專利名稱：背照式cmos圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于數(shù)字照相機及其它類型的圖像捕獲裝置的圖像傳感器，更具體涉及背照式圖像傳感器。背景電子圖像傳感器利用將入射光轉(zhuǎn)換成電信號的感光光電檢測器來捕獲圖像。圖像傳感器大體上可被分為前照式圖像傳感器或背照式圖像傳感器。根據(jù)先前技術(shù)，

圖1為前照式圖像傳感器的簡化圖示。圖像傳感器100包括被形成于傳感器層108和電路層110內(nèi)的像素102、104、106。光電檢測器112、114、116被形成于傳感器層108中。諸如柵極與連接器的導(dǎo)電互連部118、120、122被形成于電路層110中。不幸地，導(dǎo)電性互連部118、120、122及與電路層110相關(guān)的各種其它特征在光電檢測器112、114、116上方的定位不利地影響到圖像傳感器100的充填因子及量子效率。這是由于來自一主場景的光IM在其被光電檢測器112、114、116檢測到之前必須穿過電路層 110。背照式圖像傳感器藉由構(gòu)造該圖像傳感器使得該來自主場景的光入射在傳感器層的背側(cè)而解決充填因子及量子效率的問題。傳感器層108的該“前側(cè)” 1 被常規(guī)地稱為該傳感器層108與電路層110鄰接的面，而該“背側(cè)” 1 為傳感器層108與前側(cè)1 相反的面。根據(jù)先前技術(shù)，圖2為背照式圖像傳感器的簡化示圖。電路層110可被設(shè)置于支承襯底202與傳感器層108之間。此允許光IM照射在傳感器層108的背側(cè)128，在該處光 124被光電檢測器112、114、116檢測到。光電檢測器112、114、116對光的檢測不再受該金屬化水平互連及電路層110的其它特征的影響。然而，背照式圖像傳感器存在一組新的挑戰(zhàn)。在傳感器層108與絕緣層206之間的界面204可生產(chǎn)高水平的暗電流及量子效率損失，特別是在藍光光譜中。這是由于背側(cè) 128的經(jīng)蝕刻硅表面處懸掛鍵的存在。此外，在制造圖像傳感器200的過程中，用于鈍化界面204的常規(guī)的鈍化技術(shù)會受到后續(xù)處理步驟不利的影響。圖3描繪沿圖2的線A-A'的界面204的例示性的摻雜分布。常規(guī)的背照式圖像傳感器被構(gòu)造為η型金屬一氧化物一半導(dǎo)體(NMOQ圖像傳感器。由此，該η摻雜光電檢測器被形成于摻雜有一種或多種P型摻雜劑的阱或?qū)又小＞€300描繪在對圖像傳感器200執(zhí)行隨后的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CM0Q制造步驟之前在界面204處的硼摻雜劑(ρ型)的摻雜分布，同時線302示出在該隨后的CMOS制造步驟進行之后在界面204處的硼的摻雜分布。如圖3所示，在隨后的CMOS制造步驟中，該硼摻雜劑從傳感器層108擴散出并進入絕緣層206。此擴散在界面204的該傳感器層側(cè)的摻雜分布304中產(chǎn)生下降。該摻雜分布的下降會產(chǎn)生不希望有的靜電電位阱，該靜電電位阱在界面204處俘獲光感應(yīng)電荷載流子。用更慢擴散P型摻雜劑(比如銦)替代硼可降低處理過程中的該熱擴散，但是銦會增加該圖像傳感器中的暗場亮點缺陷的數(shù)量。相應(yīng)地，需要用于形成背照式圖像傳感器的改進處理技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
簡要地概述，依照本發(fā)明的一個方面，背照式圖像傳感器包括設(shè)置于絕緣層與電連接至該傳感器層的電路層之間的傳感器層。包括多個像素的成像區(qū)域在該傳感器層中形成，其中每一個像素具有摻雜有一種或多種P型摻雜劑的光電檢測器。在依照本發(fā)明的一個實施例中，摻雜有一種或多種η型摻雜劑的阱橫跨該成像區(qū)域，且設(shè)置在光電檢測器與該傳感器層的背面之間。在依照本發(fā)明的另一個實施例中，該阱為掩埋阱，且P型摻雜區(qū)域在該光電檢測器與該掩埋阱之間產(chǎn)生。摻雜有η型摻雜劑的一個或多個附加的側(cè)阱可毗鄰每一個光電檢測器橫向地形成。位于該阱或掩埋阱中的η型摻雜劑或多種η型摻雜劑具有偏析系數(shù)，其可使得該 η型摻雜劑積聚于該傳感器層的背側(cè)與該絕緣層之間的界面的該傳感器層側(cè)。該η型摻雜劑或多種η型摻雜劑的積聚使得該傳感器層與該絕緣層之間的界面鈍化，并防止靜電電位阱在該界面處形成。此外，該阱或掩埋阱可相對于接地被偏置預(yù)定電位的偏壓，用于驅(qū)動光生電荷進入該傳感器層中最近的各個光電檢測器。該阱或掩埋阱還可包含摻雜梯度，其將該光生電荷導(dǎo)入該傳感器層中的該最近的各個光電檢測器中。而最后，一個或多個有源電子組件可被設(shè)置于每一個像素內(nèi)的該傳感器層中，而被電連接至該成像區(qū)域的電子電路則被設(shè)置于該成像區(qū)域外。本發(fā)明的有利影響由于偏析，該阱或掩埋阱中的η型摻雜劑積聚于該傳感器層的背側(cè)與該絕緣層之間的界面的該傳感器層側(cè)，同時該界面的傳感器層側(cè)中的P型摻雜劑減少。于該界面處的 η型摻雜劑的增加的濃度及該ρ型摻雜劑的減少的濃度的結(jié)合可防止該界面的傳感器層側(cè)的電位阱的形成。該阱或掩埋阱的摻雜可發(fā)生在該淺槽隔離區(qū)的熱氧化之后。這樣可可使該阱或掩埋阱中的摻雜劑的熱擴散最少。此外，在該制造過程中，被俘獲于該傳感器層與該絕緣層之間的界面處的任一光生電荷在PMOS圖像傳感器中通常為正。正電荷導(dǎo)引該光生電荷朝向該光電檢測器，并順利地鈍化該界面。附圖簡述結(jié)合附圖并參照本發(fā)明的下列詳細說明，本發(fā)明的上述及其它的目的、特征及優(yōu)點將變成更加顯而易見，其中圖1為依照先前技術(shù)的前側(cè)照明圖像傳感器的簡化橫截面示意圖；圖2為依照先前技術(shù)的背照式圖像傳感器的簡化橫截面示意圖；圖3繪示沿圖2的線A-A'的界面204的示例性摻雜分布；圖4為依照本發(fā)明的實施例的圖像捕獲裝置的簡化框圖；圖5為在一依照本發(fā)明的實施例的圖4中所示的圖像傳感器406的簡化框圖；圖6(A)至6(C)為用于說明依照本發(fā)明的實施例中的制造圖像傳感器的的方法的圖像傳感器的一部分的簡化橫截面圖；圖7為在依照本發(fā)明的實施例中的圖像傳感器406的一部分沿圖5的線B-B'的橫截面圖；圖8為在依照本發(fā)明的實施例中的第一像素結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖9描繪在依照本發(fā)明的實施例中沿圖8的線C-C'的界面704的例示性的摻雜分布；
圖10為在依照本發(fā)明的實施例中沿圖8的線C-C'的界面704的替代例示性的摻雜分布的示意圖；圖11為在依照本發(fā)明的實施例中的該標(biāo)準(zhǔn)CMOS電路的一部分的橫截面圖；圖12為在依照本發(fā)明的實施例中的替代像素結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖13(A)至13(E)為像素的一部分的橫截面圖，其用于說明在依照本發(fā)明的實施例中制造圖12所示的光電檢測器616、掩埋阱1202以及側(cè)阱1204、1206的方法；圖14為像素的一部分的橫截面圖，其用于說明在依照本發(fā)明的實施例中圖6(C) 所示的制造過程點的像素；圖15(A)至15(B)是像素的部分的橫截面圖，其用于說明依照本發(fā)明的實施例中制造掩埋阱1202的第一替代方法，該方法可被執(zhí)行以代替圖13(B)所示的步驟；以及圖16(A)至16(B)是像素的部分的橫截面圖，其用于說明依照本發(fā)明的實施例中制造掩埋阱1202的第二替代方法，該方法可被執(zhí)行以代替圖13(B)所示的步驟。
具體實施例方式在說明書及權(quán)利要求書中，下列術(shù)語明確采用在本文中關(guān)聯(lián)的含義，除非該上下文清楚地做出不同規(guī)定?！耙?(a) ”、“一 (an) ”以及“該(the) ”的意思包含復(fù)數(shù)引用，“在…… 之中(in) ”的意思包含“在……之中(in) ”及“在……之上(on) ”。術(shù)語“連接(connected) ” 表示所連接的物品之間的直接電連接或通過一個或多個無源的或者有源的中間裝置的間接連接。術(shù)語“電路(circuit)”表示被連接在一起以提供理想功能的單個組件或多個組件 (有源或者無源)。術(shù)語“信號(signal)”表示至少一電流、電壓或數(shù)據(jù)信號。參照附圖，在視圖中相同的數(shù)字指示同樣的部件。此外，如“在……之上(on) ”、“在……上方(over) ”之類的術(shù)語，當(dāng)其結(jié)合圖像傳感器晶片或相應(yīng)的圖像傳感器的層使用時，其旨在廣泛地解釋，且因此將不會被解釋為排除一個或多個插入層或其它插入的圖像傳感器特征或組件的存在。由此，在本文中被描述為形成于另一個層上或形成于另一個層的上方的給定層可通過一個或多個附加層而與該后面的層分離?，F(xiàn)參照圖4，其顯示在依照本發(fā)明的實施例中的圖像捕獲裝置。在圖4中圖像捕獲裝置400被實現(xiàn)為數(shù)字照相機。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識到數(shù)字照相機僅為可利用一采用本發(fā)明的圖像傳感器的圖像捕獲裝置的示例。舉例說明，如手機照相機及數(shù)字視頻攝像機的其它類型的圖像捕獲裝置可連同本發(fā)明而被使用。在數(shù)字照相機400中，光402從一主場景被輸入至成像級404。成像級404可包含常規(guī)的組件，比如透鏡、中性密度濾光片、光圈及快門。光402藉由成像級404聚焦以在圖像傳感器406上形成圖像。圖像傳感器406通過將入射光轉(zhuǎn)換為電信號而捕獲一個或多個圖像。數(shù)字照相機400進一步包含處理器408、存儲器410、顯示器412，及一個或多個附加的輸入/輸出(1/0)元件414。雖然在圖4的實施例中被顯示為分離元件，但是成像級404 可與圖像傳感器406集成，也可能與數(shù)字照相機400的一個或多個附加組件集成，以形成袖珍相機模塊。舉例而言，處理器408可被實現(xiàn)為微處理器、中央處理器(CPU)、專用集成電路 (ASIC)、數(shù)字信號處理器(DSP)，或其它處理裝置，或多個此等裝置的結(jié)合。成像級404及圖像傳感器406的各種元件可由來自處理器408的定時信號或其它信號控制。存儲器410可被構(gòu)造為任一類型的存儲器，舉例而言，如，隨機存取存儲器(RAM)、 只讀存儲器(ROM)、閃存、基于盤的存儲器、可移動存儲器，或者以任意組合的其它類型的存儲元件。由圖像傳感器406捕獲的給定圖像可由處理器408儲存于存儲器410中并呈現(xiàn)在顯示器412上。顯示器412通常為有源矩陣彩色液晶顯示器(LCD)，雖然也可使用其它類型的顯示器。舉例而言，附加的I/O元件414可包括各種屏幕上的控件、按鈕或其它的用戶界面、網(wǎng)絡(luò)界面，或記憶卡界面。應(yīng)理解，圖4所示的數(shù)字照相機可包括本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知類型的附加或替代元件。在本文中未明確顯示或描述的元件可選自本領(lǐng)域已知的元件。如前所述，本發(fā)明可以多種圖像捕獲裝置來實現(xiàn)。同樣地，如上所述，本文中描述的實施例的某些方面可至少部分以圖像捕獲裝置的一個或多個處理元件所執(zhí)行的軟件的形式來實現(xiàn)。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解，給定本文所提供的示教，此軟件可以簡單明確的方式實現(xiàn)。圖5為在依照本發(fā)明的實施例中如圖4所示的圖像傳感器406的簡化框圖。圖像傳感器406通常包含像素500的陣列，其形成成像區(qū)域502。圖像傳感器406進一步包含列譯碼器504、行譯碼器506、數(shù)字邏輯508以及模擬或數(shù)字輸出電路510。在依照本發(fā)明的實施例中，圖像傳感器406被實現(xiàn)為背照式互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器。由此，列譯碼器504、行譯碼器506、數(shù)字邏輯508以及模擬或數(shù)字輸出電路510可被實現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)CMOS電子電路，這些標(biāo)準(zhǔn)CMOS電子電路電連接至成像區(qū)域502。與成像區(qū)域502的取樣及讀出及相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)的處理相關(guān)的功能可至少部分以儲存在存儲器410及由處理器408(見圖4)執(zhí)行的軟件的形式來實現(xiàn)。該取樣及讀出電路的部分可被配置在圖像傳感器406外部，或與光電檢測器和成像區(qū)域的其它元件一起與例如公共集成電路上的成像區(qū)域502集成。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識到其它的外圍電路構(gòu)造或結(jié)構(gòu)可在依照本發(fā)明的其它實施例中實現(xiàn)?，F(xiàn)在參照圖6 (A)至6 (C)，示出了圖像傳感器的一部分的簡化橫截面圖，用于說明依照本發(fā)明的實施例中的一種制造背照式圖像傳感器的方法。圖6示出在例示性的CMOS 制造過程的若干起始步驟完成時圖像傳感器晶片600的一部分。此階段的圖像傳感器晶片 600包括襯底602、形成于襯底602上方的絕緣層604、形成于絕緣層604上方的傳感器層 606以及形成于傳感器層606上方的電路層608。諸如導(dǎo)電性互連610、612、柵極614之類的各種圖像傳感器特征或其它電路元件可利用常規(guī)技術(shù)而被形成于電路層608內(nèi)。傳感器層606被處理以在傳感器層606內(nèi)形成光電檢測器616及其它電路元件。 傳感器層606具有正面618及背面620。如文中前述，傳感器層606的“正面”618通常稱為傳感器層606的鄰接于電路層608的面，同時“背面”620為傳感器層606的相對于正面 618的面。在依照本發(fā)明的實施例中，襯底602及傳感器層606通常由硅材料形成，絕緣層 604由二氧化硅材料形成，及電路層608由介電材料形成。電路層608中的互連610、612與柵極614與各種金屬化水平相關(guān)聯(lián)。描繪于圖6(A)中的圖像傳感器晶片600為絕緣體上硅(SOI)晶片的示例。在此晶片中，該傳感器層606的厚度約為1至50微米，及絕緣層604的厚度約為0. 1至3微米， 不過也可使用其它的厚度。襯底602通常顯著厚于傳感器層606或絕緣層604，且約為300 至1000微米厚。依照本發(fā)明的其它的實施例可使用其它類型的晶片以形成背照式圖像傳感器，舉例而言，如，不包含絕緣層604的外延晶片或塊狀半導(dǎo)體晶片。圖6(B)示出在支承晶片622與電路層608結(jié)合以后的圖像傳感器晶片600。支承晶片622通常藉由一個或多個粘合層(未顯示)與電路層608結(jié)合，或藉由壓力或溫度的施加而直接結(jié)合。可用于直接結(jié)合的材料的示例為二氧化硅。襯底602隨后被移除，其導(dǎo)致如圖6 (C)所示的該圖像傳感器晶片結(jié)構(gòu)。舉例而言， 襯底602可利用任意組合的打磨、拋光或蝕刻技術(shù)而被移除。在依照本發(fā)明的實施例中，襯底602可被整個移除，其中絕緣層604作為蝕刻阻擋層。在依照本發(fā)明的其它實施例中，諸如含有外延或塊狀半導(dǎo)體晶片的襯底602可被減薄而非被完全移除，且絕緣層被沉積在該蝕刻面上。在移除襯底602之后，該結(jié)構(gòu)被翻轉(zhuǎn)(如圖示)及被進一步處理。后續(xù)處理步驟可包括在絕緣層604的背面6M上形成濾色器陣列及相關(guān)的微透鏡(見圖7)?，F(xiàn)參照圖7，其示出在依照本發(fā)明的實施例中的圖像傳感器406的一部分沿圖5 的線B-B'的橫截面圖。圖像傳感器406包括形成于傳感器層606及電路層608內(nèi)的像素 500。光電檢測器616形成于傳感器層606中。諸如柵極與連接器之類的導(dǎo)電性互連610、 612、614被形成于電路層608中。濾色器元件700被顯示形成在絕緣層604上。同樣地，與每一個濾色器組件700 相關(guān)的為相應(yīng)的微透鏡702。濾色器組件700被配置在相應(yīng)的光電檢測器616上方，且通常充當(dāng)帶通濾波器，其允許每個光電檢測器616檢測在特定波長范圍內(nèi)傳播的光。舉例而言， 一濾色器元件允許在相應(yīng)于紅光的波長范圍內(nèi)傳播的光被光電檢測器檢測，同時一鄰近的濾色器元件允許在相應(yīng)于綠光的波長范圍內(nèi)傳播的光被光電檢測器檢測。如將在本文中且連同圖8及12至16描述，傳感器層606以鈍化在傳感器層606 與絕緣層604之間的界面704以減少暗電流及改進量子效率的方式形成。此外，傳感器層 606相對于接地被偏壓至已知電位，以將光生電荷尤其是在背照式圖像傳感器的背面表面附近產(chǎn)生的那些電荷導(dǎo)入最接近的光電檢測器。及最終，傳感器層606可包括摻雜劑梯度， 其將該光生電荷導(dǎo)入該最接近的光電檢測器。將該光生電荷導(dǎo)入該最接近的光電檢測器可使該圖像傳感器內(nèi)的串?dāng)_和滯后最小化。圖8為在依照本發(fā)明的實施例中的第一像素結(jié)構(gòu)的橫截面圖；像素500包括在阱 800中形成的光電檢測器616。在圖8的實施例中，光電檢測器616被實現(xiàn)為光電二極管。 釘扎層802被形成于光電檢測器616上方。一個或多個淺槽隔離(STI)區(qū)域803被形成于像素500內(nèi)。傳輸柵極804用于將光生電荷從光電檢測器616傳輸至電荷-電壓轉(zhuǎn)換器806。 在依照本發(fā)明的實施例中，該電荷-電壓轉(zhuǎn)換器806被配置為浮動擴散。轉(zhuǎn)換器806將該電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號。源極-跟隨器晶體管808緩沖儲存于電荷-電壓轉(zhuǎn)換器806中的該電壓信號。重置晶體管806、810、812被用于將轉(zhuǎn)換器806重置至在像素讀出以前的已知電位。阱800通過阱觸點814而被偏置至已知電壓電平VDD。將阱800相對于接地偏置至已知電位可將光生電荷導(dǎo)入光電檢測器616。在依照本發(fā)明的實施例中，阱觸點814被定位于成像區(qū)域502(圖幻外部，且在圖像傳感器406外圍。在圖8所示的實施例中，在整個成像區(qū)域502(圖5)中，其它阱觸點816周期性地間隔以減少阱800的有效電阻及降低或消除阱反彈(well bounce)。在依照本發(fā)明的實施例中，像素500基于ρ型金屬一氧化物半導(dǎo)體(PMOS)電路。 由此，光電檢測器616摻雜有一種或多種ρ型摻雜劑，且阱800與釘扎層802摻雜有一種或多種η型摻雜劑。η型摻雜劑的示例包括但不限于磷、銻以及砷。硼及鎵為ρ型摻雜劑的示例。圖9描繪在依照本發(fā)明的實施例中沿圖8的線C-C'的界面704的示例性摻雜分布。線900示出在STI區(qū)域803氧化之后硼摻雜SOI晶片的摻雜分布，而線902描繪在該 STI區(qū)域氧化之后在阱800中注入的磷摻雜劑的摻雜分布。如圖9所示，在該STI區(qū)域氧化期間該硼及磷摻雜劑都發(fā)生了擴散。由于偏析，該磷摻雜劑積聚于界面704的硅側(cè)(見點 904)，而硼摻雜劑在界面704的硅側(cè)減少(見點906)。界面704處的該η型磷摻雜劑的增加濃度及該P型硼摻雜劑的減少濃度的結(jié)合可降低或防止界面的傳感器層側(cè)上電位阱的形成。界面704處的該磷偏析進一步改進圖像傳感器的性能，這是由于用于磷及硼的硅與二氧化硅之間的偏析系數(shù)可提供界面704的硅側(cè)的凈η型摻雜劑的有效的積累。界面704 處的硅中提高的凈η型摻雜濃度創(chuàng)造一電位梯度，該電位梯度將光生電荷(S卩，空穴)引入光電檢測器。雖然該電場梯度可能較小，但如先前技術(shù)阱304(見圖3)的靜電電位阱并未被創(chuàng)造于該表面上。同樣地，在隨后的CMOS制造步驟期間，正電荷可被俘獲于界面704，其進一步將該光生電荷引向該光電檢測器。界面704的該傳感器層側(cè)的該有效η摻雜劑積累也可改進PMOS圖像傳感器的暗電流性能。依照該肖克利-里德-霍爾(Shockley-Read-Hall)理論，用于捕獲的一單一類型的產(chǎn)生率為U=Q vthNt* (n^-np) / (n+p+2niCosh ((Et-Ei) /kT))，(1)其中U為產(chǎn)生率，ο為該陷阱的捕獲橫截面，Vth為熱速度，Nt為陷阱密度，η為局部電子濃度，P為該局部空穴濃度，η,為本征載流子濃度，Et為陷阱能量，及Ei為本征費米 (Fermi)能量。未封端的硅鍵幾近為中間隙(Et = Ei)，因此U有效地減少至σ vthNt*ni2/ (n+p+aO，其中該np項為零。在室溫下，Iii為1. 6E10cm_3。因此，界面704處的2E16cm_3 的電子濃度將來自懸掛硅鍵的暗電流產(chǎn)生抑制幾乎六個數(shù)量級，從而有效地鈍化界面704。 這與圖2所示的該NMOS圖像傳感器不同，其中在界面204的硅側(cè)的該有效η摻雜劑的積累在硼濃度中產(chǎn)生阱(見圖3中的點304)。在依照本發(fā)明的另一實施例中，阱800中的摻雜劑可被摻雜使得提高的摻雜劑梯度被形成于阱800中。舉例而言，可藉由執(zhí)行注入物鏈(其導(dǎo)致界面704處的η型摻雜劑的更大數(shù)量)來形成該摻雜劑梯度。該摻雜劑梯度在阱800中提供更均勻的電場，以便光生電荷被更有效地驅(qū)動進入光電檢測器616。圖10描繪當(dāng)三種磷注入物的鏈被注入阱800時沿圖8的線C-C'的界面704的替代例示性摻雜分布。線1000描繪在深阱植入之后及在STI區(qū)域803(圖8)的加熱氧化之前的磷摻雜劑。線1002示出在該STI區(qū)域的熱氧化之后的磷摻雜劑。STI氧化使該η型摻雜劑在阱800中熱擴散且去除摻雜分布1000的峰值和谷值。去除峰值和谷值可降低界面704與光電檢測器616之間的靜電分布中的電位阱。此外，當(dāng)阱800中的該η型摻雜劑為磷時，界面704處的磷偏析可如前述改進滯后及暗電流性能。值得再次注意的是，此用于定義η型阱800的該高能注入物劑量比用于為具有相當(dāng)滯后及暗電流性能的相應(yīng)NMOS像素定義P型阱所需的劑量低得多?，F(xiàn)參照圖11，其示出在依照本發(fā)明的實施例中的標(biāo)準(zhǔn)CMOS電路的一部分的橫截面圖。標(biāo)準(zhǔn)PMOS 1100及NMOS 1102晶體管，及與其相關(guān)聯(lián)的淺η阱1104及ρ阱1106注入物不受該成像區(qū)域502(圖幻中的深阱注入物800(圖8)的影響。在成像區(qū)域502之外的該CMOS電路中的ρ型1100及η型1102晶體管可利用該標(biāo)準(zhǔn)CMOS處理流程來制造。在制造該濾色器陣列的過程中，在依照本發(fā)明的實施例中，該CMOS電路被不透明的遮光罩(未顯示)保護不受背面照明。該遮光罩可為金屬，紅、綠、及藍濾色器陣列材料的疊層，或獨特的吸光材料。圖12為在依照本發(fā)明的實施例中的替代像素結(jié)構(gòu)的橫截面圖。像素500包含多個圖8所示的相同元件，且相同的附圖標(biāo)記被用于指示此等元件。通過有效地產(chǎn)生光電檢測器616的“擴展”，像素500可利用區(qū)域1200增加光電檢測器616的耗盡深度。在依照本發(fā)明的實施例中，區(qū)域1200略微摻雜有一個或多個ρ型摻雜劑。掩埋阱1202及側(cè)阱1204、1206被摻雜有η型摻雜劑及被形成使得P區(qū)域1200被創(chuàng)造于光電檢測器616、掩埋阱1202及側(cè)阱1204、1206之間。側(cè)η阱1204、1206將光生電荷導(dǎo)入光電檢測器616并將阱觸點816電連接至掩埋阱1202。在依照本發(fā)明的其它實施例中，側(cè)阱1204、1206不與掩埋阱1202鄰接并直接接觸。于2008年3月25日提交的題為 “具有延展消耗深度的光電檢測器的像素結(jié)構(gòu)”的美國專利申請12/054，505以引用的方式并入本文中，其更詳細地描述圖12的該像素結(jié)構(gòu)及替代像素結(jié)構(gòu)，其中側(cè)阱1204、1206不與掩埋阱1202鄰接。圖13(A)至13(E)為像素的一部分的橫截面圖，其用于說明在依照本發(fā)明的實施例中制造圖12所示的光電檢測器616、掩埋阱1202，及側(cè)阱1204、1206的方法。在圖13中僅示出對于理解本發(fā)明為必需的制造步驟。最初，如圖13(A)所示，外延層1300利用已知制造技術(shù)而被形成于絕緣層604上(圖6)。在依照本發(fā)明的實施例中，外延層1300及襯底 602 (圖6)被摻雜有ρ型摻雜劑。其次，如圖13(B)所示，外延層1300的一部分摻雜有一種或多種η型摻雜劑(由箭頭1302代表摻雜)以形成掩埋阱1202(圖12)。在圖13(B)所示的該實施例中，掩埋阱 1202通過將一個或多個η型摻雜劑注入外延層1300而被形成。掩埋阱1202僅被設(shè)置于外延層1300的一部分中，且剩余外延層1300的一部分將被用于形成ρ區(qū)域1200(圖12)。其次，如圖13(C)所示，在像素上方沉積并圖案化掩模1304。隨后通過將一種或多種η型摻雜劑注入外延層1300 (在圖13 (C)中由箭頭1306代表摻雜)在外延層1300的部分中形成側(cè)阱1204、1206(圖12)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，淺槽隔離(STI)803被形成于外延層1300中并在側(cè)阱1204、1206形成之前被介電材料填充(STI 803的形成為可選的且并非為本發(fā)明的一部分)。在圖13(C)所示的實施例中，側(cè)阱1204、1206不與掩埋阱1202鄰接。在依照本發(fā)明的另一實施例中，側(cè)井孔1204、1206與埋設(shè)井孔1202鄰接且直接接觸(如圖12的實施例所示)。如圖13(D)所示，掩模1304隨后被移除且傳輸柵極1308被形成于該像素的表面上。在該像素上方沉積并圖案化掩模1310，且光電檢測器616通過用一種或多種ρ型摻雜劑摻雜外延層1300的一部分(由箭頭1312代表摻雜)而形成于外延層1300的一部分中。被注入光電檢測器616的ρ型摻雜劑或多種ρ型摻雜劑可與傳輸柵極1308自對準(zhǔn)，從而改進該像素的滯后性能。其次，如圖13 (E)所示，掩模1310被移除，并在該像素的表面上沉積并圖案化另一掩模1314。隨后可通過將一種或多種η型摻雜劑摻雜到光電檢測器616的一部分中(由箭頭1316代表摻雜)來在光電檢測器616上方形成釘扎層802 (圖8)。雖然圖13 (E)描繪側(cè)阱1206未與光電檢測器616及釘扎層802鄰接，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解側(cè)阱 1206可被形成以與光電檢測器616鄰接及直接接觸。現(xiàn)參照圖14，其顯示像素的一部分的橫截面圖，其用于說明在依照本發(fā)明的一實施例中的圖6(C)所示的制造過程點的像素。傳感器層606(見圖6)中的像素包括側(cè)阱 1204、1206、光電檢測器616，及被形成于外延層1300中的掩埋阱1202。釘扎層802被形成于光電檢測器616上方。最終，在依照本發(fā)明的實施例中，一個或多個STI區(qū)域803被形成于傳感器層606中。傳感器層606的該背面620鄰接絕緣層604，而傳感器層606的該正面618鄰接電路層608 (圖6)。電路層608包含傳輸柵極1308及其它特征與導(dǎo)電互連(未顯示)。支承襯底622與電路層608結(jié)合。如前所述，在絕緣層604與傳感器層606之間的界面704通過界面704的該傳感器層側(cè)的η型摻雜劑或多種η型摻雜劑的累積而被鈍化。此鈍化可降低或防止電位阱形成于界面704的該傳感器層側(cè)。圖15(A)至15(B)是用于說明依照本發(fā)明的實施例中制造掩埋阱1202的第一替代方法的像素的部分的橫截面圖，其可被執(zhí)行以代替圖13(B)所示的步驟。在依照本發(fā)明的實施例中，絕緣層604及襯底602的該組合厚度在二十至一萬埃之間。最初，被稱為籽晶層的層1500利用已知制造技術(shù)被形成于絕緣層604(圖6)的表面上(見圖15(A))。掩模1502隨后被沉積于層1500上方且被圖案化以形成開口 1504。層1500的一部分被摻雜有一個或多個η型摻雜劑(由箭頭1506代表摻雜)以形成掩埋阱1202 (圖12)。 在依照本發(fā)明的一實施例中，如磷、砷、或銻之類的η型摻雜劑被注入層1500。其次，如圖15(B)所示，掩模1502被移除及外延層1300在層1500上生長。在依照本發(fā)明的實施例中，外延層1300為本征層或輕度ρ摻雜層。圖15(B)所示的該結(jié)構(gòu)隨后按照圖13(C)至13(E)所示的步驟被處理?，F(xiàn)參照圖16(A)至16(B)，其示出用于說明制造掩埋阱1202的第二替代方法的一像素的一部分的橫截面圖，在依照本發(fā)明的一實施例中該方法可被執(zhí)行以代替圖13(B)所示的步驟。最初，η型摻雜層1202利用已知制造技術(shù)而被形成于絕緣層604(見圖16(A)) 上。外延層1300隨后在層1202上生長，從而引發(fā)層1202變成掩埋阱。圖16(B)所示的該結(jié)構(gòu)隨后按照圖13(C)至13(E)所示的步驟被處理。參照本發(fā)明的特定的實施例來描述本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解可在不背離本發(fā)明的范圍的前提下實現(xiàn)變化及修改。舉例而言，像素構(gòu)造可包含附加的、較少的，或不同的組件(與圖8及11所示的那些組件相比)。塊晶片(無外延層1300)可被用于制造圖像傳感器。此外，在依照本本發(fā)明的其它實施例中，光電檢測器616可利用替代結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。在依照本發(fā)明的另一實施例中，光電檢測器616可被實現(xiàn)為未釘扎ρ型二極管，其形成于P型外延層或襯底中的η阱中。最終，雖然簡單的非共享像素結(jié)構(gòu)被顯示于圖8及圖11，共享結(jié)構(gòu)可在依照本發(fā)明的其它實施例中使用。共享結(jié)構(gòu)的一示例被揭示于美國專利
，107，655。0076]部件清單0077]100圖像傳感器0078]102像素0079]104像素0080]106像素0081]108傳感器層0082]110電路層0083]112光電檢測器0084]114光電檢測器0085]116光電檢測器0086]118互連0087]120互連0088]122柵極0089]124光0090]126傳感器層的正面0091]128傳感器層的背面0092]200圖像傳感器0093]202支承襯底0094]204界面0095]206絕緣層0096]300在隨后的CMOS制造涉0097]302在隨后的CMOS制造涉0098]304電位阱0099]400圖像捕獲裝置0100]402光0101]404成像級0102]406圖像傳感器0103]408處理器0104]410存儲器0105]412顯不器0106]414其它I/O0107]500像素0108]502成像區(qū)域0109]504列譯碼器0110]506行譯碼器0111]508數(shù)字邏輯0112]510模擬或數(shù)字輸出電路0113]600圖像傳感器晶片
0114]602襯底
0115]604絕緣層
0116]606傳感器層
0117]608電路層
0118]610互連
0119]612互連
0120]614柵極
0121]616光電檢測器
0122]618傳感器層的正面
0123]620傳感器層的背面
0124]622支承晶片
0125]700濾色器元件
0126]702微透鏡
0127]704傳感器層與絕緣層之間的界面
0128]800阱
0129]802釘扎層
0130]803淺槽隔離(STI)
0131]804傳輸柵極
0132]806電荷-電壓轉(zhuǎn)換器
0133]808源極跟隨器晶體管
0134]810重置晶體管
0135]812重置晶體管
0136]814阱觸點
0137]816阱觸點
0138]900硼摻雜SOI晶片的摻雜分布
0139]902磷摻雜阱的摻雜分布
0140]904磷摻雜劑的積聚
0141]906減少的硼摻雜劑
0142]1000磷摻雜劑的摻雜分布
0143]1002在隨后的制造步驟之后的磷摻雜劑的摻雜分布
0144]1100PMOS 晶體管
0145]1102NMOS 晶體管
0146]1104η 阱
0147]1106ρ 阱
0148]1200ρ 型區(qū)域
0149]1202掩埋阱
0150]1204側(cè)阱
0151]1206側(cè)阱
1300外延層
1302代表摻雜的箭頭
1304掩模
1306代表摻雜的箭頭
1308傳輸柵極
1310掩模
1312代表摻雜的箭頭
1314掩模
1316代表摻雜的箭頭
1500層
1502掩模
1504開口
1506代表摻雜的箭頭
權(quán)利要求
1.一種背照式圖像傳感器，其包括傳感器層，其設(shè)置于絕緣層與電連接至所述傳感器層的電路層之間，其中所述傳感器層的正面毗鄰所述電路層，且所述傳感器層的背面毗鄰所述絕緣層；成像區(qū)域，其包括多個光電檢測器，用于將入射在所述傳感器層的背面上的光轉(zhuǎn)換為光生電荷，其中所述多個光電檢測器摻雜有P型摻雜劑，且毗鄰所述傳感器層的正面設(shè)置在所述傳感器層中；以及阱，其橫跨所述成像區(qū)域，且毗鄰所述傳感器層的背面形成在所述傳感器層的至少一部分中，其中所述阱摻雜有η型摻雜劑，所述η型摻雜劑具有偏析系數(shù)，所述偏析系數(shù)使所述η型摻雜劑積聚于所述傳感器層的背面與所述絕緣層之間的界面的傳感器層側(cè)上。
2.如權(quán)利要求1所述的背照式圖像傳感器，其特征在于，進一步包括與所述電路層結(jié)合的支承襯底。
3.如權(quán)利要求1所述的背照式圖像傳感器，其特征在于，所述阱包括掩埋阱。
4.如權(quán)利要求3所述的背照式圖像傳感器，其特征在于，進一步包括毗鄰且在每一個光電檢測器的一面之上橫向形成的第一側(cè)阱，以及毗鄰且在每一光電檢測器的相反面之上橫向形成的第二側(cè)阱，其中所述第一和第二側(cè)阱摻雜有η型摻雜劑。
5.如權(quán)利要求4所述的背照式圖像傳感器，其特征在于，進一步包括設(shè)置于所述掩埋阱、每個光電檢測器以及相應(yīng)的第一與第二側(cè)阱之間的摻雜有P型摻雜劑的區(qū)域。
6.如權(quán)利要求5所述的背照式圖像傳感器，其特征在于，所述η型摻雜劑包括磷摻雜劑、銻摻雜劑以及砷摻雜劑中的一種。
7.如權(quán)利要求1所述的背照式圖像傳感器，其特征在于，所述傳感器層包括硅層。
8.如權(quán)利要求1所述的背照式圖像傳感器，其特征在于，所述阱中的η型摻雜劑具有摻雜劑梯度，所述摻雜劑梯度被配置成將所述光生電荷驅(qū)動到最接近所述光生電荷的相應(yīng)光電檢測器中。
9.如權(quán)利要求1所述的背照式圖像傳感器，其特征在于，所述阱被偏置于預(yù)定電位。
10.一種圖像捕獲裝置，包括背照式圖像傳感器，包括傳感器層，其設(shè)置于絕緣層與電連接至所述傳感器層的電路層之的間，其中所述傳感器層的正面毗鄰所述電路層，且所述傳感器層的背面毗鄰所述絕緣層；成像區(qū)域，其包括多個光電檢測器，用于將入射在所述傳感器層背面上的光轉(zhuǎn)換為光生電荷，其中所述多個光電檢測器摻雜有ρ型摻雜劑，且毗鄰所述傳感器層的正面設(shè)置；以及阱，其橫跨所述成像區(qū)域，且毗鄰所述傳感器層的背側(cè)在所述傳感器層的至少一部分中形成，其中所述阱摻雜有η型摻雜劑，所述η型摻雜劑具有偏析系數(shù)，所述偏析系數(shù)使所述η型摻雜劑積聚于所述傳感器層的背面與所述絕緣層之間的界面的傳感器層側(cè)上。
11.如權(quán)利要求10所述的背照式圖像傳感器，其特征在于，所述阱包括掩埋阱。
12.如權(quán)利要求11所述的背照式圖像傳感器，其特征在于，進一步包括毗鄰且在每個光電檢測器的一面之上橫向形成的第一側(cè)阱，以及毗鄰且在每一個光電檢測器的相反面之上橫向形成的第二側(cè)阱，其中所述第一和第二側(cè)阱摻雜有η型摻雜劑。
13.如權(quán)利要求12所述的背照式圖像傳感器，其特征在于，進一步包括設(shè)置于所述掩埋阱、每個光電檢測器以及相應(yīng)的第一與第二側(cè)阱之間的摻雜有P型摻雜劑的區(qū)域。
14.如權(quán)利要求13所述的背照式圖像傳感器，其特征在于，所述阱中的η型摻雜劑具有摻雜劑梯度，所述摻雜劑梯度將所述光生電荷驅(qū)動到最接近所述光生電荷的相應(yīng)光電檢測器中。
15.如權(quán)利要求10所述的背照式圖像傳感器，其特征在于，所述阱被偏置于預(yù)定電位。
16.一種用于制造背照式圖像傳感器的方法，所述背照式圖像傳感器包括設(shè)置于絕緣層與電連接至傳感器層的電路層之間的傳感器層，其中所述傳感器層的正面毗鄰所述電路層且所述傳感器層的背面毗鄰所述絕緣層，所述方法包括以下步驟用η型摻雜劑摻雜所述傳感器層，以毗鄰所述傳感器層的背面在所述傳感器層的至少一部分中形成阱，其中所述η型摻雜劑具有偏析系數(shù)，所述偏析系數(shù)使所述η型摻雜劑積聚于所述傳感器層的背面與所述絕緣層之間的界面的傳感器層側(cè)上；以及用P型摻雜劑摻雜所述傳感器層以形成多個光電檢測器，所述多個光電檢測器將入射在所述傳感器層的背面上的光轉(zhuǎn)換為光生電荷，其中所述多個光電檢測器毗鄰所述傳感器層的正面形成。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，用η型摻雜劑摻雜所述傳感器層以形成阱的步驟包括用η型摻雜劑注入所述傳感器層，以毗鄰所述傳感器層的背面在所述傳感器層的至少一部分中形成阱。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，用η型摻雜劑注入所述傳感器層以形成阱的步驟包括用η型摻雜劑注入所述傳感器層，以毗鄰所述傳感器層的背面在所述傳感器層的部分中形成掩埋阱。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，進一步包括以下步驟用η型摻雜劑摻雜所述傳感器層以形成毗鄰且在每一個光電檢測器的一面之上的第一側(cè)阱以及毗鄰且在每一個光電檢測器的相反面之上的第二側(cè)阱。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述掩埋阱和第一與第二側(cè)阱經(jīng)形成使得摻雜有P型摻雜劑的區(qū)域設(shè)置于所述掩埋阱、每一個光電檢測器以及相應(yīng)的第一與第二側(cè)阱之間。
全文摘要
一種背照式圖像傳感器(500)包括設(shè)置于絕緣層(604)與電連接至傳感器層的電路層之間的傳感器層(606)。成像區(qū)域包括形成于該傳感器層與一橫跨該成像區(qū)域的阱(800)中的多個光電檢測器(616)。該阱可設(shè)置于該傳感器層的背面與光電檢測器之間，或該阱可以是毗鄰該傳感器層的背面形成的掩埋阱，其包含形成于該光電檢測器與掩埋阱之間的區(qū)域。一個或多個側(cè)阱可毗鄰每一個光電檢測器橫向地形成。該阱中的摻雜劑具有偏析系數(shù)，該偏析系數(shù)使該摻雜劑積聚于該傳感器層與該絕緣層之間的界面(704)的該傳感器層側(cè)上。
文檔編號H01L27/146GK102362351SQ200980154359
公開日2012年2月22日 申請日期2009年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月7日
發(fā)明者C·A·蒂瓦拉斯, E·G·史蒂文森, J·P·麥卡特恩, J·R·薩馬, T·J·安德森 申請人:美商豪威科技股份有限公司