CN102651381A - 半导体器件 - Google Patents

Abstract

一种半导体器件，其具有可以更可靠地防止像素间串扰的固态图像传感器。该器件包括：具有主表面的半导体衬底；第一导电类型杂质层，定位在所述衬底的主表面之上；光电换能器，包括在所述第一导电类型杂质层之上彼此接合的第一导电类型杂质区域和第二导电类型杂质区域；以及晶体管，配置包括光电换能器的单位像素并且电耦合到光电换能器。在平面图中，光电换能器周围的区域的至少一部分包含空气间隙并且还具有用于使一个光电换能器和与其相邻的另一个光电换能器彼此电绝缘的隔离绝缘层。隔离绝缘层抵靠在第一导电类型杂质层的顶表面上。

Description

半导体器件

相关申请的交叉引用

在此通过引用将于2011年2月25日递交的日本专利申请No.2011-40092的公开内容(包括说明书、附图和摘要)全部并入本文。

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，并且更具体地涉及一种具有固态图像传感器的半导体器件。

背景技术

在CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器中，每个单位像素包括微透镜，红色、绿色或者蓝色颜色滤镜以及诸如光电二极管之类的光电换能器。穿过单位像素的颜色滤镜并且到达光电换能器的光的波长依赖于滤镜颜色。已经穿过单位像素的颜色滤镜进入到光电换能器的光被转换成电信号，并且在单位像素内检测到该电信号。例如，在日本未审专利公开No.2006-279048中公开了一种图像传感器，其中具有不同颜色滤镜的多个单位像素被布置在半导体衬底之上，并且相互间隔。

在图像传感器中，穿过红色颜色滤镜的光具有较长波长，并且到达例如硅的层压结构的内部深处。因此，该光进入例如硅的半导体衬底的较深区域(接近底表面)。由已达到光电换能器的红光的光电转换所生成的电子中的一些通过扩散或者漂移由具有红色滤镜的单位像素收集。然而，可能发生的是，由红光的光电转换所生成的电子中的一些通过扩散或者漂移被具有例如绿色颜色滤镜的相邻单位像素错误地收集。该现象被称为电串扰。或者已穿过红色颜色滤镜的光可能意外地进入到具有绿色颜色滤镜的相邻单位像素中。该现象被称为光学串扰。电串扰和光学串扰统称为像素间串扰。像素间串扰可能引起CMOS图像传感器中的色调缺陷或者图像质量退化。

在日本未审专利公开No.2006-279048中描述的图像传感器中，具体地，位于具有长波长的红色颜色滤镜的像素下方的上衬底区域与具有绿色颜色滤镜的相邻像素电绝缘并且在平面图中比红色像素更向外延伸。从已经穿过红色颜色滤镜的光生成的并且已经到达上衬底区域处的电荷在红色像素中被收集，即使其流到红色像素的外部，也不进入绿色像素。因此防止了电串扰。

然而，即使在使用以上技术时，仍然存在发生像素间串扰(尤其是光学串扰)的可能性。在该背景下，日本未审专利公开No.2007-227761和日本未审专利公开No.2008-10544公开了图像传感器(固态图像传感器)，其中相邻单位像素通过其内部形成有空隙(称为空气间隙)的隔离绝缘膜相互电绝缘。此外，日本未审专利公开No.2009-267208公开了一种闪存，其中在相邻单元之间的隔离绝缘膜中形成有空气间隙。此外，日本未审专利公开No.2002-203896公开了一种用于制造具有空气间隙的浅沟槽结构的方法。

发明内容

然而，在日本未审专利公开No.2007-227761中和在日本未审专利公开No.2008-10544中公开的这两种固态图像传感器中，空气间隙的最低部(最靠近底部的部分)定位在光电二极管的最低部之上。因此，在平面图中，空气间隙并不存在于光电二极管的下部周围。因此，空气间隙可能不足以用作防止光电二极管的下部中的光学串扰。此外，在日本未审专利公开No.2009-267208中公开的空气间隙的最低部处于远高(浅)于器件隔离沟槽的最低部的位置处。因此，在日本未审专利公开No.2009-267208中描述的空气间隙也具有与在日本未审专利公开2007-227761与2008-10544中公开的空气间隙一样的问题。难以使用在日本未审专利公开No.2002-203896公开的制造方法来解决上述问题。

鉴于以上问题做出了本发明。本发明的目的之一在于提供一种具有可以更可靠地防止像素间串扰的固态图像传感器的半导体器件。

根据本发明的一个方面，提供了一种配置为如下的半导体器件。该半导体器件包括：具有主表面的半导体衬底；第一导电类型杂质层，定位在半导体衬底的主表面之上；光电换能器，包括第一导电类型杂质区域和第二导电类型杂质区域，它们在第一导电类型杂质层之上彼此接合；以及晶体管，其配置包括光电换能器的单位像素，并且电耦合到光电换能器。在平面图中，光电换能器周围的区域的至少一部分包含空气间隙，并且还具有用于使光电换能器和与其相邻的光电换能器彼此电绝缘的隔离绝缘层。该隔离绝缘层抵靠在第一导电类型杂质层的顶表面上。

根据本发明，定位在光电换能器周围的、向下延伸到第一导电类型杂质层的顶表面的隔离绝缘层防止相邻光电换能器之间的电串扰。此外，隔离绝缘层内部的空气间隙防止相邻光电换能器之间的光学串扰。

附图说明

图1是包括作为根据本发明的第一实施例的半导体器件的CMOS图像传感器的系统芯片的示意性平面图；

图2是配置CMOS图像传感器的单位像素的等效电路图；

图3是示出了根据第一实施例的像素阵列中的多个单位像素的布置的示意性平面图；

图4以放大形式示出了图3中示出的各个晶体管；

图5是沿图3的线V-V获取的示意性截面图；

图6是沿图3的线VI-VI获取的示意性截面图；

图7是沿图3的线VII-VII获取的示意性截面图；

图8是沿图3的线VIII-VIII获取的示意性截面图；

图9是示出了在第一实施例中的在图8中示出的浅隔离区域的变化的示意性截面图；

图10是示出了在作为第一实施例的比较示例中的像素阵列中的多个单位像素的布置的示意性平面图；

图11是沿图10的线XI-XI获得的示意性截面图；

图12是示出了用于制造具有用于STI的空气间隙的深隔离绝缘层的方法的第一步骤的示意性截面图；

图13是示出了用于制造具有用于STI的空气间隙的深隔离绝缘层的方法的第二步骤的示意性截面图；

图14是示出了用于制造具有用于STI的空气间隙的深隔离绝缘层的方法的第三步骤的示意性截面图；

图15是示出了用于制造具有用于STI的空气间隙的深隔离绝缘层的方法的第四步骤的示意性截面图；

图16是示出了用于制造具有用于STI的空气间隙的深隔离绝缘层的方法的第五步骤的示意性截面图；

图17是示出了用于制造具有用于STI的空气间隙的深隔离绝缘层的方法的第六步骤的示意性截面图；

图18是示出了在根据本发明的第二实施例的像素阵列中的多个单位像素的布置的示意性平面图；

图19是沿图18的线XIX-XIX获得的示意性截面图；

图20是沿图18的线XX-XX获得的示意性截面图；

图21是示出了针对根据本发明的第一实施例的CMOS图像传感器的频谱特性的仿真序列的流程图；

图22是示出了用于计算配置根据第一实施例的CMOS图像传感器的单位像素的频谱灵敏度的波长依赖性的序列的流程图；

图23是示出了具有具有红色颜色滤镜的光电二极管的单位像素的频谱灵敏度的波长依赖性的仿真结果的曲线图；

图24是示出了具有具有绿色颜色滤镜的光电二极管的单位像素的频谱灵敏度的波长依赖性的仿真结果的曲线图；以及

图25是示出了具有具有蓝色颜色滤镜的光电二极管的单位像素的频谱灵敏度的波长依赖性的仿真结果的曲线图。

具体实施方式

接下来，将参照附图描述本发明的优选实施例。

第一实施例

首先，将描述根据该实施例的作为芯片的半导体器件。

参照图1，通过对半导体晶片进行划片形成的半导体芯片CHP的平面形状例如为矩形。其中形成有CMOS图像传感器的像素阵列放置在半导体芯片CHP的主表面上。CMOS图像传感器将所接收的光转换成电子，并且基于所生成的电子数目输出电压。各种块(包括I/O控制电路、水平扫描仪、竖直扫描仪和控制逻辑、具有CDS电路的A/D转换器、图像处理器、相机信号处理器以及定时脉冲发生器)放置在像素阵列周围。

I/O控制电路是对来自或者去往与芯片CHP耦合的外部设备(电路)的信号进行控制的电路。水平扫描仪和竖直扫描仪在放置在像素阵列中的CMOS图像传感器的多个单位像素之间做出选择，并且检测所选像素是否接收到光。该操作由竖直扫描仪的控制逻辑进行控制。

A/D转换器将从单位像素生成的作为模拟信号的电压信号转换成数字信号。附接到A/D转换器的CDS电路两次测量来自单个单位像素的电信号，并且消除作为两个所测量信号之间的差值的噪声。CDS电路是基于CDS(相关双采样)方法并且旨在移除放大器噪声和复位噪声的电路。图像处理器对由处理生成的电压信号所创建的图像进行校正和处理。相机信号处理器对表示相机的操作的信号进行处理。定时脉冲发生器生成用作对芯片CHP的各个块进行同步的信号的定时脉冲。

接下来，将参照图2描述每个单位像素的配置和操作原理。参照图2，配置CMOS图像传感器的每个单位像素包括光电二极管PD(光电换能器)、传输晶体管M1、复位晶体管M2、选择晶体管M3和放大晶体管M4，其中这些晶体管M1到M4相互电耦合。晶体管M1到M4均例如是MOS(金属氧化物半导体)晶体管，并且晶体管M1的源极区域SO1耦合到光电二极管PD，并且其栅极电极GE1耦合到读取线。晶体管M2的源极区域SO2耦合到晶体管M1的漏极区域DR1，并且其栅极电极GE2耦合到行复位线。晶体管M3的源极区域SO3耦合到列信号线，并且其栅极电极GE3耦合到行选择线。晶体管M4的源极区域SO4耦合到晶体管M3的漏极区域DR3，并且其栅极电极GE4耦合到漏极区域DR1和源极区域SO2。

光电二极管PD吸收外部光，通过光电转换生成电子，以及将电子存储在其中，从而产生电信号(电压)，其中电子的数量依赖于光的量。该电信号由通过来自读取线的信号使其导通的传输晶体管M1传输，并且到达结点P1。在光电二极管PD处生成的电荷存储在结点P1处。对应于在结点P1处的电荷的电压信号控制放大晶体管M4的栅极电极GE4。

其电平依赖于由放大晶体管M4从光电二极管PD接收到的电压信号(在结点P1处的电荷的数量)的电压被从(通过源极区域SO4和漏极区域DR3)耦合到放大晶体管M4的选择晶体管M3发送到列信号线。具体地，当通过来自行选择线的电信号使选择晶体管M3导通时，列信号线读取在所涉及的单位像素中的电压的电平。一般而言，同时选择列中的、耦合到行选择线的多个单位像素。

复位晶体管M2通过向行复位线施加信号以使复位晶体管M2导通而周期性地使存储在传输晶体管M1的漏极(结点P1)的电荷复位。作为该复位操作的结果，存储在传输晶体管M1中的电荷丢失，从而使得单位像素被初始化。此时，给定电压被施加到漏极区域DR2和漏极区域DR4。

接下来，将参照图3-图8描述放置在该实施例中的像素阵列中的每个单位像素的结构。

参照图3，如图2中所示的多个晶体管M1至M4以矩阵图案布置在半导体芯片CHP(稍后将描述的半导体衬底)的主表面之上，并且在平面图中彼此间隔。一般而言，一个单位像素包括晶体管M1至M4的所有。然而，如图3中所示的那样，两个相邻的晶体管M1可以共享晶体管M2、M3以及M4。

交替地布置分别具有光电二极管PDR、PDG、或者PDB的晶体管M1。光电二极管PDR是具有红色颜色滤镜的光电换能器。光电二极管PDR所接收的光是穿过红色颜色滤镜的红光。类似地，光电二极管PDG和光电二极管PDB是具有绿色颜色滤镜和蓝色颜色滤镜的光电换能器，并且分别可以接收绿光和蓝光。

优选的是，光电二极管PDR和光电二极管PDB两者(在图的竖直和水平方向上)都应当被定位成与光电二极管PDG相邻。更具体地，例如，在图3的最上方的线处，其中光电二极管在水平方向上排成线，光电二极管PDG相邻地定位在光电二极管PDR(左侧)的右侧，并且光电二极管PDR相邻地定位在光电二极管PDG的右侧。在图3中的第二最上方的线中，其中光电二极管在水平方向上排成线，光电二极管PDB相邻地定位在光电二极管PDG(左侧)的右侧，并且光电二极管PDG相邻地定位在光电二极管PDB的右侧。在图3中的光电二极管的三条竖直线的左侧线上，交替地布置光电二极管PDR和光电二极管PDG。在光电二极管的三条竖直线的中间线中，交替地布置光电二极管PDG和光电二极管PDB。

参照图3和图4，源极区域SO1是传输晶体管M1(第一晶体管)的有源区域(第一有源区域)的、包括光电二极管PD的部分(第一杂质区域)。漏极区域DR1是传输晶体管M1的有源区域(第一有源区域)的一部分，其被形成为浮动扩散区域FD(作为杂质扩散层的第二杂质区域)。换言之，传输晶体管M1形成在第一有源区域中，其包括光电二极管PD(源极区域SO1)和浮动扩散区域FD(漏极区域DR1).

一般而言，在平面图中，包括光电二极管PD的源极区域SO1大于包括浮动扩散区域DR1的漏极区域DR1。为此，源极区域SO1和漏极区域DR1之间的沟道区域基本是梯形的。

浮动扩散区域FD具有寄生电容。因此，当从光电二极管PD生成的电荷被传输到漏极区域DR1(在图2中的结点P1)时，漏极区域DR1(结点P1)接收并且存储电荷。

在传输晶体管M1中，有源区域垂直地(在图中的竖直方向上)延伸至在图中在水平方向上延伸的栅极电极GE1。源极区域SO1和漏极区域DR1位于传输晶体管M1的有源区域中。换言之，栅极电极GE1定位在中央，而源极区域SO1和漏极区域DR1定位在其两侧。

有源区域AA2、AA3、和AA4(第二有源区域)在竖直方向上或者与栅极电极GE2、GE3、和GE4延伸的水平方向垂直的方向上延伸。有源区域AA2、AA3、和AA4包括晶体管M2至M4(第二晶体管)的源极区域和漏极区域。换言之，晶体管M2至M4形成在第二有源区域中。然而，由于晶体管M3的漏极区域DR3和晶体管M4的源极区域SO4相互耦合，所以在附图中它们被示出为共同有源区域AA34。

在图3的平面图中，省略了用于耦合在图2的等效电路中示出的单位像素的晶体管M1至M4的布线。

为了使晶体管M1至M4电隔离，在平面图中，电隔离层位于晶体管之间。这意味着不同晶体管在不同于用于耦合每个单位像素的晶体管M1至M4的布线定位的区域(未在图3中示出)中，相互电绝缘。

电隔离层包括浅隔离区域SLS和深隔离区域DPS。关于在图3中示出的电隔离层，浅隔离区域SLS设置在其中相邻的晶体管M1在图3的竖直方向上线性耦合的区域中，而深隔离区域DPS设置在用于在竖直方向上线性耦合的其他区域中。

对于特定晶体管M1的有源区域而言，(其他晶体管的)有源区域中的最靠近一个是与在图3中示出的特定晶体管M1竖直相邻的另一晶体管的有源区域。例如，与包括定位在图3中的最左且最上位置处的光电二极管PDR的晶体管M1的有源区域最靠近的另一有源区域是定位在特定晶体管M1之下并且与特定晶体管M1邻近的晶体管M1。(相邻像素的)以上一对晶体管M1的有源区域之间的最短距离是上晶体管M1的源极区域SO1和下晶体管M1的漏极区域DR1之间的最短距离a。值a小于包括定位在图3中的最左且最上位置处的光电二极管PDR的晶体管M1的有源区域与同所考虑的晶体管M1相邻且在其右侧的(同一单位像素的)晶体管M3和M4之间的最短距离b(反言之，最短距离b大于最短距离a)。类似地，在包括定位在图3中的最左且最上位置处的光电二极管PDR的晶体管M1的有源区域与同晶体管M1相邻并且在其左侧的晶体管M2的有源区域之间的最短距离等于距离b，并且大于最短距离a。在该实施例中，作为浅隔离区域SLS的电隔离层定位在特定晶体管M1的有源区域与在平面图中与其最靠近的晶体管的有源区域(在它们之间具有最短距离a)之间的区域中。另一方面，作为深隔离区域DPS的电隔离层定位在特定晶体管M1的有源区域与(同晶体管M1相邻)的晶体管M3等的有源区域(其具有与晶体管M1的有源区域的最短距离b)之间的区域中。类似地，作为深隔离区域DPS的电隔离层也定位在特定晶体管M1的有源区域与同晶体管M1的有源区域相邻的晶体管M2的有源区域之间的区域中。

具体地，浅隔离区域SLS定位在一对相邻的晶体管M1之间的区域中(具体地，一对M1晶体管中的一个晶体管M1的源极区SO1(光电二极管)与在平面图中最靠近它的另一个晶体管M1的漏极区DR1之间的区域)。更具体地，在晶体管M1至M4未在平面图中定位的区域中，浅隔离区域SLS形成于在图3中示出的晶体管M1的有源区与(在图中的竖直方向上)同其相邻的另一晶体管M1的有源区之间的区域中。

深隔离区域DPS位于其中晶体管M1至M4未定位在平面图中的区域(晶体管之间的区域)中的、不同于浅隔离区域SLS所定位的区域的区域中。换言之，在晶体管M1至M4未在平面图中定位的区域中，深隔离区域DPS具体地形成在图3中的晶体管M1的有源区与在平面图中(在图中的水平方向上)与其相邻的晶体管M2至M4的有源区之间的区域中。以下将详细参照图5至图8对此进行描述。

参照图5至图8，配置半导体芯片CHP的元件形成在半导体衬底SUB的主表面之上。半导体衬底SUB例如由单晶硅制成。半导体衬底SUB的导电类型可以是n型与p型之一。以下说明假设半导体衬底SUB是n-型的。

例如，p-型半导体层DPW(第一导电类型杂质层)位于半导体衬底SUB的主表面之上。对于每个单位像素而言，例如，p-型阱区域WL定位在半导体层DPW之上的主表面之上。更具体地，半导体层DPW是被形成为比阱区域WL更深(在图中向下)的阱区域的一部分。阱区域WL被形成为使得其最低部抵靠在半导体层DPW的顶表面上。因此，半导体层DPW形成防止由每个单位像素的光电二极管内部的光电转换生成的电子朝向衬底SUB(在图5至图8中向下)移动的势垒。用作势垒的半导体层DPW改善每个单位像素生成电子的灵敏度。

多个光电二极管PDR、PDG和PDB(光电换能器)布置在阱区域WL内部，并且彼此间隔。形成传输晶体管M1，其中光电二极管PDR、PDG或者PDB是源极区域SO1并且浮动扩散区域FD(参见图4)是漏极区域DR1。例如，光电二极管PDR、PDG以及PDB均被配置成使得p⁺⁺型高掺杂区域PPR(第一导电类型杂质区域)位于n⁺类型杂质区域(第二导电类型杂质区域)之上，并且这些区域接合在一起。当n⁺型杂质区域与高掺杂区域PPR之间的接合点接收光时，依赖于所接收到的光的量发生光电转换，借此在接合点的邻近区域中生成诸如电子之类的电荷。

光电二极管的p⁺⁺类型高掺杂区域PPR旨在防止在图5至图8中示出的层压结构的顶表面的邻近区域中生成的缺陷电子到达光电二极管的n⁺层，从而导致称为暗电流的噪声电流。光电二极管的n⁺层收集并且累积由光电转换生成的电子。

如上所述，将晶体管M1至M4电绝缘的电隔离层具有深隔离区域DPS和浅隔离区域SLS。每个深隔离区域DPS被配置为如下：在其中形成空气间隙AG，以及例如为氧化硅膜的隔离绝缘层SI在与光电二极管(晶体管)同一层中延伸足够深入以抵靠在深阱区域DPW的顶表面上。更具体地，隔离绝缘层SI从半导体衬底SUB的主表面之上的层压结构的顶表面(除了栅极电极GE1和栅极绝缘膜GI之外)延伸足够深入以抵靠在半导体层DPW的顶表面上。隔离绝缘层SI可以通过所谓的LOCOS(硅的局部氧化)工艺或者所谓的STI(浅沟槽隔离)技术来产生。

隔离绝缘层SI的侧面例如由p⁺类型杂质区域SPR(第一导电类型的薄杂质膜)覆盖。杂质区域SPR旨在防止在半导体层DPW与阱区域WL之间的界面的邻近区域中生成的缺陷电子到达光电二极管的n⁺层，从而导致暗电流。

例如，空气间隙AG此处意味着空气填充隔离绝缘层SI的内部的状况。空气间隙AG的最低部(即，空气间隙的最靠近半导体衬底SUB的部分)定位在比光电二极管的最低部(即，光电二极管的n⁺类型区域SO1(PDR、PDG、或者PDB)的最低部)更深的位置处。换言之，空气间隙AG的最低部比光电二极管(n⁺类型区域SO1)的最低部更靠近半导体衬底SUB(在图5至图7向下)。

另一方面，参照图7和图8，浅隔离区域SLS是层压结构，其中堆叠了例如为氧化硅膜的绝缘层SSP(元件隔离层)以及绝缘层SSP下的p⁺型区域SP。浅隔离区域SLS的最低部向下延伸到比深阱区域DPW的顶表面浅的水平处，而不到达其顶表面。换言之，浅隔离区域SLS被形成为使得其不如隔离绝缘层SI深，并且不抵靠在半导体层DPW上。浅隔离区域SLS(元件隔离层)是由p⁺类型区域SP和绝缘层SSP构成的层压结构，其防止了相邻光电二极管之间的像素间串扰。

参照图9，浅隔离区域SLS可以是隔离绝缘层SI，而不是如图8所示的由绝缘层SSP与p⁺类型区域SP构成的层压结构。除了以上提到的浅隔离区域SLS结构之外，在图9中示出的结构与在图8中示出的结构相同。

在图9中作为浅隔离区域SLS的隔离绝缘层SI与在图5至图7中示出的作为深隔离区域DPS的隔离绝缘层SI的不同之处在于，其空气间隙AG的最低部在比光电二极管的最低部浅的位置处(在图9向上)。然而，在图9中示出的隔离绝缘层SI也延伸足够深，以使其最低部到达并且抵靠在深阱区域DPW的顶表面上。

如稍后所述的那样，在第一实施例中，在图3的竖直方向上延伸的作为深隔离区域DPS的隔离绝缘层SI的空气间隙AG可以在图3的竖直方向上(沿半导体衬底SUB的主表面)延伸，以便耦合多个晶体管M1周围的区域。

接下来，将参照图10和图11中示出的比较示例来描述该实施例的效果。

参照图10和图11，在将与该实施例进行比较的示例中，在平面图中其中未形成晶体管M1至M4的所有隔离区域是如在图8中所示的浅隔离区域。在该比较示例中，浅隔离区域具有层压结构，其包括如图8中所示的绝缘层SSP和p⁺类型区域SP。换言之，该比较示例的像素阵列的、旨在使相邻元件电绝缘的浅隔离区域未到达半导体层DPW。

参照图11，一般通过绿色光电二极管PDG内部的光电转换将进入例如具有绿色颜色滤镜的光电二极管PDG的光线a转换成电子。

另一方面，进入例如具有红光颜色滤镜的光电二极管PDR的光线b1和c1变成具有较长波长的红色光线，并且进入到硅中更深处。红色光线例如在层压结构的底部(在图11中为向下)处的阱区域WL的内部引起光电转换，从而生成电荷(电子)。由红色光线b1的光电转换生成的电子通过扩散或者漂移朝向图11的方向b2移动，并且在红色光电二极管PDR的n⁺层PDR中正确地收集和累积。另一方面，由红色光线c1的光电转换生成的电子通过扩散和漂移进入到红色光电二极管与绿色光电二极管之间(在p+层SP之下的)浅隔离区域中。结果，电子朝向图11的方向c2移动。这意味着尽管光线c1已穿过红色颜色滤镜，但是其在绿色光电二极管PDG的n⁺层PDG中被错误地收集，从而引起电串扰。

或者如图11所示，将要进入红色光电二极管的光线d1可能穿过浅隔离区域的绝缘层SSP，并且在相邻绿色光电二极管PDG的n⁺层PDG中错误地收集，从而导致光学串扰。由于绝缘层SSP和p⁺区域SP不具有空气间隙AG，光电二极管的硅与绝缘层SSP之间的光学折射率差别较小。为此，基本上在硅与绝缘层SSP之间的边界处几乎不发生光的全反射。因此，尤其是具有较长波长的光(诸如红光)可以引起光学串扰，这是由于其很容易穿过绝缘层SSP，并且进入到相邻光电二极管中。

如果发生这种串扰(像素间串扰)，则由这种光线在CMOS图像传感器中创建的图像可能具有色调缺陷，从而导致所创建的图像的质量退化。

如上所述，尽管包括绝缘层SSP的浅隔离区域SLS具有防止像素间串扰的效果，但是该效果可能是不足够的，并且可能引起像素间串扰。

作为一种解决方案，优选的是，与在该实施例中一样，应当例如在相邻(不同颜色的)光电二极管之间提供足够深入以到达半导体层DPW的深隔离区域。这将会减小例如在由具有红色光电二极管的像素中的光电转换所生成的电子进入到深隔离区域之下的区域并且错误地进入到具有绿色光电二极管的相邻像素中的可能性。这是由于抵靠在深隔离区域SI上的半导体层DPW用作阻止电子穿透的势垒。因此，根据该实施例，可以防止相邻(不同颜色的)光电二极管之间的电串扰。

此外，与该实施例中一样，当空气间隙AG的最低部处于比光电二极管的最低部更深的位置时，已进入空气间隙AG的光非常有可能被反射。这是因为，由于由空气间隙AG中的空气的光学折射率与半导体层压结构的内部的光学折射率之间的差别，因而更加有可能发生在空气间隙AG中的光的全反射。这减小了已进入例如红色光电二极管中的光穿过空气间隙AG并且错误地进入到绿色光电二极管的可能性。换言之，由于空气间隙AG延伸到足够深，其更有效地防止相邻(不同颜色的)光电二极管之间的光学串扰。

然而，如图9中所示，具有如下空气间隙AG的隔离绝缘层SI可以用作深隔离区域DPS，该空气间隙AG的最低部处于比光电二极管的最低部浅的位置处。在图9中示出的隔离绝缘层SI被形成为其最低部抵靠在半导体层DPW的顶表面上，或者其延伸足够深以到达半导体层DPW。因此，尽管隔离绝缘层SI的空气间隙AG的最低部处于比光电二极管的最低部浅的位置处，但是隔离绝缘层SI至少防止相邻光电二极管之间的电串扰。此外，由于隔离绝缘层SI具有空气间隙AG，因此与在图8中示出的浅区域SLS的结构相比，其能更有效地反射光并且防止光学串扰。

在该实施例中，优选的是，浅隔离区域SLS应当被形成为诸如如图3中所示地在一对相邻晶体管M1之间的如下区域中：在该区域中在平面图中距离a较短(a＜b)。此外，优选的是，深隔离区域DPS应当被形成为诸如如图3所示的在晶体管M1与同其相邻的晶体管M2之间的如下区域中：在该区域中在平面图中距离b较长(b＞a)。

当区域的宽度(在平面图中)与隔离绝缘层SI的深度的宽长比较小的情况下，易于在深隔离区域DPS中形成具有较深空气间隙AG的深隔离绝缘层SI。换言之，较易于在具有较大宽度的区域(如具有距离b的区域)中形成隔离绝缘层SI。然而，难以在具有较小宽度的区域(如具有距离a的区域)中形成隔离绝缘层SI，这是由于宽度-深度宽长比较大。原因是，宽长比越大，越难以创建深的空气间隙AG。

因此，如在该实施例中一样，通过仅在可以较易于形成深隔离绝缘层SI的区域中形成隔离绝缘层SI，可以在形成有深隔离绝缘层SI的区域中更可靠地防止像素间串扰。这防止由于像素中的色调缺陷导致的图像质量退化。此外，在其他区域中形成浅隔离区域，这意味着这些区域的宽度(例如在图3中的距离a)可以较小，因此像素可以更密集地布置。

如迄今所述的那样，在该实施例中，可以更有效地防止电串扰和光学串扰这两者，以及更可靠地防止像素间串扰。

接下来，将参照图12至图17描述用于在深隔离区域DPS中制造具有空气间隙AG的STI的隔离绝缘层SI的方法。

参照图12，例如通过CVD(化学气相沉积)在例如为硅的半导体衬底SUB的一个主表面SF之上依次堆叠氧化硅膜SIF、多晶硅膜PSF以及氮化硅膜NSF。应当注意到，为了简化描述，以下描述了用于在半导体衬底SUB的内部形成深隔离区域SI的工艺，尽管在该实施例中深隔离区域SI被形成在半导体衬底SUB和半导体层DPW之上。

参照图13，例如通过普通光刻技术或者蚀刻对氧化硅膜SIF、多晶硅膜PSF和氮化硅膜NSF完成图案化。以上薄膜的已经通过图案化移除的部分是待形成隔离绝缘层SI的区域。

参照图14，使用图13所示的步骤中利用氧化硅膜SIF，多晶硅膜PSF和氮化硅膜NSF制成的图案作为硬掩膜，通过各向异性蚀刻移除硅衬底SUB的内部的一部分，以形成沟槽TR。

参照图15，在图14所示的步骤中形成的沟槽TR被进一步各向异性地蚀刻，以在比沟槽TR更深的区域中形成深沟槽DTR。深沟槽DTR以与沟槽TR连续的方式形成。然后，通过诸如ISSG(现场蒸汽生成)之类的已知技术来使沟槽TR的内壁表面以及深沟槽DTR的内壁表面和底表面氧化，以形成氧化硅膜SI1。通过在沟槽TR的内壁表面等上形成氧化硅膜SI1，可以减小沟槽TR(深沟槽DTR)与硅衬底SUB之间的界面态密度，以防止暗电流在硅衬底SUB与沟槽TR(深沟槽DTR)之间流动。

参照图16，例如利用氧化硅膜SI2填充沟槽TR和DTR的内部。氧化硅膜SI2例如通过CVD工艺形成。此时，可以通过控制在CVD工艺中使用的气流速率和分压来在填充沟槽的氧化硅膜SI2的内部产生空气间隙AG。优选地，空气间隙AG(在图16的水平方向上)的宽度应当不小于0.01μm并且不大于0.1μm。

参照图17，例如通过CMP(化学机械抛光)移除在利用氧化硅膜SI2填充在图16中示出的沟槽TR和DTR的内部的同时被沉积在半导体衬底SUB的顶表面SF上的氧化硅膜SI2。通过执行以上步骤，产生了包括氧化硅膜SI1和SI2并且包含空气间隙AG的隔离绝缘层SI。

以上实施例也可以应用到基于BSI(背侧照明)技术在CMOS图像传感器的半导体衬底的背表面(例如，在图5中所示的半导体衬底SUB的底表面)上形成的像素阵列。

第二实施例

第二实施例与第一实施例的不同之处在于电隔离层结构。接下来，将参照图18至图20描述根据第二实施例的像素阵列。

参照图18至图20，根据第二实施例的像素阵列在结构上大体与在图3中示出的根据第一实施例的像素阵列相同。然而，在第二实施例中，所有的电隔离层均为如第一实施例中的深隔离区域DPS的隔离绝缘层SI。具体地，例如，作为深隔离区域DPS的隔离绝缘层SI形成在晶体管M1的源极区域SO1和与该晶体管M1相邻的晶体管M1的漏极区域DR1(为在平面图中最靠近源极区域的有源区域)之间的区域中。该隔离绝缘层SI具有足够深度以如在图5至图7中示出的隔离绝缘层SI一样到达半导体层DPW，并且其空气间隙的最低部处于比光电二极管的最低部更深的位置处。结果，作为深隔离区域DPS的隔离绝缘层SI位于晶体管M1至M4未定位在其中的所有区域中。

例如，对于在图18的竖直方向上彼此相邻的一对晶体管M1而言，优选的是，一个晶体管M1的源极区域SO1与另一个晶体管M1的漏极区域DR1之间的区域的宽度a应当大于图3中的对应区域的宽度a。如果是这样，则该区域的宽长比，或者其在平面图中的宽度与隔离绝缘层SI的深度的比值较小。因此，可以易于形成具有较深的空气间隙AG的深隔离绝缘层SI，并且大体上可以在整个像素阵列(除了晶体管所定位的区域)中形成深隔离绝缘层SI。

参照图19，作为深隔离区域DPS的隔离绝缘层SI在水平方向上连续延伸，与在图18中所示的一对晶体管M1的一个晶体管M1与在竖直方向上与其相邻的另一晶体管M1之间的区域一样。结果，隔离绝缘层SI的空气间隙AG在附图的水平方向上(沿半导体衬底SUB的主表面)连续延伸，以便互连在图18中示出的多个晶体管M1的有源区域。还在以上第一实施例中为深隔离区域DPS的隔离绝缘层SI中，隔离绝缘层SI的空气间隙可以如图19所示沿着半导体衬底的主表面延伸。

如上所述，与在第一实施例中相比，在第二实施例中更广泛地形成深隔离区域DPS。就这一点而言，第二实施例与第一实施例不同。然而，在其他方面，第二实施例与第一实施例相同，所以用相同的参考标记指代相同的元素，并且将不再重复对它们的描述。

接下来，将描述第二实施例的效果。在第二实施例中，与在第一实施例中相比，更广泛地形成深隔离区域DPS。在第二实施例中，甚至对应于第一实施例中的浅隔离区域SLS的区域也为深隔离区域DPS。这意味着在平面图中，实质上每个晶体管M1(光电二极管)周围的整个区域都被图20中所示出的隔离绝缘层SI覆盖。隔离绝缘层SI的最低部抵靠在半导体层DPW的顶表面上，并且空气间隙AG的最低部位于比光电二极管的最低部更深的位置处。

因此，在第二实施例中，与在第一实施例中相比，深隔离区域SI更有效地防止像素间串扰。此外，如图19中所示，在第二实施例中，空气间隙AG被形成为将一对相邻晶体管M1的有源区域之间的区域耦合到另一对相邻晶体管M1的有源区域之间的区域(即，互连多个晶体管M1周围的区域)。因此，隔离绝缘层SI更有效地防止光学串扰。

本发明的第二实施例与本发明的第一实施例的不同之处仅在于以上方面。换言之，第二实施例的其他方面，包括其配置、条件、过程和效果都与第一实施例的相同。

示例1

接下来，将描述关于在第一实施例和第二实施例中的CMOS图像传感器怎样防止像素间串扰的仿真。首先，将参照图21和图22描述仿真方法。

参照图21，首先执行工艺仿真。具体而言，将对根据第二实施例的CMOS图像传感器的每个单位像素的结构以及比较示例的CMOS图像传感器的每个单位像素的结构进行仿真。例如，单位像素的结构包括以下因素：颜色滤镜的部件的材料和形状、像素的晶体管和光电二极管、以及半导体衬底和杂质区域中的杂质浓度分布。这些信息被录入到计算机中，并且计算机进行计算，以用数值方式表达单位像素的结构。

下一步骤是光学仿真。具体而言，关注每个单位像素的光电二极管(包括周围隔离绝缘层和半导体层)，计算取决于进入光电二极管的光的量的通过光电转换生成的电子的密度分布(光生电子密度分布)。

最后，执行器件仿真。具体而言，将用于包括颜色滤镜和隔离区域(隔离绝缘层SI等)的每个单位像素的操作的所施加电压的时间依赖性录入到计算机中。然后，使用通过光学仿真所计算的光生电子密度分布作为初始值(时间t＝0)，计算机计算在由光电转换生成的电子通过扩散或者漂移在像素的光电二极管中的累积随时间的改变。当在不再观测到这种电子在光电二极管中累积随时间的显著改变(即，达到稳定状态)时，该计算结束。

参照图22，为了计算每个单位像素的(光电二极管的)频谱灵敏度，首先在计算机中录入关于入射到单位像素(光电二极管)上的具有特定波长的光的数据。然后，计算理论上将生成的电子的总数目A。具体而言，此处，电子的总数目A在此意味着根据通过如上光学仿真计算的进入像素(包括光电二极管、光电二极管周围的隔离绝缘层SI以及半导体层DPW)的具有不同波长的光的量(具有不同波长的光学能量)、在理论上通过光电转换生成的电子的总数。然后，计算累积的电子的总数B。具体而言，电子的总数B在此意味着根据进入像素的具有不同波长的光的量通过光电转换生成的电子中的、通过扩散或者漂移在光电二极管中累积的电子的总数。然后计算等于频谱灵敏度的量子效率B/A。

图23至图25是示出了通过以上模拟序列计算的结果的曲线图。在图23至图25中，水平轴分别表示入射到具有红色颜色滤镜、绿色颜色滤镜和蓝色颜色滤镜的光电二极管上的光的波长，而竖直轴表示作为从具有不同波长的光所生成的电子在光电二极管中的累积的比率的频谱灵敏度。在图23至图25的竖直轴的频谱灵敏度可以以任意单位表达，例如由B/A的实际数值或者B/A的对数值。然而，在图23至图25之间用来表达频谱灵敏度的度量(scale)是共同的，其中在所有这些曲线图中使用了相同的最大值和最小值。这使得在图23至图25的曲线图之间的频谱的灵敏度的比较更容易。

分别由图23至图25中的实线指示的曲线R0、G0以及B0是在图11中示出的比较示例的仿真结果，即其中在平面图中晶体管M1至M4中的每个仅由为层压结构(包括绝缘层SSP和p⁺类型区域SP)的浅隔离区域SLS包围的像素阵列。分别由在图23至图25中的点划线表示的曲线R1、G1以及B1是在图3中示出的第一实施例中的像素阵列的仿真结果，其中一些电隔离层是深隔离区域DPS(在图5至图7中示出)而其他电隔离层是浅隔离区域SLS(在图8中示出)。分别由图23至图25中的虚线表示的曲线R2、G2以及B2是在图18中示出的第二实施例中的像素阵列的仿真结果，其中所有电隔离层是深隔离区域DPS(在图5至图7以及图20中示出)。

在图23中的曲线R3是在具有隔离绝缘层SI(作为深隔离区域DPS)的像素阵列中的红色光电二极管PDR的仿真结果，其中，如图9所示，空气间隙AG的最低部处于比光电二极管的最低部浅的位置处。

参照图23至图25，例如，红光的波长在从600nm到650nm的范围中，因此，在图23的曲线图(其涉及具有红色颜色滤镜的光电二极管)中，R0、R1以及R2均在以上波长范围中比在其他波长范围中示出较高的频谱灵敏度。类似地，在图24的曲线图(其涉及具有绿色颜色滤镜的光电二极管)中，G0、G1以及G2均在绿光固有的500nm至580nm的波长范围比在其他波长范围示出较高的频谱灵敏度。在图25的曲线图(其涉及具有蓝色颜色滤镜的光电二极管)中，B0、B1、以及B2均在蓝光固有的400nm至480nm的波长范围比在其他波长范围示出较高的频谱灵敏度。

在图23中，在红光的峰值频谱灵敏度方面，R0最低，R3第二低，并且R2最高。在比较示例中，红色光电二极管PDR(图11)仅被浅隔离区域包围。红光进入红色光电二极管所转换的电子更加有可能由于电串扰而扩散或者漂移到红色光电二极管的外部，从而导致红光生成的电子在红色光电二极管中累积的比率降低。因此，在红光的峰值频谱灵敏度中，R0比R1、R2以及R3低。

在第一实施例中，红色光电二极管PDR(图3)部分地被浅隔离区域包围，并且部分地被深隔离区域包围。为此，在第一实施例中，与在比较示例中相比，不太可能发生电串扰，并且红光的峰值频谱灵敏度较高。然而，在红光的峰值频谱灵敏度中，与在第一实施例中的深隔离区域DPS的较深空气间隙AG有关的R1比与第一实施例中的较浅的空气间隙AG有关的R3高。这是由于空气间隙AG增加了光学串扰的防止效果。

在空气间隙AG的最低部在较浅位置处的第二实施例中，每个红色光电二极管PDR(图18)的几乎全部都被深隔离区域包围。因此，在第二实施例中，更加有效地防止了电串扰和光学串扰，并且与第一实施例相比，红光的峰值频谱灵敏度较高。

另一方面，参照图23，在比红光的波长范围低的范围中(例如，在580nm和更短波长的范围中)，在频谱灵敏度中，R0最高，R1第二高，并且R2最低。这是由于，与本发明的实施例相比，在比较示例中，由于光学串扰，已经例如穿过绿色颜色滤镜的光更有可能进入红色光电二极管。相比而言，在这些实施例中，由于抑制了这些光学串扰，例如已经穿过绿色颜色滤镜的光不太可能进入红色光电二极管。为此，与比较示例相比，在这些实施例中，在不同于红光的波长范围的波长范围中，频谱灵敏度较低。这种趋势在第二实施例中比在第一实施例中更明显。

尽管以上已讨论了如图23中示出的仅与红色光电二极管有关的观测结果，但是如在图24和图25中示出的与绿色光电二极管和蓝色光电二极管有关的观测结果与以上相同。

此外，如图23中所示的与红色光电二极管有关的峰值频谱灵敏度比如图24和图25中所示的与绿色光电二极管和蓝色光电二极管有关的峰值频谱灵敏度低，在比较示例中尤其如此。原因在于，红光比绿光和蓝光具有较长波长，并且更有可能引起光学串扰并且进入相邻的光电二极管。

应当理解，这些实施例和示例仅是示例性的，而不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求书，而不是由之前的描述所限定，并且因此旨在使权利要求书涵盖落入权利要求书的界线或者这种界线的等价物内的所有改变。

当将本发明应用到具有CMOS图像传感器的半导体器件时，本发明尤其有利。

Claims (9)

1.一种半导体器件，包括：

具有主表面的半导体衬底；

第一导电类型杂质层，定位在所述半导体衬底的所述主表面之上；

光电换能器，包括第一导电类型杂质区域和第二导电类型杂质区域，所述第一导电类型杂质区域和所述第二导电类型杂质区域在所述第一导电类型杂质层之上彼此接合；以及

晶体管，配置包括所述光电换能器的单位像素并且电耦合到所述光电换能器，

其中，在平面图中，所述光电换能器周围的区域的至少一部分包含空气间隙并且具有用于使一个光电换能器和与所述一个光电换能器相邻的另一个光电换能器彼此电绝缘的隔离绝缘层，以及

其中所述隔离绝缘层抵靠在所述第一导电类型杂质层的顶表面上。

2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述空气间隙的底部处于比所述光电换能器的底部更深的位置处。

3.根据权利要求1或者2所述的半导体器件，其中，所述隔离绝缘层的侧面由第一导电类型杂质薄膜覆盖。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体器件，

其中，多个单位像素被布置成矩阵图案，

其中，所述晶体管包括形成在包括作为光电换能器的第一杂质区域和作为杂质扩散层的第二杂质区域的第一有源区域中的第一晶体管以及包括在所述单位像素中的第二晶体管，所述第二晶体管电耦合到所述第一晶体管，并且形成在包括作为杂质扩散层的杂质区域的第二有源区中，以及

其中包括在多个单位像素中的一对相邻单位像素的一个单位像素中的第一晶体管的所述第一有源区域与包括在所述一对单位像素的另一单位像素中的第一晶体管的所述第一有源区域之间的最短距离比所述第一晶体管的第一有源区域和在平面图中与所述第一晶体管相邻的所述第二晶体管的所述第二有源区域之间的最短距离短。

5.根据权利要求4所述的半导体器件，其中，所述隔离绝缘层定位在所述第一晶体管的所述第一有源区域和在平面图中与所述第一晶体管相邻的所述第二晶体管的所述第二有源区域之间的区域中。

6.根据权利要求4或者5所述的半导体器件，其中，所述隔离绝缘层定位在包括在一对所述第一晶体管的一个晶体管中的所述第一有源区域和所述一对晶体管的第一有源区域中的在平面图中最靠近所述第一有源区域的另一第一晶体管的所述第一有源区域之间的区域中。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的半导体器件，其中，在平面图中所述隔离绝缘层定位于遍及所述晶体管未定位在其中的区域中。

8.根据权利要求6或者7所述的半导体器件，其中，所述隔离绝缘层的所述空气间隙沿着所述主表面延伸，以便耦合彼此相邻的所述第一有源区域。

9.根据权利要求4或者5所述的半导体器件，其中，比所述隔离绝缘层浅并且不抵靠在所述第一导电类型杂质层上的元件隔离层定位在一对第一晶体管的一个晶体管中所包含的所述第一有源区域与所述一对第一晶体管的第一有源区域中的在平面图中最靠近所述第一有源区域的另一第一晶体管的所述第一有源区域之间的区域中。

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