CN114725143A - 图像传感器及图像传感器像素结构的形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种图像传感器及图像传感器像素结构的形成方法，应用于半导体技术领域。在本发明提供的图像传感器像素结构的形成方法中，通过将现有的形成构成光电二极管区表层的针扎层的注入离子变为易于扩散的低元素原子量的离子，从而实现通过离子源种选择来减少图像传感器的白像素。由于本发明提供的形成方法中，形成所述针扎层的离子为易于扩散的低元素原子量的离子，其易于扩散的特性增大了针扎层的形成面积，从而可以得到更好的隔离效果。

Description

图像传感器及图像传感器像素结构的形成方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种图像传感器及图像传感器像素结构的形成方法。
背景技术
近年来，由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器(CIS，CMOSImage Sensor)因其固有的诸如像元内放大、列并行结构,集成度高、采用单电源和低电压供电、成本低和技术门槛低等特点得到更广泛地应用。同时，低成本、单芯片、功耗低和设计简单等优点使CIS在保安监视系统、可视电话、可拍照手机、玩具、汽车和医疗电子等低端像素产品领域中大出风头。
白色像素(WP，White Pixel)是指在无光照条件下CIS器件输出的DN值大于某个数值的像素数量，它是评估CIS器件性能的一个重要指标，直接反应器件成像质量。因此，提高CIS器件WP性能，即降低白色像素点(WP Count)是CIS器件制造工艺的一个长期目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图像传感器像素结构的形成方法，以减少图像传感器中光电二极管的白色像素。
第一方面，为解决上述技术问题，本发明提供一种图像传感器像素结构的形成方法，包括：
提供一半导体衬底；
分别采用第一导电类型离子和第二导电类型离子对所述半导体衬底进行多次阱离子注入，以形成光电二极管区和位于光电二极管区两侧的隔离阱；
利用光刻和刻蚀工艺，在所述隔离阱的表面上形成图形化的栅极结构；
采用第三导电类型离子对所述光电二极管区的表层进行低元素原子量的离子注入，以在所述光电二极管区中形成针扎层。
进一步的，所述隔离阱可以为P型隔离阱。
进一步的，所述第一导电类型离子与所述第二导电类型离子的导电类型可以相反。
进一步的，所述低元素原子量的离子注入所注入的离子可以为P型离子。
进一步的，所述P型离子可以包括硼离子。
进一步的，在所述光电二极管区中形成针扎层的步骤之后，还可以包括在所述图形化的栅极结构的两侧形成侧墙结构。
进一步的，形成光电二极管区和位于光电二极管区两侧的隔离阱的步骤，可以包括：
提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成图形化的硬掩膜层；
以所述图形化的硬掩膜层为掩膜，对所述半导体衬底进行第一导电类型离子注入，以形成P型隔离阱，并在形成P型隔离阱结构之前或者之后，采用第二导电类型离子对所述半导体衬底进行阱离子注入，以形成光电二极管区。
进一步的，在以所述图形化的硬掩膜层为掩膜，对所述半导体衬底进行第一导电类型离子注入，以形成P型隔离阱之后，还可以包括：
对所述P型隔离阱进行刻蚀，以在所述P型隔离阱内形成浅沟槽；
在所述浅沟槽中填充隔离介质层，以形成用于隔离相邻两个像素结构的器件隔离结构。
进一步的，所述半导体衬底可以为P型衬底。
第二方面，基于上述所述的图像传感器像素结构的形成方法，本发明还提供了一种图像传感器，所述图像传感器可以包括多个像素结构，其中每个所述像素结构如上所述的图像传感器像素结构的形成方法形成。
与现有技术相比，本发明技术方案至少存在如下有益效果之一：
在本发明提供的图像传感器像素结构的形成方法中，通过将现有的形成构成光电二极管区表层的针扎层的注入离子变为易于扩散的低元素原子量的离子，从而实现通过离子源种选择来减少图像传感器的白像素。由于本发明提供的形成方法中，形成所述针扎层的离子为易于扩散的低元素原子量的离子，其易于扩散的特性增大了针扎层的形成面积，从而可以得到更好的隔离效果。
进一步的，由于本发明提供的图像传感器像素结构的形成方法中，将形成针扎层的离子注入步骤前移到栅极结构的形成步骤之后且侧墙结构的形成步骤之前，即，通过注入区面积的增加实现了增大针扎层的形成面积，可以得到更好的隔离效果，以最终得到减少图像传感器的白像素的目的。
附图说明
图1为本发明一实施例中的图像传感器像素结构形成方法的流程示意图；
图2a～图2c为本发明一实施例中的图像传感器像素结构的形成方法在其制备过程中的结构示意图；
图3为本发明实施例中提供的利用本发明提供的P型离子和利用现有技术中的P型离子得到CMOS图像传感器的白像素(WP)的对比图。
其中，附图标记如下：
100-半导体衬底； 101-器件隔离结构；
PD-光电二极管区； 110-隔离阱(P型隔离阱)；
120-图形化的栅极结构； 130-针扎层。
具体实施方式
承如背景技术所述，由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器(CIS，CMOS Image Sensor)因其固有的诸如像元内放大、列并行结构,集成度高、采用单电源和低电压供电、成本低和技术门槛低等特点得到更广泛地应用。同时，低成本、单芯片、功耗低和设计简单等优点使CIS在保安监视系统、可视电话、可拍照手机、玩具、汽车和医疗电子等低端像素产品领域中大出风头。
白色像素(WP，WhitePixel)是指在无光照条件下CIS器件输出的DN值大于某个数值的像素数量，它是评估CIS器件性能的一个重要指标，直接反应器件成像质量。因此，提高CIS器件WP性能，即降低白色像素点(WP Count)是CIS器件制造工艺的一个长期目标。
目前，现有技术中常用的形成CIS像素结构的方式是，提供以衬底，在所述很低中形成P型阱和N型阱，在P型阱的表面上形成传输栅以及侧墙结构，然后，对N性阱进行离子注入，形成表层注入层(针扎层)，且其形成所述表层注入层的注入离子为二氟化硼BF2。针对上述现有技术，本发明研究人员发现现有技术还存在很强的白色像素问题。
为此，本发明提供了一种图像传感器像素结构的形成方法，以减少图像传感器中光电二极管的白色像素。
参考图1，图1为本发明提供的一种图像传感器像素结构形成方法的流程示意图。具体包括如下步骤：
步骤S100，提供一半导体衬底；
步骤S200，分别采用第一导电类型离子和第二导电类型离子对所述半导体衬底进行多次阱离子注入，以形成光电二极管区和位于光电二极管区两侧的隔离阱；
步骤S300，利用光刻和刻蚀工艺，在所述隔离阱的表面上形成图形化的栅极结构；
步骤S400，采用第三导电类型离子对所述光电二极管区的表层进行低元素原子量的离子注入，以在所述光电二极管区中形成针扎层。
即，在本发明提供的图像传感器像素结构的形成方法中，通过将现有的形成构成光电二极管区表层的针扎层的注入离子变为易于扩散的低元素原子量的离子，从而实现通过离子源种选择来减少图像传感器的白像素。由于本发明提供的形成方法中，形成所述针扎层的离子为易于扩散的低元素原子量的离子，其易于扩散的特性增大了针扎层的形成面积，从而可以得到更好的隔离效果。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的图像传感器及图像传感器像素结构的形成方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。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例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。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，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
图2a～图2c为本发明一实施例中的图像传感器像素结构的形成方法在其制备过程中的结构示意图。
在步骤S100中，具体参考图2a所示，提供一半导体衬底100。其中，所述半导体衬底100可以是本领域公知的任意合适的底材，例如可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅(Si)、锗(Ge)、锗硅(SiGe)、碳硅(SiC)、碳锗硅(SiGeC)、砷化铟(InAs)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或者其它III/V化合物半导体，还包括这些半导体构成的多层结构等，或者为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)，或者还可以为双面抛光硅片(Double Side PolishedWafers，DSP)，也可为氧化铝等的陶瓷基底、石英或玻璃基底等。示例性的，本实施例中半导体衬底100例如为硅晶圆。
需要说明的是，本发明实施例中，所述半导体衬底100可以为P型硅衬底，以用于通过后续步骤形成N型CMOS图像传感器。
在步骤S200中，继续参考图2a所示，分别采用第一导电类型离子和第二导电类型离子对所述半导体衬底100进行多次阱离子注入，以形成光电二极管区PD和位于光电二极管区两侧的隔离阱110。其中，所述第一导电类型离子与所述第二导电类型离子的导电类型相反。示例性的，所述第一导电类型离子可以为P型离子，例如，硼离子，所述第二导电类型离子可以为N型离子，例如，磷离子。
在本实施例中，图像传感器例如为CMOS图像传感器，可以包括像素区域以及外围电路区域(未图示)，其中像素区域可以包括阵列分布的多个像素结构。其中，每个像素结构用来将入射光线转换为电信号输出，因而均包括具有光电转换功能的光电二极管以及控制电子读出的多个晶体管(未图示)。示例性的，本发明实施例中的所述CMOS图像传感器的像素结构可以为4像素共享浮动扩散点的像素结构。
需要说明的是，在另一实施例中，所述光电二极管区110也可以用于连接到电荷耦合(CCD)图像传感器。对于在像素区域分布的众多像素结构，本发明实施例中以其中的一个像素结构进行说明。可以理解，像素区域的众多像素结构中，部分像素结构也可以采用与本发明所描述的结构不同的设计。
可选的方案，本发明实施例还提供了一种形成所述形成光电二极管区PD和位于光电二极管区PD两侧的隔离阱110的的方式，具体包括如下步骤：
首先，提供半导体衬底100，半导体衬底100可以是本领域技术人所熟知的任意合适的衬底材料，其可以是裸硅衬底、绝缘体上硅衬底等，也可以是表面上具有掺杂的外延层的衬底，例如半导体衬底100由硅基底及其表面上的硅锗外延层组成。在所述半导体衬底100的表面上形成有图形化的硬掩膜层(未图示)。
接着，以所述图形化的掩膜层为掩膜，对在所述半导体衬底100进行第一导电类型离子注入(P型离子注入)，以形成多个P型隔离阱110，并在形成P型隔离阱110之前或者之后，采用第二导电类型离子(N型离子注入)对所述半导体衬底100进行阱离子注入，以形成光电二极管区PD。
进一步的，在以所述图形化的硬掩膜层为掩膜，对所述半导体衬底100进行第一导电类型离子注入，以形成P型隔离阱之后，还包括：
首先，对所述P型隔离阱110进行刻蚀，以在所述P型隔离阱110内形成浅沟槽(未图示)；其次，在所述浅沟槽中填充隔离介质层(未图示)，以形成用于隔离相邻两个像素结构的器件隔离结构101。
在步骤S300中，具体参考图2b所示，利用光刻和刻蚀工艺，在所述隔离阱110的表面上形成图形化的栅极结构120。
在本实施例中，在上述步骤S200形成所述光电二极管区PD和位于光电二极管区两侧的隔离阱110之后，可以在所述半导体衬底100的表面上依次形成栅氧化层(未图示)、栅极结构材料层(例如，多晶硅)和图形化的光刻胶层。其中，位于所述栅极结构材料材表面上的图形化的光刻胶层定义出了用于形成CMOS图像传感器的传输栅TG的图形。然后，利用该图形化的光刻胶层为掩膜进行干法刻蚀或湿法刻蚀工艺，以形成所述图形化的栅极结构120。
在步骤S400中，具体参考图2c所示，采用第三导电类型离子对所述光电二极管区PD的表层进行低元素原子量的离子注入，以在所述光电二极管区PD中形成针扎层130。
在本实施例中，在上述步骤S300形成所述图形化的栅极结构120之后，并不直接形成位于该栅极结构120两侧的侧墙结构，而是先对光电二极管区PD的表层进行特殊离子的P型离子注入(第三导电类型离子)，以在所述光电二极管区PD中形成针扎层130。其中，所述针扎层130的作用是在于削弱表面缺陷与热噪声对光电二极管的影响。示例性的，本发明提供的所述第三导电类型离子可以是硼离子(原子质量小于BF2的原子质量)。
可以理解的是，本发明提供是发明思路是选取一种原子质量小于现有技术中的用于形成针扎层130的离子，即，只要是原子质量小于现有技术中所采用的常用的用于形成的针扎层130的离子的原子质量，都属于本发明的保护范围。图3为本发明实施例中提供的利用本发明提供的P型离子和利用现有技术中的P型离子得到CMOS图像传感器的白像素(WP)的对比图。从图3可知，由于本发明将形成针扎层的离子注入步骤前移到栅极结构的形成步骤之后且侧墙结构的形成步骤之前，这将实现了增大针扎层的形成面积，并且，由于本发明还将形成针扎层的P型离子由现有技术中常用的离子易于扩散的低元素原子量的离子，从而在更大程度上加大针扎层的形成面积以及更好的隔离效果。
进一步的，在所述光电二极管区PD中形成针扎层130的步骤之后，还可以包括在所述图形化的栅极结构120的两侧形成侧墙结构(未图示)。
基于上述所述的图像传感器像素结构的形成方法，本发明实施例中还提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括多个像素结构，其中每个像素结构可以采用如上所述的图像传感器像素结构的形成方法形成。
综上所述，在本发明提供的图像传感器像素结构的形成方法中，通过将现有的形成构成光电二极管区表层的针扎层的注入离子变为易于扩散的低元素原子量的离子，从而实现通过离子源种选择来减少图像传感器的白像素。此外，由于本发明提供的形成方法中，形成所述针扎层的离子为易于扩散的低元素原子量的离子，其易于扩散的特性增大了针扎层的形成面积，从而可以得到更好的隔离效果。
进一步的，由于本发明提供的图像传感器像素结构的形成方法中，将形成针扎层的离子注入步骤前移到栅极结构的形成步骤之后且侧墙结构的形成步骤之前，增大了针扎层的形成面积，从而可以得到更好的隔离效果，以最终得到减少图像传感器的白像素的目的。
需要说明的是，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。
还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等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。
此外还应该认识到，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”和“一种”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。例如，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。以及，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此外，本发明实施例中的方法和/或设备的实现可包括手动、自动或组合地执行所选任务。

Claims (10)

1.一种图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供一半导体衬底；
分别采用第一导电类型离子和第二导电类型离子对所述半导体衬底进行多次阱离子注入，以形成光电二极管区和位于光电二极管区两侧的隔离阱；
利用光刻和刻蚀工艺，在所述隔离阱的表面上形成图形化的栅极结构；
采用第三导电类型离子对所述光电二极管区的表层进行低元素原子量的离子注入，以在所述光电二极管区中形成针扎层。
2.如权利要求1所述的图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，所述隔离阱为P型隔离阱。
3.如权利要求1所述的图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，所述第一导电类型离子与所述第二导电类型离子的导电类型相反。
4.如权利要求1所述的图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，所述低元素原子量的离子注入所注入的离子为P型离子。
5.如权利要求4所述的图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，所述P型离子包括硼离子。
6.如权利要求1所述的图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，在所述光电二极管区中形成针扎层的步骤之后，还包括在所述图形化的栅极结构的两侧形成侧墙结构。
7.如权利要求1所述的图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，形成光电二极管区和位于光电二极管区两侧的隔离阱的步骤，包括：
提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成图形化的硬掩膜层；
以所述图形化的硬掩膜层为掩膜，对所述半导体衬底进行第一导电类型离子注入，以形成P型隔离阱，并在形成P型隔离阱之前或者之后，采用第二导电类型离子对所述半导体衬底进行阱离子注入，以形成光电二极管区。
8.如权利要求7所述的图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，在以所述图形化的硬掩膜层为掩膜，对所述半导体衬底进行第一导电类型离子注入，以形成P型隔离阱之后，还包括：
对所述P型隔离阱进行刻蚀，以在所述P型隔离阱内形成浅沟槽；
在所述浅沟槽中填充隔离介质层，以形成用于隔离相邻两个像素结构的器件隔离结构。
9.如权利要求1所述的图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，所述半导体衬底为P型衬底。
10.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括多个像素结构，其中每个所述像素结构采用权利要求1至9中任一项所述的图像传感器像素结构的形成方法形成。
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