專利名稱：圖像傳感器的空穴型超深光二極管及其工藝方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種互補式金屬氧化物半導體(CM0Q圖像傳感器，特別是涉及一種應用于汽車的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管。
背景技術：
互補式金屬氧化物半導體(CM0Q圖像傳感器普遍應用于移動電話的相機、網絡攝影機、監(jiān)視攝影機、玩具或醫(yī)療設備。CMOS圖像傳感器還可應用于嚴厲的環(huán)境，例如汽車應用，由于其嚴厲的操作環(huán)境，因此對于圖像傳感器是非常苛求的。為了應用于汽車，必須解決CMOS圖像傳感器的一些問題。
第一，為了讓汽車于夜間能夠獲得更多細節(jié)信息以進行判定，圖像傳感器必須具有較高的靈敏度或信號噪聲比(SNI )。
第二，由于汽車的操作溫度會高于一般應用，例如移動電話的相機，因此需要較低的暗電流，用以維持高動態(tài)范圍，降低暗信號非均勻性(dark signal non-uniformity, DSNU)及降低暗信號脈沖噪聲(shot noise)。
第三，由于夜間的路面場景屬于高動態(tài)范圍型式，因此CMOS圖像傳感器于超亮區(qū)域需要良好的外溢(blooming)控制，以防止其周圍較暗區(qū)域受到超亮區(qū)域的外溢電荷而沖淡。對于傳統(tǒng)一些高動態(tài)范圍機制，由于其光二極管的累加(integration)時間不同，因此較長累加的光二極管會破壞較短累加的光二極管的信息。
第四，由于汽車尾燈及交通標志具有較強的紅光成分，因此紅光信息對于汽車應用是很重要的。再者，為了作出更佳的判定，圖像傳感器需要收集可見光譜之外的紅外光及近紅外光信息。
傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的每一像素以電子來表示信號，且像素中的晶體管皆為N型金屬氧化物半導體(NMOQ晶體管。于像素中，光子所產生的空穴及電子分別儲存于光二極管的P側及N側。于曝光后，NMOS傳輸門僅傳送電子至N型浮動擴散(floating diffusion, FD)節(jié)點，再由FD結電容將電子轉換為電壓信號。該電壓信號接著由后續(xù)電路傳遞至像素的輸出。
為了改善上述的暗電流及外溢問題，因而揭露如圖1所示的空穴型光二極管， 可參考 Eric Stevens 等人所發(fā)表的 “Low-Crosstalk and Low-Dark-Current CMOS Image-Sensor technology Using a Hole-Based Detector，，，2008年 IEEE International Solid-State Circuits Conference，60-610
圖1所示的空穴型光二極管較傳統(tǒng)電子型CMOS圖像傳感器更能抑制暗電流。其中，P型基底10可作為外溢空穴的排放區(qū)，以轉移出基底(bulk)暗電流。此外，藉由Si/ Si02接口處的摻雜物(dopant)聚集，例如淺溝槽隔離區(qū)(STI) 12與N+井14之間，暗電流可大幅降低，此異于電子型CMOS圖像傳感器會于該處產生摻雜物分離。另外，由于空穴的遷移率(mobility)小于電子，因此在相同電場及電荷分布狀況下，空穴型CMOS圖像傳感器的漂流(drift)電流及擴散電流遠小于電子型CMOS圖像傳感器。再者，由于接地的P型基底10提供低電位以排放空穴型光二極管所外溢空穴，因而可提供良好外溢控制，亟適用于汽車應用。
然而，由于N型摻雜物重于P型摻雜物，使得空穴型CMOS圖像傳感器的P型光二極管16的深度受限于N型井18的注入深度。例如，N型磷的原子量為30. 97或砷為74. 92， 而P型硼的原子量為10. 81。因此，淺P型光二極管16無法吸收足夠電子-空穴對以涵蓋紅光/近紅外光的吸收區(qū)域。另一方面，對于給定深度的P型光二極管16，N型井18的深度將受限于干擾(crosstalk)及外溢控制。如果太深，則擴散電荷會進入鄰近像素，而無法被P型光二極管16所吸收。
因此，亟需提出一種新穎的CMOS圖像傳感器，以改進圖1所示結構的紅光/近紅外光反應并維持其外溢及干擾控制。發(fā)明內容
鑒于上述，本發(fā)明實施例的目的之一在于提出一種互補式金屬氧化物半導體 (CMOS)圖像傳感器的空穴型超深光二極管的結構及工藝，其具有改良的紅光/近紅外光反應、降低的干擾、外溢及較小的暗電流。
根據本發(fā)明實施例，CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管包含P型基底、N型外延層及超深P型光二極管注入區(qū)域。P型基底接地或連接至負電源。N型外延層生長于 P型基底上，且連接至正電源。超深P型光二極管注入區(qū)域形成于N型外延層內。


圖1顯示傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的空穴型光二極管的剖面圖2顯示電子型深光二極管；
圖3顯示本發(fā)明實施例的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管的剖面圖4A至圖4C顯示本發(fā)明實施例的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管的工藝。
具體實施方式
為了增強紅光/近紅外光的較長波長反應并降低擴散干擾，圖2提出的電子型光二極管具有深N型光二極管20，其可吸收電子-空穴對以涵蓋紅光/近紅外光吸收區(qū)域并吸收更多信號。此外，可大量降低位于深N型光二極管20底下的P型外延層22的擴散電荷，因此，即可降低進入鄰近像素的擴散電荷。于圖1中，因外溢排出所降低的干擾卻會造成不良的紅光/近紅外光反應。然而，圖2則沒有圖1的外溢排出情形。
為了兼顧圖1及圖2的優(yōu)點，圖3顯示本發(fā)明實施例的互補式金屬氧化物半導體 (CMOS)圖像傳感器的空穴型超深光二極管的剖面圖。附圖僅顯示出主要組成元件，較詳細結構請參閱圖4C。在本實施例中，“深”或“超深(ultra-de印)”指大于0. 5微米，例如0. 5-2 微米，在一優(yōu)選實施例中則指大于2微米。所揭露的光二極管可適用于嚴厲環(huán)境，例如汽車應用，但不以此為限。如圖1所述，空穴型光二極管可達較低暗電流，因此本實施例的光二極管可符合汽車應用的嚴苛溫度要求。
在本實施例中，如同圖1，P型基底30接地或連接至負電源。P型基底30用以排出外溢空穴，此有利于夜間的高動態(tài)范圍場景。于一般操作下，P型基底30可降低紅光/ 近紅外光信號的干擾。關于外溢控制的進一步細節(jié)可參考^suo Ishihara等人所發(fā)表的 “Interline CCD Image Sensor with an Antiblooming Structure，，， IEEE Transactions on Electron Devices，Vol. ED-31，No. 1，1984 年 1 月；或 G. Agranov 等人所發(fā)表的"Super Small, Sub 2 μ m Pixels For Novel CMOS Image Sensors，，，International Image Sensor Workshop, 2007 年 6 月 7-10 日，Ogunquit, Maine USA。
N型外延層31形成于P型基底30上，且連接至正電源AVDD。深P型光二極管32 注入區(qū)形成于N型外延層31內。由于本實施例使用N型外延層31而非如圖1的N型井， 因此不會受到較重N型摻雜物的注入深度限制。由于P型摻雜物較輕，因此，相較于傳統(tǒng)電子型光二極管，本實施例的深P型光二極管32注入區(qū)可較深，因而能改善信號噪聲比及紅光/近紅外光反應。
于N型外延層31內形成隔離區(qū)，例如淺溝槽隔離區(qū)(STI) 33。于淺溝槽隔離區(qū)33 的側邊及底部形成N+晶胞(cell)隔離層34。相較于圖2的P型隔離層M，由于N型摻雜物較重，本實施例的N型隔離層34的熱擴散可大大降低。因此，可小型化隔離層，并留更多空間給光二極管32。藉此，可改善信號吸收及干擾問題。
傳輸門35形成于N型外延層31上，并位于深P型光二極管32注入區(qū)與P型浮動擴散(P+FD)36注入區(qū)之間。
圖4A至圖4C顯示本發(fā)明實施例的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管的工藝。與圖3相同的組成元件標示以相同元件符號。各步驟可使用傳統(tǒng)半導體工藝技術，其細節(jié)予以省略。
于圖4A中，提供P型基底(或簡稱基底)30，再于其上生長N型外延層(或簡稱為外延層)31。在本實施例中，外延層31的厚度為6微米或大于6微米，但不以此為限。
接著，仍參閱圖4A，執(zhí)行多次深P型光二極管注入，以形成深P型光二極管(或簡稱為光二極管)32注入區(qū)。該注入執(zhí)行于屏蔽(未顯示于圖式)所定義的區(qū)域內。每一次注入可使用不同能量以達到所需輪廓。此外，于每次注入后，可使用熱處理使其輪廓平滑。 其輪廓也可根據后續(xù)工藝步驟的熱處理而決定。接著，形成淺溝槽隔離區(qū)33于外延層31 內。
于圖4B中，于淺溝槽隔離區(qū)33的側邊及底部注入晶胞隔離層(或晶胞N型井)34， 且于晶胞隔離層34下注入深隔離層(或深N型井)37。此外，于外延層31上表層區(qū)域注入 N型溝道38注入區(qū)域，其位于深光二極管32注入區(qū)上方。上述晶胞隔離層34、深隔離層37 及溝道38注入區(qū)域可依據適當的順序來執(zhí)行。接著，形成傳輸門35于外延層31上。
于圖4C中，于外延層31上表層區(qū)域注入梢(pinning) 39注入區(qū)域。在本實施例中，N型梢39注入區(qū)域位于溝道38注入區(qū)域內。于溝道38注入區(qū)域與深光二極管32注入區(qū)之間注入P型表面光二極管40注入區(qū)域，作為主要空穴型光二極管。在本實施例中， 梢39注入區(qū)域與溝道38注入區(qū)域主要用以抑制暗電流并最佳化傳輸門35。梢39注入區(qū)域與表面光二極管40注入區(qū)域可依據適當的順序來執(zhí)行。接著，注入P+浮動擴散36注入區(qū)域。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并非用以限定本發(fā)明的權利范圍；凡其它未脫離發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在下述的權利要求范圍內。
權利要求
1.一種互補式金屬氧化物半導體(CM0Q圖像傳感器的空穴型超深光二極管，包含 P型基底，接地或連接至負電源；N型外延層，生長于所述P型基底上，所述N型外延層連接至正電源；及超深P型光二極管注入區(qū)域，形成于所述N型外延層內。
2.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管，其中所述超深P型光二極管注入區(qū)域的厚度大于0. 5微米。
3.如權利要求2所述的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管，其中所述超深P型光二極管注入區(qū)域的厚度為0. 5-2微米。
4.如權利要求2所述的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管，其中所述超深P型光二極管注入區(qū)域的厚度大于2微米。
5.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管，還包含 隔離區(qū)，形成于所述N型外延層內。
6.如權利要求5所述的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管，其中所述隔離區(qū)為淺溝槽隔離區(qū)。
7.如權利要求5所述的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管，還包含 N型晶胞隔離層，形成于所述隔離區(qū)的側邊及底部。
8.—種互補式金屬氧化物半導體(CM0Q圖像傳感器的空穴型超深光二極管的工藝方法，包含提供P型基底；生長N型外延層于所述P型基底上；及形成超深P型光二極管注入區(qū)域于所述N型外延層內。
9.如權利要求8所述的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管的工藝方法，其中所述超深P型光二極管注入區(qū)域的形成包含使用不同能量以執(zhí)行多次注入。
10.如權利要求9所述的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管的工藝方法，還包含于每一次所述注入后或者藉由后續(xù)工藝步驟施以熱處理。
11.如權利要求8所述的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管的工藝方法，還包含形成隔離區(qū)于所述N型外延層內。
12.如權利要求11所述的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管的工藝方法，還包含形成N型晶胞隔離層于所述隔離區(qū)的側邊及底部；及注入N型深隔離層于所述晶胞隔離層下。
13.如權利要求8所述的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管的工藝方法，還包含注入溝道注入區(qū)域于所述N型外延層的上表層區(qū)域，其中所述溝道注入區(qū)域位于所述超深P型光二極管注入區(qū)域上方。
14.如權利要求13所述的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管的工藝方法，還包含注入N型梢注入區(qū)域于所述N型外延層的上表層區(qū)域；及注入P型表面光二極管注入區(qū)域于所述N型外延層內，作為一主要空穴型光二極管的電荷儲存，其中所述表面光二極管注入區(qū)域位于所述溝道注入區(qū)域與所述超深P型光二極管注入區(qū)域之間。
15.如權利要求8所述的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管的工藝方法，還包含形成傳輸門于所述N型外延層上；及形成P型浮動擴散注入區(qū)域于所述N型外延層內，其中所述傳輸門位于所述超深P型光二極管注入區(qū)域與所述P型浮動擴散注入區(qū)域之間。
16.如權利要求8所述的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管的工藝方法，其中所述超深P型光二極管注入區(qū)域的厚度大于0. 5微米。
17.如權利要求16所述的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管的工藝方法，其中所述超深P型光二極管注入區(qū)域的厚度為0. 5-2微米。
18.如權利要求16所述的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極管的工藝方法，其中所述超深P型光二極管注入區(qū)域的厚度大于2微米。
全文摘要
一種互補式金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器的空穴型超深光二極管及其工藝方法。P型基底接地或連接至負電源。N型外延層生長于P型基底上，且連接至正電源。超深P型光二極管注入區(qū)域形成于N型外延層內。使用加熱處理以得到平滑且深的摻雜輪廓。
文檔編號H01L31/18GK102544031SQ20101062151
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月28日 優(yōu)先權日2010年12月28日
發(fā)明者吳揚, 郁飛霞 申請人:英屬開曼群島商恒景科技股份有限公司