一種有源像素結構及其制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種有源像素結構及其制作方法，該像素結構包括：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。與普通有源像素結構相比，在具有相同驅動能力下，本發明提供的有源像素結構的填充因子較高，進而提高了有源像素的靈敏度和信噪比。同時，該結構使有源像素的抗輻射性能、速度均得到改善。
【專利說明】一種有源像素結構及其制作方法
(-)【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體領域，尤其涉及一種有源像素結構及其制作方法。
(二)【背景技術】
[0002]Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS:互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器是固態圖像傳感器中的一種。隨著半導體技術、網絡和多媒體技術的迅速發展，近年來CMOS圖像傳感器以其低成本、高可靠性、低功耗、和良好的成像質量等優勢，正在逐步取代Charge Coupled Device (電荷耦合器件，(XD)圖像傳感器，并在科學研究、工業生產、醫療衛生、教育、娛樂、管理和通信等方面得到了廣泛的應用，并朝著高清攝像、高精度視覺、抗輻射太空成像等高端領域發展。隨著CMOS圖像傳感器的快速發展，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、抗輻射等諸多優點而成為一個研究的熱點。
[0003]SOI技術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體層。SOI作為一種全介質隔離技術，由于器件與襯底之間由一層隱埋氧化層隔開，這種獨特結構與體硅結構相比，具有低功耗、集成密度高、速度快、工藝簡單、抗干擾能力強、消除了體硅器件的閂鎖效應和抗輻射能力強等優點。SOI技術從上世紀60年代開始受到關注，上世紀80年代后有了較大的發展，90年代后期逐漸進入商用領域。由于SOI器件具有很好的等比例縮小的特性，使得SOI技術在深亞微米工藝中的應用中具有著很大吸引力和發展前景。
[0004]發明人發現，現有技術中，SOI器件中的NMOS和PMOS器件的載流子遷移率無法同時達到最大化，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)
【發明內容】
[0005]本發明提供了一種有源像素結構及其制作方法，用于解決現有技術中存在的SOI器件中的NMOS和PMOS器件的遷移率無法同時達到最大化的問題。
[0006]一方面，提供了一種有源像素結構，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源像素結構，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。空穴遷移率在(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動能力。與普通有源像素結構相比，在具有相同驅動能力下，混合晶向有源像素的填充因子大大提高，進而提高了有源像素的靈敏度和信噪比。同時，該結構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構的制作方法，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]將表面進行熱氧化處理的所述第一硅片所述和第二硅片進行鍵合；
[0013]將所述第一硅片的一部分SOI層及埋氧層進行刻蝕；
[0014]將所述第二硅片進行外延生長，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]優選的，所述第一硅片的晶向為100晶向，所述第二硅片的晶向為110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]通過本發明提供了的技術方案，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。該方案可以應用在抗輻射、高速、高清有源圖像傳感器領域中。
(四)【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1 (A)是根據本發明實施例的110晶向多晶硅襯底示意圖；
[0020]圖1 (B)是根據本發明實施例的100晶向多晶硅襯底示意圖；
[0021]圖2是根據本發明實施例的鍵合后的SOI結構示意圖；
[0022]圖3是根據本發明實施例的刻蝕掉部分頂層多晶硅層后的SOI結構示意圖；
[0023]圖4是根據本發明實施例的刻蝕掉部分掩埋氧化層后的SOI結構示意圖:
[0024]圖5是根據本發明實施例的選擇外延生長后的SOI結構示意圖；
[0025]圖6是根據本發明實施例的化學機械平坦后的SOI結構示意圖；
[0026]圖7是根據本發明實施例的刻蝕掉掩埋氧化層窗口處多晶硅后的SOI結構示意圖；
[0027]圖8是根據本發明實施例的混合晶向SOI有源像素結構示意圖。
(五)具體實施方案
[0028]下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0029]本發明實施例的設計特點為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]下面結合附圖介紹本發明實施例所述的MOS器件的制作方法，該方法包括:
[0031]準備兩片不同晶向(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)晶向為(110)的SOI結構襯底，如圖2所示。[0033]在圖2結構的基礎上，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結構的基礎上，在隱埋氧化層202上涂光刻膠，用光刻技術，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結構的基礎上利用選擇外延生長，在絕緣層上形成如圖5所示的晶向為(100)的薄多晶硅層(SOI層)204 (100)，其厚度根據設計需要而定。
[0036]利用化學機械平坦化方法(CMP)對選擇外延生長后的頂層規模進行平坦化，化學機械拋光后的結構如圖6所示。
[0037]在圖6結構的基礎上,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，其結構如圖7所示。在晶向為(110)的頂層硅膜203 (110)上制作PMOS器件504和PMOS器件502，在晶向為(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402。其結構如圖8所示。
[0038]通過上述方法，即可制作出圖8所示的像素結構。該像素結構可以用于MOS器件中。需要說明的是，上面僅是一種優選實施例，該實施例也可以由其他變形，例如，晶向(110)的頂層硅膜203可以替換成晶向為(111)的硅膜。
[0039]本發明實施例提供的一種有源像素結構，使有源像素中的MOS器件可制作在不同晶向的SOI層上，該結構可以應用在抗輻射、高速有源圖像傳感器領域中。在不脫離本發明的實質和范圍內，可根據情況對本發明做出調整和優化，這些調整和優化也應在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種有源像素結構，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。
2.一種有源像素結構的制作方法，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； 將表面進行熱氧化處理的所述第一硅片和所述第二硅片進行鍵合； 將所述第一硅片的一部分SOI層及埋氧層進行刻蝕； 將所述第二硅片進行外延生長，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.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一硅片的晶向為100晶向，所述第二硅片的晶向為110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 優先權日:2013年9月26日
【發明者】王穎, 楊曉亮, 曹菲, 胡海帆 申請人:哈爾濱工程大學