CN1933169A - 降低串扰的cmos图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种尤其在远红外到红外波长下具有高灵敏度和低串扰的CMOS图像传感器、以及制造CMOS图像传感器的方法。CMOS图像传感器具有衬底、在衬底之上的外延层以及延伸到外延层中用于接收光线的多个象素。该图像传感器还包括位于衬底和外延层之间用于阻止衬底中产生的载流子移动到外延层的水平阻挡层和位于多个象素的相邻象素之间用于阻止电子在外延层中的侧向扩散的多个侧向阻挡层中的至少一个。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，尤其是一种减少串扰的CMOS图像传感器。
背景技术
CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器在远红外到红外波长范围内(从约700nm到约1mm)遭受降低的灵敏度和增大的串扰的问题，这是因为在这些波长下的吸收深度比象素深度更大。因为入射到图像传感器的光线穿透到远低于传感器的硅表面的位置，然后在衬底深层产生电子-空穴对，所以发生增大的串扰。这些深度远低于象素采集的范围，并且光产生的载流子由此在所有方向上自由扩散。用于通常使用的衬底的电子扩散长度约为5μm，并且对于电子来说相当容易扩散到相邻的象素而引起串扰。在低掺杂epi(外延)层中的扩散长度可能更大，这在不正确设计的图像传感器中还可能具有更严重的串扰后果。因为深层产生的载流子中的许多会在衬底中重新结合而损失，所以CMOS图像传感器在远红外到红外波长范围内的灵敏度亦降低。
在CMOS图像传感器中用于降低串扰的结构通常是基于制造更好的用于可见光的相机芯片的技术。经常地，以这样的方式设计图像传感器的掺杂分布，使得未耗尽区域中的准电场将载流子推回到光电二极管中。用于降低图像传感器中串扰的已知结构的示例包括提供深阵列注入、在衬底顶部设置薄的轻掺杂层、在蓝色和绿色象素下方但不在红色象素下方注入深P+层，以及设置一些形式的多层结构。这样的结构虽然在降低串扰方面具有效果，但是也降低了图像传感器的灵敏度，尤其是在远红外到红外波长下。
发明内容
本发明提供一种(尤其在远红外到红外波长下)具有高灵敏度和低串扰的CMOS图像传感器、以及制造CMOS图像传感器的方法。根据本发明的CMOS图像传感器具有衬底、在衬底之上的外延层以及延伸到外延层中用于接收光线的多个象素。该图像传感器还包括位于衬底和外延层之间用于阻止衬底中产生的载流子移动到外延层的水平阻挡层和位于多个象素的相邻象素之间用于阻止电子在外延层中的侧向扩散的多个侧向阻挡层中的至少一个。
附图说明
此外，本发明还提供了实施例，并还提供了除了上面讨论的之外或替代上面所讨论的其它特征和优点。通过以下参考附图描述的说明书，许多这些特征和优点能够更加清楚。
图1是用来帮助解释本发明的现有技术中公知CMOS图像传感器的一部分的示意性剖面侧视图；
图2A是根据本发明的示例性实施例的CMOS图像传感器的一部分的示意性剖面侧视图；
图2B示意性图示了用于帮助解释本发明的P型半导体中掺杂阻挡层的功能；
图3是根据本发明的另一个示例性实施例的CMOS图像传感器的一部分的示意性剖面侧视图；
图4是图3所示的CMOS图像传感器的一部分的示意性俯视图；
图5-12示意性图示了用于制造根据本发明的示例性实施例的CMOS图像传感器的方法的步骤；且
图13-15示意性图示了用于制造根据本发明的另一个示例性实施例的CMOS图像传感器的方法的步骤。
具体实施方式
根据本发明的示例性实施例提供了一种CMOS图像传感器以及制造CMOS图像传感器的方法，该图像传感器具有高灵敏度和低串扰，尤其是在远红外到红外波长下。
图1是用来帮助解释本发明的现有技术中公知CMOS图像传感器的一部分的示意性剖面侧视图。CMOS图像传感器用标号100表示，其一般包括衬底102、衬底102之上的外延(epi)层104、以及以布置为阵列并延伸到epi层104中的多个象素(在图1中仅示出两个象素110和112)。衬底102和epi层104两者都由硅半导体材料构成；但是衬底102是由P+(高掺杂的P型)半导体材料制成，而epi层104是由P-(轻掺杂的P型)半导体材料制成。
象素110和112分别包括光电二极管n-阱114和116、以及分别布置于光电二极管n-阱114和116上以提高到象素的接触的表面注入区域118和120。光电二极管n-阱114和116由N-(轻掺杂的N型)半导体材料制成，而表面注入区域118和120由N+(高掺杂的N型)半导体材料制成。P型半导体材料(在图1中表示为P-阱122)设置于象素110和112间，以在象素之间提供隔离。
如图1中示意性图示，当处于远红外到红外波长(以后通称为红外波长)的光线130入射象素元件110时，光线穿透到远低于图像传感器100的硅表面的位置，并且在衬底102的深层产生电子-空穴对。这些深度远低于象素的采集范围，并且光产生的载流子由此在所有方向上自由扩散。对于常规衬底(诸如重掺杂的硅衬底102)的电子扩散长度约为5μm，并且对于大量电子来说相对容易扩散到相邻的象素(诸如象素102)，而引起串扰。此外，如图1中示意性示出的，在CMOS图像传感器100中，因为深层产生的载流子中的许多会在衬底中重新结合而损失，所以降低了灵敏度，这与在epi层中产生的载流子不同，epi层中产生的载流子奔向它们自己的象素。
图2A是根据本发明的示例性实施例的CMOS图像传感器的一部分的示意性剖面侧视图。图像传感器一般由标号200表示，类似于图1中的CMOS图像传感器100，图像传感器200包括衬底202、epi层204以及象素210和212，象素210和212分别包括光电二极管n-阱214和216以及延伸到epi层204中的表面注入区域218和220。类似于图1中的CMOS图像传感器100，衬底202包括P+硅半导体材料，epi层204包括P-硅半导体材料，光电二极管n-阱214和216由N-半导体材料形成，表面注入区域218和220由N+半导体材料形成。P型半导体材料(表示为P-阱222)设置于象素210和212之间，以在象素之间提供隔离。
图2A中的CMOS图像传感器200与图1中的CMOS图像传感器不同之处在于：epi层204比epi层104厚(例如，与典型CMOS图像传感器(诸如图1中的图像传感器100)的约2-6μm相比，其厚度从约4μm到约20μm)，并且包括更深的光电二极管n-阱214和216(与典型CMOS图像传感器(诸如图1中的图像传感器100)的1-2μm的深度相比，其延伸到epi层204中例如达到从约2μm到约10μm的深度)。更厚的epi层和更深的光电二极管n-阱允许耗尽深度穿透到远低于象素表面的位置。
epi层204是轻掺杂的P型半导体材料，并且在耗尽深度以下，掺杂是梯度的，以提供电场来引导载流子。另外，在衬底202和epi层204之间，在epi层的梯度部分下方设置水平阻挡层224设置。水平阻挡层224用于阻止在水平阻挡层下方的衬底202中产生的载流子向上扩散并进入相邻的象素中而引起串扰。
由于CMOS图像传感器200中光电二极管n-阱214和216的增大的深度，所以可以采集大量的载流子，从而增大图像传感器的灵敏度。同时，水平阻挡层224下方的衬底202中产生的电子保留在衬底中并重新结合。因此，与图1中的图像传感器100相比，CMOS图像传感器200在红外波长下具有更高的灵敏度和降低的串扰。
图2B示意性图示了用于帮助解释本发明的P型半导体中掺杂阻挡层的机能。如所示，半导体一般由标号250表示，其包括产生阻挡层254的更重的掺杂区252，来有效地控制电子(诸如电子256)的运动。具体而言，如箭头258所图示，电子不能越过阻挡层254。这样，诸如254的阻挡层可以用于阻止电子扩散到相邻象素中而引起串扰。
根据本发明的示例性实施例，通过可选择的水平掺杂来设置水平阻挡层224。为了提供高度有效的阻挡层，使用具有从约100到约1μm的厚度并以约1019/cm3到1020/cm3的范围掺杂的非常重的硼掺杂层。阻挡层224还必须能够经受住标准CMOS制造处理的热预算(thermal budget)，这个要求很难满足，这是因为通常的热预算将引起相当可观的硼扩散，使得硼将向外散布并扩散到图像传感器的光电二极管区域中，而降低灵敏度。这种向外扩散还将减少阻挡层中硼的量，并降低其有效性。根据本发明的示例性实施例，通过在阻挡层中融合(alloy)小于约3％浓度的碳来降低硼的扩散。
所遇到的与提供水平阻挡层224相关的另一个问题是：添加硼和碳将减小硅的晶格常数，这将限制阻挡层的厚度。根据本发明的示例性实施例，为了降低晶格应力并同时限制硼的向外扩散，通过添加Ge，可以通过应变补偿来生长更厚的阻挡层。总的来说，为了限制扩散和减轻晶格应变，根据本发明的示例性实施例，水平阻挡层224可以包括硼、铝、镓、铟、磷、砷、锑、锗和碳中的一种或多种。
根据本发明的另一个示例性实施例，通过由薄的含碳层将提供水平阻挡层的重硼掺杂的硅层在一侧或两侧上覆盖或封装，也可以在限制硼的向外扩散的同时减小晶格应力。更进一步地讲，可以进行固体源扩散，随后用C掺杂的(碳掺杂)Si层覆盖。
图3是根据本发明的另一个示例性实施例的CMOS图像传感器的一部分的示意性剖面侧视图。图像传感器一般由标号300表示，并且类似于图2A中的CMOS图像传感器200，其包括衬底302、外延层304、在衬底和外延层之间的水平阻挡层324、以及象素310和312，象素310和312分别包括光电二极管n-阱314和316以及表面注入区域318和320。而且，类似于图2A中的图像传感器200，衬底302包括P+硅半导体材料，epi层304包括P-硅半导体材料，水平阻挡层324包括非常重的硼掺杂层，光电二极管n-阱314和316由N-半导体材料形成，表面注入区域318和320由N+半导体材料形成。P型半导体材料(表示为P-阱322)设置于象素310和312之间。
CMOS图像传感器300不同于CMOS图像传感器200之处在于：相邻象素310和312之间的P-阱322比图2中的P-阱222延伸得更深(例如，与典型CMOS图像传感器(诸如图1中的图像传感器100)中约1-2μm的深度相比，其延伸到表面下方约2μm到约20μm的深度)；另外，其在每个P-阱322中包括深沟槽326。
具体而言，对于设置于CMOS图像传感器200中更深的光电二极管采集层，epi层中的侧向扩散将具有增加串扰的效果。然而，在图像传感器300中，深P-阱322和沟槽326一起充当相邻象素之间的侧向阻挡层，以阻止象素之间的侧向扩散。沟槽可以具有从约0.5μm到约5μm的厚度，并且包括P-阱和沟槽的侧向阻挡层可以具有从约1μm到约10μm的厚度。
根据本发明的示例性实施例，深沟槽326优选地在设置P-阱隔离322之间形成。这允许硼向下深插入到器件中。或者，可以沉积P掺杂的多晶硅作为沟槽填料，然后使多晶硅中的P掺杂剂扩散。可以使用的其它沟槽填料包括氮化硅和二氧化硅。掺杂的SiO2(硼硅酸盐玻璃)亦可以用于提供硼。
在图像传感器300中，来自n-阱的耗尽区域或p-n结不应该到达沟槽。这是因为沟槽的表面包含表面态，如果耗尽区域到达它们，则它们会引起漏电流的流动。事实上，这是扩散硼的主要原因。硼阻止耗尽区域从N-阱到达沟槽。硼还有助于象素隔离，如其中没有沟槽的实施例中一样。
图4是图3中图示的CMOS图像传感器的一部分的示意性俯视图。具体而言，图4图示了设置于CMOS图像传感器300的多个象素中的每个之间的掩模404，掩模404界定了图3中的沟槽326，沟槽326形成阻止相邻象素之间的侧向扩散的侧向阻挡层。
CMOS图像传感器300由此提供了水平阻挡层324以及更厚的epi层和更深的光电二极管结，以在红处波长下提供高灵敏度和降低的串扰，并且CMOS图像传感器300提供了由相邻象素之间的沟槽326和深p-阱324界定的侧向阻挡层，以减小更深的光电二极管之间的侧向扩散。
由此，根据本发明的示例性实施例，如下的CMOS图像传感器使图像传感器具有增大的灵敏度和降低的串扰，尤其是对于远红外到红外波长范围的光线来说，该CMOS图像传感器在图像传感器的衬底和epi层之间具有一个或多个水平阻挡层、以及具有更厚的epi厚和更深的光电二极管结；并具有在相邻象素之间的侧向阻挡层。本发明特别适用于利用CMOS图像传感器以及低成本红外光源(诸如用于780或840nm的AlGaAs/GaAs)的运动检测应用(诸如在光电计算机鼠标)和红外成像应用(诸如眼睛检测装置)中，不过应当理解，本发明并不限制于以任何具体波长的光来使用或用于任何具体应用。在任何情况下，红外光源特别适合于眼睛检测应用，这是因为由视网膜带来的增强的反射以及能够在不转移物体的情况下进行眼睛测量。
图5-12示意性图示了用于制造根据本发明的示例性实施例的CMOS图像传感器的方法的步骤。具体而言，图5-12图示用于制造一种CMOS图像传感器的方法的步骤，该CMOS图像传感器在象素之间具有侧向阻挡层但不包括如图3中图像传感器300中设置的沟槽。
首先，参考图5，初始提供重掺杂硼到约5E18的最初硅块，如502处所示。应当理解，本发明并不局限于硼作为P型掺杂剂。可以使用的其它P型掺杂剂包括铝、镓和铟。类似地，可以使用的其他N型掺杂剂包括磷、砷和锑。然后在硅上将热氧化层504生长到厚度为10,000和5,000的LTO(低温氧化物)，然后在氧化层上施加光刻胶层506。
参考图6，然后在光刻胶层506中显影图案，如在508处所示。如图7中所示，接着如510处所示蚀刻氧化物层，然后亦如图7中所示剥离光刻胶层506。
接着，如图8中512处所示意性示出，生长注入氧化物。在施加了epi层后，这将在硅中创建台阶以对准。重度剂量的硼然后在多种能量下注入。如514处所示意性示出的，这允许硼穿透到不同深度，并因此形成侧向扩散阻挡层。根据本发明的示例性实施例，注入剂量和能量如下：
1.能量30kev 剂量2.9E14
2.能量60kev 剂量5.8E14
3.能量90kev 剂量6.4E14
4.能量120kev 剂量7.7E14
5.能量180kev 剂量1.15E15
6.能量240kev 剂量1.34E15应当意识到，较高能量的注入可以通过在一半能量水平下注入双倍电离的硼来实现。
然后如图9中516处所示意性图示，进行高温退火和注入的扩散。根据本发明的示例性实施例，掩埋层驱动工艺方案如下：
1.在850℃下装入N2中
2.在N2中以5度/分钟将温度变化到1000℃
3.在N2中，在1000℃下退火90分钟
4.在N2中以3度/分钟将温度变化到1125℃
5.在N2和2.5％的氧气中，在1125℃下驱动220分钟
6.在N2中以3度/分钟将温度变化到1000℃
7.在N2中1000℃下退火240分钟
8.在N2中以3度/分钟将温度变化到850℃
9.取出在N2中的晶片
然后如图10所示去除氧化物，并如图11所示生长p-epi层518。处理后，如图12所示，侧向阻挡层(侧向掺杂阻挡层)520扩散。向上延伸的延伸部分522有助于更好地限制电子。
图13-15示意性图示了用于制造根据本发明的另一个示例性实施例的CMOS图像传感器的方法的步骤。具体而言，根据本发明的示例性实施例，图13-15示意性图示了用于制造这样的CMOS图像传感器的方法的步骤，该CMOS图像传感器具有在图像传感器的衬底和epi层之间的水平阻挡层和在图像传感器中的相邻象素之间的侧向阻挡层两者。
初始，如图13所示，非常重掺杂的水平阻挡层(＞1e19B)604形成在重掺杂的硅衬底(～5e18B)602的顶部上。然后将具有固定适度掺杂或梯度掺杂的epi层606设置在水平阻挡层604之上。梯度掺杂分布将提供电场，以向上引导载流子，并提高采集效率。
然后进行如上参考图5-12所述用于制造具有侧向阻挡层的CMOS图像传感器的处理，以如图14所示在epi层606中设置侧向阻挡层610。最后，如图15中612处所示，接着生长轻掺杂的光电二极管epi，以完成图像传感器。
虽然已经描述的内容构成了根据本发明的示例性实施例，但是应当意识到，本发明可以在不偏离其范围的情况下以各种方式进行变化。例如，虽然根据本发明的示例性实施例描述了用于制造CMOS图像传感器的方法，但是根据本发明的图像传感器可以在不偏离本发明范围的情况下以许多不同的方式制造。另外，这里描述的CMOS的具体性能也可以在不偏离本发明范围的情况下以各种方式进行变化。例如，这里描述的图像传感器还可以相反的掺杂类型来制成，即，n+衬底、n-epi、n-阱隔离、p-阱象素以及p+接触。在这种图像传感器中的阻挡层将是n+型。总的来说，这里描述的“CMOS图像传感器”意在包括可以在CMOS处理中制造并可与CMOS电子器件兼容和集成的任何图像传感器。
因为根据本发明的示例性实施例具有各种方式的变化，因此，应当理解本发明应当仅由所附权利要求所要求的范围限定。
Claims (22)
1.一种CMOS图像传感器，包括：
衬底；
在所述衬底之上的外延层；
延伸到所述外延层中用于接收光线的多个象素；以及
位于所述衬底和所述外延层之间用于阻止所述衬底中产生的载流子移动到所述外延层的水平阻挡层和位于所述多个象素的相邻象素之间用于阻止电子在所述外延层中的侧向扩散的多个侧向阻挡层中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，位于所述衬底和所述外延层之间用于阻止所述衬底中产生的载流子移动到所述外延层的水平阻挡层和位于所述多个象素的相邻象素之间用于阻止电子在所述外延层中的侧向扩散的多个侧向阻挡层中的至少一个至少包括所述水平阻挡层。
3.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器，其中，所述水平阻挡层包括非常重掺杂的硅。
4.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器，其中，所述水平阻挡层包括硼、铝、镓、铟、磷、砷、锑、锗以及碳中的一种或多种。
5.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器，其中，所述水平阻挡层在一侧或两侧上由含碳层封装。
6.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器，其中，所述水平阻挡层具有从约100到约1μm的厚度。
7.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器，其中，所述外延层具有从约2μm到约20μm的厚度，并且其中所述多个象素每个包括延伸到所述外延层中至从约1μm到约15μm深度的阱部分。
8.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器，其中，在所述外延层中的掺杂在耗尽深度之下是梯度的，以提供电场来引导载流子。
9.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，位于所述衬底和所述外延层之间用于阻止所述衬底中产生的载流子移动到所述外延层的水平阻挡层和位于所述多个象素的相邻象素之间用于阻止电子在所述外延层中的侧向扩散的多个侧向阻挡层中的至少一个至少包括所述多个侧向阻挡层。
10.根据权利要求9所述的CMOS图像传感器，其中，所述多个侧向阻挡层每个包括位于相邻象素之间并延伸到所述外延层中至从约2μm到约20μm深度的深P-阱。
11.根据权利要求10所述的CMOS图像传感器，其中，所述多个侧向阻挡层的每个还包括所述深P-阱中的沟槽。
12.根据权利要求11所述的CMOS图像传感器，其中，所述多个侧向阻挡层的所述沟槽填充有多晶硅、氧化硅和二氧化硅中的至少一种。
13.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述CMOS图像传感器包括位于所述衬底和所述外延层之间用于阻止所述衬底中产生的载流子移动到所述外延层的水平阻挡层和位于所述多个象素的相邻象素之间用于阻止电子在所述外延层中的侧向扩散的多个侧向阻挡层两者。
14.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述光线包括远红外至红外波长范围内的光线。
15.一种CMOS图像传感器，包括：
衬底；
在所述衬底之上的外延层；
用于接收光线的多个象素，所述多个象素中的每个延伸到所述外延层中；
位于所述衬底和所述外延层之间用于阻止所述衬底中产生的载流子移动到所述外延层的水平阻挡层；以及
位于所述多个象素的相邻象素之间用于阻止电子在所述外延层中的侧向扩散的多个侧向阻挡层。
16.根据权利要求15所述的CMOS图像传感器，其中，所述水平阻挡层包括非常重掺杂的硅。
17.根据权利要求16所述的CMOS图像传感器，其中，所述外延层中的掺杂在耗尽深度之下是梯度的，以提供电场来引导载流子。
18.根据权利要求15所述的CMOS图像传感器，其中，所述多个侧向阻挡层每个包括位于相邻象素之间并延伸到所述外延层中至从约2μm到约20μm深度的深P-阱，以及在每个所述深P-阱中的侧向沟槽。
19.根据权利要求15所述的CMOS图像传感器，其中，所述光线包括远红外至红外波长范围内的光线。
20.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，所述CMOS图像传感器包括衬底、在所述衬底之上的外延层以及延伸到所述外延层中的多个象素，所述方法包括：
形成位于所述衬底和所述外延层之间用于阻止所述衬底中产生的载流子移动到所述外延层的水平阻挡层以及位于所述多个象素的相邻象素之间用于阻止电子在所述外延层中的侧向扩散的多个侧向阻挡层中的至少一个。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，形成位于所述衬底和所述外延层之间用于阻止所述衬底中产生的载流子移动到所述外延层的水平阻挡层以及位于所述多个象素的相邻象素之间用于阻止电子在所述外延层中的侧向扩散的多个侧向阻挡层中的至少一个的步骤包括：
使用非常重掺杂的硅形成所述水平阻挡层。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，形成位于所述衬底和所述外延层之间用于阻止所述衬底中产生的载流子移动到所述外延层的水平阻挡层以及位于所述多个象素的相邻象素之间用于阻止电子在所述外延层中的侧向扩散的多个侧向阻挡层中的至少一个的步骤包括：
形成所述多个侧向阻挡层，以包括深P-阱和位于所述P-阱中的侧向沟槽。
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