CN109659328A - 源极跟随器接触件 - Google Patents
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Abstract
本申请案涉及源极跟随器接触件。一种图像传感器包含安置在第一半导体材料中的光电二极管，以吸收入射在所述图像传感器上的光子并产生图像电荷。浮动扩散区安置在所述第一半导体材料中并且经定位以从所述光电二极管接收所述图像电荷，并且转移晶体管耦合在所述光电二极管与所述浮动扩散区之间，以响应于转移信号而将所述图像电荷从所述光电二极管转移到浮动扩散区中。具有栅极端子的源极跟随器晶体管耦合到所述浮动扩散区，以输出所述浮动扩散区中的所述图像电荷的放大信号。所述栅极端子包含与所述浮动扩散区接触的第二半导体材料，并且栅极氧化物部分地安置在所述第二半导体材料与所述第一半导体材料之间。所述第二半导体材料延伸超出所述浮动扩散区的横向边界。
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)各自在吸收图像光时产生图像电荷。所产生的图像电荷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。
在CMOS图像传感器工艺中，可使用金属接触件来连接半导体晶片及晶体管栅极。各种装置架构块之间的接触件是重要的，这是因为接触件的电性质(例如，如果接触件是欧姆的)可指示装置性能。金属连接可为暗电流的来源。
发明内容
一方面，本申请案提供一种图像传感器，其包括：光电二极管，其安置在第一半导体材料中，以吸收入射在所述图像传感器上的光子并产生图像电荷；浮动扩散区，其安置在所述第一半导体材料中并经定位以从所述光电二极管接收所述图像电荷；转移晶体管，其耦合在所述光电二极管与所述浮动扩散区之间，以响应转移信号而将所述图像电荷从所述光电二极管转移到浮动扩散区中；及源极跟随器晶体管，其栅极端子耦合到所述浮动扩散区，以输出所述浮动扩散区中的所述图像电荷的放大信号，其中所述栅极端子包含与所述浮动扩散区接触的第二半导体材料，且其中栅极氧化物安置在所述第二半导体材料与所述第一半导体材料之间，其中所述第二半导体材料延伸超出所述浮动扩散区的横向边界。
另一方面，本申请案提供一种图像传感器制造方法，其包括：提供第一半导体材料，所述第一半导体材料包含安置在所述第一半导体材料中的光电二极管及浮动扩散区，且其中栅极氧化物安置在所述第一半导体材料的前侧上；蚀刻所述栅极氧化物以暴露所述浮动扩散区的第一部分；在所述前侧上沉积第二半导体材料以接触所述浮动扩散区的所述第一部分，且其中栅极氧化物的部分安置在所述第一半导体材料与第二半导体材料之间；以及去除所述第二半导体材料的第二部分以形成转移晶体管以将图像电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散区，并形成耦合到所述浮动扩散区的源极跟随器晶体管的栅极端子以输出所述浮动扩散区中的所述图像电荷的放大信号，其中所述栅极端子包含与所述浮动扩散区接触的所述第二半导体材料。
附图说明
参考以下诸图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1说明根据本发明的教示的图像传感器像素电路。
图2说明根据本发明的教示的包含图1的电路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可包含在图2的成像系统中的图像传感器像素。
图4A到4E说明根据本发明的教示的图像传感器制造的方法。
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，图式中的元件是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
本文描述一种涉及图像传感器中的源极跟随器接触件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配合其它方法、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。
贯穿本说明书的对“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组合于一或多个实例中。
图1说明根据本发明的教示的图像传感器像素电路100。如所说明，图像传感器像素电路100包含第一半导体材料101、光电二极管103、浮动扩散区105、转移晶体管107、源极跟随器晶体管109、复位晶体管111及行选择晶体管113。如所示，光电二极管103安置在第一半导体101中，并耦合到转移晶体管107。浮动扩散区105也耦合到转移晶体管107以接收在光电二极管103中产生的图像电荷。复位晶体管111耦合到浮动扩散区105以在图像传感器电路100已读出图像电荷之后复位浮动扩散区105中的图像电荷。源极跟随器晶体管109耦合到浮动扩散区105以放大浮动扩散区105中的图像电荷，这是因为源极跟随器109的栅极端子耦合到浮动扩散区105。如将展示，源极跟随器晶体管109的栅极端子可包含直接接触浮动扩散区105的无金属(例如，半导体)延伸部，因此在源极跟随器晶体管109浮动扩散区105界面处仅存在半导体材料。行选择晶体管113的第一端子耦合到源极跟随器晶体管109的第二端子，以从图像传感器像素电路100输出图像电荷。如将结合图2描述，根据本发明的教示，图像传感器电路100可包含在更大的光电二极管阵列中。
图2说明可包含图1的电路的成像系统200的一个实例的框图。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、对象等等的图像数据，所述图像数据可随后用于呈现人员、位置、对象等等的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(ADC)转换电路或其它电路。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，自动聚焦、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说明根据本发明的教示的可包含在图2的成像系统中的图像传感器像素300。如所示，图像传感器像素300包含安置在第一半导体材料301中的光电二极管303，以吸收入射在图像传感器300上的光子并产生图像电荷。浮动扩散区305安置在第一半导体材料301中并经定位以从光电二极管303接收图像电荷。转移晶体管(包含—第二—栅极电极307)在光电二极管303与浮动扩散区305之间物理及电耦合，以响应于转移信号(施加到转移晶体管的栅极端子307)而将图像电荷从光电二极管303转移到浮动扩散区305。如所示，栅极端子307的第一横向边缘与光电二极管303垂直对准，并且栅极端子307的第二横向边缘垂直地与浮动扩散区305重叠。浮动扩散区305包含经由离子植入或类似者植入到第一半导体材料301中的掺杂剂，并且存在线性地延伸到第一半导体材料301中靠近光电二极管303的一部分及接近源极跟随器晶体管的圆形部分。
具有(第一)栅极端子321的源极跟随器晶体管耦合到浮动扩散区305，以输出浮动扩散区305中的图像电荷的放大信号。源极跟随器晶体管的栅极端子321包含与浮动扩散区305接触的第二半导体材料(不同于第一半导体—虽然第一半导体材料301及第二半导体材料两者可包含的相同材料成分，例如Si)。与浮动扩散区305接触的第二半导体材料的部分可为连续半导体块，其从浮动扩散区305延伸到浮动扩散区305的横向边界的外部的区。栅极端子307与栅极端子321之间存在非导电间隙，并且连接到浮动扩散区305的栅极端子321的部分的厚度小于栅极端子321的其余部分的厚度。栅极氧化物325安置在第二半导体材料与第一半导体材料301之间，其中第二半导体材料延伸超出浮动扩散区305的横向边界。图像电荷可从浮动扩散区305流入源极跟随器晶体管的栅极端子321，以放大来自浮动扩散区305的信号。然而，凭借栅极氧化物325，源极跟随器晶体管的栅极端子321与第一半导体材料301中的装置架构的其它块隔离。栅极氧化物325可包含氧化硅、氧化铪或其它金属及/或半导体氧化物。
在所描绘的实例中，浮动扩散区305中的图像电荷被转移到源极跟随器晶体管的栅极端子321以在第一半导体材料301中产生放大信号(例如，电场)。这是因为源极跟随器晶体管的作用区的至少部分安置在第一半导体材料301中，且栅极氧化物325安置在作用区的至少部分与第二半导体材料之间。
所描绘的架构—其中在浮动扩散区305与源极跟随器晶体管的栅极端子321之间不存在金属连接—与使用金属将源极跟随器栅极连接到浮动扩散区的其它图像传感器架构相比具有明显的优势，这是因为所说明结构减少可能由金属接触件引起的暗电流。此外，由于在所描绘的实例中，图像传感器以低速操作(相对于其它集成电路应用)，寄生电阻不那么重要。因此，所描绘的装置架构比使用金属连接浮动扩散区与源极跟随器栅极的其它架构传达显著的优点。
如所说明，浮动扩散区305在光电二极管303与沟槽隔离结构323之间横向安置在第一半导体材料301中。第二半导体材料在沟槽隔离结构323上方延伸(并且与沟槽隔离结构323接触)，使得沟槽隔离结构323安置在第一半导体材料301与第二半导体材料(例如，包含在栅极端子321中的半导体材料)之间。在一个实例中，沟槽隔离结构323包含金属氧化物、半导体氧化物、半导体或金属中的至少一者。在一些实例中，导电芯(例如，金属或掺杂半导体)可由绝缘体(例如，金属氧化物或半导体氧化物)环绕以形成沟槽隔离结构323。导电芯可被充电以在第一半导体材料301中诱发相反电荷以进一步防止半导体装置架构的块之间的非所要电荷转移。
在所描绘的实例中，转移晶体管包含用以接收转移信号的栅极端子307，并且栅极端子307及栅极端子321两者都包括多晶硅。栅极端子307及321两者都与栅极氧化物325接触，栅极氧化物325安置在第一半导体材料301的前侧表面上。如所示，栅极端子307及321两者都具有具相同厚度的多晶硅的部分(其可包含掺杂剂原子，例如硼、磷、砷或类似物)。图像传感器300还包含复位晶体管(图1中所示)，其耦合到浮动扩散区以响应于复位信号而复位浮动扩散区中的图像电荷。
图4A到4E说明根据本发明的教示的图像传感器400的制造方法。受益于本发明的所属领域的一般技术人员将理解，所描绘的图可以任何顺序出现，且甚至可并行出现。另外，根据本发明的教示，可将图添加到所述方法或从所述方法移除图。
图4A展示提供第一半导体材料401，第一半导体材料401包含安置在第一半导体材料401中的光电二极管403及浮动扩散区405。图4A还展示安置在第一半导体材料401的前侧(在后续图中，其上将具有大部分像素电路)上的栅极氧化物425。在所描绘的实例中，薄半导体材料431也安置在栅极氧化物425上，使得栅极氧化物425安置在第一半导体材料401与薄半导体材料431之间。薄半导体材料431还可包含多晶硅或其它半导体材料。
在一个实例中，源极跟随器晶体管的作用区的至少部分可通过离子植入或类似者形成在第一半导体材料401中。举例来说，第一半导体材料401的掺杂区可用作源极跟随器晶体管的作用区。
如所示，浅沟槽隔离结构423也可形成在第一半导体材料401中，以电隔离第一半导体材料401中的各种微电子电路块。在所说明的实例中，浮动扩散区405横向地安置在沟槽隔离结构423与光电二极管403之间。可通过在第一半导体材料401中蚀刻沟槽，并用金属氧化物、半导体氧化物、半导体或金属中的至少一者回填沟槽来形成沟槽隔离结构423。
图4B描绘在薄半导体材料431的表面上沉积光致抗蚀剂层435，使得薄半导体材料431安置在栅极氧化物425与光致抗蚀剂层435之间。如所示，光致抗蚀剂层435的部分在浮动扩散区405上方被去除。换句话说，可在光致抗蚀剂层435中形成大小与浮动扩散区405的第一部分大体上相同的孔。因此，可通过栅极氧化物425及薄半导体材料431蚀刻适当尺寸的孔以提供到浮动扩散区405的暴露电接触。光致抗蚀剂层435可为负性或正性抗蚀剂。举例来说，光致抗蚀剂层435可用光硬化，并且用溶剂洗掉浮动扩散区405上方的未暴露光致抗蚀剂。替代地，可沉积并硬化/交联整个光致抗蚀剂层，然后将浮动扩散区405上方的部分暴露在光中以切割聚合物链，从而可用溶剂或类似物将其洗掉。
图4C描绘蚀刻栅极氧化物425以暴露浮动扩散区405的第一部分，并且还去除光致抗蚀剂层435。在一些实例中，这可包含利用湿式或干式蚀刻来蚀刻穿过栅极氧化物425及薄半导体材料431两者。举例来说，可使用干式蚀刻来去除薄半导体层431，然后可去除光致抗蚀剂层435。在去除光致抗蚀剂层435之后，可使用选择性湿式或干式蚀刻来去除栅极氧化物。在此实例中，薄半导体材料431充当第二化学选择性蚀刻步骤的掩模。
图4D展示在装置的前侧上沉积第二半导体材料441以接触通过蚀刻步骤暴露的浮动扩散区405的第一部分。图4D明确地展示在浮动扩散区405与源极跟随器晶体管的栅极端子之间未形成金属连接。换句话说，浮动扩散区405与源极跟随器晶体管的栅极端子通过半导体直接连接。如所示，栅极氧化物425的部分安置在第一半导体材料401与第二半导体材料441之间。更具体来说，在除了浮动扩散区405的暴露部分上及沟槽隔离结构423上方外的任何地方，栅极氧化物425将第一半导体材料401与第二半导体材料441分离。在所描绘的实例中，第二半导体材料441包含多晶硅，但是在其它实例中可包含其它半导体材料，例如锗、镓或类似者。替代地，第二半导体材料441可为单晶，其可通过特定沉积或退火条件来实现。可以各种方式掺杂第二半导体材料441以增强导电性。
图4E描绘去除第二半导体材料的第二部分(例如，经由湿式或干式蚀刻)以形成转移晶体管的栅极端子407及源极跟随器晶体管的栅极端子421。栅极端子421包含与浮动扩散区405接触的第二半导体材料，并且第二半导体材料的部分可通过栅极氧化物425与源极跟随器晶体管的作用区分离。
在一些实例中，可形成耦合到浮动扩散区405的复位晶体管，其响应于复位信号而复位浮动扩散区405中的图像电荷。类似地，可形成行选择晶体管，其中第一端子耦合到源极跟随器晶体管的第二端子。
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，以吸收入射在所述图像传感器上的光子并产生图像电荷；
浮动扩散区，其安置在所述第一半导体材料中并经定位以从所述光电二极管接收所述图像电荷；
转移晶体管，其耦合在所述光电二极管与所述浮动扩散区之间，以响应转移信号而将所述图像电荷从所述光电二极管转移到浮动扩散区中；及
源极跟随器晶体管，其栅极端子耦合到所述浮动扩散区，以输出所述浮动扩散区中的所述图像电荷的放大信号，其中所述栅极端子包含与所述浮动扩散区接触的第二半导体材料，且其中栅极氧化物安置在所述第二半导体材料与所述第一半导体材料之间，其中所述第二半导体材料延伸超出所述浮动扩散区的横向边界。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述浮动扩散区中的所述图像电荷被转移到所述源极跟随器晶体管的所述栅极端子，以在所述第一半导体材料中产生放大信号。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述浮动扩散区在所述光电二极管与沟槽隔离结构之间横向地安置所述第一半导体材料中，且其中作为所述栅极端子的部分的所述第二半导体材料在所述沟槽隔离结构上方延伸，使得所述沟槽隔离结构安置在所述第一半导体材料与所述第二半导体材料之间。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述沟槽隔离结构包含金属氧化物、半导体氧化物、半导体或金属中的至少一者。
5.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述转移晶体管包含用以接收所述转移信号的第二栅极端子，且其中所述第二栅极端子及所述栅极端子包含多晶硅，且其中所述栅极端子及所述第二栅极端子两者都与安置在所述第一半导体材料的表面上的所述栅极氧化物接触。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述第二栅极端子及所述栅极端子的至少部分包含大致相同厚度的包含掺杂剂原子的多晶硅。
7.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述源极跟随器晶体管的作用区的至少部分安置在所述第一半导体材料中，并且所述栅极氧化物安置在所述作用区的所述至少部分与所述栅极端子的所述第二半导体材料之间。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括复位晶体管，其耦合到所述浮动扩散区以响应于复位信号而复位所述浮动扩散区中的图像电荷。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括行选择晶体管，其中第一端子耦合到所述源极跟随器晶体管的第二端子。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，其中在所述浮动扩散区与所述源极跟随器晶体管的所述栅极端子之间不存在金属连接。
11.一种图像传感器制造方法，其包括：
提供第一半导体材料，所述第一半导体材料包含安置在所述第一半导体材料中的光电二极管及浮动扩散区，且其中栅极氧化物安置在所述第一半导体材料的前侧上；
蚀刻所述栅极氧化物以暴露所述浮动扩散区的第一部分；
在所述前侧上沉积第二半导体材料以接触所述浮动扩散区的所述第一部分，且其中栅极氧化物的部分安置在所述第一半导体材料与第二半导体材料之间；以及
去除所述第二半导体材料的第二部分以形成转移晶体管以将图像电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散区，并形成耦合到所述浮动扩散区的源极跟随器晶体管的栅极端子以输出所述浮动扩散区中的所述图像电荷的放大信号，其中所述栅极端子包含与所述浮动扩散区接触的所述第二半导体材料。
12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括在所述第一半导体材料中形成所述源极跟随器晶体管的作用区的至少部分，其中所述栅极氧化物安置在所述作用区的所述至少部分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，其中提供所述第一半导体材料进一步包括在所述栅极氧化物上提供薄半导体材料。
14.根据权利要求13所述的方法，其中蚀刻所述栅极氧化物包含蚀刻穿过所述栅极氧化物及所述薄半导体材料两者，这包含形成光致抗蚀剂层，其中所述光致抗蚀剂层中的孔具有与所述浮动扩散区的所述第一部分大体上相同的大小。
15.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括在所述第一半导体材料中形成沟槽隔离结构，其中所述浮动扩散区横向地安置在所述沟槽隔离结构与所述光电二极管之间。
16.根据权利要求15所述的方法，其中形成所述沟槽隔离结构包含：
在所述第一半导体材料中蚀刻沟槽；以及
用金属氧化物、半导体氧化物、半导体或金属中的至少一者回填所述沟槽。
17.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括形成复位晶体管，所述复位晶体管耦合到所述浮动扩散区以响应于复位信号复位所述浮动扩散区中的图像电荷。
18.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括形成行选择晶体管，其中第一端子耦合到所述源极跟随器晶体管的第二端子。
19.根据权利要求11所述的方法，其中沉积所述第二半导体材料包含不在所述浮动扩散区与所述源极跟随器晶体管的所述栅极端子之间形成金属连接。
20.根据权利要求11所述的方法，其中所述第二半导体包括多晶硅。
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