图像传感器及其形成方法与流程

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。

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。

然而，现有的CMOS图像传感器的性能有待提高。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种图像传感器及其形成方法，以提高图像传感器的性能。

为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器，包括：基底，所述基底包括二极管区和与二极管区邻接的电容区，所述二极管区具有相对的第一侧边缘和第二侧边缘、以及相对的第三侧边缘和第四侧边缘，所述电容区与二极管区的仅第一侧边缘和第三侧边缘邻接；所述二极管区包括二极管体区和第一电荷存储区，第一电荷存储区位于二极管区中由第一侧边缘和第三侧边缘相交而成的拐角处，部分第一侧边缘为二极管体区的边缘，部分第三侧边缘为二极管体区的边缘；所述电容区包括与二极管体区邻接的电容体区和与第一电荷存储区邻接的第二电荷存储区，且第二电荷存储区和电容体区邻接；位于二极管体区中的光电二极管；位于电容体区中的电容介质层和电容栅极，且所述电容介质层位于电容栅极和光电二极管之间；位于第一电荷存储区和第二电荷存储区中的电荷存储层，所述电荷存储层与电容栅极连接。

可选的，所述电荷存储层中具有存储离子，所述存储离子的导电类型为N型；所述光电二极管包括二极管N型掺杂层，所述二极管N型掺杂层中具有N型离子；且所述存储离子在电荷存储层中的浓度大于N型离子在二极管N型掺杂层中的浓度。

可选的，所述光电二极管包括二极管N型掺杂层，所述二极管N型掺杂层包括第一N型掺杂区和第二N型掺杂区，自第一N型掺杂区至第二N型掺杂区的方向平行于基底表面，第二N型掺杂区位于第一N型掺杂区相邻的两侧，第二N型掺杂区中N型离子的浓度大于第一N型掺杂区中N型离子的浓度；所述第二N型掺杂区位于所述电容介质层和第一N型掺杂区之间。

可选的，所述第二N型掺杂区中N型离子的浓度为第一N型掺杂区中N型离子浓度的10倍～50倍。

可选的，所述第二电荷存储区与所述二极管区的仅第一侧边缘邻接；或者，所述第二电荷存储区与所述二极管区的仅第三侧边缘邻接；或者，部分第二电荷存储区与所述二极管区的第一侧边缘邻接，部分第二电荷存储区与所述二极管区的第三侧边缘邻接。

可选的，所述电容介质层的材料包括氧化硅；所述电容栅极的材料包括多晶硅。

可选的，还包括：位于基底上的读出栅极结构，所述电荷存储层位于读出栅极结构的一侧；位于读出栅极结构另一侧的浮空扩散区。

本发明还提供一种形成上述任意一项图像传感器的方法，包括：提供基底，所述基底包括二极管区和与二极管区邻接的电容区，所述二极管区具有相对的第一侧边缘和第二侧边缘、以及相对的第三侧边缘和第四侧边缘，所述电容区与二极管区的仅第一侧边缘和第三侧边缘邻接，所述二极管区包括二极管体区和第一电荷存储区，第一电荷存储区位于二极管区中由第一侧边缘和第三侧边缘相交而成的拐角处，部分第一侧边缘为二极管体区的边缘，部分第三侧边缘为二极管体区的边缘，所述电容区包括与二极管体区邻接的电容体区和与第一电荷存储区邻接的第二电荷存储区，且第二电荷存储区和电容体区邻接；在基底的二极管体区中形成光电二极管；在基底的电容体区中形成电容介质层和电容栅极，且所述电容介质层位于电容栅极和光电二极管之间；在第一电荷存储区和第二电荷存储区中形成电荷存储层，所述电荷存储层与电容栅极连接。

可选的，形成所述电容介质层和电容栅极后，形成所述光电二极管；形成所述光电二极管后，形成所述电荷存储层。

可选的，还包括：在形成所述光电二极管、电容介质层和电容栅极后，且在形成所述电荷存储层之前，在基底上形成读出栅极结构；所述电荷存储层位于读出栅极结构一侧的第一电荷存储区和第二电荷存储区中；在读出栅极结构的另一侧形成浮空扩散区。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明技术方案提供的图像传感器中，结合电荷存储层、电容介质层和电容栅极，压缩了强光环境下的感光灵敏度，拓展了像素的感光动态范围，像素采集到了更多高照明时的实物信息。由于第一电荷存储区位于二极管区中由第一侧边缘和第三侧边缘相交而成的拐角处，因此光生电子从光电二极管移动至电荷存储层的平均路径长度减小，这样光生电子在从光电二极管移动至电荷存储层的过程中被复合的几率减小，电荷存储层收集到的电子数量较多，提高了光电二极管的光电转换效率。综上，提高了图像传感器的性能。

进一步，所述二极管N型掺杂层包括第一N型掺杂区和第二N型掺杂区。光生电子的移动路径包括：光生电子在第一N型掺杂区由远至近靠近电容介质层到达第二N型掺杂区中，之后，光生电子沿着第二N型掺杂区232不断靠近电荷存储层直至达到电荷存储层中。由于第二N型掺杂区位于所述电容介质层和第一N型掺杂区之间，第二N型掺杂区中N型离子的浓度大于第一N型掺杂区中N型离子的浓度，因此光生电子从第一N型掺杂区中至电荷存储层移动的过程中，能够提高光生电子的移动速率，使得单位时间内电荷存储层收集到的电子较多。

本发明技术方案提供的图像传感器的形成方法中，在第一电荷存储区和第二电荷存储区中形成电荷存储层。由于第一电荷存储区位于二极管区中由第一侧边缘和第三侧边缘相交而成的拐角处，因此光生电子从光电二极管移动至电荷存储层的平均路径长度减小，这样光生电子在从光电二极管移动至电荷存储层的过程中被复合的几率减小，电荷存储层收集到的电子数量较多，提高了光电二极管的光电转换效率。综上，提高了图像传感器的性能。

附图说明

图1是一种图像传感器的结构示意图；

图2至图5是一种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，现有技术形成的图像传感器的性能较差。

一种图像传感器，参考图1，包括：基底100，所述基底100包括二极管区和与二极管区邻接的电容区，所述二极管区具有相对的第一侧边缘和第二侧边缘、以及相对的第三侧边缘和第四侧边缘，所述电容区与二极管区的仅第一侧边缘和第三侧边缘邻接；所述二极管区包括二极管体区和电荷存储区，电荷存储区位于二极管区中由第二侧边缘和第三侧边缘相交而成的拐角处；位于二极管体区中的光电二极管120；位于电容体区中的电容介质层130和电容栅极140，且所述电容介质层130位于电容栅极140和光电二极管120之间；位于电荷存储区中的电荷存储层110，所述电荷存储层110与电容栅极140连接；位于基底100上的读出栅极结构150，所述电荷存储层110位于读出栅极结构150的一侧；位于读出栅极结构150另一侧的浮空扩散区160。

结合电荷存储层和晶体管电容，压缩了强光环境下的感光灵敏度，拓展了像素的感光动态范围，像素采集到了更多高照明时的实物信息。

光生电子的移动路径包括：第一类型路径，具体的，部分光生电子在光电二极管120由远至近达到光电二极管120第三侧边缘，之后，光生电子沿着光电二极管120第三侧边缘不断靠近电荷存储层110直至达到电荷存储层110中；第二类型路径，具体的，部分光生电子在光电二极管120由远至近到达光电二极管120第一侧边缘，光生电子沿着光电二极管120第一侧边缘达到光电二极管120第三侧边缘，光生电子沿着光电二极管120第三侧边缘不断靠近电荷存储层110直至达到电荷存储层110中。

可见在上述第二类型路径中光生电子的移动路径相对于第一类型路径中光生电子的移动路径较长。这样导致第二类型路径中光生电子被复合的几率较大，电荷存储层收集到的电子较少，降低了光电二极管的光电转换效率。

在此基础上，本发明提供一种图像传感器，包括：基底，基底包括二极管区和电容区；二极管区包括二极管体区和第一电荷存储区，第一电荷存储区位于二极管区中由第一侧边缘和第三侧边缘相交而成的拐角处；电容区包括与二极管体区邻接的电容体区和与第一电荷存储区邻接的第二电荷存储区，且第二电荷存储区和电容体区邻接；二极管体区中的光电二极管；电容体区中的电容介质层和电容栅极，且电容介质层位于电容栅极和光电二极管之间；位于第一电荷存储区和第二电荷存储区中且与电容栅极连接的电荷存储层。图像传感器的性能得到提高。

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。

图2至图5是本发明一实施例中图像传感器形成过程的结构示意图。

参考图2，提供基底200，所述基底200包括二极管区210和与二极管区210邻接的电容区220，所述二极管区210具有相对的第一侧边缘和第二侧边缘、以及相对的第三侧边缘和第四侧边缘，所述电容区220与二极管区的仅第一侧边缘和第三侧边缘邻接，所述二极管区210包括二极管体区211和第一电荷存储区212，第一电荷存储区212位于二极管区210中由第一侧边缘和第三侧边缘相交而成的拐角处，部分第一侧边缘为二极管体区211的边缘，部分第三侧边缘为二极管体区211的边缘，所述电容区220包括与二极管体区211邻接的电容体区221和与第一电荷存储区212邻接的第二电荷存储区222，且第二电荷存储区222和电容体区221邻接。

所述二极管区210的数量为一个或多个。本实施例中，以一个二极管区210作为示例进行说明。

所述第二电荷存储区222与所述二极管区210的仅第一侧边缘邻接；或者，所述第二电荷存储区222与所述二极管区210的仅第三侧边缘邻接；或者，部分第二电荷存储区222与所述二极管区210的第一侧边缘邻接，部分第二电荷存储区222与所述二极管区210的第三侧边缘邻接。

本实施例中，以部分第二电荷存储区222与二极管区210的第一侧边缘邻接，部分第二电荷存储区222与二极管区210的第三侧边缘邻接为示例进行说明。

结合参考图3、图4和图5，图3为图2基础上的示意图，图4为沿着图3中切割线A-A1的剖面图，图5为沿着图3中切割线B-B1的剖面图，在基底200的二极管体区211(参考图2)中形成光电二极管；在基底200的电容体区221中形成电容介质层241和电容栅极242，且所述电容介质层241位于电容栅极242和光电二极管之间；在第一电荷存储区212(参考图2)和第二电荷存储区222(参考图2)中形成电荷存储层250，所述电荷存储层250与电容栅极242连接。

所述基底200中掺杂有P型阱离子。

所述电荷存储层250中具有存储离子，所述存储离子的导电类型为N型；所述光电二极管包括二极管N型掺杂层230，所述二极管N型掺杂层230中具有N型离子；且所述存储离子在电荷存储层250中的浓度大于N型离子在二极管N型掺杂层230中的浓度。

所述电荷存储层250与电容栅极242相接触，所述电荷存储区250的电势与电容栅极242的电势相等。电荷存储层250用于收集来自光电二极管的电荷。

在光电二极管开始曝光时，电荷存储层250的电势较高，电容栅极242在二极管体区211中感应的电场区域范围大，灵敏度较高；随着电荷存储层250收集来自光电二极管的电荷的数量不断增加，电荷存储层250的电势降低，相应的，电容栅极242的电势也降低，电容栅极242在二极管体区211中感应的电场范围较小，灵敏度较低。因此，本实施例中，结合电荷存储层250、电容介质层和电容栅极，压缩了强光环境下的感光灵敏度，拓展了像素的感光动态范围，像素采集到了更多高照明时的实物信息。

读出栅极结构对应的晶体管为读出晶体管。

所述电荷存储层250为读出晶体管的源区。

所述存储离子在电荷存储层250中的浓度为5E13atom/cm³～1E17atom/cm³，如5E13atom/cm³、1E14atom/cm³、1E15atom/cm³、1E16atom/cm³或1E17atom/cm³。

由于第一电荷存储区212位于二极管区210中由第一侧边缘和第三侧边缘相交而成的拐角处，因此光生电子从光电二极管移动至电荷存储层250的平均路径长度减小，这样光生电子在从光电二极管移动至电荷存储层250的过程中被复合的几率减小，电荷存储层250收集到的电荷数量较多，提高了光电二极管的光电转换效率。

所述光电二极管包括二极管N型掺杂层230和位于二极管N型掺杂层230底部的基底200，二极管N型掺杂层230底部的基底200中掺杂有P型阱离子。

本实施例中，所述二极管N型掺杂层230包括第一N型掺杂区231和第二N型掺杂区232，自第一N型掺杂区231至第二N型掺杂区232的方向平行于基底200表面，第二N型掺杂区232位于第一N型掺杂区231相邻的两侧，第二N型掺杂区232中N型离子的浓度大于第一N型掺杂区231中N型离子的浓度；所述第二N型掺杂区232位于所述电容介质层241和第一N型掺杂区231之间。

在电荷存储层250、电容介质层241和电容栅极242存在的情况下，本实施例中，光生电子的移动路径包括：光生电子在第一N型掺杂区231由远至近靠近电容介质层241到达第二N型掺杂区232中，之后，光生电子沿着第二N型掺杂区232不断靠近电荷存储层250直至达到电荷存储层250中。

由于第二N型掺杂区232位于所述电容介质层241和第一N型掺杂区231之间，第二N型掺杂区232中N型离子的浓度大于第一N型掺杂区231中N型离子的浓度，因此光生电子从第一N型掺杂区231中至电荷存储层250移动的过程中，能够提高光生电子的移动速率，使得单位时间内电荷存储层250收集到的电子较多。

所述第二N型掺杂区232中N型离子的浓度为第一N型掺杂区231中N型离子浓度的10倍～50倍。

所述第一N型掺杂区231中N型离子浓度为1E12atom/cm³～1E13atom/cm³；所述第二N型掺杂区232中N型离子的浓度为5E12atom/cm³～1E14atom/cm³。

在其它实施例中，所述二极管N型掺杂层中N型离子的浓度一致。

在其它实施例中，第一N型掺杂区231中顶部的N型离子浓度大于第一N型掺杂区231中底部的N型离子浓度，这样第一N型掺杂区231中底部产生的光电电子向第一N型掺杂区231中顶部迅速移动。

在其它实施例中，光电二极管为钳位二极管(Pinned Photodiode，PPD)，所述光电二极管包括二极管N型掺杂层、位于二极管N型掺杂层底部的基底200、以及位于二极管N型掺杂层顶部的二极管顶层P型掺杂层。二极管顶层P型掺杂层中P型离子的浓度高于基底200中P型阱离子的浓度。

二极管顶层P型掺杂层的作用包括：一方面，基底200表面与二极管N型掺杂层被二极管顶层P型掺杂层隔离，避免基底200表面缺陷与二极管N型掺杂层中的光生载流子复合形成暗电流；另一方面，二极管顶层P型掺杂层中P型离子的浓度较高，使得光电二极管反偏时二极管顶层P型掺杂层不会被全部耗尽，这样使得二极管顶层P型掺杂层能够保持与基底中底部的衬底具有相同的电势，那么在复位晶体管进行复位操作时，二极管N型掺杂层中的残留电荷会被完全消除，避免读出晶体管引入随机噪声和图像残留等现象。

所述电容介质层的材料包括氧化硅；所述电容栅极的材料包括多晶硅。

所述浮空扩散区270(Floating Diffusion，FD)为读出晶体管的漏区。

所述浮空扩散区270中掺杂N型离子，浮空扩散区270与浮空扩散区270底部的P型阱区构成PN结二极管。该PN结二极管在反偏时，浮空扩散区270具有将电荷信号转换成电压信号的电容器功能。FD的表面需要用遮光层掩蔽，防止浮空扩散区270对应的PN结二极管进行光电转换，避免产生噪声。

在读出晶体管开启时，光电二极管中的电荷通过读出晶体管读出至浮空扩散区270中，再由浮空扩散区270通过放大晶体管读出至列信号线上。

本实施例中，还包括：形成P型隔离层280，P型隔离层280位于二极管区210第二侧和第四侧的基底200中，且P型隔离层280与光电二极管邻接。

P型隔离层280的作用包括：隔离相邻的二极管区210。

P型隔离层280中P型离子的浓度大于P型阱离子在基底200中的浓度，且P型隔离层280中P型离子的浓度小于二极管顶层P型掺杂层中P型离子的浓度。

本实施例中，还包括：在形成所述光电二极管、电容介质层241和电容栅极242后，且在形成所述电荷存储层250之前，在基底200上形成读出栅极结构260；所述电荷存储层250位于读出栅极结构260一侧的第一电荷存储区212(参考图2)和第二电荷存储区222(参考图2)中；在读出栅极结构260的另一侧形成浮空扩散区270。

形成所述电容介质层241和电容栅极242后，形成所述光电二极管；形成所述光电二极管后，形成所述电荷存储层250。

具体的，形成所述电容介质层241和电容栅极242；形成所述电容介质层241和电容栅极242后，在基底200中掺杂P型阱离子；在基底200中掺杂P型阱离子后，形成第一N型掺杂区231；形成第一N型掺杂区231后，形成P型隔离层280；形成P型隔离层280后，形成第二N型掺杂区232；形成第二N型掺杂区232后，形成读出栅极结构260；之后，形成电荷存储层250和浮空扩散区270。

本实施例中，还包括：形成复位晶体管，所述复位晶体管包括位于基底上的复位栅极结构和复位漏区；所述浮空扩散区270位于复位栅极结构的一侧，所述复位漏区位于复位栅极结构的另一侧。所述浮空扩散区270作为复位晶体管的源区，所述复位漏区为复位晶体管的漏区。

需要说明的是，本实施例中，电容栅极242的底部表面和基底200之间被隔离层隔离，所述隔离层的材料包括氧化硅。电容栅极242与电容介质层241和电荷存储层250不接触的侧壁也被隔离层隔离。

相应的，本实施例还提供采用上述方法形成的图像传感器，结合参考图3、图4和图5，包括：基底200，所述基底200包括二极管区210(参考图2)和与二极管区210邻接的电容区220(参考图2)，所述二极管区210具有相对的第一侧边缘和第二侧边缘、以及相对的第三侧边缘和第四侧边缘，所述电容区220与二极管区210的仅第一侧边缘和第三侧边缘邻接；所述二极管区210包括二极管体区211(参考图2)和第一电荷存储区212(参考图2)，第一电荷存储区212位于二极管区210中由第一侧边缘和第三侧边缘相交而成的拐角处，部分第一侧边缘为二极管体区211的边缘，部分第三侧边缘为二极管体区211的边缘；所述电容区220包括与二极管体区211邻接的电容体区221(参考图2)和与第一电荷存储区212邻接的第二电荷存储区222(参考图2)，且第二电荷存储区222和电容体区221邻接；位于二极管体区211中的光电二极管；位于电容体区221中的电容介质层241和电容栅极242，且所述电容介质层241位于电容栅极242和光电二极管之间；位于第一电荷存储区212和第二电荷存储区222中的电荷存储层250，所述电荷存储层250与电容栅极242连接。

所述第二电荷存储区222与所述二极管区210的仅第一侧边缘邻接；或者，所述第二电荷存储区222与所述二极管区210的仅第三侧边缘邻接；或者，部分第二电荷存储区222与所述二极管区210的第一侧边缘邻接，部分第二电荷存储区222与所述二极管区210的第三侧边缘邻接。

所述基底200中掺杂有P型阱离子。

所述电荷存储层250中具有存储离子，所述存储离子的导电类型为N型；所述光电二极管包括二极管N型掺杂层230，所述二极管N型掺杂层230中具有N型离子；且所述存储离子在电荷存储层250中的浓度大于N型离子在二极管N型掺杂层230中的浓度。

所述电荷存储层250与电容栅极242相接触，所述电荷存储区250的电势与电容栅极242的电势相等。电荷存储层250用于收集来自光电二极管的电荷。

所述存储离子在电荷存储层250中的浓度为5E13atom/cm³～1E17atom/cm³，如5E13atom/cm³、1E14atom/cm³、1E15atom/cm³、1E16atom/cm³或1E17atom/cm³。

所述光电二极管包括二极管N型掺杂层230和位于二极管N型掺杂层230底部的基底200，二极管N型掺杂层230底部的基底200中掺杂有P型阱离子。

本实施例中，所述二极管N型掺杂层230包括第一N型掺杂区231和第二N型掺杂区231，自第一N型掺杂区231至第二N型掺杂区232的方向平行于基底200表面，第二N型掺杂区232位于第一N型掺杂区231相邻的两侧，第二N型掺杂区232中N型离子的浓度大于第一N型掺杂区231中N型离子的浓度；所述第二N型掺杂区232位于所述电容介质层241和第一N型掺杂区231之间。

所述第二N型掺杂区232中N型离子的浓度为第一N型掺杂区231中N型离子浓度的10倍～50倍。

所述第一N型掺杂区231中N型离子浓度为1E12atom/cm³～1E13atom/cm³；所述第二N型掺杂区232中N型离子的浓度为5E12atom/cm³～1E14atom/cm³。

在其它实施例中，所述二极管N型掺杂层中N型离子的浓度一致。

在其它实施例中，光电二极管为钳位二极管(Pinned Photodiode，PPD)，所述光电二极管包括二极管N型掺杂层、位于二极管N型掺杂层底部的基底200、以及位于二极管N型掺杂层顶部的二极管顶层P型掺杂层。二极管顶层P型掺杂层中P型离子的浓度高于基底200中P型阱离子的浓度。

所述电容介质层的材料包括氧化硅；所述电容栅极的材料包括多晶硅。

本实施例中，还包括：位于基底200上的读出栅极结构260，所述电荷存储层250位于读出栅极结构260的一侧；位于读出栅极结构260另一侧的浮空扩散区270。

本实施例中，还包括：P型隔离层280，P型隔离层280位于二极管区210第二侧和第四侧的基底200中，且P型隔离层280与光电二极管邻接。

P型隔离层280中P型离子的浓度大于P型阱离子在基底200中的浓度，且P型隔离层280中P型离子的浓度小于二极管顶层P型掺杂层中P型离子的浓度。

需要说明的是，本实施例中，电容栅极242的底部表面和基底200之间被隔离层隔离，所述隔离层的材料包括氧化硅。电容栅极242与电容介质层241和电荷存储层250不接触的侧壁也被隔离层隔离。

所述电容介质层的材料包括氧化硅；所述电容栅极的材料包括多晶硅。

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。