專利名稱：光電探測器和用來提高收集的n-層結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及圖像傳感器領(lǐng)域，更具體地，涉及具有為了降低 串擾而用與光電探測器的集電區(qū)相同導電類型的輕摻雜層的圖像傳 感器。
背景技術(shù)：
如本領(lǐng)域所熟知的，有源CMOS圖像傳感器典型地由像素陣列組 成。典型地，每個像素由光電探測器元件和一個或多個晶體管組成， 以讀出表示光電探測器感知的光的電壓。圖la示出了用于有源像素 圖像傳感器的一種典型的像素布局。該像素由光電二極管光電探測器 (PD)、用來將光生電荷讀出到浮置擴散區(qū)(FD)上的轉(zhuǎn)移柵極(TG) 組成，該浮置擴散區(qū)(FD)將該電荷轉(zhuǎn)變成電壓。在信號從光電二極 管讀出之前，復位柵極(RG)用于將浮置擴散區(qū)復位到電壓VDD。源 跟隨器晶體管的柵極(SF)連接到浮置擴散區(qū)，用來緩沖來自浮置擴散區(qū)的信號電壓。該緩沖電壓在V。UT通過用來選擇要被讀出的那行像素的行選擇晶體管柵極(RS)連接到列通路(buss)(未示出)。由于對在給定光學格式內(nèi)的越來越高的分辨率需求使得像素尺 寸越來越小，這使得保持器件的其它關(guān)鍵性能方面變得日益困難。具 體地，隨著像素尺寸減小，像素的量子效率和串擾開始急劇惡化。(量 子效率下降并且像素之間的串擾增加)。串擾定義為未點亮的與點亮 的像素的信號比，并且可以表示為分數(shù)或百分比。因此，串擾表示不 能被在其下產(chǎn)生信號的像素收集的信號的相對量。最近，已說明了提 高量子效率的方法，但是以增加了串擾為代價。(參見美國專利 6,225， 670Bl中的圖4)。可選地，已使用了用來圖 <象浮散(blooming ) 保護的垂直溢出漏(VOD)結(jié)構(gòu)，其以量子效率為代價降低了串擾(S. I畫e等，"A 3.25 M-pixel APS-C size C0MS Image Sensor", Eisoseiho Media Gakkai Gijutsu Hokoku (Technology Report, Image Information Media Association) Eiseigakugiko， vol.25,no.28, pp. 37-41， 2001年3月，ISSN 1342-6893.)。增加光電探測器的耗盡深度將會增加器件的收集效率，由此提高 量子效率和串擾性質(zhì)。在過去，這已經(jīng)通過降低制造探測器的體材料 的摻雜濃度實現(xiàn)了。然而，這種途徑已經(jīng)知道會導致降低電荷容量和 增加暗電流產(chǎn)生(由于體擴散成分增加)，由此降低了探測器的動態(tài) 范圍和曝光寬容度。美國專利6， 297，070避免了這些特定的困難并描述了一種光電 探測器結(jié)構(gòu)，其中光電二極管摻雜比在制造CMOS圖像傳感器中使用 的其它源和漏n-型摻雜劑更深。增加的耗盡深度增加了收集效率， 由此增加了量子效率同時減少了串擾。然而，在使用高能注入構(gòu)建這 種結(jié)構(gòu)時，n-二極管至p外延結(jié)深度(由此，耗盡深度)受用來阻擋 由器件的其它區(qū)的注入的掩模層(一般為光致抗蝕劑)厚度的限制。 因此，可以在該步驟中使用的最大抗蝕劑厚度和縱橫比(抗蝕劑高度 比抗蝕劑開口)成為限制性因素。此外，在現(xiàn)有技術(shù)中，利用經(jīng)由圖lb和lc中的實例示出的單一 的、相對淺的注入，形成了釘扎(pinned)光電二極管的n型區(qū)。在 圖ld中示出了由這種現(xiàn)有技術(shù)的空光電二極管產(chǎn)生的電位剖面。由 該圖可以看到，該實例現(xiàn)有技術(shù)像素結(jié)構(gòu)的耗盡深度(在電位梯度為 零的點上)僅為大約1. 2pm。在綠色和紅色波長處，硅中的吸收深度 大于該耗盡深度。因此，大于該耗盡深度產(chǎn)生的栽流子，會橫向擴散 進入相鄰的光電位置，這有助于引起串擾。因此，在本領(lǐng)域內(nèi)需要在沒有影響其它成像性能特征且沒有上述 制造難點的情況下，提供能夠同時提高量子效率和串擾屬性的結(jié)構(gòu)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要克服上面列出的一個或多個問題。簡而言之，根據(jù)本發(fā) 明的一個方面，本發(fā)明在于提供一種帶有具有多個第一導電類型光電 探測器的圖像區(qū)域的圖像傳感器，包括第二導電類型的襯底；跨越 圖像區(qū)的第一導電類型的第一層；第二導電類型的第二層；其中第一 層在襯底和第二層之間，并且多個光電探測器設(shè)置在第二層中并鄰接 第一層。本發(fā)明的有利效果本發(fā)明具有下面的優(yōu)點，提供一種沒有影響其它成像性能特征能 夠同時提高量子效率和串擾屬性的結(jié)構(gòu)。


圖la是現(xiàn)有技術(shù)圖像傳感器的頂視圖； 圖lb是現(xiàn)有技術(shù)圖像傳感器的二維摻雜； 圖lc是現(xiàn)有技術(shù)圖像傳感器的摻雜剖面； 圖ld是現(xiàn)有技術(shù)圖像傳感器的電位剖面； 圖2是串擾對耗盡深度的圖表； 圖3是本發(fā)明的圖像傳感器的頂視圖； 圖4a是本發(fā)明的圖像傳感器的截面圖； 圖4b是本發(fā)明的光電探測器的中心下方的摻雜剖面； 圖5是本發(fā)明的光電探測器的電位剖面；和 圖6是用來說明本發(fā)明的典型商業(yè)實施例的普通消費者習慣的 數(shù)字相機的視圖。
具體實施方式
在詳細地討論本發(fā)明之前，理解圖像傳感器中的串擾是有益的。 在這點上，把串擾定義為未點亮的像素與點亮的像素中的信號比，并 且可以表示為分數(shù)或百分數(shù)。因此，串擾表示沒有被在其下產(chǎn)生信號 的像素收集的信號的相對量。在圖2中示出了實例像素的串擾和內(nèi)部 量子效率(沒有來自覆蓋光電探測器的任何層的反射或吸收損耗)與 耗盡深度之間的關(guān)系。串擾計算假設(shè)沿著一條線每隔一個像素(交錯、 交叉的像素不被點亮)被點亮。假設(shè)650nm的波長，這是由于串擾在 波長越長時問題越大。由該圖可以看出，增加耗盡深度能夠有效地降 低串擾，同時能夠增加量子效率。此外，這里使用的耗盡深度定義為 電位梯度為零時離表面最遠的點。因此，由圖2可以看出，對于現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)串擾為~ 36%，且 內(nèi)部量子效率為~68%。由圖2還可以看出，通過增加耗盡深度顯著 降低了串擾。本發(fā)明描述了一種用于有源CMOS圖像傳感器的光電探測器結(jié) 構(gòu)，該光電探測器結(jié)構(gòu)具有擴展的耗盡深度，以增加量子效率并降低像素到像素的串擾，同時保留了良好的電荷容量和動態(tài)范圍特征。圖3中示出了結(jié)合了這種光電探測器結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的CMOS圖像傳感器 像素的頂視圖，其形成頂視圖并且看起來與圖l相似。這是因為圖3 的本發(fā)明包括沒有在圖1中示出的附加層，因為附加層在頂表面的下 方，因此從頂視圖中不能看到(最顯著的是第一和第二層)。雖然示 出的優(yōu)選實施例包括由？_^++外延襯底內(nèi)的p+釘扎(pinning)(頂 表面)層和n-型掩埋集電區(qū)構(gòu)成的釘扎光電二極管，但是本領(lǐng)域的 技術(shù)人員應該理解，在沒有偏離本發(fā)明的范圍的情況下，可以使用其 它的結(jié)構(gòu)和摻雜類型。例如，如果希望的話，則可以使用在p型襯底 中形成的簡單的非釘扎n型二極管，或在n型襯底中形成的p型二極 管。還應該注意，為了清楚僅示出了本發(fā)明的圖像傳感器的一部分。 例如，雖然僅示出了一個光電探測器，可以具有多個以一維或二維陣 列排列的光電探測器。參考圖3，示出了本發(fā)明的像素IO,其具有光電二極管光電探測 器(PD )、用來將光生電荷讀出到浮置擴散區(qū)(FD )的轉(zhuǎn)移柵極(TG )， 該浮置擴散區(qū)(FD)將該電荷轉(zhuǎn)變成電壓。在信號從光電二極管讀出 之前，復位柵極(RG)用來將浮置擴散區(qū)復位到電壓VDD。源跟隨器 晶體管的柵極(SF)連接到浮置擴散區(qū)，用來緩沖來自浮置擴散區(qū)的 信號電壓。該緩沖的電壓在V0UT通過用來選擇要被讀出的那行像素 的行選擇晶體管柵極(RS)連接到列通路(BUSS)(未示出)。由該 平面圖(圖3),把在光電探測器外部但是在像素內(nèi)部的區(qū)定義為像 素電路區(qū)。參考圖4a,示出了本發(fā)明的圖像傳感器20的截面的側(cè)視圖。該 圖像傳感器20包括具有多個光電探測器30 (僅示出了一個)的成像 部分，優(yōu)選兩種導電類型的釘扎光電二極管30,優(yōu)選n型集電區(qū)40 和p型釘扎層50。襯底60的導電類型，對于優(yōu)選實施例優(yōu)選為p型， 形成了圖像傳感器20的基底部分。導電類型優(yōu)選為n型的第一層70， 跨越圖像區(qū)。應該注意，第一層70物理地接觸光電二極管30的n型 集電區(qū)40，由此延伸了光電二極管30的耗盡區(qū)和光收集區(qū)。導電類 型優(yōu)選p型的第二層80，垂直鄰近第一層70設(shè)置，優(yōu)選用來形成整 個或部分電氣元件，例如部分晶體管。任選地，第三層90，優(yōu)選p 外延層，可位于第一層70和襯底60之間。尤其要指出的是，第一層70位于襯底60和第二層80之間，并 且多個光電探測器30設(shè)置在第二層80中且鄰接第一層70。第一層 70尤其適合于充分降低偏離光電探測器30進入該層的電子串擾。第 一層70將引導全部或基本全部的偏離離子反回至最近的光電探測器 30,它是最初偏離的最可能的候選。詳盡地，注意，圖像傳感器20包括具有導電類型優(yōu)選為p型的 溝道100的轉(zhuǎn)移柵極(TG)。該溝道100由如上文中討論的第二層 80形成，并且電荷從光電探測器30通過溝道IOO傳到導電類型(優(yōu) 選n型)的浮置擴散區(qū)110,該浮置擴散區(qū)IIO將電荷轉(zhuǎn)變成電壓。 導電類型優(yōu)選p型的溝道停止120，橫向鄰近光電探測器30。頂層 130形成如本領(lǐng)域熟知的電介質(zhì)。因此，本發(fā)明擴展了耗盡深度，由此降低了串擾而沒有降低QE。 本發(fā)明增加深且相對低濃度的層(第一層70)，其接觸光電探測器 30內(nèi)的摻雜剖面的主要的、高濃度表面部分的背面，如圖4a和4b 中示出的實例結(jié)構(gòu)所示的。換句話說，由于相對低的摻雜劑濃度，光 電探測器30下面的第一層70耗盡了自由載流子。該深的、橫向均勻 的、低濃度層(第一層70)可以經(jīng)由系列或連串相對低劑量、多個 高能量注入和/或熱驅(qū)動來形成。本發(fā)明的可選實施例將要在襯底60 的頂部上經(jīng)由外延生長形成第一層70、第二層80和任選的第三層90。 由于該深的第一層70形成在整個像素和圖像區(qū)域下面，所以在第二 層80中形成轉(zhuǎn)移柵極(TG)、浮置擴散區(qū)110、源跟隨器(SF)和 單獨像素內(nèi)的任何和所有的其它支撐電路。盡管第一層70可以延伸， 但該第一層70不必延伸入圖像區(qū)域外部的器件周圍，那里一般具有 行和列地址電路、A/D轉(zhuǎn)換器、模擬緩沖器等。深的、均勻的第一層 70僅需要形成在包含所有成像(及暗基準)像素的圖象區(qū)域內(nèi)。圖5示出了向下進入到探測器基底的最終的電位剖面，由此可以 看出本實例新結(jié)構(gòu)的耗盡深度大約為2. 3 Ml甚至通過增加是第一 實施例的注入能量和/或熱驅(qū)動時間函數(shù)的冶金結(jié)的深度，或者通過 簡單地改變用于可選實施例的不同外延層的厚度，能夠進一步增加該 耗盡深度。本發(fā)明另外的優(yōu)點是，第一層70可以是在第二層80和第三層 90之間的釘扎光電二極管區(qū)域(即，像素電路)的外部的區(qū)域中被耗盡自由載流子。耗盡像素電路區(qū)下面的區(qū)域降低了載流子的橫向擴 散，并導致更低的串擾。參考圖6,為了說明本發(fā)明的典型商業(yè)實施例，示出了具有設(shè)置 在其中的本發(fā)明的圖像傳感器20的數(shù)字相機140。部件列表10像素20圖像傳感器30光電探測器/光電二極管40 n-型集電區(qū)50 p-型釘扎層60 襯底70 第一層80 第二層90 第三層100 溝道110 浮置擴散區(qū)120 溝道停止130 頂層140 數(shù)字相機
權(quán)利要求
1.一種圖像區(qū)域具有多個第一導電類型光電探測器的圖像傳感器，包括(a)第二導電類型的襯底；(b)跨越圖像區(qū)域的第一導電類型的第一層；和(c)第二導電類型的第二層；其中第一層在襯底和第二層之間，并且多個光電探測器設(shè)置在第二層并鄰接第一層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的像素傳感器，其中光電探測器是第一和第二 導電類型的釘扎光電二極管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的像素傳感器，其中第一導電類型是n-型且 第二導電類型是p-型。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的像素傳感器，進一步包括襯底和第一層之間 的第二導電類型的外延層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的像素傳感器，其中在光電探測器下方第一層 被耗盡自由載流子。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的像素傳感器，其中在光電探測器和像素電路 區(qū)下方第一層被耗盡自由載流子。
7. —種數(shù)字相機，包括圖像區(qū)域具有多個第一導電類型光電探測器的圖像傳感器，其包括(a) 第二導電類型的襯底；(b) 跨越圖像區(qū)域的第一導電類型的第一層；和(c) 第二導電類型的第二層；其中第一層在襯底和第二層之間，并且多個光電探測器設(shè)置在第 二層并鄰接第一層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的數(shù)字照相機，其中光電探測器是第一和第二 導電類型的釘扎光電二極管。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7的數(shù)字照相機，其中第一導電類型是n-型且 第二導電類型是p-型。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7的數(shù)字照相機，進一步包括村底和第一層之 間的第二導電類型的外延層。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7的數(shù)字照相機，其中第一層被耗盡自由載流子。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的數(shù)字照相機，其中第一層被完全耗盡自由 載流子。
全文摘要
提供一種圖像區(qū)域具有多個第一導電類型光電探測器的圖像傳感器，其包括第二導電類型的襯底；跨越圖像區(qū)域的第一導電類型的第一層；第二導電類型的第二層；其中第一層在襯底和第二層之間，并且多個光電探測器設(shè)置在第二層中并鄰接第一層。
文檔編號H01L27/146GK101273457SQ200680035943
公開日2008年9月24日 申請日期2006年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月28日
發(fā)明者D·N·尼克爾斯, E·G·斯蒂文斯 申請人:伊斯曼柯達公司