CN115241318A - 光电二极管的形成方法 - Google Patents

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范晓
刘敏
赵明
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Abstract

本申请公开了一种光电二极管的形成方法，包括：在第一外延层上形成第一介质层，第一外延层形成于衬底上，第一外延层中掺杂有第一类型的杂质；通过光刻工艺进行离子注入，在衬底、第一外延层和第一介质层中形成第一掺杂区，第一掺杂区中掺杂有第二类型的杂质；去除第一介质层；在第一外延层上形成第二外延层；在第二外延层上形成第二介质层；通过光刻工艺进行离子注入，在第二外延层中形成第二掺杂区，第二掺杂区形成于第一掺杂区正上方且第二掺杂区的底端与第一掺杂区的顶端接触，第二掺杂区的宽度和第一掺杂区的宽度相同，第二掺杂区中掺杂有第二类型的杂质；通过光刻工艺进行离子注入，在第二外延层中形成阱区，阱区中掺杂有第一类型的杂质。

Description

光电二极管的形成方法
技术领域
本申请涉及半导体集成电路制造技术领域，具体涉及一种光电二极管的形成方法。
背景技术
互补金属氧化物半导体图像传感器(complementary metal oxidesemiconductor contact image sensor，CIS)是采用CMOS器件制作的图像传感器，由于其具有集成度高、供电电压低和技术门槛低等优势，广泛应用于摄影摄像、安防系统、智能便携电话以及医疗电子等领域。
CIS的核心的器件是一个缓变结光电二极管(photo-diode，PD)，缓变结形成的空间电场体积越大，光电二极管收集光子的能力就越强。然而，伴随着对半导体器件的小型化和低功耗越来越高的要求，CIS中光电二极管的面积被不断的压缩。鉴于此，相关技术中，通过向纵向发展，增加光电二极管的深度以实现更小面积的光电二极管的更高的光子收集能力。
然而，由于光电二极管在纵向上的深度被加深需要更高能量的离子注入，更高的离子注入能量意味着衬底容易被损伤，藉此会引起CIS的性能恶化，造成“白像素(whitepixel)”问题。
发明内容
本申请提供了一种光电二极管的形成方法，可以解决相关技术中提供的光电二极管的形成方法由于需要进行高能量的离子注入从而导致CIS的白像素问题，该方法包括：
在第一外延层上形成第一介质层，所述第一外延层形成于衬底上，所述第一外延层中掺杂有第一类型的杂质；
通过光刻工艺进行离子注入，在所述衬底、所述第一外延层和所述第一介质层中形成第一掺杂区，所述第一掺杂区中掺杂有第二类型的杂质；
去除所述第一介质层；
在所述第一外延层上形成第二外延层；
在所述第二外延层上形成第二介质层；
通过光刻工艺进行离子注入，在所述第二外延层中形成第二掺杂区，所述第二掺杂区形成于所述第一掺杂区正上方且所述第二掺杂区的底端与所述第一掺杂区的顶端接触，所述第二掺杂区的宽度和所述第一掺杂区的宽度相同，所述第二掺杂区中掺杂有第二类型的杂质；
通过光刻工艺进行离子注入，在所述第二外延层中形成阱区，所述阱区中掺杂有第一类型的杂质。
在一些实施例中，从俯视角度观察，所述衬底包括第一区域和第二区域，所述第一区域用于形成对准标记，所述第二区域用于形成光电二极管，所述第一掺杂区和所述第二掺杂区形成于所述第二区域；
所述通过光刻工艺进行离子注入，在所述衬底、所述第一外延层和所述的一介质层中形成第一掺杂区，包括：
通过光刻工艺在所述第一介质层上覆盖光阻，暴露出第一目标区域，所述第一目标区域位于所述第一区域，所述第一目标区域是第一对准标记对应的区域；
进行刻蚀，刻蚀至所述第一目标区域中第一外延层的预定深度，形成所述第一对准标记；
通过所述第一对准标记进行光刻工艺，在所述第一介质层上覆盖光阻，暴露出第二目标区域，所述第二目标区域位于所述第二区域；
进行离子注入，在所述第二目标区域的衬底、第一外延层和第一介质层中形成所述第一掺杂区；
去除光阻。
在一些实施例中，所述通过光刻工艺进行离子注入，在所述第二外延层中形成第二掺杂区，包括：
通过光刻工艺在所述第二介质层上覆盖光阻，暴露出第三目标区域，所述第三目标区域位于所述第一区域，所述第三目标区域是第二对准标记对应的区域；
进行刻蚀，刻蚀至所述第三目标区域中第二外延层的预定深度，形成所述第二对准标记；
通过所述第二对准标记进行光刻工艺，在所述第二介质层上覆盖光阻，暴露出第四目标区域，所述第四目标区域位于所述第二区域，从俯视角度观察，所述第四目标区域与所述第二目标区域重合；
进行离子注入，在所述第四目标区域的第二外延层和第二介质层中形成所述第二掺杂区；
去除光阻。
在一些实施例中，从俯视角度观察，所述第三目标区域和所述第一目标区域不具有重叠的区域。
在一些实施例中，所述方法还包括：
去除所述第二介质层；
在所述第二介质层上依次形成N层外延层，所述N层外延层中的每层外延层中都形成有掺杂区，N为自然数，N≥1；
其中，对于所述N层外延层中的第i层外延层，其中形成有第i掺杂区，i为自然数，1≤i≤N，所述第i外延层中掺杂有第一类型的杂质，所述第i掺杂区中掺杂有第二类型的杂质，从俯视角度观察，所述每层掺杂区都与所述第一掺杂区重合且所述每层掺杂区都与其相邻层次的掺杂区接触。
在一些实施例中，所述第一掺杂区和位于其上的第二掺杂区至第N掺杂区的深度之和为H，所述第一掺杂区的宽度为W，H/W大于4。
在一些实施例中，所述第一介质层和所述第二介质层为氧化层。
在一些实施例中，所述在第一外延层上形成第一介质层，包括：
通过热氧化工艺在所述第一外延层上形成所述第一介质层；
所述在所述第二外延层上形成第二介质层，包括：
通过热氧化工艺在所述第二外延层上形成所述第二介质层。
本申请技术方案，至少包括如下优点：
在CIS器件的光电二极管的制作过程中，通过形成两层外延层，在每一层外延层中通过光刻工艺进行分批离子注入形成从俯视角度观察相重合的掺杂区，且在掺杂区的周侧形成掺杂有不同类型的杂质的区域，避免了通过一次高能离子注入形成高深宽比的掺杂区所导致衬底损伤的问题，提高了CIS器件的可靠性和良率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一个示例性实施例提供的光电二极管的形成方法的流程图；
图2至图11是本申请一个示例性实施例提供的光电二极管的形成示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
参考图1，其示出了本申请一个示例性实施例提供的光电二极管的形成方法的流程图，该方法可应用于CIS器件的制作工艺中，如图1所示，该方法包括：
步骤S1，在第一外延层上形成第一介质层，第一外延层形成于衬底上，第一外延层中掺杂有第一类型的杂质。
参考图2，其示出了在衬底上形成外延层的剖面示意图；参考图3，其示出了在外延层上形成第一介质层的剖面示意图。示例性的，如图2所示，可通过外延技术在衬底210上形成第一外延层211，通过离子注入在第一外延层中掺杂第一类型的杂质；如图3所示，第一介质层221可以是氧化层，可通过热氧化(thermal oxidation)工艺在第一外延层211上形成二氧化硅(SiO2)层构成第一介质层221。
步骤S2，通过光刻工艺进行离子注入，在衬底、第一外延层和第一介质层中形成第一掺杂区，第一掺杂区中掺杂有第二类型的杂质。
从俯视角度观察，衬底210包括第一区域和第二区域，第一区域用于形成对准标记，第二区域用于形成光电二极管。
示例性的，步骤S2包括但不限于：通过光刻工艺在第一介质层上覆盖光阻，暴露出第一目标区域，第一目标区域位于第一区域，第一目标区域是第一对准标记对应的区域；进行刻蚀，刻蚀至第一目标区域中第一外延层的预定深度，形成第一对准标记；通过第一对准标记进行光刻工艺，在第一介质层上覆盖光阻，暴露出第二目标区域，第二目标区域位于所述第二区域；进行离子注入，在第二目标区域的衬底、第一外延层和第一介质层中形成第一掺杂区；去除光阻。
参考图4，其示出了形成第一对准标记的剖面示意图；参考图5，其示出了形成第一掺杂区的剖面示意图。示例性的，如图4和图5所示，在第一区域的第一介质层221和外延层211中形成第一对准标记201后，通过第一对准标记201进行光刻工艺，在第一介质层221上覆盖光阻300，暴露出第二目标区域，进行离子注入，在第二目标区域的衬底210、第一外延层211和第一介质层221中形成第一掺杂区231。
步骤S3，去除第一介质层。
参考图6，其示出了去除第一介质层的剖面示意图。示例性的，如图6所示，可通过湿法刻蚀工艺去除第一介质层221。
步骤S4，在第一外延层上形成第二外延层。
步骤S5，在第二外延层上形成第二介质层。
参考图7，其示出了形成第二外延层和第二介质层的剖面示意图。示例性的，如图7所示，可通过外延技术在第一外延层211上形成第二外延层212，可通过热氧化工艺在第二外延层212上形成二氧化硅层构成第二介质层222。
步骤S6，通过光刻工艺进行离子注入，在第二外延层中形成第二掺杂区，第二掺杂区形成于第一掺杂区正上方且第二掺杂区的底端与第一掺杂区的顶端接触，第二掺杂区的宽度和第一掺杂区的宽度相同，第二掺杂区中掺杂有第二类型的杂质。
示例性的，步骤S6包括但不限于：通过光刻工艺在第二介质层上覆盖光阻，暴露出第三目标区域，第三目标区域位于第一区域，第三目标区域是第二对准标记对应的区域；进行刻蚀，刻蚀至第三目标区域中第二外延层的预定深度，形成第二对准标记；通过第二对准标记进行光刻工艺，在第二介质层上覆盖光阻，暴露出第四目标区域，第四目标区域位于第二区域；进行离子注入，在第四目标区域的第二外延层和第二介质层中形成第二掺杂区；去除光阻。其中，第三目标区域和第一目标区域不具有重叠的区域，即，第一对准标记和第二对准标记从俯视角度观察位于不同的位置且不重合。
参考图8，其示出了形成第二对准标记的剖面示意图；参考图9，其示出了形成第二掺杂区的剖面示意图。示例性的，如图8和图9所示，在第一区域的第二介质层222和外延层212中形成第二对准标记202后，通过第二对准标记202进行光刻工艺，在第二介质层222上覆盖光阻300，暴露出第四目标区域(从俯视角度观察，第四目标区域与第二目标区域重合)，进行离子注入，在第四目标区域的第二外延层212和第二介质层222中形成第二掺杂区232。
步骤S7，通过光刻工艺进行离子注入，在第二外延层中形成阱区，阱区中掺杂有第一类型的杂质。
参考图10，其示出了对第二外延层进行离子注入的剖面示意图；参考图11，其示出了去除第二外延层上的光阻的剖面示意图。示例性的，如图10和11所示，可通过第二对准标记202进行光刻工艺，在第二介质层222上覆盖光阻300，暴露出第五目标区域，第五目标区域是第二区域中除第四目标区域以外的其它区域，进行离子注入，在在第二外延层212中形成阱区，去除光阻300。
需要说明的是，本申请实施例中，若第一类型的杂质为P(positive)型杂质，则第二类型的杂质为N(negative)型杂质；若第一类型的杂质为N型杂质，则第二类型的杂质为P型杂质。
由上述可知，第一区域中形成有多个第一掺杂区231和第二掺杂区232，第一掺杂区231和第二掺杂区232的数量相同，每个第一掺杂区231都具有位于其上的第二掺杂区232，从俯视角度观察，每个第一掺杂区231和位于其上的第二掺杂区232重合且相互接触。以第一类型的杂质为P型杂质，第二类型的杂质为N型杂质进行示例性说明，第一掺杂区231和位于其上的第二掺杂区232构成一个光电二极管的N型区，第一外延层211和第二外延层212构成该光电二极管的P型区。
综上所述，本申请实施例中，在CIS器件的光电二极管的制作过程中，通过形成两层外延层，在每一层外延层中通过光刻工艺进行分批离子注入形成从俯视角度观察相重合的掺杂区，且在掺杂区的周侧形成掺杂有不同类型的杂质的区域，避免了通过一次高能离子注入形成高深宽比的掺杂区所导致衬底损伤的问题，提高了CIS器件的可靠性和良率。
上述实施例示出了通过形成两层外延层，在两层外延层中形成掺杂区进而形成光电二极管的方法，实际应用中，还可将光电二极管通过形成两层以上的外延层以形成，该方法可在图1实施例的基础上通过增加步骤实现，可选的，步骤S8之后还包括：
去除第二介质层；在第二介质层上依次形成N层外延层，N层外延层中的每层外延层中都形成有掺杂区，N为自然数，N≥1。
其中，对于N层外延层中的第i层外延层，其中形成有第i掺杂区，i为自然数，1≤i≤N，第i外延层中掺杂有第一类型的杂质，第i掺杂区中掺杂有第二类型的杂质，从俯视角度观察，每层掺杂区都与第一掺杂区重合且每层掺杂区都与其相邻层次的掺杂区接触。
每层外延层和形成于每层外延层中的掺杂区的形成方法和图1实施例中第一掺杂区、第二掺杂区的形成方法相同，每层外延层中的离子掺杂方法和阱区的掺杂方法相同，在此不做赘述。需要说明的是，每形成一层外延层后，需要在其表面形成对应的介质层，在该层外延层中形成不同类型的掺杂区后，再去除介质层，形成位于其上的外延层。
本申请实施例中形成的光电二极管的掺杂区为高深宽比的掺杂区，若第一掺杂区和位于其上的第二掺杂区至第N掺杂区的深度之和为H，第一掺杂区的宽度为W，则H/W大于4。
可选的，本申请实施例中，外延工艺的温度可低于1000摄氏度(℃)其厚度的取值范围为0.5微米(μm)至3微米。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种光电二极管的形成方法，其特征在于，所述方法应用于CIS器件的制作工艺中，所述方法包括：
在第一外延层上形成第一介质层，所述第一外延层形成于衬底上，所述第一外延层中掺杂有第一类型的杂质；
通过光刻工艺进行离子注入，在所述衬底、所述第一外延层和所述第一介质层中形成第一掺杂区，所述第一掺杂区中掺杂有第二类型的杂质；
去除所述第一介质层；
在所述第一外延层上形成第二外延层；
在所述第二外延层上形成第二介质层；
通过光刻工艺进行离子注入，在所述第二外延层中形成第二掺杂区，所述第二掺杂区形成于所述第一掺杂区正上方且所述第二掺杂区的底端与所述第一掺杂区的顶端接触，所述第二掺杂区的宽度和所述第一掺杂区的宽度相同，所述第二掺杂区中掺杂有第二类型的杂质；
通过光刻工艺进行离子注入，在所述第二外延层中形成阱区，所述阱区中掺杂有第一类型的杂质。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从俯视角度观察，所述衬底包括第一区域和第二区域，所述第一区域用于形成对准标记，所述第二区域用于形成光电二极管，所述第一掺杂区和所述第二掺杂区形成于所述第二区域；
所述通过光刻工艺进行离子注入，在所述衬底、所述第一外延层和所述的一介质层中形成第一掺杂区，包括：
通过光刻工艺在所述第一介质层上覆盖光阻，暴露出第一目标区域，所述第一目标区域位于所述第一区域，所述第一目标区域是第一对准标记对应的区域；
进行刻蚀，刻蚀至所述第一目标区域中第一外延层的预定深度，形成所述第一对准标记；
通过所述第一对准标记进行光刻工艺，在所述第一介质层上覆盖光阻，暴露出第二目标区域，所述第二目标区域位于所述第二区域；
进行离子注入，在所述第二目标区域的衬底、第一外延层和第一介质层中形成所述第一掺杂区；
去除光阻。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过光刻工艺进行离子注入，在所述第二外延层中形成第二掺杂区，包括：
通过光刻工艺在所述第二介质层上覆盖光阻，暴露出第三目标区域，所述第三目标区域位于所述第一区域，所述第三目标区域是第二对准标记对应的区域；
进行刻蚀，刻蚀至所述第三目标区域中第二外延层的预定深度，形成所述第二对准标记；
通过所述第二对准标记进行光刻工艺，在所述第二介质层上覆盖光阻，暴露出第四目标区域，所述第四目标区域位于所述第二区域，从俯视角度观察，所述第四目标区域与所述第二目标区域重合；
进行离子注入，在所述第四目标区域的第二外延层和第二介质层中形成所述第二掺杂区；
去除光阻。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，从俯视角度观察，所述第三目标区域和所述第一目标区域不具有重叠的区域。
5.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
去除所述第二介质层；
在所述第二介质层上依次形成N层外延层，所述N层外延层中的每层外延层中都形成有掺杂区，N为自然数，N≥1；
其中，对于所述N层外延层中的第i层外延层，其中形成有第i掺杂区，i为自然数，1≤i≤N，所述第i外延层中掺杂有第一类型的杂质，所述第i掺杂区中掺杂有第二类型的杂质，从俯视角度观察，所述每层掺杂区都与所述第一掺杂区重合且所述每层掺杂区都与其相邻层次的掺杂区接触。
6.根据权利要求1至5任一所述的方法，其特征在于，所述第一掺杂区和位于其上的第二掺杂区至第N掺杂区的深度之和为H，所述第一掺杂区的宽度为W，H/W大于4。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一介质层和所述第二介质层为氧化层。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在第一外延层上形成第一介质层，包括：
通过热氧化工艺在所述第一外延层上形成所述第一介质层；
所述在所述第二外延层上形成第二介质层，包括：
通过热氧化工艺在所述第二外延层上形成所述第二介质层。
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