CN104393010B

CN104393010B - 降低图像延迟的cmos图像传感器及其制备方法

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Publication number: CN104393010B
Application number: CN201410719590.3A
Authority: CN
Inventors: 李全宝
Original assignee: Omnivision Technologies Shanghai Co Ltd
Current assignee: Omnivision Technologies Shanghai Co Ltd
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2017-09-05
Anticipated expiration: 2034-12-01
Also published as: CN104393010A

Abstract

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种降低图像延迟的CMOS图像传感器及其制备方法，通过对传统的CMOS图像传感器进行结构上的优化，通过刻蚀衬底的上表面形成宽度方向上由光电二极管延伸至相邻衬底中的沟槽，并于沟槽中形成栅极结构，从而光生电荷由光电二极管很容易的扩散到浮动扩散区，不会在光电二极管中留有残余电荷，因此在下一次读取时不会读取到上一副图像的信息，从而降低了图像延迟。

Description

降低图像延迟的CMOS图像传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种降低图像延迟的CMOS图像传感器及其制备方法。

背景技术

随着电子产品的不断普及，对于一些轻巧、性能稳定的高速图像传感器如电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称CCD)和图像传感器件(CMOS Image Sensor，简称CIS)来说，其应用领域逐渐推广并涉及到汽车碰撞检测、高速扫描和科学研究等各个方面。相对于传统的CCD图像传感器，CMOS图像传感器由于能在片上同时集成图像传感器阵列以及相关的数字、模拟电路同，时具有功耗低、面积小、制作成本较低等优点，从而成为高速图像传感器的首选技术。

CMOS图像传感器的工作过程为：入射光在光电二极管区产生光生电荷，然后光生电荷由栅极结构转移到浮动扩散区(Floating Diffusion，简称FD)，最后转移到浮动扩散区的光生电荷在经其它后面的MOS晶体管转化为电压信号并进行相关处理，在此过程中光生电荷由栅极结构转移到浮动扩散区依靠的是光电二极管与浮动扩散区的电势差，而在光电二极管内部，光生电荷只能通过扩散运动由光电二极管区经栅极结构扩散到浮动扩散区。

如图1所示为传统的CMOS图像传感器的结构示意图，传统的CMOS图像传感器中的栅极结构(包括栅极13和栅极氧化层15)的沟道靠近半导体衬底的上表面(即覆盖于光电二极11与隔离阱12上表面)；因该沟道深入光电二极管11较浅，光生电荷由光电二极管11经栅极结构的沟道扩散到浮动扩散区14时，难以快速的在光电二极管11内部转移。

如图2所示为光电二极管11的电势模拟示意图，在距半导体衬底上表面一定深度处的电势最大，电势最大的区域会导致电荷的扩散速率降低，另一方面由于栅极结构的沟道深入光电二极管11较浅，从而使上述深度的大量电荷不易扩散到浮动扩散区14，导致光电二极管11的电荷发生残留，在下一次读取时会读到第一次残留的信息，最终造成图像延迟(Image Lag)。

因此，需要设计一种新型的CMOS图像传感器，提高光生电荷由光电二极管区到浮动扩散区的电荷的扩散速率同时减少图像延迟的现象。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种降低图像延迟的CMOS图像传感器及其制备方法，以解决光生电荷由光电二极管区扩散到浮动扩散区的电荷的扩散速率较低并造成图像延迟的缺陷。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种降低图像延迟的CMOS图像传感器，其中，包括：

设于衬底中的第一N型掺杂区；

与第一N型掺杂区相邻的衬底中设有距衬底上表面第一深度的浮动扩散区，且第一N型掺杂区与浮动扩散区由隔离阱进行隔离；

于浮动扩散区上方的衬底中设有第二N型掺杂区，第二N型掺杂区底部接触浮动扩散区的上表面；

衬底的上表面开设有第二深度的沟槽，沟槽在宽度方向上由第一N型掺杂区延伸至浮动扩散区的衬底中；

于沟槽中形成的栅极结构。

较佳的，上述的降低图像延迟的CMOS图像传感器，其中，所述衬底为单晶硅衬底。

较佳的，上述的降低图像延迟的CMOS图像传感器，其中，所述第一N型掺杂区为光电二极管。

较佳的，上述的降低图像延迟的CMOS图像传感器，其中，所述栅极结构包括栅极和栅氧化层。

较佳的，上述的降低图像延迟的CMOS图像传感器，其中，

所述栅氧化层覆盖于所述沟槽的底部及其侧壁；

所述栅极覆盖于所述栅氧化层的上表面。

较佳的，上述的降低图像延迟的CMOS图像传感器，其中，所述第一深度范围为0.3～0.5um。

较佳的，上述的降低图像延迟的CMOS图像传感器，其中，所述沟槽的第二深度范围为0.3～0.5um。

一种降低图像延迟的CMOS图像传感器的制备方法，其中，所述方法包括：

步骤S1、提供一衬底，于衬底中形成第一N型掺杂区以及隔离第一N型掺杂区与衬底的隔离阱；

步骤S2、刻蚀衬底的上表面以形成具有第二深度的沟槽，且该沟槽宽度方向上由第一N型掺杂区延伸至与第一N型掺杂区相邻的衬底中；

步骤S3、于沟槽中形成栅极结构；

步骤S4、通过离子注入工艺于第一N型掺杂区相邻的衬底中形成距衬底上表面第一深度的浮动扩散区；

步骤S5、形成栅极结构侧墙，并于衬底中以及浮动扩散区的上表面形成第二N型掺杂区；

步骤S6、继续传感器的后续接触孔工艺以及互连工艺。

较佳的，上述的降低图像延迟的CMOS图像传感器的制备方法，其中，所述衬底为单晶硅衬底。

较佳的，上述的降低图像延迟的CMOS图像传感器的制备方法，其中，所述第一N型掺杂区为光电二极管。

较佳的，上述的降低图像延迟的CMOS图像传感器的制备方法，其中，所述栅极结构包括栅极和栅氧化层；

所述栅氧化层覆盖于所述沟槽的底部及其侧壁；

所述栅极覆盖于所述栅氧化层的上表面。

较佳的，上述的降低图像延迟的CMOS图像传感器的制备方法，其中，所述第一深度范围为0.3～0.5um。

较佳的，上述的降低图像延迟的CMOS图像传感器的制备方法，其中，所述沟槽的第二深度范围为0.3～0.5um。

较佳的，上述的降低图像延迟的CMOS图像传感器的制备方法，其中，步骤S6中，还包括在衬底中且第一N型掺杂区的顶部形成P型掺杂区。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

本发明公开的一种降低图像延迟的CMOS图像传感器及其制备方法，对传统的CMOS图像传感器进行结构上的优化，通过刻蚀衬底的上表面形成宽度方向上由光电二极管延伸至相邻衬底中的沟槽，并于沟槽中形成栅极结构，从而光生电荷由光电二极管很容易的到浮动扩散区，不会在光电二极管中留有残余电荷，因此在下一次读取时不会读取到上一副图像的信息，从而降低了图像延迟。

具体附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1是现有技术中CMOS图像传感器的结构示意图；

图2是现有技术中CMOS图像传感器的电势原理示意图；

图3是本发明CMOS图像传感器的结构示意图；

图4是本发明CMOS图像传感器的电势原理示意图；

图5A～5E是本发明实施例中CMOS图像传感器的制备方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。

为解决光生电荷由光电二极管到浮动扩散区的电荷的扩散速率较低并造成图像延迟，本发明提供一种降低图像延迟的CMOS图像传感器及其制备方法，具体的如图3～5E所示。

如图3所示，本发明涉及到以一种降低图像延迟的CMOS图像传感器，包括：

衬底，设置于该衬底中的光电二极管31(即第一N型掺杂区，一光感测器件，用于产生光生电荷)，在本发明的实施例中，掺杂离子的种类不同，光电二极管31的种类也不同。

该CMOS图像传感器中的衬底中还设有浮动扩散区34，该浮动扩散区34距衬底的上表面具有第一深度(0.3～0.5um)，且与光电二极管31相邻，并通过隔离阱32与该光电二极管31进行隔离；另外浮动扩散区34上方的衬底中还设有第二N型掺杂区33，该第二N型掺杂区33与浮动扩散区34的上表面接触。

值得注意的是，本发明结构中的衬底的上表面还开设有一个沟槽(用于形成栅极结构)35，并且该沟槽35在宽度方向上由光电二极管31延伸到浮动扩散区34的衬底中，同时该沟槽35完全覆盖于上述隔离阱32。

优选的，该衬底为一单晶硅衬底。

在本发明的实施例中，栅极结构具体的包括栅氧化层36和栅极37，其中，栅氧化层36完全覆盖沟槽35的上表面以及侧壁，栅极37覆盖于栅氧化层36的上表面。值得注意的是，一方面该栅极结构是采用等离子刻蚀工艺刻蚀隔离阱32与邻近隔离阱32的光电二极管31、浮动扩散区34上方衬底的上表面第二深度(0.3～0.5um)后形成沟槽35并于沟槽35中形成，因此栅极的沟道位于单晶硅衬底表面的以下区域，当沟道打开时，光电二极管中的光生电荷更易流到浮动扩散区。

在光电二极管31表面以下深度为0.3～0.5um处的光生电荷较多，电势能较大，导致该处的光生电荷无法及时快速的向浮动扩散区34扩散，因此上述CMOS图像传感器中，于第二深度为0.3～0.5um的沟槽35中形成栅极结构，并作为一个沟道可以有效快速的加速光生电荷的运动，如图4所示。

同时，本发明还提供了一种降低图像延迟的CMOS图像传感器的制备方法，具体的如图5A～5E所示步骤：

步骤S1、提供一衬底，优选的，该衬底为单晶硅衬底(该单晶硅衬底优选为P型衬底硅片或者P型外延薄膜硅片)。通过第一离子注入工艺于该单晶硅衬底中进行离子注入，形成若干光电二极管(第一N型掺杂区，即光感测器件，用于产生光生电荷，本发明实施例中，光电二极管种类多样)31以及用于隔离光电二极管31和未离子注入的单晶硅衬底的隔离阱32，如图5A所示。

步骤S2、刻蚀衬底的上表面以形成一第二深度的沟槽35，且该沟槽35在宽度方向上由光电二极管31延伸至与光电二极管31相邻的衬底中，用于后续的栅极结构的生长，如图5B所示。

优选的，采用等离子刻蚀工艺刻蚀隔离阱32与邻近隔离阱32的光电二极管31、浮动扩散区34上方衬底的上表面第二深度(0.3～0.5um)后形成沟槽35并于沟槽35中生长形成，其具体步骤包括：掩膜淀积、图像化处理、刻蚀工艺以及平坦化工艺，其过程与传统技术相似，在此不予赘述。

另外，根据传统的CMOS图像传感器的光电二极管31的电势分布，在光电二极管31上表面以下深度为0.3～0.5um处其电势能较大，并导致该处的光生电荷无法及时快速的向后续的浮动扩散区34扩散，因此本发明实施例中，刻蚀形成第二深度为0.3～0.5um之后形成沟槽35，便于在进行后续的栅极结构的生长可以快速的促进光生电荷的扩散。

步骤S3、继续在上述沟槽35中形成栅极结构，如图5C所示，其中，栅氧化层36完全覆盖沟槽35的上表面以及侧壁，栅极37覆盖于栅氧化层36的上表面。值得注意的是，一方面该栅极结构是采用等离子刻蚀工艺刻蚀隔离阱32与邻近隔离阱32的光电二极管31、浮动扩散区34上方衬底的上表面第二深度(0.3～0.5um)后形成沟槽35并于沟槽35中形成，因此栅极的沟道位于单晶硅衬底以下区域，当沟道打开时，光生电荷更易流到浮动扩散区。其中栅极结构的形成过程具体步骤为：栅氧化层的生长(优选的，采用热氧化法沉积栅氧化层，如SiO₂或SiON等)、多晶硅(栅极，优选采用化学气相沉积法沉积多晶硅)的淀积，以及采用掩膜技术和干法刻蚀工艺最终形成栅极结构，其过程与传统技术相似，在此不予赘述。

步骤S4、完成上述步骤后，通过采用第二离子注入工艺于相邻光电二极管31的单晶硅衬底中进行离子注入，并形成浮动扩散区34，该浮动扩散区34距单晶硅衬底的上表面第一深度(0.3～0.5um)处，如图5D所示。

其中浮动扩散区中所注入离子的种类为N型离子。

步骤S5、形成栅极结构侧墙，并于浮动扩散区34的上方的衬底中，采用第三离子注入工艺形成第二N型掺杂区33，以及在衬底中且光电二极管31的顶部形成P型掺杂区。

其中，该第二N型掺杂区33与浮动扩散区34的上表面接触，且第二N型掺杂区33的厚度与第一深度相同。

步骤S6、完成CMOS图像传感器的后续接触孔的形成以及互连工艺，并最终形成完整的CMOS图像传感器，如图5E所示。

因此本发明技术方案可以有效的提高光生电荷由光电二极管区经栅极沟道扩散到浮动扩散区的电荷的扩散速率，减少下次读取信息时造成的图像延迟。

综上所述，本发明公开的一种降低图像延迟的CMOS图像传感器及其制备方法，对传统的CMOS图像传感器进行结构上的优化，通过刻蚀衬底的上表面形成宽度方向上由光电二极管延伸至相邻衬底中的沟槽，并于沟槽中形成栅极结构，从而光生电荷由光电二极管经栅极结构很容易的扩散到浮动扩散区，不会在光电二极管中留有残余电荷，因此在下一次读取时不会读取到上一副图像的信息，从而降低了图像延迟。

本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种降低图像延迟的CMOS图像传感器，其特征在于，包括：

设于衬底中的第一N型掺杂区；

于沟槽中形成的栅极结构；

所述第一深度与所述第二深度相同。

2.如权利要求1所述的降低图像延迟的CMOS图像传感器，其特征在于，所述衬底为单晶硅衬底。

3.如权利要求1所述的降低图像延迟的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第一N型掺杂区为光电二极管。

4.如权利要求1所述的降低图像延迟的CMOS图像传感器，其特征在于，所述栅极结构包括栅极和栅氧化层。

5.如权利要求4所述的降低图像延迟的CMOS图像传感器，其特征在于，

所述栅氧化层覆盖于所述沟槽的底部表面及其侧壁；

所述栅极覆盖于所述栅氧化层的上表面。

6.如权利要求1所述的降低图像延迟的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第一深度范围为0.3～0.5um。

7.如权利要求1所述的降低图像延迟的CMOS图像传感器，其特征在于，所述沟槽的第二深度范围为0.3～0.5um。

8.一种降低图像延迟的CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S3、于沟槽中形成栅极结构；

步骤S6、继续传感器的接触孔工艺以及互连工艺；

所述第一深度与所述第二深度相同。

9.如权利要求8所述的降低图像延迟的CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，所述衬底为一单晶硅衬底。

10.如权利要求8所述的降低图像延迟的CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，所述第一N型掺杂区为一光电二极管。

11.如权利要求8所述的降低图像延迟的CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，所述栅极结构包括栅极和栅氧化层；

所述栅氧化层覆盖于所述沟槽的底部表面及其侧壁；

所述栅极覆盖于所述栅氧化层的上表面。

12.如权利要求8所述的降低图像延迟的CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，所述第一深度范围为0.3～0.5um。

13.如权利要求8所述的降低图像延迟的CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，所述沟槽的第二深度范围为0.3～0.5um。

14.如权利要求8所述的降低图像延迟的CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，步骤S6中，还包括在衬底中且第一N型掺杂区的顶部形成P型掺杂区。