CN114709231B - 图像传感器及图像传感器像素结构的形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种图像传感器及图像传感器像素结构的形成方法，应用于半导体技术领域。在本发明提供的图像传感器像素结构的形成方法中，通过在传统的55nm图像传感器在低压炉管中使用硅烷生长多晶硅栅极结构的过程中，同时通入浓度可控且可以起到吸附作用的掺杂离子，以在降低形成的小尺寸图像传感器的栅极结构的金属离子污染情况的基础上，改善小尺寸图像传感器的白色像素。

Description

图像传感器及图像传感器像素结构的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种图像传感器及图像传感器像素结构的形成方法。

背景技术

CMOS图像传感器在过去十几年得到了飞速发展，现已广泛应用于手机、电脑、数码照相机等领域。通常CMOS图像传感器的一个有源像素单元包含位于外延层中的光电二极管(Photo Diode，PD)和若干晶体管，以4T结构CMOS图像传感器为例，四个晶体管具体包括转移管110(Transfer，Tx)、源极跟随管(Source Follow，SF)、复位管(Reset，RST)和行选择管(Row Select，RS)。其中，CMOS图像传感器的基本工作原理是这样的：光照前，打开复位管和转移管，将光电二极管区域的原有的电子释放；在光照时，关闭所有晶体管，在光电二极管空间电荷区产生电荷；读取时，打开转移管，将存储在PD区的电荷传输到浮动扩散节点(Floating Diffusion，FD)，传输后，转移管关闭，并等待下一次光照的进入。在浮动扩散节点上的电荷信号随后用于调整源极跟随管，将电荷转变为电压，并通过行选择管将电流输出到模数转换电路中。

目前，随着标准CMOS工艺水平的不断跃进，以及市场对小尺寸像素的需求，CMOS图像传感器的像素尺寸已经从5.6mm逐渐缩小至1.0mm。现如今为了增大光电二极管区域PD的面积，而不得不减少像素尺寸，因此，垂直栅氧工艺应运而生。具体的，现有的形成垂直栅氧的方法是：在低压炉管中使用硅烷生长多晶硅，之后会进行P离子注入，以提高多晶硅的K值，进而降低等效栅氧厚度；但是，现有的形成方法会使CMOS图像传感器产品在小尺寸条件下产生金属污染，进而最终产生白色像素的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种图像传感器及图像传感器像素结构的形成方法，以提出一种新型的形成垂直栅氧的方法，并能改善图像传感器产生白色像素的问题。

第一方面，为解决上述技术问题，本发明提供一种图像传感器像素结构的形成方法，至少可以包括如下步骤：

步骤S1，提供一半导体衬底，所述半导体衬底中形成有器件隔离结构以及通过所述器件隔离结构定义出的至少一个光电二极管区；

步骤S2，对所述光电二极管区的半导体衬底进行刻蚀，以形成每个所述光电二极管区所需的至少一个栅极沟槽；

步骤S3，通过控制并利用沉积工艺，形成每个所述光电二极管区所需的掺杂后的图形化栅极结构，且在每个所述光电二极管区中，所述图形化栅极结构至少填满各个所述栅极沟槽。

进一步的，所述步骤S3形成所述掺杂后的图形化栅极结构的步骤可以包括：将所述步骤S2中形成有栅极沟槽的半导体衬底放置在低压炉管中，并通入浓度可控的硅烷气体和掺杂气体，以至少在所述栅极沟槽中填满掺杂后的图形化栅极结构。

进一步的，步骤S3中形成的所述掺杂后的图形图形化栅极结构中所包含的掺杂离子可以为磷离子和碳离子。

进一步的，所述磷离子的浓度范围可以为：1E19-7E21/cm3。

进一步的，所述碳离子的浓度范围可以为：1E19-7E21/cm3。

进一步的，所述器件隔离结构可以为P型隔离阱。

进一步的，在所述步骤S1中提供具有器件隔离结构和光电二极管区的半导体衬底的步骤，可以包括：

提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成图形化的硬掩膜层；

以所述图形化的硬掩膜层为掩膜，对所述半导体衬底进行P型离子注入，以形成P型隔离阱结构，并在形成P型隔离阱结构之前或者之后，采用第一导电类型离子对所述半导体衬底进行阱离子注入，以形成光电二极管区；

采用第二导电类型离子对所述光电二极管区的表层进行离子注入，以在所述光电二极管区中形成光电二极管。

进一步的，在步骤S3中通过控制并利用沉积工艺，形成每个所述光电二极管区所需的掺杂后的图形化栅极结构的步骤之前，还可以包括：通过热氧化工艺或者沉积工艺形成栅氧化层。

进一步的，在所述步骤S3中形成的所述掺杂后的图形化栅极结构还可以延伸覆盖在所述栅极沟槽两侧所对应的半导体衬底的表面上。

第二方面，基于相同的发明构思，本发明还提供了一种图像传感器，具体的，所述图像传感器可以包括多个像素结构，其中每个所述像素结构均可以采用如上所述的图像传感器像素结构的形成方法形成。

与现有技术相比，本发明技术方案至少存在如下有益效果之一：

在本发明提供的图像传感器像素结构的形成方法中，通过在传统的55nm图像传感器在低压炉管中使用硅烷生长多晶硅栅极结构的过程中，同时通入浓度可控且可以起到吸附作用的掺杂离子，以在降低形成的小尺寸图像传感器的栅极结构的金属离子污染情况的基础上，改善小尺寸图像传感器的白色像素。

附图说明

图1为本发明一实施例中的图像传感器像素结构形成方法的流程示意图；

图2a～图2c为本发明一实施例中的图像传感器像素结构的形成方法在其制备过程中的结构示意图。

其中，附图标记如下：

100-半导体衬底； 101-器件隔离结构(P型隔离阱)；

102-栅极沟槽； 110-光电二极管区；

120-图形化栅极结构。

具体实施方式

承如背景技术所述，目前，随着标准CMOS工艺水平的不断跃进，以及市场对小尺寸像素的需求，CMOS图像传感器的像素尺寸已经从5.6mm逐渐缩小至1.0mm。现如今为了增大光电二极管区域PD的面积，而不得不减少像素尺寸，因此，垂直栅氧工艺应运而生。具体的，现有的形成垂直栅氧的方法是：在低压炉管中使用硅烷生长多晶硅，之后在形成作为栅极结构的多晶硅层的表面上进行P离子注入，以提高多晶硅层的K值，进而降低等效栅氧厚度；但是，现有的形成方法会使CMOS图像传感器产品在小尺寸条件下产生金属污染，进而最终产生白色像素的问题。

为此，本发明提供了一种图像传感器像素结构的形成方法，以提出一种新型的形成垂直栅氧的方法，并能改善图像传感器产生白色像素的问题。

参考图1，图1为本发明提供的一种图像传感器像素结构形成方法的流程示意图。具体包括如下步骤：

步骤S1，提供一半导体衬底，所述半导体衬底中形成有器件隔离结构以及通过所述器件隔离结构定义出的至少一个光电二极管区；

步骤S2，对所述光电二极管区的半导体衬底进行刻蚀，以形成每个所述光电二极管区所需的至少一个栅极沟槽；

步骤S3，通过控制并利用沉积工艺，形成每个所述光电二极管区所需的掺杂后的图形化栅极结构，且在每个所述光电二极管区中，所述图形化栅极结构至少填满各个所述栅极沟槽。

即，在本发明提供的图像传感器像素结构的形成方法中，通过在传统的55nm图像传感器在低压炉管中使用硅烷生长多晶硅栅极结构的过程中，同时通入浓度可控且可以起到吸附作用的掺杂离子，以在降低形成的小尺寸图像传感器的栅极结构的金属离子污染情况的基础上，改善小尺寸图像传感器的白色像素(减少白色像素)。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的图像传感器及图像传感器像素结构的形成方法作进一步详细说明。根据下面说明，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。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

其中，图2a～图2c为本发明一实施例中的图像传感器像素结构的形成方法在其制备过程中的结构示意图。

在步骤S1中，具体参考图2a所示，提供一半导体衬底100，所述半导体衬底100中形成有器件隔离结构101以及通过所述器件隔离结构101定义出的至少一个光电二极管区110。其中，所述半导体衬底100可以是本领域公知的任意合适的底材，例如可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅(Si)、锗(Ge)、锗硅(SiGe)、碳硅(SiC)、碳锗硅(SiGeC)、砷化铟(InAs)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或者其它III/V化合物半导体，还包括这些半导体构成的多层结构等，或者为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)，或者还可以为双面抛光硅片(Double Side Polished Wafers，DSP)，也可为氧化铝等的陶瓷基底、石英或玻璃基底等。示例性的，本实施例中半导体衬底100例如为硅晶圆。

需要说明的是，本发明实施例中，所述器件隔离结构101可以为P型隔离阱，当然，所述器件隔离结构101也可以是N型隔离阱，具体可以根据形成的图像传感器的类型决定，对此本发明不做具体限定。

在本实施例中，图像传感器例如为CMOS图像传感器，可以包括像素区域以及外围电路区域(未图示)，其中像素区域可以包括阵列分布的多个像素结构。其中，每个像素结构用来将入射光线转换为电信号输出，因而均包括具有光电转换功能的光电二极管以及控制电子读出的多个晶体管(未图示)。示例性的，本发明实施例中的所述CMOS图像传感器的像素结构可以为4像素共享浮动扩散点的像素结构(未图示)。具体的，该像素结构中被器件隔离结构101隔离开的所有光电二极管区110可以按阵列排布。在所述每个光电二极管区110中形成有图形化栅极结构120(如图2c所示)。

需要说明的是，在另一实施例中，所述光电二极管区110也可以用于连接到电荷耦合(CCD)图像传感器。对于在像素区域分布的众多像素结构，本发明实施例中以其中的一个像素结构进行说明，该像素结构的剖面结构采用了如图2c所示的结构。可以理解，像素区域的众多像素结构中，部分像素结构也可以采用与本发明所描述的结构不同的设计。

可选的方案，本发明实施例还提供了一种形成所述器件隔离结构101和光电二极管区110的半导体衬底100的方式，具体包括如下步骤：

首先，具体参考图2a，提供半导体衬底100，半导体衬底100可以是本领域技术人所熟知的任意合适的衬底材料，其可以是裸硅衬底、绝缘体上硅衬底等，也可以是表面上具有掺杂的外延层的衬底，例如半导体衬底100由硅基底及其表面上的硅锗外延层组成。在所述半导体衬底100上形成有图形化的掩膜层(未图示)和保护层(未图示)，所述保护层可以为P型注入层；

接着，继续参考图2a，以所述图形化的掩膜层为掩膜，对在所述半导体衬底100进行P型离子注入，以形成包含P型隔离阱结构，作为器件隔离结构101，并在形成器件隔离结构101之前或者之后，采用第一导电类型离子对所述半导体衬底100进行阱离子注入，以形成光电二极管区110；

之后，采用第二导电类型离子对所述光电二极管区110的表层进行离子注入，以在所述光电二极管区110中形成光电二极管。

其中，所述第一导电类型离子可以为P型离子，例如，硼离子，所述第二导电类型离子可以为N型离子，例如，磷离子。本发明实施例中，可以通过在半导体衬底100中进行P型离子注入，从而形成P阱，之后，再在该P阱中的部分区域进行N型离子注入，形成光电二极管。

在步骤S2中，具体参考图2b所示，对所述光电二极管区110的半导体衬底100进行刻蚀，以形成每个所述光电二极管区110所需的至少一个栅极沟槽102。其中，所述栅极沟槽102可以是工艺所允许的任意形式的多边形环，例如正方形环、五边形环、五角星环、六边形环等等；

需要说明的是，每个所述光电二极管区110所需的栅极沟槽102可以完全位于所述光电二极管区110内，每个所述光电二极管区110所需的所述图形化栅极结构完全位于所述光电二极管区110内。当然，每个所述光电二极管区110所需的栅极沟槽102可以部分位于所述光电二极管区110内，对此本发明不做具体限定。且形成所述栅极沟槽102的刻蚀工艺可以为湿法刻蚀工艺或者为干法刻蚀工艺，还可以是湿法和干法刻蚀工艺的混合工艺。

在步骤S3中，具体参考图2c所示，通过控制并利用沉积工艺，形成每个所述光电二极管区110所需的掺杂后的图形化栅极结构120，且在每个所述光电二极管区110中，所述图形化栅极结构120至少填满各个所述栅极沟槽102。

其中，步骤S3中形成的所述掺杂后的图形化栅极结构120还延伸覆盖在所述栅极沟槽102两侧所对应的半导体衬底100的表面上。

在本实施例中，可以将所述步骤S2中形成有栅极沟槽102的半导体衬底100放置在预设的低压炉管中，并通入浓度可控的硅烷气体和掺杂气体，然后，通过控制所述通入的掺杂气体的流量，以达到至少在所述栅极沟槽102中填满掺杂离子浓度可控的掺杂后的图形化栅极结构120。具体的，所述掺杂离子示例性的是磷离子和碳离子。示例性的，所述磷离子的浓度范围为：1E19-7E21/cm3。所述碳离子的浓度范围为：1E19-7E21/cm3。

在形成所述图形化栅极结构120的过程中，同时注入所述磷掺杂离子的作用是提供作为图形化栅极结构120的多晶硅材料的介电常数K，以实现降低等效栅氧厚度的目的。而在形成所述图形化栅极结构120的过程中，同时注入所述碳掺杂离子的作用是利用所述碳掺杂离子的吸附作用，以降低现有技术中在形成所述垂直栅氧结构(图形化栅极结构120)过程中由于金属污染导致的白色像素增多的问题，即，利用本发明提供的图像传感器的形成方法可以在降低形成的小尺寸图像传感器的栅极结构的金属离子污染情况的基础上，改善小尺寸图像传感器的白色像素(减小白色像素)。

进一步的，在步骤S3中通过控制并利用沉积工艺，形成每个所述光电二极管区110所需的掺杂后的图形化栅极结构120的步骤之前，本发明提供的形成方法还可以包括通过热氧化工艺或者沉积工艺形成栅氧化层(未图示)。

此外，基于上述所述的图像传感器像素结构的形成方法，本发明实施例中还提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括多个像素结构，其中每个像素结构可以采用如上所述的图像传感器像素结构的形成方法形成。

综上所述，在本发明提供的图像传感器像素结构的形成方法中，通过在传统的55nm图像传感器在低压炉管中使用硅烷生长多晶硅栅极结构的过程中，同时通入浓度可控且可以起到吸附作用的掺杂离子，以在降低形成的小尺寸图像传感器的栅极结构的金属离子污染情况的基础上，改善小尺寸图像传感器的白色像素。

需要说明的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

此外还应该认识到，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”和“一种”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。例如，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。以及，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此外，本发明实施例中的方法和/或设备的实现可包括手动、自动或组合地执行所选任务。

Claims (8)

1.一种图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，至少包括如下步骤：

步骤S1，提供一半导体衬底，所述半导体衬底中形成有器件隔离结构以及通过所述器件隔离结构定义出的至少一个光电二极管区；

步骤S2，对所述光电二极管区的半导体衬底进行刻蚀，以形成每个所述光电二极管区所需的至少一个栅极沟槽；

步骤S3，通过控制并利用沉积工艺，形成每个所述光电二极管区所需的掺杂后的图形化栅极结构，且在每个所述光电二极管区中，所述图形化栅极结构至少填满各个所述栅极沟槽；

所述步骤S3形成所述掺杂后的图形化栅极结构的步骤包括：将所述步骤S2中形成有栅极沟槽的半导体衬底放置在低压炉管中，并通入浓度可控的硅烷气体和掺杂气体，以至少在所述栅极沟槽中填满掺杂后的图形化栅极结构；并且，步骤S3中形成的所述掺杂后的图形图形化栅极结构中所包含的掺杂离子为磷离子和碳离子。

2.如权利要求1所述的图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，所述磷离子的浓度范围为：1E19-7E21/cm3。

3.如权利要求1所述的图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，所述碳离子的浓度范围为：1E19-7E21/cm3。

4.如权利要求1所述的图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，所述器件隔离结构为P型隔离阱。

5.如权利要求4所述的图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，提供具有器件隔离结构和光电二极管区的半导体衬底的步骤，包括：

提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成图形化的硬掩膜层；

以所述图形化的硬掩膜层为掩膜，对所述半导体衬底进行P型离子注入，以形成P型隔离阱结构，并在形成P型隔离阱结构之前或者之后，采用第一导电类型离子对所述半导体衬底进行阱离子注入，以形成光电二极管区；

采用第二导电类型离子对所述光电二极管区的表层进行离子注入，以在所述光电二极管区中形成光电二极管。

6.如权利要求1所述的图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，在步骤S3中通过控制并利用沉积工艺，形成每个所述光电二极管区所需的掺杂后的图形化栅极结构的步骤之前，还包括通过热氧化工艺或者沉积工艺形成栅氧化层。

7.如权利要求1所述的图像传感器像素结构的形成方法，其特征在于，步骤S3中形成的所述掺杂后的图形化栅极结构还延伸覆盖在所述栅极沟槽两侧所对应的半导体衬底的表面上。

8.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括多个像素结构，其中每个所述像素结构采用权利要求1至7中任一项所述的图像传感器像素结构的形成方法形成。