CN108550594B - 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，其中形成方法包括：提供基底，所述基底表面具有保护层，所述基底包括光电区；形成所述保护层之后，在所述光电区内形成光电掺杂区；形成所述光电掺杂区之后，在所述光电区的基底和保护层的界面处掺入改善离子，所述改善离子与界面处的悬挂键相结合。所述方法能够降低图像传感器的暗电流。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造和光电成像技术领域，特别涉及一种图像传感器及其形成方法。
背景技术
图像传感器是将光学图像信号转换为电信号的半导体器件。以图像传感器作为关键零部件的产品成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为电荷耦合图像传感器(Charge-coupled Device ImageSensor，简称为CCD图像传感器)、互补型金属氧化物图像传感器(Complementary MetalOxide Semiconductor Image Sensor，简称为CMOS图像传感器)。CMOS图像传感器是一种快速发展的固态图像传感器，由于CMOS图像传感器中的图像传感器部分和控制电路部分集成于同一芯片中，因此，CMOS图像传感器的体积小、功耗低、价格低廉，相较于串通的CCD图像传感器更具优势，也更易普及。
然而，现有的图像传感器的暗电流较大。所述暗电流是指器件在反向偏压的条件下，没有入射光时产生的反相直流电流，暗电流在图像传感器工作时，会深入信号电流中，造成信号干扰，导致图像传感器性能下降。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种图像传感器及其形成方法，以降低图像传感器的暗电流。
为解决上述技术问题，本发明提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供基底，所述基底表面具有保护层，所述基底包括光电区；形成所述保护层之后，在所述光电区内形成光电掺杂区；形成所述光电掺杂区之后，在所述光电区的基底和保护层的界面处掺入改善离子，所述改善离子与界面处的悬挂键相结合。
可选的，所述改善离子包括氟离子。
可选的，在所述光电区的基底和保护层的界面处掺入改善离子的方法包括：在部分光电区的基底表面形成第二栅极结构；在所述第二栅极结构的侧壁和基底表面形成第一介质层；去除所述第二栅极结构，在所述第一介质层内形成开口，所述开口底部暴露出保护层顶部表面；在所述开口底部形成改善层，所述改善层内具有所述改善离子；进行退火处理，使所述改善离子进入保护层和基底的界面处。
可选的，所述改善层的材料包括：掺氟的氧化硅，所述改善离子包括：氟离子；所述改善层的形成工艺包括固态源掺杂工艺。
可选的，所述改善层内改善离子的掺杂浓度为：1％～10％。
可选的，所述退火处理的工艺包括：快速退火工艺；所述快速退火工艺的参数包括：退火温度为400摄氏度～700摄氏度，退火时间为30秒～120秒。
可选的，形成所述第一介质层之前，所述形成方法还包括：在所述基底表面形成第一栅极结构；在所述第一栅极结构的一侧基底内形成浮置扩散区，且所述浮置扩散区与光电掺杂区分别位于第一栅极结构相对的两侧，所述浮置扩散区内具有第三掺杂离子；所述基底内还具有阱区，所述阱区内具有第一掺杂离子；所述光电掺杂区内具有第二掺杂离子，且所述第二掺杂离子与第一掺杂离子的导电类型相反；所述第三掺杂离子与第二掺杂离子的导电类型相同。
可选的，形成所述改善层之后，所述形成方法还包括：在所述开口和第一介质层表面形成第二介质膜，所述第二介质膜充满开口；平坦化所述第二介质膜，直至暴露出第一栅极结构的顶部表面，在所述开口内形成所述第二介质层；在所述第二介质层和第一栅极结构顶部形成第三介质层。
可选的，形成所述第二介质膜之后，形成第二介质层之前，进行所述退火处理；或者，形成第三介质层之后，进行所述退火处理。
可选的，所述基底内还具有隔离结构；形成所述光电掺杂区之后，在所述光电区的基底和保护层的界面处掺入改善离子之前，所述形成方法还包括：形成包围隔离结构和光电掺杂区顶部的隔离区，所述隔离区内具有第四掺杂离子，所述第四掺杂离子与第二掺杂离子的导电类型相反。
本发明还提供一种图像传感器，包括：基底，所述基底表面具有保护层，所述基底包括光电区；位于光电区的基底内的光电掺杂区；位于所述光电区的基底和保护层界面处的改善离子，所述改善离子与界面处的悬挂键相结合。
可选的，所述改善离子包括氟离子。
可选的，所述光电掺杂区内具有第二掺杂离子；所述基底内还具有阱区，所述阱区内具有第一掺杂离子，且所述第一掺杂离子与第二掺杂离子的导电类型相反。
可选的，所述基底内还具有隔离结构；所述图像传感器还包括：包围隔离结构和光电掺杂区顶部的隔离区，所述隔离区内具有第四掺杂离子，所述第四掺杂离子与第二掺杂离子的导电类型相反。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
本发明技术方案提供的图像传感器的形成方法中，在形成光电掺杂区的过程中，所述保护层用于保护基底顶部表面。形成所述光电掺杂区之后，在所述光电区的基底和保护层的界面处掺入掺杂离子，所述掺杂离子能够与界面处的悬挂键结合，因此，所述掺杂离子能够修复光电区的基底与保护层界面处的缺陷，因此，有利于降低光电区的基底与保护层之间的暗电流。
进一步，在光电区的基底和保护层的界面处掺入改善离子的过程中，在部分所述光电区的基底表面形成第二栅极结构，所述第二栅极结构用于定义后续改善层的位置，由于第二栅极结构与后续第一栅极结构相互分离，因此，所述改善层与第一栅极结构不接触，使得改善层内的改善离子不对第一栅极结构的性能造成影响。并且，所述改善层覆盖部分光电区保护层，后续通过退火处理，使改善离子扩散至光电区的基底和保护层的界面处。综上，所述方法使得改善离子对第一栅极结构的性能不造成影响的同时，还能够降低光电区的基底与保护层界面处的暗电流，且所述工艺简单。
进一步，进行退火工艺，使得改善离子进入光电区的基底和保护层界面处的过程中，所述退火工艺对保护层和基底的损伤较小，有利于进一步降低暗电流。
进一步，所述形成方法还包括形成包围隔离结构和光电掺杂区顶部的隔离区，所述隔离区内的第四掺杂离子与第二掺杂离子的导电类型相反，因此，所述隔离区能够进一步降低暗电流。
附图说明
图1是一种图像传感器的结构示意图；
图2至图11是本发明图像传感器的形成方法一实施例各步骤的结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述，图像传感器的暗电流较严重。
图1是一种图像传感器的结构示意图。
请参考图1，提供基底100，所述基底100内具有阱区(图中未示出)，所述阱区内具有第一掺杂离子，部分阱区内具有隔离结构130；在所述基底100和隔离结构130表面形成保护层101；在所述保护层层101底部的基底100内形成光电掺杂区102，所述光电掺杂区102内具有第二掺杂离子，所述第二掺杂离子与第一掺杂离子的导电类型相反；形成包围隔离结构130和光电掺杂区102顶部的隔离区103，所述隔离区103内具有第三掺杂离子，所述第三掺杂离子与第二掺杂离子的导电类型相反；形成所述隔离区103之后，在所述基底100表面形成栅极结构104，且所述光电掺杂区102位于栅极结构104的一侧；在所述栅极结构104的另一侧的基底100内形成浮置扩散区105。
上述图像传感器中，形成包围隔离结构130和光电二极管102顶部的隔离区103，由于所述隔离区103将光电掺杂区102与基底100表面隔离，且所述隔离区103内的第三掺杂离子与第二掺杂离子的导电类型相反，因此，所述隔离区103能够降低光电掺杂区102顶部基底100表面与保护层101的界面处的暗电流。所述光电掺杂区102顶部基底100表面与保护层101界面处易发生暗电流的原因包括：所述基底100的材料为硅，硅晶格在基底100的表面突然终止，使得基底100表面与保护层101的界面处均存在大量的悬挂键。当半导体基底100受热时，基底100表面与保护层101的界面处将产生较强暗电流。
然而，所述隔离区103用于降低光电掺杂区102顶部基底100与保护层101界面处暗电流的能力还不够，使得光电掺杂区102顶部基底100与保持层101界面处的暗电流仍较严重。
为解决所述技术问题，本发明提供了一种图像传感器的形成方法，包括：提供基底，所述基底表面具有保护层，所述基底包括光电区；在所述光电区的基底和保护层的界面处掺入改善离子。所述方法能够降低图像传感器的暗电流。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图2至图11是本发明图像传感器的形成方法一实施例各步骤的结构示意图。
请参考图2，提供基底200，所述基底200包括光电区A；在所述基底200表面形成保护层280；形成所述保护层280之后，在所述光电区A内形成光电掺杂区201。
在本实施例中，所述基底200的材料为硅(Si)。
在其他实施例中，所述基底的材料包括锗(Ge)、硅锗(GeSi)、碳化硅(SiC)、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上锗(GOI)、砷化镓或者Ⅲ-Ⅴ族化合物。
所述光电掺杂区201的形成工艺包括第二离子注入工艺，在所述第二离子注入工艺的过程中，所述保护层280用于保护基底200的顶部表面。
所述基底200包括阱区(图中未示出)，所述阱区内具有第一掺杂离子，所述光电掺杂区201内具有第二掺杂离子，所述第二掺杂离子与第一掺杂离子的导电类型相反，因此，所述光电掺杂区201与阱区形成光电二极管，所述光电二极管用于吸收光子产生电子。
在本实施例中，图像传感器的像素结构的类型为N型，则第一掺杂离子的为P型离子，所述第二掺杂离子为N型离子。在其他实施例中，图像传感器的像素结构的类型为P型，则第一掺杂离子的为N型离子，所述第二掺杂离子为P型离子。所述N型离子包括：磷离子、砷离子和锑离子中的一种或者多种组合；所述P型离子包括：硼离子、镓离子和铟离子中的一种或者多种组合。
所述保护层280的材料包括氧化硅，所述保护层280的形成工艺包括：化学气相沉积工艺或者物理气相沉积工艺。
所述保护层280用于后续形成光电掺杂区201、隔离区260和浮置扩散区时保护基底200表面，防止基底200表面产生缺陷，有利于提高图像传感器的性能。
所述基底200内还具有隔离结构250，所述隔离结构250的形成方法包括：在所述基底200表面形成第一掩膜层(图中未示出)，所述第一掩膜层暴露出部分基底200的顶部表面；以所述第一掩膜层为掩膜，刻蚀所述基底200，在所述基底200内形成隔离开口；在所述隔离开口内和基底200表面形成隔离材料膜，所述隔离材料膜充满隔离开口；平坦化所述隔离材料膜，直至暴露出基底200的顶部表面，在所述隔离开口内形成隔离结构250。
所述第一掩膜层的材料包括氮化硅或者氮化钛。所述第一掩膜层用于定义隔离开口的尺寸和位置。
以所述第一掩膜层为掩膜，刻蚀所述基底200的工艺包括干法刻蚀工艺和湿法刻蚀工艺中的一种或者两种组合。
所述隔离材料膜的材料包括氧化硅或者氮氧化硅，所述隔离材料膜的形成工艺包括化学气相沉积工艺或者物理气相沉积工艺。
平坦化所述隔离材料膜的工艺包括：化学机械研磨工艺。
所述隔离结构250用于实现不同器件之间的电隔离。
所述形成方法还包括形成包围隔离结构250和光电掺杂区201顶部的隔离区260，所述隔离区260内具有第四掺杂离子，所述第四掺杂离子与第二掺杂离子的导电类型相反。
所述隔离区260的形成工艺包括第一离子注入工艺。
所述隔离区260包围隔离结构250和光电掺杂区201顶部基底200表面的意义在于：隔离结构250与基底200的界面处、以及光电区A基底200与保护层界面处暗电流较严重，所述隔离区260用于降低隔离结构250与基底200的界面处、以及光电区A基底200与保护层280界面处的暗电流。
后续在光电区A基底200与保护层280的界面处掺入改善离子，所述改善离子用于结合界面处的悬挂键，具体请参考图3至图9。
请参考图3，在所述基底200表面形成第一栅极结构202；在所述第一栅极结构202一侧的基底200内形成浮置扩散区204，所述浮置扩散区204和光电掺杂区201分别位于第一栅极结构202的两侧；在部分光电区A基底200表面形成第二栅极结构203。
所述第一栅极结构202用于将光电二极管产生的电阻传输至浮置扩散区204内。
在本实施例中，所述第二栅极结构203用于定义后续改善离子的掺杂位置。
在本实施例中，所述第一栅极结构202和第二栅极结构203同时形成，所述第一栅极结构202和第二栅极结构203的形成方法包括：在所述保护层表面形成栅介质膜；在所述栅介质膜表面形成栅极膜，所述栅极膜表面具有第二掩膜层(图中未示出)，所述第二掩膜层暴露出部分栅极膜的顶部表面；以所述第二掩膜层为掩膜，刻蚀所述栅极膜和栅介质膜，直至暴露出保护层的顶部表面，形成第一栅极结构202和第二栅极结构203。
在其他实施例中，形成第一栅极结构之后，形成第二栅极结构；或者，形成第一栅极结构之前，形成所述第二栅极结构；或者仅形成第一栅极结构。
所述第一栅极结构202和第二栅极结构203的侧壁还具有侧墙(图中未标出)。
所述侧墙的材料包括氮化硅或者氮氧化硅。所述侧墙用于保护第一栅极结构202和第二栅极结构203的侧壁。
所述浮置扩散区204的形成工艺包括第三离子注入工艺，在所述第三离子注入工艺的过程中，所述保护层280用于保护基底的顶部表面。所述浮置扩散区204用于存储光电二极管产生的电子。
在本实施例中，所述第三掺杂离子为N型离子，所述N型离子包括：磷离子、砷离子和锑离子中的一种或者多种组合。
在其他实施例中，所述第三掺杂离子为P型离子，所述P型离子包括：硼离子、镓离子和铟离子中的一种或者多种组合。
请参考图4，在所述第一栅极结构202的侧壁和顶部表面、第二栅极结构203的侧壁和顶部表面、以及基底200表面形成第一介质膜205。
所述第一介质膜205的材料包括氧化硅或者氮氧化硅，所述第一介质膜205的形成工艺包括化学气相沉积工艺或者物理气相沉积工艺。
所述第一介质膜205用于后续形成第一介质层。
请参考图5，平坦化所述第一介质膜205，直至暴露出第一栅极结构202和第二栅极结构203的顶部表面，形成第一介质层225。
平坦化所述第一介质膜205的工艺包括化学机械研磨工艺。
平坦化所述第一介质膜205，暴露出第二栅极结构203的顶部表面，有利于后续去除第二栅极结构203。
请参考图6，在所述第一介质层225表面形成光刻胶206，所述光刻胶206暴露出第二栅极结构203的顶部表面。
在后续去除第二栅极结构203的过程中，所述光刻胶206用于保护第一栅极结构不被去除。
请参考图7，以所述光刻胶206为掩膜，去除所述第二栅极结构203，在所述第一介质层225内形成开口207。
去除所述第二栅极结构203的工艺包括干法刻蚀工艺和湿法刻蚀工艺中的一种或者两种组合。
所述开口207用于后续容纳改善层以及位于改善层顶部的第二介质层。
请参考图8，在所述开口207的底部表面形成改善层208，所述改善层208内具有改善离子，所述改善离子与光电区A基底200和保护层280界面处的悬挂键相结合。
在本实施例中，所述改善层208还覆盖开口207的侧壁和第一介质层225的顶部表面。在其他实施例中，所述改善层仅覆盖开口底部的保护层表面。
所述改善层208的材料包括：掺氟的氧化硅，所述改善离子包括：氟离子。
由于所述第二栅极结构203与第一栅极结构202不接触，所述第二栅极结构203用于定义改善层208的位置，使得改善层208也不与第一栅极结构202接触，因此，所述改善层208内的改善离子不对第一栅极结构202的性能造成影响。
同时，由于所述改善离子的离子半径较小，且扩散能力较强，则后续进行退火处理，使得改善离子能够扩散至光电区A基底200与保护层的界面处，由于所述改善离子能够与界面处的悬挂键结合，因此，所述改善离子能够修复界面处缺陷，因此，有利于降低光电区A基底200与保护层界面处的暗电流，提高图像传感器的性能。
综上所述，改善离子在不影响第一栅极结构202性能的同时，还能够降低光电区A基底200与保护层280界面处的暗电流，且所述方法工艺较简单。
所述改善层208内改善离子的改善浓度为：1％～10％，选择所述改善层208内改善离子掺杂浓度的意义在于：若所述改善层208内改善离子的掺杂浓度小于1％，使得改善层208改善暗电流的能力较弱，则图像传感器的暗电流仍较严重，图像传感器的性能仍较差；若所述改善层208内改善离子的掺杂浓度大于10％，使得掺杂难度较大。
请参考图9，在所述改善层208表面形成第二介质膜209，所述第二介质膜209充满开口207(见图7)。
所述第二介质膜209的材料包括氧化硅或者氮氧化硅，所述第二介质膜209的形成工艺包括化学气相沉积工艺或者物理气相沉积工艺。
所述第二介质膜209用于后续形成第二介质层。
在本实施例中，形成第二介质膜209之后，进行退火处理。在其他实施例中，形成第二介质膜之后，不进行所述退火处理，而在后续形成第三介质层之后，进行所述退火处理。
在所述退火处理的过程中，使得改善离子进入光电区A基底200与保护层280的界面处修复缺陷，因此，有利于降低进一步降低光电区A基底200与保护层280界面处的暗电流。
所述退火处理的工艺包括：快速退火工艺，所述快速退火工艺的参数包括：退火温度为400摄氏度～700摄氏度，退火时间为30秒～120秒。
选择所述退火温度的意义在于：若所述退火温度小于400摄氏度，使得改善离子难以扩散至光电区A基底200与保护层280的界面处，使得光电区A基底200与保护层280界面处的暗电流仍较严重；若所述退火温度大于700摄氏度，使得改善离子扩散过快，则对改善离子的控制难度较大。
在其他实施例中，不形成第二栅极结构，仅形成第一栅极结构，形成所述第一栅极结构之前，在所述光电区的基底和保护层的界面处掺入掺杂离子。具体的，在所述光电区的基底和保护层的界面处掺入掺杂离子的方法包括：在部分所述光电区的基底表面形成改善层，所述改善层内具有改善离子，进行退火处理，使改善离子进入光电区的基底和保护层的界面处。
请参考图10，平坦化所述第二介质膜209，直至暴露出第一栅极结构202的顶部表面，在所述开口207(见图7)内形成第二介质层229。
平坦化所述第二介质膜209的工艺包括化学机械研磨工艺。
请参考图11，在所述第二介质层229表面形成第三介质层210。
所述第三介质层210的材料包括氧化硅或者氮氧化硅，所述第三介质层210的形成工艺包括化学气相沉积工艺或者物理气相沉积工艺。
相应的，本发明还提供一种图像传感器，请参考图8，包括：
基底200，所述基底200表面具有保护层280，所述基底200包括光电区A；位于所述光电区A基底200内的光电掺杂区201；位于所述光电区A基底200与保护层280界面处的改善离子，所述改善离子与界面处的悬挂键相结合。
所述改善离子包括氟离子。
所述光电掺杂区201内具有第二掺杂离子；所述基底200内还具有阱区，所述阱区内具有第一掺杂离子，且所述第一掺杂离子与第二掺杂离子的导电类型相反。
所述基底200内还具有隔离结构250；所述图像传感器还包括：包围隔离结构250和光电掺杂区201顶部的隔离区260，所述隔离区260内具有第四掺杂离子，所述第四掺杂离子与第二掺杂离子的导电类型相反。
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 (9)
1.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供基底，所述基底表面具有保护层，所述基底包括光电区；
形成所述保护层之后，在所述光电区内形成光电掺杂区；
形成所述光电掺杂区之后，在所述光电区的基底和保护层的界面处掺入改善离子，所述改善离子与界面处的悬挂键相结合；
其中，在所述光电区的基底和保护层的界面处掺入改善离子的方法包括：在部分光电区的基底表面形成第二栅极结构；在所述第二栅极结构的侧壁和基底表面形成第一介质层；去除所述第二栅极结构，在所述第一介质层内形成开口，所述开口底部暴露出保护层顶部表面；在所述开口底部形成改善层，所述改善层内具有所述改善离子；进行退火处理，使所述改善离子进入保护层和基底的界面处。
2.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述改善离子包括氟离子。
3.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述改善层的材料包括：掺氟的氧化硅，所述改善离子包括：氟离子；所述改善层的形成工艺包括固态源掺杂工艺。
4.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述改善层内改善离子的原子百分比浓度为：1％～10％。
5.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述退火处理的工艺包括：快速退火工艺；所述快速退火工艺的参数包括：退火温度为400摄氏度～700摄氏度，退火时间为30秒～120秒。
6.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，形成所述第一介质层之前，所述形成方法还包括：在所述基底表面形成第一栅极结构；在所述第一栅极结构的一侧基底内形成浮置扩散区，且所述浮置扩散区与光电掺杂区分别位于第一栅极结构相对的两侧，所述浮置扩散区内具有第三掺杂离子；所述基底内还具有阱区，所述阱区内具有第一掺杂离子；所述光电掺杂区内具有第二掺杂离子，且所述第二掺杂离子与第一掺杂离子的导电类型相反；所述第三掺杂离子与第二掺杂离子的导电类型相同。
7.如权利要求6所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，形成所述改善层之后，所述形成方法还包括：在所述开口内和第一介质层表面形成第二介质膜，所述第二介质膜充满开口；平坦化所述第二介质膜，直至暴露出第一栅极结构的顶部表面，在所述开口内形成第二介质层；在所述第二介质层和第一栅极结构顶部形成第三介质层。
8.如权利要求7所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，形成所述第二介质膜之后，形成第二介质层之前，进行所述退火处理；或者，形成第三介质层之后，进行所述退火处理。
9.如权利要求6所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述基底内还具有隔离结构；形成所述光电掺杂区之后，在所述光电区的基底和保护层的界面处掺入改善离子之前，所述形成方法还包括：形成包围隔离结构和光电掺杂区顶部的隔离区，所述隔离区内具有第四掺杂离子，所述第四掺杂离子与第二掺杂离子的导电类型相反。
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