CN117751454A - 固态成像设备、电子装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种固态成像设备，包括：第一导电型半导体的光电转换部，其中光电转换部包括作为电磁波入射侧的第一侧和与第一侧相对的第二侧；外延层，其中外延层形成于光电转换部的侧部，并与穿过第一侧的第一平面(A)(A)隔开；以及分隔层，其中，相对于外延层，与光电转换部相对形成有分隔层。

Description

固态成像设备、电子装置及方法
技术领域
本申请涉及一种固态成像设备、电子装置和方法。
背景技术
作为使用光电转换元件检测电磁辐射并产生电荷的固态成像设备(图像传感器)，电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)图像传感器已投入实际应用。CCD图像传感器和CMOS图像传感器作为数码相机、摄像机、监控摄像机、医用内窥镜、个人计算机(personal computer，PC)、移动电话和其他便携式终端(移动设备)以及其他各种类型的电子装置的部件得到了广泛的应用。
CCD图像传感器和CMOS图像传感器均使用光电二极管作为光电转换元件，但在传输光电转换信号电荷的方法上有所不同。在CCD图像传感器中，信号电荷通过垂直传输部件(垂直CCD，VCCD)和水平传输部件(水平CCD，HCCD)传输到输出部件，然后转换为电信号并放大。与此相反，在CMOS图像传感器中，包括光电二极管的每个像素进行转换的电荷被放大并作为读出信号输出。
发明内容
本申请的目的在于提供能够进一步降低暗电流的固态成像设备和电子装置，以及能够进一步降低暗电流的固态成像设备和电子装置的制造方法。
本申请的第一方面提供了一种固态成像设备，包括：第一导电型半导体的光电转换部，其中所述光电转换部包括作为电磁波入射侧的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；外延层，其中所述外延层形成于所述光电转换部的侧部，并与穿过所述第一侧的第一平面隔开；以及分隔层，其中，相对于所述外延层，与所述光电转换部相对形成有所述分隔层。
在一种可能的实现方式中，所述固态成像设备还包括：第二导电型半导体的半导体层，其中在所述第二侧与所述光电转换部接触形成有所述半导体层，其中所述外延层与穿过所述第二侧的第二平面隔开。
在一种可能的实现方式中，在穿过所述第一侧的所述第一平面和所述外延层之间，与所述光电转换部接触形成有所述分隔层的一部分。
在一种可能的实现方式中，所述外延层由所述第一导电型半导体制成。
在一种可能的实现方式中，所述外延层由所述第二导电型半导体制成。
在一种可能的实现方式中，所述外延层具有所述第一导电型半导体的第一外延层和所述第二导电型半导体的第二外延层，其中所述第一外延层形成于所述第二外延层与所述光电转换部之间。
在一种可能的实现方式中，在穿过所述第一侧的所述第一平面和所述第一外延层之间，与所述光电转换部接触形成有所述第二外延层的一部分。
在一种可能的实现方式中，所述分隔层中埋有导电材料。
在一种可能的实现方式中，所述分隔层为深沟槽隔离部分。
在一种可能的实现方式中，所述分隔层的至少一端由所述外延层覆盖。
在一种可能的实现方式中，所述深沟槽隔离部分埋入所述半导体层内。
在一种可能的实现方式中，在垂直于所述第一侧的法线的方向上，所述分隔层的深度等于或大于所述光电转换部的深度。
在一种可能的实现方式中，所述固态成像设备还包括：电路，包括：
耦合到所述光电转换部的电荷传输栅极器件；
耦合到至少一个所述电荷传输栅极器件的浮动扩散器；
耦合到所述浮动扩散器的双转换器件；
通过所述双转换器件耦合到所述浮动扩散器的复位器件。
在一种可能的实现方式中，所述电路还包括：耦合到所述浮动扩散器的源极跟随器器件，以及耦合到所述源极跟随器器件的行选择器件。
本申请的第二方面提供了一种电子装置，包括：第一方面或第一方面的任何一种可能的实现方式中所述的固态成像设备。
本申请的第三方面提供一种方法，包括：
蚀刻衬底的第一表面，以形成限定单位像素区域的沟槽；
通过外延生长方法，在所述沟槽的壁上形成外延层；
在所述沟槽的所述壁上形成所述外延层后，形成分隔层。
在一种可能的实现方式中，所述通过外延生长方法，在所述沟槽的壁上形成外延层，包括：
通过所述外延生长方法，在所述沟槽的所述壁上形成第一导电型半导体的第一外延层；
在形成所述第一外延层后，蚀刻所述第一外延层。
在一种可能的实现方式中，所述通过外延生长方法，在所述沟槽的壁上形成外延层，还包括：
在蚀刻所述第一外延层后，通过所述外延生长方法，在所述沟槽的所述壁上形成第二导电型半导体的第二外延层。
在一种可能的实现方式中，所述外延层由所述第一导电型半导体制成。
在一种可能的实现方式中，所述外延层由所述第二导电型半导体制成。
在一种可能的实现方式中，所述形成分隔层包括：
在所述沟槽的所述壁上形成绝缘材料的薄膜层；
用多晶硅填充所述沟槽。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
在所述蚀刻衬底的第一表面以形成沟槽之前，蚀刻所述衬底的所述第一表面以形成子沟槽；
在所述蚀刻衬底的第一表面以形成沟槽之前，掺杂所述衬底的所述子沟槽的壁以形成所述第二导电型半导体的层；
在所述蚀刻衬底的第一表面以形成沟槽之前，用绝缘材料填充所述子沟槽。
如上所述，根据本申请，可以提供能够进一步降低暗电流的固态成像设备和电子装置，以及能够进一步降低暗电流的固态成像设备和电子装置的制造方法。
附图说明
图1为根据本发明第一实施例的一种像素中的主要部分的配置示例的截面图。
图2为根据本发明第二实施例的一种像素的示例的电路图。
图3为根据本发明第一实施例的一种像素中的主要部分的配置示例的截面图和掺杂浓度。
图4为根据本发明第一实施例及现有技术的固态成像设备的B–B’平面的静电位图。
图5为根据本发明第一实施例的由B–B’平面切割的示例性电路布局的俯视图。
图6为根据本发明第二实施例的成像系统的框图。
图7为根据本发明第三实施例的一种像素中的主要部分的配置示例的截面图。
图8为根据本发明第四实施例的一种像素中的主要部分的配置示例的截面图。
图9为根据本发明第五实施例的一种像素中的主要部分的配置示例的截面图。
图10为根据本发明第六实施例的一种像素中的主要部分的配置示例的截面图。
图11为根据本发明第七实施例的一种像素中的主要部分的配置示例的截面图。
图12为根据本发明第八实施例的一种像素中的主要部分的配置示例的截面图。
图13为根据本发明实施例的固态成像设备的示意图。
图14为根据本发明实施例的电子装置的框图。
图15为应用本发明的图像传感器的技术的示例。
图16为车辆控制系统的示例性示意性配置的框图。
图17为根据本发明第一实施例的方法的示意图。
图18为根据本发明第一实施例的方法的流程图。
图19为根据本发明第二实施例的方法的示意图。
图20为根据本发明第二实施例的方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。此外，在本说明书和附图中，具有基本相同的功能和配置的相同组成元件由相同的附图标记表示，并且将省略冗余描述。
<<<固态成像设备>>>
首先，将对根据本发明实施例的固态成像设备100进行详细描述。根据本发明该实施例的固态成像设备100包括以下特征：固态成像设备包括：第一导电型半导体的光电转换部，其中所述光电转换部包括作为电磁波入射侧的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；外延层180，形成于光电转换部的侧部，并与穿过所述第一侧的第一平面(A)隔开；以及分隔层173，其中，相对于外延层180，与光电转换部相对形成有所述分隔层173。
<<第一实施例>>
图1为根据本发明第一实施例的一种像素中的主要部分的配置示例的截面图。如图1所示，根据本发明第一实施例的固态成像设备100包括光电转换部170、外延层180和分隔层173。外延层180能够包括第一外延层181和第二外延层182。
如图1所示，根据本发明第一实施例的固态成像设备100能够包括半导体层160、滤色镜层250、微透镜350、浮动扩散器300和传输晶体管450。光电转换部170和半导体层160形成光电二极管(photodiode，PD)150。
<光电二极管(photodiode，PD)>
如图1所示，光电二极管(photodiode，PD)150包括半导体层160和光电转换部170。在本实施例中，光电二极管(photodiode，PD)150是钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)。
(半导体层)
如图1所示，半导体层160由第二导电型半导体制成。第二导电型半导体可以是p型或n型半导体。在本实施例中，图1中的半导体层160是p型半导体。半导体层160与光电转换部170和外延层180接合。分隔层173应为绝缘材料，因此没有掺杂。在第二侧与光电转换部170可以接触形成有半导体层160。
(光电转换部)
如图1所示，光电转换部170由第一导电型半导体制成。光电转换部170可以是p型或n型半导体。在本实施例中，图1中的光电转换部170是n型半导体。光电转换部170与半导体层160接合，以形成光电二极管(photodiode，PD)150。第一导电型半导体与第二导电型半导体不同。光电转换部170具有第一侧172和第二侧171。第一侧172为电磁波入射侧。第二侧与第一侧相对。优选地，光电转换部170的第二侧171处的掺杂浓度小于分隔层173的第一侧171处的掺杂浓度。优选地，光电转换部170具有掺杂浓度的梯度。
<外延层>
如图1所示，在本实施例中，外延层180形成于光电转换部170的侧部。外延层180可以与光电转换部170的侧部接触。此外，外延层180与穿过第一侧的第一平面(A)隔开。在垂直于第一侧的法线的方向上，外延层180的长度可以小于光电转换部170的长度。可以在外延层180和光电转换部170之间形成能够带负电荷的层，从而可以进一步降低暗电流。外延层180可以与穿过第二侧的第二平面(B)隔开。
外延层180可以由第一导电型半导体制成。也就是说，外延层180可以由与光电转换部170相同的导电型半导体制成，从而可以进一步增加满阱容量。外延层180可以由第二导电型半导体制成。也就是说，外延层180可以由不同于光电转换部170的导电型半导体制成。外延层180可以吸收接口处的载流子，从而可以进一步降低暗电流。
外延层180可以具有第一导电型半导体的第一外延层181和第二导电型半导体的第二外延层180。也就是说，外延层180可以具有至少两个子外延层180。在一些实施例中，外延层180可以例如通过分子束外延(molecular-beam epitaxy，MBE)、气相外延(vapor-phase epitaxy，VPE)、液相外延(liquid-phase epitaxy，LPE)、一些其他合适的外延工艺或其他合适的生长或沉积工艺形成。
(第一外延层)
第一外延层181可以由第一导电型半导体制成。也就是说，第一外延层181可以由与光电转换部170相同的导电型半导体制成。第一外延层181可以形成于第二外延层182和光电转换部170之间。第一外延层181可以与光电转换部170的侧部接触。在穿过第一侧的第一平面(A)和第一外延层181之间，可以与光电转换部170接触有形成第二外延层182的一部分。第一外延层181在特定深度处的峰值掺杂浓度可以大于光电转换部170的峰值掺杂浓度，从而可以进一步增加满阱容量。在垂直于第一侧的法线的方向上，第一外延层181的长度可以小于光电转换部170的长度。第一外延层181可以与光电转换部170的穿过第一侧的第一平面(A)隔开。第一外延层181可以与穿过第二侧的第二平面(B)隔开。
(第二外延层)
第二外延层182可以由第二导电型半导体制成。也就是说，第二外延层182可以由不同于光电转换部170和第一外延层181的导电型半导体制成。第二外延层182可以与光电转换部170分开设置。第一外延层181可以形成于第二外延层182和光电转换部170之间。第二外延层182可以与第一外延层181接触。如图1所示，在穿过第一侧的第一平面(A)和第一外延层181之间，与光电转换部170可以接触形成有第二外延层182的一部分。第二外延层182的一部分可以覆盖第二外延层182的至少一端。第二外延层182的一部分可以形成于第一外延层181和光电转换部170的穿过第一侧的第一平面(A)之间。第二外延层182的一部分可以覆盖分隔层173的至少一端。第二外延层182的峰值掺杂浓度可以大于光电转换部170和第一外延层181的峰值掺杂浓度。
<分隔层>
如图1所示，相对于外延层180，与光电转换部170相对形成有分隔层173。在本实施例中，分隔层173形成于光电转换部170的部分。分隔层173覆盖光电转换部170的该部分，使得光电转换不与分隔层173以外的其他部件接触。分隔层173形成于两个像素之间。
在穿过第一侧的第一平面(A)和外延层180之间，与光电转换部170可以接触形成有分隔层173的一部分。分隔层173的至少一端可以由外延层180覆盖。在垂直于第一侧的法线的方向上，分隔层173的深度可以等于或大于光电转换部170的深度。
如图1所示，分隔层173可以为深沟槽隔离(deep trench isolation，DTI)。深沟槽隔离173部分从光电转换部170的第二侧172的一侧埋入分隔层173内。深沟槽隔离173部分可以是物理隔离部分。在垂直于第一侧171的法线的方向上，深沟槽隔离173部分与光电转换部170重叠。
<滤色镜层>
如图1所示，滤色镜层250形成于分隔层173中。在滤色镜层250中，可以为每个像素提供多个滤色镜，并且滤色镜的颜色可以例如以拜尔式排列的方式排列。滤色镜的类型不限，可以使用任何已知的滤色镜。滤色镜250可以包括红色滤色镜、绿色滤色镜和蓝色滤色镜。如图1所示，两个滤色镜之间可以放置栅格185。
<微透镜>
微透镜350的类型不限，可以使用任何已知的微透镜350。
<浮动扩散器>
浮动扩散器300区由第一导电型半导体制成。在本实施例中，浮动扩散器300区可以是n型半导体。浮动扩散器300埋入半导体层160内。浮动扩散器300与光电转换部170的第二侧171分开设置。优选地，浮动扩散器300的峰值掺杂浓度大于光电转换部170的第二侧171处的掺杂浓度。
<传输晶体管>
传输晶体管450与半导体层160分开设置。传输晶体管450与半导体层160之间存在绝缘层。
<电路>
图2为根据本发明第二实施例的一种像素的示例的电路图。如图2所示，根据本发明第一实施例的固态成像设备100的像素包括光电二极管(photodiode，PD)150、第一电荷传输栅极器件451、浮动扩散器300区、双转换器件400、复位器件500、源极跟随器器件600、行选择器件700和电流源800。浮动扩散器300区与第一电荷传输栅极器件451电连接。双转换器件400与浮动扩散器300区电连接。复位器件500通过双转换器件400与浮动扩散器300区电连接。源极跟随器器件600与浮动扩散器300区电连接。行选择器件700与源极跟随器器件600电连接。结隔离或STI隔离可用于划分固态成像设备100的器件元件。在另一实施例中，可通过根据本发明的固态成像设备100来实现图像传感器的“事件驱动”类型，而不是将数据读出为帧。图像传感器的事件驱动类型可以以异步方式输出数据，换句话说，随时响应入射到一个或多个像素上的电磁辐射的强度的变化。具体地，例如，如果由入射到一个或多个光电二极管(photodiode，PD)(或一个或多个像素)上的电磁辐射产生并存储在一个或多个光电二极管(photodiode，PD)中的像素电荷超过预定阈值，电磁辐射强度超过阈值的事件或表示电磁辐射强度的数据可以与一个或多个像素的坐标(例如，像素阵列中的x和y坐标)和定时信息一起输出。
(光电二极管(photodiode，PD))
光电二极管(photodiode，PD)150产生并累积信号电荷(此处为电子)，信号电荷的数量对应于入射电磁辐射量。下面将对信号电荷包括电子且每个晶体管都是n型晶体管的情况进行说明，但信号电荷可以是空穴，且一些晶体管也可以是p型晶体管。此外，在多个光电二极管之间共享一个晶体管的情况下，以及采用不具有选择晶体管的三晶体管(three-transistor，3Tr)像素的情况下，本实施例仍然有效。
可以使用钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)作为光电二极管(photodiode，PD)150。由于悬垂键或其他缺陷，形成光电二极管(photodiode，PD)150的衬底表面上存在表面电平，从而热能产生很大的电荷(暗电流)，因此无法再读出正确的信号。在钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)中，光电二极管(photodiode，PD)150的电荷累积部埋在衬底中，因此可以减少进入信号的暗电流。
<电荷传输栅极器件>
在本实施例中，固态成像设备100包括电荷传输栅极器件451。电荷传输栅极器件451具有传输栅极。电荷传输栅极器件451将存储在光电转换部170中的电荷传输到浮动扩散器300区。电荷传输栅极器件451不传输存储在固态成像设备100的其他像素中的电荷。电荷传输栅极器件451与光电二极管(photodiode，PD)150的一部分电连接。电荷传输栅极器件451传输通过光电二极管(photodiode，PD)150的电荷。电荷传输栅极器件451可以在半导体层160中具有嵌入部分。电荷传输栅极可以是垂直传输栅极。
根据本实施例的固态成像设备100采用能够通过包括传输晶体管TG-Tr的电荷传输栅极器件读出存储在光电转换部170中的电荷的配置。
电荷传输栅极器件450可以由传输晶体管TG-Tr构成。电荷传输栅极器件450可以由以下部件构成：形成浮动扩散器300(FD)区的n层，其中形成于光电转换部170的子区中的存储容量部中的电荷被传输到该n层；p型层，其中该p型层形成于半导体层160和形成浮动扩散器300(FD)区的n层之间；以及栅电极(gate electrode，GT)，其中该栅电极(gateelectrode，GT)通过绝缘膜至少形成于半导体层160上。
构成电荷传输栅极器件450的传输晶体管TG-Tr连接在光电二极管(photodiode，PD)150和浮动扩散器300(FD)区之间。传输晶体管TG-Tr通过控制信号TG控制。传输晶体管TG-Tr在控制信号TG处于高电平(H)并且成为导电状态的时段被选择，并将光电转换得到的存储在光电二极管(photodiode，PD)150中的电荷(电子)传输到浮动扩散器300(FD)区。
(浮动扩散器)
浮动扩散器300区可以是n型半导体。浮动扩散器300(FD)区可以与可变容量部电连接。该可变容量部与浮动扩散器300(FD)区连接，并且可以响应于容量变化信号CS改变浮动扩散器300(FD)区的容量。
(双转换器件)
双转换器件400(DCG)可以连接在复位器件500(RST)和浮动扩散器300(FD)区之间，以便通过组合两种类型的增益来实现高动态范围。双转换器件400(DCG)可以由MOS晶体管构成。在一些实施例中，可以移除双转换器件400。
(复位器件)
复位器件500(RST)选择性地复位FD中累积的电荷。复位器件500(RST)可以由MOS晶体管构成。
(源极跟随器器件)
源极跟随器器件600(SF)可以连接在行选择器件700(SEL)和浮动扩散器300(FD)区之间。源极跟随器器件600(SF)可以由MOS晶体管或JFET构成。
(行选择器件)
行选择器件700(SEL)可以连接在源极跟随器器件600(SF)和电流源800之间。行选择器件700(SEL)可以由MOS晶体管构成。
(电流源)
电流源800可以连接在行选择器件700(SEL)和地之间。可以使用已知的电流源800作为电流源800。
(衬底)
固态成像设备100的元件可以布置在衬底上(图中未示出)。半导体衬底可以由半导体材料如硅或锗组成。在一些实施例中，衬底可由至少一种或多种其他辐射敏感材料组成，例如硅锗、碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、铟、锑、绝缘体上半导体或其组合。
图3为根据本发明第一实施例的一种像素中的主要部分的配置示例的截面图和掺杂浓度。如图3所示，背面照明时，从晶体管侧的相对表面形成沟槽。在像素到像素隔离区中的沟槽结构具有水平堆叠的多层半导体结构，其中多层掺杂剂的极性、深度和水平位置是不同的。从像素到像素隔离区中的沟槽到光电二极管区有p型掺杂层和n型掺杂层。p型掺杂层为本实施例中的第一外延层181。n型掺杂层为本实施例中的第二外延层182。
n型掺杂层的垂直长度小于p型掺杂层的垂直长度。n型层的上端部低于p型层的上端部，n型掺杂层的下端部高于p型掺杂层的下端部。n型掺杂层和p型掺杂层都可以通过选择性外延工艺形成。选择性外延材料可以是硅、SiGe、Ge、III-V半导体或其组合。外延层180的掺杂浓度可以是均匀的。外延层可以具有掺杂浓度呈梯度分布的层。外延层可以具有无掺杂的层。
如图3所示，掺杂可以通过原位外延掺杂、固相扩散、等离子体掺杂、离子注入或其组合来完成。在一些实施例中，掺杂剂活化可以通过低温退火来完成，例如微波退火。p型掺杂层的p型掺杂级大于n型掺杂层的n型掺杂级，如图3中的右图所示。n型掺杂层的掺杂剂浓度可以例如大约为1e16原子/cm3至1e18原子/cm3。n型掺杂层的横向宽度可以例如为3nm以上200nm以下，而p型掺杂层的横向宽度可以例如为3nm以上50nm以下。
沟槽区可以填充绝缘膜，例如SiO2、SiN、SiON、HfO2、Al2O3、ZrO2、Ta2O5、TiO2、La2O3、Pr2O3、CeO2、Nd2O3、Pm2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3、Yb2O3、Lu2O3、Y2O3或其组合。在一些实施例中，在形成绝缘膜之后，沟槽区可以填充导电膜，例如Ti、TiN、W、Al、Cu、多晶硅。
图4为根据本发明第一实施例及现有技术的固态成像设备的B–B’平面的静电位图。如图4所示，本实施例的静电位深度大于现有技术中的静电位深度。因此，本实施例的满阱容量大于现有技术中的满阱容量。这是因为n型掺杂层贡献了满阱容量。此外，由于n型掺杂层是外延层180，n型掺杂层的对准和DTI形成工艺步骤不分开进行。因此，n型掺杂层的对准和DTI几乎没有误差。因此，在本实施例中，对DTI的接口保护是充足的。相应地，固态成像设备100的满阱容量进一步增加。另外，在本实施例中，对DTI的接口保护是充足的，因此可以进一步降低暗电流。
然而，在尺寸较大且纵向和横向纵横比较大的情况下，例如在约为3μm的正方形像素的情况下，DTI、光电二极管和像素到像素隔离之间的重叠误差将非常显著，这对满阱容量(full well capacity，FWC)和暗电流等性能具有很大的负面影响。此外，由于较高的纵横比结构，精细间距光致抗蚀剂图案化的难度大大增加。
本实施例的固态成像设备100具有形成于光电转换部170的侧部的p型掺杂层。p型掺杂层可以抑制来自沟槽和半导体之间的区域的暗电流，从而可以进一步降低暗电流。此外，由于p型掺杂层是外延层180，p型掺杂层的对准和DTI形成工艺步骤不分开进行。因此，p型掺杂层的对准和DTI几乎没有误差。因此，在本实施例中，对DTI的接口保护是充足的。相应地，固态成像设备100的满阱容量进一步增加。另外，在本实施例中，对DTI的接口保护是充足的，因此可以进一步降低暗电流。
图5为根据本发明第一实施例的由B–B’平面切割的示例性像素布局的俯视图，该示例像素布局包括第一外延层181、第二外延层182以及分隔层173。如图5所示，固态成像设备100的像素在俯视图中可以为正方形。分隔层173位于像素的外周。在图5中，分隔层173为深沟槽隔离。在俯视图中，深沟槽隔离包围p型掺杂层。在俯视图中，p型掺杂层包围n型掺杂层。在俯视图中，n型掺杂层包围光电转换部170。
光电二极管(photodiode，PD)可以具有称为单光子雪崩二极管(single photonavalanche diode，SPAD)的配置。具有这种光电二极管(photodiode，PD)的像素在像素中具有高电场区。重复由光电转换产生的电子和空穴被高电场加速而与像素中的原子碰撞并进一步产生电子和空穴的过程，最终会发生产生大量电子和空穴的电子雪崩放大。因此，即使入射电磁波的强度很小，SPAD也可以产生大量的像素电荷，因此可以有助于使用图像传感器进行成像的高灵敏度和距离测量的高精度。
<<第二实施例>>
<成像系统>
下面将结合附图对本发明第二实施例进行详细描述。图6为根据本发明第二实施例的成像系统201的框图。如图3所示，成像系统201包括控制电路205、像素阵列209、读出电路210和信号处理电路206。像素阵列209是像素的二维阵列。每个像素可以是如图1所示的成像设备。像素按行(R1至Ry)和列(C1至Cx)排列，以获取被摄体的图像数据。控制电路205控制像素阵列209，例如产生快门信号。图像数据由读出电路210通过位线读出并发送到信号处理电路206。
基底衬底可以由Si、SiGe、Ge、III-V半导体、绝缘体上半导体(绝缘体上半导体，SOI)、半导体外延层或任何其他光敏材料组成。
在本实施例中，成像系统201例如由CMOS图像传感器201A构成。在本实施例中，成像系统201包括根据第一实施例的固态成像设备100。此外，在本实施例中，固态成像设备100使用在像素阵列209中布置成矩阵的像素作为光电转换元件。光电转换元件是本实施例中的光电转换部170。每个像素由光电二极管(photodiode，PD)150形成。在本实施例中，光电二极管是钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)。光电二极管(photodiode，PD)150的构成可以与本发明第一实施例中的光电二极管(photodiode，PD)150的构成相同。
例如，CMOS图像传感器201A中的每个像素可以通过以下方式构成：一个光电二极管包括四个元件作为有源元件：包括传输晶体管的传输元件、包括复位晶体管的复位元件、包括源极跟随器晶体管的源极跟随器元件(放大元件)和包括选择晶体管的选择元件。此外，每个像素可以设置一个溢流门(溢流晶体管)，以在光电二极管的累积时段内释放从光电二极管溢出的溢流电荷。此外，每个像素可以提供双转换器件400(DCG)。
传输晶体管可以连接在光电二极管和输出节点之间，输出节点包括浮动扩散器300区层(FD)。在光电二极管的电荷累积时段，传输晶体管可以保持在非导通状态。在将光电二极管中累积的电荷传输到浮动扩散器300区的传输时段中，给栅极提供控制信号，由此该控制信号保持在导电状态并将在光电二极管中光电转换得到的电荷传输到浮动扩散器300(FD)区。
复位晶体管连接在电源线和浮动扩散器300(FD)区之间。当在复位晶体管的栅极处给出复位使用的控制信号时，复位晶体管将浮动扩散器300(FD)区的电位重置为电源线的电位。
浮动扩散器300(FD)区与源极跟随器晶体管的栅极连接。源极跟随器晶体管通过选择晶体管连接到垂直信号线，并与像素部外部的负载电路的恒流源800一起构成源极跟随器。此外，向选择晶体管的栅极提供控制信号(地址信号或选择信号)，从而使得选择晶体管导通。当选择晶体管导通时，源极跟随器晶体管放大浮动扩散器300(FD)区的电位，并根据该电位向垂直信号线输出电压。通过垂直信号线，从像素输出的电压被输出到由列并行处理部构成的像素信号读出电路210。
此外，在每个像素中，广泛使用钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)作为光电二极管(photodiode，PD)150。由于悬垂键或其他缺陷，形成光电二极管(photodiode，PD)150的衬底表面上存在表面电平，从而热能产生很大的电荷(暗电流)，因此无法再读出正确的信号。在钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)中，光电二极管(photodiode，PD)150的电荷累积部埋在衬底中，因此可以减少进入信号的暗电流。应当注意，光电二极管(photodiode，PD)150的灵敏度可以通过例如改变曝光时间等来改变。
例如，钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)可通过以下方式构成：形成n型半导体区域和在该n型半导体区域的表面(即在与绝缘膜的接口附近)形成用于抑制暗电流的具有丰富杂质浓度的浅p型半导体区域。
<电路>
根据本发明第二实施例的像素中的电路与本发明第一实施例的像素中的电路相同。光电二极管(photodiode，PD)150将电磁辐射转换为电荷。电荷通过传输栅极器件(TX)选择性地传输到浮动扩散器300(FD)区。FD层连接到源极跟随器(source follower，SF)器件600(SF)的栅极，输出信号(Vout)经由行选择器件(SEL)传输到信号线。电流源800(Icolumn)连接在SEL和地之间。因此，如果TX的栅极和SEL的栅极导通，则在信号线上获得与来自PD的电信号对应的输出信号。复位器件500(RST)选择性地复位FD中累积的电荷。可以在RST和FD层之间连接双转换增益(dual conversion gain，DCG)器件，以便通过组合两种类型的增益来实现高动态范围。对于n型光电二极管，AVSS1可以为接地或负电压，范围为–5.0V至0V。在一些实施例中，光电二极管为p型，像素到像素隔离为n型。
在一些实施例中，包括RST、DCG、SEL和SF的像素设备可以由至少两个光电二极管共享。在一些实施例中，Vout可以是两个以上，并且至少同时读取两行。
在本实施例中，通过构成读出电路210，使得在一个读取时段中，能够执行第一转换增益模式读取操作和第二转换增益模式读取操作，其中第一转换增益模式读取操作根据由可变容量部设置的第一容量读出具有第一转换增益的像素信号，第二转换增益模式读取操作根据由可变容量部设置的第二容量(不同于第一容量)读出具有第二转换增益的像素信号。也就是说，本实施例提供的固态成像设备100为具有宽动态范围的固态成像设备100。在一个读取时段中，该固态成像设备100在像素内的第一转换增益(例如高转换增益)模式和第二转换增益(低转换增益)模式之间切换的同时，根据在一个累积时段(曝光时段)内光电转换得到的电荷(电子)输出信号，并同时输出亮信号和暗信号。
本实施例中的读出电路210基本上在累积时段中执行第一转换增益模式读取操作和第二转换增益模式读取操作，该累积时段在释放光电二极管和浮动扩散器300区中的电荷的复位时段之后。此外，在本实施例中，读出电路210在复位时段之后的读取时段之后的至少一个传输时段之后的读取时段中执行第一转换增益模式读取操作或第二转换增益模式读取操作中的至少一个。也就是说，在传输时段之后的读取时段中，有时第一转换增益模式读取操作和第二转换增益模式读取操作均执行。
在普通的像素读出操作中，通过读出电路210的驱动，执行快门扫描操作，然后执行读取扫描操作。在读取扫描时段中执行第一转换增益模式(HCG)读取操作和第二转换增益模式(LCG)读取操作。
包括光电二极管(光电转换元件)和像素内放大器的多个像素排列在包括N行M列的二维矩阵中。
该像素使用例如光电二极管(photodiode，PD)150作为光电转换部170(光电转换元件)。为该光电二极管(photodiode，PD)150提供由传输晶体管TG-Tr构成的电荷传输栅极器件450、由复位晶体管RST-Tr构成的复位器件500、由源极跟随器晶体管SF-Tr构成的源极跟随器器件600以及由选择晶体管SEL-Tr构成的行选择器件700。
此外，该像素可以具有连接到浮动扩散器300(FD)区(浮动扩散器300区层)的可变容量部，并且可以响应于容量变化信号CS改变浮动扩散器300(FD)区的容量。
光电二极管(photodiode，PD)150产生并累积信号电荷(此处为电子)，信号电荷的数量对应于入射电磁辐射量。下面将对信号电荷包括电子且每个晶体管都是n型晶体管的情况进行说明，但信号电荷可以由空穴组成，且一些晶体管也可以是p型晶体管。此外，在多个光电二极管之间共享一个晶体管的情况下，以及采用不具有选择晶体管的三晶体管(three-transistor，3Tr)像素的情况下，本实施例仍然有效。
在每个像素中，可以使用钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)作为光电二极管(photodiode，PD)150。由于悬垂键或其他缺陷，形成光电二极管(photodiode，PD)150的衬底表面上存在表面电平，从而热能产生很大的电荷(暗电流)，因此无法再读出正确的信号。在钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)中，光电二极管(photodiode，PD)150的电荷累积部埋在衬底中，因此可以减少进入信号的暗电流。
然而，在尺寸较大且纵向和横向纵横比较大的情况下，例如在约为3μm的正方形像素的情况下，累积的电荷主要限于垂直方向上的pn结电容(半导体层160的法线方向：半导体层160的深度方向)，位于靠近光电二极管(photodiode，PD)150部(光电转换部170)的位置，因此难以有效地提高存储容量。
因此，根据本实施例的固态成像设备100，在钉扎光电二极管(pinnedphotodiode，PPD)的光电转换部170中，为了增加存储容量，通过将光电转换层(例如，n层)划分为多个子区域，使得像素内部垂直于衬底的法线的方向(水平方向)有多个pn结部。本发明第二实施例的其他效果与第一实施例的相同。
<<第三实施例>>
下面将结合附图对根据本发明第三实施例的固态成像设备100A进行详细描述。图7为根据本发明第三实施例的一种像素中的主要部分的配置示例的截面图。如图7所示，从晶体管侧的表面形成沟槽。n型掺杂层由STI和p型STI离子注入层175隔开，这可以在STI区域的硅蚀刻之后完成。n型掺杂层可以通过固相扩散、等离子体掺杂、离子注入或其组合来制备。p型掺杂层可以通过选择性外延工艺形成，掺杂可以通过原位外延掺杂、固相扩散、等离子体掺杂、离子注入或其组合进行。本实施例中的p型掺杂层为第二外延层182。
DTI深度可以等于或大于感光材料厚度。传输栅极可以是垂直传输栅极，其中传输栅极的一部分嵌入光敏半导体区域中。SiO2等绝缘膜可以各向同性地沉积在沟槽区中，然后用多晶硅等导电材料填充。通过向埋在沟槽区中的导电材料施加电压，可以进一步抑制暗电流。
<<第四实施例>>
下面将结合附图对根据本发明第四实施例的固态成像设备100B进行详细描述。图8为根据本发明第四实施例的一种像素中的主要部分的配置示例的截面图。如图8所示，DTI的下端部低于p型掺杂层的下端部。DTI的下端部可以到达衬底的表面。DTI是分隔层173。除了分隔层173之外，固态成像设备100B的配置与第一实施例中相同。
<<第五实施例>>
下面将结合附图对根据本发明第五实施例的固态成像设备100C进行详细描述。图9为根据本发明第五实施例的一种像素中的主要部分的配置示例的截面图。如图9所示，不存在p型掺杂层。DTI接口钝化可以通过DTI填充材料的负电荷膜和/或来自导电DTI材料电极174的负偏压(图9中的右图)来完成。
<<第六实施例>>
下面将结合附图对根据本发明第六实施例的固态成像设备100D进行详细描述。图10为根据本发明第六实施例的一种像素中的主要部分的配置示例的截面图。如图10所示，p型掺杂层的上端部等于或高于背面半导体表面。在本实施例中，光电转换部170还具有绝缘层171。在本实施例中，绝缘层171与滤色镜层250的接口为第一侧。第二外延层182与穿过第一侧的第一平面(A)隔开。
<<第七实施例>>
下面将结合附图对根据本发明第七实施例的固态成像设备100E进行详细描述。图11为根据本发明第七实施例的一种像素中的主要部分的配置示例的截面图。如图11所示，不存在垂直的p型掺杂层。DTI接口钝化可以通过来自导电DTI材料电极的负偏压来完成。在浅区形成另外的p型掺杂层176。另外的p型掺杂浓度可以例如大约为1e16原子/cm3以上1e19原子/cm3以下。
<<第八实施例>>
下面将结合附图对根据本发明第八实施例的固态成像设备100F进行详细描述。图12为根据本发明第八实施例的一种像素中的主要部分的配置示例的截面图。图12示出了一些实施例的截面图。该实施例示出了背面DTI，但也可以是正面DTI。此外，背面DTI的DTI深度可以小于辐射敏感深度，等于辐射敏感深度，或大于辐射敏感深度。如图12所示，固态成像设备100F包括第一图像传感器芯片和第二集成电路芯片850。
图13为根据本发明实施例的固态成像设备100F的示意图。首先，可以参考图13中的A图描述典型的固态成像设备100F。典型的固态成像设备100F包括安装在单个半导体芯片上的像素阵列、控制电路和用于信号处理的逻辑电路。一般来说，图像传感器包括像素阵列和控制电路。像素阵列可以是正面照明，也可以是背面照明。
另一方面，如图13中的B图所示，根据本发明的实施例的固态成像设备100F包括安装在第一半导体芯片部上的像素阵列和控制电路(控制区域)以及逻辑电路，该逻辑电路包括安装在第二半导体芯片部上的用于信号处理的信号处理电路。第一半导体芯片部和第二半导体芯片部彼此电连接，并且可以形成单个半导体芯片以提供固态成像设备100F。
如图13中的C图所示，在根据本发明实施例的固态成像设备100F中，像素阵列可以安装在第一半导体芯片部上。此外，控制电路和包括信号处理电路的逻辑电路可以安装在第二半导体芯片部上。第一半导体芯片部和第二半导体芯片部可以彼此电连接，并且可以形成单个半导体芯片以提供固态成像设备100F。
如图13中的D图所示，在根据本发明实施例的固态成像设备100F中，像素阵列可以安装在第一半导体芯片部上。存储器电路也可以安装在第二半导体芯片部上。然后，控制电路和包括信号处理电路的逻辑电路可以安装在第三半导体芯片部上。第一半导体芯片部、第二半导体芯片部和第三半导体芯片部可以电连接，并且可以形成单个半导体芯片或两个半导体芯片以提供固态成像设备100F。
如图13中的E图所示，在根据本发明实施例的固态成像设备100F中，像素阵列可以安装在第一半导体芯片部上。像素电路也可以安装在第二半导体芯片部上。然后，控制电路和包括信号处理电路的逻辑电路可以安装在第三半导体芯片部上。第一半导体芯片部、第二半导体芯片部和第三半导体芯片部可以电连接，并且可以形成单个半导体芯片或两个半导体芯片以提供固态成像设备100F。
根据本发明实施例的固态成像设备100F可以应用于正面照明型图像传感器，也可以应用于背面照明型图像传感器。
下面将结合附图对根据本发明实施例的电子装置进行详细描述。
图14为根据本发明实施例的电子装置的框图。如图14所示，电子装置200A包括透镜201A、成像元件202A、DSP电路203A、帧存储器204A、显示单元205A、记录单元206A、操作单元207A和电源单元208A。此外，在电子设备200A中，DSP电路203A、帧存储器204A、显示单元205A、记录单元206A、操作单元207A和电源单元208A经由总线209彼此连接。
例如，成像元件202A对应于固态成像设备100。DSP电路203A是相机信号处理电路，用于处理成像元件202A提供的信号。DSP电路203A输出通过处理来自成像元件202A的信号获得的图像数据。帧存储器204A以帧为单位暂时保存由DSP电路203A处理的图像数据。显示单元205A包括例如液晶面板和有机电致发光(Electro Luminescence，EL)面板等面板型显示设备，并显示由成像元件202成像的运动图像或静止图像。记录单元206A将由成像元件202A成像的运动图像或静止图像的图像数据记录到诸如半导体存储器或硬盘等记录介质。操作单元207A根据用户的操作输出关于电子设备200A的各种功能的操作指令。电源单元208A将作为DSP电路203A、帧存储器204A、显示单元205A、记录单元206A和操作单元207A的操作电源的各种电源适当地供应给作为供应对象的这些部件。图14为应用本发明的图像传感器的技术的示例。
图15为应用本发明的图像传感器的技术的示例。如图15所示，上述固态成像设备100可作为成像设备应用于电子装置，例如数码相机、摄像机、便携式终端、监控摄像机或医用内窥镜相机。
图16为车辆控制系统111的示例性示意性配置的框图。如图16所示，车辆12100包括作为图像捕获部12031的图像捕获部12101、12102、12103、12104和12105。图像捕获部12101、12102、12103、12104和12105包括根据本发明的固态成像设备。例如，图像捕获部12101、12102、12103、12104和12105设置在车辆12100的前鼻、侧视镜、后保险杠或后门以及驾驶室挡风玻璃上部等位置。前鼻上的图像捕获部12101和驾驶室挡风玻璃上部的图像捕获部12105主要获取车辆12100前方的环境的图像。侧视镜上的图像捕获部12102和12103主要获取车辆12100侧面的环境的图像。设置在后保险杠或后门中的图像捕获部12104主要获取车辆12100后面的环境的图像。图像捕获部12101和12105获取的车辆前方的环境的图像主要用于检测前方车辆、行人、障碍物、红绿灯、交通标志、车道等。
应当注意，图16示出了图像捕获部12101至12104的拍摄范围。
图像捕获部12101至12104中的至少一个可以具有获取距离信息的功能。例如，图像捕获部12101至12104中的至少一个可以是包括多个成像元件的立体相机或包括用于相位差检测的像素的成像元件。
例如，微型计算机基于从图像捕获部12101至12104获得的距离信息获得车辆12100与成像范围12111至12114中的每个三维对象之间的距离以及该距离的时间变化(相对于车辆12100的相对速度)，并且可以提取具体的三维物体作为前方车辆。该三维物体是在车辆12100正在行驶的路径上以预定速度(例如0km/h以上)在与车辆12100的行驶方向基本相同的方向上行驶的最接近车辆12100的三维物体。此外，微型计算机可以通过预先设定车辆12100与前方车辆之间要确保的距离来执行自动制动控制(包括随动停止控制)、自动加速控制(包括随动启动驾驶控制)等。这样，可以执行旨在实现自动驾驶的协作控制，而无需驾驶员的操作等等。
例如，微型计算机可以基于从图像捕获部12101至12104获得的距离信息，将三维物体的三维物体数据分类为摩托车、标准尺寸车辆、大型车辆、行人以及电线杆等其他三维物体，提取数据，并且使用该数据来自动避开障碍物。例如，微型计算机将车辆12100周围的障碍物分为车辆12100的驾驶员能够看到的障碍物和该驾驶员难以看到的障碍物。然后，微型计算机确定碰撞风险，碰撞风险表示与每个障碍物发生碰撞的危险程度。当碰撞风险等于或高于预设值并且因此存在碰撞的可能性时，微型计算机可以通过以下方式来执行驾驶辅助以避免碰撞：经由音频扬声器或显示部向驾驶员输出警告，或者经由驱动系统控制单元12010强制降低速度或执行碰撞避免转向。
图像捕获部12101至12104中的至少一个可以是检测红外光的红外相机。例如，微型计算机可以通过确定由图像捕获部12101至12104捕获的图像是否包括行人来识别行人。例如，识别行人的方法包括在由图像捕获部12101至12104捕获的图像中提取特征点的步骤，以及根据指示对象的轮廓的一系列特征点执行模式匹配处理的步骤，从而确定对象是否为行人。当微型计算机确定由图像捕获部12101至12104捕获的图像包括行人并识别该行人时，声音/图像输出部控制显示部，使得矩形轮廓覆盖在识别到的行人上以强调该行人。此外，声音/图像输出部可以控制显示部，使得指示行人的图标等在期望的位置显示。
上文描述了可以应用根据本公开的技术的车辆控制系统的示例。根据本公开的技术可以应用于上述配置中的图像捕获部等。
需要说明的是，本技术的实施例并不限于上述实施例，可以在不脱离本技术主旨的前提下进行各种修改。
<<<固态成像设备的制造方法>>>
下面将结合附图对根据本发明实施例的用于制造电子装置的方法进行详细描述。根据本发明实施例的固态成像设备的制造方法，包括以下特征：蚀刻衬底的第一表面，以形成限定单位像素区域的沟槽；通过外延生长方法在沟槽的壁上形成外延层；以及在沟槽的壁上形成外延层后，形成分隔层。
<<第一实施例>>
图17为根据本发明第一实施例的方法的示意图。图18为根据本发明第一实施例的方法的流程图。
如图18所示，根据本发明第一实施例的方法包括：在半导体衬底中形成像素器件区域隔离结构的步骤(S101)、在半导体衬底中形成像素传感器的光电二极管阱的步骤(S102)、在半导体衬底的前侧形成传输晶体管和像素器件晶体管的步骤(S103)、在半导体衬底的前侧形成互连结构的步骤(S104)、将互连结构接合到第二集成芯片的步骤(S105)、在半导体衬底中进行深沟槽隔离蚀刻的步骤(S106)、DTI自对准选择性外延生长和n型掺杂的步骤(S107)、半导体垂直蚀刻的步骤(S108)、DTI自对准选择性外延生长和n型掺杂的步骤(S109)、沉积薄SiO2然后沉积负电荷膜的步骤(S110)、用SiO2填充DTI的步骤(S111)，以及形成抗反射层、在抗反射层上形成多个滤色镜、在滤色镜之间形成多个栅格结构，和在滤色镜上形成多个微透镜的步骤(S112)。
如图17所示，衬底10可以具有彼此相对的第一表面12和第二表面14。可以蚀刻衬底10的第一表面12以在衬底10中形成深沟槽16(S106)。深沟槽16可以形成为具有底表面16A，相比第一表面12，底表面16A更靠近第二表面14。深沟槽16可以形成为具有以网格形状彼此相交的部分，以限定像素器件区域。例如，衬底10可以是半导体衬底或绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)衬底。半导体衬底例如可以是硅衬底、锗衬底、硅-锗衬底、II-VI化合物半导体衬底或III-V化合物半导体衬底。
蚀刻衬底的第一表面后，通过外延生长方法在沟槽的壁上形成外延层(S107)。外延层也可以形成在沟槽的底表面16上。外延层的掺杂可以与蚀刻衬底的第一表面同时进行，也可以在蚀刻衬底的第一表面之后进行。掺杂可以通过原位外延掺杂、固相扩散、等离子体掺杂、离子注入或其组合来完成。在本实施例中，步骤S107中形成的外延层为n型外延层18。在一些实施例中，外延层18例如可以通过分子束外延(molecular-beam epitaxy，MBE)、气相外延(vapor-phase epitaxy，VPE)、液相外延(liquid-phase epitaxy，LPE)、一些其他合适的外延工艺或其他合适的生长或沉积工艺形成。
在沟槽的壁上形成外延层之后，垂直蚀刻衬底(S108)。垂直蚀刻衬底可以是在形成第一外延层后蚀刻第一外延层。如图17所示，在垂直蚀刻衬底后，外延层的长度变短，沟槽的长度变深。外延层与衬底的第一表面形成台阶。在垂直蚀刻衬底之后，衬底暴露在沟槽的底表面。
在垂直蚀刻衬底之后，通过外延生长方法在蚀刻第一外延层之后的沟槽的壁上形成第二导电型半导体的第二外延层(S109)。在步骤S109中，沟槽的壁是指在步骤S108之后暴露的部分。掺杂可以通过原位外延掺杂、固相扩散、等离子体掺杂、离子注入或其组合来完成。在本实施例中，在S109中形成的外延层为p型外延层22。
根据本实施例的方法，形成在沟槽的相对的壁上的外延层可以处于对称位置。此外，外延层的对准和DTI形成工艺步骤并不是分开进行的。因此，外延层的对准和DTI几乎没有误差。因此，在本实施例中，对DTI的接口保护是充足的。相应地，固态成像设备的满阱容量进一步增加。另外，在本实施例中，对DTI的接口保护是充足的，因此可以进一步降低暗电流。
<<第二实施例>>
图19为根据本发明第二实施例的方法的示意图。图20为根据本发明第二实施例的方法的流程图。
如图19所示，根据本发明第一实施例的方法包括：在半导体衬底中进行浅沟槽隔离蚀刻的步骤(S201)、进行p型掺杂以进行STI接口钝化的步骤(S202)、用SiO2填充STI的步骤(S203)、在半导体衬底中进行深沟槽隔离蚀刻的步骤(S204)、DTI自对准和n型掺杂的步骤(S205)、半导体垂直蚀刻的步骤(S206)、退火的步骤(S207)、选择性外延生长和p型掺杂的步骤(S208)，薄绝缘膜沉积的步骤(S209)、用多晶硅填充DTI的步骤(S210)、在半导体衬底中形成像素传感器的光电二极管阱的步骤(S211)、在半导体衬底的前侧形成传输晶体管和像素器件晶体管的步骤(S212)、在半导体衬底的前侧形成互连结构的步骤(S213)、将互连结构接合到第二集成芯片的步骤(S214)，以及形成抗反射层、在抗反射层上形成多个滤色镜、在滤色镜之间形成多个栅格结构，和在滤色镜上形成多个微透镜的步骤(S215)。
如图19所示，衬底10可以具有彼此相对的第一表面12和第二表面14。在蚀刻衬底的第一表面以形成沟槽之前，可以蚀刻衬底10的第一表面12以形成子沟槽16A(S201)。子沟槽的深度小于步骤S204中形成的沟槽。子沟槽的宽度大于步骤S204中形成的沟槽。例如，衬底10可以是半导体衬底或绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)衬底。半导体衬底例如可以是硅衬底、锗衬底、硅-锗衬底、II-VI化合物半导体衬底或III-V化合物半导体衬底。在形成子沟槽之后，掺杂子沟槽的壁，并且用SiO2填充STI(S202、S203)。
在用SiO2填充STI之后，蚀刻衬底的第一表面，以形成界定单位像素区域的深沟槽(S204)。SiO2层从深沟槽的壁暴露出来。然后通过PLAD(等离子体掺杂)或SPD(固相扩散)将深沟槽的壁掺杂至n型掺杂层(S205)。然后垂直蚀刻衬底(S206)。在垂直蚀刻衬底之后，对衬底进行退火以扩散n型掺杂剂(S207)。
在对衬底进行退火之后，通过外延生长方法在沟槽的壁上形成外延层(S208)。外延层也可以形成在沟槽的底表面16上。外延层的掺杂可以与蚀刻衬底的第一表面同时进行，也可以在蚀刻衬底的第一表面之后进行。掺杂可以通过原位外延掺杂、等离子体掺杂、离子注入或其组合来完成。在本实施例中，在步骤S208中形成的外延层为p型外延层18。然后用多晶硅填充沟槽以形成DTI(S210)。
根据本实施例的方法，形成在沟槽的相对的壁上的外延层可以处于对称位置。此外，外延层的对准和DTI形成工艺步骤并不是分开进行的。因此，外延层的对准和DTI几乎没有误差。因此，在本实施例中，对DTI的接口保护是充足的。相应地，固态成像设备的满阱容量进一步增加。另外，在本实施例中，对DTI的接口保护是充足的，因此可以进一步降低暗电流。
【工业适用性】
根据本发明，可以提供能够进一步降低暗电流的固态成像设备和电子装置，以及能够进一步降低暗电流的固态成像设备和电子装置的制造方法。
[附图标记]
固态成像设备100
半导体层160
光电转换部170
外延层180
分隔层173
传输晶体管451
第一外延层181
第二外延层182
滤色镜层250
微透镜350
双转换器件400
复位器件500
源极跟随器器件600
行选择器件700
电流源800
导电DTI材料电极174
STI和p型STI离子注入层175
另外的p型掺杂层176
成像系统201
控制电路205
信号处理电路206
像素阵列209
读出电路210
双转换器件400
浮动扩散器300
恒流源800。

Claims (22)

1.一种固态成像设备，其特征在于，包括：
第一导电型半导体的光电转换部，其中所述光电转换部包括作为电磁波入射侧的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；
外延层，其中所述外延层形成于所述光电转换部的侧部，并与穿过所述第一侧的第一平面隔开；
分隔层，其中，相对于所述外延层，与所述光电转换部相对形成有所述分隔层。
2.根据权利要求1所述的固态成像设备，其特征在于，还包括：
第二导电型半导体的半导体层，其中，在所述第二侧与所述光电转换部接触形成有所述半导体层，其中
所述外延层与穿过所述第二侧的第二平面隔开。
3.根据权利要求1或2所述的固态成像设备，其特征在于，
在穿过所述第一侧的所述第一平面和所述外延层之间，与所述光电转换部接触形成有所述分隔层的一部分。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述外延层由所述第一导电型半导体制成。
5.根据权利要求2所述的固态成像设备，其特征在于，
所述外延层由所述第二导电型半导体制成。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述外延层具有所述第一导电型半导体的第一外延层和所述第二导电型半导体的第二外延层，其中
所述第一外延层形成于所述第二外延层与所述光电转换部之间。
7.根据权利要求6所述的固态成像设备，其特征在于，
在穿过所述第一侧的所述第一平面和所述第一外延层之间，与所述光电转换部接触形成有所述第二外延层的一部分。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述分隔层中埋有导电材料。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述分隔层为深沟槽隔离部分。
10.根据权利要求9所述的固态成像设备，其特征在于，
所述分隔层的至少一端由所述外延层覆盖。
11.根据权利要求9所述的固态成像设备，其特征在于，
所述深沟槽隔离部分埋入所述半导体层内。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
在垂直于所述第一侧的法线的方向上，所述分隔层的深度等于或大于所述光电转换部的深度。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的固态成像设备，其特征在于，还包括：
电路，包括：
耦合到所述光电转换部的电荷传输栅极器件；
耦合到至少一个所述电荷传输栅极器件的浮动扩散器；
耦合到所述浮动扩散器的双转换器件；
通过所述双转换器件耦合到所述浮动扩散器的复位器件。
14.根据权利要求13所述的固态成像设备，其特征在于，
所述电路还包括：耦合到所述浮动扩散器的源极跟随器器件，以及耦合到所述源极跟随器器件的行选择器件。
15.一种电子装置，其特征在于，包括：
根据权利要求1至14中任一项所述的固态成像设备。
16.一种方法，其特征在于，包括：
蚀刻衬底的第一表面，以形成限定单位像素区域的沟槽；
通过外延生长方法，在所述沟槽的壁上形成外延层；
在所述沟槽的所述壁上形成所述外延层后，形成分隔层。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，
所述通过外延生长方法，在所述沟槽的壁上形成外延层，包括：
通过所述外延生长方法，在所述沟槽的所述壁上形成第一导电型半导体的第一外延层；
形成所述第一外延层之后，蚀刻所述第一外延层。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，
所述通过外延生长方法，在所述沟槽的壁上形成外延层，还包括：
在蚀刻所述第一外延层后，通过所述外延生长方法，在所述沟槽的所述壁上形成第二导电型半导体的第二外延层。
19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
所述外延层由所述第一导电型半导体制成。
20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
所述外延层由所述第二导电型半导体制成。
21.根据权利要求14至20所述的方法，其特征在于，
所述形成分隔层，包括：
在所述沟槽的所述壁上形成绝缘材料的薄膜层；
用多晶硅填充所述沟槽。
22.根据权利要求14至21所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述蚀刻衬底的第一表面以形成沟槽之前，蚀刻所述衬底的所述第一表面以形成子沟槽；
在所述蚀刻衬底的第一表面以形成沟槽之前，掺杂所述衬底的所述子沟槽的壁以形成所述第二导电型半导体的层；
在所述蚀刻衬底的第一表面以形成沟槽之前，用绝缘材料填充所述子沟槽。
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