本公开涉及半导体领域，更具体而言，涉及图像传感器。
背景技术：
在现有的图像传感器中，存在着诸多问题影响图像传感器的性能，例如，表面暗电流问题等等。
因此存在对于新的技术的需求。
技术实现要素：
本公开的目的之一是提供一种新型的图像传感器结构及相应的制造方法。
根据本公开的一个方面，提供了一种图像传感器，其包括：形成在衬底中的光电二极管，所述光电二极管包括从所述衬底的正面延伸到所述衬底中的n型区；以及电介质层，放置在所述衬底的正面之上，并且在与所述衬底的正面平行的平面图中与所述n型区的至少一部分重叠，其中所述电介质层被配置为带有负电荷，以使得在所述n型区的位于所述电介质层下方的区域处形成带有正电荷的感应区域。
根据本公开的另一个方面，提供了一种用于制造图像传感器的方法，其包括：在衬底中形成光电二极管，其中所述光电二极管包括从所述衬底的正面延伸到所述衬底中的n型区；以及在所述衬底的正面之上形成电介质层，使得所述电介质层在与所述衬底的正面平行的平面图中与所述n型区的至少一部分重叠，其中所述电介质层带有负电荷，以使得在所述n型区的位于所述电介质层下方的区域处形成带有正电荷的感应区域。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得更为清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1示出了根据本公开一个或多个示例性实施例的图像传感器的截面图。
图2示出了根据本公开一个或多个示例性实施例的图像传感器的截面图。
图3示出了根据本公开一个或多个示例性实施例的图像传感器制造方法的流程图。
图4a-4c分别示出了在根据本公开一个或多个示例性实施例来制造图像传感器的一个方法示例的各个步骤处的装置截面示意图。
图5a-5c分别示出了在根据本公开一个或多个示例性实施例来制造图像传感器的一个方法示例的各个步骤处的装置截面示意图。
注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在一些情况中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，本公开并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。
具体实施方式
下面将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
经过深入研究，本申请的发明人提出了一种新型的图像传感器结构，其在光电二极管的n型区上方设置了带有负电荷的电介质层，以便在该n型区的顶部感应出带正电荷的区域，该感应区域可以将光电二极管的n型区与衬底表面隔离以免受衬底表面的界面态等的不利影响，从而降低相应的暗电流和热噪声等。其工作原理与ppd(pinnedphotodiode)结构中的表面p+层类似。因此，使用本公开的技术至少可以降低图像传感器的暗电流等。
在本文中，衬底的“主表面”意指该衬底(例如，硅晶圆)的与厚度方向垂直的两个主要表面。衬底的“正面”指的是其上形成晶体管和金属互连层的那个主表面，而衬底的“背面”为与正面相反的那个主表面。
为了更全面、清楚地理解本发明，下面分别结合图1和图2以cmos图像传感器为例来详细描述根据本发明的图像传感器的结构及其工作原理。本领域技术人员均能理解，本公开并不限于图中所示结构，而是能够根据其工作原理改编适用于其它图像传感器结构。例如，本发明可以应用于前照式或背照式图像传感器。另外，图中示出的n型区构造以及光电二极管的构造都只是示例性的而非限制性的，本发明可以适用于任何适当的n型区和光电二极管的构造。
图1示出了根据本公开一个或多个示例性实施例的图像传感器的截面图。应注意，实际的图像传感器可能还存在之前/后续制造的其它部件，而为了避免模糊本公开的要点，附图没有示出且本文也不去讨论其它部件。
如图1所示，图像传感器包括形成在衬底101中的光电二极管，该光电二极管包括从衬底101的正面延伸到该衬底中的n型区102。在如图1所示的一些实施方式中，衬底101为p型衬底，并且可以为简单的半导体晶圆，例如硅晶圆，而通过从例如衬底正面对p型衬底101进行掺杂来形成n型区102，因此，掺杂形成的n型区102为光电二极管的n区，与n区接触的p型衬底部分作为光电二极管的p区。但是本发明并不限于图1中所示的n型区和光电二极管的结构。衬底101的掺杂类型等掺杂情况也不受限制。例如，光电二极管的p区也可以由衬底上生长的外延层构成，而n型区102是通过对该外延层进行掺杂而形成的，此时衬底101可以不是p型掺杂的。另外，虽然图中出于简洁的目的把衬底101画成了一个简单的块衬底，但是显然本发明不限于此。衬底101可以由适合于图像传感器的任何半导体材料(诸如si、sic、sige等)制成，例如可以是单晶硅衬底。在一些实施方式中，衬底101也可以为绝缘体上硅(soi)、绝缘体上锗硅等各种复合衬底。本领域技术人员均理解衬底101不受到任何限制，而是可以根据实际应用进行选择。衬底101之中和之下还可以形成有其它的半导体器件构件，例如，在早期/后续处理步骤中形成的其它构件等。而且本发明并不限制图像传感器的类型，例如前照式(fsi)和背照式(bsi)都能适用。
另外，如图1所示，该图像传感器还包括电介质层103，该电介质层103放置在衬底101的正面之上，并且在与衬底101的正面平行的平面图中与n型区102的至少一部分重叠。而且，图1中的电介质层103被配置为带有负电荷，以使得在n型区102的位于电介质层103下方的区域处形成带有正电荷的感应区域104。
本文中提到的平面图示出该图像传感器的各部件投影在与衬底主平面平行的平面视图中的图形，该衬底主平面指的是衬底的正面和背面(例如图1中的衬底101的上、下表面)。虽然图1的截面图示出了电介质层103与n型区102全部重叠，但是本领域技术人员均能理解本发明不限于此。此外，虽然图1的截面图示出了电介质层103各处均匀地带有负电荷，但是本领域技术人员均能理解本发明不限于此。本领域技术人员均明白，只要电介质层103有一部分带负电荷，且该带负电荷的部分与n型区102有一部分重叠，则在该重叠的区域就能形成感应区域104，就能相应地隔离这部分的表面的影响，从而至少减少表面暗电流等。
在一些实施方式中，电介质层103的厚度在5到20纳米的范围内。在一些实施方式中，电介质层103中带有的负电荷的电荷密度可以在0.2到20c/cm3的范围内。在一些实施方式中，电介质层103可以由高介电常数材料形成。在一些实施方式中，该高介电常数材料可以选自如下中的至少一种：hfo2、al2o3、hfo2-al2o3、hfsio、hftao、hftio、hfzro、zro2。在一些实施方式中，可以通过化学气相沉积(cvd)、原子层沉积(ald)或其它任何合适的技术形成该电介质层103。本领域技术人员均理解，本发明的电介质层的材料和形成方法不限于此，而是还可以包括本领域已知的任何其它合适的材料和生产工艺，只要形成的电介质层带有所需的负电荷即可。
另外，图1所示的图像传感器还包括绝缘层105，其位于衬底101的正面之上，并且夹在电介质层103与n型区102之间。在一些实施方式中，绝缘层105的厚度可以在3到20纳米的范围内。在一些实施方式中，绝缘层105可以由硅氧化物构成。绝缘层105的厚度不能太厚以影响感应区域104的形成。
在一些实施方式中，绝缘层105并不是额外形成的，而是在常规的图像传感器结构中就存在的层。例如，绝缘层105可以是在形成光电二极管周围的浅沟槽隔离结构(sti)时在衬底表面上形成的层。
另外，如图1所示，在一些实施方式中，绝缘层105的一部分还可以作为晶体管的栅氧化层，其位于晶体管的栅极106的下方。图1示出的晶体管紧邻光电二极管，作为用于该光电二极管的转移晶体管，将光电二极管中收集的光生载流子转移到浮置扩散区(图中未示出)中，以便后续读取相应信号。应注意，本领域技术人员均能理解，本发明并不限于图1所示的绝缘层的布置。例如，绝缘层105可以不位于晶体管栅极106下方，而是与对应的栅氧化层分别形成的层。例如，晶体管并不限于图示的转移晶体管，而可以是用于该光电二极管的晶体管中的任何一个或多个。即，绝缘层105可以作为用于该光电二极管的任意一个或多个晶体管的栅氧化层。
另外，作为图1的图像传感器结构的一种替代方式，如图2所示，电介质层103的一部分也可以位于晶体管的栅极106下方以用作晶体管的栅氧化层，并且电介质层103的位于栅极106下方的那部分不带电。电介质层103可以被设置为仅与n型区102重叠的部分带负电荷，而其余部分、特别是作为栅氧化层的部分不带电。这样，电介质层103既可以用作栅氧化层，又能用来形成n型区102顶部的感应区域104。
应注意，虽然图2示出了电介质层103与绝缘层105共同作为栅氧化层，但是本领域技术人员均能理解本发明不限于此。例如，栅极106下方可以仅存在电介质层103，而没有绝缘层105。在一些实施方式中，电介质层103可以由高介电常数材料构成。其余图2的结构中与图1相同的部分不再赘述。
图3示出了根据本公开一个或多个示例性实施例的图像传感器制造方法300的流程图。上面结合图1-2所描述的内容也可以适用于对应的特征，下文不再赘述。
具体而言，如图3所示，在步骤310处，在衬底中形成光电二极管，其中所述光电二极管包括从所述衬底的正面延伸到所述衬底中的n型区。
如前所述，衬底和光电二极管的结构和形成工艺等不受限制，而是可以采用本领域已知的任何结构和工艺。前面已经结合图1-2描述了部分特征，在此不再赘述。
可选地，在形成该光电二极管之前，可以通过常规方法形成浅沟槽隔离结构(sti)(图中未示出)，从而限定了各个光电二极管及其对应的晶体管(即对应的像素单元)的区域。在一些实施方式中，在形成sti的过程中或者形成该光电二极管之前，可以在衬底的正面上形成绝缘层。
在步骤320处，在该衬底的正面之上形成电介质层，使得该电介质层在与衬底的正面平行的平面图中与该n型区的至少一部分重叠，其中该电介质层带有负电荷，以使得在该n型区的位于该电介质层下方的区域处形成带有正电荷的感应区域。
在一些实施方式中，还可以在电介质层与n型区之间形成绝缘层，该绝缘层可以与衬底的正面直接接触。在一些实施方式中，还可以在衬底的正面形成用于该光电二极管的晶体管，其中该绝缘层的一部分位于晶体管的栅极下方以用作晶体管的栅氧化层。可替代地或另外地，电介质层的一部分也可以位于该晶体管的栅极下方以用作晶体管的栅氧化层，并且电介质层的位于栅极下方的该部分不带电。
在一些实施方式中，形成电介质层的步骤320可以包括：通过化学气相沉积处理和原子层沉积处理中的至少一种在衬底的正面之上沉积一层高介电常数材料，然后通过刻蚀处理对该层高介电常数材料进行图案化，从而形成该电介质层。在一些实施方式中，可以在沉积电介质层材料的同时进行原位掺杂来使其带负电荷。在另一些实施方式中，可以沉积不带电的电介质层材料，然后对其一部分或全部进行离子注入，即，对电介质层的期望部分或全部注入带负电荷的离子，从而使其带负电荷。
也就是说，在一些实施方式中，形成电介质层的步骤320可以包括：通过化学气相沉积处理和原子层沉积处理中的至少一种在衬底的正面之上沉积一层不带电的电介质材料，然后通过刻蚀处理对该层电介质材料进行图案化，并且对该层电介质材料的与所述n型区重叠的那部分进行离子注入以使该部分具有负电荷，从而形成该电介质层。本发明并不限制该刻蚀处理和离子注入处理的执行顺序。
为了更完整全面地理解本发明，下面将分别以图4a-4c和图5a-5c为例来详细描述如图1和图2所示的图像传感器结构的制造方法的具体示例。本示例特别适用于cmos图像传感器。请注意，这个示例并不意图构成对本发明的限制。例如，本发明并不仅限于图4a-4c和图5a-5c所示出的图像传感器的具体结构，而是对所有有相同需求或设计考量的图像传感器都适用。上面结合图1-3所描述的内容也可以适用于对应的特征。
首先描述图4a-4c。图4a-4c分别示出了在制造如图1所示的图像传感器的一个方法示例的各个步骤处的装置截面示意图。
在图4a处，例如通过本领域常规的技术在衬底101的正面之上形成绝缘层105和栅极106，其中绝缘层105的一部分位于栅极106下方以作为栅氧化层。
然后，在图4b处，从衬底正面透过绝缘层105执行离子注入处理，从而在p型衬底101中形成n型区102，因此形成了光电二极管。如前所述，本发明并不限于图中示出的衬底101和光电二极管的结构，而是可以根据实际应用进行选择。另外，虽然图4a和图4b示出的是在形成n型区102之前形成绝缘层105和栅极106，但是本发明不限于此，例如也可以在n型区102之后通过热氧化处理或沉积处理形成绝缘层105，并且形成栅极106。
然后，在图4c处，可以通过cvd或ald等工艺在衬底101上沉积一层电介质材料，然后通过光刻和刻蚀处理将该电介质材料层图案化，从而保留与n型区102的至少一部分重叠的部分，最终形成图中的电介质层103。如前所述，在一些实施方式中，可以在沉积电介质材料的同时进行原位掺杂来使其带负电荷。或者，可以沉积不带电的电介质材料，然后对其一部分进行离子注入，从而使最终保留的电介质层103的一部分或全部带负电荷。本发明并不限制该离子注入处理与前面图案化处理的操作顺序。
由于该电介质层103带有负电荷，因此在其下的n型区102中形成了相应的感应区域104，其至少部分地隔离了衬底表面的影响，从而带来了降低暗电流等的有益效果。
下面，图5a-5c分别示出了在制造如图2所示的图像传感器的一个方法示例的各个步骤处的装置截面示意图。
在图5a处，例如通过本领域常规的技术在衬底101的正面之上形成了绝缘层105和栅极106，其中绝缘层105的一部分位于栅极106下方以作为栅氧化层的一部分。此外，还通过例如从衬底正面注入掺杂剂来在p型衬底101中形成n型区102，因此形成了光电二极管。
另外，还可以通过cvd或ald等工艺在衬底101之上沉积一层不带电的电介质材料，然后通过光刻和刻蚀处理将该电介质材料层图案化，从而保留与n型区102的至少一部分重叠的部分，形成图中的不带电的电介质层103，该电介质层103的一部分也位于栅极106下方以作为栅氧化层的一部分。
请注意，本发明并不限制n型区102、电介质层103、绝缘层105和栅极106的形成顺序，只要其可实现即可。
然后，在图5b处，对不带电的电介质层103的与n型区102重叠的那部分进行离子注入以使该部分具有负电荷，从而最终形成图5c的电介质层103。如图5c所示，电介质层103的带负电荷的那部分在其下的n型区102中感应出了相应的感应区域104，其至少部分地隔离了衬底表面的影响，从而带来了降低暗电流等的有益效果。
本领域技术人员将理解，除了如图4a-4c和图5a-5c示出的工艺和结构之外，本公开还包括形成图像传感器必需的其它任何工艺和结构。
通过例如上述图4a-4c和图5a-5c分别示出的方法示例，采用本发明的新型结构结合相应的新型工艺，至少能够获得降低暗电流等的有益效果。
在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其他取向上操作。
如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在上述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。
如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪声以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。
另外，前面的描述可能提及了被“连接”或“耦接”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地，除非另外明确说明，“耦接”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦接”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。
另外，仅仅为了参考的目的，还可以在本文中使用“第一”、“第二”等类似术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。
还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。
在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。
本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其他各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。
另外，本公开的实施方式还可以包括以下示例：
1、一种图像传感器，其特征在于，包括：
形成在衬底中的光电二极管，所述光电二极管包括从所述衬底的正面延伸到所述衬底中的n型区；以及
电介质层，放置在所述衬底的正面之上，并且在与所述衬底的正面平行的平面图中与所述n型区的至少一部分重叠，
其中所述电介质层被配置为带有负电荷，以使得在所述n型区的位于所述电介质层下方的区域处形成带有正电荷的感应区域。
2、根据1所述的图像传感器，其特征在于，还包括绝缘层，位于所述衬底的正面之上，并且夹在所述电介质层与所述n型区之间。
3、根据2所述的图像传感器，其特征在于，所述绝缘层的厚度在3到20纳米的范围内。
4、根据2所述的图像传感器，其特征在于，所述绝缘层由硅氧化物构成。
5、根据2所述的图像传感器，其特征在于，还包括用于所述光电二极管的晶体管，其中所述绝缘层的一部分位于所述晶体管的栅极下方以用作所述晶体管的栅氧化层。
6、根据1所述的图像传感器，其特征在于，所述电介质层的厚度在5到20纳米的范围内。
7、根据1所述的图像传感器，其特征在于，所述电介质层的电荷密度在0.2到20c/cm3的范围内。
8、根据1所述的图像传感器，其特征在于，还包括用于所述光电二极管的晶体管，其中所述电介质层的一部分位于所述晶体管的栅极下方以用作所述晶体管的栅氧化层，并且所述电介质层的位于所述晶体管的栅极下方的所述部分不带电。
9、根据1所述的图像传感器，其特征在于，所述电介质层由高介电常数材料形成。
10、根据9所述的图像传感器，其特征在于，所述高介电常数材料选自如下中的至少一种：hfo2、al2o3、hfo2-al2o3、hfsio、hftao、hftio、hfzro、zro2。
11、一种用于制造图像传感器的方法，其特征在于，包括：
在衬底中形成光电二极管，其中所述光电二极管包括从所述衬底的正面延伸到所述衬底中的n型区；以及
在所述衬底的正面之上形成电介质层，使得所述电介质层在与所述衬底的正面平行的平面图中与所述n型区的至少一部分重叠，其中所述电介质层带有负电荷，以使得在所述n型区的位于所述电介质层下方的区域处形成带有正电荷的感应区域。
12、根据11所述的方法，其特征在于，还包括在所述衬底的正面之上形成绝缘层，其中所述绝缘层夹在所述电介质层与所述n型区之间。
13、根据12所述的方法，其特征在于，所述绝缘层的厚度在3到20纳米的范围内。
14、根据12所述的方法，其特征在于，所述绝缘层由硅氧化物构成。
15、根据12所述的方法，其特征在于，还包括在所述衬底的正面形成用于所述光电二极管的晶体管，其中所述绝缘层的一部分位于所述晶体管的栅极下方以用作所述晶体管的栅氧化层。
16、根据11所述的方法，其特征在于，所述电介质层的厚度在5到20纳米的范围内。
17、根据11所述的方法，其特征在于，所述电介质层的电荷密度在0.2到20c/cm3的范围内。
18、根据11所述的方法，其特征在于，还包括在所述衬底的正面形成用于所述光电二极管的晶体管，其中所述电介质层的一部分位于所述晶体管的栅极下方以用作所述晶体管的栅氧化层，并且所述电介质层的位于所述晶体管的栅极下方的所述部分不带电。
19、根据11所述的方法，其特征在于，所述电介质层由高介电常数材料形成。
20、根据19所述的方法，其特征在于，所述高介电常数材料选自如下中的至少一种：hfo2、al2o3、hfo2-al2o3、hfsio、hftao、hftio、hfzro、zro2。
21、根据19所述的方法，其特征在于，形成所述电介质层的步骤包括：通过化学气相沉积处理和原子层沉积处理中的至少一种在所述衬底的正面之上沉积一层高介电常数材料，然后通过刻蚀处理对该层高介电常数材料进行图案化，从而形成所述电介质层。
22、根据18所述的方法，其特征在于，形成所述电介质层的步骤包括：通过化学气相沉积处理和原子层沉积处理中的至少一种在所述衬底的正面之上沉积一层不带电的电介质材料，然后通过刻蚀处理对该层电介质材料进行图案化，并且对该层电介质材料的与所述n型区重叠的那部分进行离子注入以使该部分具有负电荷，从而形成所述电介质层。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。