CN1820349A - 具有垂直溢漏和短的微透镜到硅的距离的图像传感器 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器像素包括垂直溢漏结构，以便消除由衬底电荷扩散所引起的CMOS图像传感器噪声。利用额外的化学机械抛光步骤来缩短微透镜到硅表面的距离，以便减小光学串扰。一个实施例利用具有P－外延层的N型衬底材料来形成所述垂直溢漏。在标准CMOS工艺中引入深P阱注入，以防止N阱与N型衬底之间的闭锁。并且，通过堆叠的N阱/深N阱和堆叠的P阱/深P阱实现光电二极管，从而改善性能。
Description
技术领域
本发明的各实施例涉及半导体装置，且更具体地说，涉及固态图像传感器。
背景技术
图像传感器可以用于多种应用，例如数码相机、电脑摄像头(PC camera)、数码摄像机和个人通信系统(PCS)、以及模拟和数字电视和录像系统、电视游戏机、安全相机和医疗用微型相机等。随着电信和计算机系统的发展，对图像传感器的需求与日俱增。
图像传感器单元通常具有光电二极管元件，这个元件能够将光(例如，可见光、红外光和紫外光等)转换成电信号。当吸收光子时，通过光电转换而形成电子-空穴对。当光电二极管反向偏置时，会在光电二极管内形成耗尽区。耗尽区内的电场使通过光电转换而产生的电子-空穴对分离。
可以直接测量通过光电转换而产生的电流，以确定光强度。然而，通过直接测量光电转换获得的电流而产生的信号通常具有较差的信噪(S/N)比。因此，通常的图像传感器会在一段预定时间内积聚光电转换所产生的电荷；并且，通过测量积聚电荷的量来测定光强度。
为了测量积聚的光电电荷，CMOS(互补型金属-氧化物半导体)有源像素传感器(APS)包含用于测量与积聚光电电荷有关的信号的有源电路元件(例如，晶体管)。或者，可以将积聚电荷移到图像传感器单元外进行测量(例如，在CMOS无源像素传感器(PPS)或在电荷耦合装置(CCD)图像传感器中测量)。为防止噪声，CCD图像传感器利用复杂的方法将积聚电荷从传感器单元转移到放大器中进行测量。CCD装置利用大电压摆动的复杂驱动信号，且因此消耗大量功率。通常的CCD制作工艺为电荷转移而经最优化；且其与标准CMOS工艺不兼容。
因此，很难将CCD图像传感器与通常由互补型金属-氧化物半导体(CMOS)电路实现的信号处理电路集成在一起，且因此很难在更广泛的应用中实施。
CMOS图像传感器包括两个部分。第一部分是用于将光子信号转换为电信号的传感器阵列；第二部分是附属电路，包括信号读出用模拟电路和逻辑控制电路。采用标准的CMOS工艺来制作诸如CMOS图像传感器。图1是现有技术的现有CMOS图像传感器的横截面图，其包括P沟道晶体管(左边)、N沟道晶体管(中间)和光电二极管(右边)。
附图简单说明
图1是常规CMOS图像传感器；
图2是根据本发明一个实施例的CMOS图像传感器的横截面图；
图3是根据本发明一个实施例的CMOS图像传感器的横截面图；
图4是根据本发明一个实施例的CMOS图像传感器的横截面图；
图5是根据本发明一个实施例的CMOS图像传感器的横截面图；
图6是根据本发明一个实施例的CMOS图像传感器制作工艺的流程图。
附图详细说明
现参照图1，常规CMOS图像传感器100从P+型半导体材料衬底102开始。然后，在P+衬底102上形成P-型半导体材料EPI层104。P-EPI层104的电阻率约为8Ω～12Ω，且其硼掺杂密度约为2×1015原子/cm3。随后，形成浅沟槽106。浅沟槽隔离(ShallowTrench Isolation)工艺是目前CMOS传感器制作中的常见做法，其使得暗电流比传统的LOCOS工艺(局部氧化工艺)低得多。
在形成STI 106后，分别注入N阱108和P阱110。然后，形成多晶硅栅122。在形成多晶硅栅122后，注入N+114和P+112，以形成CMOS晶体管的源极和漏极。通过N阱108/P底104结形成光电二极管140。对于最流行的三个晶体管的有源像素单元来说，N+114注入物与光电二极管中的N阱108接触，并且输出光转换电压以作为输出信号。
在形成晶体管的源极和漏极后，沉积氧化层124，利用化学机械抛光(CMP)工艺，并形成接点116。继续后端工艺以形成金属1层126a，沉积氧化层125，利用CMP工艺，并形成通路1117。重复后端工艺，以形成所需数量的金属层。
现再次参照图1，图1展示一种双层金属工艺。在形成顶层金属126b后，利用高密度等离子体增强型CVD工艺在晶片上沉积约8000埃厚的氧化层128。在高密度等离子体增强型CVD工艺后，沉积约5000埃厚的钝化用Si3N4 CVD层130。对于常规的CMOS图像传感器来说，在钝化层上，需要旋涂玻璃(SOG)层132以用于平坦化。然后，添加滤色层134。随后，形成微透镜138。因为微透镜将光聚焦在光电二极管的传感区域上，所以它可以显着增加传感器的像素灵敏度。
常规的CMOS图像传感器工艺具有两个缺点。第一个缺点是衬底的无场区中的电荷扩散会造成差MTF(调制传递函数)和高噪声。光电二极管是由N阱/P-EPI结(或N+/P-EPI结)形成。N阱设定为约2V的高电压。P-EPI和P+衬底接地。N阱/P底光电二极管耗尽层约为1～3μm深。在耗尽区域下方的是P-EPI和P+衬底层，该层在一定的电位电平下，它是一个无电场区。众所周知，在硅中，长波长光可以穿过的深度比上述光电二极管的耗尽区大得多。
例如，红光(波长～7000埃)硅吸收深度是4.7μm。大量的光产生的电子-空穴对在P-EPI/P+衬底无场区中，而不是在光电二极管的耗尽区中。如果光产生的电子/空穴在光电二极管的耗尽区中，那么电子将保留在N阱节点中。而空穴将排出至衬底。在N阱节点中积聚的电子将对输入光强度作出响应。然而，如果光产生的电子/空穴在P-EPI/P+衬底无场区中。那么电子/空穴对将因热震动而在衬底中移动。其中一些电子/空穴对将在衬底组合中心重组。而仍有大量将扩散至邻近像素，并造成差MTF和高噪声问题。扩散长度约为数毫米，这比通常的像素单元尺寸大得多，通常的像素单元尺寸约为数微米。
第二个缺点是微透镜138到光敏硅区域(N阱108/P-EPI 104)的距离较大。因为现代CMOS工艺具有相当多的金属层126a和126b，还具有图像传感器平坦化层132和滤色层134。此大距离将降低传感器的灵敏度，并且造成传感器像素间的光学串扰问题。
因此，需要具有高MTF、低噪声和短的微透镜到硅表面的距离的CMOS图像传感器。
现参照图2，其展示根据本发明一个实施例的CMOS图像传感器。不同于常规CMOS图像传感器，与常规P+衬底相比，根据本发明一个实施例的CMOS图像传感器包括N或N+型衬底层202。
N/N+型衬底202上的P-型EPI层接地，而N/N+型衬底202连接到某一高电压，例如2V。在P-EPI层204与N/N+型衬底202之间的界面中形成耗尽层。这个耗尽层将P-EPI无场区域最小化，这个区域正好位于光电二极管的耗尽部分下方。并且，还防止衬底中光所产生的电荷扩散回光电二极管的耗尽区域中。
随后，形成浅沟槽206，浅沟槽隔离工艺是现有CMOS传感器制作中的常见做法，其使得暗电流比传统的LOCOS工艺(局部氧化工艺)低得多。
在形成STI 206后，分别注入N阱208和P阱210。然后，形成多晶硅栅222。在形成多晶硅栅222后，注入N+114和P+212，以形成CMOS晶体管的源极和漏极。通过N阱208/P底240结形成光电二极管240。对于最流行的三个晶体管的有源像素单元来说，N+214注入物与光电二极管中的N阱208接触，并且输出光转换电压以作为输出信号。
在形成晶体管的源极和漏极后，沉积氧化层224，利用化学机械抛光(CMP)工艺，并形成接点216。继续后端工艺以形成金属1层226a，沉积氧化物225，利用CMP工艺，并形成通路1217。重复后端工艺，以形成所需数量的金属层。
现再次参照图2，图2展示一种双层金属工艺。在形成顶层金属226b后，利用高密度等离子体增强型CVD工艺在晶片上沉积约8000埃厚的氧化层228。在高密度等离子体增强型CVD工艺后，沉积约5000埃厚的钝化用Si3N4 CVD层230。在钝化层上，需要旋涂玻璃(SOG)层232以用于平坦化。然后，添加滤色层234。随后，形成微透镜238。因为微透镜将光聚焦在光电二极管的传感区域上，所以它可以显着增加传感器的像素灵敏度。
现参照图3，其展示根据发明一个实施例的CMOS图像传感器。不同于常规CMOS图像传感器，在标准N型阱和P型阱下方注入深P型阱。
根据本发明的CMOS图像传感器300从N型半导体材料衬底302开始，该衬底的磷浓度约为1×1017原子/cm3。在N衬底302上形成P-型半导体材料EPI层304。该P-EPI层304的电阻率约为8Ω～12Ω，且其硼掺杂密度约为2×1015原子/cm3。该P-型EPI层304的厚度约为3-10微米(μm)。N型衬底302连接至高电压，例如2V。P-型EPI层304接地。
随后，形成深P型阱310a。该深P型阱310a的中心深度在1.5微米(μm)到3μm的范围内，且其厚度约为1μm到3μm。在形成深P型阱310a后，形成STI 306，然后分别注入标准N阱308和标准P阱310。
在传感器单元阵列区域340中，标准N阱308形成于P-EPI 304上以形成光传感N阱区域，标准P阱310位于深P阱310a上且接地。
在传感器单元阵列区域340外部，标准N阱308和标准P阱310都位于深P阱310a上。P-EPI层304、标准P阱310和深P阱310a都接地。这样，深P阱310a可以防止电路区域外部的传感器在N阱308和N型衬底302之间的可能闭锁。
接着，形成多晶硅栅322。在形成多晶硅栅322后，注入N+314和P+312，以形成CMOS晶体管的源极和漏极。对于最流行的三个晶体管的有源像素单元来说，N+314注入物与光电二极管中的N阱308接触，并且输出光转换电压以作为输出信号。
在形成晶体管的源极和漏极后，沉积氧化层324，利用化学机械抛光(CMP)工艺，并形成接点316。继续后端工艺以形成金属1层326a，沉积氧化层325，利用CMP工艺，并形成通路1317。重复后端工艺，以形成所需数量的金属层。
现再次参照图3，图3展示一种双层金属工艺。在形成顶层金属326b后，利用高密度等离子体增强型CVD工艺在晶片上沉积约8000埃厚的氧化层328。在高密度等离子体增强型CVD工艺后，沉积约5000埃厚的钝化用Si3N4 CVD层330。对于根据本发明一个实施例的CMOS图像传感器来说，在钝化层上，需要旋涂玻璃(SOG)层332以用于平坦化。然后，添加滤色层334。随后，形成微透镜338。因为微透镜将光聚焦在光电二极管的传感区域上，所以它可以显着增加传感器的像素灵敏度。
现参照图4，其说明根据发明一个实施例的CMOS图像传感器。不同于常规CMOS图像传感器100，在顶层金属上沉积最后一层氧化层后，进行额外的氧化物CMP步骤，以便使该氧化层平滑。由于采用了额外的氧化物CMP步骤，所以在本发明的这个实施例中不需要常规的SOG层。
CMOS图像传感器400从P+型半导体材料衬底402开始。在其它实施例中，半导体材料衬底402可以是N型。然后，在P+衬底402上形成P-型半导体材料EPI层404。P-EPI层404的电阻率约为8Ω～12Ω，且其硼掺杂密度约为2×1015。
随后，形成浅沟槽406。分别注入N阱408和P阱410。然后，形成多晶硅栅422。在形成多晶硅栅422后，注入N+414和P+412，以形成CMOS晶体管的源极和漏极。通过N阱408/P底404结形成光电二极管440。对于最流行的三个晶体管的有源像素单元来说，N+414注入物与光电二极管中的N阱408接触，并且输出光转换电压以作为输出信号。
在形成晶体管的源极和漏极后，沉积氧化层424，利用化学机械抛光(CMP)工艺，并形成接点416。继续后端工艺以形成金属1层426a，沉积氧化层425，利用CMP工艺，并形成通路1417。重复后端工艺，以形成所需数量的金属层。
在形成顶层金属426b后，利用高密度等离子体增强型CVD工艺在晶片上沉积约8000埃厚的氧化层428。
不同于常规的CMOS图像传感器，这里采用顶层氧化层CMP工艺这一额外步骤。
为了与顶层氧化层CMP一致，在晶片上沉积8000埃厚的氧化层428后，将沉积～10K埃厚的TEOS。然后进行氧化物CMP。在这个顶层氧化物CMP工艺后，沉积～4000埃厚的钝化用Si3N4 CVD层430。因为这里采用了额外的CMP，所以不再需要旋涂玻璃(SOG)层来用于平坦化。在Si3N4层上直接放置滤色层434，然后形成微透镜438。由于采用额外的顶层氧化物CMP步骤，所以从微透镜到硅表面的距离减小。
现参照图5，其展示根据本发明一个实施例的CMOS图像传感器。不同于常规CMOS图像传感器，根据本发明一个实施例的CMOS图像传感器500包括N型衬底502、深P阱区域510a和深N阱区域508a。另外，根据本发明一个实施例的CMOS图像传感器不包括旋涂玻璃(SOG)层。
与图1中的常规P+衬底102相比，根据本发明一个实施例的CMOS图像传感器包括N衬底层502。N型衬底502上的P-型EPI层504接地，而N型衬底502连接到某一高电压，例如2V。在P-EPI层504与N衬底502之间的界面中形成耗尽层。这个耗尽层将P-EPI无场区域最小化，这个区域正好位于光电二极管的耗尽部分下方。并且，防止衬底中光所产生的电荷扩散回光电二极管的耗尽区域中。
随后，形成深P型阱510a。该深P型阱510a的中心深度在1.5微米(μm)到3μm的范围内，且其厚度约为1μm到3μm。接着，形成深N型阱508a。该深N型阱508a的中心深度在1.5微米(μm)到2.5μm的范围内，且其厚度约为1μm到3μm。
在形成深P阱510a和深N阱508a后，形成STI 506，然后分别注入标准N阱508和标准P阱510。
在传感器单元阵列区域540中，标准N阱508形成于深N阱508a上以形成光传感N阱区域，标准P阱510位于深P阱510a上且接地。在N阱区域508/508a和P阱区域510/510a之间有一定的间隔，以减小电场强度，从而减小暗电流。
在传感器单元阵列区域540外部，标准N阱508和标准P阱510都位于深P阱510a上。P-EPI层504、标准P阱510和深P阱510a都接地。这样，深P阱510a可以防止电路区域外部传感器在N阱508和N型衬底502之间的可能闭锁。
接着，形成多晶硅栅522。在形成多晶硅栅522后，注入N+514和P+512，以形成CMOS晶体管的源极和漏极。对于最流行的三个晶体管的有源像素单元来说，N+514注入物与光电二极管中的N阱508/508a接触，并且输出光转换电压以作为输出信号。
在形成晶体管的源极和漏极后，沉积氧化层524，利用化学机械抛光(CMP)工艺，并形成接点516。继续后端工艺以形成金属1层526a，沉积氧化层525，利用CMP工艺，并形成通路1517。重复后端工艺，以形成所需数量的金属层。
接着，形成顶层金属526b，利用高密度等离子体增强型CVD工艺在晶片上沉积约8000埃厚的氧化层528。
不同于常规CMOS图像传感器，这里采用顶层氧化层CMP工艺这一额外步骤。
为了与顶层氧化层CMP一致，在晶片上沉积8000埃厚的氧化层528后，将沉积～10K埃厚的TEOS。然后进行氧化物CMP。在这个顶层氧化物CMP工艺后，形成～4000埃厚的钝化用Si3N4CVD层530。因为这里采用了额外的CMP，所以不再需要旋涂玻璃(SOG)层用于平坦化。在Si3N4层上直接放置滤色层534，然后形成微透镜538。由于采用了额外的顶层氧化物CMP步骤，所以从微透镜到硅表面的距离减小。
现参照图6，图6是根据本发明一个实施例的CMOS图像传感器制作工艺的流程图。根据本发明的CMOS图像传感器制作工艺包括以下步骤：步骤602，开始衬底N型<100>、～1E17原子/cm3硅晶片；步骤604，在2E15原子/cm3掺杂密度下生长4～10μm厚的P-型外延层(8-12ohm-cm)；步骤608a，深N阱注入的中心深度在1.5微米(μm)到2.5μm范围内，且其厚度约为1μm到3μm；步骤610a，深P阱注入的中心深度在1.5微米(μm)到3μm范围内，且其厚度约为1μm到3μm；步骤606，形成浅沟槽隔离；步骤608，标准N阱注入；步骤610，标准P阱注入；步骤622，形成多晶硅栅；步骤624，硅化物和氧化物沉积；步骤616，接触蚀刻、W插塞和W CMP以形成接点；步骤626a，形成金属1；步骤617，氧化物沉积；通路1蚀刻、W插塞和W CMP以形成通路1；步骤626b，形成金属2；步骤628，利用高密度等离子体增强型CVD在晶片表面上沉积～8000埃厚的氧化物；步骤628a，在晶片表面上沉积～10000埃厚的TEOS；步骤629，对顶层氧化层施用氧化物CMP；步骤630，在晶片表面上沉积～4000埃厚的Si3N4；步骤634，涂布滤色层；步骤638，形成微透镜。
Claims (13)
1.一种形成图像传感器的方法，包括：
开始具有第一导电类型的半导体材料的衬底；
在所述衬底上形成具有第二导电类型的半导体层；及
所述第二导电类型与所述第一导电类型相反，且在界面中形成PN结。
2.根据权利要求1所述的方法，所述第一导电类型的半导体衬底和所述第二导电类型的半导体层连接至不同的电压，并且所述PN结反向偏置。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
形成光电二极管元件，所述光电二极管元件具有带有所述第一导电类型的第一阱区域，所述第一阱区域形成于所述第二导电类型的半导体层中；
和具有所述第二导电类型的第二阱区域，其形成于所述第二导电类型的半导体层中，但其掺杂密度高于所述第二导电类型的半导体层；及
所述第二阱区域在第一距离包围所述第一阱区域，且形成侧向PN结，所述第一阱区域到所述第二导电类型的半导体层形成垂直PN结，并且所述侧向PN结和所述垂直PN结都反向偏置。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一距离介于0.2微米(μm)和3μm之间。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一导电类型半导体材料的所述第一阱区域的第一深度约为0.5μm到3μm，并且所述第二导电类型半导体材料的所述第二阱区域的第二深度约为0.5μm到4μm。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
形成防止闭锁的深阱，在标准N阱和标准P阱下方于所述第二导电半导体层中形成具有第三中心深度和第一厚度的深阱，以防止发生闭锁，其中在传感器附属电路区域中具有所述第二导电类型的掺杂。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述深阱的所述第三中心深度约为1.5μm到3μm，并且所述第一厚度约为1μm到3μm。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
生长顶层氧化层；及
在生长顶层氧化层后，进行化学机械抛光(CMP)工艺。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一导电类型半导体是N型衬底，所述第二导电类型半导体材料层是一P-型外延层。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一导电类型半导体是P型衬底，所述第二导电类型半导体材料层是一N-型外延层。
11.根据权利要求3所述的方法，所述第一阱区域可以通过标准CMOS工艺中的标准阱形成以所述第一导电类型的半导体来实现；或者可以通过与深阱堆叠在一起的标准CMOS阱以所述第一导电类型的半导体实现；并且所述第二阱区域可以通过标准CMOS工艺中的标准阱形成以所述第二导电类型的半导体来实现；或者可以通过与深阱堆叠在一起的标准CMOS阱以所述第二导电类型的半导体实现。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一类型半导体衬底的掺杂密度约为1014到1020原子/cm3；所述第二类型半导体层的掺杂密度约为1014到1018原子/cm3。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二类型半导体层的厚度约为2μm到12μm。
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