一种图像传感器及其制造方法与流程

1.本发明属于半导体制造技术领域，特别涉及一种图像传感器及其制造方法。


背景技术：

2.图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，且被广泛应用于摄影摄像、安防系统、智能便携电话、传真机、扫描仪以及医疗电子等领域。
3.随着集成电路的不断发展，图像传感器中的光电二极管(photo diode，pd)的尺寸越来越小，每个光电二极管之间的间隔也越来越小。当光电极二极管的光强过大时，像素点产生的光电子饱和溢出到相邻像素单元，使得图片亮度过亮，溢出模糊，形成串扰。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种图像传感器及其制造方法，通过本发明提供的图像传感器及其制造方法，可降低相邻光电二极管之间的串扰。
5.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
6.本发明提供一种图像传感器的制造方法，包括：
7.提供一衬底；
8.在所述衬底上形成多个浅沟槽隔离结构，且所述浅沟槽隔离结构将所述衬底区分为多个感光区域；
9.向所述感光区域中多次注入离子，形成光电二极管的预掺杂区；
10.对所述感光区域进行退火，形成所述光电二极管的掺杂区，所述光电二极管的掺杂区的深度大于所述浅沟槽隔离结构的深度；以及
11.在所述衬底上沉积多晶硅层，并蚀刻所述多晶硅层，形成控制结构。
12.在本发明一实施例中，在对所述感光区域注入离子时，所述注入离子的注入角度范围为15
°
～165
°
。
13.在本发明一实施例中，在对所述感光区域进行退火时，退火的温度范围为800℃～1200℃。
14.本发明还提供一种图像传感器，且所述图像传感器包括：
15.衬底；
16.多个浅沟槽隔离结构，设置在所述衬底上，且所述浅沟槽隔离结构将所述衬底区分为多个感光区域；
17.光电二极管的掺杂区，设置在所述感光区域内，且所述光电二极管的掺杂区的深度大于所述浅沟槽隔离结构的深度；以及
18.控制结构，设置在所述衬底上。
19.在本发明一实施例中，所述衬底上还包括第一区域，所述第一区域位于所述感光区域的一侧，且所述第一区域的一端与所述感光区域连通。
20.在本发明一实施例中，所述第一区域呈“l”型。
21.在本发明一实施例中，所述衬底上还包括第二区域，所述第二区域位于所述感光区域的另一侧，且所述第二区域与所述第一区域的另一端垂直设置。
22.在本发明一实施例中，所述光电二极管的掺杂区填满所述感光区域，且所述掺杂区与所述衬底的底部具有预设距离。
23.在本发明一实施例中，所述控制结构包括电荷积分开关，所述电荷节分开关设置在所述光电二极管的掺杂区上，且位于所述感光区域与所述第一区域的连接处。
24.在本发明一实施例中，所述控制结构包括信号放大开关，且所述信号放大开关设置在所述第一区域上。
25.如上所述本发明提供的一种图像传感器及其制造方法，在衬底上形成多个浅沟槽隔离结构，且浅沟槽隔离结构将衬底区分为多个感光区域，且所述感光区域中设置有光电二极管的掺杂区。且本发明提供的光电二极管的掺杂区可避免光电二极管在工作时，产生串扰。且在衬底上还设置有多个复位管和信号放大器，可改善图像传感器的输出。本发明提供的一种图像传感器及其制造方法，可在将衬底利用率最大化的基础上，避免相邻的光电二极管发生串扰。
26.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为一种图像传感器的制造方法流程图。
29.图2为一种图像传感器阵列示意图。
30.图3为本实施例中垫氧化层和垫氮化层的结构示意图。
31.图4为本实施例中图2中a-a’方向上浅沟槽的结构示意图。
32.图5为本实施例中图像传感器阵列在形成沟槽隔离结构的俯视图。
33.图6为本实施例中图5中a-a’方向上沟槽隔离结构的结构示意图。
34.图7为本实施例中光电二极管的预掺杂区示意图。
35.图8为本实施例中光电二极管的掺杂区示意图。
36.图9为本实施例中图像传感器阵列控制结构的俯视图。
37.图10为本实施例中图9中a-a’方向上控制结构的结构示意图。
38.图11为本实施例中图像传感器的电性连接示意图。
39.标号说明：
40.10图像传感器；11像素单元；100衬底；100a外延结构；101垫氧化层；102垫氮化层；103浅沟槽；104浅沟槽隔离结构；105感光区域；106第一区域；107第二区域；108光电二极管的预掺杂区；109光电二极管的掺杂区；110电荷积分开关；111信号放大开关；112复位开关；b注入角度；m1复位管；m2信号放大器；m3选择器；vdd电源。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
42.请参阅图2和图9所示，在本发明一实施例中，图像传感器10上设置有多个像素单元11，每个像素单元11中设置有一个光电二极管，形成一个像素点。多个像素单元11形成一个二维的像素阵列。景物通过成像透镜聚焦到图像传感器10的像素阵列上，每个光电二极管将表面的光强转换为电信号，并通过与光电二极管电性连接的控制电路选定需要工作的像素，将像素上的电信号读取出来。在将电性号放大后进行去噪等处理，之后输出。在每个像素单元11上，还可以设置有控制结构，例如包括电荷积分开关110、复位开关112和信号放大开关111等。在像素单元11的工作过程中，首先可控制复位开关112，打开复位管，使得光电二极管复位。然后进行取样，复位开关112关闭，电荷积分开关110打开，使得光电二极管工作，产生电荷，形成电性号输出。当信号放大开关111打开时，可将像素上的电信号放大。
43.请参阅图1和图3所示，在本发明一实施例中，所述图像传感器的制造方法包括步骤s11、提供一衬底。
44.请参阅图3所示，在本发明一实施例中，衬底100可以为任意适用的半导体材料，例如为碳化硅(sic)、氮化镓(gan)、氮化铝(aln)、氮化铟(inn)、硅锗(gesi)、蓝宝石或硅片等基板，还包括这些半导体构成的叠层结构等，或者为绝缘体上硅，绝缘体上层叠硅、绝缘体上层叠锗化硅、绝缘体上锗化硅以及绝缘体上锗等，具体可根据图像传感器10的制备要求进行选择。在本实施例中，衬底100例如为带有外延结构100a的硅片半导体衬底，且外延结构100a例如为同质外延层。且衬底100可以为无掺杂的衬底，也可以为掺杂的衬底。在本实施例中，衬底100例如为p型衬底。
45.请参阅图1和图3所示，在本发明一实施例中，在获取衬底100后，可衬底100上形成浅沟槽隔离结构104。在本实施例中，例如还可以包括步骤s12、在衬底上形成垫氧化层和垫氮化层。
46.请参阅图3所示，在本发明一实施例中，可先对衬底100表面进行清洗，以去除衬底100表面的杂质，再在衬底100上形成垫氧化层101。垫氧化层101例如为致密的氧化硅等材料，例如可以通过热氧化法、原位水汽生长法或化学气相沉积等方法在衬底100上形成垫氧化层101。在本实施例中，将清洗后的衬底100放入例如为900℃～1150℃温度下的炉管内，向炉管内通入氧气，衬底100与氧气在高温下反应，生成致密的垫氧化层101。且垫氧化层101的厚度例如为5nm～15nm，具体例如6nm、8nm、10nm或14nm等。
47.请参阅图3所示，在本发明一实施例中，在垫氧化层101形成后，在垫氧化层101上形成垫氮化层102，垫氮化层102例如为氮化硅或氮化硅和氧化硅的混合物等，在本实施例中，垫氮化层102例如为氮化硅。其中，垫氧化层101作为缓冲层可以改善衬底100与垫氮化层102之间的应力。在本发明中，例如可以通过低压化学气相淀积法(low pressure chemical vapor deposition，lpcvd)或等离子体增强化学气相沉积法(plasma enhanced chemical vapor deposition，pecvd)等方法形成垫氮化层102于垫氧化层101上。具体例如将带有垫氧化层101的衬底100放置于充有二氯硅烷与氨气的炉管内，在压力例如为2torr
～10torr，且在温度例如为700℃～800℃下反应，沉积垫氮化层102。且可以通过控制退火时间调整垫氮化层102的厚度，在一些实施例中，垫氮化层102的厚度例如为40nm～120nm，具体例如为60nm、80nm、100nm或120nm等。垫氮化层102可以在刻蚀过程中，保护衬底100不受损害。
48.请参阅如图1、图3和图4所示，在本发明一实施例中，在形成垫氧化层101和垫氮化层102后，执行步骤s13、在衬底上形成浅沟槽隔离结构。
49.请参阅图3、图4和图6所示，在本发明一实施例中，在形成垫氮化层102后，在衬底100上形成多个浅沟槽隔离结构104。具体地，可在垫氮化层102形成光阻层(图中未显示)，通过曝光显影等工艺，形成图案化光阻层，以用于定义浅沟槽隔离结构104的位置。以该图案化光阻层为掩膜，利用干法刻蚀、湿法刻蚀或干法刻蚀和湿法刻蚀相结合等刻蚀方式定量地去除位于图案化光阻层下的垫氮化层102、垫氧化层101和部分衬底100，得到浅沟槽103。在本实施例中，例如采用干法刻蚀形成浅沟槽103，且刻蚀的气体例如为氯气(cl2)、氟甲烷(cf3)、二氟甲烷(cf2)、三氟化氮(nf3)、六氟化硫(sf6)、溴化氢(hbr)或氧气(o2)等其中一种或几种的组合。
50.请参阅图4至图6所示，在本发明一实施例中，在形成浅沟槽103后，可在浅沟槽103内例如通过高密度等离子体化学气相淀积(high density plasma cvd，hdp～cvd)或高深宽比化学气相淀积(high aspect ratio process cvd，harp～cvd)等方式沉积隔离介质，且隔离介质例如为氧化硅等绝缘物质。形成隔离介质的步骤可以包括：将衬底100放在腔体内，然后向腔体内通入含硅前驱体和含氧前驱体，然后进行退火，使得含硅前驱体和含氧前驱体形成等离子体，然后进行反应，在浅沟槽内形成隔离介质。在本实施例中，含硅前驱体可以为正硅酸乙酯，含氧前驱体可以为臭氧，含氧前躯体和含硅前驱体的流量比例可以大于20：1。
51.请参阅图4至图6所示，在本发明一实施例中，在隔离介质沉积完成后，可先对隔离介质和垫氮化层102和垫氧化层101进行刻蚀，再通过化学机械抛光(chemical mechanical polishing，cmp)等平坦化工艺以将隔离介质和衬底100的顶部位于同一平面，进而形成多个浅沟槽隔离结构104，且浅沟槽隔离结构104与衬底100的表面齐平。但需要说明的是，因垫氮化层102和垫氧化层101的材质不同，去除垫氮化层102和垫氧化层101的工艺可分一次或两次进行。在本实施例中，可以采用干法刻蚀，利用cf4和chf3的混合气体通过一次刻蚀工艺去除垫氮化层102和垫氧化层101。在其他实施例中，也可以采用湿法刻蚀分两次进行，比如采用温度范围在140℃～200℃之间的热磷酸刻蚀垫氮化层102，采用浓度在1％～10％之间的氢氟酸刻蚀垫氧化层101。通过设置多个浅沟槽隔离结构104，可对图像传感器10中的相邻的光电二极管，和光电二极管及其他半导体器件进行隔离，减少半导体器件间的相互干扰，提高图像传感器10的性能。
52.请参阅图5和图6所示，在本发明一实施例中，形成的浅沟槽隔离将衬底100区分为多个感光区域105，以形成一个光电二极管。此外，浅沟槽隔离结构104还在每个感光区域105一侧区分出复位管和信号放大器的形成区域。且本发明并不限制感光区域105，以及复位管和信号放大器形成区域的形状。在本实施例中，衬底100上例如包括感光区域105、形成信号放大器的第一区域106、以及形成复位管的第二区域107。感光区域105呈六边形设置。第一区域106设置在感光区域105的一侧，第一区域106呈“l”型设置，且第一区域106的一端
与感光区域105连通。第二区域107设置在感光区域105的另一侧，第二区域107呈条形设置，且与第一区域106的另一端垂直设置。在本技术中，每个像素单元11中的光电二极管可独立控制，且第一区域106和第二区域107在不影响相邻光电二极管的感光效率的条件下，最小化相邻光电二极管之间的距离。
53.请参阅图1和图7所示，在本发明一实施例中，在形成浅沟槽隔离结构104后，执行步骤s14、在感光区域内注入离子，形成光电二极管的预掺杂区。
54.请参阅图6和图7所示，在本发明一实施例中，首先，可在感光区域105内注入离子，形成光电二极管的预掺杂区108。本技术对于每个感光区域105内注入的离子类型不作限定，形成所需的器件即可。在本实施例中，当衬底100呈p型设置时，在每个感光区域105内植入的离子例如为n型离子。植入的离子具体可为具有五个价电子的离子，例如可以为磷离子或砷离子。当磷离子替换硅原子时，向晶体的价带提供一个带负电的电子，从而形成n型的光电二极管的预掺杂区108。
55.请参阅图7所示，在本发明一实施例中，在对感光区域105进行离子注入时，为保证离子注入后形成的光电二极管的质量和形状，可进行多次不同角度的离子注入。在本实施例中，在每个感光区域105进行3～5次的离子注入，且离子注入时的注入角度b例如为15
°
～165
°
。其中，离子注入的注入角度b为离子的注入方向(图7中的箭头指向)与衬底100相对于离子注入方向的同侧所呈角度。在进行离子掺杂时，可将光电二极管的预掺杂区108域延伸至浅沟槽隔离结构104的底部，便于在退火时，离子扩散至深度大于浅沟槽隔离结构104的区域。
56.请参阅图7所示，在本发明一实施例中，例如对感光区域105进行4次离子注入。首先，对感光区域105进行两次离子注入，且离子注入的注入角度b例如为85
°
～95
°
，具体例如为90
°
，且离子的植入剂量的范围例如为4
×
10
12
atoms/cm2～5
×
10
13
atoms/cm2。其次，对离子进行一次离子注入，且离子注入的注入角度b例如为35
°
～55
°
，具体又例如为45
°
，且离子的植入剂量的范围例如为5
×
10
12
atoms/cm2～5
×
10
13
atoms/cm2。最后，对离子进行一次离子注入，且离子注入的注入角度b例如为125
°
～145
°
，具体又例如为135
°
，且离子的植入剂量的范围例如为5
×
10
12
atoms/cm2～5
×
10
13
atoms/cm2。在进行多次离子注入后，如图7所示，在感光区域105上形成光电二极管的预掺杂区108，光电二极管的预掺杂区108的底部呈弧形，且由靠近浅沟槽隔离结构104的一侧至感光区域105的中心，光电二极管的预掺杂区108的深度逐渐增加。在退火时，可保证离子不易扩散至浅沟槽隔离结构104底部。
57.请参阅图1、图7和图8所示，在对感光区域105进行离子注入后，执行步骤s15、对感光区域退火，形成光电二极管的掺杂区。
58.请参阅图7和图8所示，在本发明一实施例中，在对感光区域105进行离子注入形成光电二极管的预掺杂区108后，对感光区域105进行退火，光电二极管的预掺杂区108中的离子扩散至深度大于浅沟槽隔离结构104的区域，形成光电二极管的掺杂区109。在本实施例中，退火过程中的温度为800℃～1200℃，退火时间例如为60s～120s。在完成退火后，光电二极管的掺杂区109的深度大于浅沟槽隔离结构104的深度，光电二极管的掺杂区109不会延伸至浅沟槽隔离结构104的底部，且热扩散后的光电二极管的掺杂区109中离子分部均匀。且光电二极管的掺杂区109填满相邻浅沟槽隔离结构104之间的感光区域105。使得光电二极管在工作时，最大可能的将光转换为电子输出，避免光电子饱和溢出，可增强相邻的感
光区域105之间的隔离。光电二极管的掺杂区109与衬底100的底部具有预设距离，相对于退火前，衬底100中的p型掺杂也向上扩散，可进一步增强隔离。本实施例中，通过使用多次离子注入并退火的方法增强像素单元11之间的隔离，可避免在像素单元11上设置自动排放管，排除过剩的电荷，进而避免牺牲发光面积。
59.请参阅图7和图8所示，在本发明一实施例中，在光电二极管工作时，可将衬底100所在的p型区域接地，首先，光电二极管的掺杂区109(n型重掺杂区)通过控制结构被复位到一个正电压。之后，光电二极管保持反偏条件(reverse bias condition)并进入浮空状态(electrically floating)。由于内建电场的作用，被光子激发出的电子倾向于在光电二极管的掺杂区109中聚集，从而此区域的电势减小。同时，空穴流入地端。在这种情况下，电子就是信号电荷(signal charge)，即可将光信号转换为电信号。
60.请参阅图1和图9所示，在本发明一实施例中，在对感光区域105进行退火后，执行步骤s16、在第一区域和第二区域内注入离子，形成复位管和信号放大器的掺杂区。其中，本发明并不限制复位管和信号放大器的具体类型，以及第一区域106和第二区域107内注入的离子的形状和位置，可形成相关的器件即可。
61.请参阅图2和图9所示，在本发明一实施例中，复位管和信号放大器例如为n型的晶体管，具体例如为nmos管。则在第一区域106和第二区域107，且位于复位开关112和信号放大开关111的两侧，形成n型的掺杂区，即可形成n型的晶体管结构。本发明对复位开关112和信号放大开关111的掺杂区不作具体限定，形成nmos结构即可。
62.请参阅图2和图9所示，在本发明一实施例中，在形成光电二极管、复位管以及信号放大器的掺杂区后，执行步骤s17、在衬底上形成多个控制结构。
63.请参阅图9和图10所示，在本发明一实施例中，控制结构包括电荷积分开关110、复位开关112和信号放大开关111。其中，电荷积分开关110设置在光电二极管的掺杂区109上。信号放大开关111设置在第一区域106上，且位于第一区域106中两个n型掺杂区的中间。复位开关112设置在第二区域107上，且位于第二区域107中两个n型掺杂区的中间。
64.具体的，请参阅图9和图10所示，在本实施例中，可在衬底100上形成一层多晶硅层，并在多晶硅层上涂覆光刻胶，并采用碱性溶液湿法去除或采用干法的灰化工艺(ashing)去除部分晶硅层上方的光刻胶，形成图案化光阻层，所述图案化光阻层暴露电荷积分开关110、复位开关112和信号放大开关111所在的位置。再以图案化光阻层为掩膜，移除除电荷积分开关110、复位开关112和信号放大开关111位置的其他多晶硅层，即形成电荷积分开关110、复位开关112和信号放大开关111位置。
65.请参阅图9和图10所示，在本发明一实施例中，电荷积分开关110设置在光电二极管的掺杂区109上，且靠近感光区域105和第一区域106连接处。信号放大开关111设置在第一区域106上，且位于靠近第二区域107的一侧。复位开关112设置在第二区域107上，且位于第二区域107的中间，与信号放大开关111位于同一直线上。
66.在一些实施例中，在形成多个控制结构后，可在控制结构上形成多层金属互联结构，将控制结构与外部的控制电路电性连接。
67.请参阅图11所示，在本发明一实施例中，例如将电荷积分开关110电性连接于复位管m1的源极，复位管m1的漏极电性连接于电源vcc，复位管m1的栅极电性连接于外部的控制电路。信号放大开关111(信号放大器m2的栅极)电性连接于电荷积分开关110，信号放大器
m2的漏极电性连接于电源vcc，信号放大器m2的源极电信连接于外部控制电路的行选择器m3。在图像传感器工作时，首先进行复位，即在光电二极管的pn结处加反向电压，即激活复位管m1给pn结复位，复位结束后，复位管m1关闭。之后进行曝光过程，光子打到光电二极管的掺杂区109和衬底100上，被吸收后产生电子-空穴对，这些地址空穴通过电场移动后，减小pn结上反向电压。再进行读出过程，控制电路中的行选择器m3被激活，pn结中的信号经过信号放大器m2后被读出。即完成转换，之后循环重复复位、曝光以及读出的过程即可。
68.综上所述，本发明提供的一种图像传感器及其制造方法，在衬底上形成多个图案化的浅沟槽隔离结构，将衬底区分为感光区域、第一区域和第二区域，在感光区域内制成光电二极管，在第一区域内形成信号放大器，在第二区域内形成复位管，以形成图像传感器的一个像素单元。通过本发明形成的图像传感器，可避免相邻的光电二极管之间发生串扰，提高图像传感器的质量。
69.在整篇说明书中提到“一个实施例(one embodiment)”、“实施例(an embodiment)”或“具体实施例(a specific embodiment)”意指与结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中，并且不一定在所有实施例中。因而，在整篇说明书中不同地方的短语“在一个实施例中(in one embodiment)”、“在实施例中(in an embodiment)”或“在具体实施例中(in a specific embodiment)”的各个表象不一定是指相同的实施例。此外，本发明的任何具体实施例的特定特征、结构或特性可以按任何合适的方式与一个或多个其他实施例结合。应当理解本文所述和所示的发明实施例的其他变型和修改可能是根据本文教导的，并将被视作本发明精神和范围的一部分。
70.以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。