前側(cè)圖像傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本公開涉及在CMOS技術(shù)中制造的所謂的“前側(cè)”圖像傳感器陣列。
【背景技術(shù)】
[0002]圖1是前側(cè)CMOS圖像傳感器的像素的剖視圖。在該附圖和下文中，示出了不同像素元件具有選擇用于使得附圖可理解并且并未按照比例繪制的尺寸。P型導(dǎo)電區(qū)域的摻雜水平采用灰色陰影示出，灰色陰影在摻雜水平高時更深。
[0003]圖像傳感器形成在有源層10中，通常為P型導(dǎo)電類型，具有標(biāo)為P-的摻雜水平。層10形成在通常為P型導(dǎo)電類型的襯底12上。層10可以具有在3和6微米之間的厚度，而襯底可以具有780微米的厚度。
[0004]靠近層10上表面的、N型導(dǎo)電類型的埋設(shè)層14與層10形成了光電二極管。如所示，層10在區(qū)域14之上的部分可以具有比層10更高的摻雜水平以提供對頂界面的鈍化。層10的上表面承載了用于控制像素的各種元件，尤其是傳輸門TG。這些元件和其他金屬跡線嵌入在鈍化層16中。
[0005]像素可以由溝槽隔離體18與其相鄰像素橫向隔離，溝槽隔離體18通常包括半導(dǎo)體氧化物，其貫穿有源層10的整個厚度延伸。備選地，可以通過相對于層10的過摻雜(P型)而實現(xiàn)像素之間的絕緣，但是該絕緣已知從電學(xué)和光學(xué)觀點看均不太有效。溝槽隔離體18之間的間距限定了像素的尺寸。
[0006]在顏色傳感器的情形中，彩色濾光器19與像素一致形成在層16上。濾光器19通常承載了單個準(zhǔn)直透鏡20。
[0007]在工作中，在集成階段期間，在有源層、也即光電二極管的區(qū)域10中所吸收的光子產(chǎn)生了存儲在光電二極管區(qū)域14中的電子。在集成階段結(jié)束時，存儲的電荷正比于在整個集成階段的歷時期間由光電二極管接收的光量。在集成階段之后，存儲的電荷通過傳輸門TG傳輸至控制元件。
[0008]該像素結(jié)構(gòu)的循環(huán)問題是不存在光時在光電二極管中載流子的產(chǎn)生，引起了所謂的暗電流。暗電流對于所有像素、或者在相同像素的兩個集成階段之間并不相同。該現(xiàn)象在所捕獲的圖像中產(chǎn)生了可視的噪聲，這在低光照條件下特別顯著。
[0009]暗電流的起源并非已知。識別的來源是在半導(dǎo)體以及有源層區(qū)域10和圍繞其的絕緣材料之間的各種界面中存在缺陷或雜質(zhì)。半導(dǎo)體材料和絕緣材料結(jié)構(gòu)上并不相等，導(dǎo)致在界面處的“結(jié)構(gòu)”缺陷。所有這些缺陷均是電活性的。
[0010]界面缺陷可以通過退化硅-絕緣體界面的半導(dǎo)體一側(cè)而中和。該退化可以通過過摻雜半導(dǎo)體側(cè)面而產(chǎn)生，以使其具有與金屬相同的特性，其中自然地平衡了產(chǎn)生-復(fù)合現(xiàn)象。難以實現(xiàn)完美的退化，由此仍存在缺陷，但是數(shù)量較小。
[0011]在P型有源區(qū)域10的情形中，由界面缺陷產(chǎn)生的電子擴(kuò)散至存儲區(qū)域，也即區(qū)域14。這些電子參與構(gòu)成了光電二極管的暗電流。為了限制該現(xiàn)象，中和了可以存在不良表面態(tài)的界面，諸如溝槽隔離體18與層10之間的界面。如所示，具有比有源層10更高摻雜水平的P型層可以為溝槽隔離體18加襯。摻雜水平可以與襯底相同均為P+。因此，所產(chǎn)生的可以擴(kuò)散至區(qū)域14的電子數(shù)目較少。
[0012]盡管采取了這些措施，在前側(cè)圖像傳感器中仍然存在暗電流。
【實用新型內(nèi)容】
[0013]本公開的目的是提供一種前側(cè)圖像傳感器，以至少部分解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題。
[0014]在實施例中，前側(cè)圖像傳感器包括在半導(dǎo)體材料中的襯底;在半導(dǎo)體材料中的有源層;形成在有源層中的光電二極管的陣列；以及在襯底與有源層之間的絕緣層。
[0015]絕緣層可以是具有被選擇為在可見范圍內(nèi)反射光子的厚度的氧化硅層。
[0016]傳感器可以進(jìn)一步包括在絕緣層和有源層之間的與有源層相同導(dǎo)電類型的中間層，具有比有源層更高的摻雜水平。
[0017]在工作中，襯底可以偏置在比有源層更低的電壓處。
[0018]襯底和絕緣層可以是SOI襯底的整體部分。
[0019]傳感器可以進(jìn)一步包括在有源層上的鈍化層；在鈍化層上的彩色濾光器的陣列；以及在濾光器陣列上的準(zhǔn)直透鏡的陣列。
[0020]—種制造前側(cè)圖像傳感器的方法可以包括以下步驟:在SOI襯底上形成有源層;在有源層中形成光電二極管；以及在有源層上形成彩色濾光器和準(zhǔn)直透鏡的陣列。
[0021]方法可以進(jìn)一步包括步驟，在絕緣層上形成中間層，具有與有源層相同的導(dǎo)電類型并且具有比有源層更高的摻雜水平。
[0022]在本公開的實施方式中，使用的絕緣層大大減小了襯底對暗電流的影響。
【附圖說明】
[0023]從僅為了示例目的提供并且呈現(xiàn)在附圖中的對特定實施例的以下描述說明將使得各個實施例的其他潛在優(yōu)點和特征變得更加明確，其中:
[0024]圖1如前所述是前側(cè)CMOS圖像傳感器的像素的示意性剖視圖；
[0025]圖2是根據(jù)本實用新型的減小的暗電流像素的實施例的剖視圖；以及
[0026]圖3是根據(jù)本實用新型的低暗電流像素的另一實施例的剖視圖。
【具體實施方式】
[0027]本發(fā)明人已經(jīng)研究了如下假設(shè)，有助于在前側(cè)圖像傳感器中形成暗電流的電子來源也可以是襯底。
[0028]的確，盡管襯底是P摻雜的，也即多數(shù)載流子是正性的，根據(jù)關(guān)系NpNn= ni2，電子總是保留，其中Np和Nn分別是正性載流子和負(fù)性載流子的數(shù)目，并且ni是在給定溫度下半導(dǎo)體材料的本征濃度。這些負(fù)性載流子或電子在某些條件下可以從襯底迀移至有源層，即使有源層的P摻雜水平低于襯底。
[0029]根據(jù)該假設(shè)，可以通過將有源層與襯底電隔離而消除襯底對暗電流的貢獻(xiàn)。
[0030]襯底和有源區(qū)域之間的絕緣可以通過在絕緣體上硅(SOI)襯底上形成圖像傳感器而實施。
[0031]圖2示出了得到的圖像傳感器的像素。該像素可以在除了襯底是SOI襯底之外的所有方面等同于圖1，SOI襯底包括由氧化硅層22-2覆蓋的在P型硅中的體區(qū)域22-1。
[0032]氧化物層22-2可以具有在10和200nm之間的厚度。通過將厚度范圍約束至100—200nm，該層隨后用作對具有在可見光譜附近的波長的光子的反射鏡。因此反射至有源層的入射光子有助于對光電二極管充電。這導(dǎo)致了像素靈敏度的增大。
[0033]圖3示出了圖2的像素的備選實施例。層22-2用作電容器的電介質(zhì)。襯底22-1被偏置在比通常接地的有源區(qū)域10的電壓低的電壓Vl處。則所施加的電壓Vl是負(fù)性的。在該情形中，有源區(qū)域10和氧化物之間的界面通過在來自有源區(qū)域10的多數(shù)載流子的界面處的累積而響應(yīng)于電壓VI。由在有源區(qū)域10和氧化物之間界面處的正電荷累積而誘導(dǎo)產(chǎn)生的電壓將在下文中標(biāo)為V2，并且電容器兩端的電壓差因此為V2—VI。
[0034]施加的電壓Vl可以取決于層22-2的厚度，因此實際上取決于電容器的數(shù)值。通常，差分V2 — Vl對于20nm的厚度可以范圍在0.2和0.4伏之間，并且對于150nm厚度可以范圍在1.5和3伏之間。
[0035]圖2的層24以及圖3的電容器配置可以是可選的。這些元件可以用于改進(jìn)單獨通過絕緣層22-2而并未施加偏置電壓Vl所獲得的結(jié)果。發(fā)明人已經(jīng)觀察到，不采用這些選項而使用的絕緣層22-2已經(jīng)大大減小了襯底對暗電流的影響。
[0036]可以在以上詳述說明書的教導(dǎo)下對實施例做出這些和其他改變。通常，在以下權(quán)利要求中，所使用的術(shù)語不應(yīng)構(gòu)造為將權(quán)利要求限定于說明書和權(quán)利要求中所公開的具體實施例，而是應(yīng)該構(gòu)造為包括所有可能實施例以及權(quán)利要求等價形式的全部范圍。因此，權(quán)利要求并未由本公開所限定。
【主權(quán)項】
1.一種前側(cè)圖像傳感器，其特征在于，包括: 襯底，在半導(dǎo)體材料中； 有源層，在半導(dǎo)體材料中； 光電二極管的陣列，形成在所述有源層中；以及 絕緣層，在所述襯底和所述有源層之間。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述絕緣層是具有被選擇為在可見范圍內(nèi)反射光子的厚度的氧化硅層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，進(jìn)一步包括，在所述絕緣層和所述有源層之間的、與所述有源層具有相同導(dǎo)電類型的中間層，所述中間層具有比所述有源層更高的慘雜水平。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，在工作中，所述襯底被偏置在低于所述有源層電壓的電壓處。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述襯底和所述絕緣層是SOI襯底的整體部分。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，包括: 鈍化層，在所述有源層上； 彩色濾光器的陣列，在所述鈍化層上；以及 準(zhǔn)直透鏡的陣列，在所述濾光器陣列上。
【專利摘要】本實用新型涉及一種前側(cè)圖像傳感器，包括在半導(dǎo)體材料中的襯底(22-1)；在半導(dǎo)體材料中的有源層(10)；形成在有源層中的光電二極管(14，18)的陣列；以及在襯底(22-1)和有源層(10)之間的絕緣層(22-2)。
【IPC分類】H01L27/146
【公開號】CN205248275
【申請?zhí)枴緾N201520728928
【發(fā)明人】D·迪塔特
【申請人】意法半導(dǎo)體有限公司
【公開日】2016年5月18日
【申請日】2015年9月18日
【公告號】CN105552092A, US20160118431