具有低泄漏电流的图像传感器的浮动扩散部的制作方法

本发明一般来说涉及半导体装置，且特定来说但非排他地，涉及cmos图像传感器。

背景技术：

图像传感器已变得无所不在。其广泛地用于例如静态相机、蜂窝式电话、摄像机等数字装置中以及医疗、汽车、安全及其它应用中。用于制造图像传感器的技术一直继续快速地进展。举例来说，对较高分辨率及较低电力消耗的需求已促进了这些装置的进一步小型化及集成。

典型图像传感器如下操作。来自外部场景的图像光入射于图像传感器上。图像传感器包含多个光敏元件，使得每一光敏元件吸收入射图像光的一部分。包含于图像传感器中的光敏元件(例如光电二极管)各自在吸收图像光后即刻产生图像电荷。所产生的图像电荷量与图像光的强度成比例。所产生的图像电荷可用于产生表示外部场景的图像。

然而，随着图像传感器的小型化进展，图像传感器架构内的缺陷变得更加显而易见且可降低图像的图像质量。举例来说，图像传感器的特定区域内的过多电流泄漏可导致高暗电流、传感器噪声、白色像素缺陷等等。这些缺陷可使来自图像传感器的图像质量显著劣化，此可导致经降低合格率及较高生产成本。

技术实现要素：

在一个方面中，本申请案针对于一种图像传感器，其包括：光电二极管，其安置于半导体材料中以响应于入射光而产生图像电荷；浮动扩散区域，其接近于所述光电二极管而安置于所述半导体材料中，其中所述浮动扩散区域由所述半导体材料的第一经掺杂区域至少部分地环绕；所述半导体材料的第二经掺杂区域及第三经掺杂区域，其各自具有与所述浮动扩散区域及所述第一经掺杂区域相反的极性，其中所述浮动扩散区域以及所述第一经掺杂区域的至少一部分横向安置于所述第二经掺杂区域与所述第三经掺杂区域之间；及第一电容器，其接近于所述第一经掺杂区域与所述第二经掺杂区域之间的第一界面或接近于所述第一经掺杂区域与所述第三经掺杂区域之间的第二界面而定位。

附图说明

参考以下各图描述本发明的非限制性及非穷尽性实例，其中除非另有规定，否则在所有各个视图中相似参考编号指代相似部件。

图1a是根据本发明的教示的实例性图像传感器的俯视图解说明。

图1b是根据本发明的教示的如沿着线a-a′切割的图1a中的图像传感器的横截面图解说明。

图1c是根据本发明的教示的如沿着线b-b′切割的图1a中的图像传感器的横截面图解说明。

图2展示根据本发明的教示的可包含图1a到1c的图像传感器的实施例4t单位像素单元的电路图。

图3是图解说明根据本发明的教示的可包含图1a到1c的图像传感器的成像系统的一个实例的框图。

贯穿图式的数个视图，对应参考字符指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是为简单及清晰起见而图解说明的，且未必按比例绘制。举例来说，为帮助改进对本发明的各种实施例的理解，各图中的元件中的一些元件的尺寸可相对于其它元件而被放大。而且，通常不描绘商业上可行的实施例中有用或必需的常见而众所周知的元件以便促进对本发明的这些各种实施例的较不受阻碍的观看。

具体实施方式

本文中描述用于图像传感器的设备的实例，所述图像传感器包含具有低泄漏电流的浮动扩散部。在以下描述中，陈述众多特定细节以提供对实例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在不具有所述特定细节中的一或多者的情况下实践或者可利用其它方法、组件、材料等来实践。在其它实例中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免使特定方面模糊。

在本说明书通篇中对“一个实例”或“一个实施例”的提及意指结合所述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，在本说明书通篇的各个位置中短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”的出现未必全部指代同一实例。此外，在一或多个实例中可以任何适合方式组合所述特定特征、结构或特性。

贯穿本说明书，使用数个技术术语。这些术语将呈现其在其所属领域中的普通含义，除非本文中另外具体定义或其使用的上下文将另外清晰地暗示。应注意，在本文件中，元件名称及符号可互换地使用(例如，si与硅)；然而，此两者具有相同含义。

在一些实施例中，描述包含具有低泄漏电流的浮动扩散区域的图像传感器。最小化或减少图像传感器的浮动扩散区域处或附近的泄漏电流可促进图像质量的提高、合格率的增大及操作寿命的增加。举例来说，浮动扩散区域处或附近的泄漏电流可由于例如高暗电流、白色像素缺陷、低信噪比等等缺点而影响由读出电路从浮动扩散区域读出的信号。举例来说，白色像素缺陷可与来自经受制作期间的机械应力、装置操作期间的电应力或其组合的区域的电流泄漏有关。当图像电荷、图像数据或图像信号在读出之前被存储于浮动扩散区域内达长时间周期(例如0.1毫秒)时，泄漏电流可为尤其显著的问题。因此，利用全局快门架构及/或横向溢出积分电容器的一些图像传感器可能由于其倾向于存储图像电荷达经延长时间周期而易于出现由泄漏电流引起的这些问题。然而，本发明的实施例通过利用本文中所描述的图像传感器架构而减轻或减少此类问题。举例来说，这些实施例可允许增加的满阱容量及随之改进的高动态范围。

本发明的实施例利用具有各种特征的图像传感器架构以形成包含具有低泄漏电流的浮动扩散部的图像传感器。举例来说，在一些实施例中，浮动扩散区域为半导体材料内的n+植入区域。n+植入区域可在半导体材料的至少部分地环绕n+植入区域的nldd(n型经轻掺杂漏极)区域内具有植入损坏。植入损坏可因制作技术(例如，用以形成n+植入区域的植入)所致且对应于图像传感器的可导致泄漏电流的机械应力或损坏区。在一些实施例中，可通过并入半导体材料的至少部分地环绕nldd区域的n-经掺杂区域而至少部分地减轻植入损坏的影响。随后，将nldd区域安置于n-经掺杂区域与n+植入区域之间。n+植入区域、nldd区域及n-经掺杂区域的所描述配置可导致接近于n+区域的耗尽区域(例如，来自转移晶体管、复位晶体管等等)不延伸到具有植入损坏的区域(例如，nldd区域)中(且因此可不受所述区域影响)。

在相同或其它实施例中，浮动扩散区域由电容器至少部分地环绕，所述电容器经偏置到负电压以屏蔽(例如，半导体材料的)si表面。负偏置可防止si表面被耗尽。在一个实施例中，经负偏置电容器(例如，mos电容器)用于对位于半导体材料的表面附近或所述表面处且接近于浮动扩散区域(例如，n+植入区域)的表面-界面陷阱进行淬火。接近于半导体材料的表面的经陷获位点、悬挂键等等可增加图像传感器的暗电流。可通过电容器而部分地减轻归因于表面-界面陷阱的暗电流的此增加。在一些实施例中，电容器可为金属氧化物半导体(mos)电容器，其中金属可为多晶硅(多晶si)、钨(w)等等，氧化物可为例如sio2(例如，热生长或沉积于半导体材料上)的电介质且半导体可对应于半导体材料的一部分。

在一些实施例中，氮化硅(si3n4)侧壁沉积于作为绝缘体的栅极电极(例如，转移栅极、复位栅极等等)与图像传感器的化学势垒之间的界面处。然而，氮化硅侧壁可导致对半导体材料的额外机械应力，从而导致晶体缺陷及可能经增加泄漏电流。因此，在一些实施例中，可在图像传感器架构中明确省略氮化硅侧壁，使得si3n4不涂覆栅极电极的侧壁。而是，nldd区域可直接延伸到栅极电极的侧壁。

在相同或其它实施例中，浮动扩散区域(例如，n+植入区域)由半导体的p+经掺杂区域至少部分地环绕。p+经掺杂区域由半导体的p-经掺杂区域至少部分地环绕，使得p-区域安置于n+植入区域与p+区域之间。由p-区域环绕的p+区域充当用以吸引半导体材料内的杂质的吸除区域。举例来说，金属或重金属杂质可从半导体材料朝向p+区域迁移或扩散以降低其能量。因此，由p-区域环绕的p+区域可用于减少由杂质导致的产生-复合中心，所述产生-复合中心可为泄漏电流或白色像素缺陷的来源。

图1a到1c为根据本发明的教示的包含具有低泄漏电流的浮动扩散部的实例性图像传感器100的俯视及横截面图解说明。如图1a到1c中将展示，图像传感器100包含半导体材料101、光电二极管103、钉扎层106、p阱107、浮动扩散部109、栅极电介质110、第一经掺杂区域111、第二经掺杂区域117、第三经掺杂区域123、第一电容器153、第二电容器163、转移栅极171及复位栅极175。第一经掺杂区域111包含第一部分113及第二部分115。第二经掺杂区域117及第三经掺杂区域123各自分别包含第三部分121/127及第四部分119/125。第一电容器153包含第一介电层155及第一电极157。第二电容器包含第二介电层165及第二电极167。

在一些实施例中，可利用多种材料及制作技术来形成图像传感器100。半导体材料101可具有si组合物(例如，单晶体或多晶si)。第一电极157及/或第二电极167可具有包含钨或多晶硅的组合物。第一介电层155及第二介电层165可具有sio2、hfo2或由所属领域的技术人员已知的任何其它适合介电介质的组合物。其它金属、半导体及绝缘材料也可用于图像传感器100，如由所属领域的技术人员已知。半导体材料101的经掺杂区域可通过扩散、植入等等而形成。可利用例如由所属领域的技术人员已知的光刻、化学蚀刻、离子植入、热蒸发、化学气相沉积、溅镀等等制作技术来制作图像传感器100。

图1a是根据本发明的教示的图像传感器100的俯视图解说明。如所图解说明，将沿着彼此正交的两个方向描述图像传感器100。第一方向为沿着线a-a′且第二方向为沿着线b-b′。

图1b是根据本发明的教示的如沿着线a-a′切割的图1a中的图像传感器100的横截面图解说明。如所图解说明，光电二极管103安置于半导体材料101中以响应于入射光而产生图像电荷。在一些实施例中，光电二极管103可为经钉扎或部分经钉扎光电二极管，其中钉扎层106安置于半导体材料101的第一侧102与光电二极管103之间。半导体材料101具有与第二侧104相对的第一侧102。钉扎层106可通过抑制接近于半导体材料101的第一侧102的表面-界面陷阱而减少暗电流且增加光电二极管103的量子效率。

如所图解说明，转移栅极171电耦合于光电二极管103与浮动扩散区域109之间。由光电二极管103产生的图像电荷可响应于被施加到转移栅极171的转移信号而被转移到浮动扩散区域109。在一些实施例中，转移栅极为垂直转移栅极。换句话说，转移栅极可为垂直晶体管的一部分。类似地，复位栅极175电耦合到浮动扩散区域109以响应于被施加到复位栅极175的复位信号而从浮动扩散区域109汲取图像电荷。如所图解说明，栅极电介质110安置于半导体材料101的第一侧102与转移栅极171及复位栅极175两者之间。

在所图解说明实施例中，浮动扩散区域109接近于光电二极管103而安置于半导体材料101中。更具体来说，在一些实施例中，浮动扩散区域109及光电二极管103沿着第一方向a-a′定向。浮动扩散区域由半导体材料的第一经掺杂区域111至少部分地环绕。第一经掺杂区域111可包含安置于浮动扩散区域109与第一经掺杂区域111的第二部分115之间的第一部分113。在一些实施例中，半导体材料101的第一掺杂浓度从浮动扩散区域109到第一经掺杂区域111的第二部分115降低。举例来说，在一些实施例中，浮动扩散区域109具有n+掺杂分布，第一部分113具有n型经轻掺杂分布(例如，n型经轻掺杂漏极)，且第二部分115具有n-掺杂分布。

在一些实施例中，第一经掺杂区域111及浮动扩散区域109的配置通过使植入损坏远离耗尽区域而减少泄漏电流。举例来说，在一些实施例中，浮动扩散区域109及第一经掺杂区域111可至少部分地安置于p阱107内。因此，如所图解说明，第一经掺杂区域111的第二部分115接近于p阱107而安置。耗尽区域可对应于半导体材料101的其中第二部分115(n型)与p阱107(p型)介接的区域(例如，位于转移栅极171下方的界面135及/或位于复位栅极175下方的界面139)。植入损坏(例如，来自用于制作浮动扩散区域109的植入技术)可延伸到第一部分113中但不延伸到第二部分115中。换句话说，接近于光电二极管103(例如，靠近半导体材料101的第一侧102且介于浮动扩散区域109与光电二极管103之间)的耗尽区域不延伸到存在可能植入损坏的浮动扩散区域109中。因此，第二部分115可充当势垒且限制植入损坏对耗尽区域的影响。未耗尽区域(例如，浮动扩散区域109及第一部分113)中的植入损坏不应对暗电流具有负面影响或引入白色像素缺陷。

图1c是根据本发明的教示的如沿着线b-b′切割的图1a中的图像传感器100的横截面图解说明。如所图解说明，图像传感器100的半导体材料101包含第二经掺杂区域117及第三经掺杂区域123。在一些实施例中，第二经掺杂区域117及第三经掺杂区域123具有与浮动扩散区域109及第一经掺杂区域111(例如，第一部分113及第二部分115)相反的极性。在一些实施例中，浮动扩散区域109及第一经掺杂区域111为n型(例如，电子浓度比空穴浓度大)，而第二经掺杂区域117及第三经掺杂区域127为p型(例如，空穴浓度比电子浓度大)。

如所图解说明，浮动扩散区域109以及第一经掺杂区域111的至少一部分(例如，第一部分113的一部分及第二部分115的一部分)横向安置于第二经掺杂区域117与第三经掺杂区域123之间。在一些实施例中，浮动扩散区域109、第一经掺杂区域111(例如，第一部分113及第二部分115)、第二经掺杂区域117及第三经掺杂区域123延伸到半导体材料101的第一侧102。

在相同或其它实施例中，第二经掺杂区域117可包含第三部分121及第四部分119。第三经掺杂区域123也可包含第三部分127及第四部分125。如所图解说明，第三部分121可由第四部分119至少部分地环绕。类似地，第三部分127也可由第四部分125至少部分地环绕。第三部分121/127可具有p+掺杂分布或浓度，而第四部分119/125可具有p-掺杂分布或浓度。

第二经掺杂区域117及第三经掺杂区域123可表示用以吸收半导体材料101中的杂质的吸除位点。举例来说，半导体材料101内的杂质或缺陷可积极地从第一经掺杂区域111转移到第二经掺杂区域117或第三经掺杂区域123。通过提供供杂质驻存或扩散到的积极有利位置(例如，第三部分121/127)，可至少部分地减轻此类杂质对图像传感器100的泄漏电流的影响。

在一些实施例中，第一经掺杂区域111的第二部分115沿着半导体材料101的第一侧102横向延伸。第二部分115可在第一界面134处与第二经掺杂区域汇合或介接。类似地，第二部分115可在第二界面138处与第三经掺杂区域123汇合或介接。

在相同或其它实施例中，第一电容器153及第二电容器163可接近于第一界面134及第二界面138而安置。举例来说，第一电容器153可接近于第一经掺杂区域111(例如，第一部分113及第二部分115)与第二经掺杂区域117之间的第一界面134而定位。在其它实施例中，第一电容器153可接近于第一经掺杂区域111与第三经掺杂区域123之间的第二界面138而定位。在又其它实施例中，图像传感器100可包含第一电容器153及第二电容器163。第一电容器153可接近于第一界面134而定位且第二电容器163可接近于第二界面138而定位。如所图解说明，第一电容器153可至少从第一经掺杂区域111的第一部分115横向延伸到第二经掺杂区域117的第三部分121。类似地，第二电容器153可至少从第一经掺杂区域111的第一部分115横向延伸到第三经掺杂区域123的第三部分127。此外，第一电容器153、第二电容器163及浮动扩散区域109沿着第二方向b-b′定向。第二方向正交于第一方向。

在一些实施例中，第一电容器153及第二电容器163为金属氧化物半导体(mos)电容器。举例来说，第一电容器153可包含第一介电层155及第一电极157。半导体材料101的接近于第一介电层153而安置的第一分段可被视为第一电容器153的半导体部分。第一分段接近于第一界面134而定位。如所图解说明，第一介电层155安置于第一电极157与半导体材料的第一分段之间。更具体来说，第一介电层155可从第一电极157延伸到半导体材料101的第一侧102且安置于第一电极157与第一界面134之间。第二电容器163可包含第二介电层165及第二电极167。类似地，半导体材料101的接近于第二介电层165而安置的第二分段可被视为第二电容器163的半导体部分。第二分段接近于第二界面138而定位。如所图解说明，第二电容器163可具有与第一电容器153类似的元件位置配置。更具体来说，第二介电层165可安置于第二电极167与第二界面138之间。

在一些实施例中，第一电容器153及/或第二电容器163可用于屏蔽半导体材料101免受可接近于半导体材料101的第一侧102及相应第一电容器153或第二电容器163而定位的晶体缺陷、表面-界面电荷陷阱、悬挂键、杂质等等。举例来说，在一些实施例中，第一电容器153电耦合到第二电容器163且接近于半导体材料101的第一侧102而定位。因此，响应于被施加到第一电容器153及第二电容器163的偏置(例如，负偏置)，可跨越第一侧102而在浮动扩散区域109与第一界面134之间或浮动扩散区域109与第二界面138之间横向诱导空穴。这些所产生空穴可对接近于半导体材料101的第一侧102的表面-界面陷阱状态进行淬火。对表面-界面陷阱状态进行淬火可防止所述陷阱状态影响图像传感器100的泄漏电流(例如，暗电流、白色像素缺陷等)。

图2展示根据本发明的教示的可包含图1a到1c的图像传感器100的实施例4t单位像素单元的电路图。4t单位像素单元可包含光电二极管103、转移栅极/晶体管171、浮动扩散区域109、复位栅极/晶体管175、源极跟随器晶体管285、行选择晶体管287及存储节点结构(ss)253。ss253可耦合到一或多个电容器(例如，图1a到1c的第一电容器153及第二电容器163)。

在光电二极管103的读出操作期间，转移晶体管171接收转移信号，所述转移信号致使转移晶体管171将在光电二极管103中积累的图像电荷转移到浮动扩散区域109。在一些实施例中，在浮动扩散区域109正存储图像电荷时，可将偏置(例如，负偏置)施加到ss253以便诱导空穴对表面-界面陷阱位点进行淬火以减轻从浮动扩散部109非故意地泄漏的图像电荷。复位晶体管rst175耦合到浮动扩散区域109以响应于复位信号或在所述复位信号的控制下进行复位(例如，将浮动扩散区域109放电或充电到预设电压)。浮动扩散区域还耦合到源极跟随器晶体管sf285的栅极，所述源极跟随器晶体管又耦合到行选择晶体管rs287。sf285操作为源极跟随器，从而提供从浮动扩散区域209的高阻抗输出。rs287在行选择信号的控制下将像素电路的输出选择性地耦合到列位线。在一些实施例中，转移信号、复位信号及行选择信号由控制电路(未图解说明)产生。

图3是图解说明根据本发明的教示的可包含图1a到1c的图像传感器100的成像系统300的一个实例的框图。成像系统300包含像素阵列310、读出电路316、功能逻辑320及控制电路324。在一个实施例中，像素阵列310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。如所图解说明，光电二极管被布置成若干行(例如，行r1到ry)及若干列(例如，列c1到cx)以获取人、地点、物体等的图像数据，所述图像数据接着可用于再现所述人、地点、物体等的2d图像。然而，光电二极管未必被布置成若干行及若干列，而是可采取其它配置。

在一个实例中，在像素阵列310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，图像数据由读出电路316读出且接着被传送到功能逻辑320。在各种实例中，读出电路316可包含放大电路、模/数(adc)转换电路或其它。功能逻辑320可简单地存储所述图像数据或甚至通过应用图像后效果(例如，剪裁、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵所述图像数据。在一个实例中，读出电路316可沿着读出列线一次读出一行图像数据(所图解说明)或可使用多种其它技术(未图解说明)读出图像，例如串行读出或同时全并行读出所有像素。

在另一实施例中，控制电路324耦合到像素阵列310以控制像素阵列310中的多个光电二极管的操作。举例来说，控制电路324可产生用于控制图像获取的快门信号。在所描绘实例中，所述快门信号是用于同时启用像素阵列310内的所有像素以在单个获取窗期间同时捕获其相应图像数据或图像电荷的全局快门信号。在另一实施例中，图像获取与例如闪光灯等照明效应同步。

包含发明摘要中所描述内容的本发明的所图解说明实例的以上描述并非打算为穷尽性的或将本发明限制于所揭示的精确形式。尽管出于说明性目的而在本文中描述了本发明的特定实例，但如所属领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种修改。

可鉴于以上详细描述对本发明做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应理解为将本发明限制于本说明书中所揭示的特定实例。而是，本发明的范围将完全由所附权利要求书来确定，所述权利要求书将根据所创建的权利要求解释原则来加以理解。