用于减少暗电流的凸起电极的制作方法

本发明大体上涉及半导体制造，且特定来说(但非排他性地)，涉及cmos图像传感器。

背景技术：

图像传感器已变得无处不在。它们广泛应用于数字静态相机、蜂窝电话、安全摄像机，以及医疗、汽车及其它应用中。用于制造图像传感器的技术持续以迅猛的速度进步。举例来说，对更高分辨率及更低功耗的需求已促进这些装置的进一步微型化及集成化。

典型的图像传感器如下操作。来自外部场景的图像光入射在图像传感器上。图像传感器包含多个光敏元件，使得每一光敏元件吸收一部分入射图像光。包含在图像传感器中的光敏元件(例如光电二极管)各自在吸收图像光时产生图像电荷。产生的图像电荷量与图像光的强度成比例。产生的图像电荷可用于产生表示外部场景的图像。

低暗电流是重要的像素性能度量。由于在图像传感器中积累的非所要电荷，暗电流可能导致图像失真。图像传感器中存在许多暗电流源，但是在形成隔离沟槽期间对半导体晶格的损坏具有显着影响。

技术实现要素：

本发明的一方面涉及一种图像传感器，其包括：多个光电二极管，其安置在半导体材料中以将图像光转换为图像电荷；浮动扩散区，其安置在所述半导体材料中；多个转移栅极，其耦合在所述多个光电二极管与所述浮动扩散区之间，以将所述多个光电二极管中产生的所述图像电荷转移到所述浮动扩散区中；及外围电路，其靠近所述多个光电二极管安置并且经耦合以从所述多个光电二极管接收所述图像电荷，其中浅沟槽隔离结构至少部分地横向安置在所述多个光电二极管与所述外围电路之间以防止所述多个光电二极管与所述外围电路之间的电串扰，其中所述外围电路包含：一或多个晶体管，其包含在所述半导体材料的表面上方凸起的源极电极及漏极电极，其中所述源极电极及所述漏极电极包含安置在所述半导体材料的所述表面上的硅。

在本发明的另一方面中，一种图像传感器系统包括：多个光电二极管，其安置在半导体材料中以将图像光转换为图像电荷；浮动扩散区，其安置在所述半导体材料中；多个转移栅极，其耦合在所述多个光电二极管与所述浮动扩散区之间，以将所述多个光电二极管中产生的所述图像电荷转移到所述浮动扩散区中；及外围电路，其靠近所述多个光电二极管安置并且经耦合以从所述多个光电二极管接收所述图像电荷，其中浅沟槽隔离结构至少部分地横向安置在所述多个光电二极管与所述外围电路之间以防止所述多个光电二极管与所述外围电路之间的电串扰，其中所述外围电路包含：读出电路的至少部分，其经耦合以读出所述多个光电二极管中的图像电荷；控制电路的至少部分，其经耦合以控制所述多个光电二极管的图像光捕获；及一或多个晶体管，其包含在所述读出电路中，所述一或多个晶体管具有在所述半导体材料的表面上方凸起的源极电极及漏极电极，其中所述源极电极及所述漏极电极包含安置在所述半导体材料的所述表面上的硅。

附图说明

参考以下诸图描述本发明的非限制性及非穷尽实例，其中相似参考数字贯穿各种视图指代相似部分，除非另有规定。

图1a说明根据本发明的教示的包含凸起电极及浅沟槽隔离的图像传感器。

图1b说明根据本发明的教示的可包含在图1a的图像传感器中的外围电路的横截面(例如，沿线a-a')。

图1c说明根据本发明的教示的可包含在图1a的图像传感器中的外围电路的横截面(例如，沿线b-b')。

图2说明根据本发明的教示的可包含图1a到1c的方面的成像系统的一个实例的框图。

图3说明根据本发明的教示的制造图像传感器的方法。

对应参考字符贯穿附图的若干视图指示对应组件。所属领域的技术人员应了解，图式中的元件是出于简单及清楚的目的而说明，且未必是按比例绘制。举例来说，图式中一些元件的尺寸相对于其它元件可被夸大以帮助提高对本发明的各种实施例的理解。此外，为了促进对本发明的这些各种实施例的更容易的观察，通常不描绘在商业上可行的实施例中有用的或必需的常见但众所周知的元件。

具体实施方式

本文描述一种涉及凸起电极以减少暗电流的设备及方法的实例。在以下描述中，阐述众多特定细节以提供对所述实例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，能够在不具有一或多个特定细节的情况下或配合其它方法、组件、材料等等实践本文所描述的技术。在其它情况下，未展示或详细地描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆某些方面。

贯穿本说明书的对“一个实例”或“一个实施例”的参考意指结合实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，贯穿本说明书的各种地方的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”的出现未必皆是指同一实例。此外，特定特征、结构或特性可以任何合适方式组合于一或多个实例中。

为减少暗电流，本发明主要采用两种技术：在图像传感器的外围电路区中提升(在半导体晶片的表面上方)源极/漏极电极，以及使用额外-浅沟槽隔离结构分离图像传感器装置架构的块。由于源极/漏极电极制造在半导体晶片的表面上方(而不是如在常规图像传感器中那样掺杂到晶片中)，由电极在晶片中产生的电场更接近半导体材料的表面定位。这允许在半导体晶片中制造额外浅沟槽隔离结构以分离电路的块。举例来说，在常规的图像传感器中，沟槽隔离结构可能需要延伸到半导体中0.2μm或更多，以有效地阻挡电子在电路的不同块之间行进。由于半导体材料中的断裂键的数目(通过深入蚀刻到半导体中形成)，这些隔离结构可能导致大量的暗电流。相反，此处的沟槽可能需要蚀刻到半导体材料中0.1μm或更小(并且在一些情况下0.6μm或更小)。根据本发明的教示，这些浅沟槽导致半导体材料中较少的断裂键及较少的暗电流。

图1a说明图像传感器100。图像传感器100包含半导体材料101、多个光电二极管103、浮动扩散区105、多个转移栅极107、电触点141及外围电路111。所描绘的外围电路111包含复位晶体管的第一端子(源极)113、复位晶体管的栅极电极115、耦合到浮动扩散区105(平面外连接)的复位晶体管的第二端子(漏极)电极117、源极跟随器晶体管的第一端子119、源极跟随器晶体管的栅极端子121、行选择晶体管的栅极端子123(注意行选择晶体管的第一端子及源极跟随器晶体管的第二端子耦合在栅极端子121与栅极端子123之间)、行选择晶体管的第二端子125(其耦合到位线以读出放大图像电荷信号)、到半导体材料的p+触点127以及浅沟槽隔离结构131。

如所示，多个光电二极管103安置在半导体材料101中以将图像光转换为图像电荷，且浮动扩散区105也安置在半导体材料101中。多个转移栅极107耦合在多个光电二极管103与浮动扩散区105之间以将多个光电二极管103中产生的图像电荷转移到浮动扩散区105。外围电路111靠近多个光电二极管103安置，并且经耦合以从多个光电二极管103接收图像电荷。浅沟槽隔离结构131至少部分横向安置在多个光电二极管103与外围电路111之间以防止多个光电二极管103与外围电路111之间的电串扰。如所示，浅沟槽隔离结构131也安置在复位晶体管的第一端子(源极)113与复位晶体管的栅极端子115/漏极端子117之间。然而，在其它实例中，浅沟槽隔离结构131可隔离(例如，至少部分地环绕)图1a中描绘的电触点113到127中的任何者。

外围电路111包含一或多个晶体管(例如，上面论述的各种晶体管)，其包含在半导体材料的表面上方凸起的源极电极及漏极电极(图1a及1b中所说明)。在一些实例中，源极电极及漏极电极包含外延沉积的硅，并且安置在半导体材料111的表面上。此外，为增强导电性，可经由离子植入来掺杂源极电极及漏极电极。掺杂元素可包括硼、砷、磷或类似物。

如上文陈述，外围电路可包含耦合到浮动扩散区105的复位晶体管(其包含第一端子113、栅极电极115及第二端子117)，以响应于转移信号来复位浮动扩散区105中的图像电荷。外围电路还可包含源极跟随器晶体管(例如，所描绘的源极119及栅极电极121)，其中源极跟随器晶体管的栅极端子121耦合到浮动扩散区105(例如，经由触点141)以输出图像电荷的放大信号。行选择晶体管(包含栅极端子123及第二/漏极端子125)经耦合以将放大信号输出到读出位线。

外围电路111还包含耦合到半导体材料101的p+触点127，其可在半导体材料111的表面上方凸起。p+触点127包含安置在半导体材料101的表面上的外延硅。在一些实例中，浅沟槽隔离结构131可横向安置在p+触点127的相对侧上，以电隔离p+触点127。

图1b说明可包含在图1a的图像传感器中的外围电路的横截面(例如，沿线a-a')。受益于本发明的所属领域的一般技术人员将了解，所描绘的电触点可或可不对应于图1a中所描绘的触点，这取决于所采用的图像传感器外围电路的特定架构。

所描绘的是实例晶体管的源极电极163、漏极电极165及栅极电极167(具有绝缘区145)。还描绘额外电极161(例如，p+触点或类似者)，并且通过浅沟槽隔离结构131与实例晶体管横向分离。换句话说，根据本发明的教示的图像传感器可包含外围电路区中的多个晶体管，且多个晶体管中的一些个别晶体管通过浅沟槽隔离结构131彼此电隔离。浅沟槽隔离结构131可安置在个别晶体管的个别源极电极与个别漏极电极(例如，源极电极163与电极161)之间。在一些实例中，所描绘的晶体管可至少部分地被浅沟槽隔离结构131环绕。所有电极161到165通过电触点141接触，电触点141可包含钨、铜、硅化物或类似物。电触点141延伸通过隔离层143，并且隔离层143安置在半导体材料101上，使得源极电极及漏极电极161到165安置在半导体材料101与隔离层143之间。如所示，源极电极及漏极电极(例如，电极161到165)在半导体材料表面上方凸起达至少然而，在其它实例中，电极161到165可在半导体材料101的表面上方凸起多达如所描绘，凸起电极可在栅极电极167下面产生更加逐渐倾斜及较不极端的电场。另外，凸起电极可用作蚀刻停止层，因此当将用于电触点141的沟槽蚀刻到隔离层143中时可避免对半导体材料101的损坏。因此减少或消除暗电流的另一原因。

如所示，源极电极及漏极电极在半导体材料101的表面上方凸起，并且耗尽区(从栅极电极167下面延伸的线)在半导体材料101的下方形成。在所描绘的实例中，大部分耗尽区从半导体材料101的表面(例如，顶表面)延伸到半导体材料101中达第一深度。浅沟槽隔离结构131从半导体材料131的表面延伸到半导体材料131中达第二深度(例如，0.1μm或更小)，并且第二深度大于第一深度。换句话说，大部分耗尽区不延伸到半导体材料131中超过浅沟槽隔离结构131。在所描绘的实例中，浅沟槽隔离结构131也具有0.1μm或更小的宽度。

图1c说明可包含在图1a的图像传感器中的外围电路的横截面(例如，沿线b-b')。受益于本发明的所属领域的一般技术人员将了解，所描绘的电触点可或可不对应于图1a中描绘的触点，这取决于所采用的图像传感器外围电路的特定架构。

如所描绘，沟槽隔离结构131至少部分地横向安置在多个光电二极管103与外围电路111之间，以防止多个光电二极管103与外围电路111之间的电串扰。沟槽隔离结构131也可(如所描绘)安置在与光电二极管103相对的外围电路的横向侧上。由于浅沟槽隔离结构131没有如常规沟槽那样深地蚀刻到半导体材料101中，所以沟槽表面上的悬空键较少，从而导致较少的电荷(暗电流)可以进入像素。通过外围电路中的凸起源极/漏极电极(例如，电极125)使这些额外浅沟槽成为可能。

浅沟槽隔离结构131可包含氧化物、半导体材料或金属。举例来说，浅沟槽隔离结构131可包含氧化铪外部及经耦合以接收偏置的金属芯—其进一步减少图像传感器中的暗电流。换句话说，氧化铪(或另一种高k氧化物)可安置在半导体材料101与浅沟槽隔离结构131的中心处的金属之间。替代地，浅沟槽隔离结构131可包含低k氧化物，如氧化硅或类似物。

图2说明可包含图1a到1c的方面的成像系统的一个实例的框图。成像系统200包含像素阵列205、控制电路221、读出电路211及功能逻辑215。在一个实例中，像素阵列205是光电二极管或图像传感器像素(例如，像素p1、p2…、pn)的二维(2d)阵列。如所说明，光电二极管布置成行(例如，行r1到ry)及列(例如，列c1到cx)以获取人员、位置、对象等等的图像数据，所述图像数据可随后用于呈现人员、位置、对象等等的2d图像。然而，光电二极管不必被布置成行及列，并且可以采取其它配置。

在一个实例中，在像素阵列205中的每一图像传感器光电二极管/像素已获取其图像数据或图像电荷之后，所述图像数据由读出电路211读出且随后被转移到功能逻辑215。在各种实例中，读出电路211可包含放大电路、模/数(adc)转换电路或其它电路。功能逻辑215可仅存储图像数据或甚至通过应用后图像效果(例如，自动聚焦、裁剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或以其它方式)操纵图像数据。在一个实例中，读出电路211可沿读出列线一次读出一行图像数据(已说明)或可使用各种其它技术读出图像数据(未说明)，例如，串行读出或同时完全并行读出全部像素。

在一个实例中，控制电路221耦合到像素阵列205以控制像素阵列205中的多个光电二极管的操作。举例来说，控制电路221可产生用于控制图像获取的快门信号。在所描绘的实例中，所述快门信号是全局快门信号，其用于同时启用像素阵列205内的所有像素以在单个获取窗口期间同时获取其相应图像数据。在另一实例中，图像获取与照明效果(例如闪光)同步。

在一个实例中，成像系统200可包含于数码相机、手机、膝上型计算机、汽车或类似物中。另外，成像系统200可耦合到其它硬件块，例如处理器(通用或其它)、存储器元件、输出(usb端口、无线发射器、hdmi端口等等)、照明/闪光、电输入(键盘、触摸显示器、跟踪板、鼠标、麦克风等等)及/或显示器。其它硬件块可将指令传送到成像系统200，从成像系统200提取图像数据，操纵由成像系统200供应的图像数据。

图3说明制造图像传感器的方法300。受益于本发明的所属领域的一般技术人员将了解，过程框可以任何顺序出现，甚至可并行出现。此外，根据本发明的教示，可将框添加到方法300并且可从方法300移除框。

框301展示提供半导体材料(例如，半导体材料101)，所述半导体材料包含安置在半导体材料中的多个光电二极管。在一个实例中，可经由离子植入或类似者在半导体材料中形成光电二极管。半导体材料还可包含靠近多个光电二极管安置的浮动扩散区。

框303说明在半导体材料的表面上外延生长硅。硅可通过化学气相沉积、分子束外延或类似者来生长。

框305描绘蚀刻掉部分硅以在外围电路中形成晶体管电极。还可通过蚀刻掉部分硅(例如，多个转移晶体管的栅极电极)来形成其它装置架构块。在蚀刻步骤之前或之后，可将掺杂剂植入到外延硅中。

框307展示在半导体材料中蚀刻浅沟槽隔离结构。可使用湿式蚀刻或干式蚀刻来实现蚀刻。在一些实例中，浅沟槽隔离结构的宽度及深度可为0.1μm或更小。在蚀刻之后，浅沟槽隔离结构可用氧化物、半导体材料及/或金属回填。

不希望本发明的所说明的实例的以上描述(包含摘要中所描述的内容)为穷尽性或将本发明限于所揭示的具体形式。尽管本文描述本发明的特定实例是出于说明性目的，但所属领域的技术人员将认识到，在本发明范围内各种修改是可能的。

依据以上详细描述可对本发明做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于本说明书中所揭示的特定实例。而是，本发明的范围全部由所附权利要求书确定，所附权利要求书应根据权利要求解释的既定原则来解释。