本发明专利技术提供了一种尤其在远红外到红外波长下具有高灵敏度和低串扰的ＣＭＯＳ图像传感器、以及制造ＣＭＯＳ图像传感器的方法。ＣＭＯＳ图像传感器具有衬底、在衬底之上的外延层以及延伸到外延层中用于接收光线的多个象素。该图像传感器还包括位于衬底和外延层之间用于阻止衬底中产生的载流子移动到外延层的水平阻挡层和位于多个象素的相邻象素之间用于阻止电子在外延层中的侧向扩散的多个侧向阻挡层中的至少一个。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种图像传感器，尤其是一种减少串扰的CMOS图像传感器。
技术介绍
CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器在远红外到红外波长范围内(从约700nm到约1mm)遭受降低的灵敏度和增大的串扰的问题，这是因为在这些波长下的吸收深度比象素深度更大。因为入射到图像传感器的光线穿透到远低于传感器的硅表面的位置，然后在衬底深层产生电子-空穴对，所以发生增大的串扰。这些深度远低于象素采集的范围，并且光产生的载流子由此在所有方向上自由扩散。用于通常使用的衬底的电子扩散长度约为5μm，并且对于电子来说相当容易扩散到相邻的象素而引起串扰。在低掺杂epi(外延)层中的扩散长度可能更大，这在不正确设计的图像传感器中还可能具有更严重的串扰后果。因为深层产生的载流子中的许多会在衬底中重新结合而损失，所以CMOS图像传感器在远红外到红外波长范围内的灵敏度亦降低。在CMOS图像传感器中用于降低串扰的结构通常是基于制造更好的用于可见光的相机芯片的技术。经常地，以这样的方式设计图像传感器的掺杂分布，使得未耗尽区域中的准电场将载流子推回到光电二极管中。用于降低图像传感器中串扰的已知结构的示例包括提供深阵列注入、在衬底顶部设置薄的轻掺杂层、在蓝色和绿色象素下方但不在红色象素下方注入深P+层，以及设置一些形式的多层结构。这样的结构虽然在降低串扰方面具有效果，但是也降低了图像传感器的灵敏度，尤其是在远红外到红外波长下。
技术实现思路
本专利技术提供一种(尤其在远红外到红外波长下)具有高灵敏度和低串扰的CMOS图像传感器、以及制造CMOS图像传感器的方法。根据本专利技术的CMOS图像传感器具有衬底、在衬底之上的外延层以及延伸到外延层中用于接收光线的多个象素。该图像传感器还包括位于衬底和外延层之间用于阻止衬底中产生的载流子移动到外延层的水平阻挡层和位于多个象素的相邻象素之间用于阻止电子在外延层中的侧向扩散的多个侧向阻挡层中的至少一个。附图说明此外，本专利技术还提供了实施例，并还提供了除了上面讨论的之外或替代上面所讨论的其它特征和优点。通过以下参考附图描述的说明书，许多这些特征和优点能够更加清楚。图1是用来帮助解释本专利技术的现有技术中公知CMOS图像传感器的一部分的示意性剖面侧视图；图2A是根据本专利技术的示例性实施例的CMOS图像传感器的一部分的示意性剖面侧视图；图2B示意性图示了用于帮助解释本专利技术的P型半导体中掺杂阻挡层的功能；图3是根据本专利技术的另一个示例性实施例的CMOS图像传感器的一部分的示意性剖面侧视图；图4是图3所示的CMOS图像传感器的一部分的示意性俯视图；图5-12示意性图示了用于制造根据本专利技术的示例性实施例的CMOS图像传感器的方法的步骤；且图13-15示意性图示了用于制造根据本专利技术的另一个示例性实施例的CMOS图像传感器的方法的步骤。具体实施例方式根据本专利技术的示例性实施例提供了一种CMOS图像传感器以及制造CMOS图像传感器的方法，该图像传感器具有高灵敏度和低串扰，尤其是在远红外到红外波长下。图1是用来帮助解释本专利技术的现有技术中公知CMOS图像传感器的一部分的示意性剖面侧视图。CMOS图像传感器用标号100表示，其一般包括衬底102、衬底102之上的外延(epi)层104、以及以布置为阵列并延伸到epi层104中的多个象素(在图1中仅示出两个象素110和112)。衬底102和epi层104两者都由硅半导体材料构成；但是衬底102是由P+(高掺杂的P型)半导体材料制成，而epi层104是由P-(轻掺杂的P型)半导体材料制成。象素110和112分别包括光电二极管n-阱114和116、以及分别布置于光电二极管n-阱114和116上以提高到象素的接触的表面注入区域118和120。光电二极管n-阱114和116由N-(轻掺杂的N型)半导体材料制成，而表面注入区域118和120由N+(高掺杂的N型)半导体材料制成。P型半导体材料(在图1中表示为P-阱122)设置于象素110和112间，以在象素之间提供隔离。如图1中示意性图示，当处于远红外到红外波长(以后通称为红外波长)的光线130入射象素元件110时，光线穿透到远低于图像传感器100的硅表面的位置，并且在衬底102的深层产生电子-空穴对。这些深度远低于象素的采集范围，并且光产生的载流子由此在所有方向上自由扩散。对于常规衬底(诸如重掺杂的硅衬底102)的电子扩散长度约为5μm，并且对于大量电子来说相对容易扩散到相邻的象素(诸如象素102)，而引起串扰。此外，如图1中示意性示出的，在CMOS图像传感器100中，因为深层产生的载流子中的许多会在衬底中重新结合而损失，所以降低了灵敏度，这与在epi层中产生的载流子不同，epi层中产生的载流子奔向它们自己的象素。图2A是根据本专利技术的示例性实施例的CMOS图像传感器的一部分的示意性剖面侧视图。图像传感器一般由标号200表示，类似于图1中的CMOS图像传感器100，图像传感器200包括衬底202、epi层204以及象素210和212，象素210和212分别包括光电二极管n-阱214和216以及延伸到epi层204中的表面注入区域218和220。类似于图1中的CMOS图像传感器100，衬底202包括P+硅半导体材料，epi层204包括P-硅半导体材料，光电二极管n-阱214和216由N-半导体材料形成，表面注入区域218和220由N+半导体材料形成。P型半导体材料(表示为P-阱222)设置于象素210和212之间，以在象素之间提供隔离。图2A中的CMOS图像传感器200与图1中的CMOS图像传感器不同之处在于epi层204比epi层104厚(例如，与典型CMOS图像传感器(诸如图1中的图像传感器100)的约2-6μm相比，其厚度从约4μm到约20μm)，并且包括更深的光电二极管n-阱214和216(与典型CMOS图像传感器(诸如图1中的图像传感器100)的1-2μm的深度相比，其延伸到epi层204中例如达到从约2μm到约10μm的深度)。更厚的epi层和更深的光电二极管n-阱允许耗尽深度穿透到远低于象素表面的位置。epi层204是轻掺杂的P型半导体材料，并且在耗尽深度以下，掺杂是梯度的，以提供电场来引导载流子。另外，在衬底202和epi层204之间，在epi层的梯度部分下方设置水平阻挡层224设置。水平阻挡层224用于阻止在水平阻挡层下方的衬底202中产生的载流子向上扩散并进入相邻的象素中而引起串扰。由于CMOS图像传感器200中光电二极管n-阱214和216的增大的深度，所以可以采集大量的载流子，从而增大图像传感器的灵敏度。同时，水平阻挡层224下方的衬底202中产生的电子保留在衬底中并重新结合。因此，与图1中的图像传感器100相比，CMOS图像传感器200在红外波长下具有更高的灵敏度和降低的串扰。图2B示意性图示了用于帮助解释本专利技术的P型半导体中掺杂阻挡层的机能。如所示，半导体一般由标号250表示，其包括产生阻挡层254的更重的掺杂区252，来有效地控制电子(诸如电子256)的运动。具体而言，如箭头258所图示，电子不能越过阻挡层254。这样，诸如254的阻挡层可以用于阻止电子扩散到相邻象素中而引起串扰。根据本专利技术的示例性实施例，通过可选择的水本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种ＣＭＯＳ图像传感器，包括： 衬底； 在所述衬底之上的外延层； 延伸到所述外延层中用于接收光线的多个象素；以及 位于所述衬底和所述外延层之间用于阻止所述衬底中产生的载流子移动到所述外延层的水平阻挡层和位于所述多个象素的相邻象素之间用于阻止电子在所述外延层中的侧向扩散的多个侧向阻挡层中的至少一个。
【技术特征摘要】
US 2005-8-4 11/197,0041.一种CMOS图像传感器，包括衬底；在所述衬底之上的外延层；延伸到所述外延层中用于接收光线的多个象素；以及位于所述衬底和所述外延层之间用于阻止所述衬底中产生的载流子移动到所述外延层的水平阻挡层和位于所述多个象素的相邻象素之间用于阻止电子在所述外延层中的侧向扩散的多个侧向阻挡层中的至少一个。2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，位于所述衬底和所述外延层之间用于阻止所述衬底中产生的载流子移动到所述外延层的水平阻挡层和位于所述多个象素的相邻象素之间用于阻止电子在所述外延层中的侧向扩散的多个侧向阻挡层中的至少一个至少包括所述水平阻挡层。3.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器，其中，所述水平阻挡层包括非常重掺杂的硅。4.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器，其中，所述水平阻挡层包括硼、铝、镓、铟、磷、砷、锑、锗以及碳中的一种或多种。5.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器，其中，所述水平阻挡层在一侧或两侧上由含碳层封装。6.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器，其中，所述水平阻挡层具有从约100到约1μm的厚度。7.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器，其中，所述外延层具有从约2μm到约20μm的厚度，并且其中所述多个象素每个包括延伸到所述外延层中至从约1μm到约15μm深度的阱部分。8.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器，其中，在所述外延层中的掺杂在耗尽深度之下是梯度的，以提供电场来引导载流子。9.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，位于所述衬底和所述外延层之间用于阻止所述衬底中产生的载流子移动到所述外延层的水平阻挡层和位于所述多个象素的相邻象素之间用于阻止电子在所述外延层中的侧向扩散的多个侧向阻挡层中的至少一个至少包括所述多个侧向阻挡层。10.根据权利要求9所述的CMOS图像传感器，其中，所述多个侧向阻挡层每个包括位于相邻象素之间并延伸到所述外延层中至从约2μm到约20μm深度的深P-阱。11.根据权利要求10所述的CMOS图像传感器，其中，所述多个侧向阻挡层的每个还包括所述深P-阱中的沟槽。12.根据权利要求11所述的CMOS图像传感器，其中，所述多个侧向阻挡层的所述沟槽填充有多晶硅、氧化硅和二氧化硅中的至少一种。13.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，...
【专利技术属性】
技术研发人员：萨恩迪浦R巴尔，弗雷德里克P拉马斯特尔，戴维W比格洛，
申请(专利权)人：安华高科技传感器IP私人有限公司，
类型：发明
国别省市：SG[新加坡]
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