CN108281449A - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器及其形成方法，图像传感器包括：基底，所述基底包括至少两个像素区域；位于每一像素区域基底内的第一掺杂层，所述第一掺杂层内掺杂有P型离子或者N型离子；位于每一像素区域基底内的第二掺杂层，所述第二掺杂层覆盖所述第一掺杂层顶部表面，所述第二掺杂层内掺杂有P型离子或者N型离子，所述第二掺杂层的掺杂离子与第一掺杂层的掺杂离子类型不同，且位于不同像素区域的第二掺杂层的厚度不相等，所述第一掺杂层与位于第一掺杂层顶部表面的第二掺杂层构成光电二极管。本发明能够提高光电二极管的响应能力和量子效率，改善图像传感器的性能。

Description

图像传感器及其形成方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法。
背景技术
图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的设备，它被广泛的应用在如数码相机等电子光学设备中。根据数字数据传送方式的不同，图像传感器可分为电荷耦合元件(CCD，Charge Coupled Device)和金属氧化物半导体元件(CMOS，Complementary Metal-Oxide Semiconductor)两大类。其中，CMOS传感器由于具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特点，在近几年发展迅速。
填充因子是衡量图像传感器的像素灵敏度的一个重要参数，具体的，填充因子指的是感光面积占整个像素面积的比例。当今CMOS传感器的一个重要开发目标是提高填充因子大小。随着当前像素尺寸的逐渐缩小，提高填充因子越来越困难。目前流行的技术是将CMOS传感器由传统的前感光式(FSI，Front Side Illumination)转变为背部感光式(BSI，Back Side Illumination)，在背部感光式CMOS传感器中，放大器等晶体管以及互联电路置于CMOS传感器背部，CMOS传感器前部全部留给光电二极管，从而可实现100％的填充因子。
然而，背部感光式图像传感器的性能仍有待改善。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种图像传感器及其形成方法，提高图像传感器的光电二极管的响应能力和量子效率，从而改善图像传感器的性能。
为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器，包括：基底，所述基底包括至少两个像素区域；位于每一像素区域基底内的第一掺杂层，所述第一掺杂层内掺杂有P型离子或者N型离子；位于每一像素区域基底内的第二掺杂层，所述第二掺杂层覆盖所述第一掺杂层顶部表面，所述第二掺杂层内掺杂有P型离子或者N型离子，所述第二掺杂层的掺杂离子与第一掺杂层的掺杂离子类型不同，且位于不同像素区域的第二掺杂层的厚度不相等，所述第一掺杂层与位于第一掺杂层顶部表面的第二掺杂层构成光电二极管。
可选的，不同像素区域的基底顶部表面齐平；所述像素区域基底内具有暴露出所述第二掺杂层顶部的凹槽，且不同像素区域的凹槽深度不相等。
可选的，图像传感器还包括：填充满所述凹槽的绝缘层，所述绝缘层对单色光的吸收系数小于所述第二掺杂层对所述单色光的吸收系数。
可选的，图像传感器还包括：位于所述绝缘层和所述第二掺杂层之间的界面层，所述界面层覆盖所述第二掺杂层顶部、所述凹槽侧壁以及所述基底顶部；位于所述界面层与所述绝缘层之间的高K介质层，所述高K介质层覆盖所述界面层表面。
可选的，所述绝缘层的材料为氧化硅或氮化硅。
可选的，所述第二掺杂层的材料为硅。
可选的，所述基底包括绿光像素区域、蓝光像素区域及红光像素区域；位于所述绿光像素区域的所述第二掺杂层厚度大于所述蓝光像素区域的所述第二掺杂层厚度，且位于所述红光像素区域的所述第二掺杂层厚度大于所述绿光像素区域的所述第二掺杂层厚度。
可选的，所述凹槽包括位于绿光像素区域的第一凹槽和位于蓝光像素区域的第二凹槽，所述第二凹槽深度大于所述第一凹槽深度。
可选的，所述第一凹槽的深度为0.8μm～1.5μm；所述第二凹槽的深度为1μm～2μm。
相应的，本发明还提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供基底，所述基底包括至少两个像素区域，每一像素区域基底内均形成有第一掺杂层，所述第一掺杂层内掺杂有P型离子或者N型离子；在所述第一掺杂层顶部表面形成第二掺杂层，所述第二掺杂层内掺杂有P型离子或者N型离子，所述第二掺杂层的掺杂离子与第一掺杂层的掺杂离子类型不同，且位于不同像素区域的第二掺杂层的厚度不相等，所述第一掺杂层与位于第一掺杂层顶部表面的第二掺杂层构成光电二极管。
可选的，在形成所述第二掺杂层之前，不同像素区域的基底顶部表面齐平；所述像素区域基底内具有暴露出所述第二掺杂层顶部的凹槽，且不同像素区域的凹槽深度不相等。
可选的，形成所述第二掺杂层的工艺方法包括：对位于所述第一掺杂层顶部的基底进行掺杂处理；在进行掺杂处理后，去除位于所述第一掺杂层顶部的部分厚度的基底，在所述像素区域基底内形成凹槽，位于所述凹槽与所述第一掺杂层顶部之间的基底作为所述第二掺杂层。
可选的，形成所述第二掺杂层的工艺方法包括：去除位于所述第一掺杂层顶部的部分厚度的基底，在所述像素区域基底内形成凹槽；对位于所述凹槽与所述第一掺杂层顶部之间的基底进行掺杂处理，形成所述第二掺杂层。
可选的，形成所述第二掺杂层后，还包括：形成填充满所述凹槽的绝缘层，所述绝缘层对单色光的吸收系数小于所述第二掺杂层对所述单色光的吸收系数。
可选的，形成所述第二掺杂层后，且在形成所述绝缘层前，还包括：在所述第二掺杂层顶部、所述凹槽侧壁以及所述基底顶部形成界面层；在所述界面层表面及所述基底顶部形成高K介质层，且所述高K介质层位于所述界面层与所述绝缘层之间。
可选的，提供的所述基底包括绿光像素区域、蓝光像素区域及红光像素区域；位于所述绿光像素区域的所述第二掺杂层厚度大于所述蓝光像素区域的所述第二掺杂层厚度，且位于所述红光像素区域的所述第二掺杂层厚度大于所述绿光像素区域的所述第二掺杂层厚度。
可选的，所述凹槽包括位于绿光像素区域的第一凹槽和位于蓝光像素区域的第二凹槽，所述第二凹槽深度大于所述第一凹槽深度；形成所述第一凹槽及第二凹槽的工艺方法包括：在所述蓝光像素区域及红光像素区域基底顶部形成第一光刻胶层，所述第一光刻胶层露出部分所述绿光像素区域基底顶部；去除部分厚度第一光刻胶层露出的绿光像素区域基底，形成所述第一凹槽；去除所述第一光刻胶层；形成填充满所述第一凹槽的抗反射涂层；在所述抗反射涂层顶部及红光像素区域基底顶部形成第二光刻胶层，所述第二光刻胶层露出部分所述蓝光像素区域基底顶部；去除部分厚度第二光刻胶层露出的蓝光像素区域基底，形成所述第二凹槽；去除所述第二光刻胶层；去除所述抗反射涂层。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明提供的图像传感器的技术方案中，基底包括至少两个像素区域；每一像素区域基底内均具有第一掺杂层及第二掺杂层，所述第二掺杂层覆盖所述第一掺杂层顶部表面，且所述第二掺杂层的掺杂离子与第一掺杂层的掺杂离子类型不同，不同像素区域的入射光的波长具有差异，由于所述第二掺杂层对不同波长的光的吸收系数不同，因此不同波长的光在所述第二掺杂层内的透入深度不同，使位于不同像素区域的第二掺杂层的厚度不相等，有助于增强部分数量个像素区域的入射光到达第一掺杂层顶部附近区域的强度，从而提高光电二极管的响应能力和量子效率，改善图像传感器的性能。
可选方案中，图像传感器还包括填充满所述凹槽的绝缘层，相较于在所述绝缘层的空间位置处填充第二掺杂层材料，由于所述绝缘层对单色光的吸收系数小于所述第二掺杂层对所述单色光的吸收系数，因而单色光经所述绝缘层传输，光强衰减量小，有助于提高单色光到达第一掺杂层顶部附近区域的强度，进而能够提高光电二极管的响应能力和量子效率。此外，所述绝缘层还能够防止所述凹槽露出的第二掺杂层顶部表面发生漏电，并有助于提高所述图像传感器的器件表面平整度。
可选方案中，所述第一凹槽的深度为0.8μm～1.5μm；所述第二凹槽的深度为1μm～2μm，所述第一凹槽及所述第二凹槽深度适当，使得绿光像素区域及蓝光像素区域的第二掺杂层厚度均适当，有助于提高绿光像素区域及蓝光像素区域的入射光到达第一掺杂层顶部附近区域的强度，从而可提高绿光像素区域和蓝光像素区域的光电二极管的响应能力和量子效率。
附图说明
图1是一种图像传感器的结构示意图；
图2是本发明一实施例图像传感器的结构示意图；
图3至图10是本发明图像传感器形成方法一实施例中各步骤对应的结构示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有半导体结构的性能仍有待提高。
现结合一种图像传感器进行分析，参考图1，所述图像传感器包括：基底10，所述基底10包括至少两个像素区域；每一像素区域基底10内均具有第一掺杂层20，所述第一掺杂层20内掺杂有P型离子或者N型离子；每一像素区域基底10内均具有第二掺杂层30，所述第二掺杂层30覆盖所述第一掺杂层20顶部表面，所述第二掺杂层30内掺杂有P型离子或者N型离子，所述第二掺杂层30的掺杂离子与第一掺杂层20的掺杂离子类型不同，且位于不同像素区域的第二掺杂层30的厚度相等；处于相邻所述像素区域之间的所述基底10内的隔离层40。
所述第一掺杂层20与位于第一掺杂层20顶部表面的第二掺杂层30构成光电二极管。
其中，所述基底20包括绿光像素区域i、蓝光像素区域ii及红光像素区域iii。
上述图像传感器的性能差，分析其原因在于：
所述绿光像素区域i的入射光为绿光；所述蓝光像素区域ii的入射光为蓝光；所述红光像素区域iii的入射光为红光。绿光、蓝光及红光的波长具有差异，其中，红光波长最长，蓝光波长最短，绿光波长处于红光波长及蓝光波长之间；所述第二掺杂层30材料对单色光的吸收系数与单色光的波长有关，因而绿光像素区域i、蓝光像素区域ii及红光像素区域iii的入射光在所述第二掺杂层30内的透入深度不同，其中，所述红光像素区域iii的入射光在所述第二掺杂层30内的透入深度最大，所述蓝光像素区域ii的入射光在所述第二掺杂层30内的透入深度最小，所述绿光像素区域i的入射光在所述第二掺杂层30内的透入深度大于所述蓝光像素区域ii的入射光的透入深度，且小于红光像素区域iii的入射光的透入深度。
所述第一掺杂层20顶部附近区域的第二掺杂层30材料吸收光子产生电子空穴对，电子及空穴在电场作用下沿相反方向运动即形成光电流。由于绿光像素区域i、蓝光像素区域ii及红光像素区域iii的第二掺杂层30厚度相同，又由于绿光像素区域i及蓝光像素区域ii的入射光比红光像素区域iii的入射光在所述第二掺杂层30内的透入深度小，因而相较于红光像素区域iii的入射光到达第一掺杂层20顶部附近区域的强度，绿光像素区域i的入射光及蓝光像素区域ii的入射光到达第一掺杂层20顶部附近区域的强度小，导致绿光像素区域及蓝光像素区域的光电二极管的响应能力和量子效率低。
所述基底还可以仅包括绿光像素区域i、蓝光像素区域ii及红光像素区域iii中的两种；此外，所述基底还可以包括其他颜色像素区域。
由上可知，当不同像素区域的入射光的波长具有差异时，由于所述第二掺杂层对不同波长的光的吸收系数不同，因此不同波长的光在所述第二掺杂层内的透入深度不同。位于不同像素区域的第二掺杂层的厚度相等，导致不同像素区域的入射光到达第一掺杂层20顶部附近区域的强度差异大，部分数量个像素区域的入射光到达第一掺杂层20顶部附近区域的强度低，造成光电二极管的响应能力和量子效率低，致使图像传感器的性能差。
为此，本发明提供一种图像传感器，包括：基底，所述基底包括至少两个像素区域；位于每一像素区域基底内的第一掺杂层，所述第一掺杂层内掺杂有P型离子或者N型离子；位于每一像素区域基底内的第二掺杂层，所述第二掺杂层覆盖所述第一掺杂层顶部表面，所述第二掺杂层内掺杂有P型离子或者N型离子，所述第二掺杂层的掺杂离子与第一掺杂层的掺杂离子类型不同，且位于不同像素区域的第二掺杂层的厚度不相等，所述第一掺杂层与位于第一掺杂层顶部表面的第二掺杂层构成光电二极管。
由于不同像素区域的入射光的波长不相等，又由于所述第二掺杂层对不同波长的光的吸收系数不同，因此不同像素区域的入射光在所述第二掺杂层内的透入深度不同，使不同像素区域的第二掺杂层的厚度不相等，有助于增强部分数量个像素区域的入射光到达第一掺杂层顶部附近区域的强度，从而提高光电二极管的响应能力和量子效率，改善图像传感器的性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图2是本发明一实施例图像传感器的结构示意图。
参考图2，一种图像传感器，包括：基底100，所述基底100包括至少两个像素区域；每一像素区域基底100内均具有第一掺杂层200，所述第一掺杂层200内掺杂有P型离子或者N型离子；每一像素区域基底100内均具有第二掺杂层300，所述第二掺杂层300覆盖所述第一掺杂层200顶部表面，所述第二掺杂层300内掺杂有P型离子或者N型离子，所述第二掺杂层300的掺杂离子与第一掺杂层200的掺杂离子类型不同，且位于不同像素区域的第二掺杂层300的厚度不相等，所述第一掺杂层200与位于第一掺杂层200顶部表面的第二掺杂层300构成光电二极管。
以下将结合附图对本发明实施例提供的图像传感器进行详细说明。
本实施例中，所述基底100包括绿光像素区域Ⅰ、蓝光像素区域Ⅱ及红光像素区域Ⅲ。所述绿光像素区域Ⅰ的入射光为绿光；所述蓝光像素区域Ⅱ的入射光为蓝光；所述红光像素区域Ⅲ的入射光为红光。
需要说明的是，在其他实施例中，所述基底还可以仅包括绿光像素区域、蓝光像素区域及红光像素区域中的两种；此外，除包括绿光像素区域、蓝光像素区域及红光像素区域外，所述基底还可以包括其他颜色像素区域。
本实施例中，所述第一掺杂层200内掺杂有P型离子。在其他实施例中，所述第一掺杂层内掺杂有N型离子。
本实施例中，所述第一掺杂层200的材料为硅。
本实施例中，所述第二掺杂层300的材料为硅。
所述第二掺杂层300内掺杂有N型离子。在其他实施例中，当所述第一掺杂层内掺杂有N型离子时，所述第二掺杂层内掺杂有P型离子。
本实施例中，位于所述绿光像素区域Ⅰ的所述第二掺杂层300厚度大于所述蓝光像素区域Ⅱ的所述第二掺杂层300厚度，且位于所述红光像素区域Ⅲ的所述第二掺杂层300厚度大于所述绿光像素区域Ⅰ的所述第二掺杂层300厚度。
所述第二掺杂层300材料对单色光的吸收系数与单色光的波长有关。单色光的波长越大，所述第二掺杂层300材料对单色光的吸收系数越小，相应的，所述单色光在所述第二掺杂层300内的透入深度越大。本实施例中，入射所述红光像素区域Ⅲ的红光波长最大，因而红光在所述第二掺杂层300内的透入深度最大；入射所述蓝光像素区域Ⅱ的蓝光波长最小，因而蓝光在所述第二掺杂层300内的透入深度最小；入射所述绿光像素区域Ⅰ的绿光波长处于红光波长与蓝光波长之间，因此绿光在所述第二掺杂层300内的透入深度小于红光在所述第二掺杂层300内的透入深度，且大于蓝光在所述第二掺杂层300内的透入深度。
本实施例中，位于所述绿光像素区域Ⅰ的所述第二掺杂层300厚度大于所述蓝光像素区域Ⅱ的所述第二掺杂层300厚度，且位于所述红光像素区域Ⅲ的所述第二掺杂层300厚度大于所述绿光像素区域Ⅰ的所述第二掺杂层300厚度，相较于使绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300厚度及蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300厚度均与红光像素区域Ⅲ的所述第二掺杂层300厚度相等，本发明能够提高绿光像素区域Ⅰ及蓝光像素区域Ⅱ的入射光到达第一掺杂层200顶部附近区域的强度，有助于提高绿光像素区域Ⅰ及蓝光像素区域Ⅱ的光电二极管的响应能力和量子效率，从而可改善图像传感器的性能。
其中，所述第一掺杂层200顶部附近区域的第二掺杂层300材料吸收光子产生电子空穴对。量子效率的定义为一个入射光子能够产生的电子空穴对个数；响应能力指的是单位入射光功率产生的光电流大小。
若所述绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300厚度过小，则所述绿光像素区域Ⅰ中能够产生电子空穴对的区域厚度过小，致使产生的电子空穴对数量少，影响光电二极管的光电转换效率。若所述绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300厚度过大，入射光到达所述绿光像素区域Ⅰ的第一掺杂层200顶部附近区域的强度过小，造成光电二极管的响应能力和量子效率低。本实施例中，所述绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300厚度为0.7μm～1.5μm。
若所述蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300厚度过小，导致蓝光像素区域Ⅱ产生的电子空穴对数量少，影响光电转换效率。若所述蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300厚度过大，导致蓝光像素区域Ⅱ的第一掺杂层200顶部附近区域的光强过小，造成光电二极管的响应能力和量子效率低。本实施例中，所述蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300厚度为0.5μm～1μm。
若所述红光像素区域Ⅲ的第二掺杂层300厚度过小，则红光像素区域Ⅲ可产生电子空穴对的区域厚度过小，致使产生的电子空穴对数量少。若所述红光像素区域Ⅲ的第二掺杂层300厚度过大，入射光到达红光像素区域Ⅲ的第一掺杂层200顶部附近区域的强度过小。本实施例中，所述红光像素区域Ⅲ的第二掺杂层300厚度为2.5μm～3μm。
不同像素区域的基底100顶部表面齐平，且不同像素区域的所述第一掺杂层200顶部齐平。
本实施例中，所述绿光像素区域Ⅰ、蓝光像素区域Ⅱ及红光像素区域Ⅲ的基底100顶部表面齐平；并且所述绿光像素区域Ⅰ、蓝光像素区域Ⅱ及红光像素区域Ⅲ的第一掺杂层200顶部齐平。
所述像素区域基底100内具有暴露出所述第二掺杂层300顶部的凹槽，且不同像素区域的凹槽深度不相等。
所述凹槽的数量小于或等于所述第二掺杂层300的数量。本实施例中，所述凹槽的数量小于所述第二掺杂层300的数量。
本实施例中，所述凹槽包括位于绿光像素区域Ⅰ的第一凹槽(图中未示出)和位于蓝光像素区域Ⅱ的第二凹槽(图中未示出)，所述第二凹槽深度大于所述第一凹槽深度。红光像素区域Ⅲ的第二掺杂层300顶部与基底100顶部齐平，即红光像素区域Ⅲ的第二掺杂层300顶部不存在所述凹槽。
若所述第一凹槽深度过小，则绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300厚度过大，造成入射绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300的单色光到达第一掺杂层200顶部附近区域的强度过小，影响光电二极管的响应能力和量子效率。若所述第一凹槽深度过大，则绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300厚度过小，造成光电二极管的光电转换效率低。本实施例中，所述第一凹槽的深度为0.8μm～1.5μm。
若所述第二凹槽深度过小，则导致蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300厚度过大，造成入射蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300的单色光到达第一掺杂层200顶部附近区域的强度过小，影响光电二极管的响应能力和量子效率。若所述第二凹槽深度过大，则导致蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300厚度过小，影响光电二极管的光电转换效率。本实施例中，所述第二凹槽的深度为1μm～2μm。
所述图像传感器还包括填充满所述凹槽的绝缘层820，所述绝缘层820对单色光的吸收系数小于所述第二掺杂层300对所述单色光的吸收系数。不同像素区域的绝缘层820顶部表面均与所述基底100顶部表面齐平。
本实施例中，所述绝缘层820填充满位于所述绿光像素区域Ⅰ的第一凹槽和位于蓝光像素区域Ⅱ的第二凹槽。所述绝缘层820对绿光的吸收系数小于所述第二掺杂层300对绿光的吸收系数；所述绝缘层820对蓝光的吸收系数小于所述第二掺杂层300对蓝光的吸收系数。
本实施例中，所述绿光像素区域Ⅰ的所述绝缘层820顶部表面和蓝光像素区域Ⅱ的所述绝缘层820顶部表面均与所述基底100顶部表面齐平。
所述绝缘层820的材料为氧化硅或氮化硅。本实施例中，所述绝缘层820的材料为氧化硅。
由于所述绝缘层820对单色光的吸收系数小于所述第二掺杂层300对所述单色光的吸收系数，因而相较于在所述绝缘层820的空间位置处填充第二掺杂层300材料，单色光经所述绝缘层820传输，光强衰减量小，有助于提高单色光到达第一掺杂层200顶部附近区域的强度，进而能够提高光电二极管的响应能力和量子效率。此外，所述绝缘层820还能够防止所述凹槽露出的绿光像素区域Ⅰ及蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300顶部表面发生漏电，并有助于提高所述图像传感器的器件表面平整度。
由于空气对单色光的吸收系数小于所述绝缘层820对单色光的吸收系数，因而在其他实施例中，所述图像传感器还可以露出所述凹槽底部及侧壁，即所述凹槽内未填充所述绝缘层，以提高入射所述第二掺杂层顶部的单色光强度，进而可提高单色光到达第一掺杂层顶部附近区域的强度。
本实施例中，所述图像传感器还包括位于所述绝缘层820和所述第二掺杂层300之间的界面层(图中未示出)，所述界面层覆盖所述第二掺杂层300顶部、所述凹槽侧壁以及所述基底100顶部；位于所述界面层与所述绝缘层820之间的高K介质层810，所述高K介质层810覆盖所述界面层表面。
所述界面层能够改善所述高K介质层810的界面基础，从而可提高所述高K介质层810与第二掺杂层300的结合能力。
本实施例中，所述界面层的材料为氧化硅。在其他实施例中，所述界面层的材料还可以为氧化锗。
所述高K介质层810的作用为稳定内建电势，增大耗尽层厚度，有助于提高光电转换效率。
所述高K介质层810的材料为高k介质材料(介电常数大于3.9)。本实施例中，所述高K介质层810的材料为HfO2；在其他实施例中，所述高K介质层的材料还可以为HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO或ZrO2。
本实施例中，所述基底100内还具有处于相邻所述像素区域之间的所述基底100内的隔离层400。
所述隔离层400能够起到避免相邻所述像素区域相互影响的作用。
本实施例中，所述隔离层400顶部与所述基底100顶部齐平，即所述隔离层400顶部与红光像素区域Ⅲ的第二掺杂层300顶部齐平。
综上，基底100包括至少两个像素区域；每一像素区域基底100内均具有第一掺杂层200及第二掺杂层300，所述第二掺杂层300覆盖所述第一掺杂层200顶部表面，且所述第二掺杂层300的掺杂离子与第一掺杂层200的掺杂离子类型不同，不同像素区域的入射光的波长具有差异，由于所述第二掺杂层300对不同波长的光的吸收系数不同，因此不同波长的光在所述第二掺杂层300内的透入深度不同，使位于不同像素区域的第二掺杂层300的厚度不相等，有助于增强部分数量个像素区域的入射光到达第一掺杂层200顶部附近区域的强度，从而提高光电二极管的响应能力和量子效率，改善图像传感器的性能。
本发明还提供一种上述图像传感器的形成方法。图3至图10为本发明图像传感器形成方法一实施例中各步骤对应的结构示意图。
参考图3至图10，提供基底100，所述基底100包括至少两个像素区域，每一像素区域基底100内均形成有第一掺杂层200，所述第一掺杂层200内掺杂有P型离子或者N型离子。在所述第一掺杂层200顶部表面形成第二掺杂层300，所述第二掺杂层300内掺杂有P型离子或者N型离子，所述第二掺杂层300的掺杂离子与第一掺杂层200的掺杂离子类型不同，且位于不同像素区域的第二掺杂层300的厚度不相等，所述第一掺杂层200与位于第一掺杂层200顶部表面的第二掺杂层300构成光电二极管。
以下将结合附图对本发明实施例提供的图像传感器的形成方法进行详细说明。
参考图3，本实施例中，所述基底100包括绿光像素区域Ⅰ、蓝光像素区域Ⅱ及红光像素区域Ⅲ。在其他实施例中，所述基底还可以仅包括绿光像素区域、蓝光像素区域及红光像素区域中的两种；此外，除包括绿光像素区域、蓝光像素区域及红光像素区域外，所述基底还可以包括其他颜色像素区域。
不同像素区域的基底100顶部表面齐平。本实施例中，所述绿光像素区域Ⅰ、蓝光像素区域Ⅱ及红光像素区域Ⅲ的基底100顶部表面齐平。
所述第一掺杂层200内掺杂有P型离子或N型离子。本实施例中，所述第一掺杂层200内掺杂有P型离子。
不同像素区域的所述第一掺杂层200顶部齐平。本实施例中，所述绿光像素区域Ⅰ、蓝光像素区域Ⅱ及红光像素区域Ⅲ的第一掺杂层200顶部表面齐平。
本实施例中，所述第一掺杂层200的材料为硅。
本实施例中，位于所述第一掺杂层200顶部的所述基底100内掺杂有P型离子或者N型离子，且掺杂离子的类型与第一掺杂层200的掺杂离子类型不同。
本实施例中，形成所述第一掺杂层200的工艺方法包括：对基底100进行掺杂处理，使所述基底100内掺杂有P型离子；对部分厚度所述基底100掺杂处理，使所述部分厚度基底100内掺杂有N型离子，剩余掺杂有P型离子的基底100作为所述第一掺杂层200。
在其他实施例中，还可以采用选择性外延生长工艺形成所述第一掺杂层。
在形成所述第一掺杂层200之后，位于第一掺杂层200顶部表面的基底100为后续形成第二掺杂层提供工艺基础。具体地，若干个像素区域中位于第一掺杂层200顶部表面的基底100作为初始第二掺杂层310，后续刻蚀部分厚度所述初始第二掺杂层310以形成第二掺杂层；其余像素区域中位于第一掺杂层200顶部表面的基底100直接作为第二掺杂层。
本实施例中，所述初始第二掺杂层310包括：位于绿光像素区域Ⅰ的初始第二掺杂层310以及位于蓝光像素区域Ⅱ的初始第二掺杂层310。由于红光像素区域Ⅲ的入射光为红光，红光波长较长，因而红光像素区域Ⅲ的第一掺杂层200顶部的基底100材料对入射光的吸收系数低，即红光像素区域Ⅲ的入射光在第一掺杂层200顶部的基底100材料内的透入深度大，因此位于红光像素区域Ⅲ的第一掺杂层200顶部表面的基底100作为红光像素区域Ⅲ的第二掺杂层300。
本实施例中，绿光像素区域Ⅰ的初始第二掺杂层310、蓝光像素区域Ⅱ的初始第二掺杂层310及红光像素区域Ⅲ的第二掺杂层300厚度相等，并且绿光像素区域Ⅰ及蓝光像素区域Ⅱ的初始第二掺杂层310顶部均与红光像素区域Ⅲ的第二掺杂层300顶部齐平。
若所述红光像素区域Ⅲ的第二掺杂层300厚度过小，则红光像素区域Ⅲ能够产生电子空穴对的区域厚度过小，致使产生的电子空穴对数量少，影响红光像素区域Ⅲ的光电转换效率。若所述红光像素区域Ⅲ的第二掺杂层300厚度过大，入射光到达第一掺杂层200顶部附近区域的强度过小，造成红光像素区域Ⅲ的光电二极管的响应能力和量子效率低。本实施例中，所述红光像素区域Ⅲ的第二掺杂层300厚度为2.5μm～3μm。
为避免相邻所述像素区域相互影响，本实施例中，所述基底100内还具有处于相邻所述像素区域之间的所述基底100内的隔离层400。
本实施例中，所述隔离层400顶部与红光像素区域Ⅲ的第二掺杂层300顶部齐平。
后续形成所述绿光像素区域Ⅰ及蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层，工艺方法包括：去除位于所述第一掺杂层200顶部的部分厚度的基底100，在所述像素区域基底100内形成凹槽，位于所述凹槽与所述第一掺杂层200顶部之间的基底100作为所述第二掺杂层。所述凹槽暴露出所述第二掺杂层顶部，且不同像素区域的凹槽深度不相等。下面结合参考图4至图9，对所述绿光像素区域Ⅰ及蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层的形成过程进行详细的说明。
参考图4，在所述蓝光像素区域Ⅱ的初始第二掺杂层310顶部及红光像素区域Ⅲ的第二掺杂层300顶部形成第一光刻胶层510，所述第一光刻胶层510露出所述绿光像素区域Ⅰ的初始第二掺杂层310顶部。
本实施例中，所述第一光刻胶层510还覆盖部分所述隔离层400顶部。
参考图5，去除部分厚度第一光刻胶层510露出的绿光像素区域Ⅰ的初始第二掺杂层310(参考图4)，形成所述第一凹槽610，位于所述第一凹槽610与所述第一掺杂层200顶部之间的基底100作为绿光像素区域Ⅰ的所述第二掺杂层300；去除所述第一光刻胶层510(参考图4)。
若所述第一凹槽610深度过小，则导致绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300厚度过大，造成入射绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300的单色光到达第一掺杂层200顶部附近区域的强度过小，影响光电二极管的响应能力和量子效率。若所述第一凹槽610深度过大，则导致绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300厚度过小，造成光电二极管的性能差。本实施例中，所述第一凹槽610的深度为0.8μm～1.5μm。
若所述绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300厚度过小，则所述绿光像素区域Ⅰ中能够产生电子空穴对的区域厚度过小，致使产生的电子空穴对数量少，影响绿光像素区域Ⅰ的光电二极管的光电转换效率。若所述绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300厚度过大，入射光到达所述绿光像素区域Ⅰ的第一掺杂层200顶部附近区域的强度过小，造成光电二极管的响应能力和量子效率低。本实施例中，所述绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300厚度为0.7μm～1.5μm。
本实施例中，采用干法各向异性刻蚀工艺去除部分厚度第一光刻胶层510(参考图4)露出的绿光像素区域Ⅰ的初始第二掺杂层310(参考图4)。
参考图6，形成填充满所述第一凹槽610(参考图5)的抗反射涂层700。
所述抗反射涂层700的材料为易去除材料，可防止后续去除所述抗反射涂层700的过程中对所述第二掺杂层300顶部造成刻蚀。本实施例中，所述抗反射涂层700的材料包括含硅的碳氧化物。
参考图7，在所述抗反射涂层700顶部及红光像素区域Ⅲ的第二掺杂层300顶部形成第二光刻胶层520，所述第二光刻胶层520露出所述蓝光像素区域Ⅱ的初始第二掺杂层310顶部。
本实施例中，所述第二光刻胶层520还覆盖所述隔离层400顶部。
参考图8，去除部分厚度第二光刻胶层520露出的蓝光像素区域Ⅱ的初始第二掺杂层310(参考图7)，形成所述第二凹槽620；位于所述第二凹槽620与所述第一掺杂层200顶部之间的基底100作为蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300。
本实施例中，采用干法各向异性刻蚀工艺去除部分厚度蓝光像素区域Ⅱ的初始第二掺杂层310。
本实施例中，所述第二凹槽620深度大于所述第一凹槽610(参考图5)深度。
若所述第二凹槽620深度过小，则导致蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300厚度过大，造成入射蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300的单色光到达第一掺杂层200顶部附近区域的强度过小，影响光电二极管的响应能力和量子效率。若所述第二凹槽620深度过大，则导致蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300厚度过小，造成光电二极管的性能差。本实施例中，所述第二凹槽620的深度为1μm～2μm。
若所述蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300厚度过小，导致蓝光像素区域Ⅱ产生的电子空穴对数量少，影响光电转换效率。若所述蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300厚度过大，导致蓝光像素区域Ⅱ的第一掺杂层200顶部附近区域的光强过小，造成光电二极管的响应能力和量子效率低。本实施例中，所述蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300厚度为0.5μm～1μm。
本实施例中，位于红光像素区域Ⅲ的第一掺杂层200顶部的所述基底100作为红光像素区域Ⅲ的第二掺杂层300，即在红光像素区域Ⅲ的基底100内未形成凹槽；又由于所述第二凹槽620的深度大于所述第一凹槽610(参考图5)的深度，因而位于所述绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300厚度大于所述蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300厚度，且位于所述红光像素区域Ⅲ的所述第二掺杂层300厚度大于所述绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300厚度。相较于绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300厚度及蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300厚度均与红光像素区域Ⅲ的所述第二掺杂层300厚度相等，本发明能够提高绿光像素区域Ⅰ及蓝光像素区域Ⅱ的入射光到达第一掺杂层200顶部附近区域的强度，有助于提高绿光像素区域Ⅰ及蓝光像素区域Ⅱ的光电二极管的响应能力和量子效率，从而可改善图像传感器的性能。
参考图9，去除所述第二光刻胶层520(参考图8)；去除所述抗反射涂层700(参考图8)。
去除所述第二光刻胶层520及抗反射涂层700后，露出绿光像素区域Ⅰ第一凹槽610及蓝光像素区域Ⅱ第二凹槽620。
参考图10，形成填充满所述凹槽的绝缘层820，所述绝缘层820对单色光的吸收系数小于所述第二掺杂层300对所述单色光的吸收系数。
本实施例中，所述绝缘层820填充满位于所述绿光像素区域Ⅰ的第一凹槽610(参考图9)和位于蓝光像素区域Ⅱ的第二凹槽620(参考图9)。绿光像素区域Ⅰ的绝缘层820对入射的绿光的吸收系数小于所述第二掺杂层300对绿光的吸收系数；蓝光像素区域Ⅱ的所述绝缘层820对入射的蓝光的吸收系数小于所述第二掺杂层300对蓝光的吸收系数。
所述绝缘层820的材料为氧化硅或氮化硅。本实施例中，所述绝缘层820的材料为氧化硅。
由于所述绝缘层820对单色光的吸收系数小于所述第二掺杂层300对所述单色光的吸收系数，因而相较于在所述绝缘层820的空间位置处填充第二掺杂层300材料，单色光经所述绝缘层820传输，光强衰减量小，有助于提高单色光到达第一掺杂层200顶部附近区域的强度，进而能够提高光电二极管的响应能力和量子效率。此外，所述绝缘层820还能够防止所述凹槽露出的第二掺杂层300顶部表面发生漏电，并有助于提高后续形成的图像传感器的器件表面的平整度。
形成所述绝缘层820前，还包括：在所述第二掺杂层300顶部、所述凹槽侧壁以及所述基底100顶部形成界面层(图中未示出)；在所述界面层表面形成高K介质层810，且所述高K介质层810位于所述界面层与所述绝缘层820之间。
本实施例中，所述界面层覆盖绿光像素区域Ⅰ、蓝光像素区域Ⅱ和红光像素区域Ⅲ的第二掺杂层300顶部，此外，所述界面层还覆盖第一凹槽610(参考图9)侧壁和第二凹槽620(参考图9)侧壁，并且所述界面层还覆盖绿光像素区域Ⅰ、蓝光像素区域Ⅱ和红光像素区域Ⅲ的基底100顶部。
所述界面层能够改善所述高K介质层810的界面基础，从而可提高所述高K介质层810与第二掺杂层300的结合能力。
本实施例中，所述界面层的材料为氧化硅。在其他实施例中，所述界面层的材料还可以为氧化锗。
本实施例中，采用原子层沉积工艺形成所述界面层。在其他实施例中，还可以采用化学气相沉积工艺形成所述界面层。
所述高K介质层810的作用为稳定内建电势，增大耗尽层厚度，有助于提高光电转换效率。
所述高K介质层810的材料为高K介质材料(介电常数大于3.9)。本实施例中，所述高K介质层810的材料为HfO2；在其他实施例中，所述高K介质层810的材料还可以为HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO或ZrO2。
本实施例中，采用原子层沉积工艺形成所述高K介质层810。在其他实施例中，还可以采用化学气相沉积工艺形成所述高K介质层。
在其他实施例中，还可以使后续形成的图像传感器露出所述凹槽底部及侧壁，即不进行形成所述绝缘层的工艺。由于空气对单色光的吸收系数小于所述绝缘层对单色光的吸收系数，因而露出所述凹槽底部及侧壁能够提高入射所述第一掺杂层顶部附近区域的单色光强度。
本实施例中，在形成所述凹槽前，对位于所述第一掺杂层200顶部的基底100进行掺杂处理。需要说明的是，在其他实施例中，还可以将形成所述凹槽的工艺调整在对位于所述第一掺杂层顶部的基底进行掺杂处理之前，即形成所述第二掺杂层的工艺方法包括：去除位于所述第一掺杂层顶部的部分厚度的基底，在所述像素区域基底内形成凹槽；对位于所述凹槽与所述第一掺杂层顶部之间的基底进行掺杂处理，形成所述第二掺杂层。
综上，不同像素区域的入射光的波长具有差异，位于不同像素区域的第二掺杂层300的厚度不相等，有利于增强部分数量个像素区域的入射光到达第一掺杂层200顶部附近区域的强度，从而能够提高所述第一掺杂层200与第二掺杂层300构成的光电二极管的响应能力和量子效率。
具体的，位于所述绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300厚度大于所述蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300厚度，且位于所述红光像素区域Ⅲ的所述第二掺杂层300厚度大于所述绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300厚度。相较于绿光像素区域Ⅰ的第二掺杂层300厚度及蓝光像素区域Ⅱ的第二掺杂层300厚度均与红光像素区域Ⅲ的所述第二掺杂层300厚度相等，本发明能够提高绿光像素区域Ⅰ的入射光及蓝光像素区域Ⅱ的入射光到达第一掺杂层200顶部附近区域的强度，有助于提高绿光像素区域Ⅰ及蓝光像素区域Ⅱ的光电二极管的响应能力和量子效率，从而可改善图像传感器的性能。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (17)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
基底，所述基底包括至少两个像素区域；
位于每一像素区域基底内的第一掺杂层，所述第一掺杂层内掺杂有P型离子或者N型离子；
位于每一像素区域基底内的第二掺杂层，所述第二掺杂层覆盖所述第一掺杂层顶部表面，所述第二掺杂层内掺杂有P型离子或者N型离子，所述第二掺杂层的掺杂离子与第一掺杂层的掺杂离子类型不同，且位于不同像素区域的第二掺杂层的厚度不相等，所述第一掺杂层与位于第一掺杂层顶部表面的第二掺杂层构成光电二极管。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，不同像素区域的基底顶部表面齐平；所述像素区域基底内具有暴露出所述第二掺杂层顶部的凹槽，且不同像素区域的凹槽深度不相等。
3.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，还包括：填充满所述凹槽的绝缘层，所述绝缘层对单色光的吸收系数小于所述第二掺杂层对所述单色光的吸收系数。
4.如权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，还包括：位于所述绝缘层和所述第二掺杂层之间的界面层，所述界面层覆盖所述第二掺杂层顶部、所述凹槽侧壁以及所述基底顶部；位于所述界面层与所述绝缘层之间的高K介质层，所述高K介质层覆盖所述界面层表面。
5.如权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，所述绝缘层的材料为氧化硅或氮化硅。
6.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第二掺杂层的材料为硅。
7.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述基底包括绿光像素区域、蓝光像素区域及红光像素区域；位于所述绿光像素区域的所述第二掺杂层厚度大于所述蓝光像素区域的所述第二掺杂层厚度，且位于所述红光像素区域的所述第二掺杂层厚度大于所述绿光像素区域的所述第二掺杂层厚度。
8.如权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，所述凹槽包括位于绿光像素区域的第一凹槽和位于蓝光像素区域的第二凹槽，所述第二凹槽深度大于所述第一凹槽深度。
9.如权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述第一凹槽的深度为0.8μm～1.5μm；所述第二凹槽的深度为1μm～2μm。
10.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供基底，所述基底包括至少两个像素区域，每一像素区域基底内均形成有第一掺杂层，所述第一掺杂层内掺杂有P型离子或者N型离子；
在所述第一掺杂层顶部表面形成第二掺杂层，所述第二掺杂层内掺杂有P型离子或者N型离子，所述第二掺杂层的掺杂离子与第一掺杂层的掺杂离子类型不同，且位于不同像素区域的第二掺杂层的厚度不相等，所述第一掺杂层与位于第一掺杂层顶部表面的第二掺杂层构成光电二极管。
11.如权利要求10所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在形成所述第二掺杂层之前，不同像素区域的基底顶部表面齐平；所述像素区域基底内具有暴露出所述第二掺杂层顶部的凹槽，且不同像素区域的凹槽深度不相等。
12.如权利要求10所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，形成所述第二掺杂层的工艺方法包括：对位于所述第一掺杂层顶部的基底进行掺杂处理；
在进行掺杂处理后，去除位于所述第一掺杂层顶部的部分厚度的基底，在所述像素区域基底内形成凹槽，位于所述凹槽与所述第一掺杂层顶部之间的基底作为所述第二掺杂层。
13.如权利要求10所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，形成所述第二掺杂层的工艺方法包括：去除位于所述第一掺杂层顶部的部分厚度的基底，在所述像素区域基底内形成凹槽；对位于所述凹槽与所述第一掺杂层顶部之间的基底进行掺杂处理，形成所述第二掺杂层。
14.如权利要求11所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，形成所述第二掺杂层后，还包括：形成填充满所述凹槽的绝缘层，所述绝缘层对单色光的吸收系数小于所述第二掺杂层对所述单色光的吸收系数。
15.如权利要求14所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，形成所述第二掺杂层后，且在形成所述绝缘层前，还包括：在所述第二掺杂层顶部、所述凹槽侧壁以及所述基底顶部形成界面层；在所述界面层表面及所述基底顶部形成高K介质层，且所述高K介质层位于所述界面层与所述绝缘层之间。
16.如权利要求11所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，提供的所述基底包括绿光像素区域、蓝光像素区域及红光像素区域；位于所述绿光像素区域的所述第二掺杂层厚度大于所述蓝光像素区域的所述第二掺杂层厚度，且位于所述红光像素区域的所述第二掺杂层厚度大于所述绿光像素区域的所述第二掺杂层厚度。
17.如权利要求16所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述凹槽包括位于绿光像素区域的第一凹槽和位于蓝光像素区域的第二凹槽，所述第二凹槽深度大于所述第一凹槽深度；
形成所述第一凹槽及第二凹槽的工艺方法包括：在所述蓝光像素区域及红光像素区域基底顶部形成第一光刻胶层，所述第一光刻胶层露出部分所述绿光像素区域基底顶部；去除部分厚度第一光刻胶层露出的绿光像素区域基底，形成所述第一凹槽；去除所述第一光刻胶层；形成填充满所述第一凹槽的抗反射涂层；在所述抗反射涂层顶部及红光像素区域基底顶部形成第二光刻胶层，所述第二光刻胶层露出部分所述蓝光像素区域基底顶部；
去除部分厚度第二光刻胶层露出的蓝光像素区域基底，形成所述第二凹槽；
去除所述第二光刻胶层；去除所述抗反射涂层。
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