CN109246370B

CN109246370B - 图像传感器、其制作方法和操作方法以及成像装置

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Publication number: CN109246370B
Application number: CN201811373737.2A
Authority: CN
Inventors: 张超
Original assignee: Huaian Imaging Device Manufacturer Corp
Current assignee: Huaian Xide Industrial Design Co ltd
Priority date: 2018-11-19
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2038-11-19
Also published as: CN109246370A

Abstract

本公开涉及图像传感器、其制作方法和操作方法以及成像装置。一种图像传感器包括：衬底，包括光感测区和电荷存储区，所述衬底具有第一主表面和与第一主表面相反的第二主表面，其中：在所述光感测区中形成有光感测元件，在所述电荷存储区中形成有电荷存储元件，所述光感测区和电荷存储区被形成为邻接或者邻近所述第一表面，并且在从所述第二主表面向第一主表面的方向上，所述光感测区的至少一部分高于所述电荷存储区整体。

Description

图像传感器、其制作方法和操作方法以及成像装置

技术领域

本公开涉及图像传感器、其制作方法和操作方法以及成像装置。

背景技术

在传统的正面照射式(FSI)图像传感器中，在衬底中形成诸如光电二极管的感光元件之后，在衬底的表面上形成诸如金属布线等互连结构。互连结构包括多层绝缘层和布线层，因此，入射光到达光接收面的路径长，导致光强降低。

另外，在传统的正面照射式(FSI)图像传感器中横向的光以及电子串扰难以避免。为了减少串扰，需要复杂的工艺。

另一方面，FSI图像传感器需要从其中形成了光电二极管的衬底的背面进行衬底减薄处理。减薄工艺会带来很多工艺问题。

因此，存在对改进的图像传感器、其制作方法和操作方法以及成像装置的需求。

发明内容

根据本公开一个方面，提供了一种图像传感器，包括：衬底，包括光感测区和电荷存储区，所述衬底具有第一主表面和与第一主表面相反的第二主表面，其中：在所述光感测区中形成有光感测元件，在所述电荷存储区中形成有电荷存储元件，所述光感测区和电荷存储区被形成为邻接或者邻近所述第一表面，并且在从所述第二主表面向第一主表面的方向上，所述光感测区的至少一部分高于所述电荷存储区整体。

在一些实施例中，所述光感测区的第一部分高于所述电荷存储区整体，所述光感测区还包括：在所述第一部分下方的第二部分，其中，所述第一部分具有第一导电类型，所述第二部分具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型。

在一些实施例中，所述图像传感器还包括：连接在所述光感测元件和所述电荷存储元件之间的开关元件，所述开关元件被配置使得：在导通时，允许光感测元件所产生的光电荷进入所述电荷存储元件。

在一些实施例中，所述电荷存储区包括第一掺杂区，所述第一掺杂区与所述光感测区的第二部分导电类型相反；所述图像传感器还包括：由所述光感测区的第二部分和所述第一掺杂区在二者的界面处及附近形成的二极管，所述二极管被配置使得：在导通时，允许所述光感测元件所产生的光电荷进入所述电荷存储元件。

在一些实施例中，所述电荷存储区包括第一掺杂区和中间掺杂区，所述中间掺杂区设置在所述第一掺杂区与所述光感测区的第二部分之间，所述中间掺杂区的导电类型与所述第一掺杂区相同，但掺杂浓度低于所述第一掺杂区的掺杂浓度；所述图像传感器还包括：由所述光感测区的第二部分、所述第一掺杂区和所述中间掺杂区形成的二极管，所述二极管被配置使得：在导通时，允许所述光感测元件所产生的光电荷进入所述电荷存储元件。

在一些实施例中，所述光感测区还包括：第三部分，位于所述第一部分之上，所述第三部分的导电类型与所述第一部分的导电类型相反。

在一些实施例中，所述光感测区还包括：第四部分，位于所述第一部分的侧面，且分别与所述第三部分和所述第二部分邻接，所述第四部分的导电类型与所述第一部分的导电类型相反。

在一些实施例中，所述图像传感器还包括：互连结构，位于所述电荷存储区之上，并且包括一个或多个绝缘层以及一个或多个导电结构，其中所述一个或多个导电结构与所述光感测区电隔离。

在一些实施例中，所述图像传感器还包括：互连结构，位于所述电荷存储区之上，并且包括一个或多个绝缘层以及一个或多个导电结构，其中所述一个或多个导电结构与所述光感测区电隔离，并且其中所述光感测区的第四部分在所述光感测区的第一部分与所述互连结构之间。

在一些实施例中，所述图像传感器适于从所述第一表面侧接收光，所述第一导电类型是N型和P型中的一个，所述第二导电类型是N型和P型中的另一个。

根据本公开一个方面，提供了一种用于图像传感器的制作方法，包括：提供衬底，所述衬底具有第一主表面和相反的第二主表面；在衬底中至少形成第一掺杂区和第二掺杂区，其中所述第一掺杂区与所述第二掺杂区相邻，所述第一掺杂区具有第一导电类型，所述第二掺杂区具有与第一导电类型相反的第二导电类型；在其中形成了第一掺杂区和第二掺杂区的衬底之上形成图案化的绝缘层，以使得所述第二掺杂区的至少一部分表面露出；以及在所述第二掺杂区的一部分露出的表面上形成外延层，其中：所述第一掺杂区用于形成电荷存储区，所述外延层和所述第二掺杂区用于形成光感测区，所述光感测区和电荷存储区被形成为邻接或者邻近所述第一表面，并且在从所述第二主表面向第一主表面的方向上，所述外延层高于所述电荷存储区整体。

在一些实施例中，所述外延层包括第一区域，所述第一区域的导电类型与所述第二掺杂区的导电类型相反。

在一些实施例中，所述外延层包括在所述第一区域之上的第二区域，所述第二区域的导电类型与所述第一区域的导电类型相反。

在一些实施例中，所述方法还包括：进行第一掺杂，以在至少所述外延层中形成第一区域，所述第一区域的导电类型与所述第二掺杂区的导电类型相反。

在一些实施例中，所述方法还包括：进行第二掺杂，以在所述外延层中形成第二区域，其中，所述第二区域在所述第一区域之上，并且所述第二区域的导电类型与所述第一区域的导电类型相反。

在一些实施例中，在衬底中至少形成第一掺杂区和第二掺杂区还包括：形成中间掺杂区，所述中间掺杂区设置在所述第一掺杂区与所述第二掺杂区之间，所述中间掺杂区的导电类型与所述第一掺杂区相同，但掺杂浓度低于所述第一掺杂区的掺杂浓度。

在一些实施例中，所述方法还包括：进行第三掺杂，以在所述外延层中形成第三区域，其中所述第三区域位于所述第一区域与对应的图案化的绝缘层之间。

在一些实施例中，所述方法还包括：在所述图案化的绝缘层中形成导电结构。

在一些实施例中，所述绝缘层包括：在所述衬底上的氮化硅层；以及在氮化硅层上的TEOS层。

根据本公开一个方面，提供了一种具有图像传感器的装置，其中所述图像传感器是根据本公开任意实施例所述的图像传感器。

根据本公开一个方面，提供了一种图像传感器的操作方法，所述方法包括：提供电压到所述光感测区的第二部分和所述第一掺杂区，以使得所述二极管导通，从而允许光感测元件所产生的光电荷进入所述电荷存储元件。

附图说明

附图构成本说明书的一部分，其描述了本公开的示例性实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理，在附图中：

图1A示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的部分截面图；

图1B示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的衬底的部分截面图；

图1C示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的衬底的部分截面图；

图2示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的部分截面图；

图3A和3B示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的部分截面图；

图4A示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的部分截面图；

图4B示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的部分截面图；

图5A示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的简化的布局图；

图5B示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的简化的部分电路图示；

图6示出了根据本发明的一些实施例的图像传感器的部分截面图；

图7A-7I示出了根据本公开的一些实施例的图像传感器的制造方法的步骤的工艺流程图；

图8A示出了根据本公开的一些实施例的图像传感器的部分截面图；

图8B示出了根据本公开的一些实施例的图像传感器的示例性浓度分布。

图9示出了根据本公开的一些实施例的成像装置的示意框图。

注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在本说明书中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，所公开的发明并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。

具体实施方式

以下结合附图详细地描述本公开的具体实施例。但应理解，对实施例的描述仅仅是说明性的，在任何意义上都不是对本申请所要求保护的发明的限制。除非另有具体说明或者上下文或其原理明示或者暗示，在示例性实施例中的组件和步骤的相对布置、表达式和数值等不作为对本申请所要保护的发明的限制。在本说明书中，对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

本文中所用的术语，仅仅是为了描述特定的实施例，而不意图限制本公开。应理解的是，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。

在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本发明的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其他取向上操作。

在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。

在本公开中，诸如“第一”、“第二”、“第三”等的序数词是为了避免构成要素的混淆而标记的，而不用于在任何方面上的优先次序。

在下文中，有时使用CMOS图像传感器芯片作为示例来对本发明的某些实施例进行描述，但本发明并不限于此。

根据本公开一些实施例，提供了一种图像传感器。图1A示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的部分截面图。图1B示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的衬底的部分截面图。如图1A和1B所示，图像传感器可以包括衬底100，例如半导体衬底。这里，对衬底没有特别限制，只要其可以用来制作感光元件和电荷存储元件即可。另外，这里将包含半导体材料的衬底称为半导体衬底，例如但不限于，体半导体衬底。

如图1A和1B所示，衬底100可以包括光感测区110和电荷存储区150。衬底100具有第一主表面101和与第一主表面相反的第二主表面103。

在所述光感测区中可以形成有光感测元件，例如但不限于，光电二极管。在所述电荷存储区中形成有电荷存储元件。本领域技术人员将理解，光感测区110和电荷存储区150可以由半导体材料形成。

如图1A和1B所示，光感测区和电荷存储区被形成为邻接或者邻近所述第一表面。在从所述第二主表面向第一主表面的方向上，所述光感测区的至少一部分(例如，111)高于所述电荷存储区整体。在一些实施例中，所述光感测区的至少一部分(例如，111)可以被形成相对于衬底的其他部分被抬升。在另一实施例中，电荷存储区可以被形成在相对于某些其他部分(例如，所述光感测区的至少一部分(例如，111))沉降。

在一些实施例中，所述光感测区还包括在所述第一部分下方的第二部分113。第一部分可以具有第一导电类型，第二部分具有与第一导电类型相反的第二导电类型。例如，第一部分的导电类型可以为N型，而第二部分的导电类型可以为P型；反之亦可以。从而，第一部分和第二部分可以形成光电二极管。应理解，本公开不限于此。在本公开中所述的第一导电类型可以是N型和P型中的一个，所述的第二导电类型可以是N型和P型中的另一个。

在一些实施例中，光感测区110还可以包括第三部分115，其位于所述第一部分之上。第三部分115的导电类型与所述第一部分的导电类型相反。例如，第三部分115的导电类型可以为P型。在一些实施例中，第三部分115可以为P⁺型(也即，其P型掺杂浓度较高)，从而其和第一部分111可以形成钉扎(pinning)二极管，例如可以见图4A。在某些情况下，钉扎二极管也可能用于产生光电荷。因此，其也可以被视为光电二极管或者光感测元件的一部分。

这里，需要说明的是，在本领域中，对于导电类型为N型的对象/区域等，根据掺杂浓度的不同可以对符号N增加后缀，使其成为例如：N+型(N型掺杂浓度较高，例如通常高于1×10²⁰atom/cm³)、N-型(N型掺杂浓度较低，例如通常低于1×10¹⁷atom/cm³)，N--型(N型掺杂浓度较低，例如通常低于1×10¹⁴atom/cm³)。应理解，这些数值的提出仅仅是用于示例性说明的目的。类似的，根据掺杂浓度的不同可以将P型分为例如，P+型、P-型、P--型等等。

这里，在称某部件/元件/对象等的导电类型为N型或P型(或者，某部件/元件/对象等具有N型或P型导电类型，或类似表述)时，对该某部件/元件/对象等所含有的掺杂浓度并无限定，除非上下文中另有明示或暗示说明。相反，在称某部件/元件/对象等为N型、N+型、N-型、N--型、P型、P+型、P-型、P--型时，则可能暗示或明示其浓度可能会对应地不同。应理解，在称某部件/元件/对象等为N型或P型时，其掺杂浓度在N+型和N-型之间或在P+型和P-型之间。

在本公开的一些实施例中，图像传感器还包括：连接在所述光感测元件和所述电荷存储元件之间的开关元件。所述开关元件被配置使得：在导通时，允许光感测元件所产生的光电荷进入所述电荷存储元件。

在一些实施例中，电荷存储区可以包括第一掺杂区151。第一掺杂区的导电类型与所述光感测区的第二部分113的导电类型相反。在这种情况下，图像传感器还包括：由所述光感测区的第二部分和所述第一掺杂区在二者的界面处及附近形成的二极管141/143(见图2)。二极管141/143被配置使得：在导通时，允许所述光感测元件所产生的光电荷进入所述电荷存储元件。这里，可以使用该二极管来作为开关元件。

本领域技术人员将理解，根据本公开所教导的原理，形成二极管作为开关元件的方式并不限于此。例如，在一些其他实施例中，电荷存储区可以包括第一掺杂区151和中间掺杂区LDD，如图8A所示。中间掺杂区设置在第一掺杂区与光感测区的第二部分113之间。中间掺杂区的导电类型与第一掺杂区相同，但掺杂浓度低于第一掺杂区的掺杂浓度。图像传感器还包括：由光感测区的第二部分、第一掺杂区和中间掺杂区形成的二极管。该二极管被配置使得：在导通时，允许光感测元件所产生的光电荷进入电荷存储元件。

还应理解，电荷存储区可以利用浮置扩散区(FD)来形成。

根据本公开的实施例，提供了一种新颖的图像传感器，其中所述光感测区的至少一部分111高于所述电荷存储区整体。例如，所述光感测区的至少一部分111可以相对于所述电荷存储区整体抬升；或者，所述电荷存储区整体可以相对于所述光感测区的至少一部分111沉降。从而，可以缩短光接收路径，从而提高了图像传感器的光感测效率，降低了光的串扰和/或光生电荷的串扰，后面将更详细说明。另外，在根据本公开一些实施例中，使用“寄生”二极管作为开关元件来控制图像传感器中光电荷到电荷存储元件的传输。这是一种新颖的控制方式。根据本公开的实施例，提供了新颖的图像传感器结构。

如前所述的，光感测区的第一区域111的导电类型可以为N型(其不同部分的掺杂浓度(或者，掺杂浓度)可以不同)。在图1B所示的示例中，N型的掺杂区111的下表面被示出为基本与电荷存储区150的上表面平齐；然而，本公开不限于此。图1C示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的衬底的部分截面图。如图1C所示，掺杂区111可以向表面103进一步延伸，延伸到低于电荷存储区150的上表面。

另外，如图中所示，衬底100还可以包括第三掺杂区160。第三掺杂区的导电类型与第一掺杂区的导电类型相反。电荷存储区的第二部分和第一掺杂区在第三掺杂区之上。

如图1A所示，图像传感器还包括：互连结构170，设置在所述电荷存储区之上。互连结构170可以包括一个或多个绝缘层171以及一个或多个导电结构173。这里，所述一个或多个导电结构被配置为与所述光感测区电隔离。所述导电结构可以是例如金属布线层或者诸如掺杂的多晶硅等。导电结构113可以设置在一个或多个绝缘层171中的一个或多个中。所述多个导电结构173之间可以通过例如通孔(via)175等导电件连接。

本领域技术人员将理解，本公开的实施例的所述图像传感器适于从第一表面101侧接收光。

如此，提供了新型的图像传感器。根据本公开的实施例，可以缩短光接收路径，降低各种布线层以及相关的绝缘层对光路的影响，从而提高了图像传感器的光感测效率，降低了光的串扰和/或光生电荷的串扰。

另外，如图中所示，互连结构170的上表面被示出为基本与光感测区110的上表面基本齐平。如此，可以改善表面平坦度，以利用后续工艺步骤。然而应理解，本公开不限于此。

图2示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的部分截面图。图2所示的结构基本与图1A所示的一致，区别在于在图2中标示出了相关部分的导电类型并示意性地示出了发光二极管。在一个实施例中，如图2所示，各部分的导电类型可以如下配置。第一部分111的导电类型可以为N型。第二部分113的导电类型可以为P型。如此，第一部分111和第二部分113可以形成光电二极管，如图中所示。第三部分115的导电类型可以为P型(或者P+型)。第三部分115和第一部分111也可以形成二极管，该二极管通常被称作钉扎二极管。电荷存储区150(例如但不限于第一掺杂区151)的导电类型可以为N型。如此，电荷存储区150和第二部分113形成二极管，如图中所示。实际上，电荷存储区150和第三掺杂区160也形成二极管。如此，可以将电荷保持在电荷存储区中，还可以防止或抑制电荷存储区中所存储的电荷的泄露，从而提高图像传感器的成像质量。应理解，各部分的导电类型以及掺杂浓度等参数的配置并不限于此。

图3A和3B示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的部分截面图。在一些实施例中，光感测区110还可以包括第四部分117，如图3A所示。第四部分117可以位于所述第一部分的侧面，且分别与所述第三部分和所述第二部分邻接。第四部分的导电类型可以被设置为与所述第一部分的导电类型相反。例如，在第一部分的导电类型为N型的情况下，第四部分的导电类型可以为P型(或者P-型)。

在一些实施例中，如图3A中所示，所述光感测区的第四部分117可以被设置在所述光感测区的第一部分与所述互连结构之间。第四部分117可以与互连结构相邻。

图3B所示的结构基本与图3A所示的一致，区别在于在图3B中标示出了相关部分的导电类型并示意性地示出了发光二极管。在一个实施例中，与上面就图2所描述的类似各部分的导电类型可以如下配置。第一部分111的导电类型可以为N型。第二部分113的导电类型可以为P型。如此，第一部分111和第二部分113可以形成光电二极管，如图中所示。第三部分115的导电类型可以为P型(或者P+型，也即掺杂浓度较高)。第四部分的导电类型可以为P型(或者P-型，也即掺杂浓度相对较低)。

根据这些实施例，第四部分和第一部分可以构成二极管，从而抑制光感测区110中产生的电荷的泄露。因此，可以进一步提高成像质量。

图4A示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的部分截面图。图4A所示的结构基本与前面所示的附图的结构类似，下面仅针对不同之处进行说明，对于相同的部分或部件不再进行详细说明。如图4A所示，光感测区110的第一部分111被形成为包括相邻的两个掺杂区。一个掺杂区为N--型，另一个掺杂区为N-型。也即，二者的掺杂浓度相对于通常的N型掺杂被降低，N--型区域的掺杂浓度比N-型的区域更低。如此，可以改善钉扎二极管和发光二极管的耗尽区的分布，可以改善发光二极管的发光效率。

另外，如图4A中所示，电荷存储区150还可以包括另外的掺杂区153。掺杂区153的掺杂浓度可以被设置为高于第一掺杂区151的浓度。例如，掺杂区153可以为N+型。如此，可以降低电荷存储区的电阻。另外，掺杂区153还可以用于到电荷存储区的电连接(例如，通过与掺杂区接触的接触件(contact))，来提供所存储的电荷到其它器件例如传输晶体管(图中未示出)等。

图4B示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的部分截面图。如图4B所示，图像传感器还可以包括在所述衬底中的电隔离结构401，用于隔离相邻像素。根据不同的实施例，电隔离结构401可以由绝缘材料或者掺杂区形成。

图5A示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的简化的版图布局图。如图5A所示，区域501指示光感测单元限定区，其限定接收光的区域。区域503可以对应于例如光感测区的第二部分113。区域507可以表示例如电荷存储区150。区域509指示控制连接区。区域511指示例如到有源层的接触件。

光感测单元限定区501可以用于限定接收光的区域，例如，用于接收红光、蓝光和/或绿光的区域。通常这些区域可能被称为像素或者子像素。光感测单元限定区501可以对应用于形成例如光感测区的第一部分、第三部分等。

区域507可以对应用于形成例如电荷存储区150、第一掺杂区151、或另外的掺杂区153等。电荷存储区150、第一掺杂区151、或另外的掺杂区153等可以通过其上的接触511连接到其他器件。

控制连接区509可以电连接到例如光感测区110的第二部分(113或503)，如图5A所示。控制连接区509还可以通过其上的接触511来接收控制信号。所述控制信号可以用于驱动作为开关元件的二极管141或143导通(ON)或关断(OFF)。从而二极管在导通时，允许所述光感测元件所产生的光电荷进入所述电荷存储元件。

图5B示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的简化的部分电路图示。本公开附图所示的图像传感器的部分可以被简化为如图5B所示的电路。光电二极管521/523分别通过控制开关(二极管525/527)连接到感测节点529。光电二极管521/523可以对应于上面所述的实施例中所提及的或者附图中所示的光电二极管。控制开关525/527可以对应于上面所述的实施例中所提及的或者附图中所示的控制二极管，例如141/143。感测节点可以对应于例如区域507或区域507上的接触件。通过感测节点，可以感测电荷存储区中所存储的电荷。

还应理解，本公开还提供了一种图像传感器的操作方法，其可以包括：提供电压到光感测区的第二部分和第一掺杂区，以使得二极管导通，从而允许光感测元件所产生的光电荷进入电荷存储元件。

图6示出了根据本发明的一些实施例的图像传感器的部分截面图。图6的下部(层611以下)所示的结构基本与图1A等所示的类似。其他的实施例中所描述或附图所示出的结构可以类似地应用于此。图6的上部示出了滤色器(color filter)以及其上的微透镜。

如图6所示，在如前面所述的任意实施例的图像传感器结构之上形成滤色器601、603和605。可选地，可以在滤色器和下部结构之间设置增透膜611，以减少光的反射。本领域技术人员将容易理解，滤色器601、603和605可以分别与感光单元对应。滤色器601、603和605可以例如分别是红色(G)、绿色(G)和蓝色(B)的，以分别过滤红光、绿光和蓝光。应理解，本公开不限于此。滤色器层可以采用本领域中已知的或将来开发的材料和工艺来制造，因此这里不再对此进行更进一步的说明。

在滤色器层上形成微透镜阵列。微透镜阵列可以包括多个微透镜607。微透镜可以被配置为与其下的感光单元(或像素)对应。类似的，微透镜可以采用本领域中已知的或将来开发的材料和工艺来制造，因此这里不再对此进行更进一步的说明。

如图6所示的，光线(在图中以带箭头的线表示)通过微透镜会聚，经过滤色器进入到对应的感光单元(例如，光电二极管)，并被转为电荷(或电信号)，从而能够被感测。如图6所示，根据本公开的实施例，可以缩短光接收路径，降低各种布线层以及相关的绝缘层对光路的影响，从而提高了图像传感器的光感测效率，降低了光的串扰和/或光生电荷的串扰。

图7A-7I示出了根据本公开的一些实施例的图像传感器的制造方法的步骤的工艺流程图。

如图7A所示，提供衬底700。衬底700可以具有第一主表面7001和与第一主表面相反的第二主表面7003。衬底700可以是半导体衬底。可选地，衬底700还可以具有牺牲层701。牺牲层701可以是例如衬底的半导体材料(例如，硅)的氧化物，或者衬底700的自然氧化物，或者氧化硅。衬底700可以是例如但不限于P型衬底。该牺牲层可以降低诸如离子注入等工艺步骤对衬底表面的损伤。

如图7B-7C所示，在衬底中至少形成第一掺杂区750和第二掺杂区703。第一掺杂区750可以与第二掺杂区703相邻。第一掺杂区750可以具有第一导电类型，例如N型。第二掺杂区703可以具有与第一导电类型相反的第二导电类型，例如P型。第一掺杂区750和第二掺杂区703可以通过例如离子注入等工艺步骤来形成。

在一些实施例中，可以先形成第二掺杂区703，如图7B所示。之后形成第一掺杂区750。然而，本公开并不限于此。

在一些实施例中，第一掺杂区750还可以被形成为包括不同掺杂浓度的区域。如图7C中所示，第一掺杂区750可以包括例如掺杂区751和掺杂区753。掺杂区751和掺杂区753可以被配置为具有相同的导电类型，但掺杂区753的掺杂浓度高于掺杂区751的掺杂浓度。例如，掺杂区753可以为N+型。

之后，在其中形成了第一掺杂区和第二掺杂区的衬底之上形成图案化的绝缘层，以使得第二掺杂区的至少一部分表面露出。在一些实施例中，如图7D所示，在其中形成了第一掺杂区和第二掺杂区的衬底之上形成图案化的绝缘层707。绝缘层707可以由例如(但不限于)硅的氧化物或者硅的氮化物等绝缘材料形成。绝缘层707可以包括一层或多层。例如，在图7D所示的实施例中，绝缘层707可以包括氮化硅层7071和TEOS层7073。在本领域中，将由TEOS(四甲基硅氧烷)制作而形成(例如，分解而形成)的材料层称为TEOS层。TEOS层的主要成分是氧化硅，其结构相对于硅的高温氧化而形成的氧化硅层疏松。在一些实施例中，TEOS层的厚度可以达微米量级。例如，根据不同的应用，TEOS层的厚度可以为小于或等于3微米。本公开并不限于此。之后，如图7E所示，将绝缘层707图案化，以使得第二掺杂区113的至少一部分表面露出。

之后，如图7F所示，在第二掺杂区的一部分露出的表面上形成外延层711，例如通过外延生长来形成外延层711。

第一掺杂区750用于形成电荷存储区。外延层和第二掺杂区用于形成光感测区。如图中所示的，光感测区和电荷存储区被形成为邻接或者邻近第一表面。在从第二主表面向第一主表面的方向上，外延层高于电荷存储区整体。

在一些实施例中，外延层711可以包括掺杂浓度不同的区域。在图7F所示的实施例，外延层711可以包括与第二掺杂区703邻接的区域(其可以为N-型)以及在其之上的区域(其可以为N--型)。

外延层711可以通过在生长形成之后通过例如离子注入来进行掺杂(第一掺杂)。或者，也可以通过原位(in situ)掺杂来在外延层711生长的同时进行掺杂。

在一些实施例中，外延层包括第一区域，第一区域的导电类型与第二掺杂区的导电类型相反。在一些实施例中，整个外延层可以作为所述第一区域。该第一区域可以对应于前述的光感测区的第一部分。然而，本公开不限于此。光感测区的第一部分可以根据需要来设置。例如，在一些其他实施例，光感测区的第一部分也可以是外延层711的一部分。替代地，光感测区的第一部分也可以被配置为延伸到掺杂区703中，如图1C所示的。如前所述的，光感测区的第一部分的导电类型与第二掺杂区的导电类型相反。

图7G所示，在一些实施例中，可选地，外延层还可以包括在第一区域之上的第二区域713。第二区域的导电类型与第一区域的导电类型相反。例如第二区域713的导电类型可以为P型。在一些实施例中，第二区域713可以为P+型。第二区域可以对应于前述的光感测区的第二部分。

类似的，第二区域713可以通过原位掺杂的方式来形成；或者，也可以通过例如离子注入来掺杂形成第二区域713。因此，在适当时，也可以用附图标记711来指示第一区域。

在一些实施例中，可选地，还可以进行第三掺杂，以在外延层中形成第三区域715，如图7H所示。在第一区域的导电类型为N型的情况下，第三区域715可以为P型或者P-型。第三区域715可以对应于前述的光感测区的第三部分。第三区域可以被设置为位于第一区域与对应的图案化的绝缘层之间。

可选地，也可以在离子注入之前，在形成了外延层的衬底结构的表面上形成牺牲层(图中未示出)。

之后，如图7I所示，在图案化的绝缘层中形成导电结构。该步骤可以通过本领域中已知的材料和工艺来形成；因此，在此不再对其作更详细说明。

在一些实施例中，在衬底中至少形成第一掺杂区和第二掺杂区还包括：形成中间掺杂区(803)，中间掺杂区设置在第一掺杂区与第二掺杂区之间，中间掺杂区的导电类型与第一掺杂区相同，但掺杂浓度低于第一掺杂区的掺杂浓度。稍后将结合图8进行进一步说明。

图8A示出了根据本公开的一些实施例的图像传感器的部分截面图。图8A示出了P型衬底P-sub，以及基于P-sub形成的光电二极管PD和电荷存储区FD。图8A中还示出了在P型衬底P-sub中形成的P型阱区113(Pwell)。P型阱区113(Pwell)和电荷存储区FD形成在P型衬底P-sub中。示例性地，光电二极管PD可以由光感测区的第一部分111(N型导电类型)和Pwell形成。在图8A所示的实施例中，光感测区的第一部分111延伸到P型阱区113(Pwell)中。电荷存储区FD中还示出了高掺杂区153和浅掺杂扩散区151。这里，应理解，区域111可以对应于前述光感测区的第一部分111，区域Pwell可以对应于前述光感测区的第二部分113，区域FD可以对应于电荷存储区，浅掺杂扩散区151和高掺杂区153可以对应于第一掺杂区151和另外的掺杂区153。需要强调的是，这种对应关系仅仅是为了便于读者理解本公开不同实施例之间的关联，而在不同的实际应用场合下可能并不是总是必然如此，另外这也并非是限制性的。

图8A还示出了设置在光感测区的第一部分111与电荷存储区FD之间的掺杂区801和掺杂区803。掺杂区801的导电类型可以为P型。例如，掺杂区801可以为P+型。掺杂区803的导电类型可以为P型。例如，掺杂区803可以为P型或P-型。掺杂区803可以用于抑制或防止N型的掺杂区111和FD之间的穿通。

图8B示出了根据本公开的一些实施例的沿图8A的A-A’方向上的示例性浓度分布。在图8B中，以虚线对浓度曲线进行了分段。如图8所示，在A-A’方向上，曲线的PD区域对应于光电二极管PD的第一部分111。二极管P注入区域对应于区域803。FD-LDD注入区域对应于FD的浅掺杂扩散部分151。FD注入区域对应于FD的高掺杂区域153。如图8所示，在一些实施例中，FD注入的浓度被配置为基本高于FD-LDD注入的浓度，而FD-LDD注入的浓度被设置为基本高于二极管P注入的浓度。如此，可以改善控制二极管的电学性质，增强其可控性，并可以降低泄露。

优选地，可以将FD注入区域的浓度设置为：在接近FD-LDD区的区域，随着向FD-LDD区域的接近而掺杂浓度降低。优选地，可以将FD-LDD区域浓度设置为：在接近二极管P注入区的区域，随着向二极管P注入区域的接近而掺杂浓度降低。此外，优选地，可以将二极管P注入区域的浓度设置为：在接近第一区域111的区域，随着向第一区域111的接近而掺杂浓度降低。如此，可以进一步改善控制二极管的电学性质，增强其可控性，并可以进一步降低泄露。

在此还需要注意的是，尽管在图8B中示出了根据一个实施例的仿真的浓度梯度的示例，并且该示例带来了创造性的效果；但应理解，其并非是限制性的。

图9示出了根据本公开的一些实施例的成像装置的示意框图。如图9所示，本公开还提供了一种具有图像传感器的装置，例如成像装置，其中所述图像传感器是根据本公开任意实施例所述的图像传感器。所述图像传感器可以包括像素单元的阵列。所述像素单元可以包括彼此对应的所述光感测区和电荷存储区(或者，所述光感测元件和电荷存储元件)。

以上已经描述了本公开的各种实施例，但是上述说明仅仅是示例性的，并非穷尽性的，并且本发明也不限于所公开的各种实施例。

应理解，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其他各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。

在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本发明的精神和范围。根据本发明在此的教导，相关技术领域的普通技术人员可以容易地想到许多修改和变化，这些修改和变化也被涵盖在本发明的精神和范围内。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims

1.一种图像传感器，包括：

衬底，包括光感测区和电荷存储区，所述衬底具有第一主表面和与第一主表面相反的第二主表面，

其中：

在所述光感测区中形成有光感测元件，

在所述电荷存储区中形成有电荷存储元件，

所述光感测区和电荷存储区被形成为邻接或者邻近所述第一主表面，并且

在从所述第二主表面向第一主表面的方向上，所述光感测区的至少一部分高于所述电荷存储区整体。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述光感测区的第一部分高于所述电荷存储区整体，

所述光感测区还包括：

在所述第一部分下方的第二部分，

其中，所述第一部分具有第一导电类型，所述第二部分具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型。

3.根据权利要求1或2所述的图像传感器，还包括：

连接在所述光感测元件和所述电荷存储元件之间的开关元件，

所述开关元件被配置使得：

在导通时，允许光感测元件所产生的光电荷进入所述电荷存储元件。

4.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述电荷存储区包括第一掺杂区，所述第一掺杂区与所述光感测区的第二部分导电类型相反；

所述图像传感器还包括：

由所述光感测区的第二部分和所述第一掺杂区在二者的界面处及附近形成的二极管，所述二极管被配置使得：

在导通时，允许所述光感测元件所产生的光电荷进入所述电荷存储元件。

5.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述电荷存储区包括第一掺杂区和中间掺杂区，所述中间掺杂区设置在所述第一掺杂区与所述光感测区的第二部分之间，所述中间掺杂区的导电类型与所述第一掺杂区相同，但掺杂浓度低于所述第一掺杂区的掺杂浓度；

所述图像传感器还包括：

由所述光感测区的第二部分、所述第一掺杂区和所述中间掺杂区形成的二极管，所述二极管被配置使得：

6.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述光感测区还包括：

第三部分，位于所述第一部分之上，

所述第三部分的导电类型与所述第一部分的导电类型相反。

7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，所述光感测区还包括：

第四部分，位于所述第一部分的侧面，且分别与所述第三部分和所述第二部分邻接，

所述第四部分的导电类型与所述第一部分的导电类型相反。

8.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：

互连结构，位于所述电荷存储区之上，并且包括一个或多个绝缘层以及一个或多个导电结构，

其中所述一个或多个导电结构与所述光感测区电隔离。

9.根据权利要求7所述的图像传感器，还包括：

其中所述一个或多个导电结构与所述光感测区电隔离，并且

其中所述光感测区的第四部分在所述光感测区的第一部分与所述互连结构之间。

10.根据权利要求2所述的图像传感器，其中：

所述图像传感器适于从所述第一主表面侧接收光，

所述第一导电类型是N型和P型中的一个，所述第二导电类型是N型和P型中的另一个。

11.一种用于图像传感器的制作方法，包括：

提供衬底，所述衬底具有第一主表面和与第一主表面相反的第二主表面；

在衬底中至少形成第一掺杂区和第二掺杂区，其中

所述第一掺杂区与所述第二掺杂区相邻，

所述第一掺杂区具有第一导电类型，所述第二掺杂区具有与第一导电类型相反的第二导电类型；

在其中形成了第一掺杂区和第二掺杂区的衬底之上形成图案化的绝缘层，以使得所述第二掺杂区的至少一部分表面露出；以及

在所述第二掺杂区的一部分露出的表面上形成外延层，

其中：

所述第一掺杂区用于形成电荷存储区，

所述外延层和所述第二掺杂区用于形成光感测区，

在从所述第二主表面向第一主表面的方向上，所述外延层高于所述电荷存储区整体。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述外延层包括第一区域，所述第一区域的导电类型与所述第二掺杂区的导电类型相反。

13.根据权利要求12所述的方法，所述外延层包括在所述第一区域之上的第二区域，所述第二区域的导电类型与所述第一区域的导电类型相反。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括：

进行第一掺杂，以在至少所述外延层中形成第一区域，所述第一区域的导电类型与所述第二掺杂区的导电类型相反。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

进行第二掺杂，以在所述外延层中形成第二区域，

其中，所述第二区域在所述第一区域之上，并且所述第二区域的导电类型与所述第一区域的导电类型相反。

16.根据权利要求11所述的方法，其中在衬底中至少形成第一掺杂区和第二掺杂区还包括：形成中间掺杂区，所述中间掺杂区设置在所述第一掺杂区与所述第二掺杂区之间，所述中间掺杂区的导电类型与所述第一掺杂区相同，但掺杂浓度低于所述第一掺杂区的掺杂浓度。

17.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，还包括：

进行第三掺杂，以在所述外延层中形成第三区域，

其中所述第三区域位于所述第一区域与对应的图案化的绝缘层之间。

18.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，还包括：

在所述图案化的绝缘层中形成导电结构。

19.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其中所述绝缘层包括：

在所述衬底上的氮化硅层；以及

在氮化硅层上的TEOS层。

20.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其中

所述图像传感器适于从所述第一主表面侧接收光，

21.一种具有图像传感器的装置，其中所述图像传感器是如权利要求1至10中任一项所述的图像传感器。

22.一种图像传感器的操作方法，其中所述图像传感器是如权利要求4或5所述的图像传感器，

所述方法包括：

提供电压到所述光感测区的第二部分和所述第一掺杂区，以使得所述二极管导通，从而允许光感测元件所产生的光电荷进入所述电荷存储元件。