CN112002719B - 图像传感器像素单元及其形成方法、工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器的像素单元、图像传感器像素单元的形成方法及图像传感器像素单元的工作方法，像素单元包括：衬底，所述衬底包括像素区和逻辑区，所述像素区和逻辑区相邻；位于像素区内的第一光电掺杂区，所述衬底表面暴露出所述第一光电掺杂区表面，所述第一光电掺杂区内具有第一离子；位于像素区上的屏蔽栅极结构。所述图像传感器的抗辐射能力得到提升。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器制造领域，尤其涉及一种图像传感器像素单元、图像传感器像素单元的形成方法以及图像传感器像素单元的工作方法。
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CMOS(互补金属氧化物半导体，Complementary Metal OxideSemiconductor，简称CMOS)图像传感器和CCD(电荷耦合器件，charge coupled device，简称CCD)图像传感器。CMOS图像传感器具有工艺简单、易与其它器件集成、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，噪声是影响CMOS图像传感器性能的首要问题。暗电流噪声是一直需要改善的问题。因此，现有的CMOS图像传感器的性能有待提高。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种图像传感器像素单元、图像传感器像素单元的形成方法以及图像传感器像素单元的工作方法，以提升CMOS图像传感器的性能。
为解决上述技术问题，本发明技术方案提供一种图像传感器的像素单元，包括：衬底，所述衬底包括像素区和逻辑区，所述像素区和逻辑区相邻；位于像素区内的第一光电掺杂区，所述衬底表面暴露出所述第一光电掺杂区表面，所述第一光电掺杂区内具有第一离子；位于像素区上的屏蔽栅极结构。
可选的，还包括：位于第一光电掺杂区表面的屏蔽层，所述屏蔽层内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反；所述屏蔽栅极结构位于屏蔽层上。
可选的，所述衬底包括相对的第一面和第二面，所述衬底第一面暴露出所述第一光电掺杂区表面；所述屏蔽栅极结构位于第一光电掺杂区上。
可选的，还包括：位于逻辑区第一面上的传输栅极结构和复位栅极结构。
可选的，所述传输栅极结构环绕所述复位栅极结构。
可选的，还包括：位于第一光电掺杂区内的第二光电掺杂区，所述第二光电掺杂区具有第二离子，所述第二离子导电类型与第一离子的导电类型相同，且所述第二离子的浓度大于所述第一离子的浓度。
可选的，所述传输栅极结构与第二光电掺杂区相邻。
可选的，还包括：位于复位栅极结构两侧的逻辑区内的浮置掺杂区和漏区，所述浮置掺杂区位于传输栅极结构和复位栅极结构之间。
可选的，还包括：位于逻辑区内和部分像素区内的第一隔离掺杂区，所述第一隔离掺杂区的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反；所述浮置掺杂区、漏区以及部分第二光电掺杂区位于所述第一隔离掺杂区内。
可选的，所述屏蔽栅极结构环绕所述逻辑区。
可选的，所述衬底还包括：位于相邻像素区之间的第二隔离掺杂区，所述第二隔离掺杂区内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反，所述第二隔离掺杂区与第一光电掺杂区相邻；位于第二隔离掺杂区内的隔离结构。
可选的，所述屏蔽栅极结构包括介质层和位于介质层上的屏蔽栅极层。
可选的，所述介质层的材料包括氧化硅；所述屏蔽栅极层的材料包括硅。
可选的，所述衬底内具有第三离子，所述第三离子的导电类型与第一离子的导电类型相反。
可选的，所述衬底内具有阱区，所述阱区内具有第三离子；所述像素区和逻辑区位于阱区内。
可选的，所述第一离子包括N型离子，所述N型离子包括磷离子、砷离子或锑离子；所述第三离子包括P型离子，所述P型离子包括硼离子、硼氟离子或铟离子。
可选的，还包括：位于像素区第二面上的滤光结构，以及位于滤光片上的透镜。
相应的，本发明技术方案还提供一种图像传感器像素单元的形成方法，包括：提供衬底，所述衬底包括像素区和逻辑区，所述像素区和逻辑区相邻；在像素区内形成第一光电掺杂区，所述衬底表面暴露出所述第一光电掺杂区表面，所述第一光电掺杂区内具有第一离子；在像素区上形成屏蔽栅极结构。
可选的，在像素区上形成屏蔽栅极结构之前，还包括：在第一光电掺杂区表面形成屏蔽层，所述屏蔽层内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反；所述屏蔽栅极结构位于屏蔽层上。
可选的，所述衬底包括相对的第一面和第二面，所述衬底第一面暴露出所述第一光电掺杂区表面；所述屏蔽栅极结构位于第一光电掺杂区上。
可选的，还包括：在逻辑区第一面上形成传输栅极结构和复位栅极结构。
可选的，所述传输栅极结构环绕所述复位栅极结构。
可选的，所述屏蔽栅极结构、传输栅极结构和复位栅极结构同时形成。
可选的，在像素区上形成屏蔽栅极结构之前，还包括：在第一光电掺杂区内形成第二光电掺杂区，所述第二光电掺杂区具有第二离子，所述第二离子导电类型与第一离子的导电类型相同，且所述第二离子的浓度大于所述第一离子的浓度。
可选的，所述传输栅极结构与第二光电掺杂区相邻。
可选的，形成传输栅极结构和复位栅极结构之后，还包括：在复位栅极结构两侧的逻辑区内形成浮置掺杂区和漏区，所述浮置掺杂区位于传输栅极结构和复位栅极结构之间。
可选的，所述衬底还包括：位于逻辑区内和部分像素区内的第一隔离掺杂区，所述第一隔离掺杂区的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反；所述浮置掺杂区、漏区以及部分第二光电掺杂区位于所述第一隔离掺杂区内。
可选的，所述屏蔽栅极结构环绕所述逻辑区。
可选的，所述衬底还包括：位于相邻像素区之间的第二隔离掺杂区，所述第二隔离掺杂区内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反，所述第二隔离掺杂区与第一光电掺杂区相邻；位于第二隔离掺杂区内的隔离结构。
可选的，所述屏蔽栅极结构包括介质层和位于介质层上的屏蔽栅极层。
可选的，所述介质层的材料包括氧化硅；所述屏蔽栅极层的材料包括硅。
可选的，所述衬底内具有第三离子，所述第三离子的导电类型与第一离子的导电类型相反。
可选的，所述衬底内具有阱区，所述阱区内具有第三离子；所述像素区和逻辑区位于阱区内。
可选的，所述第一离子包括N型离子，所述N型离子包括磷离子、砷离子或锑离子；所述第三离子包括P型离子，所述P型离子包括硼离子、硼氟离子或铟离子。
可选的，还包括：在像素区第二面上形成滤光结构；在滤光结构上形成透镜。
可选的，所述第一光电掺杂区的形成工艺包括离子注入工艺。
相应的，本发明技术方案还提供一种图像传感器像素单元的工作方法，包括：提供图像传感器像素单元；对所述屏蔽栅极结构加载工作电压。
可选的，所述屏蔽栅极结构位于第一光电掺杂区上时，所述工作电压为负电压。
可选的，所述屏蔽栅极结构位于屏蔽层上时，所述工作电压为零电压或正电压。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明技术方案中的图像传感器的像素单元，所述像素区上具有屏蔽栅极结构，从而能够通过对所述屏蔽栅极结构加载工作电压，诱导正电荷在衬底表面聚集形成空穴钝化层，所述空穴钝化层能够俘获电子以阻挡电子进入像素区内，从而能够减少暗电流的产生，以提升图像传感器的成像质量。
进一步，所述屏蔽栅极结构位于第一光电掺杂区表面，从而能够通过对所述屏蔽栅极结构加载负电压，诱导屏蔽栅极结构和衬底的界面处聚集大量的正电荷形成空穴钝化层，所述空穴钝化层能够俘获电子以阻挡电子进入像素区内，从而能够减少暗电流的产生，以提升图像传感器的成像质量。
进一步，所述第一光电掺杂区表面具有屏蔽层，所述屏蔽层内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反，所述屏蔽栅极结构位于屏蔽层上。从而能够通过对所述屏蔽栅极结构加载零电压或正电压，诱导电子向屏蔽层和屏蔽栅极结构的界面聚集，从而所述第一光电掺杂区内产生大量的空穴，大量的空穴能够俘获电子以阻挡电子进入像素区内，从而能够减少暗电流的产生，以提升图像传感器的成像质量。
进一步，第一光电掺杂区内具有第二光电掺杂区，所述第二光电掺杂区的第二离子导电类型与第一离子的导电类型相同，且所述第二离子的浓度大于所述第一离子的浓度，从而使得第二光电掺杂区与第一光电掺杂区具有较大的电势，有利于像素区电子的读出。
进一步，所述传输栅极结构环绕所述复位栅极结构，所述屏蔽栅极结构环绕所述逻辑区，所述结构能够增加图像传感器的抗辐射能力和防漏电的产生。
进一步，相邻像素区之间具有第二隔离掺杂区，所述第二隔离掺杂区内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反，所述第二隔离掺杂区内具有隔离结构，所述第二隔离掺杂区能够对所述隔离结构和像素区之间进行隔离，以减小所述隔离结构与像素区产生界面缺陷的情况。
进一步，所述逻辑区内和部分像素区内具有第一隔离掺杂区，所述第一隔离掺杂区的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反，所述浮置掺杂区、漏区以及部分第二光电掺杂区位于所述第一隔离掺杂区内，从而所述第一隔离掺杂区能够对所述像素区与浮置掺杂区和漏区之间进行隔离，以减小所述像素区与浮置掺杂区和漏区发生漏电的情况。
本发明技术方案中的图像传感器像素单元的形成方法，通过在所述像素区上形成屏蔽栅极结构，从而能够通过对所述屏蔽栅极结构加载电压，诱导正电荷在衬底表面聚集形成空穴钝化层，所述空穴钝化层能够俘获电子以阻挡电子进入像素区内，从而能够减少暗电流的产生，以提升图像传感器的成像质量。
进一步，所述屏蔽栅极结构位于第一光电掺杂区表面，从而能够通过对所述屏蔽栅极结构加载负电压，诱导屏蔽栅极结构和衬底的界面处聚集大量的正电荷形成空穴钝化层，所述空穴钝化层能够俘获电子以阻挡电子进入像素区内，从而能够减少暗电流的产生，以提升图像传感器的成像质量。
进一步，所述第一光电掺杂区表面具有屏蔽层，所述屏蔽层内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反，所述屏蔽栅极结构位于屏蔽层上。从而能够通过对所述屏蔽栅极结构加载零电压或正电压，诱导电子向屏蔽层和屏蔽栅极结构的界面聚集，从而所述第一光电掺杂区内产生大量的空穴，大量的空穴能够俘获电子以阻挡电子进入像素区内，从而能够减少暗电流的产生，以提升图像传感器的成像质量。
附图说明
图1是一实施例中图像传感器像素单元的剖面结构示意图；
图2至图6是本发明一实施例中图像传感器像素单元形成过程的剖面结构示意图；
图7和图8是本发明另一实施例中图像传感器像素单元形成过程的剖面结构示意图；
图9是本发明一实施例中图像传感器像素单元的工作方法流程图。
具体实施方式
如背景技术所述，需要改善噪声对CMOS图像传感器的影响，以提升CMOS图像传感器的性能。现结合具体的实施例进行分析说明。
图1是一实施例中图像传感器像素单元的剖面结构示意图。
请参考图1，包括：衬底100，所述衬底100包括相对的第一面和第二面，所述衬底100包括像素区I和逻辑区II，所述像素区I和逻辑区II相邻；位于像素区I内的第一光电掺杂区101，所述第一光电掺杂区101内具有第一离子；位于第一光电掺杂区101内的第二光电掺杂区102，所述第二光电掺杂区102内的掺杂离子导电类型与第一离子导电类型相同，所述第二光电掺杂区102内的掺杂离子浓度大于第一离子的浓度；位于第一光电掺杂区101表面和部分第二光电掺杂区102表面的屏蔽层103，所述衬底第一面暴露出所述屏蔽层103，所述屏蔽层103内具有第二离子，所述第二离子的导电类型与第一离子的导电类型相反；位于逻辑区II第一面上的传输栅极结构和复位栅极结构，所述传输栅极结构与第二光电掺杂区102相邻，所述传输栅极结构环绕所述复位栅极结构，所述传输栅极结构包括栅介质层104和位于栅介质层104上的传输栅极层106，所述复位栅极结构包括栅介质层104和位于栅介质层104上的复位栅极层105，所述栅介质层104还位于像素区I第一面表面；位于逻辑区II内和部分像素区I内的第一隔离掺杂区109，部分所述第二光电掺杂区102位于所述第一隔离掺杂区109内；位于复位栅极结构两侧第一隔离掺杂区109内的漏区107和浮置掺杂区108，所述浮置掺杂区108位于传输栅极结构和复位栅极结构之间；位于相邻像素区I之间的第二隔离掺杂区110，所述第二隔离掺杂区110与第一光电掺杂区101相邻；位于第二隔离掺杂区110内的隔离结构111，所述隔离结构111与屏蔽层103相邻。
所述图像传感器像素单元中，为了减小暗电流，在栅介质层104与第一光电掺杂区101之间形成屏蔽层103，所述屏蔽层103内的第二离子导电类型与第一离子的导电类型相反，所述第二离子为P型离子，从而所述屏蔽层103能够捕获第一光电掺杂区101与栅介质层104之间缺陷电子，使得第一光电掺杂区101与栅介质层104的缺陷态被占据，从而阻挡了电子进入像素区I，进而减小了暗电流。
然而，CMOS图像传感器在电离辐射过程中，由于高速带电粒子与图像传感器材料的原子核发生弹性碰撞，使得图像传感器材料的晶格移位引起缺陷，从而导致少数载流子寿命减少，纯掺杂浓度降低，迁移率降低，晶体管电流增益下降，漏电流增加。具体体现在，图像传感器像素单元中的氧化物(SiO2)栅介质层104产生电子空穴对，电子逸出至传输栅极层106和复位栅极层105，空穴向栅介质层104和硅衬底界面传输，一部分被栅介质层104和硅衬底界面处的缺陷俘获，导致阈值变化；另一部分进入像素区I产生严重的暗电流，影响CMOS图像传感器的成像质量。
为了解决上述问题，本发明技术方案提供一种图像传感器的像素单元、图像传感器像素单元的形成方法以及图像传感器像素单元的工作方法，通过在所述像素区上形成屏蔽栅极结构，从而能够通过对所述屏蔽栅极结构加载电压，诱导正电荷在衬底表面聚集形成空穴钝化层，所述空穴钝化层能够俘获电子以阻挡电子进入像素区内，从而能够减少暗电流的产生，以提升图像传感器的成像质量。
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6是本发明一实施例中图像传感器像素单元形成过程的剖面结构示意图。
请参考图2，提供衬底200，所述衬底200包括像素区I和逻辑区II，所述像素区I和逻辑区II相邻，所述衬底200包括相对的第一面201和第二面202。
在本实施例中，所述衬底200内具有第三离子，所述第三离子包括P型离子，所述P型离子包括硼离子、硼氟离子或铟离子。
在其他实施例中，所述衬底内具有阱区，所述阱区内具有第三离子；所述像素区和逻辑区位于阱区内。
所述衬底200还包括：位于相邻像素区I之间的第二隔离掺杂区203，位于第二隔离掺杂区203内的隔离结构204，所述第二隔离掺杂区203内掺杂离子导电类型与第三离子导电类型相同；位于逻辑区II内和部分像素区I内的第一隔离掺杂区205，所述第一隔离掺杂区205的掺杂离子导电类型与第三离子的导电类型相同。
所述隔离结构204用于隔离相邻像素区I之间的光串扰；所述第二隔离掺杂区203能够对所述隔离结构204和像素区I之间进行隔离，以减小所述隔离结构204与像素区I产生界面缺陷的情况。
由于后续形成的浮置掺杂区和漏区位于所述第一隔离掺杂区205内，从而所述第一隔离掺杂区205能够对所述像素区I与浮置掺杂区和漏区之间进行隔离，以减小所述像素区I与浮置掺杂区和漏区发生漏电的情况。
所述隔离结构204的材料包括介电材料，所述介电材料包括氧化硅、氮化硅、碳化硅、碳氧化硅、氮氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮碳化硅和氮碳氧化硅中的一种或多种的组合。在本实施例中，所述隔离结构204的材料包括氧化硅。
在本实施例中，所述衬底200的材料为硅。
在其他实施例中，所述衬底的材料包括碳化硅、硅锗、Ⅲ-Ⅴ族元素构成的多元半导体材料、绝缘体上硅(SOI)或者绝缘体上锗(GOI)。其中，Ⅲ-Ⅴ族元素构成的多元半导体材料包括InP、GaAs、GaP、InAs、InSb、InGaAs或者InGaAsP。
请参考图3，在像素区I内形成第一光电掺杂区206，所述衬底200第一面201暴露出所述第一光电掺杂区206表面，所述第一光电掺杂区206内具有第一离子，所述第一离子的导电类型与第三离子的导电类型相反。
所述第一光电掺杂区206的形成工艺包括离子注入工艺。
在本实施例中，所述第一离子包括N型离子，所述N型离子包括磷离子、砷离子或锑离子。
在本实施例中，所述第二隔离掺杂区203与第一光电掺杂区206相邻。
所述第一离子的导电类型与第三离子的导电类型相反，所述第一光电掺杂区206与衬底200能够互为反型，形成二极管区域。
请继续参考图3，在第一光电掺杂区206内形成第二光电掺杂区207，所述第二光电掺杂区207具有第二离子，所述第二离子导电类型与第一离子的导电类型相同，且所述第二离子的浓度大于所述第一离子的浓度。
在本实施例中，部分第二光电掺杂区207位于所述第一隔离掺杂区205内。
在本实施例中，所述第二离子包括N型离子，所述N型离子包括磷离子、砷离子或锑离子。
所述第二光电掺杂区207的形成工艺包括离子注入工艺。
所述第二离子导电类型与第一离子的导电类型相同，且所述第二离子的浓度大于所述第一离子的浓度，从而使得第二光电掺杂区207与第一光电掺杂区206具有较大的电势差，有利于像素区I电子的读出。
在其他实施例中，能够不形成所述第二光电掺杂区。
请参考图4，在像素区I上形成屏蔽栅极结构，所述屏蔽栅极结构位于第一光电掺杂区206上。
所述屏蔽栅极结构包括介质层208和位于介质层208上的屏蔽栅极层209。
在本实施例中，所述介质层208的材料包括氧化硅；所述屏蔽栅极层209的材料包括硅。
通过在所述像素区I上形成屏蔽栅极结构，从而能够通过对所述屏蔽栅极结构加载电压，诱导正电荷在衬底200第一面表面聚集形成空穴钝化层，所述空穴钝化层能够俘获电子以阻挡电子进入像素区I内，从而能够减少暗电流的产生，以提升图像传感器的成像质量。
进一步，所述屏蔽栅极结构位于第一光电掺杂区206表面，从而能够通过对所述屏蔽栅极结构加载负电压，诱导屏蔽栅极结构和衬底200的界面处聚集大量的正电荷形成空穴钝化层，所述空穴钝化层能够俘获电子以阻挡电子进入像素区I内，从而能够减少暗电流的产生，以提升图像传感器的成像质量。
在本实施例中，在形成屏蔽栅极结构的同时，还包括：在逻辑区II第一面201上形成传输栅极结构和复位栅极结构，所述传输栅极结构与第二光电掺杂区207相邻。
所述传输栅极结构包括介质层208和位于介质层208上的传输栅极层210；所述复位栅极结构包括介质层208和位于介质层208上的复位栅极层211。
所述屏蔽栅极结构、传输栅极结构和复位栅极结构的形成方法包括：在衬底200第一面201上形成介质层208；在介质层208上形成栅极材料层(未图示)；在栅极材料层上形成图形化层(未图示)；以所述图形化层为掩膜刻蚀所述栅极材料层，直至暴露出所述介质层208表面，形成所述屏蔽栅极结构、传输栅极结构和复位栅极结构。
在本实施例中，所述屏蔽栅极结构环绕所述逻辑区II；所述传输栅极结构环绕所述复位栅极结构。所述结构能够增加图像传感器的抗辐射能力和防漏电的产生。
请参考图5和图6，图5为图6沿剖面线AA1方向的剖面结构示意图，图6为图5的俯视图，形成传输栅极结构和复位栅极结构之后，在复位栅极结构两侧的逻辑区II内形成浮置掺杂区212和漏区213，所述浮置掺杂区212位于传输栅极结构和复位栅极结构之间，所述浮置掺杂区212和漏区213位于所述第一隔离掺杂区205内。
所述浮置掺杂区212和漏区213位于所述第一隔离掺杂区205内，从而所述第一隔离掺杂区205能够对所述像素区I与浮置掺杂区212和漏区213之间进行隔离，以减小所述像素区I与浮置掺杂区212和漏区213发生漏电的情况。
所述浮置掺杂区212和漏区213的形成方法包括：去除复位栅极结构两侧的逻辑区II上的介质层208；对复位栅极结构两侧的逻辑区II进行离子注入，形成所述浮置掺杂区212和漏区213。
所述浮置掺杂区212和漏区213内的掺杂离子导电类型与第一离子导电类型相同，所述浮置掺杂区212和漏区213内的掺杂离子包括N型离子，所述N型离子包括磷离子、砷离子或锑离子。
形成浮置掺杂区212和漏区213之后，还包括：在像素区I第二面202上形成滤光结构(未图示)；在滤光结构上形成透镜(未图示)。
所述透镜用于使光线通过透镜进入到像素区I内，所述滤光结构用于使特定波长的光线进入到所述像素区I内。
相应地，本发明实施例还提供一种半导体结构，请继续参考图5和图6，包括：
衬底200，所述衬底200包括像素区I和逻辑区II，所述像素区I和逻辑区II相邻；
位于像素区I内的第一光电掺杂区206，所述衬底200表面暴露出所述第一光电掺杂区206表面，所述第一光电掺杂区206内具有第一离子；
位于像素区I上的屏蔽栅极结构。
在本实施例中，所述衬底200包括相对的第一面和第二面，所述衬底200第一面暴露出所述第一光电掺杂区206表面；所述屏蔽栅极结构位于第一光电掺杂区206上。
在本实施例中，还包括：位于逻辑区II第一面上的传输栅极结构和复位栅极结构。
在本实施例中，所述传输栅极结构环绕所述复位栅极结构。
在本实施例中，还包括：位于第一光电掺杂区206内的第二光电掺杂区207，所述第二光电掺杂区207内具有第二离子，所述第二离子导电类型与第一离子的导电类型相同，且所述第二离子的浓度大于所述第一离子的浓度。
在本实施例中，所述传输栅极结构与第二光电掺杂区207相邻。
在本实施例中，还包括：位于复位栅极结构两侧的逻辑区II内的浮置掺杂区212和漏区213，所述浮置掺杂区212位于传输栅极结构和复位栅极结构之间。
在本实施例中，还包括：位于逻辑区II内和部分像素区I内的第一隔离掺杂区205，所述第一隔离掺杂区205内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反；所述浮置掺杂区212、漏区213以及部分第二光电掺杂区207位于所述第一隔离掺杂区205内。
在本实施例中，所述屏蔽栅极结构环绕所述逻辑区II。
在本实施例中，所述衬底200还包括：位于相邻像素区I之间的第二隔离掺杂区203，所述第二隔离掺杂区203内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反，所述第二隔离掺杂区203与第一光电掺杂区206相邻；位于第二隔离掺杂区203内的隔离结构204。
在本实施例中，所述屏蔽栅极结构包括介质层208和位于介质层208上的屏蔽栅极层209；所述传输栅极结构包括介质层208和位于介质层208上的传输栅极层210；所述复位栅极结构包括介质层208和位于介质层208上的复位栅极层211。
在本实施例中，所述介质层208的材料包括氧化硅；所述屏蔽栅极层209的材料包括硅。
在本实施例中，所述衬底200内具有第三离子，所述第三离子的导电类型与第一离子的导电类型相反。
在其他实施例中，所述衬底内具有阱区，所述阱区内具有第三离子；所述像素区和逻辑区位于阱区内。
在本实施例中，所述第一离子包括N型离子，所述N型离子包括磷离子、砷离子或锑离子；所述第三离子包括P型离子，所述P型离子包括硼离子、硼氟离子或铟离子。
在本实施例中，还包括：位于像素区I第二面上的滤光结构(未图示)，以及位于滤光片上的透镜(未图示)。
所述图像传感器的像素单元，所述像素区I上具有屏蔽栅极结构，从而能够通过对所述屏蔽栅极结构加载工作电压，诱导正电荷在衬底200表面聚集形成空穴钝化层，所述空穴钝化层能够俘获电子以阻挡电子进入像素区I内，从而能够减少暗电流的产生，以提升图像传感器的成像质量。
进一步，所述屏蔽栅极结构位于第一光电掺杂区206表面，从而能够通过对所述屏蔽栅极结构加载负电压，诱导屏蔽栅极结构和衬底200的界面处聚集大量的正电荷形成空穴钝化层，所述空穴钝化层能够俘获电子以阻挡电子进入像素区I内，从而能够减少暗电流的产生，以提升图像传感器的成像质量。
图7和图8是本发明另一实施例中图像传感器像素单元形成过程的剖面结构示意图。
请参考图7，图7为在图3基础上的结构示意图，在第一光电掺杂区206表面形成屏蔽层301，所述屏蔽层301内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反。
所述屏蔽层301用于占据衬底200与后续形成的介质层之间界面处的缺陷，从而阻挡电子进入像素区I内，进而减小暗电流的产生，提升图像传感器的成像质量。
在本实施例中，所述屏蔽层301还延伸到部分第二光电掺杂区207表面。
所述屏蔽层301的掺杂离子为P型离子，所述P型离子包括硼离子、硼氟离子或铟离子。
形成所述屏蔽层301的工艺包括离子注入工艺。
请参考图8，形成屏蔽层301之后，在像素区I上形成屏蔽栅极结构，所述屏蔽栅极结构位于屏蔽层301上。
所述屏蔽栅极结构包括介质层302和位于介质层302上的屏蔽栅极层303。
在本实施例中，所述介质层302的材料包括氧化硅；所述屏蔽栅极层303的材料包括硅。
通过在所述像素区I上形成屏蔽栅极结构，从而能够通过对所述屏蔽栅极结构加载电压，诱导正电荷在衬底200第一面表面聚集形成空穴钝化层，所述空穴钝化层能够俘获电子以阻挡电子进入像素区I内，从而能够减少暗电流的产生，以提升图像传感器的成像质量。
进一步，所述第一光电掺杂区206表面具有屏蔽层301，所述屏蔽层301内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反，所述屏蔽栅极结构位于屏蔽层301表面，从而能够通过对所述屏蔽栅极结构加载零电压或正电压，诱导电子向屏蔽层301和屏蔽栅极结构的界面聚集，从而使所述第一光电掺杂区206内产生大量的空穴，大量的空穴能够俘获电子以阻挡电子进入像素区I内，从而能够减少暗电流的产生，以提升图像传感器的成像质量。
在本实施例中，在形成屏蔽栅极结构的同时，还包括：在逻辑区II第一面201上形成传输栅极结构和复位栅极结构，所述传输栅极结构与第二光电掺杂区207相邻。
所述传输栅极结构包括介质层302和位于介质层302上的传输栅极层304；所述复位栅极结构包括介质层302和位于介质层302上的复位栅极层305。
所述屏蔽栅极结构、传输栅极结构和复位栅极结构形成过程中的工艺、材料和方法请参考图4，在此不再赘述。
请继续参考图8，在复位栅极结构两侧的逻辑区II内形成浮置掺杂区306和漏区307，所述浮置掺杂区306位于传输栅极结构和复位栅极结构之间。
所述浮置掺杂区306和漏区307位于所述第一隔离掺杂区205内。
所述浮置掺杂区306和漏区307形成过程中的工艺、材料和方法请参考图5和图6，在此不再赘述。
相应地，本发明实施例还提供一种半导体结构，请继续参考图8，包括：
衬底200，所述衬底200包括像素区I和逻辑区II，所述像素区I和逻辑区II相邻；
位于像素区I内的第一光电掺杂区206，所述衬底200表面暴露出所述第一光电掺杂区206表面，所述第一光电掺杂区206内具有第一离子；
位于像素区I上的屏蔽栅极结构。
在本实施例中，还包括：位于第一光电掺杂区206表面的屏蔽层301，所述屏蔽层301内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反；所述屏蔽栅极结构位于屏蔽层301上。
在本实施例中，所述衬底200包括相对的第一面和第二面，所述衬底200第一面暴露出所述第一光电掺杂区206表面；所述屏蔽栅极结构位于第一光电掺杂区206上。
在本实施例中，还包括：位于逻辑区II第一面上的传输栅极结构和复位栅极结构。
在本实施例中，所述传输栅极结构环绕所述复位栅极结构。
在本实施例中，还包括：位于第一光电掺杂区206内的第二光电掺杂区207，所述第二光电掺杂区207内具有第二离子，所述第二离子导电类型与第一离子的导电类型相同，且所述第二离子的浓度大于所述第一离子的浓度。
在本实施例中，所述传输栅极结构与第二光电掺杂区207相邻。
在本实施例中，还包括：位于复位栅极结构两侧的逻辑区II内的浮置掺杂区306和漏区307，所述浮置掺杂区306位于传输栅极结构和复位栅极结构之间。
在本实施例中，还包括：位于逻辑区II内和部分像素区I内的第一隔离掺杂区205，所述第一隔离掺杂区205内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反；所述浮置掺杂区306、漏区307以及部分第二光电掺杂区207位于所述第一隔离掺杂区205内。
在本实施例中，所述屏蔽栅极结构环绕所述逻辑区II。
在本实施例中，所述衬底200还包括：位于相邻像素区I之间的第二隔离掺杂区203，所述第二隔离掺杂区203内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反，所述第二隔离掺杂区203与第一光电掺杂区206相邻；位于第二隔离掺杂区203内的隔离结构204。
在本实施例中，所述屏蔽栅极结构包括介质层302和位于介质层302上的屏蔽栅极层303；所述传输栅极结构包括介质层302和位于介质层302上的传输栅极层304；所述复位栅极结构包括介质层302和位于介质层302上的复位栅极层305。
在本实施例中，所述介质层302的材料包括氧化硅；所述屏蔽栅极层303的材料包括硅。
在本实施例中，所述衬底200内具有第三离子，所述第三离子的导电类型与第一离子的导电类型相反。
在其他实施例中，所述衬底内具有阱区，所述阱区内具有第三离子；所述像素区和逻辑区位于阱区内。
在本实施例中，所述第一离子包括N型离子，所述N型离子包括磷离子、砷离子或锑离子；所述第三离子包括P型离子，所述P型离子包括硼离子、硼氟离子或铟离子。
在本实施例中，还包括：位于像素区I第二面上的滤光结构(未图示)，以及位于滤光片上的透镜(未图示)。
所述图像传感器像素单元，所述像素区I上具有屏蔽栅极结构，从而能够通过对所述屏蔽栅极结构加载电压，诱导正电荷在衬底200第一面表面聚集形成空穴钝化层，所述空穴钝化层能够俘获电子以阻挡电子进入像素区I内，从而能够减少暗电流的产生，以提升图像传感器的成像质量。
进一步，所述第一光电掺杂区206表面具有屏蔽层301，所述屏蔽层301内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反，所述屏蔽栅极结构位于屏蔽层301表面，从而能够通过对所述屏蔽栅极结构加载零电压或正电压，诱导电子向屏蔽层301和屏蔽栅极结构的界面聚集，从而使所述第一光电掺杂区206内产生大量的空穴，大量的空穴能够俘获电子以阻挡电子进入像素区I内，从而能够减少暗电流的产生，以提升图像传感器的成像质量。
图9是本发明一实施例中图像传感器像素单元的工作方法流程图。
请参考图9，所述图像传感器像素单元的工作方法包括：
S100：提供图像传感器像素单元；
S200：对所述屏蔽栅极结构加载工作电压。
在一实施例中，提供如图5和图6所述的图像传感器像素单元，所述屏蔽栅极结构位于第一光电掺杂区206上时，所述工作电压为负电压。
所述屏蔽栅极结构位于第一光电掺杂区206表面，从而能够通过对所述屏蔽栅极结构加载负电压，诱导屏蔽栅极结构和衬底200的界面处聚集大量的正电荷形成空穴钝化层，所述空穴钝化层能够俘获电子以阻挡电子进入像素区I内，从而能够减少暗电流的产生，以提升图像传感器的成像质量。
在另一实施例中，提供如图8所述的图像传感器像素单元，所述屏蔽栅极结构位于屏蔽层301上时，所述工作电压为零电压或正电压。
所述第一光电掺杂区206表面具有屏蔽层301，所述屏蔽层301内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反，所述屏蔽栅极结构位于屏蔽层301表面，从而能够通过对所述屏蔽栅极结构加载零电压或正电压，诱导电子向屏蔽层301和屏蔽栅极结构的界面聚集，从而使所述第一光电掺杂区206内产生大量的空穴，大量的空穴能够俘获电子以阻挡电子进入像素区I内，从而能够减少暗电流的产生，以提升图像传感器的成像质量。
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 (31)
1.一种图像传感器的像素单元，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底包括像素区和逻辑区，所述像素区和逻辑区相邻；
位于像素区内的第一光电掺杂区，所述衬底表面暴露出所述第一光电掺杂区表面，所述第一光电掺杂区内具有第一离子；
位于第一光电掺杂区表面的屏蔽栅极结构，所述屏蔽栅极结构环绕所述逻辑区，所述屏蔽栅极结构用于阻挡电子进入像素区内，所述屏蔽栅极结构用于加载负电压，所述屏蔽栅极结构包括介质层和位于介质层上的屏蔽栅极层，
或者，位于第一光电掺杂区表面的屏蔽层，所述屏蔽层内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反，所述屏蔽层用于占据衬底与屏蔽栅极结构中的介质层之间的界面处的缺陷，位于屏蔽层表面的屏蔽栅极结构，所述屏蔽栅极结构环绕所述逻辑区，所述屏蔽栅极结构用于加载零电压或正电压。
2.如权利要求1所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，所述衬底包括相对的第一面和第二面，所述衬底第一面暴露出所述第一光电掺杂区表面；
所述屏蔽栅极结构位于第一光电掺杂区上。
3.如权利要求2所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，还包括：位于逻辑区第一面上的传输栅极结构和复位栅极结构。
4.如权利要求3所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，所述传输栅极结构环绕所述复位栅极结构。
5.如权利要求3所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，还包括：位于第一光电掺杂区内的第二光电掺杂区，所述第二光电掺杂区具有第二离子，所述第二离子导电类型与第一离子的导电类型相同，且所述第二离子的浓度大于所述第一离子的浓度。
6.如权利要求3所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，还包括：位于复位栅极结构两侧的逻辑区内的浮置掺杂区和漏区，所述浮置掺杂区位于传输栅极结构和复位栅极结构之间。
7.如权利要求6所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，还包括：位于逻辑区内和部分像素区内的第一隔离掺杂区，所述第一隔离掺杂区的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反；所述浮置掺杂区、漏区以及部分第二光电掺杂区位于所述第一隔离掺杂区内。
8.如权利要求1所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，所述衬底还包括：位于相邻像素区之间的第二隔离掺杂区，所述第二隔离掺杂区内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反，所述第二隔离掺杂区与第一光电掺杂区相邻；位于第二隔离掺杂区内的隔离结构。
9.如权利要求1所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，所述介质层的材料包括氧化硅；所述屏蔽栅极层的材料包括硅。
10.如权利要求1所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，所述衬底内具有第三离子，所述第三离子的导电类型与第一离子的导电类型相反。
11.如权利要求10所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，所述衬底内具有阱区，所述阱区内具有第三离子；所述像素区和逻辑区位于阱区内。
12.如权利要求10所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，所述第一离子包括N型离子，所述N型离子包括磷离子、砷离子或锑离子；所述第三离子包括P型离子，所述P型离子包括硼离子、硼氟离子或铟离子。
13.如权利要求1所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，还包括：位于像素区第二面上的滤光结构，以及位于滤光片上的透镜。
14.一种图像传感器像素单元的形成方法，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底包括像素区和逻辑区，所述像素区和逻辑区相邻；
在像素区内形成第一光电掺杂区，所述衬底表面暴露出所述第一光电掺杂区表面，所述第一光电掺杂区内具有第一离子；
在第一光电掺杂区表面形成屏蔽栅极结构，所述屏蔽栅极结构环绕所述逻辑区，所述屏蔽栅极结构用于阻挡电子进入像素区内，所述屏蔽栅极结构用于加载负电压，所述屏蔽栅极结构包括介质层和位于介质层上的屏蔽栅极层，
或者，在第一光电掺杂区表面形成屏蔽层，所述屏蔽层内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反，所述屏蔽层用于占据衬底与屏蔽栅极结构中的介质层之间的界面处的缺陷，所述屏蔽层用于阻挡电子进入像素区内；在屏蔽层表面形成屏蔽栅极结构，所述屏蔽栅极结构环绕所述逻辑区，所述屏蔽栅极结构用于加载零电压或正电压。
15.如权利要求14所述的图像传感器像素单元的形成方法，其特征在于，所述衬底包括相对的第一面和第二面，所述衬底第一面暴露出所述第一光电掺杂区表面；所述屏蔽栅极结构位于第一光电掺杂区上。
16.如权利要求15所述的图像传感器像素单元的形成方法，其特征在于，还包括：在逻辑区第一面上形成传输栅极结构和复位栅极结构。
17.如权利要求16所述的图像传感器像素单元的形成方法，其特征在于，所述传输栅极结构环绕所述复位栅极结构。
18.如权利要求16所述的图像传感器像素单元的形成方法，其特征在于，所述屏蔽栅极结构、传输栅极结构和复位栅极结构同时形成。
19.如权利要求15所述的图像传感器像素单元的形成方法，其特征在于，在像素区上形成屏蔽栅极结构之前，还包括：在第一光电掺杂区内形成第二光电掺杂区，所述第二光电掺杂区具有第二离子，所述第二离子导电类型与第一离子的导电类型相同，且所述第二离子的浓度大于所述第一离子的浓度。
20.如权利要求15所述的图像传感器像素单元的形成方法，其特征在于，形成传输栅极结构和复位栅极结构之后，还包括：在复位栅极结构两侧的逻辑区内形成浮置掺杂区和漏区，所述浮置掺杂区位于传输栅极结构和复位栅极结构之间。
21.如权利要求20所述的图像传感器像素单元的形成方法，其特征在于，所述衬底还包括：位于逻辑区内和部分像素区内的第一隔离掺杂区，所述第一隔离掺杂区的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反；所述浮置掺杂区、漏区以及部分第二光电掺杂区位于所述第一隔离掺杂区内。
22.如权利要求14所述的图像传感器像素单元的形成方法，其特征在于，所述衬底还包括：位于相邻像素区之间的第二隔离掺杂区，所述第二隔离掺杂区内的掺杂离子导电类型与第一离子的导电类型相反，所述第二隔离掺杂区与第一光电掺杂区相邻；位于第二隔离掺杂区内的隔离结构。
23.如权利要求14所述的图像传感器像素单元的形成方法，其特征在于，所述介质层的材料包括氧化硅；所述屏蔽栅极层的材料包括硅。
24.如权利要求14所述的图像传感器像素单元的形成方法，其特征在于，所述衬底内具有第三离子，所述第三离子的导电类型与第一离子的导电类型相反。
25.如权利要求24所述的图像传感器像素单元的形成方法，其特征在于，所述衬底内具有阱区，所述阱区内具有第三离子；所述像素区和逻辑区位于阱区内。
26.如权利要求24所述的图像传感器像素单元的形成方法，其特征在于，所述第一离子包括N型离子，所述N型离子包括磷离子、砷离子或锑离子；所述第三离子包括P型离子，所述P型离子包括硼离子、硼氟离子或铟离子。
27.如权利要求14所述的图像传感器像素单元的形成方法，其特征在于，还包括：在像素区第二面上形成滤光结构；在滤光结构上形成透镜。
28.如权利要求14所述的图像传感器像素单元的形成方法，其特征在于，所述第一光电掺杂区的形成工艺包括离子注入工艺。
29.一种图像传感器像素单元的工作方法，其特征在于，包括：
提供如权利要求1至13任一项所述的图像传感器像素单元；
对屏蔽栅极结构加载工作电压。
30.如权利要求29所述的图像传感器像素单元的工作方法，其特征在于，所述屏蔽栅极结构位于第一光电掺杂区表面时，所述工作电压为负电压。
31.如权利要求29所述的图像传感器像素单元的工作方法，其特征在于，所述屏蔽层位于第一光电掺杂区表面，所述屏蔽栅极结构位于屏蔽层表面时，所述工作电压为零电压或正电压。
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| CN202010923210.3A CN112002719B (zh) | 2020-09-04 | 2020-09-04 | 图像传感器像素单元及其形成方法、工作方法 |
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