CN110729319A - Cmos-tdi图像传感器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种CMOS‑TDI图像传感器及其形成方法，包括：提供基底；在所述基底内形成光电掺杂区；在所述光电掺杂区表面形成若干栅极结构，所述栅极结构包括栅介质层以及位于所述栅介质层上的栅极层；在所述栅介质层和基底之间的界面处进行掺杂处理，所述掺杂处理用于减少所述栅介质层与所述基底之间的缺陷。本发明的技术方案中，通过在所述栅介质层和基底之间的界面处进行掺杂处理，使所述基底与所述栅介质层形成的缺陷与所述掺杂处理中的第二离子结合，起到钝化的作用，进而减小暗电流的产生，提升了CMOS‑TDI图像传感器的图像质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种CMOS-TDI图像传感器及其形成方法。
背景技术
时间延时积分(Time Delay Integration，TDI)图像传感器是线性图像传感器的一种演变。时间延时积分图像传感器的成像机理为对拍摄物体所经过的像素逐行进行曝光，将曝光结构累加，从而解决高速运动物体曝光时间不足所引起的成像信号弱问题。时间延时积分图像传感器能够增加有效曝光时间，提高图像信噪比。
时间延时积分图像传感器分为CCD和CMOS两种。然而，由于CCD工艺的特殊性，无法在图像传感器上集成其他处理电路，通用性和灵活性较差。
另外一种TDI图像传感器为CMOS类型，该TDI图像传感器基于通用CMOS制造工艺，每个像素对应一个电荷转移区，转移至该区的电荷经过一个电荷放大模块转化为电压信号。传感器阵列逐行曝光速度与物体行进速度一致，每行像素输出一个电压信号。所有M行输出电压信号累加，对于M级TDI图像传感器，信号提升M倍，但电压域噪声也随之提升。
然而，现有的CMOS-TDI图像传感器的性能仍较差。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种CMOS-TDI图像传感器及其形成方法，能够有效减小所述栅介质层与所述基底之间的缺陷，减小暗电流的产生，进而提升了CMOS-TDI图像传感器的图像质量。
为解决上述问题，本发明提供一种CMOS-TDI图像传感器形成的方法，包括：提供基底；在所述基底内形成光电掺杂区；在所述光电掺杂区表面形成若干栅极结构，所述栅极结构包括栅介质层以及位于所述栅介质层上的栅极层；在所述栅介质层和基底之间的界面处进行掺杂处理，所述掺杂处理用于减少所述栅介质层与所述基底之间的缺陷。
可选的，所述光电掺杂区内具有第一离子，所述第一离子为N型离子，所述第一离子包括磷离子或砷离子。
可选的，若干所述栅极结构均沿第一方向延伸，且若干所述栅极结构沿第二方向平行排列，所述第一方向垂直于所述第二方向。
可选的，所述光电掺杂区的形成方法包括：在所述基底表面形成第一掩膜层，所述第一掩膜层内有暴露出部分所述基底顶部表面的第一开口；以所述第一掩膜层为掩膜对所述基底进行第一离子注入处理，在所述基底内形成所述光电掺杂区；在形成所述光电掺杂区之后，去除所述第一掩膜层。
可选的，所述栅介质层的材料包括氧化硅；所述栅极层的材料包括多晶硅。
可选的，所述栅极层的形成方法包括：在所述栅介质层上形成栅极膜；刻蚀部分所述栅极膜直至暴露出所述栅介质层为止，形成所述栅极层。
可选的，所述掺杂处理在刻蚀部分所述栅极膜之前或之后进行。
可选的，所述掺杂处理的方法包括：在所述栅极层上形成第二掩膜层，所述第二掩膜层内具有暴露出部分所述栅极层的第二开口，所述第二开口与所述光电掺杂区相对应；以所述第二掩膜层为掩膜进行第二离子注入；在第二离子注入之后，去除所述第二掩膜层。
可选的，所述第二离子包括氟离子或氢离子。
可选的，所述掺杂处理的参数包括：所述第二离子注入量为1E13/atoms/cm2～6E15/atoms/cm2；所述第二离子注入能量为10KeV～40KeV。
可选的，所述栅极层的厚度为1000埃～3000埃。
可选的，所述栅介质层的厚度为20埃～90埃。
相应的，本发明还提供了一种由上述方法所形成的CMOS-TDI图像传感器，包括：基底；位于所述基底内的光电掺杂区；位于所述光电掺杂区上的栅极结构，所述栅极结构包括栅介质层以及位于所述栅介质层上的栅极层；位于所述基底与所述栅介质层之间的掺杂层。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明的技术方案中，通过在所述栅介质层和基底之间的界面处进行掺杂处理，使所述基底与所述栅介质层形成的缺陷与所述掺杂处理中的第二离子结合，起到钝化的作用，进而减小暗电流的产生，提升了CMOS-TDI图像传感器的图像质量。
进一步，本发明的技术方案中，所述掺杂处理在所述栅极层形成之后进行。由于所述栅介质膜的厚度很薄，如果在形成栅介质膜之后就进行掺杂处理，为了保证注入的第二离子能够进入到后续形成的所述栅介质层与所述基底之间的界面处，所用的注入能量也必须要低，然而低能量的离子注入工艺较难控制，稳定性与实施性较差。本发明的技术方案中，在形成栅介质层之后进行掺杂处理，由于所述栅极层的厚度较大，通过在栅极层表面进行掺杂处理，为了保证注入的第二离子能够穿透所述栅极层与所述栅介质层，进入到所述栅介质层与所述基底之间的界面处，所用的注入能量也较高，采用高能量的离子注入工艺，稳定性和可实施性较好。
进一步，本发明的技术方案中，所述掺杂处理的参数包括：所述第二离子注入量为1E13/atoms/cm2～6E15/atoms/cm2；所述第二离子注入能量为10KeV～40KeV。该范围参数内的掺杂处理，既能够保证第二离子能够进入至所述栅介质层与所述基底之间的界面处，同时工艺稳定且实施性较好。
进一步，本发明的技术方案中，通过在所述栅极层上形成第二掩膜层，所述第二掩膜层内具有暴露出部分所述栅极层的第二开口，所述第二开口与所述光电掺杂区相对应，再以所述第二掩膜层为掩膜进行第二离子注入，使所述第二离子扩散至所述栅介质层内，利用所述第二掩膜层能够使所述第二离子更加精准的注入到所述栅介质层与所述基底之间的界面层，能够有效提升去除缺陷的效率。
附图说明
图1和图2是一种CMOS-TDI图像传感器的结构示意图；
图3是一种CMOS-TDI图像传感器中Si-SiO2界面处的悬挂键示意图；
图4至图6是本发明CMOS-TDI图像传感器形成方法一实施例各步骤结构示意图；
图7是图6中栅介质层与基底界面处的第二离子与悬挂键结合的示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述，现有的CMOS-TDI图像传感器的性能仍较差。
以下将结合附图进行具体说明。
请参考图1和图2，图2是图1沿A-A线的剖面结构示意图，提供基底100；在所述基底100内形成光电掺杂区101；在所述光电掺杂区101表面形成栅极结构，所述栅极结构包括栅介质层102以及位于所述栅介质层102上的栅极层103。
请参考图3，在上述实施例中，所述基底100的材料采用硅(Si)，所述栅介质层102的材料采用氧化硅(SiO2)，在CMOS-TDI图像传感器中，由于制程上的特殊要求，所述基底100表面不能形成钝化层，因此会在所述基底100与所述栅介质层103的界面处(Si-SiO2)存在大量的悬挂键A，使界面处存在很多缺陷。当TDI正常工作时，eCCD电极处于高电平，基底100表面的Si处于耗尽状态(depletion)，这时界面处的缺陷很容易产生电子-空穴对，导致CMOS-TDI图像传感器的暗电流较大(常温下一般为几个nA/cm2)，暗电流会在图像上产生固定图形噪声(Fixed Pattern Noise，FPN)，使得图像质量恶化。
在此基础上，本发明提供一种CMOS-TDI图像传感器及其形成方法，通过在所述栅介质层和基底之间的界面处进行掺杂处理，用于减少所述栅介质层与所述基底之间的缺陷，减小暗电流，进而提升CMOS-TDI图像传感器的图像质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细地说明。
图4至图7，是本发明实施例的一种CMOS-TDI图像传感器的形成过程的结构示意图。
请参考图4和图5，图5是图4沿A-A线的剖面结构示意图，提供基底。
在本实施例中，所述基底200的材料为硅。在其他实施例中，所述基底的材料还可以包括锗、硅锗或者绝缘体上硅。
请继续参考图4和图5，在所述基底200内形成光电掺杂区201。
所述光电掺杂区201内具有第一离子，所述第一离子为N型离子，所述第一离子包括磷离子或砷离子。
在本实施例中，所述光电掺杂区201中的第一离子为磷离子。所述光电掺杂区201内的第一离子与所述基底200内的掺杂离子的导电类型相反，其作用是构成光电二极管，所述光电二极管用于实现光电转化。
在本实施例中，所述光电掺杂区201的形成方法包括：在所述基底200表面形成第一掩膜层(未图示)，所述第一掩膜层内有暴露出部分所述基底顶部表面的第一开口(未图示)；以所述第一掩膜层为掩膜对所述基底200进行第一离子注入处理，在所述基底200内形成所述光电掺杂区201；在形成所述光电掺杂区201之后，去除所述第一掩膜层。
所述第一掩膜层内的第一开口用于定义后续形成所述光电掺杂区201的位置，通过所述第一掩膜层为掩膜进行第一离子注入，所述第一离子只能通过所述第一开口注入至所述基底200内，所述第一掩膜层的作用是防止所述基底200的其他区域被离子注入，能够提升形成的所述光电掺杂区201的准确性。
请继续参考图4和图5，在所述光电掺杂区201表面形成若干栅极结构，所述栅极结构包括栅介质层202以及位于所述栅介质层202上的栅极层203。
在本实施例中，所述若干所述栅极结构均沿第一方向X延伸，且若干所述栅极结构沿第二方向Y平行排列，所述第一方向X垂直于所述第二方向Y。
在本实施例中，所述栅极层203的形成方法包括：在所述栅介质层202上形成栅极膜(未图示)；刻蚀部分所述栅极膜直至暴露出所述栅介质层202为止，形成所述栅极层203。
在本实施例中，所述栅极层203的厚度为1000埃～3000埃；所述栅介质层202的厚度为20埃～90埃。所述厚度的方向为垂直于所述基底200顶部表面的方向。
在本实施例中，所述栅介质层202的材料采用氧化硅；所述栅极层203的材料采用多晶硅。
由于所述基底200的材料采用硅，所述栅介质层202的材料为氧化硅，这就使得所述栅介质层202与所述基底200的界面态较差，具体表现为在所述基底200与所述栅介质层202的界面处(Si-SiO2)形成大量的悬挂键，使界面处存在很多缺陷。
请参考图6，需要说明的是，图6与图4的视图方向一致，在所述栅介质层202和基底203之间的界面处进行掺杂处理，所述掺杂处理用于减少所述栅介质层202与所述基底200之间的缺陷。
结合参考图7，图7是图6中栅介质层与基底界面处的第二离子与悬挂键结合的示意图，通过在所述栅介质层202和基底200之间的界面处进行掺杂处理，使所述基底200与所述栅介质层202形成的缺陷与所述掺杂处理中的第二离子结合，起到钝化的作用，进而减小暗电流的产生，提升了CMOS-TDI图像传感器的图像质量。
在本实施例中，所述掺杂处理在刻蚀部分所述栅极膜之后进行，即在形成所述栅极层203之后进行所述掺杂处理。
在其他实施例中，所述掺杂处理还可以在刻蚀部分所述栅极膜之前进行，即在形成所述栅极膜之后进行所述掺杂处理。
在本实施例中，所述掺杂处理的方法包括：在所述栅极层203上形成第二掩膜层(未图示)，所述第二掩膜层内具有暴露出部分所述栅极层203的第二开口(未图示)，所述第二开口与所述光电掺杂区201相对应；以所述第二掩膜层为掩膜进行第二离子注入；在第二离子注入之后，去除所述第二掩膜层。
由于所述栅介质膜的厚度很薄，如果在形成栅介质膜之后就进行掺杂处理，为了保证注入的所述第二离子能够进入到后续形成的所述栅介质层202与所述基底200之间的界面处，所用的注入能量也必须要低，然而低能量的离子注入工艺较难控制，稳定性与实施性较差。在本实施例中，通过在形成所述栅极层203之后进行掺杂处理，由于所述栅极层203的厚度较大，通过在栅极层203表面进行掺杂处理，为了保证注入的第二离子能够穿透所述栅极层203与所述栅介质层202，进入到所述栅介质层202与所述基底200之间的界面处，所用的注入能量也较高，采用高能量的离子注入工艺，稳定性和可实施性较好。
另外通过第二掩膜层为掩膜进行所述第二离子注入，所述第二掩膜层内的第二开口与所述光电掺杂区201对应，所述第二离子只能通过第二开口注入到所述栅介质层202与所述基底200之间的界面处，其余的地方被所述第二掩膜层遮挡而无法注入，利用所述第二掩膜层进行掺杂处理，能够保证所述第二离子的注入位置更加的准确。
在其他实施例中，也可以在没有掩膜层的环境下进行所述第二离子的注入。
在本实施例中，所述第二离子采用氟离子，所述氟离子既能够减小所述栅介质层202与所述基底200之间界面处的缺陷，同时氟离子质量较大，在加热环境下不易发生逃逸。
在其他实施例中，所述第二离子还可以采用氢离子。
在本实施例中，所述掺杂处理的参数包括：所述第二离子注入量为1E13/atoms/cm2～6E15/atoms/cm2；所述第二离子注入能量为10KeV～40KeV。
该范围参数内的掺杂处理，既能够保证第二离子能够进入至所述栅介质层202与所述基底200之间的界面处，同时工艺稳定且实施性较好。
相应的，在本发明的实施例中还提供了一种由上述方法所形成的CMOS-TDI图像传感器，请参考图6，包括：基底200；位于所述基底200内的光电掺杂区201；位于所述光电掺杂区201上的栅极结构，所述栅极结构包括栅介质层202以及位于所述栅介质层202上的栅极层203；位于所述基底200与所述栅介质层202之间的掺杂层(未标示)。
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 (13)
1.一种CMOS-TDI图像传感器形成的方法，其特征在于，包括：
提供基底；
在所述基底内形成光电掺杂区；
在所述光电掺杂区表面形成若干栅极结构，所述栅极结构包括栅介质层以及位于所述栅介质层上的栅极层；
在所述栅介质层和基底之间的界面处进行掺杂处理，所述掺杂处理用于减少所述栅介质层与所述基底之间的缺陷。
2.如权利要求1所述CMOS-TDI图像传感器形成的方法，其特征在于，所述光电掺杂区内具有第一离子，所述第一离子为N型离子，所述第一离子包括磷离子或砷离子。
3.如权利要求1所述CMOS-TDI图像传感器形成的方法，其特征在于，若干所述栅极结构均沿第一方向延伸，且若干所述栅极结构沿第二方向平行排列，所述第一方向垂直于所述第二方向。
4.如权利要求1所述CMOS-TDI图像传感器形成的方法，其特征在于，所述光电掺杂区的形成方法包括：在所述基底表面形成第一掩膜层，所述第一掩膜层内有暴露出部分所述基底顶部表面的第一开口；以所述第一掩膜层为掩膜对所述基底进行第一离子注入处理，在所述基底内形成所述光电掺杂区；在形成所述光电掺杂区之后，去除所述第一掩膜层。
5.如权利要求1所述CMOS-TDI图像传感器形成的方法，其特征在于，所述栅介质层的材料包括氧化硅；所述栅极层的材料包括多晶硅。
6.如权利要求1所述CMOS-TDI图像传感器形成的方法，其特征在于，所述栅极层的形成方法包括：在所述栅介质层上形成栅极膜；刻蚀部分所述栅极膜直至暴露出所述栅介质层为止，形成所述栅极层。
7.如权利要求6所述CMOS-TDI图像传感器形成的方法，其特征在于，所述掺杂处理在刻蚀部分所述栅极膜之前或之后进行。
8.如权利要求7所述CMOS-TDI图像传感器形成的方法，其特征在于，所述掺杂处理的方法包括：在所述栅极层上形成第二掩膜层，所述第二掩膜层内具有暴露出部分所述栅极层的第二开口，所述第二开口与所述光电掺杂区相对应；以所述第二掩膜层为掩膜进行第二离子注入；在第二离子注入之后，去除所述第二掩膜层。
9.如权利要求8所述CMOS-TDI图像传感器形成的方法，其特征在于，所述第二离子包括氟离子或氢离子。
10.如权利要求8所述CMOS-TDI图像传感器形成的方法，其特征在于，所述掺杂处理的参数包括：所述第二离子注入量为1E13/atoms/cm2～6E15/atoms/cm2；所述第二离子注入能量为10KeV～40KeV。
11.如权利要求1所述CMOS-TDI图像传感器形成的方法，其特征在于，所述栅极层的厚度为1000埃～3000埃。
12.如权利要求1所述CMOS-TDI图像传感器形成的方法，其特征在于，所述栅介质层的厚度为20埃～90埃。
13.一种如权利要求1至12任一项方法所形成的CMOS-TDI图像传感器，其特征在于，包括：
基底；
位于所述基底内的光电掺杂区；
位于所述光电掺杂区上的栅极结构，所述栅极结构包括栅介质层以及位于所述栅介质层上的栅极层；
位于所述基底与所述栅介质层之间的掺杂层。
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- 2019-10-17 CN CN201910988600.6A patent/CN110729319A/zh active Pending
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