CN104377216A - 影像感测器与影像感测器的制造方法 - Google Patents

影像感测器与影像感测器的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种影像感测器与影像感测器的制造方法，影像感测器包含有：一第一型外延层、一感光区域、一第一型阱区域、一源极随耦器晶体管的一栅极区域与一第一型离子注入绝缘区域。该第一型阱区域形成于该第一型外延层中，并与该感光区域之间具有一第一水平距离，并且与该第一型外延层的一表面之间具有一垂直距离；该源极随耦器晶体管的一栅极区域形成于该第一型外延层的该表面的一氧化层上，并位于该第一型阱区域上方，且与该感光区域之间具有一第二水平距离，以及在该第一型离子注入绝缘区域与该第一型阱区域之间具有一距离以作为一抗光晕路径。

Description

影像感测器与影像感测器的制造方法
技术领域
本发明涉及一种影像感测器与一种影像感测器的制造方法，尤其是涉及一种可以通过在该源极随耦器(source follower)晶体管通道与该感光区域之间形成一抗光晕路径(anti-blooming path)来减少光晕现象的影像感测器与一种影像感测器的制造方法。
背景技术
互补式金属氧化物半场效晶体管影像感测器(CMOS Image Sensor，CIS)已经被许多应用广泛的采用，例如手机、视讯装置、保全系统、玩具、医疗设备等等。下一波关于互补式金属氧化物半场效晶体管影像感测器大规模的应用会在汽车相关的应用中出现，这可以用于辅助驾驶人的视觉与动作，以得到更安全与轻松的驾驶体验。
然而，关于汽车影像感测器的要求非常高，这些要求通常是基于汽车的严苛操作条件下产生的，关于汽车影像感测器的其中的一关键要求就是低光晕。
当一像素被光载子(通常是电子)所填满并且尚未达到整合时间(integration time)时就会出现光晕，也就是当入射光仍然在产生更多的电子/空穴对，但是该像素已经无法收集这些更多的电子/空穴对了，而该些电子与空穴会被注入接地的P型阱并且在那重新结合；然而，就像双极性晶体管(BJT)的原理，如果有一空的感光二极管在附近作为收集者，并且该些电子与空穴在短距离内无法完全结合，该些电子与空穴就会经由扩散流入该空的感光二极管，在这种情况下，一个亮的像素就会把光散到附近区域的其他像素。光晕在互补式金属氧化物半场效晶体管影像感测器的应用中是需要极力避免的现象，特别是关于汽车与监控相关的应用。
道路的影像通常是具有高度动态范围的，尤其是在夜晚。互补式金属氧化物半场效晶体管影像感测器必须在特别亮的区域具有良好的光晕控制，以确保周围灯光昏暗的区域不会被光晕电子所影响，否则很多细节就会被掩埋，使得车辆控制系统或者驾驶人很难从影像中得到正确的信息。另一个低光晕的理由是关于高度动态范围架构的要求，其中感光二极管的整合时间都不同，具有较长整合时间的感光二极管的光晕会将具有较短整合时间的感光二极管的信息摧毁。还有一个理由是群集控制(cluster control)，即使像在汽车中这样昏暗且高温的环境下，一个超级“热”的热点(hot pixel)也会被强大的暗电流填满并且达到光晕的程度，而周遭的热点会显示出一个奇怪的图案作为一热群集(hot cluster)，并且很难用影像处理的方式将其修正回来。
目前有一些关于降低光晕的现有技术，例如在一现有技术(Yasuo Ishihara,et al.,“Interline CCD Image Sensor with an Antiblooming Structure”IEEETransactions on Electron Devices,Vol.,ED-31,NO.1,Jan 1984)中，提供给电荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)的解决方案可以提供高电压以确实控制漏极的开启与关闭，但是像这样大范围的电压并不能用于互补式金属氧化物半场效晶体管影像感测器。
在另一现有技术(G.Agranov,et al.,“Super Small,Sub 2μm Pixels ForNovel CMOS Image Sensors”,INTERNATIONAL IMAGE SENSORWORKSHOP,June 7-10,2007,Ogunquit,Maine USA)中，隐藏N型阱的设计会面对到关于抗光晕与红反应之间的权衡问题(trade-off)。
此外，另一种传统的解决方案是利用表面的抗光晕漏极。在一互补式金属氧化物半场效晶体管影像感测器的四颗晶体管的像素(CIS 4T pixel)中，一转移栅极(transfer gate，Tx)在该像素的整合期间稍微的被开启，所以光晕垫子可以被汲取到漂流扩散(floating diffusion，FD)区域。然而，这种解决方案具有许多缺点，例如从转移栅极通道到感光二极管的区域会有很高的漏电流，并且会大量增加暗电流与白像素，另外，全阱产能(full well capacity，FWC)在这种解决方案中也是个需要权衡的问题。虽然为了解决暗电流的问题，可以设计一个专用的抗光晕漏极，但是这样一来就会减少感光区域的面积。
举例来说，请参考图1、图2以及图3，图1所绘示的为一传统的影像感测器100的简化俯视示意图，图2所绘示的为影像感测器100的简化剖面(A-A’)示意图，以及图3所绘示的为影像感测器100的等效电路图。如图1、图2以及图3所示，影像感测器100包含有：一P型基底110、一P型外延层(epitaxial layer)120、两个感光区域130、132、两个P型阱区域140、142、一源极随耦器晶体管(source follower，SF)的一栅极区域150、两个浅沟槽绝缘(STI)区域160、162、一转移栅极(transfer gate，Tx)170、一漂流扩散(floatingdiffusion，FD)区域180、一选择栅极(select gate，SEL)190、一重设栅极(resetgate，RES)200、一金属氧化物半导体(MOS)栅极氧化层210，以及感光区域130、132的一表面钉扎层(surface pinning layer)220。金属氧化物半导体栅极氧化层210包含在任何的互补式金属氧化物半场效晶体管制作工艺中，没有例外，并且金属氧化物半导体栅极氧化层210形成于多晶硅栅极形成之前。表面钉扎层220不属于预设的互补式金属氧化物半场效晶体管制作工艺，但是对于互补式金属氧化物半场效晶体管影像感测器(CMOS Image Sensor，CIS)来说则是必要的，并且表面钉扎层220形成于多晶硅栅极形成之后，其中形成表面钉扎层220为形成感光区域130、132的一标准制作工艺步骤。此外，在另一现有技术中，浅沟槽绝缘区域160由一浓厚的P型阱隔离230所取代，如图4以及图5所示。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种影像感测器与一种影像感测器的制造方法，可以通过在该源极随耦器(source follower，SF)晶体管通道与该感光区域之间形成一抗光晕路径(anti-blooming path)来减少光晕现象，以解决上述的问题，这是因为在正常情况下，该源极随耦器的一漏极连接于芯片上最正向的电源供应，所以该漏极可以非常有效的将光晕电流引导到该源极随耦器晶体管通道中。
因此，根据本发明的一实施例，其提供了一种影像感测器。本发明的影像感测器包含有：一第一型外延层(epitaxial layer)、一感光区域、一第一型阱区域、一源极随耦器晶体管的一栅极区域以及一第一型离子注入绝缘区域。该第一型外延层形成于一第一型基底上；该感光区域形成于该第一型外延层中；该第一型阱区域形成于该第一型外延层中，并与该感光区域之间具有一第一水平距离，并且与该第一型外延层的一表面之间具有一垂直距离；该源极随耦器晶体管的一栅极区域形成于该第一型外延层的该表面的一氧化层上，并位于该第一型阱区域上方，并且与该感光区域之间具有一第二水平距离；以及该第一型离子注入绝缘区域形成于该第一型外延层中，并且位于该第一型阱区域与该感光区域之间；其中该第一水平距离大于该第二水平距离，并且在该第一型离子注入绝缘区域与该第一型阱区域之间具有一距离以作为一抗光晕路径。
因此，根据本发明的一实施例，其提供了一种用于一影像感测器的制造方法。本发明的制造方法包含有：在一第一型基底上一形成第一型外延层；在该第一型外延层中形成一第一型阱区域，并且该第一型阱区域与该第一型外延层的一表面之间具有一垂直距离；在该第一型外延层的该表面的一氧化层上形成一源极随耦器晶体管的一栅极区域，并且该源极随耦器晶体管的该栅极区域位于该第一型阱区域上方；在该第一型外延层中形成一感光区域，该感光区域与该第一型阱区域之间具有一第一水平距离，并且与该源极随耦器晶体管的该栅极区域之间具有一第二水平距离；以及于该第一型外延层中形成一第一型离子注入绝缘区域，并且该第一型离子注入绝缘区域位于该第一型阱区域与该感光区域之间；其中该第一水平距离大于该第二水平距离，并且在该第一型离子注入绝缘区域与该第一型阱区域之间具有一距离以作为一抗光晕路径。
综上所述，本发明所提供的该影像感测器与影像感测器的制造方法，可以通过在该源极随耦器晶体管通道与该感光区域之间形成一抗光晕路径来减少光晕现象，并且不需要在该源极随耦器晶体管通道与该感光区域之间形成任何浅沟槽绝缘(STI)。经由适当的调整该抗光晕路径的势垒(potentialbarrier)，几乎所有从该源极随耦器晶体管通道空乏区域(depletion region)所产生的电子漏电流(electron leakage current)都可以被该源极随耦器晶体管的漏极端所吸收，因此本发明可以解决利用一转移栅极(transfer gate，Tx)作为一抗光晕漏极所产生的问题。
附图说明
图1为一传统的影像感测器的简化俯视示意图；
图2为图1中的影像感测器的简化剖面(A-A’)示意图；
图3为影像感测器的等效电路图；
图4为另一传统的影像感测器的简化俯视示意图；
图5为图4中的影像感测器的简化剖面(A-A’)示意图；
图6为本发明一实施例的一种影像感测器的简化剖面示意图；
图7为举例说明在P型外延层中并且在感光区域与该源极随耦器晶体管的栅极区域之间形成一抗光晕路径的5种方式的简化剖面示意图；
图8为依据上述实施例来概述本发明的用于一影像感测器的制造方法的流程示意图。
符号说明
100：影像感测器
110：P型基底
120：P型外延层
130、132：感光区域
140、142：P型阱区域
150：源极随耦器晶体管的栅极区域
160、162：浅沟槽绝缘区域
170：转移栅极
180：漂流扩散区域
190：选择栅极
210：金属氧化物半导体栅极氧化层
220：表面钉扎层
500：影像感测器
510：P型基底
520：P型外延层
530、532：感光区域
540、542：P型阱区域
550：源极随耦器晶体管的栅极区域
560：P型离子注入绝缘区域
570：浅沟槽绝缘区域
580：金属氧化物半导体栅极氧化层
590：表面钉扎层
630：感光区域
640：P型阱区域
650：源极随耦器晶体管的栅极区域
660：P型离子注入绝缘区域
具体实施方式
在本说明书以及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件，而所属领域中具有通常知识者应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件，本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则，在通篇说明书及后续的权利要求中所提及的「包含有」为一开放式的用语，故应解释成「包含有但不限定于」。
请参考图6，图6所绘示的为依据本发明一实施例的一种影像感测器500的简化剖面示意图，如图6所示，影像感测器500包含有：一P型基底510、一P型外延层(epitaxial layer)520、两个感光区域530、532、两个P型阱区域540、542、一源极随耦器晶体管的一栅极区域550、一P型离子注入绝缘区域560、一浅沟槽绝缘(STI)区域570、一金属氧化物半导体栅极氧化层580以及感光区域530、532的一表面钉扎层(surface pinning layer)590。金属氧化物半导体栅极氧化层580包含在任何的互补式金属氧化物半场效晶体管制作工艺中，没有例外，并且金属氧化物半导体栅极氧化层580形成于多晶硅栅极形成之前。表面钉扎层590不属于预设的互补式金属氧化物半场效晶体管制作工艺，但是对于互补式金属氧化物半场效晶体管影像感测器(CMOSImage Sensor，CIS)来说则是必要的，并且表面钉扎层590形成于多晶硅栅极形成之后，其中形成表面钉扎层590为形成感光区域530、532的一标准制作工艺步骤。
P型外延层520形成于一P型基底510上，以及感光区域530、532形成于P型外延层520中。P型阱区域540、542形成于P型外延层520中，并与感光区域530、532之间具有一第一水平距离，并且与P型外延层520的一表面之间具有一垂直距离。该源极随耦器晶体管的栅极区域550形成于P型外延层520的该表面的金属氧化物半导体栅极氧化层580上，并位于P型阱区域540上方，并且与感光区域530之间具有一第二水平距离。P型离子注入绝缘区域560形成于P型外延层520中，并且位于P型阱区域540与感光区域530之间，其中P型离子注入绝缘区域560的一宽度与该第二水平距离相等，该第一水平距离大于该第二水平距离，并且在P型离子注入绝缘区域560与P型阱区域540之间具有一距离以作为一抗光晕路径(anti-blooming path)。
举例来说，P型离子注入绝缘区域560以及P型阱区域540之间可以有一轻度P型掺杂，其中与P型离子注入绝缘区域560以及P型阱区域540相较之下，该轻度P型掺杂具有较低的势垒，因此，在本发明的影像感测器500中可以在P型外延层520中，并且在感光区域530与该源极随耦器晶体管的栅极区域550之间形成一抗光晕路径。
本发明有5种方式可以在P型外延层520中，并且在感光区域530与该源极随耦器晶体管的栅极区域550之间形成一抗光晕路径，请参考图7，图7所绘示的为举例说明这5种方式的简化剖面示意图。如图7所示，栅极区域650、P型离子注入绝缘区域660以及P型阱区域640的边缘在图7的5种方式中所做的每一种的移动方式在下列段落中利用各编号作相对应的描述。
1.在P型离子注入绝缘区域660中进行特别的抗光晕离子注入，例如注入N型掺杂；或者利用调整离子注入能量来使P型离子注入绝缘区域660变得较窄，以及使P型阱区域640变得较深。
2.调整该源极随耦器晶体管的栅极区域650的宽度，由于P型离子注入绝缘区域660必须与栅极区域650自我对齐，因此P型离子注入绝缘区域660的边缘会依据栅极区域650的位置而移动。
3.调整感光区域630与该源极随耦器晶体管的栅极区域650之间的距离。
4.调整该源极随耦器晶体管的栅极区域650下方的P型阱区域640的宽度，以在P型离子注入绝缘区域660以及P型阱区域640之间产生一轻度P型掺杂(亦即较低的势垒)。
5.经由重设像素的晶体管将该源极随耦器的一栅极电压偏压至一正电压，以及调整该正电压以使该源极随耦器在一深空乏模式中的空乏边缘产生一较大的延伸。
由于上述的5种方式彼此独立，因此该5种方式之间的任意组合也可以产生各种有效的方式。
在此请注意，上述的实施例仅作为本发明的举例说明，而不是本发明的限制条件，举例来说，在本发明的影像感测器的另一实施例中，该P型基底可以由一N型基底取代，该P型外延层可以由一N型外延层取代，该P型阱区域可以由一N型阱区域取代，以及该P型离子注入绝缘区域可以由一N型离子注入绝缘区域取代。
请参考图8，图8所绘示的为依据上述实施例来概述本发明的用于一影像感测器的制造方法的流程示意图。假如大体上可以得到相同的结果，则流程中的步骤不一定需要照图8所示的顺序来执行，也不一定需要是连续的，也就是说，这些步骤之间可以插入其他的步骤。本发明的方法包含有下列步骤：
步骤700：在一P型基底上一形成P型外延层。
步骤702：在该P型外延层中形成一P型阱区域，并且该P型阱区域与该P型外延层的一表面之间具有一垂直距离。
步骤704：在该P型外延层的该表面的一氧化层上形成一源极随耦器(source follower)晶体管的一栅极区域，并且该源极随耦器晶体管的该栅极区域位于该P型阱区域上方。
步骤706：在该P型外延层中形成一感光区域，该感光区域与该P型阱区域之间具有一第一水平距离，并且与该源极随耦器晶体管的该栅极区域之间具有一第二水平距离。
步骤708：在该P型外延层中形成一P型离子注入绝缘区域，并且该P型离子注入绝缘区域位于该P型阱区域与该感光区域之间，其中在该第一型离子注入绝缘区域与该第一型阱区域之间具有一距离以作为一抗光晕路径。
在此请注意，上述的实施例仅作为本发明的举例说明，而不是本发明的限制条件，举例来说，在本发明的影像感测器的另一实施例中，该P型基底可以由一N型基底取代，该P型外延层可以由一N型外延层取代，该P型阱区域可以由一N型阱区域取代，以及该P型离子注入绝缘区域可以由一N型离子注入绝缘区域取代。
综上所述，本发明所提供的该影像感测器与影像感测器的制造方法，可以通过在该源极随耦器晶体管通道与该感光区域之间形成一抗光晕路径来减少光晕现象，并且不需要在该源极随耦器晶体管通道与该感光区域之间形成任何浅沟槽绝缘(STI)。经由适当的调整该抗光晕路径的势垒(potentialbarrier)，几乎所有从该源极随耦器晶体管通道空乏区域(depletion region)所产生的电子漏电流(electron leakage current)都可以被该源极随耦器晶体管的漏极端所吸收，因此本发明可以解决利用一转移栅极(transfer gate，Tx)作为一抗光晕漏极所产生的问题。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种影像感测器，包含有：
第一型外延层(epitaxial layer)，形成于一第一型基底上；
感光区域，形成于该第一型外延层中；
第一型阱区域，形成于该第一型外延层中，与该感光区域之间具有一第一水平距离，并且与该第一型外延层的一表面之间具有一垂直距离；
源极随耦器(source follower)晶体管的一栅极区域，形成于该第一型外延层的该表面的一氧化层上，并位于该第一型阱区域上方，并且与该感光区域之间具有一第二水平距离；以及
第一型离子注入绝缘区域，形成于该第一型外延层中，并且位于该第一型阱区域与该感光区域之间；
其中该第一水平距离大于该第二水平距离，并且在该第一型离子注入绝缘区域与该第一型阱区域之间具有一距离以作为一抗光晕路径(anti-blooming path)。
2.如权利要求1所述的影像感测器，其中该第一型离子注入绝缘区域的一宽度与该第二水平距离相等。
3.如权利要求1所述的影像感测器，其中该第一型基底为一P型基底，该第一型外延层为一P型外延(P-epi)层，该第一型阱区域为一P型阱，以及该第一型离子注入绝缘区域为一P型离子注入绝缘区域(P-iso)。
4.如权利要求1所述的影像感测器，其中该第一型基底为一N型基底，该第一型外延层为一N型外延(N-eNi)层，该第一型阱区域为一N型阱，以及该第一型离子注入绝缘区域为一N型离子注入绝缘区域(N-iso)。
5.一种影像感测器的制造方法，包含有：
在一第一型基底上一形成第一型外延层(epitaxial layer)；
在该第一型外延层中形成一第一型阱区域，该第一型阱区域与该第一型外延层的一表面之间具有一垂直距离；
在该第一型外延层的该表面的一氧化层上形成一源极随耦器(sourcefollower)晶体管的一栅极区域，并且该源极随耦器晶体管的该栅极区域位于该第一型阱区域上方；
在该第一型外延层中形成一感光区域，该感光区域与该第一型阱区域之间具有一第一水平距离，并且与该源极随耦器晶体管的该栅极区域之间具有一第二水平距离；以及
在该第一型外延层中形成一第一型离子注入绝缘区域，并且该第一型离子注入绝缘区域位于该第一型阱区域与该感光区域之间；
其中该第一水平距离大于该第二水平距离，并且在该第一型离子注入绝缘区域与该第一型阱区域之间具有一距离以作为一抗光晕路径(anti-blooming path)。
6.如权利要求5所述的制造方法，其中该第一型离子注入绝缘区域的一宽度与该第二水平距离相等。
7.如权利要求5所述的制造方法，其中该第一型基底为一P型基底，该第一型外延层为一P型外延(P-epi)层，该第一型阱区域为一P型阱，以及该第一型离子注入绝缘区域为一P型离子注入绝缘区域(P-iso)。
8.如权利要求5所述的制造方法，其中该第一型基底为一N型基底，该第一型外延层为一N型外延(N-eNi)层，该第一型阱区域为一N型阱，以及该第一型离子注入绝缘区域为一N型离子注入绝缘区域(N-iso)。
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