互补金属氧化物半导体图像传感器及其制造方法与流程

本公开涉及互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器及其制造方法。

背景技术：

图像传感器是一种能够将光信号转换为电信号的装置。在数码相机和数码摄像机中广泛采用图像传感器。图像传感器可以分为电荷耦合元件(chargecoupleddevice，ccd)和互补金属氧化物半导体(complementarymetal-oxidesemiconductor，cmos)两种类型。

cmos图像传感器采用一般半导体电路最常用的cmos工艺，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特点。目前，cmos图像传感器在数码照相机和数码摄像机中得到了更广泛的应用。

技术实现要素：

根据本公开的第一方面，提供了互补金属氧化物半导体图像传感器，包括：半导体基底；位于所述半导体基底中的光电二极管，用于接收入射光以产生电荷；以及位于所述半导体基底中的浮置扩散区，用于存储所述电荷。所述浮置扩散区位于所述光电二极管上方。

根据本公开的第二方面，提供了一种制造互补金属氧化物半导体图像传感器的方法，包括：提供半导体基底；在所述半导体基底中形成光电二极管，所述光电二极管用于接收入射光以产生电荷；以及在所述光电二极管上方形成浮置扩散区，所述浮置扩散区用于存储所述电荷。

通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：

图1示出了现有技术中的cmos图像传感器的像素的结构的示意图。

图2示出了根据本公开的一个实施例的cmos图像传感器的像素的结构的示意图。

图3示出了根据本公开的一个实施例的制备cmos图像传感器的方法的流程图。

图4a-4f示出了根据本公开的一个实施例的制备cmos图像传感器的示意图。

注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在本说明书中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，所公开的发明并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

图1示出了现有技术中的cmos图像传感器的像素的结构的示意图。如图1所示，cmos图像传感器的一个像素包括像素之间的隔离101，在衬底106中形成的光电二极管102、沟道103、浮置扩散区104，以及用于控制沟道103的导通和关断的栅极105。当入射光照射光电二极管102时，在光电二极管102中产生电荷，该电荷通过沟道103被传输到浮置扩散区104，并且被存储在浮置扩散区104中。这样，在浮置扩散区104中存储的电荷量与入射光量成比例。浮置扩散区104中存储的电荷可以被读取电路(未示出)放大并读出，从而实现感光。

但是，图1所示的cmos图像传感器中，光电二极管102、沟道103和浮置扩散区104都形成在基底106的表面上，使得只有基底106的表面的一部分能够用于接收入射光，表面的其它部分被各种器件和结构所占据。这会减小入射光的吸收和转换效率，降低cmos图像传感器的灵敏度。此外，在制造图1所示的cmos图像传感器过程中，需要使用不同的掩膜分别形成光电二极管102、沟道103和浮置扩散区104，这往往导致cmos图像传感器的制造步骤复杂、成本居高不下。

图2示出了根据本公开的一个实施例的cmos图像传感器的像素的结构的示例。如图2所示，该cmos图像传感器的像素包括在p型轻掺杂(p-)的半导体基底206中形成的隔离201，该隔离201用于隔离各个像素，防止串扰等。在隔离201之间，具有在与半导体基底206的表面垂直的方向上布置的光电二极管202、沟道203和浮置扩散区204。此外，在沟道203的侧面布置有栅极207。栅极207可以通过栅极电极208连接到外部电路。在栅极207的底部和侧面布置有绝缘层209。

在图2的实施例中，光电二极管202可以接收入射光，从而产生电荷。由光电二极管202产生的电荷经由沟道203传输到浮置扩散区204，并被存储在浮置扩散区204内。通过向栅极207施加电压，可以控制沟道203的导通和关断。

这种结构的cmos传感器，能够提高光电二极管202的面积与半导体基底206的面积之间的比例。可以使更多的入射光被转换成电荷。从而提高了电荷转换效率。此外，在一些示例中，光电二极管202、沟道203、浮置扩散区204的尺寸可以是相同的。这样，在制造过程中可以采用同一个掩膜，从而节省了制造成本。有利于cmos传感器价格的降低。

下面将结合图3和图4a-图4f描述根据本公开的一个实施例的cmos图像传感器的制造方法。图3示出了根据本公开的一个实施例的制备cmos图像传感器的方法的流程图。图4a-4f示出了根据本公开的一个实施例的制备cmos图像传感器的示意图。

首先，提供半导体基底206(步骤301)。在一个示例性实施例中，半导体基底206可以由例如硅制成，半导体基底206的掺杂类型可以是例如p型轻掺杂(p-)。如图4所示，在半导体基底206中，可以形成有隔离201。各个像素之间通过隔离201而彼此隔离开。此外，隔离201还能防止与相邻像素对应的光入射到该像素中。隔离201可以通过例如以下方式形成：通过光刻工艺在半导体基底206上形成沟槽，然后向沟槽中填充绝缘材料，例如二氧化硅等。

然后，在半导体基底206中形成光电二极管202。在一个示例性实施例中，光电二极管202的掺杂类型是n型轻掺杂(n-)。为了使光电二极管202部分的半导体材料从p-改变为n-，如图4b所示，在一个示例性实施例中，以例如光致抗蚀剂210作为掩膜，对半导体基底206进行离子注入处理。在该离子注入处理中，可以把例如磷(p)、砷(as)或锑(sb)离子注入到半导体基底206中的预定深度(第一预定深度)。通过控制注入离子的能量，可以确保在预定的深度范围内形成掺杂类型为n-的光电二极管202。例如，当磷离子的能量为10kev-400kev时，可以在大约0.1μm-2μm深度处形成浓度为大约10¹²cm^-3-10¹⁶cm^-3的掺杂类型为n-的半导体层(即光电二极管202)。作为掩膜的光致抗蚀剂210可以采用光刻技术制作。例如，可以在半导体基底206上先通过例如旋涂等方式形成一层光致抗蚀剂，然后通过例如曝光、显影等处理制作掩膜。

接下来，在光电二极管202上形成沟道203(步骤303)。如图4c所示，在一个示例性实施例中，沟道203的掺杂类型为p-。与上面步骤302的离子注入处理类似，仍然采用光致抗蚀剂201作为掩膜，对半导体基底206进行离子注入，从而在预定深度(第三预定深度)形成沟道203。注入的离子可以是例如硼(b)离子等。虽然半导体基底206的掺杂类型也为p-，但是由于在步骤302的离子注入中，注入离子的能量具有一定分布，仍然会改变沟道203区域中的掺杂浓度。此外，沟道203的掺杂浓度通常不同于半导体基底206的掺杂浓度。这也使得有必要对沟道203的掺杂浓度进行调节。

接下来，在沟道203上形成浮置扩散区204(步骤304)。如图4d所示，利用光致抗蚀剂210作为掩膜，对沟道203之上的半导体基底206进行离子注入处理，从而在预定深度(第二预定深度)形成浮置扩散区204。浮置扩散区204的掺杂类型为n型重掺杂(n+)。可以将例如磷(p)、砷(as)或锑(sb)离子注入到半导体基底206中。

在一个可选的实施例中，在形成光电二极管202、沟道203和浮置扩散区204之后，对半导体基底206进行退火处理。在半导体基底206的各个器件中，即使掺入了施主或受主杂质，但是如果这些杂质原子没有进入到替代位置，那么它们也将起不到提供载流子的作用。为此，还需要进行一定的热处理步骤，即退火处理。通常，退火处理的温度为大约500-1000℃，退火时间为大约1-60分钟。

接下来，可以继续形成栅极207。如图2所示，栅极207位于光电二极管202、沟道203以及浮置扩散区204的一侧，并且在栅极207周围具有绝缘层209。在根据本公开的一个实施例中，栅极207可以通过以下方式制造。

如图4e所示，通过例如光刻技术在半导体基底206中形成凹槽211。凹槽211位于光电二极管202、沟道203和浮置扩散区204的侧面。并且在凹槽211的侧壁和底部形成有绝缘材料(即绝缘层209)。在根据本公开的一个实施例中，可以采用热氧化的方式形成绝缘层209。例如，可以在氧气气氛下，把半导体基底加热到650℃-850℃，进行氧化处理，从而在凹槽211的侧壁和底部形成一层二氧化硅。此外，在根据本公开的另一个实施例中，还可以采用issg氧化处理形成绝缘层209，例如在700℃-1100℃(比如950℃)下，利用包含10％的氢气和90％的氧气的混合气体对半导体基底进行氧化处理，从而在凹槽211的侧壁和底部形成一层二氧化硅。

如图4f所示，在形成凹槽211以及绝缘层209后，可以通过例如沉积或溅射等方式向凹槽211中填充例如n型多晶硅，从而形成栅极207。在另一个可选的实施例中，栅极207也可以采用金属等导电材料制成，例如铜、铝、银、金、钨、钽、氮化钽以及金属硅化物(比如钨、钛、钴或镍与多晶硅制成的合金)等。

接下来，可以通过光刻工艺在栅极207的顶部形成栅极电极208，从而得到如图2所示的cmos图像传感器。栅极电极208可以接收栅极控制信号，从而利用栅极207控制沟道203的导通和关断。

上面描述的实施例中，光电二极管202、沟道203和浮置扩散区204的尺寸相同。因此，可以采用同一个掩膜来进行三次离子注入处理。现有技术中，通常需要三个不同的掩膜分别来形成光电二极管202、沟道203和浮置扩散区204。所以，本公开的技术可以减少cmos图像传感器的制造步骤，降低成本。但是，在根据本公开的其它实施例中，光电二极管202、沟道203和浮置扩散区204的尺寸也可以不同。本领域技术人员可以根据实际需要调节它们的尺寸。例如，在一些可选的实施例中，沟道203和浮置扩散区204的尺寸可以小于或者大于光电二极管202。

在根据本公开的一个可选实施例中，cmos图像传感器是传统结构(前照式)，其中入射光穿过金属布线层后入射到光电二极管上。在根据本公开的另一个可选实施例中，cmos图像传感器是背照式结构，其中入射光先入射到光电二极管上，然后到达金属布线层。

在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其他取向上操作。

如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在上述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。

如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪音以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。

上述描述可以指示被“连接”或“耦合”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地，除非另外明确说明，“耦合”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦合”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。

另外，仅仅为了参考的目的，还可以在下面描述中使用某种术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。

还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。

在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。

本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其他各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。

本公开的实施方式可以包括以下示例：

1.一种互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，包括：

半导体基底；

位于所述半导体基底中的光电二极管，用于接收入射光以产生电荷；以及

位于所述半导体基底中的浮置扩散区，用于存储所述电荷；

其中，所述浮置扩散区位于所述光电二极管上方。

2.根据1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，还包括：

传输沟道，用于将所述电荷从所述光电二极管传输到所述浮置扩散区。

3.根据2所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述传输沟道位于所述浮置扩散区与所述光电二极管之间。

4.根据2或3所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，还包括栅极，用于控制所述传输沟道的导通和关断。

5.根据4所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述栅极设置在所述浮置扩散区和所述光电二极管的侧面。

6.根据1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述光电二极管和所述浮置扩散区在与所述半导体基底的表面平行的平面上的尺寸相同。

7.根据1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述光电二极管、所述沟道和所述浮置扩散区在与所述半导体基底的表面平行的平面上的尺寸相同。

8.一种制造互补金属氧化物半导体图像传感器的方法，其特征在于，包括：

提供半导体基底；

在所述半导体基底中形成光电二极管，所述光电二极管用于接收入射光以产生电荷；以及

在所述光电二极管上方形成浮置扩散区，所述浮置扩散区用于存储所述电荷。

9.根据8所述的方法，其特征在于，还包括：

形成传输沟道，所述传输沟道用于将所述电荷从所述光电二极管传输到所述浮置扩散区。

10.根据9所述的方法，其特征在于，在所述光电二极管上面形成所述传输沟道。

11.根据9或10所述的方法，其特征在于，还包括：

形成栅极，其中所述栅极用于控制所述传输沟道的导通和关断。

12.根据11所述的方法，其特征在于，在所述浮置扩散区和所述光电二极管的侧面形成所述栅极。

13.根据12所述的方法，其特征在于，形成所述栅极的步骤包括：

在所述半导体基底中形成凹槽，所述凹槽位于所述浮置扩散区和所述光电二极管的侧面；

在所述凹槽的侧壁上形成一层绝缘材料；

向所述凹槽中填充栅极材料。

14.根据13所述的方法，其特征在于，在所述凹槽的侧壁上形成所述绝缘材料的步骤包括：

对所述凹槽的侧壁进行氧化处理。

15.根据14所述的方法，其特征在于，所述氧化处理包括：在氧气气氛下，将所述半导体基底加热到650℃-850℃。

16.根据14所述的方法，其特征在于，所述氧化处理包括：在氢气和氧气的混合气体的气氛下，将所述半导体基底加热到700℃-1100℃。

17.根据8所述的方法，其特征在于，使用相同的掩膜形成所述光电二极管和所述浮置扩散区。

18.根据10所述的方法，其特征在于，使用相同的掩膜形成所述光电二极管、所述沟道和所述浮置扩散区。

19.根据8所述的方法，其特征在于，在所述半导体基底中形成光电二极管的步骤包括：对所述半导体基底进行离子注入，从而在所述半导体基底中的第一预定深度处形成所述光电二极管。

20.根据8所述的方法，其特征在于，在所述光电二极管上方形成浮置扩散区的步骤包括：对所述半导体基底进行离子注入，从而在所述半导体基底中的第二预定深度处形成所述浮置扩散区。

21.根据10所述的方法，其特征在于，在所述光电二极管上面形成所述传输沟道的步骤包括：对所述半导体基底进行离子注入，从而在所述半导体基底中的第三预定深度处形成所述传输沟道。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。