[发明专利]图像传感器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术，具体涉及图像传感器及其制造方法。

背景技术

一般来说，图像传感器是一种用于将光学图像转换为电信号的半导体器件。图像传感器分成电荷藕合器件(Charge Coupled Device，简称“CCD”)和互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，简称“CMOS”)图像传感器。近来，CMOS图像传感器作为用于克服CCD的缺点的下一代图像传感器引起人们的关注。CMOS图像传感器在单位像素内提供感光二极管和金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor，简称“MOS”)晶体管，以切换模式(switching mode)连续检测每一个单位像素的电信号，从而获得图像。

目前常见的CMOS图像传感器是有源像素型图像传感器(APS)，其中又分为三管图像传感器(3T类型，包括复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管)和四管图像传感器(4T类型，包括转移晶体管、复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管)两大类。

绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator，简称“SOI”)技术是在顶层硅和衬底之间引入了一层埋氧层。通过在绝缘体上形成半导体薄膜，SOI材料具有了传统的体硅材料所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势。

现有的基于SOI工艺的CMOS图像传感器大致有以下两类：

第一类是将感光二极管制备于衬底硅上的CMOS图像传感器。如图1所示，图中的作为基本感光单元的像素结构采用的是4T型(3T型像素结构的结构原理与4T型基本类似，故不另行说明)，像素结构包括：SOI的P型掺杂衬底硅101、绝缘层(一般为二氧化硅)102、P型掺杂的顶层硅104、衬底硅中的N型掺杂阱区107、位于所述N型掺杂阱区以上，衬底硅的表面P型掺杂区108、转移晶体管105、浮动扩散区106、位于衬底硅以上、转移晶体管以下的二氧化硅层109以及位于顶层硅上的光电信号处理电路元件103(图1中仅示出一个复位晶体管，未示出放大晶体管和行选择晶体管)。其中，N型掺杂阱区107的全部、P型掺杂区108和衬底硅101的部分组成了有效感光区110，感光二极管位于有效感光区110。

其工作原理是，先用光电信号处理电路元件103中的复位晶体管将浮动扩散区106内的电子全部吸入电源，使其电位变高；曝光开始后，光子照射到有效感光区110，并于其内生成电子和空穴对；曝光结束后，转移晶体管105上加高电平，将有效感光区110中的光生电子转移到浮动扩散区106，使其电位降低，最后通过光电信号处理电路元件103中的放大晶体管和行选择晶体管(未示出)将光生电压信号输出。

第二类是将感光二极管制备于顶层硅(半导体层)上的CMOS图像传感器。如图2所示，像素结构包括：SOI的衬底硅201、绝缘层202、P型掺杂顶层硅203、位于顶层硅内靠近表面的N型掺杂区204、和位于顶层硅203中的光电信号处理电路206。其中N型掺杂区204的靠近顶层硅203的耗尽部分和顶层硅203的靠近N型掺杂区204的耗尽部分共同构成有效感光区205，且所述有效感光区205全部位于SOI的顶层硅内。N型掺杂区204的掺杂浓度比顶层硅203的掺杂浓度高3个数量级以上，使得大部分耗尽区位于顶层硅203内。

图2所示的基于SOI工艺的CMOS图像传感器通过位于顶层硅内的有效感光区205来收集光生载流子，其余的工作方式与图1中的图像传感器相同。

上述的现有技术至少存在以下缺点：

上述第一种基于SOI工艺的CMOS图像传感器，由于感光区域位于衬底硅中并直接与其接触，当所述的图像传感器处于辐射环境中时，高能粒子将会打入衬底硅101中，产生大量的电子空穴对，其中的高能电子容易越过衬底硅101、N型掺杂阱区107所构成的PN结势垒而进入N型掺杂阱区107，形成对图像信号的干扰，降低了所得图像的信噪比和动态范围。

上述第二种基于SOI工艺的CMOS图像传感器，由于其感光区位于顶层硅中，且为了使用全耗尽型SOI器件，顶层硅203的厚度一般小于200nm，大大限制了有效感光区205的深度，使得此图像传感器的光吸收效率下降，尤其是对于波长大于600nm的红色，橙色和黄色光，吸收效率极低，成像质量很不理想。