WO2022042438A1 - 一种图像传感器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图像传感器结构，自下而上包括：衬底和介质层；所述衬底内设有第一光敏感器件，所述介质层内设有金属互连层和第二光敏感器件，所述第二光敏感器件设于沟槽内，所述沟槽位于所述第一光敏感器件上方的所述介质层内，所述第二光敏感器件通过所述沟槽耦合所述第一光敏感器件，并通过所述金属互连层引出。本发明能有效提高光吸收的效率，以及满阱容量等传感器性能，并能够大幅度提升对近红外光的吸收效率。
Description
交叉引用
本申请要求2020年8月24日提交的申请号为202010856889.9的中国专利申请的优先权。上述申请的内容以引用方式被包含于此。
本发明涉及半导体集成电路和传感器技术领域，特别是涉及一种高吸收效率的高性能CMOS图像传感器结构。
传统CMOS图像传感器的感光器件通常是一个pn结。采用常规工艺制造的pn结，一般仅对可见光有较强的吸收率和量子效率，同时有部分可见光会透过感光区域造成损失。
另外，针对近红外光而言，需要几微米至十几微米甚至更厚的耗尽区，来进行有效的吸收，而现有CMOS工艺的注入工艺很难实现该结构。
发明概要
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种图像传感器结构。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种图像传感器结构，自下而上包括：衬底和介质层；所述衬底内设有第一光敏感器件，所述介质层内设有金属互连层和第二光敏感器件，所述第二光敏感器件设于一沟槽内，所述沟槽位于所述第一光敏感器件上方的所述介质层内，所述第二光敏感器件通过所述沟槽耦合所述第一光敏感器件，并通过所述金属互连层引出。
进一步地，所述第一光敏感器件设有第一N型光敏区，所述第一N型光敏区上方的所述衬底内设有第一P型区，所述第二光敏感器件设有第二N型光敏区，所述第二N型光敏区下方的所述沟槽底部上设有第二P型区，所述第一光敏感器件与所述第二光敏感器件之间设有隔离层，所述第二P型区 穿过所述隔离层连接所述第一P型区。
进一步地，所述第一N型光敏区一侧的所述衬底内设有第三P型区，所述第三P型区内设有浅沟槽隔离，用于将用于感光的所述第一N型光敏区与外界其他区域隔离，所述第二P型区穿过所述隔离层连接所述第三P型区，所述第三P型区沿所述浅沟槽隔离底部及侧壁延伸至与所述第一P型区相连。
进一步地，所述第三P型区上设有硅化物区，所述第三P型区通过所述硅化物区连接所述金属互连层。
进一步地，所述第二P型区通过所述隔离层设有的打开区域连接所述第三P型区和所述硅化物区。
进一步地，所述第二N型光敏区和所述介质层的表面上覆盖有第四P型区，所述第四P型区的一侧内设有第五P型区，所述第五P型区下端自所述第四P型区伸出，并连接位于所述介质层内的所述金属互连层。
进一步地，所述第四P型区上覆盖有介质保护层。
进一步地，所述第二N型光敏区依次穿过所述第二P型区、所述隔离层和所述第一P型区连接所述第一N型光敏区。
进一步地，所述衬底为P
-型掺杂衬底，所述第一P型区至所述第三P型区和所述第五P型区为P
+型掺杂区，所述第四P型区为P
-型掺杂区；所述第二N型光敏区、所述第二P型区和所述第四P型区的材料均为非晶硅。
进一步地，所述第二P型区还延伸至所述沟槽的侧壁。
进一步地，所述第二N型光敏区依次穿过所述第二P型区、所述隔离层和所述第一P型区连接所述第一N型光敏区。
进一步地，所述衬底上设有第一传输晶体管，所述第一光敏感器件耦合所述第一传输晶体管。
进一步地，所述第二N型光敏区通过所述隔离层与所述第一P型区和所述第一N型光敏区相分离。
进一步地，所述衬底内设有第一传输晶体管，所述第一光敏感器件耦合所述第一传输晶体管，所述第四P型区内设有第二传输晶体管，所述第二光敏感器件耦合所述第二传输晶体管。
进一步地，所述第二传输晶体管设于所述第四P型区的另一侧上，所述 第二传输晶体管在所述沟槽外侧的所述介质保护层上形成有栅电极，并在所述第四P型区内形成有漏极，所述第二N型光敏区由所述沟槽上端向外延伸，并在所述栅电极下方形成部分交叠，以形成所述第二传输晶体管的源极，位于所述源极和漏极之间的所述第四P型区形成所述第二传输晶体管的沟道。
从上述技术方案可以看出，本发明通过在传统图像传感器结构的感光区域(第一光敏感器件)的上方，利用介质层的空隙，通过沟槽填充方式形成额外的光吸收层，并与现有感光区域(第一光敏感器件)的光吸收层耦合，从而有效地提高了光吸收的效率，以及满阱容量等传感器性能，并能够大幅度提升对近红外光的吸收效率。并且，可使用低温非晶硅材料形成光吸收层，不会对现有器件产生热预算方面的影响，有效控制了成本。
图1是本发明一较佳实施例一的一种图像传感器结构示意图；
图2是本发明一较佳实施例二的一种图像传感器结构示意图。
发明内容
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参考图1，图1是本发明一较佳实施例一的一种图像传感器结构示意图。如图1所示，本发明的一种图像传感器结构，可采用例如背照式(BSI)结构，自下而上包括：衬底1和介质层11，入射光自衬底1背面(图示衬底1下表面)方向照射图像传感器。
请参考图1。衬底1可采用例如硅衬底1，但不限于此。衬底1可采用P
-型掺杂衬底(P
-(sub)，P型轻掺杂衬底，即五价杂质元素轻掺杂的衬底)1，衬底1的正面上设有第一光敏感器件。介质层11可以是层间介质层11，介质层11上设有金属互连层6和第二光敏感器件。
其中，介质层11设有一个沟槽，沟槽位于第一光敏感器件上方的介质层11中，第二光敏感器件设于沟槽中。并且，第二光敏感器件通过沟槽耦 合至第一光敏感器件，同时，第二光敏感器件和第一光敏感器件通过金属互连层6进行引出。
请参考图1。第一光敏感器件可设有第一N型光敏区(PD)18；第一N型光敏区18上方的衬底1内可设有第一P型区17，第一P型区17可为一个薄层的P
+型掺杂区(P型重掺杂区，即五价杂质元素重掺杂区)。
第二光敏感器件可设有第二N型光敏区9；第二N型光敏区9下方的沟槽底部可设有第二P型区15。第二N型光敏区9和第二P型区15材料可为非晶硅(amorphous-Si)等。第二P型区15可为一个薄层的P
+型掺杂区。第二P型区15还可向上延伸至沟槽的侧壁，将第二N型光敏区9包围在沟槽内。
第一光敏感器件与第二光敏感器件之间设有隔离层16，即隔离层16设置在衬底1的正面表面。隔离层16可采用常规介质材料，例如二氧化硅等。
请参考图1。本实施例中，隔离层16可设有两个打开区域5、14。其中，第二N型光敏区9依次穿过第二P型区15和隔离层16的一个打开区域14(右侧)，向下进入衬底1中，并继续穿过第一P型区17连接第一N型光敏区18。并且，在衬底1表面的第二N型光敏区9的穿过区域，即打开区域14，第一P型区17应留有必要的开口，以便使第二N型光敏区9在穿过第一P型区17时，与第一P型区17相隔离。
在第一N型光敏区18图示左侧的衬底1上设有第三P型区2，第三P型区2中设有浅沟槽隔离(STI)3。浅沟槽隔离(STI)3用于将用于感光的第一N型光敏区18与外界其他区域隔离。第三P型区2可为P
+型掺杂区。第三P型区2下端沿浅沟槽隔离3底部及侧壁向上延伸至与第一P型区17的一端相连。第二P型区15依次穿过沟槽底部和隔离层16的一个打开区域5(左侧)，向下进入衬底1中，并连接第三P型区2的上端。
进一步地，在第三P型区2上可设有金属硅化物区4，第三P型区2通过金属硅化物区4连接位于介质层11内的金属互连层6的最下层金属。
并且，第二P型区15可通过隔离层16设有的打开区域5(打开区域5例如位于硅化物区4和左侧一个浅沟槽隔离3之间)，同时连接第三P型区2和硅化物区4，实现感光器件的引出。
请参考图1。第二N型光敏区9可将沟槽完全填充。并且，第二N型光敏区9还可自沟槽的上端延伸出沟槽外部，并至少部分覆盖于介质层11的表面。在第二N型光敏区9上还可进一步覆盖一层第四P型区10，第四P型区10可为P
-型掺杂区(P型轻掺杂区，即五价杂质元素轻掺杂区)。第四P型区10的材料同样可为非晶硅。
在第四P型区10的左侧内，还可设置一个第五P型区7，第五P型区7可为P
+型掺杂区。第五P型区7下端自第四P型区10伸出，并连接位于介质层11内的金属互连层6的最上层金属。
进一步地，在第四P型区10上还可覆盖一层介质保护层8。介质保护层8可采用常规介质材料，例如二氧化硅等。
作为另一可选的实施方式，第二N型光敏区9可在沟槽中作部分填充，从而位于沟槽中的第二N型光敏区9的表面形成凹陷结构。此情况下，第四P型区10和介质保护层8将保形地覆盖在第二N型光敏区9凹陷的表面，并延伸出沟槽外部，进一步覆盖于沟槽以外的介质层11上。
请参考图1。在第一N型光敏区18图示右侧的衬底1内，还可设有第一传输晶体管(TX)和N型悬浮扩散区(FD)12。其中，第一传输晶体管的栅极(Gate)13也可采用非晶硅制作，悬浮扩散区12可为N
+型掺杂区(N型重掺杂区，即三价杂质元素重掺杂区)。第一光敏感器件可按常规方式耦合至第一传输晶体管的源极。
上述状态下，位于衬底1内的第一光敏感器件与位于介质层11内的第二光敏感器件之间形成完全连接的结构，第一光敏感器件和第二光敏感器件的信号可通过共享第一传输晶体管和N型悬浮扩散区12输出。
在悬浮扩散区12的图示右侧还可设有浅沟槽隔离(STI)。
请参考图2。在本发明的另一实施例中，在隔离层16只设有一个打开区域5。此状态下，只有第二P型区15通过隔离层16设有的打开区域5，连接第三P型区2和硅化物区4。而第二N型光敏区9通过隔离层16与第一P型区17和第一N型光敏区18相分离。即位于衬底1上的第一光敏感器件与位于介质层11内的第二光敏感器件之间形成不完全连接的状态。
此时，第二光敏感器件中的信号将单独通过一个第二传输晶体管输出。
具体地，第二传输晶体管可设于第四P型区10的另一侧，且位于沟槽 的外侧。
作为一可选的实施方式，第二传输晶体管可利用介质保护层8朝向右侧的延伸部作为栅介质81，并在沟槽外侧的介质保护层上形成栅电极19。栅电极19可采用非晶硅制作。并且，第二传输晶体管可利用第四P型区10朝向右侧的延伸部，在栅电极19的下方形成沟道101，并在沟道101右侧的第四P型区10的延伸部内通过离子注入形成一个N
+区域20，且此N
+区域20与栅电极19部分交叠，形成第二传输晶体管的漏极(悬浮扩散区)20。同时，第二N型光敏区9由沟槽上端向右侧外延伸，其延伸部91在栅电极19下方形成部分交叠，以形成第二传输晶体管的源极91。
本实施例中图像传感器结构的其他方面，可与图1实施例中图像传感器结构相同，不再赘述。
以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (15)
- 一种图像传感器结构，其特征在于，自下而上包括：衬底和介质层；所述衬底内设有第一光敏感器件，所述介质层内设有金属互连层和第二光敏感器件，所述第二光敏感器件设于沟槽内，所述沟槽位于所述第一光敏感器件上方的所述介质层内，所述第二光敏感器件通过所述沟槽耦合所述第一光敏感器件，并通过所述金属互连层引出。
- 根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述第一光敏感器件设有第一N型光敏区，所述第一N型光敏区上方的所述衬底内设有第一P型区，所述第二光敏感器件设有第二N型光敏区，所述第二N型光敏区下方的所述沟槽底部设有第二P型区，所述第一光敏感器件与所述第二光敏感器件之间设有隔离层，所述第二P型区穿过所述隔离层连接所述第一P型区。
- 根据权利要求2所述的图像传感器结构，其特征在于，所述第一N型光敏区一侧的所述衬底内设有第三P型区，所述第三P型区内设有浅沟槽隔离，所述第二P型区穿过所述隔离层连接所述第三P型区，所述第三P型区沿所述浅沟槽隔离底部及侧壁延伸至与所述第一P型区相连。
- 根据权利要求3所述的图像传感器结构，其特征在于，所述第三P型区上设有硅化物区，所述第三P型区通过所述硅化物区连接所述金属互连层。
- 根据权利要求4所述的图像传感器结构，其特征在于，所述第二P型区通过所述隔离层设有的打开区域连接所述第三P型区和所述硅化物区。
- 根据权利要求2所述的图像传感器结构，其特征在于，所述第二N型光敏区和所述介质层的表面覆盖有第四P型区，所述第四P型区的一侧内设有第五P型区，所述第五P型区下端自所述第四P型区伸出，并连接位于所述介质层内的所述金属互连层。
- 根据权利要求6所述的图像传感器结构，其特征在于，所述第四P 型区上覆盖有介质保护层。
- 根据权利要求7所述的图像传感器结构，其特征在于，所述第二N型光敏区依次穿过所述第二P型区、所述隔离层和所述第一P型区连接所述第一N型光敏区。
- 根据权利要求6所述的图像传感器结构，其特征在于，所述衬底为P -型掺杂衬底，所述第一P型区至所述第三P型区和所述第五P型区为P +型掺杂区，所述第四P型区为P -型掺杂区；所述第二N型光敏区、所述第二P型区和所述第四P型区的材料均为非晶硅。
- 根据权利要求2所述的图像传感器结构，其特征在于，所述第二P型区还延伸至所述沟槽的侧壁。
- 根据权利要求2所述的图像传感器结构，其特征在于，所述第二N型光敏区依次穿过所述第二P型区、所述隔离层和所述第一P型区连接所述第一N型光敏区。
- 根据权利要求11所述的图像传感器结构，其特征在于，所述衬底内设有第一传输晶体管，所述第一光敏感器件耦合所述第一传输晶体管。
- 根据权利要求7所述的图像传感器结构，其特征在于，所述第二N型光敏区通过所述隔离层与所述第一P型区和所述第一N型光敏区相分离。
- 根据权利要求13所述的图像传感器结构，其特征在于，所述衬底内设有第一传输晶体管，所述第一光敏感器件耦合所述第一传输晶体管，所述第四P型区内设有第二传输晶体管，所述第二光敏感器件耦合所述第二传输晶体管。
- 根据权利要求14所述的图像传感器结构，其特征在于，所述第二传输晶体管设于所述第四P型区的另一侧，所述第二传输晶体管在所述沟槽外侧的所述介质保护层上形成有栅电极，并在所述第四P型区内形成有漏极，所述第二N型光敏区由所述沟槽上端向外延伸，并在所述栅电极下方形成部分交叠，以形成所述第二传输晶体管的源极，位于所述源极和漏极之间的所 述第四P型区形成所述第二传输晶体管的沟道。
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