图像传感器的形成方法与流程

1.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的形成方法。


背景技术：

2.图像传感器是将光学图像转换成电信号的半导体器件，由于cmos图像传感器(cmos image sensor，cis)具有低功耗和高信噪比的优点，因此在各种领域内得到了广泛应用。
3.在cmos图像传感器中最常用的pixel单元包含一个光电二极管pd和四个mos管，包括转移晶体管tx、复位晶体管rst，源跟随晶体管sf和行选择晶体管rs、以及浮动扩散区fd，可以实现对光电二极管pd的选中、复位、信号输出、信号放大和读出的控制。原理为当光线照射光电二极管pd时，光电二极管pd中就会产生光生载流子的积累，然后通过外部控制电路打开转移晶体管tx，光生载流子就从光电二极管pd流到浮动扩散区fd，浮动扩散区fd既是转移晶体管tx的漏极，又是pn结电容，浮动扩散区fd将光生载流子转变为电压信号输出。
4.然而，现有技术的cmos图像传感器在形成过程中仍存在诸多问题。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是提供一种图像传感器的形成方法，能够有效减少白噪声，以提升图像质量。
6.为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供衬底，所述衬底内具有第一离子；在所述衬底内形成若干深沟槽；在所述深沟槽内形成掺杂外延层，所述掺杂外延层填充满所述深沟槽，所述掺杂外延层内具有第二离子，所述第二离子与所述第一离子的电学类型不同，所述掺杂外延层包括第一区以及位于所述第一区上的第二区，所述第二区的侧壁与所述第一区的侧壁之间具有夹角；采用第一平坦化处理，去除所述第二区。
7.可选的，在形成若干所述深沟槽之前，还包括：在所述衬底上形成掩膜材料层；在形成若干所述深沟槽的过程中，还包括：刻蚀去除部分所述掩膜材料层，以形成掩膜层。
8.可选的，所述掩膜材料层的厚底为：100纳米～800纳米。
9.可选的，所述掩膜层的材料与所述掺杂外延层的材料不同；所述掩膜层的材料包括：氧化硅或氮化硅。
10.可选的，所述掺杂外延层的形成方法包括：在所述深沟槽内以及所述掩膜层的表面形成外延材料层；对所述外延材料层进行第二平坦化处理，直至暴露出所述掩膜层的表面为止，形成所述掺杂外延层。
11.可选的，所述第二平坦化处理的工艺包括：化学机械研磨工艺。
12.可选的，采用第一平坦化处理之前，还包括：去除所述掩膜层。
13.可选的，在形成所述掺杂外延层之前，还包括：在所述深沟槽的侧壁形成本征外延层，所述掺杂外延层位于所述本征外延层上。
14.可选的，所述第一离子采用n型离子；所述第二离子采用p型离子。
15.可选的，所述第一平坦化处理的工艺包括：化学机械研磨工艺。
16.可选的，在所述第一平坦化处理之后，还包括：在所述衬底上形成覆盖层。
17.可选的，所述覆盖层的形成方法包括：采用外延生长工艺在所述衬底上形成覆盖材料层；对所述覆盖材料层进行第三平坦化处理，形成所述覆盖层。
18.可选的，所述第三平坦化处理的工艺包括：化学机械研磨工艺。
19.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
20.本发明技术方案的图像传感器的形成方法中，在所述深沟槽内形成掺杂外延层，所述掺杂外延层填充满所述深沟槽，所述掺杂外延层内具有第二离子，所述第二离子与所述第一离子的电学类型不同，所述掺杂外延层包括第一区以及位于所述第一区上的第二区，所述第二区的侧壁与所述第一区的侧壁之间具有夹角；采用第一平坦化处理，去除所述第二区。通过在形成所述掺杂外延层之后，采用第一平坦化处理，将发生晶格位错的第二区进行去除，进而有效减少白噪声的产生，以提升最终形成的图像传感器的性能。
21.进一步，在形成所述掺杂外延层之前，还包括：在所述深沟槽的侧壁形成本征外延层，所述掺杂外延层位于所述本征外延层上。利用所述本征外延层能够对所述深沟槽的侧壁进行缺陷修复，以提升最终形成的图像传感器的性能。
附图说明
22.图1是一种图像传感器的形成方法各步骤结构示意图；
23.图2至图8是本发明实施例中图像传感器的形成方法各步骤的结构示意图。
具体实施方式
24.正如背景技术所述，现有技术的cmos图像传感器在形成过程中仍存在诸多问题。以下将结合附图进行具体说明。
25.图1是一种图像传感器的形成方法各步骤结构示意图。
26.请参考图1，提供衬底100，所述衬底100内具有第一离子；在所述衬底100内形成若干深沟槽(未标示)，所述深沟槽包括第一部a1以及位于所述第一部a1上的第二部a2；在所述深沟槽内形成掺杂外延层101，所述掺杂外延102层填充满所述深沟槽，所述掺杂外延层101内具有第二离子，所述第二离子与所述第一离子的电学类型不同，以形成光电二极管；在所述衬底100上形成连接层102。
27.在本实施例中，在刻蚀形成所述深沟槽的过程中，由于刻蚀工艺的局限性，导致所述深沟槽的第二部a2形貌较为复杂，具体呈现出锥形结构。后续在所述深沟槽内通过外延生长工艺形成所述掺杂外延层101的过程中，在所述第二部a2内的掺杂外延层101会存在〈111〉面和〈100〉面的晶格生长，由于〈111〉面和〈100〉面的晶格生长速度不一致，容易出现晶格位错的现象(如图1中a部分所示)。所述晶格位错的现象会使得后续形成的部分像素点在没有光照时也会产生电荷，而电荷的积累将产生暗电流(dark current)。对于一个像素单元来说，如果其暗电流值超过通过捕获光电子产生的光电流后，该像素单元就会被认为是白噪声(white pixel)，进而影响最终形成的图像传感器的性能。
28.在此基础上，本发明提供一种图像传感器的形成方法，在所述深沟槽内形成掺杂
外延层，所述掺杂外延层填充满所述深沟槽，所述掺杂外延层内具有第二离子，所述第二离子与所述第一离子的电学类型不同，所述掺杂外延层包括第一区以及位于所述第一区上的第二区，所述第二区的侧壁与所述第一区的侧壁之间具有夹角；采用第一平坦化处理，去除所述第二区。通过在形成所述掺杂外延层之后，采用第一平坦化处理，将发生晶格位错的第二区进行去除，进而有效减少白噪声的产生，以提升最终形成的图像传感器的性能。
29.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地说明。
30.图2至图8是本发明实施例中图像传感器的形成方法各步骤的结构示意图。
31.请参考图2，提供衬底200，所述衬底200内具有第一离子。
32.在本实施例中，所述衬底200包括基底、位于所述基底上的第一p型外延层、位于所述第一p型外延层上的第一本征外延层、以及位于所述第一本征外延层上的n型外延层(未标示)。
33.需要说明的是，所述衬底200内具有的第一离子即为所述n型外延层内掺杂的n型离子。
34.所述n型离子包括：磷离子或砷离子。在本实施例中，所述n型离子采用磷离子。
35.在本实施例中，所述基底的材料为掺杂由p型离子的硅。在其他实施例中，所述基底的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟。
36.请参考图3，在所述衬底200上形成掩膜材料层201。
37.在本实施例中，所述掩膜材料层201为单层结构，所述掩膜材料层201的材料采用氧化硅或氮化硅。
38.在其他实施例中，所述掩膜材料层还可以为多层结构，具体为第一掩膜材料层、位于所述第一掩膜材料层上的第二掩膜材料层、以及位于所述第二掩膜材料层上的第三掩膜材料层。其中，所述第一掩膜材料层和所述第三掩膜材料层的材料采用氧化硅，所述第二掩膜材料层的材料采用氮化硅。
39.在本实施例中，所述掩膜材料层201的厚底为：100纳米～800纳米。
40.在本实施例中，所述掩膜材料层201的材料与后续形成的掺杂外延层材料不同，其目的是用于后续对外延材料层进行平坦化处理时的研磨停止层。
41.请参考图4，在所述衬底200内形成若干深沟槽202。
42.在本实施例中，在形成若干所述深沟槽202的过程中，还包括：刻蚀去除部分所述掩膜材料层201，以形成掩膜层203。
43.在本实施例中，所述深沟槽202的线宽为0.2微米～0.5微米。
44.在本实施例中，在形成所述深沟槽202之后，还包括：对所述深沟槽202内进行清洗处理，以去除刻蚀过程中形成在所述深沟槽202内的残留物。
45.在本实施例中，刻蚀形成所述深沟槽202的工艺采用湿法刻蚀工艺；在其他实施例中，刻蚀形成所述深沟槽的工艺还可以采用湿法刻蚀工艺。
46.在本实施例中，刻蚀形成所述深沟槽202停留在停在第一p型外延层之间。
47.请参考图5，在所述深沟槽202的侧壁形成本征外延层204。
48.在本实施例中，利用所述本征外延层204能够对所述深沟槽202的侧壁进行缺陷修复，以提升最终形成的图像传感器的性能。
49.在本实施例中，所述本征外延层204的形成工艺采用外延生长工艺。
50.请参考图6，在所述深沟槽202内形成掺杂外延层205，所述掺杂外延层205填充满所述深沟槽202，所述掺杂外延层205内具有第二离子，所述第二离子与所述第一离子的电学类型不同，所述掺杂外延层205包括第一区i以及位于所述第一区i上的第二区ii，所述第二区ii的侧壁与所述第一区i的侧壁之间具有夹角。
51.在本实施例中，所述掺杂外延层205位于所述本征外延层204上。
52.在本实施例中，所述掺杂外延层205的形成方法包括：在所述深沟槽202内以及所述掩膜层203的表面形成外延材料层(未图示)；对所述外延材料层进行第二平坦化处理，直至暴露出所述掩膜层203的表面为止，形成所述掺杂外延层205。
53.在本实施例中，所述第二平坦化处理的工艺采用化学机械研磨工艺。
54.在本实施例中，在刻蚀形成所述深沟槽202的过程中，由于刻蚀工艺的局限性，导致所述深沟槽202的开口形貌较为复杂，具体呈现出锥形结构。因此使得形成在所述深沟槽202内的掺杂外延层205的所述第二区ii的侧壁与所述第一区i的侧壁之间具有夹角。
55.所述第二区ii的侧壁与所述第一区i的侧壁之间具有夹角的原因在于：在所述深沟槽202内通过外延生长工艺形成所述掺杂外延层205的过程中，在所述第二区ii的所述掺杂外延层205会存在〈111〉面和〈100〉面的晶格生长，由于〈111〉面和〈100〉面的晶格生长速度不一致，容易出现晶格位错的现象。所述晶格位错的现象会使得后续形成的部分像素点在没有光照时也会产生电荷，而电荷的积累将产生暗电流(dark current)。
56.对于一个像素单元来说，如果其暗电流值超过通过捕获光电子产生的光电流后，该像素单元就会被认为是白噪声(white pixel)，进而影响最终形成的图像传感器的性能。
57.在本实施例中，由于所述第一离子和所述第二离子的电学类型不同，所述第一离子和所述第二离子都会进行一定的扩散，因此在所述本征外延层204内会形成光电二极管结构。后续，通过光线由照射到衬底上，使衬底200激发出电子，所述光电二极管结构用于将激发出的电子形成电信号。
58.在本实施例中，所述第二离子采用p型离子。
59.所述p型离子包括：硼离子或铟离子。在本实施例中，所述p型离子采用硼离子。
60.在本实施例中，请继续参考图6，在形成所述掺杂外延层205之后，去除所述掩膜层203。
61.请参考图7，采用第一平坦化处理，去除所述第二区ii。
62.在本实施例中，在所述深沟槽202内形成掺杂外延层205，所述掺杂外延层205填充满所述深沟槽202，所述掺杂外延层205内具有第二离子，所述第二离子与所述第一离子的电学类型不同，所述掺杂外延层205包括第一区i以及位于所述第一区i上的第二区ii，所述第二区ii的侧壁与所述第一区i的侧壁之间具有夹角；采用第一平坦化处理，去除所述第二区ii。通过在形成所述掺杂外延层205之后，采用第一平坦化处理，将发生晶格位错的第二区ii进行去除，进而有效减少白噪声的产生，以提升最终形成的图像传感器的性能。
63.在本实施例中，所述第一平坦化处理的工艺采用化学机械研磨工艺。
64.请参考图8，在所述第一平坦化处理之后，在所述衬底200上形成覆盖层206
65.在本实施例中，所述覆盖层206的形成方法包括：采用外延生长工艺在所述衬底上形成覆盖材料层(未图示)；对所述覆盖材料层进行第三平坦化处理，形成所述覆盖层206。
66.在本实施例中，所述第三平坦化处理的工艺采用化学机械研磨工艺。
67.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。

技术特征：
1.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：提供衬底，所述衬底内具有第一离子；在所述衬底内形成若干深沟槽；在所述深沟槽内形成掺杂外延层，所述掺杂外延层填充满所述深沟槽，所述掺杂外延层内具有第二离子，所述第二离子与所述第一离子的电学类型不同，所述掺杂外延层包括第一区以及位于所述第一区上的第二区，所述第二区的侧壁与所述第一区的侧壁之间具有夹角；采用第一平坦化处理，去除所述第二区。2.如权利要求1所述图像传感器的形成方法，其特征在于，在形成若干所述深沟槽之前，还包括：在所述衬底上形成掩膜材料层；在形成若干所述深沟槽的过程中，还包括：刻蚀去除部分所述掩膜材料层，以形成掩膜层。3.如权利要求2所述图像传感器的形成方法，其特征在于，所述掩膜材料层的厚底为：100纳米～800纳米。4.如权利要求2所述图像传感器的形成方法，其特征在于，所述掩膜层的材料与所述掺杂外延层的材料不同；所述掩膜层的材料包括：氧化硅或氮化硅。5.如权利要求2所述图像传感器的形成方法，其特征在于，所述掺杂外延层的形成方法包括：在所述深沟槽内以及所述掩膜层的表面形成外延材料层；对所述外延材料层进行第二平坦化处理，直至暴露出所述掩膜层的表面为止，形成所述掺杂外延层。6.如权利要求5所述图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第二平坦化处理的工艺包括：化学机械研磨工艺。7.如权利要求2所述图像传感器的形成方法，其特征在于，采用第一平坦化处理之前，还包括：去除所述掩膜层。8.如权利要求1所述图像传感器的形成方法，其特征在于，在形成所述掺杂外延层之前，还包括：在所述深沟槽的侧壁形成本征外延层，所述掺杂外延层位于所述本征外延层上。9.如权利要求1所述图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一离子采用n型离子；所述第二离子采用p型离子。10.如权利要求1所述图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一平坦化处理的工艺包括：化学机械研磨工艺。11.如权利要求1所述图像传感器的形成方法，其特征在于，在所述第一平坦化处理之后，还包括：在所述衬底上形成覆盖层。12.如权利要求11所述图像传感器的形成方法，其特征在于，所述覆盖层的形成方法包括：采用外延生长工艺在所述衬底上形成覆盖材料层；对所述覆盖材料层进行第三平坦化处理，形成所述覆盖层。13.如权利要求12所述图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第三平坦化处理的工艺包括：化学机械研磨工艺。

技术总结
一种图像传感器的形成方法，包括：提供衬底，所述衬底内具有第一离子；在所述衬底内形成若干深沟槽；在所述深沟槽内形成掺杂外延层，所述掺杂外延层填充满深沟槽，所述掺杂外延层内具有第二离子，所述第二离子与所述第一离子的电学类型不同，所述掺杂外延层包括第一区以及位于所述第一区上的第二区，所述第二区的侧壁与所述第一区的侧壁之间具有夹角；采用第一平坦化处理，去除所述第二区。通过在所述深沟槽内形成所述掺杂外延层，掺杂外延层填充满深沟槽；再采用第一平坦化处理，去除第二区。利用在形成掺杂外延层之后，采用第一平坦化处理将发生晶格位错的第二区进行去除，进而有效减少白噪声的产生，以提升最终形成的图像传感器的性能。器的性能。器的性能。


技术研发人员：郑晓辉 张栋 范晓 李佳龙
受保护的技术使用者：华虹半导体（无锡）有限公司
技术研发日：2021.12.16
技术公布日：2022/3/8