CN115579373B - 图像传感器像素结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种图像传感器像素结构及其制备方法，包括：衬底；光电二极管，位于衬底中，相邻的光电二极管之间形成有沟槽隔离结构；U型掺杂区，位于衬底中且包裹光电二极管的底面和侧面，U型掺杂区包括第一掺杂区、第二掺杂区和第三掺杂区，其中，第一掺杂区和第二掺杂区沿衬底的厚度方向自上而下的排列以包裹光电二极管的侧面，第三掺杂区包裹光电二极管的底面且与第二掺杂区相接，并且第一掺杂区和第三掺杂区的掺杂浓度均大于第二掺杂区的掺杂浓度，第一掺杂区、第二掺杂区和第三掺杂区的掺杂浓度均大于衬底的掺杂浓度，以形成U型电场；本发明能够提高像素的信噪比，以提高像素质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种图像传感器像素结构及其制备方法。
背景技术
背照式图像传感器由于其低功耗，运行速度快等特点成为目前图像传感器市场的主流之一，但随着像素尺寸的不断减小，成像过程中相邻的光电二极管之间的电性串扰成为影响成像质量的重要因素之一。当光照射到像素区时，位于非电场区的光生电子的扩散会致使相邻的光电二极管产生串性干扰，由于此电信号没有相对应的像素点信号输出，则会成为像素中的噪声，降低像素的质量。
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及其制备方法，防止相邻光电二极管之间的杂讯电子发生电性串扰，提高像素的信噪比，以提高像素质量。
为了达到上述目的，本发明提供了一种图像传感器像素结构，包括：
衬底；
光电二极管，位于所述衬底中，相邻的所述光电二极管之间形成有沟槽隔离结构；
U型掺杂区，位于所述衬底中且包裹所述光电二极管的底面和侧面，所述U型掺杂区包括第一掺杂区、第二掺杂区和第三掺杂区，其中，所述第一掺杂区和所述第二掺杂区沿所述衬底的厚度方向自上而下的排列以包裹所述光电二极管的侧面，所述第三掺杂区包裹所述光电二极管的底面且与所述第二掺杂区相接，并且所述第一掺杂区和所述第三掺杂区的掺杂浓度均大于所述第二掺杂区的掺杂浓度，所述第一掺杂区、所述第二掺杂区和所述第三掺杂区的掺杂浓度均大于所述衬底的掺杂浓度，以形成U型电场。
可选的，所述第一掺杂区、所述第二掺杂区和所述第三掺杂区的掺杂离子均包括硼离子。
可选的，所述衬底的掺杂类型为P型。
可选的，所述第一掺杂区和所述第二掺杂区沿所述衬底的厚度方向的厚度相同。
可选的，所述第二掺杂区的底面和所述第三掺杂区的底面对齐。
可选的，所述光电二极管包括自上而下排列的P型钳位层和N型感光区，所述第一掺杂区和所述第二掺杂区包裹所述P型钳位层和所述N型感光区的侧面，所述第三掺杂区包裹所述N型感光区的底面。
可选的，每相邻两个所述光电二极管中的至少一个被所述U型掺杂区包裹。
本发明还提供了一种图像传感器像素结构的制备方法，包括：
提供衬底；
形成光电二极管位于所述衬底中，相邻的所述光电二极管之间形成有沟槽隔离结构；以及，
形成U型掺杂区位于所述衬底中且包裹所述光电二极管的底面和侧面；
其中，所述U型掺杂区包括第一掺杂区、第二掺杂区和第三掺杂区，所述第一掺杂区和所述第二掺杂区沿所述衬底的厚度方向自上而下的排列以包裹所述光电二极管的侧面，所述第三掺杂区包裹所述光电二极管的底面且与所述第二掺杂区相接，并且所述第一掺杂区和所述第三掺杂区的掺杂浓度均大于所述第二掺杂区的掺杂浓度，所述第一掺杂区、所述第二掺杂区和所述第三掺杂区的掺杂浓度均大于所述衬底的掺杂浓度，以形成U型电场。
可选的，形成所述光电二极管和所述沟槽隔离结构的步骤包括：
刻蚀所述衬底以在所述衬底中形成沟槽，在所述沟槽内填充隔离层以构成所述沟槽隔离结构；以及，
对所述衬底进行离子注入以在所述衬底中形成自上而下排列的P型钳位层和N型感光区，所述P型钳位层和所述N型感光区构成所述光电二极管。
可选的，形成所述U型掺杂区的步骤包括：
在所述衬底和所述光电二极管上形成第一图形化的光刻胶层，所述第一图形化的光刻胶层具有若干第一开口，所述第一开口显露出所述衬底的部分表面；
执行第一离子注入工艺以在所述衬底中形成所述第一掺杂区，执行第二离子注入工艺以在所述衬底中形成所述第二掺杂区；
去除所述第一图形化的光刻胶层；
在所述衬底和所述光电二极管上形成第二图形化的光刻胶层，所述第二图形化的光刻胶层具有若干第二开口，所述第二开口至少显露出所述光电二极管的表面；
执行第三离子注入工艺以在所述衬底中形成所述第三掺杂区；以及，
去除所述第二图形化的光刻胶层。
在本发明提供的图像传感器像素结构及其制备方法中，光电二极管位于衬底中，相邻的光电二极管之间形成有沟槽隔离结构；U型掺杂区位于衬底中且包裹光电二极管的底面和侧面，U型掺杂区包括第一掺杂区、第二掺杂区和第三掺杂区，其中，第一掺杂区和第二掺杂区沿衬底的厚度方向自上而下的排列以包裹光电二极管的侧面，第三掺杂区包裹光电二极管的底面且与第二掺杂区相接，并且第一掺杂区和第三掺杂区的掺杂浓度均大于第二掺杂区的掺杂浓度，第一掺杂区、第二掺杂区和第三掺杂区的掺杂浓度均大于衬底的掺杂浓度，以形成U型电场。本发明中由于第一掺杂区的掺杂浓度大于第二掺杂区的掺杂浓度，会形成由第二掺杂区指向第一掺杂区的电场；第三掺杂区的掺杂浓度大于第二掺杂区的掺杂浓度，会形成由第二掺杂区指向第三掺杂区的电场；第三掺杂区的掺杂浓度大于衬底的掺杂浓度，会形成由衬底指向第三掺杂区的电场，以构成U形电场；U形电场会将相邻光电二极管之间的杂讯电子拉离光电二极管，以防止相邻光电二极管之间的杂讯电子发生电性串扰，提高像素的信噪比，以提高像素质量。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的图像传感器像素结构的制备方法的流程图。
图2为本发明实施例一提供的图像传感器像素结构的制备方法中形成光电二极管后的剖面示意图。
图3为本发明实施例一提供的图像传感器像素结构的制备方法中形成第一掺杂区后的剖面示意图。
图4为本发明实施例一提供的图像传感器像素结构的制备方法中形成第二掺杂区后的剖面示意图。
图5为本发明实施例一提供的图像传感器像素结构的制备方法中去除第一图形化的光刻胶层后的剖面示意图。
图6为本发明实施例一提供的图像传感器像素结构的制备方法中形成第三掺杂区后的剖面示意图。
图7为本发明实施例一提供的图像传感器像素结构的剖面示意图。
其中，附图标记为：
10-衬底；20-光电二极管；21-P型钳位层；22-N型感光区；30-沟槽隔离结构；41-第一图形化的光刻胶层；42-第二图形化的光刻胶层；51-第一掺杂区；52-第二掺杂区；53-第三掺杂区。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，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。
图7为本实施例提供的图像传感器像素结构的剖面示意图。请参考图7，本实施例提供了一种图像传感器像素结构，包括：衬底10、光电二极管20、沟槽隔离结构30和U型掺杂区，其中，衬底10的材质包括硅、锗、镓、氮或碳中的一种或多种，衬底10的掺杂类型为P型，衬底10中包括像素区（图中未示出）。
光电二极管20位于衬底10的像素区中，光电二极管20包括自上而下排列的P型钳位层21和N型感光区22，相邻的光电二极管20之间形成有沟槽隔离结构30。当光照射到像素区中的光电二极管20（像素点）上时，在光电二极管20周围的衬底10中（尤其是光电二极管20下方的衬底10中）会产生一些游离的杂讯电子（光生电子），杂讯电子会扩散到相邻的光电二极管20，从而影响相邻的光电二极管20的输出，形成像素区中的噪声，降低像素质量。
U型掺杂区位于衬底10中且包裹光电二极管20的底面和侧面，U型掺杂区包括第一掺杂区51、第二掺杂区52和第三掺杂区53，其中，第一掺杂区51和第二掺杂区52沿衬底10的厚度方向自上而下的排列以包裹光电二极管20的侧面（包裹P型钳位层21和N型感光区22的侧面），第三掺杂区53包裹光电二极管20的底面（包裹N型感光区22的底面）且与第二掺杂区52相接，以形成U型掺杂区包裹光电二极管20的底面和侧面。在本实施例中，第二掺杂区52沿衬底10的厚度方向向下延伸以与第三掺杂区53的侧面相接，且第二掺杂区52的底面可与第三掺杂区53的底面对齐，利于形成均匀的电场。在本实施例中，优选第一掺杂区51和第二掺杂区52沿衬底10的厚度方向的厚度相同，也可不限于此，第一掺杂区51和第二掺杂区52沿衬底10的厚度方向的厚度不同；优选第一掺杂区51和第二掺杂区52沿衬底10的水平方向的宽度相同，且第一掺杂区51的侧面和第二掺杂区52的侧面对齐，利于形成均匀的电场。在本实施例中，每相邻两个光电二极管20中的至少一个被U型掺杂区包裹，具体的，可以每个光电二极管20均被U型掺杂区包裹（如图7中所示），或者，每相邻两个光电二极管20中一个被U型掺杂区包裹，即图7中可以只有一个光电二极管20被U型掺杂区包裹。
在本实施例中，第一掺杂区51和第三掺杂区53的掺杂浓度均大于第二掺杂区52的掺杂浓度，第一掺杂区51、第二掺杂区52和第三掺杂区53的掺杂浓度均大于衬底10的掺杂浓度。在本实施例中，第一掺杂区51、第二掺杂区52和第三掺杂区53的掺杂离子均包括硼离子。
由于第一掺杂区51的掺杂浓度大于第二掺杂区52的掺杂浓度，会形成由第二掺杂区52指向第一掺杂区51的电场，而杂讯电子的方向为第一掺杂区51指向第二掺杂区52（即图7中的向下）；第三掺杂区53的掺杂浓度大于第二掺杂区52的掺杂浓度，会形成由第二掺杂区52指向第三掺杂区53的电场，而杂讯电子的方向为第三掺杂区53指向第二掺杂区52（即图7中的左右方向）；第三掺杂区53的掺杂浓度大于衬底10的掺杂浓度，会形成由衬底10指向第三掺杂区53的电场，而杂讯电子的方向为第三掺杂区53指向衬底10（即图7中的向下），以构成U形电场。在U形电场的作用下，当杂讯电子（图7中所示）扩散至U型电场周围时，U形电场会将相邻光电二极管20之间的杂讯电子拉离光电二极管20，即图7中杂讯电子的扩散方向向下（图7中的弯曲虚线为杂讯电子的扩散路径），以防止相邻光电二极管20之间的杂讯电子发生电性串扰，提高像素的信噪比，以提高像素质量。
图1为本实施例提供的图像传感器像素结构的制备方法的流程图。请参考图1，本发明还提供了一种图像传感器像素结构的制备方法，用于制备上述图像传感器像素结构，包括：
步骤S1：提供衬底；
步骤S2：形成光电二极管位于衬底中，相邻的光电二极管之间形成有沟槽隔离结构；
步骤S3：形成U型掺杂区位于衬底中且包裹光电二极管的底面和侧面；
其中，U型掺杂区包括第一掺杂区、第二掺杂区和第三掺杂区，第一掺杂区和第二掺杂区沿衬底的厚度方向自上而下的排列以包裹光电二极管的侧面，第三掺杂区包裹光电二极管的底面且与第二掺杂区相接，并且第一掺杂区和第三掺杂区的掺杂浓度均大于第二掺杂区的掺杂浓度，第一掺杂区、第二掺杂区和第三掺杂区的掺杂浓度均大于衬底的掺杂浓度，以形成U型电场。
图2为本实施例提供的图像传感器像素结构的制备方法中形成光电二极管后的剖面示意图；图3为本实施例提供的图像传感器像素结构的制备方法中形成第一掺杂区后的剖面示意图；图4为本实施例提供的图像传感器像素结构的制备方法中形成第二掺杂区后的剖面示意图；图5为本实施例提供的图像传感器像素结构的制备方法中去除第一图形化的光刻胶层后的剖面示意图；图6为本实施例提供的图像传感器像素结构的制备方法中形成第三掺杂区后的剖面示意图；图7为本实施例提供的图像传感器像素结构的剖面示意图，其中图7为本实施例提供的图像传感器像素结构的制备方法中去除第二图形化的光刻胶层后的剖面示意图。下面结合图2~图7对本实施例提供的图像传感器像素结构的制备方法进行详细说明。
请参考图2，执行步骤S1：提供衬底10，衬底10的材质包括硅、锗、镓、氮或碳中的一种或多种。衬底10的掺杂类型为P型，衬底10中包括像素区（图中未示出）。
请继续参考图2，执行步骤S2：刻蚀衬底10以在衬底10中形成沟槽，在沟槽内填充隔离层以构成沟槽隔离结构30；以及，对衬底10进行离子注入以在衬底10中形成自上而下排列的P型钳位层21和N型感光区22，P型钳位层21和N型感光区22构成光电二极管20。
执行步骤S3：形成U型掺杂区的步骤包括：
请参考图3，在衬底10和光电二极管20上形成第一图形化的光刻胶层41，第一图形化的光刻胶层41具有若干第一开口，第一开口显露出衬底10的部分表面；进而，执行第一离子注入工艺以在衬底10中形成第一掺杂区51（图3中箭头方向为离子注入方向），第一掺杂区51包裹光电二极管20的上部分侧面。
请参考图4，继续利用第一图形化的光刻胶层41为掩模，执行第二离子注入工艺以在衬底10中形成第二掺杂区52（图4中箭头方向为离子注入方向），第二掺杂区52位于第一掺杂区51的正下方且包裹光电二极管20的下部分侧面，第二掺杂区52还沿衬底10的厚度方向向下延伸部分深度。在本实施例中，优选第一掺杂区51和第二掺杂区52沿衬底10的厚度方向的厚度相同，也可不限于此，第一掺杂区51和第二掺杂区52沿衬底10的厚度方向的厚度不同；优选第一掺杂区51和第二掺杂区52沿衬底10的水平方向的宽度相同，且第一掺杂区51的侧面和第二掺杂区52的侧面对齐，利于形成均匀的电场。在本实施例中，图3和图4所示是先形成第一掺杂区51，后形成第二掺杂区52；实际上也可以先形成第二掺杂区52，后形成第一掺杂区51。
请参考图5，去除第一图形化的光刻胶层，第一掺杂区51和第二掺杂区52沿衬底10的厚度方向自上而下的排列以包裹光电二极管20的侧面。
请参考图6，在衬底10和光电二极管20上形成第二图形化的光刻胶层42，第二图形化的光刻胶层42具有若干第二开口，第二开口至少显露出光电二极管20的表面；进而，执行第三离子注入工艺以在衬底10中形成第三掺杂区53（图6中箭头方向为离子注入方向），第三掺杂区53包裹光电二极管20的底面且与第二掺杂区52相接。在本实施例中，第二掺杂区52沿衬底10的厚度方向向下延伸以与第三掺杂区53的侧面相接，且第二掺杂区52的底面可与第三掺杂区53的底面对齐，利于形成均匀的电场。在本实施例中，第一离子注入工艺和第三离子注入工艺的掺杂浓度均大于第二离子注入工艺的掺杂浓度，第一离子注入工艺、第三离子注入工艺和第二离子注入工艺的掺杂浓度均大于衬底的掺杂浓度，以形成U型电场。在本实施例中，第一离子注入工艺、第三离子注入工艺和第二离子注入工艺的掺杂离子均包括硼离子。
请参考图7，去除第二图形化的光刻胶层。由于第一掺杂区51的掺杂浓度大于第二掺杂区52的掺杂浓度，会形成由第二掺杂区52指向第一掺杂区51的电场，而杂讯电子的方向为第一掺杂区51指向第二掺杂区52（即图7中的向下）；第三掺杂区53的掺杂浓度大于第二掺杂区52的掺杂浓度，会形成由第二掺杂区52指向第三掺杂区53的电场，而杂讯电子的方向为第三掺杂区53指向第二掺杂区52（即图7中的左右方向）；第三掺杂区53的掺杂浓度大于衬底10的掺杂浓度，会形成由衬底10指向第三掺杂区53的电场，而杂讯电子的方向为第三掺杂区53指向衬底10（即图7中的向下），以构成U形电场。在U形电场的作用下，当杂讯电子（图7中所示）扩散至U型电场周围时，U形电场会将相邻光电二极管20之间的杂讯电子拉离光电二极管20，即图7中杂讯电子的扩散方向向下（图7中的弯曲虚线为杂讯电子的扩散路径），以防止相邻光电二极管20之间的杂讯电子发生电性串扰，提高像素的信噪比，以提高像素质量。
综上，在本发明提供的图像传感器像素结构及其制备方法中，光电二极管位于衬底中，相邻的光电二极管之间形成有沟槽隔离结构；U型掺杂区位于衬底中且包裹光电二极管的底面和侧面，U型掺杂区包括第一掺杂区、第二掺杂区和第三掺杂区，其中，第一掺杂区和第二掺杂区沿衬底的厚度方向自上而下的排列以包裹光电二极管的侧面，第三掺杂区包裹光电二极管的底面且与第二掺杂区相接，并且第一掺杂区和第三掺杂区的掺杂浓度均大于第二掺杂区的掺杂浓度，第一掺杂区、第二掺杂区和第三掺杂区的掺杂浓度均大于衬底的掺杂浓度，以形成U型电场。本发明中由于第一掺杂区的掺杂浓度大于第二掺杂区的掺杂浓度，会形成由第二掺杂区指向第一掺杂区的电场；第三掺杂区的掺杂浓度大于第二掺杂区的掺杂浓度，会形成由第二掺杂区指向第三掺杂区的电场；第三掺杂区的掺杂浓度大于衬底的掺杂浓度，会形成由衬底指向第三掺杂区的电场，以构成U形电场；U形电场会将相邻光电二极管之间的杂讯电子拉离光电二极管，以防止相邻光电二极管之间的杂讯电子发生电性串扰，提高像素的信噪比，以提高像素质量。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种图像传感器像素结构，其特征在于，包括：
衬底；
光电二极管，位于所述衬底中，相邻的所述光电二极管之间形成有沟槽隔离结构；
U型掺杂区，位于所述衬底中且包裹所述光电二极管的底面和侧面，所述U型掺杂区包括第一掺杂区、第二掺杂区和第三掺杂区，其中，所述第一掺杂区和所述第二掺杂区沿所述衬底的厚度方向自上而下的排列以包裹所述光电二极管的侧面，所述第三掺杂区包裹所述光电二极管的底面且与所述第二掺杂区相接，并且所述第一掺杂区和所述第三掺杂区的掺杂浓度均大于所述第二掺杂区的掺杂浓度，所述第一掺杂区、所述第二掺杂区和所述第三掺杂区的掺杂浓度均大于所述衬底的掺杂浓度，以形成U型电场。
2.如权利要求1所述的图像传感器像素结构，其特征在于，所述第一掺杂区、所述第二掺杂区和所述第三掺杂区的掺杂离子均包括硼离子。
3.如权利要求2所述的图像传感器像素结构，其特征在于，所述衬底的掺杂类型为P型。
4.如权利要求1所述的图像传感器像素结构，其特征在于，所述第一掺杂区和所述第二掺杂区沿所述衬底的厚度方向的厚度相同。
5.如权利要求1或4所述的图像传感器像素结构，其特征在于，所述第二掺杂区的底面和所述第三掺杂区的底面对齐。
6.如权利要求1所述的图像传感器像素结构，其特征在于，所述光电二极管包括自上而下排列的P型钳位层和N型感光区，所述第一掺杂区和所述第二掺杂区包裹所述P型钳位层和所述N型感光区的侧面，所述第三掺杂区包裹所述N型感光区的底面。
7.如权利要求1所述的图像传感器像素结构，其特征在于，每相邻两个所述光电二极管中的至少一个被所述U型掺杂区包裹。
8.一种图像传感器像素结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
形成光电二极管位于所述衬底中，相邻的所述光电二极管之间形成有沟槽隔离结构；以及，
形成U型掺杂区位于所述衬底中且包裹所述光电二极管的底面和侧面；
其中，所述U型掺杂区包括第一掺杂区、第二掺杂区和第三掺杂区，所述第一掺杂区和所述第二掺杂区沿所述衬底的厚度方向自上而下的排列以包裹所述光电二极管的侧面，所述第三掺杂区包裹所述光电二极管的底面且与所述第二掺杂区相接，并且所述第一掺杂区和所述第三掺杂区的掺杂浓度均大于所述第二掺杂区的掺杂浓度，所述第一掺杂区、所述第二掺杂区和所述第三掺杂区的掺杂浓度均大于所述衬底的掺杂浓度，以形成U型电场。
9.如权利要求8所述的图像传感器像素结构的制备方法，其特征在于，形成所述光电二极管和所述沟槽隔离结构的步骤包括：
刻蚀所述衬底以在所述衬底中形成沟槽，在所述沟槽内填充隔离层以构成所述沟槽隔离结构；以及，
对所述衬底进行离子注入以在所述衬底中形成自上而下排列的P型钳位层和N型感光区，所述P型钳位层和所述N型感光区构成所述光电二极管。
10.如权利要求8所述的图像传感器像素结构的制备方法，其特征在于，形成所述U型掺杂区的步骤包括：
在所述衬底和所述光电二极管上形成第一图形化的光刻胶层，所述第一图形化的光刻胶层具有若干第一开口，所述第一开口显露出所述衬底的部分表面；
执行第一离子注入工艺以在所述衬底中形成所述第一掺杂区，执行第二离子注入工艺以在所述衬底中形成所述第二掺杂区；
去除所述第一图形化的光刻胶层；
在所述衬底和所述光电二极管上形成第二图形化的光刻胶层，所述第二图形化的光刻胶层具有若干第二开口，所述第二开口至少显露出所述光电二极管的表面；
执行第三离子注入工艺以在所述衬底中形成所述第三掺杂区；以及，
去除所述第二图形化的光刻胶层。
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