一种增强吸收的背照式抗辐照PPD像元结构及其实现方法与流程

一种增强吸收的背照式抗辐照ppd像元结构及其实现方法
技术领域
1.本发明属于图像传感器技术领域，涉及一种增强吸收的背照式抗辐照ppd像元结构及其实现方法。


背景技术：

2.由于互补型金属-氧化物-半导体(complementary metal oxide semiconductor,cmos)工艺技术在大规模及超大规模集成电路(very large scale integration,vlsi)制程中的推广，cis(cmos image sensors,cis)近些年发展迅速，并实现将光电感光模块与图像信号处理模块集成于同一芯片，从而大幅度降低了研制成本，并缩短了研发周期。像素单元(简称像元)在整个传感器系统中起着举足轻重的作用，负责将光学图像信号转换为电学信号，是真正意义上实现“传感”的单元，也是图像传感器的组成核心。因此，基于像素单元展开深入充分的研究对图像传感器的发展具有极其重大的意义于价值。
3.钳位光电二极管(pinned photodiode，ppd)结构拥有众多优势，首先表现在p
+
钳位层的引入使光电二极管光敏收集区上移，具备良好的短波段光电荷收集能力，提升了蓝光量子效率；其次，光电二极管由单结耗尽变为双结耗尽，增大了光敏区收集体积，提升了像元的灵敏度和动态范围；再次，钳位型结构可使感光节点被钳位至固定电势，从而可增大电荷存储节点与感光节点之间的电势差，有利于电荷向存储节点的完全转移；最后，掩埋式光敏收集区的设计减弱了光电荷收集过程光电子被si-sio2界面缺陷复合的影响，大大降低了像元的暗电流。ppd像元由于在诸多性能方面的优越性以及潜在应用领域的广泛性使其备受研究人员的关注，因此具有极大的研究意义和价值。
4.然而，传统的ppd像元结构中钳位层是通过离子注入形成的，因而在注入的过成中会在光电二极管表面处引入注入损伤缺陷，虽然钳位层的存在可以抑制光电子在光电二极管表面的复合，但是注入损伤在表面沿体内的方向上居于一定分布，引入的缺陷对光电子的复合作用难以完全抑制，从而限制了ppd像元的量子效率、灵敏度与安电流等特性。因此，需要探索能够降低光电二极管表面缺陷的ppd像元设计，从而进一步提升图像传感器的效率。另外，cis在航空航天技术领域也具有用重要应用。人造卫星是航天技术的核心，而图像传感器是人造卫星的“眼睛”，从深空探测到地表环境监测，图像传感器无不发挥着重要的作用。然而，空天环境比日常的生活环境更为复杂，空间中充满各种辐射，空间辐射环境主要来自宇宙射线、太阳耀斑辐射、围绕地球的内外范艾伦辐射带、太阳风、极光、太阳x射线以及频谱范围较宽的电磁辐射等。上述辐射源的主要成分是高能质子、高能电子及各种射线等。空间辐射极易对半导体器件的性能产生损伤，造成微电子系统出现不同程度的故障，导致其无法正常工作。对于cis这一精密的微电子系统，辐射将造成其像素器件损伤，导致成像质量显著下降。因此，还需探索能够保证cis优异性能的同时实现抗辐照特性的像元加固结构设计。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中通过离子注入形成的钳位层，在注入的过程中会在光电二极管表面引入注入损伤缺陷，损伤缺陷对光电子的复合作用难以完全抑制，从而限制了ppd像元的量子效率的问题，提供一种增强吸收的背照式抗辐照ppd像元结构及其实现方法。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.一种增强吸收的背照式抗辐照ppd像元结构，包括外延层、阱注入区、传输管阈值调整注入层、栅氧化层、栅极、pd注入区、fd区、高k介质层、fd欧姆接触金属、反射金属层和钝化层；
8.所述阱注入区、传输管阈值调整注入层和pd注入区设置在外延层上，传输管阈值调整注入层的一侧依次设置有栅氧化层和栅极，所述fd区位于阱注入区内部，所述高k介质层设置在外延层表面，同时覆盖栅极、pd注入区和fd区，fd欧姆接触金属与fd区表面接触，反射金属层设置在高k介质层的表面，钝化层设置在反射金属层、高k介质层和fd欧姆接触金属的表面。
9.一种增强吸收的背照式抗辐照ppd像元结构的实现方法，包括以下步骤：
10.在外延层上进行浅槽隔离；
11.注入离子形成阱注入区；
12.注入离子形成传输管阈值调整注入层；
13.淀积栅氧化层和栅极，并进行栅极的图形化；
14.通过自对准注入形成pd注入区以及fd区，并进行退火激活；
15.淀积高k介质层覆盖pd注入区与隔离浅槽表面；
16.去除fd区表面的高k介质层，淀积欧姆接触金属并进行退火；
17.在高k介质层表面淀积反射金属层；
18.在器件表面淀积钝化层。
19.本发明的进一步改进在于：
20.所述外延层的掺杂浓度为1
×
10
15
～5
×
10
15
cm-3
，厚度为2～5μm。
21.所述阱注入区需要若干次硼离子注入，包括以下步骤：
22.首先注入能量为140～160kev，注入剂量为1
×
10
13
～2
×
10
13
cm-2
；
23.然后注入能量为290～310kev，注入剂量为1
×
10
12
～3
×
10
12
cm-2
；
24.最后注入能量为70～90kev，注入剂量为1
×
10
12
～3
×
10
12
cm-2
。
25.所述传输管阈值调整注入层为硼离子注入，注入能量为5～7kev，注入剂量为1
×
10
12
～3
×
10
12
cm-2
。
26.所述栅氧化层的材质为二氧化硅，厚度为7～10nm。
27.所述pd注入区中注入的掺杂剂为砷，注入能量为60～70kev，注入剂量为4
×
10
12
～6
×
10
12
cm-2
。
28.所述fd区注入的掺杂剂为磷，注入能量为18～22kev，注入剂量为2
×
10
12
～3
×
10
12
cm-2
。
29.所述高k介质层的厚度为10～15nm，高k介质层由al2o3、hfo2、tio2和ta2o5中的一种或多种制成。
30.所述反射金属层覆盖高k介质层，反射金属层的厚度为200～800nm，反射金属层为mg、sc和y中的一种或多种制成。
31.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
32.通过淀积高k介质层与功函数较小的反射金属层，利用金属与半导体之间的功函数差，在半导体pd注入区的表面感应出空穴，并通过将金属层与外延层共同接到电源地，实现对ppd表面感生空穴层的电位钳制，从而避免了通过高剂量离子注入的方式形成光电二极管表面的钳位层，有效的减少了ppd表面由于注入损伤引入的缺陷，减少了光电二极管中光电子在表面的复合，提升了像素单元的量子效率。
33.进一步的，在ppd结构中由于覆盖在光电二极管与隔离浅槽表面的高k介质层的厚度仅为10～15nm，因此辐照效应在该氧化层中产生的电荷量大幅减少，对于辐照效应具有很好的抑制作用。
34.进一步的，对于波长较长的入射光，在进入背照式像元后的传输路径较长，容易穿过整个外延层到达金属互连层，反射金属层可以使波长较长的入射光穿过整个光电二极管后在反射金属层处发生反射，反射后的入射光再次进入光电二极管，从而可以被充分吸收，大幅的提升背照式像元的量子效率。
附图说明
35.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
36.图1为本发明中的像元结构感生空穴积累层示意图；
37.图2为本发明的像元结构反射入射光增强吸收示意图；
38.图3-图13为本发明的像元结构制备方法流程示意图。
39.其中：10-外延层，11-阱注入区，12-传输管阈值调整注入层，13-栅氧化层，14-栅极，15-pd注入区，16-fd区，17-高k介质层，18-fd欧姆接触金属，19-反射金属层，20-钝化层，21-感生反型层。
具体实施方式
40.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
41.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
43.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
44.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
45.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
46.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
47.参见图1，为本发明中的像元结构感生空穴积累层示意图，包括外延层10、阱注入区11、传输管阈值调整注入层12、栅氧化层13、栅极14、pd注入区15、fd区16、高k介质层17、fd欧姆接触金属18、反射金属层19和钝化层20；首先在轻掺杂外延层10上进行浅槽隔离，形成的隔离浅槽暂不填充；然后离子注入形成阱注入区11，定义传输管区域；离子注入形成传输管阈值调整注入层12；随后淀积栅氧化层13以及栅极14，并进行栅极的图形化；通过自对准注入工艺分别形成pd注入区15以及fd区16，并进行退火激活；淀积高k介质层17覆盖器件表面，包括pd注入区15与隔离浅槽；去除fd区16表面的薄氧化层，淀积欧姆接触金属18并进行退火；随后在高k介质层17下方淀积功函数较小的反射金属层19；在器件表面淀积钝化层20。通过在pd注入区15以及隔离浅槽的表面淀积高k介质层17与反射金属层19，利用金属与半导体之间的功函数差，在半导体pd的表面感应出空穴，形成与传统ppd类似的表面空穴积累层，并通过将反射金属层19与外延层10共同接到电源地，实现对ppd表面感生空穴层的电位钳制。与传统ppd结构相比，本发明提出的ppd像元结构避免了通过高剂量离子注入的方式形成光电二极管表面的钳位层，从而减少了ppd表面由于注入损伤引入的缺陷，减少了光电二极管中光电子在表面的复合，提升了像素单元的量子效率，并且利用填充隔离浅槽金属与半导体之间的功函数差产生感生空穴形成pd与隔离浅槽之间的势垒，避免了高能量隔离阱注入引入的复合中心，有利于提升转化效率。另外，由于本发明提出的ppd结构中覆盖在光电二极管与隔离浅槽表面的高k介质层17很薄，因此辐照效应在该氧化层中产生的电荷量大幅减少，这也意味着该结构对于辐照效应，尤其对于总剂量效应，具有很好的抑制作用。同时，本发明利用金半功函数在光电二极管表面感生出的空穴积累层，与传统ppd表面离子注入的钳位层类似，是光电二极管中光电子向表面运动路径上的势垒，可以有效减少光电子在表面的复合，进一步抑制辐照效应在表面氧化层中引入电荷的影响。通常，在淀积于高k介质层17的过程中，容易在其中形成电子陷阱，在俘获电子后成为负电中心，这也有助于在pd表面感生出空穴积累层。
48.参见图2，为本发明的像元结构反射入射光增强吸收示意图，反射金属层19不仅是抗辐照像元中ppd形成钳位层的关键，而且为背照式像元的入射光提供反射吸收的反射层。
尤其对于波长较长的入射光而言，进入背照式像元后传输路径较长，很容易穿过整个外延层到达金属互连层，这样在外延层中光电二极管对入射光的收集就会收到限制。反射金属层19的引入，使波长较长的入射光穿过整个光电二极管后在反射金属层19处发生反射，入射光反射后再次进入光电二极管，从而可以被充分吸收而进一步提升量子效率。
49.外延层10在完成浅槽隔离(shallow trench isolation，sti)工艺的浅槽刻蚀后，并不直接进行浅槽的隔离填充，而是先完成传输管阈值调整注入12、栅极制备(包括栅氧化层13以及栅极14的图形化)、以及pd注入区15与fd区16，然后在pd表面淀积高k介质层17与反射金属层19时将隔离浅槽一并填充。高k介质层17通过ald覆盖整个器件表面，包括pd注入区15、栅极14以及隔离浅槽，欧姆接触与栅极接触孔处覆盖的高k介质层17在后续的工艺中选择性去除。高k介质层17的主要作用是避免反射金属层19与光电二极管表面直接接触形成漏电，同时薄层设计既要保证反射金属层19在半导体表面对空穴的有效感生作用，也要起到有效减少辐照效应在氧化层中引入电荷的数量的作用。高k介质层17下方(对于背照式而言)淀积的金属层19材料需选取功函数比pd表面半导体功能函数至少低eg/2的单质金属或者合金，需要覆盖在高k介质层17下方(对于背照式而言)并填充隔离浅槽。另外，综合考虑工艺条件和设计冗余，反射金属层19在栅极14有交叠设计，并要求交叠长度为1/3～1/2倍的栅极14长度。
50.参见图3-图13，为本发明的像元结构制备方法流程示意图，对于背照式图像传感器，外延层10为轻掺杂硅基p型外延层，掺杂浓度为1
×
10
15
～5
×
10
15
cm-3
，厚度为2～5μm；阱注入区11设置在外延层10上，形成需要多次将硼离子注入，注入条件依次为：注入能量140～160kev，注入剂量1
×
10
13
～2
×
10
13
cm-2
；注入能量290～310kev，注入剂量1
×
10
12
～3
×
10
12
cm-2
；注入能量70～90kev，注入剂量1
×
10
12
～3
×
10
12
cm-2
；传输管阈值调整注入层12设置在外延层10上，并且部分位于阱注入区11内，注入条件采用硼离子注入，注入能量5～7kev，注入剂量1
×
10
12
～3
×
10
12
cm-2
；栅氧化层13和栅极14依次设置在传输管阈值调整注入层12的下方，栅氧化层13设置在外延层10表面，栅氧化层可选为二氧化硅，厚度为7～10nm；栅极14设置在栅氧化层13下方，栅极14的长度与厚度可根据具体的工艺节点灵活确定；pd注入区15，设置在外延层10上，且利用自对准离子注入形成，处于传输管阈值调整注入层12的左侧，注入条件为砷注入，注入能量60～70kev，注入剂量4
×
10
12
～6
×
10
12
cm-2
；fd区16，设置在外延层10上，且处于阱注入区11内，利用自对准离子注入形成，处于传输管阈值调整注入层12的右侧，注入条件为磷注入，注入能量18～22kev，注入剂量2
×
10
12
～3
×
10
12
cm-2
，退火温度为1050℃，10s；高k介质层17，设置在外延层10下表面，同时覆盖pd、隔离浅槽与传输管栅极等，高k材料为al2o3、hfo2、tio2或ta2o5等的一种或多种的组合，厚度为10～15nm；fd欧姆接触金属18，设置在fd区16下表面，fd欧姆接触金属18与fd区16直接的界面为欧姆接触界面，fd欧姆接触金属18可选为ni金属，厚度为50～100nm，退火温度为600℃，30s；反射金属层19，设置在高k介质层17下表面，同时覆盖pd与隔离浅槽，且与栅极14有交叠，材料可为功函数较小的mg、sc以及y等的一种或者合金组合，厚度为200～800nm，与栅极14的交叠长度为1/3～1/2倍的栅极14长度。钝化层20，设置在反射金属层19、栅极14以及fd欧姆接触金属18的下表面，材料可选为氮化硅与为氧化硅的组合，厚度为0.5～1μm。
51.本发明是针对n型注入pd及n沟道传输管展开介绍的，但是对于p型注入pd及p沟道传输管的情况也属于本发明涉及范围。
52.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。