CN111542925B - 包括堆叠的半导体芯片的cmos图像传感器和包括超晶格的读出电路系统及相关方法 - Google Patents
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Abstract
CMOS图像传感器可以包括第一半导体芯片和第二半导体芯片，其中第一半导体芯片包括图像传感器像素的阵列和电连接到它的读出电路系统，第二半导体芯片在堆叠中耦合到第一半导体芯片并且包括电连接到读出电路系统的图像处理电路系统。读出电路系统可以包括多个晶体管，每个晶体管包括间隔开的源极区域和漏极区域、在源极区域和漏极区域之间延伸的超晶格沟道，以及包括在超晶格沟道上的栅极绝缘层和在栅极绝缘层上的栅极电极的栅极。
Description
技术领域
本公开一般而言涉及半导体器件，并且更具体而言，涉及CMOS结构以及相关的电路和方法。
背景技术
已经提出了增强半导体器件的性能的结构和技术，诸如通过增强电荷载流子的移动性。例如，授予Currie等人的美国专利申请No.2003/0057416公开了硅、硅锗和松弛硅的应变材料层，并且还包括无杂质的区，否则杂质会造成性能降级。在上部硅层中产生的双轴应变更改了载流子移动性，从而实现了更高速度和/或更低功率的器件。授予Fitzgerald等人的已公开美国专利申请No.2003/0034529公开了也基于类似的应变硅技术的CMOS反相器。
授予Takagi的美国专利No.6,472,685B2公开了一种半导体器件，其包括硅和夹在硅层之间的碳层，使得第二硅层的导带和价带接受拉伸应变。有效质量较小并且已经由施加到栅电极的电场感应出的电子被限制在第二硅层中，因此，断言n沟道MOSFET具有更高的移动性。
搜与Ishibashi等人的美国专利No.4,937,204公开了一种超晶格，其中交替地且外延生长其中少于八个单层并且包含分数的或二元的或二元化合物半导体层的多层。主电流流动的方向垂直于超晶格的层。
授予Wang等人的美国专利No.5,357,119公开了通过减少超晶格中的合金散射而获得的具有更高移动性的Si-Ge短周期超晶格。沿着这些思路，授予Candelaria的美国专利No.5,683,934公开了一种增强移动性的MOSFET，该MOSFET包括沟道层，该沟道层包括以将沟道层置于拉伸应变下的百分比交替存在于硅晶格中的硅合金和第二材料。
授予Tsu的美国专利No.5,216,262公开了一种量子阱结构，其包括两个势垒区域和夹在势垒之间的外延生长的薄半导体层。每个势垒区域由交替的SiO2/Si层组成，其厚度一般在二到六个单层的范围内。在势垒层之间夹有厚得多的硅部分。
Tsu于2000年9月6日在Applied Physics and Materials Science&Processing第391-402页在线发表的标题为“Phenomena in silicon nanostructure devices”的文章公开了硅和氧的半导体原子超晶格(SAS)。公开了在硅量子和发光器件中有用的Si/O超晶格。特别地，构造并测试了绿色电致发光二极管结构。二极管结构中的电流流动是垂直的，即，垂直于SAS的层。所公开的SAS可以包括被诸如氧原子和CO分子之类的吸附物质隔开的半导体层。超出被吸附的氧单层的硅生长被描述为具有相当低缺陷密度的外延生长。一种SAS结构包括1.1nm厚的硅部分，该部分大约为八个原子硅层，而另一种结构的硅厚度是该硅厚度的两倍。发表在Physical Review Letters第89卷第7期(2002年8月12日)上的Luo等人的标题为“Chemical Design of Direct-Gap Light-Emitting Silicon”的文章进一步讨论了Tsu的发光SAS结构。
授予Wang、Tsu和Lofgren的已公开国际申请WO 02/103,767A1公开了由薄硅和氧、碳、氮、磷、锑、砷或氢形成的势垒层构造块，由此超过四个数量级进一步减少了垂直流过晶格的电流。绝缘层/势垒层允许在绝缘层旁边沉积低缺陷外延硅。
授予Mears等人的公开的英国专利申请2,347,520公开了非周期性光子带隙(APBG)结构的原理可以适用于电子带隙工程设计。特别地，该申请公开了可以调整材料参数(例如，能带最小值的位置、有效质量等)，以产生具有期望带结构特点的新型非周期性材料。还公开了其它参数(诸如电导率、热导率和介电常数或磁导率)也可能被设计到该材料中。
此外，授予Wang等人的美国专利No.6,376,337公开了一种生产用于半导体器件的绝缘或势垒层的方法，该方法包括在硅基板上沉积一层硅和至少一个附加元素，由此所沉积的层基本上没有缺陷，使得可以在沉积层上沉积基本上没有缺陷的外延硅。可替代地，一个或多个优选地包括氧的元素的单层被吸收在硅基板上。夹在外延硅之间的多个绝缘层形成势垒复合物。
虽然存在这样的方法，但是对于使用先进的半导体材料和处理技术来实现半导体器件中的改善的性能，可以期望进一步的增强。
发明内容
CMOS图像传感器可以包括：第一半导体芯片，其包括图像传感器像素的阵列和电连接到其的读出电路系统；以及第二半导体芯片，其在堆叠中耦合到第一半导体芯片并且包括电连接到读出电路系统的图像处理电路系统。读出电路系统可以包括多个晶体管，每个晶体管包括间隔开的源极和漏极区域以及在源极和漏极区域之间延伸的超晶格沟道。超晶格沟道可以包括多个堆叠的层组，其中每个层组包括限定基础半导体部分的多个堆叠的基础半导体单层，以及被限制在相邻基础半导体部分的晶格内的至少一个非半导体单层。每个晶体管还可以包括栅极，该栅极包括在超晶格沟道上的栅极绝缘层和在栅极绝缘层上的栅极电极。
更特别地，第一半导体芯片还可以包括电互连层，该电互连层在图像传感器像素的阵列下方并且与其一起限定背面照明(BSI)配置，其中电互连层将图像传感器像素的阵列与读出电路系统电连接。而且，电互连层可以包括半导体层和在半导体层内的多条间隔开的导电迹线。
CMOS图像传感器还可以包括：至少一个透镜，其覆盖在图像传感器像素的阵列上；以及至少一个滤色器，其覆盖在图像传感器像素的阵列上。举例来说，至少一个滤色器可以包括用于图像传感器像素阵列中的每个像素的相应滤色器。同样举例来说，至少一个滤色器可以包括用于过滤不同相应波长的光的多个不同的滤色器。
在示例实施方式中，CMOS图像传感器还可以包括第三半导体芯片，该第三半导体芯片在堆叠中与第一半导体芯片和第二半导体芯片耦合并且包括多个存储器电路。此外，图像处理电路系统还可以包括多个晶体管，每个晶体管包括超晶格沟道。举例来说，至少一个非半导体单层可以包括氧，并且半导体单层可以包括硅。
方法方面是用于制造CMOS图像传感器，并且可以包括形成包括图像传感器像素的阵列和电连接到其的读出电路系统的第一半导体芯片，形成包括电连接到读出电路系统的图像处理电路系统的第二半导体芯片，并在堆叠中将第一半导体芯片和第二半导体芯片耦合在一起。读出电路系统可以包括多个晶体管，每个晶体管包括间隔开的源极和漏极区域以及在源极和漏极区域之间延伸的超晶格沟道，该超晶格沟道可以包括多个堆叠的层组，其中每个层组包括限定基础半导体部分的多个堆叠的基础半导体单层，以及被限制在相邻基础半导体部分的晶格内的至少一个非半导体单层。每个晶体管还可以包括栅极，该栅极包括在超晶格沟道上的栅极绝缘层和在栅极绝缘层上的栅极电极。
更特别地，形成第一半导体芯片还可以包括在图像传感器像素的阵列下方形成电互连层并且与其一起限定背面照明(BSI)配置，其中电互连层将图像传感器像素的阵列与读出电路系统电连接。而且，形成电互连层可以包括形成半导体层和在半导体层内的多条间隔开的导电迹线。
该方法还可以包括将至少一个透镜定位成覆盖在图像传感器像素的阵列上，以及将至少一个滤色器定位成覆盖在图像传感器像素的阵列上。举例来说，至少一个滤色器可以包括用于图像传感器像素阵列中的每个像素的相应滤色器。此外，至少一个滤色器可以包括用于过滤不同相应波长的光的多个不同的滤色器。
根据一个示例，该方法还可以包括形成包括多个存储器电路的第三半导体芯片，并且耦合还可以包括将第三半导体芯片在堆叠中与第一半导体芯片和第二半导体芯片耦合。在示例实施例中，图像处理电路系统还可以包括多个晶体管，每个晶体管包括超晶格沟道。举例来说，至少一个非半导体单层可以包括氧，并且半导体单层可以包括硅。
附图说明
图1是用在根据示例实施例的半导体器件中的超晶格的极其放大的示意性横截面图。
图2是图1中所示的超晶格的一部分的透视原子示意图。
图3是根据示例实施例的超晶格的另一个实施例的极其放大的示意性横截面图。
图4A是对于现有技术中的块状硅以及对于如图1-2中所示的4/1Si/O超晶格，都从伽玛点(G)计算得到的能带结构的曲线图。
图4B是对于现有技术中的块状硅以及对于如图1-2中所示的4/1Si/O超晶格，都从Z点计算得到的能带结构的曲线图。
图4C是对于现有技术中的块状硅以及对于如图3中所示的5/1/3/1Si/O超晶格，都从伽玛和Z点计算得到的能带结构的曲线图。
图5是根据示例实施例的CMOS图像传感器装置的分解透视图，其包括堆叠的半导体芯片和包括超晶格的读出电路系统。
图6是根据示例实施例的另一个CMOS图像传感器器件的分解透视图，其包括堆叠的半导体芯片和包括超晶格的图像处理。
图7是根据示例实施例的又一个CMOS图像传感器器件的分解透视图，其包括具有存储器电路芯片的堆叠半导体芯片和包括超晶格的读出/图像处理电路系统。
图8是包括超晶格沟道的晶体管的截面图，该晶体管可以在示例实施例中的图5-7的器件的电路中使用。
图9是可以在图5-7的器件中使用的示例CMOS图像传感器像素配置的横截面图。
图10和11分别是根据示例实施例的对于现有技术的晶体管配置和具有超晶格沟道的晶体管提供超陡的逆行分布的模拟的产量IW相对于产量SNM的曲线图。
具体实施方式
现在将在下文中参考示出示例实施例的附图来更全面地描述示例实施例。但是，实施例可以以许多不同的形式来实现，并且不应当被解释为限于本文阐述的具体示例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的。贯穿全文，相似的编号表示相似的元素，并且在不同的实施例中使用带撇和多个带撇符号来指示相似的元素。
一般而言，本公开涉及其中具有增强的半导体超晶格的CMOS图像传感器(CIS)器件，其可以提供期望的速度增强和热管理特征。在本公开和附图中，增强的半导体超晶格也被称为“MST”层或“MST技术”。
更特别地，MST技术涉及先进的半导体材料，例如下文进一步描述的超晶格25。申请人在理论上认为本文所述的某些超晶格降低了电荷载流子的有效质量，并且这导致更高的电荷载流子移动性。有效质量在文献中有各种定义。作为改善有效质量的措施，申请人使用“电导率倒数有效质量张量”，并且针对电子和空穴的和/>分别对于电子定义为：
并且对于空穴定义为：
其中f是费米-狄拉克(Fermi-Dirac)分布，EF是费米能量，T是温度，E(k,n)是处于在与波向量k和第n个能带对应的状态的电子的能量，索引i和j是指笛卡尔坐标x、y和z，积分在布里渊(Brillouin)区(B.Z.)上获取，并且总和在能量分别高于和低于费米能量的电子和空穴的能带上获取。
申请人对电导率倒数有效质量张量的定义使得，对于电导率倒数有效质量张量的对应分量的越大值，材料的电导率的张量分量越大。希望不限于此，申请人再次在理论上认为本文所述的超晶格设置电导率倒数有效质量张量的值，以增强材料的导电特性，诸如通常对于电荷载流子运输的优选方向。适当张量元素的倒数被称为电导率有效质量。换句话说，为了表征半导体材料结构，如上所述并在预期的载流子运输方向上计算的电子/空穴的电导率有效质量被用于区分改进的材料。
申请人已经识别出用在半导体器件中的改进的材料或结构。更具体而言，申请人已经识别出具有能带结构的材料或结构，对于这些材料或结构，用于电子和/或空穴的适当电导率有效质量基本上小于针对硅的相应值。除了这些结构的增强的移动性特点外，它们还可以以提供有利于在各种不同类型的器件中使用的压电、热电和/或铁电特性的方式被形成或使用，如将在下面进一步讨论的。
现在参考图1和2，材料或结构为超晶格25的形式，其结构被控制在原子或分子水平，并且可以使用原子或分子层沉积的已知技术来形成。超晶格25包括以堆叠关系布置的多个层组45a-45n，如通过具体参考图1的示意性横截面图可能最好地理解的。
超晶格25的每个层组45a-45n说明性地包括多个堆叠的基础半导体单层46，其限定相应的基础半导体部分46a-46n和其上的能带改性层50。为了说明清楚，在图1中用点划线指示能带改性层50。
能带改性层50说明性地包括一个非半导体单层，该非半导体单层被约束在相邻基础半导体部分的晶格内。“约束在相邻基础半导体部分的晶格内”是指来自相对的基础半导体部分46a-46n的至少一些半导体原子通过其间的非半导体单层50化学键合在一起，如图2中所看到的。一般而言，通过控制通过原子层沉积技术沉积在半导体部分46a-46n上的非半导体材料的数量，使得并非所有(即，小于全部或100％覆盖率)可用半导体键合位点上都填充有到非半导体原子的键合，使得这种构造成为可能，如下面将进一步讨论的。因此，当半导体材料的另外的单层46沉积在非半导体单层50上或上方时，新沉积的半导体原子将填充在非半导体单层下方的半导体原子的剩余的空键合位点。
在其它实施例中，可以多于一个这样的非半导体单层是可能的。应当注意的是，本文中提到非半导体或半导体单层是指，如果用于该单层的材料以块状形成，那么它将是非半导体或半导体。即，如本领域技术人员将认识到的，材料(诸如硅)的单个单层不一定表现出与如果以块状或以相对厚的层形成时相同的特性。
希望不限于此，申请人在理论上认为能带改性层50和相邻的基础半导体部分46a-46n使得超晶格25在平行层方向上具有比其它方式将存在的电荷载流子更低的适当电导率有效质量。以另一种方式考虑，这个平行方向与堆叠方向正交。能带改性层50还可以使得超晶格25具有共同的能带结构，同时还有利地用作在超晶格的垂直上方和下方的层或区域之间的绝缘体。
而且，这种超晶格结构还可以有利地充当在超晶格25的垂直上方和下方的层之间的掺杂剂和/或材料扩散的屏障。这些特性因此可以有利地允许超晶格25提供用于高K电介质的界面，该界面不仅减少高K材料向沟道区域中的扩散，而且还可以有利地减少不想要的散射效应并改善器件移动性，如本领域技术人员将认识到的。
理论上还认为包括超晶格25的半导体器件可以基于比其它情况下将存在的更低的电导率有效质量而享有更高的电荷载流子移动性。在一些实施例中，并且作为由本发明实现的能带工程设计的结果，超晶格25还可以具有基本上直接的能带隙，这对于例如光电器件可以是特别有利的。
超晶格25还说明性地包括在上层组45n上的盖层52。盖层52可以包括多个基础半导体单层46。盖层52可以具有基础半导体的2至100个单层，并且更优选地10至50个单层。
每个基础半导体部分46a-46n可以包括选自IV族半导体、III-V族半导体和II-VI族半导体的基础半导体。当然，如本领域技术人员将认识到的，术语“IV族半导体”还包括IV-IV族半导体。更特别地，例如，基础半导体可以包括硅和锗中的至少一种。
每个能带改性层50可以包括例如选自氧、氮、氟、碳和碳-氧的非半导体。还期望通过沉积下一层来使非半导体热稳定，由此促进制造。在其它实施例中，非半导体可以是与给定的半导体处理兼容的另一种无机或有机元素或化合物，如本领域技术人员将认识到的。更特别地，例如，基础半导体可以包括硅和锗中的至少一种。
应当注意的是，术语“单层”意味着包括单个原子层以及单个分子层。还应该注意的是，由单个单层提供的能带改性层50还意味着包括其中并非所有可能的位点都被占据的单层(即，小于全部或100％的覆盖率)。例如，特别参考图2的原子图，图示了4/1重复结构，其中硅作为基础半导体材料，而氧作为能带改性材料。在所示的示例中，仅一半用于氧的可能位点被占用。
在其它实施例中和/或对于不同的材料，如本领域技术人员将认识到的那样，这种一半的占用将不一定是这种情况。实际上，即使在这个示意图中也可以看出给定单层中氧的各个原子没有沿着平坦的平面精确对准，这也是原子沉积领域的技术人员将认识到的。举例来说，优选的占用范围是可能的氧位点充满的大约八分之一至二分之一，但是在某些实施例中可以使用其它数量。
硅和氧目前广泛用在常规半导体处理中，因此，制造商将能够容易地使用本文中所述的这些材料。原子或单层沉积现在也被广泛使用。因而，如本领域技术人员将认识到的，结合有根据本发明的超晶格25的半导体器件可以容易地被采用和实现。
希望不限于此，申请人在理论上认为，例如，对于超晶格(诸如Si/O超晶格)，硅单层的数量应当期望地为七个或更少，以便超晶格的能带在整个超晶格是通用的或相对均匀的，以实现期望的优点。对于Si/O，图1和2中所示的4/1重复结构已被建模为指示电子和空穴在X方向上的移动性提高。例如，计算得出的电导率有效质量针对于电子(针对块状硅的各向同性)为0.26，并且对于X方向上的4/1SiO超晶格为0.12，导致比率为0.46。类似地，对于块状硅，对于空穴的计算得出的值为0.36，对于4/1Si/O超晶格的得出的值为0.16，导致比率为0.44。
虽然在某些半导体器件中可能期望这种方向上优先的特征，但是其它器件可以从平行于层组的任何方向上的移动性的更均匀增加中受益。如本领域技术人员将认识到的，对于电子和空穴或仅这些类型的电荷载流子之一具有增加的移动性也可以是有益的。
超晶格25的4/1Si/O实施例的较低电导率有效质量可以小于以其它方式将发生的电导率有效质量的三分之二，并且这适用于电子和空穴两者。当然，也如本领域技术人员将认识到的，超晶格25还可以在其中包括至少一种类型的电导率掺杂剂。
实际上，现在附加地参考图3，现在描述具有不同特性的根据本发明的超晶格25'的另一个实施例。在这个实施例中，示出了3/1/5/1的重复图案。更特别地，最低的基础半导体部分46a'具有三个单层，并且第二最低的基础半导体部分46b'具有五个单层。这种图案在整个超晶格25'上重复。能带改性层50'可以各自包括单个单层。对于包括Si/O的这种超晶格25'，电荷载流子移动性的增强与层在平面中的朝向无关。图3中未具体提及的那些其它要素与以上参考图1讨论的那些要素相似，并且在本文无需进一步讨论。
在一些器件实施例中，超晶格的所有基础半导体部分都可以是相同数量的单层那么厚。在其它实施例中，基础半导体部分中的至少一些可以是不同数量的单层那么厚。在还有其它实施例中，所有的基础半导体部分可以是不同数量的单层那么厚。
在图4A-4C中，呈现了使用密度泛函理论(DFT)计算的能带结构。在本领域中众所周知，DFT低估了带隙的绝对值。因此，可以通过适当的“剪刀校正”来移位间隙上方的所有能带。但是，已知能带的形状可靠得多。垂直能量轴应当以这个角度来解释。
图4A示出了对于块状硅(由连续线表示)和对于图1中所示的4/1Si/O超晶格25(由点线表示)从伽玛点(G)计算出的能带结构。方向是指4/1Si/O结构的晶胞，而不是Si的常规晶胞，但是图中的(001)方向确实与Si的常规晶胞的(001)方向对应，因此示出了Si导带最小值的预期位置。图中的(100)和(010)方向与常规Si单元晶胞的(110)和(-110)方向对应。本领域技术人员将认识到的是，图上Si的能带被折叠，以针对4/1Si/O结构在适当的互易晶格方向上表示它们。
可以看出，与块状硅(Si)相比，用于4/1Si/O结构的导带最小值位于伽玛点处，而价带最小值出现在(001)方向上布里渊区的边缘处，我们称之为Z点。还可以注意到的是，由于由附加氧层引入的扰动引起的能带拆分，与用于Si的导带最小值的曲率相比，用于4/1Si/O结构的导带最小值具有更大的曲率。
图4B示出了对于块状硅(连续线)和4/1Si/O超晶格25(点线)从Z点计算出的能带结构。这个图图示了价带在(100)方向上的增强曲率。
图4C示出了对于块状硅(连续线)以及对于图3的超晶格25'的5/1/3/1Si/O结构，都从伽玛和Z点计算得到的能带结构(点线)。由于5/1/3/1Si/O结构的对称性，在(100)和(010)方向上计算出的能带结构是等效的。因此，预期电导率有效质量和移动性在平行于层(即，垂直于(001)堆叠方向)的平面上是各向同性的。注意的是，在5/1/3/1Si/O示例中，导带最小值和价带最大值均在Z点处或其附近。
虽然曲率增加指示有效质量减小，但是可以经由电导率倒数有效质量张量计算来进行适当的比较和判别。这导致申请人进一步在理论上认为5/1/3/1超晶格25'应当基本上是直接带隙。如本领域技术人员将理解的，用于光学跃迁的适当矩阵元素是直接带隙行为与间接带隙行为之间的区别的另一个指标。
现在参考图5，可以将上述超晶格结构有利地用在CMOS图像传感器100中。图像传感器100说明性地包括第一半导体芯片101，其进而包括图像传感器像素的阵列102和电连接到其的读出电路系统103。传感器100还说明性地包括第二半导体芯片104，该第二半导体芯片104在堆叠中耦合到第一半导体芯片101并且包括电连接到读出电路系统的图像处理电路系统105。
图9中示出了可以用于图像传感器像素阵列102的示例像素单元体系架构。在所示的示例中，阵列102是背面照明(BSI)配置，其说明性地包括多个光电二极管106，在它们之间具有绝缘区域107。此外，在所示的BSI配置中，电互连层108在图像传感器像素102的阵列下方(但是本文所述的堆叠芯片CIS布置也可以与正面照明(FSI)配置一起使用)。电互连层108说明性地包括半导体层109(例如，多晶硅)和将图像传感器像素102的阵列与读出电路系统103电连接的多条间隔开的导电迹线110。举例来说，阵列102可以包括具有被钉扎的光电二极管106和相关联的控制/输出电路系统(例如，4T单元)的CMOS有源像素传感器。
此外，可以将相应的红、绿或蓝色滤色器111R、111G或111B定位在每个光电二极管106上方，并将相应的微透镜112覆盖在每个滤色器上方。透镜112可以被用于有利地收集光并将光引导到每个光电二极管106。每个光电二极管106检测到的信号可以由行和列选择器分别读出，然后由放大电路系统(未示出)和读出电路系统103读出，以将信号提供给图像处理电路系统105。
一般而言，出于各种原因，BSI实施方式可以比正面照明(FSI)配置更为理想。首先，BSI传感器通常具有较高的光敏度和较高的量子效率(QE)或大约70-80％。而且，在BSI传感器中，电互连层108不在光路中，这允许更薄的基板并且导致更少的光学串扰。此外，BSI配置允许更宽的主光线角(CRA)，这使得可以使用大光圈透镜和更薄的模块。
但是，在典型的BSI CIS集成中，使用不同的工艺技术将像素晶体管和图像处理电路制造在分开的晶片(即，第一半导体芯片101和第二半导体芯片104)上。一般而言，更先进的技术被用于在第二芯片104上制造图像处理电路系统105。例如，可以使用两个不同的技术节点，诸如用于第二半导体晶片105的40nm和用于第一半导体芯片101的65nm或90nm。虽然这可以提供相对于第一半导体芯片101的处理和成本节省，但是使用不同的节点会造成在读出电路系统103与更高级的高速图像处理电路系统105之间发生晶体管性能失配。这进而会降级产品性能。
根据示例实施方式，读出电路系统103可以有利地包括多个晶体管(MOSFET)20(图8)，包括上述能带工程设计的超晶格25。更特别地，MOSFET 20说明性地包括基板21、源极/漏极区域22、23、源极/漏极扩展区26、27以及由超晶格25提供的其间的沟道区域。源极/漏极硅化物层30、31和源极/漏极触头32、33覆盖在源极/漏极区域上，如本领域技术人员将认识到的。由虚线34、35指示的区域是可选的残留部分，最初由超晶格材料形成，但随后进行了重掺杂。在其它实施例中，可以不存在这些残留的超晶格区域34、35，如本领域技术人员也将认识到的。
栅极38说明性地包括与由超晶格25提供的沟道相邻的栅极绝缘层37和在栅极绝缘层上的栅电极层36。图示的MOSFET 20中还提供了侧壁隔离物40、41。应当注意的是，除了所示的平面MOSFET20之外，包括上述超晶格材料的其它晶体管配置也可以在不同的实施例中用于读出电路系统103。而且，在某些实施方式中，沟道的某个部分也可以被限定在基板21中。关于MOSFET 20的更多细节可以在授予Mears等人的美国专利No.6,897,472中找到，该专利被受让给本申请人并且通过引用整体并入本文。
特别地，如上所述，能带工程设计的MST材料有利地帮助增强电荷载流子流，从而提高电路速度，并因此提高总产品性能，这有助于减轻读出电路系统103与图像处理电路系统105之间的上述失配。而且，使用MST超晶格材料还提供了读出电路系统103晶体管中的显著的Vt可变性改善，如将在下面进一步讨论的，这也可以有利地帮助减少图像传感器100中的固定图案噪声。举例来说，可以在适当的位置处使用选择性外延或通过毯覆沉积、然后对毯覆超晶格层进行构图来形成读出电路系统的晶体管20中的超晶格沟道25。
作为参考，作为使用逻辑电路中具有MST沟道的晶体管可以实现的速度增强的示例，执行了具有和不具有MST使能的晶体管的各种逻辑电路配置的模拟。第一逻辑电路是反相器，并且模拟显示，MST使能的反相器的漏电流降低了大约20％、速度提高了15％并且具有可比的功耗。另外，还模拟了具有和不具有MST使能的晶体管的NAND逻辑门，并且MST使能的栅极的泄漏降低了大约10％、速度提高大了约20％并且功耗降低了大5％。对于模拟，将4/1重复的MST材料用于沟道层(如图1中所看到的)。
在典型的BSI工艺流程中，可以首先在硅基板或硅层中执行光电二极管106的注入，然后进行电互连层108的多晶硅/金属沉积。此后，可以将晶片翻转并键合到硅手柄。然后可以执行背面研磨以露出光电二极管106，并且此后可以提供滤色器111R、111G、111B和微透镜112以完成图像传感器像素阵列102。
现在附加地参考图6，图像传感器100'的另一个示例实施例说明性地包括图像处理电路系统105'，该图像处理电路系统105'具有一个或多个区段，这些区段也包括具有超晶格沟道的晶体管(诸如图8的晶体管20)。即，在这个示例中，MST材料用在第二半导体芯片104'的图像处理电路系统105'中，而不是用在第一半导体芯片101'的读出电路系统103'中(但是在一些实施例中可以同时使用，如将在下面进一步讨论的)。举例来说，图像处理电路系统105'可以包括多个计数器，并且晶体管20可以被用于限定计数器，但是它们也可以在图像处理电路系统的其它区域中使用(例如，逻辑/处理电路系统等)。
作为背景，由于热噪声引起的时间噪声是CIS器件的重要特点。降低热噪声的一种方法是使用具有低电压操作的低功率电路来减少散热。更特别地，由于其固有的掺杂剂扩散阻挡效应，使用MST材料来提供超陡逆行(SSR)沟道形成可以有利地被充分利用，以改善Vt可变性并允许较低电压操作。在授予Mears等人的美国专利公开No.2016/0336406号和第2016/0336407中提供了关于使用MST材料提供期望的SSR分布的更多细节，所述专利公开也被受让给本申请人并且通过引用整体并入本文。
现在转向图10和图11，提供了在均匀掺杂的6T-SRAM产量(图120)与通过TCAD建模模拟的MST膜产生的SSR沟道(图121)之间的比较。更特别地，曲线图120的功能窗口122到曲线图121的功能窗口123的改变表明，由MST膜实现的SSR可以有利地将Vdd从1V降低到0.5V，从而减少热量以降低热噪声。
附加地参考图7，CMOS图像传感器100″的另一个示例实施方式说明性地包括在堆叠中与第一和第二半导体芯片101″、104″耦合的第三半导体芯片130″(即，在它们之间)。在此，第三芯片130'说明性地包括多个存储器电路，在本示例中，其包括DRAM电路系统131″。此外，在这个示例中，读出电路系统103'和图像处理电路系统105'都包括具有MST超晶格膜的晶体管，以提供上述操作优势。
用于制造CMOS图像传感器100的方法可以包括形成包括图像传感器像素的阵列102和电连接到其的读出电路系统103的第一半导体芯片101，以及形成包括电连接到读出电路系统图像处理电路系统105的第二半导体芯片104。该方法还可以包括如图5中所示在堆叠中将第一半导体芯片101和第二半导体芯片104耦合在一起。读出电路系统103可以包括多个晶体管(诸如MOSFET 200)，该晶体管包括超晶格沟道25，如上面进一步所述。
用于制造CMOS图像传感器100'的相关方法可以包括形成包括图像传感器像素的阵列102'和电连接到其的读出电路系统103'的第一半导体芯片101'，以及形成包括电连接到读出电路系统的图像处理电路系统105'的第二半导体芯片104'。该方法还可以包括如图6中所示在堆叠中耦合第一半导体芯片101'和第二半导体芯片104'。处理电路系统105'可以包括多个晶体管(诸如MOSFET 20)，每个晶体管包括超晶格沟道25，如上面进一步讨论的。
受益于前述描述和相关附图中呈现的教导，本领域技术人员将想到本发明的许多修改和其它实施例。因此，应该理解的是，本发明不限于所公开的特定实施例，并且修改和实施例旨在包括在随附权利要求的范围内。
Claims (22)
1.一种CMOS图像传感器，包括：
第一半导体芯片，其包括图像传感器像素的阵列和电连接到它的读出电路系统；以及
第二半导体芯片，其在堆叠中耦合到第一半导体芯片并且包括电连接到读出电路系统的图像处理电路系统；
读出电路系统包括多个晶体管，每个晶体管包括
间隔开的源极区域和漏极区域，
在源极区域和漏极区域之间延伸的超晶格沟道，超晶格沟道包括多个堆叠的层组，每个层组包括限定基础半导体部分的多个堆叠的基础半导体单层，以及被限制在相邻的基础半导体部分的晶格内的至少一个非半导体单层，以及
栅极，其包括在超晶格沟道上的栅极绝缘层和在栅极绝缘层上的栅极电极；
其中所述超晶格沟道完全位于所述读出电路系统内，并且其中没有超晶格位于所述图像处理电路系统内。
2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中第一半导体芯片还包括电互连层，该电互连层在图像传感器像素的阵列的下方并且与其一起限定背面照明(BSI)配置，其中电互连层将图像传感器像素的阵列与读出电路系统电连接。
3.如权利要求2所述的CMOS图像传感器，其中电互连层包括半导体层和在半导体层内的多个间隔开的导电迹线。
4.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，还包括至少一个透镜，其覆盖在图像传感器像素的阵列上。
5.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，还包括至少一个滤色器，其覆盖在图像传感器像素的阵列上。
6.如权利要求5所述的CMOS图像传感器，其中所述至少一个滤色器包括用于图像传感器像素的阵列中的每个像素的相应滤色器。
7.如权利要求5所述的CMOS图像传感器，其中所述至少一个滤色器包括用于过滤不同的相应波长的光的多个不同的滤色器。
8.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，还包括第三半导体芯片，该第三半导体芯片在堆叠中与第一半导体芯片和第二半导体芯片耦合，并且包括多个存储器电路。
9.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中图像处理电路系统还包括多个晶体管，每个晶体管包括超晶格沟道。
10.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述至少一个非半导体单层包括氧。
11.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中半导体单层包括硅。
12.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括：
形成包括图像传感器像素的阵列和电连接到它的读出电路系统的第一半导体芯片；
形成包括电连接到读出电路系统的图像处理电路系统的第二半导体芯片；以及
在堆叠中将第一半导体芯片和第二半导体芯片耦合在一起；
读出电路系统包括多个晶体管，每个晶体管包括
间隔开的源极区域和漏极区域，
在源极区域和漏极区域之间延伸的超晶格沟道，超晶格沟道包括多个堆叠的层组，每个层组包括限定基础半导体部分的多个堆叠的基础半导体单层，以及被限制在相邻的基础半导体部分的晶格内的至少一个非半导体单层，以及
栅极，其包括在超晶格沟道上的栅极绝缘层和在栅极绝缘层上的栅极电极；
其中所述超晶格沟道完全位于所述读出电路系统内，并且其中没有超晶格位于所述图像处理电路系统内。
13.如权利要求12所述的方法，其中形成第一半导体芯片还包括：在图像传感器像素的阵列的下方形成电互连层并且与其一起限定背面照明(BSI)配置，电互连层将图像传感器像素的阵列与读出电路系统电连接。
14.如权利要求13所述的方法，其中形成电互连层包括：形成半导体层和在半导体层内的多个间隔开的导电迹线。
15.如权利要求12所述的方法，还包括：将至少一个透镜定位成覆盖在图像传感器像素的阵列上。
16.如权利要求12所述的方法，还包括：将至少一个滤色器定位成覆盖在图像传感器像素的阵列上。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述至少一个滤色器包括用于图像传感器像素的阵列中的每个像素的相应滤色器。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述至少一个滤色器包括用于过滤不同的相应波长的光的多个不同的滤色器。
19.如权利要求12所述的方法，还包括：形成包括多个存储器电路的第三半导体芯片；并且其中耦合还包括：将第三半导体芯片在堆叠中与第一半导体芯片和第二半导体芯片耦合。
20.如权利要求12所述的方法，其中图像处理电路系统还包括多个晶体管，每个晶体管包括超晶格沟道。
21.如权利要求12所述的方法，其中所述至少一个非半导体单层包括氧。
22.如权利要求12所述的方法，其中半导体单层包括硅。
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