專利名稱：具有改進(jìn)的色串?dāng)_的圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)圖像傳感器，更具體涉及一種包括用光吸收濾 色片覆蓋的小像素的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代CMOS圖像傳感器的典型像素包括光電二極管，更具體包括釘 扎(pinned)光電二極管和四個(gè)晶體管。光電二極管收集光生電荷，該光 生電荷稍后由電荷轉(zhuǎn)移晶體管在適當(dāng)時(shí)間轉(zhuǎn)移至浮動擴(kuò)散(FD)節(jié)點(diǎn)上。 該FD節(jié)點(diǎn)用作電荷檢測節(jié)點(diǎn)。在電荷轉(zhuǎn)移之前，F(xiàn)D節(jié)點(diǎn)需要重置至適 當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)電壓。該重置引起kTC噪聲，該kTC噪聲通常會被添加至出現(xiàn) 在FD節(jié)點(diǎn)上的信號。因此，有必要讀取FD節(jié)點(diǎn)上的電壓兩次，第一次 在電荷轉(zhuǎn)移之前，第二次在電荷轉(zhuǎn)移之后。此操作被稱為CDS(相關(guān)雙采 樣)。CDS操作允許感測僅由從光電二極管轉(zhuǎn)移的電荷所引起的節(jié)點(diǎn)上的 電壓差。源極跟隨器(SF)晶體管通過連接至FD節(jié)點(diǎn)的SF晶體管柵極、連接 至電源電壓(Vdd)端子的SF晶體管漏極以及經(jīng)尋址晶體管連接至共享列 (common column)傳感線的SF晶體管源極來感測FD節(jié)點(diǎn)上的電壓。 為此，通常有必要在標(biāo)準(zhǔn)CMOS圖像傳感器的每一像素中結(jié)合4個(gè)晶體 管。授權(quán)給Paul P. Lee等人的發(fā)明名稱為"Active Pixel Sensor Integrated with Pinned Photodiode"的美國專利申請No. 5, 625, 210 描述一種具有釘扎光電二極管的示例性4T像素電路。在現(xiàn)代CMOS傳感器設(shè)計(jì)中，用于若干光電二極管的電路可共享， 例如可在授權(quán)給R. M. Guidash等人的發(fā)明名稱為"Active Pixel Sensor with Wired Floating Diffusions and Shared A邁plifier"的 美國專利申請No. 6， 657， 665 B1的實(shí)施例中找到。在該專利申請中，雙 像素包括位于傳感器圖像陣列的相鄰行中且共享相同電路的兩個(gè)光電 二極管。大多數(shù)現(xiàn)代CMOS圖像傳感器中的彩色傳感通過將適當(dāng)濾色片置放 于光電二極管上來完成，如圖1中所示。藍(lán)色濾色片101吸收綠光及紅 光且僅讓藍(lán)光光子進(jìn)入下方光電二極管區(qū)域。類似地，綠色濾色片102 吸收藍(lán)光及紅光且僅讓綠光光子進(jìn)入下方硅塊(bulk)。附圖標(biāo)記103 表示紅色濾色片。藍(lán)光及綠光光子具有高能量，并因此通常在從硅塊的 表面到其確定區(qū)域104所限定的深度Xg內(nèi)非?？焖俚乇晃?。另一方 面，紅光光子具有低能量且穿透比以上區(qū)域104更深的區(qū)域。更具體而 言，在產(chǎn)生任何光電子之前，紅光光子可穿透至位于深度X印i的外延 襯底區(qū)域與重?fù)诫s的P+型襯底106之間的界面105。附圖標(biāo)記"Xr"表 示界面105距離硅塊(亦即，重?fù)诫s的P+型襯底106)的表面的深度。當(dāng)在重?fù)诫s的P+型襯底106中產(chǎn)生電子107時(shí)，電子107非常快速 地與位于重?fù)诫s的P+型襯底106中的空穴再結(jié)合且不能夠被收集在"紅 色"光電二極管中。另一方面，非耗盡外延層109中所產(chǎn)生的電子108 具有比電子107更長的壽命，且在非耗盡外延層109中橫向及垂直地自 由擴(kuò)散直至電子108抵達(dá)耗盡區(qū)域110的邊界。耗盡區(qū)域110的邊界位 于距離硅塊體的表面的深度Xdl處。當(dāng)電子111進(jìn)入耗盡區(qū)域110時(shí)，電子111快速地被掃掠至位于形 成有N型摻雜層112的區(qū)域中的各光電二極管勢阱中。光電二極管由N 型摻雜層112及P+型釘扎層113靠近硅塊體的表面而形成。此結(jié)構(gòu)被稱 為釘扎光電二極管。P+型釘扎層113各自沿各個(gè)淺溝槽隔離(STI)區(qū)域 114的側(cè)面及底部延伸，淺溝槽隔離(STI)區(qū)域114各自通過蝕刻硅塊體 而形成，以將感光單元(photo sites)和對應(yīng)電路彼此分離并絕緣。 用二氧化硅填充STI區(qū)域114。 二氧化硅亦覆蓋光電二極管表面區(qū)域且 在轉(zhuǎn)移柵極117下方延伸。附圖標(biāo)記115及116分別表示填充STI區(qū)域 114的二氧化硅及在轉(zhuǎn)移柵極117下方延伸且同時(shí)覆蓋光電二極管表面 區(qū)域的二氧化硅。轉(zhuǎn)移柵極117由多晶硅形成。當(dāng)將適當(dāng)偏壓經(jīng)由對應(yīng)連接118 (僅示意性地表示)施加至各轉(zhuǎn)移柵 極117中時(shí)，儲存在光電二極管勢阱中的電子電荷被轉(zhuǎn)移至由摻雜N+ 型摻雜劑所形成的各個(gè)FD節(jié)點(diǎn)119上.FD節(jié)點(diǎn)119通常經(jīng)受電壓變化。 該電壓變化隨后被適當(dāng)放大器(SF)感測到，所述適當(dāng)放大器(SF)由各個(gè) 導(dǎo)線120(亦僅示意性地表示)各自連接至FD節(jié)點(diǎn)119。電壓變化表示所 要信號。在頂部沉積濾色片之前，光電二極管及轉(zhuǎn)移柵極117通常由另 一層121和其它透明薄膜所覆蓋，其中所述另一層121由二氧化硅或多 層二氧化硅形成。隨后還將微透鏡(未圖示)沉積于藍(lán)色濾光片101、綠 色濾光片102及紅色濾光片103的頂部以將光聚焦于光電二極管的表面 區(qū)域上。如可從圖1容易理解，由紅光在非耗盡外延層109中所產(chǎn)生的電子 亦可橫向地?cái)U(kuò)散且進(jìn)入相鄰光電二極管的耗盡區(qū)域110。這種現(xiàn)象通常 引起所不希望的色串?dāng)_，因?yàn)榧t光生電子通常終止于錯(cuò)誤的"綠色"或 "藍(lán)色"光電二極管的光電二極管勢阱中。該色串?dāng)_可顯著存在于像素 的橫向尺寸小于2nm且垂直尺寸保持約5 jLim的小尺寸像素中。色串 擾可通過減少外延層的厚度(亦即，界面105的深度Xr)從而減小非耗盡 外延層109的厚度或?qū)⑽挥谏疃萖dl的耗盡區(qū)域110的邊界延伸至深度 Xd2來減小。然而，上述的兩種方法可能具有一些局限。淺外延厚度在重?fù)诫s的 P+型襯底106中引起產(chǎn)生過多紅光電子且因此與重?fù)诫s的P+型襯底106 中的空穴再結(jié)合。結(jié)果，紅光電子可能對信號沒有貢獻(xiàn)。通常希望使外 延厚度約5. 0 iim或更大以具有良好"紅"光響應(yīng)。一直延伸至界面105的厚耗盡(thick depletion)也會導(dǎo)致局限。 完成厚耗盡所必要的外延層的低摻雜可增加暗電流產(chǎn)生，且可導(dǎo)致位于 接近表面的P+型釘扎層113與重?fù)诫s的P+型襯底106的不連續(xù)及分離， 如由該水平外延摻雜的分離的耗盡層邊界122所指示。當(dāng)觀測到不連續(xù) 且分離的P+型釘扎層113時(shí)，有必要由一些其它手段例如置放于像素頂 部的金屬線來提供其它電連接至P+型釘扎層113。這些電連接可降低像 素孔徑效率并因此降低最終像素量子效率。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的特定實(shí)施方案提供一種包括小尺寸像素及改進(jìn)的色串?dāng)_ 的圖像傳感器(例如，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器)。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種圖像傳感器，該圖像傳感器包含第 一傳導(dǎo)型的襯底、排列在該襯底上的第 一和第二像素以及形成在對應(yīng)于 第一像素的襯底區(qū)域中而不在對應(yīng)于第二像素的襯底區(qū)域中的勢壘(potential barrier )。


圖1說明CMOS圖像傳感器中用濾色片覆蓋的常規(guī)像素的簡化橫截 面圖。圖2說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的CMOS圖像傳感器中用濾色片覆蓋 的像素的簡化橫截面圖。
具體實(shí)施方式
根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方案，小像素尺寸傳感器的性能得以改進(jìn)， 且所改進(jìn)的性能有助于色串?dāng)_的減少。此效應(yīng)可通過在接收藍(lán)光及綠光 的像素下方但不在接收紅光的像素下方結(jié)合深高能硼注入或通過在P型 外延生長期間所施加的低能量離子注入來實(shí)現(xiàn)。注入摻雜在襯底結(jié)構(gòu)中形成小勢壘，該小勢壘引導(dǎo)并聚焦在硅塊 (即，襯底結(jié)構(gòu))深處由紅光所產(chǎn)生的那些載流子，以流入"紅色"光電 二極管(在紅色濾色片下方的光電二極管)中且被收集在"紅色"光電二 極管中。深度硼注入還使得由穿透有缺陷的(imperfect)藍(lán)色及綠色 濾色片且在"藍(lán)色"及"綠色"光電二極管下方硅塊體深處產(chǎn)生載流子 的殘余紅光所產(chǎn)生的載流子改變方向，使得在"藍(lán)色"及"綠色"光電 二極管下方產(chǎn)生的載流子流入"紅色，，發(fā)光二極管中。除了由紅光生載流子所引起的色串?dāng)_減少外，也可減少由有缺陷的 藍(lán)色及綠色濾色片所引起的色串?dāng)_。因此，有可能建造具有非常小的尺 寸、高性能及減少的色串?dāng)_的像素的CMOS傳感器陣列。圖2說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的包括具有光電二極管及對應(yīng)轉(zhuǎn)移晶體 管的像素的圖像傳感器的簡化橫截面圖。藍(lán)色濾色片201、綠色濾色片202 和紅色濾色片203在形成于光電二極管區(qū)域上的層間透明介電結(jié)構(gòu)204上 形成。P+型摻雜層217連同N型摻雜層210 —起形成釘扎光電二極管區(qū)域。P+型摻雜層217各自在包括淺溝槽隔離(STI)區(qū)域206的側(cè)面及底部的硅塊 (例如，重?fù)诫sP+型襯底218)的暴露表面上延伸。用基于氧化物的材料207 填充STI區(qū)域206?；谘趸锏膶?05各自AA硅塊的表面且在各個(gè)轉(zhuǎn) 移柵極208下方延伸。轉(zhuǎn)移柵極208由諸如多晶硅的導(dǎo)電材料形成。N+型 摻雜層209形成連接至各個(gè)傳感放大器(未示出)的FD區(qū)域。當(dāng)光電二極管，更晶體而言，當(dāng)釘扎光電二極管耗盡所有電荷時(shí)， 耗盡區(qū)域211形成于釘扎光電二極管下方的深度Xdl處。高能硼注入用 于形成P型摻雜層212作為勢壘。該P(yáng)型摻雜層212位于"藍(lán)色"及"綠 色"光電二極管下方的深度Xg處，在此大多數(shù)綠光及藍(lán)光光子已被轉(zhuǎn) 換成電子215。這些電子215向上漂移短距離至耗盡區(qū)域211的邊界且 被快速掃掠至位于N型摻雜層210中的光電二極管勢阱中。由于可使垂 直擴(kuò)展距離非常短，因此橫向擴(kuò)展以及色串?dāng)_的機(jī)率小。紅色光生電子 216亦直接向上擴(kuò)散，因?yàn)镻型摻雜層212形成針對紅色光生電子216 的小勢壘且防止其側(cè)向擴(kuò)展。此外，在P型摻雜層212下方的其它紅色 光生電子214亦不能克服勢壘且需要繞過勢壘擴(kuò)散至"紅色"光電二極管 勢阱。因此，可改善由有缺陷濾色片所引起的色串?dāng)_。為此，外延層可具有適當(dāng)足夠的深度Xr以將紅光充分轉(zhuǎn)換成電子 而無需折衷以減少橫向擴(kuò)展至錯(cuò)誤光電二極管中。可將外延襯底界面 213放置在硅塊體中，甚至比常規(guī)外延襯底界面更深處以改進(jìn)紅光向電 子的轉(zhuǎn)換。附圖標(biāo)記"X印i"表示外延襯底界面213所處的深度。亦可 針對最小化暗電流及P+型摻雜層217至P+型摻雜層218的良好導(dǎo)電連接 而最優(yōu)化外延層的摻雜。因此，與常規(guī)方法相比，硅塊體像素高寬比， 其為有效像素硅厚度對像素水平尺寸，可以增加而并不產(chǎn)生對色串?dāng)_的 不利影響。眾所周知，紅光的波長最大，且波長按綠光及藍(lán)光的順序下降。因 此，紅色光生電荷可在比P型外延層的深度更深的深度產(chǎn)生。因此，考 慮到此事實(shí)，在距離硅塊體的表面的適當(dāng)深度Xg處形成P型摻雜層212。由于以上描述未討論像素電路且僅集中于光電二極管上，因此應(yīng)理 解，共享像素電路也可用于本發(fā)明的此實(shí)施方案。每一像素可具有共享 電路以讀取光生電荷作為電信號，且該共享電路可通過共享浮動擴(kuò)散節(jié) 點(diǎn)讀取光生電荷。
本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)清楚，本發(fā)明的此實(shí)施方案可容易地適合于3T 像素結(jié)構(gòu)，其代表本發(fā)明的另一實(shí)施方案。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)清 楚，P型摻雜層212不必由高能粒子注入來注入。相反地，P型摻雜層 212可在外延層生長期間形成。外延生長可停止在深度Xr與深度Xg之 間所限定的深度處。硼可由低能離子注入來注入或由 一些其它方法來沉 積。之后，外延生長可繼續(xù)直至抵達(dá)原始深度Xr為止。此方法代表本發(fā)明的另一實(shí)施方案。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)清楚，P型摻雜層212可形成在"綠色" 發(fā)光二極管下方的深度Xg處，且另一類似P型摻雜層可形成在"藍(lán)色，， 發(fā)光二極管下方比深度Xg更淺的深度Xb(未圖示)處。此方法代表本發(fā) 明的另一實(shí)施方案。在本實(shí)施方案中，源于在襯底結(jié)構(gòu)(例如，硅塊體)的深區(qū)域中所產(chǎn) 生的載流子的色串?dāng)_可通過將充當(dāng)勢壘的P型摻雜層置于"綠色"及"藍(lán) 色"發(fā)光二極管下方且不置放于"紅色"發(fā)光二極管下方來最小化。因 此，可以提供固態(tài)圖像傳感器，更具體而言，可提供具有小像素尺寸、 對紅光響應(yīng)良好，及較少發(fā)生色串?dāng)_的CMOS圖4象傳感器。本發(fā)明的各種實(shí)施方案涉及對小像素尺寸具有改進(jìn)串?dāng)_的像素，其通 過結(jié)合在"綠色"及"藍(lán)色"發(fā)光二極管下方且不在"紅色"發(fā)光二極管 下方的深P型層來實(shí)現(xiàn)。然而，此改進(jìn)旨在說明且非限制性的，且應(yīng)注意， 本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)以上教導(dǎo)進(jìn)行修改及變化。因此，應(yīng)該理解，對所 揭示的本發(fā)明特定實(shí)施方案進(jìn)行的各種修改和變化均在由所附權(quán)利要求 所限定的本發(fā)明的范圍及實(shí)質(zhì)內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種圖像傳感器，包含第一傳導(dǎo)型的襯底；排列在所述襯底上第一和第二像素；和勢壘，所述勢壘形成在對應(yīng)于所述第一像素的襯底區(qū)域中而不在對應(yīng)于所述第二像素的襯底區(qū)域中。
2. 權(quán)利要求1的圖像傳感器，其中所述勢壘包含第一傳導(dǎo)型的摻 雜層。
3. 權(quán)利要求1的圖像傳感器，其中所述第二像素對波長大于所述 第一像素所響應(yīng)的顏色的波長的顏色響應(yīng)。
4. 權(quán)利要求l的圖像傳感器，其中所述第二像素包含紅色第一吸 光濾色片，和所述第一像素包含綠色、藍(lán)色或其組合的第二吸光濾色片。
5. 權(quán)利要求1的圖像傳感器，其中所述第一像素和所述第二像素 包含共享電路以讀取光生電荷作為電信號。
6. 權(quán)利要求1的圖像傳感器，其中所述第一像素和所述第二像素 各自包含發(fā)光二極管以收集光生電荷。
7. 權(quán)利要求1的圖像傳感器，其中所述第一像素和所述第二像素 各自包含浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)以檢測光生電荷。
8. 權(quán)利要求7的圖像傳感器，其中所述浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)包含共享浮 動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)。
9. 權(quán)利要求8的圖像傳感器，其中所述第一像素和所述第二像素 各自包含轉(zhuǎn)移柵極以將光生電荷轉(zhuǎn)移至所述共享浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)。
10. 權(quán)利要求6的圖像傳感器，其中所述光電二極管包含釘扎光電 二極管。
11. 權(quán)利要求1的圖像傳感器，其中所述襯底包含形成在所述襯底 上的P型外延層，所述襯底包含重度P+型摻雜襯底。
12. 權(quán)利要求ll的圖像傳感器，其中所述第一像素包含光電二極 管以收集光生電荷，所述勢壘形成在所述P型外延層中，所述P型外延 層形成在由所述光電二極管限定的耗盡區(qū)下方。
13. 權(quán)利要求1的圖像傳感器，其中所述勢壘通過高能離子注入來 摻雜摻雜劑。
14. 權(quán)利要求ll的圖像傳感器，其中所述勢壘通過在所述P型外 延層的外延生長期間離子注入或擴(kuò)散來摻雜摻雜劑。
全文摘要
本發(fā)明提供一種圖像傳感器，其包含第一傳導(dǎo)型的襯底。第一和第二像素排列在該襯底上。勢壘形成在對應(yīng)于該第一像素的襯底區(qū)域中而不形成在對應(yīng)于第二像素的襯底區(qū)域中。第二像素對具有一定波長的顏色響應(yīng)，所述波長長于第一像素所響應(yīng)的顏色的波長。該勢壘通過高能離子注入摻雜劑或通過P型外延層的外延生長期間離子注入或擴(kuò)散來摻雜摻雜劑。
文檔編號H01L27/146GK101162724SQ20071012304
公開日2008年4月16日 申請日期2007年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月13日
發(fā)明者雅羅斯拉夫·希內(nèi)切克 申請人:美格納半導(dǎo)體有限會社