CN102246303A - 具有横向溢流排出通道的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

使用双掩膜处理(1300、1500)制造横向溢流排出通道(610)和沟道截断(608)。每个横向溢流排出通道形成在各个沟道截断内。由于使用两个掩膜层，每个横向溢流排出通道的一个边缘与各个沟道截断的边缘对准。

Description

具有横向溢流排出通道的图像传感器
技术领域
本申请一般地涉及用于数码相机和其它类型的图像捕获装置的图像传感器，尤其涉及具有横向溢流排出通道和沟道截断区的图像传感器。
背景技术
典型的电子图像传感器包括以二维阵列排列的多个光敏摄像元件(“像素”)。像素响应于冲击像素的光积累电荷载流子，并且每个像素具有能够存储的最大量的电荷。当像素收集的电荷载流子的总数超过该像素的电荷容量并且过量电荷溢出到相邻像素时，发生称为“高光溢出”的现象。一种已知的抗高光溢出技术在像素内形成横向溢流排出通道(LOD)，以提供用于在电荷载流子溢出到相邻像素之前从像素排出过量电荷载流子的装置。
图1至图3示出根据现有技术的形成横向溢流排出通道和沟道截断区的方法。最初，如图1所示，在基底或者阱102上方形成绝缘层100。然后，在绝缘层100上方形成氮化物层104。
图2例示在氮化物层104上形成、并被形成图案(pattern)以形成具有W1宽度的开口的掩膜层200。将氮化物层104在开口中露出的部分蚀刻掉。通常将氮化物层104过蚀刻以适应氮化物层104的厚度变化。该过蚀刻去除绝缘层100的一部分202。然后，将杂质掺入基底102(用箭头表示)，以形成沟道截断204。沟道截断204防止电荷载流子溢出到水平相邻的像素。
然后，去除掩膜层200，并且在剩余的氮化物层104和绝缘层100的露出部分上形成另一掩膜层300(图3)。将掩膜层300形成图案以形成具有W2宽度的开口，并且将氮化物层104的第二开口中露出的部分蚀刻掉。再次，通常将氮化物层104过蚀刻以考虑氮化物层104的厚度的变化，由此去除绝缘层100的另一部分302。然后，将杂质掺入基底102(用箭头表示)，以形成横向溢流排出通道304。
为了确保在形成横向溢流排出通道302之前去除横向溢流排出通道区域上面的全部氮化物层104，W2通常与W1交叠，产生交叠区域306。当如图2和图3所示蚀刻氮化物层104时，将绝缘层100的位于交叠区域306的部分308蚀刻两次。该双蚀刻能够完全去除部分308，由此露出基底102的顶表面并且允许在随后的处理步骤期间损坏基底表面。露出或者损坏基底102的顶表面可能潜在地导致基底102的污染，并且在图像传感器中产生缺陷，诸如，例如群缺陷(cluster defect)。
发明内容
使用双掩膜层处理制造横向溢流排出通道和沟道截断。在绝缘层上方形成第一掩膜层。绝缘层布置在具有第一导电类型的基底、层或者阱上。将第一掩膜层形成图案以产生一个或更多个第一开口。然后，将具有与该基底、层或者阱相同导电类型的杂质经由第一开口掺入并且到该基底、层或者阱中以形成一个或更多个沟道截断。
然后，在第一掩膜层上形成第二掩膜层，并且形成图案以产生一个或更多个第二开口。每个第二开口布置在各个第一开口的部分中，并且第二掩膜层的部分布置在第一开口的剩余部分中。然后，将具有与第一导电类型相反的第二导电类型的一种或更多种杂质经由每个第二开口掺入并且到每个沟道截断中以形成横向溢流排出通道。由于双掩膜层，每个横向溢流排出通道的一个边缘与各个沟道截断的边缘对准，或者大致对准。然后，将第一和第二掩膜层去除，并且使用已知制造步骤进一步处理器件。
发明的有益效果
本发明包括在不损坏任何下层的情况下形成一个或更多个横向溢流排出通道的优点。另外，本发明提供用于以最小特征大小制造横向溢流排出通道和沟道截断的准确和可重复的方法。这在高分辨率图像传感器中尤其有益。
附图说明
参照附图将更好地理解本发明的实施例。附图的元件不必相对彼此的大小绘制。
图1至图3示出根据现有技术形成横向溢流排出通道和沟道截断区域的方法；
图4是根据本发明实施例中的图像捕获装置的简化框图；
图5是图4所示的根据本发明实施例中的图像传感器406的简化框图；
图6是图5所示的根据本发明实施例中的像素500的简化图；
图7至图12是图6中的像素500的一部分的沿着线A-A’的截面图，例示根据本发明实施例形成横向溢流排出通道610和沟道截断608的方法；以及
图13至图15是图6中的像素500的一部分的沿着线A-A’的截面图，例示根据本发明的实施例能够代替图8至图10所示的技术进行的替代技术。
具体实施方式
在说明书和权利要求书中，随后的术语采用此处明确关联的含义，除非上下文清楚地不同指示。诸如方向性术语“上”、“上方”、“顶”、“底”参照附图中描述的方向使用。因为本发明的实施例的部件可能被定位在许多不同的方向，方向性术语仅仅为了例示目的而不意在限制。当接合图像传感器晶片或者对应的图像传感器的层使用时，方向性术语意在广泛地理解，因此不应解释为排除存在一个或更多个中间层或者其它中间图像传感器特征或者元件。因此，此处描述的在另一层上形成或者上方形成的给定的层可以被一个或更多个额外的层与所述另一层分离。
另外，将术语“晶片”和“基底”理解为基于半导体的材料，包括但不限于硅、绝缘体上的硅(SOI)技术、掺杂和非掺杂半导体、半导体基底上形成的外延层和其它半导体结构。
参照附图，在图中类似的附图标记指示类似部件。
图4是根据本发明的实施例中的图像捕获装置的简化框图。图像捕获装置400在图4中实现为数码相机。本领域技术人员将认识到数码相机仅仅是能够利用引入本发明的图像传感器的图像捕获装置的一个示例。其它类型的图像捕获装置，诸如例如蜂窝电话相机、扫描仪和数码录像机可以使用本发明。
在数码相机400中，来自目标场景的光402输入到成像级404。成像级404可以包括诸如镜头、中性密度滤光器、光圈和快门的传统元件。光402被成像级404聚焦以在图像传感器406上形成图像。图像传感器406通过将入射光转换为电信号捕获一个或更多个图像。数码相机400还包括处理器408、存储器410、显示器412和一个或更多个额外的输入/输出(I/O)元件414。尽管在图4的实施例中示出为分离元件，成像级404可以与图像传感器406并且可能地与数码相机400的一个或更多个额外元件集成，以形成相机模块。例如，在根据本发明的实施例中处理器或者存储器可以与图像传感器406集成在相机模块中。
处理器408可以被实现为例如微处理器、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)或者其它处理装置，或者多个这种装置的组合。图像传感器406和成像级404的各个元件可以由从处理器408提供的定时信号或其它信号控制。
存储器410可以被配置为任意类型的存储器，诸如例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、快擦写存储器、基于盘的存储器、可去除存储器、或者其它类型的存储元件，以及任意组合。被图像传感器406捕获的给定图像可以被处理器408存储在存储器410中并且呈现在显示器412上。尽管可以使用其它类型的显示器，显示器412通常是有源矩阵彩色液晶显示器(LCD)。额外的I/O元件414可以包括例如各个画面上控制、按钮或者其它用户接口、网络接口或者存储器卡接口。
应理解图4所示的数码相机可以包括本领域技术人员已知类型的额外或者代替的元件。可以从本领域已知的选择此处未具体示出或者描述的元件。如先前提到，本发明可以在广泛种类的图像捕获装置中实现。此外，此处描述的实施例的特定方面可以至少部分地以被图像捕获装置的一个或更多个处理元件执行的软件形式实现。如本领域技术人员将理解的：根据此处提供的教导这种软件可以以直接方式实现。
现在参照图5，示出图4所示的根据本发明实施例的图像传感器406的简化框图。在图4中图像传感器406被实现为真两相位全帧电荷耦合器件(CCD)图像传感器(以下描述)。根据本发明的其它实施例不限于此种类型的图像传感器。仅仅通过示例，在根据本发明的其它实施例中，图像传感器406可以实现为隔行CCD图像传感器，或者三或四相位CCD图像传感器。
图像传感器406包括通常按行和列排列以形成成像区域502的许多像素500。每个像素500被配置为移位元件，其中像素的每一列形成竖直移位寄存器。在图像被像素500捕获之后，积累的电荷被从成像区域502读出。在图像读出期间，竖直移位寄存器将每行积累的电荷或者信号移位出到水平移位寄存器504。水平移位寄存器504接着将电荷顺序地移位到输出放大器506。
图6是图5所示的根据本发明实施例的像素500的简化图。如先前讨论的，图5中的图像传感器406被实现为真二相位CCD图像传感器。当CCD图像传感器包括多个相位时，竖直CCD每个被分离为多个部分或者“相位”，以便于经由结构传递电荷。由此，在真二相位CCD中，竖直CCD中的每个移位元件具有第一相位移位元件600和第二相位移位元件602。
势垒区域604、606将像素500中的每个移位元件600、602与竖直相邻的像素分离，并且便于经由竖直CCD传递电荷。在像素500内形成沟道截断608，以防止电荷溢出到水平相邻像素。在沟道截断608内形成横向溢流排出通道610(用虚线示出)，并且用于从像素500排出过量或者不期望的电荷。在根据本发明实施例中横向溢流排出通道610具有比沟道截断608的掺杂浓度更高的掺杂浓度。
还在像素500中形成溢流势垒区域。为了清楚，在图6中未示出溢流势垒区域。能够使用任何已知的制造方法设计和制造溢流势垒区域。溢流势垒区域例如在美国专利5,130,774和5,349,215中描述。
最后，栅电极612、614在像素500上方形成，且由允许光透过电极612、614的透明材料制成。透明材料的示例包括但是不限于多晶硅和氧化铟锡(ITO)。栅电极612、614激活经由移位元件600、602的电荷传递。电压被交替地施加到每个栅电极612、614，以将电荷从一个移位元件移位到下一移位元件。箭头616指示电荷经由每个竖直移位寄存器传递的方向。
现在参照图7至图12，示出了图6中的像素500的部分的沿着线A-A’的截面图，例示根据本发明实施例形成横向溢流排出通道610和沟道截断608的方法。图7示出完成许多初始制造步骤之后的像素的部分。在此阶段的像素包括层702上方形成的绝缘层700。仅仅通过示例，例示在根据本发明实施例中绝缘层700被实现为氧化物-氮化物-氧化物(ONO)层(分别为层704、706和708)。层702被配置为具有n或者p导电类型的基底、层或者阱。
然后，在绝缘层700上方形成硬掩膜层800，并且形成图案以形成开口802(图8)。仅仅通过示例，硬掩膜层800能够形成为氮化硅或者二氧化硅层。将氧化物层708和氮化物层706在开口802中露出的部分去除。在根据本发明的实施例中不将氧化物层704去除，并且将其用作保护和屏蔽层。
然后，在硬掩膜层800上方形成第二掩膜层900，并且形成图案以形成开口902(图9)。在根据本发明的实施例中通过在硬掩膜层800上沉积光刻胶来形成第二掩膜层900。开口902驻留在开口802的部分上，第二掩膜层900填充开口802的剩余部分。
然后，将一种或更多种杂质掺入到层702中(用箭头表示)，以形成横向溢流排出通道610。用于形成横向溢流排出通道610的杂质具有与层702的导电类型相反的导电类型。例如，如果层702包括p型杂质，则横向溢流排出通道610用n型杂质形成。砷是能够以1×1014原子每平方厘米的浓度掺入以形成横向溢流排出通道610的示例n型杂质。
接下来，如图10所示，将掩膜层900去除，并且将一种或更多种杂质经由开口802掺入(用箭头表示)，并到横向溢流排出通道610以及层702的接合部分中，以形成沟道截断608。用于形成沟道截断608的一种或更多种杂质具有与层702相同的导电类型。例如，在根据本发明的实施例中，如果层702具有p型导电类型，则用于形成沟道截断608的杂质是p型杂质。仅仅通过示例，硼是能够以1×1013原子每平方厘米的浓度掺入以形成沟道截断608的p型杂质。
由于使用两个掩膜层800和900，横向溢流排出通道610的一个边缘与沟道截断608的边缘对准，或者大致对准。然后，去除硬掩膜层800，得到图11中所示的结构。在沟道截断608和横向溢流排出通道610上方形成场氧化物区域1200(图12)。能够使用任何已知方法形成场氧化物区域1200。下面能够进一步处理像素500。随后的处理步骤可以包括形成掩埋沟道、与横向溢流排出通道610相邻布置的溢流势垒区域以及上面的栅电极。
图13至图15是图6中的像素500的部分的沿着线A-A’的截面图，例示根据本发明的实施例能够代替图8至图10所示的技术进行的替代技术。图13所示的处理步骤在图7之后进行。在绝缘层700上形成掩膜层1300，并且形成图案以产生第一开口1302(图13)。在根据本发明的实施例中，通过在绝缘层700上方沉积光刻胶形成掩膜层1300。在根据本发明的另一实施例中，通过在绝缘层700上方沉积硬掩膜层形成掩膜层1300。
然后，将一种或更多种杂质经由开口1302掺入(用箭头表示)并且到层702中以形成沟道截断608。用于形成沟道截断608的一种或更多种杂质具有与层702相同的导电类型。例如，在根据本发明的实施例中，如果层702具有p型导电类型，则用于形成沟道截断608的杂质是p型杂质。硼是能够以1×1013原子每平方厘米的浓度掺入以形成沟道截断608的示例p型杂质。在根据本发明的另一实施例中，当层702具有n型导电类型时，能够使用一种或更多种n型杂质形成沟道截断608。
接下来，如图14所示，将在开口1302中露出的氧化物层708和氮化物层706去除。在根据本发明的实施例中，用等离子体蚀刻来蚀刻氧化物层708和氮化物层706。在根据本发明的实施例中，不去除氧化物层704，并且将氧化物层704用作保护和屏蔽层。
然后，在掩膜层1300上方形成掩膜层1500，并且形成图案以产生第二开口1502(图15)。在根据本发明的实施例中，通过在掩膜层1300上方沉积光刻胶形成掩膜层1500。第二开口1502布置在第一开口1302的部分中，并且掩膜层1500的部分布置在开口1302的剩余部分中。
然后，将一种或更多种杂质经由开口1502掺入(用箭头表示)，并且到沟道截断608中以形成横向溢流排出通道610。由于双掩膜层1300和1500，横向溢流排出通道610的一个边缘与沟道截断608的边缘对准，或者大致对准。用于形成横向溢流排出通道610的杂质具有与沟道截断608相反的导电类型。例如，如果沟道截断608包括p型杂质，则横向溢流排出通道610用n型杂质形成。仅仅通过示例，砷是能够以1×1014原子每平方厘米浓度掺入以形成横向溢流排出通道610的n型杂质。
在形成横向溢流排出通道610之后去除图15中的掩膜层1500和掩膜层1300，得到图11所示的像素结构。现在在沟道截断608和横向溢流排出通道610上方形成场氧化物区域1200，如图12所示。能够使用任何已知方法形成场氧化物区域1200。下面能够进一步处理像素500。随后的处理步骤可以包括形成隐埋沟道、与横向溢流排出通道610相邻布置的溢流势垒区域以及上方的栅电极。
通过图7至图15所示的方法形成的横向溢流排出通道610和沟道截断608能够具有比现有技术的结构更小的尺寸。这是因为图9中的开口902和图15中的开口1502的大小比开口802(图8)和1302(图13)的可实现的最小大小更小。当使用现有的光刻技术形成时，开口802和1302的最小尺寸受到现有光刻能够获得的最小尺寸限定和限制。但是，由于开口902和1502分别在开口802和1302内形成，开口902和1502具有比开口802和1302更小的尺寸。由此，本发明提供一种用于以最小特征大小制造横向溢流排出通道和沟道截断的准确和可重复的方法。
已经参照根据本发明的具体实施例描述本发明。然而，应理解本领域技术人员能够实现变化和修改而不背离本发明的范围。仅仅通过示例，图8和图9至图10所示的制造步骤的顺序可以反向。由此，在形成横向溢流排出通道610和沟道截断608之后去除在开口802中露出的氧化物层708和氮化物层706。另外，层702和沟道截断608的导电类型能够是n型而横向溢流排出通道的导电类型是p型。
另外，尽管此处已经描述了本发明的具体实施例，应注意应用不限于这些实施例。具体地，相对于一个实施例描述的任何特征也可以在其它实施例中使用。并且在相容之处，不同实施例的特征可以互换。
部件列表
100绝缘层
102基底、层或者阱
104氮化物层
200掩膜层
202绝缘层的部分
204沟道截断
300掩膜层
302绝缘层的部分
304横向溢流排出通道
306交叠区域
308绝缘层的部分
400图像捕获装置
402光
404成像级
406图像传感器
408处理器
410存储器
412显示器
414其它输入/输出(I/O)元件
500像素
502成像区域
504水平移位寄存器
506输出放大器
600移位元件
602移位元件
604势垒区域
606势垒区域
608沟道截断
610横向溢流排出通道
612栅电极
614栅电极
616代表电荷传递方向的箭头
700绝缘层
702层
704氧化物层
706氮化物层
708氧化物层
800硬掩膜层
802开口
900第二掩膜层
902开口
1200场氧化物
1300掩膜层
1302开口
1500掩膜层
1502开口

Claims (5)

1.一种在图像传感器中制造一个或更多个横向溢流排出通道的方法，所述方法包括：
在绝缘层上方形成第一掩膜层，其中所述绝缘层布置在具有第一导电类型的层上；
将所述第一掩膜层形成图案以产生将形成沟道截断的一个或更多个第一开口；
将一种或更多种第一导电类型的杂质经由所述一个或更多个第一开口掺入，并且到具有所述第一导电类型的所述层中，以在所述层中形成所述一个或更多个沟道截断；
在所述第一掩膜层和所述一个或更多个第一开口上方形成第二掩膜层；
将第二掩膜层形成图案以产生将形成所述一个或更多个横向溢流排出通道的一个或更多个第二开口，其中每个第二开口布置在相应第一开口的部分中，并且所述第二掩膜层的部分布置在每个第一开口的剩余部分中；以及
将一种或更多种与第一导电类型相反的第二导电类型的杂质经由所述一个或更多个第二开口掺入，并且到每个沟道截断中，以形成所述一个或更多个横向溢流排出通道。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括去除所述第一和第二掩膜层。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括在每个沟道截断和关联的横向溢流排出通道上方形成场氧化物区域。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括当在所述第一掩膜层和一个或更多个第一开口上方形成第二掩膜层之前至少去除在所述一个或更多个第一开口中露出的所述绝缘层的部分。
5.一种图像传感器，包括：
在布置在层中的沟道截断内形成的横向溢流排出通道，其中所述横向溢流排出通道的一个边缘与所述沟道截断的边缘对准；以及
布置在所述沟道截断和横向溢流排出通道上方的场氧化物区域。
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