專利名稱：一種雙重深度溝槽形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，特別涉及一種雙重深度溝槽形成方法。
背景技術(shù)：
目前電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)是主要的實用化固態(tài)圖像傳感 器件，具有讀取噪聲低、動態(tài)范圍大、響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點，但是CCD同時具有難以與主流 的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)技術(shù)相兼 容的缺點，即以電荷耦合器件為基礎(chǔ)的圖像傳感器難以實現(xiàn)單芯片一體化。而CMOS圖像傳 感器(CMOS Imagesensor, CIS)由于采用了相同的CMOS技術(shù)，可以將像素陣列與外圍電路 集成在同一芯片上，與電荷耦合器件相比，CMOS圖像傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、編 程方便、易于控制以及平均成本低的優(yōu)點。通常，在公開號為US2008/0265295A1的美國專利中可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有圖像傳感器的 工藝。CMOS圖像傳感器包括像素單元陣列，如圖1所示，每個像素單元通常包括有光電二極 管有源區(qū)all，晶體管有源區(qū)al3，以及位于光電二極管有源區(qū)和晶體管有源區(qū)之間的淺溝 道隔離區(qū)al2。光電二極管有源區(qū)all和與所述光電二極管有源區(qū)all相對應(yīng)的總的晶體 管有源區(qū)(一般由3或4個晶體管組成)的面積比定義為填充因子，所述填充因子為衡量 CMOS圖像傳感器圖像質(zhì)量的最重要因素之一。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在整個像素單元陣列總面積和晶體管有源區(qū)al3面積都無法改變的 基礎(chǔ)上，為了提高CMOS圖像傳感器填充因子，唯一的解決途徑只有縮小隔離區(qū)的間隔來增 大光電二極管有源區(qū)all面積。在現(xiàn)有的工藝基礎(chǔ)下，縮小隔離區(qū)的間隔會導(dǎo)致提高溝槽 的縱橫比(Aspect ratio,A/R)或者減少溝槽的深度，而提高溝槽的縱橫比使得后續(xù)的淺溝 道隔離(shallow trench isolation，STI)溝道填充工藝出現(xiàn)空隙的問題，器件制造良率降 低；減少溝槽的深度會影響外圍電路工作，導(dǎo)致器件失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種雙重深度溝槽形成方法，能夠有效地提高CMOS圖 像傳感器圖像質(zhì)量。為解決上述問題，本發(fā)明提供一種雙重深度溝槽形成方法，包括提供半導(dǎo)體襯 底，所述半導(dǎo)體襯底依次包括硅襯底，埋氧層，阻擋層，氧化層；所述半導(dǎo)體襯底包括像素區(qū) 域和外圍區(qū)域；在所述氧化層上形成光刻膠圖形；以光刻膠圖形為掩膜，對氧化層進行離 子注入并退火，在所述外圍區(qū)域的氧化層內(nèi)形成離子注入層；刻蝕氧化層、阻擋層、埋氧層 和硅襯底形成第一溝槽和第二溝槽；所述第一溝槽的深度小于第二溝槽的深度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點通過在所述氧化層上形成光刻膠圖形； 以光刻膠圖形為掩膜，對氧化層進行離子注入并退火，在所述外圍區(qū)域的氧化層內(nèi)形成離 子注入層；刻蝕氧化層、阻擋層、埋氧層和硅襯底形成第一溝槽和第二溝槽；所述第一溝槽 的深度小于第二溝槽的深度。能夠在實際制造CMOS圖像傳感器過程，在像素有源隔離區(qū)域
3和外圍有源隔離區(qū)域形成不同深度的溝槽，也就是說，在像素有源隔離區(qū)域形成深度較淺 的溝槽，形成比較低的縱橫比，有效增大光電二極管有源區(qū)面積，而不會給后續(xù)工藝步驟增 加難度，有效地提高CMOS圖像傳感器填充因子并且而且不會影響像素陣列電路的正常工 作。在外圍有源隔離區(qū)域形成深度較大的溝槽，能夠滿足正常外圍電路工作要求，提高了器 件良率。


圖1是CMOS圖像傳感器的像素單元陣列掃描電鏡圖片；圖2是本發(fā)明雙重深度溝槽形成方法的實施方式的流程圖；圖3至圖11是本發(fā)明雙重深度溝槽形成方法的實施例的示意具體實施例方式本發(fā)明提供一種雙重深度溝槽形成方法，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底 依次包括硅襯底，埋氧層，阻擋層，氧化層；所述半導(dǎo)體襯底包括像素區(qū)域和外圍區(qū)域；在 所述氧化層上形成光刻膠圖形；以光刻膠圖形為掩膜，對氧化層進行離子注入并退火，在所 述外圍區(qū)域的氧化層內(nèi)形成離子注入層；刻蝕氧化層、阻擋層、埋氧層和硅襯底形成第一溝 槽和第二溝槽；所述第一溝槽的深度小于第二溝槽的深度。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明形成雙重深度溝槽的具體實施方式
做詳細(xì)的說明。參照圖2，本發(fā)明實施方式提供一種像素單元陣列的雙重深度溝槽形成方法，包括 如下步驟步驟S1，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底依次包括硅襯底，埋氧層，阻擋層，氧化 層；所述半導(dǎo)體襯底包括像素區(qū)域和外圍區(qū)域。步驟S2，在所述氧化層上形成第一光刻膠圖形；步驟S3，以第一光刻膠圖形為掩膜，對氧化層進行離子注入并退火，在所述外圍區(qū) 域的氧化層內(nèi)形成離子注入層；步驟S4，去除第一光刻膠圖形；步驟S5，在所述氧化層和離子注入層上形成第二光刻膠圖形；步驟S6，以第二光刻膠圖形為掩膜，刻蝕形成第一溝槽和第二溝槽；所述第一溝 槽形成于像素區(qū)域，所述第二溝槽形成于外圍區(qū)域；所述第一溝槽的深度小于第二溝槽的深度。下面結(jié)合附圖對于上述實例過程進行詳細(xì)說明。結(jié)合圖2和圖3所示，如步驟S1 所述，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底依次包括硅襯底100，埋氧層110，阻擋層120，氧化 層130 ；所述半導(dǎo)體襯底包括像素區(qū)域IA和外圍區(qū)域IIA。具體地，柵氧層110具體形成工藝可以為公知的氧化法或者為CVD沉積方法。本 實施例中以氧化法為例加以示例性說明，氧化可以在管式氧化爐中進行，氧化溫度為750°C 至1100°C，反應(yīng)氣氛可以為N2、H2、02或者以上三種氣體的任兩種或者三種都包括的混合氣 體。優(yōu)選的方案可以為在純02氣氛、溫度為850°C、反應(yīng)時間為5分鐘，氧化；然后根據(jù)所需 的氧化層厚度，在02和H2氣氛下，進行合成氧化；然后在純02氣氛、溫度為850°C、反應(yīng)時間 為5分鐘，氧化；最后在純N2氣氛，溫度為900°C、時間為30分鐘，退火。
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具體地，阻擋層120具體形成工藝可以為公知的等離子體增強化學(xué)氣相沉積法 (Plasma Enhanced Chemical Vapor exposition，PECVD)，反應(yīng)條件可以為功率 200 瓦至 500瓦，壓力為2帕至50帕，溫度為200°C至800°C，反應(yīng)氣體為氨氣和硅烷。具體地，氧化層130具體形成工藝可以為公知的亞常壓化學(xué)氣相沉積法 (Sub-Atmospheric Chemical Vapor deposition, SACVD)，具體包括，反應(yīng)腔體壓力為 100 帕至600帕，溫度為200°C至600°C，反應(yīng)氣體為四乙氧基硅烷(TE0S)和臭氧(03)，輔助氣 體為N2或者Ar。優(yōu)選的方案可以為反應(yīng)壓力為200Pa，溫度為500°C，反應(yīng)氣體為四乙氧基 硅烷(TE0S)和臭氧(03)，輔助氣體為Ar?，F(xiàn)有技術(shù)會在像素區(qū)域IA和外圍區(qū)域IIA形成深度一致的溝槽，這樣會導(dǎo)致為了 提高CMOS圖像傳感器填充因子，縮小隔離區(qū)的間隔來增大光電二極管有源區(qū)面積，從而提 高溝槽的縱橫比(Aspect ratio, A/R)或者減少溝槽的深度。而提高了溝槽的縱橫比會導(dǎo) 致后續(xù)的淺溝道隔離困難，使得器件淺溝道隔離容易出現(xiàn)空隙而導(dǎo)致器件失效。溝槽深度 的減少會導(dǎo)致溝槽深度不能夠滿足正常外圍區(qū)域IIA電路工作要求，導(dǎo)致器件失效。結(jié)合圖2和圖4所示，如步驟S2所述，在所述氧化層130上形成第一光刻膠圖形 140 ；具體包括，在氧化層130上形成第一光刻膠圖形140 ；具體包括，在氧化層130上旋涂 上光刻膠(未圖示)，并曝光、顯影形成光刻膠圖形140。所述光刻膠可以通過例如旋轉(zhuǎn)涂 布等方式在所述氧化層130上形成。在涂布光刻膠之后，通過曝光將掩膜圖形從掩膜版上 轉(zhuǎn)移到光刻膠上，并利用顯影液將相應(yīng)部位的光刻膠去除以形成與掩膜圖形一致的光刻膠 圖形140。所述形成第一光刻膠圖形的光刻膠可以為正型光刻膠或者負(fù)型光刻膠，優(yōu)選方案 為負(fù)型光刻膠，具體包括，所述形成的第一光刻膠圖形140形成覆蓋像素區(qū)域IA而暴露外 圍區(qū)域IIA。也就是說形成第一光刻膠圖形140與采用傳統(tǒng)工藝的光罩形成的圖形相反。 采用負(fù)型光刻膠利用現(xiàn)有的光罩而不用制作新的光罩。減少制作新光罩的成本，節(jié)約了支
出o結(jié)合圖2和圖5所示，如步驟S3所述，以第一光刻膠圖形140為掩膜，對氧化層進 行離子注入150，退火。在所述外圍區(qū)域IIA形成離子注入層131 ；所述離子注入150可以 為由至少一道離子注入步驟構(gòu)成，比如通過二次或者三次離子注入，主要目的為在外圍區(qū) 域形成離子注入層。作為本實施例的一個實施方式，所述離子注入150的離子為N離子，能 量范圍為20KeV至40KeV，劑量范圍為3E14cnT2至5E15cnT2，對氧化層130進行離子注入。 主要目的為采用N離子注入，使得外圍區(qū)域IIA的氧化層形成富N結(jié)構(gòu)，如Si-0-N結(jié)構(gòu)或 者Si-N結(jié)構(gòu)或者上述兩種結(jié)構(gòu)同時存在，形成離子注入層131 (參見圖6所示)。所述退火工藝可以為管式爐退火、脈沖退火或者快速熱處理退火。作為本實施例 的一個實施方式，所述離子退火為快速熱處理退火。所述退火溫度為600°C至1100°C ；退 火時間為10至100秒。作為本實施例的優(yōu)選方案，退火溫度可選1070°C，退火時間為20. 5 秒。結(jié)合圖2和圖6所示，如步驟S4所述，去除第一光刻膠圖形；去除光刻膠工藝可以 為公知的光刻膠去除工藝，包括光刻膠去除溶液去除、等離子轟擊去除等等。結(jié)合圖2和圖7所示，如步驟S5所述，在所述氧化層130和離子注入層131上形 成第二光刻膠圖形；具體包括，在氧化層130和離子注入層131上旋涂上光刻膠，并曝光、顯
5影形成光刻膠圖形160。所述光刻膠可以通過例如旋轉(zhuǎn)涂布等方式在所述氧化層130和離子注入層131上形成。在涂布光刻膠之后，通過曝光將掩膜圖形從掩膜版上轉(zhuǎn)移到光刻膠 上，并利用顯影液將相應(yīng)部位的光刻膠去除以形成與掩膜圖形一致的光刻膠圖形160。結(jié)合圖2和圖8、圖9、圖10、圖11所示，如步驟S6所述，以第二光刻膠圖形為掩 膜，刻蝕形成第一溝槽101和第二溝槽102 ；所述第一溝槽101形成于像素區(qū)域IA，所述第 二溝槽102形成于外圍區(qū)域IIA ；所述第一溝槽101的深度小于第二溝槽102的深度。具體地，如圖8所示，以第二光刻膠圖形為掩膜，對像素區(qū)域IA的氧化層130和 外圍區(qū)域IIA的離子注入層131進行刻蝕，直至暴露出像素區(qū)域IA的阻擋層120。具體工 藝可以為采用公知的各向異性等離子刻蝕工藝，選擇氮化物刻蝕率與氧化物刻蝕率比率為 4 1 8 1的刻蝕制程。優(yōu)選工藝可以選取反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備，刻蝕設(shè)備腔體壓力為 12毫托，頂部射頻功率為300瓦，底部射頻功率為60瓦，上電極溫度為70°C，底電極溫度為 20 0C。CHF3流量為30SCCM(每分鐘標(biāo)準(zhǔn)毫升)，CH2F2流量為50SCCM，O2流量為10SCCM?？?蝕直至暴露出外圍區(qū)域IIA的阻擋層120。如圖9所示，以第二光刻膠圖形為掩膜，對像素區(qū)域IA的阻擋層120和外圍區(qū)域 IIA的阻擋層120進行刻蝕，直至暴露出外圍區(qū)域IIA的襯底硅100。具體工藝包括，采用 公知的各向異性等離子刻蝕工藝，優(yōu)選工藝可以選取反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備，刻蝕設(shè)備腔體壓 力為20毫托，頂部射頻功率為600瓦，底部射頻功率為150瓦，上電極溫度為70°C，底電極 溫度為20°C。CF4流量為70SCCM，HBr流量為40SCCM，He和02混合氣體流量為15SCCM(其 中所述混合氣體中He的比例為70%，02比例為30% )?？涛g直至暴露出外圍區(qū)域IIA的 襯底硅100。如圖10所示，以第二光刻膠圖形為掩膜，對像素區(qū)域IA的阻擋層120和外圍區(qū)域 IIA的襯底硅100進行刻蝕，直至在像素區(qū)域IA形成第一溝槽101和在外圍區(qū)域IIA形成 第二溝槽102。去除第二光刻膠圖形。具體工藝包括，具體工藝包括，采用公知的各向異性 等離子刻蝕工藝，選擇氧化物刻蝕率與氮化物刻蝕率比率為2 1 4 1的刻蝕制程。優(yōu) 選工藝可以選取反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備，刻蝕設(shè)備腔體壓力為15毫托，頂部射頻功率為700瓦， 底部射頻功率為130瓦，上電極溫度為70°C，底電極溫度為20°C。Cl2流量為30SCCM，HBr 流量為70SCCM，CF4流量為15SCCM，He和O2混合氣體流量為3SCCM(其中所述混合氣體中 He的比例為70%，O2比例為30% )?？涛g直至在像素區(qū)域IA形成第一溝槽101和在外圍 區(qū)域IIA形成第二溝槽102。如圖11所示，去除第二光刻膠圖形。去除光刻膠工藝可以為公知的光刻膠去除工 藝，包括光刻膠去除溶液去除、等離子轟擊去除等等。一并參照圖4至圖11，在本發(fā)明中，通過在所述氧化層130上形成第一光刻膠圖 形140 ；以第一光刻膠圖形140為掩膜，對氧化層130進行離子注入并退火，在所述外圍區(qū) 域IIA的介質(zhì)層內(nèi)形成離子注入層131 ；去除第一光刻膠圖形140 ；在所述氧化層130和離 子注入層131上形成第二光刻膠圖形150 ；以第二光刻膠圖形150為掩膜，刻蝕形成第一溝 槽101和第二溝槽102。所述第一溝槽101的深度小于第二溝槽102的深度。具體的說在 像素區(qū)域形成了深度比較小的溝槽，在外圍電路區(qū)域形成深度比較大的溝槽，這樣，滿足了 提高像素有源區(qū)的面積，并且在像素區(qū)域形成了深度比較小的溝槽使得像素區(qū)域的溝槽縱 橫比在可以接受的范圍；而在外圍電路區(qū)域形成深度比較大的溝槽能夠滿足正常外圍區(qū)域IIA電路工作要求。提高了提高CMOS圖像傳感器填充因子，有效地提高CMOS圖像傳感器圖
像質(zhì)量。 雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng) 當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種雙重深度溝槽形成方法，其特征在于，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底依次包括硅襯底，埋氧層，阻擋層，氧化層；所述半導(dǎo)體襯底包括像素區(qū)域和外圍區(qū)域；在所述氧化層上形成光刻膠圖形；以光刻膠圖形為掩膜，對氧化層進行離子注入并退火，在所述外圍區(qū)域的氧化層內(nèi)形成離子注入層；刻蝕氧化層、阻擋層、埋氧層和硅襯底形成第一溝槽和第二溝槽；所述第一溝槽的深度小于第二溝槽的深度。
2.如權(quán)利要求1所述的雙重深度溝槽形成方法，其特征在于，所述阻擋層為氮化物結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的雙重深度溝槽形成方法，其特征在于，所述所述光刻膠圖形的 光刻膠為負(fù)型光刻膠。
4.如權(quán)利要求1所述的雙重深度溝槽形成方法，其特征在于，所述離子注入為由至少 一道離子注入步驟構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求4所述的雙重深度溝槽形成方法，其特征在于，所述的離子注入為N離子 注入。
6.如權(quán)利要求1所述的雙重深度溝槽形成方法，其特征在于，所述的刻蝕方法為等離 子體刻蝕。
7.如權(quán)利要求1所述的雙重深度溝槽形成方法，其特征在于，所述的刻蝕方法為氧化 物刻蝕率大于氮化物刻蝕率比率的刻蝕方法。
全文摘要
一種雙重深度溝槽形成方法，包括，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底依次包括硅襯底，埋氧層，阻擋層，氧化層；所述半導(dǎo)體襯底包括像素區(qū)域和外圍區(qū)域；在所述氧化層上形成光刻膠圖形；以光刻膠圖形為掩膜，對氧化層進行離子注入并退火，在所述外圍區(qū)域的氧化層內(nèi)形成離子注入層；刻蝕氧化層、阻擋層、埋氧層和硅襯底形成第一溝槽和第二溝槽；所述第一溝槽的深度小于第二溝槽的深度。本發(fā)明能夠有效地提高CMOS圖像傳感器圖像質(zhì)量。
文檔編號H01L21/762GK101826485SQ20091004689
公開日2010年9月8日 申請日期2009年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月2日
發(fā)明者羅飛, 鄒立 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司