[发明专利]高光效CMOS图像传感器

说明书

【技术领域】

本发明涉及CMOS图像传感器，特别涉及具有高光效、高填充率、和低光电互扰杂讯的CMOS图像传感器。 

【发明背景】

固态成像器件如电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器被广泛应用于从相机到手机以及计算机的成像应用。由于CMOS制造技术与其它半导体器件的工艺是相容的，因而将CMOS图像传感器与其它器件集成在一起是可行的。 

CMOS图像传感器大体上分为两类：前面照度传感器和背面照度传感器。在前面照度器件里，捕获图像的光电二极管的位置相对远离入射光。而在背面照度器件里，光电二极管的位置更靠近入射光，此背面照度器件技术日益发展成熟。但是，驱动成像传感器的电路通常安置在相邻光电二极管之间的区域里，限制了光电二极管能够捕获光线的面积(就是限制了器件的“填充率”，即光电二极管面积对像素面积的比率)。侧边安置的电路与光电二极管竞争芯片面积，大大降低了光感应面积。 

此外，传统的CMOS图像传感器还结合使用了较小的光电二极管(较低填充率的光电二极管)和微透镜，试图降低相邻像素之间的光互扰杂讯。但是，考虑到光通过小于1.4微米(甚至小于1.2微米)像素上的微透镜时可能产生的衍射或其他光学效应，制作此类微透镜反而会带来不良的效果。然而，若依据该像素尺寸限制，进一步提高像素密度又是不可能的，因此微透镜的使用限制了图像传感器分辨率的提高。 

电性互扰杂讯也是一个问题，其阻碍了更小像素尺寸的发展。更小的像素尺寸结果是在每单位面积上有更高的像素密度，从而增加相邻像素之间光和电的互扰杂讯问题。 

因此，需要改进现有技术，使CMOS图像传感器具有更大的光电二极管填充率，但不需要集成微透镜，从而允许制作像素尺寸小于1.2微米的图像传感器，提高像素密度。同时，需要改进现有技术，使CMOS图像传感器能够支持极高像素密度(由于更小的像素尺寸)，而不会产生高的光和电互扰杂讯。 

【发明概述】

本发明提供一种高光效CMOS图像传感器。传感器包括隔离栅格，其环绕每个像素，并阻止入射光照到相邻像素，从而在像素间产生高效的光隔离。由于图像传感器光学二极管具有高填充率，连同隔离栅格这个特征，可以制作出无微透镜的图像传感器，其像素尺寸可小于1.2微米，从而提高传感器的像素密度。因此，可以制作高分辨率的图像传感器。 

本发明提供一个高光效的CMOS图像传感器，其包括多个图像像素，每个像素包括一个在半导体基板上的光电二极管结构，光电二极管被安置在靠近图像传感器的一个光入射面(上表面)。每一个光电二极管结构被一个隔离栅格包围着，并设定为像素边界。隔离栅格延伸的深度最少为光电二极管结构厚度，并被设置以避免像素上的入射光穿过该入射像素而照射到相邻像素上。此外该隔离栅格可延伸穿过半导体基板的厚度，从而避免相邻像素之间的电性互扰杂讯。 

一个正扩散柱塞垂直延伸穿过至少一部分光电二极管结构。一个负扩散柱塞垂直延伸到半导体基板，并与光电二极管结构电性连接以将光电二极管里由入射光产生的电荷转移到半导体基板内的图像传感器的一个电荷收集区域。 

位于光电二极管结构下方的是像素电路，用作控制从光电二极管到图像读取电路间的电荷转移。像素电路至少部分形成在半导体基板内。 

【附图说明】

图1A-U描述部分CMOS图像传感器的形成以及部分传感器像素电路的形成。其中，图1A表示出具有P-I-N外延层的P-型硅晶圆；图1B表 示出P圆形扩散柱塞光刻、蚀刻及P+注入；图1C表示出像素a和P-扩散柱塞P；图1D表示出PR擦除、晶圆退火&氧化沉积；图1E表示出将P-型硅基板与第一硅承载晶圆键合&退火；图1F表示出减薄P-型硅基板；图1G表示出翻转、N-扩散柱塞光刻及N+注入；图1H表示出PR去除、晶圆退火&氧化硅以及氮化硅沉积；图1I表示出像素a、P-扩散柱塞、光学沟槽s和N-扩散柱塞；图1J表示出浅沟槽光刻及蚀刻；图1K表示出光刻胶去除；图1L表示出浅沟槽氧化沉积后去除表面氧化硅及氮化硅；图1M表示出N-阱光刻及N+注入；图1N表示出晶圆退火、栅极氧化&多晶硅沉积；图10表示出栅电极光刻及蚀刻；图1P表示出晶圆光刻及N+注入；图1Q表示出光刻胶去除后晶圆退火；图1R表示出晶圆光刻及P+注入；图1S表示出光刻胶去除及晶圆退火；图1T表示出层间介电层沉积及金属互连；图1U表示出垂直互连制作、金属化重分布及钝化。