图像传感器及其形成方法、工作方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法、工作方法。

背景技术：

图像传感器是一种将光信号转化为电信号的半导体器件。图像传感器分为互补金属氧化物(cmos)图像传感器和电荷耦合器件(ccd)图像传感器。cmos图像传感器具有工艺简单、易于其它器件集成、体积小、重量轻、功耗小和成本低等优点。因此，随着图像传感技术的发展，cmos图像传感器越来越多地取代ccd图像传感器应用于各类电子产品中。目前，cmos图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、数码摄像机、医疗用摄像装置和车用摄像装置等。

cmos图像传感器包括前照式(fsi)图像传感器和背照式(bsi)图像传感器。在背照式图像传感器中，光从图像传感器的背面入射到图像传感器中的光电二极管上，从而将光能转化为电能。一个像素单元里面的满阱容量一定程度上决定了整个图像传感器成像的效率。

然而，现有技术形成的图像传感器的光电二极管的满阱容量有待提高。

技术实现要素：

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、工作方法，以提高图像传感器的满阱容量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种图像传感器，包括：衬底，所述衬底包括若干像素区和若干隔离区，所述隔离区与像素区相邻，且所述隔离区包围所述像素区；位于所述衬底像素区内的感光掺杂区，所述感光掺杂区内掺杂有第一离子；位于衬底像素区表面的第一掺杂层，所述第一掺杂层内掺杂有第二离子，所述第二离子的导电类型与所述第一离子相同；位于衬底隔离区表面的第一导电层；位于所述第一掺杂层和第一导电层之间的第一绝缘层。

可选的，所述第一离子为n型离子，且所述第二离子为n型离子；所述第一离子包括磷离子或砷离子；所述第二离子包括磷离子或砷离子。

可选的，所述第一离子为p型离子，且所述第二离子为p型离子；所述第一离子包括硼离子或铟离子；所述第二离子包括硼离子或铟离子。

可选的，所述感光掺杂区内的第一离子具有第一浓度，所述第一掺杂层的第二离子具有第二浓度，所述第二浓度小于第一浓度。

可选的，所述第一掺杂层的材料包括：单晶硅、多晶硅、非晶硅、锗、锗化硅、或砷化镓。

可选的，所述第一掺杂层的厚度范围为0.5um～3um。

可选的，所述第一绝缘层的材料包括：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳氮化硅或碳氮氧化硅。

可选的，所述第一导电层的材料包括为金属材料；所述金属材料包括：钨、镍、铬、钛、钽和铝中的一种或多种组合。

可选的，还包括：位于第一导电层、第一绝缘层和第一掺杂层表面的覆盖层；位于像素区的覆盖层表面的滤光层；位于滤光层表面的透镜层。

可选的，所述衬底具有相对的第一面和第二面，所述衬底还包括：位于衬底隔离区内的浅沟槽隔离层和位于衬底隔离区内的深沟槽隔离层，所述衬底第一面暴露出深沟槽隔离层，所述衬底第二面暴露出浅沟槽隔离层。

本发明还提供上述任意一种图像传感器的形成方法，包括：提供衬底，所述衬底包括若干像素区和若干隔离区，所述隔离区与像素区相邻，且隔离区包围像素区；在所述衬底像素区内形成感光掺杂区，所述感光掺杂区具有第一离子；在衬底像素区表面形成第一掺杂层，相邻第一掺杂层之间具有凹槽，所述第一掺杂层内具有第二离子，所述第二离子的导电类型与第一离子相同；在所述凹槽侧壁形成第一绝缘层；在所述凹槽内形成第一导电层，所述第一导电层覆盖第一绝缘层侧壁。

可选的，所述第一掺杂层的形成方法包括：在所述衬底像素区和隔离区表面形成初始掺杂层，所述初始掺杂层内具有第一离子；在所述初始掺杂层表面形成第一图形化层，所述第一图形化层暴露出隔离区的初始掺杂层；以所述第一图形化层为掩膜，刻蚀去除隔离区的初始掺杂层，在衬底像素区表面形成第一掺杂层，沿平行于衬底所在平面方向上，相邻第一掺杂层之间具有凹槽；以所述第一图形化层为掩膜刻蚀隔离区的初始掺杂层后，去除第一图形化层。

可选的，所述第一绝缘层的形成方法包括：去除第一图形化层后，在凹槽内和第一掺杂层表面形成初始绝缘层，所述第一绝缘层为覆盖凹槽侧壁的初始绝缘层；在所述初始绝缘层表面形成初始导电层，所述初始导电层填充满凹槽；在所述初始导电层表面形成第二图形化层，所述第二图形化层暴露出像素区初始导电层表面；以所述第二图形化层为掩膜刻蚀像素区的初始导电层，在衬底隔离区表面形成第一导电层；以所述第二图形化层为掩膜刻蚀像素区的初始导电层后，去除第二图形化层。

本发明还提供一种图像传感器的工作方法，包括：提供上述任意一种图像传感器；对第一导电层施加电压，当所述第二离子的导电类型为n型时，对所述第一导电层施加负电压；当所述第二离子的导电类型为p型时，对所述第一导电层施加正电压。

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：

本发明技术方案提供的图像传感器的工作方法中，当对第一导电层施加负电压，第一掺杂层中的空穴在临近第一绝缘层的区域集聚，使得第一掺杂层中间部分的电势低于临近第一绝缘层的位置的电势。同时，第一掺杂层中的空穴在临近第一绝缘层的区域集聚，所述第一掺杂层内具有第二离子，第二离子的电子，则在临近第一绝缘层的第一掺杂层区内形成空乏区，当光照射在空乏区内激发衬底产生光生电子，光生电子在空乏区集聚，第一掺杂层位于感光掺杂区表面，从而增大了图像传感器的满阱容量。当对第一导电层施加正压，第一掺杂层与第一绝缘层的界面处电子集聚，使得临近第一绝缘层的第一掺杂层区内形成空乏区，当光照射在空乏区内激发衬底产生光生空穴，光生空穴在空乏区集聚，从而增大了图像传感器的满阱容量。综上，提高了图形传感器的性能。

本发明技术方案提供的图像传感器中，所述第一导电层与第一掺杂层之间被第一绝缘层隔离，同时第一掺杂层内具有第二离子。在第一导电层上施加电压，使得与第二离子导电类型相反的载流子在临近第一绝缘层的第一掺杂层内聚集，在临近第一绝缘层的第一掺杂层内形成空乏区。所述空乏区可以容纳光生载流子，从而增大了图像传感器的满阱容量，使得图像传感器的性能得到提升。

附图说明

图1至图8是本发明一实施例中图像传感器形成过程的结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有技术的图像传感器的性能较差。

一种图形传感器的实施例包括：衬底，所述衬底包括像素区；位于衬底像素区内的阱区，所述阱区内具有第一离子；位于所述衬底阱区内的光电掺杂区，所述光电掺杂区具有第二离子，所述第二离子的导电类型与第一离子的导电类型相反；位于衬底像素区表面的滤光层和位于滤光层表面的透镜层。

上述图像传感器中，第一离子和第二离子的导电类型相反，则阱区和光电掺杂区形成光电二极管，满阱容量是光电二极管的一种重要指标。一种提供满阱容量的方法为提高光电掺杂区的体积。然而，光电掺杂区的体积受半导体器件的限制难以无限增大。另一种提高满阱容量的方法是提高光电掺杂区内的第二离子的浓度。而光电掺杂区内的第二离子的浓度过高容易导致图像传感器的相邻光电二极管之间发生漏电。因此，图像传感器的满阱容量难以提高，从而导致图像传感器形成较差。

本发明实施例的图像传感器中，第一导电层与第一掺杂层之间具有第一绝缘层。当第一导电层上施加电压，在临近第一绝缘层的第一掺杂层区内形成空乏区，所述空乏区用于容纳光生载流子，从而增大了图像传感器的满阱容量。使得图像传感器的性能得到提升。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本说明书中的“表面”，用于描述空间的相对位置关系，并不限定于直接接触。

图1至图8是本发明一实施例中图像传感器形成过程的结构示意图。

请参考图1，提供衬底200，所述衬底200包括若干像素区i和若干隔离区ii，所述隔离区ii与像素区i相邻，且所述隔离区ii包围所述像素区i。

本实施例中，所述衬底200还包括连接区。

所述衬底200具有相对的第一面和第二面。

本实施例中，所述衬底200的材料为单晶硅。所述衬底200还可以是多晶硅或非晶硅。所述衬底200的材料还可以为锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料。所述衬底200的还可以为绝缘体上的硅衬底、绝缘体上的锗衬底或玻璃衬底等其他类型的衬底。

所述衬底200用于为所述感光掺杂区210的形成提供工艺基础。

本实施例中，所述衬底200内具有阱区，所述阱区具有阱离子。

在所述衬底200的像素区i内形成感光掺杂区210，所述衬底200第一面暴露出感光掺杂区210。

本实施例中，所述感光掺杂区具有第一离子，所述第一离子的导电类型与阱离子的导电类型相反，所述感光掺杂区的第一离子具有第一浓度。

所述感光掺杂区210的形成方法包括：在所述衬底200第一面表面形成掩膜层，所述掩膜层暴露出衬底200像素区i第一面；以所述掩膜层为掩膜，对所述衬底200的阱区进行离子注入，所述注入离子为第一离子，在衬底200像素区i内形成所述感光掺杂区210。

所述感光掺杂区210用于吸收光线并进行光电转换。

本实施例中，所述感光掺杂区210为感光二极管。其他实施例中，所述感光掺杂区还可以是感光mos管等其他实现光电转换功能的元器件。

所述衬底200还包括浅沟槽隔离层220，所述浅沟槽隔离层220位于隔离区ii的衬底200内，且所述衬底200的第二面暴露出浅沟槽隔离层220。

所述浅沟槽隔离层220实现感光掺杂区210之间的隔离，防止相邻感光掺杂区210之间漏电。

所述浅沟槽隔离层220的材料包括氧化硅。

本实施例中，还包括：位于衬底200隔离区ii内形成深沟槽隔离结构230，所述衬底200第一面暴露出深沟槽隔离结构230。

所述深沟槽隔离结构230用于防止相邻像素区i之间的电学串扰。

接着，在衬底200像素区i表面形成第一掺杂层，所述第一掺杂层内具有第二离子。

请参考图2，在所述衬底200像素区i和隔离区ii表面形成初始掺杂层203，所述初始掺杂层203内具有第二离子；在所述初始掺杂层203表面形成第一图形化层205，所述第一图形化层205暴露出隔离区ii的初始掺杂层203。

具体为，在所述衬底200第一面表面形成初始掺杂层203。

所述初始掺杂层203为后续形成第一掺杂层203提供材料层。

所述初始掺杂层203的材料与衬底200材料相同。

所述初始掺杂层203的材料包括：单晶硅、多晶硅、非晶硅、锗、锗化硅、或砷化镓。

本实施例中，所述初始掺杂层203的材料为单晶硅，所述初始掺杂层203的形成工艺为外延生长工艺。

本实施例中，外延形成初始掺杂层203的过程中，还包括对所述初始掺杂层203进行原位掺杂，在初始掺杂层203内掺杂第二离子。

当所述第二离子的导电类型为p型时，所述第二离子为p型离子，所述第二离子包括硼离子或铟离子。

当所述第二离子的导电类型为n型时，所述第二离子为n型离子，所述第二离子包括磷离子或砷离子。

所述初始掺杂层203的厚度范围为0.5um～3.0um。

所述初始掺杂层203的厚度决定了后续形成的第一掺杂层的厚度。

本实施例中，形成初始掺杂层203之后，还包括在所述初始掺杂层203表面形成初始保护层204。

所述初始保护层204用于保护初始掺杂层203。

所述初始保护层204的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳氮化硅或碳氮氧化硅。

本实施例中，所述初始保护层204的材料为氧化硅。

本实施例中，所述第一图形化层205位于初始保护层204表面，所述第一图形化层205暴露出隔离区ii的初始保护层204表面。

所述第一图形化层205的材料包括光刻胶。

形成所述第一图形化层205的过程包括：在初始保护层204表面旋涂形成初始第一图层(未图示)；对所述初始第一图层进行曝光处理；对曝光后的初始第一图层进行显影处理，去除部分初始第一图层，暴露出初始保护层204表面，形成所述第一图形化层205。

在一实施例中，所述第一图形化层为硬掩膜层，所述硬掩膜层的材料包括：氮化硅或者氧化硅。

本实施例中，所述第一图形化层205还暴露出部分衬底200连接区表面。

请参考图3，以所述第一图形化层205为掩膜，刻蚀去除隔离区ii的初始掺杂层203，在衬底200像素区i表面形成第一掺杂层261，沿平行于衬底200所在平面方向上，相邻第一掺杂层261之间具有凹槽241。

所述第一掺杂层261为形成空乏区提供材料和空间。

本实施例中，以所述第一图形化层205为掩膜，刻蚀去除隔离区ii的所述初始保护层204和初始掺杂层203，直至暴露出衬底200隔离区ii第一面表面，形成第一掺杂层261和第一保护层262，所述第一保护层262覆盖第二掺杂层271；沿平行于衬底200所在平面方向上，相邻第一掺杂层261和第一保护层262之间具有凹槽241，所述凹槽241暴露出衬底200第一面。

刻蚀去除隔离区ii的所述初始保护层204和初始掺杂层203的工艺包括干法刻蚀工艺或者湿法刻蚀工艺。

本实施例中，刻蚀去除隔离区ii的所述初始保护层204和初始掺杂层203的工艺为各向异性的干法刻蚀工艺。

本实施例中，形成所述第一掺杂层261后还包括：去除所述第一图形化层205，去除所述第一图形化层205的工艺为灰化工艺。

所述第一掺杂层261的厚度范围为0.5um～3um。

所述第一掺杂层261的厚度决定了后续形成的空乏区的体积，所述第一掺杂层261的厚度小于0.5um，所形成的空乏区的体积较小，对像素区的满阱容量改善效果有限；所述第一掺杂层261的厚度大于3um，第一掺杂层261的透光性较差，感光掺杂区210的入光量降低，从而影响图像传感器的性能。

本实施例中，形成第一掺杂层261过程中，还包括在衬底200连接区表面形成第二掺杂层271。

本实施例中，还包括在第二掺杂层271表面形成第二保护层272

在一实施例中，不在连接区形成第二掺杂层。

请参考图4，在所述凹槽241侧壁形成第一绝缘层。

具体为，去除第一图形化层205后，在凹槽241内和第一掺杂层261表面形成初始绝缘层215。

所述第一绝缘层为覆盖凹槽241侧壁的初始绝缘层215，所述第一绝缘层覆盖第一掺杂层261侧壁。

所述第一绝缘层用于隔离第一掺杂层261和后续形成的第一导电层。

本实施例中，所述初始绝缘层覆盖第一掺杂层261侧壁和第一保护层262顶部和侧壁。

本实施例中，所述初始绝缘层还覆盖连接区的第二掺杂层272侧壁和第二保护层的顶部和侧壁。

所述初始绝缘层215的材料包括：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳氮化硅或碳氮氧化硅。

本实施例中，所述初始绝缘层215的材料为氧化硅。所述第一绝缘层的材料为氧化硅。

请参考图5，在所述初始绝缘层215表面形成初始导电层206，所述初始导电层206填充满凹槽241。

所述初始导电层206的材料包括：金属材料，所述金属材料包括：钨、镍、铬、钛、钽和铝中的一种或多种组合。

所述初始导电层206的形成工艺包括沉积工艺，所述沉积工艺包括：化学气相沉积工艺或者物理气相沉积工艺。

本实施例中，所述初始导电层206的材料为钨，所述初始导电层206的形成工艺为化学气相沉积工艺。

所述初始导电层206为后续形成第一导电层和第二导电层提供材料。

请参考图6，去除像素区i表面的初始导电层206，在像素区i表面形成第一导电层251。

所述第一导电层251能导电，用于施加电压。

本实施例中，形成第一导电层251过程后，使得连接区表面形成的初始导电层206形成为第二导电层252，所述第二导电层252与第一导电层251电连接，所述第二导电层252后续与金属衬垫相连，用于将金属衬垫上的电压传输至第一导电层251。

所述第一导电层251的形成方法包括：在所述初始导电层206表面形成第二图形化层(未图示)，所述第二图形化层暴露出像素区i初始导电层206表面；以所述第二图形化层为掩膜刻蚀像素区i的初始导电层206，直至暴露出像素区i的第一保护层262表面，在衬底200隔离区i表面形成第一导电层251。

以所述第二图形化层为掩膜刻蚀像素区i的初始导电层206的工艺包括：干法刻蚀工艺或者湿法刻蚀工艺。

本实施例中，以所述第二图形化层为掩膜刻蚀像素区i的初始导电层206的工艺为干法刻蚀工艺。

本实施例中，所述第二图形化层的材料为光刻胶。

本实施例中，以所述第二图形化层为掩膜刻蚀像素区i的初始导电层206后，去除第二图形化层。

本实施例中，去除第二图形化层的工艺为灰化工艺。

请参考图7，在所述隔离区ii第一导电层251表面形成覆盖层207。

本实施例中，所述覆盖层207覆盖像素区i初始绝缘层215表面。

本实施例中，所述覆盖层207还覆盖连接区第二导电层252表面。

所述覆盖层207用于保护第一导电层251和第二导电层252。

所述覆盖层207的材料包括：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳氮化硅或碳氮氧化硅。

所述覆盖层207的形成工艺包括化学气相沉积工艺、物理气相沉积工艺或者原子层沉积工艺中的一种或多种。

本实施例中，所述覆盖层207的材料氧化硅；形成覆盖层207的工艺为化学气相沉积工艺。

所述第一导电层251与第一掺杂层261之间被第一绝缘层隔离，同时第一掺杂层261内具有第二离子。

在第一导电层251上施加电压，使得与第二离子导电类型相反的载流子在临近第一绝缘层的第一掺杂层261内聚集，在临近第一绝缘层的第一掺杂层261内形成空乏区。所述空乏区可以容纳光生载流子，从而增大了图像传感器的满阱容量，使得图像传感器的性能得到提升。

请参考图8，在像素区i覆盖层207表面形成滤光层260；在所述滤光层260表面形成透镜层270。

所述滤光层260为有色滤光层，所述有色滤光层包括红光滤光层、蓝光滤光层和绿光滤光层。

所述滤光层260的材料包括掺杂有色素的有机材料。所述掺杂有色素的有机材料，可以根据掺杂色素的不同，选择可以通过的有色光。

自然光为多个颜色光的集合而成的白光，自然光经过有色滤光层后，仅部分特定波长的有色光可以通过，从而产生特定的有色光。

所述透镜层270用于改变光路，使得光线沿特定的光路进入像素区i的滤光层260和感光掺杂区210。

本实施例中，形成滤光层260之前，还包括：在覆盖层207表面形成介电增透层208，所述介电增透层208用于增加光线的透过率。

其他实施例中，不形成介电增透层。

本实施例中，还包括：在所述介电增透层表面形成抗反射涂层(未图示)，所述抗反射涂层用于减少光线的反射。

其他实施例中，不形成抗反射涂层。

相应的，本发明实施例还提供一种采用上述方法形成的图像传感器，请参考图8，包括：衬底200，所述衬底200包括若干像素区i和若干隔离区ii，所述隔离区ii与像素区i相邻，且所述隔离区ii包围所述像素区i；位于所述衬底200像素区i内的感光掺杂区210，所述感光掺杂区210具有第一离子；位于衬底200像素区ii表面的第一掺杂层261，所述第一掺杂层261内具有第二离子，所述第二离子的导电类型与第一离子相同；位于所述第一掺杂层261表面的第一绝缘层；位于衬底200隔离区ii表面的第一导电层251，所述第一绝缘层位于第一导电层251和第一掺杂层261之间。

所述第一掺杂层261的材料包括：单晶硅，可以是多晶硅或非晶硅。还可以应为锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料。

当所述第二离子的导电类型为n型时，所述第二离子为n型离子，所述第二离子包括磷离子或砷离子。

当所述第二离子的导电类型为p型时，所述第二离子为p型离子，所述第二离子包括硼离子或铟离子。

所述第一绝缘层的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳氮化硅或碳氮氧化硅。

所述第一导电层251的材料包括为金属材料，所述金属材料包括：钨、镍、铬、钛、钽和铝中的一种或多种组合。

所述第一掺杂层261的厚度范围为0.5um～3um。

所述图像传感器还包括：位于第一导电层251、第一绝缘层和第一掺杂层261表面的覆盖层207，位于像素区i的覆盖层207表面的滤光层260；位于滤光层260表面的透镜层270。

所述第一导电层251与第一掺杂层261之间被第一绝缘层隔离，同时第一掺杂层261内具有第二离子。在第一导电层251上施加导电类型与第二离子导电类型相同的电压时，在第一绝缘层与第一导电层251接触的界面形成空乏区，调节电压的大小，可以控制空乏区的大小。空乏区可以容纳电子，从而增大了像素区的满阱容量。综上，使得图像传感器的性能得到提升。

本发明还提供一种图像传感器的工作方法，包括：提供上述图像传感器(参考图8)；对第一导电层施加电压，当所述第二离子的导电类型为n型时，对所述第一导电层251施加负电压；当所述第二离子的导电类型为p型时，对所述第一导电层251施加正电压。

当所述第二离子的导电类型为n型时，对第一导电层251施加负电压，第一掺杂层261中的空穴在临近第一绝缘层的区域集聚，使得第一掺杂层261中间部分的电势低于临近第一绝缘层的位置的电势。同时，第一掺杂层261中的空穴在临近第一绝缘层的区域集聚，所述第一掺杂层261内具有第二离子，第二离子为电子，则临近第一绝缘层的第一掺杂层261内形成空乏区，当光照射在空乏区内激发衬底产生光生电子，光生电子在空乏区集聚，第一掺杂层位于感光掺杂区表面，从而增大了图像传感器的满阱容量。

当所述第二离子的导电类型为p型时，对第一导电层251施加正压，第一掺杂层261与第一绝缘层的界面处电子集聚，使得临近第一绝缘层的第一掺杂层区261内形成空乏区，当光照射在空乏区内激发衬底产生光生空穴，光生空穴在空乏区集聚，从而增大了图像传感器的满阱容量。

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。