (110)上制作PMOS器件504和PMOS器件502，在晶向为(100)的顶层硅膜204 (100)上制作NMOS器件503，在窗口301处的体硅上制作有源像素感光器件401、传输管501及FD区402。其结构如图8所示。
[0038]通过上述方法，即可制作出图8所示的像素结构。该像素结构可以用于MOS器件中。需要说明的是，上面仅是一种优选实施例，该实施例也可以由其他变形，例如，晶向(110)的顶层硅膜203可以替换成晶向为(111)的硅膜。
[0039]本发明实施例提供的一种有源像素结构，使有源像素中的MOS器件可制作在不同晶向的SOI层上，该结构可以应用在抗辐射、高速有源图像传感器领域中。在不脱离本发明的实质和范围内，可根据情况对本发明做出调整和优化，这些调整和优化也应在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种有源像素结构，其特征在于，包括=NMOS器件和PMOS器件，其中， 所述NMOS器件在100晶向的SOI顶层多晶硅薄膜上； 所述PMOS器件在110晶向或111晶向的SOI顶层多晶硅薄膜上。
2.一种有源像素结构的制作方法，其特征在于，包括: 将第一娃片和第二娃片的表面进行热氧化处理，其中，所述第一娃片和所述第二娃片的晶向不同； 将表面进行热氧化处理的所述第一硅片和所述第二硅片进行键合； 将所述第一硅片的一部分SOI层及埋氧层进行刻蚀； 将所述第二硅片进行外延生长，生长之后的所述第二硅片覆盖所述第一硅片被刻蚀的SOI层部分。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一硅片的晶向为100晶向，所述第二硅片的晶向为110晶向或111晶向，所述方法还包括: 将NMOS器件制作在所述第一硅片的SOI层上； 将PMOS器件制作在所述第二硅片的SOI层上。
【文档编号】H01L27/146GK103456756SQ201310441960
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月26日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】王颖, 杨晓亮, 曹菲, 胡海帆 申请人:哈尔滨工程大学