[發明專利]圖像傳感器及其制造方法

有效

• 申請號: 201110455382.3
• 申請日: 2011-12-30
• 公開（公告）號: CN102522416A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 方娜;汪輝;陳杰
• 申請（專利權）人: 上海中科高等研究院
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 上海一平知識產權代理有限公司 31266
• 代理人: 成春榮;竺云

技術領域

本發明涉及半導體技術，具體涉及圖像傳感器及其制造方法。

背景技術

一般來說，圖像傳感器是一種用于將光學圖像轉換為電信號的半導體器件。圖像傳感器分成電荷藕合器件(Charge?Coupled?Device，簡稱“CCD”)和互補型金屬氧化物半導體(Complementary?Metal-Oxide?Semiconductor，簡稱“CMOS”)圖像傳感器。近來，CMOS圖像傳感器作為用于克服CCD的缺點的下一代圖像傳感器引起人們的關注。CMOS圖像傳感器在單位像素內提供感光二極管和金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide-Semiconductor，簡稱“MOS”)晶體管，以切換模式(switching?mode)連續檢測每一個單位像素的電信號，從而獲得圖像。

目前常見的CMOS圖像傳感器是有源像素型圖像傳感器(APS)，其中又分為三管圖像傳感器(3T類型，包括復位晶體管、放大晶體管和行選擇晶體管)和四管圖像傳感器(4T類型，包括轉移晶體管、復位晶體管、放大晶體管和行選擇晶體管)兩大類。

絕緣襯底上的硅(Silicon-On-Insulator，簡稱“SOI”)技術是在頂層硅和襯底之間引入了一層埋氧層。通過在絕緣體上形成半導體薄膜，SOI材料具有了傳統的體硅材料所無法比擬的優點：可以實現集成電路中元器件的介質隔離，徹底消除了體硅CMOS電路中的寄生閂鎖效應；采用這種材料制成的集成電路還具有寄生電容小、集成密度高、速度快、工藝簡單、短溝道效應小及特別適用于低壓低功耗電路等優勢。

現有的基于SOI工藝的CMOS圖像傳感器大致有以下兩類：

第一類是將感光二極管制備于襯底硅上的CMOS圖像傳感器。如圖1所示，圖中的作為基本感光單元的像素結構采用的是4T型(3T型像素結構的結構原理與4T型基本類似，故不另行說明)，像素結構包括：SOI的P型摻雜襯底硅101、絕緣層(一般為二氧化硅)102、P型摻雜的頂層硅104、襯底硅中的N型摻雜阱區107、位于所述N型摻雜阱區以上，襯底硅的表面P型摻雜區108、轉移晶體管105、浮動擴散區106、位于襯底硅以上、轉移晶體管以下的二氧化硅層109以及位于頂層硅上的光電信號處理電路元件103(圖1中僅示出一個復位晶體管，未示出放大晶體管和行選擇晶體管)。其中，N型摻雜阱區107的全部、P型摻雜區108和襯底硅101的部分組成了有效感光區110，感光二極管位于有效感光區110。

其工作原理是，先用光電信號處理電路元件103中的復位晶體管將浮動擴散區106內的電子全部吸入電源，使其電位變高；曝光開始后，光子照射到有效感光區110，并于其內生成電子和空穴對；曝光結束后，轉移晶體管105上加高電平，將有效感光區110中的光生電子轉移到浮動擴散區106，使其電位降低，最后通過光電信號處理電路元件103中的放大晶體管和行選擇晶體管(未示出)將光生電壓信號輸出。

第二類是將感光二極管制備于頂層硅(半導體層)上的CMOS圖像傳感器。如圖2所示，像素結構包括：SOI的襯底硅201、絕緣層202、P型摻雜頂層硅203、位于頂層硅內靠近表面的N型摻雜區204、和位于頂層硅203中的光電信號處理電路206。其中N型摻雜區204的靠近頂層硅203的耗盡部分和頂層硅203的靠近N型摻雜區204的耗盡部分共同構成有效感光區205，且所述有效感光區205全部位于SOI的頂層硅內。N型摻雜區204的摻雜濃度比頂層硅203的摻雜濃度高3個數量級以上，使得大部分耗盡區位于頂層硅203內。

圖2所示的基于SOI工藝的CMOS圖像傳感器通過位于頂層硅內的有效感光區205來收集光生載流子，其余的工作方式與圖1中的圖像傳感器相同。

上述的現有技術至少存在以下缺點：

上述第一種基于SOI工藝的CMOS圖像傳感器，由于感光區域位于襯底硅中并直接與其接觸，當所述的圖像傳感器處于輻射環境中時，高能粒子將會打入襯底硅101中，產生大量的電子空穴對，其中的高能電子容易越過襯底硅101、N型摻雜阱區107所構成的PN結勢壘而進入N型摻雜阱區107，形成對圖像信號的干擾，降低了所得圖像的信噪比和動態范圍。

上述第二種基于SOI工藝的CMOS圖像傳感器，由于其感光區位于頂層硅中，且為了使用全耗盡型SOI器件，頂層硅203的厚度一般小于200nm，大大限制了有效感光區205的深度，使得此圖像傳感器的光吸收效率下降，尤其是對于波長大于600nm的紅色，橙色和黃色光，吸收效率極低，成像質量很不理想。