CN102226996B - Cmos影像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种CMOS影像传感器及其制造方法。根据本发明的CMOS影像传感器制造方法包括步骤：在半导体衬底上形成CMOS处理电路结构；形成顶层通孔；形成顶层金属结构，所述顶层金属结构包括PN结上下电极和金属假图形；沉积第一导电类型非晶硅材料，并实现第一导电类型非晶硅材料的像元PN结结构图形化；以及沉积第二导电类型型非晶硅材料，并实现第二导电类型非晶硅材料的像元PN结结构图形化，其中通过第一导电类型非晶硅材料和第二导电类型非晶硅材料接触形成光敏二极管PN结。本发明大幅度增加耗尽区的体积，从而在不增加像元大小、不增加光刻工艺步骤和不增加工艺和工作电压的前提下，提高像元的灵敏度，从而提高产品的性能和可靠性，并大幅度降低探测器成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种CMOS影像传感器制造方法，并且涉及由此得到的CMOS影像传感器。
背景技术
CMOS影像传感器由于其与CMOS工艺兼容的特点，从而得到快速发展。相对于CCD工艺，其工艺完全与CMOS工艺兼容，但通过将光敏二极管和CMOS处理电路结构一起作在硅衬底上，从而在保证性能的基础上大幅度降低了成本，同时可以大幅度提高集成度，制造像素更高的产品。
传统CMOS影像传感器使用正面光照的方法，将光敏二极管和CMOS处理电路结构一起作在硅衬底上使用同一层次实现，而芯片互连则制造在CMOS处理电路结构之上，光敏二极管之上为了光线的通过而不进行互连线的排布；这样整个布线密度全部集中在CMOS处理电路结构部分，而光敏二极管占硅片面积要大于CMOS处理电路结构，这样需要更高的布线层次来实现功能，但更高的布线层次会引起光线的损耗，引起性能的下降；另外，CMOS工作电压都比较低，如何在保持低电压情况下增加耗尽层体积是提高影像传感器的一个重要问题；近期有人提出使用背光照式技术，将硅片背面减薄，使光线通过硅片背面照射到光敏二极管上，从而提升性能，但整个工艺非常复杂，带来很高的工艺复杂性和成本。
近期也有人提出将光敏二极管作在CMOS处理电路结构之上，但是如何解决光线入射衰减的问题，如何在不增加面积的前提下，增大PN结面积增加光线吸收体积，成为该技术面临的关键问题之一。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提出一种能够解决上述技术问题的CMOS影像传感器及其制造方法。
本发明提供了一种CMOS影像传感器制造方法，包括步骤：在半导体衬底上形成CMOS处理电路结构；形成顶层通孔；形成顶层金属结构，所述顶层金属结构包括PN结上下电极和金属假图形；沉积第一导电类型非晶硅材料，并实现第一导电类型非晶硅材料的像元PN结结构图形化；以及沉积第二导电类型型非晶硅材料，并实现第二导电类型非晶硅材料的像元PN结结构图形化；其中，通过第一导电类型非晶硅材料和第二导电类型非晶硅材料接触形成光敏二极管PN结。
本发明的CMOS影像传感器制造方法，通过第一导电类型非晶硅材料和第二导电类型非晶硅材料接触而形成光敏二极管PN结，从而大幅度增加耗尽区的体积，从而在不增加像元大小、不增加光刻工艺步骤和不增加工艺和工作电压的前提下，提高像元的灵敏度，从而提高产品的性能和可靠性，并大幅度降低探测器成本。并且，上下式的分布结构解决了现有技术中存在的“需要更高的布线层次来实现功能从而引起光线的损耗记忆性能的下降”的问题。
优选地，在上述CMOS影像传感器制造方法中，通过顶层金属假图形形成光敏二极管PN结的凹凸状接触，并且所述顶层金属假图形不作任何电连接使用。
优选地，在上述CMOS影像传感器制造方法中，第一导电类型非晶硅材料是N型非晶硅材料，第二导电类型非晶硅材料是P型非晶硅材料；或者第一导电类型非晶硅材料是P型非晶硅材料，第二导电类型非晶硅材料是N型非晶硅材料。
优选地，在上述CMOS影像传感器制造方法中，采用CVD工艺制造非晶硅P型材料，其中通过SiH4气体分解形成非晶硅，并通过B2H6掺杂气体进行原位掺杂。
优选地，在上述CMOS影像传感器制造方法中，采用CVD工艺制造非晶硅N型材料，其中通过SiH4气体分解形成非晶硅，并通过PH3等掺杂气体进行原位掺杂。
优选地，在上述CMOS影像传感器制造方法中，通过CVD工艺沉积非晶硅P型材料和非晶硅N型材料，并通过施主和受主的离子注入工艺来实现掺杂以形成N型和P型掺杂材料。
优选地，在上述CMOS影像传感器制造方法中，进一步包括：在沉积第二导电类型型非晶硅材料，并实现第二导电类型非晶硅材料的像元PN结结构图形化之后，通过退火工艺形成金属与硅Si的良好接触，退火温度为350℃-450℃。
优选地，在上述CMOS影像传感器制造方法中，在半导体衬底上形成的CMOS处理电路是铜工艺CMOS处理电路或者Al工艺CMOS处理电路。
优选地，在上述CMOS影像传感器制造方法中，通过顶层金属一步成膜工艺和图形化工艺来实现顶层金属结构。
优选地，在上述CMOS影像传感器制造方法中，顶层通孔用于将光敏二极管PN结的信号传输到芯片互连线以及CMOS处理电路结构。
优选地，在上述CMOS影像传感器制造方法中，PN结上下电极布置在顶层通孔上方并与顶层通孔接触。
优选地，在上述CMOS影像传感器制造方法中，通过单层底电极形成金属半导体的接触。
本发明同时还提供了一种根据所述的CMOS影像传感器制造方法制成的CMOS影像传感器，其中，在衬底上布置了CMOS处理电路结构，并且在所述CMOS处理电路结构上布置了通过第一导电类型非晶硅材料和第二导电类型非晶硅材料接触而形成的光敏二极管PN结。并且，上下式的分布结构解决了现有技术中存在的“需要更高的布线层次来实现功能从而引起光线的损耗记忆性能的下降”的问题。
同样，本发明的CMOS影像传感器，通过第一导电类型非晶硅材料和第二导电类型非晶硅材料接触(尤其是利用了顶层金属凹凸状假图形)来形成光敏二极管PN结，从而大幅度增加耗尽区的体积，从而在不增加像元大小、不增加光刻工艺步骤和不增加工艺和工作电压的前提下，提高像元的灵敏度，从而提高产品的性能和可靠性，并大幅度降低探测器成本。
并且，优选地，所述CMOS影像传感器是根据本发明的CMOS影像传感器制造方法制造的。
优选地，在所述的CMOS影像传感器中，顶层金属假图形形成光敏二极管PN结的凹凸状接触，并且顶层金属假图形不作任何电连接使用。
优选地，在所述的CMOS影像传感器中，第一导电类型非晶硅材料是N型非晶硅材料，第二导电类型非晶硅材料是P型非晶硅材料；或者第一导电类型非晶硅材料是P型非晶硅材料，第二导电类型非晶硅材料是N型非晶硅材料。
优选地，在所述的CMOS影像传感器中，通过单层底电极形成金属半导体的接触，通过顶层金属凹凸状假图形来形成光敏二极管PN结。
优选地，在上述CMOS影像传感器中，顶层通孔用于将光敏二极管PN结的信号传输到芯片互连线以及CMOS处理电路结构。
优选地，在上述CMOS影像传感器中，PN结上下电极布置在顶层通孔上方并与顶层通孔接触。
本领域技术人员可以理解的是，根据本发明所述的CMOS影像传感器同样能够实现根据本发明所述CMOS影像传感器制造方法所能实现的有益技术效果。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示出了根据本发明一个具体实施例的CMOS影像传感器的结构的剖面图；
图2示出了根据本发明另一具体实施例的CMOS影像传感器的结构的剖面图；以及
图3示出了根据本发明实施例的CMOS影像传感器制造方法的流程图。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
图1示出了根据本发明实施例的CMOS影像传感器的结构的剖面图。
在该实施例中，该CMOS影像传感器的光敏二极管位于CMOS处理电路结构1之上，且通过单层底电极方案形成金属半导体的良好接触。光敏二极管将光转换成电信号，并通过芯片互连直接传送到CMOS处理电路结构(由CMOS器件构成)，经过放大、数模转换等电路模块实现客户所需要的功能，如图像显示等。通过通过第一导电类型非晶硅材料和第二导电类型非晶硅材料接触(尤其是利用了顶层金属凹凸状假图形)来形成光敏二极管PN结，从而大幅度增加耗尽区的体积，从而在不增加像元大小、不增加光刻工艺步骤和不增加工艺和工作电压的前提下，提高像元的灵敏度，从而提高产品的性能和可靠性，并大幅度降低探测器成本。并且，本发明实施例的上下式的分布结构解决了现有技术中存在的“需要更高的布线层次来实现功能从而引起光线的损耗记忆性能的下降”的问题。
并且，本发明的一个实施例提出一种基于硅片表面光敏二极管的CMOS影像传感器制造方法。图3示出了根据本发明的一个具体实施例的CMOS影像传感器制造方法的流程图，可用于制造如图1所示的CMOS影像传感器。
具体地说，本发明实施例的CMOS影像传感器制造方法可包括以下步骤：
在步骤S1中，首先在半导体衬底上形成CMOS处理电路结构1。
然后，在步骤S2中，形成顶层通孔2的结构，例如W形的顶层通孔。该顶层通孔2用于将光敏二极管PN结信号传输到芯片互连线以及CMOS器件(CMOS处理电路结构)，但其功能也是互连，某种意义上，也可以将其归于互连结构；因此该顶层通孔2可视为互连结构的一部分。并且，顶层通孔间布置介质，该介质例如是二氧化硅(SiO2)材料。
之后，在步骤S3中，在所得到的结构的基础上，形成顶层金属结构(例如Al)，该顶层金属结构包括PN结上下电极3和金属假图形4。如图1和图2所示，PN结上下电极3布置在顶层通孔2上方并与顶层通孔2接触。
之后，在步骤S4中，通过H2反应还原去除PN结上下电极3表面可能存在的氧化物，然后沉积N型非晶硅材料5例如3000A，通过原位(in-situ)PH3掺杂实现其所需杂质浓度。
之后，在步骤S5中，实现N型非晶硅材料5的像元PN结结构图形化，包括刻蚀N型材料暴露出上电极图形。
之后，在步骤S6中，通过H2反应还原去除N型非晶硅材料5和上电极图形表面可能存在的氧化物，沉积P型非晶硅材料6例如3000A，通过原位B2H6掺杂实现其所需杂质浓度。
之后，在步骤S7中，实现P型非晶硅材料6的像元PN结结构图形化，实现PN结光敏二极管结构；之后就可以通过PN结上下电极3和通孔2将信号引入CMOS处理电路结构1上，形成CMOS影像传感器结构。
更具体地说，在本发明的一些特定实施例中，非晶硅P型材料的制造工艺可以为CVD技术，通过SiH4气体分解形成非晶硅，通过B2H6等掺杂气体的CVD技术的原位掺杂来实现其制造工艺，其成膜温度为20℃-50℃。
在本发明的一些特定实施例中，非晶硅N型材料的制造工艺为CVD技术，通过SiH4气体分解形成非晶硅，通过PH3等掺杂气体的CVD技术的原位掺杂来实现其制造工艺，其成膜温度为20℃-50℃。
在本发明的一些特定实施例中，光敏二极管PN结是通过P型非晶硅和N型非晶硅接触形成的，其PN结凹凸状接触是通过顶层金属假图形4形成的，该假图形4不作任何电连接使用。
在本发明的一些特定实施例中，顶层金属和顶层通孔2的材料为金属Ta、TaN、Ti、TiN、Al、W、Cr以及已经上述材料的复合层电极3。
优选地，上下电极和顶层金属假图形(即，顶层金属结构)是通过顶层金属一步成膜工艺和图形化工艺实现的。
在本发明的一些特定实施例中，顶层金属上P型和N型非晶硅材料5图形形成后，通过退火工艺形成金属与Si的良好接触，为不影响下层金属互连和CMOS器件，退火温度为350℃-450℃。
在本发明的一些特定实施例中，顶层金属和顶层通孔2之下的衬底CMOS处理电路结构1的制作工艺可以是铜工艺CMOS处理电路或者Al工艺CMOS处理电路。
在本发明的一些特定实施例中，非晶硅P型材料和N型材料的制造工艺为CVD技术，可以通过施主和受主的离子注入工艺来实现其掺杂要求。
并且，本领域普通技术人员可以理解的是，可以对实施例做出各种修改，例如，P型和N型材料的顺序可以更换为下层为P型，上层为N型非晶硅材料。
此外，本发明实施例的光敏二极管PN结这种结构，优选地，可以通过低温形成；采用低温工艺形成光敏二极管PN结的原因是：整个光敏二极管PN结光敏结构是在CMOS标准工艺之上，因此不使用高温，以避免对CMOS器件和芯片互连产生影响。例如，低温工艺的低温范围处于200摄氏度到500摄氏度之间。
本领域普通技术人员可以理解的是，本发明同样适用于具有几层互连结构的器件。图2示出了根据本发明另一具体实施例的CMOS影像传感器的结构的剖面图。与图1所示的CMOS影像传感器的结构不同之处在于，图2所示的CMOS影像传感器的结构示出了两层互连结构。多层互连结构不会影响本发明的实施和效果。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (17)
1.一种CMOS影像传感器制造方法，其特征在于包括步骤：
在半导体衬底上形成CMOS处理电路结构；
形成顶层通孔；
形成顶层金属结构，所述顶层金属结构包括PN结上下电极和顶层金属假图形；沉积第一导电类型非晶硅材料，并实现第一导电类型非晶硅材料的像元PN结结构图形化；以及
沉积第二导电类型非晶硅材料，并实现第二导电类型非晶硅材料的像元PN结结构图形化，
其中，通过第一导电类型非晶硅材料和第二导电类型非晶硅材料接触形成光敏二极管PN结；通过顶层金属假图形形成光敏二极管PN结的凹凸状接触，并且所述顶层金属假图形不作任何电连接使用。
2.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器制造方法，其特征在于，其中第一导电类型非晶硅材料是N型非晶硅材料，第二导电类型非晶硅材料是P型非晶硅材料；或者第一导电类型非晶硅材料是P型非晶硅材料，第二导电类型非晶硅材料是N型非晶硅材料。
3.根据权利要求2所述的CMOS影像传感器制造方法，其特征在于，其中采用CVD工艺制造P型非晶硅材料，其中通过SiH4气体分解形成非晶硅，并通过B2H6掺杂气体进行原位掺杂。
4.根据权利要求2所述的CMOS影像传感器制造方法，其特征在于，其中采用CVD工艺制造N型非晶硅材料，其中通过SiH4气体分解形成非晶硅，并通过PH3等掺杂气体进行原位掺杂。
5.根据权利要求2所述的CMOS影像传感器制造方法，其特征在于，其中通过CVD工艺沉积P型非晶硅材料和N型非晶硅材料，并通过施主和受主的离子注入工艺来实现掺杂以形成N型和P型掺杂材料。
6.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器制造方法，其特征在于，进一步包括：在沉积第二导电类型非晶硅材料，并实现第二导电类型非晶硅材料的像元PN结结构图形化之后，通过退火工艺形成金属与硅的良好接触，退火温度为350℃-450℃。
7.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器制造方法，其特征在于，其中在半导体衬底上形成的CMOS处理电路是铜工艺CMOS处理电路或者Al工艺CMOS处理电路。
8.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器制造方法，其特征在于，其中通过顶层金属一步成膜工艺和图形化工艺来实现顶层金属结构。
9.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器制造方法，其特征在于，其中顶层通孔将光敏二极管PN结的信号传输到芯片互连线以及CMOS处理电路结构。
10.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器制造方法，其特征在于，其中PN结上下电极布置在顶层通孔上方并与顶层通孔接触。
11.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器制造方法，其中所述PN结上下电极和所述顶层金属假图形位于同一层中。
12.一种CMOS影像传感器，其中，在衬底上布置了CMOS处理电路结构，在所述CMOS处理电路结构表面设置了顶层通孔和位于所述顶层通孔间的介质，在所述顶层通孔上和所述介质上设置有顶层金属结构，所述顶层金属结构包括PN结上下电极和顶层金属假图形，在所述顶层金属假图形、所述PN结上下电极和暴露的所述介质上布置了通过第一导电类型非晶硅材料和第二导电类型非晶硅材料接触而形成的光敏二极管PN结；其中顶层金属假图形形成光敏二极管PN结的凹凸状接触，并且顶层金属假图形不作任何电连接使用。
13.根据权利要求12所述的CMOS影像传感器，其中所述CMOS影像传感器是根据上述权利要求1-11之一的CMOS影像传感器制造方法制造的。
14.根据权利要求12或13所述的CMOS影像传感器，其中所述PN结上下电极和所述顶层金属假图形位于同一层中。
15.根据权利要求12或13所述的CMOS影像传感器，其中第一导电类型非晶硅材料是N型非晶硅材料，第二导电类型非晶硅材料是P型非晶硅材料；或者第一导电类型非晶硅材料是P型非晶硅材料，第二导电类型非晶硅材料是N型非晶硅材料。
16.根据权利要求12或13所述的CMOS影像传感器，其中顶层通孔用于将光敏二极管PN结的信号传输到芯片互连线以及CMOS处理电路结构。
17.根据权利要求12或13所述的CMOS影像传感器，其中PN结上下电极布置在顶层通孔上方并与顶层通孔接触。
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|---|---|---|---|---|
| CN101546777A (zh) * | 2009-05-08 | 2009-09-30 | 北京思比科微电子技术有限公司 | Soi cmos图像传感器结构及其制作方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102226996A (zh) | 2011-10-26 |
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