一种全局曝光像素单元中防漏光存储电容及其形成方法
【专利摘要】本发明公开了一种全局曝光像素单元中防漏光存储电容，包括不透光的上下极板和中间的介质层，所述电容极板侧壁覆盖有不透光的隔断结构。本发明还公开这种全局曝光像素单元中防漏光存储电容的形成方法，具体步骤包括，生长衬垫层，淀积金属或金属化合物，光刻刻蚀在电容极板侧壁形成可以阻挡入射光线穿透的隔断结构，淀积边墙介质并刻蚀形成边墙。本发明通过内嵌金属层的边墙结构有效阻挡入射光线的穿透，避免由此造成的存储电容中存储电荷的失真，减少噪点，提高输出图像信号的正确率，适用于4T、5T、6T、8T和12T等各种需要MOS存储电容的全局像元结构中，应用广泛。本发明的方法与常规CMOS工艺兼容，成本低廉，工艺稳定。
【专利说明】一种全局曝光像素单元中防漏光存储电容及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种全局曝光像素单元中防漏光存储电容及其形成方法。
【背景技术】
[0002]图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，通常大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件CXD和互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器芯片两大类。
[0003]CMOS图像传感器和传统的C⑶传感器相比具有的低功耗，低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机DSC，手机摄像头，摄像机和数码单反DSLR中，而且在汽车电子，监控，生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。
[0004]CMOS图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。最常用像素单元为包含一个光电二极管和四个晶体管的有源像素结构，这些器件中光电二极管是感光单元，实现对光线的收集和光电转换，其它的MOS晶体管是控制单元，主要实现对光电二极管的选中，复位，信号放大和读出的控制。一个像素单元中MOS晶体管的多少决定了非感光区域占的面积，因此包含四个晶体管的像素结构通常称为4T像素单元。
[0005]在数码相机中通常有两种快门控制方式:机械快门和电子快门。机械快门通过安装在CMOS图像传感器前面的机械件的开合来控制曝光时间；电子快门通过像素单元的时序控制来改变积分时间，从而达到控制曝光时间的目的。由于机械快门需要机械件，会占用数码相机的面积，因此不适用于便携式的数码相机，而且对于视频监控应用而言，由于通常是进行视频采集，因此一般采用电子快门控制曝光时间。电子快门又分为两种:卷帘式和全局曝光式。卷帘式电子快门每行之间的曝光时间是不一致的，在拍摄高速物体是容易造成拖影现象；全局曝光式电子快门的每一行在同一时间曝光，然后同时将电荷信号存储在像素单元的存储节点，最后将存储节点的信号逐行输出，由于所有行在同一时间进行曝光，所以不会造成拖影现象。
[0006]随着CMOS图像传感器在工业、车载、道路监控和高速相机中越来越广泛的应用，对于可以捕捉高速运动物体图像的图像传感器的需求进一步提高。为了监控高速物体，CMOS图像传感器需要使用全局曝光的像素单元，而全局曝光像素单元中的用于存储电荷信号的存储节点对于光源的寄生响应是一个非常重要的指标。在实际应用中，根据每个像素单元使用晶体管的数目，全局曝光像素单元有4T、5T、6T、8T和12T等，如图1所示以8Τ全局曝光像素单元为例，Cl为存储节点I和C2为存储节点2。Cl和C2分别为存储电荷的MOS电容。存储节点的光源寄生响应是指存储节点电容对入射光的寄生响应，对于像素单元而言，入射到像素单元表面的光线由于折射和散射而不能全部聚焦到光电二极管表面，有部分光线可能入射到存储节点Cl和C2上，Cl和C2在入射光的照射下也可以像光电二极管一样产生光电响应，由于入射光而在Cl和C2上产生的电荷会影响原来存储在上面的由光电二极管产生的电压信号，造成了信号的失真。为了减小存储节点的光源寄生响应，Cl和C2上面需要使用完全不透光的金属屏蔽层来防止入射光线的影响。现有技术中，通常在CMOS工艺中用到的金属包括金属硅化物、钨、铝和铜等，减小存储节点光源寄生响应的就需要利用其中的一种或几种形成MOS电容的金属掩蔽层，避免入射光对MOS电容中存储电荷的影响。
[0007]现有技术的常规MOS电容包括N型和P型两种结构，以N型MOS电容为例。所谓MOS电容是一个在P型衬底上形成的两端器件，上极板由N型多晶和金属硅化物组成，下极板由N阱、N+源漏区和金属硅化物组成，CMOS工艺中的栅氧化层作为电容之间的介质层。MOS电容的上下极板由于包含有多晶、金属硅化物或者就是衬底本身的高浓度注入阱区，都已经实现不透光。MOS电容的侧壁覆盖有边墙，其目的是为了减小器件的横向电场，实现CMOS工艺需要的轻掺杂源漏区。边墙的引入能够将源漏N+注入和轻掺杂源漏NLDD注入分开。由于通常边墙使用氧化硅或氮化硅等绝缘材料作为其介质层，因此通过边墙同时可以隔断N型多晶和N+注入的源漏区上表面的金属硅化物，防止金属硅化物之间的短接。但是，由于氧化硅和氮化硅对入射光线是完全透明的，因此入射光线仍然可以穿透边墙进入MOS电容的多晶上极板和N阱下极板区域，造成MOS电容中存储的电荷信号失真，最终导致CMOS图像传感器输出信号的失真。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题是，阻止入射光线穿透边墙进入MOS电容的上下极板区域，避免由此造成的MOS电容中存储的电荷信号失真，从而避免CMOS图像传感器输出信号的失真，减少噪点，提高输出图像信号的正确率和改善图像清晰度。
[0009]为解决上述问题，本发明提供一种全局曝光像素单元中防漏光存储电容:包括不透光的上下极板和中间的介质层，其特征在于，所述电容极板侧壁覆盖有不透光的隔断结构；
[0010]可选的，不透光的隔断结构是内嵌金属层的边墙；
[0011]优选的，所述边墙由内向外，包含衬垫层，金属层和边墙介质层；
[0012]优选的，所述金属层是L型的；
[0013]优选的，所述衬垫层和边墙介质层使用二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等绝缘材料，所述金属层使用钛、氮化钛、钨、铝、铜、钴和镍等金属或金属化合物；
[0014]优选的，所述衬垫层是单层结构或多层结构，所述金属层是单层结构或多层结构；
[0015]优选的，所述衬垫层厚度为10埃?1000埃，所述金属层厚度为10埃?1000埃；
[0016]优选的，所述金属层被衬垫层和边墙介质层包围，与周围结构隔断；
[0017]可选的，所述不透光的上极板由多晶和金属硅化物组成，所述不透光的下极板由阱、源漏区和金属硅化物组成，所述防漏光存储电容中间的介质层为二氧化硅。
[0018]为解决上述问题，本发明提供一种全局曝光像素单元中防漏光存储电容的形成方法，其步骤为:
[0019]I)淀积不透光的隔离层，
[0020]2)在电容极板侧壁形成隔离结构，
[0021]3)淀积边墙介质层，
[0022]4)形成内嵌隔离结构的边墙。
[0023]以现有技术中常规的MOS电容中的N型MOS电容为例，其截面如图2所示。N型MOS电容是一个在P型衬底201上形成的两端器件，上极板由N型多晶202a和金属硅化物202b组成，下极板由N阱203a、N+源漏区203b和金属硅化物203d组成，栅氧化层204作为电容之间的介质层。为了减小器件的横向电场，使用边墙205将高掺杂N+源漏203b注入和轻掺杂NLDD源漏203c注入分开，实现在CMOS工艺中需要的轻掺杂的源漏区。边墙的引入同时还可以防止N+多晶202a和N+源漏区上面的金属硅化物203d的短接，避免栅和源漏之间的短路。但是，通常边墙使用氧化硅或氮化硅作为介质层。氧化硅和氮化硅对入射光线来说是全透明的，因此入射光线可以穿透边墙进入电容的多晶上极板和N阱下极板区域，造成MOS电容中存储的电荷信号的失真，最终导致CMOS图像传感器输出信号的失真。
[0024]采用本发明提供的用于CMOS图像传感器的全局曝光像素单元的防漏光存储电容可以解决现有技术的上述问题，阻挡入射光穿透并进入存储电容的上、下极板，避免入射光对MOS存储电容中电荷信号的影响。图3所示为本发明为了解决上述问题所提供的MOS电容结构的截面图，通过金属的淀积和刻蚀在边墙内嵌入金属层。金属层可以是CMOS工艺中常规的金属材料来形成，包括钛、氮化钛、钨、铝、铜、钴和镍等。由于金属层的不透光特性，进入边墙的入射光线被金属层全部反射，阻止入射光从多晶侧壁上进入MOS电容电荷信号存储区，防止存储信号的失真的发生。
[0025]采用本发明提供的用于CMOS图像传感器的全局曝光像素单元的防漏光存储电容的形成方法，在实现防漏光的同时，还防止边墙内嵌金属层305b和N+源漏区303a上及多晶上金属硅化物302b发生短路。本发明完成将金属层嵌入边墙主要分成四个步骤进行:首先进行衬垫层和金属层的淀积；其次进行光刻和第一次边墙刻蚀，形成L型衬垫层和金属层，即仅留下存储电容的侧壁的衬垫层305a和金属层305b，金属层和衬垫层完全覆盖存储电容极板的侧面，衬垫层夹在金属层和存储电容的极板之间，使金属层内侧和存储电容的极板302a之间完全隔开；再次，淀积边墙介质层，最后进行第二次边墙刻蚀，使得金属层外侧和两个端点被边墙的介质层305c完全包裹，出现绝缘间隙304，实现金属层嵌入边墙之内，同时使金属层与周围完全绝缘，防止了内嵌金属层和金属硅化物的短路。
[0026]由此可见，与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:本发明在现有技术的常规边墙中内嵌金属层，利用金属的不透光性阻挡入射光穿透边墙进入存储电容的上、下极板，避免入射光对MOS存储电容中电荷信号的影响，避免因MOS电容中存储的电荷信号失真而导致CMOS图像传感器输出信号的失真，实现减少噪点，提高输出图像信号的正确率和改善图像清晰度的有益效果。本发明在第一次边墙刻蚀前增加了一道光刻:这不仅能完整保留多晶侧边的衬垫层和金属层，即“L”型边墙的垂直线条；而且还保证了衬底表面的衬垫层和金属层具有光刻掩膜所设计的延伸宽度，即“L”型边墙的水平线条；进一步的，通过改变光刻胶掩蔽的尺寸还可以调整其在衬底平面的延伸宽度以适应对MOS电容下极板保护的需要，防止入射光线穿透，避免引起电容存储的电荷信号的变动。同时本发明所提出的内嵌金属层的边墙同样可以完成常规边墙的作用，即为减小器件的横向电场，将源漏的N+注入和源漏的轻掺杂NLDD注入分开，同时利用边墙采用绝缘材料的特点，分隔N型多晶和N+注入的源漏区上表面的金属硅化物，防止金属硅化物之间的短接造成栅极和源漏之间的短路。本发明所述的边墙内嵌金属层采用CMOS工艺中金属或金属化合物材料，包括钛、氮化钛、钨、铝、铜、钴和镍等，与常规工艺兼容，成本低廉。本发明中，金属层和衬垫层的图形化刻蚀是高选择比的自停止刻蚀，工艺简单稳定，易于控制。本发明可用于4T、5T、6T、8Τ和12Τ等各种需要MOS存储电容的全局像元结构中，应用广泛。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为8Τ全局曝光像素单元的电路结构
[0028]图2为常规的MOS电容结构
[0029]图3为本发明提供的用于全局曝光像素单元的防漏光的存储电容结构
[0030]图4a?f为实施例中防漏光的存储电容结构形成的具体方法
【具体实施方式】
[0031]为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。
[0032]本发明提供一种CMOS图像传感器的全局曝光像素单元中防漏光存储电容及其形成方法，能够避免入射光对MOS电容中存储的电荷信号的影响，避免输出信号的失真，使图像传感器最终能得到高质量的图像。
[0033]实施例
[0034]以N型MOS电容的形成过程为例。
[0035]首先在P型衬底401上使用常规CMOS工艺形成N型MOS电容的上下极板，上极板为N型多晶404，下极板为N阱402，栅氧化层403为电容介质，如图4a所示。
[0036]如图4b所示，在硅片表面全片淀积衬垫层405。衬垫层405可以是单层结构或多层结构，即可以使用二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等绝缘材料中的一种或多种，总厚度在10埃到1000埃之间。完成衬垫层淀积之后接着进行金属层406的全片淀积，金属层可以使用CMOS工艺中常规的金属或金属化合物材料来形成，包括钛、氮化钛、钨、铝、铜、钴和镍等金属或金属化合物材料中的一种或数种，形成单层或多层复合结构，金属层淀积的总厚度也在10埃到1000埃之间。使用衬垫层的目的:一、是为了防止金属层406和N型多晶404或者P型衬底401短路，二、可以减小金属层406和N型多晶404之间的应力，防止金属层开
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[0037]如图4c所示，通过涂胶和光刻，使在多晶的两个侧边形成光刻胶掩蔽区域404a，为后续刻蚀形成“L”型边墙提供保护。光刻胶的掩蔽能完整保留多晶侧边的衬垫层和金属层，S卩“L”型边墙的纵边结构；以及衬底表面的衬垫层和金属层，即“L”型边墙的横边结构。进一步的，横边结构的具体宽度可以根据入射光线的入射角度以及MOS电容下极板的保护需要来确定，以防止入射光线穿透，避免引起电容存储的电荷信号的变动。
[0038]如图4d所示，对金属层和衬垫层进行第一次边墙刻蚀，在N型多晶404的侧壁以及其与N阱402的夹角处形成L型金属层和L型衬垫层的叠加。L型金属层的纵边结构覆盖了 N型多晶的侧壁，其横边结构自N型多晶的两个边缘分别向远离多晶方向延伸。其结果是纵边金属层可以阻挡入射光线射入N型多晶，即存储电容的上极板，而横边金属层可以阻挡入射光线穿透并进入N阱，即存储电容的下极板。
[0039]因为采用干法刻蚀，因此位于L型金属层下方的L型衬垫层的尺寸完全与金属层的尺寸相同，这样保证了金属层406始终与N型多晶404或者P型衬底401隔离，不会与它们接触发生短路。
[0040]如图4e所不，在整片娃片上淀积边墙介质层407，将L型金属层406和L型衬塾层405完全包裹。边墙介质层407可以使用二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等绝缘材料中的一种或多种，总厚度在10埃到2000埃之间。
[0041]如图4f所示，对边墙介质层进行各向同性的干法边墙刻蚀，仅在N性多晶边缘形成D型边墙408。通过控制边墙干法刻蚀的过刻蚀量，使得L型金属层和L型衬垫层的顶端仍被边墙介质层包裹，即形成L型内嵌金属层和后续金属硅化物之间的绝缘间隙409。
[0042]最后进入常规CMOS工艺，如图3所示，在N阱301内形成N+源漏区303a作为MOS电容下极板N阱的引出，并通过金属硅化物反应在多晶和N+源漏区上形成金属硅化物302b和303b。由于在金属娃化物和L型内嵌金属层之间有边墙介质层形成的绝缘间隙304阻挡，避免了 MOS电容上极板N+多晶302a和下极板N阱301的短路。
[0043]以上介绍的仅仅是基于本发明的较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的装置作本【技术领域】内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本【技术领域】内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。
【权利要求】
1.一种全局曝光像素单元中防漏光存储电容，包括不透光的上下极板和中间的介质层，其特征在于，所述电容极板侧壁覆盖有不透光的隔断结构。
2.如权利要求1所述的全局曝光像素单元中防漏光存储电容，其特征在于所述不透光的隔断结构是内嵌金属层的边墙。
3.如权利要求2所述的全局曝光像素单元中防漏光存储电容，其特征在于所述边墙由内向外，包含衬垫层，金属层和边墙介质层。
4.如权利要求3所述的全局曝光像素单元中防漏光存储电容，其特征在于所述金属层和衬垫层是L型的。
5.如权利要求3所述的全局曝光像素单元中防漏光存储电容，其特征在于所述衬垫层和边墙介质层使用二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅之类的绝缘材料，所述金属层使用钛、氮化钛、钨、铝、铜、钴和镍之类的金属或金属化合物。
6.如权利要求3所述的全局曝光像素单元中防漏光存储电容，其特征在于所述衬垫层是单层结构或多层结构，所述金属层是单层结构或多层结构。
7.如权利要求3所述的全局曝光像素单元中防漏光存储电容，其特征在于所述衬垫层厚度为10埃?1000埃，所述金属层厚度为10埃?1000埃。
8.如权利要求3所述的全局曝光像素单元中防漏光存储电容，其特征在于所述金属层被衬垫层和边墙介质层包围，与周围结构隔断。
9.如权利要求1所述的全局曝光像素单元中防漏光存储电容，其特征在于所述不透光的上极板由多晶和金属硅化物组成，所述不透光的下极板由阱、源漏区和金属硅化物组成，所述防漏光存储电容中间的介质层为二氧化硅。
10.如权利要求1所述的一种全局曝光像素单元中防漏光存储电容的形成方法，其步骤为: 1)淀积不透光的隔离层； 2)在电容极板侧壁形成隔离结构； 3)淀积边墙介质层； 4)形成内嵌隔离结构的边墙。
【文档编号】H01L23/64GK104269397SQ201410482610
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】顾学强, 赵宇航, 周伟 申请人:上海集成电路研发中心有限公司, 成都微光集电科技有限公司