图像传感器的像素结构、图像传感器的制作方法

1.本实用新型涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种图像传感器的像素结构、图像传感器。


背景技术：

2.cmos图像传感器具有工艺简单、易与其他器件集成、体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点。因此，随着技术发展，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、照相手机、数码摄像机、医疗用摄像装置（例如胃镜）、车用摄像装置等。cmos图像传感器产品可分为fsi（front side illumination，前照式）和bsi（back side illumination，背照式）。
3.像素阵列作为图像传感器的核心模块，主要由光电二极管、传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管等组成。其中，光电二极管用于吸收光子并转换电子，光电二极管由n型掺杂区和半导体衬底构成；传输晶体管位于光电二极管与浮置扩散区之间实现开关功能，浮置扩散区的作用是收集光电二极管转化的电子，并根据其转化增益能力将电子信号转化为相应的电压信号。
4.在现有技术中，通常采用离子注入技术在n型掺杂区表面形成钉扎层，离子注入的深度会受到介质层（oxide）的厚度以及离子注入机台的影响，会导致离子注入深浅不均匀，如果离子注入过深会光敏性降低和偏色，如果离子注入过浅则无钉扎作用。并且，离子注入技术会对光电二极管表面形成破坏而产生缺陷，这些缺陷作为衬底表面上的悬键而起作用，并产生噪声，从而影响图像传感器的性能。
5.在现有技术中，通常采用的平面场效应晶体管没有方向性的阈值梯度，用来做转移晶体管，在开启后，会有大量的电子吸附在沟道表面，而在关断的过程中，有一部分电子会回流到光电二极管中，而这部分回流电子叠加到下一帧信号上，产生拖曳噪声。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种图像传感器的像素结构、图像传感器，用于增强开关特性。
7.基于以上考虑，本实用新型提供一种图像传感器的像素结构，包括：
8.半导体衬底、位于半导体衬底内的光电二极管及浮置扩散区；
9.覆盖于光电二极管上表面的钉扎层；
10.其中，所述钉扎层在靠近浮置扩散区一侧由光电二极管至浮置扩散区方向厚度逐渐减薄。
11.可选地，所述钉扎层在靠近浮置扩散区一侧呈由光电二极管至浮置扩散区方向的向下阶梯状结构。
12.可选地，所述阶梯状结构为类坡状结构。
13.可选地，还包括转移晶体管，所述转移晶体管栅极覆盖所述钉扎层靠近浮置扩散
区的一侧，从而所述转移晶体管的阈值电压在光电二极管至浮置扩散区方向由高到低分布。
14.可选地，所述钉扎层由从光电二极管上表面逐层垒积的n层钉扎薄膜组成；其中，上层钉扎薄膜覆盖下层钉扎薄膜并延伸至靠近所述浮置扩散区一侧的光电二极管上表面， n≥2。
15.可选地，所述钉扎薄膜的掺杂浓度由底层至外层逐渐降低。
16.可选地，所述钉扎层为单晶结构。
17.本实用新型还提供一种图像传感器，包括如上任一项所述的像素结构。
18.本实用新型的提供的图像传感器的像素结构、图像传感器，具有以下有益效果：
19.通过将钉扎层在靠近浮置扩散一侧设置为厚度逐渐减薄的结构，使转移晶体管的阈值电压在光电二极管至浮置扩散区方向由高到低分布，增强转移晶体管的开关性能。
附图说明
20.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，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
21.图1至图8显示为本实用新型的实施例一的像素结构的形成过程的结构示意图；
22.图9至图15显示为本实用新型的实施例二的钉扎层的形成过程的结构示意图；
23.图16显示为本实用新型的实施例二的像素结构的示意图。
24.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
25.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。
26.其次，本实用新型利用示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。
27.本实用新型提供一种图像传感器的像素结构，如图8所示，包括：
28.半导体衬底11、位于半导体衬底11内的光电二极管12及浮置扩散区15；
29.覆盖于光电二极管12上表面的钉扎层13；
30.其中，钉扎层13在靠近浮置扩散区15一侧由光电二极管至浮置扩散区方向厚度逐渐减薄。
31.钉扎层一般设置在光电二极管表面，从而在图像传感器受到光照的情况下，隔离光电二极管内形成的光电子，避免光电子从光电二极管表面逸出，提高图像传感器性能。
32.钉扎层在靠近浮置扩散区一侧由光电二极管至浮置扩散区方向厚度逐渐减薄，可以为向下的阶梯状结构，或者由多层阶梯形成的向下类坡状结构。在本实施例中，钉扎层13在浮置扩散区一侧形成三层阶梯状结构。
33.半导体衬底11的材料包括硅、锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料。本领域的技术人员可以根据半导体衬底上形成的半导体器件选择半导体衬底的类型，因此半导体的类型不
应限制本实用新型的保护范围。
34.作为示例，如图8所示，转移晶体管栅极16覆盖钉扎层13靠近浮置扩散区15的一侧的向下阶梯状结构14。转移晶体管栅极覆盖于钉扎层之上，能够形成侧向寄生电场，而且由于钉扎层厚度的变化，导致转移晶体管的阈值电压在光电二极管至浮置扩散区方向由高到低分布从而增强了转移晶体管的开关特性。当然，本实用新型提供的像素结构还包括复位晶体管（未示出）、源跟随晶体管（未示出）等，其技术方案与现有技术相同，在此不再赘述。
35.作为示例，在本实施例中，钉扎层13由从光电二极管上表面逐层垒积的三层钉扎薄膜组成；其中，上层钉扎薄膜覆盖下层钉扎薄膜并延伸至靠近浮置扩散区一侧的光电二极管上表面，从而形成阶梯状结构。即第一层薄膜131覆盖光电二极管的上表面；第二层薄膜132覆盖第一层薄膜131并延伸至光电二极管的上表面；第三层薄膜133覆盖第二层薄膜132并延伸至光电二极管的上表面。当然，钉扎层的钉扎薄膜层数并不限于本实施例作为示例的三层钉扎薄膜，可以根据需要设置两层或多层钉扎薄膜。多层钉扎薄膜还可形成类坡状的阶梯结构。
36.同时，可以对各钉扎薄膜的掺杂浓度进行设置，各钉扎薄膜的掺杂浓度可以相同，也可以不同，作为示例，在本实施例中，钉扎薄膜的掺杂浓度由底层至外层逐渐降低，即第一钉扎薄膜的掺杂浓度大于第二钉扎薄膜的掺杂浓度，第二钉扎薄膜的掺杂浓度大于第三钉扎薄膜的掺杂浓度。当然，也可根据实际需要进行调整，在此不作限制。
37.需要说明的是，钉扎层不仅可以由两层或多层钉扎薄膜垒积而成，还可以由单层钉扎薄膜经多次刻蚀而成。
38.钉扎层优选为单晶结构，单晶结构的钉扎层高温稳定性好，能够在后续工艺中不受损耗。
39.本实用新型还提供了一种图像传感器像素结构的制备方法，包括步骤：
40.提供半导体衬底，于半导体衬底内设置光电二极管及浮置扩散区；
41.于光电二极管上表面形成钉扎层；
42.其中，钉扎层在靠近浮置扩散区一侧由光电二极管至浮置扩散区方向厚度逐渐减薄。
43.以下通过图1至图8对像素结构的制备方法进行详细描述。
44.如图1所示，提供半导体衬底11，于半导体衬底11内设置光电二极管12及浮置扩散区15。
45.如图7所示，于光电二极管12上表面形成钉扎层13，钉扎层13在靠近浮置扩散区15一侧呈由光电二极管12至浮置扩散区15方向的向下阶梯状结构14。
46.在本实施例中，形成钉扎层13的步骤又具体如下：
47.如图2所示，进行步骤s21，于半导体衬底11表面形成图形化的掩膜层17，图形化的掩膜层17覆盖半导体衬底11表面并暴露出光电二极管12上表面的部分或全部；
48.如图3所示，进行步骤s22，于暴露出的光电二极管12上表面，形成第一钉扎薄膜131；
49.如图4所示，进行步骤s23，刻蚀掩膜层17的外边缘部分，重新暴露出靠近浮置扩散区一侧的光电二极管12的部分上表面；
50.如图5所示，进行步骤s24，形成第二钉扎薄膜132，第二钉扎薄膜132覆盖第一钉扎
薄膜131并覆盖重新暴露出的光电二极管12的上表面；
51.在本实施例中，还重复步骤s23~s24一次, 形成第三钉扎薄膜133。步骤s23~s24的重复次数可以根据钉扎薄膜的层数进行设定，在其他的实施例中，可以重复步骤s23~s24多次，形成多层钉扎薄膜垒积的钉扎层。在另外的实施例中，多层钉扎薄膜还可形成类坡状的阶梯结构。在另外的实施例中，也可以不重复步骤s23~s24，得到由两层钉扎薄膜垒积的钉扎层。
52.如图7所示，进行步骤s25，去除图形化的掩膜层17，最终形成由三层钉扎薄膜组成的钉扎层13，且在靠近浮置扩散区一侧呈由光电二极管至浮置扩散区方向的向下阶梯状结构14。
53.优选地，各钉扎薄膜通过选择性外延工艺形成，与现有技术的采用离子注入法形成钉扎层相比较，本实用新型的外延法形成钉扎层能够去除离子注入时介质层厚度不均导致的离子注入深度不一致性，提高晶圆级图像传感器制备的光性能均匀性，减少噪点；而且，省去了离子注入工序，减少因离子注入工艺对光电二极管表面的破坏而产生的缺陷，也节省了工艺步骤。
54.而且，各钉扎薄膜的掺杂浓度还可进行设置，各钉扎薄膜的掺杂浓度可以相同，也可以不同，作为示例，在本实施例中，钉扎薄膜的掺杂浓度由第一层至第三层逐渐降低。
55.在以上形成的结构上形成转移晶体管栅极16，如图8所示，转移晶体管栅极16覆盖钉扎层13的向下阶梯状结构14，从而转移晶体管的阈值电压由光电二极管至浮置扩散区方向呈由高到低的梯度分布，增强了转移晶体管的开关特性。
56.本实用新型还提供一种图像传感器（未示出），该图像传感器包括以上所提供的像素结构，当然还包括了像素结构周围的外围电路等。
57.实施例二
58.本实施例提供一种像素结构及像素结构的制备方法，其技术方案与实施例一相似，与实施例一不同的是，其像素结构的钉扎层及钉扎层的形成方法不同。
59.本实施例的钉扎层由单层钉扎薄膜经多次刻蚀形成，图9至图15详细介绍了本实施例的钉扎层的形成方法，具体步骤如下：
60.如图9所示，进行步骤s31，于半导体衬底21表面，覆盖钉扎层23。半导体衬底21内设置有光电二极管22及浮置扩散区25，钉扎层23通过选择性外延工艺形成；
61.如图10所示，进行步骤s32，于位于光电二极管22正上方的钉扎层23表面，形成图形化的掩膜层27；
62.如图11所示，进行步骤s33，利用掩膜层27刻蚀钉扎层23的表面；
63.如图12所示，进行步骤s34，刻蚀靠近浮置扩散区25一侧的掩膜层27，重新暴露出钉扎层23的部分表面；
64.如图13所示，进行步骤s35，利用掩膜层27刻蚀钉扎层23表面；
65.如图14所示，在本实施例中，重复步骤s34~s35一次，形成三层阶梯状的钉扎层23。步骤s34~s35的重复次数可以根据钉扎层的阶梯状结构的阶梯数进行设置。在其他的实施例中，可以重复步骤s34~s35多次，形成多层阶梯状的钉扎层。在另外的实施例中，还可以重复步骤 s34~s35多次，形成类坡状的阶梯结构。在另外的实施例中，也可以不重复步骤s34~s35，得到两层阶梯状的钉扎层。
66.如图15所示，进行步骤s36，去除图形化的掩膜层27，最终形成钉扎层23。形成的钉扎层23的厚度由光电二极管至浮置扩散区方向逐渐减薄，钉扎层在靠近浮置扩散区一侧呈由光电二极管至浮置扩散区方向的向下阶梯状结构24。
67.在以上形成的结构上形成转移晶体管栅极26，如图16所示，转移晶体管栅极26覆盖钉扎层23的向下阶梯状结构24，从而转移晶体管的阈值电压由光电二极管至浮置扩散区方向呈由高到低的梯度分布，增强了转移晶体管的开关特性。
68.其他技术方案与实施例一相同，在此不再赘述。
69.综上所述，本实用新型提供一种图像传感器的像素结构，包括：半导体衬底、位于半导体衬底内的光电二极管及浮置扩散区；覆盖于光电二极管上表面的钉扎层；其中，钉扎层在靠近浮置扩散区一侧由光电二极管至浮置扩散区方向厚度逐渐减薄。通过将钉扎层在靠近浮置扩散一侧设置为厚度逐渐减薄的结构，使转移晶体管的阈值电压在光电二极管至浮置扩散区方向由高到低分布，增强转移晶体管的开关性能；采用选择性外延工艺形成钉扎层，形成的钉扎层性能稳定。
70.对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型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实用新型。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。