一種全局曝光像素單元中防漏光存儲電容及其形成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種全局曝光像素單元中防漏光存儲電容，包括不透光的上下極板和中間的介質(zhì)層，所述電容極板側(cè)壁覆蓋有不透光的隔斷結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還公開這種全局曝光像素單元中防漏光存儲電容的形成方法，具體步驟包括，生長襯墊層，淀積金屬或金屬化合物，光刻刻蝕在電容極板側(cè)壁形成可以阻擋入射光線穿透的隔斷結(jié)構(gòu)，淀積邊墻介質(zhì)并刻蝕形成邊墻。本發(fā)明通過內(nèi)嵌金屬層的邊墻結(jié)構(gòu)有效阻擋入射光線的穿透，避免由此造成的存儲電容中存儲電荷的失真，減少噪點(diǎn)，提高輸出圖像信號的正確率，適用于4T、5T、6T、8T和12T等各種需要MOS存儲電容的全局像元結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用廣泛。本發(fā)明的方法與常規(guī)CMOS工藝兼容，成本低廉，工藝穩(wěn)定。
【專利說明】一種全局曝光像素單元中防漏光存儲電容及其形成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種全局曝光像素單元中防漏光存儲電容及其形成方法。

【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器是指將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置，通常大規(guī)模商用的圖像傳感器芯片包括電荷耦合器件CXD和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS圖像傳感器芯片兩大類。
[0003]CMOS圖像傳感器和傳統(tǒng)的C⑶傳感器相比具有的低功耗，低成本和與CMOS工藝兼容等特點(diǎn)，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在CMOS圖像傳感器不僅用于消費(fèi)電子領(lǐng)域，例如微型數(shù)碼相機(jī)DSC，手機(jī)攝像頭，攝像機(jī)和數(shù)碼單反DSLR中，而且在汽車電子，監(jiān)控，生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。
[0004]CMOS圖像傳感器的像素單元是圖像傳感器實(shí)現(xiàn)感光的核心器件。最常用像素單元為包含一個光電二極管和四個晶體管的有源像素結(jié)構(gòu)，這些器件中光電二極管是感光單元，實(shí)現(xiàn)對光線的收集和光電轉(zhuǎn)換，其它的MOS晶體管是控制單元，主要實(shí)現(xiàn)對光電二極管的選中，復(fù)位，信號放大和讀出的控制。一個像素單元中MOS晶體管的多少決定了非感光區(qū)域占的面積，因此包含四個晶體管的像素結(jié)構(gòu)通常稱為4T像素單元。
[0005]在數(shù)碼相機(jī)中通常有兩種快門控制方式:機(jī)械快門和電子快門。機(jī)械快門通過安裝在CMOS圖像傳感器前面的機(jī)械件的開合來控制曝光時間；電子快門通過像素單元的時序控制來改變積分時間，從而達(dá)到控制曝光時間的目的。由于機(jī)械快門需要機(jī)械件，會占用數(shù)碼相機(jī)的面積，因此不適用于便攜式的數(shù)碼相機(jī)，而且對于視頻監(jiān)控應(yīng)用而言，由于通常是進(jìn)行視頻采集，因此一般采用電子快門控制曝光時間。電子快門又分為兩種:卷簾式和全局曝光式。卷簾式電子快門每行之間的曝光時間是不一致的，在拍攝高速物體是容易造成拖影現(xiàn)象；全局曝光式電子快門的每一行在同一時間曝光，然后同時將電荷信號存儲在像素單元的存儲節(jié)點(diǎn)，最后將存儲節(jié)點(diǎn)的信號逐行輸出，由于所有行在同一時間進(jìn)行曝光，所以不會造成拖影現(xiàn)象。
[0006]隨著CMOS圖像傳感器在工業(yè)、車載、道路監(jiān)控和高速相機(jī)中越來越廣泛的應(yīng)用，對于可以捕捉高速運(yùn)動物體圖像的圖像傳感器的需求進(jìn)一步提高。為了監(jiān)控高速物體，CMOS圖像傳感器需要使用全局曝光的像素單元，而全局曝光像素單元中的用于存儲電荷信號的存儲節(jié)點(diǎn)對于光源的寄生響應(yīng)是一個非常重要的指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)每個像素單元使用晶體管的數(shù)目，全局曝光像素單元有4T、5T、6T、8T和12T等，如圖1所示以8Τ全局曝光像素單元為例，Cl為存儲節(jié)點(diǎn)I和C2為存儲節(jié)點(diǎn)2。Cl和C2分別為存儲電荷的MOS電容。存儲節(jié)點(diǎn)的光源寄生響應(yīng)是指存儲節(jié)點(diǎn)電容對入射光的寄生響應(yīng)，對于像素單元而言，入射到像素單元表面的光線由于折射和散射而不能全部聚焦到光電二極管表面，有部分光線可能入射到存儲節(jié)點(diǎn)Cl和C2上，Cl和C2在入射光的照射下也可以像光電二極管一樣產(chǎn)生光電響應(yīng)，由于入射光而在Cl和C2上產(chǎn)生的電荷會影響原來存儲在上面的由光電二極管產(chǎn)生的電壓信號，造成了信號的失真。為了減小存儲節(jié)點(diǎn)的光源寄生響應(yīng)，Cl和C2上面需要使用完全不透光的金屬屏蔽層來防止入射光線的影響。現(xiàn)有技術(shù)中，通常在CMOS工藝中用到的金屬包括金屬硅化物、鎢、鋁和銅等，減小存儲節(jié)點(diǎn)光源寄生響應(yīng)的就需要利用其中的一種或幾種形成MOS電容的金屬掩蔽層，避免入射光對MOS電容中存儲電荷的影響。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)MOS電容包括N型和P型兩種結(jié)構(gòu)，以N型MOS電容為例。所謂MOS電容是一個在P型襯底上形成的兩端器件，上極板由N型多晶和金屬硅化物組成，下極板由N阱、N+源漏區(qū)和金屬硅化物組成，CMOS工藝中的柵氧化層作為電容之間的介質(zhì)層。MOS電容的上下極板由于包含有多晶、金屬硅化物或者就是襯底本身的高濃度注入阱區(qū)，都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)不透光。MOS電容的側(cè)壁覆蓋有邊墻，其目的是為了減小器件的橫向電場，實(shí)現(xiàn)CMOS工藝需要的輕摻雜源漏區(qū)。邊墻的引入能夠?qū)⒃绰㎞+注入和輕摻雜源漏NLDD注入分開。由于通常邊墻使用氧化硅或氮化硅等絕緣材料作為其介質(zhì)層，因此通過邊墻同時可以隔斷N型多晶和N+注入的源漏區(qū)上表面的金屬硅化物，防止金屬硅化物之間的短接。但是，由于氧化硅和氮化硅對入射光線是完全透明的，因此入射光線仍然可以穿透邊墻進(jìn)入MOS電容的多晶上極板和N阱下極板區(qū)域，造成MOS電容中存儲的電荷信號失真，最終導(dǎo)致CMOS圖像傳感器輸出信號的失真。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，阻止入射光線穿透邊墻進(jìn)入MOS電容的上下極板區(qū)域，避免由此造成的MOS電容中存儲的電荷信號失真，從而避免CMOS圖像傳感器輸出信號的失真，減少噪點(diǎn)，提高輸出圖像信號的正確率和改善圖像清晰度。
[0009]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種全局曝光像素單元中防漏光存儲電容:包括不透光的上下極板和中間的介質(zhì)層，其特征在于，所述電容極板側(cè)壁覆蓋有不透光的隔斷結(jié)構(gòu)；
[0010]可選的，不透光的隔斷結(jié)構(gòu)是內(nèi)嵌金屬層的邊墻；
[0011]優(yōu)選的，所述邊墻由內(nèi)向外，包含襯墊層，金屬層和邊墻介質(zhì)層；
[0012]優(yōu)選的，所述金屬層是L型的；
[0013]優(yōu)選的，所述襯墊層和邊墻介質(zhì)層使用二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等絕緣材料，所述金屬層使用鈦、氮化鈦、鎢、鋁、銅、鈷和鎳等金屬或金屬化合物；
[0014]優(yōu)選的，所述襯墊層是單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)，所述金屬層是單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)；
[0015]優(yōu)選的，所述襯墊層厚度為10埃?1000埃，所述金屬層厚度為10埃?1000埃；
[0016]優(yōu)選的，所述金屬層被襯墊層和邊墻介質(zhì)層包圍，與周圍結(jié)構(gòu)隔斷；
[0017]可選的，所述不透光的上極板由多晶和金屬硅化物組成，所述不透光的下極板由阱、源漏區(qū)和金屬硅化物組成，所述防漏光存儲電容中間的介質(zhì)層為二氧化硅。
[0018]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種全局曝光像素單元中防漏光存儲電容的形成方法，其步驟為:
[0019]I)淀積不透光的隔離層，
[0020]2)在電容極板側(cè)壁形成隔離結(jié)構(gòu)，
[0021]3)淀積邊墻介質(zhì)層，
[0022]4)形成內(nèi)嵌隔離結(jié)構(gòu)的邊墻。
[0023]以現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)的MOS電容中的N型MOS電容為例，其截面如圖2所示。N型MOS電容是一個在P型襯底201上形成的兩端器件，上極板由N型多晶202a和金屬硅化物202b組成，下極板由N阱203a、N+源漏區(qū)203b和金屬硅化物203d組成，柵氧化層204作為電容之間的介質(zhì)層。為了減小器件的橫向電場，使用邊墻205將高摻雜N+源漏203b注入和輕摻雜NLDD源漏203c注入分開，實(shí)現(xiàn)在CMOS工藝中需要的輕摻雜的源漏區(qū)。邊墻的引入同時還可以防止N+多晶202a和N+源漏區(qū)上面的金屬硅化物203d的短接，避免柵和源漏之間的短路。但是，通常邊墻使用氧化硅或氮化硅作為介質(zhì)層。氧化硅和氮化硅對入射光線來說是全透明的，因此入射光線可以穿透邊墻進(jìn)入電容的多晶上極板和N阱下極板區(qū)域，造成MOS電容中存儲的電荷信號的失真，最終導(dǎo)致CMOS圖像傳感器輸出信號的失真。
[0024]采用本發(fā)明提供的用于CMOS圖像傳感器的全局曝光像素單元的防漏光存儲電容可以解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，阻擋入射光穿透并進(jìn)入存儲電容的上、下極板，避免入射光對MOS存儲電容中電荷信號的影響。圖3所示為本發(fā)明為了解決上述問題所提供的MOS電容結(jié)構(gòu)的截面圖，通過金屬的淀積和刻蝕在邊墻內(nèi)嵌入金屬層。金屬層可以是CMOS工藝中常規(guī)的金屬材料來形成，包括鈦、氮化鈦、鎢、鋁、銅、鈷和鎳等。由于金屬層的不透光特性，進(jìn)入邊墻的入射光線被金屬層全部反射，阻止入射光從多晶側(cè)壁上進(jìn)入MOS電容電荷信號存儲區(qū)，防止存儲信號的失真的發(fā)生。
[0025]采用本發(fā)明提供的用于CMOS圖像傳感器的全局曝光像素單元的防漏光存儲電容的形成方法，在實(shí)現(xiàn)防漏光的同時，還防止邊墻內(nèi)嵌金屬層305b和N+源漏區(qū)303a上及多晶上金屬硅化物302b發(fā)生短路。本發(fā)明完成將金屬層嵌入邊墻主要分成四個步驟進(jìn)行:首先進(jìn)行襯墊層和金屬層的淀積；其次進(jìn)行光刻和第一次邊墻刻蝕，形成L型襯墊層和金屬層，即僅留下存儲電容的側(cè)壁的襯墊層305a和金屬層305b，金屬層和襯墊層完全覆蓋存儲電容極板的側(cè)面，襯墊層夾在金屬層和存儲電容的極板之間，使金屬層內(nèi)側(cè)和存儲電容的極板302a之間完全隔開；再次，淀積邊墻介質(zhì)層，最后進(jìn)行第二次邊墻刻蝕，使得金屬層外側(cè)和兩個端點(diǎn)被邊墻的介質(zhì)層305c完全包裹，出現(xiàn)絕緣間隙304，實(shí)現(xiàn)金屬層嵌入邊墻之內(nèi)，同時使金屬層與周圍完全絕緣，防止了內(nèi)嵌金屬層和金屬硅化物的短路。
[0026]由此可見，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)邊墻中內(nèi)嵌金屬層，利用金屬的不透光性阻擋入射光穿透邊墻進(jìn)入存儲電容的上、下極板，避免入射光對MOS存儲電容中電荷信號的影響，避免因MOS電容中存儲的電荷信號失真而導(dǎo)致CMOS圖像傳感器輸出信號的失真，實(shí)現(xiàn)減少噪點(diǎn)，提高輸出圖像信號的正確率和改善圖像清晰度的有益效果。本發(fā)明在第一次邊墻刻蝕前增加了一道光刻:這不僅能完整保留多晶側(cè)邊的襯墊層和金屬層，即“L”型邊墻的垂直線條；而且還保證了襯底表面的襯墊層和金屬層具有光刻掩膜所設(shè)計的延伸寬度，即“L”型邊墻的水平線條；進(jìn)一步的，通過改變光刻膠掩蔽的尺寸還可以調(diào)整其在襯底平面的延伸寬度以適應(yīng)對MOS電容下極板保護(hù)的需要，防止入射光線穿透，避免引起電容存儲的電荷信號的變動。同時本發(fā)明所提出的內(nèi)嵌金屬層的邊墻同樣可以完成常規(guī)邊墻的作用，即為減小器件的橫向電場，將源漏的N+注入和源漏的輕摻雜NLDD注入分開，同時利用邊墻采用絕緣材料的特點(diǎn)，分隔N型多晶和N+注入的源漏區(qū)上表面的金屬硅化物，防止金屬硅化物之間的短接造成柵極和源漏之間的短路。本發(fā)明所述的邊墻內(nèi)嵌金屬層采用CMOS工藝中金屬或金屬化合物材料，包括鈦、氮化鈦、鎢、鋁、銅、鈷和鎳等，與常規(guī)工藝兼容，成本低廉。本發(fā)明中，金屬層和襯墊層的圖形化刻蝕是高選擇比的自停止刻蝕，工藝簡單穩(wěn)定，易于控制。本發(fā)明可用于4T、5T、6T、8Τ和12Τ等各種需要MOS存儲電容的全局像元結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用廣泛。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為8Τ全局曝光像素單元的電路結(jié)構(gòu)
[0028]圖2為常規(guī)的MOS電容結(jié)構(gòu)
[0029]圖3為本發(fā)明提供的用于全局曝光像素單元的防漏光的存儲電容結(jié)構(gòu)
[0030]圖4a?f為實(shí)施例中防漏光的存儲電容結(jié)構(gòu)形成的具體方法

【具體實(shí)施方式】
[0031]為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說明。其次，本發(fā)明利用示意圖進(jìn)行了詳細(xì)的表述，在詳述本發(fā)明實(shí)例時，為了便于說明，示意圖不依照一般比例局部放大，不應(yīng)以此作為對本發(fā)明的限定。
[0032]本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器的全局曝光像素單元中防漏光存儲電容及其形成方法，能夠避免入射光對MOS電容中存儲的電荷信號的影響，避免輸出信號的失真，使圖像傳感器最終能得到高質(zhì)量的圖像。
[0033]實(shí)施例
[0034]以N型MOS電容的形成過程為例。
[0035]首先在P型襯底401上使用常規(guī)CMOS工藝形成N型MOS電容的上下極板，上極板為N型多晶404，下極板為N阱402，柵氧化層403為電容介質(zhì)，如圖4a所示。
[0036]如圖4b所示，在硅片表面全片淀積襯墊層405。襯墊層405可以是單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)，即可以使用二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等絕緣材料中的一種或多種，總厚度在10埃到1000埃之間。完成襯墊層淀積之后接著進(jìn)行金屬層406的全片淀積，金屬層可以使用CMOS工藝中常規(guī)的金屬或金屬化合物材料來形成，包括鈦、氮化鈦、鎢、鋁、銅、鈷和鎳等金屬或金屬化合物材料中的一種或數(shù)種，形成單層或多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，金屬層淀積的總厚度也在10埃到1000埃之間。使用襯墊層的目的:一、是為了防止金屬層406和N型多晶404或者P型襯底401短路，二、可以減小金屬層406和N型多晶404之間的應(yīng)力，防止金屬層開
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[0037]如圖4c所示，通過涂膠和光刻，使在多晶的兩個側(cè)邊形成光刻膠掩蔽區(qū)域404a，為后續(xù)刻蝕形成“L”型邊墻提供保護(hù)。光刻膠的掩蔽能完整保留多晶側(cè)邊的襯墊層和金屬層，S卩“L”型邊墻的縱邊結(jié)構(gòu)；以及襯底表面的襯墊層和金屬層，即“L”型邊墻的橫邊結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的，橫邊結(jié)構(gòu)的具體寬度可以根據(jù)入射光線的入射角度以及MOS電容下極板的保護(hù)需要來確定，以防止入射光線穿透，避免引起電容存儲的電荷信號的變動。
[0038]如圖4d所示，對金屬層和襯墊層進(jìn)行第一次邊墻刻蝕，在N型多晶404的側(cè)壁以及其與N阱402的夾角處形成L型金屬層和L型襯墊層的疊加。L型金屬層的縱邊結(jié)構(gòu)覆蓋了 N型多晶的側(cè)壁，其橫邊結(jié)構(gòu)自N型多晶的兩個邊緣分別向遠(yuǎn)離多晶方向延伸。其結(jié)果是縱邊金屬層可以阻擋入射光線射入N型多晶，即存儲電容的上極板，而橫邊金屬層可以阻擋入射光線穿透并進(jìn)入N阱，即存儲電容的下極板。
[0039]因?yàn)椴捎酶煞涛g，因此位于L型金屬層下方的L型襯墊層的尺寸完全與金屬層的尺寸相同，這樣保證了金屬層406始終與N型多晶404或者P型襯底401隔離，不會與它們接觸發(fā)生短路。
[0040]如圖4e所不，在整片娃片上淀積邊墻介質(zhì)層407，將L型金屬層406和L型襯塾層405完全包裹。邊墻介質(zhì)層407可以使用二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等絕緣材料中的一種或多種，總厚度在10埃到2000埃之間。
[0041]如圖4f所示，對邊墻介質(zhì)層進(jìn)行各向同性的干法邊墻刻蝕，僅在N性多晶邊緣形成D型邊墻408。通過控制邊墻干法刻蝕的過刻蝕量，使得L型金屬層和L型襯墊層的頂端仍被邊墻介質(zhì)層包裹，即形成L型內(nèi)嵌金屬層和后續(xù)金屬硅化物之間的絕緣間隙409。
[0042]最后進(jìn)入常規(guī)CMOS工藝，如圖3所示，在N阱301內(nèi)形成N+源漏區(qū)303a作為MOS電容下極板N阱的引出，并通過金屬硅化物反應(yīng)在多晶和N+源漏區(qū)上形成金屬硅化物302b和303b。由于在金屬娃化物和L型內(nèi)嵌金屬層之間有邊墻介質(zhì)層形成的絕緣間隙304阻擋，避免了 MOS電容上極板N+多晶302a和下極板N阱301的短路。
[0043]以上介紹的僅僅是基于本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不能以此來限定本發(fā)明的范圍。任何對本發(fā)明的裝置作本【技術(shù)領(lǐng)域】內(nèi)熟知的部件的替換、組合、分立，以及對本發(fā)明實(shí)施步驟作本【技術(shù)領(lǐng)域】內(nèi)熟知的等同改變或替換均不超出本發(fā)明的揭露以及保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種全局曝光像素單元中防漏光存儲電容，包括不透光的上下極板和中間的介質(zhì)層，其特征在于，所述電容極板側(cè)壁覆蓋有不透光的隔斷結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的全局曝光像素單元中防漏光存儲電容，其特征在于所述不透光的隔斷結(jié)構(gòu)是內(nèi)嵌金屬層的邊墻。
3.如權(quán)利要求2所述的全局曝光像素單元中防漏光存儲電容，其特征在于所述邊墻由內(nèi)向外，包含襯墊層，金屬層和邊墻介質(zhì)層。
4.如權(quán)利要求3所述的全局曝光像素單元中防漏光存儲電容，其特征在于所述金屬層和襯墊層是L型的。
5.如權(quán)利要求3所述的全局曝光像素單元中防漏光存儲電容，其特征在于所述襯墊層和邊墻介質(zhì)層使用二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅之類的絕緣材料，所述金屬層使用鈦、氮化鈦、鎢、鋁、銅、鈷和鎳之類的金屬或金屬化合物。
6.如權(quán)利要求3所述的全局曝光像素單元中防漏光存儲電容，其特征在于所述襯墊層是單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)，所述金屬層是單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求3所述的全局曝光像素單元中防漏光存儲電容，其特征在于所述襯墊層厚度為10埃?1000埃，所述金屬層厚度為10埃?1000埃。
8.如權(quán)利要求3所述的全局曝光像素單元中防漏光存儲電容，其特征在于所述金屬層被襯墊層和邊墻介質(zhì)層包圍，與周圍結(jié)構(gòu)隔斷。
9.如權(quán)利要求1所述的全局曝光像素單元中防漏光存儲電容，其特征在于所述不透光的上極板由多晶和金屬硅化物組成，所述不透光的下極板由阱、源漏區(qū)和金屬硅化物組成，所述防漏光存儲電容中間的介質(zhì)層為二氧化硅。
10.如權(quán)利要求1所述的一種全局曝光像素單元中防漏光存儲電容的形成方法，其步驟為: 1)淀積不透光的隔離層； 2)在電容極板側(cè)壁形成隔離結(jié)構(gòu)； 3)淀積邊墻介質(zhì)層； 4)形成內(nèi)嵌隔離結(jié)構(gòu)的邊墻。
【文檔編號】H01L23/64GK104269397SQ201410482610
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】顧學(xué)強(qiáng), 趙宇航, 周偉 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司, 成都微光集電科技有限公司