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CN109560097A - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents

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CN109560097A
CN109560097A CN201811392984.7A CN201811392984A CN109560097A CN 109560097 A CN109560097 A CN 109560097A CN 201811392984 A CN201811392984 A CN 201811392984A CN 109560097 A CN109560097 A CN 109560097A
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silicon substrate
substrate layer
silicon
doped region
semiconductor substrate
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黄心怡
张超
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Huaian Imaging Device Manufacturer Corp
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Abstract

一种图像传感器及其形成方法，所述图像传感器包括：半导体衬底，所述半导体衬底包括堆叠的第一硅衬底层、衬底氧化层以及第二硅衬底层；传输栅极，位于所述第二硅衬底层的表面；浮置扩散区，位于所述传输栅极的一侧的半导体衬底内；光电二极管掺杂区，位于所述第一硅衬底层内；导通结构，位于所述传输栅极的另一侧的半导体衬底内，穿通所述第二硅衬底层以及衬底氧化层且与所述光电二极管掺杂区电连接。本发明方案可以有机会获得更高的满阱容量。

Description

图像传感器及其形成方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法。
背景技术
在现有技术中，为了更好地实现集成电路中元器件的介质隔离，以及消除半导体器件中的寄生闩锁效应，绝缘体上硅(Silicon on Insulator，SOI)衬底得到了广泛应用。其中，所述SOI衬底可以包括自下而上堆叠的第一硅衬底层、衬底氧化层以及第二硅衬底层。
在采用SOI衬底形成CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)的工艺中，通常仅在第二硅衬底层内形成光电二极管(Photo Diode，PD)掺杂区以及浮置扩散区(FloatingDiffusion，FD)。
然而，随着更小像素单元的开发，受制于用于形成PD区域的空间限制，像素单元的满阱容量(Full Well Capacity，FWC)下降。具体地，满阱容量是像素在导致信号劣化的饱和之前可以保持的最大电荷。当像素中的电荷超过饱和水平时，电荷开始填充相邻像素，从而发生高光溢出(Blooming)的问题，降低图像传感器的品质。
在现有技术中，通过增加PD区域的深度以增加像素单元的满阱容量，然而PD区域的深度受到SOI衬底中第二硅衬底层的厚度限制，且PD区域的深度过深则容易导致图像滞后。
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，可以有机会获得更高的满阱容量。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底包括堆叠的第一硅衬底层、衬底氧化层以及第二硅衬底层；传输栅极，位于所述第二硅衬底层的表面；浮置扩散区，位于所述传输栅极的一侧的半导体衬底内；光电二极管掺杂区，位于所述第一硅衬底层内；导通结构，位于所述传输栅极的另一侧的半导体衬底内，穿通所述第二硅衬底层以及衬底氧化层且与所述光电二极管掺杂区电连接。
可选的，所述光电二极管掺杂区的边界延伸至所述浮置扩散区的下方。
可选的，所述导通结构的材料为N型掺杂多晶硅。
可选的，所述的图像传感器还包括：N型掺杂硅区，所述N型掺杂硅区位于所述第一硅衬底层内，所述导通结构经由所述N型掺杂硅区与所述光电二极管掺杂区电连接；其中，所述N型掺杂硅区内的掺杂浓度大于所述光电二极管掺杂区的掺杂浓度。
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，所述半导体衬底包括堆叠的第一硅衬底层、衬底氧化层以及第二硅衬底层；形成导通沟槽，所述导通沟槽穿通所述第二硅衬底层以及衬底氧化层；向所述导通沟槽内填充导电材料以形成导通结构；在所述半导体衬底内形成浮置扩散区；在所述第二硅衬底层的表面形成传输栅极；在所述第一硅衬底层内形成光电二极管掺杂区，所述光电二极管掺杂区与所述导通结构电连接；其中，所述浮置扩散区位于所述传输栅极的一侧的半导体衬底内，所述导通结构位于所述传输栅极的另一侧的半导体衬底内。
可选的，所述第一硅衬底层具有正面以及背面，所述第一硅衬底层的正面与所述衬底氧化层接触，在所述第一硅衬底层内形成光电二极管掺杂区包括：自背面对所述第一硅衬底层进行减薄；自所述第一硅衬底层的背面，向所述第一硅衬底层内进行离子注入，以形成所述光电二极管掺杂区。
可选的，所述光电二极管掺杂区的边界延伸至所述浮置扩散区的下方。
可选的，所述导通结构的材料为N型掺杂多晶硅。
可选的，向所述导通沟槽内填充导通材料以形成导通结构之前，所述的图像传感器的形成方法还包括：向所述导通沟槽的底部暴露出的所述第一硅衬底层进行离子注入，以在所述第一硅衬底层内形成N型掺杂硅区；其中，所述N型掺杂硅区的底部与所述光电二极管掺杂区连接，且所述N型掺杂硅区内的掺杂浓度大于所述光电二极管掺杂区的掺杂浓度。
可选的，所述N型掺杂硅区内的掺杂浓度小于所述浮置扩散区的掺杂浓度。
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：
在本发明实施例中，提供一种图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底包括堆叠的第一硅衬底层、衬底氧化层以及第二硅衬底层；传输栅极，位于所述第二硅衬底层的表面；浮置扩散区，位于所述传输栅极的一侧的半导体衬底内；光电二极管掺杂区，位于所述第一硅衬底层内；导通结构，位于所述传输栅极的另一侧的半导体衬底内，穿通所述第二硅衬底层以及衬底氧化层且与所述光电二极管掺杂区电连接。采用上述方案，通过设置光电二极管掺杂区位于半导体衬底的第一硅衬底层内，并且设置导通结构位于所述传输栅极的另一侧的半导体衬底内且与所述光电二极管掺杂区电连接，相比于现有技术中将光电二极管掺杂区设置于第二硅衬底层内，采用本发明实施例的方案，可以将光电二极管掺杂区移至空间更大的第一硅衬底层内，且不影响光生载流子从光电二极管掺杂区移动至浮置扩散区，从而有机会获得更高的满阱容量。
进一步，所述光电二极管掺杂区的边界延伸至所述浮置扩散区的下方，相比于现有技术中光电二极管掺杂区位于传输栅极的一侧的半导体衬底内，宽度与深度均受到限制，采用本发明实施例的方案，所述光电二极管掺杂区的区域更大，有助于提高图像传感器的品质。
进一步，所述导通结构的材料为N型掺杂多晶硅，当传输栅极开启时，光生载流子能够在势能的影响下从光电二极管掺杂区经由导通结构移动至浮置扩散区。
进一步，所述图像传感器还包括N型掺杂硅区，且所述N型掺杂硅区内的掺杂浓度大于所述光电二极管掺杂区的掺杂浓度，采用本发明实施例的方案，可以形成自光电二极管掺杂区至N型掺杂硅区的浓度的阶跃变化，有助于使得更多的光生载流子在光电二极管掺杂区与N型掺杂硅区之间移动，提高图像传感器的品质。
附图说明
图1是现有技术中一种图像传感器的器件剖面结构示意图；
图2是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图；
图3至图9是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。
具体实施方式
在现有的图像传感器技术中，为了增加像素单元的满阱容量，需要增大PD区域。
本发明的发明人经过研究发现，在现有技术中，难以通过直接增加PD区域深度或宽度的方式增加像素单元的满阱容量。
参照图1，图1是现有技术中一种图像传感器的器件剖面结构示意图。
所述图像传感器可以包括半导体衬底100，所述半导体衬底100可以包括堆叠的第一硅衬底层101、衬底氧化层102以及第二硅衬底层103。
所述图像传感器还可以包括光电二极管掺杂区120、传输栅极130以及浮置扩散区140。
其中，所述传输栅极可以位于所述第二硅衬底层103的表面，所述光电二极管掺杂区120可以位于所述传输栅极130的一侧的第二硅衬底层103内，所述浮置扩散区140可以位于所述传输栅极的另一侧的第二硅衬底层103内。
进一步地，所述图像传感器还可以包括隔离结构110，所述隔离结构110用于对所述第二硅衬底层103内的半导体器件进行隔离。
如图1所示，当通过增加光电二极管掺杂区120的深度以增加像素单元的满阱容量时，由于光电二极管掺杂区120的深度受到半导体衬底中第二硅衬底层的厚度限制，导致增加的空间非常有限，并且，仅仅增加光电二极管掺杂区120的深度，还容易导致图像滞后。
在现有的另一种具体实施方式中，通过将光电二极管掺杂区设置为L型，使所述光电二极管掺杂区的边界在所述第二硅衬底层内延伸至所述浮置扩散区的下方，以增大所述光电二极管掺杂区，然而，由于光电二极管掺杂区与浮置扩散区的距离较近，容易发生电子串扰问题。
在本发明实施例中，提供一种图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底包括堆叠的第一硅衬底层、衬底氧化层以及第二硅衬底层；传输栅极，位于所述第二硅衬底层的表面；浮置扩散区，位于所述传输栅极的一侧的半导体衬底内；光电二极管掺杂区，位于所述第一硅衬底层内；导通结构，位于所述传输栅极的另一侧的半导体衬底内，穿通所述第二硅衬底层以及衬底氧化层且与所述光电二极管掺杂区电连接。采用上述方案，通过设置光电二极管掺杂区位于半导体衬底的第一硅衬底层内，并且设置导通结构位于所述传输栅极的另一侧的半导体衬底内且与所述光电二极管掺杂区电连接，相比于现有技术中将光电二极管掺杂区设置于第二硅衬底层内，采用本发明实施例的方案，可以将光电二极管掺杂区移至空间更大的第一硅衬底层内，且不影响光生载流子从光电二极管掺杂区移动至浮置扩散区。
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。
参照图2，图2是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图。所述图像传感器的形成方法可以包括步骤S21至步骤S26：
步骤S21：提供半导体衬底，所述半导体衬底包括堆叠的第一硅衬底层、衬底氧化层以及第二硅衬底层；
步骤S22：形成导通沟槽，所述导通沟槽穿通所述第二硅衬底层以及衬底氧化层；
步骤S23：向所述导通沟槽内填充导电材料以形成导通结构；
步骤S24：在所述半导体衬底内形成浮置扩散区；
步骤S25：在所述第二硅衬底层的表面形成传输栅极；
步骤S26：在所述第一硅衬底层内形成光电二极管掺杂区，所述光电二极管掺杂区与所述导通结构电连接。
其中，所述浮置扩散区位于所述传输栅极的一侧的半导体衬底内，所述导通结构位于所述传输栅极的另一侧的半导体衬底内。
下面结合图3至图9对上述各个步骤进行说明。
图3至图9是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。
参照图3，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200可以包括堆叠的第一硅衬底层201、衬底氧化层202以及第二硅衬底层203，进而在半导体衬底200内形成第一隔离结构210。
其中，半导体衬底200可以为SOI衬底，还可以为其他具有堆叠结构的半导体衬底；所述衬底氧化层202的材料可以为氧化硅，例如SiO2。
需要指出的是，所述第一硅衬底层201以及第二硅衬底层203的材料可以为现有技术中最广泛应用的硅衬底，然而还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适当的应用于图像传感器的材料，还可以为绝缘体表面的硅衬底或者绝缘体表面的锗衬底。其中，所述第二硅衬底层203还可以生长有外延层(Epitaxy layer，Epi layer)的衬底。
进一步地，可以在所述半导体衬底200内形成第一隔离结构210，所述第一隔离结构210用于隔离多个有源区，其中，每个有源区可以包括位于同一传输栅极两侧的光电二极管掺杂区以及浮置扩散区。在本发明实施例中，由于所述光电二极管掺杂区位于第一硅衬底层201，则每个有源区还可以包括位于同一传输栅极两侧的导通结构以及浮置扩散区。
参照图4，在所述第二硅衬底层203的表面形成图案化的掩膜层261，以所述图案化的掩膜层261为掩膜对所述第二硅衬底层203以及衬底氧化层202进行刻蚀，以形成导通沟槽271。
具体地，所述导通沟槽271穿通所述第二硅衬底层203以及衬底氧化层202。
参照图5，向所述导通沟槽271(参照图4)的底部暴露出的所述第一硅衬底层201进行离子注入，以在所述第一硅衬底层201内形成N型掺杂硅区221。
其中，所述N型掺杂硅区221的掺杂离子可以为N型，例如可以包括P、As或Sb。
作为一个非限制性的例子，可以采用P离子作为注入离子，注入能量为3KeV至7KeV，注入浓度为1E13到1E14。
在本发明实施例中，可以复用掩膜层261在离子注入工艺中，对第一硅衬底层201进行保护。
在具体实施中，所述N型掺杂硅区221的底部可以与后续形成的光电二极管区连接，且所述N型掺杂硅区221内的掺杂浓度大于所述光电二极管掺杂区的掺杂浓度。
在本发明实施中，所述图像传感器还可以包括N型掺杂硅区221，且所述N型掺杂硅区221内的掺杂浓度大于后续形成的光电二极管掺杂区的掺杂浓度，采用本发明实施例的方案，可以形成自光电二极管掺杂区至N型掺杂硅区221的浓度的阶跃变化，有助于使得更多的光生载流子在光电二极管掺杂区与N型掺杂硅区221之间移动，提高图像传感器的品质。
参照图6，向所述导通沟槽内填充导电材料以形成导通结构222。
在具体实施中，所述导通结构222用于将光生载流子(例如电子)自光电二极管掺杂区传输至浮置扩散区。
进一步地，所述导通结构222的材料可以为N型掺杂多晶硅(N-doped Poly)。
需要指出的是，所述导通结构222的材料还可以为其他用于导电的材料，例如为锗硅(GeSi)材料。
具体地，相比于金属材料或金属硅化物材料可能会带来金属污染，且难以在传输栅极开启时，传输足够的光生载流子，采用N型掺杂多晶硅形成所述导通结构222，有助于避免金属污染，且在传输栅极开启时，能够在势能的影响下，更好地将光电二极管掺杂区内的光生载流子传输至浮置扩散区。
在具体实施中，可以向反应腔室内提供硅源气体以及掺杂源气体，以通过沉积工艺在导通沟槽内形成N型掺杂多晶硅，也即形成导通结构222。其中，所述掺杂源气体用于提供所述N型掺杂离子。
在本发明实施例中，所述导通结构222的材料为N型掺杂多晶硅，当传输栅极开启时，光生载流子能够在势能的影响下从光电二极管掺杂区经由导通结构222移动至浮置扩散区。
参照图7，在所述半导体衬底200内形成浮置扩散区240，在所述第二硅衬底层203的表面形成传输栅极(Transmission Gate Electrode)230。
具体地，可以通过离子注入工艺，形成所述浮置扩散区240，其中，所述浮置扩散区240可以位于所述传输栅极230的一侧的半导体衬底200内，所述导通结构222可以位于所述传输栅极230的另一侧的半导体衬底200内。
需要指出的是，所述传输栅极230下方的半导体衬底内具有传输通道，通过在所述传输栅极230上施加电压，可以使所述导通结构222与所述浮置扩散区240之间导通或中断，从而实现光生载流子的传输。可以理解的是，所述浮置扩散区240可以位于所述第二硅衬底层202内，以更好地接收所述光生载流子，然而，本发明实施例对所述浮置扩散区240的具体位置不作限制。
进一步地，所述N型掺杂硅区221内的掺杂浓度可以小于所述浮置扩散区240的掺杂浓度。
其中，所述浮置扩散区240的掺杂离子可以为N型，例如可以包括P、As或Sb。
作为一个非限制性的例子，可以采用P离子作为注入离子，注入能量为5KeV至10KeV，注入浓度为1E15至1E16。
在本发明实施例中，通过设置所述N型掺杂硅区221内的掺杂浓度小于所述浮置扩散区240的掺杂浓度，可以形成自光电二极管掺杂区、N型掺杂硅区221至浮置扩散区240之间依次增大的掺杂浓度的阶跃变化，有助于使得更多的光生载流子在光电二极管掺杂区、N型掺杂硅区221至浮置扩散区240之间移动，提高图像传感器的品质。
参照图8，自背面对所述第一硅衬底层201进行减薄，进而可以在所述半导体衬底200内形成第二隔离结构212。
其中，所述第一硅衬底层201具有正面以及背面，所述第一硅衬底层201的正面与所述衬底氧化层202接触。
具体地，当所述衬底氧化层202的材料为氧化硅，具有隔离作用时，所述第二隔离结构212可以位于所述第一硅衬底层201内，用于隔离后续形成的光电二极管掺杂区。
需要指出的是，所述第二隔离结构212的宽度可以与所述第一隔离结构210的宽度相同或不同。在本发明实施例中，对于第二隔离结构212与所述第一隔离结构210的具体宽度不作限制。
参照图9，自所述第一硅衬底层201的背面，向所述第一硅衬底层201内进行离子注入，以形成所述光电二极管掺杂区220，所述光电二极管掺杂区220与所述导通结构222电连接。
其中，所述N型掺杂硅区201的底部与所述光电二极管掺杂区220连接，且所述N型掺杂硅区201内的掺杂浓度大于所述光电二极管掺杂区220的掺杂浓度。
在本发明实施例中，通过设置光电二极管掺杂区220位于半导体衬底200的第一硅衬底层201内，并且设置导通结构222位于所述传输栅极230的另一侧的半导体衬底200内且与所述光电二极管掺杂区220电连接，相比于现有技术中将光电二极管掺杂区220设置于第二硅衬底层202内，采用本发明实施例的方案，可以将光电二极管掺杂区220移至空间更大的第一硅衬底层201内，且不影响光生载流子从光电二极管掺杂区220移动至浮置扩散区240，从而有机会获得更高的满阱容量。
进一步地，所述光电二极管掺杂区220的边界可以延伸至所述浮置扩散区240的下方。
在本发明实施例中，所述光电二极管掺杂区220的边界延伸至所述浮置扩散区240的下方，相比于现有技术中光电二极管掺杂区220位于传输栅极230的一侧的半导体衬底200内，宽度与深度均受到限制，采用本发明实施例的方案，所述光电二极管掺杂区220的区域更大，有助于提高图像传感器的品质。
需要指出的是，在本发明实施例中，所述光电二极管掺杂区220的深度也可以更深，例如为2um至5um，优选为4um。
其中，以光电二极管掺杂区220的深度为4um为例，作为一个非限制性的例子，离子注入工艺的注入能量可以大于等于8MeV，注入浓度为1E12到1E13。
进一步地，为了提高光电二极管掺杂区220的浓度的均匀性，可以分不同能量多次注入，然后采用退火工艺使形成的光电二极管掺杂区220更加均匀。
在本发明实施例中，还提供一种图像传感器，参照图9，可以包括：半导体衬底200，所述半导体衬底200包括堆叠的第一硅衬底层201、衬底氧化层202以及第二硅衬底层203；传输栅极230，位于所述第二硅衬底层202的表面；浮置扩散区240，位于所述传输栅极230的一侧的半导体衬底200内；光电二极管掺杂区220，位于所述第一硅衬底层201内；导通结构222，位于所述传输栅极230的另一侧的半导体衬底200内，穿通所述第二硅衬底层203以及衬底氧化层202且与所述光电二极管掺杂区220电连接。
进一步地，所述光电二极管掺杂区220的边界可以延伸至所述浮置扩散区240的下方。
进一步地，所述导通结构222的材料可以为N型掺杂多晶硅。
进一步地，所述图像传感器还可以包括：N型掺杂硅区221，所述N型掺杂硅区221位于所述第一硅衬底层201内，所述导通结构222经由所述N型掺杂硅区221与所述光电二极管掺杂区220电连接；其中，所述N型掺杂硅区221内的掺杂浓度大于所述光电二极管掺杂区220的掺杂浓度。
进一步地，所述N型掺杂硅区221内的掺杂浓度可以小于所述浮置扩散区240的掺杂浓度。
关于该图像传感器的原理、具体实现和有益效果请参照前文及图2至图9示出的关于图像传感器的形成方法的相关描述，此处不再赘述。
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，其特征在于，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底包括堆叠的第一硅衬底层、衬底氧化层以及第二硅衬底层；
传输栅极，位于所述第二硅衬底层的表面；
浮置扩散区，位于所述传输栅极的一侧的半导体衬底内；
光电二极管掺杂区，位于所述第一硅衬底层内；
导通结构，位于所述传输栅极的另一侧的半导体衬底内，穿通所述第二硅衬底层以及衬底氧化层且与所述光电二极管掺杂区电连接。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光电二极管掺杂区的边界延伸至所述浮置扩散区的下方。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述导通结构的材料为N型掺杂多晶硅。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，还包括：
N型掺杂硅区，所述N型掺杂硅区位于所述第一硅衬底层内，所述导通结构经由所述N型掺杂硅区与所述光电二极管掺杂区电连接；
其中，所述N型掺杂硅区内的掺杂浓度大于所述光电二极管掺杂区的掺杂浓度。
5.一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，所述半导体衬底包括堆叠的第一硅衬底层、衬底氧化层以及第二硅衬底层；
形成导通沟槽，所述导通沟槽穿通所述第二硅衬底层以及衬底氧化层；
向所述导通沟槽内填充导电材料以形成导通结构；
在所述半导体衬底内形成浮置扩散区；
在所述第二硅衬底层的表面形成传输栅极；
在所述第一硅衬底层内形成光电二极管掺杂区，所述光电二极管掺杂区与所述导通结构电连接；
其中，所述浮置扩散区位于所述传输栅极的一侧的半导体衬底内，所述导通结构位于所述传输栅极的另一侧的半导体衬底内。
6.根据权利要求5所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一硅衬底层具有正面以及背面，所述第一硅衬底层的正面与所述衬底氧化层接触，在所述第一硅衬底层内形成光电二极管掺杂区包括：
自背面对所述第一硅衬底层进行减薄；
自所述第一硅衬底层的背面，向所述第一硅衬底层内进行离子注入，以形成所述光电二极管掺杂区。
7.根据权利要求5所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述光电二极管掺杂区的边界延伸至所述浮置扩散区的下方。
8.根据权利要求5所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述导通结构的材料为N型掺杂多晶硅。
9.根据权利要求8所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，向所述导通沟槽内填充导通材料以形成导通结构之前，还包括：
向所述导通沟槽的底部暴露出的所述第一硅衬底层进行离子注入，以在所述第一硅衬底层内形成N型掺杂硅区；
其中，所述N型掺杂硅区的底部与所述光电二极管掺杂区连接，且所述N型掺杂硅区内的掺杂浓度大于所述光电二极管掺杂区的掺杂浓度。
10.根据权利要求9所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述N型掺杂硅区内的掺杂浓度小于所述浮置扩散区的掺杂浓度。
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