CN100565892C - 具有图像传感器的半导体器件和这种器件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有半导体主体(12)的半导体器件，该半导体主体(12)具有包括二维矩阵像素(1)的图像传感器，每个二维矩阵像素都包括具有电荷聚积半导体区域(2A)且耦合到许多MOS场效应晶体(3)的辐射灵敏元件(2)，其中在半导体主体(12)中为了分隔邻近的像素(1)沉入了隔离区(4)，在它的下面形成具有增加掺杂浓度的另一半导体区域(5)。根据本说明，将另一半导体区域(5)沉入半导体主体(12)的表面中且比隔离区(4)宽。优选地隔离区(4)仅设置在辐射灵敏元件(2)邻接相邻像素(1)的MOS晶体管(3)的位置，并且在两个相邻像素(1)的辐射灵敏元件(2)彼此接界的位置设置具有增加掺杂浓度的又一凹陷的半导体区域(6)。这种器件(10)具有低的漏电流并具有大的辐射灵敏度和电荷存储容量。

Description

具有图像传感器的半导体器件和这种器件的制造方法
技术领域
本发明涉及具有衬底和半导体主体的半导体器件，该半导体主体具有包括二维矩阵像素的半导体图像传感器，为了获得通过选择像素的选择装置读取辐射灵敏元件的好处，该二维矩阵像素每个都包括耦合到许多MOS场效应晶体管的辐射灵敏元件，其中每个辐射灵敏元件包括第一导电类型的半导体区域，其中积聚了由入射辐射产生的电荷载流子并且其中在侧面邻接于半导体区域的半导体主体的部分表面中，半导体主体的该部分是与第一导电类型相反的第二导电类型，为了隔离邻近的像素沉入了隔离区并且其中在隔离区下面的第二导电类型的半导体主体的部分中形成具有增加掺杂浓度的第二导电类型的另一半导体区域。这种器件也称为MOS图像传感器且实际上通常称为CMOS图像传感器。这种器件能够以成本较为节约的方式制造并且对于许多应用、尤其是对于消费类电子领域中的应用是很有吸引力的。本发明还涉及这种器件的制造方法。
背景技术
2004年5月20日公开的编号为US2004/0094784A1的专利说明书公开了这样一种器件和方法。其描述了一种CMOS图像传感器，使用pnp结构中的pn二极管作为辐射灵敏元件。此外，每个像素具有许多MOS晶体管，用于使用选择装置读取像素。埋入在半导体主体中的n型半导体区域随后用作电荷聚集区。在半导体主体的邻近(p型)部分中存在相对于半导体主体表面下沉的隔离区且具有称为STI(浅沟槽隔离)区域的结构。在半导体主体的下面形成埋入的p型区，具有比(p型)半导体主体的周围部分更高的掺杂浓度。由于该区域，漏电流减小且辐射灵敏元件的电容量增加，因为它起到了屏蔽埋入n型半导体区域中的电荷载流子、即电子的作用。
已知器件的缺点在于器件的漏电流仍然比较高且辐射灵敏度需要进一步改进。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种器件和得到改善的漏电流和极端辐射灵敏的方法。
为了该目的，根据本发明在开始段落中定义的类型的器件特征在于，该另一半导体区域沉入半导体主体的表面并宽于隔离区。本发明第一且首要地基于这样的认识：隔离区的侧面有助于漏电流的增加，其结果存在着缺陷，并且通过将另一半导体区域沉入到半导体主体表面下并使它宽于隔离区，减小了增加漏电流的缺陷影响并从而减小了漏电流。本发明还基于这样的认识：另一半导体区域的进一步布局和设置尽可能不需附加工艺步骤并且当例如借助于离子注入引入另一半导体区域时，通过使用适合的掩模，即具有较大开口的掩模能容易地完成所希望的目的。最后，本发明基于不曾预料到的认识：使用像这样的器件以简单的方式能够增加辐射灵敏度。现在由于另一半导体区域、或相当类似的半导体区域，能够在许多位置提供两个邻近像素的相互隔离，所以在这些位置无需使用隔离区。这导致隔离功能覆盖的表面尽可能更小，以便能扩大辐射灵敏表面。
在根据本发明的半导体器件的优选实施例中，使隔离区仅位于其中一个像素的辐射灵敏元件与另一个像素的MOS晶体管接界的两个邻近像素之间，并且在两个相邻像素的辐射灵敏元件彼此接界的位置，建立了具有增加的掺杂浓度且沉入半导体主体的部分表面中的第二导电类型的又一半导体区域。由于目前一般在矩阵的一个方向上省去了隔离区，所以能使辐射灵敏元件的表面增大。对于具有3.5x3.5μm2面积的像素，所述表面增大约20％。其它优点在于像素周围的例如STI隔离的总长度可小于由漏电流额外减少产生的总长度。
由于图像传感器矩阵的周期性结构，一般可省去或用该又一半导体区域代替矩阵的一个方向上的隔离区。实际上，属于像素的晶体管的辐射灵敏元件被所谓的转移栅电极隔开，这将是这种转移栅电极的物理的/几何的纵向方向，如果将MOS图像传感器称为XY MOS图像传感器，则该方向通常称为X方向。在另一方向上，即Y方向，一个像素的MOS晶体管与邻近像素的辐射灵敏元件相连，有利地存在被该另一半导体区域包围的凹陷隔离区。
在许多情况下，在两个方向上凹陷的隔离区能够至少局部不存在。例如，如果每隔矩阵的两个X行就具有像素方向的反射，在反射的位置处，同样在Y方向上，两个邻近像素的辐射灵敏元件彼此接界，在反射位置处，在Y方向上可省去隔离区并且像素的间隔也可用在那形成的该又一半导体区域代替。另外的情况是称为共用概念(SHARED CONCEPT)的情况。对于每个像素，MOS晶体管不存在，而它们可被很多(很少)邻近的像素使用，例如用于2x2像素子矩阵。在那种情况下，在该子矩阵周围(至少在该自矩阵的三面上)和该子矩阵的各像素之间，可省去隔离区并且可用该又一半导体区域代替。
在有利的实施例中，该另一半导体区域和该又一半导体区域可同时形成。这使得它的制造简单。仅需要单一的掩模步骤。
优选地，通过CMOS工艺的阱形成步骤来形成该另一半导体区域和该又一半导体区域。因此，能实现标准工艺。目前的CMOS工艺属于被称为双桶型的工艺，其中在半导体主体中形成了n型和p型阱。根据传感器具有分别积聚电子和空穴的n型半导体区域还是p型半导体区域的这一事实，为了这个目的可分别使用p-阱和n-阱步骤。对于更多外围电路优选使用在CMOS工艺中都可用的NMOS和PMOS晶体管。
尽管LOCOS(硅的局部氧化)也可用于隔离区，但该隔离区优选包括所谓的浅沟槽隔离的隔离区。将各种优势例如紧密性和平面度和这些联系起来。第一导电类型优选为n导电类型。
一种制造半导体器件的方法，该半导体器件包括衬底和半导体主体，该半导体主体具有包含二维矩阵像素的图像传感器，该二维矩阵像素每个都包括耦合到许多MOS场效应晶体管的辐射灵敏元件以经由选择像素的选择装置读取辐射灵敏元件，每个辐射灵敏元件包括第一导电类型的半导体区域，其中积聚了由入射辐射产生的电荷载流子并且其中将分隔邻近像素的隔离区沉入半导体主体部分的表面中，那部分侧面邻接于半导体区域并且是与第一导电类型相反的第二导电类型，其中在第二导电类型的半导体主体的部分中在隔离区下面形成了具有增加掺杂浓度的第二导电类型的另一半导体区域，根据本发明该方法特征在于，将该另一半导体区域沉入半导体主体的表面中并使得比隔离区宽。这样以简单的方式可得到根据本发明的器件。
在根据本发明方法的优选实施例中，隔离区仅形成在一个像素元件的辐射灵敏元件与另一个像素的MOS晶体管接界的两个邻近像素之间，并且在两个相邻像素的辐射灵敏元件彼此接界的位置，形成了具有增加的掺杂浓度且沉入半导体主体的部分表面中的第二导电类型的又一半导体区域。优选地，同时形成该另一半导体区域和该又一半导体区域。该形成优选用CMOS工艺的阱形成步骤来实现。
附图说明
现在，参考实施例和附图的几个实例将进一步说明本发明，其中：
图1示意性地示出了具有图像传感器的已知半导体器件的平面图，
图2和3示意性地示出了分别沿线II-II和III-III垂直于图1器件的厚度方向的横截面，
图4示意性地示出了根据本发明的具有图像传感器的半导体器件的平面图，和
图5和6示意性地示出了分别沿线V-V和VI-VI垂直于图1器件的厚度方向的横截面。
各图没有按比例绘制并且为了清楚的缘故以夸大方式示出了一些尺寸。相应的区域或部分具有尽可能多的相同阴影和相同参考符号。
具体实施方式
图1示意性地示出了具有图像传感器的已知半导体器件的平面图。图2和3示意性地示出了分别沿线II-II和III-III垂直于图1器件的厚度方向的横截面。器件10例如包括(见图2)衬底11和半导体主体12，其中用像素矩阵1形成图像传感器。衬底和半导体主体包括辐射灵敏元件2，其中存储由入射辐射产生的电荷载流子并借助转移电极9将其转移到浮置扩散区20。将浮置扩散区20耦合到源极跟随器晶体管3B的栅电极30。源极跟随器晶体管3B将输出信号提供给具有栅电极40的行选择通路晶体管3C，栅电极40用于选择性选通输出信号到连接线50。在将电荷不断地从辐射灵敏元件2转移之前，具有栅电极60的复位晶体管3A用于将浮置扩散区20复位到一定的电荷水平。
辐射灵敏元件2包括(图2)形成在半导体主体2的p型区12A中的n型半导体区域2A，n型半导体区域2A延伸至由电介质层(未示于图中)将其与表面分隔的转移电极9。因此，该辐射灵敏元件2包括称为铰接光电二极管(pinned photo diode)的pnp结构。在半导体主体12(见图2和图3)的表面，将凹陷隔离区4形成为包围像素1(见图1)的被称为浅沟槽隔离的形状。在隔离区4D的下面形成埋入的另一半导体区域5，这导致了器件10的漏电流减小和导致辐射灵敏元件2的电荷存储容量增加。该埋入区5包含比围绕半导体主体12的p型区12A更高的(p型)掺杂浓度。
图4示意性地示出了根据本发明的包括图像传感器的半导体器件的平面图，图5和6示意性地示出了分别沿线V-V和VI-VI垂直于图1器件的厚度方向的横截面。通过隔离区4的布置形成了已知器件的主要差异。在像素1(见图4)与邻近的像素1接界的地方的、在这些像素的辐射灵敏元件2的位置，没有隔离区4(另见图6)。在像素1的晶体管3与邻近像素的辐射灵敏元件2接界的地方(另见图5)，存在隔离区4，这是真的，但是在另一半导体区域5不是已知器件的埋入区，而是沉入半导体主体12表面的区域，并且这个区域越多，另一半导体区域5的宽度就大于隔离区的宽度。这相当大地改善了另一半导体区域5的工作情况，其导致了根据本发明的器件10的漏电流进一步减小并导致了根据本发明的器件10的辐射灵敏元件2的电荷存储容量进一步增加。
在该实例中，半导体区域2A的掺杂浓度约为1017at/cm3。半导体主体12的部分12A的掺杂浓度约为1015at/cm3。半导体区域2B的掺杂浓度约为1010at/cm3和另一半导体区域5的掺杂浓度约为1017at/cm3。
代替隔离区4，在两个相邻像素的两个邻近的辐射灵敏元件2之间具有又一半导体区域6(见图6)，该又一半导体区域6，正如半导体主体12的邻近部分12A，是p型的，而且具有更高的掺杂浓度。由于在该处(这种场所)缺少隔离区，能够为像素1的辐射灵敏元件2提供更大的表面，例如，对于具有3.5μm大小的像素，该表面面积可以增大20％。这使像素1的灵敏度和电荷存储容量增加。在这该又一半导体区域6在两个邻近的像素1之间提供了足够的间隔。在该实例中，又一半导体区域6的掺杂浓度约为1017at/cm3。
在该实例中，同时形成该另一半导体区域5和该又一半导体区域6，在这种情况下要借助具有适当掩模的离子注入。为了形成这些区域5、6，可选择所谓的双桶CMOS工艺的阱形成步骤。在该步骤中，其形成了CMOS工艺部分，在半导体主体12中将另外的晶体管形成在图像传感器的区域之外，在附图中没有示出另外晶体管，其具有NMOST和PMOST两种类型。它们形成了例如提供驱动和/或读取的电子电路。在有利的变形中，它们(还)形成了为实现图像处理和/或图像控制目的的电路部分。
铰接光电二极管，其形成了辐射灵敏元件2的部分，这里形成在沉入表面的埋入n型区2A和p型区2B之间。
在下面可用已知的方法制造根据本发明的器件。例如借助于使用掩模注入，形成另一半导体区域5，其宽于隔离区4并与其对准。随后选择注入的能量和相关的剂量以便另一半导体区域5形成沉入表面的区域。同时选择该掩模以便同时形成该又一半导体区域6。
本发明不限于给出实施例的示例，因为在本发明的范围内本领域的技术人员能进行很多变形和修改。例如，除CMOS之外，还可以使用Bi(C)MOS(双极(互补)金属氧化物半导体)IC(集成电路)。代替具有npn结构的辐射灵敏元件，还能使用具有pnp结构的辐射灵敏元件。另外注意到，代替STI隔离区，还能使用由应用LOCOS(硅的局部氧化)技术而得到的隔离区。
明确地规定，辐射灵敏元件不仅可由所谓的铰接二极管来形成，还可以不同地例如由单一的非铰接光电二极管来形成，其中半导体区域形成不多于单个pn结，例如具有位于它上面并邻近表面的相反导电类型的半导体区域。

Claims (11)

1.一种半导体器件(10)，具有衬底(11)和半导体主体(12)，半导体主体(12)具有包括像素(1)的二维矩阵的半导体图像传感器，为了获得通过选择像素的选择装置读取辐射灵敏元件(2)的好处，所述像素每个都包括耦合到多个MOS场效应晶体管(3)的辐射灵敏元件(2)，其中每个辐射灵敏元件(2)包括第一导电类型的半导体区域(2A)，其中积聚了由入射辐射产生的电荷载流子，并且其中在侧面邻接于第一导电类型的半导体区域(2A)的半导体主体(12)的部分(12A)的表面中，半导体主体(12)的部分(12A)是与第一导电类型相反的第二导电类型，为了隔离邻近的像素沉入了隔离区，并且其中在隔离区(4)下面的第二导电类型的半导体主体(12)的部分(12A)中形成具有增加掺杂浓度的第二导电类型的另外的半导体区域(5)，特征在于，所述另外的半导体区域(5)沉入半导体主体(12)的表面中且比隔离区(4)宽，并且隔离区(4)仅位于一个像素(1)的辐射灵敏元件(2)与另一个像素(1)的MOS场效应晶体管(3)接界的两个邻近的像素(1)之间。
2.根据权利要求1所述的半导体器件(10)，特征在于，在两个相邻像素(1)的辐射灵敏元件(2)彼此接界的位置，建立了具有增加的掺杂浓度且沉入半导体主体的部分的表面中的第二导电类型的又一半导体区域(6)。
3.根据权利要求2所述的半导体器件(10)，特征在于，同时形成所述另外的半导体区域(5)和所述又一半导体区域(6)。
4.根据权利要求3所述的半导体器件(10)，特征在于，借助于CMOS工艺的阱形成所述另外的半导体区域(5)和所述又一半导体区域(6)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件(10)，特征在于，该器件包括位于图像传感器之外的与所述MOS场效应晶体管(3)不同的另外的场效应晶体管，其中有NMOS和PMOS晶体管。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的半导体器件(10)，特征在于，隔离区(4)包括所谓的浅沟槽隔离。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的半导体器件(10)，特征在于，第一导电类型为n型导电型。
8.一种制造半导体器件(10)的方法，该半导体器件(10)包括衬底(11)和半导体主体(12)，该半导体主体(12)具有包括像素(1)的二维矩阵的半导体图像传感器，所述像素每个都包括耦合到多个MOS场效应晶体管(3)的辐射灵敏元件(2)以经由选择像素(1)的选择装置读取辐射灵敏元件(2)，每个辐射灵敏元件(2)包括第一导电类型的半导体区域(2A)，其中积聚由入射辐射产生的电荷载流子，所述方法包括：形成分隔邻近像素(1)的沉入半导体主体(12)的部分(12A)的表面中的隔离区(4)，所述部分侧面邻接于第一导电类型的半导体区域(2A)并且是与第一导电类型相反的第二导电类型；以及在隔离区(4)下面的第二导电类型的半导体主体(12)的部分(12A)中形成具有增加掺杂浓度的第二导电类型的另外的半导体区域(5)，其中所述另外的半导体区域(5)沉入半导体主体(12)的表面中并比隔离区(4)宽，并且其中，隔离区(4)仅形成在一个像素(1)的辐射灵敏元件(2)与另一个像素(1)的MOS场效应晶体管(3)接界的两个邻近像素(1)之间。
9.根据权利要求8所述的方法，特征在于，在两个相邻像素(1)的辐射灵敏元件(2)彼此相邻的位置，形成沉入半导体主体(12)的部分(12A)的表面中的且具有增加掺杂浓度的第二导电类型的又一半导体区域(6)。
10.根据权利要求9所述的方法，特征在于，同时形成所述另外的半导体区域(5)和所述又一半导体区域(6)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，特征在于，通过CMOS工艺的阱形成步骤来形成所述另外的半导体区域(5)和所述又一半导体区域(6)。
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