圖像傳感器的空穴型超深光二極體及其工藝方法
2023-06-02 00:01:46
專利名稱：圖像傳感器的空穴型超深光二極體及其工藝方法
技術領域：
本發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於汽車的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極體。
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於行動電話的相機、網絡攝影機、監視攝影機、玩具或醫療設備。CMOS圖像傳感器還可應用於嚴厲的環境，例如汽車應用，由於其嚴厲的操作環境，因此對於圖像傳感器是非常苛求的。為了應用於汽車，必須解決CMOS圖像傳感器的一些問題。
第一，為了讓汽車於夜間能夠獲得更多細節信息以進行判定，圖像傳感器必須具有較高的靈敏度或信號噪聲比(SNI )。
第二，由於汽車的操作溫度會高於一般應用，例如行動電話的相機，因此需要較低的暗電流，用以維持高動態範圍，降低暗信號非均勻性(dark signal non-uniformity, DSNU)及降低暗信號脈衝噪聲(shot noise)。
第三，由於夜間的路面場景屬於高動態範圍型式，因此CMOS圖像傳感器於超亮區域需要良好的外溢(blooming)控制，以防止其周圍較暗區域受到超亮區域的外溢電荷而衝淡。對於傳統一些高動態範圍機制，由於其光二極體的累加(integration)時間不同，因此較長累加的光二極體會破壞較短累加的光二極體的信息。
第四，由於汽車尾燈及交通標誌具有較強的紅光成分，因此紅光信息對於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CMOS圖像傳感器的每一像素以電子來表示信號，且像素中的電晶體皆為N型金屬氧化物半導體(NMOQ電晶體。於像素中，光子所產生的空穴及電子分別儲存於光二極體的P側及N側。於曝光後，NMOS傳輸門僅傳送電子至N型浮動擴散(floating diffusion, FD)節點，再由FD結電容將電子轉換為電壓信號。該電壓信號接著由後續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體， 可參考 Eric Stevens 等人所發表的 「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體較傳統電子型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，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(STI) 12與N+井14之間，暗電流可大幅降低，此異於電子型CMOS圖像傳感器會於該處產生摻雜物分離。另外，由於空穴的遷移率(mobility)小於電子，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於電子型CMOS圖像傳感器。再者，由於接地的P型基底10提供低電位以排放空穴型光二極體所外溢空穴，因而可提供良好外溢控制，亟適用於汽車應用。
然而，由於N型摻雜物重於P型摻雜物，使得空穴型CMOS圖像傳感器的P型光二極體16的深度受限於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型光二極體16無法吸收足夠電子-空穴對以涵蓋紅光/近紅外光的吸收區域。另一方面，對於給定深度的P型光二極體16，N型井18的深度將受限於幹擾(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型光二極體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/近紅外光反應並維持其外溢及幹擾控制。發明內容
鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於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體的結構及工藝，其具有改良的紅光/近紅外光反應、降低的幹擾、外溢及較小的暗電流。
根據本發明實施例，CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極體包含P型基底、N型外延層及超深P型光二極體注入區域。P型基底接地或連接至負電源。N型外延層生長於 P型基底上，且連接至正電源。超深P型光二極體注入區域形成於N型外延層內。
圖1顯示傳統CMOS圖像傳感器的空穴型光二極體的剖面圖2顯示電子型深光二極體；
圖3顯示本發明實施例的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極體的剖面圖4A至圖4C顯示本發明實施例的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極體的工藝。
具體實施方式
為了增強紅光/近紅外光的較長波長反應並降低擴散幹擾，圖2提出的電子型光二極體具有深N型光二極體20，其可吸收電子-空穴對以涵蓋紅光/近紅外光吸收區域並吸收更多信號。此外，可大量降低位於深N型光二極體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。於圖1中，因外溢排出所降低的幹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的優點，圖3顯示本發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體的剖面圖。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)」指大於0. 5微米，例如0. 5-2 微米，在一優選實施例中則指大於2微米。所揭露的光二極體可適用於嚴厲環境，例如汽車應用，但不以此為限。如圖1所述，空穴型光二極體可達較低暗電流，因此本實施例的光二極體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，此有利於夜間的高動態範圍場景。於一般操作下，P型基底30可降低紅光/ 近紅外光信號的幹擾。關於外溢控制的進一步細節可參考^suo Ishihara等人所發表的 「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形成於P型基底30上，且連接至正電源AVDD。深P型光二極體32 注入區形成於N型外延層31內。由於本實施例使用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。由於P型摻雜物較輕，因此，相較於傳統電子型光二極體，本實施例的深P型光二極體32注入區可較深，因而能改善信號噪聲比及紅光/近紅外光反應。
於N型外延層31內形成隔離區，例如淺溝槽隔離區(STI) 33。於淺溝槽隔離區33 的側邊及底部形成N+晶胞(cell)隔離層34。相較於圖2的P型隔離層M，由於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，並留更多空間給光二極體32。藉此，可改善信號吸收及幹擾問題。
傳輸門35形成於N型外延層31上，並位於深P型光二極體32注入區與P型浮動擴散(P+FD)36注入區之間。
圖4A至圖4C顯示本發明實施例的CMOS圖像傳感器的空穴型超深光二極體的工藝。與圖3相同的組成元件標示以相同元件符號。各步驟可使用傳統半導體工藝技術，其細節予以省略。
於圖4A中，提供P型基底(或簡稱基底)30，再於其上生長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微米或大於6微米，但不以此為限。
接著，仍參閱圖4A，執行多次深P型光二極體注入，以形成深P型光二極體(或簡稱為光二極體)32注入區。該注入執行於屏蔽(未顯示於圖式)所定義的區域內。每一次注入可使用不同能量以達到所需輪廓。此外，於每次注入後，可使用熱處理使其輪廓平滑。 其輪廓也可根據後續工藝步驟的熱處理而決定。接著，形成淺溝槽隔離區33於外延層31 內。
於圖4B中，於淺溝槽隔離區33的側邊及底部注入晶胞隔離層(或晶胞N型井)34， 且於晶胞隔離層34下注入深隔離層(或深N型井)37。此外，於外延層31上表層區域注入 N型溝道38注入區域，其位於深光二極體32注入區上方。上述晶胞隔離層34、深隔離層37 及溝道38注入區域可依據適當的順序來執行。接著，形成傳輸門35於外延層31上。
於圖4C中，於外延層31上表層區域注入梢(pinning) 39注入區域。在本實施例中，N型梢39注入區域位於溝道38注入區域內。於溝道38注入區域與深光二極體32注入區之間注入P型表面光二極體40注入區域，作為主要空穴型光二極體。在本實施例中， 梢39注入區域與溝道38注入區域主要用以抑制暗電流並最佳化傳輸門35。梢39注入區域與表面光二極體40注入區域可依據適當的順序來執行。接著，注入P+浮動擴散36注入區域。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並非用以限定本發明的權利範圍；凡其它未脫離發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範圍內。
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體，包含 P型基底，接地或連接至負電源；N型外延層，生長於所述P型基底上，所述N型外延層連接至正電源；及超深P型光二極體注入區域，形成於所述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體，其中所述超深P型光二極體注入區域的厚度大於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體，其中所述超深P型光二極體注入區域的厚度為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體，其中所述超深P型光二極體注入區域的厚度大於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體，還包含 隔離區，形成於所述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體，其中所述隔離區為淺溝槽隔離區。
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體，還包含 N型晶胞隔離層，形成於所述隔離區的側邊及底部。
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體的工藝方法，包含提供P型基底；生長N型外延層於所述P型基底上；及形成超深P型光二極體注入區域於所述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體的工藝方法，其中所述超深P型光二極體注入區域的形成包含使用不同能量以執行多次注入。
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體的工藝方法，還包含於每一次所述注入後或者藉由後續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體的工藝方法，還包含形成隔離區於所述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體的工藝方法，還包含形成N型晶胞隔離層於所述隔離區的側邊及底部；及注入N型深隔離層於所述晶胞隔離層下。
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體的工藝方法，還包含注入溝道注入區域於所述N型外延層的上表層區域，其中所述溝道注入區域位於所述超深P型光二極體注入區域上方。
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體的工藝方法，還包含注入N型梢注入區域於所述N型外延層的上表層區域；及注入P型表面光二極體注入區域於所述N型外延層內，作為一主要空穴型光二極體的電荷儲存，其中所述表面光二極體注入區域位於所述溝道注入區域與所述超深P型光二極體注入區域之間。
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體的工藝方法，還包含形成傳輸門於所述N型外延層上；及形成P型浮動擴散注入區域於所述N型外延層內，其中所述傳輸門位於所述超深P型光二極體注入區域與所述P型浮動擴散注入區域之間。
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體的工藝方法，其中所述超深P型光二極體注入區域的厚度大於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體的工藝方法，其中所述超深P型光二極體注入區域的厚度為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體的工藝方法，其中所述超深P型光二極體注入區域的厚度大於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體及其工藝方法。P型基底接地或連接至負電源。N型外延層生長於P型基底上，且連接至正電源。超深P型光二極體注入區域形成於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 優先權日2010年12月28日
發明者吳揚, 鬱飛霞 申請人:英屬開曼群島商恆景科技股份有限公司