一种像素单元及其制备方法与流程

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种像素单元及其制备方法。

背景技术：

近年来，近红外增强型图像传感器在探测方面的优异特性，推动了其应用日益广泛，在医疗成像、激光雷达、机器视觉和智能交通等领域发展迅速。尤其是在激光雷达测距领域，出于安全性考虑，多采用近红外光作为探测光，以避免对人眼的伤害，因而要求接收回波信息的光电二极管对近红外光具有很好的敏感性，以便分析获取目标物体的距离。

对于同种半导体材料，吸收系数和入射深度与入射光的波长有关，波长越长吸收系数越小，入射深度就越大。对于波长较长的近红外光而言，需要足够的深度才能吸收。因此像素单元中n型掺杂区需要形成较深的结深，以便充分吸收近红外光，提升量子效率。

在一个像素单元中，通常包括p型衬底和设置在p型衬底上的p型外延层，通常p型外延层的厚度在10μm左右，光电二极管n型掺杂区形成的耗尽区深度有限，导致对近红外光吸收困难。要提升吸收效果，需要显著增加外延层的厚度至20μm以上，形成较深的pn结。而结深的增加导致n型掺杂区体区变大、光生载流子增多，像素单元间以及像素单元与逻辑电路区的串扰极易产生，造成光生载流子在电荷积分期间泄漏至相邻区域中。

为避免像素单元间串扰，通常在相邻像素单元间刻蚀出深沟槽再进行绝缘介质的填充以形成隔离，随着n型掺杂区深度的增加，该深隔离槽的深度也需随之增加。然而，高深宽比的深隔离槽的刻蚀技术是目前半导体集成中亟待解决的难题，在深刻蚀过程中很难得到陡直的侧壁，为了达到所需的深度，沟槽的宽度也随之增加，尤其是沟槽开口处的宽度很大，对芯片面积造成很大浪费，降低了填充因子；此外，该隔离方式需要在工艺中增加刻蚀和绝缘介质填充的工艺，且深沟槽的刻蚀对于设备的要求极高，普通刻蚀设备无法满足，往往需要配备专门的刻蚀设备，工艺过程复杂，且增加了成本投入。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种像素单元及其制备方法，解决现有技术中沟槽宽度较大、工艺复杂、成本较高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种像素单元的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在p型外延层围绕像素单元的边缘注入p型材料形成隔离区；

步骤2，在p型外延层的上表面形成多晶硅栅，并对多晶硅栅进行刻蚀，得到传输栅；

步骤3，在p型外延层中分两次注入n型材料形成n型掺杂区；

步骤4，在p型外延层上部注入n型材料形成悬浮扩散节点。

进一步地，所述p型材料为三族元素离子或三族元素离子的化合物。

进一步地，所述步骤1中在p型外延层围绕像素单元的边缘注入p型材料形成隔离区，至少包括两次不同能量的注入。

进一步地，所述步骤1中在p型外延层围绕像素单元的边缘分四次注入p型材料形成隔离区；

所述分四次注入p型材料时，每次注入p型材料的能量依次增大，每次注入p型材料的剂量相同，每次注入p型材料时的倾斜度相同。

进一步地，所述步骤1中在p型外延层围绕像素单元的边缘注入p型材料形成隔离区，包括：

第一次：注入p型材料的能量为150kev～300kev，注入p型材料的剂量为5×10¹¹cm^-2～1.5×10¹²cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°～2°；

第二次：注入p型材料的能量为500kev～700kev，注入p型材料的剂量为5×10¹¹cm^-2～1.5×10¹²cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°～2°；

第三次：注入p型材料的能量为1000kev～1300kev，注入p型材料的剂量为5×10¹¹cm^-2～1.5×10¹²cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°～2°。

进一步地，所述n型材料为五族元素离子或五族元素离子的化合物。

进一步地，所述步骤3中在p型外延层中分两次注入n型材料时，每次注入n型材料的能量依次增大，每次注入n型材料的剂量依次减小，每次注入n型材料时的倾斜度依次减小。

进一步地，所述步骤3中在p型外延层中分两次注入n型材料形成n型掺杂区，包括：

第一次：注入n型材料的能量为190kev～250kev，注入n型材料的剂量为1×10¹²cm^-2～3.5×10¹³cm^-2，注入n型材料时的倾斜度为3°～7°；

第二次：注入n型材料的能量为300kev～700kev，注入n型材料的剂量为1×10¹¹cm^-2～9×10¹²cm^-2，注入n型材料时的倾斜度为0°～2°。

本发明还提供了一种像素单元，包括p型衬底和设置在p型衬底上方的p型外延层，其特征在于，所述p型外延层的上部设置有n型掺杂区和p阱隔离区，所述p阱隔离区的上部设置有悬浮扩散节点；

所述p型外延层的上表面设有传输栅；

所述像素单元与相邻像素单元和/或逻辑电路区之间设有p型隔离区；

进一步地，所述p阱隔离区通过非均匀掺杂p型材料形成。

进一步地，所述p阱隔离区的深度不小于光电二极管的深度。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

本发明通过在像素单元之间以及像素单元与逻辑电路区间形成重掺杂区实现像元与相邻区域的隔离，成熟的掩膜技术使隔离区宽度可以很好地控制，通过掺杂材料浓度的调整可以形成较窄隔离区，并很好地实现抑制体区串扰的功效，减少了像素单元间以及像素与逻辑电路区间的面积浪费，有效提升了填充因子。

本发明隔离区的形成无需进行刻蚀和绝缘介质的填充，而是采用掺杂材料的注入形成重掺杂区来隔离电荷的串扰，可充分利用现有离子注入设备，与现有制备工艺具有很好的兼容性，简化了工艺过程，降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明中一个像素单元的结构示意图；

图2为本发明中两相邻像素单元的结构示意图；

图中符号代表为：1—p型衬底；2—p型外延层；3—像素单元；4—逻辑电路区；301—n型掺杂区；302—传输栅；303—悬浮扩散节点；304—隔离区；305—p阱隔离区；401—nmos；402—pmos；403—n型掺杂区；5—相邻像素单元。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例给出一种像素单元的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在p型外延层围绕像素单元的边缘注入p型材料形成隔离区；

在本实施例中，为了防止隔离区的制备对光电二极管n型掺杂区形状的影响，本实施例采用分三次注入的方式，使p型材料的浓度由上至下保持均匀。

其中，p型材料为三族元素离子或三族元素离子的化合物，如硼离子。

具体包括以下步骤：

第一次：注入p型材料的能量为150kev～300kev，注入p型材料的剂量为5×10¹¹cm^-2～1.5×10¹²cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°～2°；

第二次：注入p型材料的能量为500kev～700kev，注入p型材料的剂量为5×10¹¹cm^-2～1.5×10¹²cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°～2°；

第三次：注入p型材料的能量为1000kev～1300kev，注入p型材料的剂量为5×10¹¹cm^-2～1.5×10¹²cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°～2°。

步骤2，在p型外延层的上表面形成多晶硅栅，并对多晶硅栅进行刻蚀，得到传输栅；

步骤3，在p型外延层中分两次注入n型材料形成n型掺杂区；

其中，n型材料为五族元素离子或五族元素离子的化合物，如砷离子、磷离子。

为了满足吸收近红外光所需的深度要求，第一次：注入n型材料的能量为190kev～250kev，注入n型材料的剂量为1×10¹²cm^-2～3.5×10¹³cm^-2，注入n型材料时的倾斜度为3°～7°；第二次：注入n型材料的能量为300kev～700kev，注入n型材料的剂量为1×10¹¹cm^-2～9×10¹²cm^-2，注入n型材料时的倾斜度为0°～2°。

其中，第二次注入n型材料时，倾斜度降低，有助于离子向深部注入，形成深结，以便吸收近红外光，提升量子效率。

步骤4，在p型外延层上部注入n型材料形成悬浮扩散节点。为了形成低电势，能够在传输栅导通时快速吸入光生电子，悬浮扩散节点层的掺杂浓度高于n型掺杂区以形成更低的电势区。

当步骤1中分三次注入p型材料生成隔离区时，优选地：

第一次：注入p型材料的能量为200kev，注入p型材料的剂量为8×10¹¹cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°；

第二次：注入p型材料的能量为600kev，注入p型材料的剂量为8×10¹¹cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°；

第三次：注入p型材料的能量为1100kev，注入p型材料的剂量为8×10¹¹cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°。

本实施例采用调制传递函数mtf作为评价指标，mtf是在特定的分辨率下图像传感器将成像物的对比度转换到图像中的能力，mtf越高则图像越清晰。n型掺杂区体区深度的增加会造成部分光生载流子进入相邻像素而产生串扰，导致图像的清晰度下降，致使mtf的值降低。为了有效改善mtf，需要在相邻像素之间进行隔离。

在本实施例中通过优选地三次注入能量参数，其调制传递函数mtf为0.5。

对比例1：

本实施例与实施例1的区别在于：步骤1中只通过一次注入p型材料来生成隔离区；其注入p型材料的能量为100kev，注入p型材料的剂量为8×10¹¹cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°；在上述一次注入p型材料后，mtf为0.2。

该方法所获得的mtf值较低，这是由于单次注入时，需要较大的注入能量来达到较深的注入深度，这样会导致注入离子都集中在隔离区的底部，中部和上部的未能形成有效掺杂，因此无法起到隔离的作用，像素单元之间容易产生串扰，因此mtf较低。

对比例2：

本实施例与实施例1的区别在于：

当步骤1中分三次注入p型材料生成隔离区时：

第一次：注入p型材料的能量为100kev，注入p型材料的剂量为8×10¹¹cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°；

第二次：注入p型材料的能量为600kev，注入p型材料的剂量为8×10¹¹cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°；

第三次：注入p型材料的能量为1100kev，注入p型材料的剂量为8×10¹¹cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°。

此时，调制传递函数mtf为0.41。

对比例3：

本实施例与实施例1的区别在于：

当步骤1中分三次注入p型材料生成隔离区时：

第一次：注入p型材料的能量为200kev，注入p型材料的剂量为8×10¹¹cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°；

第二次：注入p型材料的能量为400kev，注入p型材料的剂量为8×10¹¹cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°；

第三次：注入p型材料的能量为1100kev，注入p型材料的剂量为8×10¹¹cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°。

此时，调制传递函数mtf为0.46。

对比例4：

本实施例与实施例1的区别在于：

当步骤1中分三次注入p型材料生成隔离区时：

第一次：注入p型材料的能量为200kev，注入p型材料的剂量为8×10¹¹cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°；

第二次：注入p型材料的能量为600kev，注入p型材料的剂量为8×10¹¹cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°；

第三次：注入p型材料的能量为900kev，注入p型材料的剂量为8×10¹¹cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°。

此时，调制传递函数mtf为0.36。

实施例2：

本实施例提供了一种像素单元，如图1、2所示，包括p型衬底1和设置在p型衬底1上方的p型外延层2，所述p型外延层2的上部设置有n型掺杂区301和p阱隔离区305，所述p阱隔离区305的上部设置有悬浮扩散节点303；

所述p型外延层2的上表面设有传输栅302；

所述像素单元3与相邻像素单元5和/或逻辑电路区4之间设有p型隔离区304；

所述p型隔离区304的深度不小于n型掺杂区301的深度。

本实施例中传输栅302的两端分别与n型掺杂区301和悬浮扩散节点303部分交叠，这样，当传输栅302导通时，即在传输栅302上加有足够大的电压时，传输栅302下部的p型区反型，形成沟道区，把n型掺杂区301与悬浮扩散节点303连通，形成导电沟道，从而将n型掺杂区301内的光生电子转移至悬浮扩散节点303中存储。

本实施例的p型隔离区304内掺杂有高浓度的p型材料，形成高电势区域，阻挡光生电荷向相邻像素单元5和逻辑电路区4泄漏，其中逻辑电路区4包括nmos401和pmos402，pmos402所处为n型重掺杂区，电势较低，在曝光积分期间会吸引光生电荷，产生漏电流，p型隔离区304的高电势便有效阻碍了光生电荷向逻辑电路区的泄漏。p型隔离区304的最小宽度与p型材料的掺杂浓度相关，掺杂浓度越高，其达到有效隔离时所需的宽度越小。

特别地，为防止光电二极管的n型掺杂区倒三角形状的出现，p型隔离区305通过非均匀掺杂p型材料形成，优选为上重下轻的注入方式，隔离区的深度不小于光电二极管的深度深。

由于光电二极管n型掺杂区301体区变大，悬浮扩散节点303的低电势也会成为光生电子的吸引中心，导致光生电子在积分期间泄漏至悬浮扩散节点303中。优选地，本发明设有p阱隔离区305，通过p型材料的掺杂形成高电势区，将悬浮扩散节点303上表面以外的区域包裹在其中，从而阻止光生电子的进入。所述p阱隔离区305靠近光电二极管一侧的边界位于传输栅302二分之一处至悬浮扩散节点303的边界之间。p阱隔离区305靠近光电二极管一侧的边界至悬浮扩散节点303边界的最小距离，与p阱隔离区305的p型材料的掺杂浓度相关，掺杂浓度越高，最小距离的值越小，同时该最小距离还会受光电二极管n型掺杂区301结深和浓度的影响。