圖像傳感器像素及其製造方法
2023-07-23 13:50:46 1
專利名稱：圖像傳感器像素及其製造方法
技術領域：
本發明涉及圖像傳感器像素的結構及其製造方法，更具體地，涉及包括電晶體的有源元件的有源像素型互補金屬氧化物半導體(CMOS) 圖像傳感器。
背景技術：
圖像傳感器通過利用半導體器件對外界能量(例如光子)作出響應 的特性而採集圖像。每個自然界中存在的物體產生的光均具有獨特能量 值，例如在波長方面。從每個物體上產生的光由圖像傳感器的像素感測 進而轉換為電學值。圖像傳感器的像素的一個示例為4電晶體CMOS的 有源像素。
圖1是圖像傳感器的電路圖，其由四個電晶體110至140及一個二 極管190組成。圖像傳感器的電路操作如下。首先，對於復位期，光電 二極體190響應於RX信號和TX信號而復位。聚集於光電二極體的光被 轉換為電信號，進而通過傳輸電晶體110、激勵電晶體130、和選擇晶體 管140將該電信號傳輸至輸出節點Vout。
圖2是形成在半導體襯底上的CMOS圖像傳感器的平面圖。圖3是 圖2沿X-X'線剖開的剖視圖。
現將參照圖2和圖3,對傳統的圖像傳感器像素進行描述。
受剖開方向的限制，在圖3中未示出圖2中的激勵電晶體130和 選擇電晶體140。在圖2和圖3中，相同的標號表示相同的元件。
圖像傳感器需要對光能敏感。因而，半導體襯底101可為具有較 低漏電流的外延生長襯底。
傳輸電晶體110和復位電晶體120之間的節點由金屬層125通過 接觸層連接至激勵電晶體130的柵極。
P阱保護層150防止圖3的P阱151在將要形成光電二極體l90的區域上形成。
PDN層160通過對光電二極體190的陰極進行N型雜質的離子注 入而形成。PDP層180通過對光電二極體190的陽極進行P型雜質的離 子注入而形成。PN結形成在PDN層160與PDP層180彼此重疊的區域， 因此形成光電二才及管190的面積。
雖然未在圖3中示出，但是光電二極體190和傳輸電晶體IIO的 源區通過PDC層185連接。
同時，隨著半導體的技術的發展，圖像傳感器像素及光電二極體 的尺寸縮小。此外，增加了與半導體襯底重疊的絕緣層的數量及金屬 布線層的數量。因此，像素表面和光電二極體間的距離增大，進而減 少了聚集於像素的光電二極體190的光。因此，降低了圖像傳感器的 圖像質量。
為了解決以上問題，在傳統的方法中，將凸透鏡形式的微透鏡形 成在濾色鏡上，該濾色鏡是形成的像素的最高層，以使得能將進入圖 像傳感器的入射光聚集，進而增加到達光電二極體190的光。
已普遍發現，當採用大的光電二極體以提供足夠數量的光時，在 困像傳感器中能得到更好的圖像質量。填充因數被定義為光電二極體 在整個像素區域上佔據的面積。像素的特性可利用填充因數來估測。
如圖2所示，在傳統的有源像素中，因為必須將光電二極體190 和電晶體110至140設置在一個.平面上，所以填充因數僅為6-16%。 因此，光敏度降低、相鄰像素間的距離減小、並且串擾增加，從而產 生很多噪聲。
此外，參照圖2，電晶體110至140及場氧化層195形成在單位 像素內除了用於形成光電二極體190的區域之外的特定區域。這是因 為必須要首先形成電晶體110至140,然後場氧化層195被用來將晶 體管110至140彼此分開。
因此，在本發明中，在圖像傳感器的單位像素內，除了由光電二 極管190及電晶體110至140佔據的區域之外，能夠有效地利用場氧 化層195的下部區域。
發明內容
技術問題
為了解決上述問題，本發明的一個目的在於提供一種圖像傳感器像素及其製造方法，在所述圖像傳感器像素中的有限範圍內可增加光電二極體的面積。
本發明的另一目的在於提供一種圖像傳感器像素，其中光電二極 管在半導體襯底的溝槽區形成從而實現較高的填充因數。
本發明的另一目的在於提供一種圖像傳感器像素，其將相鄰像素 間的串擾減到最少。
本發明的另一目的在於提供一種圖像傳感器像素，在其中能夠在 有限的像素尺寸內構造佔據更大面積的光電二極體，從而得到高的靈 敏度。
本發明的另 一 目的在於提供一種不需要微透鏡的圖像傳感器像素。
本發明的另一目的在於提供一種圖像傳感器像素，使用所述圖像 傳感器的像素的電子裝置能夠提高其性能，並且消費者能夠得到具有 竟爭力的價格。
技術方案
根據本發明的一個方面，提供了一種圖像傳感器像素，包括埋入半導體襯底內部的光電二極體；以及在所述光電二極體形成之後形成的像素電晶體。
根據本發明的另一方面，提供了一種圖像傳感器像素，包括像 素電晶體；將所述像素電晶體分隔開的場氧化層；以及光電二極體，位於所述場氧化層的特定或全部區域內的下部。根據本發明的另 一方面，提供了一種圖像傳感器像素的製造方法，包括(a)在半導體襯 底的特定區域內形成溝槽區；(b)形成包括至少一部分所述溝槽區的 光電二極體；以及(c)在所述光電二極體形成之後，形成像素電晶體。
圖1是具有4電晶體結構的CMOS圖像傳感器的電路圖2是傳統的CMOS圖像傳感器的平面圖3是傳統的CMOS圖像傳感器的剖視圖4是根據本發明的實施方式的像素層的平面圖5是根據本發明的實施方式的另一像素層的平面圖6是根據本發明的實施方式的包括光電二極體連接層的像素的 剖-見圖7是根據本發明的實施方式的包括電晶體層的像素的剖視圖8是圖4沿X-X'線剖開的剖視圖9是圖5沿X-X'線剖開的剖視圖10是圖6沿X-X'線剖開的剖視圖11是圖7沿X-X'線剖開的剖視圖12是包括金屬層的像素的剖視圖13是圖2的簡化圖，其強調示出了在傳統像素中光電二極體的 面積；
圖14是強調示出了在根據本發明的實施方式的像素中的光電二 極管的面積的俯-觀圖。
具體實施例方式
為了更充分地理解本發明、其優點、及通過實現本發明而達到的 目的，以下參照附圖對本發明的示例性實施方式進行說明。
在下文中，將通過參照
本發明的示例性實施方式而對本 發明進行詳細描述。圖中相同的標號表示相同的元件。
圖4至圖7是示出了根據本發明的實施方式的圖像傳感器像素的 製造方法的平面圖。圖8至圖12是圖4至圖7沿X-X方向剖開的剖 視圖。本領域技術人員將會理解，以下描述將集中在本發明的關鍵方 面，而並非說明所述製造方法的所有方面。
現參照圖4和圖8，對根據本發明的實施方式的圖像傳感器像素 的製造方法進行描述。
通過採用場掩膜415對半導體襯底400 —部分上的圖8的溝槽區410進行蝕刻。半導體襯底400可使用外延生長的晶片以獲得半導體 圖像傳感器的低漏電流特徵。
光電二極體的第一電4及411通過離子注入形成在溝槽區410上。 在這種情況下，如果使用P型半導體襯底，則對第一電極411注入N 型離子，從而形成負電極。
光電二極體的正電才及413通過注入P型離子而形成，其注入深度 小於光電二極體的負電極411的深度。採用傾斜的離子注入方式注入 P型離子，以使得P型區域可在半導體襯底400內形成的溝槽的側面 上適當地形成。
場氧化層420以適當的厚度形成，然後對其進行化學機械拋光 (CMP)以使得場氧化層420隻保留在溝槽區410上。參照圖5，在 場氧化層420保留在溝槽區410上的狀態中，場氧化層420與溝槽區 410重疊。P阱層由圖5的標號431表示。參照圖9，應用光刻膠430 以形成P阱431。
在通過離子注入形成P阱431之後，用於將光電二極體與電晶體 連才矣的光電二極體連接區440和450通過離子注入形成。如圖6所示， 優選地以不同的離子能級和深度、單獨進行兩次離子注入以形成光電 二才及管連接區440和450。然而，如果必要的話，可以只進行一次離 子注入。
隨後，如圖7和圖11所示，形成像素電晶體460、 470、 480及 490，並利用N型離子注入掩膜461、通過離子注入形成有源區451、 452、 453及454。
有源區451、 452、 453及454由新的標號表示的原因是因為在圖 4至圖6中定義為場掩膜415的區域中，只有存在於N型離子注入掩 膜461內部的區域通過離子注入變為有源區，並且因為場氧化層420
隨後，像素電晶體460、 470、 480及490通過4吏用金屬接觸層和 金屬層而適當地連接，進而分別形成傳輸電晶體460、復位電晶體470、 激勵電晶體480、及選擇電晶體490 (參見圖2 )。
本領域技術人員將會理解，所述連接工藝與通常的CMOS電晶體
製造工藝相同或相似。因此，在此不再贅述。
圖13是圖2的簡化圖，其示出了傳統的圖像傳感器像素100,其 中對光電二極體180的區域和包括電晶體的區域610的其餘部分進行 強調。
圖14是圖7的簡化圖，其示出了根據本發明的實施方式的圖像傳 感器像素600,其中強調了光電二極體680的區域。在這裡，除了 P 阱層431和有源層415之外的區域均變為用於光電二極體680的區域， 從而使填充因數最大化。
通過比較圖13和圖14,本發明的優點將變得顯而易見。
在圖13的現有技術中，由氧化層195分開的電晶體在光電二極體 180形成之前形成。因此，光電二極體180、場氧化層195、及電晶體 佔據了整個像素的面積。
然而在圖14的本發明中，當光電二極體680在整個像素600中的 溝槽區上形成之後，場氧化層195形成在光電二極體680的上部，而 電晶體形成在其餘區域。也就是說，單個像素只包括用於光電二極體 680的區域以及其餘的區域431和415。因此，傳統上用於場氧化層 195的區域可被用於光電二極體680，從而使填充因數最大化。
根據圖4至圖7中示出的本發明的實施方式，光電二極體形成為 "U"形，以使得溝槽區可佔據大部分像素麵積，從而增大填充因數。
雖然沒有示出，但光電二極體也可形成為"L"形。所述形狀依 照光電二極體和像素電晶體的位置而變化。光電二極體可通過使用淺 槽凹口以埋入的形式形成，這包括在本發明的範圍之內。
根據本發明，光電二極體的表面積增大，進而提高了填充因數及 光敏度。
此外，在圖像傳感器的單位像素內，除了形成電晶體的區域之外 的全部像素麵積都變為光電二極體區域，因此使填充因數最大化。
此外，因為可聚集更多的光，所以不再需要微透鏡，進而提供了 經濟利益。
另外，光電二極體的突出結構使得相鄰像素間的串擾減到最少，進 而提高了圖像傳感器的效率。
儘管結合本發明的示例性實施方案對本發明進行了詳細說明和描 述，但本領域技術人員可以理解，在不脫離權利要求所限定的本發明 的精神和範圍的情況下，可對本發明進行各種形式上和細節上的變化。
權利要求
1.一種圖像傳感器像素，包括光電二極體，埋入半導體襯底內部；以及像素電晶體，在所述光電二極體形成之後形成。
2.如權利要求l所述的像素，還包括溝槽區，其在所述半導體襯底的特定區域內形成。
3.如權利要求2所述的像素，還包括場氧化層，其形成在所述溝 槽區的上部。
4. 一種圖像傳感器像素，包括 多個像素電晶體；場氧化層，其將所述像素電晶體分隔開；以及 光電二極體，位於所述場氧化層的特定或全部區域的下部。
5. —種圖像傳感器像素的製造方法，包括 在半導體襯底的特定區域內形成溝槽區；形成包括至少一部分所述溝槽區的光電二極體；以及 在所述光電二極體形成之後，形成像素電晶體。
6.如權利要求5所述的製造方法，還包括在所述光電二極體形成 之後，在所述溝槽區的上部形成場氧化層。
全文摘要
提供了一種圖像傳感器像素及其製造方法，該像素內部的場氧化層的特定或全部面積可用作光電二極體以增大填充因數。該圖像傳感器像素包括埋入半導體襯底內的光電二極體，在光電二極體形成之後形成的像素電晶體。圖像傳感器像素包括像素電晶體；將像素電晶體隔開的場氧化層；位於場氧化層特定或全部區域下部的光電二極體。製造方法包括在半導體襯底的特定區域內形成溝槽區；形成包括至少一部分溝槽區的光電二極體；以及在所述光電二極體形成之後形成像素電晶體。因此，光電二極體的表面積增大，從而填充因數及光敏度提高。在圖像傳感器的單位像素內，除了形成電晶體的區域之外的全部像素麵積都變為光電二極體區域，因此使填充因數最大化。
文檔編號H01L27/146GK101203959SQ200680022212
公開日2008年6月18日 申請日期2006年6月14日 優先權日2005年6月23日
發明者樸哲秀 申請人:(株)賽麗康;樸哲秀