CN101238584A - 使用延伸的埋入触点来减少成像器串扰和像素噪声 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示用以减少固态成像器阵列中的串扰和像素噪声的发生的方法和结构。在示范性实施例中，经图案化以形成像素结构中的多晶硅埋入触点的层的一个区段还经图案化以安置在所述像素的有源光传感器部分上。所述埋入触点层的覆盖所述像素的所述光传感器部分的区段用于在光照射到所述光传感器之前对照射到所述埋入触点层的光进行过滤。所述多晶硅滤光片在不增加显著的处理复杂性的情况下，减少了从邻近像素进入的杂散光的量。

Description

使用延伸的埋入触点来减少成像器串扰和像素噪声
技术领域
本发明大体上涉及成像装置像素的光屏蔽领域。
背景技术
固态成像装置可包含光电子转换器，其将通过光学透镜接收到的光能转换成电能。所述光电子转换器通常布置在像素阵列中。每个像素的特征是离散光传感器，其将接收到的光信号的相应部分转换成电信号。每个光传感器所产生的电信号由像素和其它电路处理，以再现表示从其接收到光能的来源的数字图像。
理想地，由每个光传感器接收到的光直接从被成像的源行进穿过面向光刺激的像素表面，并照射到光传感器。然而，事实上，进入光电子转换器的光通过像素结构的反射和折射而散射。因此，个别光传感器可接收杂散光，例如打算用于阵列中的邻近光传感器的光。此杂散光(称为光学“串扰”)降低了再现图像的质量和准确性。随着成像器变得越来越小且阵列像素密度增加，与光学串扰相关联的问题变得越来越明显。
光学串扰尤其在彩色成像器中成问题，其中每个像素承担专门的光检测角色。典型像素中的光传感器对较宽光谱的光能敏感。因此，典型像素阵列提供黑白成像器。可使用彩色滤光片来限制照射到光传感器的光的波长。在彩色成像器中，将彩色滤光片镶嵌阵列(CFA)布置在到达光传感器的光径中，以给予成像器感色灵敏度。在大多数情况下，使用三色红绿蓝(RGB)图案，但存在其它图案：三色互补YeMaCy，或混合的原色/互补色，以及四色系统，其中第四色是白色或具有改变的光谱灵敏度的色彩。将CFA布置成一个图案，其中拜尔图案(Bayer pattern)是所使用的主流布置。结果是能够在可见光谱中再现彩色图像的成像器。
理想地，每个光传感器将仅接收光传感器想要转换的光的那些波长。然而，事实上，像素之间的光学串扰允许(例如)被引导到蓝色滤光片的光照射到红色像素，致使红色像素获得比观看的图像中实际存在的红光更多的红光。在绿光照射到蓝像素、红光照射到绿像素上等情况下，出现类似问题。另外，CFA瑕疵将导致具有(例如)进入红像素的一些蓝光和绿光以及进入蓝和绿像素的红光的形式的额外串扰。这些各种类型的串扰降低了所产生图像的准确性。
另一个问题(尤其在CMOS成像器中)通常已知为“像素噪声”。由于包含在像素装置结构的邻接层和区域中的各个组件的不同物理和电特性的缘故，产生某些类型的像素噪声。举例来说，失配材料界面可变成“俘获”电子或空穴的区域。例如二氧化硅/硅界面可包含此类“俘获点”。包含与衬底相比具有较高硅密度的物质的界面尤其与(例如)晶体管的硅/栅极氧化物界面相比，沿边界形成“俘获点”的可能性较高。俘获点还可能由沿层或区域边界之间的二氧化硅/硅界面的缺陷，以及沿可俘获电子或空穴的二氧化硅/硅界面的不饱和键或断键引起。
俘获点通常是不带电的，但通过俘获的电子或空穴变得有能量。高能电子或空穴被称为“热载流子”。热载流子可在可用俘获点中被俘获，且对装置的固定电荷有贡献，并改变所述装置的阈值电压和其它电特性。从光传感器内或附近的俘获点产生的电流对由于恒定电荷泄漏到光传感器中引起的CMOS成像器中的暗电流(即，在没有光的情况下，出现在光传感器中的电流)有贡献。暗电流对光传感器的操作和性能是有害的。因此，希望提供隔离技术来防止呈(例如)电流产生或电流泄漏形式的像素噪声。
上文所论述的类型的CMOS成像器是通常已知的。举例来说，Nixon等人的“256×256CMOS Active Pixel Sensor Camera-on-a-Chip”，IEEE固体电路杂志，第31(12)卷，第2046-2050页(1996)；Mendis等人的“CMOS Active Pixel Image Sensors”，IEEE电子器件汇刊，第41(3)卷，第452-453页(1994)；第6,140,630号美国专利；第6,376,868号美国专利；第6,310,366号美国专利；第6,326,652号美国专利；第6,204,524号美国专利以及第6,333,205号美国专利中论述CMOS成像器，以上文献的整个揭示内容以引用的方式并入本文中。
需要减少固态成像器中的光学串扰和像素噪声。尤其有利的解决方案将在无额外成本或处理步骤的情况下提供改进的光过滤，且潜在地将减少制造工艺中所使用的步骤或组件的数目和程度。减少光学串扰并改进滤光片能力的方法和结构将改进成像系统灵敏度和准确性。
发明内容
本发明提供用以减少固态成像器阵列中的串扰和像素噪声的发生的方法和结构。在示范性实施例中，经图案化以形成像素结构中的多晶硅埋入触点的层的一个区段还经图案化以安置在所述像素的有源光传感器部分上。所述埋入触点层的覆盖所述像素的所述光传感器部分的区段用于在光照射到所述光传感器之前，对照射到所述埋入触点层的光进行过滤。所述多晶硅滤光片在不增加显著的处理复杂性的情况下，减少了从邻近像素进入的杂散光的量。
附图说明
从结合附图而提供的以下具体实施方式将更清楚地了解本发明的上述和其它优势和特征，在附图中：
图1说明根据本发明实施例的示范性像素布局；
图2说明布置成拜尔图案的示范性彩色滤光片镶嵌阵列；
图3说明根据本发明示范性实施例在制造步骤期间的像素的部分横截面；
图4说明根据本发明示范性实施例在图3步骤之后的制造步骤期间的像素的部分横截面；
图5说明根据本发明示范性实施例在图4步骤之后的制造步骤期间的像素的部分横截面；
图6以正视图的形式说明根据本发明示范性实施例的成像器阵列的一部分的横截面；
图7示意性地说明根据本发明的示范性像素的电路；
图8说明包含如图1-图7中所说明的成像器像素阵列的成像装置的框图；以及
图9说明并入有根据本发明的至少一个CMOS成像器的处理器系统。
具体实施方式
在以下具体实施方式中，参考形成其一部分的附图，且其中以说明可实践本发明的特定实施例的说明的方式来展示。应了解，相同参考标号在附图中始终表示相同元件。以充分的细节来描述这些示范性实施例，以使所属领域的技术人员能够实践本发明。应了解，可利用其它实施例，且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下，作出结构、逻辑和电改变。
术语“晶片”和“衬底”可理解为包含绝缘体上硅(SOI)或蓝宝石上硅(SOS)技术、掺杂和未掺杂半导体、由基部半导体底座支撑的外延硅层以及其它半导体结构。此外，当在以下描述内容中参考“晶片”或“衬底”时，可能已经利用前面的工序来在基部半导体结构或底座中形成区域或结。另外，半导体不需要是基于硅的，而是可基于其它半导体，例如硅-锗、锗或砷化镓。
术语“像素”指代含有电路的图像元素单位单元(picture element unit cell)，所述电路包含光传感器和半导体，其用于将电磁辐射转换成电信号。出于说明的目的，展示并描述代表性像素的制造。通常，成像器中所有像素的制造将以类似方式同时进行。因此不应在限制意义上考虑以下具体实施方式，且本发明的范围由所附权利要求书界定。
本发明涉及一种方法和结构，其提供经图案化的导电层(例如多晶硅埋入触点层)作为滤光片。形成埋入触点和多晶硅滤光片的埋入触点层与CMOS成像器的像素晶体管层沉积在同一表面上。使用标准CMOS工艺来制造CMOS集成电路。
概括地描述，将从其形成像素晶体管电路中的埋入触点的多晶硅沉积在正在制造的成像装置的主要表面上。接着，对所述多晶硅进行图案化，并去除未用部分。留下其余部分以用作埋入触点。多晶硅的其余部分也留在适当位置(未去除)，以出于光屏蔽的目的而覆盖有源区域。多晶硅滤光片可能在所有彩色像素或仅那些对特定色彩的光(例如红色光)敏感的彩色像素上留在适当位置。多晶硅过滤器为光子穿透提供额外深度，这可用于对邻近像素光学串扰进行过滤。所述过滤器对吸收蓝和绿波长中的光以向光传感器提供更纯的红光(但不限于红像素)特别有用。可形成额外一层或多层来覆盖多晶硅层。
在制造工艺期间作为覆盖沉积施加的多晶硅可选择性地从某些区域去除，以形成用于互连像素电路的元件的埋入触点。通常，不将多晶硅施加在光传感器上，以防止光传感器的光阻塞，且施加多晶硅以避免短路或以其它方式干扰有源区域和其它导电结构。
同时，在无额外工序的情况下，用于形成埋入触点的多晶硅覆盖层还可经图案化以保留在光传感器的所有色彩上或仅选定色彩上，以提供光阻塞和减少的光学串扰。用于埋入触点的多晶硅层可经图案化以保留在所有或仅特定彩色像素(例如那些对红色光敏感的彩色像素)上。以前提供在距光传感器表面较远距离的层中的其它光阻塞结构可被消除或减小厚度。另外，在多晶硅层在像素阵列的层区域上保持在适当位置的情况下，提供更平的沉积表面，从而潜在地消除或缩短(例如)沉积在多晶硅滤光片上的层的随后的抛光步骤。
n型多晶硅滤光片的一个进步是通过将多晶硅晶格放置在PN结上来减少表面噪声。来自不饱和键的载波将在耗尽区域中被捕获，并在它们可进入光电二极管之前被扫除。p型埋入触点的一个优势是可用光电二极管的p+部分形成更好的接地连接，然而，此优势在多晶硅滤光片上的某处要求触点接地。更好的接地连接防止多晶硅滤光片上积聚不需要的电位。
下文结合CMOS成像电路和组件描述了本发明的示范性实施例。下文所述的电路包含充当光传感器的光电二极管，其用于在衬底的下伏部分中累积光致电荷。然而，应了解，成像器可包含光电门或其它光敏图像到电荷转换装置来代替光电二极管，且本发明不受光致电荷累积器的类型限制。而且，本发明不限于在CMOS图像传感器中使用，而是还可在其它半导体图像传感器中使用。
现更具体地参看附图，图1以顶部向下视图展示根据本发明的使用光电二极管114作为光电转换装置的四晶体管(4T)CMOS像素112的示范性实施例。图1说明彩色滤光片阵列的四像素视图。光电二极管114形成于p型衬底110中。多晶硅滤光片115被展示为覆盖光电二极管114。图1的由虚线框I指示的像素是图1的具有多晶硅过滤器115(如由交叉影线指示)的唯一像素，是用于成像的行和列像素阵列的一部分。
在图2的虚线框II内展示图1的四像素区段。四乘四像素区段是拜尔彩色滤光片阵列的代表。每个红像素112由绿和蓝像素围绕。直接邻近红色像素112的是绿色像素121，122，123，126。其余围绕像素是对蓝色光敏感的像素125，140，141，144。虚线框I中所说明的一个红色像素、两个绿色像素和一个蓝色像素的图案重复以产生镶嵌彩色滤光片阵列119。在本发明的教示内可使用其它彩色滤光片图案。所述像素未图示且
参看图1，像素121，123，125不具有覆盖其相应光电二极管131，133，135的多晶硅层115。根据所说明的示范性实施例，用于埋入触点的多晶硅材料吸收蓝和绿波长范围内的大多数光。因此，形成多晶硅埋入触点层115以仅覆盖红色像素112的光电二极管114。去除多晶硅埋入触点材料，使其不覆盖绿色像素121，123的光电二极管131，133以及蓝色像素125的光电二极管135。图1还说明浮动扩散区域126、晶体管栅极132、转移栅极124、复位栅极128和行选择栅极136，下文进一步对其进行论述。下文进一步描述本发明的示范实施例的制造。
参看图3，以沿图1的虚线I’-I’的横截面的形式展示正经历中间制造阶段的像素。仅展示所述横截面的与本发明的描述相关的部分。应了解，虽然图3到图6说明单个像素112的结构，但在实际使用中，将会存在以行和列布置的M×N像素阵列，包含像素112和其它类似像素。图1和图2中表示此类阵列的一部分。所述阵列中的像素将同时制造在共用衬底上。如此项技术中已知且下文进一步描述，使用行和列选择电路来取用阵列中的个别像素。由浅沟槽隔离区域142来提供像素之间的横向隔离。
如图3到图6中所示的4TCMOS像素112部分地形成于半导体衬底110上所提供的掺杂p型外延区域116中和其上，且包含光电二极管114、转移栅极124和复位栅极128。在图7的示意图中展示源极跟随器栅极132和行选择栅极136。
进一步参看图7，转移栅极124形成转移晶体管127的一部分，用于将由光电二极管114累积的电荷电选通到浮动扩散区域126。浮动扩散区域126处的第一导体134通过第二导体138与源极跟随器晶体管137的栅极132形成电连通，其由导电互连层中的导电路径连接。具有复位栅极128的复位晶体管130与转移晶体管127共享浮动扩散区域126。复位晶体管130通过具有导体131的源极/漏极区域连接到电压源(Vdd)，向浮动扩散区域126提供复位电压。
再次参看图3，在表面上形成绝缘层172，且在绝缘层172上沉积BPSG192的覆盖层。绝缘层172可由TEOS或栅极氧化物形成。BPSG192经图案化且经蚀刻以形成埋入触点空穴201，203，如图4中所示。在空穴201，203的区域中，还将绝缘层172蚀刻掉。有利地，将BPSG层192从光电二极管114有源区域蚀刻掉，以允许用将提供光屏蔽(下文论述)的多晶硅材料来填充空穴201。
在形成埋入触点空穴201，203之后，沉积多晶硅层140，如图5中所示。多晶硅层140经蚀刻且/或抛光(例如)以留下经图案化的埋入触点190和覆盖光电二极管114的滤光片115。由多晶硅滤光片115中的光吸收来提供对光电二极管114的光屏蔽。如此项技术中已知，可进一步处理参看图3到图5所述的本发明的像素阵列，以获得CMOS成像器，其代表参看图1到图5所论述的那些，且具有本发明的埋入触点和多晶硅滤光片，如图6中所示。
1600多晶硅中所吸收的光的量对于蓝和绿波长的光比对于可见红波长的光明显较高。硅的能带隙(EG)在300°K下为1.11eV，或1117.8nm的波长(λG)。具有小于λG的波长λ的光子由多晶硅晶格中的电子吸收。统计上，红光(λ＝600-750nm)在被吸收之前穿透最深。绿光(λ＝500-600nm)穿透较少，而蓝光(λ＝400-500nm)被迅速吸收。多晶硅吸收的光将约比晶体硅吸收的光多五倍。
将吸收界定为每单位路径长度的辐照度Φ的相对减小：
δΦ(x)/Φ＝αδx    等式1
此等式的解是：
Φ(x)＝Φo e-αx    等式2
其中Φo是入射辐照度，α是吸收系数，且x是路径长度。
多晶硅的吸收系数由Lubberts等人在“Optical Properties of Phosphorus-dopedPolycrystalline Silicon Layers”，J.Appl.Phys.，52，6870-6878(1981年11月)中根据实验确定，其结果在表I中展示：
表I
波长(μm) α未掺杂(x10E4cm-1)
0.4 22.7
0.45 8.33
0.5 3.7
0.55 1.84
0.6 0.981
表I中展示的结果显示较长波长的光(例如，红色光)将比较长波长的光(例如，绿色和蓝色光)被吸收得较少(即，具有较低的吸收系数α)。多晶硅层140中的光吸收提供实质上大多数的光屏蔽。尽管本发明对阻塞到达红像素的光具有特殊效用，但其还可与其它彩色像素一起使用，以调整像素的光吸收特性。
多晶硅滤光片115可以是非电有源层。或者，可能希望使多晶硅滤光片115接地或稍微偏压。施加到过滤器115的偏压对防止不需要的暗电流的积聚有用。
再次参看图7，如此项技术中已知，由RESET、TRANSFER和ROW SELECT控制信号来对代表性像素112进行操作。通过去除转移晶体管，且使光电二极管114输出电耦合到浮动扩散区域126，可将4T电路112转换成三晶体管(3T)电路，其中浮动扩散区域126连接到源极跟随器晶体管137的源极跟随器栅极132。
图8说明具有并入有以上文关于图1到图7所论述的方式构造的像素112的像素阵列300的CMOS成像装置308的框图。像素阵列300包括以预定数目的列和行布置的多个像素112。像素阵列300中的每个行的像素112可由行选择线全部同时接通，且每个列中的像素112由列选择线选择性地输出。针对整个像素阵列300提供多个行和列线。行线由行驱动器310响应于行地址解码器320而选择性地激活，且列选择线由列驱动器360响应于列地址解码器370而选择性地激活。因此，针对每个像素112提供一个行和列地址。
CMOS成像装置308由控制电路350操作，控制电路350控制：地址解码器320，370，其用于为像素读出选择适当的行和列线；以及行和列驱动器电路310，360，其将驱动电压施加到选定行和列线的驱动晶体管。存储器375(例如SRAM)可以与像素阵列300和控制电路350形成连通。串行化器模块380和SFR(特殊功能寄存器)装置385每一者可与控制电路300形成连通。视情况，局部化电源390可并入到成像装置308中。
通常，在接收到光输入并产生电荷之后，成像装置308中的信号流将在像素阵列300处开始。将信号输出到读出电路，且接着输出到模拟到数字转换装置。接着，将信号转移到处理器，接着到串行化器，且接着所述信号可从成像装置输出到外部硬件。
图9展示系统200，其为经修改以包含成像装置308作为系统200的输入装置的典型的基于处理器的系统。成像装置308还可从系统200接收控制或其它数据。可使用成像装置308的基于处理器的系统的实例包含(但不限于)计算机系统、相机系统、扫描仪、机器视觉系统、车辆导航系统、视频电话、监视系统、自动对焦系统、星体跟踪系统、运动检测系统、图像稳定系统和其它系统。
系统200包含中央处理单元(CPU)202，其通过总线204与各个装置通信。连接到总线204的装置中的一些装置将通信提供进出系统200的通信，说明性地包含输入/输出(I/O)装置206和成像装置308。连接到总线204的其它装置提供存储器，其中说明性地包含随机存取存储器(RAM)210和一个或一个以上可移除存储装置214，例如软盘驱动器、光盘(CD)驱动器、快闪存储卡等。成像装置308可与处理器(例如CPU、数字信号处理器或微处理器)组合在单个集成电路中。
上文所述的过程和装置说明可根据本发明使用和产生的许多方法和装置中的示范性方法和装置。上述描述内容和附图说明达成本发明的目标、特征和优势的示范性实施例。然而，不希望将本发明严格限于上文所描述并说明的实施例。本发明的在所附权利要求书的精神和范围内的任何修改(尽管目前不可预见)都应被视为本发明的一部分。

Claims (29)

1.一种成像器像素，其包括：
衬底；
光收集区域，其形成于所述衬底中；
埋入触点，其形成于电荷收集区域上；以及
滤光区域，其与所述埋入触点形成于同一平面水平上，且经布置以至少部分地覆盖所述光收集区域。
2.根据权利要求1所述的成像器像素，其中所述滤光区域和所述埋入触点由多晶硅形成。
3.根据权利要求2所述的成像器像素，其中所述滤光区域和所述埋入触点由同一多晶硅层形成。
4.根据权利要求1所述的成像器像素，其中所述滤光区域是电无源的。
5.根据权利要求1所述的成像器像素，其中将偏压施加到所述滤光区域，以防止暗电流的积聚。
6.根据权利要求1所述的成像器像素，其中所述滤光区域接地。
7.根据权利要求1所述的成像器像素，其中所述滤光区域与所述光收集区域电子隔离。
8.根据权利要求1所述的成像器像素，其进一步包括彩色滤光片，所述彩色滤光片经布置以拦截朝所述光收集区域引导的光。
9.根据权利要求8所述的成像器像素，其中所述彩色滤光片是红色的。
10.根据权利要求1所述的成像器像素，其中仅针对红色像素形成所述滤光区域。
11.根据权利要求1所述的成像器像素，其中所述滤光区域由多晶硅层形成。
12.一种成像装置，其包括：
由衬底支撑的光传感器；
由所述衬底支撑的像素组件材料层，所述像素组件材料经图案化以包括用于对电像素组件进行操作的离散构造；以及
层，其与所述像素组件材料层形成于同一平面水平上，所述层覆盖经配置以用作滤光片的多个光传感器。
13.根据权利要求12所述的成像装置，其中所述像素组件层进一步包括覆盖所述像素组件材料层的绝缘层。
14.根据权利要求13所述的成像装置，其中所述绝缘层是TEOS。
15.根据权利要求12所述的成像装置，其中所述滤光片层形成于红像素上。
16.一种CMOS成像器，其包括：
以行和列布置在衬底上的成像器像素阵列，每个成像器像素包括：
光敏区域；
由包括像素电路的衬底支撑的制造层；以及
滤光区域，其与所述制造层形成于同一平面水平上，且经布置和配置以覆盖所述光敏区域并吸收入射光。
17.根据权利要求16所述的CMOS成像器，其进一步包括形成于所述制造层中的埋入触点。
18.根据权利要求17所述的CMOS成像器，其中所述埋入触点和所述滤光区域由同一多晶硅层形成。
19.根据权利要求16所述的CMOS成像器，其进一步包括形成于所述光敏区域和所述滤光区域上方的彩色滤光片层。
20.根据权利要求19所述的CMOS成像器，其中所述彩色滤光片层是红色的。
21.根据权利要求16所述的CMOS成像器，其中所述滤光区域形成于红光敏区域上。
22.根据权利要求16所述的CMOS成像器，其中所述滤光区域由多晶硅形成。
23.一种形成成像装置的像素的方法，其包括：
在衬底中形成光传感器；
在所述衬底上形成第一层；
对所述第一层进行图案化以去除所述第一层的若干部分，以便提供经布置以对所述像素进行操作的电路；
在所述光传感器上形成滤光层；以及
在所述光传感器和所述滤光层上形成彩色滤光片以用于进一步的滤光。
24.一种形成CMOS成像器像素阵列的方法，其包括：
以行和列在衬底上布置多个CMOS成像器像素，所述CMOS成像器像素每一者通过以下步骤形成：
提供由所述衬底支撑的光传感器；
形成由所述衬底支撑的第一导电层，其包括连接在电路中以对所述光传感器进行操作的栅极结构；
形成第二导电层，其经布置以覆盖光电二极管的至少一部分，以阻止光进入所述光电二极管；以及
在所述第二导电层上形成彩色滤光片。
25.根据权利要求24所述的方法，其进一步包括在形成所述第二导电层之前对绝缘层进行图案化的动作。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述形成所述彩色滤光片的步骤包括在所述像素上布置红色、绿色和蓝色滤光片。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述第二导电层形成于红像素单元上。
28.根据权利要求24所述的方法，其中所述第二导电层形成于多个所述像素上。
29.根据权利要求24所述的方法，其中所述形成所述第二导电层的步骤进一步包括与所述部分覆盖所述光传感器同时形成埋入触点。
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