CN112635506A - 一种图像传感器的形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成栅沟槽，在所述栅沟槽的底部和侧面形成溢出栅绝缘层，在所述溢出栅绝缘层上形成溢出栅电极，所述溢出栅绝缘层与所述溢出栅电极组成溢出栅极结构，所述溢出栅极结构具有第一侧表面和相对于第一侧表面的第二侧表面；在所述溢出栅极结构的第一侧表面半导体衬底中形成二极管掺杂区；在所述溢出栅极结构的第二侧表面半导体衬底中形成溢出漏区，所述溢出漏区电连接电源线；所述溢出栅极结构的深度小于所述二极管掺杂区的深度且大于所述溢出漏区的深度。所述图像传感器的性能得到提高。
Description
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
图像传感器是利用光电器件的光电转换功能将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。与光敏二极管，光敏三极管等“点”光源的光敏元件相比，图像传感器是将其受光面上的光像，分成许多小单元，将其转换成可用的电信号的一种功能器件。图像传感器分为光导摄像管和固态图像传感器。与光导摄像管相比，固态图像传感器具有体积小、重量轻、集成度高、分辨率高、功耗低、寿命长、价格低等特点。因此在各个行业得到了广泛应用。
然而，现有的图像传感器的电学性能仍有待提高。
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电学性能。
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；溢出栅极结构，位于半导体衬底中，所述溢出栅极结构具有第一侧表面和相对于第一侧表面的第二侧表面；二极管掺杂区，位于所述溢出栅极结构的第一侧表面半导体衬底中；溢出漏区，位于所述溢出栅极结构的第二侧表面半导体衬底中，所述溢出漏区电连接电源线；所述溢出栅极结构的深度小于所述二极管掺杂区的深度且大于所述溢出漏区的深度。
可选的，还包括附加掺杂区，位于所述溢出栅极结构下方的半导体衬底中，所述附加掺杂区、所述二极管掺杂区以及所述溢出漏区彼此相互分立。
可选的，所述附加掺杂区还包括第一附加掺杂区和第二附加掺杂区，所述第一附加掺杂区位于所述溢出栅极结构的底部中心位置处，所述第二附加掺杂区位于所述第一附加掺杂区的正下方。
可选的，所述第一附加掺杂区与所述第二附加掺杂区之间的间隔为0.1微米。
可选的，所述第一附加掺杂区与所述第二附加掺杂区的导电类型为N型，所述二极管掺杂区的导电类型为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绝缘层和位于溢出栅绝缘层上的溢出栅电极，所述溢出栅绝缘层包围溢出栅电极的底部和侧壁。
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；在半导体衬底形成栅沟槽，在所述栅沟槽的底部和侧面形成溢出栅绝缘层，在所述溢出栅绝缘层上形成溢出栅电极，所述溢出栅绝缘层与所述溢出栅电极组成溢出栅极结构，所述溢出栅极结构具有第一侧表面和相对于第一侧表面的第二侧表面；在所述溢出栅极结构的第一侧表面半导体衬底中形成二极管掺杂区；在所述溢出栅极结构的第二侧表面半导体衬底中形成溢出漏区，所述溢出漏区电连接电源线；所述溢出栅极结构的深度小于所述二极管掺杂区的深度且大于所述溢出漏区的深度。
可选的，在形成所述栅沟槽之后和形成溢出栅绝缘层之前，还形成位于所述栅沟槽下方的半导体衬底中的附加掺杂区，所述附加掺杂区、所述二极管掺杂区以及所述溢出漏区彼此相互分立。
可选的，所述形成位于所述栅沟槽下方的半导体衬底中的附加掺杂区还包括，形成所述位于所述栅沟槽的底部中心位置处的第一附加掺杂区，以及位于所述第一附加掺杂区的正下方的第二附加掺杂区。
可选的，所述第一附加掺杂区与所述第二附加掺杂区之间的间隔为0.1微米。
可选的，所述第一附加掺杂区与所述第二附加掺杂区的导电类型为N型，所述二极管掺杂区的导电类型为N型，所述溢出漏区的导电类型为N型。
可选的，形成所述附加掺杂区的工艺包括离子注入工艺。
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。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，能够使二极管掺杂区至溢出漏区的沟道长度变长，这样有效抑制了二极管掺杂区至溢出漏区的漏电。
进一步，由于所述溢出栅极结构下方的半导体衬底中具有附加掺杂区，使得在附加掺杂区和溢出漏区之间形成势垒，这样在二极管掺杂区至溢出漏区之间有两个势垒，一个是二极管掺杂区至附加掺杂区之间的势垒，另一个是附加掺杂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，由于设置了附加掺杂区，使得在同等较大的电源线的电压的情况下，二极管掺杂区至溢出漏区之间的势垒的最高点提高，进一步，设置第一附加掺杂区和第二附加掺杂区，该最高点会被进一步提高，也就是说，二极管掺杂区至附加掺杂区之间的势垒的最高点增大，这样抑制了二极管掺杂区至附加掺杂区的漏电。其次，即使在二极管掺杂区中的电子越过二极管掺杂层至附加掺杂区之间的势垒，由于附加掺杂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，而是会积累在附加掺杂区中，进一步，设置第一附加掺杂区和第二附加掺杂区，可积累的电子容量进一步增大，这样进一步抑制了二极管掺杂区至溢出漏区的漏电。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。
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，得附加掺杂区至溢出漏区之间的沟道长度增加，进一步抑制了附加掺杂区至溢出漏区的漏电。
附图说明
图1是现有技术中图像传感器的部分结构的示意图；
图2至图6是本发明中图像传感器形成方法的示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述，现有技术形成的图像传感器的性能较差。
图1为现有技术中图像传感器的部分结构的示意图，图像传感器包括：半导体衬底001；位于半导体衬底001上的溢出栅极结构002；位于溢出栅极结构002一侧半导体衬底001中的二极管掺杂区003；位于溢出栅极结构002另一侧半导体衬底001中的溢出漏区004，所述溢出漏区004电连接电源线。
所述溢出晶体管PGY的作用包括：溢出晶体管PGY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PGY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PGY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PGY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PGY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；溢出栅极结构，位于半导体衬底中，所述溢出栅极结构具有第一侧表面和相对于第一侧表面的第二侧表面；二极管掺杂区，位于所述溢出栅极结构的第一侧表面半导体衬底中；溢出漏区，位于所述溢出栅极结构的第二侧表面半导体衬底中，所述溢出漏区电连接电源线；所述溢出栅极结构的深度小于所述二极管掺杂区的深度且大于所述溢出漏区的深度；还包括附加掺杂区，位于所述溢出栅极结构下方的半导体衬底中，所述附加掺杂区、所述二极管掺杂区以及所述溢出漏区彼此相互分立；所述附加掺杂区还包括第一附加掺杂区和第二附加掺杂区，所述第一附加掺杂区位于所述溢出栅极结构的底部中心位置处，所述第二附加掺杂区位于所述第一附加掺杂区的正下方。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。
图2至图6是本发明中图像传感器形成方法的示意图。
参考图2，提供半导体衬底1。
所述半导体衬底1的材料包括单晶硅。
所述半导体衬底1中具有阱离子，阱离子的导电类型和后续二极管掺杂区3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2，在半导体衬底1形成栅沟槽，形成栅沟槽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3，在所述栅沟槽底部的半导体衬底1中形成附加掺杂区，所述附加掺杂区还包括，形成所述位于所述栅沟槽的底部中心位置处的第一附加掺杂区5，以及位于所述第一附加掺杂区的正下方的第二附加掺杂区6。所述附加掺杂区的作用包括：调节溢出晶体管底部沟道的能带形貌。
所述第一附加掺杂区5与所述第二附加掺杂区6之间的间隔为0.1微米，在此间隔情况下，能有效控制附加掺杂区和溢出漏区4之间的势垒，以及附加掺杂区和溢出漏区二极管掺杂区3之间的势垒，提高图像传感器的性能。
形成所述第一附加掺杂区5与所述第二附加掺杂区6的工艺包括离子注入工艺，所述第一附加掺杂区5与所述第二附加掺杂区6的导电类型为N型。
参考图4，形成所述第一附加掺杂区5与所述第二附加掺杂区6后，在所述栅沟槽中形成溢出栅极结构2。
形成所述溢出栅极结构2的方法包括：在所述栅沟槽的底部和侧面形成溢出栅绝缘层21；在所述栅沟槽中形成溢出栅电极22，所述溢出栅电极22位于溢出绝缘层21之上，所述溢出栅绝缘层21包围溢出栅电极22的底部和侧面。
所述溢出栅绝缘层21包括氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅；所述溢出栅电极22包括多晶硅。
参考图5，所述溢出栅极结构2具有第一侧表面和相对于第一侧表面的第二侧表面；在所述溢出栅极结构2的第一侧表面半导体衬底1中形成二极管掺杂区3。
所述二极管掺杂区3的顶部表面被半导体衬底1暴露。
本实施例中，形成了光电二极管，光电二极管包括：二极管掺杂区3和二极管掺杂区3底部的半导体衬底1。
本实施例中，形成二极管掺杂区3的工艺为离子注入工艺，所述二极管掺杂层3的导电类型为N型。
所述二极管掺杂区3的深度为0.5微米～0.6微米。
参考图6，在所述溢出栅极结构2的第二侧表面半导体衬底1中形成溢出漏区4，所述溢出漏区4的深度为0.05微米～0.1微米。
本实施例中，形成溢出漏区4的工艺为离子注入工艺，所述二极管掺杂层3溢出漏区4的导电类型为N型。
所述溢出漏区4电连接电源VDD，所述溢出漏区4、所述二极管掺杂区3以及所述第一附加掺杂区5与所述第二附加掺杂区6彼此相互分立。
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2和溢出漏区4，所述二极管掺杂层区3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2位于半导体衬底1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区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，二极管掺杂区3的深度大于溢出栅极结构2的深度，溢出栅极结构2的深度大于所述溢出漏区4的深度，由此使溢出栅极结构2靠近溢出漏区4的拐角处均存在沟道区，得附加掺杂区至溢出漏区4之间的沟道长度增加，进一步抑制了附加掺杂区至溢出漏区4的漏电。
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6，包括：
半导体衬底1；
溢出栅极结构2，位于半导体衬底1中，所述溢出栅极结构2具有第一侧表面和相对于第一侧表面的第二侧表面；所述溢出栅极结构2包括溢出栅绝缘层21和位于溢出栅绝缘层21上的溢出栅电极22，所述溢出栅绝缘层21包围溢出栅电极22的底部和侧壁。
二极管掺杂区3，位于所述溢出栅极2的第一侧表面半导体衬底1中。
溢出漏区4，位于所述溢出栅极结构2的第二侧表面半导体衬底1中，所述溢出漏区4电连接电源线VDD；所述溢出栅极结构2的深度小于所述二极管掺杂区3的深度且大于所述溢出漏区的深度4。
附加掺杂区，位于所述溢出栅极结构2下方的半导体衬底1中，所述附加掺杂区、所述二极管掺杂区3以及所述溢出漏区4彼此相互分立。
所述附加掺杂区还包括第一附加掺杂区5和第二附加掺杂区6，所述第一附加掺杂区5位于所述溢出栅极结构2的底部中心位置处，所述第二附加掺杂区6位于所述第一附加掺杂5的正下方。
所述第一附加掺杂区5与所述第二附加掺杂区6之间的间隔为0.1微米。
所述第一附加掺杂区5与所述第二附加掺杂区6的导电类型为N型，所述二极管掺杂区3的导电类型为N型，所述溢出漏区4的导电类型为N型。
所述溢出栅极结构2的深度为0.1微米～0.2微米；所述二极管掺杂区3的深度为0.5微米～0.6微米；所述溢出漏区4的深度为0.05微米～0.1微米。
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 (6)
1.一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；
在所述半导体衬底上形成栅沟槽，在所述栅沟槽的底部和侧面形成溢出栅绝缘层，在所述溢出栅绝缘层上形成溢出栅电极，所述溢出栅绝缘层与所述溢出栅电极组成溢出栅极结构，所述溢出栅极结构具有第一侧表面和相对于第一侧表面的第二侧表面；
在所述溢出栅极结构的第一侧表面半导体衬底中形成二极管掺杂区；
在所述溢出栅极结构的第二侧表面半导体衬底中形成溢出漏区，所述溢出漏区电连接电源线；
所述溢出栅极结构的深度小于所述二极管掺杂区的深度且大于所述溢出漏区的深度。
2.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在形成所述栅沟槽之后和形成所述溢出栅绝缘层之前，还形成位于所述栅沟槽下方的半导体衬底中的附加掺杂区，所述附加掺杂区、所述二极管掺杂区以及所述溢出漏区彼此相互分立。
3.根据权利要求2所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述形成位于所述栅沟槽下方的半导体衬底中的附加掺杂区还包括，形成所述位于所述栅沟槽的底部中心位置处的第一附加掺杂区，以及位于所述第一附加掺杂区的正下方的第二附加掺杂区。
4.根据权利要求3所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一附加掺杂区与所述第二附加掺杂区之间的间隔为0.1微米。
5.根据权利要求4所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一附加掺杂区与所述第二附加掺杂区的导电类型为N型，所述二极管掺杂区的导电类型为N型，所述溢出漏区的导电类型为N型。
6.根据权利要求1-4所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，形成所述附加掺杂区的工艺包括离子注入工艺。
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