一种CMOS图像传感器及其制作方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种CMOS图像传感器及其制作方法。

背景技术：

在半导体技术领域中，图像传感器是一种能将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器大体上可以分为电荷耦合元件(CCD)和互补金属氧化物半导体图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)。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图像传感器由于具有工艺简单、易与其他器件集成、体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点而逐渐取代CCD的地位。目前CMOS图像传感器被广泛应用于数码相机、照相手机、数码摄像机、医疗用摄像装置(例如胃镜)、车用摄像装置等领域之中。

然而CMOS图像传感器通常存在拖影现象。拖影现象产生的主要原因是由于光电二极管PD区内形成的光生载流子不能完全通过传输晶体管Tx导出到浮置扩散区FD，导致下一次曝光时，光电二极管PD区内存储了上一次曝光的载流子。对于CMOS图像传感器来说，电子迁移率越高产生拖影现象的可能性就会越低。

现有的一种CMOS图像传感器的制作方法包括以下步骤：参考图1，首先，提供P型半导体衬底100，该P型半导体衬底100包括像素区图形，像素区图形包括用于形成光电二极管的区域和用于形成MOS晶体管的区域；在P型半导体衬底100上形成牺牲氧化层，以防止之后的离子注入对衬底造成损伤，接着，对像素区图形边缘的P型半导体衬底100进行离子注入，以形成N型的隔离阱，接着，对用于形成MOS晶体管的区域进行离子注入，以形成P型阱101；在 对用于形成MOS晶体管的区域进行离子注入，以调整预定形成的MOS晶体管的阈值电压；接着，对用于形成光电二极管的区域进行离子注入，以形成N型阱区103，该N型阱区103与半导体衬底构成PN光电二极管，之后还包括形成MOS晶体管的栅极结构102等步骤，最终形成的CMOS图像传感器的示意图如图1所示，由于N型阱区103和MOS晶体管的沟道区具有一定距离，该距离如果比较大，则会降低电子迁移率，进而使得CMOS图像传感器产生拖影现象。

因此，有必要提出一种CMOS图像传感器的制作方法，以进一步提高电子迁移率来避免拖影现象的产生。

技术实现要素：

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

针对现有技术的不足，本发明实施例一提供一种CMOS图像传感器的制作方法，包括：

步骤A1：提供具有第一导电类型的半导体衬底，所述半导体衬底中定义有像素区，所述像素区至少包括用于形成MOS晶体管的区域和用于形成光电二极管的区域，所述用于形成MOS晶体管的区域中包括MOS晶体管的沟道区；

步骤A2：对所述半导体衬底的用于形成MOS晶体管的区域进行第一离子注入形成阈值电压控制区，以调整预定形成的MOS晶体管的阈值电压；

步骤A3：对半导体衬底的用于形成光电二极管的区域依次进行第二离子注入和第三离子注入，以形成具有第二导电类型的第一阱，

其中，所述第三离子注入的注入能量小于所述第二离子注入的注入能量，所述第一阱具有凸起部分，该凸起部分靠近与光电二极管相连的MOS晶体管的沟道区表面；

步骤A4：在所述半导体衬底的用于形成MOS晶体管的区域上形 成MOS晶体管的栅极结构。

进一步，在所述步骤A2中还包括以下步骤：

对所述半导体衬底的用于形成MOS晶体管的区域进行第四离子注入，以形成具有第一导电类型的第二阱。

进一步，所述第三离子注入的注入区域靠近与光电二极管相邻的MOS晶体管的沟道区的部分所述半导体衬底内。

进一步，所述第三离子注入的注入剂量大于所述第二离子注入的注入剂量。

进一步，所述第二离子注入包括依次进行的第五离子注入和第六离子注入两次离子注入的过程，其中所述第五离子注入的能量大于所述第六离子注入的能量。

进一步，所述第五离子注入的能量范围为250Kev～350Kev，离子注入剂量范围为1E11至1E13atoms/cm²，所述第六离子注入的能量范围为100Kev～200Kev，离子注入剂量范围为2E11至2E13atoms/cm²。

进一步，所述第三离子注入的能量范围为50～90Kev，离子注入剂量范围为8E11至8E13atoms/cm²。

进一步，在所述步骤A2之前，还包括对所述像素区边缘的部分半导体衬底进行离子注入，以形成具有第一导电类型的隔离阱的步骤。

进一步，在所述步骤A4之后还包括以下步骤：

在所述栅极结构两侧的半导体衬底内形成MOS晶体管的轻掺杂漏区；

在所述栅极结构的侧壁上形成间隙壁；

对所述第二阱区内的部分半导体进行离子注入，形成位于所述第二阱区内的具有第二导电类型的重掺杂区。

进一步，在形成所述重掺杂区之后还包括形成包围所述第一阱区的Pin注入层的步骤。

进一步，在形成所述Pin注入层后还包括进行自行对准金属硅化物工艺的步骤。

进一步，所述步骤A4之前，所述第三离子注入之后还包括退火 的步骤。

进一步，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型,或者，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。

本发明还提供一种采用前述的制作方法制作获得的CMOS图像传感器，包括：

具有第一导电类型的半导体衬底，形成于所述半导体衬底内的光电二极管和形成于所述半导体衬底上与所述光电二极管相连的MOS晶体管，所述光电二极管包括具有第二导电类型的第一阱区，该第一阱区包括凸起部分，所述凸起部分靠近与所述光电二极管相连的MOS晶体管的沟道区表面。

根据本发明的制作方法所获得CMOS图像传感器，其光电二极管区域内的具有第二导电类型的阱区具有凸起部分，该凸起部分靠近与光电二极管相连的MOS晶体管得沟道区表面，显著提高了CMOS图像传感器的电子迁移率，有效改善拖影现象，提高了CMOS图像传感器的性能。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1示出了现有的一种CMOS图像传感器的制作方法所获得器件的示意图；

图2示出了本发明一具体实施方式的CMOS图像传感器的制作方法实施所获得器件的示意图；

图3为本发明一具体实施例的CMOS图像传感器的制作方法的流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避 免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其 它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本发明的范围。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

实施例一

下面，参考图2以及图3对本发明一具体实施例的CMOS图像传感器的制作方法做详细描述。其中，图2示出了本发明一具体实施方式的CMOS图像传感器的制作方法实施所获得器件的示意图；图3为本发明一具体实施例的CMOS图像传感器的制作方法的流程图。

首先，执行步骤S301，提供具有第一导电类型的半导体衬底，所述半导体衬底中定义有像素区，所述像素区至少包括用于形成MOS晶体管的区域和用于形成光电二极管的区域，所述用于形成MOS晶体管的区域中包括MOS晶体管的沟道区。

如图2所示，所述半导体衬底200可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。在半导体衬底200中形成有隔离结构(未示出)，所述隔离结构为浅沟槽隔离(STI)结构或者局部氧化硅(LOCOS)隔离结构。所述隔离结构可用于定义各种有源区。第一导电类型可以为N 型也可以为P型，本实施例中以P型半导体衬底为例。可通过光刻工艺和刻蚀工艺在半导体衬底上形成隔离结构，以及像素区，其中像素区对应的半导体衬底用于之后的像素区相应器件的制作，像素区包括用于形成MOS晶体管的区域和用于形成光电二极管的区域等，以4T型CMOS图像传感器为例，MOS晶体管可以为与光电二极管相连的传输晶体管。用于形成MOS晶体管的区域中包括MOS晶体管的沟道区。

在进行各种离子注入步骤之前，还可先在半导体衬底上形成牺牲氧化层，以防止之后的离子注入对半导体衬底造成损伤。

如图2所示，在一个示例中，还可以对像素区边缘的部分半导体衬底200进行离子注入，以形成具有第一导电类型的隔离阱201。该隔离阱201对相邻的像素区起到一定的隔离作用，隔离阱具有与半导体衬底相同的掺杂类型。

接着，执行步骤S302，对所述半导体衬底的用于形成MOS晶体管的区域进行第一离子注入形成阈值电压控制区，以调整预定形成的MOS晶体管的阈值电压。

如图2所示，在本步骤中，首先对所述半导体衬底200的用于形成MOS晶体管的区域进行第四离子注入，以形成具有第一导电类型的阱区202，再对所述半导体衬底的用于形成MOS晶体管的区域进行第一离子注入形成阈值电压控制区，以调整预定形成的MOS晶体管的阈值电压。阱区202与阈值电压控制区具有相同的掺杂类型，均为第一导电类型，例如P型或N型，阱区202具有比阈值电压控制区更广的掺杂范围和更深的掺杂深度，其掺杂深度往往大于隔离结构的深度，而阈值电压控制区位于半导体衬底的表面内。根据不同的导电类型选择相应的掺杂离子，例如形成P阱，则掺杂离子可以为硼，形成N阱则掺杂离子为磷等。

接着，执行步骤S303，对半导体衬底的用于形成光电二极管的区域依次进行第二离子注入和第三离子注入，以形成具有第二导电类型的第一阱，其中，所述第三离子注入的注入能量小于所述第二离子注入的注入能量，所述第一阱具有凸起部分，该凸起部分靠近与光电二极管相连的MOS晶体管的沟道区表面。

在一个示例中，所述第二离子注入包括依次进行的第五离子注入和第六离子注入两次离子注入的过程，其中所述第五离子注入的能量大于所述第六离子注入的能量。以形成N型阱区为例，则注入离子为磷或砷等，其中，当注入离子为磷时，所述第五离子注入的能量范围为250Kev～350Kev，离子注入剂量范围为1E11至1E13atoms/cm²，所述第六离子注入的能量范围为100Kev～200Kev，离子注入剂量范围为2E11至2E13atoms/cm²。其中第五离子注入的能量比第六离子注入的能量大，其注入深度更深。但第五离子注入的注入剂量比第六离子注入的注入剂量低。

之后，在进行第三离子注入，所述第三离子注入的注入区域靠近与光电二极管相邻的MOS晶体管的沟道区的部分所述半导体衬底内。所述第三离子注入的注入剂量大于所述第二离子注入的注入剂量，也即第三离子注入的注入剂量大于第二离子注入中的两次离子注入的任意一次离子注入的注入剂量。第三离子注入的注入能量小于第二离子注入中的两次离子注入中注入能量最小的离子注入的注入能量，在本发明实施例中，第三离子注入的注入能量小于第六离子注入的能量。由于第三离子注入的注入能量最低，因此其注入深度最浅。其中，当注入离子为磷时，所述第三离子注入的能量范围为50～90Kev，离子注入剂量范围为8E11至8E13atoms/cm²。

在一个示例中，所述第三离子注入之后还包括退火的步骤。所述退火可以为快速升温退火等，快速升温退火利用900至1050℃的高温来活化各步离子注入区内的掺杂质，并同时修补在各离子注入工艺中受损的半导体衬底表面的晶格结构。

如图2所示，本步骤中，经过注入深度比较浅的第三离子注入过程，可以使得形成的第一阱203具有凸出部分203a，该凸起部分203a靠近与光电二极管相连的MOS晶体管的沟道区表面，可显著提高载流子的迁移率。当第一导电类型为P型，第二导电类型为N型，则N型的第一阱和P型的半导体衬底构成PN结型的光电二极管，光电二极管接收光子产生光生载流子，通过与光电二极管相连的由多个MOS晶体管构成的外围电路对该光生载流子进行处理。

执行步骤S304，在所述半导体衬底的用于形成MOS晶体管的区 域上形成MOS晶体管的栅极结构。

如图2所示，所述栅极结构204包括依次形成在所述半导体衬底上的栅极介电层和栅极材料层。本实施例中，阈值电压控制区位于所述栅极结构204下方的半导体衬底的表面内。

栅极介电层可以包括传统的电介质材料诸如具有电介质常数从大约4到大约20(真空中测量)的硅的氧化物、氮化物和氮氧化物。或者，栅极介电层可以包括具有电介质常数从大约20到至少大约100的通常较高电介质常数电介质材料。这种较高电介质常数电解质材料可以包括但不限于：氧化铪、硅酸铪、氧化钛、钛酸锶钡(BSTs)和锆钛酸铅(PZTs)。可以采用适合栅极介电层成分的材料的数种方法的任何一种形成栅极介电层。所包括但非限制性的有热或等离子氧化或氮化方法、化学汽相沉积方法和物理汽相沉积方法。

栅极材料层可以包括各个材料，所述各个材料包含但不限于：某些金属、金属合金、金属氮化物和金属硅化物，及其层压制件和其复合物。栅极材料层也可以包括掺杂的多晶硅和多晶硅-锗合金材料(即，具有从每立方厘米大约1e18到大约1e22个掺杂原子的掺杂浓度)以及多晶硅金属硅化物(polycide)材料(掺杂的多晶硅/金属硅化物叠层材料)。类似地，也可以采用数种方法的任何一个形成前述材料。非限制性实例包括自对准金属硅化物方法、化学汽相沉积方法和物理汽相沉积方法，诸如但不限于：蒸发方法和溅射方法。通常，栅极材料层包括具有厚度从大约50到大约2000埃的掺杂的多晶硅材料。

可通过光刻工艺和刻蚀工艺定义出MOS晶体管的栅极结构图案的尺寸和形状，在此不作赘述。

之后，在所述栅极结构两侧的半导体衬底内形成MOS晶体管的轻掺杂漏区，以有效的防止短沟道效应，可采用本领域技术人员熟知的任何方法形成所述轻掺杂漏区，在此不作赘述。

接着，还可以在所述栅极结构204的侧壁上形成间隙壁205(spacer)。所述间隙壁205可以为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中一种或者它们组合构成。作为本实施例的一个优化实施方式，所述间隙壁205为氧化硅、氮化硅共同组成，具体工艺为：在半导体衬底上形成第一氧化硅层、第一氮化硅层以及第二氧化硅层，然后采用蚀刻方 法形成间隙壁205。

之后还包括步骤：对所述阱区202内的部分半导体进行离子注入，形成位于所述阱区202内的N+掺杂区，以及进行退火以激活掺杂杂质。形成包围所述第一阱区203的Pin注入层，以形成PIN型光电二极管，可采用本领域技术人员熟知的任何方法形成所述Pin注入层，在此不再赘述。以及进行自行对准金属硅化物工艺的步骤。在一个示例中，自行对准金属硅化物工艺步骤包括：于半导体衬底表面溅镀金属层(图未示)，例如镍金属层，然后进行快速升温退火(RTA)工艺，使金属层与栅极以及源极/漏极区域接触的部分反应成硅化金属层，完成自行对准金属硅化物工艺(salicide)。

上述全部步骤中，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型，或者，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。本实施例中，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。

至此完成了本发明的CMOS图像传感器的主要工艺步骤，当然对于制作完整的CMOS图像传感器还会包括其他的一些常规工艺，在此不再赘述。

采用TCAD模拟软件对采用本发明的制作方法获得的CMOS图像传感器进行模拟，在Vtx＝0和3.0V时，分别计算光电二极管区内的阱区的积分电子Q0和Qvdd，定义电子迁移率的计算公式为(Q0-Qvdd)/Q0，则模拟数据结果显示，现有的如图1所示的CMOS图像传感器的电子迁移率约为58％，光电二极管电压Vpin为3.18V，而本发明的CMOS图像传感器的电子迁移率可高达100％，光电二极管电压Vpin为1.34V，可见电子迁移率显著提高。

综上所述，根据本发明的制作方法所获得CMOS图像传感器，其光电二极管区域内的具有第二导电类型的阱区具有凸起部分，该凸起部分靠近与光电二极管相连的MOS晶体管得沟道区表面，显著提高了CMOS图像传感器的电子迁移率，有效改善拖影现象，提高了CMOS图像传感器的性能。

实施例二

本发明还提供一种采用实施例一中方法制作的CMOS图像传感 器，该CMOS图像传感器包括：具有第一导电类型的半导体衬底，形成于所述半导体衬底内的光电二极管和形成于所述半导体衬底上与所述光电二极管相连的MOS晶体管，所述光电二极管包括具有第二导电类型的第一阱区，该第一阱区包括凸起部分，所述凸起部分靠近与所述光电二极管相连的MOS晶体管的沟道区表面。

所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型，或者，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。本实施例中，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。

本发明的CMOS图像传感器，其光电二极管区域内的具有第二导电类型的阱区具有凸起部分，该凸起部分靠近与光电二极管相连的MOS晶体管得沟道区表面，显著提高了CMOS图像传感器的电子迁移率，有效改善拖影现象，因此，本发明的CMOS图像传感器具有更高的性能。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。