用于减少串扰的多层图像传感器像素结构制造技术

本发明专利技术公开了用于减少串扰的多层图像传感器像素结构。图像传感器像素包括衬底、第一外延层、收集器层、第二外延层和光收集区域。衬底被掺杂为具有第一导电类型。第一外延层被布置在衬底之上并且被掺杂为也具有第一导电类型。收集器层被选择性地布置在第一外延层的至少一部分上并且被掺杂为具有第二导电类型。第二外延层被布置在收集器层上并且被掺杂为具有第一导电类型。光收集区域收集光生电荷载流子并被布置在第二外延层内。光收集区域也被掺杂为具有第二导电类型。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于减少串扰的多层图像传感器像素结构。
技术介绍
图像传感器已经变得无处不在。它们被广泛地用在数字静止相机、蜂窝电话、安全 相机中，以及医疗、汽车和其它应用中。用来制造图像传感器尤其是互补金属氧化物半导体 (“CMOS”)图像传感器(“CIS”)的技术已持续大步发展。例如，对更高分辨率和更低功耗 的需求促使对这些图像传感器进行进一步的小型化和集成。图1图示出了传统的正面被照射的CIS像素100。CIS像素100的正面是其上布 置有像素电路130并且之上形成有用于重新分布信号的金属叠层(metal stack) 110的P+ 衬底105侧。以如下方式来形成金属层(例如，金属层Ml和M2)的图案创建可以使入射 在CIS像素100正面上的光(用虚线箭头指示)到达光敏或光电二极管(“PD”)区域115 的光通道。为了实现彩色CIS，CIS像素100的正面还包括布置在微透镜125之下的色彩过 滤器层120。微透镜125帮助将光集中到PD区域115上。CIS像素100包括P型掺杂阱内与PD区域115相邻布置的像素电路130 (用虚线 框表示)。像素电路130提供用于CIS像素100的常规操作的各种功能。例如，像素电路 130可以包括用于开始获取PD区域115内的图像电荷、用于对PD区域115内所累积的图像 电荷进行复位以使CIS像素100为下一图像准备好或者用于将由CIS像素100获取的图像 数据传送出去的电路。图2图示出了在布置在P+衬底105之上的P-外延(“印i”)层140内形成并由 浅槽隔离区域(STI)分开的两个相邻CIS像素100的一部分的细节。当光生电荷载流子 (photo-generated charge carrier)形成在CIS像素内的浅处时(例如，第一电荷载流子 150)，由于PD与周围外延层之间的P-N结或者耗尽区域，该电荷载流子受到朝向PD区域 115的强烈向上吸引力(由箭头200示出)。当光生电荷载流子形成在CIS像素内的较深 处时(例如，第二电荷载流子155)，由于P-外延层140与P+衬底150之间的结处出现掺杂 梯度，该电荷载流子最初受到较弱的向上的排斥力。串扰是图像传感器中的严重问题。通常存在三种成分的串扰a)电串扰，b)光串 扰，以及c)频谱串扰。电串扰是当在图像传感器的一个像素中生成的电荷载流子被图像传 感器的相邻像素收集时产生的。光串扰可能是由于离开金属线以及在金属叠层110内的介 电层之间的接口处的光衍射和/或散射引起的。频谱串扰是由于色彩过滤器120对其目标 通带外的波长的有限(非零)透射率(例如绿色和蓝色波长通过红色过滤器的有限透射 率)引起的。—种形式的电串扰是在半导体外延层的深处产生的光生电荷载流子(例如，第二 电荷载流子155)的横向漂移。随着这些光生电荷载流子的上升，它们可以横向地漂移并且 最终被收集在相邻像素的PD区域中。发晕(blooming)是另一形式的电串扰，其特征在于 当电荷载流子充满PD区域或者电荷载流子使PD区域饱和时电荷载流子横向扩散。在高亮环境中，发晕是最常经历的。在饱和的PD区域115附近生成的光载流子将不被收集，因此 保持自由从而横向地扩散到相邻像素。发晕导致静止图像中的边缘模糊以及运动图像中的 拖尾(streaking)。两种形式的电串扰都是由于在一个像素中生成的电荷载流子被相邻像 素收集。
技术实现思路
在一个实施例中，通过将在光电二极管区域之下布置收集器层(collector layer)来相对于传统的图像传感器像素减少图像传感器像素之间的电串扰，收集器层用于 防止在光电二极管区域内的深处形成的载流子被收集在相邻的光电二极管区域中。在适当 的偏置条件下，电场被建立，通过该电场使光生载流子从光电二极管区域内的深处位置被 扫除并被光电二极管区域下的收集器层收集，以便防止它们被相邻光电二极管收集。在另一实施例中，通过布置至少部分地覆盖收集器层的势垒层(barrier layer) 来相对于传统图像传感器像素减少图像传感器像素之间的电串扰，势垒层用来防止在光电 二极管区域的深处形成的载流子被收集在相邻的光电二极管区域中。在某些偏置条件下， 电场被建立，通过该电场使光生载流子从光电二极管区域内的深处位置被扫除并被光电二 极管区域下的收集器层收集，以便防止它们被相邻的光电二极管收集。另外，在势垒层与光 电二极管区域之间创建了电场，该电场提供了在光电二极管区域内对在光电二极管区域内 的适度深处生成的载流子的更多收集。附图说明将参考附图描述示例性实施例，其中，在各个视图中，除非以其他方式指出，否则 相似的标号指相似的部分。图1是传统的正面被照射的CMOS图像传感器像素的剖视图。图2是说明电串扰机制的两个相邻CMOS图像传感器像素的剖视图。图3是根据实施例的具有减少电串扰的结构的两个相邻CMOS图像传感器像素的 剖视图。图4是根据实施例的具有减少电串扰的结构的两个相邻CMOS图像传感器像素的 剖视图。图5是根据实施例的具有减少电串扰的结构的两个相邻图像传感器像素的剖视 图。图6是根据实施例的具有减少电串扰的结构的两个相邻图像传感器像素的剖视 图。图7是根据实施例的具有减少电串扰的结构的两个相邻图像传感器像素的剖视 图。图8是图示出根据实施例的传感器的功能框图。图9是图示出根据实施例的图像传感器阵列内的两个图像传感器像素的样本像 素电路的电路图。图10是图示出根据实施例的减少了电串扰的成像系统的框图。具体实施例方式这里描述改善了电串扰特性的像素、图像传感器、成像系统以及制造像素、图像传 感器和成像系统的方法的实施例。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施例 的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，也可以不用这些具体细节中的一个或多 个，或者利用其它方法、组件、材料等来实施这里所述的技术。在其它实例中，不详细示出或 描述公知的结构、材料或操作以避免模糊某些方面。例如，虽然未示出，但是应当理解，图 像传感器像素(附图中的标号300、400、500、600和700)可以包括被布置在正面上的多个 材料层(例如图1所示的那些材料层，如像素电路130、介电层、金属叠层110、色彩过滤器 120、微透镜125等)，以及用于制造CIS像素的其它传统层(例如，抗反射膜等)。此外，这 里说明的图像传感器像素的所示剖视图未示出与每个像素相关联的像素电路。然而，应当 理解，每个像素可以包括耦合到其收集区域的像素电路(例如，如图9所示的)，以用于执行 各种功能，如开始图像获取、对累积的图像电荷进行复位、传送出所获取的图像数据等等。在整个本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的提及是指结合该实施例描述的 特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，在整个本说明书中各个地方出现的 短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必都指同一实施例。此外，在一个或多个实施 例中，可以以任何合适的方式组合特定特征、结构或特性。再次参考附图，图3是根据实施例的具有减少电串扰的多层结构的两个相邻CIS 像素300A和300B(总地称为像素300)的剖视图。所示出的像素300的实施例包括衬底 305、梯度结(gradient junction) 307、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种图像传感器像素，包括：衬底，被掺杂为具有第一导电类型；第一外延层，被布置在所述衬底之上并且被掺杂为具有所述第一导电类型；收集器层，被选择性地布置在所述第一外延层的至少一部分上并且被掺杂为具有第二导电类型；第二外延层，被布置在所述收集器层上并且被掺杂为具有所述第一导电类型；以及光收集区域，被布置在所述第二外延层内并用于收集光生电荷载流子，其中，所述光收集区域被掺杂为具有所述第二导电类型。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：文森特瓦乃兹艾，阿施施沙哈，杨荣生，毛杜立，钱胤，戴幸志，霍华德E罗兹，
申请(专利权)人：美商豪威科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]