专利名称：图像传感器的空穴型超深光二极管及其工艺方法
技术领域：
本发明涉及一种互补式金属氧化物半导体(CM0Q图像传感器，特别是涉及一种应用于汽车的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管。
背景技术：
互补式金属氧化物半导体(CM0Q图像传感器普遍应用于移动电话的相机、网络摄影机、监视摄影机、玩具或医疗设备。CMOS图像传感器还可应用于严厉的环境，例如汽车应用，由于其严厉的操作环境，因此对于图像传感器是非常苛求的。为了应用于汽车，必须解决CMOS图像传感器的一些问题。
第一，为了让汽车于夜间能够获得更多细节信息以进行判定，图像传感器必须具有较高的灵敏度或信号噪声比(SNI )。
第二，由于汽车的操作温度会高于一般应用，例如移动电话的相机，因此需要较低的暗电流，用以维持高动态范围，降低暗信号非均勻性(dark signal non-uniformity, DSNU)及降低暗信号脉冲噪声(shot noise)。
第三，由于夜间的路面场景属于高动态范围型式，因此CMOS图像传感器于超亮区域需要良好的外溢(blooming)控制，以防止其周围较暗区域受到超亮区域的外溢电荷而冲淡。对于传统一些高动态范围机制，由于其光二极管的累加(integration)时间不同，因此较长累加的光二极管会破坏较短累加的光二极管的信息。
第四，由于汽车尾灯及交通标志具有较强的红光成分，因此红光信息对于汽车应用是很重要的。再者，为了作出更佳的判定，图像传感器需要收集可见光谱之外的红外光及近红外光信息。
传统CMOS图像传感器的每一像素以电子来表示信号，且像素中的晶体管皆为N型金属氧化物半导体(NMOQ晶体管。于像素中，光子所产生的空穴及电子分别储存于光二极管的P侧及N侧。于曝光后，NMOS传输门仅传送电子至N型浮动扩散(floating diffusion, FD)节点，再由FD结电容将电子转换为电压信号。该电压信号接着由后续电路传递至像素的输出。
为了改善上述的暗电流及外溢问题，因而揭露如图1所示的空穴型光二极管， 可参考 Eric Stevens 等人所发表的 “Low-Crosstalk and Low-Dark-Current CMOS Image-Sensor technology Using a Hole-Based Detector，，，2008年 IEEE International Solid-State Circuits Conference，60-610
图1所示的空穴型光二极管较传统电子型CMOS图像传感器更能抑制暗电流。其中，P型基底10可作为外溢空穴的排放区，以转移出基底(bulk)暗电流。此外，藉由Si/ Si02接口处的掺杂物(dopant)聚集，例如浅沟槽隔离区(STI) 12与N+井14之间，暗电流可大幅降低，此异于电子型CMOS图像传感器会于该处产生掺杂物分离。另外，由于空穴的迁移率(mobility)小于电子，因此在相同电场及电荷分布状况下，空穴型CMOS图像传感器的漂流(drift)电流及扩散电流远小于电子型CMOS图像传感器。再者，由于接地的P型基底10提供低电位以排放空穴型光二极管所外溢空穴，因而可提供良好外溢控制，亟适用于汽车应用。
然而，由于N型掺杂物重于P型掺杂物，使得空穴型CMOS图像传感器的P型光二极管16的深度受限于N型井18的注入深度。例如，N型磷的原子量为30. 97或砷为74. 92， 而P型硼的原子量为10. 81。因此，浅P型光二极管16无法吸收足够电子-空穴对以涵盖红光/近红外光的吸收区域。另一方面，对于给定深度的P型光二极管16，N型井18的深度将受限于干扰(crosstalk)及外溢控制。如果太深，则扩散电荷会进入邻近像素，而无法被P型光二极管16所吸收。
因此，亟需提出一种新颖的CMOS图像传感器，以改进图1所示结构的红光/近红外光反应并维持其外溢及干扰控制。发明内容
鉴于上述，本发明实施例的目的之一在于提出一种互补式金属氧化物半导体 (CMOS)图像传感器的空穴型超深光二极管的结构及工艺，其具有改良的红光/近红外光反应、降低的干扰、外溢及较小的暗电流。
根据本发明实施例，CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管包含P型基底、N型外延层及超深P型光二极管注入区域。P型基底接地或连接至负电源。N型外延层生长于 P型基底上，且连接至正电源。超深P型光二极管注入区域形成于N型外延层内。
图1显示传统CMOS图像传感器的空穴型光二极管的剖面图2显示电子型深光二极管；
图3显示本发明实施例的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管的剖面图4A至图4C显示本发明实施例的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管的工艺。
具体实施方式
为了增强红光/近红外光的较长波长反应并降低扩散干扰，图2提出的电子型光二极管具有深N型光二极管20，其可吸收电子-空穴对以涵盖红光/近红外光吸收区域并吸收更多信号。此外，可大量降低位于深N型光二极管20底下的P型外延层22的扩散电荷，因此，即可降低进入邻近像素的扩散电荷。于图1中，因外溢排出所降低的干扰却会造成不良的红光/近红外光反应。然而，图2则没有图1的外溢排出情形。
为了兼顾图1及图2的优点，图3显示本发明实施例的互补式金属氧化物半导体 (CMOS)图像传感器的空穴型超深光二极管的剖面图。附图仅显示出主要组成元件，较详细结构请参阅图4C。在本实施例中，“深”或“超深(ultra-de印)”指大于0. 5微米，例如0. 5-2 微米，在一优选实施例中则指大于2微米。所揭露的光二极管可适用于严厉环境，例如汽车应用，但不以此为限。如图1所述，空穴型光二极管可达较低暗电流，因此本实施例的光二极管可符合汽车应用的严苛温度要求。
在本实施例中，如同图1，P型基底30接地或连接至负电源。P型基底30用以排出外溢空穴，此有利于夜间的高动态范围场景。于一般操作下，P型基底30可降低红光/ 近红外光信号的干扰。关于外溢控制的进一步细节可参考^suo Ishihara等人所发表的 “Interline CCD Image Sensor with an Antiblooming Structure，，， IEEE Transactions on Electron Devices，Vol. ED-31，No. 1，1984 年 1 月；或 G. Agranov 等人所发表的"Super Small, Sub 2 μ m Pixels For Novel CMOS Image Sensors，，，International Image Sensor Workshop, 2007 年 6 月 7-10 日，Ogunquit, Maine USA。
N型外延层31形成于P型基底30上，且连接至正电源AVDD。深P型光二极管32 注入区形成于N型外延层31内。由于本实施例使用N型外延层31而非如图1的N型井， 因此不会受到较重N型掺杂物的注入深度限制。由于P型掺杂物较轻，因此，相较于传统电子型光二极管，本实施例的深P型光二极管32注入区可较深，因而能改善信号噪声比及红光/近红外光反应。
于N型外延层31内形成隔离区，例如浅沟槽隔离区(STI) 33。于浅沟槽隔离区33 的侧边及底部形成N+晶胞(cell)隔离层34。相较于图2的P型隔离层M，由于N型掺杂物较重，本实施例的N型隔离层34的热扩散可大大降低。因此，可小型化隔离层，并留更多空间给光二极管32。藉此，可改善信号吸收及干扰问题。
传输门35形成于N型外延层31上，并位于深P型光二极管32注入区与P型浮动扩散(P+FD)36注入区之间。
图4A至图4C显示本发明实施例的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管的工艺。与图3相同的组成元件标示以相同元件符号。各步骤可使用传统半导体工艺技术，其细节予以省略。
于图4A中，提供P型基底(或简称基底)30，再于其上生长N型外延层(或简称为外延层)31。在本实施例中，外延层31的厚度为6微米或大于6微米，但不以此为限。
接着，仍参阅图4A，执行多次深P型光二极管注入，以形成深P型光二极管(或简称为光二极管)32注入区。该注入执行于屏蔽(未显示于图式)所定义的区域内。每一次注入可使用不同能量以达到所需轮廓。此外，于每次注入后，可使用热处理使其轮廓平滑。 其轮廓也可根据后续工艺步骤的热处理而决定。接着，形成浅沟槽隔离区33于外延层31 内。
于图4B中，于浅沟槽隔离区33的侧边及底部注入晶胞隔离层(或晶胞N型井)34， 且于晶胞隔离层34下注入深隔离层(或深N型井)37。此外，于外延层31上表层区域注入 N型沟道38注入区域，其位于深光二极管32注入区上方。上述晶胞隔离层34、深隔离层37 及沟道38注入区域可依据适当的顺序来执行。接着，形成传输门35于外延层31上。
于图4C中，于外延层31上表层区域注入梢(pinning) 39注入区域。在本实施例中，N型梢39注入区域位于沟道38注入区域内。于沟道38注入区域与深光二极管32注入区之间注入P型表面光二极管40注入区域，作为主要空穴型光二极管。在本实施例中， 梢39注入区域与沟道38注入区域主要用以抑制暗电流并最佳化传输门35。梢39注入区域与表面光二极管40注入区域可依据适当的顺序来执行。接着，注入P+浮动扩散36注入区域。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并非用以限定本发明的权利范围；凡其它未脱离发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述的权利要求范围内。
权利要求
1.一种互补式金属氧化物半导体(CM0Q图像传感器的空穴型超深光二极管，包含 P型基底，接地或连接至负电源；N型外延层，生长于所述P型基底上，所述N型外延层连接至正电源；及超深P型光二极管注入区域，形成于所述N型外延层内。
2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管，其中所述超深P型光二极管注入区域的厚度大于0. 5微米。
3.如权利要求2所述的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管，其中所述超深P型光二极管注入区域的厚度为0. 5-2微米。
4.如权利要求2所述的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管，其中所述超深P型光二极管注入区域的厚度大于2微米。
5.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管，还包含 隔离区，形成于所述N型外延层内。
6.如权利要求5所述的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管，其中所述隔离区为浅沟槽隔离区。
7.如权利要求5所述的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管，还包含 N型晶胞隔离层，形成于所述隔离区的侧边及底部。
8.—种互补式金属氧化物半导体(CM0Q图像传感器的空穴型超深光二极管的工艺方法，包含提供P型基底；生长N型外延层于所述P型基底上；及形成超深P型光二极管注入区域于所述N型外延层内。
9.如权利要求8所述的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管的工艺方法，其中所述超深P型光二极管注入区域的形成包含使用不同能量以执行多次注入。
10.如权利要求9所述的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管的工艺方法，还包含于每一次所述注入后或者藉由后续工艺步骤施以热处理。
11.如权利要求8所述的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管的工艺方法，还包含形成隔离区于所述N型外延层内。
12.如权利要求11所述的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管的工艺方法，还包含形成N型晶胞隔离层于所述隔离区的侧边及底部；及注入N型深隔离层于所述晶胞隔离层下。
13.如权利要求8所述的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管的工艺方法，还包含注入沟道注入区域于所述N型外延层的上表层区域，其中所述沟道注入区域位于所述超深P型光二极管注入区域上方。
14.如权利要求13所述的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管的工艺方法，还包含注入N型梢注入区域于所述N型外延层的上表层区域；及注入P型表面光二极管注入区域于所述N型外延层内，作为一主要空穴型光二极管的电荷储存，其中所述表面光二极管注入区域位于所述沟道注入区域与所述超深P型光二极管注入区域之间。
15.如权利要求8所述的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管的工艺方法，还包含形成传输门于所述N型外延层上；及形成P型浮动扩散注入区域于所述N型外延层内，其中所述传输门位于所述超深P型光二极管注入区域与所述P型浮动扩散注入区域之间。
16.如权利要求8所述的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管的工艺方法，其中所述超深P型光二极管注入区域的厚度大于0. 5微米。
17.如权利要求16所述的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管的工艺方法，其中所述超深P型光二极管注入区域的厚度为0. 5-2微米。
18.如权利要求16所述的CMOS图像传感器的空穴型超深光二极管的工艺方法，其中所述超深P型光二极管注入区域的厚度大于2微米。
全文摘要
一种互补式金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的空穴型超深光二极管及其工艺方法。P型基底接地或连接至负电源。N型外延层生长于P型基底上，且连接至正电源。超深P型光二极管注入区域形成于N型外延层内。使用加热处理以得到平滑且深的掺杂轮廓。
文档编号H01L31/18GK102544031SQ20101062151
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者吴扬, 郁飞霞 申请人:英属开曼群岛商恒景科技股份有限公司