图像传感器的制造方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域cmos图像传感器，特别涉及一种图像传感器制造方法。


背景技术：

2.随着人工智能、物联网以及工业4.0等新兴领域的蓬勃发展，市场对cmos图像传感器(cmos image senser)的需求与日俱增，对于其性能要求也越来越高，而图像传感性能的一个重要指标就是暗电流水平。暗电流指的是光电二极管(photo diode)在完全无光的条件下，仍然能产生电荷，并形成电流信号被读出，在图像成像中体现为“白”像素，降低画面质量。
3.对于某些特殊应用场景，如监控等应用暗电流的指标显得格外重要，暗电流的主要来源有等离子体造成的表面损伤、硅体应力、离子注入损伤、晶格缺陷等，对于诸如监控、工业监测、无人机拍摄等对画面质量要求较高的应用领域，设计中会采用大像元结构，即光电二极管区面积特别大以获得足够进光量，这类产品的像元尺寸通常在5微米以上，更有甚者会做到十几微米，为了防止“拖尾效应”，光电二极管区(pd区)的离子注入一般不会太深，在这样一种既具有超大表面积，离子注入又浅的情况下，表面损伤所引起的暗电流格外明显。
4.现有的图像传感器制造工艺中，参阅图1～3，图1～3是现有的图像传感器的制造方法中的器件示意图，现有的图像传感的制造方法包括如下步骤：提供一衬底11，在所述衬底上形成栅氧化层12；在所述栅氧化层12上沉积多晶硅13；通过刻蚀工艺形成栅极结构14。其中，形成栅极结构后，所述光电二极管区的栅氧化层12的厚度仅有约50埃，栅氧化层12的厚度太薄，后续刻蚀工艺易对光电二极管区的的表面产生损伤，从而引起暗电流，对于像元尺寸大于5微米的产品，光电二极管区表面损伤引起的暗电流更加明显。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种图像传感器的制造方法，以防止图像传感器在制造工艺中造成光电二极管区的表面损伤，从而有效降低暗电流，进一步使得产品图像性能得到提高。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种图像传感器的制造方法，包括：
7.提供一半导体衬底，所述半导体衬底中形成有浅沟槽隔离结构以及通过所述浅沟槽隔离结构定义出的逻辑器件区和像素器件区，所述像素器件区中包括光电二极管区和转移晶体管区；
8.在所述半导体衬底的表面上依次形成第一氧化层和图案化的光刻胶层，所述第一氧化层覆盖在所述半导体衬底的表面上，所述图案化的光刻胶层覆盖在所述光电二极管区对应的所述第一氧化层的至少部分表面上；
9.以所述图案化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述第一氧化层，直至暴露出所述转移晶
体管区、所述逻辑器件区以及部分所述光电二极管区对应的所述半导体衬底的表面；
10.去除所述图案化的光刻胶层；
11.在所述半导体的表面上依次形成栅氧化层和栅极层，所述栅氧化层覆盖在所述转移晶体管区和所述逻辑器件区对应的所述半导体衬底表面上，并延伸覆盖在所述光电二极管区对应的所述第一氧化层下方的所述半导体衬底的表面上，以增厚所述光电二极管区对应的所述半导体衬底的表面上覆盖的氧化层的厚度；
12.刻蚀所述栅极层和所述栅氧化层，以在所述转移晶体管区和所述逻辑器件区中分别形成栅极堆叠结构。
13.进一步的，在所述半导体衬底的表面上形成第一氧化层的步骤可以包括：
14.对所述半导体衬底进行预清洗，得到洁净的半导体衬底表面；
15.将所述半导体衬底置于炉芯管中，加热至780摄氏度以上，并通入氧气和水蒸气，持续115～125分钟。
16.进一步的，所述第一氧化层和所述栅氧化层的材料可以相同。
17.进一步的，所述第一氧化层可以为二氧化硅，所述第一氧化层的厚度可以为
18.进一步的，以所述图案化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述第一氧化层的工艺可以为湿法刻蚀工艺。
19.进一步的，所述图案化的光刻胶层沿靠近所述转移晶体管区一侧的边界与所述转移晶体管区的水平距离可以为0.03微米～0.1微米。
20.进一步的，形成所述图案化的光刻胶层的步骤可以包括：
21.在所述第一氧化层的表面上形成光刻胶层；
22.利用预设的光罩，对所述光刻胶层进行曝光显影工艺，以形成覆盖在所述光电二极管区对应的所述第一氧化层的至少部分表面上的图案化的光刻胶层。
23.进一步的，所述栅氧化层的厚度可以为
24.进一步的，在所述半导体的表面上形成所述栅氧化层之后，覆盖在所述光电二极管区对应的所述半导体衬底的表面上的氧化层的厚度可以为管区对应的所述半导体衬底的表面上的氧化层的厚度可以为
25.进一步的，去除所述图案化的光刻胶层的工艺可以为湿法刻蚀工艺或者可以为干法刻蚀工艺。
26.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
27.本发明提供的图像传感器的制造方法，通过在形成栅极堆叠结构的栅氧化物层之前增加一道热氧化工艺，以在半导体衬底上形成一无差别覆盖的第一氧化层，然后，再通过增加一道光刻工艺，在光电二极管区对应的所述第一氧化层的表面上形成图案化的光刻胶层，并通过刻蚀工艺去除去除非光电二极管区的第一氧化层，从而达到增加光电二极管区对应的半导体衬底表面上沉积的氧化层厚度的目的，避免了后续的刻蚀工艺中对光电二极管区对应的半导体衬底的表面的损伤，从而避免了表面损伤造成的暗电流，同时又保证了像素器件区和逻辑器件区的功能正常，提升了图像传感器的性能。
附图说明
28.图1～3是现有的图像传感器的制造方法中的器件示意图；
29.图4是本发明一实施例提供的图像传感器的制造方法的流程图；
30.图5a～图5e是本发明一实施例提供的图像传感器的制造方法在其制备过程中的结构示意图。
具体实施方式
31.承如背景技术所述，木器，对于某些特殊应用场景，如监控等应用暗电流的指标显得格外重要，暗电流的主要来源有等离子体造成的表面损伤、硅体应力、离子注入损伤、晶格缺陷等，对于诸如监控、工业监测、无人机拍摄等对画面质量要求较高的应用领域，设计中会采用大像元结构，即光电二极管区面积特别大以获得足够进光量，这类产品的像元尺寸通常在5微米以上，更有甚者会做到十几微米，为了防止“拖尾效应”，光电二极管区(pd区)的离子注入一般不会太深，在这样一种既具有超大表面积，离子注入又浅的情况下，表面损伤所引起的暗电流格外明显。
32.而现有的图像传感器制造工艺中，参阅图1～3，图1～3是现有的图像传感器的制造方法中的器件示意图，现有的图像传感的制造方法包括如下步骤：提供一衬底11，在所述衬底上形成栅氧化层12；在所述栅氧化层12上沉积多晶硅13；通过刻蚀工艺形成栅极结构14。其中，形成栅极结构后，所述光电二极管区的栅氧化层12的厚度仅有约50埃，栅氧化层12的厚度太薄，后续刻蚀工艺易对光电二极管区的的表面产生损伤，从而引起暗电流，对于像元尺寸大于5微米的产品，光电二极管区表面损伤引起的暗电流更加明显。
33.为此，本发明提供一种图像传感器的制造方法，以防止图像传感器在制造工艺中造成光电二极管区的表面损伤，从而有效降低暗电流，进一步使得产品图像性能得到提高。具体参见图4，图4是本发明一实施例的图像传感器的制造方法的流程图，从图4中可以看出，所述图像传感器的制造方法包括：
34.步骤s100，提供一半导体衬底，所述半导体衬底中形成有浅沟槽隔离结构以及通过所述浅沟槽隔离结构定义出的逻辑器件区和像素器件区，所述像素器件区中包括光电二极管区和转移晶体管区；
35.步骤s200，在所述半导体衬底的表面上依次形成第一氧化层和图案化的光刻胶层，所述第一氧化层覆盖在所述半导体衬底的表面上，所述图案化的光刻胶层覆盖在所述光电二极管区对应的所述第一氧化层的至少部分表面上；
36.步骤s300，以所述图案化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述第一氧化层，直至暴露出所述转移晶体管区、所述逻辑器件区以及部分所述光电二极管区对应的所述半导体衬底的表面；
37.步骤s400，去除所述图案化的光刻胶层；
38.步骤s500，在所述半导体的表面上依次形成栅氧化层和栅极层，所述栅氧化层覆盖在所述转移晶体管区和所述逻辑器件区对应的所述半导体衬底表面上，并延伸覆盖在所述光电二极管区对应的所述第一氧化层下方的所述半导体衬底的表面上，以增厚所述光电二极管区对应的所述半导体衬底的表面上覆盖的氧化层的厚度；
39.步骤s600，刻蚀所述栅极层和所述栅氧化层，以在所述转移晶体管区和所述逻辑
器件区中分别形成栅极堆叠结构。
40.即，本发明提供的图像传感器的制造方法，其是通过在形成栅极堆叠结构的栅氧化物层之前增加一道热氧化工艺，以在半导体衬底上形成一无差别覆盖的第一氧化层，然后，再通过增加一道光刻工艺，在光电二极管区对应的所述第一氧化层的表面上形成图案化的光刻胶层，并通过刻蚀工艺去除去除非光电二极管区的第一氧化层，从而达到增加光电二极管区对应的半导体衬底表面上沉积的氧化层厚度的目的，避免了后续的刻蚀工艺中对光电二极管区对应的半导体衬底的表面的损伤，从而避免了表面损伤造成的暗电流，同时又保证了像素器件区和逻辑器件区的功能正常，提升了图像传感器的性能。
41.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的图像传感器的制造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。
42.图5a～图5e为本发明一实施例中的图像传感器的制造方法在其制备过程中的结构示意图。
43.在步骤s100中，具体参考图5a所示，提供一半导体衬底100，所述半导体衬底100用于为后续工艺生成图像传感器器件提供操作的平台。所述半导体衬底100的材料选自单晶硅、多晶硅或者非晶硅；所述半导体衬底100也可以选自硅、锗、砷化镓或锗硅等化合物；所述半导体衬底100还可以是其他半导体材料。示例性的，本发明实施例中，所述半导体衬底100为硅衬底。在本发明实施例中，所述半导体衬底100中形成有浅沟槽隔离结构101以及通过所述浅沟槽隔离结构101定义出的逻辑器件区b和像素器件区a，所述像素器件区a中包括光电二极管区a2和转移晶体管区a1。示例性的，如图5a所示，在bb分割线的右侧的半导体衬底100为逻辑器件区b，在aa分割线和bb分割线之间半导体衬底100为转移晶体管区a1，在aa分割线的左侧的半导体衬底100为光电二极管区a。其中，所述光电二极管区a可以是对所述半导体衬底100离子注入工艺，从而得到的一定结深的pd区。
44.在步骤s200中，参考图5b所示，在所述半导体衬底100的表面上依次形成第一氧化层110和图案化的光刻胶层120，所述第一氧化层110覆盖在所述半导体衬底100的表面上，所述图案化的光刻胶层120覆盖在所述光电二极管区a2对应的所述第一氧化层110的至少部分表面上。
45.在本实施例中，可以对所述半导体衬底100进行热氧化工艺，以在所述半导体衬底100的表面上先形成一层一定厚度的第一氧化物层110。具体的，可以将所述半导体衬底100进行预清洗，利用氢氟酸去除表面自然形成的氧化物，得到表面洁净的半导体衬底，将所述半导体衬底置于炉芯管中，利用氧化炉的加热器对炉芯管进行加热，加热至780摄氏度以上，通入氧气和水蒸气，持续约120分钟，使半导体衬底100在高温环境下与氧气发生热氧化反应，以形成厚度为的第一氧化层110。示例性的，所述第一氧化层110可以为二氧化硅，所述二氧化硅的厚度可以为
46.之后，在所述第一氧化层110的表面上形成光刻胶层(未图示)；并利用预设的光罩，对所述光刻胶层进行曝光显影工艺，以形成覆盖在所述光电二极管区a2对应的所述第一氧化层110的至少部分表面上的图案化的光刻胶层120。
47.其中，所述图案化的光刻胶层120沿靠近所述转移晶体管区a1一侧的边界与所述
转移晶体管区a1的水平距离d为0.03微米～0.1微米。
48.在本实施例中，在所述半导体衬底100的表面上形成所述第一氧化层110的作用是为了增厚最终形成在所述pd区对应的所述半导体衬底100表面上的氧化物的厚度，以表面所述半导体衬底100在后续刻蚀工艺过程中，由于所述pd区对应的所述半导体衬底的表面上沉积的氧化物厚度薄或者没有氧化物的遮挡，从而导致所述pd区对应的所述半导体衬底的表面被损失，进而产生暗电流，进而导致形成的所述器件失效的问题。
49.在步骤s300，具体参见图5c所示，以所述图案化的光刻胶层120为掩膜，刻蚀所述第一氧化层110，直至暴露出所述转移晶体管区a1、所述逻辑器件区b以及部分所述光电二极管区a2对应的所述半导体衬底100的表面。
50.在本实施例中，本发明的本意是在增加所述pd区对应的所述半导体衬底的表面上沉积的氧化物的总厚度，以避免其在后续刻蚀工艺中出现暗电流问题的同时，还要保证采用本发明提供的方法形成的器件的各个区域还可以进行正常的工作，因此，为了避免所述像素器件区a1和所述逻辑器件区b采用后续步骤形成的栅极堆叠结构251的栅氧化层的厚度过后，而影响器件性能的问题，本发明提供的制造方法在步骤s200之后，需要以所述图案化的光刻胶层120为掩膜，刻蚀所述第一氧化层110，以去除除了所述pd区对应的半导体衬底100表面上的第一氧化层110之外的所有第一氧化层，从而暴露出所述转移晶体管区a1、所述逻辑器件区b以及部分所述光电二极管区a2对应的所述半导体衬底100的表面，以形成刻蚀后剩余的所述第一氧化层110’。
51.可以理解的是，从理论上讲，所述第一氧化层110’最好是可以完整的覆盖在所述pd区对应的半导体衬底100的表面上，但是，为了避免实际刻蚀工艺中的偏差等不确定因素，而导致转移晶体管区a1、所述逻辑器件区b对应的半导体衬底100表面上的氧化层的总厚度过厚，而导致的器件失效的问题，本发明在在步骤s300中，在直至暴露出所述转移晶体管区a1、所述逻辑器件区b对应的所述半导体衬底100的表面的同时，还暴露出部分所述光电二极管区a2对应的所述半导体衬底100的表面，即，牺牲到部分pd区的性能。
52.在步骤s400，继续参考图5c所示，去除所述图案化的光刻胶层120。具体的，可以采用湿法刻蚀工艺或先干法刻蚀后湿法刻蚀的刻蚀工艺，去除所述图案化的光刻胶层120。
53.在步骤s500，具体参见图5d所示，在所述半导体100的表面上依次形成栅氧化层130和栅极层140，所述栅氧化层130覆盖在所述转移晶体管区a1和所述逻辑器件区b对应的所述半导体衬底100表面上，并延伸覆盖至所述光电二极管区a2对应的所述第一氧化层110’下方的所述半导体衬底100的表面上，以增厚所述光电二极管区a2对应的所述半导体衬底100的表面上覆盖的氧化层的厚度。
54.在本实施例中，所述栅氧化层130的厚度可以为由于所述栅氧化层130是叠加在所述第一氧化层110’的表面上，因此，导致所述光电二极管区a2对应的半导体衬底100的表面上沉积的氧化层(第一氧化层110’加栅氧化层130)厚度约为与现有技术相比，所述光电二极管区a2上的氧化层的厚度得到了增加，在后续其他工艺中，更厚的氧化物层对光电二极管区a2形成了很好的保护，避免了表面损伤，从而降低了表面损伤引起的暗电流；同时，所述衬底其他区域的厚度未发生改变，所述像素器件区a1和所述逻辑器件区b的功能不受影响。
55.需要说明的是，在形成所述栅氧化层130的过程中，由于所述转移晶体管区a1和所述逻辑器件区b对应的所述半导体衬底100的表面直接暴露出，因此，在对所述半导体衬底100通入氧气等反应气化后，其部分裸露出的半导体衬底可以与反应气体直接反应，从而形成覆盖在所述转移晶体管区a1和所述逻辑器件区b对应的所述半导体衬底100表面上的栅氧化层130；同时，虽然光电二极管区a2的半导体衬底的表面上形成有一定厚度的所述第一氧化层110’，但是，由于第一氧化层110’膜层的稀疏性，导致通入的所述氧气等反应气化会穿过所述第一氧化层110’，并与位于所述第一氧化层110’下方的半导体衬底进行反应，从而是所述栅氧化层130还延伸覆盖在所述光电二极管区a2对应的所述第一氧化层110’下方的所述半导体衬底100的表面上。但是，由于第一氧化层110’的阻挡性，导致形成在光电二极管区a2上的栅氧化层130的厚度要小于形成在转移晶体管区a1和所述逻辑器件区b上的栅氧化层130的厚度。
56.步骤s600，具体参考图5e所示，刻蚀所述栅极层140和所述栅氧化层130，以在所述转移晶体管区a1和所述逻辑器件区b中分别形成栅极堆叠结构251。
57.其中，所述第一氧化层110(或110’)和所述栅氧化层130的材料相同，示例性的，所述栅氧化层130的材料为二氧化硅。
58.在本实施例中，由于其在形成像素器件区a1和逻辑器件区b分别对应的栅极堆叠结构251之前，先在半导体衬底100的表面上形成一定厚度的第一氧化物层110’，之后，在形成和所述第一氧化物层110’材料相同的栅氧化层130和材料为多晶硅的栅极层140，之后在对所述栅氧化层130和栅极层140进行刻蚀工艺，以在所述转移晶体管区a1和所述逻辑器件区b中分别形成栅极堆叠结构251。
59.综上所述，本发明提供的图像传感器的制造方法，具体可以通过在形成栅极堆叠结构的栅氧化物层之前增加一道热氧化工艺，以在半导体衬底上形成一无差别覆盖的第一氧化层，然后，再通过增加一道光刻工艺，在光电二极管区对应的所述第一氧化层的表面上形成图案化的光刻胶层，并通过刻蚀工艺去除去除非光电二极管区的第一氧化层，从而达到增加光电二极管区对应的半导体衬底表面上沉积的氧化层厚度的目的，避免了后续的刻蚀工艺中对光电二极管区对应的半导体衬底的表面的损伤，从而避免了表面损伤造成的暗电流，同时又保证了像素器件区和逻辑器件区的功能正常，提升了图像传感器的性能。
60.需要说明的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。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做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
61.还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
62.此外还应该认识到，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”和“一种”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。例如，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。应该以
最广义的含义来理解使用的所有连词。以及，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此外，本发明实施例中的方法和/或设备的实现可包括手动、自动或组合地执行所选任务。