CN114335045A

CN114335045A - 一种降低cmos图像传感器暗电流的方法

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Publication number: CN114335045A
Application number: CN202210229027.2A
Authority: CN
Inventors: 奚超超; 蔡信裕; 陈建铨
Original assignee: Nexchip Semiconductor Corp
Current assignee: Nexchip Semiconductor Corp
Priority date: 2022-03-10
Filing date: 2022-03-10
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2042-03-10
Also published as: CN114335045B

Abstract

本发明提供一种降低CMOS图像传感器暗电流的方法，包括：提供一半导体衬底，在半导体衬底中形成浅沟槽隔离结构、光电二极管和浮置扩散区，并形成多晶硅转移栅，多晶硅转移栅位于光电二极管和浮置扩散区之间；直接对光电二极管所在的半导体衬底表面以及多晶硅转移栅的表面进行离子注入，以同时消除光电二极管的表面缺陷引起的白点失效以及多晶硅转移栅的漏电引起的白点失效，解决光电二极管表面缺陷引起的暗电流，还解决多晶硅转移栅漏电引起的暗电流，从而有效降低暗电流所导致的白点失效问题，提高了良率；在形成p型掺杂薄层时无需形成图形化的光刻胶，这样就减少了光罩的成本，同时省略了光刻以及清洁光刻胶层的工艺步骤，降低了工艺成本。

Description

一种降低CMOS图像传感器暗电流的方法

技术领域

本发明涉及半导体的制造工艺领域，特别涉及一种降低CMOS图像传感器暗电流的方法。

背景技术

CMOS图像传感器是一种将光学图像转换成电信号的设备，其广泛应用于智能手机、监控安防、汽车电子及机器安防等领域。与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有低功耗、体积小等优点。但是，随着工艺尺寸缩小至深亚微米，CMOS图像传感器容易产生暗电流，暗电流是指CMOS图像传感器在无光照的条件下所输出的信号值，是一种非理想因素，暗电流会积分成为暗电荷并被存储于像素电荷存储节点（无论是暗光条件还是光照条件时都存在）。如图1a-1b所示，CMOS图像传感器的像素结构包括感光二极管PD、转移栅TX、浮置扩散区FD、重置晶体管RST、源极跟随器SF及行选管SEL。CMOS图像传感器的暗电流的主要来源包括：光电二极管PN结漏电1、浅沟槽隔离漏电2、光电二极管表面缺陷3以及TX转移栅漏电4等。

CMOS图像传感器的暗电流是引起白点缺陷的重要原因，目前，解决CMOS图像传感器暗电流的方式包括：在光电二极管表面采用Pinning，即对光电二极管表面进行较薄的P型掺杂，或者通过调整深层隔离阱（浅沟槽隔离外侧的隔离阱）的掺杂浓度来进行隔离。但是，上述两种解决方式均需要额外添加光罩，增加了生产成本，同时上述两种方式并没有解决TX转移栅漏电引起的暗电流所导致的白点失效问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种降低CMOS图像传感器暗电流的方法，包括以下步骤：

提供一半导体衬底，在所述半导体衬底中形成像素区的浅沟槽隔离结构以及像素区的光电二极管和浮置扩散区，并在所述像素区的所述半导体衬底上形成多晶硅转移栅，所述多晶硅转移栅位于所述光电二极管和浮置扩散区之间；以及

直接对所述光电二极管所在的所述半导体衬底表面以及所述多晶硅转移栅的表面进行离子注入，以同时消除所述光电二极管的表面缺陷引起的白点失效以及所述多晶硅转移栅的漏电引起的白点失效。

可选的，直接对所述光电二极管所在的所述半导体衬底表面以及所述多晶硅转移栅的表面进行离子注入包括：

无需光罩直接对所述光电二极管所在的所述半导体衬底表面以及所述多晶硅转移栅的表面进行P型离子注入，以在所述光电二极管上方的所述半导体衬底中形成P型掺杂薄层。

进一步的，所述P型离子包括硼离子。

进一步的，所述P型离子注入的能量为15 keV ~25keV，剂量为2e11 cm^-2~2 e13cm^-2，所述P型离子注入时的入射角度与所述半导体衬底的表面的垂线的夹角为-5°~5°。

可选的，离子注入工艺之后，还包括：清洁所述半导体衬底。

可选的，所述多晶硅转移栅掺杂了N型离子。

可选的，所述半导体衬底包括衬底和外延层，所述外延层位于所述衬底上，且所述衬底和外延层均掺杂了P型离子。

进一步的，所述浅沟槽隔离结构、光电二极管和浮置扩散区均位于所述外延层中，且所述浮置扩散区掺杂了N型离子。

进一步的，所述光电二极管包括第一N型掺杂区和第二N型掺杂区，所述第一N型掺杂区位于所述第二N型掺杂区下方，所述第二N型掺杂区靠近所述外延层的表面设置，且所述第一N型掺杂区的掺杂浓度较所述第二N型掺杂区的掺杂浓度大。

进一步的，所述浅沟槽隔离结构的外侧形成有第一隔离阱，所述浅沟槽隔离结构的下方形成有第二隔离阱，所述第一隔离阱还位于所述第一N型掺杂区上方，所述第二隔离阱还位于所述第一N型掺杂区一侧，使得所述第一隔离阱和第二隔离阱共同用于防止所述第一N型掺杂区漏电引起的白点失效。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供一种降低CMOS图像传感器暗电流的方法，包括以下步骤：提供一半导体衬底，在所述半导体衬底中形成像素区的浅沟槽隔离结构以及像素区的光电二极管和浮置扩散区，并在所述像素区的所述半导体衬底上形成多晶硅转移栅，所述多晶硅转移栅位于所述光电二极管和浮置扩散区之间；以及直接对所述光电二极管所在的所述半导体衬底表面以及所述多晶硅转移栅的表面进行离子注入，以同时消除所述光电二极管的表面缺陷引起的白点失效以及所述多晶硅转移栅的漏电引起的白点失效。本发明以在解决光电二极管表面缺陷引起的暗电流的同时解决多晶硅转移栅漏电引起的暗电流，从而有效降低暗电流所导致的白点失效问题，提高了良率；在形成p型掺杂薄层时无需形成图形化的光刻胶，这样就减少了光罩的成本，同时省略了光刻以及清洁光刻胶层的工艺步骤，降低了工艺成本。

附图说明

图1a-1d为一种降低CMOS图像传感器暗电流的方法各步骤的结构示意图；

图2为本发明一实施例的一种降低CMOS图像传感器暗电流的方法的流程示意图；

图3a-3d为本发明一实施例的一种降低CMOS图像传感器暗电流的方法各步骤的结构示意图；

图4a为不对多晶硅转移栅进行离子注入所产生的白点缺陷的示意图；

图4b为本发明一实施例的对多晶硅转移栅进行离子注入所产生的白点缺陷的示意图。

附图标记说明：

图1a-1d中：

1-光电二极管PN结漏电；2-浅沟槽隔离漏电；3-光电二极管表面缺陷；4-TX转移栅漏电；10-p型硅衬底；20-p型外延层；21- p型掺杂薄层；30-光刻胶层；

图3a-4b中：

A-白点缺陷；100-衬底；200-外延层；210-浅沟槽隔离结构；220-光电二极管；221-第一N型掺杂区；222-第二N型掺杂区；231-第一隔离阱；232-第二隔离阱；240-浮置扩散区；250-P型掺杂薄层；300-多晶硅转移栅。

具体实施方式

目前降低CMOS图像传感器暗电流的方法包括：

如图1a-1b所示，首先，提供p型硅衬底10，所述p型硅衬底10上形成有p型外延层20，在所述p型外延层20中形成有像素区的光电二极管（PD）和浮置扩散区（FD），在所述p型外延层20上形成有TX转移栅，所述TX转移栅位于光电二极管（PD）和浮置扩散区（FD）之间，所述p型外延层20还形成有用于将相邻像素区电学隔离的浅沟槽隔离结构STI。

如图1c所示，接着，为了解决光电二极管表面缺陷引起的暗电流，在所述p型外延层20上形成图形化的光刻胶层30，所述光刻胶层30暴露出所述光电二极管所在的p型外延层20，并覆盖所述TX转移栅以及浮置扩散区的 p型外延层20。

如图1d所示，接着，以图形化的所述光刻胶层30为掩模，对所述p型外延层20进行离子掺杂，以在所述光电二极管所在的p型外延层20表面形成p型掺杂薄层21，所述p型掺杂薄层21可以解决光电二极管表面缺陷3引起的暗电流。

接着，清除所述光刻胶层30。

接着，清洁所述p型外延层30表面。

根据上述步骤，解决了光电二极管表面缺陷引起的暗电流3，但是TX转移栅漏电引起的暗电流依然没有解决。

基于上述分析，本发明提供一种降低CMOS图像传感器暗电流的方法，通过对光电二极管所在的p型外延层表面以及多晶硅转移栅同时进行离子注入，使得形成p型掺杂薄层时无需形成图形化的光刻胶，这样就减少了光罩的成本，同时省略了光刻以及清洁光刻胶层的工艺步骤，降低了工艺成本，还可以在解决光电二极管表面缺陷引起的暗电流的同时解决TX转移栅漏电引起的暗电流，从而有效降低暗电流所导致的白点失效问题，提高了良率。

以下将对本发明的一种降低CMOS图像传感器暗电流的方法作进一步的详细描述。下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图2为本实施例的一种降低CMOS图像传感器暗电流的方法的流程示意图。如图2所示，本实施例提供一种降低CMOS图像传感器暗电流的方法，包括以下步骤：

S10：提供一半导体衬底，在所述半导体衬底中形成像素区的浅沟槽隔离结构以及像素区的光电二极管和浮置扩散区，并在所述像素区的所述半导体衬底上形成多晶硅转移栅，所述多晶硅转移栅位于所述光电二极管和浮置扩散区之间；

S20：直接对所述光电二极管所在的所述半导体衬底表面以及所述多晶硅转移栅的表面进行离子注入，以同时消除所述光电二极管的表面缺陷引起的白点失效以及所述多晶硅转移栅的漏电引起的白点失效。

以下结合图2-4b对本实施例提供的一种降低CMOS图像传感器暗电流的方法进行详细的说明。

图3a为本实施例提供的半导体衬底的结构示意图。如图3a所示，首先执行步骤S10，提供一半导体衬底，在所述半导体衬底中形成像素区的浅沟槽隔离结构210以及像素区的光电二极管220和浮置扩散区240，并在像素区的所述半导体衬底上形成多晶硅转移栅300，所述多晶硅转移栅300位于所述光电二极管220和浮置扩散区240之间。

所述半导体衬底包括衬底100和位于所述衬底100上的外延层200，在所述外延层200中形成浅沟槽隔离结构210，以将相邻的所述像素区电学隔离，避免各像素之间相互串扰。所述浅沟槽隔离结构210的可以为二氧化硅。其中，所述外延层200为p型外延层，所述衬底100为p型硅衬底。

在所述像素区的外延层200中形成光电二极管220和浮置扩散区240，所述光电二极管220和浮置扩散区240沿横向间隔设置，所述浮置扩散区240掺杂了N型离子，所述光电二极管220包括第一N型掺杂区221和第二N型掺杂区222，所述第一N型掺杂区221位于所述第二N型掺杂区222下方，所述第二N型掺杂区222靠近所述外延层200的表面设置，且所述第一N型掺杂区221的掺杂浓度较所述第二N型掺杂区222的掺杂浓度大。所述浅沟槽隔离结构210的外侧形成有第一隔离阱231，所述浅沟槽隔离结构210的下方形成有第二隔离阱232，所述第一隔离阱231和第二隔离阱232均进行了P型掺杂，且所述第一隔离阱231的掺杂浓度小于所述第二隔离阱232的掺杂浓度，所述第一隔离阱231还位于所述第一N型掺杂区221上方，所述第二隔离阱232还位于所述第一N型掺杂区221一侧，使得所述第一隔离阱231和第二隔离阱232共同用于防止所述第一N型掺杂区221漏电引起暗电流。

在所述像素区的外延层200上形成多晶硅转移栅300，所述多晶硅转移栅300位于光电二极管220和浮置扩散区240之间，即所述光电二极管220和浮置扩散区240位于所述多晶硅转移栅300两侧。所述多晶硅转移栅300进行了N型掺杂。本实施例的所述半导体衬底的像素区的其他晶体管结构在此省略。

图3b为本实施例的离子注入时的结构示意图。图3c为本实施例的离子注入后的结构示意图。如图3b-3c所示，接着执行步骤S20，直接对所述光电二极管220所在的半导体衬底表面以及所述多晶硅转移栅300进行离子注入，以同时消除所述光电二极管所在的表面缺陷引起的白点失效以及所述多晶硅转移栅的漏电引起的白点失效。

在本步骤中，无需光罩直接对所述外延层200的表面进行P型离子注入，P型离子注入的注入离子包括但不限于硼离子，所述P型离子注入的能量为15 keV ~25keV，剂量为2e11 cm^-2~2 e13 cm^-2，所述P型离子注入时的入射角度与所述半导体衬底的表面的垂线的夹角为-5°~5°。

位于所述外延层200中的光电二极管220的表面形成了一P型掺杂薄层250，所述P型掺杂薄层250位于所述第二N型掺杂区222上，所述P型掺杂薄层250可以避免光电二极管220的表面缺陷引起的暗电流，从而有效解决了缺陷表面引起的白点失效问题，从而改善了CMOS图像传感器的白点失效。

同时，位于所述外延层200上的多晶硅转移栅300的表面也掺杂了P型离子，使得由多晶硅转移栅300以及位于其两侧的浮置扩散区240、第一N型掺杂区221及第二N型掺杂区222构成的NMOS的阈值电压Vt，从而避免了多晶硅转移栅240漏电引起的暗电流，从而解决了由多晶硅转移栅漏电引起的暗电流以及白点失效问题。

本步骤通过一次离子注入工艺避免了光电二极管220的缺陷表面引起的暗电流，同时避免了多晶硅转移栅300漏电引起的暗电流，有效降低了白点失效问题。另外，本步骤没有使用光罩形成图形化的光刻胶，可以降低制备光罩的成本，还省略了清除光刻胶的步骤，降低了工艺成本和工艺时间。

图3d为对多晶硅转移栅的表面进行离子注入和不对多晶硅转移栅的表面进行离子注入所产生的白点缺陷数的比较示意图。如图3d所示，晶圆1仅对光电二极管的半导体衬底表面进行了离子注入，晶圆2对光电二极管的半导体衬底表面以及多晶硅转移栅的表面都进行了离子注入，其中，晶圆1中CMOS图像传感器芯片的白点缺陷的失效平均数目为905个，晶圆2为CMOS图像传感器芯片的白点缺陷的失效平均数目为419个。可知，晶圆2中的白点失效平均数目约为晶圆1中白点失效平均数目的46.3%，因此，本步骤可以大大减少白点失效数目。

图4a为不对CMOS图像传感器芯片中的多晶硅转移栅进行离子注入所产生的白点缺陷的示意图。图4b为对CMOS图像传感器芯片中的多晶硅转移栅进行离子注入所产生的白点缺陷的示意图。如图4a-4b所示，不对CMOS图像传感器芯片中的多晶硅转移栅进行离子注入所产生的白点缺陷A的数目很明显的较对CMOS图像传感器芯片中的多晶硅转移栅进行离子注入所产生的白点缺陷A的数目多。根据上述图示可知，直接对所述像素区的光电二极管以及多晶硅转移栅进行离子注入大大减少了白点失效数目。

接着，清洁所述半导体衬底，以去除上述离子注入工艺中所产生的残留物。

综上所述，本发明提供一种降低CMOS图像传感器暗电流的方法，通过对光电二极管所在的p型外延层表面以及多晶硅转移栅同时进行离子注入，使得形成p型掺杂薄层时无需形成图形化的光刻胶，这样就减少了光罩的成本，同时省略了光刻以及清洁光刻胶层的工艺步骤，降低了工艺成本，还可以在解决光电二极管表面缺陷引起的暗电流的同时解决TX转移栅漏电引起的暗电流，从而有效降低暗电流所导致的白点失效问题，提高了良率。

此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语 “第一”、“第二”等的描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种降低CMOS图像传感器暗电流的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，直接对所述光电二极管所在的所述半导体衬底表面以及所述多晶硅转移栅的表面进行离子注入包括：

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述P型离子包括硼离子。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述P型离子注入的能量为15 keV ~25keV，剂量为2e11cm^-2~2 e13 cm^-2，所述P型离子注入时的入射角度与所述半导体衬底的表面的垂线的夹角为-5°~5°。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，离子注入工艺之后，还包括：

清洁所述半导体衬底。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多晶硅转移栅掺杂了N型离子。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体衬底包括衬底和外延层，所述外延层位于所述衬底上，且所述衬底和外延层均掺杂了P型离子。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述浅沟槽隔离结构、光电二极管和浮置扩散区均位于所述外延层中，且所述浮置扩散区掺杂了N型离子。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光电二极管包括第一N型掺杂区和第二N型掺杂区，所述第一N型掺杂区位于所述第二N型掺杂区下方，所述第二N型掺杂区靠近所述外延层的表面设置，且所述第一N型掺杂区的掺杂浓度较所述第二N型掺杂区的掺杂浓度大。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述浅沟槽隔离结构的外侧形成有第一隔离阱，所述浅沟槽隔离结构的下方形成有第二隔离阱，所述第一隔离阱还位于所述第一N型掺杂区上方，所述第二隔离阱还位于所述第一N型掺杂区一侧，使得所述第一隔离阱和第二隔离阱共同用于防止所述第一N型掺杂区漏电引起的白点失效。