CN108400141B - 具有反向倒置型源极跟随器的图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请案涉及一种具有反向倒置型源极跟随器的图像传感器。图像传感器包含：光电二极管，其安置在第一半导体材料中的；及浮动扩散部，其在所述第一半导体材料中安置成靠近所述光电二极管。源极跟随器晶体管部分地安置在第二半导体材料中且包含：第一经掺杂区、第三经掺杂区以及具有与所述第一经掺杂区及第三经掺杂区相反的极性的第二经掺杂区；以及栅电极，其耦合到所述浮动扩散部并安置在所述第一半导体材料中并与所述源极跟随器晶体管的所述第二半导体材料中的所述第二经掺杂区对准。
Description
技术领域
本发明大体上涉及半导体制造，且特定来说(但非排他性地)，涉及CMOS图像传感器。
背景技术
图像传感器已变得无处不在。它们广泛应用于数字静态相机、蜂窝电话、安全摄像机，以及医疗、汽车及其它应用中。用于制造图像传感器的技术持续以迅猛的速度进步。举例来说，对更高分辨率及更低功耗的需求已促进这些装置的进一步微型化及集成化。
典型的图像传感器如下操作。来自外部场景的图像光入射在图像传感器上。图像传感器包含多个光敏元件，使得每一光敏元件吸收入射图像光的一部分。包含在图像传感器中的光敏元件(例如光电二极管)在吸收图像光时各自产生图像电荷。所产生的图像电荷的量与图像光的强度成比例。所产生的图像电荷可用于产生表示外部场景的图像。
汽车图像传感器面临LED闪烁的问题。未来的汽车车灯、交通信号灯及标志可用在90到300Hz下脉冲化且具有高峰值光强度的LED来构建。这要求图像传感器对LED的最小曝光时间应保持在10ms以上。可能需要非常高的满阱容量或者非常低的光敏感度以避免图像传感器像素饱及并丢失有用的信息。
发明内容
一方面，本发明描述一种图像传感器，其包括：光电二极管，其安置在第一半导体材料中；浮动扩散部，其在所述第一半导体材料中安置成靠近所述光电二极管；及源极跟随器晶体管，其部分地安置在第二半导体材料中，其中所述源极跟随器晶体管包含：第一经掺杂区、第三经掺杂区以及具有与所述第一经掺杂区及所述第三经掺杂区相反的极性的第二经掺杂区，且其中所述第二经掺杂区横向地安置在所述第一经掺杂区与所述第三经掺杂区之间；及栅电极，其耦合到所述浮动扩散部并安置在所述第一半导体材料中，且其中所述栅电极与所述源极跟随器晶体管的所述第二半导体材料中的所述第二经掺杂区对准。
另一方面，本发明描述一种图像传感器制造方法，其包括：在第一半导体材料中形成光电二极管及浮动扩散部；去除安置成靠近所述第一半导体材料的表面上的晶种区域的氧化物层的部分；将第二半导体材料沉积在所述第一半导体材料的所述表面上方；退火所述第一半导体材料及第二半导体材料；蚀刻掉所述第二半导体材料的一部分以形成源极跟随器晶体管的部分；以及将掺杂剂植入到所述第二半导体材料中以形成第一经掺杂区、第三经掺杂区以及具有与所述第一经掺杂区及所述第三经掺杂区相反的极性的第二经掺杂区，且其中所述第二经掺杂区横向地安置在所述第一经掺杂区与所述第三经掺杂区之间，且其中所述第二经掺杂区是所述源极跟随器晶体管的沟道，并且与安置在所述第一半导体材料中并电耦合到所述浮动扩散部的栅电极垂直对准。
附图说明
参考以下图式描述本发明的非限制性及非穷尽实例，其中相似参考数字贯穿各种视图指代相似部分，除非另有规定。
图1A是根据本发明的教示的实例图像传感器的俯视图。
图1B是根据本发明的教示的沿线A-A’切割的图1A中的图像传感器的横截面图。
图1C是根据本发明的教示的沿线B-B’切割的图1A中的图像传感器的横截面图。
图2是说明根据本发明的教示的可包含图1A到1C的图像传感器的成像系统的一个实例的框图。
图3说明根据本发明的教示的图像传感器制造的实例方法。
对应参考字符贯穿附图的若干视图指示对应组件。所属领域的技术人员应了解，图式中的元件出于简单及清楚的目的而说明，且未必是按比例绘制。举例来说，图式中一些元件的尺寸相对于其它元件可被夸大以帮助提高对本发明的各种实施例的理解。此外，为了促进对本发明的这些各种实施例的更容易的观察，通常不描绘在商业上可行的实施例中有用的或必需的常见但众所周知的元件。
具体实施方式
本文描述一种用于具有反向倒置型源极跟随器的图像传感器的设备及方法的实例。在以下描述中，阐述众多特定细节以提供对所述实例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，能够在不具有一或多个特定细节的情况下或使用其它方法、组件、材料等等实践本文所描述的技术。在其它情况下，未展示或详细地描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆某些方面。
贯穿本说明书对“一个实例”或“一个实施例”的参考意指结合实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，贯穿本说明书的各种地方的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”的出现未必皆是指同一实例。此外，特定特征、结构或特性可以任何合适方式在一或多个实例中组合。
贯穿本说明书，使用若干所属领域的术语。这些术语具有其所出自的领域的一般意义，除非本文具体定义或其使用背景另有明确指示。应注意，可贯穿此文献互换使用元件名称及符号(例如，Si与硅)；然而，两者具有相同含义。
图1A是实例图像传感器100的俯视图。图像传感器100包含第一半导体材料101(如图1B到1C中所说明)、光电二极管103、转移晶体管105、浮动扩散部127、复位门109(包含触点121及栅电极123)以及源极跟随器晶体管111(包含第二半导体材料125及触点121)。
如所说明的是中所示，光电二极管103安置在第一半导体材料101中，且浮动扩散部127安置成靠近第一半导体材料101中的光电二极管103。转移晶体管105电耦合在光电二极管103与浮动扩散部127之间，以响应于施加到转移晶体管105的转移信号而将来自光电二极管103的图像电荷转移到浮动扩散部127。另外，复位门109电耦合到浮动扩散部127，并且响应于复位信号，复位门109复位浮动扩散部127中的图像电荷。两个触点121耦合到复位门109：一个触点耦合到栅电极123，且另一个触点耦合到漏极电极。如所说明，当从第一半导体材料101的光入射表面观察时，光电二极管103、浮动扩散部127及复位门109形成大体上“T”形结构(所描绘)。所属领域的一般技术人员将会了解，图像传感器100可为背侧或前侧照明的。
源极跟随器晶体管111部分地安置在第二半导体材料125中。在所说明的实例中，源极跟随器晶体管111的第二半导体材料125安置成靠近第一半导体材料101的表面，并且可正交于浮动扩散部127的在第二半导体材料125下方延伸的一部分而定向。在一个实例中，第二半导体材料125可包含通过在晶种区域中使用第一半导体材料101的晶体结构作为单晶生长的模板而形成的单个半导体晶体(例如，单晶Si)。将结合图1B到1C来更详细论述源极跟随器晶体管111的具体装置几何形状。
图1B是如沿A-A’线切割的图1A中的图像传感器100的横截面图。如所示，电介质材料133(例如，SiO2、HfO2或类似者)安置在第一半导体材料101与第二半导体材料125之间。此外，浅沟槽隔离结构131至少部分地环绕浮动扩散部127，并且可用于电隔离图像传感器系统中的个别像素(例如，参见图2的成像系统)。这些结构可能有助于防止电串扰及随后的图像质量劣化。此外，在本发明的一些实例中，浅沟槽隔离结构131或其它隔离结构可环绕整个像素。
图1C是沿线B-B’切割的图1A中的图像传感器100的横截面图。如所示，源极跟随器晶体管111包含第一经掺杂区125A(源极)、第三经掺杂区125C(漏极)及第二经掺杂区125B(沟道，具有与第一经掺杂区125A及第三经掺杂区125C相反的极性)。第二经掺杂区125B横向安置在第一经掺杂区125A与第三经掺杂区125C之间。源极跟随器晶体管111的栅电极在第一半导体材料101中安置成靠近第二经掺杂区125B(并且根据本发明的教示可为浮动扩散部127的延伸，或者耦合到浮动扩散部127的其自身的分离掺杂栅极结构)。如所示，源极跟随器晶体管111可为N-P-N装置：第一经掺杂区125A及第三经掺杂区125C是n型的，且第二经掺杂区125B是p型的。而在其它实例中，源极跟随器晶体管111可为P-N-P装置，在此情况下三个区的极性反转。在所说明的实例中，第一电触点121及第二电触点121分别电耦合到第一经掺杂区125A及第三经掺杂区125B。此外，绝缘缓冲器135安置在第二半导体材料125的边缘上，且源极跟随器晶体管111的栅电极至少部分地由浅沟槽隔离结构131环绕。
在其它图像传感器装置中，高光信号可被存储在浮动扩散部上。在常规CMOS装置中，浮动扩散部需要与Si的触点以将其信号耦合到源极跟随器晶体管。此触点可导致暗电流及缺陷像素。此处所描绘的结构通过形成反向倒置型源极跟随器晶体管111来解决这些问题。因此，如所示，像素的浮动扩散部127(或耦合到浮动扩散部127的不同栅极区)延伸到源极跟随器作用区下方并用作源极跟随器晶体管111的栅电极。这避免对浮动扩散部127上的硅触点的需要，并且因此可避免与以Si进行的触点形成相关联的高暗电流及缺陷像素。
图2是说明可包含图1A到1C的图像传感器的成像系统的一个实例。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，光电二极管布置成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获取人员、位置、物体等等的图像数据，所述图像数据可随后用于呈现人员、位置、物体等等的2D图像。然而，光电二极管不必被布置成行及列，并且可以采取其它配置。
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，所述图像数据由读出电路211读出且随后被转移到功能逻辑215。在各种实例中，读出电路211可包含放大电路、模/数转换(ADC)电路或其它电路。功能逻辑215可仅存储图像数据或甚至通过应用后图像效果(例如，裁剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或以其它方式)操纵图像数据。在一个实例中，读出电路211可沿读出列线一次读出一行图像数据(已说明)或可使用各种其它技术读出图像数据(未说明)，例如，串行读出或同时完全并行读出全部像素。
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操作。举例来说，控制电路221可产生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，其用于同时启用像素阵列205内的所有像素以在单个获取窗口期间同时获取其相应图像数据。在另一实例中，图像获取与照明效果(例如闪光)同步。
在一个实例中，成像系统200可包含于数码相机、手机、膝上型计算机、汽车或类似物中。另外，成像系统200可耦合到其它硬件块，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)、照明/闪光、电输入(键盘、触摸显示器、跟踪板、鼠标、麦克风等等)及/或显示器。其它硬件块可将指令传送到成像系统200，从成像系统200提取图像数据，操纵由成像系统200供应的图像数据。
图3说明图像传感器制造的实例方法300。一些或所有过程框在方法300中出现的顺序不应被认为是限制性的。而是，受益于本发明的所属领域的一般技术人员将理解，方法300中的一些可以未说明的各种顺序执行或甚至并行执行。此外，方法300可省略某些过程框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/实例中可能不是必需的额外过程框。
过程框301展示在第一半导体材料中形成光电二极管。在一些实例中(如图2所描绘的那些)，许多光电二极管可被构造在半导体晶片中以形成光电二极管阵列。在一个实例中，尽管将掺杂剂植入到第一半导体材料中以形成全部或一些光电二极管，但可在第一半导体材料中形成浮动扩散部。类似地，可在光电二极管与浮动扩散部之间形成转移晶体管，其可经电耦合以将来自光电二极管的图像电荷转移到浮动扩散部。另外，可在光电二极管形成之前或在光电二极管形成的同时在第一半导体材料中形成浅沟槽隔离结构。
在第一半导体材料中形成一些装置架构之后，可在第一半导体材料的表面上沉积或生长氧化物层(例如，通过氧化半导体材料或类似物)。氧化物材料可包含SiO2、HfO2或类似的电介质材料。
过程框303揭示去除安置成靠近第一半导体材料的表面上的晶种区域(参见例如图1A)的氧化物层的部分。在此实例中，晶种区域可用于通过使用下伏半导体的晶体结构来生长单晶以生长单晶源极跟随器作用区。去除氧化物的部分可用湿式蚀刻或类似者来完成。
过程框305说明将第二半导体材料沉积在第一半导体材料的表面上方。换句话说，半导体材料的第二层可沉积在第一半导体材料的氧化物表面上。因此，氧化物层安置在第一半导体材料与第二半导体材料之间。然而，此第二半导体材料的部分可接触暴露的晶种区域，使得第二半导体材料与第一半导体材料接触(至少在晶种区域中)。在一些实例中，通过固态横向相位外延形成第二半导体材料。
过程框307展示退火第一半导体材料及第二半导体材料。这允许在沉积过程期间形成的第二半导体材料中的晶体聚结并形成单晶。在一些例子中，退火在600℃到700℃下发生5到20小时。
在退火第一及第二半导体材料之后，可发生光刻图案化及干式刻蚀，以将第二半导体材料的厚度减小到与靠近第一半导体材料的表面形成的其它装置架构件相同。
过程框309揭示蚀刻掉第二半导体材料的一部分以形成源极跟随器晶体管的部分。此蚀刻将源极跟随器晶体管的作用区域与第一半导体材料分离，从而允许安置在第一半导体材料中的浮动扩散部充当源极跟随器晶体管的栅电极。此外，氧化物层可用作栅电极与第二半导体材料之间的栅极电介质。
过程框311说明将掺杂剂植入到第二半导体材料中以形成第一经掺杂区、第三经掺杂区以及具有与第一经掺杂区及第三经掺杂区相反的极性的第二经掺杂区。换句话说，植入掺杂剂可用于在第二(单晶)半导体材料中构建N-P-N或P-N-P结以形成源极跟随器晶体管的作用区。第二经掺杂区可横向安置在第一经掺杂区与第三经掺杂区之间，并且安置在浮动扩散部/源极跟随器栅极之上，使得第二经掺杂区用作源极跟随器晶体管的作用层。
在一些实例中，将掺杂剂植入到第二半导体材料中进一步在第一半导体材料中形成逻辑电路。换句话说，植入步骤可被用于在图像传感器中形成其它集成电路件(例如，其它NMOS逻辑件)。
在一些实例中，可形成分别电耦合到第一经掺杂区及第三经掺杂区的电触点。这些触点可向第二半导体材料注入电荷/从第二半导体材料提取电荷。因此，第一经掺杂区及第三经掺杂区用作源极跟随器晶体管的源极及漏极。
不希望本发明的所说明的实例的以上描述(包含摘要中所描述的内容)为穷尽性或将本发明限于所揭示的具体形式。尽管本文描述本发明的特定实例是出于说明性目的，但所属领域的技术人员将认识到，在本发明范围内各种修改是可能的。
依据以上详细描述可对本发明做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于本说明书中所揭示的特定实例。而是，本发明的范围全部由所附权利要求书确定，所附权利要求书应根据权利要求解释的既定原则来解释。
Claims (20)
1.一种图像传感器，其包括：
光电二极管，其安置在第一半导体材料中；
浮动扩散部，其在所述第一半导体材料中安置成靠近所述光电二极管；及
源极跟随器晶体管，其部分地安置在第二半导体材料中，其中所述源极跟随器晶体管包含：
第一经掺杂区、第三经掺杂区以及具有与所述第一经掺杂区及所述第三经掺杂区相反的极性的第二经掺杂区，且其中所述第二经掺杂区横向地安置在所述第一经掺杂区与所述第三经掺杂区之间；及
栅电极，其耦合到所述浮动扩散部并安置在所述第一半导体材料中，且其中所述栅电极与所述源极跟随器晶体管的所述第二半导体材料中的所述第二经掺杂区对准。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一经掺杂区及所述第三经掺杂区是n型的，且所述第二经掺杂区是p型的。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述第二半导体材料的包含所述第一经掺杂区、所述第二经掺杂区及所述第三经掺杂区的一部分是单个半导体晶体。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括电耦合到所述浮动扩散部的复位门，其中响应于复位信号，所述复位门复位所述浮动扩散部中的图像电荷。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中所述光电二极管、所述浮动扩散部及所述复位门形成大体上“T”形结构。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括转移晶体管，所述转移晶体管电耦合在所述光电二极管与所述浮动扩散部之间，以响应于施加到所述转移晶体管的转移信号而将来自所述光电二极管的图像电荷转移到所述浮动扩散部。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括安置在所述第一半导体材料与所述第二半导体材料之间的电介质材料。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述源极跟随器晶体管的所述第二半导体材料安置成靠近所述第一半导体材料的表面，并且与在所述第一半导体材料中安置在所述第二经掺杂区下方的所述浮动扩散部的一部分正交而定向。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括至少部分环绕所述浮动扩散部的浅沟槽隔离结构。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括分别电耦合到所述第一经掺杂区及所述第三经掺杂区的第一电触点及第二电触点，且其中所述第一经掺杂区及所述第三经掺杂区分别形成源电极及漏极电极，且其中所述第二经掺杂区形成所述源极跟随器晶体管的沟道。
11.一种图像传感器制造方法，其包括：
在第一半导体材料中形成光电二极管及浮动扩散部；
去除安置成靠近所述第一半导体材料的表面上的晶种区域的氧化物层的部分以暴露所述晶种区域；
将第二半导体材料沉积在所述第一半导体材料的所述表面上方；
退火所述第一半导体材料及第二半导体材料；
蚀刻掉所述第二半导体材料的一部分以形成源极跟随器晶体管的部分；以及
将掺杂剂植入到所述第二半导体材料中以形成第一经掺杂区、第三经掺杂区以及具有与所述第一经掺杂区及所述第三经掺杂区相反的极性的第二经掺杂区，且其中所述第二经掺杂区横向地安置在所述第一经掺杂区与所述第三经掺杂区之间，且其中所述第二经掺杂区是所述源极跟随器晶体管的沟道，并且与安置在所述第一半导体材料中并电耦合到所述浮动扩散部的栅电极垂直对准。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述氧化物层安置在所述第一半导体材料与所述第二半导体材料之间。
13.根据权利要求11所述的方法，其中退火在所述第二半导体材料的包含所述第一经掺杂区、所述第二经掺杂区及所述第三经掺杂区的一部分中形成单晶。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二半导体材料的所述部分由固态横向相位外延形成。
15.根据权利要求14所述的方法，其中退火在600℃到700℃下发生5到20小时。
16.根据权利要求11所述的方法，其中将掺杂剂植入到所述第二半导体材料中进一步在所述第一半导体材料中形成逻辑电路。
17.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括将所述第二半导体材料与所述晶种区域分离。
18.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括形成转移晶体管，所述转移晶体管经耦合以将图像电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散部。
19.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一经掺杂区、所述第二经掺杂区及所述第三经掺杂区形成N-P-N结，且其中所述第一经掺杂区及第三经掺杂区是N型的，且所述第二经掺杂区是P型的并且横向地安置在所述第一经掺杂区与所述第三经掺杂区之间。
20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括形成分别电耦合到所述第一经掺杂区及第三经掺杂区的电触点。
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