CN102005414B - Cmos图像传感器像素、制造方法及图像捕获设备 - Google Patents

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Abstract

一种CMOS图像传感器像素、制造方法及图像捕获设备。所述CMOS图像传感器制造方法包括：提供衬底材料，该衬底材料特征在于第一尺度和第二尺度；在衬底材料上限定有源区，该有源区特征在于第三尺度和第四尺度；在衬底材料上限定非有源区，该非有源区不同于有源区，该非有源区特征在于第五尺度和第六尺度，该非有源区主要包括纯硅材料；在有源区内限定耗尽区；在耗尽区上方形成n型区，该n型区在有源区内；在有源区内形成栅极区；形成掺杂区，该掺杂区在非有源区内，该掺杂区特征在于包括在预定浓度范围的至少一种物质；以及对掺杂区退火形成复数个空隙。从而可以减少光晕效应。

Description

CMOS图像传感器像素、制造方法及图像捕获设备
技术领域
本发明涉及成像技术。更具体地，本发明涉及CMOS图像传感器像素、制造方法及图像捕获设备。
背景技术
长期以来，对生动的映像进行捕获的努力持续得与人类种族自身一样悠久。早在石器时代，人们就试图用石洞壁画来获取他们所看到的东西。经过数千年，艺术家们研制了用画笔和画布来记录图像的技术。采用油画，艺术家们已经能够准确地记录真实世界的图像，但是图画的逼真度与照片无法相比。
在1826年，法国发明家Nicéphore Niépce在用石油衍生物覆盖的抛光的蜡盘上制作出了第一张相片。从那时起，针对照相成像的技术得以发展。在接下来的几百年间，更好的技术和设备改进了图像质量。在最近的五十年间，用于彩色照相的技术得以改进并甄于完美。在过去十年中，随着Kodak(柯达)在1990年引出第一台商业化存在的数码相机，一种新型的图像捕获技术(数码成像)迅速成为了最流行的用于捕获图像的方式。
对于数码成像，图像传感器(或胶卷底片的数码等同物)对于诸如数码相机、照相电话等的数码成像设备是最重要的部件之一。在很长时间内，图像传感器是基于由George Smith和Willard Boyle在贝尔实验室开发出的电荷耦合设备(CCD)技术的。过去，基于CCD的成像设备风靡。最近，基于CMOS的图像传感器变得更流行。
CMOS图像传感器技术通常包括数以百万计的传感器像素(光传感单元)，每个传感器像素都包括两个到四个晶体管，以及光电二极管。通常，传统的用于CMOS图像感应的技术采用一个np结，在N极的顶部施加有很浅的p+层以在图像捕获过程中降低噪声并增强蓝光反应(blueresponse)。在某种程度上，CMOS传感器单元以与电容器类似的方式进行工作。电极中存储的电荷越多，跨越CMOS的耗尽区的电压降越高。作为能量源的光产生自由载流子。电场下的自由载流子移向CMOS传感器的N型区，对电荷进行中和并降低电势。能量整合之前和之后的电压差提供信号电平。信号电平随后被用作被检测的光的量的读数并被用于形成图像。
根据不同的应用，CMOS传感器相比于CCD传感器常常具有优势。例如，与CCD图像传感器相比，CMOS传感器通常提供更低的成本、更长的电池寿命。作为结果，对于诸如照相电话和傻瓜相机的便携式成像设备常常优选CMOS。在高端，CCD图像传感器在噪声级和灵敏度方面常常落后于CMOS图像传感器。由于CMOS图像传感器的各种优点，用于CMOS图像传感器的技术得以迅速发展。
通常，通过图像传感器(或像素)的数量来衡量图像传感器的能力。近年来，相机制造商相互竞争以生产具有更高像素数的新型相机。CMOS图像传感器的分辨率得以提高，而像素尺寸以及MOS晶体管通道长度缩小。虽然图像传感器的分辨率的提高常常会改进图像分辨率，被降低的像素尺寸以及被提高的噪声级成为了改进图像质量的障碍。作为更高的像素密度和被降低的像素尺寸的结果，针对CMOS传感器所产生的图像常常受到诸如莫尔效应、边缘效应、光晕等等不希望有的人造痕迹的影响。
已经研制了各种传统技术来改进图像质量并减少甚至消除不希望有的人造痕迹。然而，传统技术常常是不够的。
发明内容
本发明涉及成像技术。更具体地，本发明提供了一种CMOS图像传感器像素、制造方法及图像捕获设备。仅举例来说，本发明已经被用于减少和消除图像捕获中的光晕效应。但可以认识到本发明具有更广泛的应用范围。
根据实施例，本发明提供了一种CMOS图像传感器制造方法，包括：提供衬底材料，该衬底材料特征在于第一尺度和第二尺度；在衬底材料上限定有源区，该有源区特征在于第三尺度和第四尺度；在衬底材料上限定非有源区，该非有源区不同于有源区，该非有源区特征在于第五尺度和第六尺度，该非有源区主要包括纯硅材料；在有源区内限定耗尽区；在耗尽区上方形成n型区，该n型区在有源区内；在有源区内形成栅极区；形成掺杂区，该掺杂区在非有源区内，该掺杂区特征在于包括在预定浓度范围的至少一种物质；以及对掺杂区退火形成复数个空隙。
根据另一实施例，本发明提供了一种CMOS图像传感器像素，包括：p型硅衬底，该p型硅衬底包括顶部侧和底部侧；被限定在p型硅衬底内部的有源区，该有源区包括耗尽区和n型硅材料，其中该有源区特征在于第三尺度和第四尺度；被置于顶部侧的附近的至少一个金属线；非有源区，该非有源区不同于有源区，该非有源区特征在于第一能态；以及在有源区的外部的至少一个势垒区，该至少一个势垒区包括复数个空隙，该至少一个势垒区特征在于第二能态，该第二能态不同于第一能态。
根据又一实施例，本发明提供了一种图像捕获设备，该图像捕获设备包括：用户接口，被配置成用于实施图像捕获过程；第一输入，被配置成用于接收用户输入，该用户输入是用于捕获图像的命令；图像传感器，被配置成用于捕获图像；光学设备，被配置成用于提供光以在图像传感器上形成图像；处理器，被配置成对图像进行处理，其中该图像传感器的像素包括：p型硅衬底，该p型硅衬底包括顶部侧和底部侧；被限定在p型硅衬底内部的有源区，该有源区包括耗尽区和n型硅材料，其中该有源区特征在于第三尺度和第四尺度；位于顶部侧的附近的至少一个金属线；非有源区，该非有源区不同于有源区，该非有源区特征在于第一能态；以及在有源区的外部的至少一个势垒区，该至少一个势垒区包括复数个空隙，该至少一个势垒区特征在于第二能态，该第二能态不同于第一能态。
将会理解的是，本发明提供了各种优点。根据实施例，本发明减少了某些基于CMOS的图像传感器上的光晕效应。例如，在CMOS图像传感器的制造过程中采用氢或氦注入并结合退火技术，在CMOS图像传感器的期望区域生成空隙。在捕获图像的过程中，这些空隙使扩散到相邻图像传感器的电子减少，从而减少光晕效应。仅作为示例，这些空隙作为电子的复合中心和势垒。根据不同的应用，可以对这些空隙的尺度(例如深度)和分布进行控制。例如，可以对各种因素(例如，光刻技术、注入能量、注入剂量、以及退火温度和时间)进行改变以基于所期望的应用来调整空隙的属性。
根据不同的实施例，可以获得这些优点中的一个或更多个优点。参考随后的详细描述和附图可以充分理解这些优点以及本发明的各种额外的目的、特征和优点。
附图说明
图1是示出了受光晕效应影响的数码图像的简化图；
图2示出了工作中的CMOS图像传感器；
图3是示出了由穿过有源像素到相邻像素的电子所引起的光晕的简化图；
图4是示出了根据本发明实施例的改进的CMOS图像传感器像素的简化图；
图5是示出了根据本发明实施例的用于制造包括势垒区的图像传感器的方法的简化图。
具体实施方式
本发明涉及成像技术。本发明提供了一种CMOS图像传感器像素、制造方法及图像捕获设备。仅举例来说，本发明已经被用于减少和消除图像捕获中的光晕效应。但可以认识到本发明具有更广泛的应用范围。
如上所述，CMOS图像传感器具有各种限制。例如，通常通过图像传感器(或像素)的数量来衡量图像传感器的能力。近年来，相机制造商相互竞争以生产具有更高像素数的新型相机。CMOS图像传感器的分辨率得以提高，而像素尺寸以及MOS晶体管通道长度缩小。虽然图像传感器的分辨率的提高常常会改进图像分辨率，被降低的像素尺寸以及被提高的噪声级成为了改进图像质量的障碍。作为更高的像素密度和被降低的像素尺寸的结果，针对CMOS传感器所产生的图像常常受到诸如莫尔效应、边缘效应、光晕等等不希望有的人造痕迹的影响。图1是示出了受光晕效应影响的数码图像的简化图。从图1可以看出，由于光晕效应，亮区10和暗区20之间的边界是模糊的。通常，对于图像不希望有这种光晕效应。
为了更好地解释光晕效应的产生，图2示出了工作中的CMOS图像传感器。该图仅仅是示例，不应该不恰当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员会认识到许多变型、替代和修改方式。通常，传统的基于CMOS的有源像素200包括以下部件：1、有源区2102、n型硅2203、耗尽区2304、多晶硅栅2405、通路250a和250b6、金属线2607、微透镜270
在工作过程中，有源区210接收280a-f区内光子产生的电子。电子产生用于允许生成输出信号的电势。
有时被称为串扰效应的光晕效应一般由两个原因所引起：光穿透和电子扩散。当光子行进或跳跃到像素的有源区之外时出现光穿透。串扰效应通常由扩散到相邻像素中的电子引起。
已经存在用于减少由光穿透所引起的光晕效应的各种传统技术。例如，通过金属屏蔽设计的方式实现的微透镜可以被用来减少光穿透。然而，减少光穿透常常是不够的。另外，随着像素尺寸越来越小，微透镜的实现会是昂贵的。
通常，在像素工作时，它的光电二极管被初始复位为到高电压(Vr)。作为结果，正电荷被存储在n型硅耗尽区中。通常光子产生的电子进入，并对正电荷进行中和。例如，电场的力将正电荷中和。有时，当电子生成于耗尽区之外时，扩散将正电荷中和。作为结果，高电压(Vr)被减小，其电压改变为ΔV。该电压改变主要用作被接收的光的量的信号。最后，在用于为每个像素确定信号值的图像传感器上形成图像。
如上所述的技术有时由于CMOS传感器的材料会遭受图像质量的损失。因为硅的吸收能力弱，许多光生电子生成于耗尽区之外。这些电子可以朝所有方向移动。例如，电子根据浓度梯度来进行流动。电子行进的距离通常取决于载流子的寿命和移动性。
如今，由于图像传感器中封装了更多的像素而没有增加传感器的物理尺度，因此像素的尺寸缩小。当像素尺寸变得更小时，电子从一个像素行进到另一个更加容易。结果是，图像质量恶化。
图3是示出了由穿过有源像素到相邻像素的电子所引起的光晕的简化图。该图仅仅是示例，不应该不恰当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员会认识到许多变型、替代和修改方式。如图3所示，电子311-317被图像传感器300的众多像素之一的像素310捕获。当电子浓度增大时(光信号很强)，相当数量的电子扩散到相邻像素。例如，电子311最初在像素310产生，但随后扩散到相邻像素320。作为电子311从像素310行进到像素320的结果，被捕获的图像在像素320处会呈现光晕效应。
因此，期望存在一种改进的技术以减少光晕效应。将会理解的是，本发明解决了由光子所生成的电子扩散到相邻像素中所引起的光晕效应等等。更具体地，本发明的某些实施例阻止了一个像素的电子移动到另一个像素。图4是示出了根据本发明实施例的改进的图像像素的简化图。该图仅仅是示例，不应该不恰当地限制权利要求的范围。本领域普通人员会认识到许多变型、替代和修改方式。
如图4所示，针对图像传感器的改进的像素500包括有源区510、非有源区530和540、以及势垒区550。根据实施例，改进的像素500是基于p型衬底制造的。例如，非有源区530和540在有源区510之外且基本上由基本上是同质的p型衬底制成。势垒区550位于有源区510之外、非有源区540内。
势垒区550用于针对有源区510内的电子生成势垒或复合中心，减少电子扩散到相邻像素中的可能性。例如，势垒区550大大减少电子从有源区510扩散到非有源区540的可能性。根据实施例，用诸如氢材料对势垒区550进行掺杂并退火，在势垒区550内生成空隙(缺陷)。当电子从有源区510扩散到非有源区540时，在势垒区550生成的缺陷大大减少这些扩散电子的寿命。例如，通过Shockley-Read-Hall理论增加复合速率。在下面的图中对优点进行解释。深色曲线表示朝相邻像素扩散时经历缺陷和无缺陷的电子的浓度梯度。
可以通过电子的浓度梯度曲线来证明势垒区550的功能。如图4所示，曲线560b是连续的，在有源区510和非有源区530之间没有势垒区。相反，曲线560a被势垒区550截断。因为扩散的电子极少从有源区510扩散到非有源区540。如曲线580所示，在势垒区550的非有源区侧的扩散电子的浓度比在有源区510侧的电子浓度要低得多。跨越势垒区550的电子浓度的差可以由高度570表示。
根据应用的不同，势垒区550可以掺杂其他类型的材料。根据实施例，氦材料被用来对势垒区550进行掺杂。例如，势垒区550包括预定浓度的氦材料，并通过对已经掺杂了氦材料的势垒区550进行退火来形成空隙。
将会理解的是，根据各种实施例，本发明提供了用于制造包括势垒区的图像传感器的方法，这些势垒区提供了上述优点。
图5是示出了根据本发明实施例的用于制造包括势垒区的图像传感器的方法的简化图。该图仅仅是示例，不应该不恰当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员会认识到许多变型、替代和修改方式。例如，可以对步骤进行增加、去除、替换、重复、叠加、或部分叠加。
过程600包括用于图像传感器的制造的、经过半处理的半导体材料的简化图。过程600从提供衬底材料610开始。衬底材料可以特征在于尺度的特性。根据不同的应用，通过期望的图像传感器的尺寸来确定衬底材料的尺度。例如，衬底材料包括用于与用户数码相机的传感器尺寸相匹配的1/1.8英寸的对角线尺寸。
提供适当尺寸的衬底材料之后，过程600限定衬底材料上的有源区。例如，有源区在图4中被限定为区510。有源区可以特征在于第三尺度和第四尺度。根据不同的应用，有源区的尺度不同。例如，面积小且分辨率高的图像传感器(例如来自傻瓜相机的传感器)的有源区通常比传感器面积大的图像传感器(例如数码单镜头反光相机的传感器)的有源区小。
在实际制造过程中，可以有多种方式来限定有源区。例如，浅沟槽蚀刻方法在衬底620中限定有源区。
除了有源区，过程600限定了衬底材料上的非有源区。例如，非有源区被限定为图4中的区510以外的区域，与有源区不同。非有源区可以特征在于第五尺度和第六尺度，非有源区主要包括掺杂的硅材料。根据不同的应用，非有源区的尺度不同。例如，面积小且分辨率高的图像传感器的非有源区通常比传感器面积大的图像传感器的非有源区小。通常，非有源区应当大于最小的尺寸以防止不希望有的电子扩散。
过程600还在有源区内限定了耗尽区并形成位于该耗尽区上方的n型区。在耗尽区上方的n型区也在有源区内。另外，过程600提供了用于在有源区内形成栅极区的步骤。
过程600还提供了用于在非有源区内形成掺杂区的离子注入的步骤。根据不同的应用，存在各种用于在非有源区形成掺杂区的方法。首先，硬掩膜631a和631b被沉积在被开槽的衬底630上方。接下来，掺杂材料被注入到沟道衬底630上。根据各种实施例，氢和/或氦被用作掺杂材料。其他材料也可以被用于掺杂。从图中可以看出，仅在由硬掩膜640a和640b所限定的开口区650内的沟道衬底640进行掺杂，而不会对被硬掩模覆盖的区域650a和650b内的沟道衬底640注入离子660。硬掩膜640a和640b的材料厚度和密度要足够。例如如果用钨做硬掩膜可采用1微米以上，以达到阻止氢或氦注入到有源区。
根据不同的应用，掺杂工艺能够保证掺杂浓度在预定的浓度范围内。例如，按照空隙的数量，不同的图像传感器需要不同水平的浓度。
过程600的最终目标是在非有源区内生成空隙。因此，退火过程被用来在已掺杂有氢和/或氦的材料中形成空隙。
生成空隙之后，过程600去除硬掩膜，从而形成具有空隙671的衬底材料670。这个包含空隙的区域是用于与有源区之间提供边界的非有源区，用于防止不希望有的电子扩散和串扰效应。
可以理解的是，可以对过程600的各种步骤进行增加、去除、替换、重复、叠加或部分叠加。例如，在去除硬掩膜之后执行退火工艺。作为另一实例，可以重复掺杂或注入工艺以在非有源区改变空隙浓度。
根据实施例，本发明提供了一种CMOS图像传感器制造方法。较之其他，CMOS图像传感器特征在于减少光晕。该方法包括：提供衬底材料，该衬底材料特征在于第一尺度和第二尺度；在衬底材料上限定有源区，该有源区特征在于第三尺度和第四尺度；在衬底材料上限定非有源区，该非有源区不同于有源区，该非有源区特征在于第五尺度和第六尺度，该非有源区主要包括纯硅材料；在有源区内限定耗尽区；在耗尽区上方形成n型区，该n型区在有源区内；在有源区内形成栅极区；形成掺杂区，该掺杂区在非有源区内，该掺杂区特征在于包括在预定浓度范围的至少一种物质；以及对掺杂区退火形成复数个空隙。例如，可以根据图5以及其描述来说明该方法。
根据另一实施例，本发明提供了一种CMOS图像传感器像素，其特征在于减少光晕。该像素包括：p型硅衬底，该p型硅衬底包括顶部侧和底部侧；被限定在p型硅衬底内部的有源区，该有源区包括耗尽区和n型硅材料，其中该有源区特征在于第三尺度和第四尺度；被置于顶部侧的附近的至少一个金属线；非有源区，该非有源区不同于有源区，该非有源区特征在于第一能态；以及在有源区的外部的至少一个势垒区，该至少一个势垒区包括复数个空隙，该至少一个势垒区特征在于第二能态，该第二能态不同于第一能态。例如，可以根据图4及其描述来说明CMOS图像传感器的像素。
根据又一实施例，本发明提供了一种图像捕获设备。该图像捕获设备包括：用户接口，被配置成用于实施图像捕获过程；第一输入，被配置成用于接收用户输入，该用户输入是用于捕获图像的命令；图像传感器，被配置成用于捕获图像；光学设备，被配置成用于提供光以在图像传感器上形成图像；处理器，被配置成对图像进行处理，其中该图像传感器的像素包括：p型硅衬底，该p型硅衬底包括顶部侧和底部侧；被限定在p型硅衬底内部的有源区，该有源区包括耗尽区和n型硅材料，其中该有源区特征在于第三尺度和第四尺度；位于顶部侧的附近的至少一个金属线；非有源区，该非有源区不同于有源区，该非有源区特征在于第一能态；以及在有源区的外部的至少一个势垒区，该至少一个势垒区包括复数个空隙，该至少一个势垒区特征在于第二能态，该第二能态不同于第一能态。例如，可以根据图4及其描述来说明CMOS图像传感器的像素。
将会理解的是，本发明提供了各种优点。根据实施例，本发明减少了某些基于CMOS的图像传感器上的光晕效应。例如，在CMOS图像传感器的制造过程中采用氢或氦注入并结合退火技术，在CMOS图像传感器的期望区域生成空隙。在捕获图像的过程中，这些空隙使扩散到相邻图像传感器的电子减少，从而减少光晕效应。仅作为示例，这些空隙作为电子的复合中心和势垒。根据不同的应用，可以对这些空隙的尺度(例如深度)和分布进行控制。例如，可以对各种因素(例如，光刻技术、注入能量、注入剂量、以及退火温度和时间)进行改变以基于所期望的应用来调整空隙的属性。
应该理解的是，这里所描述的实例和实施例仅用于示意性的目的，本领域技术人员还可以就此想到各种修改或改变，这些修改或改变将被包括在本申请的精神和范围之内以及所附权利要求的范围之内。

Claims (15)

1.一种CMOS图像传感器制造方法，包括：
提供衬底材料，该衬底材料特征在于具有第一尺度和第二尺度；
在衬底材料上限定有源区，该有源区特征在于具有第三尺度和第四尺度；
在衬底材料上限定非有源区，该非有源区不同于有源区，该非有源区特征在于具有第五尺度和第六尺度，该非有源区主要包括纯硅材料；
在有源区内限定耗尽区；
在耗尽区上方形成n型区，该n型区在有源区内；
在有源区内形成栅极区；
形成掺杂区，该掺杂区在非有源区内，该掺杂区特征在于包括在预定浓度范围的至少一种物质；
以及对掺杂区退火形成复数个空隙。
2.如权利要求1所述的方法，第一尺度包括长度为1/1.8英寸的对角线。
3.如权利要求1所述的方法，第一尺度包括长度为1/2.5英寸的对角线。
4.如权利要求1所述的方法，其中限定非有源区包括：
形成不同于有源区的沟道区；
在沟道区外部沉积至少一种光致抗蚀剂材料。
5.如权利要求4所述的方法，其中形成掺杂区包括：
以预定浓度范围注入该至少一种物质；
去除该至少一种光致抗蚀剂材料。
6.如权利要求1所述的方法，其中衬底材料是p型。
7.如权利要求1所述的方法，其中该至少一种物质包括氢。
8.如权利要求1所述的方法，其中该至少一种物质包括氦。
9.一种CMOS图像传感器像素，包括：
p型硅衬底，该p型硅衬底包括顶部侧和底部侧；
被限定在p型硅衬底内部的有源区，该有源区包括耗尽区和n型硅材料，其中该有源区特征在于具有第三尺度和第四尺度；
被置于顶部侧的附近的至少一个金属线；
非有源区，该非有源区不同于有源区，该非有源区特征在于具有第一能态；
以及在有源区的外部的至少一个势垒区，该至少一个势垒区包括复数个空隙，该至少一个势垒区特征在于具有第二能态，该第二能态不同于第一能态。
10.如权利要求9所述的像素，其中该衬底特征在于具有一个或更多个沟道。
11.一种图像捕获设备，包括：
用户接口，被配置成用于实施图像捕获过程；
第一输入，被配置成用于接收用户输入，该用户输入是用于捕获图像的命令；
图像传感器，被配置成用于捕获图像；
光学设备，被配置成用于提供光以在图像传感器上形成图像；
处理器，被配置成对图像进行处理，
其中该图像传感器的像素包括：
p型硅衬底，该p型硅衬底包括顶部侧和底部侧；
被限定在p型硅衬底内部的有源区，该有源区包括耗尽区和n型硅材料，其中该有源区特征在于具有第三尺度和第四尺度；
位于顶部侧的附近的至少一个金属线；
非有源区，该非有源区不同于有源区，该非有源区特征在于具有第一能态；
以及在有源区的外部的至少一个势垒区，该至少一个势垒区包括复数个空隙，该至少一个势垒区特征在于具有第二能态，该第二能态不同于第一能态。
12.如权利要求11所述的图像捕获设备是照相电话。
13.如权利要求11所述的图像捕获设备是数码相机。
14.如权利要求11所述的图像捕获设备是网络摄像头。
15.如权利要求11所述的图像捕获设备是个人数字助理。
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