CN109216394B - Cmos-tdi图像传感器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种CMOS‑TDI图像传感器及其形成方法，其中，CMOS‑TDI图像传感器，包括：基底，所述基底包括若干个像素区；位于各个所述像素区基底内的第一掺杂区，所述第一掺杂区内具有第一离子，所述第一掺杂区内第一离子的掺杂浓度为第一浓度；位于所述第一掺杂区底部基底内的第二掺杂区，第二掺杂区的顶部与第一掺杂区的底部接触，所述第二掺杂区内也具有第一离子，所述第二掺杂区内第一离子的掺杂浓度为第二浓度，且所述第二浓度大于第一浓度；位于各个像素区内所述第一掺杂区表面的栅极结构。所述CMOS‑TDI图像传感器沟道中的电荷传输效率较高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种CMOS-TDI图像传感器及其形成方法。
背景技术
时间延时积分(Time Delay Integration，TDI)图像传感器是线性图像传感器的一种演变。时间延时积分图像传感器的成像机理为对拍摄物体所经过的像素逐行进行曝光，将曝光结构累加，从而解决高速运动物体曝光时间不足所引起的成像信号弱问题。时间延时积分图像传感器能够增加有效曝光时间，提高图像信噪比。
时间延时积分图像传感器分为CCD和CMOS两种，由于时间延时积分图像传感器的成像机理和CCD图像传感器电荷转移机理一致，传统的时间延时积分图像传感器一般都采用CCD工艺制造。CCD TDI可以实现电荷无损转移并累加，不引入额外噪声。如果电荷累加M级(具有M行的TDI图像传感器)，则信噪比提升M倍。然而，由于CCD工艺的特殊性，无法在图像传感器伤集成其他处理电路，通用性和灵活性较差。
另外一种TDI图像传感器为CMOS类型，该TDI图像传感器基于通用CMOS制造工艺，每个像素对应一个电荷转移区，转移至该区的电荷经过一个电荷放大模块转化为电压信号。传感器阵列逐行曝光速度与物体行进速度一致，每行像素输出一个电压信号。所有M行输出电压信号累加，对于M级TDI图像传感器，信号提升M倍，但电压域噪声也随之提升。
然而，现有的CMOS-TDI图像传感器的性能仍较差。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种CMOS-TDI图像传感器及其形成方法，以提高CMOS-TDI图像传感器的性能。
为解决上述技术问题，本发明提供一种CMOS-TDI图像传感器，包括：基底，所述基底包括若干个像素区；位于各个所述像素区基底内的第一掺杂区，所述第一掺杂区内具有第一离子，所述第一掺杂区内第一离子的掺杂浓度为第一浓度；位于所述第一掺杂区底部基底内的第二掺杂区，所述第二掺杂区的顶部与第一掺杂区的底部接触，所述第二掺杂区内也具有第一离子，所述第二掺杂区内第一离子的掺杂浓度为第二浓度，且所述第二浓度大于第一浓度；位于各个像素区内所述第一掺杂区表面的栅极结构。
可选的，若干个像素区沿第一方向排布。
可选的，沿垂直于第一方向且平行于基底表面的方向上，所述第一掺杂区的尺寸大于第二掺杂区的尺寸。
可选的，沿垂直于第一方向且平行于基底表面的方向上，所述第一掺杂区的尺寸为2微米～100微米；沿垂直于第一方向且平行于基底表面的方向上，所述第二掺杂区的尺寸为1微米～50微米。
可选的，所述第二掺杂区的个数为1个或者大于1个；当第二掺杂区的个数大于1个时，多个第二掺杂区沿垂直于第一方向且平行于基底表面方向平行排列，且相邻第二掺杂区之间相互分立。
可选的，还包括：位于所述第二掺杂区底部的第三掺杂区，所述第三掺杂区的顶部与第二掺杂区的底部接触，所述第三掺杂区内也具有所述第一离子，所述第三掺杂区内第一离子的掺杂浓度为第三浓度，所述第三浓度大于第二浓度。
可选的，所述第三掺杂区的个数为1个。
可选的，沿垂直于第一方向且平行于基底表面方向上，所述第一掺杂区的尺寸大于第二掺杂区的尺寸，且第二掺杂区的尺寸大于第三掺杂区的尺寸。
可选的，所述第三掺杂区的个数大于1个，且多个第三掺杂区沿由第一掺杂区至第三掺杂区的排布方向排布，且沿由第一掺杂区至第三掺杂区的排布方向，各个第三掺杂区内第三浓度依次增加。
可选的，沿垂直于第一方向且平行于基底表面方向，所述第一掺杂区的尺寸大于第二掺杂区的尺寸，第二掺杂区的尺寸大于第三掺杂区的尺寸，且沿由第一掺杂区至第三掺杂区的排布方向，第三掺杂区的尺寸依次减小。
可选的，所述基底包括相对的第一面和第二面，所述第二面接地；所述栅极结构位于第一面上。
可选的，还包括：位于所述栅极结构表面的金属互连层。
可选的，所述栅极结构包括：位于所述第一掺杂区表面的栅介质层和位于栅介质层表面的栅极层；所述栅介质层的材料包括氧化硅；所述基底的材料包括硅。
可选的，所述基底内具有第二离子，所述第二离子与第一离子的导电类型相反。
相应的，本发明还提供一种CMOS-TDI图像传感器的形成方法，包括：提供基底，所述基底包括若干个像素区；在各个所述像素区基底内形成第一掺杂区，所述第一掺杂区内具有第一离子，所述第一掺杂区内第一离子的掺杂浓度为第一浓度；在所述第一掺杂区底部基底内形成第二掺杂区，所述第二掺杂区的顶部与第一掺杂区的底部接触，所述第二掺杂区内也具有第一离子，所述第二掺杂区内第一离子的掺杂浓度为第二浓度，且所述第二浓度大于第一浓度；在各个像素区内所述第一掺杂区表面形栅极结构。
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CMOS-TDI图像传感器中，所述第一掺杂区和第二掺杂区内都具有第一离子，由于第二掺杂区内第一离子的掺杂浓度大于第一掺杂区内第一离子的掺杂浓度，使得第二掺杂区内的电势高于第一掺杂区内的电势，则电荷易向第二掺杂区内移动，相应的，移动至栅极结构和基底的界面处的电荷较少，因此，有利于减小CMOS-TDI的暗电流。
进一步，由于第二掺杂区的电势较高，使得电荷向第二掺杂区汇集，则沟道位于第二掺杂区所在的区域。并且，沿垂直于第一方向且平行于基底表面的方向上，所述第一掺杂区的尺寸大于第二掺杂区的尺寸，使得后续栅极结构底部与沟道的接触面积较小，则被栅极结构和沟道界面处缺陷捕获的电荷较少，有利于进一步提高电荷的传输效率。
附图说明
图1和图2是一种CMOS-TDI图像传感器的结构示意图；
图3至图7是本发明一实施例的CMOS-TDI图像传感器的形成方法的各步骤的结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述，CMOS-TDI图像传感器的性能仍较差。
图1和图2是一种CMOS-TDI图像传感器的结构示意图。
请参考图1和图2，图2是图1沿A-A1线的剖面结构示意图，图1是图2沿X方向上的俯视图，提供基底100，所述基底100包括若干个像素区Ⅰ，在所述像素区Ⅰ内形成第一沟道区101；在所述第一沟道区101的表面形成栅极结构102。
上述CMOS-TDI图像传感器中，所述第一沟道区101的形成方法包括：在部分所述基底100表面形成掩膜层(图中未示出)，所述掩膜层暴露出像素区Ⅰ的基底100表面；以所述掩膜层为掩膜，在所述基底100内进行离子注入，形成第一沟道区101。由此可见，所述第一沟道区101为连续的，则所述栅极结构102与第一沟道区101的接触面积较大。
而所述栅极结构102包括：位于第一沟道区101表面的栅介质层(图中未标出)和位于栅介质层表面的栅极层(图中未标出)。所述栅介质层的材料包括氧化硅，所述基底100的材料包括硅，使得栅介质层与基底100界面处的缺陷较多。所述CMOS-TDI图像传感器工作时，所述界面处的缺陷易捕获电荷，由于栅极结构102与第一沟道101的接触面积较大，使得被缺陷捕获的电荷较多，即电荷的损失量较大，不利于提高CMOS-TDI图像传感器的电荷传输效率(Charge Transfer Inefficiency，CTE)。
为解决所述技术问题，本发明提供一种CMOS-TDI图像传感器，包括：位于各个所述像素区基底内的第一掺杂区，所述第一掺杂区内具有第一离子，所述第一掺杂区内第一离子的掺杂浓度为第一浓度；位于所述第一掺杂区底部基底内的第二掺杂区，所述第二掺杂区的顶部与第一掺杂区的底部接触，所述第二掺杂区内也具有第一离子，所述第二掺杂区内第一离子的掺杂浓度为第二浓度，且所述第二浓度大于第一浓度；位于各个像素区内所述第一掺杂区表面的栅极结构。所述CMOS-TDI图像传感器的电荷传输效率较高。
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3至图7是本发明一实施例的CMOS-TDI图像传感器的形成方法的各步骤的结构示意图。
请参考图3，提供基底200，所述基底200包括若干个像素区。
在本实施例中，所述基底200的材料为硅。在其他实施例中，所述基底的材料包括：锗、硅锗或者绝缘体上硅。
所述基底200包括n级像素区。在本实施例中，若干个像素区为第1级像素区C1至第n级像素区Cn-1。在其他实施例中，所述若干个像素区为n级像素区中的部分。
若干个像素区沿第一方向Y排布。
所述像素区基底200内具有第二离子。在本实施例中，所述第二离子为P型离子，如：硼离子。在其他实施例中，所述第二离子为N型离子，如磷离子或者砷离子。
所述基底200包括相对的第一面(图中未标出)和第二面，所述第一面上用于后续形成栅极结构，所述第二面用于接地。
请参考图4，在若干个所述像素区基底200内形成第一掺杂区201，所述第一掺杂区201内具有第一离子，所述第一掺杂区201内第一离子的掺杂浓度为第一浓度。
形成所述第一掺杂区201的工艺包括离子注入工艺。
所述第一离子的导电类型与第二离子的导电类型相反。在本实施例中，所述第一离子为N型离子，如：磷离子或者砷离子。在其他实施例中，所述第一离子为P型离子，如：硼离子。
所述第一掺杂区201沿垂直于第一方向Y且平行于基底200表面的方向上垂直于的尺寸为2微米～100微米。
请参考图5，在所述第一掺杂区201底部的基底200内形成第二掺杂区202，所述第二掺杂区202内也具有第一离子，所述第二掺杂区202内第一离子的掺杂浓度为第二浓度，且所述第二浓度大于第一浓度。
在本实施例中，所述第二掺杂区202的个数为1个。在其他实施例中，所述第二掺杂区的个数大于1个，多个第二掺杂区沿垂直于第一方向且平行于基底表面方向平行排列，且相邻第二掺杂区之间相互分立，使得后续栅极结构底部与沟道的接触面积较小，则被栅极结构和沟道界面处缺陷捕获的电荷较少，有利于进一步提高电荷的传输效率。
在本实施例中，沿垂直于第一方向Y且平行于基底200表面方向上，所述第一掺杂区201的尺寸大于第二掺杂区202的尺寸时，所述第二掺杂区202的形成方法包括：在部分第一掺杂区201的表面形成第一掩膜层(图中未示出)；以所述第一掩膜层为掩膜，在所述第一掺杂区201底部的基底200内形成第二掺杂区202。
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形成第二掺杂区202。
在本实施例中，所述第二掺杂区202沿垂直于第一方向Y且平行于基底200表面的方向上的尺寸为1微米～50微米。
所述第二浓度大于第一浓度，使得第二掺杂区202内的电势较高，则电荷向第二掺杂区202内汇集，则电荷到后续栅极结构和基底200界面处的距离较远。尽管所述栅极结构和基底200界面处的缺陷较多，但是，由于电荷到后续栅极结构和基底200界面处的距离较远，使得被所述缺陷捕获的电荷较少，即：电荷的损失量较大，有利于提高电荷的传输效率。
在本实施例中，沿垂直于第一方向Y且平行于基底200表面方向上，所述第一掺杂区201的尺寸大于第二掺杂区202的尺寸的意义在于：由于第二掺杂区202的电势较高，使得电荷向第二掺杂区202汇集，则沟道位于第二掺杂区202所在的区域。并且，沿垂直于第一方向Y且平行于基底200表面的方向上，所述第一掺杂区201的尺寸大于第二掺杂区202的尺寸，使得后续栅极结构底部与沟道的接触面积较小，则被栅极结构和沟道界面处缺陷捕获的电荷较少，有利于进一步提高电荷的传输效率。
在本实施例中，仅形成第一掺杂区201和第二掺杂区202。
在其他实施例中，还在第二掺杂区底部的基底内形成第三掺杂区，所述第三掺杂区的顶部与第二掺杂区的底部接触，所述第三掺杂区内具有第一离子，且所述第三掺杂区内第一离子的掺杂浓度为第三浓度，所述第三浓度为第二浓度。沿垂直于第一方向且平行于基底表面方向上，所述第三掺杂区的尺寸小于第二掺杂区的尺寸。当所述第三掺杂区的个数为1个时，所述第三掺杂区的形成方法包括：在第一掺杂区和部分第二掺杂区的表面形成第二掩膜层；以所述第二掩膜层为掩膜，在所述第二掺杂区的底部形成第三掺杂区；当所述第三掺杂区的个数大于1个时，与第二掺杂区接触的第三掺杂区的形成方法包括：在第一掺杂区和部分第二掺杂区的表面形成第二掩膜层；以所述第二掩膜层为掩膜，在所述第二掺杂区的底部形成第三掺杂区；沿由第一掺杂区至第三掺杂区的排布方向，与第二掺杂区接触的第三掺杂区底部的各个第三掺杂区的形成方法包括：在第一掺杂区、部分第二掺杂区和部分上层第三掺杂区表面形成第三掩膜层；以所述第三掩膜层为掩膜，形成位于与第二掺杂区接触的第三掺杂区底部的第三掺杂区。
请参考图6和图7，图7是图6沿B-B1线的剖面结构示意图，图6是图7沿Y方向上的俯视图，在各个像素区内所述第一掺杂区201表面形成栅极结构203。
所述栅极结构203包括位于像素区基底200表面的栅介质层(图中未示出)和位于栅介质层表面的栅极层(图中未示出)。所述介质层的材料包括氧化硅，所述栅极层的材料包括多晶硅。
在本实施例中，由于所述基底200的材料为硅，所述栅介质层的材料为氧化硅，使得栅介质层与基底200界面处缺陷较多，即：所述栅极结构203与第一掺杂区201界面处的缺陷较多。尽管所述栅极结构203与第一掺杂区201界面处的缺陷较多，但是，由于第二掺杂区202的电势高于第一掺杂区201的电势，使得电荷易向第二掺杂区202内汇集，使得电荷到所述界面处的距离较远，使得界面处的缺陷不易捕获电荷，即：电荷的损失量较小，有利于提高电荷的传输效率。
还包括：位于所述栅极结构203表面的金属互连层(图中未示出)。所述金属互连层的材料为金属。
相应的，本发明还提供一种CMOS-TDI图像传感器，请参考图6，包括：
基底200，所述基底200包括若干个像素区；
位于各个所述像素区基底200内的第一掺杂区201，所述第一掺杂区201内具有第一离子，所述第一掺杂区201内第一离子的掺杂浓度为第一浓度；
位于所述第一掺杂区201底部基底200内的第二掺杂区202，所述第二掺杂区202的顶部与第一掺杂区201的底部接触，所述第二掺杂区202内也具有第一离子，所述第二掺杂区202内第一离子的掺杂浓度为第二浓度，且所述第二浓度大于第一浓度；
位于各个像素区内所述第一掺杂区201表面的栅极结构203。
若干个像素区沿第一方向Y排布。
沿垂直于第一方向Y且平行于基底200表面的方向上，所述第一掺杂区201的尺寸大于第二掺杂区202的尺寸。
沿垂直于第一方向Y且平行于基底200表面的方向上，所述第一掺杂区201的尺寸为2微米～100微米；沿垂直于第一方向Y且平行于基底200表面的方向上，所述第二掺杂区202的尺寸为1微米～50微米。
所述第二掺杂区202的个数为1个或者大于1个；当第二掺杂区202的个数大于1个时，多个第二掺杂区202沿垂直于第一方向Y且平行于基底200表面方向排列，且相邻第二掺杂区202之间相互分立。
还包括：位于所述第二掺杂区202底部的第三掺杂区(图中未示出)，所述第三掺杂区的顶部与第二掺杂区的底部接触，所述第三掺杂区内也具有所述第一离子，所述第三掺杂区内第一离子的掺杂浓度为第三浓度，所述第三浓度大于第二浓度。
所述第三掺杂区的个数为1个。
沿垂直于第一方向Y且平行于基底200表面方向上，所述第一掺杂区201的尺寸大于第二掺杂区202的尺寸，且第二掺杂区202的尺寸大于第三掺杂区的尺寸。
所述第三掺杂区的个数大于1个，且多个第三掺杂区沿由第一掺杂区201至第三掺杂区的排布方向排布，且沿由第一掺杂区201至第三掺杂区的排布方向，各个第三掺杂区内第三浓度依次增加。
沿垂直于第一方向Y且平行于基底200表面方向，所述第一掺杂区201的尺寸大于第二掺杂区202的尺寸，第二掺杂区202的尺寸大于第三掺杂区的尺寸，且沿由第一掺杂区201至第三掺杂区的排布方向，第三掺杂区的尺寸依次减小。
所述基底200包括相对的第一面和第二面，所述第二面接地，所述栅极结构203位于第一面上。
还包括：位于所述栅极结构203表面的金属互连层。
所述栅极结构203包括：位于所述第一掺杂区201表面的栅介质层和位于栅介质层表面的栅极层；所述栅介质层的材料包括氧化硅；所述基底的材料包括硅。
所述基底200内具有第二离子，所述第二离子与第一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 (15)
1.一种CMOS-TDI图像传感器，其特征在于，包括：
基底，所述基底包括若干个像素区；
位于各个所述像素区基底内的第一掺杂区，所述第一掺杂区内具有第一离子，所述第一掺杂区内第一离子的掺杂浓度为第一浓度；
位于所述第一掺杂区底部基底内的第二掺杂区，所述第二掺杂区的顶部与第一掺杂区的底部接触，所述第二掺杂区内也具有第一离子，所述第二掺杂区内第一离子的掺杂浓度为第二浓度，所述第二浓度大于第一浓度；
位于各个像素区内所述第一掺杂区表面的栅极结构。
2.如权利要求1所述的CMOS-TDI图像传感器，其特征在于，若干个像素区沿第一方向排布。
3.如权利要求2所述的CMOS-TDI图像传感器，其特征在于，沿垂直于第一方向且平行于基底表面的方向上，所述第一掺杂区的尺寸大于第二掺杂区的尺寸。
4.如权利要求3所述的CMOS-TDI图像传感器，其特征在于，沿垂直于第一方向且平行于基底表面的方向上，所述第一掺杂区的尺寸为2微米～100微米；沿垂直于第一方向且平行于基底表面的方向上，所述第二掺杂区的尺寸为1微米～50微米。
5.如权利要求2所述的CMOS-TDI图像传感器，其特征在于，所述第二掺杂区的个数为1个或者大于1个；当第二掺杂区的个数大于1个时，多个第二掺杂区沿垂直于第一方向且平行于基底表面方向排列，且相邻第二掺杂区之间相互分立。
6.如权利要求2所述的CMOS-TDI图像传感器，其特征在于，还包括：位于所述第二掺杂区底部的第三掺杂区，所述第三掺杂区的顶部与第二掺杂区的底部接触，所述第三掺杂区内也具有所述第一离子，所述第三掺杂区内第一离子的掺杂浓度为第三浓度，所述第三浓度大于第二浓度。
7.如权利要求6所述的CMOS-TDI图像传感器，其特征在于，所述第三掺杂区的个数为1个。
8.如权利要求7所述的CMOS-TDI图像传感器，其特征在于，沿垂直于第一方向且平行于基底表面方向上，所述第一掺杂区的尺寸大于第二掺杂区的尺寸，且第二掺杂区的尺寸大于第三掺杂区的尺寸。
9.如权利要求6所述的CMOS-TDI图像传感器，其特征在于，所述第三掺杂区的个数大于1个，且多个第三掺杂区沿由第一掺杂区至第三掺杂区的排布方向排布，且沿由第一掺杂区至第三掺杂区的排布方向，各个第三掺杂区内第三浓度依次增加。
10.如权利要求8所述的CMOS-TDI图像传感器，其特征在于，沿垂直于第一方向且平行于基底表面方向，所述第一掺杂区的尺寸大于第二掺杂区的尺寸，第二掺杂区的尺寸大于第三掺杂区的尺寸，且沿由第一掺杂区至第三掺杂区的排布方向，第三掺杂区的尺寸依次减小。
11.如权利要求1所述的CMOS-TDI图像传感器，其特征在于，所述基底包括相对的第一面和第二面，所述第二面接地；所述栅极结构位于第一面上。
12.如权利要求1所述的CMOS-TDI图像传感器，其特征在于，还包括：位于所述栅极结构表面的金属互连层。
13.如权利要求1所述的CMOS-TDI图像传感器，其特征在于，所述栅极结构包括：位于所述第一掺杂区表面的栅介质层和位于栅介质层表面的栅极层；所述栅介质层的材料包括氧化硅；所述基底的材料包括硅。
14.如权利要求1所述的CMOS-TDI图像传感器，其特征在于，所述基底内具有第二离子，所述第二离子与第一离子的导电类型相反。
15.一种如权利要求1至权利要求14任一项所述的CMOS-TDI图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供基底，所述基底包括若干个像素区；
在各个所述像素区基底内形成第一掺杂区，所述第一掺杂区内具有第一离子，所述第一掺杂区内第一离子的掺杂浓度为第一浓度；
在所述第一掺杂区底部基底内形成第二掺杂区，所述第二掺杂区的顶部与第一掺杂区的底部接触，所述第二掺杂区内也具有第一离子，所述第二掺杂区内第一离子的掺杂浓度为第二浓度，且所述第二浓度大于第一浓度；
在各个像素区内所述第一掺杂区表面形成栅极结构。
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