CN108122938A - 背侧照明图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种背侧照明图像传感器及其制造方法。背侧照明图像传感器包含：半导体材料，其具有安置于所述半导体材料中的多个光电二极管；及转移栅极，其电耦合到所述多个光电二极管中的光电二极管以从所述光电二极管提取图像电荷。所述图像传感器还包含存储栅极，其电耦合到所述转移栅极以从所述转移栅极接收所述图像电荷。所述存储栅极具有：栅电极，其经安置为紧接于所述半导体材料的前侧；光屏蔽件，其安置于所述半导体材料中；及存储节点，其安置于所述栅电极与所述光屏蔽件之间。所述光屏蔽件与所述存储节点光学对准以防止入射于所述背侧照明图像传感器上的图像光到达所述存储节点。

Description

背侧照明图像传感器及其制造方法
技术领域
本发明大体上涉及半导体制造，且尤其但非排它地涉及存储栅极构造。
背景技术
图像传感器已经变得无处不在。它们广泛地用于数字照相机、蜂窝式电话、安全摄像机，以及医学、汽车及其它应用。用于制造图像传感器的技术已经快速地持续发展。举例来说，对较高分辨率及较低电力消耗的需求已经促进这些装置的进一步小型化及集成。
对于高速图像传感器，全局快门可用于捕获快速移动的物体。全局快门通常使图像传感器中的所有像素单元能够同时捕获图像。对于较慢移动的物体，使用较常见的滚动快门。滚动快门通常按顺序捕获图像。举例来说，可循序地启用二维(“2D”)像素单元阵列内的每一行，使得单个行内的每一像素单元同时捕获图像，但按滚动顺序启用每一行。因此，在不同图像获取窗期间，像素单元的每一行捕获图像。对于缓慢移动的物体，每一行之间的时间差产生图像失真。对于快速移动的物体，滚动快门造成沿着物体的移动轴的可察觉的伸长失真。
为了实施全局快门，存储结构可用于在由阵列中的每一像素单元获取的图像电荷等待从像素单元阵列读出时临时存储所述图像电荷。影响具有全局快门的图像传感器像素单元中的性能的因素包含快门效率、暗电流、白色像素及图像滞后。此外，存储结构中的图像电荷的污染可对图像质量产生有害的影响。
发明内容
一方面，本发明提供一种背侧照明图像传感器，其包括：半导体材料，其包含多个光电二极管，所述多个光电二极管安置于所述半导体材料中以通过所述半导体材料的背侧接收图像光；转移栅极，其电耦合到所述多个光电二极管中的光电二极管以从所述光电二极管提取图像电荷；及存储栅极，其电耦合到所述转移栅极以从所述转移栅极接收所述图像电荷，其中所述存储栅极包含：栅电极，其经安置为紧接于所述半导体材料的前侧；光屏蔽件，其安置于所述半导体材料中；及存储节点，其安置于所述栅电极与所述光屏蔽件之间，其中所述光屏蔽件与所述存储节点光学对准以防止入射于所述背侧照明图像传感器上的所述图像光到达所述存储节点。
另一方面，本发明提供一种背侧照明图像传感器制造方法，其包括：在半导体材料中形成多个光电二极管，其中所述多个光电二极管经安置以通过所述背侧照明图像传感器的背侧接收图像光；形成转移栅极，其经耦合以从所述多个光电二极管中的光电二极管提取图像电荷；及形成存储栅极，其耦合到所述转移栅极以接收所述图像电荷，其中形成所述存储栅极包含：在所述半导体材料中形成光屏蔽件；紧接于所述半导体材料的前侧沉积栅电极，其中所述前侧与所述背侧相对；及在所述半导体材料中植入存储节点，其中所述存储节点安置于所述光屏蔽件与所述栅电极之间的所述半导体材料中。
附图说明
参考以下各图来描述本发明的非限制性及非穷尽性实例，其中相同元件符号是指贯穿各种视图的相同部件，除非另有指定。
图1A是根据本发明的教示的实例背侧照明图像传感器的横截面说明。
图1B是根据本发明的教示的实例背侧照明图像传感器的横截面说明。
图1C是根据本发明的教示的图1A到1B中的图像传感器的电路图。
图2是说明根据本发明的教示的成像系统的一个实例的框图，所述成像系统可包含图1A到1C的图像传感器。
图3A到3C说明根据本发明的教示的用于形成图1A的图像传感器的实例方法。
图4A到4C说明根据本发明的教示的用于形成图1B的图像传感器的实例方法。
对应参考字符指示贯穿诸图中若干视图的对应组件。所属领域的技术人员应了解，为了简单且清楚起见说明图中的元件，且并不一定按比例绘制元件。举例来说，图中一些元件的尺寸可相对于其它元件而被夸大以帮助改善对本发明的各种实施例的理解。并且，为了更方面地了解本发明的这些各种实施例，通常不描绘在商业可行的实施例中有用或必要的常见但好理解的元件。
具体实施方式
本文中描述图像传感器中的存储栅极保护的设备及方法的实例。在以下描述中，陈述众多特定细节以便提供对本发明的详尽理解。然而，相关领域的技术人员应认识到，无需运用所述特定细节中的一或多者或运用其它方法、组件、材料等等而实践本文中所描述的技术。在其它例子中，未展示或详细描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。
贯穿本说明书对“一个实例”、或“一个实施例”的参考意味着与实例相结合而描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，贯穿本说明书在多个地方出现短语“在一个实例中”或“在一个实施例”并不一定都是指相同的实例。此外，在一或多个实例中特定的特征、结构或特性可以任何合适的组合。
贯穿本说明书，使用所属领域的若干术语。这些术语具有其所来自的领域中的其普通含义，除非本文中具体定义或其使用的上下文将另外明确暗示。应注意，贯穿此文档可互换地使用元件名称及符号(例如，Si对硅)；然而，两者都具有相同意义。
图1A是实例背侧照明图像传感器100A的横截面说明。图像传感器100A包含半导体材料101、光电二极管103、转移栅极111、存储栅极113(包含存储节点105及光屏蔽件107)、输出栅极115及浮动扩散区121。半导体材料101包含多个光电二极管(参见图2)，其安置于半导体材料101中以通过半导体材料101的背侧153接收图像光。转移栅极111电耦合到多个光电二极管中的光电二极管103以从光电二极管103提取图像电荷。存储栅极113电耦合到转移栅极111以从转移栅极111接收图像电荷。如所说明，存储栅极113包含经安置为紧接于半导体材料101的前侧151的栅电极(凸起在半导体材料101上方的部分113)、安置于半导体材料101中的光屏蔽件107，及安置于栅电极与光屏蔽件107之间的存储节点105。光屏蔽件107与存储节点105光学对准以防止入射于背侧照明图像传感器100A上的图像光到达存储节点105。在所描绘的实例中，存储节点105及光屏蔽件107与彼此以及存储栅极113的栅电极至少部分地横向共同延伸。
在所描绘的实例中，光屏蔽件107在半导体材料101中是独立式的，且可包含氧化硅或锗中的至少一者。如稍后将更详细地所描述，此独立式光屏蔽件107可在无需任何蚀刻步骤的情况下通过植入杂质原子且随后使杂质原子退火而形成。这提供一种方式来完全反射或吸收朝向存储节点105行进的光；这是背侧照明图像传感器中的原本困难的任务。所属领域的技术人员应了解，氧化硅的低折射率可用于反射某些波长及折射率的光，而锗(或在硅半导体材料101的情况下是GeSi)可吸收朝向存储节点105行进的光。
还描绘从前侧151延伸到半导体材料101中达一定深度的光电二极管103。如所展示，在一些实例中，光电二极管103的至少部分经安置为紧接于半导体材料101的背侧153，且与转移栅极111横向共同延伸。换句话来说，光电二极管103的一部分与转移栅极111在垂直方向上重叠。此外，光电二极管103紧接于前侧151的宽度小于光电二极管103紧接于背侧153的宽度。如所展示，光电二极管103的较宽部分可与转移栅极111的有源区域及转移栅极111的栅电极横向共同延伸。换句话来说，光电二极管103的至少部分经安置为紧接于背侧153且与转移栅极111的有源区域光学对准。光电二极管103在图像光到达转移栅极111的有源区域之前吸收图像光中的至少一些。在一些实例中，这可为有用的，这是因为光电二极管103可吸收原本可由转移栅极111的有源区域吸收且使图像信号质量降级的一些光。
图1B是实例背侧照明图像传感器100B的横截面说明。背侧照明图像传感器100B在许多方面类似于图1A中的图像传感器100A；然而，背侧照明图像传感器100B具有基本上“T”形光屏蔽件107，如稍后将阐释，其是以与图1A中的光屏蔽件107不同的方式制造。如所说明，光屏蔽件107从背侧153延伸到半导体材料101中，且光屏蔽件107的最靠近前侧151的部分宽于光屏蔽件107的最靠近背侧153的部分。换句话来说，“T”形结构的顶部横向宽于所述“T”的列区段。在所描绘的实例中，光屏蔽件107可包含氧化物或金属中的至少一者。更具体来说，光屏蔽件107可由氧化硅加衬层且可由金属、高K氧化物、半导体或前述各者的任何组合填充。
图1C是图1A到1B中的图像传感器的实例电路图。像素单元100C具有根据本发明的教示的全局快门。如所展示，像素单元100包含全局快门栅极晶体管143、光电二极管103、转移栅极111、存储栅极113(包含光屏蔽件107)、输出栅极115、浮动扩散区121、复位晶体管123、放大器晶体管131及行选择晶体管133。在一个实例中，放大器晶体管116经实施为具有源极跟随器耦合晶体管。如所展示，全局快门栅极晶体管143耦合于VGS电压与光电二极管103之间。
在操作中，全局快门栅极晶体管143经耦合以通过响应于全局快门信号将光电二极管103选择性地耦合到电压VGS而选择性地耗尽积累于光电二极管103中的图像电荷。光电二极管103安置于像素单元100的半导体材料101中以响应于被引导到光电二极管103的入射光而积累图像电荷。光电二极管103耦合到转移栅极111以将积累于光电二极管103中的图像电荷转移到存储栅极113的输入。转移栅极111响应于施加到转移栅极111的栅电极的转移信号而允许电荷从光电二极管103流动到存储栅极113中。
在所描绘的实例中，将存储栅极113说明为通过光屏蔽件107而与图像光光学隔离。如上文结合图1A到1B所论述，光屏蔽件107防止入射于图像传感器的背侧上的光进入存储栅极113中的存储节点。这防止不需要的空穴电子对形成于存储节点中且使图像电荷失真。
图1C中的实例还说明输出栅极115耦合到存储栅极113的输出以将图像电荷从存储栅极113选择性地转移到浮动扩散区121。复位晶体管123耦合于复位电压VRESET与浮动扩散区121之间以响应于复位信号RST而选择性地复位浮动扩散区121中的电荷。放大器晶体管131包含放大器栅极，其耦合到浮动扩散区121以放大浮动扩散区121上的信号以从像素单元100C输出图像数据。行选择晶体管133耦合于位线与放大器晶体管131之间以输出图像数据。
图2是说明成像系统200的一个实例的框图，成像系统200可包含图1A到1C的图像传感器。成像系统200包含像素阵列205、控制电路221、读出电路211及功能逻辑215。在一个实例中，像素阵列205是光电二极管或图像传感器像素(例如，像素P1、P2…、Pn)的二维(2D)阵列。如所说明，将光电二极管布置成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获取个人、地点、物体等等的图像数据，接着可使用所述图像数据来呈现所述个人、地点、物体等等的2D图像。然而，光电二极管并非必须被布置成行及列，且可采取其它配置。
在一个实例中，在像素阵列205中的每一图像传感器光电二极管/像素已获取其图像数据或图像电荷之后，由读出电路211读出所述图像数据且接着将其转移到功能逻辑215。在各种实例中，读出电路211可包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它。功能逻辑215可仅仅存储图像数据或甚至通过应用图像后效果(例如，剪裁、旋转、消除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵图像数据。在一个实例中，读出电路211可沿着读出列线(已说明)一次读出一行图像数据，或可同时使用例如所有像素的串行读出或全并行读出的多种其它技术(未说明)来读出图像数据。
在一个实例中，控制电路221耦合到像素阵列205以控制像素阵列205中的多个光电二极管的控制操作。举例来说，控制电路221可生成用于控制图像获取的快门信号。在所描绘的实例中，所述快门信号是全局快门信号，其用于同时使像素阵列205内的所有像素能够在单获取窗期间同时捕获其相应图像数据。在另一实例中，图像获取与例如闪光的发光效果同步。
在一个实例中，成像系统200可包含于数字照相机、手机、膝上型计算机、汽车或类似者中。另外，成像系统200可耦合到其它硬件零件，例如处理器(通用或其它)、存储器元件、输出(USB端口、无线发射器、HDMI端口等等)、发光/闪光、电气输入(键盘、触摸显示器、触控板、鼠标、麦克风等等)及/或显示器。其它硬件零件可将指令递送到成像系统200，从成像系统200提取图像数据，或操纵由成像系统200供应的图像数据。
图3A到3C说明用于形成图1A的图像传感器的实例方法300。不应将在方法300中出现一些或所有说明的次序认为是具限制性。实情是，受益于本发明的所属领域的一般技术人员应理解，可以未说明的多种次序或甚至并行执行方法300中的一些。此外，方法300可省略某些说明以便避免使某些方面模糊。替代地，方法300可包含在本发明的一些实施例/实例中可为不必要的额外说明。
图3A说明在半导体材料301中与浮动扩散区321一起提供多个背侧照明光电二极管303。为了形成光屏蔽件307，将杂质元素植入于背侧353与存储节点的位置(被描绘为空的虚线方框，这是因为在所说明的实例中尚未形成存储节点)之间。在一个实例中，杂质元素可为氧、锗或任何其它合适的元素或元素的组合。尽管在所描绘的实例中通过前侧351植入杂质，但在其它实例中可通过背侧353植入杂质元素。
图3B描绘使所植入的元素退火以使用半导体材料301形成化合物。在一个实例中，半导体材料301包含硅，且所植入的杂质元素形成SiO2或SiGe。光屏蔽件307的这些化学成分两者都可帮助阻挡光行进到存储节点305。举例来说，二氧化硅的低折射率可反射朝向存储节点305行进的光，相反地，SiGe的窄带隙可允许吸收宽波长范围的光，包含红外光及类似者。
图3C说明形成额外图像传感器装置架构。举例来说，形成转移栅极311，且其耦合以从多个光电二极管中的光电二极管303提取图像电荷。形成存储栅极313的其它组件，使得存储栅极313耦合到转移栅极311以接收图像电荷。举例来说，栅电极经沉积为紧接于半导体材料301的前侧351，且存储节点305植入于半导体材料301中(例如，使用离子束植入或类似者)。存储节点305安置于光屏蔽件307与栅电极之间的半导体材料301中。
图4A到4C说明用于形成图1B的图像传感器的实例方法400。不应将在方法400中出现一些或所有说明的次序认为是具限制性。实情是，受益于本发明的所属领域的一般技术人员应理解，可以未说明的多种次序或甚至并行执行方法400中的一些。此外，方法400可省略某些说明以便避免使某些方面模糊。替代地，方法400可包含在本发明的一些实施例/实例中可为不必要的额外说明。
图4A说明通过半导体材料401的前侧451植入第一掺杂物以在前侧451与存储节点405的位置之间形成第一掺杂物区域408。在所描绘的实例中，已经形成存储节点405；然而，在其它实例(比如图3A所描绘的实例)中，可能尚未形成存储节点405。
图4B展示蚀刻从半导体材料401的背侧453到第一掺杂物区域408中的沟槽。在此实例中，植入掺杂物(例如，氮)破坏了前侧451与存储节点405的位置之间的半导体材料401的晶格。蚀刻沟槽会优先移除由第一掺杂物破坏的晶格。这可产生具有基本上“T”形结构的沟槽。可取决于其它处理考虑及所形成的几何形状而通过湿蚀刻或干蚀刻来完成半导体材料401的蚀刻。在所描绘的实例中，基本上“T”形结构的水平组件与存储节点405至少部分地横向共同延伸以防止图像光到达存储节点405。在其它实例中，所述水平组件可具有大于存储节点405的横向边界的横向边界或可甚至围绕存储节点405的边缘延伸以部分地环绕存储节点405。
图4C展示使用高k材料或氧化物中的至少一者回填沟槽以形成光屏蔽件407。在所描绘的实例中，第二掺杂物(例如，硼)植入于半导体材料401中以补偿半导体材料401中形成有存储节点405的区域中的疏忽的氮掺杂。此外，在蚀刻沟槽之后，沟槽的内部可经氧化以形成衬层(例如，SiO2)。一旦形成了衬层，就可将高k氧化物、金属或半导体沉积于沟槽中。如上所述，这些材料的各种光学及电子性质可用于防止光到达存储节点405。
还描绘形成装置架构的额外零件，例如光电二极管403。在一个实例中，形成多个光电二极管包含形成与转移栅极411的有源区域至少部分地横向共同延伸的光电二极管403的区域。因此，光电二极管403经定位以在经引导朝向转移栅极411的有源区域的图像光的至少一部分到达所述有源区域之前吸收图像光的所述部分。此外，图4C展示形成输出栅极415，其电耦合到存储栅极413以从存储栅极413输出图像电荷。图4C还展示将浮动扩散区421植入于半导体材料401的前侧451中，且浮动扩散区421耦合到输出栅极415以接收图像电荷。尽管图4C中未说明，但放大器晶体管也可经形成为耦合到浮动扩散区421以放大浮动扩散区421中的图像电荷。
本发明所说明的实例的上文描述，包含说明书摘要中所描述的内容，不希望为详尽的或将本发明限制为所揭示的精确形式。虽然本文中出于说明性目的而描述了本发明的具体实例，但相关领域的技术人员应认识到，各种修改可能在本发明的范围内。
鉴于上文的详细描述，可对本发明的实例做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应被解释为将本发明限制于本说明书中所揭示的具体实例。实情是，本发明的范围将完全由所附权利要求书确定，所述权利要求书应根据所建立的权利要求解释的公认原则来解释。

Claims (20)

1.一种背侧照明图像传感器，其包括：
半导体材料，其包含多个光电二极管，所述多个光电二极管安置于所述半导体材料中以通过所述半导体材料的背侧接收图像光；
转移栅极，其电耦合到所述多个光电二极管中的光电二极管以从所述光电二极管提取图像电荷；及
存储栅极，其电耦合到所述转移栅极以从所述转移栅极接收所述图像电荷，其中所述存储栅极包含：
栅电极，其经安置为紧接于所述半导体材料的前侧；
光屏蔽件，其安置于所述半导体材料中；及
存储节点，其安置于所述栅电极与所述光屏蔽件之间，其中所述光屏蔽件与所述存储节点光学对准以防止入射于所述背侧照明图像传感器上的所述图像光到达所述存储节点。
2.根据权利要求1所述的背侧照明图像传感器，其中所述光屏蔽件从所述背侧延伸到所述半导体材料中，且其中所述光屏蔽件的最靠近所述前侧的部分宽于所述光屏蔽件的最靠近所述背侧的部分。
3.根据权利要求2所述的背侧照明图像传感器，其中所述光屏蔽件是基本上“T”形。
4.根据权利要求3所述的背侧照明图像传感器，其中所述光屏蔽件包含氧化物或高k材料中的至少一者。
5.根据权利要求1所述的背侧照明图像传感器，其中所述光屏蔽件在所述半导体材料中是独立式的，且其中所述光屏蔽件包含氧化硅或锗中的至少一者。
6.根据权利要求1所述的背侧照明图像传感器，其进一步包括：
全局快门栅极，其经电耦合以从所述光电二极管提取电荷；
输出栅极，其电耦合到所述存储栅极以将图像电荷从所述存储栅极转移到浮动扩散区中；
复位晶体管，其电耦合到所述浮动扩散区；及
放大器晶体管，其电耦合到所述浮动扩散区以放大所述浮动扩散区中的所述图像电荷。
7.根据权利要求6所述的背侧照明图像传感器，其中所述光电二极管从所述半导体材料的所述前侧延伸到所述半导体材料中，且其中经安置为紧接于所述半导体材料的所述背侧的所述光电二极管的至少部分与所述转移栅极横向共同延伸，且其中所述光电二极管紧接于所述前侧的宽度小于所述光电二极管紧接于所述背侧的所述宽度。
8.根据权利要求7所述的背侧照明图像传感器，其中经安置为紧接于所述背侧的所述光电二极管的所述至少部分与所述转移栅极的有源区域光学对准，且在所述图像光到达所述转移栅极的所述有源区域之前吸收所述图像光中的至少一些。
9.根据权利要求1所述的背侧照明图像传感器，其中所述存储节点及所述光屏蔽件与彼此及所述存储栅极的所述栅电极至少部分地横向共同延伸。
10.一种背侧照明图像传感器制造方法，其包括：
在半导体材料中形成多个光电二极管，其中所述多个光电二极管经安置以通过所述背侧照明图像传感器的背侧接收图像光；
形成转移栅极，其经耦合以从所述多个光电二极管中的光电二极管提取图像电荷；及
形成存储栅极，其耦合到所述转移栅极以接收所述图像电荷，其中形成所述存储栅极包含：
在所述半导体材料中形成光屏蔽件；
紧接于所述半导体材料的前侧沉积栅电极，其中所述前侧与所述背侧相对；及
在所述半导体材料中植入存储节点，其中所述存储节点安置于所述光屏蔽件与所述栅电极之间的所述半导体材料中。
11.根据权利要求10所述的方法，其中形成所述光屏蔽件包含：
从所述半导体材料的所述前侧植入第一掺杂物以在所述前侧与所述存储节点的位置之间形成第一掺杂物区域；
蚀刻从所述半导体材料的所述背侧到所述第一掺杂物区域中的沟槽；
使用金属或氧化物中的至少一者回填所述沟槽。
12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：
植入具有与所述第一掺杂物相反的多数电荷载子类型的第二掺杂物以补偿所述第一掺杂物；
在蚀刻所述沟槽之后，氧化所述沟槽的内部以形成衬层；
及将高k氧化物沉积于所述沟槽中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中植入所述第一掺杂物包含植入氮以破坏所述前侧与所述存储节点的所述位置之间的所述半导体材料的晶格，且其中蚀刻所述沟槽会优先移除由所述第一掺杂物破坏的所述晶格以产生具有基本上“T”形结构的沟槽。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述基本上“T”形结构的水平组件与所述存储节点至少部分地横向共同延伸。
15.根据权利要求10所述的方法，其中在所述半导体材料中形成所述光屏蔽件包含：
在所述背侧与所述存储节点的位置之间植入杂质元素；及
使所述杂质元素退火。
16.根据权利要求15所述的方法，其中植入所述杂质元素是通过所述半导体材料的所述前侧而发生，且其中所述杂质元素包含锗或氧中的至少一者。
17.根据权利要求16所述的方法，其中使所述杂质元素退火会使用SiGe或SiO2中的至少一者形成所述光屏蔽件，且其中所述光屏蔽件与所述存储节点光学对准，且防止图像光到达所述存储节点。
18.根据权利要求10所述的方法，其中形成所述多个光电二极管包含形成与所述转移栅极的有源区域至少部分地横向共同延伸的所述光电二极管的区域时。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述光电二极管的所述区域经定位以在经引导朝向所述转移栅极的所述有源区域的所述图像光的至少一部分到达所述有源区域之前吸收所述图像光的所述部分。
20.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：
形成输出栅极，其电耦合到所述存储栅极以从所述存储栅极输出所述图像电荷；
在所述半导体材料的所述前侧中植入浮动扩散区，其中所述浮动扩散区耦合到所述输出栅极以接收所述图像电荷；及
形成放大器晶体管，其耦合到所述浮动扩散区以放大所述浮动扩散区中的所述图像电荷。
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