专利名称：Soi cmos图像传感器结构及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种CMOS图像传感器，尤其涉及一种SOI CMOS图像传感器结构及其制作 方法。
背景技术：
S01(silicon-on-insulator)指的是绝缘层上的硅，它是由"硅薄膜/绝缘层/硅衬 底"三层构成。最上面硅薄膜(简称硅膜)用来做CMOS等半导体器件，中间绝缘埋层 (通常为二氧化硅，简称埋氧层)用来隔离器件和硅衬底。
SOI CMOS器件比体硅CMOS器件具有下列优点寄生电容小、漏电低、具有高速和低 功耗特点；消除了体硅CMOS常见的闭锁效应；抑制了衬底的脉冲电流干扰，减少了软错 误发生几率。工艺上SOI和体硅CMOS工艺兼容且制造步骤相对简单。这些优点使得它在航 天等辐射环境具有广泛的应用前景。
CMOS图像传感器是由CMOS数模电路和感光像素(即感光基本单元)构成，目前市场 上主要是有源像素类型，是由一个感光二极管(Photo Diode，简称PD)和3个或4个N型M0S 晶体管构成，简称为3T或4T类型。
如图la、图lb所示，为3T型像素等效电路图以及俯视结构，包括 复位管栅极001、放大管栅极002、选择管栅极003、感光二极管005、电源006、信号 输出007。其原理是首先复位管栅极01接电位脉冲，高电位打开复位管，感光二极管005 中电子被吸到电源006， 0051点电位升高。当光照射到感光二极管005上产生光电子， 0051点电位降低，由于0051连接在放大管栅极002，放大后的电位变化经过选择管输出到 007点。图lb为3T俯视结构示意图，其中00205为局域互连线(金属线或多晶硅线)，通 过二个金属塞将光电二极管N极0051和放大管栅极002连接。
如图2a和2b所示，为4T型像素等效电路图以及俯视结构，同图la和图lb所示意的 3T像素相比多了一个转移晶体管004和浮空有源区(Floating Diffusion,简称FD)，是 将光电子先转移到FD008区以后再放大和读出，其中00208是局域互连线，它将FD008和放 大管栅极002连接在一起。4T型像素中感光二极管则是和转移管(N型MOS晶体管)T4的源极连接。
上述现有技术至少存在以下缺点
当用S0I制作CM0S图像传感器时，由于SOI的硅膜厚度较薄，在其上制作感光二极管 受到限制。较薄的硅膜限制了感光二极管耗尽层厚度，光吸收效率下降。增加硅膜的厚 度则不能做全耗尽型SOI器件，或者降低部分耗尽型SOI器件的抗辐射等性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种光吸收效率高、抗辐射等性能好的SOI CMOS图像传感器结 构及其制作方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的
本发明的SOI CMOS图像传感器结构，包括在SOI材料上制作有CMOS图像传感器，所述 SOI材料自上而下包括硅薄膜、绝缘层、硅衬底，所述CMOS图像传感器包括感光二极管、 CM0S电路；
所述感光二极管制作在所述硅衬底里；
所述CM0S电路制作在所述硅薄膜上；
所述感光二极管的N极和P极分别通过金属塞引出后再与所述CMOS电路连接。 本发明的上述的SOI CMOS图像传感器结构的制作方法，包括步骤-
A、 在SOI材料的硅衬底中制作CMOS图像传感器的感光二极管；
B、 在SOI材料的硅薄膜上制作CMOS图像传感器的CMOS电路；
C、 通过金属塞将所述感光二极管与所述CMOS电路连接。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的SOI CMOS图像传感器结构及 其制作方法，由于将CMOS图像传感器的感光二极管制作在硅衬底内，但其它器件是用绝 缘层上的硅膜制成，所以既保留了SOI CM0S高速、低功耗、抗闭锁、低软错误几率的优 点，也使得感光二极管光吸收效率与体硅CMOS图像传感器相近。
图la和图lb分别为现有技术中的3T型CM0S图像传感器的像素等效电路和俯视结构示 意图2a和图2b分别为现有技术中的4T型CM0S图像传感器的像素等效电路和俯视结构示 意图3为本发明的具体实施例中3T型CM0S图像传感器的俯视结构示意图； 图4a、图4b 图10为本发明的具体实施例一的工艺步骤示意图； 图11 图14为本发明的具体实施例二的工艺步骤示意图。
具体实施例方式
本发明的SOI CMOS图像传感器结构，其较佳的具体实施方式
如图3所示 包括在SOI材料上制作有CMOS图像传感器，所述SOI材料自上而下包括硅薄膜、绝缘 层、硅衬底，所述CMOS图像传感器包括感光二极管、CM0S电路； 所述感光二极管制作在所述硅衬底里； 所述CM0S电路制作在所述硅薄膜上；
所述感光二极管的N极和P极分别通过金属塞引出后再与所述CMOS电路连接。 所述CM0S电路可以为3T型像素电路，包括复位管、放大管，所述感光二极管与所述
复位管和放大管的局域互联。
所述CM0S电路也可以为4T型像素电路，包括转移管、复位管、放大管，所述感光二
极管与所述转移管的局域互联。
本发明的上述的SOI CMOS图像传感器结构的制作方法，其较佳的具体实施方式
是， 包括步骤
A、 在SOI材料的硅衬底中制作CMOS图像传感器的感光二极管；
B、 在SOI材料的硅薄膜上制作CMOS图像传感器的CMOS电路；
C、 通过金属塞将所述感光二极管与所述CMOS电路连接。
5、根据权利要求4所述的S01 CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在于，所述 步骤B包括
将所述SOI材料的硅薄膜隔离成硅岛，并在其上制作所述CMOS电路的器件，所述CMOS 电路的器件包括复位晶体管、转移晶体管、选择管、放大管。 所述步骤C包括
淀积金属隔离介质，穿过所述硅岛的隔离介质层和金属隔离介质形成深接触孔，填
充金属形成深金属塞，引出所述感光二极管的二个电极；
同时，形成穿过所述金属隔离介质的金属塞，引出所述CMOS电路的器件的电极。 所述步骤A中，所述感光二极管的N区和上极P区以及隔离P阱通过常规光刻掩和离子
植入技术方法及高温退火完成；
所述离子植入时，选用合适的高能量的磷和硼穿过硅膜和埋氧层。 所述步骤B中，隔离所述硅岛采用硅局域氧化技术或者浅沟槽隔离技术完成。 所述步骤B中，所述CMOS电路的器件的晶体管的制作包括
栅氧化介质形成，多晶硅淀积和蚀刻，离子植入和退火形成源漏轻掺杂区和重掺杂 区，侧壁介质层形成，以及自对准硅化物。所述歩骤C中，所述感光二极管的二个电极的弓I出也采用二步工艺完成 第一步在所述步骤B完成后，淀积介质层，蚀刻出连接二个电极的特殊接触孔，再淀
积掺浓磷杂质的多晶硅或金属，并回蚀多晶硅或金属，将所述感光二极管的二个电极引
至所述硅岛隔离介质层的表面；
第二步在形成所述CMOS电路的器件的常规接触孔和金属塞时，将该金属塞和所述感
光二极管的二个电极的引出点连接。
具体实施例一，如图4a、图4b 图10所示
下面以3T型像素为例说明其实施步骤，用图3a中的A-A'截面图来示意，包括步骤 首先是SOI材料的选取或制备，图4a示意出S0I材料结构，包括硅衬底Ol、埋氧层02 和硅膜03。
此SOI材料可以是由注氧隔离技术(S頂OX ，S印eration by Implantation of Oxygen)、注氢键合技术(智能剥离，Smart-Cut)、注氧键合技术或普通键合技术制成。 硅衬底01可以是P-型硅，也可以是P型重掺杂硅01a上外延P型轻掺杂硅01b;
如图4b所示，外延层P-型硅01b的厚度为l 10um，掺杂浓度为1E13 5E15，杂质为 B。埋氧层02厚度为50 700nm，硅膜厚度为2 700nm。具体选择条件由图像传感器应用 范围来定。
然后形成光电二极管以及隔离P阱，如图5所示，采用常规集成电路工艺中的掩膜光 刻技术和离子植入法，穿过硅膜03和埋氧层02植入硼离子形成P阱04，例如能量为100 800keV剂量为5E12 5E15，用来隔离感光二极管IOO，减少感光二极管100之间的电学串 扰。再植入高能磷离子，例如能量为400 2000keV剂量为lE12 5E13，形成感光二极管 IOO的N-型掺杂区05。感光二极管100的P-型掺杂区06则通过植入硼离子形成，例如能量 为100 400keV剂量为4E12 lE13。
再进行硅岛隔离，如图6所示，硅岛03由隔离介质07实现隔离，具体可采用常规的局 部硅氧化法(LOCOS)。具体是先热氧化硅膜03形成100 300A的二氧化硅031，通过淀积 和蚀刻形成氮化硅032覆盖硅岛03，再热氧化覆盖硅岛以外区域的硅，形成氧化层区域07 作为硅岛的隔离介质。这种方法对于薄的硅膜很适用。对于较厚的硅膜，可以采用浅沟 槽隔离法(STI)法，也就是将图6中07区域内原有的硅蚀刻掉，再淀积二氧化硅介质并 化学机械抛光形成隔离介质07。
腐蚀掉图6所示意的介质031和032，在硅膜03上热氧化形成栅介质08，如图7所示， 栅介质08也可以是氮氧化硅或淀积的高介电常数介质，例如HfSiO或ZrSiO材料。淀积和 蚀刻多晶硅，形成栅极09。再用离子注入形成自对准MOS晶体管的源漏轻掺杂区IO。
利用淀积和蚀刻法形成侧壁介质ll，可以是二氧化硅或氮化硅，如图8所示，离子植 入形成自对准源漏N+区域12，再自对准形成硅化物13， 13a， 13b，可以是钛或钴或镍的 硅化物。这时，作为复位管200用的N型MOS晶体管前道工艺已完成。电路中其它N型MOS晶体管以及P型MOS晶体管也相类似，这里不再赘述。
如图9所示，淀积隔离介质14，并用化学机械抛光法平整表面，蚀刻出常规接触孔 15a和15b，以及深接触孔16a和16b。由于隔离介质和硅化物蚀刻速率比很高，接触孔15a 和15b的底部几乎还在硅化物13a和14b表面上。其中16a和16b可以设计的尺寸大一些，以 便容易被蚀刻。淀积金属钨(包括钨塞侧壁和底部的保护薄层，Ti或TiN或Ti/TiN，未示 意)，并用化学机械抛光或再回蚀刻方法形成金属塞15a， 15b， 16a， 16b。淀积金属薄 膜并蚀刻，形成第一层金属互联线17a， 17b， 17c。其中17b将复位管源极和感光二极管N 极连接(并连接像素放大管，参考图3) ， 17c连接公共地极。
对于4T型像素，实施步骤同3T相类似，只是图4a、图4b 10的晶体管200为转移管。
本发明中，关于制作在硅衬底内的感光二极管电极引出的具体实施例二，如图11 图14所示
如图11所示，在形成硅化物后，淀积介质层141，材料为二氧化硅或者氮化硅。蚀刻 出连接感光二极管二个电极的接触孔151a和151b。淀积N型重掺杂的多晶硅或金属钨151 (包括钨塞侧壁和底部的保护薄层，Ti或TiN或Ti/TiN)，形成图12所示结构； 回蚀刻多晶硅或金属钨151，形成图13所示结构；
再进行常规后道工艺步骤淀积隔离介质14，形成金属塞15a, 15b， 16a， 16b以及互联金 属17a， 17b， 17c，如图14所示。这样做的好处是独立调节引出感光二极管电极工艺步 骤，不需要调节任何SOI CMOS后道工艺步骤即可实现SOI CMOS图像传感器制作，对较厚 硅膜和埋氧层的SOI特别适合。
本发明将CMOS图像传感器的感光二极管制作在硅衬底内，但其它器件是用绝缘层上 的硅膜制成，所以既保留了SOI CM0S高速、低功耗、抗闭锁、低软错误几率的优点，也 使得感光二极管光吸收效率与体硅CMOS图像传感器相近。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种SOI CMOS图像传感器结构，包括在SOI材料上制作有CMOS图像传感器，所述SOI材料自上而下包括硅薄膜、绝缘层、硅衬底，其特征在于，所述CMOS图像传感器包括感光二极管、CMOS电路；所述感光二极管制作在所述硅衬底里；所述CMOS电路制作在所述硅薄膜上；所述感光二极管的N极和P极分别通过金属塞引出后再与所述CMOS电路连接。
2、 根据权利要求l所述的SOI CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述CMOS电路为 3T型像素电路，包括复位管、放大管，所述感光二极管与所述复位管和放大管的局域互 联。
3、 根据权利要求l所述的SOI CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述CMOS电路为 4T型像素电路，包括转移管、复位管、放大管，所述感光二极管与所述转移管的局域互 联。
4、 一种权利要求l、 2或3所述的S01 CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在 于，包括步骤A、 在SOI材料的硅衬底中制作CMOS图像传感器的感光二极管；B、 在SOI材料的硅薄膜上制作CMOS图像传感器的CMOS电路；C、 通过金属塞将所述感光二极管与所述CMOS电路连接。
5、 根据权利要求4所述的S01 CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在于，所述 步骤B包括将所述SOI材料的硅薄膜隔离成硅岛，并在其上制作所述CMOS电路的器件，所述CMOS 电路的器件包括复位晶体管、转移晶体管、选择管、放大管。
6、 根据权利要求5所述的S01 CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在于，所述 步骤C包括淀积金属隔离介质，穿过所述硅岛的隔离介质层和金属隔离介质形成深接触孔，填 充金属形成深金属塞，引出所述感光二极管的二个电极；同时，形成穿过所述金属隔离介质的金属塞，引出所述CMOS电路的器件的电极。
7、 根据权利要求4所述的S01 CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在于，所述 步骤A中，所述感光二极管的N区和上极P区以及隔离P阱通过常规光刻掩和离子植入技术 方法及高温退火完成；所述离子植入时，选用合适的高能量的磷和硼穿过硅膜和埋氧层。
8、 根据权利要求5所述的S01 CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在于，所述 歩骤B中，隔离所述硅岛采用硅局域氧化技术或者浅沟槽隔离技术完成。
9、 根据权利要求5所述的S01 CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在于，所述 歩骤B中，所述CMOS电路的器件的晶体管的制作包括栅氧化介质形成，多品硅淀积和蚀刻，离子植入和退火形成源漏轻掺杂区和重掺杂 区，侧壁介质层形成，以及自对准硅化物。
10、 根据权利要求6所述的S01 CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在于，所述 步骤C中，所述感光二极管的二个电极的引出采用二歩工艺完成第一步在所述步骤B完成后，淀积介质层，蚀刻出连接二个电极的特殊接触孔，再淀 积掺浓磷杂质的多晶硅或金属，并回蚀多晶硅或金属，将所述感光二极管的二个电极引 至所述硅岛隔离介质层的表面；第二步在形成所述CMOS电路的器件的常规接触孔和金属塞时，将该金属塞和所述感 光二极管的二个电极的引出点连接。
全文摘要
本发明公开了一种SOI CMOS图像传感器结构及其制作方法，在SOI材料上制作有CMOS图像传感器，CMOS图像传感器的感光二极管制作在SOI材料的硅衬底里；CMOS电路的其它器件制作在硅薄膜上；感光二极管的N极和P极分别通过金属塞引出后再与CMOS电路连接。既保留了SOI CMOS高速、低功耗、抗闭锁、低软错误几率的优点，也使得感光二极管光吸收效率与体硅CMOS图像传感器相近。
文档编号H01L27/146GK101546777SQ20091008352
公开日2009年9月30日 申请日期2009年5月8日 优先权日2009年5月8日
发明者旷章曲, 杰 陈, 高文玉 申请人:北京思比科微电子技术有限公司