專利名稱：用于cmos圖像傳感器的無損雜質(zhì)摻雜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及圖像傳感器，并具體但非排它地涉及具有改良的背面表面摻雜的背照式(“BSI”)圖像傳感器。
現(xiàn)有技術(shù)圖像傳感器已變得普遍存在。它們被廣泛用于數(shù)字靜態(tài)相機、蜂窩電話、安保相機、醫(yī)學(xué)、汽車及其它應(yīng)用中。用以制造圖像傳感器且特定是CMOS圖像傳感器(“CIS”)的技術(shù)已持續(xù)大步前進。舉例而言，對較高分辨率及較低功率消耗的需求已助長了圖像傳感器的進一步小型化及集成化。因此，圖像傳感器的像素陣列中的像素的數(shù)目已增加，而每一像素單元的大小已減小。通常，圖像傳感器的每一像素包括諸如光電二極管的感光元件，以及用于從感光元件讀出信號的一個或多個晶體管。隨著像素單元大小的減小，晶體管大小亦可能減小。傳送晶體管通常用在具有四晶體管設(shè)計的像素中。傳送晶體管將感光元件與像素的其余部分分離。傳送晶體管被形成于感光元件與浮動節(jié)點之間，且希望按比例縮小傳送晶體管以具有短柵極長度，為了獲得更大的集成度以及增強的像素填充因數(shù)。在大多數(shù)圖像傳感器中，每一像素的構(gòu)成元件被形成于被視為硅基板的前表面的表面上或其附近，并且將由像素捕獲的光入射于該前表面上。代替捕獲入射于基板的正面上的光，或除了捕獲入射于基板的正面上的光之外，被稱作背照式(BSI)圖像傳感器的一些圖像傳感器可捕獲入射于基板的后表面上的光。在BSI圖像傳感器中，背面照明使大部分的光子吸收發(fā)生在背面硅表面附近。為了分離由光子吸收而產(chǎn)生的電子-空穴對并將電子驅(qū)動朝向感光區(qū)，在硅后表面附近的電場是有幫助的。此電場可通過對硅的該后表面進行摻雜而產(chǎn)生。經(jīng)摻雜的后表面的質(zhì)量在圖像傳感器性能方面起到重要的作用。經(jīng)摻雜的后表面區(qū)中的晶體缺陷及非活性摻雜劑可通過俘獲電子并且不允許電子到達感光區(qū)(此可導(dǎo)致“熱像素”缺陷)而使量子效率降級。CMOS圖像傳感器中的晶體缺陷的主要來源之一是常規(guī)離子注入過程的結(jié)果，常規(guī)離子注入過程涉及摻雜劑注入并且之后進行熱退火以使所注入的摻雜劑活性化。熱激光退火是被用以在離子注入之后減少晶體缺陷出現(xiàn)的一種方法，但激光退火造成局部加熱，這可使BSI CIS的基板溫度顯著增加，因為在這些類型的圖像傳感器中，其中主要形成像素的外延(epi)層是薄的(例如，<4μπι厚)。基板溫度的增加可導(dǎo)致不期望的摻雜劑擴散和 /或金屬劣化/熔化?？赏ㄟ^使用更厚的最終外延層來減少不期望區(qū)域的過度加熱的可能性，較厚的最終外延層可通過在基板薄化過程期間移除較少外延層而產(chǎn)生。然而，增加外延層的厚度導(dǎo)致圖像傳感器中的相鄰像素之間的電串?dāng)_的增加。除了致使基板溫度增加之外，激光退火也可能會無法使所有背面摻雜劑活性化， 這能導(dǎo)致非活性摻雜劑缺陷。與使用離子注入及激光熱退火的當(dāng)前制造過程相關(guān)聯(lián)的這些問題可在結(jié)果圖像傳感器中引起不受歡迎的問題，諸如高的暗電流以及高的白像素計數(shù)。


參看以下附圖描述本發(fā)明的非限制性及非窮盡性實施例，其中，除非另有指明，否則在各個視圖通篇中相同參考數(shù)字指代相同部分。圖1是具有背面摻雜劑層的背照式圖像傳感器的一實施例的橫截面圖。圖2是示出用于制造背照式圖像傳感器的過程的一實施例的流程圖。圖3A是制造到正面互連完成之前的背照式圖像傳感器的部分制造實施例的橫截面圖。圖;3B是制造到摻雜劑區(qū)及多晶硅罩蓋膜的沉積之前的背照式圖像傳感器的部分制造實施例的橫截面圖。圖3C是制造到背面摻雜層完成之前的背照式圖像傳感器的部分制造實施例的橫截面圖。圖3D是背照式像素的制造完成的實施例的橫截面圖。圖4是示出背照式圖像傳感器的實施例的方框圖。圖5是示出背照式成像陣列的實施例內(nèi)的兩個四晶體管(“4T”)像素的像素電路的電路圖。
具體實施例方式本文中描述了用于產(chǎn)生背照式(“BSI”)圖像傳感器的無損雜質(zhì)摻雜的方法的實施例。在以下描述中，描述多種特定細節(jié)以提供對本發(fā)明的實施例的詳盡理解，但本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員將認識到，可在不需要一個或多個特定細節(jié)下、或藉由其它方法、組件、材料等來實踐本發(fā)明。在其它例子中，已知的結(jié)構(gòu)、材料或操作不進行詳細展示或描述但仍被涵蓋于本發(fā)明的范疇內(nèi)。遍及本說明書的對“一個實施例”或“實施例”的引用表示與該實施例相關(guān)聯(lián)描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括于本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，遍及本說明書各處的詞組“在一實施例中”的出現(xiàn)未必均指相同實施例。此外，可在一個或多個實施例中以任何合適方式組合特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。使用諸如“頂部”、“底部”、“在...下面”的方向性術(shù)語來參考經(jīng)描述的附圖的方向，但其不應(yīng)被理解為對實施例的定向的任何形式的限制。圖1是具有背面摻雜劑的背照式(BSI)圖像傳感器的圖像像素100的實施例的橫截面圖。圖像像素100的所示實施例是在圖像傳感器的像素陣列內(nèi)的像素的一個可能實施。圖像像素100的所示實施例包括p型外延層110、p型釘扎層117、n型感光區(qū)115、傳送晶體管120，以及形成于外延層110的正面上的淺溝槽隔離(“STI”)及η+源極/漏極擴散區(qū)130。N+源極/漏極擴散區(qū)130形成于ρ井140內(nèi)。當(dāng)然，在其它實施例中，像素100 的元件的傳導(dǎo)類型可倒轉(zhuǎn)。舉例而言，在替代實施例中，區(qū)115、130可以是P型摻雜，而區(qū) 110、140及116可以是N型摻雜。層間介電質(zhì)IM將外延層110的正面表面與金屬堆棧150分離。盡管圖1示出了兩層金屬堆棧，但金屬堆棧150可包括更多或更少的金屬層以用于將電信號在像素陣列的正面上導(dǎo)引。背面P+摻雜層116形成于厚度L的外延層110的背面上。可選的抗反射 (“AR”)層160可形成于背面ρ+摻雜層116的背面上。彩色濾光片165可形成于AR層 160的背面上，且可具有拜耳(Bayer)圖案或包括紅外線濾光片，或這兩者的組合。在其它實施例中，彩色濾光片165可完全不存在。微透鏡170形成于圖像像素100的背面上，且將來自背面表面的光導(dǎo)向至η型感光區(qū)115。圖2是示出用于制造BSI圖像傳感器的圖像像素300(參見圖3Α至圖3D)的過程 200的實施例的流程圖。在過程200中出現(xiàn)的一些或全部的過程塊的次序不應(yīng)視為限制性的。相反，受益于本發(fā)明的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，一些過程塊可按照未示出的多種次序來執(zhí)行。在過程塊205中，圖像像素300的制造一直到生產(chǎn)線后道工序(“BE0L”)組件的制造之前都遵照常規(guī)技術(shù)，BEOL組件包括擴散注入物、硅化物、像素晶體管電路以及圖3A 所示的金屬堆棧350。圖3A也示出了形成于ρ+基板305上的外延層310。在過程塊207 中，處理晶圓(未示于圖3A至圖3D中)被接合至正面圖像傳感器晶圓。在過程塊210中， 圖像像素300被背面薄化以移除ρ+基板305且暴露ρ型外延層310的背面。在過程塊215中，使用等離子浸入離子注入(“PIII”)過程將純ρ型摻雜劑區(qū)390 形成在P型外延層310的背面中或背面上(參見圖:3Β)。如本文中所使用，關(guān)于摻雜劑區(qū)所使用的術(shù)語“純”不表示摻雜劑區(qū)必須由無雜質(zhì)的100%的所選摻雜劑所制成。作為替代， “純”表示摻雜劑區(qū)主要由所選摻雜劑素以組成但可含有任何量的一個或多個雜質(zhì)，只要雜質(zhì)不構(gòu)成以下量將干擾使用PIII過程的摻雜劑區(qū)390的形成的量、干擾背面摻雜層316 的后序形成的量、或干擾結(jié)果像素的操作的量。在PIII中，將P型外延層310的表面曝露于等離子，且施加高負電壓以在P型外延層310的表面與等離子之間形成電場。該電場對從等離子朝向P型外延層的表面的P型摻雜劑離子進行加速，由此注入這些離子。在一個實施例中，摻雜劑離子可以是硼，但在其它實施例中可使用其它類型的摻雜劑。使用此過程， 純P型摻雜劑區(qū)390被形成于ρ型外延層310的背面上。一般而言，摻雜劑區(qū)390具有與感光區(qū)315的極性相對的極性在所示的實施例中，純摻雜劑區(qū)390是ρ摻雜而感光區(qū)315 是η摻雜，但在感光區(qū)315是ρ摻雜的實施例中，純摻雜劑區(qū)390可以是η摻雜。在過程塊220中，與過程塊215中所使用的PIII過程相類似的PIII過程可被用于將罩蓋膜395沉積于純ρ型摻雜劑區(qū)390的背面上，如圖:3Β中所示的。在一個實施例中，罩蓋膜395可以是多晶硅，但在其它實施例中可以是另一種形式的硅或完全為另一種材料。 在過程塊225中，施加激光脈沖以熔化罩蓋膜395及ρ型外延層310的背面表面。當(dāng)ρ型外延層再結(jié)晶時，純摻雜劑區(qū)390變得被并入至外延層310中，導(dǎo)致背面ρ摻雜層316中的極高摻雜劑活性化，如圖3C中所示的。激光脈沖在幾納秒內(nèi)熔化純ρ型摻雜劑區(qū)390和罩蓋膜395，并且背面ρ型外延層310在約10納秒內(nèi)再結(jié)晶。當(dāng)與常規(guī)方法(與需要數(shù)分鐘以活性化注入離子的熱激光退火相組合的離子注入)相比較時，較短的激光退火時段可減少摻雜劑擴散的深度和/或緣于延長的基板溫度增加的金屬劣化/熔化?？赏ㄟ^控制純ρ型摻雜劑區(qū)390的厚度來控制背面ρ+摻雜層316的深度；在多種實施例中，背面P+摻雜層316可具有在約0. 1微米與約0.3微米之間的厚度。背面P+摻雜層316的摻雜劑濃度可由激光脈沖熔化的持續(xù)時間及功率來控制。在一個實施例中，激光脈沖可具有少于10納秒(ns)的持續(xù)時間，但在其它實施例中可具有不同的持續(xù)時間。類似地，在多種實施例中，摻雜層316可具有在IOw離子/立方厘米與IOki離子/立方厘米之間的摻雜劑濃度，但當(dāng)然在其它實施例中其它摻雜劑濃度是可能的。在熔化及再結(jié)晶之后， P型結(jié)點形成于外延層310的背面上。在激光脈沖熔化之后不需要移除任何膜或?qū)?。另外，使用此處理，可減少晶體缺陷及非活性摻雜劑的出現(xiàn)。在過程塊230中，圖像像素300的制造是使用添加抗反射(AR)層360、彩色濾光片365和微透鏡370來完成的，如圖3D中所示。注意，圖1及圖3A-3D僅示出了在像素陣列內(nèi)的單一像素的橫截面。因此，整個圖像傳感器的制造將包括彩色濾光片365陣列及微透鏡370陣列的制造，但AR層360可以是由多個重復(fù)器件共享的覆蓋層。應(yīng)注意，上文的描述假設(shè)圖像傳感器使用紅色、綠色及藍色感光元件的實施方式。受益于本發(fā)明的本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員將了解，本描述也可適用于其它基本或互補彩色濾光片。圖4是示出BSI成像系統(tǒng)400的實施例的方框圖。成像系統(tǒng)400的所示出實施例包括像素陣列405、讀出電路410、功能邏輯415及控制電路420。像素陣列405是背照式成像傳感器或像素(例如，像素Pl、P2...Pn)的二維 (“2D”)陣列。在一個實施例中，每一個像素都是互補型金屬氧化物半導(dǎo)體(“CMOS”)成像像素陣列中的至少一個像素可以是圖1及圖3D中所示的BSI像素實施例中的一個。如圖所示，陣列中的每一個像素都被配置成列(例如，列m至Ry)及行(例如，行Cl至Cx) 以獲取人物、地點或?qū)ο蟮膱D像數(shù)據(jù)，這些圖像數(shù)據(jù)接著可被用以呈現(xiàn)人物、地點或?qū)ο蟮?2D圖像。在每一個像素已獲取其圖像數(shù)據(jù)或圖像電荷后，圖像數(shù)據(jù)由讀出電路410讀出并被傳送至功能邏輯415。讀出電路410可包括放大電路、模擬至數(shù)字(“ADC”)轉(zhuǎn)換電路或其它電路。功能邏輯415可簡單地儲存圖像數(shù)據(jù)或甚至通過應(yīng)用后期圖像效果(例如，修剪、旋轉(zhuǎn)、去紅眼、調(diào)整亮度、調(diào)整對比度或其它操作)來操縱圖像數(shù)據(jù)。在一個實施例中， 讀出電路410可沿讀出行線一次讀出一行圖像數(shù)據(jù)(如圖示出)，或可使用多種其它技術(shù)來讀出圖像數(shù)據(jù)(未作說明)，諸如串行讀出或同時對所有像素的完全并行讀出?？刂齐娐?20耦接至像素陣列405以控制像素陣列405的操作特性。舉例而言， 控制電路420可產(chǎn)生用于控制圖像獲取的快門信號。在一個實施例中，快門信號是全局快門信號，用于使像素陣列405內(nèi)的所有像素能夠在單個信號獲取窗口期間同時捕獲各自的圖像數(shù)據(jù)。在一個替代實施例中，快門信號是卷動快門信號，其中在連續(xù)獲取窗期間順序地讀取每一列、行或組的像素。圖5是說明根據(jù)本發(fā)明的一實施例的在BSI成像陣列內(nèi)的兩個四晶體管(“4T”) 像素的像素電路500的實施例的電路圖。像素電路500是用于實現(xiàn)圖4的像素陣列405 內(nèi)的每一個像素的一種可能的像素電路架構(gòu)，但應(yīng)了解到，本發(fā)明的實施例并不限于4T像素架構(gòu)；相反，受益于本發(fā)明的本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員應(yīng)理解到，本教導(dǎo)也適用于3T設(shè)計、5T 設(shè)計及各種其它像素架構(gòu)。在圖5中，BSI像素1 及1 被配置為兩列及一行。每一個像素電路500的所示實施例包括光電二極管PD、傳送晶體管Tl、重設(shè)晶體管T2、源極跟隨器 (“SF”)晶體管T3，以及選擇晶體管T4。在操作期間，傳送晶體管Tl接收傳送信號TX，傳送信號TX將累積于光電二極管PD中的電荷傳送至浮動擴散節(jié)點FD。在一個實施例中，浮動擴散節(jié)點FD可耦接至用于臨時儲存圖像電荷的儲存電容器。重置晶體管T2耦接在電力軌VDD與浮動擴散節(jié)點FD之間，以在重置信號RST的控制下進行重置(例如，將FD放電或充電至預(yù)設(shè)電壓)。浮動擴散節(jié)點FD被耦接以控制SF晶體管T3的柵極。SF晶體管T3耦接在電力軌VDD與選擇晶體管T4之間。SF晶體管T3工作為提供從像素輸出的高阻抗的源極跟隨器。最后，選擇晶體管T4在選擇信號SEL的控制下選擇性地將像素電路500的輸出耦接至讀出行線。在一個實施例中，藉由控制電路420產(chǎn)生TX信號、RST信號及SEL信號。本發(fā)明的所示實施例的以上描述(包括在摘要中所描述的內(nèi)容)不意圖窮盡本發(fā)明、或?qū)⒈景l(fā)明限于所揭示的精確形式中。如本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員將認識到的，雖然在本文中出于說明性目的而描述本發(fā)明的特定實施例及示例，但在本發(fā)明的范疇內(nèi)各種修改都是可能的?？稍谝陨显敿毭枋龅慕虒?dǎo)下對本發(fā)明作出這些修改。在以下權(quán)利要求書中所使用的術(shù)語不應(yīng)被理解為將本發(fā)明限于本說明書中所揭示的特定實施例。相反，本發(fā)明的范疇將完全通過以下權(quán)利要求書來確定，以下權(quán)利要求書將根據(jù)權(quán)利要求解釋的既定準(zhǔn)則加以理解。
權(quán)利要求
1.一種制造背照式像素的方法，所述方法包括在基板的正面上或正面中形成像素的正面組件，所述正面組件包括具有第一極性的感光區(qū)；在所述基板的背面上形成具有第二極性的純摻雜劑區(qū)；將激光脈沖施加至所述基板的所述背面以熔化所述純摻雜劑區(qū)；以及使所述純摻雜劑區(qū)再結(jié)晶化以形成背面摻雜層。
2.如權(quán)利要求1的方法，進一步包含在所述純摻雜劑區(qū)的背面上沉積罩蓋膜。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中所述罩蓋膜為多晶硅。
4.如權(quán)利要求2的方法，其中所述激光脈沖熔化所述罩蓋膜。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中所述罩蓋膜在所述激光脈沖之后再結(jié)晶化。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中形成所述純摻雜劑區(qū)包括使用等離子浸入離子注入 (「PIII」)處理來沉積所述摻雜劑。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中所述基板是具有與所述感光區(qū)的極性相反的極性的外延基板。
8.如權(quán)利要求1的方法，其中所述摻雜層具有與所述基板相同的極性但有所不同的摻雜劑濃度。
9.如權(quán)利要求1的方法，其中所述激光脈沖具有小于約10納秒的持續(xù)時間。
10.一種像素，包括形成于基板的正面上的具有第一極性的感光區(qū)；以及形成于所述基板的背面中的背面摻雜層，所述摻雜層由形成于所述基板的背面上的經(jīng)熔化且再結(jié)晶化的背面純摻雜劑區(qū)所形成。
11.如權(quán)利要求10的像素，其中所述背面摻雜層進一步由形成于所述基板的背面上的經(jīng)熔化且再結(jié)晶化的罩蓋膜所形成。
12.如權(quán)利要求11的像素，其中所述罩蓋膜為多晶硅。
13.如權(quán)利要求10的像素，其中所述基板是具有與所述感光區(qū)的極性相反的極性的外延基板。
14.如權(quán)利要求10的像素，其中所述摻雜層具有與所述基板相同的極性但有所不同的摻雜劑濃度。
15.如權(quán)利要求10的像素，其中所述摻雜層具有在IO18離子/立方厘米與IO^1離子/ 立方厘米之間的摻雜劑濃度。
16.如權(quán)利要求10的像素，進一步包括形成于所述基板的背面上的抗反射涂層。
17.如權(quán)利要求16的像素，進一步包括形成于所述抗反射涂層上的彩色濾光片。
18.如權(quán)利要求17的像素，進一步包括形成于所述彩色濾光片上的微透鏡。
全文摘要
一種制造背照式像素的方法。該方法包括在基板的正面上或正面中形成像素的正面組件，正面組件包括具有第一極性的感光區(qū)。該方法進一步包括在該基板的背面上形成具有第二極性的純摻雜劑區(qū)、將激光脈沖施加至該基板的背面以熔化該純摻雜劑區(qū)，并且使該純摻雜劑區(qū)再結(jié)晶化以形成背面摻雜層。也揭示并主張了對應(yīng)的裝置實施例。
文檔編號H01L27/146GK102446943SQ20111030829
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月1日
發(fā)明者V·韋內(nèi)齊亞, 劉家穎, 戴幸志, 顧克強 申請人:美商豪威科技股份有限公司