CN106129074A - 背照式cmos图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种背照式CMOS图像传感器，包括：一衬底，其正面作为第一表面且背面作为第二表面；一个形成在衬底中的光电探测器，其包括位于第二表面的一个感光面，以及一个位于第二表面的第一正电荷层，该第一正电荷层能够在光电探测器的感光面构成一个电荷积累区域来抑制图像传感器第二表面中的暗电流。同时本发明也提供了包括所述的第一正电荷层在内的图像传感器的制造方法。

Description

背照式CMOS图像传感器
本申请请求美国专利申请号US62/157,636(申请日：2015年5月6日)之优先权。
技术领域
本发明涉及的是一种半导体图像处理芯片领域的技术，具体是一种背照式CMOS图像传感器。
背景技术
一个典型的图像传感器在被光照时，通过将光子转换为电子或空穴并在传感器的像素单元中收集电子或空穴来感知光线。收集周期完成后，收集的电荷将被转换成电压后在传感器的输出端输出。在CMOS图像传感器中，电荷-电压转换直接在像素器件中完成，然后产生的模拟像素电压在经过各种像素处理和扫描方案处理后传输到输出端。模拟信号也可以直接在芯片上转换成等效数字信号后再传输到芯片输出端口。一个典型的像素器件也会耦合一个缓冲放大器(如源跟随器SF)，等效的数字信号通过这个缓冲放大器驱动传感器列总线，传感器列总线通过合适的处理晶体管与像素连接。电荷到电压的转换完成并且得到的信号从像素传输出来后，像素可被复位以在新的光照时积累新的电荷。
在以浮动扩散(FD)区作为电荷探测点的像素中，是通过开启复位晶体管来完成复位的，此复位晶体管开启后会使浮动扩散点充电至一个参考电压。当复位动作清除已收集到的电荷时，它同时会产生kTC复位噪声。kTC复位噪声可以通过相关双采样(CDS)信号处理技术来消除，这样就能获得所希望的低噪声性能。
典型使用CDS原理的CMOS图形传感器通常在像素中需要有3晶体管(3T)或4晶体管(4T)，其中一个晶体管作为电荷转移管。通过共享几个光电二极管像素电路晶体管的源漏极可能可以减小像素尺寸。而为了防止光线被金属连线和与像素耦合器件中的电极(如复位管，电荷转移管等)挡住，可以采用背照式CMOS图像传感像素结构，在这种结构中，光线入射的一侧与金属连线和电极所在位置处于衬底的不同侧。
除了重启噪声外，另一种图像传感器的噪声源来自暗电流。暗电流是在没有光子入射器件时流过传感器器件的电流。暗电流的来源之一为界面陷阱。固态图像传感器器件通常在衬底上制造。典型的器件会包括绝缘层(如氧化硅)。而在绝缘体与硅之间的界面上通常会产生电活性的缺陷。这些缺陷会俘获电荷继而产生不是由光子转换生成的电荷载流子。由于暗电流会在入射光光子的基础上额外产生电荷载流子，而且暗电流与感应到的光线不相关，这样就导致了图像传感器准确性的降低。
如上所述的，暗电流的来源之一是界面陷阱。这种陷阱会在图像传感器的两侧表面形成。可以通过在表面设置高浓度掺杂的n型层以减少界面状态形成的暗电流，从而改善CMOS图像传感器的精确度。现有的n型掺杂层可以通过离子注入法实现，但对于背面用离子注入法很难在厚度和掺杂浓度上同时满足要求，因为厚是达到所需的掺杂浓度的必要条件，而过厚的n型层会降低灵敏度，因为从该侧进入的光子产生的正载流子会与n掺杂层中的负载流子再结合，而不是被捕捉到光电二极管的电势阱(PD)中。因此，(对应于一定的入射光强度下的)等量的光子所产生的正电荷就变少了，从而导致CMOS图像传感器的灵敏度降低。
另外，背面的高浓度掺杂的n型层也可以通过从背面注入结合热激发工艺实现，但这些工艺都很复杂且昂贵。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种背照式CMOS图像传感器，能够在维持目前工艺复杂度的情况下大幅度降低暗电流，同时提高传感器的灵敏度。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：
一衬底，其正面作为第一表面且背面作为第二表面；
一个形成在衬底中的光电探测器，其包括位于第二表面的一个感光面，以及
一个位于第二表面的第一正电荷层，该第一正电荷层能够在光电探测器的感光面构成一个电荷积累区域来抑制图像传感器第二表面中的暗电流。
所述的图像传感器阵列可以进一步包括一个位于第一表面上的布线层。
所述的图像传感器阵列可以进一步包括一个位于第一正电荷层上的彩色滤镜层。
所述的图像传感器阵列可以进一步包括一个或多个位于彩色滤镜层上的微透镜。
所述的光电探测器阵列包括一个p型光电二极管。
所述的图像传感器阵列可以进一步包括一个用于抑制图像传感器第一表面产生的暗电流的n型掺杂的电势固定层。
所述的图像传感器阵列可以进一步包括一个位于第一表面上的p型掺杂的浮动扩散区域以及一个位于所述浮动扩散区和光电探测器之间的n型掺杂区域。
所述的第一正电荷层优选为氮化硅。
所述的图像传感器阵列可以进一步包括一个位于感光面和第一正电荷层之间的绝缘层。
所述的绝缘层优选为氧化硅。
所述的图像传感器阵列可以进一步包括位于衬底的第一表面上的第二正电荷层。
所述的第二正电荷层优选为氮化硅。
本发明进一步提出一种图像传感器阵列的制造工艺，通过在p型光电二极管的感光面上设置氮化硅层，经由氮化硅层进行电荷积聚以实现对暗电流的抑制。
所述的p型光电二极管，采用但不限于以下方式得到：
①在晶圆的一侧引入p型掺杂剂以形成一个或多个p型区域；
②在晶圆的一侧引入n型掺杂剂以形成一个n+电势固定层；
③在晶圆的一侧上沉积一层氧化硅以及一个或多个栅极；
④将晶圆翻转；
⑤对晶圆进行减薄处理，从而在一侧的对面形成另一侧；
⑥在另一侧上沉积第一氧化硅层。
所述的p型光电二极管的制备，在步骤③完成后，在n+电势固定层上沉积第二氧化硅层并在第二氧化硅层上沉积第二氮化硅层。
所述的图像传感器阵列的制造工艺进一步包括：在感光面的氮化硅层上形成至少一个彩色滤镜层和微透镜。
技术效果
与现有技术相比，本发明能够通过常规的半导体工艺，以创新性的组合制备得到一种全新的图像传感器，能够显著降低暗电流并提高传感器的灵敏度。
附图说明
图1A为本发明剖视图；
图中：100CMOS图像传感器像素结构、101a正向界面、101b背向界面、103p-区域、104p+浮动扩散区域、105p区域、106衬底、107氧化层、108n+电势固定层、109n阱、110第一电荷转移栅极、111a、111b n区域、112第二电荷转移栅极、113p+区域、114绝缘层、115防反射层、116彩色滤镜层、117微透镜；
图1B为针对图1A的深度方向的掺杂剖面；
图1C为针对图1A的深度方向的电势剖面；
图2和图3A-3H为图像传感器像素器件的制造工艺。
具体实施方式
根据上述，由于界面陷阱上产生的暗电流会降低背照式CMOS图像传感器的性能。而在传感器的背面产成一个n+层可以减少界面陷阱。但是从背面作离子注入并用热激发处理很难在背面形成n+层。而且此n+层包括的负电荷会与入射光光子产生的正电荷再结合，而降低了此CMOS图像传感器的灵敏度。
本发明的一个目的是在现有的技术下改进背照式CMOS图像传感器的性能。本发明的具体实施提供一种在CMOS图像传感器中被固定的光电二极管结构，其含有一个用于抑制背面的暗电流的正电荷层，该正电荷层可以采用诸如氮化硅膜(一种常用的防反射层)以实现防反射作用。
本发明的另一目的是提出一种背照式CMOS图像传感器的制造工艺，其中包括正电荷的区域(如氮化硅膜)可以在传感器阵列的背面形成一个防反射层。
根据所述的发明的具体实施，图1A是图像传感器像素结构典型示例100的横截面示意图。根据图1A的显示，CMOS图像传感器像素结构100含有多个像素区域，举例来说，包括一个p+浮动扩散区104，一个p区域105和一个第一电荷转移栅极110。CMOS图像传感器像素结构100还包括一个第二电荷转移栅极112和一个p+区域113。p+浮动扩散区104和p+区域113均位于同一个n阱109中，它们与第二电荷转移栅极112一起构成一个PMOS器件。
在像素结构100曝光于光线下时光子会进入CMOS图像传感器像素结构100从而在p区域105形成正电荷。FD2端与CMOS图像传感器像素结构100正面的p+浮动扩散区104连接，而TX2端与正面的第一电荷转移栅极110连接。在收集周期，给TX2端加上一定电压，使得在p区域105形成的电荷能传输到p+浮动扩散区域104。存储在p+浮动扩散区域104的寄生电容中的电荷会形成一个电压。FD2端与一个缓冲放大器(如源极跟随器SF)连接以检测产生于p+浮动扩散区104中的电压，并通过一个等效于感应电压的数字信号来驱动感应列总线。进一步地，GND2端与正面的p+区域113相连，RST2端与在正面的第二电荷转移栅极112相连。GND2端连接至一个固定偏置(如0V)的电压。在收集电荷过程的最后，通过向RST2端施加电压使得p+浮动扩散区域104中的电荷能够传输到p+区域113，并且p+浮动扩散区域104进行复位，从而使它能在新的收集周期中积累新的电荷。
如图1A所示，CMOS图像传感器像素结构100可以进一步包括衬底106。衬底106的正面覆盖有一层用来从衬底106中隔离第一电荷转移栅极110的氧化物层107。在氧化物层107与衬底106之间形成一正向界面101a。衬底106还包括一个位于p区域105下方的p-区域103，以及一个位于p区域105上的n+电势固定层108。这样一个光电二极管就在包括一个p-区域103和一个p区域105的P区域和包括一个n+电势固定层108的n区域之间形成。光子从背面进入CMOS图像传感器像素结构100并在p-区域103内形成载流子。载流子的电荷在p区域105中形成的光电二极管内的电势阱(PD)中积累，而后这些电荷通过电荷转移栅极110传输到浮动扩散区域104。
进一步地，n阱109内含有p+浮动扩散区域104。一般来说由于n阱109连接到正电势上，从而将光子产生的正电荷转移到位于p区域105内光电二极管的电势阱中，以防止或减少电荷损失。此CMOS图像传感器像素结构100还包括一个从n+电势固定层108延伸并经过p区域105和p-区域103的n区域111a，用于将CMOS图像传感器像素结构100的p区域(如p区域105，p-区域103等)与相邻像素结构的p区域隔离开。进一步地，该CMOS图像传感器像素结构100还包括一个从n阱109延伸并经过p-区域103的n区域111b，同样用于将p-区域103与相邻像素结构的p区域隔离开。
在CMOS图像传感器像素结构100的背面还包括一个绝缘层114，一个防反射层115，一个彩色滤镜层116和微透镜117。绝缘层114将衬底106进一步从背面周围的外部环境中隔离开。在该绝缘层114和p-区域103之间形成了一背向界面101b。防反射层115，彩色滤镜层116和微透镜117则用于控制进入衬底106的光线的一个或多个属性，诸如：入射到背面的光线被微透镜导引至p-区域103和p区域105从而形成p型载流子。设置于p-区域103和p区域105上的彩色滤镜层116作为带通滤波器，使得波长在特定范围的光线才会在p-区域103和p区域105中生成p型载流子。比如某一个彩色滤镜层允许波长范围与红光一致的光线进入p-区域103与p区域105来产生载流子，而相邻的另一个彩色滤镜层允许波长范围与绿光一致的光线去产生载流子。
防反射层115用于防止从背端入射的光线在背向界面101b上的衬底106和绝缘层114之间的反射从而减少入射光线损失。防反射层115可包括正电荷，其具体实现可以通过诸如在制造过程中向防反射层115中注入氮化硅，从而在其中注入正电荷。这样防反射层115就能吸引电子并使其在界面101b附近积累。然后，积累的电子与界面上的陷阱再结合，从而防止光子产生的p型载流子与这些陷阱结合，这样就能减少界面状态产生的暗电流。
在某些具体实施中，可在位于n+电势固定层108的上的部分氧化层107上方注入一个氮化硅层(未示于图1A中)。该氮化硅层能提供正电荷来捕获电子并使它们在氧化层107和n+电势固定层108之间的界面附近积累。这些电子也能与位于氧化层107和n+电势固定层108之间界面上的陷阱结合，从而防止这些陷阱与光子产生的p型载流子结合。通过这样的设置能进一步减少氧化层107与衬底106之间界面上的暗电流。
而在某些具体实施中，CMOS图像传感器可以选择性地去除n+层，以消除由于n+层的厚度造成的图像像素灵敏度变低的情况(这个厚度是为了达到所需的掺杂浓度)。而在另一些实施中，可用其他材料代替氮化硅，从而使得防反射层115包含正电荷。
图1B和1C根据所述的本发明的具体实施，图示了图像传感器像素器件100中深度方向的掺杂剖面。图1B中所示的掺杂剖面显示了从氧化层107开始，沿着A-A横截面上不同的净掺杂浓度。A-A横截面跨越了n+电势固定层108，p-区域103和p区域105。当去掉n+层102，掺杂剖面图则将在背向界面101处停止。图1C显示了沿着图1A中A-A横截面上不同区域的各种电势。
图2根据所述的本发明的具体实施说明了制造一个图像传感器像素器件的典型示范方法200，诸如：方法200可用来制造图1A中的CMOS图像传感器像素结构100。下文中通过图3A至3E中的CMOS图像传感器像素结构(如图1A中的CMOS图像传感器像素结构100)截面图说明方法200的具体步骤。
如步骤202所示，首先备置一个晶圆。诸如：可以通过在一个晶体衬底上沉积和生长一个晶体层来形成一个p型外延层。外延层可用诸如气相或液相前驱来形成。在某些实施中，如图3A所示，步骤202执行后形成了衬底106。
如步骤204所示，通过向衬底106中注入p型掺杂剂来形成一个或多个p区域，类似地在p区域105中形成p+浮动扩散区域104。
所述的掺杂采用但不限于从衬底106的前表面采用离子注入的方式加入。如图3B所示，为步骤204后，衬底106中包含了p区域105和p+浮动扩散区域104，即构成了p型光电二极管。
如步骤206所示，通过向衬底106中注入n型掺杂剂来形成n区域，类似地如n阱109，n区域111a和111b等等。
所述的掺杂采用但不限于从衬底106的前表面采用离子注入的方式加入。如图3C所示，为执行步骤206后，衬底106中包含了n阱109。
如步骤208所示，通过采用诸如离子注入的方式在衬底106的正面形成一个n型固定层(如n+电势固定层108)。
如步骤210所示，通过在衬底106的前表面303的沉积一层氧化硅层(如图1A中的氧化层107)，该氧化层可以通过诸如在氧化炉中将表面303暴露于水或氧气中，同时加热衬底106得以产生。当氧化物形成后，可在其上方再形成一个或多个栅极(如第一电荷转移栅极110)。该栅极可采用化学气相沉积法沉积一层硅，然后再使用光刻工艺制造。
在某些实施中也可以在n+电势固定层108的上方形成一个含氧化缓冲区的氮化硅层302。可在n+电势固定层108上方形成一个氧化层，并使用诸如化学气相沉积的方法引入氮化硅。如图3所示，为步骤208和210之后的CMOS图像传感器像素结构100，其中包括第一电荷转移栅极110，氧化层107以及包括有n+电势固定层108的衬底106。如图3E所示，为步骤210之后的CMOS图像传感器像素结构100，其中前表面303上包括了带有氧化缓冲区的氮化硅层302。
如步骤212所示，金属链路层304和绝缘层306形成于衬底106的前表面303上。金属链路通过在衬底106的正面溅射金属(如铝)来形成。金属链路304形成后可作为如图1A中所示的金属端TX，FD，RST和GND。位于金属链路之间的绝缘层306可通过诸如在金属链路之间沉积氧化硅或任何一种绝缘体得以形成。如图3E和图3F所示，为步骤212后的CMOS图像传感器像素结构100，其中前表面303的上方包含有金属链路304和绝缘区域306。
如步骤214所示，将CMOS图像传感器像素结构100翻转，并除去衬底106以形成一个第二表面(如正对于前表面的后表面308)。在步骤216中，在后表面308最顶上沉积一层氧化硅来形成诸如图1A中的绝缘层114。该绝缘层114可以是通过在氧化炉中将背面的表面308暴露于水或氧气中时加热衬底106来形成的氧化物。当绝缘层114形成后，可在绝缘层114的顶部形成具有氮化硅的防反射层115。该防反射层可以通过化学气相沉积法形成。如图3G所示，为步骤214和216后的CMOS图像传感器像素结构100，其中包括了绝缘层114和防反射层115。
如步骤218所示，可在防反射层115上方形成背面的彩色滤镜层和微透镜(如图1A中的彩色滤镜层116和微透镜117)，该彩色滤镜层和微透镜可以通过诸如在旋转涂上液体化学物质构成的光刻胶后再以热处理去除溶剂，最后图案光刻包裹的光刻胶得以形成。如图3H所示，为步骤218后的CMOS图像传感器像素结构100，其中包括了彩色滤镜层116和微透镜117。
根据所述的发明的具体实施，在背面产生的暗电流能够被大幅度减少从而获得更高的灵敏度。而且制造的复杂度和成本也得以降低。因此根据所述的发明的具体实施能以有效的成本制造出高性能的图像传感器器件。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (16)

1.一种背照式CMOS图像传感器，其特征在于，包括：
一衬底，其正面作为第一表面且背面作为第二表面；
一个形成在衬底中的光电探测器，其包括位于第二表面的一个感光面，以及
一个位于第二表面的第一正电荷层，该第一正电荷层能够在光电探测器的感光面构成一个电荷积累区域来抑制图像传感器第二表面中的暗电流。
2.根据权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器，其特征是，还包括一个置于第一表面上的布线层。
3.根据权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器，其特征是，还包括一个位于第一正电荷层上的彩色滤镜层。
4.根据权利要求1或3所述的背照式CMOS图像传感器，其特征是，还包括一个或多个位于彩色滤镜层上的微透镜。
5.根据权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器，其特征是，所述的光电探测器包括一个p型光电二极管。
6.根据权利要求5所述的背照式CMOS图像传感器，其特征是，还包括一个用于所述抑制图像传感器第一表面产生的暗电流的n型掺杂的电势固定层。
7.根据权利要求1或5所述的背照式CMOS图像传感器，其特征是，还包括一个位于第一表面上的p型掺杂的浮动扩散区域以及一个位于所述浮动扩散区和光电探测器之间的n型掺杂区域。
8.根据权利要求1或3所述的背照式CMOS图像传感器，其特征是，所述的第一正电荷层为氮化硅。
9.根据权利要求1或3所述的背照式CMOS图像传感器，其特征是，还包括一个位于感光面和第一正电荷层之间的绝缘层。
10.根据权利要求9所述的背照式CMOS图像传感器，其特征是，所述的绝缘层为氧化硅。
11.根据权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器，其特征是，还包括一个位于第一表面上的第二正电荷层。
12.根据权利要求11所述的背照式CMOS图像传感器，其特征是，所述的第二正电荷层为氮化硅。
13.一种图像传感器的制造工艺，其特征在于，通过在p型光电二极管的感光面上设置氮化硅层，经由氮化硅层进行电荷积聚以实现对暗电流的抑制。
14.根据权利要求13所述的制造工艺，其特征是，所述的p型光电二极管通过以下方式制备得到：
①在晶圆的第一表面引入p型掺杂剂以形成一个或多个p型区域；
②在晶圆的第一表面引入n型掺杂剂以形成一个n+电势固定层；
③在晶圆的第一表面上沉积一层氧化硅以及一个或多个栅极；
④将晶圆翻转；
⑤对晶圆进行减薄处理，从而在第一表面的对面形成第二表面；
⑥在第二表面上沉积第一氧化硅层。
15.根据权利要求13所述的制造工艺，其特征是，所述的p型光电二极管的制备，在步骤③完成后，在n+电势固定层上沉积第二氧化硅层并在第二氧化硅层上沉积第二氮化硅层。
16.根据权利要求13～15中的任一所述的制造工艺，其特征是，在感光面的氮化硅层上形成至少一个彩色滤镜层和微透镜。
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