CN109509764A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CMOS图像传感器，各像素单元之间隔离有深沟槽隔离结构，通过增加深沟槽隔离结构的沟槽深度来降低各像素单元之间的信号串扰；深沟槽隔离结构包括：沟槽、形成于沟槽的侧面和底部表面的ONO层以及将形成有ONO层完全填充的导电材料层；沟槽形成于半导体衬底中，在深沟槽隔离结构两侧形成有像素单元结构；导电材料层连接到第一电极，沟槽的内侧表面形成有悬挂键；通过在第一电极加正电压，将悬挂键产生的电子注入到第二氮化层的陷阱中，从而消除由悬挂键所产生的暗电流。本发明还公开了一种CMOS图像传感器的制造方法。本发明能减少暗电流。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别涉及一种CMOS图像传感器；本发明还涉及一种CMOS图像传感器的制造方法。
背景技术
现有CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)由像素(Pixel)单元电路和CMOS电路构成，相对于CCD图像传感器，CMOS图像传感器因为采用CMOS标准制作工艺，因此具有更好的可集成度，可以与其他数模运算和控制电路集成在同一块芯片上，更适应未来的发展。
根据现有CMOS图像传感器的像素单元电路所含晶体管数目，其主要分为3T型结构和4T型结构。
如图1所示，是现有3T型CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路示意图；现有3T型CMOS图像传感器的像素单元电路包括感光二极管(Photo Diode，PD)D1和CMOS像素读出电路。所述CMOS像素读出电路为3T型像素电路，包括复位管M1、放大管M2、选择管M3，三者都为NMOS管。
所述感光二极管D1的N型区和所述复位管M1的源极相连。
所述复位管M1的栅极接复位信号Reset，所述复位信号Reset为一电位脉冲，当所述复位信号Reset为高电平时，所述复位管M1导通并将所述感光二极管D1的电子吸收到读出电路的电源Vdd中实现复位。当光照射的时候所述感光二极管D1产生光生电子，电位升高，经过放大电路将电信号传出。所述选择管M3的栅极接行选择信号Rs，用于选择将放大后的电信号输出即输出信号Vout。
如图2所示，是现有4T型CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路示意图；和图1所示结构的区别之处为，图2所示结构中多了一个转移晶体管或称为传输管M4，所述转移晶体管4的源区为连接所述感光二极管D1的N型区，所述转移晶体管4的漏区为浮空有源区(Floating Diffusion，FD)，所述转移晶体管4的栅极连接传输控制信号Tx。所述感光二极管D1产生光生电子后，通过所述转移晶体管4转移到浮空有源区中，然后通过浮空有源区连接到放大管M2的栅极实现信号的放大。
如图3所示，是现有CMOS图像传感器的器件结构示意图，现有CMOS图像传感器的各像素单元之间隔离有深沟槽隔离结构，通过增加所述深沟槽隔离结构的沟槽102深度来降低各所述像素单元之间的信号串扰。
所述深沟槽隔离结构包括：所述沟槽102以及填充于所述沟槽102的介质层103，介质层103通常为氧化层。
所述沟槽102形成于半导体衬底101中，在所述深沟槽隔离结构两侧的所述半导体衬底101中形成有对应的所述像素单元结构。
所述半导体衬底101为硅衬底。
所述沟槽102通过光刻加刻蚀工艺形成，在所述沟槽102的侧面和底部表面形成有刻蚀产生的悬挂键。
形成于所述深沟槽隔离结构两侧的所述半导体衬底101中的所述像素单元结构包括感光二极管104。
所述半导体衬底101为P型掺杂，所述感光二极管104包括形成于所述半导体衬底101表面的N型注入区，所述N型注入区底部的所述半导体衬底101之间形成的PN结二极管组成；所述N型注入区在所述感光二极管104感光后存储光生电子。
在所述半导体衬底101的表面还形成有P型外延层，所述N型注入区形成于所述P型外延层中。
图3中，在所述半导体衬底101的表面还形成有层间膜105，层间膜105通常包括多层，在各层层间膜105的表面形成有正面金属层，最底层的正面金属层和底部对应的掺杂区之间通过接触孔连接，各正面金属层之间通过通孔连接，接触孔和通孔都穿过对应的层间膜。
层间膜105的表面还形成有彩色滤光器(Color Filter，CF)106，彩色滤光器106通常包括红色、绿色和蓝色这三色的滤光器。
在彩色滤光器106的顶部形成有微透镜(Micro Lens)107。
由图3所示可知，在所述沟槽102的内侧表面的悬挂键的电子容易泄露到所述深沟槽隔离结构两侧的所述像素单元结构的感光二极管104中，从而产生暗电流，也即在没有光照的条件下也会在所述感光二极管104中产生电流，暗电流和曝光无关，这会对所述感光二极管104的性能产生不利影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种CMOS图像传感器，能减少暗电流。为此，本发明还提供一种CMOS图像传感器的制造方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的CMOS图像传感器的各像素单元之间隔离有深沟槽隔离结构，通过增加所述深沟槽隔离结构的沟槽深度来降低各所述像素单元之间的信号串扰。
所述深沟槽隔离结构包括：所述沟槽、形成于所述沟槽的侧面和底部表面的ONO层以及将形成有所述ONO层完全填充的所述导电材料层。
所述沟槽形成于半导体衬底中，在所述深沟槽隔离结构两侧的所述半导体衬底中形成有对应的所述像素单元结构。
所述ONO层包括依次叠加的第一氧化层、第二氮化层和第三氧化层。
所述导电材料层连接到第一电极。
所述沟槽通过光刻加刻蚀工艺形成，在所述沟槽的侧面和底部表面形成有刻蚀产生的悬挂键。
通过在所述第一电极加正电压，将所述悬挂键产生的电子注入到所述第二氮化层的陷阱中，从而消除由所述悬挂键所产生的暗电流。
进一步的改进是，所述半导体衬底为硅衬底。
进一步的改进是，所述第一氧化层和所述第三氧化层的材料都为氧化硅，所述第二氮化层的材料为氮化硅。
进一步的改进是，所述导电材料层的材料为多晶硅或钨。
进一步的改进是，在所述第二氮化层的表面形成有第二电极，通过在所述第二电极加电压来去除注入到所述第二氮化层的陷阱中的电子。
进一步的改进是，形成于所述深沟槽隔离结构两侧的所述半导体衬底中的所述像素单元结构包括感光二极管。
进一步的改进是，所述半导体衬底为P型掺杂，所述感光二极管包括形成于所述半导体衬底表面的N型注入区，所述N型注入区底部的所述半导体衬底之间形成的PN结二极管组成；所述N型注入区在所述感光二极管感光后存储光生电子。
进一步的改进是，在所述半导体衬底的表面还形成有P型外延层，所述N型注入区形成于所述P型外延层中。
为解决上述技术问题，本发明提供的CMOS图像传感器的制造方法包括如下步骤：
步骤一、提供一半导体衬底，采用光刻加刻蚀工艺在所述半导体衬底中形成沟槽，刻蚀工艺会在所述沟槽的内侧表面和底部表面形成悬挂键；所述沟槽定义在CMOS图像传感器的各像素单元之间。
步骤二、在所述沟槽的的内侧表面和底部表面形成ONO层，所述ONO层包括依次叠加的第一氧化层、第二氮化层和第三氧化层。
步骤三、形成导电材料层将所述沟槽完全填充；由所述沟槽、所述ONO层和所述导电材料层一起组成深沟槽隔离结构，通过增加所述深沟槽隔离结构的沟槽深度来降低各所述像素单元之间的信号串扰。
步骤四、形成层间膜、接触孔和正面金属层，所述接触孔穿过所述层间膜，所述正面金属层图形化后形成有第一电极，所述第一电极通过底部对应的所述接触孔和所述导电材料层连接；通过在所述第一电极加正电压，将所述悬挂键产生的电子注入到所述第二氮化层的陷阱中，从而消除由所述悬挂键所产生的暗电流。
进一步的改进是，步骤二中，所述第一氧化层、所述第二氮化层和所述第三氧化层依次形成，形成后的所述第一氧化层、所述第二氮化层和所述第三氧化层还会延伸到所述沟槽外部的表面，延伸到所述沟槽外部表面的所述ONO层后续会通过回刻工艺或化学机械研磨工艺去除。
进一步的改进是，所述半导体衬底为硅衬底。
进一步的改进是，所述第一氧化层和所述第三氧化层的材料都为氧化硅，所述第二氮化层的材料为氮化硅。
进一步的改进是，所述导电材料层的材料为多晶硅或钨。
进一步的改进是，步骤三中所述导电材料层还会延伸到所述沟槽的外部表面，延伸到所述沟槽外部表面的所述导电材料层后续会通过回刻工艺或化学机械研磨工艺去除。
进一步的改进是，所述正面金属层在图形化后还形成有第二电极，所述第二电极通过底部对应的接触孔连接到所述第二氮化层的表面，通过在所述第二电极加电压来去除注入到所述第二氮化层的陷阱中的电子。
进一步的改进是，形成于所述深沟槽隔离结构两侧的所述半导体衬底中的所述像素单元结构包括感光二极管。
进一步的改进是，所述半导体衬底为P型掺杂，在步骤三完成之后以及步骤四形成所述层间膜之前还包括步骤：
在所述半导体衬底表面形成N型注入区，所述N型注入区底部的所述半导体衬底之间形成的PN结二极管组成；所述N型注入区在所述感光二极管感光后存储光生电子。
本发明CMOS图像传感器的各像素单元通过深沟槽隔离结构隔离，由于深沟槽隔离结构的沟槽深度比通常浅沟槽隔离结构(STI)的深，故能很好的实现像素单元之间的信号串扰；同时，本发明还对深沟槽隔离结构的沟槽的刻蚀所带来的悬挂键的缺陷进行了相应的结构设计，主要是将填充于沟槽中的填充层由单一的介质层通常为氧化层改变为由ONO层加导电材料层组成，导电材料层能通过顶部的第一电极加电压，在第一电极上加入正电压后，能将沟槽刻蚀形成的悬挂键所产生的电子注入到ONO层的第二氮化层的陷阱中，由于悬挂键所产生的电子都存储在第二氮化层的陷阱中，故能避免悬挂键所产生的电子注入到深沟槽隔离结构两侧的像素单元中，从而也能避免由于悬挂键所产生的电子注入到像素单元中而产生的暗电流，所以本发明能减少暗电流。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有3T型CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路示意图；
图2是现有4T型CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路示意图；
图3是现有CMOS图像传感器的器件结构示意图；
图4是本发明实施例CMOS图像传感器的器件结构示意图。
具体实施方式
如图4所示，是本发明实施例CMOS图像传感器的器件结构示意图，本发明实施例CMOS图像传感器的各像素单元之间隔离有深沟槽隔离结构，通过增加所述深沟槽隔离结构的沟槽2深度来降低各所述像素单元之间的信号串扰。
所述深沟槽隔离结构包括：所述沟槽2、形成于所述沟槽2的侧面和底部表面的ONO层3以及将形成有所述ONO层3完全填充的所述导电材料层8。
所述沟槽2形成于半导体衬底1中，在所述深沟槽隔离结构两侧的所述半导体衬底1中形成有对应的所述像素单元结构。
所述半导体衬底1为硅衬底。所述第一氧化层3a和所述第三氧化层3c的材料都为氧化硅，所述第二氮化层3b的材料为氮化硅。
所述导电材料层8的材料为多晶硅或钨。
所述ONO层3包括依次叠加的第一氧化层3a、第二氮化层3b和第三氧化层3c。
所述导电材料层8连接到第一电极V1。
所述沟槽2通过光刻加刻蚀工艺形成，在所述沟槽2的侧面和底部表面形成有刻蚀产生的悬挂键。
通过在所述第一电极V1加正电压，将所述悬挂键产生的电子注入到所述第二氮化层3b的陷阱中，从而消除由所述悬挂键所产生的暗电流。
在所述第二氮化层3b的表面形成有第二电极V2，通过在所述第二电极V2加电压来去除注入到所述第二氮化层3b的陷阱中的电子。
形成于所述深沟槽隔离结构两侧的所述半导体衬底1中的所述像素单元结构包括感光二极管4。
所述半导体衬底1为P型掺杂，所述感光二极管4包括形成于所述半导体衬底1表面的N型注入区，所述N型注入区底部的所述半导体衬底1之间形成的PN结二极管组成；所述N型注入区在所述感光二极管4感光后存储光生电子。
在所述半导体衬底1的表面还形成有P型外延层，所述N型注入区形成于所述P型外延层中。
图4中，在所述半导体衬底1的表面还形成有层间膜5，层间膜5通常包括多层，在各层层间膜5的表面形成有正面金属层，最底层的正面金属层和底部对应的掺杂区之间通过接触孔连接，各正面金属层之间通过通孔连接，接触孔和通孔都穿过对应的层间膜。
层间膜5的表面还形成有彩色滤光器6，彩色滤光器6通常包括红色、绿色和蓝色这三色的滤光器。
在彩色滤光器6的顶部形成有微透镜7。
本发明实施例CMOS图像传感器的各像素单元通过深沟槽隔离结构隔离，由于深沟槽隔离结构的沟槽2深度比通常浅沟槽2隔离结构(STI)的深，故能很好的实现像素单元之间的信号串扰；同时，本发明实施例还对深沟槽隔离结构的沟槽2的刻蚀所带来的悬挂键的缺陷进行了相应的结构设计，主要是将填充于沟槽2中的填充层由单一的介质层通常为氧化层改变为由ONO层3加导电材料层8组成，导电材料层8能通过顶部的第一电极V1加电压，在第一电极V1上加入正电压后，能将沟槽2刻蚀形成的悬挂键所产生的电子注入到ONO层3的第二氮化层3b的陷阱中，由于悬挂键所产生的电子都存储在第二氮化层3b的陷阱中，故能避免悬挂键所产生的电子注入到深沟槽隔离结构两侧的像素单元中，从而也能避免由于悬挂键所产生的电子注入到像素单元中而产生的暗电流。
本发明实施例CMOS图像传感器的制造方法包括如下步骤：
步骤一、提供一半导体衬底1，采用光刻加刻蚀工艺在所述半导体衬底1中形成沟槽2，刻蚀工艺会在所述沟槽2的内侧表面和底部表面形成悬挂键；所述沟槽2定义在CMOS图像传感器的各像素单元之间。
所述半导体衬底1为硅衬底。
步骤二、在所述沟槽2的的内侧表面和底部表面形成ONO层3，所述ONO层3包括依次叠加的第一氧化层3a、第二氮化层3b和第三氧化层3c。
所述第一氧化层3a、所述第二氮化层3b和所述第三氧化层3c依次形成，形成后的所述第一氧化层3a、所述第二氮化层3b和所述第三氧化层3c还会延伸到所述沟槽2外部的表面，延伸到所述沟槽2外部表面的所述ONO层3后续会通过回刻工艺或化学机械研磨工艺去除。
所述第一氧化层3a和所述第三氧化层3c的材料都为氧化硅，所述第二氮化层3b的材料为氮化硅。
步骤三、形成导电材料层8将所述沟槽2完全填充；由所述沟槽2、所述ONO层3和所述导电材料层8一起组成深沟槽隔离结构，通过增加所述深沟槽隔离结构的沟槽2深度来降低各所述像素单元之间的信号串扰。
所述导电材料层8的材料为多晶硅。在其他实施例中也能为：所述导电材料层8的材料为钨。
所述导电材料层8还会延伸到所述沟槽2的外部表面，延伸到所述沟槽2外部表面的所述导电材料层8后续会通过回刻工艺或化学机械研磨工艺去除。通常，在所述导电材料层8形成之后，通过化学机械研磨工艺将所述沟槽2外部的所述导电材料层8和所述ONO层3依次去除，以及将所述沟槽2区域内的所述导电材料层8和所述ONO层3研磨的和所述沟槽2的表面相平。
步骤四、形成层间膜、接触孔和正面金属层，所述接触孔穿过所述层间膜，所述正面金属层图形化后形成有第一电极V1，所述第一电极V1通过底部对应的所述接触孔和所述导电材料层8连接；通过在所述第一电极V1加正电压，将所述悬挂键产生的电子注入到所述第二氮化层3b的陷阱中，从而消除由所述悬挂键所产生的暗电流。
所述正面金属层在图形化后还形成有第二电极V2，所述第二电极V2通过底部对应的接触孔连接到所述第二氮化层3b的表面，通过在所述第二电极V2加电压来去除注入到所述第二氮化层3b的陷阱中的电子。
本发明实施例方法中，形成于所述深沟槽隔离结构两侧的所述半导体衬底1中的所述像素单元结构包括感光二极管4。
所述半导体衬底1为P型掺杂，在步骤三完成之后以及步骤四形成所述层间膜之前还包括步骤：
在所述半导体衬底1表面形成N型注入区，所述N型注入区底部的所述半导体衬底1之间形成的PN结二极管组成；所述N型注入区在所述感光二极管4感光后存储光生电子。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (17)
1.一种CMOS图像传感器，其特征在于，CMOS图像传感器的各像素单元之间隔离有深沟槽隔离结构，通过增加所述深沟槽隔离结构的沟槽深度来降低各所述像素单元之间的信号串扰；
所述深沟槽隔离结构包括：所述沟槽、形成于所述沟槽的侧面和底部表面的ONO层以及将形成有所述ONO层完全填充的所述导电材料层；
所述沟槽形成于半导体衬底中，在所述深沟槽隔离结构两侧的所述半导体衬底中形成有对应的所述像素单元结构；
所述ONO层包括依次叠加的第一氧化层、第二氮化层和第三氧化层；
所述导电材料层连接到第一电极；
所述沟槽通过光刻加刻蚀工艺形成，在所述沟槽的侧面和底部表面形成有刻蚀产生的悬挂键；
通过在所述第一电极加正电压，将所述悬挂键产生的电子注入到所述第二氮化层的陷阱中，从而消除由所述悬挂键所产生的暗电流。
2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述半导体衬底为硅衬底。
3.如权利要求2所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述第一氧化层和所述第三氧化层的材料都为氧化硅，所述第二氮化层的材料为氮化硅。
4.如权利要求1或2所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述导电材料层的材料为多晶硅或钨。
5.如权利要求1或2或3所述的CMOS图像传感器，其特征在于：在所述第二氮化层的表面形成有第二电极，通过在所述第二电极加电压来去除注入到所述第二氮化层的陷阱中的电子。
6.如权利要求1或2所述的CMOS图像传感器，其特征在于：形成于所述深沟槽隔离结构两侧的所述半导体衬底中的所述像素单元结构包括感光二极管。
7.如权利要求6所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述半导体衬底为P型掺杂，所述感光二极管包括形成于所述半导体衬底表面的N型注入区，所述N型注入区底部的所述半导体衬底之间形成的PN结二极管组成；所述N型注入区在所述感光二极管感光后存储光生电子。
8.如权利要求7所述的CMOS图像传感器，其特征在于：在所述半导体衬底的表面还形成有P型外延层，所述N型注入区形成于所述P型外延层中。
9.一种CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、提供一半导体衬底，采用光刻加刻蚀工艺在所述半导体衬底中形成沟槽，刻蚀工艺会在所述沟槽的内侧表面和底部表面形成悬挂键；所述沟槽定义在CMOS图像传感器的各像素单元之间；
步骤二、在所述沟槽的的内侧表面和底部表面形成ONO层，所述ONO层包括依次叠加的第一氧化层、第二氮化层和第三氧化层；
步骤三、形成导电材料层将所述沟槽完全填充；由所述沟槽、所述ONO层和所述导电材料层一起组成深沟槽隔离结构，通过增加所述深沟槽隔离结构的沟槽深度来降低各所述像素单元之间的信号串扰；
步骤四、形成层间膜、接触孔和正面金属层，所述接触孔穿过所述层间膜，所述正面金属层图形化后形成有第一电极，所述第一电极通过底部对应的所述接触孔和所述导电材料层连接；通过在所述第一电极加正电压，将所述悬挂键产生的电子注入到所述第二氮化层的陷阱中，从而消除由所述悬挂键所产生的暗电流。
10.如权利要求9所述的CMOS图像传感器的制造方法的制造方法，其特征在于：步骤二中，所述第一氧化层、所述第二氮化层和所述第三氧化层依次形成，形成后的所述第一氧化层、所述第二氮化层和所述第三氧化层还会延伸到所述沟槽外部的表面，延伸到所述沟槽外部表面的所述ONO层后续会通过回刻工艺或化学机械研磨工艺去除。
11.如权利要求9所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：所述半导体衬底为硅衬底。
12.如权利要求11所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：所述第一氧化层和所述第三氧化层的材料都为氧化硅，所述第二氮化层的材料为氮化硅。
13.如权利要求9或11所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：所述导电材料层的材料为多晶硅或钨。
14.如权利要求13所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：步骤三中所述导电材料层还会延伸到所述沟槽的外部表面，延伸到所述沟槽外部表面的所述导电材料层后续会通过回刻工艺或化学机械研磨工艺去除。
15.如权利要求9或11或13所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：所述正面金属层在图形化后还形成有第二电极，所述第二电极通过底部对应的接触孔连接到所述第二氮化层的表面，通过在所述第二电极加电压来去除注入到所述第二氮化层的陷阱中的电子。
16.如权利要求9或11所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：形成于所述深沟槽隔离结构两侧的所述半导体衬底中的所述像素单元结构包括感光二极管。
17.如权利要求16所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：所述半导体衬底为P型掺杂，在步骤三完成之后以及步骤四形成所述层间膜之前还包括步骤：
在所述半导体衬底表面形成N型注入区，所述N型注入区底部的所述半导体衬底之间形成的PN结二极管组成；所述N型注入区在所述感光二极管感光后存储光生电子。
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