[发明专利]一种CMOS图像传感器结构及制造方法

说明书

本发明公开了一种CMOS图像传感器结构及制造方法，CMOS图像传感器结构包括：设于SOI衬底上的像素单元阵列和位于所述像素单元阵列周围的外围电路；其中，所述SOI衬底依次包括器件用硅衬底、埋氧层和硅基底，所述像素单元阵列中包括设于所述器件用硅衬底、埋氧层和硅基底中的硅外延层，以及设于所述硅外延层中的多个像素单元的感光部。本发明实现了在图像传感器外围电路中仍然使用高性能的SOI器件的同时，制造出高性能的像素单元结构。

技术领域

本发明涉及半导体加工技术领域，特别是涉及一种CMOS图像传感器结构及制造方法。

背景技术

半个世纪以来，半导体产业一直按照摩尔定律进行着晶体管尺寸的微缩、晶体管密度的提高和性能的提升。然而，随着平面结构的体硅晶体管器件尺寸越来越接近物理极限，摩尔定律也就越来越接近于它的终结；因此，一些被称为“非经典CMOS”的半导体器件新结构被提出。这些技术包括FinFET、碳纳米管、绝缘体上硅(silicon on insulator，SOI)，绝缘体上的锗硅(SiGe on insulator，SiGeOI)和绝缘体上的锗(Ge on insulator，GeOI)等。

通过这些新结构，可以将半导体器件的性能进一步提升。其中，在绝缘体上硅衬底(SOI)材料上制造的半导体器件，由于其工艺简单和性能优越，引起了广泛关注。

绝缘体上的半导体，是一种将器件制作在绝缘层之上的硅层中而非制作在传统硅衬底上，从而实现不同晶体管之间的全介质隔离的技术。相比传统的平面体硅工艺，SOI技术具有高速、低功耗和集成度高的优势。与体硅器件相比，其独特的绝缘埋氧层把器件与衬底隔开，实现单个晶体管的全介质隔离，消除了衬底对器件的影响(即体效应)，从根本上消除了体硅CMOS器件的闩锁(Latch-Up)，并在很大程度上抑制了体硅器件的寄生效应，充分发挥了硅集成技术的潜力，大大提高了电路的性能，工作性能接近于理想器件。

绝缘体上的半导体无论是在器件的尺寸减小还是在射频亦或是在低压、低功耗等应用方面都表明它将是未来SOC的主要技术。利用绝缘体上半导体技术，可以实现逻辑电路、模拟电路、RF电路在很小的互扰情况下集成在一个芯片上，具有非常广阔的发展前景，因此成为研究和开发高速度、低功耗、高集成度及高可靠性大规模集成电路的重要技术。

同时，CMOS图像传感器是CMOS工艺的一个重要应用方向。图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，其中大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片两大类。CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比具有低功耗，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微型数码相机(DSC)，手机摄像头，摄像机和数码单反(DSLR)等消费电子领域，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。

为了实现有效的光电转换，CMOS图像传感器的感光用硅层厚度通常在几微米到几十微米。但SOI用于制造器件的硅层厚度通常在几个纳米到几百纳米之间，远低于CMOS图像传感器感光所需的厚度。

请参考图1，图1是一种常规绝缘体上硅衬底内制造的CMOS晶体管结构示意图。如图1所示，绝缘体上硅衬底(SOI)包括位于底层的硅基底10，位于上层的器件用硅衬底12，以及位于硅基底10和器件用硅衬底12之间用于隔离的埋氧层11。晶体管13形成在埋氧层11上方的器件用硅衬底12中。器件用硅衬底12和硅基底10之间的埋氧层11通常使用二氧化硅层，器件用硅衬底12的厚度通常在几纳米到几百纳米之间。由于器件用硅衬底12的厚度太薄，因而无法在其中制作CMOS图像传感器的像素单元结构。

由此可知，SOI硅片并不适合制造CMOS图像传感器，而CMOS图像传感器的外围电路却需要使用高速、低功耗和高集成度的SOI器件。因此，需要研发一种在绝缘体上硅衬底材料上制造CMOS图像传感器的新技术。

发明内容