一種提高阱容量的圖像傳感器像素及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高阱容量的圖像傳感器像素及其制作方法，包括置于半導體基體中的光電二極管以及電荷傳輸晶體管，光電二極管的側面設置有晶體管電容，晶體管電容的柵極位于所述半導體基體內(nèi)，晶體管電容的溝道位于光電二極管中。此晶體管電容加入到光電二極管中，有效提高了圖像傳感器的像素飽和阱容量，拓展了動態(tài)范圍。
【專利說明】一種提高阱容量的圖像傳感器像素及其制作方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種圖像傳感器，尤其涉及一種提高阱容量的圖像傳感器像素及其制 作方法。

【背景技術】
[0002] 圖像傳感器已經(jīng)被廣泛地應用于數(shù)碼相機、移動手機、醫(yī)療器械、汽車和其他應用 場合。特別是制造 CMOS (互補型金屬氧化物半導體）圖像傳感器和CCD (電荷耦合型器件） 圖像傳感器技術的快速發(fā)展，使人們對圖像傳感器的輸出圖像品質有了更高的要求。
[0003] 在現(xiàn)有技術中，隨著市場的需求和半導體制作工藝精度尺寸不斷縮小的進步，圖 像傳感器的分辨率不斷增加，而像素單元面積在不斷減小，例如市場上已經(jīng)出現(xiàn)了 1. 4um， 1. lum，甚至0· 9um的像素的圖像傳感器，但是圖像傳感器的像素面積越小飽和阱容量就會 越低，從而影響了動態(tài)范圍，使得使用小面積像素的圖像傳感器采集的圖像效果不盡人意。 例如，1. lum像素的阱電容約為0. 5fF，其信號飽和阱容量范圍一般為2500e-?3500e-，優(yōu) 秀的像素噪聲為5e-，則動態(tài)范圍最高僅為56. 9dB。
[0004] 如圖1所示，現(xiàn)有技術中像素采用N型光電二極管的切面示意圖，包含光電二極管 N區(qū)101，光電二極管P型Pin層102,相鄰像素的光電二極管N區(qū)10Γ和P型Pin層102'， 電荷傳輸晶體管103,103的漏極端104和柵極端TX，半導體基體105, STI為淺槽隔離區(qū)。 圖1所示的現(xiàn)有技術中的像素阱電容僅包含101區(qū)電容部分，因為像素面積所限制，101區(qū) 電容是有限的；對于小面積像素來說，阱電容一般不會高于IfF，因此阱電荷容量也不會高 于 7000e-。
[0005] 隨著圖像傳感器技術的快速發(fā)展，在追求低廉成本產(chǎn)品的同時，圖像傳感器采集 圖像的質量也必須得到關注，因此提高小面積像素飽和阱容量至關重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種提高阱容量的圖像傳感器像素及其制作方法，通過在光 電二極管側面添加晶體管電容，達到提高阱電容的目的，因而有效提高了小面積像素信號 飽和阱容量。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：
[0008] 本發(fā)明的提高阱容量的圖像傳感器像素，包括置于半導體基體中的光電二極管以 及電荷傳輸晶體管，所述光電二極管的側面設置有晶體管電容，所述晶體管電容的柵極位 于所述半導體基體內(nèi)，所述晶體管電容的溝道位于所述光電二極管中。
[0009] 本發(fā)明的上述的提高阱容量的圖像傳感器像素的制作方法，包括步驟：
[0010] a.在緊鄰淺槽隔離制作工藝完畢后，淀積氮化硅保護層，其厚度為0. 2um? 0.3um，并在預定區(qū)域開口；
[0011] b.干法離子刻蝕，將步驟a中氮化硅開口區(qū)域的硅基體刻蝕掉，其深度為0.2um? 0· 8um ;
[0012] c.在氧氣環(huán)境下，高溫加熱，使步驟b中裸露的硅表面氧化生成氧化層，其厚度為 4nm ?15nm ;
[0013] d.離子注入，注入離子類型與光電二極管類型相反，其注入深度不小于0.2um，其 注入?yún)^(qū)離子濃度不小于lE+18Atom/cm 3 ;
[0014] e.淀積多晶硅，將硅缺口填平，至高出半導體硅表面；
[0015] f.化學機械研磨，將氮化硅表面上的多晶硅研磨去除；
[0016] g.干法離子刻蝕，將氮化硅保護層去除。
[0017] 由上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，本發(fā)明提供的提高阱容量的圖像傳感器 像素及其制作方法，由于像素中的晶體管電容制作在光電二極管的側面，不占據(jù)像素有源 區(qū)面積，不影響光電二極管自身電容，因此，此晶體管電容加入到光電二極管中，有效提高 了圖像傳感器的像素飽和阱容量，拓展了動態(tài)范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1是現(xiàn)有技術中的圖像傳感器像素切面示意圖。
[0019] 圖2a是本發(fā)明實施例提供的提高阱容量的圖像傳感器像素切面示意圖。
[0020] 圖2b是本發(fā)明實施例中的晶體管電容電路示意圖。
[0021] 圖3是本發(fā)明實施例中的像素中的晶體管電容制作工藝中的淀積多晶硅并在預 定區(qū)域開口步驟示意圖。
[0022] 圖4是本發(fā)明實施例中的像素中的晶體管電容制作工藝中的干法離子刻蝕步驟 示意圖。
[0023] 圖5是本發(fā)明實施例中的像素中的晶體管電容制作工藝中的高溫氧化步驟示意 圖。
[0024] 圖6是本發(fā)明實施例中的像素中的晶體管電容制作工藝中的隔離離子注入步驟 示意圖。
[0025] 圖7是本發(fā)明實施例中的像素中的晶體管電容制作工藝中的淀積多晶硅步驟示 意圖。
[0026] 圖8是本發(fā)明實施例中的像素中的晶體管電容制作工藝中的化學機械研磨步驟 示意圖。
[0027] 圖9是本發(fā)明實施例中的像素中的晶體管電容制作工藝中的干法離子刻蝕步驟 示意圖。

【具體實施方式】
[0028] 下面將對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述。
[0029] 本發(fā)明的提高阱容量的圖像傳感器像素，其較佳的【具體實施方式】是：
[0030] 包括置于半導體基體中的光電二極管以及電荷傳輸晶體管，所述光電二極管的側 面設置有晶體管電容，所述晶體管電容的柵極位于所述半導體基體內(nèi)，所述晶體管電容的 溝道位于所述光電二極管中。
[0031] 所述晶體管電容的柵極被相鄰的兩個像素的晶體管電容共用。
[0032] 所述晶體管電容的柵極多晶硅深度為0· 2um?0· 8um。
[0033] 所述晶體管電容的柵極多晶硅與所述光電二極管之間設置有氧化層，其厚度為 4nm ?15nm〇
[0034] 所述晶體管電容的柵極多晶硅下端設置有隔離注入層，其深度不小于0. 2um，其離 子濃度不小于lE+18Atom/cm3,其離子類型與所述光電二極管類型相反。
[0035] 所述光電二極管種類包括N型光電二極管和P型光電二極管。
[0036] 本發(fā)明的上述的提高阱容量的圖像傳感器像素的制作方法，其較佳的具體實施方 式是：
[0037] 包括步驟：
[0038] a.在緊鄰淺槽隔離制作工藝完畢后，淀積氮化硅保護層，其厚度為0.2um? 0.3um，并在預定區(qū)域開口；
[0039] b.干法離子刻蝕，將步驟a中氮化硅開口區(qū)域的硅基體刻蝕掉，其深度為0.2um? 0· 8um ;
[0040] c.在氧氣環(huán)境下，高溫加熱，使步驟b中裸露的硅表面氧化生成氧化層，其厚度為 4nm ?15nm ;
[0041] d.離子注入，注入離子類型與光電二極管類型相反，其注入深度不小于0.2um，其 注入?yún)^(qū)離子濃度不小于lE+18Atom/cm 3 ;
[0042] e.淀積多晶硅，將硅缺口填平，至高出半導體硅表面；
[0043] f.化學機械研磨，將氮化硅表面上的多晶硅研磨去除；
[0044] g.干法離子刻蝕，將氮化硅保護層去除。
[0045] 本發(fā)明的提高阱容量的圖像傳感器像素及其制作方法，在圖像傳感器現(xiàn)有技術的 基礎上，為了提高像素信號飽和阱容量，在光電二極管側面添加了晶體管電容，其柵極位于 半導體基體內(nèi)，其溝道位于光電二極管中；本發(fā)明的像素，由于添加的晶體管電容加入到光 電二極管中，所以可以有效提高圖像傳感器的像素飽和阱容量。
[0046] 為了更清晰地敘述本發(fā)明的優(yōu)點，下面結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實 施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。本發(fā)明的像素中可以采用N型和P型兩種光電 二極管，在實施例中本發(fā)明采用N型光電二極管加以闡述說明。
[0047] 實施例一：
[0048] 如圖2a、圖2b所示，為本發(fā)明的圖像傳感器像素結構示意圖；其中，圖2a為本發(fā) 明的像素切面示意圖，圖2b為本發(fā)明像素中的晶體管電容電路示意圖。圖2a、圖2b中，201 為N型光電二極管，20Γ為相鄰像素的N型光電二極管，202為P型Pin層，202'為相鄰像 素的P型Pin層，203為電荷傳輸晶體管，204為203的漏極端，205為半導體基體，206為晶 體管電容的柵極多晶硅，207為隔離離子注入層，208為硅氧化層；其中，TX與203的柵極相 連，Vet與晶體管電容柵極206相連，STI為淺槽隔離區(qū)。圖2a中所標記的虛線框部分的電 路示意圖，如圖2b示意圖所示。
[0049] 如圖2a所示，206的深度為0. 2um?0. 8um，207的深度不小于0. 2um，208的厚度 為4nm?15nm ;并且207區(qū)的離子類型為P型，離子濃度不小于lE+18Atom/cm3。如圖2a和 圖2b所示，206位于相鄰兩個像素的光電二極管之間，206與201和20Γ分別組成晶體管 電容，206同時被兩個像素的晶體管電容柵極共用。
[0050] 從上述可知，本發(fā)明像素中的晶體管電容制作在相鄰的光電二極管之間，位于光 電二極管側面，不占據(jù)像素的有源區(qū)，因此不會降低光電二極管的填充因子，不影響光電二 極管自身的阱容量。現(xiàn)有技術中的晶體管電容值大小約為5fF/um2,以1.4um像素為例，若 206為0. 8um，則本發(fā)明像素中的電容可以制作到4fF左右，4fF的電容加入到光電二級管 中，可使光電二極管的總電容增大4倍左右，其阱容量也會增大4倍左右。由此可見，本發(fā) 明的像素，增加的阱容量相當可觀。
[0051] 由于晶體管電容加入到了光電二極管中，因此本發(fā)明有效提高了圖像傳感器的像 素飽和阱容量，拓展了動態(tài)范圍。
[0052] 實施例二：
[0053] 為了進一步清楚地闡述本發(fā)明特征，圖3至圖9詳細表征了本發(fā)明像素中的晶體 管電容工藝的制作流程。
[0054] 在緊鄰STI (淺槽隔離）工藝之后，淀積氮化硅保護層，并在預定區(qū)域開口，如圖3 所示。圖3中，305為半導體基體，308為硅表面氧化層，309為氮化硅；其中309的厚度為 0. 2um ?0. 3um。
[0055] 下一步，干法離子刻蝕，將氮化硅開口處的硅刻蝕掉，刻蝕深度為0. 2um?0. 8um， 如圖4所示。
[0056] 下一步，在氧氣環(huán)境下，高溫加熱，使裸露的娃表面生成一層氧化層，如圖5所不； 其中，510為氧化層，厚度為4nm?15nm。
[0057] 下一步，離子注入，如圖6所示；圖6中，在挖開的硅底部形成一層隔離區(qū)607,用 來隔離兩側的光電二極管，其離子類型與光電二極管類型相反，607的深度不小于0.2um， 離子濃度不小于lE18Atom/cm 3。
[0058] 下一步，淀積多晶硅，形成晶體管電容柵極，如圖7所示。圖7中，706為多晶硅，其 中多晶硅需填滿硅開口區(qū)。
[0059] 下一步，化學機械研磨，將氮化硅表面上的多晶硅全部去掉，如圖8所示。
[0060] 下一步，干法離子刻蝕，將氮化硅保護層全部清除，如圖9所示。
[0061] 至此，像素中的電容部分工藝制作完畢。
[0062] 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發(fā)明披露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范 圍為準。
【權利要求】
1. 一種提高阱容量的圖像傳感器像素，包括置于半導體基體中的光電二極管以及電荷 傳輸晶體管，其特征在于，所述光電二極管的側面設置有晶體管電容，所述晶體管電容的柵 極位于所述半導體基體內(nèi)，所述晶體管電容的溝道位于所述光電二極管中。
2. 根據(jù)權利要求1所述的提高阱容量的圖像傳感器像素，其特征在于，所述晶體管電 容的柵極被相鄰的兩個像素的晶體管電容共用。
3. 根據(jù)權利要求2所述的提高阱容量的圖像傳感器像素，其特征在于，所述晶體管電 容的柵極多晶硅深度為〇· 2um?0· 8um。
4. 根據(jù)權利要求3所述的提高阱容量的圖像傳感器像素，其特征在于，所述晶體管電 容的柵極多晶硅與所述光電二極管之間設置有氧化層，其厚度為4nm?15nm。
5. 根據(jù)權利要求4所述的提高阱容量的圖像傳感器像素，其特征在于，所述晶體 管電容的柵極多晶硅下端設置有隔離注入層，其深度不小于〇.2um，其離子濃度不小于 lE+18Atom/cm3,其離子類型與所述光電二極管類型相反。
6. 根據(jù)權利要求5所述的提高阱容量的圖像傳感器像素，其特征在于，所述光電二極 管種類包括N型光電二極管和P型光電二極管。
7. -種權利要求1至6任一項所述的提高阱容量的圖像傳感器像素的制作方法，其特 征在于，包括步驟： a. 在緊鄰淺槽隔離制作工藝完畢后，淀積氮化硅保護層，其厚度為0· 2um?0· 3um，并 在預定區(qū)域開口； b. 干法離子刻蝕，將步驟a中氮化硅開口區(qū)域的硅基體刻蝕掉，其深度為0. 2um? 0· 8um ; C.在氧氣環(huán)境下，高溫加熱，使步驟b中裸露的硅表面氧化生成氧化層，其厚度為 4nm ?15nm ; d. 離子注入，注入離子類型與光電二極管類型相反，其注入深度不小于0. 2um，其注入 區(qū)離子濃度不小于lE+18Atom/cm3 ; e. 淀積多晶硅，將硅缺口填平，至高出半導體硅表面； f. 化學機械研磨，將氮化硅表面上的多晶硅研磨去除； g. 干法離子刻蝕，將氮化硅保護層去除。
【文檔編號】H01L21/8238GK104143558SQ201410403947
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權日:2014年8月15日
【發(fā)明者】郭同輝, 曠章曲, 陳多金, 陳杰, 劉志碧, 唐冕 申請人:北京思比科微電子技術股份有限公司