CN101211951A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器包括：第一光电二极管，形成于半导体衬底中红光可达到的深度处；第二光电二极管，设置于半导体衬底中第一光电二极管之上或上方，处在蓝光可达到的深度；第三光电二极管，设置成邻近第二光电二极管；插塞，连接到第一光电二极管；晶体管结构，位于半导体衬底上，且与第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管电连接；绝缘层，覆盖晶体管结构；以及微透镜，位于绝缘层上。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器及其制造方法。
背景技术
图像传感器是将光学图像转换为电子信号的半导体器件，主要分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。在CCD这种半导体器件中，将金属/氧化物/硅(MOS)电容器彼此紧密地设置在一起，电荷载流子就在这些电容器中存储和传输。CMOS图像传感器利用与像素数目相对应的MOS晶体管，以开关模式来检测光电探测器的输出，其中，通过使用了外围设备(例如控制电路和信号处理电路)的CMOS技术来设置像素。
在CMOS图像传感器中，在像素阵列上形成滤色镜层(color filter layer)，用于向光电二极管有选择地传输特定波长的光线，从而获得图像。
但是，在上述获得图像的方法中，用于获得单一颜色的像素会占用较宽的面积。例如，具有红、绿、蓝(RGB)滤色镜的图像传感器需要三个像素来检测红色、绿色和蓝色。因此，希望有这样一种技术，能够改善通过上述方法制造的图像传感器的分辨率。
发明内容
本发明的实施例提供一种图像传感器及其制造方法，这种图像传感器适于获得高分辨率图像。
根据各实施例的示例性图像传感器包括：第一光电二极管，位于半导体衬底中，处在用于检测红光的深度；第二光电二极管，位于第一光电二极管之上(优选在用于检测蓝光的深度)；第三光电二极管，邻近第二光电二极管；插塞，与第一光电二极管电接触；晶体管结构，位于半导体衬底上，并与第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管电连接；绝缘层，覆盖晶体管结构；以及微透镜，位于绝缘层上。
制造根据本发明实施例的图像传感器的方法包括以下步骤：在半导体衬底中配置用于检测红光的注入深度处注入第一杂质；在衬底中的第一预定区域中配置用于检测蓝光的注入深度处注入第二杂质；在衬底中邻近第一预定区域的第二预定区域中注入第三杂质；形成插塞，该插塞与所注入的第一杂质电连接；在半导体衬底上形成晶体管结构，使得晶体管结构与所注入的第一杂质、第一预定区域以及第二预定区域电连接；形成绝缘层，该绝缘层覆盖晶体管结构；以及在绝缘层上形成微透镜。
附图说明
图1为示出根据一示例性实施例的图像传感器的平面图；
图2A-图2B为各替代性实施例沿着图1中I-I′线的剖视图；
图3至图7为示出制造根据本发明示例性实施例的图像传感器的方法的剖视图；以及
图8为示出根据本发明的示例性CMOS图像传感器的像素区域的示例性布局图案的布局图。
具体实施方式
下面参照附图详细描述根据本发明的图像传感器及其制造方法。
图1为示出根据一实施例的图像传感器的平面图，图2A为沿着图1中I-I′线的剖视图。
参照图1至图2A，图像传感器100包括半导体衬底5、第一光电二极管10(例如用于检测红光)、第二光电二极管20(例如用于检测蓝光)、第三光电二极管30(例如用于检测绿光)、插塞40、晶体管区52、54及56(每一个晶体管区都包括有多个栅极Tx、Rx、Sx及Ax)、以及绝缘层60。或者，第一光电二极管至第三光电二极管可配置为检测黄光、青光(cyan)、绛红光(magenta)。
第一光电二极管10、第二光电二极管20、第三光电二极管30设置在半导体衬底5上，半导体衬底5具有隔离图案3。在本实施例中，第一光电二极管10(或者可选地N注-入层10与P+注入层12之间的界面)形成于半导体衬底5中与红光波长的光线可达到的距离对应的深度处。这样，第一光电二极管10可配置为检测红光。在本实施例中，第一光电二极管10的深度(例如从半导体衬底5的最上表面开始)为约0.7μm至约1.5μm。
在一个实施例中，通过离子注入工艺直接在半导体衬底5中形成第一光电二极管10，不使用外延层。第二光电二极管20例如设置在半导体衬底5上。在一示例性实施例中，第二光电二极管20在纵向上与第一光电二极管10一致(例如在第一光电二极管10的上面)，但是在第二光电二极管20与第一光电二极管10之间有高度差(或称深度差)。第二光电二极管20(或可选地N-注入层20与P+注入层22之间的界面)可形成于半导体衬底中与蓝光波长的光线可达到的距离对应的深度处。换言之，第二光电二极管20可配置为检测蓝光。在一示例性实施例中，第二光电二极管20形成于半导体衬底5中约0.3μm至约0.5μm的深度(例如从半导体衬底5的表面开始测量)处。在另一实施例中，通过离子注入工艺在半导体衬底5上或者在半导体衬底5中形成第二光电二极管20，不使用外延层。
第三光电二极管30设置在半导体衬底5上。在一示例性实施例中，第三光电二极管30设置在与第二光电二极管20邻近的位置。在本实施例中，第三光电二极管30形成于约0.5μm至约1.5μm的深度处(例如从半导体衬底5的表面开始测量)。在一个示例性实施例中，第三光电二极管30(或者N-注入层30与P+注入层32之间的界面)可配置为检测绿光。
在又一实施例中，通过离子注入工艺在半导体衬底5上或者在半导体衬底5中形成第三光电二极管30，不使用外延层。
在一个示例性实施例中，由于第二光电二极管20和第三光电二极管30设置在半导体衬底5的表面附近，所以第二光电二极管20和第三光电二极管30不用附加的连接装置就电连接到晶体管区。但是，第一光电二极管10在半导体衬底5中位置相对较深，所以不易将第一光电二极管10与晶体管区直接连接。在一示例性实施例中，使用插塞40将第一光电二极管10与对应的晶体管区连接起来。可以通过在半导体衬底5的对应于第一光电二极管10的区域中，以高密度和高能量来注入杂质，从而形成插塞40。
再参照图1，第一光电二极管10、第二光电二极管20、第三光电二极管30分别与晶体管区52、54、56电连接。晶体管区52、54、56可包括转移晶体管Tx、复位晶体管Rx、选择晶体管Sx以及(可选的)存取晶体管Ax。转移晶体管Tx、复位晶体管Rx串联连接到第一光电二极管10、第二光电二极管20、第三光电二极管30中的每个光电二极管。转移晶体管Tx的“源极”(在转移晶体管Tx存在的情况下)分别连接到第一光电二极管10、第二光电二极管20、第三光电二极管30。转移晶体管Tx的漏极也就是对应的复位晶体管Rx的源极，或者转移晶体管Tx的漏极与对应的复位晶体管Rx的源极相连接，用以形成浮置扩散区(floating diffusion region)，该区上的电压或电荷连接到对应的选择晶体管的栅极，以驱动像素的输出。电源电压(Vdd)或其它的固定电压可施加到复位晶体管Rx的漏极。
转移晶体管Tx的漏极充当浮置扩散(FD)区。FD区连接到选择晶体管Sx的栅极。选择晶体管Sx串联连接到存取晶体管Ax。也就是说，选择晶体管Sx的源极就是存取晶体管Ax的漏极，或者说选择晶体管Sx的源极连接到存取晶体管Ax的漏极。电源电压(例如Vdd)施加到存取晶体管Ax的漏极和复位晶体管Rx的源极。选择晶体管Sx的漏极对应于像素的输出端子“Out”，并且复位信号周期性地施加到复位晶体管Rx的栅极，从而将浮置扩散区上的电压或电荷复位到预定水平。
再参照图2A，用绝缘层60覆盖晶体管结构52、54、56，完成图像传感器100的制作。
在一替代性实施例中，第二光电二极管20和第三光电二极管30可以形成在外延(硅)层16中。在此实施例中，第一光电二极管10′(例如N-注入10′和P+注入12′)可以形成在单晶硅衬底14的表面处或表面附近。但是，插塞40包括通过向衬底14中进行离子注入形成的第一N+部分40′和通过在外延(硅)层16的整个厚度中进行离子注入形成的第二N+部分40″，第二N+部分40″与第一N+部分40′电连接。
图3至图6为示出制造根据本实施例的图像传感器的方法的剖视图。
参照图3，用传统的技术在衬底5上形成各个晶体管区52、54、56中的隔离区3和晶体管栅极(例如Tx)，然后例如通过传统的光刻构图和显影，在半导体衬底5上形成具有开口的离子注入掩模7。通过离子注入掩模7，以第一离子注入能量注入杂质(例如N型离子，以相对低的剂量)，由此在半导体衬底5中形成第一光电二极管层10。之后，通过离子注入掩模7，以第二离子注入能量(低于第一离子注入能量)注入互补杂质(例如P型离子，以相对高的剂量)，由此在半导体衬底5中深度(或第一距离)D处形成第一光电二极管层12以及合成P-N界面。在一示例性实施例中，第一距离D处于约0.7μm至约1.5μm的范围中。
参照图4，形成第一光电二极管10之后，例如通过传统的光刻构图和显影，在半导体衬底5上形成具有开口的离子注入掩模(未示出)，再通过该离子注入掩模，以第三离子注入能量(低于第一离子注入能量)注入杂质离子(例如N型离子，以相对低的剂量)，由此形成第三光电二极管层30。然后，例如通过传统的光刻构图和显影，在半导体衬底5上形成具有开口的离子注入掩模8。离子注入掩模8中的开口形成在基本上对应于第二光电二极管20的区域上。通过离子注入掩模8的开口，以第四离子注入能量(低于第一离子注入能量和/或第二离子注入能量)注入杂质(例如N型离子，以相对低的剂量)，使得杂质渗入半导体衬底5表面内第二距离D1(短于第一距离D)。在本实施例中，第二距离D1处于约0.3μm至约0.5μm的范围中。
在示例性实施例中，可在第一光电二极管10与第二光电二极管20之间形成高密度杂质区(例如P+区12)，以防止第一光电二极管10与第二光电二极管20相互干扰。
参照图5，形成第二光电二极管层20之后，以传统方式在衬底5上形成绝缘侧壁间隔件58(例如包括氧化物、氮化物或氧化物上氮化物(nitride-on-oxide)的双层结构)，且通过离子注入掩模(未示出)，以第六能量(低于第二离子注入能量)注入互补杂质(例如P型离子，以相对高的剂量)，形成第三光电二极管层32和合成P-N界面，从而形成第三光电二极管30。之后，在半导体衬底5上形成具有开口的离子注入掩模9，以形成第二光电二极管层22。在示例性实施例中，离子注入掩模9的开口形成在大体上与第三光电二极管30邻近的区域，并在第一光电二极管10上面。通过离子注入掩模9的开口，在半导体衬底5中注入杂质(例如P型离子，以相对高的剂量)，以此形成第二光电二极管层22，从而形成合成P-N界面和第二光电二极管20。在示例性实施例中，半导体衬底中形成第三光电二极管30的深度(或者距离半导体衬底5表面的位置)为0.5μm至1.5μm。
参照图6，在半导体衬底5上形成第一光电二极管10、第二光电二极管20、第三光电二极管30之后，例如通过光致抗蚀剂掩模11，在对应于一部分第一光电二极管10的区域进行高能量、高密度的离子注入(例如使用P、As或Sb等N型离子)，形成与第一光电二极管10电接触的插塞40。
随后，如图2A所示，形成覆盖晶体管区52、54、56的绝缘层60，从而完成图像传感器110的制造工艺。
图7示出另一实施例，其中在金属前(premetal)电介质层60上形成层间电介质(ILD)层70，然后通常通过对绿色滤色镜材料进行传统的光刻构图和显影，在ILD层70上对应于第三光电二极管30′的位置形成滤色镜82(例如绿色滤色镜)。之后在滤色镜82上形成平面化层80，并在平面化层80上形成微透镜90、92(分别对应于第一光电二极管10/第二光电二极管20和第三光电二极管30)。在此实施例中，可同时形成N-注入20、30(例如使用同一掩模)，且可在同时形成P+注入22、32(例如使用同一掩模)，从而将制造工艺中掩模的总数减少一个。
图8示出在此讨论的示例性实施例中单位像素的示例性布局。对于给定的芯片设计，经常根据需要简单地重复图8所示的2×2图案。通过将红(R)单位像素和蓝(B)单位像素结合在同一区域，能够将像素阵列的密度增加大约20-25％。
如上所详述，通过以不同的离子注入能量将杂质注入半导体衬底，使得第一光电二极管(例如用于红光检测像素)与第二光电二极管(例如用于蓝光检测像素)彼此在纵向上对准但是存在高度差，由此改善了图像的分辨率。
在本说明书中，对于“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等等的任何引用都意味着，联系该实施例所描述的特定的特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。在本说明书中多处出现的这类短语不一定都参考同一个实施例。此外，当联系任一实施例来描述特定的特征、结构或特性时，应认为联系其它实施例来实现这类特征、结构或特性处于本领域技术人员的范围内。
虽然在此给出了多个实施例，但是应该理解的是本领域技术人员能够根据公开的发明原理和精神推导出许多其它的改进和实施例。具体地说，说明书、附图和所附权利要求书所涉及的主题的组合排列，在其组成元件和/或排列上可以有各种变化和改进。除了在组成元件和/或排列上的变化和改进以外，本领域技术人员还能选择其它用途，这也是显而易见的。
Claims (9)
1.一种图像传感器，包括：
第一光电二极管，位于半导体衬底中，处在配置用于检测第一波长的光线的深度；
第二光电二极管，位于所述半导体衬底中所述第一光电二极管之上，处在配置用于检测第二波长的光线的深度，所述第二波长短于所述第一波长；
第三光电二极管，邻近所述第二光电二极管；
插塞，与所述第一光电二极管电接触；
晶体管区，位于所述半导体衬底上，并与所述第一光电二极管、所述第二光电二极管以及所述第三光电二极管电连接；
绝缘层，覆盖所述晶体管区；以及
微透镜，位于所述绝缘层之上或上方。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一光电二极管位于距所述半导体衬底的表面的第一距离处，且所述第二光电二极管位于距所述半导体衬底的表面的第二距离处，所述第二距离短于所述第一距离。
3.如权利要求2所述的图像传感器，其中，所述第二光电二极管位于所述半导体衬底的表面之上或该表面附近。
4.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第三光电二极管位于所述半导体衬底的表面上或该表面附近。
5.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述插塞包括杂质离子。
6.一种制造图像传感器的方法，所述方法包括以下步骤：
在半导体衬底中配置用于检测第一波长的光线的注入深度处注入杂质，以形成第一光电二极管；
在所述衬底中、所述第一光电二极管上方配置用于检测第二波长的光线的注入深度处注入杂质，以形成第二光电二极管，所述第二波长短于所述第一波长；
在所述衬底中邻近所述第二光电二极管的预定区域注入杂质，以形成第三光电二极管；
形成插塞，所述插塞与所述第一光电二极管电接触；
在所述半导体衬底上形成晶体管结构，使得所述晶体管结构与所述第一光电二极管、所述第二光电二极管以及所述第三光电二极管电连接；
形成绝缘层，所述绝缘层覆盖所述晶体管结构；以及
在所述绝缘层上形成微透镜。
7.如权利要求6所述的方法，其中，形成第一光电二极管的步骤包括以第一离子注入能量注入离子，且形成第二光电二极管的步骤包括以第二离子注入能量注入离子，所述第二离子注入能量小于所述第一离子注入能量。
8.如权利要求6所述的方法，还包括以下步骤：在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间形成高密度杂质区，以防止所述第一光电二极管与所述第二光电二极管相互干扰。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述高密度杂质区包括P型离子，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管包括N型离子。
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