專利名稱：Soi cmos圖像傳感器結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CMOS圖像傳感器，尤其涉及一種SOI CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)及其制作 方法。
背景技術(shù)：
S01(silicon-on-insulator)指的是絕緣層上的硅，它是由"硅薄膜/絕緣層/硅襯 底"三層構(gòu)成。最上面硅薄膜(簡(jiǎn)稱硅膜)用來(lái)做CMOS等半導(dǎo)體器件，中間絕緣埋層 (通常為二氧化硅，簡(jiǎn)稱埋氧層)用來(lái)隔離器件和硅襯底。
SOI CMOS器件比體硅CMOS器件具有下列優(yōu)點(diǎn)寄生電容小、漏電低、具有高速和低 功耗特點(diǎn)；消除了體硅CMOS常見的閉鎖效應(yīng)；抑制了襯底的脈沖電流干擾，減少了軟錯(cuò) 誤發(fā)生幾率。工藝上SOI和體硅CMOS工藝兼容且制造步驟相對(duì)簡(jiǎn)單。這些優(yōu)點(diǎn)使得它在航 天等輻射環(huán)境具有廣泛的應(yīng)用前景。
CMOS圖像傳感器是由CMOS數(shù)模電路和感光像素(即感光基本單元)構(gòu)成，目前市場(chǎng) 上主要是有源像素類型，是由一個(gè)感光二極管(Photo Diode，簡(jiǎn)稱PD)和3個(gè)或4個(gè)N型M0S 晶體管構(gòu)成，簡(jiǎn)稱為3T或4T類型。
如圖la、圖lb所示，為3T型像素等效電路圖以及俯視結(jié)構(gòu)，包括 復(fù)位管柵極001、放大管柵極002、選擇管柵極003、感光二極管005、電源006、信號(hào) 輸出007。其原理是首先復(fù)位管柵極01接電位脈沖，高電位打開復(fù)位管，感光二極管005 中電子被吸到電源006， 0051點(diǎn)電位升高。當(dāng)光照射到感光二極管005上產(chǎn)生光電子， 0051點(diǎn)電位降低，由于0051連接在放大管柵極002，放大后的電位變化經(jīng)過選擇管輸出到 007點(diǎn)。圖lb為3T俯視結(jié)構(gòu)示意圖，其中00205為局域互連線(金屬線或多晶硅線)，通 過二個(gè)金屬塞將光電二極管N極0051和放大管柵極002連接。
如圖2a和2b所示，為4T型像素等效電路圖以及俯視結(jié)構(gòu)，同圖la和圖lb所示意的 3T像素相比多了一個(gè)轉(zhuǎn)移晶體管004和浮空有源區(qū)(Floating Diffusion,簡(jiǎn)稱FD)，是 將光電子先轉(zhuǎn)移到FD008區(qū)以后再放大和讀出，其中00208是局域互連線，它將FD008和放 大管柵極002連接在一起。4T型像素中感光二極管則是和轉(zhuǎn)移管(N型MOS晶體管)T4的源極連接。
上述現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下缺點(diǎn)
當(dāng)用S0I制作CM0S圖像傳感器時(shí)，由于SOI的硅膜厚度較薄，在其上制作感光二極管 受到限制。較薄的硅膜限制了感光二極管耗盡層厚度，光吸收效率下降。增加硅膜的厚 度則不能做全耗盡型SOI器件，或者降低部分耗盡型SOI器件的抗輻射等性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光吸收效率高、抗輻射等性能好的SOI CMOS圖像傳感器結(jié) 構(gòu)及其制作方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明的SOI CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)，包括在SOI材料上制作有CMOS圖像傳感器，所述 SOI材料自上而下包括硅薄膜、絕緣層、硅襯底，所述CMOS圖像傳感器包括感光二極管、 CM0S電路；
所述感光二極管制作在所述硅襯底里；
所述CM0S電路制作在所述硅薄膜上；
所述感光二極管的N極和P極分別通過金屬塞引出后再與所述CMOS電路連接。 本發(fā)明的上述的SOI CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)的制作方法，包括步驟-
A、 在SOI材料的硅襯底中制作CMOS圖像傳感器的感光二極管；
B、 在SOI材料的硅薄膜上制作CMOS圖像傳感器的CMOS電路；
C、 通過金屬塞將所述感光二極管與所述CMOS電路連接。
由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的SOI CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)及 其制作方法，由于將CMOS圖像傳感器的感光二極管制作在硅襯底內(nèi)，但其它器件是用絕 緣層上的硅膜制成，所以既保留了SOI CM0S高速、低功耗、抗閉鎖、低軟錯(cuò)誤幾率的優(yōu) 點(diǎn)，也使得感光二極管光吸收效率與體硅CMOS圖像傳感器相近。


圖la和圖lb分別為現(xiàn)有技術(shù)中的3T型CM0S圖像傳感器的像素等效電路和俯視結(jié)構(gòu)示 意圖2a和圖2b分別為現(xiàn)有技術(shù)中的4T型CM0S圖像傳感器的像素等效電路和俯視結(jié)構(gòu)示 意圖3為本發(fā)明的具體實(shí)施例中3T型CM0S圖像傳感器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4a、圖4b 圖10為本發(fā)明的具體實(shí)施例一的工藝步驟示意圖； 圖11 圖14為本發(fā)明的具體實(shí)施例二的工藝步驟示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的SOI CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)，其較佳的具體實(shí)施方式
如圖3所示 包括在SOI材料上制作有CMOS圖像傳感器，所述SOI材料自上而下包括硅薄膜、絕緣 層、硅襯底，所述CMOS圖像傳感器包括感光二極管、CM0S電路； 所述感光二極管制作在所述硅襯底里； 所述CM0S電路制作在所述硅薄膜上；
所述感光二極管的N極和P極分別通過金屬塞引出后再與所述CMOS電路連接。 所述CM0S電路可以為3T型像素電路，包括復(fù)位管、放大管，所述感光二極管與所述
復(fù)位管和放大管的局域互聯(lián)。
所述CM0S電路也可以為4T型像素電路，包括轉(zhuǎn)移管、復(fù)位管、放大管，所述感光二
極管與所述轉(zhuǎn)移管的局域互聯(lián)。
本發(fā)明的上述的SOI CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)的制作方法，其較佳的具體實(shí)施方式
是， 包括步驟
A、 在SOI材料的硅襯底中制作CMOS圖像傳感器的感光二極管；
B、 在SOI材料的硅薄膜上制作CMOS圖像傳感器的CMOS電路；
C、 通過金屬塞將所述感光二極管與所述CMOS電路連接。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的S01 CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述 步驟B包括
將所述SOI材料的硅薄膜隔離成硅島，并在其上制作所述CMOS電路的器件，所述CMOS 電路的器件包括復(fù)位晶體管、轉(zhuǎn)移晶體管、選擇管、放大管。 所述步驟C包括
淀積金屬隔離介質(zhì)，穿過所述硅島的隔離介質(zhì)層和金屬隔離介質(zhì)形成深接觸孔，填
充金屬形成深金屬塞，引出所述感光二極管的二個(gè)電極；
同時(shí)，形成穿過所述金屬隔離介質(zhì)的金屬塞，引出所述CMOS電路的器件的電極。 所述步驟A中，所述感光二極管的N區(qū)和上極P區(qū)以及隔離P阱通過常規(guī)光刻掩和離子
植入技術(shù)方法及高溫退火完成；
所述離子植入時(shí)，選用合適的高能量的磷和硼穿過硅膜和埋氧層。 所述步驟B中，隔離所述硅島采用硅局域氧化技術(shù)或者淺溝槽隔離技術(shù)完成。 所述步驟B中，所述CMOS電路的器件的晶體管的制作包括
柵氧化介質(zhì)形成，多晶硅淀積和蝕刻，離子植入和退火形成源漏輕摻雜區(qū)和重?fù)诫s 區(qū)，側(cè)壁介質(zhì)層形成，以及自對(duì)準(zhǔn)硅化物。所述歩驟C中，所述感光二極管的二個(gè)電極的弓I出也采用二步工藝完成 第一步在所述步驟B完成后，淀積介質(zhì)層，蝕刻出連接二個(gè)電極的特殊接觸孔，再淀
積摻濃磷雜質(zhì)的多晶硅或金屬，并回蝕多晶硅或金屬，將所述感光二極管的二個(gè)電極引
至所述硅島隔離介質(zhì)層的表面；
第二步在形成所述CMOS電路的器件的常規(guī)接觸孔和金屬塞時(shí)，將該金屬塞和所述感
光二極管的二個(gè)電極的引出點(diǎn)連接。
具體實(shí)施例一，如圖4a、圖4b 圖10所示
下面以3T型像素為例說明其實(shí)施步驟，用圖3a中的A-A'截面圖來(lái)示意，包括步驟 首先是SOI材料的選取或制備，圖4a示意出S0I材料結(jié)構(gòu)，包括硅襯底Ol、埋氧層02 和硅膜03。
此SOI材料可以是由注氧隔離技術(shù)(S頂OX ，S印eration by Implantation of Oxygen)、注氫鍵合技術(shù)(智能剝離，Smart-Cut)、注氧鍵合技術(shù)或普通鍵合技術(shù)制成。 硅襯底01可以是P-型硅，也可以是P型重?fù)诫s硅01a上外延P型輕摻雜硅01b;
如圖4b所示，外延層P-型硅01b的厚度為l 10um，摻雜濃度為1E13 5E15，雜質(zhì)為 B。埋氧層02厚度為50 700nm，硅膜厚度為2 700nm。具體選擇條件由圖像傳感器應(yīng)用 范圍來(lái)定。
然后形成光電二極管以及隔離P阱，如圖5所示，采用常規(guī)集成電路工藝中的掩膜光 刻技術(shù)和離子植入法，穿過硅膜03和埋氧層02植入硼離子形成P阱04，例如能量為100 800keV劑量為5E12 5E15，用來(lái)隔離感光二極管IOO，減少感光二極管100之間的電學(xué)串 擾。再植入高能磷離子，例如能量為400 2000keV劑量為lE12 5E13，形成感光二極管 IOO的N-型摻雜區(qū)05。感光二極管100的P-型摻雜區(qū)06則通過植入硼離子形成，例如能量 為100 400keV劑量為4E12 lE13。
再進(jìn)行硅島隔離，如圖6所示，硅島03由隔離介質(zhì)07實(shí)現(xiàn)隔離，具體可采用常規(guī)的局 部硅氧化法(LOCOS)。具體是先熱氧化硅膜03形成100 300A的二氧化硅031，通過淀積 和蝕刻形成氮化硅032覆蓋硅島03，再熱氧化覆蓋硅島以外區(qū)域的硅，形成氧化層區(qū)域07 作為硅島的隔離介質(zhì)。這種方法對(duì)于薄的硅膜很適用。對(duì)于較厚的硅膜，可以采用淺溝 槽隔離法(STI)法，也就是將圖6中07區(qū)域內(nèi)原有的硅蝕刻掉，再淀積二氧化硅介質(zhì)并 化學(xué)機(jī)械拋光形成隔離介質(zhì)07。
腐蝕掉圖6所示意的介質(zhì)031和032，在硅膜03上熱氧化形成柵介質(zhì)08，如圖7所示， 柵介質(zhì)08也可以是氮氧化硅或淀積的高介電常數(shù)介質(zhì)，例如HfSiO或ZrSiO材料。淀積和 蝕刻多晶硅，形成柵極09。再用離子注入形成自對(duì)準(zhǔn)MOS晶體管的源漏輕摻雜區(qū)IO。
利用淀積和蝕刻法形成側(cè)壁介質(zhì)ll，可以是二氧化硅或氮化硅，如圖8所示，離子植 入形成自對(duì)準(zhǔn)源漏N+區(qū)域12，再自對(duì)準(zhǔn)形成硅化物13， 13a， 13b，可以是鈦或鈷或鎳的 硅化物。這時(shí)，作為復(fù)位管200用的N型MOS晶體管前道工藝已完成。電路中其它N型MOS晶體管以及P型MOS晶體管也相類似，這里不再贅述。
如圖9所示，淀積隔離介質(zhì)14，并用化學(xué)機(jī)械拋光法平整表面，蝕刻出常規(guī)接觸孔 15a和15b，以及深接觸孔16a和16b。由于隔離介質(zhì)和硅化物蝕刻速率比很高，接觸孔15a 和15b的底部幾乎還在硅化物13a和14b表面上。其中16a和16b可以設(shè)計(jì)的尺寸大一些，以 便容易被蝕刻。淀積金屬鎢(包括鎢塞側(cè)壁和底部的保護(hù)薄層，Ti或TiN或Ti/TiN，未示 意)，并用化學(xué)機(jī)械拋光或再回蝕刻方法形成金屬塞15a， 15b， 16a， 16b。淀積金屬薄 膜并蝕刻，形成第一層金屬互聯(lián)線17a， 17b， 17c。其中17b將復(fù)位管源極和感光二極管N 極連接(并連接像素放大管，參考圖3) ， 17c連接公共地極。
對(duì)于4T型像素，實(shí)施步驟同3T相類似，只是圖4a、圖4b 10的晶體管200為轉(zhuǎn)移管。
本發(fā)明中，關(guān)于制作在硅襯底內(nèi)的感光二極管電極引出的具體實(shí)施例二，如圖11 圖14所示
如圖11所示，在形成硅化物后，淀積介質(zhì)層141，材料為二氧化硅或者氮化硅。蝕刻 出連接感光二極管二個(gè)電極的接觸孔151a和151b。淀積N型重?fù)诫s的多晶硅或金屬鎢151 (包括鎢塞側(cè)壁和底部的保護(hù)薄層，Ti或TiN或Ti/TiN)，形成圖12所示結(jié)構(gòu)； 回蝕刻多晶硅或金屬鎢151，形成圖13所示結(jié)構(gòu)；
再進(jìn)行常規(guī)后道工藝步驟淀積隔離介質(zhì)14，形成金屬塞15a, 15b， 16a， 16b以及互聯(lián)金 屬17a， 17b， 17c，如圖14所示。這樣做的好處是獨(dú)立調(diào)節(jié)引出感光二極管電極工藝步 驟，不需要調(diào)節(jié)任何SOI CMOS后道工藝步驟即可實(shí)現(xiàn)SOI CMOS圖像傳感器制作，對(duì)較厚 硅膜和埋氧層的SOI特別適合。
本發(fā)明將CMOS圖像傳感器的感光二極管制作在硅襯底內(nèi)，但其它器件是用絕緣層上 的硅膜制成，所以既保留了SOI CM0S高速、低功耗、抗閉鎖、低軟錯(cuò)誤幾率的優(yōu)點(diǎn)，也 使得感光二極管光吸收效率與體硅CMOS圖像傳感器相近。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替 換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種SOI CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)，包括在SOI材料上制作有CMOS圖像傳感器，所述SOI材料自上而下包括硅薄膜、絕緣層、硅襯底，其特征在于，所述CMOS圖像傳感器包括感光二極管、CMOS電路；所述感光二極管制作在所述硅襯底里；所述CMOS電路制作在所述硅薄膜上；所述感光二極管的N極和P極分別通過金屬塞引出后再與所述CMOS電路連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的SOI CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述CMOS電路為 3T型像素電路，包括復(fù)位管、放大管，所述感光二極管與所述復(fù)位管和放大管的局域互 聯(lián)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的SOI CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述CMOS電路為 4T型像素電路，包括轉(zhuǎn)移管、復(fù)位管、放大管，所述感光二極管與所述轉(zhuǎn)移管的局域互 聯(lián)。
4、 一種權(quán)利要求l、 2或3所述的S01 CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在 于，包括步驟A、 在SOI材料的硅襯底中制作CMOS圖像傳感器的感光二極管；B、 在SOI材料的硅薄膜上制作CMOS圖像傳感器的CMOS電路；C、 通過金屬塞將所述感光二極管與所述CMOS電路連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的S01 CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述 步驟B包括將所述SOI材料的硅薄膜隔離成硅島，并在其上制作所述CMOS電路的器件，所述CMOS 電路的器件包括復(fù)位晶體管、轉(zhuǎn)移晶體管、選擇管、放大管。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的S01 CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述 步驟C包括淀積金屬隔離介質(zhì)，穿過所述硅島的隔離介質(zhì)層和金屬隔離介質(zhì)形成深接觸孔，填 充金屬形成深金屬塞，引出所述感光二極管的二個(gè)電極；同時(shí)，形成穿過所述金屬隔離介質(zhì)的金屬塞，引出所述CMOS電路的器件的電極。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的S01 CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述 步驟A中，所述感光二極管的N區(qū)和上極P區(qū)以及隔離P阱通過常規(guī)光刻掩和離子植入技術(shù) 方法及高溫退火完成；所述離子植入時(shí)，選用合適的高能量的磷和硼穿過硅膜和埋氧層。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的S01 CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述 歩驟B中，隔離所述硅島采用硅局域氧化技術(shù)或者淺溝槽隔離技術(shù)完成。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的S01 CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述 歩驟B中，所述CMOS電路的器件的晶體管的制作包括柵氧化介質(zhì)形成，多品硅淀積和蝕刻，離子植入和退火形成源漏輕摻雜區(qū)和重?fù)诫s 區(qū)，側(cè)壁介質(zhì)層形成，以及自對(duì)準(zhǔn)硅化物。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的S01 CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述 步驟C中，所述感光二極管的二個(gè)電極的引出采用二歩工藝完成第一步在所述步驟B完成后，淀積介質(zhì)層，蝕刻出連接二個(gè)電極的特殊接觸孔，再淀 積摻濃磷雜質(zhì)的多晶硅或金屬，并回蝕多晶硅或金屬，將所述感光二極管的二個(gè)電極引 至所述硅島隔離介質(zhì)層的表面；第二步在形成所述CMOS電路的器件的常規(guī)接觸孔和金屬塞時(shí)，將該金屬塞和所述感 光二極管的二個(gè)電極的引出點(diǎn)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種SOI CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)及其制作方法，在SOI材料上制作有CMOS圖像傳感器，CMOS圖像傳感器的感光二極管制作在SOI材料的硅襯底里；CMOS電路的其它器件制作在硅薄膜上；感光二極管的N極和P極分別通過金屬塞引出后再與CMOS電路連接。既保留了SOI CMOS高速、低功耗、抗閉鎖、低軟錯(cuò)誤幾率的優(yōu)點(diǎn)，也使得感光二極管光吸收效率與體硅CMOS圖像傳感器相近。
文檔編號(hào)H01L27/146GK101546777SQ20091008352
公開日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2009年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者曠章曲, 杰 陳, 高文玉 申請(qǐng)人:北京思比科微電子技術(shù)有限公司