CN107305901A - 图像传感器、成像***及图像传感器制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请案涉及一种图像传感器、一种成像***及一种图像传感器制造方法。图像传感器像素包含安置在半导体材料中的光电二极管及至少部分围绕所述光电二极管的掺杂区。所述掺杂区包含所述半导体材料的掺杂部分。深沟槽隔离结构安置在所述掺杂区中，并且至少部分围绕所述光电二极管。所述深沟槽隔离结构包含安置在所述深沟槽隔离结构的侧壁上的SiGe层、安置在所述SiGe层上的高k电介质以及填充材料。
Description
技术领域
本发明大体上涉及半导体制造，且特定来说(但非排他性地)涉及图像传感器像素隔离。
背景技术
图像传感器已变得无处不在。它们广泛应用于数码相机，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。
像素串扰当前限制半导体图像传感器装置的性能。理想地，图像传感器中的每一像素作为独立光子检测器操作。换句话说，一个像素中的电子/空穴含量不会溢出到相邻像素(或所述装置中的任何其它像素)中。在实际图像传感器中，情况并非如此。电信号可从一个像素移动到另一个像素。此串扰可增加白像素的数目，降低图像传感器灵敏度，并引起彩色信号混合。不幸的是，串扰的许多解决方案通常扩大了暗电流的影响或促成暗电流。暗电流及串扰的组合可能导致明显的图像劣化。
已采用许多技术来减轻串扰/暗电流的影响并增强图像传感器性能。然而，这些方法中的一些可能无法完全消除像素串扰及暗电流的影响。
发明内容
一方面，本发明描述一种图像传感器，所述图像传感器包括：光电二极管，其安置在半导体材料中；掺杂区，其安置在所述半导体材料中且至少部分围绕所述光电二极管，其中所述掺杂区包含所述半导体材料的掺杂部分；以及深沟槽隔离结构，其至少部分围绕所述光电二极管，其中所述深沟槽隔离结构包含：SiGe层，其安置在所述深沟槽隔离结构的侧壁上；高k电介质，其安置在所述SiGe层上，其中所述SiGe层安置在所述掺杂区与所述高k电介质之间；以及填充材料，其中所述高k电介质安置在所述SiGe层与所述填充材料之间。
另一方面，本发明描述一种成像***，所述成像***包括：多个光电二极管，其安置在半导体材料中；以及深沟槽隔离结构，其安置在所述半导体材料中，所述深沟槽隔离结构包含：窄带隙半导体材料，其安置在所述深沟槽隔离结构中，其中所述窄带隙半导体材料具有比所述半导体材料窄的带隙；填充材料，其安置在所述深沟槽隔离结构中；以及高k电介质，其安置在所述窄带隙半导体材料与所述填充材料之间，其中所述高k电介质电耦合到所述窄带隙半导体材料，以在所述半导体材料与所述窄带隙半导体材料之间的界面处诱发正电荷积累。
另一方面，本发明描述一种图像传感器制造方法，所述方法包括：提供半导体材料，其包含安置在所述半导体材料中的多个光电二极管；在所述半导体材料中蚀刻沟槽，所述沟槽安置在所述多个光电二极管中的个别光电二极管之间且至少部分围绕所述个别光电二极管；将窄带隙半导体材料沉积在所述沟槽的壁上，其中所述窄带隙半导体材料具有比所述半导体材料窄的带隙；以及沉积高k电介质，其中所述窄带隙半导体材料安置在所述半导体材料与所述高k电介质之间，且其中所述高k电介质耦合到所述窄带隙半导体材料，以在所述半导体材料与所述窄带隙半导体材料之间的界面处诱发正电荷积累。
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1是根据本发明的教示的实例图像传感器的横截面图。
图2是说明根据本发明的教示的包含图1的图像传感器的成像***的一个实例的框图。
图3A到3D展示根据本发明的教示的用于形成图1的图像传感器的实例过程。
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
本文描述一种用于具有半导体沟槽隔离的图像传感器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。
贯穿本说明书，使用若干所属领域的术语。这些术语具有其出自的所属领域的一般意义，除非本文具体定义或其使用背景另有明确指示。应注意，可贯穿此文献互换使用元件名称及符号(例如，Si与硅)；然而，两者具有相同含义。
图1是实例图像传感器100的横截面图。图像传感器100包含：半导体材料101、多个光电二极管103、掺杂区111及深沟槽隔离结构。深沟槽隔离结构包含：窄带隙半导体材料113(例如，P+SiGe)，高k电介质115及填充材料121。值得注意的是，所属领域的技术人员可将“深沟槽隔离结构”称为包含掺杂区111；然而，为了清楚地描述装置架构，此处掺杂区111被称为其自身的独特结构。
如所展示，多个光电二极管103安置在半导体材料101中，且掺杂区111也安置在半导体材料101中。掺杂区111至少部分围绕个别光电二极管103。在所描绘的实例中，掺杂区111包含半导体材料101的掺杂部分，其可经由离子注入或类似途径形成。深沟槽隔离结构安置在掺杂区111中并且至少部分围绕个别光电二极管103。在一个实例中，深沟槽隔离结构安置在距光电二极管103的横向边缘一定距离处。窄带隙半导体材料113安置在深沟槽隔离结构的侧壁上，且高k电介质115安置在窄带隙半导体材料113上。填充材料121可安置在深沟槽隔离结构中。窄带隙半导体材料113安置在掺杂区111与高k电介质115之间。高k电介质115安置在窄带隙半导体材料113与填充材料121之间。窄带隙半导体材料113具有比半导体材料101更窄的带隙。在一个实例中，填充材料121包含金属或氧化物。
由于所说明的实例描绘图像传感器100的横截面图，应注意，深沟槽隔离结构(及掺杂区111)可环绕光电二极管103。在一些实例中，深沟槽隔离结构经布置成围绕个别光电二极管103的栅格图案，以防止电荷在光电二极管103之间溢出。在所描绘的实例中，掺杂区111的位置可与深沟槽隔离结构相同。取决于所采用的植入技术，掺杂区111可呈现所描绘的椭圆形形状，或可为大体上矩形、梯形等。
在所说明的实例中，窄带隙半导体材料113包含具有P型掺杂剂的SiGe；掺杂区111包含P型掺杂剂；且多个光电二极管103包含大部分N型掺杂剂。此外，高k电介质115电耦合到SiGe层以在SiGe层与半导体材料101之间的界面处诱发正电荷积累。在一个实例中，正电荷积累是高k电介质115具有固有负表面电荷的产物，如在氧化铪的情况下。掺杂区111及窄带隙半导体材料113/高k电介质115两者的使用用于在多个光电二极管103中的个别光电二极管103之间诱发大量的正电荷积聚。在窄带隙半导体材料113与半导体材料101的界面处的正电荷可有助于减少光电二极管103之间的串扰，这是因为界面电压阻挡半导体材料101中的表面状态之间的电荷传输。因此，防止来自半导体材料101表面状态的电荷在图像传感器100的背侧上的像素之间移动。这减轻了不期望的电效应，例如暗电流及白像素，这两者都会降低图像质量。
如前所论述，高k电介质115可包含氧化铪(HfO2或HfOx)；然而，在其它实例中，高k电介质115可包含其它氧化物，例如：氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧氮化硅(SiOxNy)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化镧(La2O3)、氧化镨(Pr2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钷(Pm2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化铕(Eu2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化铽(Tb2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化钬(Ho2O3)、氧化铒(Er2O3)、氧化铥(Tm2O3)、氧化镱(Yb2O3)，氧化镥(Lu2O3)、氧化钇(Y2O3)或类似物。此外，相关领域的技术人员将认识到，根据本发明的教示，可在高k电介质115中采用上述金属/半导体及其氧化物/氮化物/氮氧化物的任何化学计量组合。
类似地，尽管窄带隙半导体材料113可包含SiGe，但可采用包含GaAs、Pbs、PbSe、PbTe、GaSb、InN等等的其它窄带隙半导体材料。此外，根据本发明的教示，任何3族元素(B、Al、Ga、In、Tl)、4族元素(C、Si、Ge、Sn、Pb)、5族元素(N、P、As、Sb、Bi)或类似物可用于形成合适的窄带隙半导体。
图2说明包含图1的图像传感器(即，图像传感器100)的成像***200的一个实例。成像***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。读出电路211可经耦合以从像素阵列205中的多个光电二极管读出图像数据。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，裁剪、旋转、去除红眼、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。在一个实例中，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，所述快门信号是滚动快门信号，使得像素的每一行、每一列或每一群组在连续获取窗口期间被循序地启用。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***200可包含于数码相机、手机、膝上型计算机或类似物中。另外，成像***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***200，从成像***200提取图像数据，操纵由成像***200供应的图像数据。
图3A到3D展示用于形成图1的图像传感器的实例方法300。一些或所有说明在方法300中出现的顺序不应被认为是限制性的。而是，受益于本发明的所属领域的一般技术人员将理解，方法300中的部分可以未说明的各种顺序执行或甚至并行执行。此外，方法300可省略某些说明以便避免使某些方面模糊。替代地，方法300可包含在本发明的一些实施例/实例中可能不是必需的额外说明。
图3A展示提供半导体材料301(包含安置在半导体材料301中的多个光电二极管303)及蚀刻半导体材料301中的沟槽。可通过将光致抗蚀剂(正或负)图案沉积在半导体材料301的表面上并使用蚀刻剂来去除半导体材料301的部分来实现沟槽的蚀刻。取决于所需的蚀刻速率及特征几何形状，所使用的蚀刻剂可为湿的或干的。沟槽可安置在多个光电二极管303中的个别光电二极管303之间并至少部分围绕个别光电二极管303。
在所描绘的实例中，掺杂区311已形成在个别光电二极管303之间，且掺杂区311包含具有P型掺杂剂的半导体材料301。然而，在其它实例中，掺杂区311可在制造过程中稍后形成—例如，在将沟槽蚀刻到半导体材料301中之后。掺杂区311及光电二极管303可经由一或多个离子注入工艺制造，或可通过CVD工艺或类似者生长。如所展示，掺杂区311安置在距个别光电二极管303的边缘一定横向距离处，并至少部分围绕个别光电二极管303。然而，在其它实例中，掺杂区311可完全围绕个别光电二极管303。
图3B说明将窄带隙半导体材料313沉积在沟槽的壁上。窄带隙半导体材料313具有比半导体材料301更窄的带隙。如所展示，在一些实例中，窄带隙半导体材料313也可在个别光电二极管303之间沉积在半导体材料301的上表面上。然而，在其它实例中，可在形成装置架构的其它层之前从半导体材料301的上表面去除窄带隙半导体材料313。窄带隙半导体材料313的沉积可在低于450℃的温度下经由化学气相沉积、原子层沉积、分子束外延或类似途径来实现。这通过限制掺杂剂原子的热扩散来防止对先前制造的装置架构件(例如光电二极管303)的损坏。如所陈述，窄带隙半导体材料313可包含SiGe，这是因为高质量SiGe膜可在例如这些温度的低温下生长。
图3C描绘将高k电介质315沉积在沟槽中，使得窄带隙半导体材料313安置在半导体材料301与高k电介质315之间。如所展示，在一些实例中，高k电介质315也可在半导体材料301的上表面上沉积在窄带隙半导体材料313的顶部上。然而，在其它实例中，可在形成装置架构的其它层之前从半导体材料301的上表面去除高k电介质315。高k电介质315耦合到窄带隙半导体材料313，以在半导体材料301与窄带隙半导体材料313之间的界面处诱发正电荷积累。更具体来说，高k电介质315耦合到窄带隙半导体材料313，以在窄带隙半导体材料313与掺杂区311之间的界面处诱发正电荷积累。此正电荷积累可通过选择具有负表面电荷的电介质材料或通过施加外部电压来实现。高k电介质315的沉积可通过化学气相沉积、原子层沉积、分子束外延或类似途径来完成。
图3D说明将填充材料321沉积在沟槽中。高k电介质315安置在窄带隙半导体材料313及填充材料321之间。在一些实例中，填充材料321包含金属(例如钨、铜、铝或类似物)或氧化物(例如在高k电介质115的论述中列举的)。在一个实例中，填充材料321可为与高k电介质315相同的材料。
尽管未描绘，但可在多个光电二极管303上方形成金属栅格，且彩色滤光器阵列可沉积在金属栅格中。在一个实例中，彩色滤光器阵列包含红色、绿色及蓝色彩色滤光器，其可布置成拜耳图案、EXR图案、X转换图案或类似者。然而，在不同或相同的实例中，彩色滤光器阵列可包含隔离EM光谱的不可见部分的红外彩色滤光器、紫外彩色滤光器或其它滤光器。此外，微透镜可形成在彩色滤光器阵列上。微透镜可由在彩色滤光器阵列的表面上图案化的光活性聚合物制成。一旦聚合物的矩形块在彩色滤光器阵列上被图案化，便可熔化(或回流)所述块以形成微透镜的穹顶状结构特性。
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。
Claims (20)
1.一种图像传感器，其包括：
光电二极管，其安置在半导体材料中；
掺杂区，其安置在所述半导体材料中且至少部分围绕所述光电二极管，其中所述掺杂区包含所述半导体材料的掺杂部分；以及
深沟槽隔离结构，其至少部分围绕所述光电二极管，其中所述深沟槽隔离结构包含：
SiGe层，其安置在所述深沟槽隔离结构的侧壁上；
高k电介质，其安置在所述SiGe层上，其中所述SiGe层安置在所述掺杂区与所述高k电介质之间；以及
填充材料，其中所述高k电介质安置在所述SiGe层与所述填充材料之间。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述高k电介质电耦合到所述SiGe层以在所述SiGe层与所述半导体材料之间的界面处诱发正电荷积累。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述SiGe层包含P型掺杂剂，所述掺杂区包含P型掺杂剂，且所述光电二极管包含N型掺杂剂。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述填充材料包含金属或氧化物。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述掺杂区及所述深沟槽隔离结构环绕所述光电二极管并且安置成与所述光电二极管的横向边缘相距一定距离。
6.一种成像***，其包括：
多个光电二极管，其安置在半导体材料中；以及
深沟槽隔离结构，其安置在所述半导体材料中，其包含：
窄带隙半导体材料，其安置在所述深沟槽隔离结构中，其中所述窄带隙半导体材料具有比所述半导体材料更窄的带隙；
填充材料，其安置在所述深沟槽隔离结构中；以及
高k电介质，其安置在所述窄带隙半导体材料与所述填充材料之间，其中所述高k电介质电耦合到所述窄带隙半导体材料，以在所述半导体材料与所述窄带隙半导体材料之间的界面处诱发正电荷积累。
7.根据权利要求6所述的成像***，其进一步包括安置在所述多个光电二极管中的个别光电二极管之间的掺杂区，其中所述掺杂区包含掺杂半导体材料，且其中所述深沟槽隔离结构安置在所述掺杂区中，因此所述窄带隙半导体材料与所述掺杂区接触。
8.根据权利要求7所述的成像***，其中所述掺杂区包含P型掺杂剂，且所述多个光电二极管包含N型掺杂剂。
9.根据权利要求6所述的成像***，其中所述深沟槽隔离结构至少部分围绕所述多个光电二极管中的个别光电二极管。
10.根据权利要求6所述的成像***，其进一步包括耦合到所述多个光电二极管的控制电路及读出电路，其中所述控制电路控制所述多个光电二极管的操作，且所述读出电路从所述多个光电二极管读出图像数据。
11.根据权利要求6所述的成像***，其中所述高k电介质包含具有负表面电荷的电介质材料。
12.根据权利要求6所述的成像***，其中所述窄带隙半导体材料包含掺杂P的SiGe。
13.根据权利要求6所述的成像***，其中所述填充材料包含金属或氧化物。
14.一种图像传感器制造方法，其包括：
提供半导体材料，其包含安置在所述半导体材料中的多个光电二极管；
在所述半导体材料中蚀刻沟槽，所述沟槽安置在所述多个光电二极管中的个别光电二极管之间且至少部分围绕所述个别光电二极管；
将窄带隙半导体材料沉积在所述沟槽的壁上，其中所述窄带隙半导体材料具有比所述半导体材料更窄的带隙；以及
沉积高k电介质，其中所述窄带隙半导体材料安置在所述半导体材料与所述高k电介质之间，且其中所述高k电介质耦合到所述窄带隙半导体材料，以在所述半导体材料与所述窄带隙半导体材料之间的界面处诱发正电荷积累。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述窄带隙半导体材料包含SiGe。
16.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括形成安置在所述个别光电二极管之间的掺杂区，其中所述掺杂区包含具有P型掺杂剂的所述半导体材料，且其中所述沟槽安置在所述掺杂区中。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述掺杂区安置在距所述个别光电二极管的边缘一定横向距离处，且至少部分围绕所述个别光电二极管。
18.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括将填充材料沉积在所述沟槽中，其中所述高k电介质安置在所述窄带隙半导体材料与所述填充材料之间，且其中所述填充材料包含金属或氧化物。
19.根据权利要求14所述的方法，其中在小于450℃的温度下沉积所述窄带隙半导体材料。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述高k电介质包含具有负表面电荷的电介质材料。
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