圖像傳感器及制備方法、減少電學(xué)互擾的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種減少CMOS圖像傳感器電學(xué)互擾的方法、以及一種CMOS圖像傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]CMOS圖像傳感器(CIS)由于其制造工藝和現(xiàn)有的集成電路制造工藝兼容，同時其性能上比原有的電荷耦合器件CCD相比有很多優(yōu)點。CMOS圖像傳感器可以將驅(qū)動電路和像素集成在一起，簡化了硬件設(shè)計，同時也降低了系統(tǒng)的功耗。CIS由于在采集光信號的同時就可以取出電信號，還能實時處理圖像信息，速度比CXD圖像傳感器快。CMOS圖像傳感器還具有價格便宜，帶寬較大，防模糊，訪問的靈活性和較大的填充系數(shù)的優(yōu)點。
[0003]傳統(tǒng)的有源像素是運用光電二極管作為圖像傳感器件。通常的有源像素單元是由三個晶體管和一個N+/P-光電二極管構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)適合標(biāo)準(zhǔn)的CMOS制造工藝。在對于光電二極管的攙雜的空間分布設(shè)計中，還必須使空間電荷區(qū)避開晶體缺陷等復(fù)合中心集中的地區(qū)，以減小像素的暗電流。而現(xiàn)在像素的尺寸逐漸減小，光電二極管容納電子的阱容量也隨之變小，那么對光的捕獲和光電信號有一定的影響。現(xiàn)在對于CMOS圖像傳感器有兩種選擇，一種是與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的光電二極管和3個晶體管相結(jié)合，以此保證光電二極管的面積。另一種是不與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的具有高阱容量的所謂釘扎光電二極管(包括N-層，在其上形成的P+連接層)與4個晶體管結(jié)合的具有較低暗電流的像素結(jié)構(gòu)。在光照時，光電二極管在N-處產(chǎn)生電荷，這時轉(zhuǎn)移管是關(guān)閉狀態(tài)。然后轉(zhuǎn)移管打開，將存儲在光電二極管中的電荷傳輸?shù)狡」?jié)點，傳輸后，轉(zhuǎn)移管關(guān)閉，并等待下一次光照的進(jìn)入。在漂浮節(jié)點上的電荷信號隨后用于調(diào)整放大晶體管。讀出后，帶有復(fù)位門的復(fù)位晶體管將漂浮點復(fù)位到一個參考電壓。
[0004]當(dāng)入射光抵達(dá)光電二極管的空間電荷區(qū)以外的襯底區(qū)域，并通過光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子空穴對時，其電子也會在襯底內(nèi)通過擴(kuò)散到達(dá)空間電荷區(qū)邊緣而被空間電荷區(qū)所吸收。然而，由于電子擴(kuò)散的無規(guī)則性，其可能在襯底內(nèi)與空穴復(fù)合，也可能在襯底游走一段距離后被掃入其他像素的空間電荷區(qū)，從而引起像素間一種新的互擾，稱之為電學(xué)互擾。電學(xué)互擾同樣會給像素引入一些不真實的信號，使圖像傳感器信噪比降低，圖像質(zhì)量變差。在強(qiáng)光的照射下，這種電學(xué)互擾會非常嚴(yán)重，此時不僅在感光二極管空間電荷區(qū)外產(chǎn)生的光生電子會在襯底擴(kuò)散，而且被二極管空間電荷區(qū)已收集的電子也可能會重新擴(kuò)散到襯底中，并在最終的圖像中引入一些缺陷，如光暈。原因在于對像素而言，其所能容納的電子個數(shù)有限，一旦P-N結(jié)收集足夠的電子后脫離反偏態(tài)而進(jìn)入平衡態(tài)，其多余的電子將溢出而擴(kuò)散到襯底中，并有很大部分將被鄰近的像素所吸收，使周邊像素亮度增加，形成光暈。
[0005]現(xiàn)有的背照式CMOS圖像傳感器的光電二極管區(qū)域和像素單元的電路區(qū)是處在同一個層中，要保證大的填充因數(shù)就需要減少像素單元的電路區(qū)面積。為此有人提出一種像素電路區(qū)域和光電二極管區(qū)域相互重疊的分布方式，將光電二極管置于像素單元電路區(qū)下，而通過一個結(jié)合擴(kuò)散區(qū)將光電二極管和釘扎層相連實現(xiàn)將電子通過轉(zhuǎn)移管傳到漂浮點的功能。這種結(jié)構(gòu)，使光電二極管的面積得到擴(kuò)大，提升了像素單元的填充因數(shù)，而且大的光電二極管可以接受更多的光，提高了對傾斜光的吸收，增加了光電轉(zhuǎn)換的效率。
[0006]BSI結(jié)構(gòu)基本上是絕緣體上半導(dǎo)體裝置，其中硅有效區(qū)域通過BEOL介電層與較大塊體硅處置襯底隔離。若硅有效區(qū)域的厚度較厚時，背表面和前表面之間的距離足夠大以使得前表面溫度顯著低于后表面溫度。雖然這種較厚的背表面可以有效的隔離后表面退火對前表面的BEOL的影響，但是較厚的背表面會使擴(kuò)散到后表面的電子有機(jī)會通過擴(kuò)散到臨近的像素單元，從而造成大的電學(xué)互擾。因此為了減少電學(xué)互擾，通常BSI技術(shù)中都會使背表面減薄到一定的厚度(小于4um)。對于有大的填充因數(shù)的結(jié)構(gòu)，由于光電二極管所處的區(qū)域在像素電路區(qū)下面，使背表面的厚度增加，同時使相鄰像素單元的光電二極管區(qū)域距離更加接近。由于硅的吸收能力很弱，許多光生電子生成在耗盡區(qū)外，這些電子可以朝所有的方向移動，電子可能會隨電子的濃度梯度移動，會進(jìn)入臨近的像素單元造成大的電學(xué)互擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服以上問題，本發(fā)明旨在提供一種減少CMOS圖像傳感器電學(xué)互擾的方法、以及CMOS圖像傳感器及其制備方法，通過將離子注入到像素單元的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的位置，來阻止電子的擴(kuò)散。
[0008]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種減少CMOS圖像傳感器電學(xué)互擾的方法，其包括:
[0009]步驟01:提供一半導(dǎo)體襯底，并在所述半導(dǎo)體襯底中形成多個淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，并形成位于相鄰的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的光電二極管區(qū)域和像素單元電路區(qū)域；淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)用于隔離相鄰的像素單元電路區(qū)域；
[0010]步驟02:向所述半導(dǎo)體襯底中且對應(yīng)于所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)下方的區(qū)域進(jìn)行離子注入，以形成離子注入?yún)^(qū)；
[0011]步驟03:經(jīng)退火工藝，在所述離子注入?yún)^(qū)中形成多個空隙。
[0012]優(yōu)選地，所述像素單元電路區(qū)域位于所述光電二極管區(qū)域的上方。
[0013]優(yōu)選地，所述離子注入?yún)^(qū)的頂部等于或高于所述光電二極管區(qū)域的底部，且不與所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)相接觸。
[0014]優(yōu)選地，所述步驟02中，所述離子注入是從所述半導(dǎo)體襯底背面注入到所述半導(dǎo)體襯底中。
[0015]優(yōu)選地，所述步驟02中，所述離子注入采用氫離子或氦離子。
[0016]優(yōu)選地，所述CMOS圖像傳感器為前照式的兩個、四個或八個光電二極管共用一個浮動擴(kuò)散點的CMOS圖像傳感器，或者為背照式的兩個、四個或八個光電二極管共用一個浮動擴(kuò)散點的CMOS圖像傳感器。
[0017]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種CMOS圖像傳感器，包括:半導(dǎo)體襯底，位于半導(dǎo)體襯底中的像素單元，每個像素單元包括像素單元電路區(qū)域和光電二極管區(qū)域，位于每個所述像素單元的兩側(cè)的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，位于所述像素單元下方的非耗盡區(qū)，以及接近所述光電二極管區(qū)域的所述半導(dǎo)體襯底表面的彩色濾光片和微凸透鏡；其特征在于，還包括:在半導(dǎo)體襯底中且對應(yīng)于所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的下方區(qū)域為具有多個空隙的離子注入?yún)^(qū)；所述離子注入?yún)^(qū)的頂部高于所述非耗盡區(qū)且不與所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)底部接觸，所述離子注入?yún)^(qū)的底部穿透所述半導(dǎo)體襯底背面。
[0018]優(yōu)選地，包括:所述像素單元電路區(qū)域下方為所述光電二極管區(qū)域，所述光電二極管區(qū)域與所述像素單元電路區(qū)域通過一結(jié)合擴(kuò)散區(qū)相連，位于每個所述像素單元電路兩側(cè)的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)；以及位于所述半導(dǎo)體襯底背面的彩色濾光片和微凸透鏡；所述離子注入?yún)^(qū)的頂部等于或高于所述光電二極管區(qū)域的底部；所述離子注入?yún)^(qū)的底部與所述彩色濾光片接觸。
[0019]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種CMOS圖像傳感器的制備方法，其包括:
[0020]步驟11:提供一半導(dǎo)體襯底，并在所述半導(dǎo)體襯底中形成多個淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，并形成位于相鄰的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的光電二極管區(qū)域和像素單元電路區(qū)域；淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)用于隔離相鄰的像素單元電路區(qū)域；
[0021]步驟12:向所述半導(dǎo)體襯底中且對應(yīng)于所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)下方的區(qū)域進(jìn)行離子注入，以形成離子注入?yún)^(qū)；
[0022]步驟13:經(jīng)退火工藝，在所述離子注入?yún)^(qū)中形成多個空隙；
[0023]步驟14:在接近所述光電二極管區(qū)域的所述半導(dǎo)體襯底表面依次形成濾光片和微凸透鏡。
[0024]優(yōu)選地，所述步驟12中，所述離子注入是從所述半導(dǎo)體襯底背面注入到所述半導(dǎo)體襯底中。
[0025]優(yōu)選地，所述步驟12中，所述離子注入采用氫離子或氦離子。
[0026]本發(fā)明的減少CMOS圖像傳感器電學(xué)互擾的方法、以及CMOS圖像傳感器及其制備方法，在具有光電二極管和像素單元電路的像素單元結(jié)構(gòu)中，在對應(yīng)于淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)區(qū)域的下方區(qū)域進(jìn)行離子注入，這些注入的離子經(jīng)退火后形成多個空隙，這些空隙成為電子迀移的勢皇，由于在光電二極管和像素單元電路下方的區(qū)域為非耗盡區(qū)，從而阻擋非耗盡區(qū)的電子擴(kuò)散到鄰近的像素單元，以降低鄰近像素之間的電學(xué)互擾。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的一個較佳實施例的減少CMOS圖像傳感器電學(xué)互擾的方法的流程示意圖
[0028]圖2為本發(fā)明的一個較佳實施例的CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖
[0029]圖3為本發(fā)明的一個較佳實施例的CMOS圖像傳感器的制備方法的流程示意圖
【具體實施方式】
[0030]為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0031]以下結(jié)合附圖1-3和具體實施例對本發(fā)明的減少CMOS圖像傳感器電學(xué)互擾的方法、以及CMOS圖像傳感器及其制備方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式、使用非精準(zhǔn)的比例，且僅用以方便、清晰地達(dá)到輔助說明本實施例的目的。
[0032]本發(fā)明的減少CMOS圖像傳感器電學(xué)互擾的方法可以適用于前照式的