背照式cmos圖像傳感器的制造方法
【專利摘要】本申請涉及一種CMOS圖像傳感器包括，光電二極管，浮置擴散區(qū)，以及傳輸晶體管，所述傳輸晶體管的多晶硅柵極采用非均勻摻雜，使得從靠近所述浮置擴散區(qū)至靠近所述光電二極管的所述傳輸晶體管的溝道區(qū)內(nèi)的電勢呈階梯狀分布。
【專利說明】背照式CMOS圖像傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請主要涉及圖像傳感器技術(shù)，特別的涉及背照式CMOS圖像傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]與CXD的制造工藝相比，CMOS圖像傳感器的制造工藝與標準的CMOS工藝兼容，具備低功耗、易集成、低成本等特點，因此CMOS圖像傳感器被越來越廣泛的應(yīng)用在各種電子設(shè)備中。CMOS圖像傳感器中的有源像素的結(jié)構(gòu)根據(jù)晶體管的數(shù)量不同可以分為不同種類。典型的4-T有源像素如圖1所不,包括用于感光的光電二極管(Photod1deJD),傳輸晶體管(transfer transistor, TX),浮置擴散區(qū)(floating diffus1n,FD),復(fù)位晶體管(resettransistor, RST)，選擇晶體管(select transistor, SEL)。
[0003]傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器采用正面照射，但是采用這種機制在光電二極管的上方存在著各種金屬層或氧化層等等，會導致很大的光損失。因此，背照式CMOS圖像傳感器，也就是采用從襯底的遠離電路層的一側(cè)進行照射的機制的圖像傳感器為業(yè)界廣泛使用，以增加光線的光通量，并防止相鄰圖像傳感器像素單元件的光線串擾(crosstalk)。
實用新型內(nèi)容
[0004]對于現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器中的傳輸晶體管來說，由于在半導體襯底和氧化層的界面處常常存在帶有負電的缺陷，因此，即便在光電二極管沒有受到光照的情況下，仍然可能存在著所謂的暗電流。暗電流會嚴重影響圖像傳感器的成像質(zhì)量。
[0005]可以通過在傳輸晶體管的柵極上施加負壓，吸引空穴到具有缺陷的界面區(qū)域，從而抑制暗電流。但是，當傳輸晶體管關(guān)閉的時候，殘留在其溝道內(nèi)的光生載流子容易倒流至光電二極管中，發(fā)生所謂的饋通(feedthrough)現(xiàn)象，從而影響產(chǎn)生圖像的質(zhì)量。另外，要想提高CMOS圖像傳感器的反應(yīng)速度和圖像質(zhì)量，就要提高傳輸晶體管的傳輸效率。
[0006]因此，為了克服上述問題，本中請?zhí)峁┝艘环N背照式CMOS圖像傳感器，所述CMOS圖像傳感器包括:光電二極管，通過在第一導電類型半導體襯底內(nèi)形成第二導電類型區(qū)域，從而形成光電二極管，其中，所述第二導電類型區(qū)域作為光生載流子收集區(qū)；浮置擴散區(qū)，形成于所述第一導電類型半導體襯底內(nèi)，具有第二導電類型摻雜；以及傳輸晶體管，所述的傳輸晶體管的源極為所述光電二極管的所述第二導電類型區(qū)域、漏極為所述浮置擴散區(qū)；所述的傳輸晶體管還包括多晶硅柵極，所述多晶硅柵極覆蓋傳輸晶體管的傳輸溝道區(qū)域，并至少部分覆蓋所述光電二極管；所述多晶硅柵極采用非均勻摻雜，使得所述傳輸晶體管的溝道區(qū)內(nèi)的電勢呈階梯形分布。
[0007]特別的，所述傳輸晶體管還包括位于所述光電二極管的第二導電類型區(qū)域與所述半導體襯底表面之間的具有第一導電類型的隔離區(qū)。
[0008]特別的，所述多晶硅柵極沿靠近所述浮置擴散區(qū)至靠近所述光電二極管依次包括:具有第二導電類型的第二柵極子區(qū)域、具有第一導電類型的第一柵極子區(qū)域，其中，所述第一柵極子區(qū)域至少部分覆蓋所述光電二極管；所述第二柵極子區(qū)域至少部分覆蓋所述傳輸晶體管的溝道。
[0009]特別的，所述多晶硅柵極沿靠近所述浮置擴散區(qū)經(jīng)過所述傳輸晶體管溝道至所述光電二極管依次包括:第二柵極子區(qū)域具有第二導電類型重摻雜、第四柵極子區(qū)域具有第二導電類型輕摻雜、第三柵極子區(qū)域具有第一導電類型輕摻雜、第一柵極子區(qū)域具有第一導電類型重摻雜。
[0010]特別的，所述多晶硅柵極沿靠近所述浮置擴散區(qū)至靠近所述光電二極管依次包括:第二柵極子區(qū)域具有第二導電類型摻雜、未經(jīng)摻雜的第三柵極子區(qū)域、第一柵極子區(qū)具有第一導電類型摻雜；其中，所述第一柵極子區(qū)域至少部分覆蓋所述光電二極管。
[0011]特別的，所述多晶硅柵極沿靠近所述浮置擴散區(qū)至靠近所述光電二極管依次包括:第二柵極子區(qū)具有第二導電類型重摻雜、第一柵極子區(qū)域具有第二導電類型輕摻雜；其中，所述第一柵極子區(qū)域至少部分覆蓋所述光電二極管。
[0012]特別的，所述的多晶硅柵極表面上還覆蓋有金屬硅化物層。
[0013]特別的，所述的第一導電類型為P型，所述第二導電類型為N型。
[0014]由于非均勻摻雜的多晶硅柵會對溝道區(qū)域中的電勢分布產(chǎn)生不同的影響，從而使其呈現(xiàn)階梯狀的分布。這樣，在階梯電勢的作用下，可以提高光生載流子的轉(zhuǎn)移效率，又可以防止發(fā)生饋通現(xiàn)象，從而提高圖像質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]通過參照附圖閱讀以下所作的對非限制性實施例的詳細描述，能夠更容易地理解本申請的特征、目的和優(yōu)點。其中，相同或相似的附圖標記代表相同或相似的裝置。
[0016]圖1 (a)所示為根據(jù)本申請一個實施例所述的CMOS圖像傳感器像素中的傳輸晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖1(b)所示為圖1(a)所示的傳輸晶體管關(guān)閉時的電勢分布示意圖；
[0018]圖1(c)所示為圖1(a)所示的傳輸晶體管導通時的電勢分布示意圖；
[0019]圖2(a)所示為根據(jù)本申請一個實施例所述的CMOS圖像傳感器像素中的傳輸晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2(b)所示為圖2(a)所示的傳輸晶體管關(guān)閉時的電勢分布示意圖；
[0021]圖2(c)所示為圖2(a)所示的傳輸晶體管導通時的電勢分布示意圖；
[0022]圖3(a)所示為根據(jù)本申請一個實施例所述的CMOS圖像傳感器像素中的傳輸晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3(b)所示為圖3(a)所示的傳輸晶體管關(guān)閉時的電勢分布示意圖；以及
[0024]圖3(c)所示為圖3(a)所示的傳輸晶體管導通時的電勢分布示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面詳細討論本申請的實施例的制造和使用。但是，應(yīng)當理解的是，本申請?zhí)峁┝嗽S多可以在各種具體背景下實施的可行的創(chuàng)新性概念。所討論的具體實施例僅是說明制造和使用本申請的具體方式，并不限制本申請的范圍。
[0026]圖1 (a)所示為根據(jù)本申請一個實施例所示的CMOS圖像傳感器中傳輸晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)本申請的一個實施例，102可以是P型襯底，104可以是N型摻雜區(qū)域，與襯底102形成光電二極管，光電二極管接收從傳輸晶體管底部射入的光線，并產(chǎn)生光生載流子。光電二極管的N型摻雜區(qū)域104可以作為傳輸晶體管的源極。傳輸晶體管還包括一個N型摻雜的浮置擴散區(qū)108作為該傳輸晶體管的漏極。P型襯底可以為半導體基底，也可以包括半導體基底與鋪設(shè)其上的外延層，半導體基底的材質(zhì)可以為硅、鍺、砷化鎵等通用的半導體基底材質(zhì)。
[0027]傳輸晶體管還包括柵氧化層120，以及位于柵氧化層120上的多晶硅柵110。根據(jù)本申請的一個實施例，多晶硅柵分為兩個部分，靠近源極的部分111的摻雜類型可以是P+，即P型重摻雜，靠近漏極的部分112的摻雜可以是N+，即N型重摻雜。111和112都是多晶硅柵110的一部分，彼此之間沒有間隔或分離。摻雜濃度是根據(jù)設(shè)計的需要而確定的，例如二者的摻雜濃度可以大于1019，甚至達到102°至121的數(shù)量級。根據(jù)另一實施例，靠近源極的部分111的摻雜類型可以是N-，靠近漏極的部分112的摻雜類型可以是N+。這些多晶硅柵的部分是一體的、彼此之間沒有間隔或分離。
[0028]當關(guān)閉傳輸晶體管時，可以向多晶硅柵110施加例如-1V的控制信號Tx。如圖1(b)所示，位于多晶硅柵110下的溝道區(qū)域的電勢低于源極104和漏極108的電勢水平。根據(jù)本申請的一個實施例，部分多晶硅柵111下面的溝道區(qū)域的電勢可以是例如-0.45V，而部分多晶硅柵112下面的溝道區(qū)域的電勢可以略高于部分多晶硅柵111下面的溝道區(qū)域的電勢。
[0029]當打開傳輸晶體管時，可以向多晶硅柵110施加例如2.8V的控制信號Tx。如圖1(c)所示，電勢分布從源極104至漏極108逐漸升高。特別的，部分多晶硅柵111下面的溝道區(qū)域的電勢與部分多晶硅柵112下面的溝道區(qū)域的電勢可以相差例如IV。由于這個電勢梯度的存在，由光電二極管產(chǎn)生的光生載流子例如電子，就可以被快速高效的從傳輸晶體管的源極轉(zhuǎn)移到漏極。
[0030]當再次關(guān)閉傳輸晶體管時，可以將柵壓重新降低到-1V，由于部分多晶硅柵112下面的溝道區(qū)域的電勢可以高于部分多晶硅柵111下面的溝道區(qū)域的電勢，因此殘留在溝道區(qū)域的電子會在電勢梯度的作用下流到浮置擴散區(qū)108進而被復(fù)位，而不會倒流回光電二極管中，從而避免了饋通現(xiàn)象的產(chǎn)生及其對圖像的干擾。在本實施例中，未被多晶硅柵110覆蓋的光電二極管104的部分區(qū)域的上部還包括釘扎層106。根據(jù)另一實施例，在光電二極管的N型摻雜區(qū)域104上方都具有釘扎層106 (該情況沒有示出)。此外，在形成包括111與112部分的多晶硅柵110的制造過程中可選擇先采用離子摻雜注入再蝕刻形成多晶硅柵極或者先蝕刻形成柵極形狀再分別摻雜注入形成多晶硅柵110。
[0031]圖2 (a)所示為根據(jù)本申請的另一實施例所記載的CMOS圖像傳感器中傳輸晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。多晶硅柵210可以包括三個部分，靠近源極的P+摻雜部分113，靠近漏極的N+摻雜部分115，以及位于二者中間的未摻雜部分114，這些多晶硅柵的部分是一體的、彼此之間沒有間隔或分離。
[0032]可以在多晶硅柵210上加載例如-1V的控制信號下關(guān)閉該傳輸晶體管，并加載例如2.8V的電壓開啟該傳輸晶體管。由于多晶硅柵210不同部分的摻雜情況不同，不僅在部分多晶硅柵113和115以下的溝道區(qū)域之間會產(chǎn)生電勢的梯度，在未摻雜的部分多晶硅柵114以下溝道區(qū)域中也會產(chǎn)生電勢的變化，如圖2(b)-(c)所示。在本實施例中，未被多晶硅柵210覆蓋的光電二極管104的部分區(qū)域的上部還包括釘扎層106。根據(jù)另一實施例，在光電二極管的N型摻雜區(qū)域104上方都具有釘扎層106 (該情況沒有示出)。此外，在形成包括113，114與115部分的多晶硅柵210的制造過程中可選擇先采用離子摻雜注入再蝕刻形成多晶硅柵極或者先蝕刻形成柵極形狀再分別摻雜注入形成多晶硅柵210。
[0033]圖3 (a)所示根據(jù)本申請的又一實施例所記載的CMOS圖像傳感器中傳輸晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。多晶硅柵310可以包括三個部分，靠近源極的P+摻雜部分116，靠近漏極的N+摻雜部分119，靠近P+摻雜部分116的P-摻雜部分117，即P型輕摻雜，靠近N+摻雜部分119的N-摻雜部分118，即N型輕摻雜，這些部分多晶硅柵是一體的、彼此之間沒有間隔或分離。
[0034]可以采用與上述類似的控制信號來控制圖3所示的傳輸晶體管的開關(guān)狀態(tài)。類似的，在多晶硅柵310以下的溝道區(qū)域中分別產(chǎn)生了自源極104至漏極108的成階梯狀上升的電勢分布，如圖3(b)-(c)所示。在本實施例中，未被多晶硅柵310覆蓋的光電二極管104的部分區(qū)域的上部還包括釘扎層106。根據(jù)另一實施例，在光電二極管的N型摻雜區(qū)域104上方都具有釘扎層106 (該情況沒有示出)。此外，在形成包括116，117，118與119部分的多晶硅柵310的制造過程中可選擇先采用離子摻雜注入再蝕刻形成多晶硅柵極或者先蝕刻形成柵極形狀再分別摻雜注入形成多晶硅柵310。
[0035]無論采用上述哪一種類型的傳輸晶體管，在其開啟的狀態(tài)下，由于多摻雜多晶硅柵下溝道區(qū)域中電勢梯度的存在，由光電二極管產(chǎn)生的光生載流子例如電子，就可以被快速高效的從傳輸晶體管的源極轉(zhuǎn)移到漏極。而單一摻雜的多晶硅柵以下的溝道區(qū)域中的電勢分布式平坦的，因此，光生載流子的轉(zhuǎn)移效率要大大低于本申請中所介紹的傳輸晶體管的轉(zhuǎn)移效率。
[0036]由于在傳輸晶體管開啟后重新進入的關(guān)閉狀態(tài)下，非均勻摻雜多晶硅柵以下的溝道區(qū)域中的電勢分布仍然呈一定程度的階梯分布，因此殘留在溝道區(qū)域的電子會在電勢梯度的作用下流到浮置擴散區(qū)108，而不會倒流回光電二極管中，從而避免饋通現(xiàn)象的產(chǎn)生及其對圖像的干擾。通過對浮置擴散區(qū)的復(fù)位，就可以消除這些殘留載流子的影響。
[0037]根據(jù)本申請的一個實施例，在圖1-3所示的傳輸晶體管的多晶硅柵110、210或310上還可以有一層金屬娃化物層,控制信號可以直接施加在金屬娃化物層上。
[0038]可以采用傳統(tǒng)的用于控制CMOS圖像傳感器的控制信號來控制本申請實施例中的CMOS圖像傳感器。以上談到的傳輸晶體管的關(guān)閉電壓-1V和開啟電壓2.8V僅僅是一個范例。根據(jù)不同器件尺寸，工藝設(shè)置，可以對該控制電壓的水平進行調(diào)整。另外，根據(jù)本申請的一個實施例，針對圖1-3中所示的傳輸晶體管，控制信號可以加載在P+和/或N+摻雜的部分多晶娃柵上。
[0039]另外，本申請所公開的CMOS圖像傳感器中的傳輸晶體管還可以包括位于襯底102表面的P型摻雜區(qū)(圖中未示出)，又稱釘扎層，用于抑制硅和二氧化硅表面的缺陷導致的暗電流。
[0040]另外，所述傳輸晶體管的多晶硅柵中的至少一部分部分覆蓋溝道區(qū)域，至少另外部分覆蓋光電二極管的至少一部分。
[0041]所述傳輸晶體管也可以是埋溝晶體管，也就是說其溝道區(qū)域距離半導體襯底表面具有一定的距離。
[0042]制造本申請所公開的CMOS圖像傳感器中的傳輸晶體管的工藝流程與傳統(tǒng)的工藝流程不同之處在于，要產(chǎn)生具有非均勻摻雜的多晶硅柵。根據(jù)一個實施例，可以先通過刻蝕工藝形成所需尺寸的多晶硅柵極，然后再對該柵極進行非均勻的摻雜?；蛘?，根據(jù)另一個實施例，可以先對傳輸晶體管柵氧化物層上的多晶硅層進行非均勻摻雜，然后再對該多晶硅層進行刻蝕形成所需尺寸的柵極。
[0043]本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易就得知，可以在本申請的范圍內(nèi)改變材料和方法，例如在不需要付出創(chuàng)造性勞動的情況下，就可以將N型摻雜與P型摻雜相互調(diào)換，對應(yīng)的載流子由電子調(diào)換為空穴，并且構(gòu)造出與本申請實施例互補的傳輸晶體管。還應(yīng)該理解的是，除了用于說明實施例的具體語境之外，本實用新型提供了許多可應(yīng)用的創(chuàng)新性概念。相應(yīng)地，所附權(quán)利要求旨在將這樣的過程、機器、制造、物質(zhì)合成、裝置、方法或者步驟包括在它們的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種背照式CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述CMOS圖像傳感器包括: 光電二極管，通過在第一導電類型半導體襯底內(nèi)形成第二導電類型區(qū)域，從而形成光電二極管，其中，所述第二導電類型區(qū)域作為光生載流子收集區(qū)； 浮置擴散區(qū)，形成于所述第一導電類型半導體襯底內(nèi)，具有第二導電類型摻雜；以及 傳輸晶體管，所述的傳輸晶體管的源極為所述光電二極管的所述第二導電類型區(qū)域、漏極為所述浮置擴散區(qū)；所述的傳輸晶體管還包括多晶硅柵極，所述多晶硅柵極覆蓋傳輸晶體管的傳輸溝道區(qū)域，并至少部分覆蓋所述光電二極管；所述多晶硅柵極采用非均勻摻雜，使得所述傳輸晶體管的溝道區(qū)內(nèi)的電勢呈階梯形分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述傳輸晶體管還包括位于所述光電二極管的第二導電類型區(qū)域與所述半導體襯底表面之間的具有第一導電類型的隔離區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述多晶硅柵極沿靠近所述浮置擴散區(qū)至靠近所述光電二極管依次包括:具有第二導電類型的第二柵極子區(qū)域、具有第一導電類型的第一柵極子區(qū)域，其中，所述第一柵極子區(qū)域至少部分覆蓋所述光電二極管；所述第二柵極子區(qū)域至少部分覆蓋所述傳輸晶體管的溝道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述多晶硅柵極沿靠近所述浮置擴散區(qū)經(jīng)過所述傳輸晶體管溝道至所述光電二極管依次包括:第二柵極子區(qū)域具有第二導電類型重摻雜、第四柵極子區(qū)域具有第二導電類型輕摻雜、第三柵極子區(qū)域具有第一導電類型輕摻雜、第一柵極子區(qū)域具有第一導電類型重摻雜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述多晶硅柵極沿靠近所述浮置擴散區(qū)至靠近所述光電二極管依次包括:第二柵極子區(qū)域具有第二導電類型摻雜、未經(jīng)摻雜的第三柵極子區(qū)域、第一柵極子區(qū)具有第一導電類型摻雜；其中，所述第一柵極子區(qū)域至少部分覆蓋所述光電二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述多晶硅柵極沿靠近所述浮置擴散區(qū)至靠近所述光電二極管依次包括:第二柵極子區(qū)具有第二導電類型重摻雜、第一柵極子區(qū)域具有第二導電類型輕摻雜；其中，所述第一柵極子區(qū)域至少部分覆蓋所述光電二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述的多晶硅柵極表面上還覆蓋有金屬硅化物層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述的第一導電類型為P型，所述第二導電類型為N型。
【文檔編號】H01L27/146GK203826392SQ201420208875
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】李 杰, 李文強 申請人:格科微電子（上海）有限公司