图像传感器及其形成方法

技术领域

本发明涉及一种图像传感器及其形成方法。

背景技术

图像传感器作为将光信号转化为电信号的关键器件单元，广泛应用于智能手机、平板电脑、汽车、医疗等各类新兴领域。

随着对图像传感器性能要求的提高，市场对图像传感器的噪声要求也在逐步降低。在常规的图像传感器中，所有的器件都在硅片正面制作，因此硅片正面需要经受多次的刻蚀、生长、注入等工艺步骤。这些工艺步骤会在硅晶格中造成大量不完整的晶格位点，同时也会引入杂质沾污。由于工艺步骤均在硅片正面进行，缺陷以及沾污沿硅片深度方向常会有一个密度分布，靠近硅片上表面位置密度最高。缺陷、杂质均可能在硅能带中引入隙间能级，进而大幅增加载流子的自发产生率和复合率。因此，硅衬底的上表面在图像传感器中是常规的噪声电流（暗电流）来源。

由于图像传感器中，衬底硅-氧化硅界面所产生的暗电流是光电二极管所收集到的背底电流的主要成分，因此降低硅界面暗电流的产生，以及阻止硅界面暗电流的扩散是降低图像传感器噪声水平的两个重要方向。由于不可能无限度的提高硅表面氧化层的质量，图像传感器常常使用较高浓度的P型钉扎注入来分隔硅界面与光电二极管，使界面缺陷能级被空穴直接钉扎，或使界面暗电流的噪声电子在穿越P型钉扎层过程中被空穴复合。也即是说，在图像传感器中，在硅衬底表面制作较浓的P型注入钉扎层是一种常见的设计思路。P型钉扎层覆盖于光电二极管的大部分面积之上，通过降低电子的自由程来阻挡界面暗电流向光电二极管的扩散。

对于具有较大面积像素的图像传感器，因为其所需的单位面积满阱电容较低，读出电势需求相对较低，所以在设计上可以通过拉开光电二极管与衬底上表面的距离降低表面噪声的影响。因此，在较大面积像素中，由于光电二极管的耗尽电压较低，P型钉扎层可以以较低的注入浓度搭配较深的光电二极管注入来满足隔离界面暗电流的需求。

但是随着图像传感器的发展，像素尺寸在逐步减小，单位面积满阱电容要求在快速增加，光电二极管的掺杂密度以及体积占比随之快速上升。此时，光电二极管离硅衬底上表面的距离明显减小，进而迫使P型钉扎层减薄。同时，为了保持一定的暗电流阻隔能力，必须增加钉扎注入的剂量，也就是说，减薄的钉扎层必须搭配更高的P型注入量来保证噪声阻挡能力，因此所需的P型钉扎层掺杂浓度一般在1E19 atom/cm

发明内容

本发明的目的在于提供一种图像传感器及其形成方法，在较低的钉扎层浓度需求的情况下，降低界面暗电流对光电二极管的影响，以满足现有小尺寸像素的设计需求，有利于小尺寸像素的图像传感器的信噪比提升。

基于以上考虑，本发明的一个方面提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底，在所述衬底中形成光电二极管以及浮置扩散区，在所述光电二极管和浮置扩散区之间形成转移晶体管；在所述光电二极管表面形成复合钉扎层，所述复合钉扎层包括靠近所述光电二极管的P型势垒层和靠近所述衬底表面的N型暗电流收集层。

优选的，所述的图像传感器的形成方法还包括：在所述N型暗电流收集层周边形成P型隔离区，所述P型隔离区与所述P型势垒层相连以包围所述N型暗电流收集层。

优选的，在形成转移晶体管栅极之后，利用转移晶体管栅极的自对准能力，注入形成所述P型隔离区。

优选的，所述的图像传感器的形成方法还包括：在所述转移晶体管周边形成功能晶体管，所述功能晶体管的N型沟道区与所述N型暗电流收集层相连。

优选的，所述N型沟道区包括源漏注入区，所述源漏注入区与所述N型暗电流收集层相连。

优选的，所述N型沟道区包括源漏注入区和埋沟注入区，所述埋沟注入区与所述N型暗电流收集层相连。

优选的，所述埋沟注入区宽度大于功能晶体管栅极宽度。

优选的，同步注入形成所述P型势垒层和N型暗电流收集层。

优选的，形成转移晶体管栅极及侧墙之后，利用转移晶体管栅极及侧墙的自对准能力，同步注入形成所述P型势垒层和N型暗电流收集层。

优选的，所述N型暗电流收集层的掺杂浓度为1E16-1E18 atom/cm

优选的，所述P型势垒层的掺杂浓度为1E17- 1E19 atom/cm

优选的，所述复合钉扎层的总厚度小于0.1微米。

本发明的另一方面提供一种图像传感器，包括：半导体衬底；位于所述衬底中的光电二极管以及浮置扩散区；位于所述光电二极管和浮置扩散区之间的转移晶体管；位于所述光电二极管表面的复合钉扎层，所述复合钉扎层包括靠近所述光电二极管的P型势垒层和靠近所述衬底表面的N型暗电流收集层。

优选的，所述的图像传感器还包括：位于所述N型暗电流收集层周边的P型隔离区，所述P型隔离区与所述P型势垒层相连以包围所述N型暗电流收集层。

优选的，所述的图像传感器还包括：位于所述转移晶体管周边的功能晶体管，所述功能晶体管的N型沟道区与所述N型暗电流收集层相连。

优选的，所述N型沟道区包括源漏注入区，所述源漏注入区与所述N型暗电流收集层相连。

优选的，所述N型沟道区包括源漏注入区和埋沟注入区，所述埋沟注入区与所述N型暗电流收集层相连。

优选的，所述埋沟注入区宽度大于功能晶体管栅极宽度。

优选的，所述N型暗电流收集层的掺杂浓度为1E16-1E18 atom/cm

优选的，所述P型势垒层的掺杂浓度为1E17- 1E19 atom/cm

优选的，所述复合钉扎层的总厚度小于0.1微米。

与现有技术相比，本发明的图像传感器及其形成方法具有如下有益效果：

首先，通过在光电二极管表面形成复合钉扎层，靠近光电二极管的P型势垒层将靠近衬底表面的N型暗电流收集层完全耗尽，从而在N型暗电流收集层内形成一个向下的电场，以隔离开光电二极管与N型暗电流收集层，向下的电场可以有效阻挡衬底表面暗电流电子的向下扩散，因此衬底表面钉扎所需要的P型势垒层浓度可以明显降低，从而在较低的钉扎层浓度需求的情况下，降低界面暗电流对光电二极管的影响，以满足现有小尺寸像素的设计需求。同时，N型暗电流收集层还可以作为光电二极管的溢出电荷收集层，降低由于溢出电荷产生的噪声，尤其有利于小尺寸像素的图像传感器的信噪比提升。

此外，由于在P型势垒层表面多制备了一层N型暗电流收集层，周边功能晶体管两侧的相对电势会因为纵向PN结的存在而提高，因而可以显著降低功能晶体管两侧的电场强度，减少因重掺P型钉扎注入在功能晶体管栅极低压时造成的栅致漏极漏电（GIDL），提高图像传感器可靠性。优选的，N型暗电流收集层沿衬底表面与周边功能晶体管的N型沟道区相连，进而形成一个沿表面的横向电场，衬底表面暗电流电子在电场的作用下会逐渐向功能晶体管的漏极移动，从而被持续收集，进一步降低界面暗电流对光电二极管的影响。

本发明的图像传感器仅通过调整注入条件即可完成制备，无需进行任何特殊工艺，还可以进一步利用转移晶体管栅极及侧墙的自对准能力，同步注入形成N型暗电流收集层和P型势垒层，节省工艺步骤和成本。

附图说明

通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明图像传感器一个优选实施例的俯视示意图；

图2为本发明图像传感器一个优选实施例的剖视示意图；

图3为本发明图像传感器一个优选实施例的电场方向示意图；

图4-图8为本发明图像传感器一个优选实施例的形成过程示意图。

在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置（模块）或步骤。

具体实施方式

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种图像传感器及其形成方法，通过在光电二极管表面形成复合钉扎层，靠近光电二极管的P型势垒层将靠近衬底表面的N型暗电流收集层完全耗尽，从而在N型暗电流收集层内形成一个向下的电场，以隔离开光电二极管与N型暗电流收集层，向下的电场可以有效阻挡衬底表面暗电流电子的向下扩散，因此衬底表面钉扎所需要的P型势垒层浓度可以明显降低，从而在较低的钉扎层浓度需求的情况下，降低界面暗电流对光电二极管的影响，以满足现有小尺寸像素的设计需求。

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。

下面结合具体实施例进行详细阐述。

图1、图2、图3示出本发明图像传感器的一个优选实施例，其中，图1为该图像传感器一个像素单元的局部俯视示意图，图2为沿图1中A-A’线的剖视示意图，图3为电场方向示意图。

如图1、图2所示，本发明的图像传感器包括半导体衬底100，位于衬底100中的光电二极管110以及浮置扩散区109，转移晶体管（包括转移晶体管栅极106和侧墙107）位于光电二极管110和浮置扩散区109之间，当转移晶体管开启时，光电二极管110中收集的电荷转移至浮置扩散区109，以便后续通过读出电路进行读出并转化为电信号。

为了降低衬底100表面的暗电流对光电二极管110的噪声影响，本发明的图像传感器还包括位于光电二极管110表面的复合钉扎层120，该复合钉扎层120包括靠近衬底100表面的N型暗电流收集层104和靠近光电二极管110的P型势垒层105。优选的，复合钉扎层120的总厚度小于0.1微米，以满足小尺寸像素单元中光电二极管的掺杂体积需求。

如图3所示，靠近光电二极管的P型势垒层105可以将靠近衬底表面的N型暗电流收集层104完全耗尽，从而在N型暗电流收集层104内形成一个向下的电场，以隔离开光电二极管110与N型暗电流收集层104，向下的电场可以有效阻挡衬底表面暗电流电子的向下扩散，因此衬底表面钉扎所需要的P型势垒层105浓度可以明显降低，优选的，N型暗电流收集层104的掺杂浓度为1E16-1E18 atom/cm

同时，N型暗电流收集层104还可以作为光电二极管110的溢出电荷收集层，降低由于溢出电荷产生的噪声，尤其有利于小尺寸像素的图像传感器的信噪比提升。

优选的，本发明的图像传感器还包括位于N型暗电流收集层104周边的P型隔离区103，该P型隔离区103的掺杂浓度相对偏低，P型隔离区103与P型势垒层105相连以包围N型暗电流收集层104，用于将所有需要特殊隔离的晶体管（如转移晶体管）进行完整隔离。

此外，本发明的图像传感器还包括位于转移晶体管周边的功能晶体管（包括功能晶体管栅极108和侧墙107，图2示出功能晶体管栅极投影108’和侧墙投影107’），功能晶体管可以包括源跟随晶体管、复位晶体管、选择晶体管中的至少一种。

由于在P型势垒层105表面多制备了一层N型暗电流收集层104，周边功能晶体管两侧的相对电势会因为纵向PN结的存在而提高，因而可以显著降低功能晶体管两侧的电场强度，减少因重掺P型钉扎注入在功能晶体管栅极低压时造成的栅致漏极漏电（GIDL），提高图像传感器可靠性。

优选的，N型暗电流收集层104沿衬底表面与功能晶体管的N型沟道区130相连，进而形成一个沿表面的横向电场（如图3所示），衬底表面暗电流电子在电场的作用下会逐渐向功能晶体管的漏极移动，从而被持续收集，进一步降低界面暗电流对光电二极管的影响。

在如图所示的一个优选实施例中，N型沟道区130包括源漏注入区102和埋沟注入区101，其中，埋沟注入区101与N型暗电流收集层104相连。优选的，埋沟注入区101宽度大于功能晶体管栅极108宽度以提高功能晶体管的跨导；在未示出的其他实施例中，埋沟注入区101宽度也可以小于或者等于功能晶体管栅极108宽度。

在未示出的其他实施例中，N型沟道区130也可以只包括源漏注入区102而不包括埋沟注入区101，在这种情况下则源漏注入区102直接与N型暗电流收集层104相连。

图4-图8示出根据图2所示的优选实施例的图像传感器的形成方法。其中，108’为功能晶体管栅极108的投影， 107’为功能晶体管侧墙107的投影。

参见图4，提供半导体衬底100，在半导体衬底中形成光电二极管110。在形成功能晶体管栅极108之前，预先在功能晶体管位置制备埋沟注入区101，用于与后续形成的转移晶体管的N型暗电流收集层104相连接。如果功能晶体管的N型沟道区仅包括源漏注入区而不包括埋沟注入区，则该步骤可省略。随后，在半导体衬底100表面形成功能晶体管栅极108和转移晶体管栅极106。

优选的，埋沟注入区101宽度大于功能晶体管栅极108宽度以提高功能晶体管的跨导；在未示出的其他实施例中，埋沟注入区101宽度也可以小于或者等于功能晶体管栅极108宽度。

参见图5，在形成转移晶体管栅极106之后，优选利用转移晶体管栅极106的自对准能力，在转移晶体管栅极以外的光电二极管表面进行第一步离子注入，形成P型隔离区103，该P型隔离区103的掺杂浓度相对偏低，用于与后续形成的P型势垒层105相连。

参见图6，如常规工艺分别在功能晶体管栅极108和转移晶体管栅极106外侧形成侧墙107。

参见图7，形成转移晶体管栅极106及侧墙107之后，优选利用转移晶体管栅极106及侧墙107的自对准能力，在侧墙以外的光电二极管表面进行第二步离子注入，但此时注入两种不同掺杂类型以形成复合钉扎层120，复合钉扎层120的总厚度小于0.1微米，以满足小尺寸像素单元中光电二极管的掺杂体积需求。其中，靠近衬底表面的浅表面为较淡的N型注入，掺杂浓度为1E16-1E18 atom/cm

于是，靠近光电二极管的P型势垒层105将靠近衬底表面的N型暗电流收集层104完全耗尽，从而在N型暗电流收集层内形成一个向下的电场，以隔离开光电二极管与N型暗电流收集层，向下的电场可以有效阻挡衬底表面暗电流电子的向下扩散，因此衬底表面钉扎所需要的P型势垒层浓度可以明显降低，从而在较低的钉扎层浓度需求的情况下，降低界面暗电流对光电二极管的影响，以满足现有小尺寸像素的设计需求。

同时，N型暗电流收集层还可以作为光电二极管的溢出电荷收集层，降低由于溢出电荷产生的噪声，尤其有利于小尺寸像素的图像传感器的信噪比提升。

此外，通过利用转移晶体管栅极106及侧墙107的自对准能力同步注入形成P型势垒层105和N型暗电流收集层104，无需引入任何新增的光罩，仅需调整优化注入条件，因此成本极低。

优选的，形成复合钉扎层120之后，P型隔离区103与其中的P型势垒层105相连从而完全包围N型暗电流收集层104，以便将所有需要特殊隔离的晶体管（如转移晶体管）进行完整隔离。

参见图8，接下来，按照常规工艺步骤进行重掺杂的源漏注入，形成功能晶体管的源漏注入区102以及浮置扩散区109。由于在P型势垒层表面多制备了一层N型暗电流收集层，周边功能晶体管两侧的相对电势会因为纵向PN结的存在而提高，因而可以显著降低功能晶体管两侧的电场强度，减少因重掺P型钉扎注入在功能晶体管栅极低压时造成的栅致漏极漏电（GIDL），提高图像传感器可靠性。

在如图所示的优选实施例中，源漏注入区102和埋沟注入区101共同构成功能晶体管的N型沟道区130，N型暗电流收集层104沿衬底表面与埋沟注入区101相连，进而形成一个沿表面的横向电场（如图3所示），衬底表面暗电流电子在电场的作用下会逐渐向功能晶体管的漏极移动，从而被持续收集，进一步降低界面暗电流对光电二极管的影响。

在未示出的其他实施例中，功能晶体管的N型沟道区130也可以只包括源漏注入区102而不包括埋沟注入区101，在这种情况下则源漏注入区102直接与N型暗电流收集层104相连。

综上所述，本发明的图像传感器及其形成方法，通过在光电二极管表面形成复合钉扎层，靠近光电二极管的P型势垒层将靠近衬底表面的N型暗电流收集层完全耗尽，从而在N型暗电流收集层内形成一个向下的电场，以隔离开光电二极管与N型暗电流收集层，向下的电场可以有效阻挡衬底表面暗电流电子的向下扩散，因此衬底表面钉扎所需要的P型势垒层浓度可以明显降低，从而在较低的钉扎层浓度需求的情况下，降低界面暗电流对光电二极管的影响，以满足现有小尺寸像素的设计需求。同时，N型暗电流收集层还可以作为光电二极管的溢出电荷收集层，降低由于溢出电荷产生的噪声，尤其有利于小尺寸像素的图像传感器的信噪比提升。

此外，由于在P型势垒层表面多制备了一层N型暗电流收集层，周边功能晶体管两侧的相对电势会因为纵向PN结的存在而提高，因而可以显著降低功能晶体管两侧的电场强度，减少因重掺P型钉扎注入在功能晶体管栅极低压时造成的栅致漏极漏电（GIDL），提高图像传感器可靠性。优选的，N型暗电流收集层沿衬底表面与周边功能晶体管的N型沟道区相连，进而形成一个沿表面的横向电场，衬底表面暗电流电子在电场的作用下会逐渐向功能晶体管的漏极移动，从而被持续收集，进一步降低界面暗电流对光电二极管的影响。

本发明的图像传感器仅通过调整注入条件即可完成制备，无需进行任何特殊工艺，还可以进一步利用转移晶体管栅极及侧墙的自对准能力，同步注入形成N型暗电流收集层和P型势垒层，节省工艺步骤和成本。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。