CN116137277A - 暗电流抑制图像传感器和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种暗电流抑制图像传感器和用于抑制图像传感器中的暗电流的方法。暗电流抑制图像传感器包括半导体衬底和薄结。半导体衬底包括前表面、与前表面相反的后表面、光电二极管以及在前表面与后表面之间的凹表面。凹表面从后表面向前表面延伸，并限定沟槽，沟槽在平行于后表面的截面平面中围绕光电二极管。薄结从凹表面延伸到半导体衬底中，并且是半导体衬底的区域。半导体衬底包括位于薄结与光电二极管之间的、具有第一导电类型的第一衬底区域。光电二极管和薄结具有与第一导电类型相反的第二导电类型。

Description

暗电流抑制图像传感器和方法
技术领域
本申请涉及一种暗电流抑制图像传感器和用于抑制图像传感器中的暗电流的方法。
背景技术
诸如独立数字相机、移动设备、汽车组件和医疗设备等商业产品中的相机模块包括图像传感器。一种类型的图像传感器是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，其包括半导体衬底，在半导体衬底中形成有像素阵列。由CMOS图像传感器产生的图像可能包括伪影，其中一些是由像素阵列的相邻像素之间的电学串扰和光学串扰中的一者或两者引起的。减少这种串扰的措施会导致引入其他图像伪影。
发明内容
在一些CMOS图像传感器中，每个像素通过在沟槽中形成的深沟槽隔离(DTI)结构与邻近的像素光学和电学隔离，该沟槽围绕像素的光电二极管并且包括在半导体衬底的表面中形成的多个DTI沟槽。每个DTI沟槽围绕像素的相应光电二极管。发明人已经发现，对于背照式(BSI)图像传感器，用于形成DTI沟槽的工艺导致在沟槽表面产生过量的电荷载流子，这增加了与相应像素相关联的暗电流。例如，等离子体蚀刻通过破坏半导体晶格导致缺陷。增加的暗电流导致“白像素”缺陷，其中无论像素上的照明如何，像素输出大信号。白像素缺陷会降低图像质量。
在第一方面，公开了一种暗电流抑制图像传感器。该图像传感器包括半导体衬底、和薄结。半导体衬底包括前表面、与前表面相反的后表面、光电二极管以及在前表面与后表面之间的凹表面。凹表面从后表面向前表面延伸，并限定沟槽，沟槽在平行于后表面的截面平面中围绕光电二极管。薄结从凹表面延伸到半导体衬底中，并且是半导体衬底的区域。半导体衬底包括位于薄结与光电二极管之间的、具有第一导电类型的第一衬底区域。光电二极管和薄结具有与第一导电类型相反的第二导电类型。
在一些实施例中，在平行于所述后表面并且在所述后表面与所述沟槽的深度之间的任何截面中，所述薄结围绕所述光电二极管。
在一些实施例中，所述薄结的厚度在20纳米与50纳米之间。
在一些实施例中，所述薄结的离子浓度大于所述半导体衬底的离子浓度。
在一些实施例中，所述图像传感器还包括在所述后表面上并且至少部分填充所述沟槽的介质层。
在一些实施例中，所述图像传感器还包括衬在所述沟槽上并覆盖所述后表面的高κ介质层，所述高κ介质层的介电常数大于或等于二氧化硅的介电常数。
在一些实施例中，所述图像传感器还包括隔离阱，所述隔离阱在平行于所述前表面的截面中围绕所述光电二极管，所述隔离阱的深度超过所述沟槽相对于所述后表面的深度。
在一些实施例中，所述图像传感器还包括隔离阱，所述隔离阱在平行于所述前表面的截面中围绕所述光电二极管，所述隔离阱的深度小于所述沟槽相对于所述后表面的深度。
在一些实施例中，所述隔离阱具有第一导电类型并且具有超过第一衬底区域的离子浓度的离子浓度。
在一些实施例中，所述半导体衬底还包括：多个附加光电二极管，所述多个附加光电二极管与所述光电二极管一起形成光电二极管阵列；和与所述光电二极管阵列相邻的周边区域，所述周边区域包括电连接到所述薄结的导电接触件。
在一些实施例中，所述图像传感器还包括电压源和电接地之一，所述电压源和所述电接地电连接到所述导电接触件。
在一些实施例中，所述图像传感器，在所述前表面与所述后表面之间还包括：多个附加凹表面，所述多个附加凹表面中的每一个限定多个附加沟槽中的相应一个，所述多个附加沟槽中的每一个围绕所述多个附加光电二极管中的相应一个，所述沟槽和所述多个附加沟槽形成互连的沟槽阵列；以及多个所述第二导电类型的附加薄结，所述多个附加薄结中的每一个从所述多个附加凹表面中的相应一个延伸到所述半导体衬底中，所述薄结和所述多个附加薄结形成电连接到所述导电接触件的薄结栅格。
在一些实施例中，分别对于所述多个附加光电二极管、多个附加沟槽和多个附加薄结中的每个附加光电二极管、附加沟槽和附加薄结：在所述后表面与所述附加沟槽的深度之间的任何截面中，所述附加薄结围绕所述光电二极管。
在一些实施例中，分别对于所述多个附加光电二极管、多个附加沟槽和多个附加薄结中的每个附加光电二极管、附加沟槽和附加薄结：所述半导体衬底包括位于所述附加薄结与所述附加光电二极管之间的、具有所述第一导电类型的第二衬底区域，所述附加光电二极管和所述附加薄结具有所述第二导电类型。
在一些实施例中，(i)所述薄结的离子浓度与(ii)所述光电二极管的离子浓度的比率在十分之一与十之间。
在第二方面，公开了一种用于抑制图像传感器中的暗电流的方法。该方法包括将薄结电连接到偏置电压。薄结沿着图像传感器的半导体衬底的凹表面形成。凹表面形成沟槽，沟槽围绕半导体衬底的光电二极管。薄结和与其相邻的半导体衬底的区域具有相反的导电类型。
在一些实施例中，所述半导体衬底包括光电二极管阵列及其周边区域，电连接包括：通过将所述薄结电连接到导电接触件来偏置所述薄结，所述导电接触件(i)位于所述周边区域中，并且(ii)电连接到电接地或者保持在非零电压，以向所述薄结提供所述偏置电压。
在一些实施例中，所述偏置包括：将所述导电接触件电连接到电压源，以(i)偏置所述薄结，以及(ii)通过所述导电接触件将靠近所述凹表面的电荷载流子排放到所述电压源。
在一些实施例中，所述偏置包括：通过所述导电接触件向所述薄结施加脉冲信号，所述脉冲信号具有(i)在所述图像传感器的每个积分周期期间的非零电压幅值，以及(ii)在除了所述积分周期之外的时间的零电压幅值，所述非零电压幅值具有与所述偏置电压相同的极性。
在一些实施例中，所述非零电压(b)当所述光电二极管和所述薄结中的每一个都是n掺杂时为正，以及(b)当所述光电二极管和所述薄结中的每一个都是p掺杂时为负。
附图说明
图1描绘了对场景成像的相机；该相机包括图像传感器。
图2是图像传感器的截面示意图，该图像传感器是图1的图像传感器的示例。
图3是图像传感器的截面示意图，该图像传感器是图1的图像传感器的示例。
图4和图5是暗电流抑制图像传感器的相应截面示意图，该暗电流抑制图像传感器是图1的图像传感器的第三实施例。
图6是暗电流抑制图像传感器的平面图，该暗电流抑制图像传感器是图4和图5的图像传感器的实施例。
图7是暗电流抑制图像传感器的示意图，该暗电流抑制图像传感器是图4和图5的图像传感器的实施例。
图8是图示在一个实施例中用于抑制图像传感器中的暗电流的方法的流程图。
具体实施方式
贯穿本说明书中对“一个示例”或“一个实施例”的引用意味着结合该示例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个示例中。因此，短语“在一个示例中”或“在一个实施例中”在本说明书各处的出现不一定都指同一示例。此外，在一个或多个示例中，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。
为了便于描述，在本文中可以使用空间相对术语，例如“下方”、“之下”、“下部”、“下面”、“上方”、“上部”等，来描述一个元件或特征与另外的(一个或多个)元件或特征的关系，如附图中所图示的。应当理解，除了附图中描绘的取向之外，空间相对术语旨在涵盖使用或操作中设备的不同取向。例如，如果附图中的设备被翻转，那么被描述为在其他元件或特征的“之下”或“下方”或“下面”的元件将被定向在其他元件或特征的“上方”。因此，术语“之下”和“下面”可以涵盖上方和下方的取向。该设备可以以其他方式定向(旋转90度或处于其他取向)，并且在此使用的空间相对描述词被相应地解释。此外，还应当理解，当一个层被称为在两个层“之间”时，它可以是两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。
术语半导体衬底可以指由一种或多种半导体例如硅、硅锗、锗、砷化镓、砷化铟镓和本领域技术人员已知的其他半导体材料形成的衬底。术语半导体衬底也可以指由一种或多种半导体形成的衬底，其经受在衬底中形成区域和/或结的先前工艺步骤。半导体衬底还可以包括各种特征，例如掺杂和未掺杂的半导体、硅外延层以及形成在衬底上的其他半导体结构。应当注意，在本文件中，元素名称和符号可以互换使用(例如，Si和硅)；两者含义完全相同。
图1描绘了对场景成像的相机195。相机195包括图像传感器100，图像传感器100包括半导体衬底110。半导体衬底110的组成元素可以包括硅和锗中的至少一种。半导体衬底110包括像素阵列112A。图像传感器100可以是芯片级封装或板上芯片封装的一部分。相机195被示为手持设备的组件，但是应当理解，诸如安全设备、汽车相机、无人机相机等其他设备也可以利用相机195而不脱离本发明的范围。
图2是图像传感器200的截面示意图，该图像传感器200是图像传感器100的示例。图2中所图示的截面平行于由正交轴线A1和A3形成的平面，在下文中称为x-z平面，轴线A1和A3均与轴线A2正交。
在本文中，x-y平面由正交轴线A1和A2形成，并且平行于x-y平面的平面被称为横向平面。除非另有说明，本文中物体的高度和深度是指物体沿轴线A3的范围。在本文中，对轴x、y或z的引用分别指轴线A1、A2和A3。此外，在本文中，水平面平行于x-y平面，宽度是指物体分别沿着x或y轴的范围，并且竖直方向是沿着z轴的方向。在下面的描述中，图2和图3最好一起查看。
图像传感器200包括半导体衬底210。半导体衬底210包括前表面211、与前表面相反的后表面219、光电二极管212和凹表面215。凹表面215在前表面211与后表面219之间，从后表面219向前表面211延伸，并限定沟槽215T。半导体衬底210在表面211与219之间具有厚度218。在实施例中，厚度218在2微米与7微米之间。在实施例中，例如，当图像传感器200在移动、汽车或医疗相关应用中使用时，厚度218在2至4微米之间。在实施例中，当图像传感器用于诸如安全成像应用的红外感测时，厚度218至少为3微米，并且可以超过7微米，因为红外光比可见光更深地穿透到硅中。
在实施例中，图像传感器200包括在凹表面215和后表面219上的钝化层230。层230因此衬在沟槽215T上。在实施例中，层230由两个或更多个高κ介质层形成，其中每个高κ介质层的介电常数κ230超过二氧化硅的介电常数(κ＝3.9)。在实施例中，介电常数κ230超过氮化硅的介电常数(κ＝7)。在一个示例中，层230是氧化铝(Al2O3)和氧化铪(HfO2)的高κ介质层的堆叠。在示例中，层230是氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)和氧化铪(HfO2)的高κ介质层的堆叠。
在实施例中，图像传感器200包括钉扎层213，钉扎层213具有与光电二极管212的导电类型相反的导电类型；在这样的实施例中，光电二极管212是钉扎光电二极管。钉扎层213可以是半导体衬底210的区域。当光电二极管212是n型半导体(n掺杂)时，钉扎层213是p型半导体(p掺杂)，反之亦然。钉扎层213与光电二极管212相邻，并且在光电二极管212与前表面211之间。钉扎层213可以跨越前表面211与光电二极管212之间的半导体衬底210的区域。钉扎层213可以连接到电接地(electrical ground)。
图3是图像传感器300的截面示意图，该图像传感器300是在后表面219上添加了介质层340的图像传感器200。介质层340至少部分地填充沟槽215T，并且还可以设置在后表面219的至少部分上。介质层340可以具有低于半导体衬底210的折射率n210的折射率n340。介质层340可以由氧化物例如二氧化硅形成。
沟槽215T可以经由蚀刻工艺形成，该蚀刻工艺破坏半导体衬底210的晶体晶格并导致凹表面215上的缺陷或陷阱部位。在图像传感器300的操作期间，在凹表面215(例如，介质层340与半导体衬底210之间的界面)处产生电荷载流子。在图3中用圈住的q表示的电荷载流子作为暗电流朝向光电二极管212扩散，这导致白像素缺陷。图3表示半导体衬底210的在光电二极管212与凹表面215之间的衬底区域314。当衬底区域314是p型半导体区域(并且光电二极管212是n型)时，电荷载流子q是电子，并且是衬底区域314中的少数载流子。当衬底区域314是n型半导体区域(并且光电二极管212是p型)时，电荷载流子q表示空穴，并且是衬底区域314中的少数载流子。
在实施例中，图像传感器300包括在半导体衬底210与介质层340之间的钝化层230。也就是说，钝化层230在表面219和215上，并且介质层340在钝化层230上。钝化层230包含负的固定电荷，负的固定电荷在凹表面215周围形成空穴积聚区，并减少载流子从表面215到光电二极管212的扩散，但可能无法消除这种扩散以及由此产生的白像素缺陷。
图4和图5是暗电流抑制图像传感器400的相应截面示意图，暗电流抑制图像传感器400在下文中称为图像传感器400，图像传感器400是图像传感器200的示例。图像传感器400包括从沟槽限定表面延伸到图像传感器400的半导体衬底410中的薄结420。薄结420进一步减少了暗电流和白像素缺陷。虽然图2至图4中的每一个的截面图是在x-z平面中示出的，但是它们也代表了在平行于y-z平面的平面中的相应的图像传感器200、300和400。
图4表示了水平截面平面5–5′，该水平截面平面5–5′是图5的截面平面。在截面平面5–5′中，沟槽415T围绕光电二极管212。在实施例中，截面平面5–5′平行于后表面419。
半导体衬底410是半导体衬底210的示例。半导体衬底410包括前表面411、凹表面415和后表面419，它们是半导体衬底210的相应表面211、215和219的示例。凹表面415限定了沟槽415T，沟槽415T是沟槽215T的示例。在与光电二极管212相交且平行于x-y平面或y-z平面的平面中，凹表面415包括两个凹区段，如图4所示。
在实施例中，图像传感器400包括钉扎层213、钝化层230和介质层340中的至少一个。钝化层230可以在表面415和419上。介质层340可以在表面415和419上，或者在钝化层230上。介质层340可以部分地或完全地填充沟槽415T。为了图示清楚，图4中没有示出层213、230和340中的任何一个。
在实施例中，图像传感器400是背照式图像传感器，因此前表面411可以称为非照明表面，并且后表面419可以称为照明表面。在一些实施例中，图像传感器400可以是滚动快门图像传感器或全局快门图像传感器。
薄结420从凹表面415延伸到半导体衬底410内相对于凹表面415的竖直深度426和水平深度427。薄结420可以是半导体衬底410的一部分，并且凹表面415可以是薄结420的结表面。
深度426和427中的每一个可以在20纳米与50纳米之间，并且取决于沟槽415T的沟槽宽度，深度426可以不同于深度427。在实施例中，薄结420从凹表面415在方向A1和A3上均匀延伸，使得深度426与深度427相同。在实施例中，薄结420的离子浓度在每立方厘米1018与1021个离子之间。
半导体衬底410包括位于薄结420与光电二极管212之间的衬底区域414。在实施例中，电荷载流子q是在衬底区域414中的少数载流子，并且当在薄结420中时变成多数载流子。为了便于电荷载流子q从光电二极管212释放，薄结420可以通过偏置线连接到地或电压源以接收偏置电压，并且衬底区域414可以连接到电接地。
在实施例中，薄结420的离子浓度
Figure BDA0003927514720000071
大于衬底区域414的离子浓度/>
Figure BDA0003927514720000072
这种相对浓度可以由掺杂工艺例如等离子体浸没产生，其中掺杂剂浓度作为距表面415的距离的函数而降低。此外，当/>
Figure BDA0003927514720000073
太低时，例如低于离子浓度/>
Figure BDA0003927514720000074
与薄结420相关联的耗尽区域扩展到表面415附近的结表面。这导致电荷耗尽的薄结415的表面区域，因为与薄结420的目的相反，这种电荷由于高电阻而不能被排出。也就是说，薄结415需要具有最小水平的掺杂，以防止其表面电荷耗尽，从而允许在偏置操作期间电荷被排出。随着离子浓度/>
Figure BDA0003927514720000075
增加变成与离子浓度/>
Figure BDA0003927514720000076
相当大或比其更大，衬底区域414的耗尽区域变窄，并且相关联的电场可能变得过高，这可能导致结击穿。
在实施例中，薄结420的离子浓度
Figure BDA0003927514720000077
与光电二极管212的离子浓度/>
Figure BDA0003927514720000078
处于相同的数量级，使得两个浓度的比率(/>
Figure BDA0003927514720000079
或/>
Figure BDA00039275147200000710
)在十分之一与十之间。离子浓度/>
Figure BDA00039275147200000711
可以超过离子浓度/>
Figure BDA00039275147200000712
这防止了光电二极管212的满阱容量的负面影响。
衬底区域414是第一导电类型的半导体衬底区域。光电二极管212和薄结420中的每一个都是与第一导电类型相反的第二导电类型的半导体衬底区域。例如，当衬底区域414是p型半导体区域时，光电二极管212和薄结420中的每一个都是n型半导体区域，并且光电二极管212、衬底区域414和薄结420形成NPN结。NPN结使得薄结420和/或沟槽415T的凹表面415处的多数载流子能够通过连接偏置线释放，并且衬底区域414中的少数载流子电子扩散到附近的光电二极管212或薄结420。类似地，当衬底区域414是n型半导体区域时，光电二极管212和薄结420中的每一个都是p型半导体区域，并且光电二极管212、衬底区域414和薄结420形成PNP结。PNP结使得衬底区域414中的少数载流子空穴能够扩散到附近的光电二极管212或薄结420。
在实施例中，薄结420沿着方向A1和A2与相应的光电二极管212间隔一定距离，其中取决于相关联的像素尺寸，该距离的范围为从50纳米到200纳米。例如，衬底区域414沿着方向A1的侧向宽度和衬底区域414沿着方向A2的侧向宽度中的每一个的范围为从50纳米到200纳米。在实施例中，衬底区域414沿着方向A1和A2的相应侧向宽度相等。
在实施例中，衬底区域414延伸到以下区域中的至少一个：沟槽415T下方、光电二极管212与前表面411之间以及光电二极管212与后表面419之间。在实施例中，衬底区域414是指除了光电二极管212和薄结420之外的半导体衬底410的所有区域。
薄结420可以经由穿过后表面419对凹表面415进行离子注入来形成。例如，可以使用等离子体浸没离子注入工艺(例如，砷注入)和低温(例如，室温)和高能的激光退火来形成薄结420。离子注入剂量可以在每平方厘米1013与1014个离子之间。备选地，薄结420可以外延生长在凹表面415上。
在实施例中，图像传感器400包括隔离阱413，该隔离阱413从前表面411注入并在截面平面A–A′中围绕光电二极管212。沟槽415T相对于后表面419具有深度416。隔离阱413从前表面411延伸到距后表面419一定距离417处的深度。在实施例中，并且如图4所图示，深度416超过距离417，并且凹表面415部分地设置在隔离阱413中。在实施例中，距离417超过深度416，使得隔离阱413在空间上与薄结420分离，并且因此不紧邻薄结420。
隔离阱413和衬底区域414具有相同的导电类型。在实施例中，隔离阱413的离子浓度超过衬底区域414的离子浓度。在实施例中，衬底区域414是指除了光电二极管212、薄结420和隔离阱413之外的半导体衬底410的所有区域。
半导体衬底410包括多个光电二极管212，包括图4和图5中所表示的光电二极管212(1-3)。光电二极管212形成光电二极管阵列212A，光电二极管阵列212A可以是像素阵列112A的一部分。后表面419可以包括多个附加凹表面415，每个附加凹表面限定多个附加沟槽415T中的相应一个。每个沟槽415T围绕相应的光电二极管212，并将相应的光电二极管212与相邻的光电二极管212隔离。每个沟槽415T在x-y平面中具有截面形状；该形状可以是正方形、圆形、椭圆形、矩形或更一般的多边形。x-y平面中沟槽415T的截面形状可取决于光电二极管和/或像素阵列布置的形状。如图5所图示，沟槽415T形成互连的沟槽阵列。在实施例中，此沟槽阵列415T形成单个栅格状沟槽。
图4和图5图示了结420的结-侧壁区域422(1-3)和结底部区域424(1)和424(2)。每个结-侧壁区域422(1-3)分别围绕光电二极管212(1-3)。结底部区域424(1)连接结-侧壁区域422(1)和422(2)，而结底部区域424(2)连接结-侧壁区域422(2)和422(3)。因此，虽然每个结-侧壁区422看起来不同于相邻的结-侧壁区422，但是每个结-侧壁区域422是在半导体衬底410中形成栅格的连续薄结420的一部分。因此，薄结420可以围绕多个光电二极管，例如图像传感器400的所有光电二极管，并且可以连接到并保持在公共电压。
光电二极管212和薄结420形成图像传感器400的像素阵列412A的多个像素。像素阵列412A是图1中像素阵列112A的示例。当图像传感器400包括其他先前介绍的元件，例如钝化层230和介质层340时，这些元件可被视为像素阵列412A的部分和/或图像传感器400的像素阵列区域的部分。在一些实施例中，像素阵列412A的像素间距在0.7微米至3微米之间。
图6是暗电流抑制图像传感器600的示意性平面图，该暗电流抑制图像传感器600是图像传感器400的示例。图6的平面图是从半导体衬底410上方并面向正z方向的视角601看到的，使得图4的半导体衬底410的后表面419可见。图像传感器600包括像素阵列区域602和与像素阵列区域602相邻且在后表面419上的周边区域660。在实施例中，周边区域660围绕像素阵列区域602。像素阵列区域602包括介质层340和像素阵列412A，以及薄结420。图6包括针对薄结420的不同区段的插图(callout)。图6还图示了后表面419下方的光电二极管212的位置。
周边区域660包括至少一个导电接触件662，该至少一个导电接触件662电连接到薄结420，薄结420可以形成连续的栅格。在实施例中，延伸到周边区域660中的介质层340和结420的部分在一个导电接触件662与前表面411之间。导电接触件662可以在后表面419上。
在实施例中，导电接触件662被保持在电接地或偏置电压VDD，使得电荷载流子q被释放到导电接触件662(并且在实施例中，释放到与其连接的偏置线)，而不是扩散到相邻的光电二极管212之一。当薄结420是n型半导体时，偏置电压VDD为正，并且当薄结420是p型半导体时，偏置电压VDD为负。偏置电压VDD的电压幅值|VDD|可以在0.1伏与1伏之间，并且可以根据将沟槽415T的侧壁(表面415)处形成的电子拉离光电二极管212并释放到导电接触件662而不会影响光电二极管212的满阱容量所需的电场强度而在这些值之间在时间上变化。在一些实施例中，偏置电压VDD的上限基于光电二极管212的钉扎电压水平Vpin(例如，是钉扎电压水平Vpin的递增函数)来配置。也就是说，对于更高的钉扎电压水平Vpin，可以施加更高的偏置电压VDD(例如，超过1伏的偏置电压VDD的电压幅值|VDD|)。在实施例中，导电接触件662连接到电压源664和电接地666中的一个，电压源664和电接地666中的至少一个可以是图像传感器600的部分。
在实施例中，图像传感器600可以具有堆叠芯片结构，其中电压源664和电接地666中的至少一个位于逻辑芯片中，并且包括光电二极管212、沟槽415T和薄结420的像素阵列412A位于图像传感器芯片上。薄结420可以通过竖直导体结构，例如贯穿硅通路(throughsilicon via，或称为硅通孔)或贯穿衬底通路(through substrate via，或称为衬底通孔)，连接到电压源664和电接地666。
图7是暗电流抑制图像传感器700的示意性截面图，该暗电流抑制图像传感器700是添加了金属栅格752、滤色器阵列750A和微透镜阵列760A的图像传感器400。图像传感器700包括钝化层230和介质层340。金属栅格752与沟槽415T对准。滤色器阵列750A包括多个滤色器750，其中的每个滤色器与相应的光电二极管212对准，并且在金属栅格752的孔口内。每个滤色器750可以是红色、蓝色、绿色、青色、品红色、黄色、红外或全色滤色器之一。微透镜阵列760A包括多个微透镜760，其中的每个微透镜设置在相应的滤色器750上。
图8是图示用于抑制图像传感器中的暗电流的方法800的流程图。方法800可以由图像传感器400、600和700中的任何一个来实施。方法800包括步骤810，步骤810可以包括步骤812。步骤812还可以包括步骤814。
步骤810包括将薄结电连接到偏置电压。薄结沿着图像传感器的半导体衬底的凹表面形成。凹表面形成沟槽，沟槽围绕半导体衬底的光电二极管。薄结和与其相邻的半导体衬底区域具有相反的导电类型。在步骤810的示例中，图像传感器400的薄结420电连接到偏置电压，该偏置电压可以是电接地或非零偏置电压。
当半导体衬底包括光电二极管阵列和与光电二极管阵列相邻的周边区域时，方法800可以包括步骤812。步骤812包括通过将薄结电连接到导电接触件来偏置薄结，该导电接触件(i)位于周边区域中，并且(ii)电连接到电接地或者保持在非零电压，以向薄结提供偏置电压。偏置电压的幅值可以是非零的，例如，在0.1V与1V之间。在步骤812的示例中，图6的图像传感器600的薄结420电连接到导电接触件662。
步骤814包括将导电接触件电连接到电压源，以(i)偏置薄结，以及(ii)通过导电接触件将靠近凹表面的电荷载流子排放到电压源。在步骤814的示例中，导电接触件662电连接到电压源664，这偏置薄结420。
在实施例中，图像传感器是全局快门图像传感器，并且图像电荷在积分之后从像素阵列的所有光电二极管同时转移到对应的存储节点。在这样的实施例中，步骤812可以包括步骤816。步骤816包括通过导电接触件向薄结施加脉冲信号。在步骤816的示例中，通过向导电接触件662施加脉冲信号，因此也向薄结420施加脉冲信号来偏置薄结420。在一些实施例中，脉冲信号具有(i)在图像传感器的每个积分周期期间的非零电压幅值(例如，0.1V至1V)，以及(ii)在除了积分周期之外的时间的零电压幅值。在实施例中，基于光电二极管的钉扎电压水平Vpin来配置非零电压幅值。
在实施例中，脉冲信号的非零偏置电压或非零电压幅值的极性基于薄结420的导电类型。当薄结420是n型掺杂区域时，极性可以是正的。当薄结420是p型掺杂区域时，极性可以是负的。
特征组合
(A1)一种暗电流抑制图像传感器，包括半导体衬底和薄结。半导体衬底包括前表面、与前表面相反的后表面、光电二极管以及在前表面与后表面之间的凹表面。凹表面从后表面向前表面延伸，并限定沟槽，沟槽在平行于后表面的截面平面中围绕光电二极管。薄结从凹表面延伸到半导体衬底中，并且是半导体衬底的区域。半导体衬底包括位于薄结与光电二极管之间的、具有第一导电类型的第一衬底区域。光电二极管和薄结具有与第一导电类型相反的第二导电类型。
(A2)在图像传感器(A1)的实施例中，在平行于后表面并且在后表面与沟槽深度之间的任何截面中，薄结围绕光电二极管。
(A3)在图像传感器(A1)和(A2)中任一个的实施例中，薄结的厚度在20纳米与50纳米之间。
(A4)在图像传感器(A1)至(A3)中任一个的实施例中，薄结的离子浓度大于半导体衬底的离子浓度。
(A5)图像传感器(A1)至(A4)中任一个的实施例还包括在后表面上并且至少部分填充沟槽的介质层。
(A6)图像传感器(A1)至(A5)中任一个的实施例还包括衬在沟槽上并覆盖后表面的高κ介质层。高κ介质层的介电常数大于或等于二氧化硅的介电常数。
(A7)图像传感器(A1)至(A6)中任一个的实施例还包括隔离阱，该隔离阱在平行于前表面的截面中围绕光电二极管。隔离阱的深度超过沟槽相对于后表面的深度。
(A8)图像传感器(A1)至(A6)中任一个的实施例还包括隔离阱，该隔离阱在平行于前表面的截面中围绕光电二极管。隔离阱的深度小于沟槽相对于后表面的深度。
(A9)在图像传感器(A7)和(A8)中任一个的实施例中，隔离阱具有第一导电类型，并且具有超过第一衬底区域的离子浓度的离子浓度。
(A10)在图像传感器(A1)至(A9)中任一个的实施例中，半导体衬底还包括：(i)多个附加光电二极管，多个附加光电二极管与光电二极管一起形成光电二极管阵列；以及(ii)与光电二极管阵列相邻的周边区域，该周边区域包括电连接到薄结的导电接触件。
(A11)图像传感器(A10)的实施例还包括电压源和电接地之一，电压源和电接地电连接到导电接触件。
(A12)图像传感器(A1)至(A11)中任一个的实施例还包括在前表面与后表面之间的多个附加凹表面和多个附加薄结。多个附加凹表面中的每一个限定多个附加沟槽中的相应一个，多个附加沟槽中的每一个围绕多个附加光电二极管中的相应一个。该沟槽和多个附加沟槽形成互连的沟槽阵列。第二导电类型的多个附加薄结中的每一个从多个附加凹表面中的相应一个延伸到半导体衬底中。薄结和多个附加薄结形成电连接到导电接触件的薄结栅格。
(A13)在图像传感器(A12)的实施例中，分别对于多个附加光电二极管、附加沟槽和附加薄结中的每个附加光电二极管、附加沟槽和附加薄结：在后表面与附加沟槽的深度之间的任何截面中，附加薄结围绕光电二极管。
(A14)在图像传感器(A12)和(A13)中任一个的实施例中，分别对于多个附加光电二极管、附加沟槽和附加薄结中的每个附加光电二极管、附加沟槽和附加薄结：半导体衬底包括位于附加薄结与附加光电二极管之间的、具有第一导电类型的第二衬底区域。附加光电二极管和附加薄结具有第二导电类型。
(A15)在图像传感器(A1)至(A14)中任一个的实施例中，(i)薄结的离子浓度与(ii)光电二极管的离子浓度的比率在十分之一与十之间。
(B1)一种用于抑制图像传感器中的暗电流的方法，包括将薄结电连接到偏置电压。薄结沿着图像传感器的半导体衬底的凹表面形成。凹表面形成围绕半导体衬底的光电二极管的沟槽。薄结和与其相邻的半导体衬底区域具有相反的导电类型。
(B2)在方法(B1)的实施例中，半导体衬底包括光电二极管阵列及其周边区域。在这样的实施例中，所述电连接步骤可以包括通过将薄结电连接到导电接触件来偏置薄结，该导电接触件(i)位于周边区域中，并且(ii)电连接到电接地或者保持在非零电压，以向薄结提供偏置电压。
(B3)在方法(B2)的实施例中，所述偏置包括将导电接触件电连接到电压源，以(i)偏置薄结和(ii)通过导电接触件将靠近凹表面的电荷载流子排放到电压源。
(B4)在方法(B2)和(B3)中任一个的实施例中，所述偏置包括通过导电接触件向薄结施加脉冲信号。该脉冲信号具有(i)在图像传感器的每个积分周期期间的非零电压幅值，以及(ii)在除了积分周期之外的时间的零电压幅值。非零电压幅值具有与偏置电压相同的极性。
(B5)在方法(B1)至(B4)中任一个的实施例中，非零电压幅值的绝对值在0.1伏与1伏之间。
在不脱离本实施例的范围的情况下，可以对上述方法和系统进行改变。因此，应当注意，包含在以上描述中或者在附图中示出的内容应当被解释为说明性的，而不是限制性的。在本文中，除非另有说明，短语“在实施例中”等同于短语“在某些实施例中”，而不是指所有实施例。下面的权利要求旨在覆盖本文描述的所有一般和特定特征，以及从语言的角度来说可以说落入它们之间的本发明的方法和系统的范围的所有陈述。

Claims (20)

1.一种暗电流抑制图像传感器，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底包括前表面、与所述前表面相反的后表面、光电二极管以及在所述前表面与所述后表面之间的凹表面，所述凹表面从所述后表面向所述前表面延伸，并限定沟槽，所述沟槽在平行于所述后表面的截面平面中围绕所述光电二极管；和
薄结，所述薄结从所述凹表面延伸到所述半导体衬底中，并且是所述半导体衬底的区域，
所述半导体衬底包括位于所述薄结与所述光电二极管之间的、具有第一导电类型的第一衬底区域，
所述光电二极管和所述薄结具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中在平行于所述后表面并且在所述后表面与所述沟槽的深度之间的任何截面中，所述薄结围绕所述光电二极管。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述薄结的厚度在20纳米与50纳米之间。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述薄结的离子浓度大于所述半导体衬底的离子浓度。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括在所述后表面上并且至少部分填充所述沟槽的介质层。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括衬在所述沟槽上并覆盖所述后表面的高κ介质层，所述高κ介质层的介电常数大于或等于二氧化硅的介电常数。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括隔离阱，所述隔离阱在平行于所述前表面的截面中围绕所述光电二极管，所述隔离阱的深度超过所述沟槽相对于所述后表面的深度。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括隔离阱，所述隔离阱在平行于所述前表面的截面中围绕所述光电二极管，所述隔离阱的深度小于所述沟槽相对于所述后表面的深度。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述隔离阱具有第一导电类型并且具有超过第一衬底区域的离子浓度的离子浓度。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述半导体衬底还包括：
多个附加光电二极管，所述多个附加光电二极管与所述光电二极管一起形成光电二极管阵列；和
与所述光电二极管阵列相邻的周边区域，所述周边区域包括电连接到所述薄结的导电接触件。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，还包括电压源和电接地之一，所述电压源和所述电接地电连接到所述导电接触件。
12.根据权利要求10所述的图像传感器，其中在所述前表面与所述后表面之间还包括：
多个附加凹表面，所述多个附加凹表面中的每一个限定多个附加沟槽中的相应一个，所述多个附加沟槽中的每一个围绕所述多个附加光电二极管中的相应一个，所述沟槽和所述多个附加沟槽形成互连的沟槽阵列；以及
多个所述第二导电类型的附加薄结，所述多个附加薄结中的每一个从所述多个附加凹表面中的相应一个延伸到所述半导体衬底中，所述薄结和所述多个附加薄结形成电连接到所述导电接触件的薄结栅格。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中分别对于所述多个附加光电二极管、多个附加沟槽和多个附加薄结中的每个附加光电二极管、附加沟槽和附加薄结：
在所述后表面与所述附加沟槽的深度之间的任何截面中，所述附加薄结围绕所述光电二极管。
14.根据权利要求12所述的图像传感器，其中分别对于所述多个附加光电二极管、多个附加沟槽和多个附加薄结中的每个附加光电二极管、附加沟槽和附加薄结：
所述半导体衬底包括位于所述附加薄结与所述附加光电二极管之间的、具有所述第一导电类型的第二衬底区域，
所述附加光电二极管和所述附加薄结具有所述第二导电类型。
15.根据权利要求1所述的图像传感器，其中(i)所述薄结的离子浓度与(ii)所述光电二极管的离子浓度的比率在十分之一与十之间。
16.一种用于抑制图像传感器中的暗电流的方法，其中所述方法包括：
将沿着所述图像传感器的半导体衬底的凹表面形成的薄结电连接到偏置电压，所述凹表面形成围绕所述半导体衬底的光电二极管的沟槽，所述薄结和与其相邻的半导体衬底的区域具有相反的导电类型。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述半导体衬底包括光电二极管阵列及其周边区域，电连接包括：
通过将所述薄结电连接到导电接触件来偏置所述薄结，所述导电接触件(i)位于所述周边区域中，并且(ii)电连接到电接地或者保持在非零电压，以向所述薄结提供所述偏置电压。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述偏置包括：
将所述导电接触件电连接到电压源，以(i)偏置所述薄结，以及(ii)通过所述导电接触件将靠近所述凹表面的电荷载流子排放到所述电压源。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述偏置包括：
通过所述导电接触件向所述薄结施加脉冲信号，所述脉冲信号具有(i)在所述图像传感器的每个积分周期期间的非零电压幅值，以及(ii)在除了所述积分周期之外的时间的零电压幅值，所述非零电压幅值具有与所述偏置电压相同的极性。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述非零电压(b)当所述光电二极管和所述薄结中的每一个都是n掺杂时为正，以及(b)当所述光电二极管和所述薄结中的每一个都是p掺杂时为负。
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