一種有源像素結(jié)構(gòu)及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種有源像素結(jié)構(gòu)及其制作方法，該像素結(jié)構(gòu)包括：NMOS器件和PMOS器件，其中，所述NMOS器件在100晶向的SOI頂層多晶硅薄膜上；所述PMOS器件在110晶向或111晶向的SOI頂層多晶硅薄膜上。與普通有源像素結(jié)構(gòu)相比，在具有相同驅(qū)動能力下，本發(fā)明提供的有源像素結(jié)構(gòu)的填充因子較高，進(jìn)而提高了有源像素的靈敏度和信噪比。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)使有源像素的抗輻射性能、速度均得到改善。
【專利說明】一種有源像素結(jié)構(gòu)及其制作方法
(-)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，尤其涉及一種有源像素結(jié)構(gòu)及其制作方法。
(二)【背景技術(shù)】
[0002]Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS:互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器是固態(tài)圖像傳感器中的一種。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，近年來CMOS圖像傳感器以其低成本、高可靠性、低功耗、和良好的成像質(zhì)量等優(yōu)勢，正在逐步取代Charge Coupled Device (電荷耦合器件，(XD)圖像傳感器，并在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、教育、娛樂、管理和通信等方面得到了廣泛的應(yīng)用，并朝著高清攝像、高精度視覺、抗輻射太空成像等高端領(lǐng)域發(fā)展。隨著CMOS圖像傳感器的快速發(fā)展，近些年SiliconOn Insulator (SO1:絕緣襯底上的硅)有源像素傳感器以其速度快、抗輻射等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)。
[0003]SOI技術(shù)是一種在絕緣層上生長一層單晶硅薄膜并在絕緣層上制作半導(dǎo)體層。SOI作為一種全介質(zhì)隔離技術(shù)，由于器件與襯底之間由一層隱埋氧化層隔開，這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)與體硅結(jié)構(gòu)相比，具有低功耗、集成密度高、速度快、工藝簡單、抗干擾能力強(qiáng)、消除了體硅器件的閂鎖效應(yīng)和抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。SOI技術(shù)從上世紀(jì)60年代開始受到關(guān)注，上世紀(jì)80年代后有了較大的發(fā)展，90年代后期逐漸進(jìn)入商用領(lǐng)域。由于SOI器件具有很好的等比例縮小的特性，使得SOI技術(shù)在深亞微米工藝中的應(yīng)用中具有著很大吸引力和發(fā)展前景。
[0004]發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)中，SOI器件中的NMOS和PMOS器件的載流子遷移率無法同時(shí)達(dá)到最大化，影響CMOS器件(包括:N-Mental-Oxide_Semiconductor (NM0S: N型金屬氧化物晶體管)和P-Mental-Oxide-Semiconductor (PMOS:P型金屬氧化物晶體管)和電路性倉泛。
(三)
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種有源像素結(jié)構(gòu)及其制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的SOI器件中的NMOS和PMOS器件的遷移率無法同時(shí)達(dá)到最大化的問題。
[0006]一方面，提供了一種有源像素結(jié)構(gòu)，包括:NM0S器件和PMOS器件，其中，
[0007]所述NMOS器件在(100)晶向的SOI頂層多晶硅薄膜上；
[0008]所述PMOS器件在(I 10)晶向或(111)晶向的SOI頂層多晶硅薄膜上。
[0009]通過本方案，提出了一種混合晶向有SOI源像素結(jié)構(gòu)，使得SOI有源像素中的NMOS器件制作在(100)晶向的SOI層上，PMOS制作在(110)晶向的SOI層上?？昭ㄟw移率在(110)晶向上具有最大值，使得PMOS管在不增大尺寸的情況下提高了電流驅(qū)動能力。與普通有源像素結(jié)構(gòu)相比，在具有相同驅(qū)動能力下，混合晶向有源像素的填充因子大大提高，進(jìn)而提高了有源像素的靈敏度和信噪比。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)使有源像素的抗輻射性能、速度均得到了提聞。
[0010]另一方面，提供了一種有源像素結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，包括:[0011]將第一硅片和第二硅片的表面進(jìn)行熱氧化處理，其中，所述第一硅片和所述第二硅片的晶向不同；
[0012]將表面進(jìn)行熱氧化處理的所述第一硅片所述和第二硅片進(jìn)行鍵合；
[0013]將所述第一硅片的一部分SOI層及埋氧層進(jìn)行刻蝕；
[0014]將所述第二硅片進(jìn)行外延生長，生長之后的所述第二硅片覆蓋所述第一硅片被刻蝕的SOI層部分。
[0015]優(yōu)選的，所述第一硅片的晶向?yàn)?00晶向，所述第二硅片的晶向?yàn)?10晶向或111晶向，所述方法還包括:
[0016]將NMOS器件制作在所述第一硅片的SOI層上；
[0017]將PMOS器件制作在所述第二硅片的SOI層上。
[0018]通過本發(fā)明提供了的技術(shù)方案，使有源像素中的MOS器件可制作在不同晶向的SOI層上，它針對NMOS和PMOS器件采用不同晶向的襯底，可以有效的增大PMOS器件空穴遷移率，從而改善CMOS器件(包括:NM0S和PMOS器件)和電路性能。該方案可以應(yīng)用在抗輻射、高速、高清有源圖像傳感器領(lǐng)域中。
(四)【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1 (A)是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的110晶向多晶硅襯底示意圖；
[0020]圖1 (B)是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的100晶向多晶硅襯底示意圖；
[0021]圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的鍵合后的SOI結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的刻蝕掉部分頂層多晶硅層后的SOI結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的刻蝕掉部分掩埋氧化層后的SOI結(jié)構(gòu)示意圖:
[0024]圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的選擇外延生長后的SOI結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的化學(xué)機(jī)械平坦后的SOI結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的刻蝕掉掩埋氧化層窗口處多晶硅后的SOI結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖8是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的混合晶向SOI有源像素結(jié)構(gòu)示意圖。
(五)具體實(shí)施方案
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0029]本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)計(jì)特點(diǎn)為SOI有源像素中的MOS器件(例如，PMOS器件和NMOS器件)可制作在不同晶向的SOI層上。具體參照圖8所示。
[0030]下面結(jié)合附圖介紹本發(fā)明實(shí)施例所述的MOS器件的制作方法，該方法包括:
[0031]準(zhǔn)備兩片不同晶向(通常為(100)晶向和(110)晶向)的硅片A ((110)晶向)和B((100)晶向)。在硅片A中注入氫離子產(chǎn)生起泡層201，注入射程取決于SOI的頂部硅膜厚度。在硅片B表面通過熱氧化的方法生成氧化層202，其厚度由SOI材料的掩埋氧化層來決定，如圖1所示。
[0032]將硅片A與硅片B經(jīng)清洗和親水處理后做低溫鍵合，對鍵合后的硅片做熱處理，使A硅片在氫離子分布的峰值處氣泡剝離，形成頂層硅膜203 (110)晶向?yàn)?110)的SOI結(jié)構(gòu)襯底，如圖2所示。[0033]在圖2結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，刻蝕掉用于制作像素感光器件和欲形成不同晶向SOI層的部位的表面娃層，暴露出部分隱埋氧化層202,如圖3所不。
[0034]在圖3結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在隱埋氧化層202上涂光刻膠，用光刻技術(shù)，刻蝕掉部分隱埋氧化層，用于制作像素感光器件和通過選擇外延生長生成不同晶向SOI層的窗口 301，如圖4所示。
[0035]在圖4結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上利用選擇外延生長，在絕緣層上形成如圖5所示的晶向?yàn)?100)的薄多晶硅層(SOI層)204 (100)，其厚度根據(jù)設(shè)計(jì)需要而定。
[0036]利用化學(xué)機(jī)械平坦化方法(CMP)對選擇外延生長后的頂層規(guī)模進(jìn)行平坦化，化學(xué)機(jī)械拋光后的結(jié)構(gòu)如圖6所示。
[0037]在圖6結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,刻蝕掉窗口 301處的多晶娃,露出用于制作有源像素感光器件的硅襯底，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。在晶向?yàn)?110)的頂層硅膜203 (110)上制作PMOS器件504和PMOS器件502，在晶向?yàn)?100)的頂層硅膜204 (100)上制作NMOS器件503，在窗口301處的體硅上制作有源像素感光器件401、傳輸管501及FD區(qū)402。其結(jié)構(gòu)如圖8所示。
[0038]通過上述方法，即可制作出圖8所示的像素結(jié)構(gòu)。該像素結(jié)構(gòu)可以用于MOS器件中。需要說明的是，上面僅是一種優(yōu)選實(shí)施例，該實(shí)施例也可以由其他變形，例如，晶向(110)的頂層硅膜203可以替換成晶向?yàn)?111)的硅膜。
[0039]本發(fā)明實(shí)施例提供的一種有源像素結(jié)構(gòu)，使有源像素中的MOS器件可制作在不同晶向的SOI層上，該結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用在抗輻射、高速有源圖像傳感器領(lǐng)域中。在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)，可根據(jù)情況對本發(fā)明做出調(diào)整和優(yōu)化，這些調(diào)整和優(yōu)化也應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種有源像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括=NMOS器件和PMOS器件，其中， 所述NMOS器件在100晶向的SOI頂層多晶硅薄膜上； 所述PMOS器件在110晶向或111晶向的SOI頂層多晶硅薄膜上。
2.一種有源像素結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，包括: 將第一娃片和第二娃片的表面進(jìn)行熱氧化處理，其中，所述第一娃片和所述第二娃片的晶向不同； 將表面進(jìn)行熱氧化處理的所述第一硅片和所述第二硅片進(jìn)行鍵合； 將所述第一硅片的一部分SOI層及埋氧層進(jìn)行刻蝕； 將所述第二硅片進(jìn)行外延生長，生長之后的所述第二硅片覆蓋所述第一硅片被刻蝕的SOI層部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一硅片的晶向?yàn)?00晶向，所述第二硅片的晶向?yàn)?10晶向或111晶向，所述方法還包括: 將NMOS器件制作在所述第一硅片的SOI層上； 將PMOS器件制作在所述第二硅片的SOI層上。
【文檔編號】H01L27/146GK103456756SQ201310441960
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】王穎, 楊曉亮, 曹菲, 胡海帆 申請人:哈爾濱工程大學(xué)