技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種半導(dǎo)體圖像處理芯片領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種背照式CMOS圖像傳感器。

背景技術(shù)：

一個(gè)典型的圖像傳感器在被光照時(shí)，通過將光子轉(zhuǎn)換為電子或空穴并在傳感器的像素單元中收集電子或空穴來感知光線。收集周期完成后，收集的電荷將被轉(zhuǎn)換成電壓后在傳感器的輸出端輸出。在CMOS圖像傳感器中，電荷-電壓轉(zhuǎn)換直接在像素器件中完成，然后產(chǎn)生的模擬像素電壓在經(jīng)過各種像素處理和掃描方案處理后傳輸?shù)捷敵龆?。模擬信號(hào)也可以直接在芯片上轉(zhuǎn)換成等效數(shù)字信號(hào)后再傳輸?shù)叫酒敵龆丝?。一個(gè)典型的像素器件也會(huì)耦合一個(gè)緩沖放大器(如源跟隨器SF)，等效的數(shù)字信號(hào)通過這個(gè)緩沖放大器驅(qū)動(dòng)傳感器列總線，傳感器列總線通過合適的處理晶體管與像素連接。電荷到電壓的轉(zhuǎn)換完成并且得到的信號(hào)從像素傳輸出來后，像素可被復(fù)位以在新的光照時(shí)積累新的電荷。

在以浮動(dòng)擴(kuò)散(FD)區(qū)作為電荷探測(cè)點(diǎn)的像素中，是通過開啟復(fù)位晶體管來完成復(fù)位的，此復(fù)位晶體管開啟后會(huì)使浮動(dòng)擴(kuò)散點(diǎn)充電至一個(gè)參考電壓。當(dāng)復(fù)位動(dòng)作清除已收集到的電荷時(shí)，它同時(shí)會(huì)產(chǎn)生kTC復(fù)位噪聲。kTC復(fù)位噪聲可以通過相關(guān)雙采樣(CDS)信號(hào)處理技術(shù)來消除，這樣就能獲得所希望的低噪聲性能。

典型使用CDS原理的CMOS圖形傳感器通常在像素中需要有3晶體管(3T)或4晶體管(4T)，其中一個(gè)晶體管作為電荷轉(zhuǎn)移管。通過共享幾個(gè)光電二極管像素電路晶體管的源漏極可能可以減小像素尺寸。而為了防止光線被金屬連線和與像素耦合器件中的電極(如復(fù)位管，電荷轉(zhuǎn)移管等)擋住，可以采用背照式CMOS圖像傳感像素結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，光線入射的一側(cè)與金屬連線和電極所在位置處于襯底的不同側(cè)。

除了重啟噪聲外，另一種圖像傳感器的噪聲源來自暗電流。暗電流是在沒有光子入射器件時(shí)流過傳感器器件的電流。暗電流的來源之一為界面陷阱。固態(tài)圖像傳感器器件通常在襯底上制造。典型的器件會(huì)包括絕緣層(如氧化硅)。而在絕緣體與硅之間的界面上通常會(huì)產(chǎn)生電活性的缺陷。這些缺陷會(huì)俘獲電荷繼而產(chǎn)生不是由光子轉(zhuǎn)換生成的電荷載流子。由于暗電流會(huì)在入射光光子的基礎(chǔ)上額外產(chǎn)生電荷載流子，而且暗電流與感應(yīng)到的光線不相關(guān)，這樣就導(dǎo)致了圖像傳感器準(zhǔn)確性的降低。

如上所述的，暗電流的來源之一是界面陷阱。這種陷阱會(huì)在圖像傳感器的兩側(cè)表面形成。可以通過在表面設(shè)置高濃度摻雜的n型層以減少界面狀態(tài)形成的暗電流，從而改善CMOS圖像傳感器的精確度。現(xiàn)有的n型摻雜層可以通過離子注入法實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于背面用離子注入法很難在厚度和摻雜濃度上同時(shí)滿足要求，因?yàn)楹袷沁_(dá)到所需的摻雜濃度的必要條件，而過厚的n型層會(huì)降低靈敏度，因?yàn)閺脑搨?cè)進(jìn)入的光子產(chǎn)生的正載流子會(huì)與n摻雜層中的負(fù)載流子再結(jié)合，而不是被捕捉到光電二極管的電勢(shì)阱(PD)中。因此，(對(duì)應(yīng)于一定的入射光強(qiáng)度下的)等量的光子所產(chǎn)生的正電荷就變少了，從而導(dǎo)致CMOS圖像傳感器的靈敏度降低。

另外，背面的高濃度摻雜的n型層也可以通過從背面注入結(jié)合熱激發(fā)工藝實(shí)現(xiàn)，但這些工藝都很復(fù)雜且昂貴。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種背照式CMOS圖像傳感器，能夠在維持目前工藝復(fù)雜度的情況下大幅度降低暗電流，同時(shí)提高傳感器的靈敏度。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明包括：

一襯底，其正面作為第一表面且背面作為第二表面；

一個(gè)形成在襯底中的光電探測(cè)器，其包括位于第二表面的一個(gè)感光面，以及

一個(gè)位于第二表面的第一正電荷層，該第一正電荷層能夠在光電探測(cè)器的感光面構(gòu)成一個(gè)電荷積累區(qū)域來抑制圖像傳感器第二表面中的暗電流。

所述的圖像傳感器陣列可以進(jìn)一步包括一個(gè)位于第一表面上的布線層。

所述的圖像傳感器陣列可以進(jìn)一步包括一個(gè)位于第一正電荷層上的彩色濾鏡層。

所述的圖像傳感器陣列可以進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)位于彩色濾鏡層上的微透鏡。

所述的光電探測(cè)器陣列包括一個(gè)p型光電二極管。

所述的圖像傳感器陣列可以進(jìn)一步包括一個(gè)用于抑制圖像傳感器第一表面產(chǎn)生的暗電流的n型摻雜的電勢(shì)固定層。

所述的圖像傳感器陣列可以進(jìn)一步包括一個(gè)位于第一表面上的p型摻雜的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域以及一個(gè)位于所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)和光電探測(cè)器之間的n型摻雜區(qū)域。

所述的第一正電荷層優(yōu)選為氮化硅。

所述的圖像傳感器陣列可以進(jìn)一步包括一個(gè)位于感光面和第一正電荷層之間的絕緣層。

所述的絕緣層優(yōu)選為氧化硅。

所述的圖像傳感器陣列可以進(jìn)一步包括位于襯底的第一表面上的第二正電荷層。

所述的第二正電荷層優(yōu)選為氮化硅。

本發(fā)明進(jìn)一步提出一種圖像傳感器陣列的制造工藝，通過在p型光電二極管的感光面上設(shè)置氮化硅層，經(jīng)由氮化硅層進(jìn)行電荷積聚以實(shí)現(xiàn)對(duì)暗電流的抑制。

所述的p型光電二極管，采用但不限于以下方式得到：

①在晶圓的一側(cè)引入p型摻雜劑以形成一個(gè)或多個(gè)p型區(qū)域；

②在晶圓的一側(cè)引入n型摻雜劑以形成一個(gè)n+電勢(shì)固定層；

③在晶圓的一側(cè)上沉積一層氧化硅以及一個(gè)或多個(gè)柵極；

④將晶圓翻轉(zhuǎn)；

⑤對(duì)晶圓進(jìn)行減薄處理，從而在一側(cè)的對(duì)面形成另一側(cè)；

⑥在另一側(cè)上沉積第一氧化硅層。

所述的p型光電二極管的制備，在步驟③完成后，在n+電勢(shì)固定層上沉積第二氧化硅層并在第二氧化硅層上沉積第二氮化硅層。

所述的圖像傳感器陣列的制造工藝進(jìn)一步包括：在感光面的氮化硅層上形成至少一個(gè)彩色濾鏡層和微透鏡。

技術(shù)效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠通過常規(guī)的半導(dǎo)體工藝，以創(chuàng)新性的組合制備得到一種全新的圖像傳感器，能夠顯著降低暗電流并提高傳感器的靈敏度。

附圖說明

圖1A為本發(fā)明剖視圖；

圖中：100CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)、101a正向界面、101b背向界面、103p-區(qū)域、104p+浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域、105p區(qū)域、106襯底、107氧化層、108n+電勢(shì)固定層、109n阱、110第一電荷轉(zhuǎn)移柵極、111a、111b n區(qū)域、112第二電荷轉(zhuǎn)移柵極、113p+區(qū)域、114絕緣層、115防反射層、116彩色濾鏡層、117微透鏡；

圖1B為針對(duì)圖1A的深度方向的摻雜剖面；

圖1C為針對(duì)圖1A的深度方向的電勢(shì)剖面；

圖2和圖3A-3H為圖像傳感器像素器件的制造工藝。

具體實(shí)施方式

根據(jù)上述，由于界面陷阱上產(chǎn)生的暗電流會(huì)降低背照式CMOS圖像傳感器的性能。而在傳感器的背面產(chǎn)成一個(gè)n+層可以減少界面陷阱。但是從背面作離子注入并用熱激發(fā)處理很難在背面形成n+層。而且此n+層包括的負(fù)電荷會(huì)與入射光光子產(chǎn)生的正電荷再結(jié)合，而降低了此CMOS圖像傳感器的靈敏度。

本發(fā)明的一個(gè)目的是在現(xiàn)有的技術(shù)下改進(jìn)背照式CMOS圖像傳感器的性能。本發(fā)明的具 體實(shí)施提供一種在CMOS圖像傳感器中被固定的光電二極管結(jié)構(gòu)，其含有一個(gè)用于抑制背面的暗電流的正電荷層，該正電荷層可以采用諸如氮化硅膜(一種常用的防反射層)以實(shí)現(xiàn)防反射作用。

本發(fā)明的另一目的是提出一種背照式CMOS圖像傳感器的制造工藝，其中包括正電荷的區(qū)域(如氮化硅膜)可以在傳感器陣列的背面形成一個(gè)防反射層。

根據(jù)所述的發(fā)明的具體實(shí)施，圖1A是圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)典型示例100的橫截面示意圖。根據(jù)圖1A的顯示，CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)100含有多個(gè)像素區(qū)域，舉例來說，包括一個(gè)p+浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)104，一個(gè)p區(qū)域105和一個(gè)第一電荷轉(zhuǎn)移柵極110。CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)100還包括一個(gè)第二電荷轉(zhuǎn)移柵極112和一個(gè)p+區(qū)域113。p+浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)104和p+區(qū)域113均位于同一個(gè)n阱109中，它們與第二電荷轉(zhuǎn)移柵極112一起構(gòu)成一個(gè)PMOS器件。

在像素結(jié)構(gòu)100曝光于光線下時(shí)光子會(huì)進(jìn)入CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)100從而在p區(qū)域105形成正電荷。FD2端與CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)100正面的p+浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)104連接，而TX2端與正面的第一電荷轉(zhuǎn)移柵極110連接。在收集周期，給TX2端加上一定電壓，使得在p區(qū)域105形成的電荷能傳輸?shù)絧+浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域104。存儲(chǔ)在p+浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域104的寄生電容中的電荷會(huì)形成一個(gè)電壓。FD2端與一個(gè)緩沖放大器(如源極跟隨器SF)連接以檢測(cè)產(chǎn)生于p+浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)104中的電壓，并通過一個(gè)等效于感應(yīng)電壓的數(shù)字信號(hào)來驅(qū)動(dòng)感應(yīng)列總線。進(jìn)一步地，GND2端與正面的p+區(qū)域113相連，RST2端與在正面的第二電荷轉(zhuǎn)移柵極112相連。GND2端連接至一個(gè)固定偏置(如0V)的電壓。在收集電荷過程的最后，通過向RST2端施加電壓使得p+浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域104中的電荷能夠傳輸?shù)絧+區(qū)域113，并且p+浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域104進(jìn)行復(fù)位，從而使它能在新的收集周期中積累新的電荷。

如圖1A所示，CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)100可以進(jìn)一步包括襯底106。襯底106的正面覆蓋有一層用來從襯底106中隔離第一電荷轉(zhuǎn)移柵極110的氧化物層107。在氧化物層107與襯底106之間形成一正向界面101a。襯底106還包括一個(gè)位于p區(qū)域105下方的p-區(qū)域103，以及一個(gè)位于p區(qū)域105上的n+電勢(shì)固定層108。這樣一個(gè)光電二極管就在包括一個(gè)p-區(qū)域103和一個(gè)p區(qū)域105的P區(qū)域和包括一個(gè)n+電勢(shì)固定層108的n區(qū)域之間形成。光子從背面進(jìn)入CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)100并在p-區(qū)域103內(nèi)形成載流子。載流子的電荷在p區(qū)域105中形成的光電二極管內(nèi)的電勢(shì)阱(PD)中積累，而后這些電荷通過電荷轉(zhuǎn)移柵極110傳輸?shù)礁?dòng)擴(kuò)散區(qū)域104。

進(jìn)一步地，n阱109內(nèi)含有p+浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域104。一般來說由于n阱109連接到正電勢(shì)上，從而將光子產(chǎn)生的正電荷轉(zhuǎn)移到位于p區(qū)域105內(nèi)光電二極管的電勢(shì)阱中，以防止或減少電荷損失。此CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)100還包括一個(gè)從n+電勢(shì)固定層108延伸并經(jīng)過p 區(qū)域105和p-區(qū)域103的n區(qū)域111a，用于將CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)100的p區(qū)域(如p區(qū)域105，p-區(qū)域103等)與相鄰像素結(jié)構(gòu)的p區(qū)域隔離開。進(jìn)一步地，該CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)100還包括一個(gè)從n阱109延伸并經(jīng)過p-區(qū)域103的n區(qū)域111b，同樣用于將p-區(qū)域103與相鄰像素結(jié)構(gòu)的p區(qū)域隔離開。

在CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)100的背面還包括一個(gè)絕緣層114，一個(gè)防反射層115，一個(gè)彩色濾鏡層116和微透鏡117。絕緣層114將襯底106進(jìn)一步從背面周圍的外部環(huán)境中隔離開。在該絕緣層114和p-區(qū)域103之間形成了一背向界面101b。防反射層115，彩色濾鏡層116和微透鏡117則用于控制進(jìn)入襯底106的光線的一個(gè)或多個(gè)屬性，諸如：入射到背面的光線被微透鏡導(dǎo)引至p-區(qū)域103和p區(qū)域105從而形成p型載流子。設(shè)置于p-區(qū)域103和p區(qū)域105上的彩色濾鏡層116作為帶通濾波器，使得波長(zhǎng)在特定范圍的光線才會(huì)在p-區(qū)域103和p區(qū)域105中生成p型載流子。比如某一個(gè)彩色濾鏡層允許波長(zhǎng)范圍與紅光一致的光線進(jìn)入p-區(qū)域103與p區(qū)域105來產(chǎn)生載流子，而相鄰的另一個(gè)彩色濾鏡層允許波長(zhǎng)范圍與綠光一致的光線去產(chǎn)生載流子。

防反射層115用于防止從背端入射的光線在背向界面101b上的襯底106和絕緣層114之間的反射從而減少入射光線損失。防反射層115可包括正電荷，其具體實(shí)現(xiàn)可以通過諸如在制造過程中向防反射層115中注入氮化硅，從而在其中注入正電荷。這樣防反射層115就能吸引電子并使其在界面101b附近積累。然后，積累的電子與界面上的陷阱再結(jié)合，從而防止光子產(chǎn)生的p型載流子與這些陷阱結(jié)合，這樣就能減少界面狀態(tài)產(chǎn)生的暗電流。

在某些具體實(shí)施中，可在位于n+電勢(shì)固定層108的上的部分氧化層107上方注入一個(gè)氮化硅層(未示于圖1A中)。該氮化硅層能提供正電荷來捕獲電子并使它們?cè)谘趸瘜?07和n+電勢(shì)固定層108之間的界面附近積累。這些電子也能與位于氧化層107和n+電勢(shì)固定層108之間界面上的陷阱結(jié)合，從而防止這些陷阱與光子產(chǎn)生的p型載流子結(jié)合。通過這樣的設(shè)置能進(jìn)一步減少氧化層107與襯底106之間界面上的暗電流。

而在某些具體實(shí)施中，CMOS圖像傳感器可以選擇性地去除n+層，以消除由于n+層的厚度造成的圖像像素靈敏度變低的情況(這個(gè)厚度是為了達(dá)到所需的摻雜濃度)。而在另一些實(shí)施中，可用其他材料代替氮化硅，從而使得防反射層115包含正電荷。

圖1B和1C根據(jù)所述的本發(fā)明的具體實(shí)施，圖示了圖像傳感器像素器件100中深度方向的摻雜剖面。圖1B中所示的摻雜剖面顯示了從氧化層107開始，沿著A-A橫截面上不同的凈摻雜濃度。A-A橫截面跨越了n+電勢(shì)固定層108，p-區(qū)域103和p區(qū)域105。當(dāng)去掉n+層102，摻雜剖面圖則將在背向界面101處停止。圖1C顯示了沿著圖1A中A-A橫截面上不同區(qū)域的各種電勢(shì)。

圖2根據(jù)所述的本發(fā)明的具體實(shí)施說明了制造一個(gè)圖像傳感器像素器件的典型示范方法200，諸如：方法200可用來制造圖1A中的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)100。下文中通過圖3A至3E中的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)(如圖1A中的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)100)截面圖說明方法200的具體步驟。

如步驟202所示，首先備置一個(gè)晶圓。諸如：可以通過在一個(gè)晶體襯底上沉積和生長(zhǎng)一個(gè)晶體層來形成一個(gè)p型外延層。外延層可用諸如氣相或液相前驅(qū)來形成。在某些實(shí)施中，如圖3A所示，步驟202執(zhí)行后形成了襯底106。

如步驟204所示，通過向襯底106中注入p型摻雜劑來形成一個(gè)或多個(gè)p區(qū)域，類似地在p區(qū)域105中形成p+浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域104。

所述的摻雜采用但不限于從襯底106的前表面采用離子注入的方式加入。如圖3B所示，為步驟204后，襯底106中包含了p區(qū)域105和p+浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域104，即構(gòu)成了p型光電二極管。

如步驟206所示，通過向襯底106中注入n型摻雜劑來形成n區(qū)域，類似地如n阱109，n區(qū)域111a和111b等等。

所述的摻雜采用但不限于從襯底106的前表面采用離子注入的方式加入。如圖3C所示，為執(zhí)行步驟206后，襯底106中包含了n阱109。

如步驟208所示，通過采用諸如離子注入的方式在襯底106的正面形成一個(gè)n型固定層(如n+電勢(shì)固定層108)。

如步驟210所示，通過在襯底106的前表面303的沉積一層氧化硅層(如圖1A中的氧化層107)，該氧化層可以通過諸如在氧化爐中將表面303暴露于水或氧氣中，同時(shí)加熱襯底106得以產(chǎn)生。當(dāng)氧化物形成后，可在其上方再形成一個(gè)或多個(gè)柵極(如第一電荷轉(zhuǎn)移柵極110)。該柵極可采用化學(xué)氣相沉積法沉積一層硅，然后再使用光刻工藝制造。

在某些實(shí)施中也可以在n+電勢(shì)固定層108的上方形成一個(gè)含氧化緩沖區(qū)的氮化硅層302?？稍趎+電勢(shì)固定層108上方形成一個(gè)氧化層，并使用諸如化學(xué)氣相沉積的方法引入氮化硅。如圖3所示，為步驟208和210之后的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)100，其中包括第一電荷轉(zhuǎn)移柵極110，氧化層107以及包括有n+電勢(shì)固定層108的襯底106。如圖3E所示，為步驟210之后的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)100，其中前表面303上包括了帶有氧化緩沖區(qū)的氮化硅層302。

如步驟212所示，金屬鏈路層304和絕緣層306形成于襯底106的前表面303上。金屬鏈路通過在襯底106的正面濺射金屬(如鋁)來形成。金屬鏈路304形成后可作為如圖1A中所示的金屬端TX，F(xiàn)D，RST和GND。位于金屬鏈路之間的絕緣層306可通過諸如在金屬鏈路 之間沉積氧化硅或任何一種絕緣體得以形成。如圖3E和圖3F所示，為步驟212后的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)100，其中前表面303的上方包含有金屬鏈路304和絕緣區(qū)域306。

如步驟214所示，將CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)100翻轉(zhuǎn)，并除去襯底106以形成一個(gè)第二表面(如正對(duì)于前表面的后表面308)。在步驟216中，在后表面308最頂上沉積一層氧化硅來形成諸如圖1A中的絕緣層114。該絕緣層114可以是通過在氧化爐中將背面的表面308暴露于水或氧氣中時(shí)加熱襯底106來形成的氧化物。當(dāng)絕緣層114形成后，可在絕緣層114的頂部形成具有氮化硅的防反射層115。該防反射層可以通過化學(xué)氣相沉積法形成。如圖3G所示，為步驟214和216后的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)100，其中包括了絕緣層114和防反射層115。

如步驟218所示，可在防反射層115上方形成背面的彩色濾鏡層和微透鏡(如圖1A中的彩色濾鏡層116和微透鏡117)，該彩色濾鏡層和微透鏡可以通過諸如在旋轉(zhuǎn)涂上液體化學(xué)物質(zhì)構(gòu)成的光刻膠后再以熱處理去除溶劑，最后圖案光刻包裹的光刻膠得以形成。如圖3H所示，為步驟218后的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)100，其中包括了彩色濾鏡層116和微透鏡117。

根據(jù)所述的發(fā)明的具體實(shí)施，在背面產(chǎn)生的暗電流能夠被大幅度減少?gòu)亩@得更高的靈敏度。而且制造的復(fù)雜度和成本也得以降低。因此根據(jù)所述的發(fā)明的具體實(shí)施能以有效的成本制造出高性能的圖像傳感器器件。

上述具體實(shí)施可由本領(lǐng)域技術(shù)人員在不背離本發(fā)明原理和宗旨的前提下以不同的方式對(duì)其進(jìn)行局部調(diào)整，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)且不由上述具體實(shí)施所限，在其范圍內(nèi)的各個(gè)實(shí)現(xiàn)方案均受本發(fā)明之約束。