CN103227183B - 一种抑制背照式cmos图像传感器电学互扰的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一般涉及CMOS图像传感器领域，尤其涉及一种抑制背照式CMOS图像传感器电学互扰的方法，本发明通过在CMOS图像传感器在背面减薄后对像素单元背面不同区域的注入两层离子注入层，同时控制两层离子注入层自上而下的离子浓度递减，在外延层内形成一个从上指向下的电场，该电场可以吸收由于入射光抵达感光二极管的空间电荷区以外的衬底区域，减少电子在衬底中不同像素间的扩散，从而减少这些扩散电子引起的像素之间的电学互扰，提高了生产工工艺，提高了CMOS图像传感器的图像质量。
Description
技术领域
本发明一般涉及CMOS图像传感器领域，尤其涉及一种抑制背照式CMOS图像传感器电学互扰的方法。
背景技术
CMOS图像传感器属于光电元器件，CMOS图像传感器由于其制造工艺和现有集成电路制造工艺兼容，同时其性能比原有的电荷耦合器件（CCD）图像传感器有很多优点，而逐渐成为图像传感器的主流。CMOS图像传感器可以将驱动电路和像素集成在一起，简化了硬件设计，同时也降低了系统的功耗。CMOS图像传感器由于在采集光信号的同时就可以取出电信号，还能实时处理图像信息，速度比CCD图像传感器快，同时CMOS图像传感器还具有价格便宜，带宽较大，防模糊，访问的灵活性和较大的填充系数的优点而得到了大量的使用，广泛应用于工业自动控制和消费电子等多种产品中，如监视器，视频通讯，玩具等。鉴于CMOS图像传感器的诸多优点，现在CIS的研究和发展是要利用其系统集成的优点来实现多功能和智能化；利用其具有访问灵活的优点，可以通过只读出感光面上感兴趣的小区域来实现高的帧速率CMOS；同时CMOS图像传感器宽动态范围，高分辨率和低噪声技术也在不断发展。
图1为4T有源CMOS图像传感器的示意图，P型外延层中定义的有源单元区周围设置有浅隔离沟槽结构，并在有源单元区中形成有光电二极管的重掺杂的N型掺杂区104，位于有源区的顶部，在该有源单元区中还形成有一个邻接所述N型掺杂区104的P型的阱区107，及至少在P型阱区107的顶部形成有漂浮的第一N型区109和第二N型区108，和在第一N区109与N掺杂区104之间的P阱区的上方形成有栅氧化物层和栅氧化物层之上的栅极，以形成一个转移控制晶体管110，以及在第一N区109和第二N区108之间的P阱区的上方形成有栅氧化物层和栅氧化物层之上的栅极，以形成一个复位晶体管111，在所述有源单元区中还形成有一个放大晶体管和一个选择晶体管，所述第一N区109电性连接到放大晶体管的栅极，放大晶体管和选择晶体管串联，放大晶体管的一端连接电源电压VDD，另一端连接选择晶体管。第二N区108处于电源电压的电势。从外延层研磨裸露的背面执行离子注入步骤，如果以外延层研磨裸露的背面为起始注入深度，以及定义掺杂物被注入的愈靠近外延层的正面则视为掺杂物注入得愈深，以此作为参考，也可以认为第一掺杂物的注入深度大于第二掺杂物的注入深度，所以相对而言第一掺杂物需要较大的注入能量来支持。
在光照时，在光电二极管的N-处产生电荷，此时转移管110是关闭状态。然后转移管110打开，将存储在光电二极管中的电荷传输到漂浮节点，传输后，转移管关闭，并等待下一次光照的进入。在漂浮节点上的电荷信号随后用于调整放大晶体管。读出后，带有复位门的复位晶体管将漂浮点复位到一个参考电压。对于光从前面入射的CMOS图像传感器（FSI），由于光要经过介质层，金属堆叠层，减弱了光到达光电二极管的效率。人们研究了由于减少光到光电二极管距离的背照式光电CMOS图像传感器（BSI-CIS），从而使光可以直接到达光电二极管，提高了光的效率，减少了金属层和介质层对于光的反射或是吸收导致的光学互扰。但是由于光从背面直接进入，缺少了金属介质层对光的阻挡，这些光直接经过硅的衬底。当光照较强时，会有光产生的电子扩散到衬底，引起像素之间的电学互扰。(当入射光抵达感光二极管的空间电荷区以外的衬底区域，并通过光电效应产生的电子空穴对时，其电子也会在衬底内通过扩散到达空间电荷区边缘而被空间电荷区所吸收。然而，由于电子扩散的无规则性，其可能在衬底内与空穴复合，也可能在衬底游走一段距离后被扫入其他像素的空间电荷区，从而引起像素间一种新的互扰，称之为电学互扰。）电学互扰同样会给像素引入一些不真实的信号，使图像传感器信噪比降低，图像质量变差。在强光的照射下，这种电学互扰会非常严重，此时不仅在感光二极管空间电荷区外产生的光生电子会在衬底扩散，而且被二极管空间电荷区已收集的电子也可能会重新扩散到衬底中，并在最终的图像中造成一些缺陷，如光晕。原因在于对像素而言，其所能容纳的电子个数有限，一旦P-N结收集足够的电子后脱离反偏态而进入平衡态，其多余的电子将溢出而扩散到衬底中，并有很大部分将被邻近的像素所吸收，使周边像素亮度增加，形成光晕，进而影响到CMOS图像传感器的图像质量。
中国专利（公开号：101752394A）公开了一种用于制造背照式CMOS图像传感器的方法，将所述背照式图像传感器的前侧组件形成于所述阵列的前侧中，将掺杂层植入到所述的背侧中，这个背面的掺杂层可以建立掺杂剂梯度可以促进光生电荷载流子朝向阵列的前侧迁移。图2为该发明按照常规背照式CMOS图像传感器工艺制造的直到后段完成的BSI结构示意图。对于背侧掺杂的光电二极管对应区域激光退火，而那些未受到激光退火的区域可以捕获衬底中扩散的电子，从而抑制光晕。上述方法虽然可以利用未激活的掺杂来捕获扩散到衬底中的电子，可以改善一定强光下的光晕现象，但是这些未激活的掺杂层处在不稳定的状态，本身就具有一定的表面缺陷，同时未激活的吸收电子量具有一定数量限制，经过短时间的光照就会失去捕获衬底中电子的能力，从而导致电子扩散至其他区域，从而影响CMOS图像传感器的图像质量。
发明内容
本发明根据现有技术的不足提供了一种抑制背照式CMOS图像传感器电学互扰的方法，通过在CMOS图像传感器在背面减薄后对像素单元背面不同区域的不同离子注入来减少电子在衬底中不同像素间的扩散，从而减少这些扩散电子引起的像素之间的电学互扰。
为了实现以上目的本发明采用的技术方案为：
一种抑制背照式CMOS图像传感器电学互扰的方法，所述背照式CMOS图像传感器包括P型衬底和P型外延层，所述P型外延层覆盖于所述P型衬底的上表面，在P型外延层中定义的有源单元区周围设置有浅隔离沟槽结构，并在有源单元区中形成有光电二极管的重掺杂的N型掺杂区，其中，包括以下步骤：
步骤S1、利用掩膜减薄工艺去除所述P型衬底以暴露出所述P型外延层的背面；
步骤S2、于所述P型外延的部分背面涂覆一光阻层，所述光阻层与所述光电二极管形成交叠并对准所述光电二极管的N型掺杂区，利用光刻曝光显影工艺对所述光阻层进行处理，于所述P型外延层的背面留下部分图案化的光阻作为阻挡掩膜层；
步骤S3、于所述P型外延层暴露的背面注入第一离子，并在所述P型外延层内形成一与所述P型外延层背面间隔开的第一离子注入层；
步骤S4、刻蚀所述阻挡掩膜层以完全暴露出所述P型外延层的背面，于所述P型外延层暴露的背面注入第二离子，并在所述P型外延层背面与所述第一离子注入层背面之间形成第二离子注入层；
步骤S5、去除所述P型外延层背面残余的光刻胶并进行退火处理。
上述的一种抑制背照式CMOS图像传感器电学互扰的方法，其中，所述第一离子层注入层的离子量大于所述第二离子注入层的离子量，且所述第一离子层注入层的离子浓度大于所述第二离子注入层的离子浓度。
上述的一种抑制背照式CMOS图像传感器电学互扰的方法，其中，所述第一离子注入层的注入能量大于所述第二离子注入层的注入能量。
上述的一种抑制背照式CMOS图像传感器电学互扰的方法，其中，所述第一离子注入层与所述第二离子注入层的离子浓度自上而下递减。
上述的一种抑制背照式CMOS图像传感器电学互扰的方法，其中，所述第一离子为铟离子，所述第二离子为硼离子。
上述的一种抑制背照式CMOS图像传感器电学互扰的方法，其中，所述第一离子注入层的背面与所述第二离子注入层相接触。
上述的一种抑制背照式CMOS图像传感器电学互扰的方法，其中，所述第一离子注入层形成有一缺口，所述缺口与所述N型掺杂区形成相交叠从而使其对准所述N型掺杂区。
由于采用了以上技术方案制造的CMOS图像传感器，可有效地减少电子在衬底中不同像素间的扩散，从而减少这些扩散电子引起的像素之间的电学互扰，同时，也防止了在强光照射下，背照式CMOS图像传感器由于过多的光生电子扩散到衬底内，而形成的光晕，提高了CMOS图像传感器的图像质量。
附图说明
图1为4T有源CMOS图像传感器的示意图；
图2为常规背照式CMOS图像传感器完成的BSI结构的示意图；
图3为本发明对常规背照式CMOS图像传感器进行减薄后的示意图；
图4为本发明对常规背照式CMOS图像传感器形成阻挡掩膜层的示意图；
图5为本发明对常规背照式CMOS图像传感器进行第一次离子注入后的示意图；
图6为本发明对常规背照式CMOS图像传感器进行第二次离子注入后的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
图3-6为本发明一种抑制背照式CMOS图像传感器电学互扰的方法的流程图，包括以下步骤：
步骤S1、利用掩膜减薄工艺去除所述P型衬底101以暴露出P型外延层102的背面，形成如图3所示结构。
步骤S2、于P型外延的部分背面涂覆一光阻层，该光阻层与光电二极管形成交叠并对准光电二极管的N型掺杂区104，然后进行曝光显影工艺对光阻层进行处理，于P型外延层102的背面留下部分图案化的光阻作为阻挡掩膜层103，形成如图4所示结构。
步骤S3、于P型外延层暴露的背面注入铟离子，在P型外延层内形成一与P型外延层背面间隔开的铟离子注入层105，由于阻挡掩膜层103覆盖住部分P型外沿层102′的部分背面，故在铟离子注入层105形成一缺口，该缺口与光电二极管的N型掺杂区104形成交叠并对准光电二极管的N型掺杂区104，形成如图5所示结构。
步骤S4、去除阻挡掩膜层103以完全暴露出P型外延层102′的背面，于P型外延层暴露的背面注入硼离子，在铟离子注入层背105面与P型外延层102′的背面之间形成一硼离子注入层106，如图6所示结构。同时控制铟离子的注入能量大于硼离子的注入能量以及铟离子注入层105的离子浓度大于硼离子注入层106的离子浓度。在本发明的一个实施例中，将注入铟离子的能量控制在80KeV～120KeV，注入的铟离子浓度在8×1011个/cm2～10×1012个/cm2，并将注入硼离子的能量控制在30KeV～100KeV，注入的硼离子浓度在8×1011个/cm2～10×1012个/cm2，由于上方铟离子注入层105的离子浓度大于下方硼离子注入层106的离子浓度，故铟离子注入层105的离子浓度与硼离子注入层106的离子浓度自上而下递减，这样从上到下递减的P型区，在光电二极管区域以外形成从上指向下的电场，该电场可以吸收由于入射光抵达感光二极管的空间电荷区以外的衬底区域，并通过光电效应产生的电子，从而达到利用背面的不同区域的不同离子注入来减少电子在衬底中不同像素间的扩散，从而减少这些扩散电子引起的像素之间的电学互扰，同时也防止了在强光照射下，背照式CMOS图像传感器由于过多的光生电子扩散到衬底内，而形成的光晕。
步骤S5、去除P型外延层背面残留的光刻胶并进行退火处理，由于离子注入后都经过退火，故不会存在本身的表面缺陷问题，同时由于电场的存在可以持久的捕获衬底中的电子，避免了衬底中的电子互扰，提高了CMOS图像传感器的图像质量。
综上所述，本发明一种抑制背照式CMOS图像传感器电学互扰的方法通过在CMOS图像传感器的背面注入两层不同的离子层，从而形成一个从光电二极管对应的区域和STI对应的区域由于掺杂离子浓度不同形成的电场，这个电场使周围的光产生的电子进入光电二极管，减少这些电子进入周围像素单元的可能性，从而减小了像素之间的电学互扰，也防止了在强光照射下，背照式CMOS图像传感器由于过多的光生电子扩散到衬底内，而形成的光晕，同时由于离子注入后都经过退火，故不会存在本身的表面缺陷问题，同时由于电场的存在也可以持久的捕获衬底中的电子，提高了生产工艺。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种抑制背照式CMOS图像传感器电学互扰的方法，所述背照式CMOS图像传感器包括P型衬底和P型外延层，所述P型外延层覆盖于所述P型衬底的上表面，在P型外延层中定义的有源单元区周围设置有浅隔离沟槽结构，并在有源单元区中形成有光电二极管的重掺杂的N型掺杂区，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、利用掩膜减薄工艺去除所述P型衬底以暴露出所述P型外延层的背面；
步骤S2、于所述P型外延的部分背面涂覆一光阻层，所述光阻层与所述光电二极管形成交叠并对准所述光电二极管的N型掺杂区，利用光刻曝光显影工艺对所述光阻层进行处理，于所述P型外延层的背面留下部分图案化的光阻作为阻挡掩膜层；
步骤S3、于所述P型外延层暴露的背面注入第一离子，并在所述P型外延层内形成一与所述P型外延层背面间隔开的第一离子注入层，所述第一离子为铟离子；
步骤S4、刻蚀所述阻挡掩膜层以完全暴露出所述P型外延层的背面，于所述P型外延层暴露的背面注入第二离子，并在所述P型外延层背面与所述第一离子注入层背面之间形成第二离子注入层，所述第二离子为硼离子；
步骤S5、去除所述P型外延层背面残余的光刻胶并进行退火处理。
2.根据权利要求1所述的一种抑制背照式CMOS图像传感器电学互扰的方法，其特征在于，所述第一离子层注入层的离子量大于所述第二离子注入层的离子量，且所述第一离子层注入层的离子浓度大于所述第二离子注入层的离子浓度。
3.根据权利要求1所述的一种抑制背照式CMOS图像传感器电学互扰的方法，其特征在于，所述第一离子注入层的注入能量大于所述第二离子注入层的注入能量。
4.根据权利要求1所述的一种抑制背照式CMOS图像传感器电学互扰的方法，其特征在于，所述第一离子注入层与所述第二离子注入层的离子浓度自上而下递减。
5.根据权利要求1所述的一种抑制背照式CMOS图像传感器电学互扰的方法，其特征在于，所述第一离子注入层的背面与所述第二离子注入层相接触。
6.根据权利要求1所述的一种抑制背照式CMOS图像传感器电学互扰的方法，其特征在于，所述第一离子注入层形成有一缺口，所述缺口与所述N型掺杂区形成相交叠从而使其对准所述N型掺杂区。
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