CN107346775B - 互补金属氧化物半导体影像感测器及形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种互补金属氧化物半导体影像感测器及形成方法。该互补金属氧化物半导体影像感测器包含第二型的注入区，形成于第一型的晶体层内。传输栅的通道整个覆盖注入区，该注入区的部分结合光二极管、掺杂阱区及浮动扩散节点。
Description
技术领域
本发明涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)影像感测器，特别是涉及一种可防溢流(anti-blooming)或增进电荷转移的互补金属氧化物半导体影像感测器。
背景技术
互补金属氧化物半导体(CMOS)影像感测器(以下简称影像感测器)普遍应用于移动装置。影像感测器也可使用于其他应用，例如汽车及安全应用。汽车及安全应用的要求异于移动应用。例如，溢流(blooming)对汽车及监测应用是有害的。当像素于曝光时已填满光载流子而无法再收集更多的电子/空穴对时，即会发生溢流。亮点像素会扩散至相邻区域的其他像素。
道路场景(特别是在夜间)具有高动态范围。影像感测器对于特别亮区域必须具有好的溢流控制，才能确保相邻微暗区域不会被溢流电荷所影响。否则，会遗失许多细节且很难从场景得出讯息。此外，于高温操作环境(例如汽车)，即使在黑暗中，热像素也会被暗电流充满。相邻正常像素因接收溢流电荷，也会变为热像素。
电荷转移为汽车及安全应用的另一要求。像素电荷转移速度是影像感测器的数据频宽的重要因素。如果电荷转移不能完全，则会造成有害的暗/低亮度杂讯，其会限制影像感测器的最低可接受亮度位准。
鉴于传统影像感测器无法有效解决溢流及电荷转移问题，因此亟需提出一种新颖可防溢流及增进电荷转移的影像感测器。
发明内容
鉴于上述，本发明实施例的目的之一在于提出一种互补金属氧化物半导体影像感测器，用以防止溢流或/且增进电荷转移。
根据本发明实施例，互补金属氧化物半导体影像感测器包含基底、第一型的晶体层、光二极管、至少一个第一型的掺杂阱区、传输栅、浮动扩散节点及第二型的注入区。第一型的晶体层形成于基底上。注入区、光二极管及掺杂阱区形成于晶体层内，且浮动扩散节位于掺杂阱区内。传输栅形成于晶体层的顶面，且传输栅的通道整个覆盖注入区。传输栅部分覆盖光二极管的边缘及掺杂阱区的边缘。注入区的部分结合光二极管、掺杂阱区及浮动扩散节点。
根据本发明另一实施例，形成互补金属氧化物半导体影像感测器的方法包含以下步骤。提供基底，且形成第一型的晶体层于基底上。形成第二型的注入区于晶体层内。形成至少一个第一型的掺杂阱区于晶体层内，且注入区的部分结合掺杂阱区。形成传输栅于晶体层的顶面，传输栅部分覆盖掺杂阱区的边缘，且注入区被传输栅的通道整个覆盖。形成光二极管于晶体层内，且注入区的部分结合光二极管。执行源极/漏极注入以形成浮动扩散节点于掺杂阱区内，且注入区的部分结合浮动扩散节点。
附图说明
图1A为互补金属氧化物半导体(CMOS)影像感测器的剖视图；
图1B为图1A的影像感测器的俯视图；
图1C为当曝光且传输栅关闭时沿图1A切割线101的位能图；
图2A为本发明实施例的互补金属氧化物半导体(CMOS)影像感测器的剖视图；
图2B为图2A的影像感测器的俯视图；
图2C为当曝光且传输栅关闭时沿图2A切割线101的位能图；
图3A及图3B为图2A的影像感测器的俯视图，分别使用不同注入区掩模形状；
图4A为影像感测器的剖视图；
图4B为当电荷转移期间且传输栅开启时沿图4A切割线104的位能图；
图5A为图2A的影像感测器的剖视图；
图5B为图5A的影像感测器的俯视图；
图5C为当电荷转移期间且传输栅开启时沿图5A切割线104的位能图；
图6A至图6H为本发明实施例的影像感测器的形成流程的剖视图。
符号说明
100 互补金属氧化物半导体影像感测器
200 互补金属氧化物半导体影像感测器
101 切割线
102 障壁
103 障壁
104 切割线
105 位能梯度
106 鞍点
11 基板
12 晶体层
13 光二极管
14 掺杂阱区
15 传输栅
151 第一端
152 第二端
16 传输栅通道注入
17 隔离区
18 浮动扩散节点
19 注入区
PD 光二极管
PW P型阱区
TX 传输栅
STI 浅沟槽隔离区
FD 浮动扩散
T2 掩模尺寸
W1 掩模尺寸
W2 掩模尺寸
W3 掩模尺寸
H1 掩模尺寸
H2 掩模尺寸
具体实施方式
图1A显示互补金属氧化物半导体(CMOS)影像感测器(以下简称影像感测器)100的剖视图。图1B显示图1A的影像感测器100的俯视图，沿剖线1A-1A’可得到图1A的剖视图。影像感测器100主要包含第一型(例如P型)的基板11。影像感测器100包含第一型的晶体(crystalline)层12，例如P型晶膜(epitaxial)层，形成于基板11上。影像感测器100还包含光二极管(PD)13及至少一个第一型的掺杂阱区14(例如P型阱区或PW)形成于晶体层12内。影像感测器100还包含传输栅(TX)15，其包括晶体层12顶面的栅栅极氧化(gate oxide)层。传输栅15形成于晶体层12的顶面，且部分覆盖光二极管13的边缘及掺杂阱区14的边缘。于晶体层12的顶部形成有传输栅通道注入16。详而言之，传输栅通道注入16位于整个光二极管13上方，且位于部分传输栅15下方。位于传输栅15下方的传输栅通道注入16是作为暗电流与电荷转移的通道调整注入，而位于光二极管13上方的传输栅通道注入16则作为光二极管13的表面钉扎(pinning)层。隔离区17(例如浅沟槽隔离区或STI)形成于影像感测器100的相邻像素之间。如图1A、图1B所示，第二型(例如N型)的浮动扩散(FD)节点18位于掺杂阱区14内，且被传输栅15部分覆盖。其中，传输栅15的第一端151覆盖光二极管13，且传输栅15的第二端152覆盖浮动扩散节点18。
图1C显示当曝光且传输栅15关闭时沿图1A的(虚)切割线101的位能图。如图1C所示，位于光二极管13与掺杂阱区14之间的障壁102高于相邻像素间的隔离区17的障壁103。当受到强光照射而达到全阱区饱和(full well saturation)时，超出的光电子会从光二极管13经由障壁103而流至相邻未饱和像素，因而形成溢流。
为了防止溢流(anti-blooming)，需要提出一种新颖的结构。图2A显示本发明实施例的互补金属氧化物半导体(CMOS)影像感测器(以下简称影像感测器)200的剖视图。本实施例的影像感测器200可于曝光期间当传输栅15关闭时增进溢流的防止。本实施例的影像感测器200可适用于前照式(front side illuminance,FSI)影像感测器，也可适用于后照式(back side illuminance,BSI)影像感测器。图2B显示图2A的影像感测器200的俯视图，沿剖线2A-2A’可得到图2A的剖视图。除了图1A、图1B所述的元件，图2A、图B2的影像感测器200更包含第二型(例如N型)的注入区19，形成于晶体层12内，其中的第二型相反于第一型。注入区19部分设于(且结合)光二极管13、掺杂阱区14及浮动扩散节点18。本实施例的注入区19被传输栅15部分覆盖，但被传输栅15的整个通道(亦即图2B所示横向长度H2)所覆盖。
图2C显示当曝光且传输栅关闭时沿图2A的(虚)切割线101的位能图。如图2C所示，位于光二极管13与掺杂阱区14之间的障壁102因为注入区19而下降，减弱该区域的掺杂阱区14的原始P型掺杂。当受到强光照射而达到全阱区饱和时，超出的光电子可经由障壁102而流出，并被浮动扩散节点18汲取，其中该浮动扩散节点18于曝光期间为正偏压，因而得以增进溢流的防止。
在本实施例中，使用适当的注入剂量与能量，可使注入区19距离晶体层12的顶面一段距离。注入区19未碰触传输栅通道注入16，但是在传输栅15的第二端152，注入区19结合浮动扩散节点18处，注入区19碰触到传输栅通道注入16。于该处，传输栅通道注入16的暗电流不再流回光二极管13，而是流至浮动扩散节点18。因此，靠近光二极管13的传输栅通道注入16部分的高空穴累积状况不会受到影响，因而减少暗电流问题。另一方面，位于浮动扩散节点18下方的掺杂阱区14经适当调整，可延伸注入区19深入晶体层12以增大防溢流路径。详而言之，注入区19与传输栅通道注入16彼此非常接近。在经过整个的热处理制作工艺后，两者的边界会产生互动。注入区19与传输栅通道注入16之间的距离彼此权衡。若两者较近，则有利于电荷移转但不利于暗电流；若两者较远，则有利于暗电流但不利于电荷移转。
考虑注入区19的区域轮廓，如图2B所示，掩模的形状要求T2>W2可增大防溢流路径，并与传输栅通道注入的浅沟槽隔离区的侧壁保持一段距离，其中T2代表传输栅15通道内的浅沟槽隔离区的侧壁距离。另一个掩模的形状要求H1>H2可降低防溢流位势垒壁的鞍点(saddle point)并靠近光二极管13，因此暗电流会流至浮动扩散节点18而不会流至光二极管13，且增强防溢流强度。图3A及图3B显示图2A的影像感测器200的俯视图，分别使用不同注入区掩模形状。注入区19的一部分具楔形(taper)，其宽度随远离光二极管13而逐渐变宽(图3A)，或者随远离光二极管13而逐渐变窄(图3B)。上述注入区19的二种掩模形状可用以权衡暗电流与防溢流/电荷移转增益。
图4A显示影像感测器100(类似图1A)的剖视图。图4B显示于电荷移转期间且传输栅15开启时，沿图4A的(虚)切割线104的位能图。图4A的影像感测器100具有低速电荷传输的缺点。
本实施例的影像感测器200可于电荷移转期间且传输栅15开启时，增进电荷的转移。图5A显示影像感测器200(类似于图2A)的剖视图；图5B显示图5A的影像感测器200的俯视图，沿剖线5A-5A’可得到图5A的剖视图；且图5C显示于电荷移转期间且传输栅15开启时，沿图5A的(虚)切割线104的位能图。
电荷转移主要受到以下二因素的限制：(1)电荷的暂态时间决定光载流子从光二极管13行进至传输栅入口(TX entrance)的速度；(2)光载流子必须克服位于传输栅入口的传输栅开启障壁(TX“on”barrier)102的大小。
在本实施例中，注入区19于传输栅15的第一端151仅部分覆盖光二极管13。光二极管13远端所产生的光载流子会受到增强的位能梯度105而加速，因而快速行进至传输栅入口。掩模的形状要求W1>T2及W3＝光二极管13沿相同方向尺寸的30-40％。根据这些要求，最低电子位能点位于传输栅入口的附近。于光二极管13内不具有其他位能袋(potentialpocket)。位能梯度105从光二极管13的远端至最低位能袋的任何路径之间大致平均分布，因而避免平坦位能或零位能梯度区域。由此，电荷的暂态时间可大量降低。
对于传输栅开启障壁102，本实施例的注入区19提供以下的增进：(1)减少传输栅入口区域的P型掺杂，以降低传输栅开启障壁102；(2)将传输栅开启障壁的鞍点106宽度垂直延伸至晶体层12；及(3)将传输栅开启障壁的鞍点106重叠传输栅通道注入予以横向增大，其中电荷转移电流因鞍点106尺寸变大而增强。由此，位于传输栅入口的传输栅开启障壁102可较佳化，于快门关闭期间传输栅15开启时，得以增强电荷转移。
图6A至图6H显示本发明实施例的影像感测器200的形成流程的剖视图，仅显示与本实施例相关的步骤。
首先，如图6A所示，提供第一型(例如P型)的基底11(例如硅)。形成第一型的晶体层12(例如P型晶膜层)于基底11上。
接着，如图6B所示，形成隔离区17(例如浅沟槽隔离区或STI)于影像感测器200的相邻像素之间。再如图6C所示，形成传输栅通道注入16于晶体层12的顶部。
根据本实施例的特征之一，形成第二型(例如N型)的注入区19于晶体层12内。在一实施例中，图6D所形成的注入区19可实施于较早的制作工艺阶段，甚至于晶片开始阶段，以接受充分的热处理而得到较佳注入轮廓并通过退火以减少注入损害。
接下来，如图6E所示，形成至少一个第一型的掺杂阱区14于晶体层12内。注入区19的部分位于(且结合)掺杂阱区14。上述图6C至图6E的步骤若执行于图6B的步骤之后，则其顺序可改变。
如图6F所示，形成传输栅15于晶体层12的顶面，且部分覆盖掺杂阱区14的边缘。传输栅15的整个通道(亦即横向长度)覆盖注入区19。值得注意的是，注入区19(图6D)形成于传输栅15(图6F)之前。
如图6G所示，形成光二极管(PD)13于晶体层12内，且光二极管13的边缘被传输栅15部分覆盖。注入区19的部分设于(且结合)光二极管13。
如图6H所示，执行源极/漏极注入以形成浮动扩散(FD)节点18于掺杂阱区14，该浮动扩散节点18被传输栅15部分覆盖。注入区19的部分设于(且结合)浮动扩散节点18。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的权利要求；凡其它未脱离发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在上述的权利要求内。
Claims (12)
1.一种互补金属氧化物半导体影像感测器，包含：
基底；
第一型的晶体层，形成于该基底上；
光二极管，形成于该晶体层内；
至少一个第一型的掺杂阱区，形成于该晶体层内；
传输栅，形成于该晶体层的顶面，该传输栅部分覆盖该光二极管的边缘及该掺杂阱区的边缘；
浮动扩散节点，位于该掺杂阱区内；及
第二型的注入区，形成于该晶体层内，该注入区的部分结合该光二极管、该掺杂阱区及该浮动扩散节点，且该注入区被该传输栅的通道整个覆盖，
其中该注入区的一部分具楔形，其宽度随远离该光二极管而逐渐改变。
2.根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体影像感测器，还包含一传输栅通道注入，形成于该晶体层的顶部。
3.根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体影像感测器，其中该浮动扩散节点被该传输栅部分覆盖。
4.根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体影像感测器，包含前照式互补金属氧化物半导体影像感测器或后照式互补金属氧化物半导体影像感测器。
5.根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体影像感测器，其中该注入区距离该晶体层的顶面一段距离。
6.根据权利要求2所述的互补金属氧化物半导体影像感测器，其中该注入区未碰触该传输栅通道注入，但是在该注入区结合该浮动扩散节点处，该注入区碰触到该传输栅通道注入。
7.一种形成互补金属氧化物半导体影像感测器的方法，包含：
提供一基底；
形成一第一型的晶体层于该基底上；
形成一第二型的注入区于该晶体层内；
形成至少一个第一型的掺杂阱区于该晶体层内，该注入区的部分结合该掺杂阱区；
形成一传输栅于该晶体层的顶面，该传输栅部分覆盖该掺杂阱区的边缘，该注入区被该传输栅的通道整个覆盖；
形成一光二极管于该晶体层内，该注入区的部分结合该光二极管；及
执行源极/漏极注入以形成一浮动扩散节点于该掺杂阱区内，该注入区的部分结合该浮动扩散节点，
其中该注入区的一部分具楔形，其宽度随远离该光二极管而逐渐改变。
8.根据权利要求7所述形成互补金属氧化物半导体影像感测器的方法，还包含一步骤以形成一传输栅通道注入于该晶体层的顶部。
9.根据权利要求7所述形成互补金属氧化物半导体影像感测器的方法，其中该浮动扩散节点被该传输栅部分覆盖。
10.根据权利要求7所述形成互补金属氧化物半导体影像感测器的方法，其中该互补金属氧化物半导体影像感测器包含前照式互补金属氧化物半导体影像感测器或后照式互补金属氧化物半导体影像感测器。
11.根据权利要求7所述形成互补金属氧化物半导体影像感测器的方法，其中该注入区距离该晶体层的顶面一段距离。
12.根据权利要求8所述形成互补金属氧化物半导体影像感测器的方法，其中该注入区未碰触该传输栅通道注入，但是在该注入区结合该浮动扩散节点处，该注入区碰触到该传输栅通道注入。
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