CN106653788A - 背照式图像传感器及提高背照式图像传感器灵敏度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种背照式图像传感器及提高背照式图像传感器灵敏度的方法，所述背照式图像传感器包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底背面的空穴层；位于所述半导体衬底中，且靠近所述空穴层的耗尽区；位于所述耗尽区背离所述空穴层一侧的N型的光生载流子收集区；包围所述光生载流子收集区的P型的隔离区；所述空穴层、所述隔离区和所述光生载流子收集区的电势分别为第一电势、第二电势及第三电势，使所述耗尽区中的电子和空穴沿竖直方向迁移，电子聚集于所述光生载流子收集区，空穴通过所述空穴层导出。本发明中，半导体衬底厚度的增加不受隔离区注入深度的限制，从而能够增加半导体衬底的厚度，提高图像传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种背照式图像传感器及提高背照式图像传感器灵敏度的方法。
背景技术
CMOS（互补型金属氧化物半导体）图像传感器被广泛地应用于数码相机、移动手机、儿童玩具、医疗器械、汽车电子、安防及其航空航天等诸多领域。CMOS图像传感器的广泛应用驱使其尺寸向越来越小的方向发展。然而像素（Pixel）尺寸的缩小使得感光二极管（Photodiode）的灵敏度（Sensitivity）下降，导致图像质量在低照度下出现很大程度的恶化，为了提高小尺寸（pixel尺寸小于1.4um）图像传感器的感光灵敏度，现有CMOS图像传感器制造技术中出现了背照式像素结构，其优点在于感光区以上由于没有金属布线的遮挡而使得感光灵敏度大幅度提高。
然而，现有背照式图像传感器也存在其不足之处，背照式传感器的结构参考图1中所示，背照式传感器包括位于衬底1中的载流子收集区2、围绕载流子收集区2的隔离区3、浮置扩散区4以及转移晶体管栅极5，背照式传感器的感光器件厚度一般为2μm～3μm，短波长可见光，例如蓝光可以被感光器件完全吸收，然而长波长可见光，例如红光需要在感光器件更深处至5μm~6μm才能够被大部分吸收，造成大约有一半的红光没有被感光器件吸收，而引起长波长可见光红光浪费的现象，因此红色像素的感光灵敏度低。
为了增强长波长可见光的吸收，现有技术中通常将衬底1的厚度增加，同时使得隔离区3的注入深度增大。但是，进行较大深度的离子注入的工艺难度较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种背照式图像传感器及提高背照式图像传感器灵敏度的方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种提高背照式图像传感器灵敏度的方法，所述背照式图像传感器包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底背面的空穴层；位于所述半导体衬底中，且靠近所述空穴层的耗尽区；位于所述耗尽区背离所述空穴层一侧的N型的光生载流子收集区；包围所述光生载流子收集区的P型的隔离区；
所述空穴层、所述隔离区和所述光生载流子收集区的电势分别为第一电势、第二电势及第三电势，使所述耗尽区中的电子和空穴沿竖直方向迁移，电子聚集于所述光生载流子收集区，空穴通过所述空穴层导出，提高图像传感器的灵敏度。
可选的，所述第一电势、所述第二电势及所述第三电势依次升高，使得空穴向所述空穴层迁移，电子向所述光生载流子收集区迁移。
可选的，所述空穴层上的第一电势为-5V~0V，所述隔离区上的第二电势为-1.0V~0V，所述光生载流子收集区上的第三电势为1.0V~2.5V。
可选的，所述耗尽区为N型低浓度掺杂结构或本征结构。
可选的，所述空穴层的形成方法包括：在所述半导体衬底背面形成硼离子注入区，并对所述硼离子注入区进行激光退火工艺，所述硼离子注入区形成所述空穴层。
可选的，所述空穴层的形成方法包括：依次在所述半导体衬底背面沉积一介质层和一负电荷层，以在所述半导体衬底上形成所述空穴层。
可选的，所述背照式图像传感器还包括：位于所述光生载流子收集区和所述浮置扩散区之间的沟道；位于所述隔离区背离所述光生载流子收集区一侧的浮置扩散区；以及位于所述光生载流子收集区和所述浮置扩散区之间的转移晶体管的栅极, 光生载流子收集区作为转移晶体管的源极, 浮置扩散区作为转移晶体管的漏极；所述浮置扩散区与所述载流子收集区之间的最低电势高于所述隔离区的第二电势。
作为本发明的另一方面，本发明还提供一种背照式图像传感器，包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底背面的空穴层；位于所述半导体衬底中，且靠近所述空穴层的耗尽区；位于所述耗尽区背离所述空穴层一侧的N型的光生载流子收集区；包围所述光生载流子收集区的P型的隔离区。
可选的，所述耗尽区为N型低浓度掺杂结构或本征结构。
可选的，所述空穴层的形成方法包括：在所述半导体衬底背面形成硼离子注入区，并对所述硼离子注入区进行激光退火工艺，所述硼离子注入区形成所述空穴层。
可选的，所述空穴层的形成方法包括：依次在所述半导体衬底背面沉积一介质层和一负电荷层，以在所述半导体衬底上形成所述空穴层。
可选的，还包括：位于所述光生载流子收集区和所述浮置扩散区之间的沟道；位于所述隔离区背离所述光生载流子收集区一侧的浮置扩散区；及位于所述光生载流子收集区和所述浮置扩散区之间的转移晶体管的栅极, 光生载流子收集区作为转移晶体管的源极,浮置扩散区作为转移晶体管的漏极。
相对于现有技术，本发明的背照式图像传感器及提高背照式图像传感器灵敏度的方法至少具有以下有益效果：
本发明的背照式图像传感器包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底背面的空穴层；位于所述半导体衬底中，且靠近所述空穴层的耗尽；位于所述耗尽区背离所述空穴层一侧的N型的光生载流子收集区；包围所述光生载流子收集区的P型的隔离区。其中，设置空穴层、隔离区和光生载流子收集区的电势分别为第一电势、第二电势及第三电势，使得耗尽区中的电子和空穴仅沿竖直方向迁移，不在水平方向迁移，使得半导体衬底厚度的增加不受隔离区注入深度的限制，从而能够增加半导体衬底的厚度，且不必要增加隔离区的注入深度，降低工艺难度，提高图像传感器对长波长可见光的吸收，提高图像传感器的灵敏度。
附图说明
图1为现有技术中背照式图像传感器的剖面示意图；
图2为本发明一实施例中背照式图像传感器的剖面示意图；
图3为本发明一实施例中背照式图像传感器的俯视图；
图4为本发明一实施例中载流子迁移的路径图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。
为了解决背景技术中的问题，本发明提供一种背照式图像传感器及其制备方法。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，以下结合附图对本发明的背照式图像传感器进行详细描述。
本发明提供一种提高背照式图像传感器灵敏度的方法，参考图2和图3中所示，所述背照式图像传感器包括：半导体衬底10；位于所述半导体衬底10背面的空穴层11；位于所述半导体衬底10中，且靠近所述空穴层11的耗尽区12；位于所述耗尽区12背离所述空穴层11一侧的N型的光生载流子收集区13；包围所述光生载流子收集区13的P型的隔离区14；位于所述隔离区14背离所述光生载流子收集区13一侧的浮置扩散区15；位于所述光生载流子收集区14和所述浮置扩散区15之间的N型的沟道17；以及位于所述光生载流子收集区13和所述浮置扩散区15之间的转移晶体管（Tx）的栅极16, 光生载流子收集区13作为转移晶体管（Tx）的源极, 浮置扩散区作为转移晶体管（Tx）的漏极，其中，半导体衬底10的厚度为H，隔离区的注入深度为H’。
本实施例中，所述空穴层11的形成方法包括：在所述半导体衬底10的背面进行硼（B）离子注入，形成硼离子注入区，并对所述硼离子注入区进行激光退火工艺，以激活注入的硼离子，从而形成所述空穴层11。此外，所述空穴层11的形成方法并不限于对半导体衬底10进行硼离子注入，空穴层11的形成方法例如还可以为：依次在所述半导体衬底10的背面沉积一介质层和一负电荷层，其中，所述介质层可以为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等，所述负电荷层可以为氧化铪（HfO2），由于负电荷层的存在，所述半导体衬底10的背面感应出一正电荷层，从而在所述半导体衬底10背面的表面上形成所述空穴层11。
所述空穴层11、所述隔离区14和所述光生载流子收集区13的电势分别为第一电势V1、第二电势V2及第三电势V3，并且，所述耗尽区12为N型低浓度掺杂结构或本征结构（不掺杂结构），例如，所述耗尽区12中的掺杂浓度为1014原子个数/cm3~1016原子个数/cm3，或采用本征的半导体衬底作为耗尽区，使所述耗尽区12中的电子和空穴仅沿竖直方向迁移（图2中箭头所示方向），而不会沿水平方向迁移，电子聚集于所述光生载流子收集区13，空穴通过所述空穴层11导出，因而，图像传感器的半导体衬底10的厚度H能够增加，例如增加至5μm~6μm，或更进一步的增加至6μm~10μm，然而，不必要将隔离区14的注入深度H’增加，降低工艺难度，即图像传感器的厚度增加不受隔离区14的注入深度H’的限制，器件厚度的增加从而提高图像传感器对长波长可见光的吸收，提高图像传感器的灵敏度。其中，所述第一电势、所述第二电势及所述第三电势依次升高，使得耗尽区12中的空穴向所述空穴层11迁移，电子向所述光生载流子收集区迁移。本实施例中，所述空穴层11上的第一电势为-5V~0V，所述隔离区14上的第二电势为-1.0V~0V，所述光生载流子收集区13上的第三电势为1.0V~2.5V，例如，第一电势为-2V，第二电势为0V，第三电势为3V。
此外，参考图4中所示，在转移晶体管的栅极关断的情况下，载流子收集区13中的收集的电子存在a、b、c三条迁移路径，路径a为电子跨过隔离区12进入相邻像素单元的载流子收集区13’，路径b为电子进入耗尽区12，并在耗尽区12中扩散，路径c为电子进入浮置扩散区15。通过路径a、b的电子迁移会引起图像传感器的Blooming现象，因此，需要调节浮置扩散区15与载流子收集区13之间的电势，使得电子只能沿路径c迁移，提高图像传感器的性能。
继续参考图4所示，本发明中，所述浮置扩散区15的电势设置为第四电势V4，例如，所述浮置扩散区15的第四电势V4可以设置为2V~5V。并且，所述浮置扩散区15与所述载流子收集区13之间的区域具有一最低电势，即路径c上存在一最低电势，该最低电势高于所述隔离区14的第二电势V2。更进一步的，该最低电势高于所述载流子收集区13与所述耗尽区12之间区域的电势（或高于所述耗尽区的电势），使得载流子只能由路径c迁移至浮置扩散区15。本实施例中，可以通过调节浮置扩散区与载流子收集区之间的掺杂浓度调节该最低电势的大小，例如，在隔离区靠近表面的位置处采用低浓度的P型掺杂，或再进行一N型掺杂，从而提高该最低电势的值。此外，本发明的其他实施例中还可以在转移晶体管关断的情形下，改变转移晶体管栅极的电压，用于调节衬底中位于转移晶体管下面区域的电势。
作为本发明的另一方面，本发明还提供一种背照式图像传感器，参考图2和图3中所示，背照式图像传感器包括：半导体衬底10；位于所述半导体衬底10背面的空穴层11；位于所述半导体衬底10中，且靠近所述空穴层11的耗尽区12；位于所述耗尽区12背离所述空穴层一侧的N型的光生载流子收集区13；包围所述光生载流子收集区13的P型的隔离区14；位于所述隔离区14背离所述光生载流子收集区13一侧的浮置扩散区15；位于所述光生载流子收集区14和所述浮置扩散区15之间的N型的沟道17；以及位于所述光生载流子收集区13和所述浮置扩散区15之间的转移晶体管（Tx）的栅极16, 光生载流子收集区13作为转移晶体管（Tx）的源极, 浮置扩散区作为转移晶体管（Tx）的漏极。
本发明虽然已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，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案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简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (12)
1.一种提高背照式图像传感器灵敏度的方法，其特征在于，所述背照式图像传感器包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底背面的空穴层；位于所述半导体衬底中，且靠近所述空穴层的耗尽区；位于所述耗尽区背离所述空穴层一侧的N型的光生载流子收集区；包围所述光生载流子收集区的P型的隔离区；
所述空穴层、所述隔离区和所述光生载流子收集区的电势分别为第一电势、第二电势及第三电势，使所述耗尽区中的电子和空穴沿竖直方向迁移，电子聚集于所述光生载流子收集区，空穴通过所述空穴层导出，提高图像传感器的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的提高背照式图像传感器灵敏度的方法，其特征在于，所述第一电势、所述第二电势及所述第三电势依次升高，使得空穴向所述空穴层迁移，电子向所述光生载流子收集区迁移。
3.根据权利要求1所述的提高背照式图像传感器灵敏度的方法，其特征在于，所述空穴层上的第一电势为-5V~0V，所述隔离区上的第二电势为-1.0V~0V，所述光生载流子收集区上的第三电势为1.0V~2.5V。
4.根据权利要求1所述的提高背照式图像传感器灵敏度的方法，其特征在于，所述耗尽区为N型低浓度掺杂结构或本征结构。
5.根据权利要求1所述的提高背照式图像传感器灵敏度的方法，其特征在于，所述空穴层的形成方法包括：在所述半导体衬底背面形成硼离子注入区，并对所述硼离子注入区进行激光退火工艺，所述硼离子注入区形成所述空穴层。
6.根据权利要求1所述的提高背照式图像传感器灵敏度的方法，其特征在于，所述空穴层的形成方法包括：依次在所述半导体衬底背面沉积一介质层和一负电荷层，以在所述半导体衬底上形成所述空穴层。
7.根据权利要求1所述的提高背照式图像传感器灵敏度的方法，其特征在于，所述背照式图像传感器还包括：位于所述光生载流子收集区和所述浮置扩散区之间的沟道；位于所述隔离区背离所述光生载流子收集区一侧的浮置扩散区；以及位于所述光生载流子收集区和所述浮置扩散区之间的转移晶体管的栅极, 光生载流子收集区作为转移晶体管的源极,浮置扩散区作为转移晶体管的漏极；所述浮置扩散区与所述载流子收集区之间的最低电势高于所述隔离区的第二电势。
8.一种背照式图像传感器，其特征在于，包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底背面的空穴层；位于所述半导体衬底中，且靠近所述空穴层的耗尽区；位于所述耗尽区背离所述空穴层一侧的N型的光生载流子收集区；包围所述光生载流子收集区的P型的隔离区。
9.根据权利要求8所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述耗尽区为N型低浓度掺杂结构或本征结构。
10.根据权利要求8所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述空穴层的形成方法包括：在所述半导体衬底背面形成硼离子注入区，并对所述硼离子注入区进行激光退火工艺，所述硼离子注入区形成所述空穴层。
11.根据权利要求8所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述空穴层的形成方法包括：依次在所述半导体衬底背面沉积一介质层和一负电荷层，以在所述半导体衬底上形成所述空穴层。
12.根据权利要求8所述的背照式图像传感器，其特征在于，还包括：位于所述光生载流子收集区和所述浮置扩散区之间的沟道；位于所述隔离区背离所述光生载流子收集区一侧的浮置扩散区；及位于所述光生载流子收集区和所述浮置扩散区之间的转移晶体管的栅极, 光生载流子收集区作为转移晶体管的源极, 浮置扩散区作为转移晶体管的漏极。
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2016
- 2016-12-26 CN CN201611218462.6A patent/CN106653788A/zh active Pending
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