一种CMOS图像传感器的制造方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，尤其是涉及一种cmos图像传感器的制造方法。

背景技术：

图像传感器，或称感光元件，是一种将光学图像转换成电子信号的设备，它被广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中。根据元件的不同，图像传感器可分为电荷耦合元件(chargecoupleddevice，ccd)和cmos图像传感器(complementarymetal-oxidesemiconductor，cmos)两大类。cmos图像传感器与ccd图像传感器相比，因其具有更低的制造成本、更低的功耗以及高整合度等优点，近年来在宽动态、低照度方面取得了飞速发展。

cmos图像传感器是一种典型的固体成像传感器，通常由像素单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、ad转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成，其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。其中，像素单元属于核心部件，它作为cmos图像传感器的基本感光单元，决定着整个图像传感器的成像质量。

像素单元按照像素单元结构的不同，可以分为无源像素单元(passivepixelschematic，pps)和有源像素单元(activepixelschematic，aps)；按照集成度，像素单元可以分为三管有源像素(3t-aps)、钳位二极管四管有源像素(4t-aps)、钳位二极管五管有源像素(5t-aps)。其中，钳位二极管四管有源像素(4t-aps)成为市场上的主要应用；按照入射光射入感光区域方向，分为正面照射式(front-side-illumination，fsi)图像传感器和背面照射式(back-side-illumination，bsi)图像传感器结构。

目前在高速cmos图像传感器像素单元的设计中，主要存在以下问题：首先，由于曝光时间很短，需要大面积的光电二极管(photodiode,pd)来增强敏感度。而大面积的光电二极管将导致光电二极管区的横向电场很弱，信号电荷只能通过载流子的扩散来传输，致使电荷传输效率降低。其次，图像延迟 (imagelag)现象会严重影响到cmos图像传感器的成像效果，如何避免图像延迟(imagelag)也是高速cmos图像传感器设计中的面临的一个重要挑战。第三，像素单元的满阱容量一直是影响cmos图像传感器性能的重要参数，如何提高满阱容量，以提高像素单元的动态范围和信噪比也是提高图像传感器成像效果的有利途径。为此，近年来，对cmos图像传感器中像素单元的结构与工艺的设计在不断的更新与改进。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种cmos图像传感器的制造方法，以提高像素单元的满阱容量及电荷传输效率、减小图像延迟，进而提高所形成的像素单元的性能。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种cmos图像传感器的制造方法，包括：提供基底，所述基底上包括第一区域，所述第一区域为待形成感光元件的区域；提供第一掩模版；以第一掩模版为掩模在所述基底上形成第一图形化掩膜层，暴露出所述第一区域，所述第一区域具有与cmos图像传感器的转移晶体管相邻的第一端；以第一图形化掩膜层为掩模，通过离子注入方式在第一区域形成第一注入区，所述第一注入区为第一导电类型；通过离子注入方式在第一注入区内形成第二注入区，所述第二注入区为第二导电类型，所述第二导电类型与第一导电类型相反，剩余的第一注入区被第二注入区分隔为位于第二注入区之上的第三注入区和位于第二注入区之下的第四注入区；提供第二掩模版；以第二掩模版为掩模在所述基底上形成第二图形化掩膜层，暴露出所述第一区域的第一端；以第二图形化掩膜层为掩模，通过离子注入方式在所述第一区域的第一端形成第五注入区，所述第五注入区为第一导电类型，所述第五注入区将第三注入区和第四注入区电学连接。

可选地，形成所述第一注入区的离子注入包括第一离子注入、第二离子注入和第三离子注入。

可选地，所述第一离子注入、第二离子注入和第三离子注入的离子导电类型均为第一导电类型。

可选地，所述第一离子注入、第二离子注入和第三离子注入的注入能量 逐渐递增。

可选地，所述第一离子注入的离子为磷离子，注入能量为100kev，注入的离子剂量是1.8e12atom/cm²；所述第二离子注入的离子为磷离子，注入能量为250kev，注入的离子剂量是1.8e12atom/cm²；所述第三离子注入的离子为磷离子，注入能量为450kev，注入的离子剂量是1.8e12atom/cm²。

可选地，形成所述第二注入区注入的离子为硼离子，注入能量为160kev，注入的离子剂量是3.5e12atom/cm²。

可选地，所述第二掩模版的覆盖区域范围是自所述第一区域的第一端向第一区域的方向偏移0.18微米至0.22微米，至所述第一区域的第一端向转移晶体管的方向偏移0.08微米至0.12微米。

可选地，形成所述第五注入区注入的离子为磷离子，注入能量为250kev，注入的离子剂量是3e12atom/cm²。

可选地，还包括在形成第五注入区之后，在靠近基底表面处以离子注入的方式形成钉扎层。

可选地，形成所述钉扎层的方法包括：注入的离子为bf2离子，注入能量为30kev，注入的离子剂量是5e12atom/cm²。

可选地，还包括在形成所述第五注入区之前或者之后，利用第二掩模版在靠近基底表面处以离子注入的方式形成第六注入区。

可选地，形成所述第六注入区的方法包括：注入的离子为bf2离子，注入能量为20kev，注入的离子剂量是4e12atom/cm²。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明实施例通过离子注入方式，以第一掩模版为掩模形成具有第一导电类型的第一注入区和第二导电类型的第二注入区，所述第二注入区位于第一注入区内以并将其分隔为第三注入区与第四注入区；以第二掩模版为掩模形成具有第一导电类型的第五注入区，所述第五注入区将第三注入区和第四注入区电学连接，以此形成分层的光电二极管结构，提高了像素单元的满阱容量(fullwellcapacity,fwc)及电荷传输效率(chargetransferefficiency， cte)、增大了图像传感器的动态范围。

可选地，本发明实施例通过形成第六注入区，调节位于转移晶体管两端的光电二极管与浮置扩散区之间的势垒平衡，减小转移晶体管在打开状态时，电荷从浮置扩散区回流入光电二极管的几率，减小了图像延迟；由于电荷回流几率减小，同时提高了像素单元的电荷传输效率。

附图说明

图1至图6是本发明一实施例的cmos图像传感器的制造方法的中间结构的剖面示意图。

具体实施方式

本发明提供一种cmos图像传感器的制造方法，下面结合附图加以详细的说明。

图1至图6是本发明一实施例的cmos图像传感器的制造方法的中间结构的剖面示意图。

如图1所示，提供基底200，所述基底200包括衬底201和外延层202，所述外延层202形成于衬底201表面，所述外延层202具有第二导电类型。所述外延层202包括第一区域200a，所述第一区域200a为待形成感光元件的区域。

所述外延层202区域还形成有转移晶体管230、浮置扩散区240及浅沟槽隔离结构250。所述外延层202区域包括外延层202内的区域及外延层202表面以上的区域，所述转移晶体管230形成于外延层202表面以上的区域，所述浮置扩散区240形成于外延层202内的区域。所述第一区域200a具有与转移晶体管230相邻的第一端11。

所述衬底201可以为硅衬底、锗衬底、碳化硅衬底或锗硅衬底。在一个实施例中，所述衬底201为单晶硅衬底；所述外延层202为p型，所述外延层202掺杂离子的浓度为1.5e15atom/cm³。

如图2所示，在第一区域200a内形成第一注入区210。

形成所述第一注入区210的方法包括：提供第一掩模版，以第一掩模版 为掩模在所述外延层202上形成第一图形化掩膜层，暴露出所述第一区域200a；以所述第一图形化掩膜层为掩模，通过离子注入方式在第一区域200a内形成第一注入区210，所述第一注入区210为第一导电类型。

在一个实施例中，所述第一注入区210的深度范围为0.9微米至1.2微米，所述第一注入区210的离子浓度范围为1e14atom/cm³至3e16atom/cm³。

所述通过离子注入方式在第一区域200a内形成第一注入区210的方法包括第一离子注入、第二离子注入和第三离子注入。所述第一离子注入、第二离子注入和第三离子注入的离子导电类型均为第一导电类型。

在一个实施例中，所述第一离子注入、第二离子注入和第三离子注入的剂量完全相同、注入能量递增；注入剂量的范围是1.6e12atom/cm²至2.0e12atom/cm²。具体地，所述第一离子注入的离子为磷离子，注入能量为100kev,注入的离子剂量是1.8e12atom/cm²；所述第二离子注入的离子为磷离子，注入能量为250kev，注入的离子剂量是1.8e12atom/cm²；第三离子注入的离子为磷离子，注入能量为450kev，注入的离子剂量是1.8e12atom/cm²。

在另一个实施例中，所述第一离子注入、第二离子注入和第三离子注入的剂量可以不同，注入的剂量呈递减趋势，注入能量递增，注入剂量的范围是1.6e12atom/cm²至2.0e12atom/cm²。具体地，所述第一离子注入的离子为磷离子，注入能量为100kev,注入的离子剂量是1.6e12atom/cm²；所述第二离子注入的离子为磷离子，注入能量为250kev，注入的离子剂量是1.8e12atom/cm²；第三离子注入的离子为磷离子，注入能量为450kev，注入的离子剂量是2.0e12atom/cm²。

这里采用第一离子注入、第二离子注入和第三离子注入，三步离子注入的方式形成第一注入区210，所述三步离子注入的能量逐渐递增的目的在于：增加所述第一注入区210与外延层202形成的pn结的结深，扩展纵向耗尽区的范围，以便更好地收集衬底201底部的入射光子进行光电转换，提高了背面照射式(bsi)模式下的量子效率；同时提高所形成的像素单元的满阱容量。

如图3所示，通过离子注入方式在第一注入区210(如图3所示)形成第二注入区212，所述第二注入区212为第二导电类型，所述第二导电类型与第 一导电类型相反，所述第二注入区212位于第一注入区210(如图3所示)内，剩余的第一注入区被第二注入区212分隔为位于第二注入区212之上的第三注入区213和位于第二注入区212之下的第四注入区214。

在一个实施例中，所述第二注入区212与第一注入区210(如图3所示)的体积比约为1:3。所述第二注入区212的深度范围为第一注入区深度的2/5至3/5；所述第二注入区212的离子浓度范围是1e15atom/cm³至3e16atom/cm³。

形成所述第二注入区212注入的离子为第二导电类型，且注入剂量大于形成第一注入区210(如图3所示)的所述第一离子注入、第二离子注入以及第三离子注入各自的注入剂量，使得形成的第二注入区212呈现第二导电类型。在一个实施例中，形成第二注入区212注入的离子为硼离子，注入能量为160kev,注入的离子剂量是3.5e12atom/cm²。

如图4所示，提供第二掩模版，以所述第二掩模版为掩模在所述基底200上形成第二图形化掩膜层(未示出)，暴露出所述第一区域200a的第一端11。所述第二图形化掩膜层暴露出基底200表面的区域为第二区域200b。

以第二图形化掩膜层为掩模，通过离子注入方式在所述第二区域200b形成第五注入区215，所述第五注入区215为第一导电类型，所述第五注入区215将第三注入区213与第四注入区214电学连接，同时形成第二注入区212a。

需要说明的是，形成所述第五注入区215的离子与形成第一注入区210(如图3所示)的离子导电类型相同，而与形成第二注入区212(如图3所示)的离子导电类型相反，因此要使所述第五注入区215为第一导电类型，则形成所述第五注入区215的离子注入剂量与形成第一注入区210(如图3所示)的第二离子注入的注入剂量之和要大于形成所述第二注入区212(如图3所示)的离子注入剂量，以便能够实现将所述第三注入区213与第四注入区214电学连接。

实现了电学连接后的第三注入区213与第四注入区214、第五注入区215形成了一个“u”型注入区，具有第一导电类型；而第二注入区212a为第二导电类型，形成了位于所述“u”型注入区内的插入层。由于插入层被引入“u”型 注入区内原本容易残留电荷的区域，所以在插入层的帮助下，“u”型注入区内的电荷可以实现全耗尽，提高了满阱容量和电子传输效率；同时使得像素单元内，前一帧的曝光不会对下一帧产生电荷残留，因而不会产生图像延迟。

在一个实施例中，所述第二掩模版覆盖的范围是自所述第一区域200a的第一端11向第一区域200a的方向偏移0.2微米，至所述第一区域200a的第一端11向转移晶体管230的方向偏移0.1微米。这里所述第二掩模版向转移晶体管230的方向偏移0.1微米的原因是为了后续在利用第二掩模版形成第六注入区时，使第六注入区能够覆盖电子由“u”型注入区向沟道区传输的通道。

在一个实施例中，形成所述第五注入区215注入的离子为磷离子，注入能量为250kev，注入的离子剂量是3e12atom/cm²。

如图5所示，在一个实施例中还包括在形成第五注入区215之后，通过离子注入方式在靠近基底200表面处形成高浓度掺杂的钉扎层216，以减小暗电流。所述钉扎层216为第二导电类型。

需要说明的是，形成所述钉扎层216不需要提供任何掩模版，直接以离子注入方式在基底200内靠近其表面处形成钉扎层216。所述钉扎层216分布于基底200内除转移晶体管230下方及浅沟槽隔离结构250之外的基底200表面区域内。

在一个实施例中，所述钉扎层216的掺杂离子浓度是2e18atom/cm³，所述钉扎层216的深度范围是小于0.2微米。形成所述钉扎层216注入的离子为bf2离子，注入能量为30kev，注入的离子剂量是5e12atom/cm²。

如图6所示，在形成第五注入区215之前或者之后，还包括利用第二掩模版，以离子注入的方式在所述第二区域200b内形成第六注入区217。所述第六注入区217为第二导电类型，形成所述第六注入区217的目的是减小图像延迟、提高电子传输效率。

形成第六注入区217的第二掩模版的覆盖范围是自所述第一区域200a的第一端11向第一区域200a的方向偏移0.2微米，至所述第一区域200a的第一端11向转移晶体管230的方向偏移0.1微米。形成这一覆盖范围的原因是使得所述第六注入区217可以覆盖电子由“u”型注入区向沟道区传输的通道， 起到隔离“u”型注入区和沟道区的作用，防止转移晶体管230在打开状态时，已经传输到浮置扩散区240的电子经由转移晶体管230回流入“u”型注入区内，引起图像延迟，降低电子传输效率。

需要说明的是，第六注入区217的离子浓度对改善像素单元的图像延迟、提高电子传输效率有重要影响。在一些实施例中，通过调节形成第六注入区217的离子注入剂量，来调节位于转移晶体管230两端的光电二极管与浮置扩散区240之间的势垒平衡，减小转移晶体管230在打开状态时，电荷从浮置扩散区240回流入光电二极管的几率，从而减小图像延迟；由于电荷回流的几率减小，同时也提高了像素单元的电子传输效率。

在一个实施例中，所述第六注入区217的离子浓度范围是4e16atom/cm³至5e16atom/cm³，深度范围是0.1微米。形成所述第六注入区217注入的离子为bf2离子，注入能量为20kev，注入的离子剂量是4e12atom/cm²。

综上所述，本发明实施例通过离子注入方式，以第一掩模版为掩模形成具有第一导电类型的第一注入区和第二导电类型的第二注入区，所述第二注入区位于第一注入区内并将其分隔为第三注入区和第四注入区；以第二掩模版为掩模形成具有第一导电类型的第五注入区，第五注入区将第三注入区和第四注入区电学连接，以此来形成分层的光电二极管结构，达到了提高像素单元的满阱容量及电荷传输效率、增大动态范围的目的。此外，本发明实施例还通过形成第六注入区，调节位于转移晶体管两端的光电二极管与浮置扩散区之间的势垒平衡，减小转移晶体管在打开状态时，电荷从浮置扩散区回流入光电二极管的几率，减小图像延迟；同时，由于电荷回流的几率减小，进一步提高了电荷传输效率。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。