专利名称：图像传感器像素及其方法
技术领域：
本发明涉及图像传感器的结构及其方法，更具体地，涉及4晶体 管互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的有源像素。
背景技术：
图像传感器是利用半导体器件对外界能量(例如光子)敏感的特性 而用于采集图像的装置。从自然界中每个物体上发出的光均具有例如波 长的特征能量值。图像传感器的像素感测从每个物体上发出的光并将所 感测到的光转换为电学值。图像传感器的像素可为4晶体管CMOS有源 像素。
图l是图像传感器的电路图，其包括四个晶体管110至140及二极 管190。图像传感器电路的操作如下。在第一复位段，在通过RX信号和 TX信号将光电二极管复位后，将在光电二极管上收集的光转换至电信 号，进而通过传输晶体管110、激励晶体管130、和选择晶体管140将电 信号传输至输出节点Vout。
图2示出了上述4晶体管图像传感器的平面结构，图3示出了图2 的剖视图。
在这里，组成有源像素的四个晶体管的标号110至140与图1的 四个晶体管的标号相同。
传输晶体管110和复位晶体管120之间的节点由金属层125通过 接触区连接至激励晶体管130的栅极。
P阱层150被准备用于根据制造顺序而形成光电二极管。
特别地，采用CMOS技术的图像传感器使用漏电流小的外延生长 的半导体衬底，以提高传感器的性能。
PDN层160通过对光电二极管190的阴极进行N型杂质的离子注 入而形成。PDP层180通过对光电二极管190的阳极进行P型杂质的离子注入而形成。PDN层160与PDP层180重叠以形成PN结的面积为光 电二极管190的面积。
PDC层185被用于将光电二极管连接至传输晶体管110的源区。
另一方面，因为半导体技术已得到了改进，所以图像传感器像素 的尺寸减小，并且光电二极管的尺寸也随之减小。因为增加了半导体 衬底上的绝缘层和金属布线层间的重叠数量，所以从像素表面到光电 二极管的距离变大，进而减少了在像素的光电二极管上收集光的数量 并降低了图像传感器的图像质量。
如图4所示，传统的方法使进入图像传感器的入射光，能够通过 在形成的像素的滤色镜410上面的最高层上形成凸透镜型微透镜420 而被收集，进而增加到达光电二极管的光的数量。
通常，公知光电二极管的面积越大则图像质量越高。光电二极管 在整个像素区域上占据的面积为填充因数。像素的特性通过填充因数 来估测。如图2所示，在传统的有源像素中，必须将光电二极管和晶 体管设置在一个平面上，因此，填充因数仅为6-16%。因而，光敏度 降低、相邻像素间的距离减少、并且串扰增加从而产生很多噪声。
发明内容
技术问题
为了解决上述问题，本发明的一个目的在于提供一种在半导体衬 底上具有突出形状的图像传感器像素及其方法，以在所述图像传感器 像素的有限范围内增加光电二极管的面积。
本发明的另 一 目的在于提供一种图像传感器的像素以将相邻像素 间的串扰减到最少。
本发明的另 一 目的在于提供一种能够在有限的像素面积内形成相 对大的光电二极管的图像传感器，以得到高灵敏度和高分辨率。
本发明的另 一 目的在于提供一种没有微透镜的图像传感器像素。
本发明的另 一 目的在于提供一种安装根据本发明图像传感器的电 子装置，从而获得经济效益。
技术方案
根据本发明的一方面，提供了一种半导体图像传感器的像素，包 括在半导体衬底的表面上具有突出形状的光电二极管。
根据本发明的另 一 方面，提供了 一种半导体图像传感器的像素，包括光电二极管，形成在半导体衬底的表面下；以及光电二极管， 在所述半导体衬底的所述表面上具有突出的形状。
根据本发明的另 一方面，提供了 一种半导体图像传感器的像素， 包括第一光电二极管，形成在半导体衬底的表面下；以及第二光电 二极管，在所述半导体衬底的所述表面上具有突出的形状，所述第二 光电二极管位于所述第一光电二极管之上。
根据本发明的另 一 方面，提供了 一种制造图像传感器的像素的方 法，所述方法包括(a)通过对半导体衬底进行离子注入，形成类型 相对于所述衬底相反的第一区域；以及(b) 在所述衬底上形成具有 预定厚度的外延层。
根据本发明的另 一方面，提供了 一种制造图像传感器的像素的方 法，所述方法包括通过对半导体衬底进行离子注入，形成类型相对 于所述衬底相反的第一区域；在所述衬底上形成具有预定厚度的外延 层；以及将离子注入到所述外延层中。
图1是具有4晶体管结构的CMOS图像传感器的电路图2是传统的CMOS图像传感器的平面布图3是传统的CMOS图像传感器的剖视图4是当图3的图像传感器生产完成时，该图像传感器的剖视图5是示出了根据本发明的像素的一些层的俯视图6是示出了根据本发明的像素的其它层的俯视图7是只强调在根据本发明的像素中的其它金属层及其连接部分的俯视图8是用于说明根据本发明的像素的光电二极管的一部分制造过程的剖视图9是用于说明根据本发明的像素的光电二极管的另一部分制造过程的剖视图10是用于说明根据本发明的像素的光电二极管的一部分制造 过程的另一方向剖视图11是示出根据本发明的相邻像素的光电二极管的剖视图。
具体实施例方式
为了更充分地理解本发明、其优点、及通过实现本发明而达到的 目的，以下参照附图对本发明的示例性实施方式进行说明。
在下文中，将通过参照
本发明的示例性实施方式而对本 发明进行详细描述。图中相同的标号表示相同的元件。
图5是示出像素的俯视图，特别地，其示出了晶体管和光电二极 管的一些层。四个晶体管510至540分别表示传输晶体管510、复位 晶体管520、激励晶体管530、及选择晶体管540。所述晶体管的栅极 專命入分别由Tx、 Rx、 Dx、和Sx表示。
P阱层552是防止P离子注入到层内的层，有源层554是形成阳 才及的区i或。
PDC层553是将光电二极管的阴极电连接至传输晶体管510的源 极的层。
有源层557是形成晶体管的源极或漏极的区域。
N离子注入层558是进行离子注入的层，以使得作为像素有源元 件的晶体管是N沟道类型的。
图6示出了在图5的结构上额外堆叠两层的结构。PD层571限定 了形成光电二极管的层。光电二极管区通过采用PD层571的光掩膜 的蚀刻方法形成。PD阻挡层572被用于形成两个光电二极管。
图7是强调金属层的俯视图。第一接触581是表示与第一层的金 属布线接触的区域，而第二接触582是表示与第二层的金属布线接触 的区域。第二层的一个金属布线585被用于将传输信号Tx施加到传 输晶体管510的栅极。第二层的另一金属布线586被用于将源电压传 输至像素。第一层的金属布线584用来将传输晶体管的漏极节点连接 至激励晶体管530的栅极。
为了便于描述，图5至图7分开示出了在半导体器件制造工艺中 多个堆叠的层。实际上，应注意到半导体器件是通过适当地将图5至图7示出的层组合而构造的。
图8和图9是图7沿X-X'的剖视图。参照图8和图9,对制造根 据本发明实施方式的像素的方法进行描述。
图8示出了用于说明根据本发明的像素的光电二极管制造方法的 剖视图。优选地，用于制造根据本发明的图像传感器的半导体衬底601 是P型的，并且其电阻为10-15ohm-cm。在过去，漏电流小的外延生 长的衬底已被用于图像传感器，然而，根据本发明不使用外延生长的 衬底也能得到足够大的填充因数。
在从半导体衬底601上形成P阱602之后，形成4册极611和612 以及侧壁613。然后，通过离子注入形成将传输晶体管连接至光电二 极管的区域604。随后，通过离子注入形成漏极区域607。然后氮化物 层614覆盖栅极611和612，并且浮动绝缘层(例如含有荧光粉的PSG 薄膜608 )覆盖氮化物层614。
此时，含有硼的BSG薄膜及PSG薄膜可覆盖氮化物层614以形成 双膜608。此外，在形成PSG薄膜或PSG-BSB双膜后，可随即采用已知 的化学机械抛光(CMP)进行平面化。
沟槽605紧邻传输晶体管的漏极607形成以将其与相邻像素隔离。
氧化层609形成在BSG层608上。沉积用于形成光电二极管区域的 光刻胶层621 ，并利用用于形成光电二极管的掩膜对光刻胶层621进行蚀 刻。
随后，第一N型区域603通过离子注入形成在光电二极管连接区域 604之下。理论上，第一 N型区域603与P型衬底601之间的区域以及 第一N型区域603与P阱602之间的区域成为PN结。整个第一N型区 域603为产生由辐射引起的载流子的区域。
随后，如图9所示，外延层633从第一N型区域603上生长，并且 将N型杂质的离子注入外延层633。该外延层是第二N型区域。所述离 子注入可根据情况而省略。将P型杂质的离子注入外延层633的上部631 以将上部631转换为第一P型区域。在注入工艺之后，第二N型区域633和第一P型区域631形成不同于第一二极管603的第二二极管633,因 此，在一个像素中有两个二极管有效地存在。
图IO是图7沿Y-Y'的剖视图。在图10的工艺之后，第二P型区 域643通过使用限定光电二极管区域的掩膜层641、对除了光电二极 管区域之外的区域进行P型杂质的离子注入而形成。由于第二P型区 域643，第二二极管的PN结面积增大，因此，增大了通过入射光产生 载流子的区域，进而在没有串扰的情况下产生更强的电信号。
图11是示出根据本发明的相邻像素的光电二极管的剖视图。参照图 11,其明显示出了本发明的另一优点。穿过滤色镜659入射的光中的垂 直入射光在第二光电二极管633中产生载流子。然而，与传统的光电二 极管不同，即使是倾斜入射的光也全部由绝缘薄膜643反射并被引入第 二光电二极管的内部，以将光采集效率最大化。如上所述，所述绝缘薄 膜可为BSG层、PSG层、或包括PSG和BSG层的合成层。
尽管结合本发明的示例性实施方案对本发明进行了详细说明和描 述，但本领域技术人员可以理解，在不脱离权利要求所限定的本发明 的精神和范围的情况下，可对本发明进行各种形式上和细节上的变化。
工业应用性
根据本发明，光电二极管的表面积增大以提高填充因数及光敏度。
此外，提高了光采集效率，并且因此不必要使用微透镜，进而提供 了经济效率。
因此，通过具有突出结构的光电二极管，将相邻像素间的串扰减到 最少，以生产具有改进效率的图像传感器。
权利要求
1.一种半导体图像传感器的像素，包括在半导体衬底的表面上具有突出形状的光电二极管。
2. —种半导体图像传感器的像素，包括 光电二极管，形成在半导体衬底的表面下；以及
3. 如权利要求1或2所述的像素，其中所述具有突出形状的光电 二极管由外延生长形成。
4. 如权利要求1所述的像素，其中在所述半导体衬底的所述表面 下形成的所述光电二极管、以及在所述半导体衬底的所述表面上具有 突出形状的所述光电二极管，经历了离子注入工艺。
5. 如权利要求3所述的像素，其中所述像素由所述外延生长形成 并且经历了所述离子注入工艺。
6. 如权利要求3所述的像素，其中所述外延生长由在所述半导体 衬底的所述表面下形成的所述光电二极管开始。
7. —种半导体图像传感器的像素，包括 第一光电二极管，形成在半导体衬底的表面下；以及状，所述第二光电二极管位于所述第一光电二极管之上。
8. 如权利要求l、 2或7所述的像素，其中所述半导体衬底包括 阱；以及沟槽分隔区域，其厚度比所述阱的厚度薄。
9. 一种制造图像传感器的像素的方法，所述方法包括(a) 通过对半导体衬底进行离子注入，形成类型相对于所述衬底 相反的第一区域；以及(b) 在所述衬底上形成具有预定厚度的外延层。
10. —种制造图像传感器的像素的方法，所述方法包括 通过对半导体衬底进行离子注入，形成类型相对于所述衬底相反 的第一区域；在所述衬底上形成具有预定厚度的外延层；以及 将离子注入所述外延层。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中步骤(b)从所述第一 区域开始。
12.如权利要求9或10所述的方法，还包括(a) 在所述衬底上，形成类型相对于半导体衬底相反的阱；以及(b) 形成比所述阱浅的沟槽区。
全文摘要
提供了一种制造图像传感器的像素的方法及采用该方法形成的图像传感器的像素，所述图像传感器包括能够提高光敏度并减少相邻像素间串扰的突出的光电二极管。半导体图像传感器的像素在半导体衬底的表面上包括形状突出的光电二极管。增加了光电二极管的表面积相对于图像传感器像素表面积的比例，以提高光敏度，并且由于填充因数的提高而不需要微透镜。此外，可去除相邻像素间的串扰。
文档编号H01L27/146GK101203958SQ200680022211
公开日2008年6月18日 申请日期2006年6月14日 优先权日2005年6月20日
发明者朴哲秀 申请人:(株)赛丽康;朴哲秀