CN102856330A - 用于背面照明传感器的共同注入 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于图像感测的系统和方法。实施例包括具有像素区的衬底，该衬底具有正面和背面。沿着衬底的背面实施共同注入工艺，所述衬底的背面与沿着衬底的正面设置的感光元件相对。共同注入工艺利用形成预非晶化区的第一预非晶化注入工艺。然后注入掺杂剂，其中预非晶化区阻止或者减少了掺杂剂在感光区内的扩散或者拖尾。在共同注入区上方也可以形成抗反射层、滤色器、和微透镜。本发明还公开了一种用于背面照明传感器的共同注入。
Description
技术领域
本发明半导体领域，更具体地，涉及一种图像感测的系统和方法。
背景技术
互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器由于CMOS图像传感器固有的某些优势，相对于传统的电荷耦合器件(CCD)越来越流行。具体来说，CMOS图像传感器通常需要较低的电压、消耗较少的功率，能够随机存取图像数据，可以用可兼容的CMOS工艺制造，并使集成单芯片摄相机成为可能。
CMOS图像传感器利用感光CMOS电路将光能转化成电能。感光CMOS电路通常包括形成在硅衬底中的光电二极管。当光电二极管暴露在光下时，在光电二极管中产生电荷。光电二极管通常连接于MOS开关晶体管，该MOS开关晶体管用于采集光电二极管的电荷。可以通过将滤色器置于感光CMOS电路上方来测定颜色。
由CMOS图像传感器的像素接收的光常常是基于三种原色：红色、绿色和蓝色(R，G，B)，而其他颜色可以采用各种组合和强度进行识别和/或形成(例如，当红色和绿色重叠时形成黄色)。然而，用于接收入射光的像素灵敏度随着CMOS图像传感器像素的尺寸缩减的趋势而降低，并且在对入射光，尤其是对具有长波长的比如红光(波长为约650nm)的入射光的不同像素之间引起串扰，从而降低了CMOS图像传感器的像素的整体性能。
众所周知，可以将图像传感器设计成从正面或者从背面进行照明。背面照明图像传感器提供有利的特征，其中消除了对金属化部件进行谨慎布局和布线以防干扰光程的需要，因为照明来自晶圆的背面，然而却在晶圆的正面上形成金属化。另外，相对于正面照明，采用背面照明通常减少总体光程，即从传感器的聚焦透镜到传感器自身的实际光接收面的光程，因为光不需要经过金属化层和金属层间介电层。
发明内容
为了解决现有所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种器件，包括：衬底，具有像素区，所述衬底包括第一面和与所述第一面相对的第二面，所述衬底具有第一组分；感光元件，靠近所述像素区中的所述衬底的所述第一面；以及共同注入区，被设置为比所述感光元件更靠近所述衬底的所述第二面，所述共同注入区包括导电掺杂剂和既非p型掺杂剂也非n型掺杂剂的材料，所述共同注入区具有不同于所述第一组分的第二组分。
在该器件中，所述材料包括Ge、C、N、F、或其组合；或者所述感光元件包括p-n结。
该器件进一步包括滤色器，所述滤色器位于所述衬底的所述第二面上并被设置为用于过滤照射在所述感光元件上的光；或者进一步包括微透镜，所述微透镜位于所述衬底的所述第二面上并被设置为用于将光聚焦在所述感光元件上。
根据本发明的另一方面，提供了一种器件，包括：衬底；第一导电类型的第一掺杂区，在所述衬底中形成；第二导电类型的第二掺杂区，在邻近所述第一掺杂区以及位于所述第一掺杂区下方的所述衬底中形成；以及第一导电类型的第三掺杂区，在所述第二掺杂区远离所述第一掺杂区的相对面上形成，所述第三掺杂区注入有既非p型掺杂剂也非n型掺杂剂的材料。
在该器件中，所述材料包括Ge、C、N、F、或其组合；或者所述第一掺杂区和所述第二掺杂区包括p-n结。
该器件进一步包括滤色器，所述滤色器位于所述衬底的所述相对面上；或者进一步包括微透镜，所述微透镜位于所述衬底的所述相对面上。
根据本发明的又一方面，提供了一种方法，包括：在衬底中沿着所述衬底的第一面形成第一掺杂区，以及在所述第一掺杂区下方形成第二掺杂区，所述第一掺杂区具有第一导电类型的掺杂剂，所述第二掺杂区具有第二导电类型的掺杂剂；将第一材料注入到所述衬底的第二面内，所述第一材料是既非p型掺杂剂也非n型掺杂剂的材料；以及在所述衬底中沿着所述衬底的所述第二面形成第三掺杂区，所述第三掺杂区被设置在所述第二掺杂区远离所述第一掺杂区的相对面上，所述第三掺杂区具有所述第一导电类型的掺杂剂。
该方法进一步包括：在形成所述第三掺杂区之后实施退火；或者所述第一材料包括锗、碳、氮、氟、或者其组合；或者进一步包括薄化所述衬底的所述第二面。
在该方法中，所述薄化在形成所述第一掺杂区之后实施；或者所述薄化在形成所述第二掺杂区之后实施；或者所述薄化在形成所述第三掺杂区之前实施。
该方法进一步包括在所述衬底的所述第二面上形成抗反射层；或者进一步包括在所述衬底的所述第二面上形成滤色器；或者进一步包括在所述衬底的所述第二面上形成微透镜。
附图说明
为了更充分地理解本发明及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：
图1示出了根据实施例的成像系统；
图2至图6示出了根据实施例形成成像系统的方法；和
图7示出了比较各种类型的注入的曲线图。
除非另有说明，不同附图中的相应标号和符号通常指相应部件。为了清楚地示出实施例的相关方面，绘制附图，并且不必按比例绘制。
具体实施方式
在下面详细地讨论本发明实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的发明理念。所讨论的具体实施例仅仅是制造和使用本发明的具体方式的示例，并不用于限制本发明的范围。
仅出于例证的目的，本发明描述了利用特定掺杂剂和结构的具体实施例。然而，其它实施例可以利用其他结构和掺杂剂。例如，其它实施例可以利用n型衬底(结合用于特定区域的不同掺杂剂)、不同的电路布局、不同的掺杂剂分布、不同的实体布局、不同的器件等等。
参考图1，显示了图像传感器100，图像传感器100包括成像区102，成像区102包括像素区104的栅格(grid)或者阵列。每个像素区104产生与照射(impinge)在相应的像素区104上的光的强度或者亮度有关的信号。在实施例中，如图1中所示出的那样，像素区104的栅格或者阵列可以以行和列进行布置。其它实施例可以利用不同的配置，比如交错排列的像素区、单行/列的像素区、或单个像素区等。而且，每个像素区104都可以是背面照明器件。
图像传感器100还可以包括控制电路106，控制电路106可以位于邻近成像区102的位置。控制电路106可以具有用于到像素区104的阵列的输入连接和来自该像素区的阵列的输出连接的其它电路和接触件。利用控制电路106提供像素区104的操作环境。图像传感器100也可以包括逻辑电路108，逻辑电路108包括从成像区102读取值并实施任何获取后的处理例如图像缩放、图像亮度/对比度、旋转/剪切功能等的电路。本领域普通技术人员将认识到图1的功能图是简化的，并且系统可以包括更多的元件，比如放大器、电源线、和复位线等。
图2至图6示出了根据实施例形成像素区104的方法。首先参考图2，显示了衬底202，衬底202具有感光元件204和转移晶体管(transfertransistor)206。衬底202可以包括正面208和背面210，并可以是半导体材料，例如硅、锗、或金刚石等。可选地，也可以使用化合物材料，例如，硅锗、碳化硅、砷化镓、砷化铟、磷化铟、碳化硅锗、磷砷化镓、磷化镓铟、及其组合等。另外，衬底202可以包括绝缘体上硅(SOI)衬底。一般而言，SOI衬底包括半导体材料(比如外延硅、锗、硅锗、SOI、绝缘体上硅锗(SGOI)、或其组合)层。可以用p型掺杂剂比如硼、铝、或镓等掺杂衬底202，但是可选地可以用如本领域中公知的n型掺杂剂掺杂该衬底。
衬底202另外包括多个隔离结构212，这些隔离结构212被设计成用于分开和隔离形成在衬底202上的各种器件，并还用于分开邻近的像素区104，以及分开像素区104与例如逻辑电路区108。隔离结构212可以是浅沟槽隔离，该浅沟槽隔离通常通过蚀刻衬底202以形成沟槽并且采用如本领域中公知的介电材料填充沟槽而形成。可以采用通过本领域中公知的常规方法形成的诸如氧化物材料、或高密度等离子(HDP)氧化物等的介电材料填充隔离结构212。
感光元件204感测从衬底202的背面210照射感光元件204的光量，并可以包括固定层(pinned layer)光电二极管。固定层光电二极管可以包括：形成在p型衬底202中的N-掺杂区214和形成在N-掺杂区214的表面上的P+区216(被称为固定层)，从而形成p-n结。采用适当的注入工艺注入p型掺杂剂(例如，硼、镓、或铟等)和n型掺杂剂(例如磷、砷、或锑等)可以形成P+掺杂区216和N-掺杂区214。在实施例中，P+掺杂区216的掺杂浓度为约1E13至约1E14，以及N-掺杂区214的掺杂浓度为约1E11至约1E13。
而且，作为本领域普通技术人员将认识到：上面所述的固定层光电二极管仅仅是在实施例中可以使用的感光元件204的一种类型。例如，可选地，可以使用非固定层光电二极管。其他实施例可以利用任何适当的感光元件，并且所有这些感光元件预期都包括在本发明的范围内。
转移晶体管206也仅作为可以在像素区104内利用的许多类型的功能晶体管或者开关的典型代表。例如，虽然该晶体管在图2中作为转移晶体管206示出，但是本发明的实施例还可以包括：位于像素区104内的其他晶体管，例如，复位晶体管、源极跟随器晶体管、或者选择晶体管。可以对这些晶体管进行配置以形成四晶体管CMOS图像传感器(CIS)。在图像传感器中可以利用的所有适当的晶体管和结构预期全部都包括在本发明的范围内。
转移晶体管206可以包括：邻近衬底202的栅极介电层218、位于该栅极介电层上方的栅电极220、以及沿着栅极介电层218和栅电极220的侧壁的隔离件222。可以采用任何适当的工艺在衬底202上形成并图案化栅极介电层218和栅电极220。栅极介电层218可以是高K介电材料，比如氧化硅、氧氮化硅、氮化硅、氧化物、含氮氧化物、氧化铝、氧化镧、氧化铪、氧化锆、氮氧化铪、或其组合等。栅极介电层218可以具有大于约4的相对介电常数值。
在栅极介电层218包括氧化层的实施例中，栅极介电层218可以在包含氧化物、H2O、NO、或其组合的环境中采用任何氧化工艺比如湿法或者干法热氧化形成，或者可以采用以四乙基正硅酸盐(TEOS)和氧气作为前体的化学汽相沉积(CVD)技术形成。在一个实施例中，栅极介电层218的厚度处于约
至约
之间，比如厚度为
栅电极220可以包含导电材料比如金属(例如，钽、钛、钼、钨、铂、铝、铪、钌)、金属硅化物(例如，硅化钛、硅化钴、硅化镍、硅化钽)、金属氮化物(例如，氮化钛、氮化钽)、掺杂的多晶体硅、其它导电材料、或者其组合。在一个实例中，沉积并再结晶非晶硅以形成多晶硅(poly-crystalline silicon(poly-silicon))。在栅电极220是多晶硅的实施例中，栅电极220可以通过采用低压化学汽相沉积(LPCVD)沉积掺杂的或者未掺杂的多晶硅而形成，达到在约
至约
(比如
)范围内的厚度。
在栅极介电层218和栅电极220的侧壁上形成隔离件222。通常通过在先前形成的结构上均厚(blanket)沉积隔离层(未显示)形成隔离件222。隔离层可以包含SiN、氮氧化物、SiC、SiON、和氧化物等，并可以采用常用的方法比如化学汽相沉积(CVD)、等离子增强CVD、溅射、和本领域公知的其他方法形成。然后图案化隔离层以形成隔离件222，比如通过各向异性蚀刻从结构的水平面去除隔离层。
可以在衬底202中在栅极介电层218的远离感光元件204的相对面上形成源极/漏极区224。在衬底202是p型衬底的实施例中，可以通过注入适当的n型掺杂剂(比如磷、砷、或锑等)形成源极/漏极区224。可以采用栅电极220和隔离件222作为掩模注入源极/漏极区224以形成轻掺杂源极/漏极(LDD)区和重掺杂源极/漏极区。
应当注意：本领域普通技术人员将认识到可以采用许多其它的工艺或者步骤等形成源极/漏极区224和感光元件204。例如，本领域普通技术人员将认识到可以采用隔离件和衬里(liner)的各种组合实施多种注入，以形成适用于特定用途的具有特定形状或者特征的源极/漏极区224以及感光元件204。可以使用这些工艺中的任何一种形成源极/漏极区224和感光元件204，并且上面的描述并不意味着本发明局限于上面所示的步骤。
图2进一步示出了p-阱226和深p-阱228。p-阱226和深p-阱可以采用适当的注入工艺注入p型掺杂剂(例如硼、镓、或铟等)来形成，并且提供器件隔离。在实施例中，p-阱226的掺杂浓度为约1E11至约5E 12，以及深p-阱228的掺杂浓度为约1E11至约1E13。
本领域普通技术人员将理解可以存在其他组件。例如，可以在衬底202和晶体管206上方形成金属化层和中间介电层，以及接触件、和/或穿透衬底通孔等。
图3示出了根据实施例的衬底202的背面210的可选薄化。薄化缩短了在光到达感光元件204之前穿过衬底202的背面210的距离。可以使用诸如化学机械抛光(CMP)的去除工艺实施衬底202的背面210的薄化。在CMP工艺中，使蚀刻材料和研磨材料的组合与衬底202的背面210接触，并将研磨垫(未显示)用于研磨衬底202的背面210直到达到期望的厚度。然而，可选地，可以使用任何适当的用于薄化衬底202的背面210的工艺，比如蚀刻或者CMP和蚀刻的组合。衬底202的背面210可以薄至具有约1μm和约6μm之间厚度。
图4示出了根据实施例的注入到衬底202的背面210内的第一注入工艺。在实施例中，第一注入工艺包括预非晶化注入(PAI)工艺，从而形成从衬底202的背面210延伸的PAI注入区430，达到约
至约的深度。已发现这种PAI工艺阻止随后注入(比如下面参考图5所讨论的P+注入)的扩散。在该实施例中，第一注入工艺可以利用任何适当的注入材料。在实施例中，适当的注入材料包括除p型和n型掺杂剂之外的掺杂剂，比如Ge、C、N和/或F等。例如，在实施例中，在约1E11至约1E15个原子/cm2的剂量下以及在约1KeV至约60KeV的能量下注入Ge，达到约
至约
的深度。
图5示出了根据实施例的注入到衬底202的背面210内的第二注入工艺。第二注入工艺可以利用p型掺杂剂，比如B，但是在其他实施例中可以利用一种或多种其他适当的p型掺杂剂。例如，在实施例中，在约1E11至约1E15个原子/cm2的剂量下以及在约1KeV至约10KeV的能量下注入B。
如图5中所示，在这种方式中，第二注入工艺形成共同注入区540。例如，共同注入区540包括PAI注入(例如，Ge、C、N或F等)和P+注入(例如，B)。已发现PAI注入区430(参见图4)减少了p型掺杂剂通过第二注入工艺进入N-掺杂区214的拖尾(tailing)。PAI注入区430进一步容许在背面210的表面附近具有更高的p型掺杂浓度，从而覆盖表面缺陷区并在共同注入区540的P+掺杂区和N-掺杂区214之间形成更深的p-n结。这种结构可以改进白色像素以及暗电流性能。
此后，可以实施退火，例如激光退火、热退火、或快速热退火等。除了减少缺陷外，退火可以使由上面参考图4所讨论的第一注入工艺所形成的非晶区再结晶。
图6示出了在衬底202的背面210上形成可选的抗反射涂层640、可选的滤色器642和可选的微透镜644。滤色器642可以包括用于原色之一(例如红色、绿色、蓝色)的滤光器，并可以被放置为用于过滤将照射到感光元件204上的光。滤色器642可以包括高分子材料或者树脂，比如包括有色颜料的高分子聚合物。
微透镜644可以在滤色器642远离衬底202的相对面上形成，并可以用于将入射光(impinging light)更直接地聚焦在感光元件204上。可以通过在滤色器642上方先涂覆并图案化正型光刻胶(未显示)来形成微透镜644。一旦形成，然后可以烘焙经过图案化的光刻胶，以将光刻胶做成如图6中所示出的曲面微透镜644。
图7对Ge/B共同注入(线750)、B单独注入(线760)和BF2单独注入(线770)的掺杂分布进行比较。如图7所示出的，B单独注入分布760拖尾进入感光元件的N-掺杂区。诸如此类的掺杂分布可能导致过多的电流漏泄，常被称为白色像素缺陷。
另一方面，BF2单独注入分布770示出了陡峭且浅的分布，这可能增加了无光情况下像素区104中的电流流动，常被称为暗电流缺陷。
Ge/B共同注入分布750不如BF2单独注入分布770那样陡峭或者浅，但是也不如B单独注入分布760那么多地拖尾进入感光元件的N-掺杂区。在这种方式中，Ge/B共同注入分布750减少了白色像素缺陷和暗电流缺陷。
在第一个实施例中，提供了一种具有衬底的器件，该衬底包括像素区。感光元件被设置在像素区中靠近衬底第一面的位置；以及共同注入区，该共同注入区被设置在像素区中比感光元件更靠近衬底第二面的位置。共同注入区包括：导电掺杂剂和既非p型掺杂剂也非n型掺杂剂以外的掺杂剂，从而使共同注入区具有与衬底不同的组分。
在另一个实施例中，提供了一种器件，该器件具有位于衬底中第一导电类型的第一掺杂区。该衬底具有位于第一掺杂区下方和邻近该第一掺杂区的第二导电类型的第二掺杂区，以及位于第二掺杂区的远离第一掺杂区的相对面上的第一导电类型的第三掺杂区。采用既非p型掺杂剂也非n型掺杂剂的材料对第三掺杂区进行注入。
在又一个实施例中，提供了一种方法。在衬底中沿着衬底的第一面形成第一掺杂区，以及在该第一掺杂区下方形成第二掺杂区，第一掺杂区具有第一导电类型的掺杂剂，第二掺杂区具有第二导电类型的掺杂剂。实施注入步骤，从而将第一材料注入到衬底的第二面内，第一材料是既非p型掺杂剂也非n型掺杂剂的材料，以及在衬底中沿着衬底的第二面形成第三掺杂区，第三掺杂区位于第二掺杂区的远离第一掺杂区的相对面上，第三掺杂区具有第一导电类型的掺杂剂。
尽管已经详细地描述了本发明及其优势，但应该理解，可以在本文中进行各种不同的改变、替换和更改，而不背离所附权利要求限定的本发明的精神和范围。例如，可以利用电荷耦合器件(CCD)代替图像传感器内的CMOS器件，可以将不同的材料用于硅化物接触件，或者对于各种材料层可以利用不同的形成方法。可以对这些器件、步骤和材料进行改变，同时保持在本发明的范围内。
而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的具体实施例。因为本领域普通技术人员根据本发明的公开内容将很容易地理解，根据本发明可以使用现有的或今后开发的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤，执行与本文所述的相应实施例基本上相同的功能或者获得基本上相同的结果。因此，所附权利要求预期在它们的范围内包括这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤。
Claims (10)
1.一种器件，包括：
衬底，具有像素区，所述衬底包括第一面和与所述第一面相对的第二面，所述衬底具有第一组分；
感光元件，靠近所述像素区中的所述衬底的所述第一面；以及
共同注入区，被设置为比所述感光元件更靠近所述衬底的所述第二面，所述共同注入区包括导电掺杂剂和既非p型掺杂剂也非n型掺杂剂的材料，所述共同注入区具有不同于所述第一组分的第二组分。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述材料包括Ge、C、N、F、或其组合；或者
所述感光元件包括p-n结。
3.根据权利要求1所述的器件，进一步包括滤色器，所述滤色器位于所述衬底的所述第二面上并被设置为用于过滤照射在所述感光元件上的光；或者
进一步包括微透镜，所述微透镜位于所述衬底的所述第二面上并被设置为用于将光聚焦在所述感光元件上。
4.一种器件，包括：
衬底；
第一导电类型的第一掺杂区，在所述衬底中形成；
第二导电类型的第二掺杂区，在邻近所述第一掺杂区以及位于所述第一掺杂区下方的所述衬底中形成；以及
第一导电类型的第三掺杂区，在所述第二掺杂区远离所述第一掺杂区的相对面上形成，所述第三掺杂区注入有既非p型掺杂剂也非n型掺杂剂的材料。
5.根据权利要求4所述的器件，其中所述材料包括Ge、C、N、F、或其组合；或者
所述第一掺杂区和所述第二掺杂区包括p-n结。
6.根据权利要求4所述的器件，进一步包括滤色器，所述滤色器位于所述衬底的所述相对面上；或者
进一步包括微透镜，所述微透镜位于所述衬底的所述相对面上。
7.一种方法，包括：
在衬底中沿着所述衬底的第一面形成第一掺杂区，以及在所述第一掺杂区下方形成第二掺杂区，所述第一掺杂区具有第一导电类型的掺杂剂，所述第二掺杂区具有第二导电类型的掺杂剂；
将第一材料注入到所述衬底的第二面内，所述第一材料是既非p型掺杂剂也非n型掺杂剂的材料；以及
在所述衬底中沿着所述衬底的所述第二面形成第三掺杂区，所述第三掺杂区被设置在所述第二掺杂区远离所述第一掺杂区的相对面上，所述第三掺杂区具有所述第一导电类型的掺杂剂。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：在形成所述第三掺杂区之后实施退火；或者
所述第一材料包括锗、碳、氮、氟、或者其组合；或者
进一步包括薄化所述衬底的所述第二面。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述薄化在形成所述第一掺杂区之后实施；或者
所述薄化在形成所述第二掺杂区之前实施；或者
所述薄化在形成所述第三掺杂区之前实施。
10.根据权利要求7所述的方法，进一步包括在所述衬底的所述第二面上形成抗反射层；或者
进一步包括在所述衬底的所述第二面上形成滤色器；或者
进一步包括在所述衬底的所述第二面上形成微透镜。
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