CN102683374A - 高动态范围的图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体器件领域，公开了一种高动态范围图像传感器及其制造方法。本发明中，巧妙地利用金属布线层中空余的面积，形成MIM电容，并与浮动扩散区并联，扩大了浮动扩散区域的阱容量，提高了图像传感器光生电荷储存能力，从而提高了动态范围的上限。与此同时，由于未增加浮动扩散区域本身的面积，避免了暗电流噪声的增大。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，特别涉及图像传感器的制造技术。
背景技术
图像传感器是构成数字摄像头的主要部件之一，被广泛应用于数码成像、航空航天以及医疗影像等领域。
图像传感器根据元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。
CCD图像传感器除了大规模应用于数码相机外，还广泛应用于摄像机、扫描仪，以及工业领域等。值得一提的是，在医学中为诊断疾病或进行显微手术等而对人体内部进行的拍摄中，也大量应用了CCD图像传感器及相关设备。在天文摄影与各种夜视设备中，也广泛应用到CCD图像传感器。CMOS图像传感器正在数码相机、PC摄像机、移动通信产品等领域得到日益广泛的应用。
CCD图像传感器和CMOS图像传感器都是采用光电二极管收集入射光，并将其转换为能够进行图像处理的电荷。对于这种采用光电二极管的图像传感器，当没有入射光时仍然有输出电流，即“暗电流”，来自光电二极管的暗电流可能作为被处理图像中的噪声出现，从而减低画面质量。因此暗电流的大小是表征传感器性能的重要参数之一。
动态范围是另外一个重要参数，它表示图像中所包含的从“最暗”至“最亮”的范围。动态范围越大，就越能显示非常暗以及非常亮的图像，所能表现的图像层次也就越丰富，所包含的色彩空也越广。换句话说，动态范围越大，能同时记录的暗部细节和亮部细节越丰富。
现有技术中，为了得到较高的动态范围，一般会要求增加FD（浮动扩散）区域的尺寸以提高FD区域电容，增大FD区域的阱容量，但是这会同时导致暗电流噪声增大的问题，影响影像的质量。换句话说，既需要增加FD区域阱容量以提高动态范围，又不能增加FD区域尺寸以防暗电流增大。这一技术矛盾一直无法解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高动态范围的图像传感器及其制造方法，既提高图像传感器的动态范围，又能够避免因此导致暗电流增大等其他问题。
为解决上述技术问题，本发明公开了一种高动态范围的图像传感器，包含以第一绝缘介质层间隔的金属布线层和光学传感层；
并且，
金属布线层包含以第二绝缘介质层间隔的上金属线和下金属线，构成金属-绝缘体-金属型电容；
光学传感层包含半导体衬底，在半导体衬底上划分有多个像素区域，每一个像素区域中包含：
第一导电类型的第一、第二、第三和第四掺杂区，并且第一掺杂区中包含第二导电类型的第五掺杂区，第五掺杂区的掺杂浓度高于第一掺杂区的掺杂浓度；
第一和第二掺杂区之间的半导体衬底表面上包含第一栅极，用于连接传输控制信号；
第二和第三掺杂区之间的半导体衬底表面上包含第二栅极，用于连接复位信号；
第三和第四掺杂区之间的半导体衬底表面上包含第三栅极，通过金属通孔连接下金属线；
第二掺杂区作为浮动扩散区，通过金属通孔连接下金属线。
本发明还公开了一种高动态范围图像传感器制造方法，包含以下步骤：
在半导体衬底表面内以离子注入的方式形成第一导电类型的第一、第二、第三和第四掺杂区，其中，第二掺杂区作为浮动扩散区；
在第一掺杂区的部分区域内以离子注入的方式形成具有第二导电类型的第五掺杂区，并且第五掺杂区的掺杂浓度大于第一掺杂区；
在第一和第二掺杂区之间的半导体表面上形成用于连接传输控制信号的第一栅极；
在第二和第三掺杂区之间的半导体表面上形成用于连接复位信号的第二栅极；
在第三和第四掺杂区之间的半导体表面上形成第三栅极；
在半导体衬底的表面形成第一绝缘介质层，并且在第一绝缘介质层刻蚀形成第一和第二通孔，分别暴露出第二掺杂区和第三栅极表面的一部分，并填充金属材料形成第一金属通孔和第二金属通孔；
在第一绝缘介质层上依次形成包含下金属线的下金属布线层，第二绝缘介质层，和包含上金属线的上金属布线层，上、下金属线和第二绝缘介质层构成金属-绝缘体-金属型电容；
下金属线通过第一和第二金属通孔，分别与第二掺杂区、第三栅极连接；
将第一掺杂区上方的上、下金属布线层和第二绝缘介质层去除。
本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：
巧妙地利用金属布线层中金属布线及互连通孔间的空余面积，对图像传感器电路中的正常金属布线进行适当的延展，在上述空余面积区域形成金属-绝缘体-金属型电容（下文简称“MIM电容”），并与浮动扩散区并联，扩大了浮动扩散区域的电容，增大了其阱容量，提高了图像传感器光生电荷的储存能力，从而提高了图像传感器动态范围的上限。与此同时，该技术方案中并未增加浮动扩散区域本身的面积，因而避免了暗电流噪声的增大。
进一步地，第三、第四掺杂区与第三栅极构成了放大晶体管，因此转移至第二掺杂区，即浮动扩散区和MIM电容的光生电荷能够通过该作为源跟随器的放大晶体管读出。
进一步地，通过隔离MIM电容和其他单元，避免它们之间的相互影响。
进一步地，半导体衬底的材料还可以是锗、应变硅、锗硅、碳化硅以及各种可用于半导体器件制备的III-V族化合物半导体材料等。
附图说明
图1是本发明第一实施方式中高动态范围图像传感器结构示意图；
图2是本发明第二实施方式中高动态范围图像传感器的制造方法流程图；
图3-图7是本发明第二实施方式中高动态范围图像传感器的制造方法中各步骤示意图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明第一实施方式涉及一高动态范围图像传感器。图1是该高动态范围图像传感器结构示意图。该高动态范围图像传感器包含以第一绝缘介质层200间隔的金属布线层和光学传感层。
并且，
金属布线层包含以第二绝缘介质层109b间隔的上金属线109c和下金属线109a，构成MIM电容。
光学传感层包含半导体衬底100，在半导体衬底100上划分有多个像素区域，每一个像素区域中包含：
第一导电类型的第一掺杂区101、第二掺杂区102、第三掺杂区103和第四掺杂区104，并且第一掺杂区101中包含第二导电类型的第五掺杂区105，第五掺杂区105的掺杂浓度高于第一掺杂区101的掺杂浓度。
第一掺杂区101和第二掺杂区102之间的半导体衬底100的表面上包含第一栅极106，用于连接传输控制信号，形成传输晶体管。
第二掺杂区102和第三掺杂区103之间的半导体衬底100的表面上包含第二栅极107，用于连接复位信号，形成复位晶体管。
第三掺杂区103和第四掺杂区104之间的半导体衬底100的表面上包含第三栅极108，通过金属线连接下金属线109a，形成放大晶体管。
第二掺杂区102作为浮动扩散区，通过金属通孔连接下金属线109a。
金属布线层在半导体器件或集成电路中原本被用于连接各电极的导线，在本实施方式中，巧妙地利用了金属布线层中空余的面积（金属布线层中原金属布线未覆盖且无金属通孔的位置），形成MIM电容，并与浮动扩散区，即第二掺杂区102并联，扩大了浮动扩散区102的阱容量，提高了图像传感器的光生电荷储存能力，从而提高了动态范围的上限。值得一提的是，在本实施方式中由于未增加浮动扩散区102的面积，浮动扩散区本身的电容并未发生变化，因而避免了暗电流噪声的增大。
需要进一步指出的是，第三掺杂区103、第四掺杂区104与第三栅极108构成了场效应管，像素读出电路的放大晶体管，因此来自第二掺杂区102，即浮动扩散区和MIM电容层的光生电荷能够通过该作为源跟随器的放大晶体管读出，从而实现对输出信号的控制。
还需要进一步指出的是，在本实施方式中，上金属线109a接地，半导体衬底100接地，使MIM电容层和浮动扩散区102实质上并联。
此外，可以理解，在本发明的某些其他实施方式中，也可以将上金属线109c与半导体衬底100直接连接。
第三掺杂区103连接到一电源电压，第四掺杂区104通过金属互连连接到外部图像处理电路。
在本实施方式中，半导体衬底100的材料是单晶硅。此外，可以理解，半导体衬底100的材料也可以是锗、锗硅、应变硅、碳化硅以及各种可用于半导体器件制备的III-V族化合物半导体材料等。
在本实施方式中，半导体衬底为P型硅衬底，第一导电类型是N型，第二导电类型是P型。此外，半导体衬底也可以为N型衬底，此时，作为本领域技术人员的公知常识，第一导电类型（P型）的各掺杂区，均制备在N型半导体衬底上的P型阱区内，在此不再赘述。
作为可选实施方式，第一导电类型也可以是P型，在这种情况下，第二导电类型是N型。
当光入射到半导体衬底100时，第一掺杂区101，即感光区域的PN结受入射光的激发，产生光生电荷。当第一掺杂区101、第二掺杂区102与第一栅极106构成的传输晶体管的栅极106上加工作电压，传输晶体管导通时，感光区域产生的光生电荷转移到第二掺杂区102，即浮动扩散区102。
由于在本实施方式中，MIM电容的下金属线109a与浮动扩散区102连接，且上金属线接地或与半导体衬底100连接，因此浮动扩散区102与MIM电容实际上等效于两个并联电容，因此MIM电容能够分担和储存一部分来自浮动扩散区102的光生电荷，起到了增大光生电荷储存能力的效果。
在第三栅极108加工作电压，由第三掺杂区103、第四掺杂区104和第三栅极108构成的放大晶体管导通的情况下，浮动扩散区102以及MIM电容中存储的光生电荷经由该作为源跟随器的放大晶体管输出到外部图像处理电路。
从工作时序上来看，当一个读取周期结束时，第一栅极106上的控制信号断开，同时第二栅极107上连接复位信号，从而将浮动扩散区102以及MIM电容中的电荷清空，为下一个周期的信号读取做准备。
接着，第二栅极107上连接的复位信号断开，进入下一周期。
熟悉本领域的技术人员能够理解，本实施方式提高了图像传感器对光生电荷的储存能力，特别是在强光入射条件下，利用相邻两层金属布线形成MIM电容以增大浮动扩散区的阱容量，使之在强光照下也不易饱和，从而提高图像传感器的动态范围。
本发明第二实施方式涉及一种高动态范围图像传感器的制造方法。图2是该高动态范围图像传感器的制造方法流程示意图。该高动态范围图像传感器的制造方法包含以下步骤：
步骤201，在半导体衬底100的表面内以离子注入方式形成第一导电类型的第一掺杂区101、第二掺杂区102、第三掺杂区103和第四掺杂区104，第二掺杂区102作为浮动扩散区，并在第一掺杂区101的部分区域内以离子注入的方式形成具有第二导电类型的第五掺杂区105，其中，第五掺杂区105的掺杂浓度大于第一掺杂区101。参见图3-图4。
在该步骤中，上述各掺杂区的形成，与半导体衬底上其他MOS器件的各有源区同步形成。作为可选实施方式，为实现更优的技术效果，半导体衬底100上具有一第二导电类型的阱区，上述各掺杂区均形成于该阱区内，以实现与半导体衬底100上其他电路部分器件的隔离。
在本具体实施方式中，第一导电类型的第一掺杂区101和第二导电类型的第五掺杂区105构成PN结感光二极管，用以在曝光过程中将入射光转变为光生电荷，实现图像传感器的光电转换。
步骤202，在第一掺杂区101和第二掺杂区102之间的半导体表面上形成用于连接传输信号的第一栅极106；在第二掺杂区102和第三掺杂区103之间的半导体表面上形成用于连接复位信号的第二栅极107；在第三掺杂区103和第四掺杂区104之间的半导体表面上形成第三栅极108。参见图5。
该步骤中，上述各栅极的制备与半导体衬底100上其他晶体管器件栅极的制备同步完成。各栅极结构为多晶硅栅极，包括依次覆盖半导体表面的栅氧化层、多晶硅栅，以及位于多晶硅栅旁侧的侧墙。该结构中各栅极的制备采用本领域技术人员公知的常规半导体工艺完成，在此不再赘述。
在本具体实施方式中，第一掺杂区101、第二掺杂区102和第一栅极106构成传输晶体管；第二掺杂区102、第三掺杂区103和第二栅极107构成复位晶体管；第三掺杂区103、第四掺杂区104和第三栅极108构成放大晶体管。当其所对应的图像传感器结构被选通时，在各输入信号的控制下，实现感光区域光生电荷的读出。
步骤203，在步骤202得到的结构表面形成第一绝缘介质层200，并且在第一绝缘介质层200中刻蚀形成第一和第二通孔，分别暴露出第二掺杂区102和第三栅极108表面的一部分，并填充金属材料形成第一金属通孔和第二金属通孔。参见图6。
在该步骤中，还包括为实现半导体衬底100上其他器件金属互连而制备的金属通孔，如第三掺杂区103、第四掺杂区104与外部电源/电路连接的金属通孔等。上述各金属通孔为半导体层间介质层的铜互连或钨插塞，其可通过各种现有金属互连方法实现。
在本具体实施方式中，第一绝缘介质层200通过化学气相沉积方法淀积而成，其介质材料为SiO2，作为可选实施方式，第一绝缘介质层200的介质材料还可以为Si3N4、SiC、含C的SiO2、TEOS、含F氧化硅玻璃等常规层间介质层材料。进一步，作为又一可选实施方式，第一绝缘介质层200也可以为上述材料中任意几种的叠层结构。
步骤204，在第一绝缘介质层200上依次形成包含下金属线109a的下金属布线层，第二绝缘介质层109b，和包含上金属线109c的上金属布线层，其中，上金属线109c、下金属线109a和第二绝缘介质层109b构成金属-绝缘体-金属型电容。如图所7示。
在该步骤中，上、下金属布线层均通过溅射方法实现，优选为铜布线；第二绝缘介质层109b通过化学气相沉积方法制备，其介质材料可以与第一绝缘介质层200相同，也可以不同，同样可选自SiO2、Si3N4、SiC、含C的SiO2、TEOS、含F氧化硅玻璃等中的一种，或为以上材料中任意几种的叠层结构。
在该步骤中，下金属布线层制备完成后，还包括根据设计需要在下金属布线层中完成包括下金属线109a在内的金属互连布线，以实现该层中的各器件间的金属连接。该过程中，覆盖第一掺杂区101及第五掺杂区105（即：感光区域）表面的下金属布线层被完全去除。本具体实施方式中，下金属线109a通过第一和第二金属通孔，分别于第二掺杂区102和第三栅极108连接，即：下金属线109a即为下金属布线层中金属连线（即：第二掺杂区102与第三栅极108连接的金属线）的一部分。
在该步骤中，第二绝缘介质层109b制备完成后，还包括该介质层中金属通孔的制备，以实现各器件的层间金属互连。在本实施方式中，覆盖第一掺杂区101及第五掺杂区105（即：感光区域）表面的第二绝缘介质层109b被完全去除；作为可选实施方式，由于覆盖第一掺杂区101及第五掺杂区105（即：感光区域）表面的第二绝缘介质层109b所选用的介质材料均为透光材料，可保留该介质层作为覆盖感光区域表面的层间介质层。
在该步骤中，上金属布线层制备完成后，还包括根据设计需要在上金属布线层中完成包括上金属线109c在内的金属互连布线，以实现该层中的各器件间的金属连接。该过程中，覆盖第一掺杂区101及第五掺杂区105（即：感光区域）表面的上金属布线层被完全去除。本实施方式中，上金属线109c接地，其可以与上金属布线层中其他的金属连线隔离，也可以为上金属布线层中接地金属连线的一部分。作为可选实施方式，上金属线109c还可以与半导体衬底100连接，此时，上金属线109c与上金属布线层中的其他金属连线隔离。
在本实施方式中，还包括该图像传感器结构制备完成后，所涉及的各外围处理电路所需的其他多层金属互连结构制备，以及覆盖感光区域上方表面的滤光器、微棱镜等的制备，均可采用现有技术中的常规半导体方法实现，在此不再赘述。
在本实施方式中，半导体衬底100的材料可以是单晶硅，也可以是锗、锗硅、应变硅、碳化硅以及各种可用于半导体器件制备的III-V族化合物半导体材料等。
并且，第一导电类型是N型，第二导电类型是P型。
此外，可以理解，在本发明的其他实施方式中，第一导电类型可以是P型，在这种情况下，第二导电类型则是N型。
此外，在本实施方式中，如图1所示，上金属线109c接地，并且半导体衬底100接地。第三掺杂区103连接到一电源电压，第四掺杂区104通过金属互连连接到外部图像处理电路。
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种高动态范围图像传感器，其特征在于，包含以第一绝缘介质层间隔的金属布线层和光学传感层；
并且，
所述金属布线层包含以第二绝缘介质层间隔的上金属线和下金属线，构成金属-绝缘体-金属型电容；
所述光学传感层包含半导体衬底，在所述半导体衬底上划分有多个像素区域，每一个所述像素区域中包含：
第一导电类型的第一、第二、第三和第四掺杂区，并且所述第一掺杂区中包含第二导电类型的第五掺杂区，所述第五掺杂区的掺杂浓度高于所述第一掺杂区的掺杂浓度；
所述第一和第二掺杂区之间的半导体衬底表面上包含第一栅极，用于连接传输控制信号；
所述第二和第三掺杂区之间的半导体衬底表面上包含第二栅极，用于连接复位信号；
所述第三和第四掺杂区之间的半导体衬底表面上包含第三栅极，通过金属通孔连接所述下金属线；
所述第二掺杂区作为浮动扩散区，通过金属通孔连接所述下金属线。
2.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器，其特征在于，所述上金属线接地，并且所述半导体衬底接地。
3.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器，其特征在于，所述第三掺杂区连接到一电源电压，所述第四掺杂区通过金属互连连接到外部图像处理电路。
4.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器，其特征在于，所述半导体衬底中包括一第二导电类型的阱区，所述第一～第五掺杂区均形成于所述阱区内。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的高动态范围图像传感器，其特征在于，所述第一导电类型是N型，所述第二导电类型是P型。
6.一种高动态范围图像传感器的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：
在半导体衬底表面内以离子注入的方式形成第一导电类型的第一、第二、第三和第四掺杂区，其中，所述第二掺杂区作为浮动扩散区；
在所述第一掺杂区的部分区域内以离子注入的方式形成具有第二导电类型的第五掺杂区，并且所述第五掺杂区的掺杂浓度大于所述第一掺杂区；
在所述第一和第二掺杂区之间的半导体表面上形成用于连接传输控制信号的第一栅极；
在所述第二和第三掺杂区之间的半导体表面上形成用于连接复位信号的第二栅极；
在第三和第四掺杂区之间的半导体表面上形成第三栅极；
在所述半导体衬底的表面形成第一绝缘介质层，并且在所述第一绝缘介质层中刻蚀形成第一和第二通孔，分别暴露出第二掺杂区和第三栅极表面的一部分，并填充金属材料形成第一金属通孔和第二金属通孔；
在所述第一绝缘介质层上依次形成包含下金属线的下金属布线层，第二绝缘介质层，和包含上金属线的上金属布线层，所述上、下金属线和所述第二绝缘介质层构成金属-绝缘体-金属型电容；其中，所述第一掺杂区、第五掺杂区表面均无金属布线层覆盖，所述下金属线通过所述第一和第二金属通孔，分别与所述第二掺杂区、第三栅极连接。
7.根据权利要求6所述的高动态范围图像传感器的制造方法，其特征在于，构成所述金属-绝缘体-金属型电容的所述下金属线为所述下金属布线层中图像传感器像素读出电路中金属连线的一部分，所述上金属线与所述上金属布线层中其他金属连线隔离。
8.根据权利要求6所述的高动态范围图像传感器的制造方法，其特征在于，构成所述金属-绝缘体-金属型电容的所述上、下金属线分别为所述上、下金属布线层中图像传感器像素读出电路或图像处理电路中金属连线的一部分。
9.根据权利要求6所述的高动态范围图像传感器制造方法，其特征在于，所述第一导电类型是N型，所述第二导电类型是P型。
10.根据权利要求6所述的高动态范围图像传感器制造方法，其特征在于，所述上金属线接地，并且所述半导体衬底接地；所述第三掺杂区连接到一电源电压，所述第四掺杂区通过金属互连连接到外部读出电路。
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