CN101471357A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种图像传感器及其制造方法。图像传感器包括：位于半导体衬底上的栅极；位于栅极第一侧的半导体衬底上的光电二极管；位于栅极第二侧的半导体衬底上的浮置扩散区，其中第二侧位于第一侧的对面；位于栅极下的沟道，该沟道将光电二极管与浮置扩散区相连接；以及位于光电二极管下的阻挡区。本发明在限制区中形成光电二极管，从而可以提高光电二极管的光敏度。具体而言，由于在低亮度下的绿光、蓝光以及红光波长可以产生更加均匀和/或平衡的光电子，因此可以提高光电二极管的光敏度。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及一种图像传感器及其制造方法。
背景技术
图像传感器是一种将光图像转变成电信号的半导体器件。图像传感器可以分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。
CIS包括光检测部和逻辑电路部，其中光检测部用于检测光，以及逻辑电路部用于将所检测到的光变成电信号以产生数据。CIS使用切换模式以通过MOS晶体管连续地检测像素的输出，其中所提供的MOS晶体管的数量对应于像素的数量。
随着CIS的高度集成，成比例地降低了单元像素的尺寸，从而相对减少了作为光响应区的光电二极管。具体而言，入射到光电二极管上的可见光根据红光、绿光以及蓝光的波长强度在光电二极管的不同深度处产生电子-空穴对。根据每种波长的趋肤深度(skin depth)决定上述深度。该深度在蓝光波长中最浅，而在红光波长中最深。
因此，如果不减小光电二极管区的深度，则会在短波长和长波长中发生变化，从而降低了图像传感器的品质。
发明内容
本发明的实施例涉及一种图像传感器及其制造方法，能够改善光电二极管的光敏度(photosensitive)。
根据本发明实施例，图像传感器可以包括：位于半导体衬底上的栅极；位于栅极第一侧的半导体衬底上的光电二极管；位于栅极第二侧的半导体衬底上的浮置扩散区，其中第二侧位于第一侧的对面；位于栅极下的沟道，沟道将浮置扩散区与光电二极管连接；以及位于光电二极管下的阻挡区。
根据本发明其它实施例，制造图像传感器的方法可以包括以下步骤：在半导体衬底上形成沟道；在半导体衬底上形成栅极；在位于栅极第一侧的半导体衬底中形成阻挡区；在阻挡区上方形成光电二极管；以及在半导体衬底上的栅极第二侧处形成浮置扩散区，栅极第二侧位于栅极第一侧的对面。
在根据本发明实施例的制造图像传感器的示例性方法中，在限制区中形成光电二极管，从而可以提高光电二极管的光敏度。具体而言，由于在低亮度下的绿光、蓝光以及红光波长可以产生更加均匀和/或平衡的光电子，因此可以提高光电二极管的光敏度。
附图说明
图1至图6示出了根据本发明实施例的图像传感器的制造工艺的侧视图。
具体实施方式
下文将参考随附附图描述根据本发明实施例的图像传感器及其制造方法。
图6示出了根据本发明实施例的示例性图像传感器的侧视图。
参见图6，根据实施例的图像传感器可以包括：栅极50、光电二极管70、浮置扩散区90、沟道40以及阻挡区60，其中栅极50形成在半导体衬底10上；光电二极管70形成在栅极50一侧的半导体衬底10上；浮置扩散区90形成在栅极50另一侧的半导体衬底10上；沟道40形成在栅极50下并且将光电二极管70与浮置扩散区90连接；以及阻挡区60形成在光电二极管70下。
半导体衬底10可以包括单晶硅。半导体衬底10可以掺杂有p型掺杂剂(dopant)或n型掺杂剂。根据实施例，半导体衬底10为重掺杂的p型半导体衬底，并且包括轻掺杂的p型外延层(p-epi)。
形成在栅极50一侧的阻挡区60与半导体衬底10表面的距离为第一深度D。例如，第一深度D的范围大约为1000
至1500。换句话说，阻挡区60可以与半导体衬底10的表面间隔开，并且可以在深度约为1000至1500处形成该阻挡区60。阻挡区60可以重掺杂p型掺杂剂。
光电二极管70可以形成在阻挡区60的上方。光电二极管70可以包括第一导电区71和第二导电区72，其中第一导电区71形成在阻挡区60的上方，以及第二导电区72形成在第一导电区71的上方。第一导电区71可以掺杂有n型掺杂剂，以及第二导电区72可以掺杂有p型掺杂剂。因此，光电二极管70可以具有p/n/p结构，并且可以形成在栅极50一侧的半导体衬底10中，以产生光电子。
所形成的光电二极管70与半导体衬底10表面相距的较低深度约为1000(但位于阻挡区60的上方)，以更加均匀地保持光敏度。换句话说，由于光电二极管70受限于从半导体衬底10的表面到阻挡区60的深度，因此光电二极管70可以对蓝光、绿光和红光波长保持均匀的和/或平衡的光敏度。因此，可以提高光电二极管的光敏度。具体而言，如果限制了光电二极管70的深度，那么可以使光电二极管对红光波长(通常为低亮度的长波长)的吸收系数与对其它颜色波长的吸收系数保持一致，因此提供了类似于蓝色光和绿色光的吸收系数的均匀的和/或平衡的光敏度。
下文将参考图1至图6描述制造图像传感器的示例性方法。
参见图1，可以在包括p型外延层(p-epi)的半导体衬底10上形成栅极50。半导体衬底10可以包括单晶硅，并且可以掺杂有p型掺杂剂或n型掺杂剂。根据实施例，半导体衬底10为重掺杂的p型半导体衬底10。此外，半导体衬底10可以包括通过外延工艺形成的轻掺杂的p型外延层(p-epi)。
在重掺杂的p型半导体衬底10上形成轻掺杂的p型外延层(p-epi)的原因如下文所述。首先，由于轻掺杂的p型外延层可以扩大和/或加深光电二极管70的耗尽区(depletion region)，因此可以增加光电二极管70收集光电荷的能力。其次，当在p型外延层下形成重掺杂的p+型衬底时，在光电荷扩散进入邻近的单元像素之前，光电荷可以快速再结合(recombined)，从而降低光电荷的随机扩散。因此，可以降低光电荷在传输中的变化。尽管半导体衬底10和外延层可以掺杂有p型掺杂剂，但本发明实施例并不以此为限。
可以在半导体衬底10上形成多个隔离层30，以确定有源区和场区。半导体衬底10的表面可以注有p0离子，从而形成沟道40以调整阈值电压和运载电荷。
可以在沟道40上形成栅极50。栅极50可以为转移晶体管的栅极。通过沉积栅极绝缘层和栅极导电层，然后图案化该合成结构(resultant structure)，可以形成栅极50。例如，栅极绝缘层可以是氧化物层，以及栅极导电层可以是单层结构或多层结构，其中该多层结构可以包括多晶硅、诸如钨等的金属和/或金属硅化物。
参见图2，可以在栅极50一侧和半导体衬底10的深度区域处形成阻挡区60。阻挡区60可以确定光电二极管区20。阻挡区60可以通过第一深度D与半导体衬底10表面间隔开。当在半导体衬底10中形成阻挡区60，阻挡区60的上部可以与光电二极管区20重叠。阻挡区60可以重掺杂p型掺杂剂。
为了形成阻挡区60，可以形成光致抗蚀剂图案200以暴露位于栅极50一侧的衬底有源区。然后，通过离子注入工艺，可以将大剂量的p型掺杂剂注入半导体衬底10的内部。例如，可以通过在注射范围约为0.1μm至1.5μm，且能量约为700KeV至1000KeV的条件下，将硼(B)离子注入半导体衬底10中以形成阻挡区60。可以在半导体衬底10的外延层中形成阻挡区60。换句话说，可以在与半导体衬底10表面的间隔距离约1000至1500的区域中形成阻挡区60。当在外延层内形成阻挡区60时，可以限制在随后工艺中所形成的光电二极管70的尺寸。也就是说，当在导体衬底10的深度区域中形成阻挡区60时，可以在随后工艺中在阻挡区60上方形成光电二极管70，使得光电二极管70的耗尽区被确定。
参见图3，可以在光电二极管区20中形成光电二极管70的第一导电区71。可以在邻近上部阻挡区60或与其重叠的光电二极管区20中形成第一导电区71。例如，可以通过注入n型掺杂剂形成第一导电区71。具体而言，可以通过将n型掺杂剂注入由光致抗蚀剂图案200暴露的半导体衬底10中，形成第一导电区71，其中在形成阻挡区60的过程中，将光致抗蚀剂图案200作为离子注入掩模。可以仅在阻挡区60上的光电二极管区20中形成第一导电区71。然后，通过灰化(例如带有氧的等离子体处理)及后继的湿清洁法(wet cleaning)，可以移除光致抗蚀剂图案200。
参见图4，可以在栅极50的侧壁处形成间隔件80。可以通过在半导体衬底10上(包括在栅极50上)沉积绝缘层，然后各向异性蚀刻该合成结构的整个表面，以形成间隔件80。例如，间隔件80可以包括氧化物层、氧化物上氮化物双层或者氧化物—氮化物—氧化物结构。
参见图5，可以在第一导电区71上形成第二导电区72。第二导电区72可以形成在栅极50一侧的半导体衬底10的表面上，或者形成在该半导体衬底10的表面或者附近。
通过形成光致抗蚀剂图案210，可以形成第二导电区72，使得在栅极50一侧的半导体衬底10的表面被暴露。使用与用于形成如图2所示的光致抗蚀剂图案200相同的掩模，可以形成光致抗蚀剂图案210。使用光致抗蚀剂图案210作为离子注入掩模，可以将p型掺杂剂注入半导体衬底10的表面。因此，可以在半导体衬底10的第一导电区71的上部形成第二导电区72。
因此，可以在由阻挡区60确定的光电二极管区20中形成可包括第一导电区71和第二导电区72的光电二极管70。可以在距离阻挡区60第一深度D处形成光电二极管70。光电二极管70距离半导体衬底10表面的深度约为10至1000。
可以在由阻挡区60所限定的区域中形成光电二极管70，从而可以提高光电二极管70的光敏度。具体而言，入射至光电二极管70上的可见光根据红光、绿光以及蓝光的波长强度产生电子-空穴对。根据每种波长的趋肤深度确定上述深度。蓝光波长中的趋肤深度最浅，而红光波长中的趋肤深度最深。例如，在距离光电二极管70表面约400的区域中可以检测到蓝光波长。在距离光电二极管70表面约400至700的区域中可以检测到绿光波长，以及在距离光电二极管70表面约700或小于700的区域中可以检测到红光波长。因此，如果扩大光电二极管70的深度，与蓝光或绿光波长相比，增加了红光波长(代表长波长)的灵敏度，从而光电二极管70的光敏度可能会恶化。
根据本发明的实施例，可以通过阻挡区60限制光电二极管70的耗尽区。换句话说，由于在距离半导体衬底10表面约1000至1500的深度处形成阻挡区60，可以在距离半导体衬底10表面约1000的最大深度处的限制区中形成光电二极管70。因此，如果光线射到位于阻挡区60上方形成的光电二极管70上时，则减小了所检测到的红光波长(代表长波长)中的区域。换句话说，可以使其中检测到蓝光、绿光以及红光信号的光电二极管70的区域更加均匀和/或平衡。因此，光电二极管70对应于蓝光、绿光以及红光波长可以产生更加均匀的光电子，从而可以提高光电二极管的光敏度。
参见图6，可以在与栅极50相对的一侧形成浮置扩散区90。可以通过对与栅极50相对的的该侧重掺杂n+掺杂剂形成浮置扩散区90。
在根据本发明实施例的制造图像传感器的示例性方法中，在限制区中形成光电二极管，从而可以提高光电二极管的光敏度。具体而言，由于在低亮度下的绿光、蓝光以及红光波长可以产生更加均匀和/或平衡的光电子，因此可以提高光电二极管的光敏度。
说明书中所涉及的“一实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等，其含义是结合实施例描述的特定特征、结构、或特性均包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中出现于各处的这些短语并不一定都涉及同一个实施例。此外，当结合任何实施例描述特定特征、结构或特性时，都认为其落在本领域技术人员结合其它实施例就可以实现这些特征、结构或特性的范围内。
尽管对实施例的描述中结合了其中多个示例性实施例，但可以理解的是本领域技术人员完全可以推导出许多其它变化和实施例，并落入本公开内容的原理的精神和范围之内。尤其是，可以在该公开、附图和所附权利要求的范围内对组件和/或附件组合设置中的排列进行多种变化和改进。除组件和/或排列的变化和改进之外，对于本领域技术人员而言，其它可选择的应用也是显而易见的。
Claims (13)
1.一种图像传感器，包括：
栅极，位于半导体衬底上；
光电二极管，位于该栅极的第一侧的该半导体衬底中；
浮置扩散区，位于该栅极的第二侧的该半导体衬底中，其中该第二侧位于该第一侧的对面；
沟道，位于该栅极下，该沟道将该光电二极管与该浮置扩散区连接；以及
阻挡区，位于该光电二极管下。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中该阻挡区形成在距离该半导体衬底的表面约为1000
至1500的深度处。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中该阻挡区包括大剂量的p型掺杂剂。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中该光电二极管包括掺有n型掺杂剂的第一导电区和掺有p型掺杂剂的第二导电区。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中该第二导电区位于该第一导电区的上方。
6.根据权利要求4所述的图像传感器，其中该第二导电区的深度距离该半导体衬底的表面约为10至1000。
7.一种图像传感器的制造方法，该图像传感器包括以下步骤：
在半导体衬底上形成沟道；
在该半导体衬底上形成栅极；
在位于该栅极的第一侧的该半导体衬底中形成阻挡区；
在该阻挡区上方形成光电二极管；以及
在该栅极的第二侧的该半导体衬底上形成浮置扩散区，该栅极的第二侧位于该栅极的第一侧的对面。
8.根据权利要求7所述的方法，其中形成该阻挡区的步骤包括：
形成第一光致抗蚀剂图案以暴露部分该半导体衬底；以及
在被暴露的部分该半导体衬底上或在其中实施离子注入工艺。
9.根据权利要求8所述的方法，其中形成该光电二极管的步骤包括：
形成第二光致抗蚀剂图案以暴露含有该阻挡区的该半导体衬底的一部分；
通过将n型掺杂剂注入含有该阻挡区的该半导体衬底的该部分中，形成第一导电区；以及
通过将p型掺杂剂注入该第一导电区中，形成第二导电区。
10.根据权利要求7所述的方法，其中形成该光电二极管的步骤包括：
形成光致抗蚀剂图案以暴露含有该阻挡区的该半导体衬底的一部分；
通过将n型掺杂剂注入含有该阻挡区的该半导体衬底的该部分中，形成第一导电区；以及
通过将p型掺杂剂注入该第一导电区中，形成第二导电区。
11.根据权利要求7所述的方法，其中该阻挡区包括大剂量的p型掺杂剂。
12.根据权利要求9所述的方法，其中使用单掩模形成该第一光致抗蚀剂图案和该第二光致抗蚀剂图案。
13.根据权利要求7所述的方法，其中该阻挡区形成在距离该半导体衬底的表面约为1000至1500的深度处。
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