[发明专利]一种半导体结构及其制造方法

说明书

本发明提供了一种半导体结构，用以形成CMOS图像传感器。上述半导体结构至少包括光电二极管，光电二极管形成在衬底中，用以收集光电子，光电二极管沿衬底高度方向由上至下依次具有钉扎层、第一掺杂区和第二掺杂区；以及上述半导体结构还包括第三掺杂区，第三掺杂区位于衬底中对应第二掺杂区的横向延伸区域；其中，第一掺杂区的离子掺杂浓度大于第二掺杂区的离子掺杂浓度，第二掺杂区的离子掺杂浓度大于第三掺杂区的离子掺杂浓度，第三掺杂区与第二掺杂区扩散后接触。本发明还提供了制造上述半导体结构的制造方法，根据本发明提供的制造方法所制造的半导体结构，在衬底中额外增加了电子收集区，能够增强图像传感器处理近红外光的能力。

技术领域

本发明涉及半导体器件及其制造领域，尤其涉及CMOS图像传感器结构及其制造。

背景技术

随着汽车工业、物联网和监控设备的发展，图像传感器的消耗逐步增加。只有通过性能优异的图像传感器获取充满细节的准确图案，才使后续各种功能的实现带来可能。尤其，最近用于车载记录仪和监控设备的近红外光需求也随之增加。在图像传感器上搭配近红外光技术，能够使图像传感器在暗光条件下仍然可以捕获图像，并且所捕获的图像可以包含在暗光中的物体的更多细节，尤其适用于需要在暗光条件下捕获图像的设备。

目前的CMOS图像传感器的感光器根据进光方向与基板、金属连接层的位置关系主要分为前照式结构(FSI，Front side illumination)和后照式结构(BSI，Backsideillumination)。对于近红外光(波长大于760nm)的获取，目前常用的FSI结构和制造方法主要分为两种：一种是利用超高能注入在N型的衬底上来实现超深的硼(B)注入(能量大于4MeV)和磷(P)注入(能量大于7MeV)。这些钉扎二极管可以达到6um的深度，并且具有很好的电学隔离，利用强的势垒来隔离照明的像素和邻近像素。另一种是使用加厚的高阻值的P型衬底，在这种方法中，收集的效率取决于初始硅片的厚度和支撑经历的热预算。高阻值的衬底主要用于降低钉扎二极管诱导的电势导致的相邻像素的干扰。

随着像素单元的减小，为增加进光量，业界尝试采用BSI结构。对于BSI结构，由于需要减薄硅片来增加透光，同时考虑可见光红光的吸收，硅片厚度一般定义为2.4um(红光的光强为原有1/e)。对于BSI感光的结构，索尼公司提出一种利用硅晶面的金字塔型表面来增加近红外光量子效率(QE，QuantumEfficiency)的结构，并结合深隔离能够在不增加暗电流的情况下，有效提升近红外光的量子效率。豪威公司推出的夜鹰Nyxel科技的原理是将厚硅像素架构与扩展深隔离(DTI，Deep Trench Isolation)相结合，从而改善量子效率，再通过悉心管理操作晶圆的表面纹理，以保持调制传递函数，并不影响传感器的暗电流。实现相同的近红外光光量下更清晰的成像，或覆盖更远的区域，或者减少对LED灯的需求，降低总功耗。

现有近红外光设计注重对于连续图像处理的要求(视频监控，行车记录仪，自动驾驶用摄像头)，而对于结合静态高速的考量较少。对于高速拍照的全局快门(Globalshutter)而言，其需要对存储管的存储节点(storage node)进行完全的光遮挡，从而实现精确的信号转移，现有技术中采用金属钨实现遮挡，因此，采用FSI结构的感光器结构。

但是对于近红外光，要实现不影响存储节点较为困难，这是由于近红外光的波长较大，以及为增强光程而增厚的硅衬底使这些区域的也会受到光的影响而产生光电子。

请参考图1和图2，图1示出了四种不同波长的光的光强随穿透深度的变化，从图1中可以看出，在穿透到硅衬底中时，蓝光(图中波长450nm曲线)光强衰减到1/e的穿透深度约为0.42um，绿光(图中波长550nm曲线)为1.40um，红光(图中波长600nm曲线)为2.42um，而近红外光(图中波长850nm曲线)的由于波长长有很深的可吸收范围。结合图2，图2示出了存储节点的寄生光响应与波长的关系，可以看出，波长越大，对应的寄生效应就越强，对于近红外光器件，寄生光效应越发严重。