CN114388536A - 图像传感器形成方法及图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图像传感器形成方法及图像传感器，所述图像传感器形成方法包括以下步骤：提供半导体衬底；在所述半导体衬底预定位置形成侧向PN结构；于所述侧向PN结构上表面，选择性生长P型外延层，以在所述侧向PN结构上表面形成钉扎层。本发明通过采用选择性外延工艺形成钉扎层，省去了离子注入工序，减少因离子注入工艺对光电二极管表面的破坏而产生的缺陷，节省了工艺步骤，并提高晶圆级图像传感器制备的光性能均匀性，减少噪点；通过将栅极结构部分覆盖钉扎层的设计，形成侧向寄生电场，增强开关特性。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，尤其涉及一种图像传感器形成方法及图像传感器。
背景技术
CMOS图像传感器具有工艺简单、易与其他器件集成、体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点。因此，随着技术发展，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、照相手机、数码摄像机、医疗用摄像装置（例如胃镜）、车用摄像装置等。CMOS图像传感器产品可分为FSI（FrontSide Illumination，前照式）和BSI（Back Side Illumination，背照式）。
像素阵列作为图像传感器的核心模块，主要由光电二极管、传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管等组成。其中，光电二极管用于吸收光子并转换电子，光电二极管由N型掺杂区和半导体衬底构成；传输晶体管位于光电二极管与浮置扩散区之间实现开关功能，浮置扩散区的作用是收集光电二极管转化的电子，并根据其转化增益能力将电子信号转化为相应的电压信号。
在现有技术中，通常采用离子注入技术在N型掺杂区表面形成钉扎层，离子注入的深度会受到介质层（oxide）的厚度以及离子注入机台的影响，会导致离子注入深浅不均匀，如果离子注入过深会光敏性降低和偏色,，如果离子注入过浅则无钉扎作用。并且，离子注入技术会对光电二极管表面形成破坏而产生缺陷，这些缺陷作为衬底表面上的悬键而起作用，并产生噪声，从而影响图像传感器的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图像传感器形成方法及图像传感器，用于提高晶圆级图像传感器制备的光性能均匀性，减少噪点。
基于以上考虑，本发明提供一种图像传感器形成方法，包括以下步骤：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底预定位置形成侧向PN结构；
于所述侧向PN结构上表面，选择性生长P型外延层，以在所述侧向PN结构上表面形成钉扎层。
可选地，还包括于所述半导体衬底表面，形成栅极结构的步骤，所述栅极结构部分覆盖于所述外延层之上，作为传输晶体管的栅极。
可选地，在形成所述外延层之前，还包括于所述PN结构上表面进行离子注入，形成具有第一掺杂类型的离子注入层的步骤。
可选地，选择性生长P型外延层的步骤具体包括：
于所述半导体衬底表面形成图形化的介质层，所述图形化的介质层覆盖所述半导体衬底表面并暴露出所述侧向PN结构上表面的部分或全部；
采用选择性外延工艺于暴露出的所述侧向PN结构上表面，形成P型外延层，以在所述侧向PN结构上表面形成钉扎层；
去除所述图形化的介质层。
可选地，形成所述图形化的介质层的步骤包括：于所述半导体衬底表面形成氧化硅层或氮氧化硅层或氮化硅层，以形成介质层；通过光刻与刻蚀工艺，于所述半导体衬底表面形成图形化的介质层，所述图形化的介质层覆盖所述半导体衬底表面并暴露出所述侧向PN结构上表面的部分或全部。
可选地，所述P型外延层的掺杂浓度由所述外延层的表面到所述外延层与半导体衬底形成的界面之间变化。
可选地，所述掺杂浓度由表层到所述界面逐渐降低。
可选地，所述外延层的厚度为2~100nm。
本发明还提供一种图像传感器，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底预定位置设置侧向PN结构；
在所述半导体衬底表面且所述侧向PN结构上表面，设有高于所述半导体衬底表面的P型外延层，以在所述侧向PN结构上表面形成钉扎层。
可选地，还包括位于所述半导体衬底表面的栅极结构，所述栅极结构部分覆盖于所述外延层之上，作为传输晶体管的栅极。
可选地，在所述PN结构上表面，还设置有采用离子注入技术对所述PN结构上表面进行掺杂的离子注入层。
可选地，所述P型外延层的掺杂浓度由所述外延层的表面到所述外延层与半导体衬底形成的界面之间变化。
可选地，所述掺杂浓度由所述外延层的表面到所述外延层与半导体衬底形成的界面逐渐降低。
可选地，所述P型外延层的厚度为2~100nm。
本发明的提供的图像传感器形成方法及图像传感器，具有以下有益效果：
去除因介质层厚度不均导致的离子注入深度不一致性，提高晶圆级图像传感器制备的光性能均匀性，减少噪点；
省去了离子注入工序，减少因离子注入工艺对光电二极管表面的破坏而产生的缺陷，节省了工艺步骤；
采用选择性外延工艺形成钉扎层，形成的钉扎层性能稳定；
栅极部分覆盖外延层，形成侧向寄生电场，增强开关特性。
附图说明
通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1显示为本发明提供的图像传感器形成方法流程图。
图2显示为本发明提供的半导体衬底的结构示意图。
图3显示为本发明提供的形成侧向PN结构的结构示意图。
图4显示为本发明提供的另一侧向PN结构的结构示意图。
图5显示为本发明提供的形成介质层的结构示意图。
图6显示为本发明提供的形成图形化介质层的结构示意图。
图7显示为本发明提供的形成外延层的结构示意图。
图8显示为本发明提供的去除介质层的结构示意图。
图9显示为本发明提供的形成栅极结构的结构示意图。
在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置（模块）或步骤。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，以下结合附图对本发明的图像传感器形成方法及图像传感器进行详细描述。
本发明提供一种图像传感器形成方法，如图1所示，包括以下步骤：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底预定位置形成侧向PN结构；
于所述侧向PN结构上表面，选择性生长P型外延层，以在所述侧向PN结构上表面形成钉扎层。
本发明还提供一种图像传感器，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底预定位置设置侧向PN结构；
在所述半导体衬底表面且所述侧向PN结构上表面，设有高于所述半导体衬底表面的P型外延层，以在所述侧向PN结构上表面形成钉扎层。
以下结合附图，具体描述图像传感器形成方法及该图像传感器。
如图2所示，进行步骤1），提供半导体衬底11。
半导体衬底11用于形成器件结构或芯片电路，半导体衬底11的材料包括硅、锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料。本领域的技术人员可以根据半导体衬底上形成的半导体器件选择半导体衬底的类型，因此半导体的类型不应限制本发明的保护范围。
在本实施例中，如图2所示，半导体衬底包括像素区域112以及外围电路区域111作为示例，像素区域112以像素单元1121、1122作为示例。
如图3所示，进行步骤2），在半导体衬底11预定位置形成侧向PN结构12。
侧向PN结构12包括N阱区121及位于N阱区121两侧的P型隔离区122。在其他的实施例中，如图4所示，侧向PN结构12’包括N阱区121’、位于N阱区121’两侧的P型隔离区122’以及位于P型隔离区122’内的沟槽123’。
如图8所示，进行步骤3），在侧向PN结构上表面，选择性生长P型外延层14，以在侧向PN结构12上表面形成钉扎层。
具体的，形成P型外延层的步骤包括：
3-1）于半导体衬底11表面形成图形化的介质层13，图形化的介质层13覆盖半导体衬底11表面并暴露出侧向PN结构12上表面的部分或全部，如图6所示；
3-2）采用选择性外延工艺于暴露出的侧向PN结构12上表面，形成P型外延层14，以在侧向PN结构12上表面形成钉扎层，如图7所示；
3-3）去除图形化的介质层13，如图8所示。
在本实施例中，如图5及图6所示，形成图形化的介质层13的步骤又具体包括：于半导体衬底11表面形成氧化硅层131及氮氧化硅层132，以形成介质层13；通过光刻与刻蚀工艺，于半导体衬底11表面形成图形化的介质层13，图形化的介质层13覆盖半导体衬底表面11并暴露出侧向PN结构12上表面的部分或全部。在其他的实施例中，介质层的材料包括氧化硅、氮氧化硅层、氮化硅层或其他介质材料中的一种或多种组合。
可选的，P型外延层中P型离子的掺杂浓度由外延层14的表面到外延层14与半导体衬底11形成的界面之间变化。在本实施例中，掺杂浓度由表层到界面逐渐降低。
P型外延层的厚度可以根据需要进行设定，在本实施例中，外延层14的厚度为2~100nm。
本发明采用选择性外延方法形成钉扎层，因外延工艺形成的钉扎层是或接近单晶状态，高温稳定性好，能够在后续工艺中不受损害。与现有技术的采用离子注入法形成钉扎层相比较，本发明的外延法形成钉扎层能够去除离子注入时介质层厚度不均导致的离子注入深度不一致性，提高晶圆级图像传感器制备的光性能均匀性，减少噪点；而且，省去了离子注入工序，减少因离子注入工艺对光电二极管表面的破坏而产生的缺陷，也节省了工艺步骤。
在本实施例中，还包括形成栅极结构的步骤，如图9所示，进行步骤4），于半导体衬底11表面形成栅极结构15。栅极结构15部分覆盖于外延层14之上，作为传输晶体管的栅极，位于侧向PN结构12的一侧。
本发明将栅极结构15部分覆盖于P型外延层14之上，能够形成侧向寄生电场，增强开关特性。
在本发明的其他实施例中，在形成传输晶体管的同时，还可以在半导体衬底上的其他位置表面同时形成图像传感器中其他晶体管的栅极结构，例如复位晶体管、源跟随晶体管等的栅极结构。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还包括在形成所述P型外延层之前，还包括于所述PN结构上表面进行离子注入，形成P型离子注入层（未示出）的步骤。通过在PN结构上表面形成P型离子注入层，与P型外延层共同作用，更好的实现钉扎效果。
综上所述，本发明提供一种图像传感器形成方法及图像传感器，通过采用选择性外延工艺形成钉扎层，省去了离子注入工序，减少因离子注入工艺对光电二极管表面的破坏而产生的缺陷，节省了工艺步骤，并提高晶圆级图像传感器制备的光性能均匀性，减少噪点；通过将栅极结构部分覆盖钉扎层的设计，形成侧向寄生电场，增强开关特性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
Claims (14)
1.一种图像传感器形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底预定位置形成侧向PN结构；
于所述侧向PN结构上表面，选择性生长P型外延层，以在所述侧向PN结构上表面形成钉扎层。
2.根据权利要求1所述的图像传感器形成方法，其特征在于，还包括于所述半导体衬底表面，形成栅极结构的步骤，所述栅极结构部分覆盖于所述外延层之上，作为传输晶体管的栅极。
3.根据权利要求1或2所述的图像传感器形成方法，其特征在于，在形成所述P型外延层之前，还包括于所述PN结构上表面进行离子注入，形成离子注入层的步骤。
4.根据权利要求1或2所述的图像传感器形成方法，其特征在于，选择性生长P型外延层的步骤具体包括：
于所述半导体衬底表面形成图形化的介质层，所述图形化的介质层覆盖所述半导体衬底表面并暴露出所述侧向PN结构上表面的部分或全部；
采用选择性外延工艺于暴露出的所述侧向PN结构上表面，形成P型外延层，以在所述侧向PN结构上表面形成钉扎层；
去除所述图形化的介质层。
5.根据权利要求4所述的图像传感器形成方法，其特征在于，形成所述图形化的介质层的步骤包括：于所述半导体衬底表面形成氧化硅层或氮氧化硅层或氮化硅层，以形成介质层；通过光刻与刻蚀工艺，于所述半导体衬底表面形成图形化的介质层，所述图形化的介质层覆盖所述半导体衬底表面并暴露出所述侧向PN结构上表面的部分或全部。
6.根据权利要求1所述的图像传感器形成方法，其特征在于，所述P型外延层的掺杂浓度由所述外延层的表面到所述外延层与半导体衬底形成的界面之间变化。
7.根据权利要求6所述的图像传感器形成方法，其特征在于，所述掺杂浓度由表层到所述界面逐渐降低。
8.根据权利要求1~7任一项所述的图像传感器形成方法，其特征在于，所述外延层的厚度为2~100nm。
9.一种图像传感器，其特征在于，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底预定位置设置侧向PN结构；
在所述半导体衬底表面且所述侧向PN结构上表面，设有高于所述半导体衬底表面的P型外延层，以在所述侧向PN结构上表面形成钉扎层。
10.根据权利要求9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表面的栅极结构，所述栅极结构部分覆盖于所述外延层之上，作为传输晶体管的栅极。
11.根据权利要求9或10所述的图像传感器，其特征在于，在所述PN结构上表面，还设置有采用离子注入技术对所述PN结构上表面进行掺杂的离子注入层。
12.根据权利要求9或10所述的图像传感器，其特征在于，所述P型外延层的掺杂浓度由所述外延层的表面到所述外延层与半导体衬底形成的界面之间变化。
13.根据权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述掺杂浓度由所述外延层的表面到所述外延层与半导体衬底形成的界面逐渐降低。
14.根据权利要求9~13任一项所述的图像传感器形成方法，其特征在于，所述P型外延层的厚度为2~100nm。
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