专利名称：Mos晶体管及cmos图像传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及半导体制造技术领域，特别涉及MOS晶体管及CMOS图像传感器。
背景技术：
目前，图像传感器存在多种噪声，这些噪声将和信号一起输出，从而造成了输出的 图像质量下降。其中，噪声源包括固定图案噪声、闪烁噪声和光噪声。固定图案噪声一般 可以通过对信号进行滤波而消除，光噪声可以通过后端金属的调节和电介质的减薄来达到 减弱的目的，然而闪烁噪声无法通过后续电路去除。闪烁噪声又称Ι/f噪声，在CCD (Charge-coupled Device,电荷耦合元件)传感器 的结构里，由于一列CCD只有一个源跟随器(通常为一个MOS晶体管)这样一个放大器件， 从而源跟随器MOS晶体管的面积可以做的很大，随着面积的增大可以使闪烁噪声大大减 小。CMOS图像传感器相对于CCD图像传感器而言，具有集成度高，功耗低，成本低等优势，得 到了越来越广泛的应用。然而对于CMOS图像传感器，像素的设计有很多种结构，一般包括 η个晶体管，每个晶体管实现不同的功能。CMOS图像传感器像素最常见的是3T和4T结构。 如图1所示为CMOS图像传感器1个3T结构的像素的示意图，3T结构即在像素中有三个晶 体管，分别是复位管RST，源跟随器SF和行选通开关管SEL (4T在3T的基础上增加了一个传 输管)，在每个像素中，都有一个光电二极管PD，用来将光信号转化成电信号，从而达到感 光的目的。无论3T还是4T结构的像素，每个像素都需要一个单独的源跟随器(通常为一 MOS晶体管)。随着CMOS图像传感器中像素数目的增大，为了保证CMOS图形传感器的面积 不增大，就需要减小像素面积，这样源跟随器MOS晶体管的面积就需要减小，因此闪烁噪声 本身会随着源跟随器MOS晶体管的面积减少而增大，闪烁噪声的存在使图像信号输出时叠 加一个无法通过后续电路去除的噪声，使得最终输出图像会显得比较毛糙，图像信噪比下 降，严重影响了 CMOS图像传感器的质量。除此之外，CMOS图像传感器中，传输MOS晶体管 带来的闪烁噪声也会对CMOS图像传感器带来较大的影响。在现有的MOS晶体管的制造技术中，通常首先在半导体衬底上形成栅氧层，在栅 氧层上形成栅导电层，然后通过刻蚀栅导电层和栅氧层形成栅极，接着在栅极两侧的衬底 中离子注入形成源极区和漏极区，从而形成MOS晶体管。其中，所述栅氧层通常利用氧化物 形成，例如二氧化硅(SiO2)或者掺杂的二氧化硅。在MOS晶体管的制造过程中，离子注入形 成源极区和漏极区时，同时有注入的P型或者N型离子穿通(boron)栅极，进入栅氧层。所 述穿通进入的离子会导致MOS晶体管产生漏电流或者负偏置温度稳定性(NBTI)变差。为了解决所述漏电流的问题，现有的MOS器件的制造工艺中，通常会利用在含氮 的氛围中退火，从而在栅氧层中引入氮原子，这样会阻碍N型离子或者P型离子进入栅氧 层。图2所示为含氮栅氧层与不含氮栅氧层形成的MOS器件的闪烁噪声比较图，其中曲线 Sl为含氮栅氧层形成的MOS器件的闪烁噪声，曲线S2为不含氮栅氧层形成的MOS器件的闪 烁噪声。从图2可见，相比于掺氮的栅氧层，硅和二氧化硅界面不掺氮的栅氧层闪烁噪声会 有数量级别的减小。[0006]在公告号“CN100369209C”的中国专利文献中公开了一种形成栅介电层(栅氧层) 的方法，包括于半导体衬底上形成氧化硅层；以及使用含惰性气体与氮气的等离子体对 该氧化硅层进行第一与第二掺氮步骤，以形成栅介电层，其中该第二掺氮步骤相较之下，该 第一掺氮步骤的功率较低，压力较低，但惰性气体/氮气比较高。但是上述的栅氧层中由于引入氮原子，使得大量氮原子(约占原子总数的2. 5%) 存在于硅衬底和栅氧层的界面处，而氮原子的存在增大了载流子与上述界面的散射，使得 MOS晶体管沟道内的电流在低频情况下的波动加大，使得MOS晶体管的稳定性变差。因而将上述的MOS晶体管用在CMOS图像传感器中，充当源跟随器MOS晶体管会导 致CMOS图像传感器的闪烁噪声增大。
实用新型内容为了解决上述问题，本实用新型提供了 MOS晶体管，使得MOS晶体管的稳定性提
尚ο本实用新型还提供了一种CMOS图像传感器，使得图像传感器的精确度更高。其中，一种MOS晶体管，包括半导体衬底，在所述半导体衬底上具有栅极，所述栅极包括栅氧层和位于栅氧层 上的栅导电层，在所述栅极两侧的半导体衬底中具有源极区和漏极区，所述栅氧层包括含 氮的氧化硅层和位于含氮的氧化硅层和半导体衬底之间的不含氮的氧化硅层。可选的，所述含氮氧化硅层的厚度和不含氮的氧化硅层的厚度比为1 9至 3 7。可选的，所述栅氧层的厚度为60至70埃。可选的，所述氧化硅为二氧化硅。一种CMOS图像传感器，包括用于采集光强的光电二极管、源跟随器晶体管、复位 晶体管和行选通开关晶体管；所述源跟随器晶体管为所述的MOS晶体管。可选的，所述复位晶体管为所述的MOS晶体管。可选的，所述行选通开关晶体管为所述的MOS晶体管。可选的，还包括传输晶体管，所述传输晶体管为所述的MOS晶体管。和现有技术相比，本实用新型的优点在于通过将MOS晶体管的栅氧层结构改为包括含氮的氧化硅层和位于含氮的氧化硅 层和半导体衬底之间的不含氮的氧化硅层的复合层结构，这样利用含氮的氧化硅层克服了 掺杂的离子穿通的问题，利用不含氮的氧化硅层克服了氮原子造成的界面态不好的问题， 从而即减小了 MOS管的漏电流，还提供了 MOS晶体管的稳定性，进一步的将该MOS晶体管用 于CMOS图形传感器中，减小了图像传感器的闪烁噪声，提供了图像传感器的精确度。
图1为现有技术中的一种CMOS图像传感器的电路图；图2为含氮栅氧层与不含氮栅氧层形成的MOS器件的闪烁噪声比较图；图3为本实用新型的一种MOS晶体管的结构示意图；[0026]图4为本实用新型的MOS晶体管的制造方法一实施例的流程图；图5-图10为本实用新型的MOS晶体管的一实施例的制造方法的示意图；图11为本实用新型的CMOS图像传感器一实施例的像素电路图；图12为本实用新型的CMOS图像传感器另一实施例的像素电路图。
具体实施方式
参考背景技术可见，为了减小掺杂离子的穿通问题，会向栅氧层中引入氮原子，造 成使大量氮原子(约占原子总数的2.5%)存在于硅衬底和栅氧层的界面处。这样，由于氮 原子的存在增大了载流子与上述界面的散射，使得MOS晶体管沟道内的电流在低频情况下 的波动加大，使得MOS晶体管的稳定性变差。因而将上述的MOS晶体管用在CMOS图像传感 器中，充当源跟随器MOS晶体管会导致CMOS图像传感器的闪烁噪声增大。本实用新型提供了一种MOS晶体管，通过将MOS晶体管的栅氧层结构改为包括含 氮的氧化硅层和位于含氮的氧化硅层和半导体衬底之间的不含氮的氧化硅层的结构，这样 利用含氮的氧化硅层克服了掺杂的离子穿通的问题，利用不含氮的氧化硅层克服了氮原子 造成的界面态不好的问题，从而即减小了 MOS管的漏电流，还提高了 MOS晶体管的稳定性， 进一步的将该MOS晶体管用于CMOS图形传感器中，减小了图像传感器的闪烁噪声，提高了 图像传感器的精确度。图3为本实用新型的一种MOS晶体管的结构示意图。如图3所示，包括半导体衬 底100，在所述半导体衬底100上具有栅极108，所述栅极108包括栅氧层和位于栅氧层上 的栅导电层106，在所述栅极两侧的半导体衬底中具有源极区110和漏极区112，其特征在 于，所述栅氧层包括含氮的氧化硅层102和位于含氮的氧化硅层102和半导体衬底之间的 不含氮的氧化硅层104。还可以在栅极两侧具有栅极侧壁层105。所述栅导电层106位于 所述含氮的氧化硅层102表面上。其中可选的，所述含氮的氧化硅层的厚度和不含氮的氧化硅层的厚度比为1 9 至 3 7。其中可选的，所述栅氧层的厚度为60至70埃。其中可选的，所述氧化硅为二氧化硅。图4为本实用新型的MOS晶体管的制造方法一实施例的流程图。如图4所示，本实用新型的MOS晶体管的制造方法包括下列步骤SllO 提供半导体衬底；S120 在半导体衬底上形成含氮的氧化硅层；S130:在所述含氮的氧化硅层下的半导体衬底中形成不含氮的氧化硅层，所述含 氮的氧化硅层和不含氮的氧化硅层构成栅氧层；S140 在所述栅氧层上形成栅导电层；S150 刻蚀所述栅导电层和栅氧层，形成栅极；S160 在栅极两侧的半导体衬底中形成源极区和漏极区。图5-图10为本实用新型的MOS晶体管的制造方法实施例的示意图。下面结合图 4-图10对本实用新型的具体实施方式
做详细的说明。首先执行步骤S110，参考图5，提供一半导体衬底100，所述的半导体衬底100可以是单晶硅、多晶硅或非晶硅；所述半导体衬底100也可以是硅、锗、砷化镓或硅锗化合物；该 半导体衬底100还可以具有外延层或绝缘层上硅结构；所述的半导体衬底100还可以是其 它半导体材料，这里不再一一列举。在所述半导体衬底100中可以具有P阱，所述P阱可以用本领域技术人员所习知 的方法形成，例如，在半导体衬底100上先通过光刻工艺定义出形成P阱的区域，然后进行 离子注入，形成P阱，注入的离子为P型离子，例如硼离子。接着，执行步骤S120，参考图6，在半导体衬底100上形成含氮的氧化硅层102。氧 化硅层102可以为二氧化硅材料。本实施例中氧化硅层102利用热氧化生长或者淀积的方 法产生。因为该氧化硅层102起到电绝缘的作用，而且随着工艺尺寸的减小，需要该氧化硅 层102很薄，因此采用热氧化生长的方式可以获得高质量的氧化硅层102。例如该步骤可以 具体为先清洗半导体衬底100，去除表面的沾污和氧化层，然后将半导体衬底100放入氧 化炉，通入氧气，在700摄氏度至900摄氏度之间半导体衬底100表面生在一层6埃至18 埃的二氧化硅材料的氧化硅层102。优选的，在该过程中还可以通入氮气作为缓冲气体，同 时还可以引入氮原子。然后在氧气和含氮气体的氛围中对所述生长的氧化硅层进行退火。例如，停止向 氧化炉中通入氮气，取而代之的是通入一氧化氮、二氧化氮或者其混合气体。并且继续通入 氧气，在温度800摄氏度至1000摄氏度之间进行退火，从而向氧化硅层102中引入氮原子， 在本实施例中，退火的时间为IOs至60s，具体的退火时间取决于需要形成的氧化硅中的氮 原子浓度，时间越长氮原子浓度越大。该步退火的温度高于氧化生长氧化硅层102的温度， 例如生长氧化硅层102的温度为800摄氏度，则该退火的温度为900摄氏度。从而在退火 之后将氮原子掺杂在氧化硅层102内，即氧化硅层102成为含氮的氧化硅层。并且该含氮 的氧化硅层102占栅氧层总厚度的10%至30%，例如具体为6至18埃。在另一实施例中，向氧化硅层102中掺氮还可以采用快速热渗氮(RTN)，炉中渗 氮，远距离等离子渗氮(RPN)或去耦等离子体渗氮(DPN)等方式。例如具体可以采用去耦 等离子体渗氮(DPN)方法，可以在氧化硅层102掺杂入剂量为2E15 6E15的N离子。接着，执行步骤S130，参考图7，在所述含氮的氧化硅层102下的半导体衬底100 中形成不含氮的氧化硅层104，所述含氮的氧化硅层102和不含氮的氧化硅层104构成栅氧 层。具体的，可以将具有含氮的氧化硅层102的半导体衬底100放入氧化炉中，向氧化炉中 通入氧气。因为含氮的氧化硅层很薄，氧气会穿过含氮的氧化硅层102和其下方的半导体 衬底的硅反应，在含氮的氧化硅层102下方生长氧化硅层，该氧化硅层的生长过程中，由于 没有引入氮原子，因此生成的氧化硅层104为不含氮的氧化硅层，具体的材料可以为二氧 化硅。该不含氮的氧化硅层104和含氮的氧化硅层102构成栅氧层。不含氮的氧化硅层的 厚度占栅氧层厚度的70%至90%。在本实施例中，所述栅氧层的厚度为60至70埃。接着，执行步骤S140，参考图8，在栅氧层形成栅导电层106。栅导电层106的材 料可以为多晶硅。例如栅导电层106可以采用化学气相淀积形成，包括常压化学气相淀积 (APCVD)、低压化学气相淀积(LPCVD)、等离子体辅助化学气相淀积等。因为LPCVD具有优良 的台阶覆盖能力。因此本实施例中在栅导电层106的形成过程采用LPCVD。本领域技术人 员可以根据制造工艺来确定栅导电层106所需的厚度。[0053]接着，执行步骤S150，参考图9，刻蚀栅导电层106和栅氧层，形成栅极。该步可 以采用本领域技术人员熟知的方法，例如先涂覆光刻胶层，然后进行光刻和刻蚀，形成栅极 108。接着，执行步骤S160，参考图10，在栅极108两侧的半导体衬底100中形成源极区 110和漏极区112。该步可以采用本领域技术人员熟知的方法，例如采用离子注入的方式向 具有栅极的半导体衬底注入P型离子，例如硼离子，在栅极两侧的半导体衬底中便形成高 浓度的源极区110和漏极区112。在形成源极区和漏极区之前还可以包括在栅极108的侧 上形成侧壁层。本实用新型的MOS晶体管通过掺氮的方法在栅氧层与栅导电层106接触的表面处 形成一层含氮的氧化硅层102，从而可以减少后期离子注入形成源极区和漏极区的过程中 离子穿通，这样可以减少MOS管的漏电，提高NBTI (负偏置温度稳定性)。并且还在栅氧层 的和衬底100接触的表面处形成不含氮的氧化硅层104，这样该层氧化硅层因为不含氮，因 此不会存在氮单元造成的载流子在衬底和栅氧层界面的散射，因此减小了沟道电流在低频 情况下的波动，提高了 MOS管的稳定性。在本实用新型的另一个实施例中还提供了一种CMOS图像传感器，例如该图像传 感器的像素可以为3T结构，如图11所示，包括用于采集光强的光电二极管PD、源跟随器晶 体管SF、复位晶体管RST和行选通开关晶体管SEL，所述光电二极管PD的正极接地，负极耦 接复位晶体管RST的源极，复位晶体管RST的漏极接电源VDD，源跟随器晶体管SF的栅极耦 接复位晶体管RST的源极，源跟随器晶体管SF的漏极接电源VDD，源跟随器晶体管SF的源 极耦接行选通开关晶体管SEL的漏极，行选通开关晶体管SEL的源极为像素的输出端。其 中，所述源跟随器晶体管SF为上述实施例中的MOS晶体管。在CMOS图像传感器中源跟随 器晶体管带来的闪烁噪声对图形的影响最大，因此采用本实用新型的MOS晶体管可以大大 的减小闪烁噪声，使得闪烁噪声结果与不掺氮的栅氧层噪声，例如图2中曲线S2基本相同。进一步的，还可以将CMOS图像传感器像素中的复位晶体管RST和/或行选通开关 晶体管SEL也采用上述实施例中的MOS晶体管，更进一步的还可以将CMOS图像传感器中 的所有的MOS晶体管都替换为上述实施例中的MOS晶体管，这样使得所有的MOS晶体管可 以采用相同的制造工艺，因此节省了工艺过程，还最大程度的减小了闪烁噪声，提高了 CMOS 图像传感器的精确度。本实用新型还提供了一种具有4T结构的像素的图像传感器，参考图12，光电二极 管PD的正极接地，负极耦接传输晶体管TX的源极，传输晶体管TX的漏极耦接复位晶体管 RST的源极，复位晶体管RST的漏极接电源VDD，源跟随器晶体管SF的栅极耦接复位晶体管 RST的源极，源跟随器晶体管SF的漏极接电源VDD，源跟随器晶体管SF的源极耦接行选通 开关晶体管SEL的漏极，行选通开关晶体管SEL的源极为像素的输出端。由此可见，4T结构 的像素与3T结构的像素不同之处在于多传输晶体管TX，因此其中除了将源跟随器晶体管 SF、复位晶体管RST和行选通开关晶体管SEL替换为上述的MOS晶体管外，还可以将传输晶 体管替换为上述实施例中的MOS晶体管。除此之外，本实用新型的MOS晶体管还可以用于其他的图像传感器中，采用相同 的原理减少闪烁噪声。本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因 此本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。
权利要求1.一种MOS晶体管，包括半导体衬底，在所述半导体衬底上具有栅极，所述栅极包括栅氧层和位于栅氧层上的 栅导电层，在所述栅极两侧的半导体衬底中具有源极区和漏极区，其特征在于，所述栅氧层 包括含氮的氧化硅层和位于含氮的氧化硅层和半导体衬底之间的不含氮的氧化硅层。
2.如权利要求1所述的MOS晶体管，其特征在于，所述含氮氧化硅层的厚度和不含氮的 氧化硅层的厚度比为1 9至3 7。
3.如权利要求2所述的MOS晶体管，其特征在于，所述栅氧层的厚度为60至70埃。
4.如权利要求2所述的MOS晶体管，其特征在于，所述氧化硅为二氧化硅。
5.一种CMOS图像传感器，包括用于采集光强的光电二极管、源跟随器晶体管、复位晶 体管和行选通开关晶体管；其特征在于，所述源跟随器晶体管为权利要求1至4中任意一项所述的MOS晶体管。
6.根据权利要求5所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述复位晶体管为权利要求 1至4中任意一项所述的MOS晶体管。
7.根据权利要求5所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述行选通开关晶体管为权 利要求1至4中任意一项所述的MOS晶体管。
8.根据权利要求5所述的CMOS图像传感器，其特征在于，还包括传输晶体管，所述传输 晶体管为权利要求1至4中任意一项所述的MOS晶体管。
专利摘要本实用新型公开了一种MOS晶体管及CMOS图像传感器，该MOS晶体管包括半导体衬底，在所述半导体衬底上具有栅极，所述栅极包括栅氧层和位于栅氧层上的栅导电层，在所述栅极两侧的半导体衬底中具有源极区和漏极区，其特征在于，所述栅氧层包括含氮的氧化硅层和位于含氮的氧化硅层和半导体衬底之间的不含氮的氧化硅层，从而使得MOS晶体管的稳定性提高，图像传感器精确性更高。
文档编号H01L29/51GK201845782SQ20102057565
公开日2011年5月25日 申请日期2010年10月19日 优先权日2010年10月19日
发明者李文强, 李 杰, 霍介光 申请人:格科微电子(上海)有限公司