CN107819001A - 图像传感器及用于形成图像传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种图像传感器和一种用于形成图像传感器的方法。本公开的图像传感器包括：第一半导体材料层，在所述第一半导体材料层中形成有第一光电二极管；以及位于所述第一半导体材料层之上的第二半导体材料层，在所述第二半导体材料层中形成有第二光电二极管，其中，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管在平行于所述第一半导体材料层的主表面的平面图中重叠。本公开能够改善图像传感器的光电转换效率。
Description
技术领域
本公开涉及半导体领域，具体来说，涉及一种图像传感器及一种用于形成图像传感器的方法。
背景技术
图像传感器用于将入射光转化为电信号。图像传感器包括光电二极管的阵列，入射光的光子到达光电二极管之后被吸收并产生载流子，从而产生电信号。图像传感器的光电转换效率会影响图像传感器的灵敏度和产生的图像的质量。
因此，存在对于新的技术的需求以改善图像传感器的光电转换效率。
发明内容
本公开的一个目的是改善图像传感器的光电转换效率。
根据本公开的第一方面，提供了一种图像传感器，包括：第一半导体材料层，在所述第一半导体材料层中形成有第一光电二极管；以及位于所述第一半导体材料层之上的第二半导体材料层，在所述第二半导体材料层中形成有第二光电二极管，其中，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管在平行于所述第一半导体材料层的主表面的平面图中重叠。
在一些实施例中，本公开的图像传感器还包括：位于所述第二半导体材料层之上的第三半导体材料层，在所述第三半导体材料层中形成有第三光电二极管。
根据本公开的第二方面，提供了一种用于形成图像传感器的方法，包括：在衬底上形成第一半导体材料层；在所述第一半导体材料层中形成第一光电二极管；在所述第一半导体材料层上形成第二半导体材料层；以及在所述第二半导体材料层中形成第二光电二极管，其中，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管在平行于所述第一半导体材料层的主表面的平面图中重叠。
在一些实施例中，本公开的用于形成图像传感器的方法还包括：在所述第二半导体材料层上形成第三半导体材料层；以及在所述第三半导体材料层中形成第三光电二极管。
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是示意性地示出根据现有技术的图像传感器的一个示例的结构的示意图。
图2是示意性地示出根据现有技术的图像传感器的一个示例的结构的示意图。
图3是示意性地示出根据本公开的一个实施例的图像传感器的结构的示意图。
图4是示意性地示出根据本公开的一个实施例的图像传感器的结构的示意图。
图5是示意性地示出根据本公开的一个实施例的图像传感器的结构的示意图。
图6是示意性地示出根据本公开的一个实施例的图像传感器的结构的示意图。
图7是示意性地示出根据本公开的一个实施例的图像传感器的结构的示意图。
图8是示意性地示出根据本公开的一个实施例的图像传感器的结构的示意图。
图9A至9L是分别示出了在根据本公开一个示例性实施例来形成图像传感器的一个方法示例的各个步骤处的图像传感器的截面的示意图。
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。在本说明书中，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，所公开的发明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
本申请的发明人经研究发现，不同波长的入射光在光电二极管中被完全吸收的深度是不同的，因此，为了使得各种波长的光均尽可能地被完全吸收，需要增大光电二极管的厚度，使其大于入射光的最大吸收深度。例如，第一波长的光在光电二极管中能够被完全吸收的深度为H1，第二波长的光在光电二极管中能够被完全吸收的深度为H2(为了便于描述，本文中假定H1大于H2)。在这种情况下，如图1所示，当光电二极管PD’的厚度大于或等于H1时，才能使得第一波长和第二波长的光均被光电二极管PD’完全吸收。
对于PN结型光电二极管来说，实现载流子收集功能的是光电二极管中反向偏置的PN结，而PN结对于距离它较远的载流子的收集效果有限。并且，现有的形成PN结的技术，难以在光电二极管的较深的位置形成PN结。因此，图1所示的图像传感器中虽然增大了光电二极管PD’的厚度使得能够完全吸收第一波长和第二波长的光，但是由于PN结形成的深度有限，如图2所示，因此对光电二极管PD’中较深的位置处产生的载流子的收集效果也比较有限。
鉴于上述研究，本申请的发明人提出了一种改进的图像传感器及用于形成这种图像传感器的方法。
现在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。
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。
在本公开中，对“一个实施例”的提及意味着结合该实施例描述的特征、结构或特性包含在本公开的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”在本公开的各处的出现未必是指同一个实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以任何合适的组合和/或子组合来组合特征、结构或特性。
图3至9L分别以截面图的形式示意性地示出了本公开的示例性实施例的图像传感器的结构。虽然图中仅示出了一个感光单元作为示例，但是本公开的一个示例性实施例的图像传感器包括多个感光单元，通常，多个感光单元可以形成阵列。由于图像传感器中的各感光单元可以采用相同的构造，因此为了避免模糊本发明，本公开中都只示出和描述一个感光单元。
如图3所示，在一些实施例中，图像传感器包括第一半导体材料层10和位于第一半导体材料层10之上的第二半导体材料层20。其中，第一半导体材料层10中形成有第一光电二极管PD1，并且第二半导体材料层20中形成有第二光电二极管PD2。第一半导体材料层10和第二半导体材料层20分别由适合于半导体装置的任何半导体材料(诸如Si、SiC、SiGe等)制成。并且，第一半导体材料层10和第二半导体材料层20的材料可以相同或不同。此外，第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2在平行于第一半导体材料层10的主表面的平面图中重叠。本领域技术人员可以理解，重叠包括部分重叠和完全重叠。
在这些实施例中，本公开的图像传感器在其厚度方向上包括两个不同深度的光电二极管，这两个光电二极管均可以各自吸收入射光和收集载流子，并且它们在上述主表面的平面图中重叠。通过适当地确定第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2的厚度，能够容易地实现对入射光的完全吸收。因此，与现有技术相比，不需要增大光电二极管的厚度，就能够实现对入射光的完全吸收。此外，由于每个光电二极管的厚度均大幅减小，因此，不需要在较深的位置处形成PN结，降低了工艺复杂度。
此外，由于在不同深度处布置有多个光电二极管，因此对于图3所示的整个深度范围，本公开的图像传感器均能够有效地收集在各个深度处所产生的载流子，从而改善了图像传感器的光电转换效率。
本领域技术人员可以理解，第一光电二极管PD1的材料或结构和第二光电二极管PD2的材料或结构可以相同或不同，均可以根据实际应用进行选择。
如图4所示，在一些实施例中，图像传感器除了包括第一半导体材料层10和第二半导体材料层20之外，还包括衬底40。第一半导体材料层10和第二半导体材料层20依次位于衬底40的上表面之上。在一些情况下，衬底40可以为半导体衬底，由适合于半导体装置的任何半导体材料(诸如Si、SiC、SiGe等)制成。在另一些情况下，衬底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不受到任何限制，而是可以根据实际应用进行选择。而在图3所示的实施例中，图像传感器可以不包括衬底40。
本领域技术人员可以理解，衬底40、第一半导体材料层10、和第二半导体材料层20的材料可以彼此相同或者不同，均可以根据实际应用进行选择。
如图5所示，在一些实施例中，图像传感器除了包括第一半导体材料层10和第二半导体材料层20之外，还包括位于第二半导体材料层20之上的第三半导体材料层30。其中，第三半导体材料层30中形成有第三光电二极管PD3。第三半导体材料层30由适合于半导体装置的任何半导体材料(诸如Si、SiC、SiGe等)制成，并且，第三半导体材料层30的材料可以分别与第一半导体材料层10和第二半导体材料层20的材料相同或不同。此外，第一光电二极管PD1、第二光电二极管PD2、以及第三光电二极管PD3在平行于第一半导体材料层10的主表面的平面图中重叠。本领域技术人员可以理解，重叠包括部分重叠和完全重叠。
在这些实施例中，本公开的图像传感器在其厚度方向上包括三个不同深度的光电二极管，这三个光电二极管均可以各自吸收入射光和收集载流子，并且它们在上述主表面的平面图中重叠。通过适当地确定第一光电二极管PD1、第二光电二极管PD2和第三光电二极管PD3的厚度，能够容易地实现对入射光的完全吸收。因此，与现有技术相比，不需要增大光电二极管的厚度，就能够实现对入射光的完全吸收。此外，由于每个光电二极管的厚度均大幅减小，因此，不需要在较深的位置处形成PN结，降低了工艺复杂度。
此外，由于在不同深度处布置有多个光电二极管，因此对于图5所示的整个深度范围，本公开的图像传感器均能够有效地收集在各个深度处所产生的载流子，从而改善了图像传感器的光电转换效率。
此外，与图3所示的图像传感器相比，这些实施例中的图像传感器更减小了每个光电二极管的厚度，使得在每个光电二极管中形成PN结的工艺难度进一步降低；同时，由于使得厚度方向上光电二极管的分布增多，能够进一步地提升载流子的收集效果，从而使得图像传感器的光电转换效率进一步改善。
本领域技术人员可以理解，第一半导体材料层10、第二半导体材料层20、和第三半导体材料层30的材料可以彼此相同或者不同，第一光电二极管PD1的材料或结构、第二光电二极管PD2的材料或结构、和第三光电二极管PD3的材料或结构可以相同或不同，均可以根据实际应用进行选择。
如图6所示，在一些实施例中，图像传感器除了包括第一半导体材料层10、第二半导体材料层20、和第三半导体材料层30之外，还包括衬底40。第一半导体材料层10、第二半导体材料层20、和第三半导体材料层30依次位于衬底40的上表面之上。在一些情况下，衬底40可以为半导体衬底，由适合于半导体装置的任何半导体材料(诸如Si、SiC、SiGe等)制成。在另一些情况下，衬底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不受到任何限制，而是可以根据实际应用进行选择。而在图5所示的实施例中，图像传感器可以不包括衬底40。
本领域技术人员可以理解，衬底40、第一半导体材料层10、第二半导体材料层20、和第三半导体材料层30的材料可以彼此相同或者不同，均可以根据实际应用进行选择。
在一些实施例中，如图7所示，第一半导体材料层10、第二半导体材料层10、以及第三半导体材料层10均为第一导电类型(例如P型)。在第一半导体材料层10、第二半导体材料层20以及第三半导体材料层30中分别形成有第二导电类型(例如N型)的区域，从而分别在第一半导体材料层10、第二半导体材料层20、以及第三半导体材料层30中形成均为PN结型光电二极管的第一光电二极管、第二光电二极管、以及第三光电二极管。
在这些实施例中，实现电荷收集功能的是光电二极管中的PN结。因此，图像传感器的每个像素单元的满阱容量与像素单元中PN结光电二极管的结电容值CPD相关联。结电容值CPD＝A×CA+P×CP。其中，CA、CP分别为PN结的单位底面积结电容值和单位侧壁面积结电容值，A、P分别为PN结的底面积和侧壁面积。可见，在每个像素单元中，本公开的这些实施例中的图像传感器比图2所示的图像传感器的PN结的个数增多，从而在每个PN结的底面积和侧壁面积不变的情况下增大了每个像素单元中总的PN结的底面积和侧壁面积，从而提高了图像传感器的每个像素单元的满阱容量。
在一些实施例中，如图7所示，图像传感器还包括第一隔离区I1、第二隔离区I2、和第三隔离区I3。第一隔离区I1位于第一半导体材料层10中且在第一光电二极管周围，在图7所示的截面图中，两个第一隔离区I1中间的部分为第一光电二极管。第二隔离区I2位于第二半导体材料层20中且在第二光电二极管周围，在图7所示的截面图中，两个第二隔离区I2中间的部分为第二光电二极管。第三隔离区I3位于第三半导体材料层30中且在第三光电二极管周围，在图7所示的截面图中，两个第三隔离区I3中间的部分为第三光电二极管。第一隔离区I1、第二隔离区I2、和第三隔离区I3将被其包围的光电二极管和外部的半导体材料进行隔离，防止光电二极管中产生的载流子向外扩散。
为了达到隔离效果，当第一半导体材料层10、第二半导体材料层10、以及第三半导体材料层10均为第一导电类型(例如P型)时，第一隔离区I1、第二隔离区I2、和第三隔离区I3也为第一导电类型但掺杂浓度分别高于第一半导体材料层10、第二半导体材料层20、以及第三半导体材料层30的掺杂浓度。例如，第一半导体材料层10、第二半导体材料层10、以及第三半导体材料层30的掺杂浓度的范围为1×1010cm-3～1×1013cm-3，第一隔离区I1、第二隔离区I2、以及第三隔离区I3的掺杂浓度的范围为1×1011cm-3～1×1015cm-3。
在一些实施例中，第一半导体材料层10、第二半导体材料层20、以及第三半导体材料层30均是通过外延生长而形成的。例如，在衬底的上表面上通过外延生长而形成第一半导体材料层10，在第一半导体材料层10的上表面上通过外延生长而形成第二半导体材料层20，在第二半导体材料层20的上表面上通过外延生长而形成第三半导体材料层30。
上述各个半导体材料层的厚度可以根据对吸收光的性能的需要和形成工艺和图像传感器厚度的要求来确定。例如，第一半导体材料层10、第二半导体材料层20、以及第三半导体材料层30的厚度范围可以均为1～3μm。
如图8所示，在一些实施例中，图像传感器除了包括图7所示的各个部分外，还包括衬底40。各个半导体材料层依次位于衬底40的上表面之上。而在图7所示的实施例中，图像传感器可以不包括衬底40。在一些情况下，衬底40可以为半导体衬底，由适合于半导体装置的任何半导体材料(诸如Si、SiC、SiGe等)制成。在另一些情况下，衬底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不受到任何限制，而是可以根据实际应用进行选择。本领域技术人员可以理解，衬底40与各个半导体材料层的材料可以彼此相同或者不同，均可以根据实际应用进行选择。
在一些实施例中，可以用下述方法来形成图8所示的图像传感器。以下结合图9A至图9L来具体描述。本领域技术人员可以理解，以下描述中的步骤只是示意性的，其中一个或更多个步骤或过程可以根据实际应用被省略或增加。
如图9A所示，提供衬底40，衬底40可以为半导体衬底或者复合衬底。在衬底40的上表面上形成第一半导体材料层10，例如形成1～3μm厚度的第一半导体材料层10。第一半导体材料层10由适合于半导体装置的任何半导体材料制成，并且，第一半导体材料层10和衬底40的材料可以相同或不同。在一些实施例中，第一半导体材料层10和衬底40均为第一导电类型(例如P型)。
在一些实施例中，第一半导体材料层10是通过在衬底40的上表面上进行外延生长而形成的。例如，可以通过气相外延(VPE)、液相外延(LPE)、分子束外延(MBE)或其他合适的技术来形成。当第一半导体材料层10和衬底40的材料相同时，可以采用同质外延处理；而当第一半导体材料层10和衬底40的材料不同时，可以采用异质外延处理。在另一些实施例中，第一半导体材料层10也可以是通过在衬底40的上表面上进行沉积处理而形成的。例如，可以通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)或其他合适的技术来形成。
在一些实施例中，本公开的用于形成图像传感器的方法还包括在第一半导体材料层10上形成第一保护层51，如图9A所示。第一保护层51可以在后续的处理步骤中保护第一半导体材料层10，特别是保护第一半导体材料层10的上表面。在一些实施例中，第一保护层51可以包括氮化硅。在一些实施例中，第一保护层51可以通过在第一半导体材料层10上进行沉积处理而形成。例如，可以通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)或其他合适的技术来形成。
本公开的用于形成图像传感器的方法还包括在第一半导体材料层10中形成第一光电二极管。如图9B所示，在第一保护层51上施加第一光致抗蚀剂层P1，并通过曝光显影处理将第一光致抗蚀剂层P1图案化，以便暴露每个将要形成第一光电二极管的区域并覆盖其他区域。在一些实施例中，第一半导体材料层10为第一导电类型(例如P型)，在第一光致抗蚀剂层P1暴露的区域中注入第二导电类型(例如N型)的掺杂剂，以在第一半导体材料层10中形成第二导电类型(例如N型)的区域，从而在第一半导体材料层10中形成PN结型的第一光电二极管。在形成第一光电二极管后，去除第一光致抗蚀剂层P1。
在一些实施例中，本公开的用于形成图像传感器的方法还包括在第一半导体材料层10中且在第一光电二极管的周围形成第一隔离区I1。如图9C所示，在第一保护层51上施加第二光致抗蚀剂层P2，并通过曝光显影处理将第二光致抗蚀剂层P2图案化，以便暴露每个第一光电二极管的周围的将要形成第一隔离区I1的区域并覆盖其他区域。在一些实施例中，在第二光致抗蚀剂层P2暴露的区域中注入第一导电类型的掺杂剂，以在第一半导体材料层10中且在PN结型的第一光电二极管的周围形成掺杂浓度高于第一半导体材料层10的第一隔离区I1(例如P+区域)，从而将第一光电二极管和第一半导体材料层10的其他区域进行隔离，以防止第一光电二极管中产生的载流子向外扩散。在一些实施例中，第一半导体材料层10的掺杂浓度的范围可以为1×1010cm-3～1×1013cm-3，第一隔离区I1的掺杂浓度的范围可以为1×1011cm-3～1×1015cm-3。
在一些实施例中，在形成第一隔离区I1后，去除第二光致抗蚀剂层P2和第一保护层51，形成图9D所示的图像传感器。在一些实施例中，可以通过刻蚀处理来去除第一保护层51，优选地，可以通过湿法刻蚀处理来去除第一保护层51。
在一些实施例中，本公开的用于形成图像传感器的方法还包括在在第一半导体材料层10上形成第二半导体材料层20，如图9E所示。在一些实施例中，可以形成1～3μm厚度的第二半导体材料层20。在一些实施例中，第二半导体材料层20可以和第一半导体材料层10及衬底40一样，也为第一导电类型(例如P型)。
在一些实施例中，第二半导体材料层20是通过在第一半导体材料层10上进行外延生长而形成的。当第二半导体材料层20和第一半导体材料层10的材料相同时，可以采用同质外延处理；而当第二半导体材料层20和第一半导体材料层10的材料不同时，可以采用异质外延处理。在另一些实施例中，第二半导体材料层20也可以是通过在第一半导体材料层10上进行沉积处理而形成的。
在一些实施例中，本公开的用于形成图像传感器的方法还包括在第二半导体材料层20上形成第二保护层52，如图9E所示。第二保护层52可以在后续的处理步骤中保护第二半导体材料层20，特别是保护第二半导体材料层20的上表面。在一些实施例中，第二保护层52可以包括氮化硅。在一些实施例中，第二保护层52可以通过在第二半导体材料层20上进行沉积处理而形成。
本公开的用于形成图像传感器的方法还包括在第二半导体材料层20中形成第二光电二极管。如图9F所示，在第二保护层52上施加第三光致抗蚀剂层P3，并通过曝光显影处理将第三光致抗蚀剂层P3图案化，以便暴露每个将要形成第二光电二极管的区域并覆盖其他区域。在一些实施例中，图案化的第三光致抗蚀剂层P3暴露出在平行于第一外延层10的主表面的平面图中与第一光电二极管重叠的区域，优选地，暴露出在该平面图中与第一光电二极管完全重叠的区域。
在一些实施例中，第二半导体材料层20为第一导电类型(例如P型)，在第三光致抗蚀剂层P3暴露的区域中注入第二导电类型(例如N型)的掺杂剂，以在第二半导体材料层20中形成第二导电类型(例如N型)的区域，从而在第二半导体材料层20中形成PN结型的第二光电二极管。在形成第二光电二极管后，去除第三光致抗蚀剂层P3。
在一些实施例中，本公开的用于形成图像传感器的方法还包括在第二半导体材料层20中且在第二光电二极管的周围形成第二隔离区I2。如图9G所示，在第二保护层52上施加第四光致抗蚀剂层P4，并通过曝光显影处理将第四光致抗蚀剂层P4图案化，以便暴露每个第二光电二极管的周围的将要形成第二隔离区I2的区域并覆盖其他区域。在一些实施例中，在第四光致抗蚀剂层P4暴露的区域中注入第一导电类型的掺杂剂，以在第二半导体材料层20中且在PN结型的第二光电二极管的周围形成掺杂浓度高于第二半导体材料层20的第二隔离区I2(例如P+区域)，从而将第二光电二极管和第二半导体材料层20的其他区域进行隔离，以防止第二光电二极管中产生的载流子向外扩散。在一些实施例中，第二半导体材料层20的掺杂浓度的范围可以为1×1010cm-3～1×1013cm-3，第二隔离区I2的掺杂浓度的范围可以为1×1011cm-3～1×1015cm-3。
在一些实施例中，在形成第二隔离区I2后，去除第四光致抗蚀剂层P4和第二保护层52，形成图9H所示的图像传感器。在一些实施例中，可以通过刻蚀处理来去除第二保护层52，优选地，可以通过湿法刻蚀处理来去除第二保护层52。
在一些实施例中，本公开的用于形成图像传感器的方法还包括在在第二半导体材料层20上形成第三半导体材料层30，如图9I所示。在一些实施例中，可以形成1～3μm厚度的第三半导体材料层30。在一些实施例中，第三半导体材料层30可以和第二半导体材料层20、第一半导体材料层10、及衬底40一样，也为第一导电类型(例如P型)。
在一些实施例中，第三半导体材料层30是通过在第二半导体材料层20上进行外延生长而形成的。当第三半导体材料层30和第二半导体材料层20的材料相同时，可以采用同质外延处理；而当第三半导体材料层30和第二半导体材料层20的材料不同时，可以采用异质外延处理。在另一些实施例中，第三半导体材料层30也可以是通过在第二半导体材料层20上进行沉积处理而形成的。
在一些实施例中，本公开的用于形成图像传感器的方法还包括在第三半导体材料层30上形成第三保护层53，如图9I所示。第三保护层53可以在后续的处理步骤中保护第三半导体材料层30，特别是保护第三半导体材料层30的上表面。在一些实施例中，第三保护层53可以包括氮化硅。在一些实施例中，第三保护层53可以通过在第三半导体材料层30上进行沉积处理而形成。
本公开的用于形成图像传感器的方法还包括在第三半导体材料层30中形成第三光电二极管。如图9J所示，在第三保护层53上施加第五光致抗蚀剂层P5，并通过曝光显影处理将第五光致抗蚀剂层P5图案化，以便暴露每个将要形成第三光电二极管的区域并覆盖其他区域。在一些实施例中，图案化的第五光致抗蚀剂层P5暴露出在平行于第一外延层10的主表面的平面图中与第一光电二极管和第二光电二极管都重叠的区域，优选地，暴露出在该平面图中与第一光电二极管和第二光电二极管都完全重叠的区域。
在一些实施例中，第三半导体材料层30为第一导电类型(例如P型)，在第五光致抗蚀剂层P5暴露的区域中注入第二导电类型(例如N型)的掺杂剂，以在第三半导体材料层30中形成第二导电类型(例如N型)的区域，从而在第三半导体材料层30中形成PN结型的第三光电二极管。在形成第三光电二极管后，去除第五光致抗蚀剂层P5。
在一些实施例中，本公开的用于形成图像传感器的方法还包括在第三半导体材料层30中且在第三光电二极管的周围形成第三隔离区I3。如图9K所示，在第三保护层53上施加第六光致抗蚀剂层P6，并通过曝光显影处理将第六光致抗蚀剂层P6图案化，以便暴露每个第三光电二极管的周围的将要形成第三隔离区I3的区域并覆盖其他区域。在一些实施例中，在第六光致抗蚀剂层P6暴露的区域中注入第一导电类型的掺杂剂，以在第三半导体材料层30中且在PN结型的第三光电二极管的周围形成掺杂浓度高于第三半导体材料层30的第三隔离区I3(例如P+区域)，从而将第三光电二极管和第三半导体材料层30的其他区域进行隔离，以防止第三光电二极管中产生的载流子向外扩散。在一些实施例中，第三半导体材料层30的掺杂浓度的范围可以为1×1010cm-3～1×1013cm-3，第三隔离区I3的掺杂浓度的范围可以为1×1011cm-3～1×1015cm-3。
在一些实施例中，在形成第三隔离区I3后，去除第六光致抗蚀剂层P6和第三保护层53，形成图9L所示的图像传感器，即图8所示的图像传感器。在一些实施例中，可以通过刻蚀处理来去除第三保护层53，优选地，可以通过湿法刻蚀处理来去除第三保护层53。
在一些实施例中，本公开的用于形成图像传感器的方法还包括在衬底40的下表面上对衬底40进行减薄处理，以使得暴露出第一半导体材料层10(即不保留衬底40，如图7所示)或者使得衬底为特定厚度(即保留衬底40，如图8所示)。对衬底40进行减薄处理后是否保留衬底40，可以根据对图像传感器厚度的要求、以及将要进行的其他工艺步骤的要求来确定。
虽然以上描述中，第一导电类型的举例为P型并且第二导电类型的举例为N型，但本领域技术人员可以理解，第一导电类型也可以为N型并且第二导电类型也可以为P型。
虽然以上方法结合图9A至图9L均是以图8中所示的图像传感器来描述和示出的，但本领域技术人员可以理解，具有其他结构的图像传感器，例如，图3至7所示的图像传感器，也可以由与以上方法类似的方法来形成。
虽然本公开的附图中仅以截面图的形式示意性地示出了像素区的图像传感器的结构，本领域技术人员基于本公开记载的内容能够得到本公开所涉及的图像传感器整体的结构和形成方法。
在说明书及权利要求中的词语“A或B”包括“A和B”以及“A或B”，而不是排他地仅包括“A”或者仅包括“B”，除非另有特别说明。
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、噪音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。
上述描述可以指示被“连接”或“耦合”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，“耦合”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，“耦合”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，还可以在下面描述中使用某种术语，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：
第一半导体材料层，所述第一半导体材料层中形成有第一光电二极管；以及
位于所述第一半导体材料层之上的第二半导体材料层，所述第二半导体材料层中形成有第二光电二极管，
其中，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管在平行于所述第一半导体材料层的主表面的平面图中重叠。
2.根据1所述的图像传感器，其特征在于，还包括：
位于所述第二半导体材料层之上的第三半导体材料层，所述第三半导体材料层中形成有第三光电二极管。
3.根据2所述的图像传感器，其特征在于，所述第一光电二极管、所述第二光电二极管、以及所述第三光电二极管在所述平面图中重叠。
4.根据2所述的图像传感器，其特征在于，所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层的厚度均为1～3μm。
5.根据2所述的图像传感器，其特征在于，
所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层均为第一导电类型，并且
在所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层以及所述第三半导体材料层中分别形成有第二导电类型的区域，从而分别在所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层中形成所述第一光电二极管、所述第二光电二极管、以及所述第三光电二极管。
6.根据2所述的图像传感器，其特征在于，还包括：
第一隔离区，位于所述第一半导体材料层中且在所述第一光电二极管周围；
第二隔离区，位于所述第二半导体材料层中且在所述第二光电二极管周围；以及
第三隔离区，位于所述第三半导体材料层中且在所述第三光电二极管周围。
7.根据6所述的图像传感器，其特征在于，所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、所述第三半导体材料层、所述第一隔离区、所述第二隔离区、以及所述第三隔离区均为第一导电类型，且所述第一隔离区、所述第二隔离区、以及所述第三隔离区的掺杂浓度分别高于所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层的掺杂浓度。
8.根据7所述的图像传感器，其特征在于，所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层的掺杂浓度的范围为1×1010cm-3～1×1013cm-3，所述第一隔离区、所述第二隔离区、以及所述第三隔离区的掺杂浓度的范围为1×1011cm-3～1×1015cm-3。
9.根据2所述的图像传感器，其特征在于，还包括衬底，其中，所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层位于所述衬底的上表面之上。
10.根据2所述的图像传感器，其特征在于，所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层均是通过外延生长而形成的。
11.一种用于形成图像传感器的方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成第一半导体材料层；
在所述第一半导体材料层中形成第一光电二极管；
在所述第一半导体材料层上形成第二半导体材料层；以及
在所述第二半导体材料层中形成第二光电二极管，
其中，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管在平行于所述第一半导体材料层的主表面的平面图中重叠。
12.根据11所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述第二半导体材料层上形成第三半导体材料层；以及
在所述第三半导体材料层中形成第三光电二极管。
13.根据12所述的方法，其特征在于，所述第一光电二极管、所述第二光电二极管、以及所述第三光电二极管在所述平面图中重叠。
14.根据12所述的方法，其特征在于，所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层的厚度均为1～3μm。
15.根据12所述的方法，其特征在于，
所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层均为第一导电类型，
所述形成所述第一光电二极管、所述第二光电二极管、以及所述第三光电二极管分别包括：分别在所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层中注入第二导电类型的掺杂剂，从而分别在所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层中形成所述第一光电二极管、所述第二光电二极管、以及所述第三光电二极管。
16.根据15所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述第一半导体材料层形成之后以及所述第一光电二极管形成之前，在所述第一半导体材料层上形成第一保护层；
在所述第二半导体材料层形成之后以及所述第二光电二极管形成之前，在所述第二半导体材料层上形成第二保护层；以及
在所述第三半导体材料层形成之后以及所述第三光电二极管形成之前，在所述第三半导体材料层上形成第三保护层。
17.根据16所述的方法，其特征在于，所述第一保护层、所述第二保护层、以及所述第三保护层分别包括氮化硅。
18.根据16所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述第一光电二极管形成之后以及所述第二半导体材料层形成之前，去除所述第一保护层；
在所述第二光电二极管形成之后以及所述第三半导体材料层形成之前，去除所述第二保护层；以及
在所述第三光电二极管形成之后，去除所述第三保护层。
19.根据18所述的方法，其特征在于，所述去除所述第一保护层、所述第二保护层、以及所述第三保护层分别包括通过湿法刻蚀来去除所述第一保护层、所述第二保护层、以及所述第三保护层。
20.根据12所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述第一光电二极管形成之后以及所述第二半导体材料层形成之前，在所述第一半导体材料层中且在所述第一光电二极管的周围形成第一隔离区；
在所述第二光电二极管形成之后以及所述第三半导体材料层形成之前，在所述第二半导体材料层中且在所述第二光电二极管的周围形成第二隔离区；以及
在所述第三光电二极管形成之后，在所述第三半导体材料层中且在所述第三光电二极管的周围形成第三隔离区。
21.根据20所述的方法，其特征在于，所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、所述第三半导体材料层、所述第一隔离区、所述第二隔离区、以及所述第三隔离区均为第一导电类型，且所述第一隔离区、所述第二隔离区、以及所述第三隔离区的掺杂浓度分别高于所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层的掺杂浓度。
22.根据21所述的方法，其特征在于，所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层的掺杂浓度的范围为1×1010cm-3～1×1013cm-3，所述第一隔离区、所述第二隔离区、以及所述第三隔离区的掺杂浓度的范围为1×1011cm-3～1×1015cm-3。
23.根据12所述的方法，其特征在于，
所述形成所述第一半导体材料层是在所述衬底的上表面上进行外延生长而实现的；
所述形成所述第二半导体材料层和所述第三半导体材料层分别是在所述第一半导体材料层的上表面上和所述第二半导体材料层的上表面上进行外延生长而实现的。
24.根据11所述的方法，其特征在于，还包括：
在形成所述第二光电二极管之后，在所述衬底的下表面上对所述衬底进行减薄处理，以使得暴露出所述第一半导体材料层或者使得所述衬底为特定厚度。
25.根据12所述的方法，其特征在于，还包括：
在形成所述第三光电二极管之后，在所述衬底的下表面上对所述衬底进行减薄处理，以使得暴露出所述第一半导体材料层或者使得所述衬底为特定厚度。
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。
Claims (10)
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
第一半导体材料层，所述第一半导体材料层中形成有第一光电二极管；以及
位于所述第一半导体材料层之上的第二半导体材料层，所述第二半导体材料层中形成有第二光电二极管，
其中，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管在平行于所述第一半导体材料层的主表面的平面图中重叠。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括：
位于所述第二半导体材料层之上的第三半导体材料层，所述第三半导体材料层中形成有第三光电二极管。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述第一光电二极管、所述第二光电二极管、以及所述第三光电二极管在所述平面图中重叠。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层的厚度均为1～3μm。
5.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，
所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层均为第一导电类型，并且
在所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层以及所述第三半导体材料层中分别形成有第二导电类型的区域，从而分别在所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层中形成所述第一光电二极管、所述第二光电二极管、以及所述第三光电二极管。
6.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，还包括：
第一隔离区，位于所述第一半导体材料层中且在所述第一光电二极管周围；
第二隔离区，位于所述第二半导体材料层中且在所述第二光电二极管周围；以及
第三隔离区，位于所述第三半导体材料层中且在所述第三光电二极管周围。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、所述第三半导体材料层、所述第一隔离区、所述第二隔离区、以及所述第三隔离区均为第一导电类型，且所述第一隔离区、所述第二隔离区、以及所述第三隔离区的掺杂浓度分别高于所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层的掺杂浓度。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层的掺杂浓度的范围为1×1010cm-3～1×1013cm-3，所述第一隔离区、所述第二隔离区、以及所述第三隔离区的掺杂浓度的范围为1×1011cm-3～1×1015cm-3。
9.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，还包括衬底，其中，所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层位于所述衬底的上表面之上。
10.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述第一半导体材料层、所述第二半导体材料层、以及所述第三半导体材料层均是通过外延生长而形成的。
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