CN102299164A

CN102299164A - 图像传感器及其制造方法

Info

Publication number: CN102299164A
Application number: CN2011102701708A
Authority: CN
Inventors: 田犁; 郭洪量; 汪辉; 陈杰; 汪宁; 尚岩峰
Original assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Current assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2011-12-28

Abstract

本发明提供一种图像传感器的制造方法，包括步骤：提供半导体衬底，其自上而下依次包括顶层半导体层、绝缘层和支撑衬底；将感光二极管和信号读出电路均制作在顶层半导体层上；通过金属互连将两者连接；其中，感光二极管的制作包括步骤：选定制作区域；分别形成第一、第二掺杂区域，第二掺杂区域环绕第一掺杂区域，且两者之间间隔有全耗尽区域；对全耗尽区域进行掺杂；对半导体衬底作高温退火。相应地，本发明还提供一种图像传感器。本发明采用横向的感光二极管，在半导体衬底的顶层半导体层上制作三层环绕式的第一导电类型掺杂区域/全耗尽区域/第二导电类型掺杂区域的结构，克服了常规半导体工艺下光生电流过小、传感器灵敏度过低的问题。

Description

图像传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体器件及工艺技术领域，具体来说，本发明涉及一种图像传感器及其制造方法。

背景技术

CMOS图像传感器由感光像素和CMOS信号读出电路构成。相对于传统的CCD图像传感器，CMOS图像传感器因为采用CMOS标准制作工艺，因此具有更好的可集成度，可以与其他数模运算和控制电路集成在同一块芯片上，更适应未来的发展趋势。

根据感光像素所含晶体管的数目，CMOS图像传感器主要分为3T(含3个NMOS晶体管)型(如图1所示)和4T(含4个NMOS晶体管)型(如图2所示)两种。

CMOS图像传感器的感光像素中，最常用的感光二极管结构包括两种：一种是在3T结构中主要应用的反型PN结结构，另一种是4T结构中主要应用的P+/N/P结构。

图1中标号001代表N+区，标号002代表P衬底，其他部分为外部电路。其原理是复位栅极(Reset)接电位脉冲，接高电位时打开，感光二极管000中的电子被吸收到电源Vdd中。当光照射的时候，感光二极管000产生光生电子，电位升高，经过放大电路将电信号传出。

图2中标号101代表P+区，标号102代表N阱，标号103代表P衬底，标号104代表转移晶体管，标号105代表浮空有源区(Floating Diffusion，简称FD)。其原理是在3T结构基础上，光电子先通过转移晶体管104(NMOS晶体管)转移到浮空有源区105中，再进行放大和读出。

SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅)结构从上到下由“顶层硅/绝缘层/硅衬底”三层构成。最上面的一层顶层硅用来制作半导体器件，中间的绝缘层(通常为二氧化硅，也称埋氧层)用来隔离器件和衬底。

SOI CMOS结构中，因为埋氧层的存在，可以消除体硅CMOS结构中常见的闭锁效应，抑制衬底电流干扰，因而常被应用于制作医疗航天等领域里面需要的抗辐照型半导体器件。

目前，基于SOI结构的CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor)的像素结构主要有以下两种：第一种是将感光二极管与其他CMOS器件都制作在顶层硅上(示意图如图3)；第二种是将感光二极管单独制作于硅衬底上，而将其他CMOS器件仍然制作在顶层硅上(示意图如图4)。在图3中标号201a代表硅衬底，标号202a代表绝缘层(埋氧层)，标号203a代表复位晶体管，标号204a代表顶层硅，标号207a代表感光二极管。在图4中标号201b代表硅衬底，标号202b代表绝缘层(埋氧层)，标号203b代表复位晶体管(Reset)，标号204b代表顶层硅，标号205b代表转移晶体管(同104)，标号206b代表浮空有源区(同105)，标号207b代表感光二极管。

如图3所示的第一种结构可以保证抗辐照的效果，但是由于顶层硅204a过薄，常用的纵向感光二极管结构都无法做得足够深，导致波长较长的红光吸收率很低，有效感光面积小；如图4所示的第二种结构虽然可以在体硅(硅衬底)201b上把感光二极管207b做得足够深而保证红光的吸收率，但是由于上方失去了埋氧层的保护，导致衬底中电子空穴进入感光二极管，增加了暗电流，大大降低了其抗辐照的能力，影响了它的正常工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种图像传感器及其制造方法，能够增大有效感光面积，同时利用绝缘层的保护，防止支撑衬底中的载流子进入感光二极管，消除阀门效应。

为解决上述技术问题，本发明提供一种图像传感器的制造方法，所述图像传感器包括感光二极管和信号读出电路，所述制造方法包括步骤：

提供半导体衬底，其自上而下依次包括顶层半导体层、绝缘层和支撑衬底；

将所述感光二极管和所述信号读出电路均制作在所述顶层半导体层上；

通过金属互连将所述感光二极管与所述信号读出电路连接；

其中，所述感光二极管的制作过程包括步骤：

于所述顶层半导体层上选定所述感光二极管的制作区域；

通过常规光刻和离子注入的方式在所述制作区域内分别形成第一、第二导电类型掺杂区域，所述第二导电类型掺杂区域环绕所述第一导电类型掺杂区域，且两者之间间隔有全耗尽区域；

通过常规光刻和离子注入的方式对所述全耗尽区域进行掺杂；

对所述半导体衬底作高温退火，完成所述感光二极管的制作。

可选地，所述感光二极管的平面形状为圆形、正多边形或者不规则形状。

可选地，所述感光二极管的平面形状为三角形、菱形或者长方形。

可选地，所述全耗尽区域的掺杂浓度小于所述第一、第二导电类型掺杂区域的掺杂浓度，所述第一导电类型掺杂区域的离子注入浓度为1E16～1E18，所述全耗尽区域的离子注入浓度为1E10～1E15，所述第二导电类型掺杂区域的离子注入浓度为1E16～1E18。

可选地，所述全耗尽区域的掺杂类型与所述第二导电类型掺杂区域的掺杂类型相同。

可选地，所述顶层半导体层为单晶硅、锗硅或者碳化硅，所述支撑衬底为硅衬底。

可选地，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。

可选地，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。

相应地，本发明还提供一种图像传感器，形成于带有绝缘层的半导体衬底表面，所述半导体衬底自上而下依次包括顶层半导体层、绝缘层和支撑衬底，所述图像传感器包括感光二极管和信号读出电路；

所述感光二极管和所述信号读出电路均制作在所述顶层半导体层上；

其中，所述感光二极管为三层环绕式的第一导电类型掺杂区域/全耗尽区域/第二导电类型掺杂区域的结构。

可选地，全耗尽区域的掺杂浓度小于所述第一、第二导电类型掺杂区域的掺杂浓度，所述第一导电类型掺杂区域的掺杂浓度为1E16～1E18，所述全耗尽区域的掺杂浓度为1E10～1E15，所述第二导电类型掺杂区域的掺杂浓度为1E16～1E18。

可选地，所述全耗尽区域的掺杂类型与所述三层环绕式感光二极管结构的外层掺杂区域的掺杂类型相同。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明采用横向的感光二极管，在带有绝缘埋层的半导体衬底的顶层半导体层上制作三层环绕式的第一导电类型掺杂区域/全耗尽区域/第二导电类型掺杂区域的结构，克服了常规半导体工艺下光生电流过小、传感器灵敏度过低的问题。另外，因为半导体衬底中绝缘层的隔离作用，彻底消除了位于支撑衬底中的信号读出电路的阀门效应。

本发明在增大有效感光面积的同时，占有的结面积较小，具有极好的抗软失效、抗瞬间辐射单粒子翻转能力，从而保持了器件抗幅照的特性。

本发明提供的图像传感器保留了信号读出电路高速、低功耗、抗闩锁、抗辐照的优点，并且提高了感光二极管电子的吸收效率，具有一定的抗辐照、减少串扰的作用。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为现有技术中的一种3T型基于SOI衬底的CMOS图像传感器的像素等效电路示意图；

图2为现有技术中的一种4T型基于SOI衬底的CMOS图像传感器的像素等效电路示意图；

图3为现有技术中的一种将感光二极管和CMOS信号读出电路都做在顶层硅上的基于SOI衬底的CMOS图像传感器的结构示意图；

图4为现有技术中的一种将感光二极管做在顶层硅上，而将CMOS信号读出电路做在硅衬底上的基于SOI衬底的CMOS图像传感器的结构示意图；

图5为本发明一个实施例的图像传感器中感光二极管的制造方法的流程图；

图6为本发明一个实施例的图像传感器的感光二极管的平面结构示意图；

图7为本发明另一个实施例的图像传感器的感光二极管的平面结构示意图；

图8为本发明一个实施例的图像传感器的像素等效电路示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述地其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

在本发明一个实施例的图像传感器的制造过程中，包括：

执行第一步骤，提供半导体衬底，其自上而下依次包括顶层半导体层、绝缘层和支撑衬底；

执行第二步骤，将感光二极管和信号读出电路均制作在顶层半导体层上；以及

执行第三步骤，通过金属互连将感光二极管与信号读出电路连接。

其中，在本实施例的第二步骤中，将感光二极管制作在顶层半导体层上的内容还可以作进一步描述。图5为本发明一个实施例的图像传感器中感光二极管的制造方法的流程图。如图5所示，该感光二极管的制造方法包括：

执行步骤S201，于顶层半导体层上选定感光二极管的制作区域；

执行步骤S202，通过常规光刻和离子注入的方式在制作区域内分别形成第一、第二导电类型掺杂区域，第二导电类型掺杂区域环绕第一导电类型掺杂区域，且两者之间间隔有全耗尽区域；

执行步骤S203，通过常规光刻和离子注入的方式对全耗尽区域进行掺杂；

执行步骤S204，对半导体衬底作高温退火，完成感光二极管的制作。

下面结合各附图来对该图像传感器的结构和制造过程作详细描述。该图像传感器为3T型，形成于带有绝缘层的半导体衬底表面，至少包括感光二极管和信号读出电路。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

首先，提供半导体衬底，其自上而下依次包括顶层半导体层、绝缘层和支撑衬底。该半导体衬底中，顶层半导体层材料可以为单晶硅、多晶硅、锗硅、碳化硅及其他可用于半导体制造的III-V族材料中任意一种；绝缘层材料可以为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等绝缘材料；支撑衬底可以为硅衬底或蓝宝石衬底。作为最佳实施例，该半导体衬底为SOI衬底，顶层半导体层为单晶硅，绝缘层为二氧化硅，支撑衬底为硅衬底。该SOI衬底可以通过注氧隔离技术、注氢键合技术、注氧键合技术或普通键合技术制备而成。顶层半导体层的薄膜厚度可以在50～500nm之间。

然后，将感光二极管和信号读出电路均制作在顶层半导体层上。其中，该感光二极管为三层横向环绕式的感光二极管，采用三层环绕式的第一导电类型掺杂区域/全耗尽区域/第二导电类型掺杂区域的结构。其中，第一导电类型掺杂区域和第二导电类型掺杂区域均为重掺杂区域，而全耗尽区域为轻掺杂区域。该感光二极管的平面形状可以为圆形、正多边形或者不规则形状，其中正多边形状可以例如正四边形、正六边形和正八边形等，其他形状还可以例如三角形、菱形和长方形等。

最后，运用金属互连技术，感光二极管的N极和P极可以通过引出的金属与信号读出电路连接。更具体地说，感光二极管的P极直接接信号读出电路，而N极接地。

其中，感光二极管的制作过程具体包括步骤：

1)于顶层半导体层上选定感光二极管的制作区域；

2)通过常规光刻和离子注入的方式在制作区域内分别形成第一、第二导电类型掺杂区域，第二导电类型掺杂区域环绕第一导电类型掺杂区域，且两者之间间隔有全耗尽区域；

在本实施例中，第一导电类型掺杂区域的离子注入浓度可以为1E16～1E18，第二导电类型掺杂区域的掺杂浓度可以为1E16～1E18。至于掺杂区域的具体导电类型，该第一导电类型为N型时，第二导电类型为P型；该第一导电类型为P型时，第二导电类型则为N型。

3)通过常规光刻和离子注入的方式对全耗尽区域进行掺杂；

在本实施例中，全耗尽区域的掺杂浓度小于所述第一、第二导电类型掺杂区域的掺杂浓度。全耗尽区域的掺杂浓度可以为1E10～1E15。至于全耗尽区域的具体掺杂类型，其可以取决于感光二极管的具体结构：

当感光二极管的三层环绕式结构从内向外依次为P型/M型(未知导电类型)/N型结构时，全耗尽区域的掺杂类型为N型；

当感光二极管的三层环绕式结构从内向外依次为N型/M型(未知导电类型)/P型结构时，全耗尽区域的掺杂类型为P型。

总而言之，全耗尽区域的掺杂类型与三层环绕式感光二极管结构的外层掺杂区域(即第二导电类型掺杂区域)的掺杂类型相同。

4)对半导体衬底作高温退火，完成感光二极管的制作。

图6为本发明一个实施例的图像传感器的感光二极管的平面结构示意图。如图所示，该感光二极管的平面形状为正四边形，从内向外可以为P型/M型/N型结构或者N型/M型/P型三层环绕式结构。

而图7为本发明另一个实施例的图像传感器的感光二极管的平面结构示意图。如图所示，该感光二极管的外侧形状为正八边形，从内向外可以为P型/M型/N型结构或者N型/M型/P型三层环绕式结构，其中各层的外围形状可以均不相同。例如最外层为正八边形，中间层为圆形，最里层为正四边形。最外层完全包围中间层，中间层完全包围最里层。

在上述图6中，较高浓度掺杂的P型重掺杂区域601或603和N型重掺杂区域603或601中间形成M型全耗尽区域602。当光照射的时候，在M型全耗尽区域602产生电子空穴对，电子向具有较高电势的N型重掺杂区域603或601移动，空穴向具有较低电势的P型重掺杂区域601或603移动，形成漂移电流。

同样地，在上述图7中，较高浓度掺杂的P型重掺杂区域701或703和N型重掺杂区域703或701中间形成M型全耗尽区域702。当光照射的时候，在M型全耗尽区域702产生电子空穴对，电子向具有较高电势的N型重掺杂区域703或701移动，空穴向具有较低电势的P型重掺杂区域701或703移动，形成漂移电流。

本发明的感光二极管由于采用的最新的三层环绕式结构，首先可以提高感光区域面积，同时保证了足够宽的耗尽区有效宽度，能够在比较高的感光面积的情况下产生的少子不会在扩散过程中被符合，从而保证了光电流效率。

最后所获得的本发明一个实施例的图像传感器的像素等效电路示意图可以如图8所示。由于本实施例中该图像传感器为3T型，因此其信号读出电路可以包括复位晶体管、放大晶体管和选择晶体管。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims

1.一种图像传感器的制造方法，所述图像传感器包括感光二极管和信号读出电路，所述制造方法包括步骤：

通过金属互连将所述感光二极管与所述信号读出电路连接；

其中，所述感光二极管的制作过程包括步骤：

于所述顶层半导体层上选定所述感光二极管的制作区域；

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述感光二极管的平面形状为圆形、正多边形或者不规则形状。

3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述感光二极管的平面形状为三角形、菱形或者长方形。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述全耗尽区域的掺杂浓度小于所述第一、第二导电类型掺杂区域的掺杂浓度。

5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述全耗尽区域的掺杂类型与所述第二导电类型掺杂区域的掺杂类型相同。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。

8.一种图像传感器，形成于带有绝缘层的半导体衬底表面，所述半导体衬底自上而下依次包括顶层半导体层、绝缘层和支撑衬底，所述图像传感器包括感光二极管和信号读出电路；

9.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述感光二极管的平面形状为圆形、正多边形或者不规则形状。

10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，所述感光二极管的平面形状为三角形、菱形或者长方形。

11.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述全耗尽区域的掺杂浓度小于所述第一、第二导电类型掺杂区域的掺杂浓度。

12.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述全耗尽区域的掺杂类型与所述三层环绕式感光二极管结构的外层掺杂区域的掺杂类型相同。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。

14.根据权利要求8至12中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。