CN110400815A - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器及其形成方法，方法包括：提供半导体衬底；在半导体衬底中形成初始光电掺杂区；在初始光电掺杂区内形成相互分立的初始隔离区，所述初始隔离区内掺杂有第一离子和第二离子，第一离子的导电类型和初始光电掺杂区的导电类型相反，第二离子的导电类型和和初始光电掺杂区的导电类型相同，且第二离子的扩散速率大于第一离子的扩散速率；进行热处理，使初始隔离区内的第一离子和第二离子扩散，在初始光电掺杂区内形成主光电掺杂区、相互分立的隔离区以及相互分立的附加光电掺杂区，所述附加光电掺杂区的导电类型和主光电掺杂区的导电类型相同，所述隔离区的导电类型和主光电掺杂区的导电类型相反。所述方法形成的图像传感器的性能较好。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法。
背景技术
随着半导体技术的不断提高，图像传感器(Image Sensor)作为目前信息获取的一种基础器件在现代社会中得到越来越广泛的应用。互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，简称CMOS)图像传感器是一种快速发展的固态图像传感器，由于CMOS图像传感器中的图像传感器部分和控制电路部分集成于同一芯片中，因此CMOS图像传感器的体积小、功耗低、价格低廉，相较于传统的电荷耦合(Charge-coupled Device，简称CCD)图像传感器更具优势，也更易普及。
现有的CMOS图像传感器中包括用于将光信号转换为电信号的光电传感器，所述光电传感器为形成于硅衬底中的光电二极管，且相邻光电二极管之间具有隔离结构。此外，在形成有光电二极管的硅衬底表面还形成有滤镜层，所述滤镜层通过对入射光进行过滤，以通过特定波长的光；而相邻透镜层之间通常还具有用于屏蔽光学串扰的栅格结构。
然而，随着像素单元尺寸的不断缩小，光电二极管的满阱电容也随之降低，导致图像传感器的性能较差。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种图像传感器及其形成方法，以提高图像传感器的性能。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底中形成初始光电掺杂区；在所述初始光电掺杂区内形成相互分立的初始隔离区，且所述初始隔离区分别位于初始光电掺杂区的相对两侧，所述初始隔离区内掺杂有第一离子和第二离子，第一离子的导电类型和初始光电掺杂区的导电类型相反，第二离子的导电类型和和初始光电掺杂区的导电类型相同，且第二离子的扩散速率大于第一离子的扩散速率；进行热处理，使初始隔离区内的第一离子和第二离子扩散，在所述初始光电掺杂区内形成主光电掺杂区、相互分立的隔离区以及相互分立的附加光电掺杂区，所述附加光电掺杂区的导电类型和主光电掺杂区的导电类型相同，所述隔离区的导电类型和主光电掺杂区的导电类型相反，且所述隔离区分别位于主光电掺杂区两侧，所述附加光电掺杂区位于隔离区和相邻主光电掺杂区之间，所述附加光电掺杂区分别与隔离区和主光电掺杂区邻接。
可选的，还包括：在形成所述初始光电掺杂区之前，在所述半导体衬底表面形成保护层。
可选的，所述保护层的材料包括：氧化硅、氮化硅、氮碳化硅、氮硼化硅、氮碳氧化硅或氮氧化硅。
可选的，所述初始隔离区的形成方法包括：在所述半导体衬底表面形成掩膜层，所述掩膜层暴露出部分初始光电掺杂区表面；采用第一离子注入，以所述掩膜层为掩膜，对所述初始光电掺杂区注入第一离子；采用第二离子注入，以所述掩膜层为掩膜，对所述初始光电掺杂区注入第二离子。
可选的，所述第一离子注入的工艺参数包括：剂量范围为1.0e12atm/cm2～2.0e12atm/cm2；所述第二离子注入的工艺参数包括：剂量范围为1.0e12atm/cm2～2.0e12atm/cm2。
可选的，所述隔离区内第一离子的浓度大于第二离子的浓度；隔离区内第一离子的浓度为1.0e12atm/cm2～2.0e12atm/cm2，隔离区内第二离子的浓度为3.0e11atm/cm2～8.0e11atm/cm2。
可选的，所述初始光电掺杂区的导电类型与半导体衬底的导电类型相反；形成所述初始光电掺杂区的方法包括：采用第三离子注入工艺，在所述半导体衬底内注入第三离子，使初始光电掺杂区内掺杂有第三离子，所述第三离子的导电类型与第二离子的导电类型相同。
可选的，所述第一离子为铟离子，所述第二离子为磷离子。
可选的，所述热处理包括快速退火处理或者尖峰退火。
相应的，本发明实施例还提供一种采用上述任一项方法形成的图像传感器，包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底中的主光电掺杂区、相互分立的隔离区以及相互分立的附加光电掺杂区，所述附加光电掺杂区的导电类型和主光电掺杂区的导电类型相同，所述隔离区的导电类型和主光电掺杂区的导电类型相反，且所述隔离区分别位于主光电掺杂区两侧，所述附加光电掺杂区位于隔离区和相邻主光电掺杂区之间，所述附加光电掺杂区分别与隔离区和主光电掺杂区邻接。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
本发明技术方案提供的图像传感器的形成方法中，由于初始光电掺杂区内具有第三离子，初始隔离区内的第一离子的导电类型和初始光电掺杂区的导电类型相反，初始隔离区内的第二离子的导电类型和初始光电掺杂区的导电类型相同。后续进行热处理之后，初始隔离区内的第一离子和第二离子均扩散入初始光电掺杂区内，且第二离子扩散入初始光电掺杂区的速率大于第一离子扩散入初始光电掺杂区的速率。一方面，能够使扩散后形成的附加光电掺杂区内掺杂的离子浓度大于主光电掺杂区内掺杂的离子浓度，进而能够增大形成的光电二极管的满阱电容。另一方面，使得所述热处理之后，形成的隔离区内的净电荷为第一离子，因此所述隔离区的导电类型和主光电掺杂区的导电类型相反，同时隔离区的导电类型和附加光电掺杂区的导电类型相反。综上，所述方法能够提高光电二极管的满阱电容，使形成的图像传感器的性能较好。
进一步，所述热处理包括退火处理。所述退火处理包括快速热处理或尖峰退火。所述热处理采用快速热处理或尖峰退火，退火时间较短，对图像传感器中其他结构的热影响较小，从而使形成的图像传感器的性能较好。
附图说明
图1是一种图像传感器的剖面结构示意图；
图2至图6是本发明一实施例的图像传感器形成过程各步骤的剖面结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述，现有方法形成的图像传感器的性能较差。
图1是一种图像传感器的剖面结构示意图。
请参考图1，所述图像传感器包括：半导体衬底100；位于半导体衬底100中的光电掺杂区110，且所述光电掺杂区100的导电类型和半导体衬底100导电类型相反；位于所述光电掺杂区110侧壁的隔离区120，且所述隔离区120的导电类型和光电掺杂区110的导电类型相反。
上述结构中，通常所述半导体衬底100内具有阱区(图中未示出)，且所述阱区内具有第一掺杂离子；所述光电掺杂区110内具有第二掺杂离子，所述第一掺杂离子和第二掺杂离子导电类型相反。进而，光电掺杂区120的导电类型和半导体衬底100导电类型相反，因此，光电掺杂区120和半导体衬底100构成光电二极管。所述光电二极管用于将入射光中的光子转化为电子。
然而，上述结构中的光电掺杂区110中的第二掺杂离子分布均匀，从而使形成的光电二极管的满阱电容有限，进而所述图像传感器的性能较差。
为解决所述技术问题，本发明提供一种图像传感器的形成方法，包括：进行热处理，使初始隔离区内的第一离子和第二离子扩散，在所述初始光电掺杂区内形成主光电掺杂区、相互分立的隔离区以及相互分立的附加光电掺杂区，所述附加光电掺杂区的导电类型和主光电掺杂区的导电类型相同，所述隔离区的导电类型和主光电掺杂区的导电类型相反，且所述隔离区分别位于主光电掺杂区两侧，所述附加光电掺杂区位于隔离区和相邻主光电掺杂区之间，所述附加光电掺杂区分别与隔离区和主光电掺杂区邻接。所述方法形成的图像传感器的性能较好。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图2至图6是本发明一实施例的图像传感器形成过程各步骤的剖面结构示意图。
请参考图2，提供半导体衬底200。
在本实施例中，所述半导体衬底200的材料为单晶硅。所述半导体衬底还可以是多晶硅或非晶硅。所述半导体衬底的材料还可以为锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料。所述半导体衬底还能够是绝缘体上半导体结构，所述绝缘体上半导体结构包括绝缘体及位于绝缘体上的半导体材料层，所述半导体材料层的材料包括硅、锗、硅锗、砷化镓或铟镓砷等半导体材料。
在本实施例中，所述半导体衬底200内具有阱离子，所述阱离子的导电类型和后续初始光电掺杂区的导电类型相反。
在本实施例中，所述阱离子的导电类型为P型，例如：硼离子或BF2-离子。
在本实施例中，在后续形成初始光电掺杂区之前，还包括：在所述半导体衬底200表面形成保护层210。
所述保护层210的材料包括：氧化硅、氮化硅、氮碳化硅、氮硼化硅、氮碳氧化硅或氮氧化硅。所述保护层210用于保护半导体衬底200，使得所述半导体衬底200表面不受后续离子注入工艺的影响。
在本实施例中，所述保护层210的材料为氧化硅；所述保护层210的形成工艺包括：热氧化工艺。
在其他实施例中，不形成所述保护层。
请参考图3，在所述半导体衬底200中形成初始光电掺杂区220。
在本实施例中，形成保护层210之后，形成所述初始光电掺杂区220。
所述初始光电掺杂区220的导电类型与半导体衬底200的导电类型相反。
形成所述初始光电掺杂区220的方法包括：采用第三离子注入工艺，在所述半导体衬底200内注入第三离子，使初始光电掺杂区220内掺杂有第三离子，所述第三离子的导电类型与后续注入的第二离子的导电类型相同。
在本实施例中，所述第三离子的导电类型为N型，包括：砷离子或磷离子。
接着，在所述初始光电掺杂区220内形成相互分立的初始隔离区，且所述初始隔离区分别位于初始光电掺杂区的相对两侧，具体形成所述初始隔离区的过程请参考图4至图5。
请参考图4，在所述半导体衬底200表面形成掩膜层230，所述掩膜层230暴露出部分初始光电掺杂区220表面。
在本实施例中，在所述保护层210表面形成掩膜层230。
所述掩膜层230的材料包括：氧化硅、氮化硅、氮碳化硅、氮硼化硅、氮碳氧化硅、氮氧化硅、无定形碳或光阻材料。
在本实施例中，所述掩膜层230的材料为光阻材料，形成所述掩膜层230的工艺为旋涂工艺。
所述掩膜层230用于作为后续进行第一离子注入和第二离子注入的掩膜。
请参考图5，采用第一离子注入，以所述掩膜层230为掩膜，对所述初始光电掺杂区220注入第一离子；采用第二离子注入，以所述掩膜层230为掩膜，对所述初始光电掺杂区220注入第二离子。
在本实施例中，所述第一离子注入工艺和第二离子注入工艺同时进行。在其他实施例中，所述第一离子注入工艺和第二离子注入工艺先后进行。
通过以所述掩膜层230为掩膜，对所述初始光电掺杂区220进行第一离子注入工艺和第二离子注入工艺，在所述初始光电掺杂区220内形成相互分立的初始隔离区240，所述初始隔离区240内掺杂有第一离子和第二离子，第一离子的导电类型和初始光电掺杂区220的导电类型相反，第二离子的导电类型和和初始光电掺杂区220的导电类型相同，且第二离子的扩散速率大于第一离子的扩散速率。
所述第一离子注入工艺的参数包括：剂量范围为1.0e12atm/cm2～2.0e12atm/cm2。
在本实施例中，所述第一离子为铟离子。
所述第二离子注入工艺的参数包括：剂量范围为1.0e12atm/cm2～2.0e12atm/cm2。
在本实施例中，所述第二离子为磷离子。
在本实施例中，所述初始光电掺杂区220内的第三离子的导电类型为N型，所述初始隔离区240内具有第一离子和第二离子，第一离子的导电类型为P型，第一离子的导电类型和初始光电掺杂区220的导电类型相反，所述第二离子的导电类型为N型，第二离子的导电类型和初始光电掺杂区220的导电类型相同，且第二离子的扩散速率大于第一离子的扩散速率，有利于后续进行热处理之后，相对于与第三离子导电类型相反的第一离子，能够使与第三离子导电类型相同的第二离子较多地扩散进入初始光电掺杂区220，从而后续形成的主光电掺杂区内掺杂的N型离子的浓度能够大于附加光电掺杂区内掺杂的N型离子的浓度，且后续形成的隔离区内净电荷为第一离子，即后续隔离区的导电类型为P型。
在本实施例中，形成所述初始隔离区240之后，去除所述掩膜层230。
去除所述掩膜层230的工艺包括：灰化工艺。
请参考图6，进行热处理，使初始隔离区240内的第一离子和第二离子扩散，在所述初始光电掺杂区220(图5中所示)内形成主光电掺杂区250、相互分立的隔离区260以及相互分立的附加光电掺杂区270，所述附加光电掺杂区270的导电类型和主光电掺杂区250的导电类型相同，所述隔离区260的导电类型和主光电掺杂区250的导电类型相反，且所述隔离区260分别位于主光电掺杂区250两侧，所述附加光电掺杂区270位于隔离区260和相邻主光电掺杂区250之间，所述附加光电掺杂区270分别与隔离区260和主光电掺杂区250邻接。
所述热处理包括退火处理。所述退火处理包括快速热处理或尖峰退火。所述热处理采用快速热处理或尖峰退火的好处包括：退火时间较短，对图像传感器中其他结构的热影响较小，从而使形成的图像传感器的性能较好。
在本实施例中，所述热处理的温度为700摄氏度～800摄氏度。
所述热处理的温度选择此范围的意义在于：若所述热处理的温度小于700摄氏度，则对第一离子和第二离子的驱动能力不足，不利于第一离子和第二离子扩散进入初始光电掺杂区220中；若所述热处理的温度大于800摄氏度，则容易对图像传感器中的其他结构造成一定损害，导致形成的图像传感器的性能较差。
所述热处理之后，隔离区260内第一离子的浓度为1.0e12atm/cm2～2.0e12atm/cm2；隔离区260内第二离子的浓度为3.0e11atm/cm2～8.0e11atm/cm2。
所述隔离区260的第一离子的浓度大于第二离子的浓度，即隔离区260的净电荷为第一离子。
在本实施例中，所述隔离区260的导电类型为P型。
所述主光电掺杂区250的导电类型和半导体衬底200导电类型相反，且所述附加主光电掺杂区270的导电类型和半导体衬底200的导电类型相反，因此，主光电掺杂区250、位于主光电掺杂区250两侧的附加光电掺杂区270和半导体衬底200共同构成光电二极管。所述光电二极管用于将入射光中的光子转化为电子。
在本实施例中，由于初始光电掺杂区220内具有第三离子，初始隔离区240内具有第一离子和第二离子，且第一离子的导电类型和初始光电掺杂区220的导电类型相反，第二离子的导电类型和初始光电掺杂区220的导电类型相同。通过所述热处理，初始隔离区240内的第一离子和第二离子均扩散入初始光电掺杂区220内，且第二离子扩散入初始光电掺杂区220的速率大于第一离子扩散入初始光电掺杂区220的速率。一方面，能够使扩散后形成的附加光电掺杂区270内掺杂的N型离子浓度大于主光电掺杂区250内掺杂的N型离子浓度，进而能够增大形成的光电二极管的满阱电容。另一方面，使得所述热处理之后，形成的隔离区260内的净电荷为第一离子，即，所述隔离区260的导电类型为P型，因此所述隔离区260的导电类型和主光电掺杂区250的导电类型相反，同时隔离区260的导电类型和附加光电掺杂区270的导电类型相反。综上，所述方法能够提高光电二极管的满阱电容，使形成的图像传感器的性能较好。
相应的，本发明还提供一种采用上述方法形成的图像传感器，请参考图6，包括：半导体衬底200；位于所述半导体衬底200中的主光电掺杂区250、相互分立的隔离区260以及相互分立的附加光电掺杂区270，所述附加光电掺杂区270的导电类型和主光电掺杂区240的导电类型相同，所述隔离区260的导电类型和主光电掺杂区250的导电类型相反，且所述隔离区260分别位于主光电掺杂区250两侧，所述附加光电掺杂区270位于隔离区260和相邻主光电掺杂区250之间，所述附加光电掺杂区270分别与隔离区260和主光电掺杂区250邻接。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底中形成初始光电掺杂区；
在所述初始光电掺杂区内形成相互分立的初始隔离区，且所述初始隔离区分别位于初始光电掺杂区的相对两侧，所述初始隔离区内掺杂有第一离子和第二离子，第一离子的导电类型和初始光电掺杂区的导电类型相反，第二离子的导电类型和和初始光电掺杂区的导电类型相同，且第二离子的扩散速率大于第一离子的扩散速率；
进行热处理，使初始隔离区内的第一离子和第二离子扩散，在所述初始光电掺杂区内形成主光电掺杂区、相互分立的隔离区以及相互分立的附加光电掺杂区，所述附加光电掺杂区的导电类型和主光电掺杂区的导电类型相同，所述隔离区的导电类型和主光电掺杂区的导电类型相反，且所述隔离区分别位于主光电掺杂区两侧，所述附加光电掺杂区位于隔离区和相邻主光电掺杂区之间，所述附加光电掺杂区分别与隔离区和主光电掺杂区邻接。
2.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，还包括：在形成所述初始光电掺杂区之前，在所述半导体衬底表面形成保护层。
3.如权利要求2所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述保护层的材料包括：氧化硅、氮化硅、氮碳化硅、氮硼化硅、氮碳氧化硅或氮氧化硅。
4.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述初始隔离区的形成方法包括：在所述半导体衬底表面形成掩膜层，所述掩膜层暴露出部分初始光电掺杂区表面；采用第一离子注入，以所述掩膜层为掩膜，对所述初始光电掺杂区注入第一离子；采用第二离子注入，以所述掩膜层为掩膜，对所述初始光电掺杂区注入第二离子。
5.如权利要求4所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一离子注入的工艺参数包括：剂量范围为1.0e12atm/cm2～2.0e12atm/cm2；所述第二离子注入的工艺参数包括：剂量范围为1.0e12atm/cm2～2.0e12atm/cm2。
6.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述隔离区内第一离子的浓度大于第二离子的浓度；隔离区内第一离子的浓度为1.0e12atm/cm2～2.0e12atm/cm2，隔离区内第二离子的浓度为3.0e11atm/cm2～8.0e11atm/cm2。
7.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述初始光电掺杂区的导电类型与半导体衬底的导电类型相反；形成所述初始光电掺杂区的方法包括：采用第三离子注入工艺，在所述半导体衬底内注入第三离子，使初始光电掺杂区内掺杂有第三离子，所述第三离子的导电类型与第二离子的导电类型相同。
8.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一离子为铟离子，所述第二离子为磷离子。
9.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述热处理包括快速退火处理或者尖峰退火。
10.一种采用上述权利要求1至9任一项方法形成的图像传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底；
位于所述半导体衬底中的主光电掺杂区、相互分立的隔离区以及相互分立的附加光电掺杂区，所述附加光电掺杂区的导电类型和主光电掺杂区的导电类型相同，所述隔离区的导电类型和主光电掺杂区的导电类型相反，且所述隔离区分别位于主光电掺杂区两侧，所述附加光电掺杂区位于隔离区和相邻主光电掺杂区之间，所述附加光电掺杂区分别与隔离区和主光电掺杂区邻接。
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