CN115548040A - 一种cmos图像传感器的形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CMOS图像传感器的形成方法，属于半导体器件制造技术领域，该CMOS图像传感器的形成方法，包括提供衬底，所述衬底中具有第一导电类型的隔离结构；在所述衬底上形成相应的栅极，所述栅极通过栅介质层与衬底绝缘隔离；向所述光电二极管区的所述衬底注入第二导电类型的离子，以形成深掺杂区；向所述深掺杂区的表层注入相应的第一导电类型的离子，形成第一导电类型的浅掺杂区；在所述栅极的侧壁上形成侧墙结构。通过对离子注入的顺序进行调整，即在形成侧墙结构之前先行光电二极管区所需的离子注入形成浅掺杂区，扩大了光电二极管所需的浅掺杂区的离子注入面积，避免了浅掺杂区的纵向扩散过深造成的性能损失。

Description

一种CMOS图像传感器的形成方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造技术领域，特别涉及一种CMOS图像传感器的形成方法。
背景技术
CMOS图像传感器的性能主要由感光区二极管(photo diode，PD)决定，感光区二极管在制造过程中包括多道离子注入步骤，各道注入的位置、能量与剂量决定了二极管各区域的物理形貌，进而直接影响了传感器的热噪声、白像素、暗电流等各项性能。正如CMOS图像传感器的像素点包括一个PN结，该PN结利用光伏效应将光信号变成电信号，由于这一过程中光电二极管对表面缺陷及热电流极为敏感，因此通常会在感光区二极管的表层掺杂P型离子，利用P型离子掺杂扩散覆盖，以改善PN结利用光伏效应光电转换过程中表面缺陷带来的暗电流、白像素以及感光区二极管结构带来的热噪声问题，这要求感光区二极管的浅层掺杂P型离子的区域要达到较宽的横向面积以及更浅的纵向深度来获得更大的覆盖面积，以降低漏电流，达到更少的性能损失，一般在栅极的侧墙形成之后，再进行浅层P型离子注入，如图1示出的相邻排布的四个光电二极管，虚线处所示出的表层P掺杂区的内缘，由于侧墙结构的阻挡，仅依靠离子的扩散效应，难以在保证表层的P掺杂区的纵向深度更浅的同时，使横向面积达到更宽。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CMOS图像传感器的形成方法，以解决的侧墙结构影响浅层离子注入面积问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种CMOS图像传感器的形成方法，包括以下步骤：
提供衬底，所述衬底中具有第一导电类型的隔离结构，以定义出光电二极管区；
在所述衬底上形成相应的栅极，所述栅极通过栅介质层与衬底绝缘隔离；
向所述光电二极管区的所述衬底注入第二导电类型的离子，以形成深掺杂区；
向所述深掺杂区的表层注入相应的第一导电类型的离子，形成第一导电类型的浅掺杂区；
在所述栅极的侧壁上形成侧墙结构。
优选地，形成所述浅掺杂区的步骤包括：
在所述衬底的表面和所述栅极的顶部上形成图案化的光阻层，所述光阻层暴露出所述栅极靠近所述深掺杂区一侧的侧壁；
以所述光阻层为掩膜，向所述衬底注入第一导电类型的离子，形成第一导电类型的浅掺杂区。
优选地，注入形成第一导电类型的浅掺杂区时，注入第一导电类型的离子的能量至多为20KeV。
优选地，形成第一导电类型的浅掺杂区时，注入第一导电类型离子的能量范围为1KeV～15KeV。
优选地，形成第一导电类型的浅掺杂区时，注入第一导电类型的离子的剂量范围为1E13/cm2～3E13/cm2。
优选地，所述侧墙结构包括依次附着在所述栅极侧壁上的侧墙一、侧墙二。
优选地，所述衬底中，四个相邻的所述光电二极管区组成2*2阵列，且四个所述光电二极管区相互紧挨的角区域上对应地设有相互分立的四个所述栅极，所述深掺杂区形成在栅极背向所述2*2阵列的中心的一侧的衬底中。
优选地，形成所述侧墙结构之后，还包括：向四个所述栅极所围的所述隔离结构注入相应的第二导电类型的离子，以形成浮置扩散区。
优选地，所述2*2阵列外围的所述衬底中形成有四个相互隔离的光电二极管区，四个所述光电二极管区共享同一个所述浮置扩散区。
优选地，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型，所述深掺杂区为N型阱区。
在本发明提供的CMOS图像传感器的形成方法中，通过对离子注入的顺序进行调整，即在形成侧墙结构之前先行光电二极管区所需的离子注入，以形成光电二极管区所需的深掺杂区和浅掺杂区，避免先制作栅极侧壁上的侧墙结构时因交界处的侧墙结构的存在而阻挡光电二极管区所需的浅掺杂区的离子注入的问题，由此扩大了光电二极管所需的浅掺杂区的离子注入面积，扩大了浅掺杂区的覆盖面积的同时，避免了浅掺杂区的纵向扩散过深造成的性能损失，由此利用浅掺杂区在横向上的更宽的扩散面积，来增强深掺杂区和后续形成的浮置扩散区之间的隔离性能，降低漏电流，从而有效地改善了CMOS图像传感器感光区二极管表面缺陷及漏电流造成的性能问题。
附图说明
图1是现行技术下光电二极管区的俯视示意图；
图2是本发明一种实施例提供的CMOS图像传感器的形成方法形成的栅极结构的俯视示意图；
图3a～图3e是沿图2中A-A’方向在制备过程中的剖面结构示意图；
图4是本发明提供的CMOS图像传感器的形成方法形成的四个相互隔离的光电二极管结构的俯视示意图。
图中，
1、衬底；2、栅极；3、栅介质层；4、深掺杂区；5、浅掺杂区；6、侧墙结构；7、隔离结构；8、浮置扩散区；9、浅掺杂区内缘。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的CMOS图像传感器的形成方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，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。
发明人研究发现，为改善PN结利用光伏效应光电转换过程中表面缺陷带来的暗电流、白像素以及感光区二极管结构带来的热噪声问题，正如现行公开的技术，一般会采用在半导体衬底的光电二极管区域的深掺杂阱中形成与深掺杂阱导电类型相反的浅掺杂阱，使得浅掺杂阱与深掺杂阱形成PN结，形成第二二极管，在半导体衬底表面形成PIN，达到定扎半导体衬底表面可动电荷的目的，以减小漏电流。
而对于共用浮置扩散区的四个光电二极管结构，由于浮置扩散区为N型掺杂，深掺杂区为N型掺杂，位于浮置扩散区与深掺杂区为N型掺杂之间的隔离结构为P型掺杂，三者会形成NPN型寄生三极管，光电子会从深掺杂区流经隔离结构到达浮置扩散区，形成漏电流，造成像素缺陷，那么这就要求尽量扩大浅掺杂阱的横向面积，或，缩小浮置扩散区的横向面积，此外若仅依靠扩散作用获得较大的浅掺杂阱的横向面积，则同时会造成浅掺杂阱的离子的纵向扩散。
基此，在本发明实的核心思想在于，通过对现行的离子注入顺序进行调整，即在侧墙形成之前，进行离子注入以形成浅掺杂阱，从而扩大浅掺杂阱的横向面积，利用浅掺杂区在横向上更宽的扩散面积，来增强深掺杂区和后续形成的浮置扩散区之间的隔离性能，降低漏电流。
具体的，请参考图3a～3e，一种CMOS图像传感器的形成方法，包括以下步骤：
S1，提供衬底1，在衬底1中具有第一导电类型的隔离结构7，以定义出光电二极管区，其中第一导电类型为P型。
S2，在衬底1上依次形成相应的栅极2，栅极2通过栅介质层3与衬底1绝缘隔离，如图2和图3a所示。
在一种示例中，衬底1中，四个相邻的光电二极管区组成2*2阵列，且四个光电二极管区相互紧挨的角区域上对应地设有相互分立的四个栅极2，深掺杂区4形成在栅极2背向2*2阵列的中心的一侧的衬底1中。
S3，如图3b，向光电二极管区的衬底1注入第二导电类型的离子，以形成深掺杂区4，第二导电类型为N型，深掺杂区4为N型阱区。
S4，如图3c，向深掺杂区4的表层注入相应的第一导电类型的离子，形成第一导电类型的浅掺杂区5，其中，注入形成第一导电类型的浅掺杂区5时，注入第一导电类型的离子的能量至多为20KeV，注入第一导电类型的离子的剂量范围为1E13/cm2～3E13/cm2。
在一种示例中，成第一导电类型的浅掺杂区5时，注入第一导电类型离子的能量范围为1KeV～15KeV。
其中，形成浅掺杂区5的具体步骤包括：在衬底1的表面和栅极2的顶部上形成图案化的光阻层，光阻层暴露出栅极2靠近深掺杂区4一侧的侧壁；以光阻层为掩膜，向衬底1注入第一导电类型的离子，形成第一导电类型的浅掺杂区5。由于注入第一导电类型的离子能量和剂量都较小，对栅极2的影响小，故光阻层可暴露出栅极2的侧壁，甚至可以暴露出栅极2的部分顶部。
S5，如图3d，在栅极2的侧壁上形成侧墙结构6，侧墙结构6包括依次附着在栅极2侧壁上的侧墙一、侧墙二。
在一种示例中，侧墙结构6形成在浅掺杂区5形成之后、在浮置扩散区8形成之前，作为参考的，可以进一步通过增加侧墙结构6的整体线宽，增加侧墙一或侧墙二的线宽，以侧墙结构6为遮蔽获得横向面积较小的浮置扩散区8，降低漏电流，改善甚至避免像素结构缺陷，其中侧墙结构6总线宽可以为
Figure BDA0003825985200000051
S6，如图3e，形成侧墙结构6之后，还包括：向四个栅极2所围的隔离结构7注入相应的第二导电类型的离子，以形成浮置扩散区8。
在本发明的一种实施例中，2*2阵列外围的衬底1中形成有四个相互隔离的光电二极管区，四个光电二极管区共享同一个所述浮置扩散区8，这里的深掺杂区4和浅掺杂区5形成光电二极管，浮置扩散区8也就是FD电容(浮置扩散电容，Floating DiffusionCapacitance)，用以将光电子转化成电压(光信号转换部分)，另有4个晶体管：TG管(未示出)，即转移管，利用时钟控制，在其打开的时候将光电子从光电二极管转移到浮置扩散区8；RS管(未示出)，即重置管，利用时钟控制，在下次信号读取之前重置FD电容；TSF管(未示出)，源跟随器，起到放大和缓冲输入输出的作用；TSEL管(未示出)，行地址选择管，在其打开的时候，信号输出。
如图4所示，深掺杂区4和浅掺杂区5形成背景技术中所提到的感光区二极管(或者说光电二极管)，即通过隔离结构7隔离的四个光电二极管，通过调整浅掺杂区5的离子注入步骤，在侧墙结构6形成之前进行浅掺杂区5的离子注入，获得浅掺杂区5更大的横向面积，如图4上虚线表示的浅掺杂区内缘9，减少深掺杂区4的光电子扩散，利用浅掺杂区在横向上的更宽的扩散面积，提高深掺杂区4和后续形成的浮置扩散区8之间的隔离性能，降低漏电流。
此外，由于在本发明另一种实施例所提供的方法中，也可以进一步通过增加侧墙结构6的整体线宽，以侧墙结构6为遮蔽获得横向面积较小的浮置扩散区8，降低漏电流，改善甚至避免像素结构缺陷。
综上可见，在本发明实施例提供的CMOS图像传感器的形成方法中，对离子注入的顺序进行调整，即在形成侧墙结构之前先行光电二极管区所需的离子注入，以形成光电二极管区所需的深掺杂区和浅掺杂区，扩大了光电二极管所需的浅掺杂区的离子注入面积，同时避免了浅掺杂区的纵向扩散过深造成的性能损失，由此利用浅掺杂区在横向上的更宽的扩散面积，来增强深掺杂区和后续形成的浮置扩散区之间的隔离性能，降低漏电流，从而有效地改善了CMOS图像传感器感光区二极管表面缺陷及漏电流造成的性能问题。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底(1)，所述衬底(1)中具有第一导电类型的隔离结构(7)，以定义出光电二极管区；
在所述衬底(1)上形成相应的栅极(2)，所述栅极(2)通过栅介质层(3)与衬底(1)绝缘隔离；
向所述光电二极管区的所述衬底(1)注入第二导电类型的离子，以形成深掺杂区(4)；
向所述深掺杂区(4)的表层注入相应的第一导电类型的离子，形成第一导电类型的浅掺杂区(5)；
在所述栅极(2)的侧壁上形成侧墙结构(6)。
2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，形成所述浅掺杂区(5)的步骤包括：
在所述衬底(1)的表面和所述栅极(2)的顶部上形成图案化的光阻层，所述光阻层暴露出所述栅极(2)靠近所述深掺杂区(4)一侧的侧壁；
以所述光阻层为掩膜，向所述衬底(1)注入第一导电类型的离子，形成第一导电类型的浅掺杂区(5)。
3.如权利要求1或2所述的CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，注入形成第一导电类型的浅掺杂区(5)时，注入第一导电类型的离子的能量至多为20KeV。
4.如权利要求3所述的CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，形成第一导电类型的浅掺杂区(5)时，注入第一导电类型离子的能量范围为1KeV～15KeV。
5.如权利要求1或2所述的CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，形成第一导电类型的浅掺杂区(5)时，注入第一导电类型的离子的剂量范围为1E13/cm2～3E13/cm2。
6.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，所述侧墙结构(6)包括依次附着在所述栅极(2)侧壁上的侧墙一、侧墙二。
7.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，所述衬底(1)中，四个相邻的所述光电二极管区组成2*2阵列，且四个所述光电二极管区相互紧挨的角区域上对应地设有相互分立的四个所述栅极(2)，所述深掺杂区(4)形成在栅极(2)背向所述2*2阵列的中心的一侧的衬底(1)中。
8.如权利要求7所述的CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，形成所述侧墙结构(6)之后，还包括：向四个所述栅极(2)所围的所述隔离结构(7)注入相应的第二导电类型的离子，以形成浮置扩散区(8)。
9.如权利要求8所述的CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，所述2*2阵列外围的所述衬底(1)中形成有四个相互隔离的光电二极管区，四个所述光电二极管区共享同一个所述浮置扩散区(8)。
10.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型，所述深掺杂区(4)为N型阱区。
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