CN109904183A - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents

Abstract

一种图像传感器及其形成方法，图像传感器包括：半导体衬底；位于半导体衬底中的溢出栅极结构，所述溢出栅极结构具有相对的第一侧和第二侧；位于所述溢出栅极结构的第一侧半导体衬底中的溢出漏区，所述溢出漏区适于电学连接电源线；二极管掺杂层，所述二极管掺杂层位于溢出栅极结构的第二侧半导体衬底中；位于所述溢出栅极结构底部半导体衬底中的附加浮空扩散区，所述附加浮空扩散区与二极管掺杂层相互分立且和溢出漏区相互分立。所述图像传感器的性能得到提高。

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信号转化为电信号的半导体器件。

图像传感器分为互补金属氧化物(CMOS)图像传感器和电荷耦合器件(CCD)图像传感器。CMOS图像传感器具有工艺简单、易于其它器件集成、体积小、重量轻、功耗小和成本低等优点。因此，随着图像传感技术的发展，CMOS图像传感器越来越多地取代CCD图像传感器应用于各类电子产品中。目前，CMOS图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、数码摄像机、医疗用摄像装置和车用摄像装置等。

然而，现有的CMOS图像传感器的性能有待提高。

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，以提高图像传感器的性能。

为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器，包括：半导体衬底；位于半导体衬底中的溢出栅极结构，所述溢出栅极结构具有相对的第一侧和第二侧；位于所述溢出栅极结构的第一侧半导体衬底中的溢出漏区，所述溢出漏区适于电学连接电源线；二极管掺杂层，所述二极管掺杂层位于溢出栅极结构的第二侧半导体衬底中；位于所述溢出栅极结构底部半导体衬底中的附加浮空扩散区，所述附加浮空扩散区与二极管掺杂层相互分立且和溢出漏区相互分立。

可选的，所述附加浮空扩散区的导电类型为N型，所述二极管掺杂层的导电类型为N型，所述溢出漏区的导电类型为N型。

可选的，所述溢出栅极结构包括溢出栅介质层和位于溢出栅介质层上的溢出栅电极，所述溢出栅介质层包围溢出栅电极的底部和侧壁。

可选的，所述溢出栅极结构的深度大于所述溢出漏区的深度。

可选的，所述溢出栅极结构的深度为0.1微米～0.2微米；所述溢出漏区的深度为0.05微米～0.1微米。

可选的，还包括：位于所述半导体衬底上的传输栅极结构，所述二极管掺杂层位于所述传输栅极结构的一侧；位于所述半导体衬底中的浮空扩散区，所述浮空扩散区位于所述传输栅极结构的另一侧。

本发明还提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底中形成二极管掺杂层；在所述二极管掺杂层侧部的半导体衬底中形成栅沟槽；在所述栅沟槽底部的半导体衬底中形成附加浮空扩散区，所述附加浮空扩散区和所述二极管掺杂层相互分立；形成附加浮空扩散区后，在所述栅沟槽中形成溢出栅极结构，所述溢出栅极结构具有相对的第一侧和第二侧，所述二极管掺杂层位于溢出栅极结构的第二侧；形成所述栅沟槽后，在所述半导体衬底中形成溢出漏区，所述溢出漏区位于所述溢出栅极结构的第一侧，所述溢出漏区适于电学连接电源线，所述溢出漏区和所述附加浮空扩散区相互分立。

可选的，形成所述附加浮空扩散区的工艺包括离子注入工艺。

可选的，在形成所述附加浮空扩散区的过程中形成所述溢出漏区；或者，形成所述溢出栅极结构后，形成所述溢出漏区。

可选的，形成所述溢出栅极结构的方法包括：在所述栅沟槽的侧壁和底部形成溢出栅介质层；在所述栅沟槽中形成溢出栅电极，所述溢出栅电极位于所述溢出栅介质层上。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明技术方案提供的图像传感器中，溢出栅极结构对应的溢出晶体管的作用包括：溢出漏区需要一直连接电源线，使得在清空时序步骤中，将溢出栅极结构对应的溢出晶体管开启，对光电二极管中的电荷进行清空。在曝光时序步骤和读出时序步骤中，溢出栅极结构对应的溢出晶体管需要关闭，避免清空光电二极管积累的光生电荷以及避免影响读出信号。由于所述溢出栅极结构底部半导体衬底中具有附加浮空扩散区，使得在附加浮空扩散区和溢出漏区之间形成势垒，这样在二极管掺杂层至溢出漏区之间有两个势垒，一个是二极管掺杂层至附加浮空扩散区之间的势垒，另一个是附加浮空扩散区和溢出漏区之间的势垒。即使在溢出漏区连接的电源线的电压较大的情况下，由于设置了附加浮空扩散区，使得在同等较大的电源线的电压的情况下，二极管掺杂层至溢出漏区之间的势垒的最高点提高，也就是说，二极管掺杂层至附加浮空扩散区之间的势垒的最高点增大，这样抑制了二极管掺杂层至附加浮空扩散区的漏电。其次，即使在二极管掺杂层中的电子越过二极管掺杂层至附加浮空扩散区之间的势垒，由于附加浮空扩散区和溢出漏区还存在势垒，因此那么这部分电子也不会直接流到溢出漏区，而是会积累在附加浮空扩散区中，这样抑制了二极管掺杂层至溢出漏区的漏电。因此对于改善暗光拍摄时图像质量有较好的效果。综上，提高了图像传感器的性能。

其次，溢出栅极结构制作在半导体衬底中，这样通过设置溢出栅极结构和溢出漏区之间的深度关系，能够使二极管掺杂层至溢出漏区的沟道长度变长，这样进一步抑制了二极管掺杂层至溢出漏区的漏电。

进一步，由于所述溢出栅极结构的深度大于所述溢出漏区的深度，因此使溢出栅极结构靠近溢出漏区的拐角处均存在沟道区，得附加浮空扩散区至溢出漏区之间的沟道长度增加，进一步抑制了附加浮空扩散区至溢出漏区的漏电。

附图说明

图1是一种图像传感器的电路图；

图2是对应图1的图像传感器的部分结构的示意图；

图3至图7是本发明一实施例中图像传感器形成过程的结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有技术形成的半导体器件的性能较差。

一种图像传感器像素电路，请参考图1，包括：光电二极管；传输晶体管TG，所述传输晶体管TG的源级与所述光电二极管连接；浮空扩散点FD node，所述浮空扩散点FD node和所述传输晶体管TG的漏极连接；复位晶体管PG_RST，所述复位晶体管PG_RST的源极与所述浮空扩散点FD node连接，所述复位晶体管PG_RST的漏极与电源线VDD连接；源跟随晶体管PG_SF，所述源跟随晶体管PG_SF的栅极与浮空扩散点FD node连接，所述源跟随晶体管PG_SF的漏极与电源线VDD连接；选择晶体管PG_RSEL，所述选择晶体管PG_RSEL的漏极与所述源跟随晶体管PG_SF的源级连接；列读出线BL，所述列读出线BL与所述选择晶体管PG_RSEL的源级连接；溢出晶体管PG_Y，所述溢出晶体管PG_Y的源极与光电二极管连接，所述溢出晶体管PG_Y的漏极与电源线VDD连接。

图2为对应图1图像传感器像素电路的部分结构的示意图，图像传感器包括：半导体衬底100；位于半导体衬底100中的二极管掺杂区130；位于半导体衬底100上的传输栅极结构120；位于传输栅极结构120一侧半导体衬底100中的浮空扩散区110；所述二极管掺杂区130位于传输栅极结构120的另一侧；位于半导体衬底100上的溢出栅极结构140；位于溢出栅极结构140一侧半导体衬底100中的溢出漏区150，所述溢出漏区150适于连接电源线；所述二极管掺杂区130位于溢出栅极结构140的另一侧。

所述溢出晶体管PG_Y的作用包括：溢出晶体管PG_Y的漏极需要一直连接电源线VDD，在清空时序步骤中，将溢出晶体管PG_Y开启，对光电二极管中的电荷进行清空。

在曝光时序步骤和读出时序步骤中，需要将溢出晶体管PG_Y关闭。

然而，当电源线VDD的电压较大的情况下，尽管在溢出晶体管PG_Y处于关闭状态下，光电二极管中的电子也容易越过势垒流向溢出晶体管PG_Y的漏极，从而导致漏电。在这种情况下，导致光电二极管中积累的电子减少，那么在暗光拍摄时，拍摄的图像质量较差。

在此基础上，本发明提供一种图像传感器，包括：半导体衬底；位于半导体衬底中的溢出栅极结构，所述溢出栅极结构具有相对的第一侧和第二侧；位于所述溢出栅极结构的第一侧半导体衬底中的溢出漏区，所述溢出漏区适于电学连接电源线；二极管掺杂层，所述二极管掺杂层位于溢出栅极结构的第二侧半导体衬底中；位于所述溢出栅极结构底部半导体衬底中的附加浮空扩散区，所述附加浮空扩散区与二极管掺杂层相互分立且和溢出漏区相互分立。所述图像传感器的性能得到提高。

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。

本实施例中，图像传感器还包括：传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管和选择晶体管，传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管和选择晶体管的连接关系参照图1中的连接关系。

图3至图7是本发明一实施例中图像传感器形成过程的结构示意图。

参考图3，提供半导体衬底200。

所述半导体衬底200的材料包括单晶硅。

所述半导体衬底200中具有阱离子，阱离子的导电类型和后续感光掺杂区210的导电类型相反。

本实施例中，阱离子的导电类型为P型。

继续参考图3，在所述半导体衬底200中形成二极管掺杂层210。

所述二极管掺杂层210的顶部表面被半导体衬底200暴露。

本实施例中，形成了光电二极管，光电二极管包括：二极管掺杂层210和二极管掺杂层210底部的半导体衬底200。

本实施例中，所述二极管掺杂层210的导电类型为N型。所述二极管掺杂层210中具有N型掺杂离子。

形成二极管掺杂层210的工艺为离子注入工艺。

参考图4，形成二极管掺杂层210后，在二极管掺杂层210侧部的半导体衬底200中形成栅沟槽220。

形成栅沟槽220的工艺包括刻蚀工艺，如干刻工艺或湿刻工艺，所述干刻工艺包括各项异性干刻工艺。

所述栅沟槽220的深度为0.1微米～0.2微米。

参考图5，在所述栅沟槽220底部的半导体衬底200中形成附加浮空扩散区230，所述附加浮空扩散区230和所述二极管掺杂层210相互分立；形成栅沟槽220后，在所述半导体衬底200中形成溢出漏区240。

本实施例中，在形成附加浮空扩散区230的过程中形成溢出漏区240，形成附加浮空扩散区和溢出漏区240的工艺采用同一道工艺，形成附加浮空扩散区和溢出漏区240的工艺包括离子注入工艺。

在其他实施例中，形成溢出栅极结构后，形成溢出漏区。

所述附加浮空扩散区230的作用包括：调节溢出晶体管底部沟道的能带形貌。

所述溢出漏区240适于电学连接电源线，溢出漏区240和附加浮空扩散区230相互分立。

参考图6，形成附加浮空扩散区230后，在所述栅沟槽220中形成溢出栅极结构250，所述溢出栅极结构250具有相对的第一侧和第二侧，二极管掺杂层210位于溢出栅极结构250的第二侧。

形成所述溢出栅极结构250的方法包括：在所述栅沟槽220的侧壁和底部形成溢出栅介质层251；在所述栅沟槽220中形成溢出栅电极252，溢出栅电极252位于溢出栅介质层251上。

所述溢出栅极结构250包括溢出栅介质层251和位于溢出栅介质层251上的溢出栅电极252，所述溢出栅介质层251包围溢出栅电极252的底部和侧壁。

所述溢出栅介质层251包括氧化硅。所述溢出栅电极252包括多晶硅。

所述溢出漏区240位于所述溢出栅极结构250的第一侧。

本实施例中，形成了溢出晶体管，所述溢出晶体管包括：溢出栅极结构250和溢出漏区240，所述二极管掺杂层210作为溢出晶体管的源区。

所述溢出晶体管的作用包括：溢出漏区需要一直连接电源线，使得在清空时序步骤中，将溢出栅极结构对应的溢出晶体管开启，对光电二极管中的电荷进行清空。

在曝光时序步骤和读出时序步骤中，溢出栅极结构对应的溢出晶体管需要关闭，避免清空光电二极管积累的光生电荷以及避免影响读出信号。

所述溢出栅极结构250位于半导体衬底200中的作用包括：这样通过设置溢出栅极结构和溢出漏区之间的深度关系，能够使得二极管掺杂层至溢出漏区的沟道长度变长，这样进一步抑制了二极管掺杂层至溢出漏区的漏电。

本实施例中，溢出栅极结构250的深度大于所述溢出漏区240的深度。由于所述溢出栅极结构250的深度大于所述溢出漏区240的深度，因此使溢出栅极结构靠近溢出漏区的拐角处均存在沟道区，得附加浮空扩散区至溢出漏区之间的沟道长度增加，进一步抑制了附加浮空扩散区至溢出漏区的漏电。

在一个实施例中，所述溢出栅极结构250的深度为所述溢出漏区240的深度的1.2倍至1.6倍。

在一个具体的实施例中，所述溢出栅极结构的深度为0.1微米～0.2微米；所述溢出漏区的深度为0.05微米～0.1微米。

本实施例中，二极管掺杂层210的深度大于溢出栅极结构250的深度。

参考图7，在二极管掺杂层210的顶部形成顶层掺杂层260，所述顶层掺杂层260的导电类型和顶层掺杂层260底部的二极管掺杂层210的导电类型相反。

本实施例中，顶层掺杂层260的导电类型为P型。

本实施例中，所述光电二极管还包括：位于二极管掺杂层210的顶部的顶层掺杂层260，所述光电二极管为钳位二极管(Pinned Photodiode，PPD)。

所述顶层掺杂层260的作用包括：半导体衬底200表面与二极管掺杂层210之间被顶层掺杂层260隔离，避免半导体衬底200表面缺陷与顶层掺杂层260底部的二极管掺杂层210中的光生载流子复合形成暗电流。

所述图像传感器的形成方法还包括：在半导体衬底200上形成传输栅极结构，所述二极管掺杂层210位于传输栅极结构的一侧；在半导体衬底200中形成浮空扩散区，所述浮空扩散区位于传输栅极结构的另一侧；在半导体衬底200上形成复位栅极结构；在复位栅极结构一侧的半导体衬底中形成复位漏区，所述复位漏区与电源线连接，所述浮空扩散区位于所述复位栅极结构的另一侧半导体衬底中，所述浮空扩散区作为复位晶体管的源区；在半导体衬底200上形成源跟随栅极结构，所述源跟随栅极结构与浮空扩散区电学连接；在所述源跟随栅极结构一侧的半导体衬底中形成源跟随漏区，所述源跟随漏区与电源线连接；在所述源跟随栅极结构另一侧的半导体衬底中形成源跟随源区；在半导体衬底200上形成选择栅极结构；在所述选择栅极结构一侧的半导体衬底中形成选择源区，所述选择源区连接列读出线；在所述选择栅极结构另一侧的半导体衬底中形成选择漏区，选择漏区和所述源跟随源区电学连接，或者，选择漏区和所述源跟随源区重合。

相应的，本实施例还提供一种采用上述方法形成的图像传感器，请参考图7，包括：

半导体衬底200；

位于半导体衬底200中的溢出栅极结构250，所述溢出栅极结构250具有相对的第一侧和第二侧；位于所述溢出栅极结构250的第一侧半导体衬底200中的溢出漏区240，所述溢出漏区240适于电学连接电源线；

二极管掺杂层210，所述二极管掺杂层210位于溢出栅极结构250的第二侧半导体衬底200中；

位于所述溢出栅极结构250底部半导体衬底200中的附加浮空扩散区230，所述附加浮空扩散区230与二极管掺杂层210相互分立且和溢出漏区240相互分立。

所述附加浮空扩散区230的导电类型为N型，所述二极管掺杂层210的导电类型为N型，所述溢出漏区240的导电类型为N型。

所述溢出栅极结构250包括溢出栅介质层251和位于溢出栅介质层251上的溢出栅电极252，所述溢出栅介质层251包围溢出栅电极252的底部和侧壁。

所述溢出栅极结构250的深度大于所述溢出漏区240的深度。

所述溢出栅极结构250的深度为0.1微米～0.2微米；所述溢出漏区240的深度为0.05微米～0.1微米。

所述图像传感器还包括：位于半导体衬底200上的传输栅极结构，所述二极管掺杂层210位于传输栅极结构的一侧；位于半导体衬底200中的浮空扩散区，所述浮空扩散区位于传输栅极结构的另一侧；位于半导体衬底200上的复位栅极结构；位于复位栅极结构一侧半导体衬底中的复位漏区，所述复位漏区与电源线连接，所述浮空扩散区位于所述复位栅极结构的另一侧半导体衬底中，所述浮空扩散区作为复位晶体管的源区；位于半导体衬底上的源跟随栅极结构，所述源跟随栅极结构与浮空扩散区电学连接；位于所述源跟随栅极结构一侧半导体衬底中的源跟随漏区，所述源跟随漏区与电源线连接；位于所述源跟随栅极结构另一侧半导体衬底中的源跟随源区；位于所述半导体衬底上的选择栅极结构；位于所述选择栅极结构一侧半导体衬底中的选择源区，所述选择源区连接列读出线；位于所述选择栅极结构另一侧半导体衬底中的选择漏区，选择漏区和所述源跟随源区电学连接，或者，选择漏区和所述源跟随源区重合。

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 (10)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：

半导体衬底；

位于半导体衬底中的溢出栅极结构，所述溢出栅极结构具有相对的第一侧和第二侧；位于所述溢出栅极结构的第一侧半导体衬底中的溢出漏区，所述溢出漏区适于电学连接电源线；

二极管掺杂层，所述二极管掺杂层位于溢出栅极结构的第二侧半导体衬底中；

位于所述溢出栅极结构底部半导体衬底中的附加浮空扩散区，所述附加浮空扩散区与二极管掺杂层相互分立且和溢出漏区相互分立。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述附加浮空扩散区的导电类型为N型，所述二极管掺杂层的导电类型为N型，所述溢出漏区的导电类型为N型。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述溢出栅极结构包括溢出栅介质层和位于溢出栅介质层上的溢出栅电极，所述溢出栅介质层包围溢出栅电极的底部和侧壁。

4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述溢出栅极结构的深度大于所述溢出漏区的深度。

5.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述溢出栅极结构的深度为0.1微米～0.2微米；所述溢出漏区的深度为0.05微米～0.1微米。

6.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括：位于所述半导体衬底上的传输栅极结构，所述二极管掺杂层位于所述传输栅极结构的一侧；位于所述半导体衬底中的浮空扩散区，所述浮空扩散区位于所述传输栅极结构的另一侧。

7.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底中形成二极管掺杂层；

在所述二极管掺杂层侧部的半导体衬底中形成栅沟槽；

在所述栅沟槽底部的半导体衬底中形成附加浮空扩散区，所述附加浮空扩散区和所述二极管掺杂层相互分立；

形成附加浮空扩散区后，在所述栅沟槽中形成溢出栅极结构，所述溢出栅极结构具有相对的第一侧和第二侧，所述二极管掺杂层位于溢出栅极结构的第二侧；

形成所述栅沟槽后，在所述半导体衬底中形成溢出漏区，所述溢出漏区位于所述溢出栅极结构的第一侧，所述溢出漏区适于电学连接电源线，所述溢出漏区和所述附加浮空扩散区相互分立。

8.根据权利要求7所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，形成所述附加浮空扩散区的工艺包括离子注入工艺。

9.根据权利要求7所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在形成所述附加浮空扩散区的过程中形成所述溢出漏区；或者，形成所述溢出栅极结构后，形成所述溢出漏区。

10.根据权利要求7所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，形成所述溢出栅极结构的方法包括：在所述栅沟槽的侧壁和底部形成溢出栅介质层；

在所述栅沟槽中形成溢出栅电极，所述溢出栅电极位于所述溢出栅介质层上。