阅读说明：本技术 图像传感器及其制作方法 (image sensor and manufacturing method thereof ) 是由 胡杏 刘天建 贺吉伟 于 2019-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供的图像传感器及其制作方法,包括：提供一衬底,在所述衬底中位于转移区的两侧分别设置有感光区和读取区；刻蚀去除部分厚度的所述转移区,使剩余的所述转移区在所述厚度方向上低于浅沟道隔离区；去除所述介质层；形成多晶硅层,所述多晶硅层填充于相邻的所述浅沟道隔离区之间。在传统的闪存工艺的基础上,刻蚀去除部分厚度的所述转移区,打通所述感光区到读取区的通道,不再被传统的闪存工艺浅沟道隔离断开,通过多晶硅层实现图像传感器中感光区的电荷向读取区的转移,从而正确识别光信号强度。本发明提供的图像传感器,通过多晶硅层实现图像传感器中感光区的电荷向读取区的转移,提高了图像传感器的性能。(the invention provides an image sensor and a manufacturing method thereof, comprising the following steps: providing a substrate, wherein a photosensitive area and a reading area are respectively arranged on two sides of a transfer area in the substrate; etching to remove part of the transfer region with the thickness, so that the rest of the transfer region is lower than the shallow trench isolation region in the thickness direction; removing the dielectric layer; and forming a polysilicon layer which is filled between the adjacent shallow trench isolation regions. On the basis of the traditional flash memory process, the transfer area with partial thickness is removed by etching, a channel from the photosensitive area to the reading area is opened, the channel is not isolated and disconnected by a shallow channel in the traditional flash memory process, and the charge of the photosensitive area in the image sensor is transferred to the reading area through a polycrystalline silicon layer, so that the intensity of an optical signal is correctly identified. According to the image sensor provided by the invention, the charge of the sensing area in the image sensor is transferred to the reading area through the polycrystalline silicon layer, so that the performance of the image sensor is improved.)

图像传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于图像传感器领域，具体涉及一种图像传感器及其制作方法。

背景技术

垂直电荷转移图像传感器(VPS，Vertically charge transferring PixelSensors)是一种基于标准闪存工艺的三维图像传感器，还是基于浮栅结构阵列的半导体图像传感器，具有像元密度高、像元尺寸小等特点，其工作原理是利用感光区的光生载流子产生的电荷耦合到读取区，改变读取区的读取电流大小实现光强识别的一种垂直电荷转移成像技术。传统闪存与垂直电荷转移图像传感器具有部分相似的结构，垂直电荷转移图像传感器的同一个工作单元内的感光区和读取区上方需通过多晶硅层连通，而传统的闪存工艺对应感光区和读取区位置上方的浮栅(通常采用多晶硅制作)被浅沟道隔离断开，如此一来，采用传统闪存工艺无法实现图像传感器中感光区的电荷向读取区的转移。

发明内容

本发明的目的在于提供一种图像传感器及其制作方法，实现图像传感器中感光区的电荷向读取区的转移，以及提高图像传感器的性能。

本发明提供一种图像传感器的制作方法，包括：

提供一衬底，所述衬底上设置有介质层，所述衬底和介质层中周期分布有间隔设置的浅沟道隔离区和转移区，所述浅沟道隔离区和转移区均沿厚度方向从所述衬底中延伸至所述介质层，在所述衬底中位于所述转移区的两侧分别设置有感光区和读取区；

刻蚀去除部分厚度的所述转移区，使剩余的所述转移区在所述厚度方向上低于所述浅沟道隔离区；

去除所述介质层；

形成多晶硅层，所述多晶硅层填充于相邻的所述浅沟道隔离区之间。

进一步的，所述多晶硅层包括传输门区域，所述传输门区域覆盖所述转移区、部分感光区和部分读取区，所述传输门区域控制所述感光区中产生的电荷转移到所述读取区。

进一步的，刻蚀去除部分厚度的所述转移区，具体包括：

形成图形化的光阻层，所述图形化的光阻层覆盖所述介质层和所述浅沟道隔离区，且具有位于所述转移区上方的光阻窗口；以所述图形化的光阻层为掩膜，刻蚀去除部分厚度的所述转移区；在垂直于所述衬底的截面上，所述光阻窗口的截面宽度大于或等于所述转移区的截面宽度。

进一步的，所述浅沟道隔离区和所述转移区的材质为氧化硅。

本发明还提供一种图像传感器，包括：

衬底；

多晶硅层，所述多晶硅层覆盖所述衬底；

浅沟道隔离区，所述浅沟道隔离区间隔设置，每一所述浅沟道隔离区沿厚度方向贯穿所述多晶硅层和部分深度的所述衬底；

其中，在所述衬底中，相邻的所述浅沟道隔离区之间依次分布有感光区、转移区和读取区，所述转移区在所述厚度方向上低于所述浅沟道隔离区，所述多晶硅层覆盖所述感光区、转移区和读取区。

进一步的，所述多晶硅层包括传输门区域，所述传输门区域覆盖所述转移区、部分感光区和部分读取区，所述传输门区域控制所述感光区中产生的电荷转移到所述读取区。

进一步的，所述感光区分布有光敏元件。

进一步的，在所述感光区中，沿所述衬底的厚度方向上堆叠分布有第一光电二极管和第二光电二极管，所述第一光电二极管位于所述第二光电二极管的上方。

进一步的，在所述感光区中，堆叠分布的所述第一光电二极管和所述第二光电二极管靠近所述浅沟道隔离区的一侧分布有垂直电荷转移区。

进一步的，所述读取区连接像素电路，所述像素电路用于感测所述读取区中的电荷引起的电压变化。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的图像传感器的制作方法，提供一衬底，所述衬底中位于转移区的两侧分别设置有感光区和读取区；刻蚀去除部分厚度的所述转移区；使剩余的所述转移区在所述厚度方向上低于所述浅沟道隔离区；形成多晶硅层，所述多晶硅层填充于相邻的所述浅沟道隔离区之间。在传统的闪存工艺的基础上，刻蚀去除部分厚度的所述转移区，打通所述感光区到读取区的通道，不再被传统的闪存工艺浅沟道隔离断开，通过多晶硅层实现图像传感器中感光区的电荷向读取区的转移，从而正确识别光信号强度。结合传统的闪存工艺实现三维图像传感器的制作，扩展了闪存工艺的应用范围，能够快速地实现三维成像。

本发明提供的图像传感器，所述转移区在所述厚度方向上低于所述浅沟道隔离区，所述多晶硅层覆盖所述感光区、转移区和读取区，在传统的闪存工艺的基础上，通过多晶硅层实现图像传感器中感光区的电荷向读取区的转移。

进一步的，在所述感光区中，沿所述衬底的厚度方向上堆叠分布有第一光电二极管和第二光电二极管，可以允许具有较高电势的深势阱的电荷从较低的势阱转移到具有较低电位的垂直方向。以这种方式感测光可以更长时间地存储电荷，具有高性能，高电荷存储阱容量的紧凑的像素结构。图像传感器可以表现出更高的像素密度，更高的图像分辨率和更高的灵敏度。

附图说明

图1为本发明实施例图像传感器的制作方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的衬底结构示意图；

图3为本发明实施例形成图形化的光阻层后的结构示意图；

图4为本发明实施例刻蚀去除部分厚度的转移区后的结构示意图；

图5为本发明实施例去除图形化的光阻层后的结构示意图；

图6为本发明实施例去除介质层后的结构示意图；

图7为本发明实施例一种形成多晶硅层后的结构示意图；

图8为本发明实施例另一种形成多晶硅层后的结构示意图；

图9为本发明实施例含传输门区域的结构示意图；

其中，附图标记如下：

10-衬底；20-介质层；31-浅沟道隔离区；32-转移区；41-感光区；42-读取区；43-传输门区域；50-光阻层；60-多晶硅层。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种图像传感器及其制作方法。以下结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明实施例提供一种图像传感器的制作方法，如图1所示，包括：

提供一衬底，所述衬底上设置有介质层，所述衬底和介质层中周期分布有间隔设置的浅沟道隔离区和转移区，所述浅沟道隔离区和转移区均沿厚度方向从所述衬底中延伸至所述介质层，在所述衬底中位于所述转移区的两侧分别设置有感光区和读取区；

刻蚀去除部分厚度的所述转移区，使剩余的所述转移区在所述厚度方向上低于所述浅沟道隔离区；去除所述介质层；

形成多晶硅层，所述多晶硅层填充于相邻的所述浅沟道隔离区之间。

以下结合图2至图8，详细介绍本发明实施例的图像传感器及其制作方法。

如图2所示，提供一衬底10，所述衬底10上设置有介质层20，所述衬底10和介质层20中周期分布有间隔设置的浅沟道隔离区31和转移区32，所述浅沟道隔离区31和转移区32均沿厚度方向从所述衬底10中延伸至所述介质层20，在所述衬底10中位于所述转移区32的两侧分别设置有感光区41和读取区42。具体的，在衬底10上沉积介质层20，介质层20例如为氮化硅层，刻蚀出一定深度的间隔分布的沟槽，所述沟槽贯穿介质层20和部分深度的衬底10，可采用化学气相沉积(CVD)在所述沟槽中沉积氧化层(例如SiO₂)，形成浅沟道隔离区31和转移区32，即浅沟道隔离区31和转移区32在同一工艺中形成，且例如均为氧化硅；最后通过化学机械抛光(CMP)平坦化介质层和氧化层的上表面。本步骤，结合闪存工艺，在同一工艺中形成间隔分布的浅沟道隔离，例如均为氧化层，通过化学机械抛光(CMP)平坦化介质层上表面。

在一实施例中，感光区41包括有光敏元件(例如，光电二极管PD)，感光区41的光敏元件在光的作用下产生光生载流子。在另一实施例中，在所述感光区41中，沿所述衬底的厚度方向上堆叠分布有第一光电二极管和第二光电二极管，所述第一光电二极管位于所述第二光电二极管的上方。在所述感光区41中，堆叠分布的所述第一光电二极管和所述第二光电二极管靠近所述浅沟道隔离区的一侧分布有垂直电荷转移区。所述读取区连接像素电路，所述像素电路用于感测所述读取区中的电荷引起的电压变化。

如图3所示，形成图形化的光阻层50，所述图形化的光阻层50覆盖所述介质层20和所述浅沟道隔离区31，且具有位于所述转移区32上方的光阻窗口。具体的，在垂直于所述衬底10的截面上，所述光阻窗口的截面宽度大于或等于所述转移区32的截面宽度，以使后续在沿所述厚度方向刻蚀去除部分厚度的所述转移区32的同时，在去除的转移区的厚度范围内，整个宽度方向(平行于衬底方向)的所述转移区32全部被刻蚀掉，而不是刻蚀掉部分宽度，以在平行于衬底方向打通所述感光区41到读取区42的通道。

如图4所示，以所述图形化的光阻层50为掩膜，刻蚀去除部分厚度的所述转移区32，可采用干法刻蚀或者高选择比的湿法刻蚀，也可以是干法刻蚀与湿法刻蚀两者相结合的方式，使剩余的所述转移区32在所述厚度方向上低于所述浅沟道隔离区31；便于通过后续形成的多晶硅层将所述感光区41和所述读取区42连通。

如图4至图6所示，依次去除所述图形化的光阻层50和所述介质层20。

如图7和图8所示，形成多晶硅层60，可采用化学气相沉积(CVD)工艺生长多晶硅层60，所述多晶硅层60填充于相邻的所述浅沟道隔离区31之间。之后执行化学机械抛光(CMP)工艺，使多晶硅层60和浅沟道隔离区31上表面平坦化。多晶硅层60通过浅沟道隔离区31断开，而相邻的浅沟道隔离区31之间，即同一个工作单元内的感光区41和读取区42是通过多晶硅层60连在一起的。感光区41的光敏元件在光的作用下产生光生载流子，光生载流子产生的电荷通过多晶硅层60转移到或者耦合到读取区42，从而改变读取区42的器件状态。具体的，所述多晶硅层包括传输门区域43，所述传输门区域43覆盖所述转移区32、部分感光区41和部分读取区42，所述传输门区域43控制所述感光区41中的光敏元件中产生的电荷转移到所述读取区42。

本发明实施例提供的图像传感器的制作方法中，提供一衬底，所述衬底中位于转移区的两侧分别设置有感光区和读取区；刻蚀去除部分厚度的所述转移区；形成多晶硅层，所述多晶硅层填充于相邻的所述浅沟道隔离区之间。在传统的闪存工艺的基础上，刻蚀去除部分厚度的所述转移区，打通所述感光区到读取区的通道，不再被传统的闪存工艺浅沟道隔离断开，通过多晶硅层实现图像传感器中感光区的电荷向读取区的转移，从而正确识别光信号强度。结合传统的闪存工艺实现三维图像传感器的制作，扩展了闪存工艺的应用范围，能够快速地实现三维成像。采用本实施例方法制成的图像传感器可以更长时间地存储电荷，具有高性能，高电荷存储阱容量的紧凑的像素结构。图像传感器可以表现出更高的像素密度，更高的图像分辨率和更高的灵敏度。

本发明实施例还提供一种图像传感器，如图7和图8所示，包括：

衬底10；

多晶硅层60，所述多晶硅层60覆盖所述衬底10；

浅沟道隔离区31，所述浅沟道隔离区31间隔设置，所述浅沟道隔离区31贯穿所述多晶硅层60和部分深度的所述衬底10；

其中，在所述衬底10中，相邻的所述浅沟道隔离区31之间依次分布有感光区41、转移区32和读取区42，所述转移区32在所述厚度方向上低于所述浅沟道隔离区31，所述多晶硅层60覆盖所述感光区41、转移区32和读取区42。如图7所示，所述转移区32在所述厚度方向上可低于或等于衬底10上表面；如图8所示，所述转移区32’在所述厚度方向上也可高于所述衬底10上表面。

示例性的，所述浅沟道隔离区31和所述转移区32的材质例如为氧化硅。

如图9所示，所述多晶硅层60包括传输门区域43，所述传输门区域43覆盖所述转移区32、部分感光区41和部分读取区42，所述传输门区域43控制所述感光区41中产生的电荷转移到所述读取区42。

本发明实施例制作的图像传感器包括图像传感器像素的阵列。图像传感器中的像素可以包括诸如将入射光转换成电子的光电二极管的光敏元件。图像传感器可以具有任何数量的像素(例如，数百或数千或更多)。典型的图像传感器可以例如具有数百万像素(例如，百万像素)。在高端设备中，图像传感器可以具有千万像素。其中，图像传感器的像素(工作单元)包括感光区、转移区、读取区和多晶硅层。

在一实施例中，感光区41包括有光敏元件(例如，光电二极管PD)，感光区41的光敏元件在光的作用下产生光生载流子。通过入射光子产生的电荷被收集在光电二极管的n型掺杂区域中。通过位于多晶硅层60中的传输门区域43，电荷可以从感光区41转移到读取区42，读取区42例如为n+掺杂区域，读取区42可连接像素电路，所述像素电路用于感测由存储在读取区42中的电荷引起的电压变化。所述像素电路例如包括复位晶体管，感测晶体管，地址晶体管等。一方面利用所述像素电路，将复位数据值写入图像传感器像素来复位读取区，另一方面通过所述像素电路从图像传感器像素读出数据，所述数据对应于拍摄图像的一部分。

在另一实施例中，图像传感器具有根据入射光子的波长分离电荷的能力，包括堆叠的光电二极管。当光子撞击图像传感器感光区域时，光子根据其相应的波长而穿透衬底并产生电子。具体的，感光区41包括沿衬底10的厚度方向上堆叠分布的第一光电二极管和第二光电二极管，第一光电二极管位于第二光电二极管的上方，第一光电二极管包括第一n型掺杂区域，第一n型掺杂区域为浅注入区域，浅注入区域可以用于存储在较浅深度处产生的电荷的浅电势阱；第二光电二极管包括第二n型掺杂区域，第二n型掺杂区域为深注入区域，深注入区域可用于存储在较大深度处产生的电荷的深电势阱。浅注入区域和深注入区域可以通过P+掺杂势垒区域隔开。

在感光区41中，堆叠分布的第一光电二极管和第二光电二极管靠近浅沟道隔离区31的一侧分布有垂直电荷转移区。

图像传感器具有根据入射光的波长检测并存储在不同深度产生的电荷的能力。例如，蓝色光穿透衬底10的能力小于绿色光，也小于红色光，蓝色光基本上被第一n型掺杂区域(浅)吸收，绿色光和红色光被第二n型掺杂区域(深)吸收。图像传感器具有不同深度的潜在阱区域，能够分离由蓝色光产生的电荷、绿色和红色光产生的电荷。

在较浅区域照射光子产生的电荷(电子)被收集并存储在第一n型掺杂区域(浅)中，在较深区域照射光子产生的电荷(电子)被收集并存储在第二n型掺杂区域(深)中。

在第一阶段中，第一n型掺杂区域(浅)存储的电荷(电子)被激活通过位于多晶硅层60中的传输门区域43，被转移到读取区42。

在第二阶段中，在多晶硅层60和衬底施加电压，形成沿衬底10厚度方向的电场，将第二n型掺杂区域(深)中的电荷传递到位于垂直电荷转移区域顶部的临时存储区，电荷(电子)实现在垂直于衬底方向上的转移。

在第三阶段中，将垂直电荷转移区域顶部的临时存储区中的电荷(电子)被激活经第一n型掺杂区域(浅)后，通过位于多晶硅层60中的传输门区域43被转移到读取区42。该过程可以重复多次，直到所有第二n型掺杂区域(深)中的电荷被转移到读取区42。例如，传输门区域43可以使用几个脉冲信号打开多次，以确保读出所有第二n型掺杂区域(深)中的电荷。读取区42可耦合到存储电容器以暂时存储图像电荷。读取区42可连接像素电路，所述像素电路用于感测由存储在读取区42中的电荷引起的电压变化。一方面利用所述像素电路，将复位数据值写入图像传感器像素来复位读取区，另一方面通过所述像素电路从图像传感器像素读出数据，所述数据对应于拍摄图像的一部分。

本发明实施例中的图像传感器，在传统的闪存工艺的基础上，通过多晶硅层实现图像传感器中感光区的电荷向读取区的转移；可以允许具有较高电势的深势阱的电荷从较低的势阱转移到具有较低电位的垂直方向。以这种方式感测光可以更长时间地存储电荷，具有高性能，高电荷存储阱容量的紧凑的像素结构。图像传感器可以表现出更高的像素密度，更高的图像分辨率和更高的灵敏度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于与实施例公开的器件相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。