CN100565896C - 具有改进的色串扰的图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种图像传感器，其包含第一传导型的衬底。第一和第二像素排列在该衬底上。势垒形成在对应于该第一像素的衬底区域中而不形成在对应于第二像素的衬底区域中。第二像素对具有一定波长的颜色响应，所述波长长于第一像素所响应的颜色的波长。该势垒通过高能离子注入掺杂剂或通过P型外延层的外延生长期间离子注入或扩散来掺杂掺杂剂。

Description

具有改进的色串扰的图像传感器

相关申请的交叉引用

本发明要求享有于2006年10月13日提交的韩国专利申请10-2006-0099759的优先权，其全文通过引用并入。

技术领域

本发明涉及一种固态图像传感器，更具体涉及一种包括用光吸收滤色片覆盖的小像素的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

背景技术

现代CMOS图像传感器的典型像素包括光电二极管，更具体包括钉扎(pinned)光电二极管和四个晶体管。光电二极管收集光生电荷，该光生电荷稍后由电荷转移晶体管在适当时间转移至浮动扩散(FD)节点上。该FD节点用作电荷检测节点。在电荷转移之前，FD节点需要重置至适当的基准电压。该重置引起kTC噪声，该kTC噪声通常会被添加至出现在FD节点上的信号。因此，有必要读取FD节点上的电压两次，第一次在电荷转移之前，第二次在电荷转移之后。此操作被称为CDS(相关双采样)。CDS操作允许感测仅由从光电二极管转移的电荷所引起的节点上的电压差。

源极跟随器(SF)晶体管通过连接至FD节点的SF晶体管栅极、连接至电源电压(Vdd)端子的SF晶体管漏极以及经寻址晶体管连接至共享列(common column)传感线的SF晶体管源极来感测FD节点上的电压。为此，通常有必要在标准CMOS图像传感器的每一像素中结合4个晶体管。授权给Paul P.Lee等人的发明名称为″Active Pixel SensorIntegrated with Pinned Photodiode″的美国专利申请No.5,625,210描述一种具有钉扎光电二极管的示例性4T像素电路。

在现代CMOS传感器设计中，用于若干光电二极管的电路可共享，例如可在授权给R.M.Guidash等人的发明名称为″Active PixelSensor with Wired Floating Diffusions and Shared Amplifier″的美国专利申请No.6,657,665B1的实施例中找到。在该专利申请中，双像素包括位于传感器图像阵列的相邻行中且共享相同电路的两个光电二极管。

大多数现代CMOS图像传感器中的彩色传感通过将适当滤色片置放于光电二极管上来完成，如图1中所示。蓝色滤色片101吸收绿光及红光且仅让蓝光光子进入下方光电二极管区域。类似地，绿色滤色片102吸收蓝光及红光且仅让绿光光子进入下方硅块(bulk)。附图标记103表示红色滤色片。蓝光及绿光光子具有高能量，并因此通常在从硅块的表面到其确定区域104所限定的深度Xg内非常快速地被吸收。另一方面，红光光子具有低能量且穿透比以上区域104更深的区域。更具体而言，在产生任何光电子之前，红光光子可穿透至位于深度Xepi的外延衬底区域与重掺杂的P⁺型衬底106之间的界面105。附图标记“Xr”表示界面105距离硅块(亦即，重掺杂的P⁺型衬底106)的表面的深度。

当在重掺杂的P⁺型衬底106中产生电子107时，电子107非常快速地与位于重掺杂的P⁺型衬底106中的空穴再结合且不能够被收集在″红色″光电二极管中。另一方面，非耗尽外延层109中所产生的电子108具有比电子107更长的寿命，且在非耗尽外延层109中横向及垂直地自由扩散直至电子108抵达耗尽区域110的边界。耗尽区域110的边界位于距离硅块体的表面的深度Xd1处。

当电子111进入耗尽区域110时，电子111快速地被扫掠至位于形成有N型掺杂层112的区域中的各光电二极管势阱中。光电二极管由N型掺杂层112及P⁺型钉扎层113靠近硅块体的表面而形成。此结构被称为钉扎光电二极管。P⁺型钉扎层113各自沿各个浅沟槽隔离(STI)区域114的侧面及底部延伸，浅沟槽隔离(STI)区域114各自通过蚀刻硅块体而形成，以将感光单元(photo sites)和对应电路彼此分离并绝缘。用二氧化硅填充STI区域114。二氧化硅亦覆盖光电二极管表面区域且在转移栅极117下方延伸。附图标记115及116分别表示填充STI区域114的二氧化硅及在转移栅极117下方延伸且同时覆盖光电二极管表面区域的二氧化硅。转移栅极117由多晶硅形成。

当将适当偏压经由对应连接118(仅示意性地表示)施加至各转移栅极117中时，储存在光电二极管势阱中的电子电荷被转移至由掺杂N+型掺杂剂所形成的各个FD节点119上。FD节点119通常经受电压变化。该电压变化随后被适当放大器(SF)感测到，所述适当放大器(SF)由各个导线120(亦仅示意性地表示)各自连接至FD节点119。电压变化表示所要信号。在顶部沉积滤色片之前，光电二极管及转移栅极117通常由另一层121和其它透明薄膜所覆盖，其中所述另一层121由二氧化硅或多层二氧化硅形成。随后还将微透镜(未图示)沉积于蓝色滤光片101、绿色滤光片102及红色滤光片103的顶部以将光聚焦于光电二极管的表面区域上。

如可从图1容易理解，由红光在非耗尽外延层109中所产生的电子亦可横向地扩散且进入相邻光电二极管的耗尽区域110。这种现象通常引起所不希望的色串扰，因为红光生电子通常终止于错误的“绿色”或“蓝色”光电二极管的光电二极管势阱中。该色串扰可显著存在于像素的横向尺寸小于2μm且垂直尺寸保持约5μm的小尺寸像素中。色串扰可通过减少外延层的厚度(亦即，界面105的深度Xr)从而减小非耗尽外延层109的厚度或将位于深度Xd1的耗尽区域110的边界延伸至深度Xd2来减小。

然而，上述的两种方法可能具有一些局限。浅外延厚度在重掺杂的P⁺型衬底106中引起产生过多红光电子且因此与重掺杂的P⁺型衬底106中的空穴再结合。结果，红光电子可能对信号没有贡献。通常希望使外延厚度约5.0μm或更大以具有良好“红”光响应。

一直延伸至界面105的厚耗尽(thick depletion)也会导致局限。完成厚耗尽所必要的外延层的低掺杂可增加暗电流产生，且可导致位于接近表面的P⁺型钉扎层113与重掺杂的P⁺型衬底106的不连续及分离，如由该水平外延掺杂的分离的耗尽层边界122所指示。当观测到不连续且分离的P⁺型钉扎层113时，有必要由一些其它手段例如置放于像素顶部的金属线来提供其它电连接至P⁺型钉扎层113。这些电连接可降低像素孔径效率并因此降低最终像素量子效率。

发明内容

本发明的特定实施方案提供一种包括小尺寸像素及改进的色串扰的图像传感器(例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器)。

根据本发明的一方面，提供一种图像传感器，该图像传感器包含第一传导型的衬底、排列在该衬底上的第一和第二像素以及形成在对应于第一像素的衬底区域中而不在对应于第二像素的衬底区域中的势垒(potential barrier)。

附图说明

图1说明CMOS图像传感器中用滤色片覆盖的常规像素的简化横截面图。

图2说明根据本发明实施方案的CMOS图像传感器中用滤色片覆盖的像素的简化横截面图。

具体实施方式

根据本发明的各种实施方案，小像素尺寸传感器的性能得以改进，且所改进的性能有助于色串扰的减少。此效应可通过在接收蓝光及绿光的像素下方但不在接收红光的像素下方结合深高能硼注入或通过在P型外延生长期间所施加的低能量离子注入来实现。

注入掺杂在衬底结构中形成小势垒，该小势垒引导并聚焦在硅块(即，衬底结构)深处由红光所产生的那些载流子，以流入“红色”光电二极管(在红色滤色片下方的光电二极管)中且被收集在“红色”光电二极管中。深度硼注入还使得由穿透有缺陷的(imperfect)蓝色及绿色滤色片且在“蓝色”及“绿色”光电二极管下方硅块体深处产生载流子的残余红光所产生的载流子改变方向，使得在“蓝色”及“绿色”光电二极管下方产生的载流子流入“红色”发光二极管中。

除了由红光生载流子所引起的色串扰减少外，也可减少由有缺陷的蓝色及绿色滤色片所引起的色串扰。因此，有可能建造具有非常小的尺寸、高性能及减少的色串扰的像素的CMOS传感器阵列。

图2说明根据本发明实施方案的包括具有光电二极管及对应转移晶体管的像素的图像传感器的简化横截面图。蓝色滤色片201、绿色滤色片202和红色滤色片203在形成于光电二极管区域上的层间透明介电结构204上形成。P⁺型掺杂层217连同N型掺杂层210一起形成钉扎光电二极管区域。P⁺型掺杂层217各自在包括浅沟槽隔离(STI)区域206的侧面及底部的硅块(例如，重掺杂P⁺型衬底218)的暴露表面上延伸。用基于氧化物的材料207填充STI区域206。基于氧化物的层205各自覆盖硅块的表面且在各个转移栅极208下方延伸。转移栅极208由诸如多晶硅的导电材料形成。N⁺型掺杂层209形成连接至各个传感放大器(未示出)的FD区域。

当光电二极管，更晶体而言，当钉扎光电二极管耗尽所有电荷时，耗尽区域211形成于钉扎光电二极管下方的深度Xd1处。高能硼注入用于形成P型掺杂层212作为势垒。该P型掺杂层212位于“蓝色”及“绿色”光电二极管下方的深度Xg处，在此大多数绿光及蓝光光子已被转换成电子215。这些电子215向上漂移短距离至耗尽区域211的边界且被快速扫掠至位于N型掺杂层210中的光电二极管势阱中。由于可使垂直扩展距离非常短，因此横向扩展以及色串扰的机率小。红色光生电子216亦直接向上扩散，因为P型掺杂层212形成针对红色光生电子216的小势垒且防止其侧向扩展。此外，在P型掺杂层212下方的其它红色光生电子214亦不能克服势垒且需要绕过势垒扩散至″红色″光电二极管势阱。因此，可改善由有缺陷滤色片所引起的色串扰。

为此，外延层可具有适当足够的深度Xr以将红光充分转换成电子而无需折衷以减少横向扩展至错误光电二极管中。可将外延衬底界面213放置在硅块体中，甚至比常规外延衬底界面更深处以改进红光向电子的转换。附图标记“Xepi”表示外延衬底界面213所处的深度。亦可针对最小化暗电流及P⁺型掺杂层217至P⁺型掺杂层218的良好导电连接而最优化外延层的掺杂。因此，与常规方法相比，硅块体像素高宽比，其为有效像素硅厚度对像素水平尺寸，可以增加而并不产生对色串扰的不利影响。

众所周知，红光的波长最大，且波长按绿光及蓝光的顺序下降。因此，红色光生电荷可在比P型外延层的深度更深的深度产生。因此，考虑到此事实，在距离硅块体的表面的适当深度Xg处形成P型掺杂层212。

由于以上描述未讨论像素电路且仅集中于光电二极管上，因此应理解，共享像素电路也可用于本发明的此实施方案。每一像素可具有共享电路以读取光生电荷作为电信号，且该共享电路可通过共享浮动扩散节点读取光生电荷。

本领域技术人员也应清楚，本发明的此实施方案可容易地适合于3T像素结构，其代表本发明的另一实施方案。此外，本领域技术人员应清楚，P型掺杂层212不必由高能粒子注入来注入。相反地，P型掺杂层212可在外延层生长期间形成。外延生长可停止在深度Xr与深度Xg之间所限定的深度处。硼可由低能离子注入来注入或由一些其它方法来沉积。之后，外延生长可继续直至抵达原始深度Xr为止。此方法代表本发明的另一实施方案。

此外，本领域技术人员应清楚，P型掺杂层212可形成在“绿色”发光二极管下方的深度Xg处，且另一类似P型掺杂层可形成在“蓝色”发光二极管下方比深度Xg更浅的深度Xb(未图示)处。此方法代表本发明的另一实施方案。

在本实施方案中，源于在衬底结构(例如，硅块体)的深区域中所产生的载流子的色串扰可通过将充当势垒的P型掺杂层置于“绿色”及“蓝色”发光二极管下方且不置放于“红色”发光二极管下方来最小化。因此，可以提供固态图像传感器，更具体而言，可提供具有小像素尺寸、对红光响应良好，及较少发生色串扰的CMOS图像传感器。

本发明的各种实施方案涉及对小像素尺寸具有改进串扰的像素，其通过结合在“绿色”及“蓝色”发光二极管下方且不在“红色”发光二极管下方的深P型层来实现。然而，此改进旨在说明且非限制性的，且应注意，本领域技术人员可根据以上教导进行修改及变化。因此，应该理解，对所揭示的本发明特定实施方案进行的各种修改和变化均在由所附权利要求所限定的本发明的范围及实质内。

Claims (15)

1.一种图像传感器，包含：

第一传导型的衬底；

形成在所述衬底上的外延层；

排列在所述衬底上第一和第二像素；和

势垒，所述势垒形成在对应于所述第一像素的外延层区域中而不在对应于所述第二像素的外延层区域中，

其中，所述势垒在所述外延层生长期间形成，由此形成在浅沟槽隔离区下方，和

其中，所述外延层生长停止在限定于第一深度和深于所述第一深度的第二深度之间的预定深度处，注入第一传导型离子，然后继续所述外延层生长直至达到所述第二深度。

2.权利要求1的图像传感器，其中所述势垒包含第一传导型的掺杂层。

3.权利要求1的图像传感器，其中所述第二像素对波长大于所述第一像素所响应的颜色的波长的颜色响应。

4.权利要求1的图像传感器，其中所述第二像素包含红色第一吸光滤色片，和所述第一像素包含绿色、蓝色或其组合的第二吸光滤色片。

5.权利要求1的图像传感器，其中所述第一像素和所述第二像素包含共享电路以读取光生电荷作为电信号。

6。权利要求1的图像传感器，其中所述第一像素和所述第二像素各自包含发光二极管以收集光生电荷。

7.权利要求1的图像传感器，其中所述第一像素和所述第二像素各自包含浮动扩散节点以检测光生电荷。

8.权利要求7的图像传感器，其中所述浮动扩散节点包含共享浮动扩散节点。

9.权利要求8的图像传感器，其中所述第一像素和所述第二像素各自包含转移栅极以将光生电荷转移至所述共享浮动扩散节点。

10.权利要求6的图像传感器，其中所述光电二极管包含钉扎光电二极管。

11.权利要求1的图像传感器，其中所述外延层包含形成在所述衬底上的P型外延层，所述衬底包含重度P⁺型掺杂衬底。

12.权利要求11的图像传感器，其中所述第一像素包含光电二极管以收集光生电荷，所述势垒形成在所述P型外延层中，所述P型外延层形成在由所述光电二极管限定的耗尽区下方。

13.权利要求11的图像传感器，其中所述势垒通过在所述P型外延层的外延生长期间进行低能量离子注入或扩散来掺杂掺杂剂。

14.权利要求1的图像传感器，其中所述第一深度包括用于吸收第一像素的深度，所述第二深度包括用于吸收所述第二像素的深度。

15.权利要求14的图像传感器，其中所述第二深度包括所述外延层的深度。

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