CN110993630A - 多厚度栅极电介质 - Google Patents

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Abstract

本申请案涉及多厚度栅极电介质。图像传感器包含：一或多个光电二极管，其安置在半导体材料中以接收图像光并产生图像电荷；及浮动扩散，其用以从所述一或多个光电二极管接收所述图像电荷。一或多个转移晶体管经耦合以将所述一或多个光电二极管中的图像电荷转移到所述浮动扩散，并且源极跟随器晶体管经耦合以放大所述浮动扩散中的所述图像电荷。所述源极跟随器包含栅电极(耦合到所述浮动扩散)、源电极及漏电极，以及在所述源电极与漏电极之间安置在所述半导体材料中的作用区。电介质材料安置在所述栅电极与所述作用区之间，并具有第一厚度及第二厚度。所述第二厚度大于所述第一厚度，且所述第二厚度比所述第一厚度更靠近所述漏电极安置。

Description

多厚度栅极电介质
技术领域
本发明大体上涉及半导体装置，且特定来说(但非排他性地)，涉及图像传感器。
背景技术
图像传感器已变得无处不在。它们广泛应用于数码相机、蜂窝电话、安全摄像机，以及医疗、汽车及其它应用中。用于制造图像传感器的技术持续以迅猛的速度进步。举例来说，对更高分辨率及更低功耗的需求已促进这些装置的进一步微型化及集成化。
典型图像传感器如下操作。来自外部场景的图像光入射在图像传感器上。图像传感器包含多个光敏元件，使得每一光敏元件吸收入射图像光的一部分。包含在图像传感器中的光敏元件(例如光电二极管)各自在吸收图像光时产生图像电荷。所产生的图像电荷量与图像光的强度成比例。所产生的图像电荷可用于产生表示外部场景的图像。
发明内容
在一个方面中，提供一种图像传感器。所述图像传感器包括：一或多个光电二极管，其安置在半导体材料中以接收图像光并产生图像电荷；浮动扩散，其用以从所述一或多个光电二极管接收所述图像电荷；一或多个转移晶体管，其经耦合以将所述一或多个光电二极管中的图像电荷转移到所述浮动扩散；及源极跟随器晶体管，其经耦合以放大所述浮动扩散中的所述图像电荷，其包含：栅电极，其耦合到所述浮动扩散；源电极及漏电极；作用区，其安置在所述源电极与所述漏电极之间的所述半导体材料中；及电介质材料，其安置在所述栅电极与所述作用区之间，所述电介质材料具有第一厚度及第二厚度，其中所述第二厚度大于所述第一厚度，且其中所述第二厚度比所述第一厚度更靠近所述漏电极安置。
在另一方面中，提供一种图像传感器制造方法。所述方法包括：在半导体材料中形成一或多个光电二极管以接收图像光并产生图像电荷；在所述半导体材料中植入浮动扩散以从所述一或多个光电二极管接收所述图像电荷；形成一或多个转移晶体管，其经耦合以将所述一或多个光电二极管中的图像电荷转移到所述浮动扩散；以及形成源极跟随器晶体管，其经耦合以放大所述浮动扩散中的所述图像电荷，其包含：形成耦合到所述浮动扩散的栅电极；形成源电极及漏电极；在所述源电极与所述漏电极之间的所述半导体材料中植入作用区；以及形成安置在所述栅电极与所述作用区之间的电介质材料，其具有第一厚度及第二厚度，其中所述第二厚度大于所述第一厚度，且其中所述第二厚度比所述第一厚度更靠近所述漏电极安置。
附图说明
参考以下诸图描述本发明的非限制性及非穷尽实例，其中相似参考数字贯穿各种视图指代相似部分，除非另有规定。
图1A是根据本发明的教示的晶体管的横截面图示。
图1B是根据本发明的教示的包含图1A的晶体管的像素的电路图。
图2是说明根据本发明的教示的包含图1B的像素的成像系统的一个实例的框图。
图3说明根据本发明的教示用于形成图1A的图像传感器的实例方法。
对应参考字符贯穿附图的若干视图指示对应组件。所属领域的技术人员应了解，图式中的元件出于简单及清楚的目的而说明，且未必是按比例绘制。举例来说，图式中一些元件的尺寸相对于其它元件可被夸大以帮助提高对本发明的各种实施例的理解。此外，为了促进对本发明的这些各种实施例的更容易的观察，通常不描绘在商业上可行的实施例中有用的或必需的常见但众所周知的元件。
具体实施方式
本文描述一种用于多厚度栅极电介质的设备及方法的实例。在以下描述中，阐述众多特定细节以提供对所述实例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，能够在不具有一或多个特定细节的情况下或配合其它方法、组件、材料等等实践本文所描述的技术。在其它情况下，未展示或详细地描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆某些方面。
贯穿本说明书的对“一个实例”或“一个实施例”的参考意指结合实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，贯穿本说明书的各种地方的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”的出现未必皆是指同一实例。此外，特定特征、结构或特性可以任何合适方式组合于一或多个实例中。
降低读取噪声(RN)及随机电报信号(RTS)噪声是增强互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的下一个目标，因为像素大小减小可能已接近极限。降低RN及RTS噪声性能的一种技术是使源极跟随器晶体管电介质减薄。随着跨导的增加，栅极氧化物越薄，像素读出越快，且帧速率越高。然而，栅极泄漏及可靠性限制最终栅极氧化物厚度：非常薄的电介质可能泄漏并严重击穿。此外，如果阈值电压控制不准确，那么源极跟随器可滑动到线性操作，这导致其它问题，如光响应非均匀性(PRNU)、黑点等。提出一种新颖源极跟随器栅极氧化物方案以解决所有上述问题(例如，最小化RN及RTS噪声，而不牺牲泄漏或可靠性等)。另外，此新方案还可通过采用背面照射的厚薄适度的栅极氧化物用于源极跟随器来降低像素的成本，因此省去了额外栅极氧化物生长步骤。换句话说，本文的装置可利用厚薄适度的现有栅极氧化物，并且可能不需要引入第三较新的栅极氧化物(例如，栅极氧化物的厚部分与厚栅氧化物一起生长，且薄部分与薄栅氧化物一起生长)。
在一些实施例中，减薄的栅极氧化物(例如，到
Figure BDA0002196476930000033
厚度)可实现更好的RN/RTS噪声。仔细观察SF工作条件，在栅极与漏极附近的衬底之间出现最大电场。因此，如本文所揭示，增加接近漏极的栅极氧化物厚度降低泄漏及击穿的风险；允许沟道区中的栅极氧化物进一步减薄；并进一步降低RN及RTS噪声。此外，具有多厚度栅极氧化物确保源极跟随器晶体管将在饱和区中操作。
以下揭示将进一步描述上文论述的实施例，以及与图式有关的其它实施例。
图1A是根据本发明的教示的晶体管131的横截面图示。在所描绘实例中，晶体管131是安置在半导体材料101中的源极跟随器晶体管131，源极跟随器晶体管131经耦合以放大图像传感器像素中的浮动扩散中的图像电荷。然而，在其它实例中，晶体管131可为图像传感器像素中的任何其它晶体管(例如，转移晶体管、复位晶体管、行选择晶体管或类似者)。描绘的是耦合到浮动扩散的栅电极157(参见例如图1B)。还描绘的是源电极153及漏电极155。作用区(包含沟道159)安置在源电极153与漏电极155之间的半导体材料中。电介质材料151安置在栅电极157及作用区之间，且电介质材料151具有第一厚度及第二厚度，其中第二厚度大于第一厚度。第二厚度比第一厚度更靠近漏电极155安置。如上所述，这防止电介质材料151的击穿，因为电场在晶体管131操作时在漏电极155附近最高。换句话说，第二厚度大于或等于防止在源极跟随器晶体管131以饱和状态操作时电介质材料155的击穿所需的厚度。在此实施例中，第一厚度(较薄区)可为
Figure BDA0002196476930000031
或更少，且第二厚度可为第一厚度(例如，
Figure BDA0002196476930000032
)的至少两倍。
如在所描绘实例中所展示，电介质材料151可借助于阶梯函数从第一厚度过渡到第二厚度。或替代地，电介质材料151可从第一厚度逐渐过渡(由虚线表示)到第二厚度。在一些实施例中，电介质材料151可包含多种材料，并且可具有多层。举例来说，第一厚度可具有第一材料成分，且第二厚度可具有安置在第一厚度上的另一种材料成分(例如，在所描绘实例中以穿过第二厚度的水平虚线展示)。在一些实施例中，在存在不同电介质层的情况下，电介质可具有不同的电介质常数。最靠近作用区的电介质层可具有比远离半导体材料101的材料更高的电介质常数。相反，离作用区最远的电介质层可具有比最接近半导体材料101的材料更高的电介质常数。在一个实施例中，第一厚度具有第一材料成分，且第二厚度具有第二材料成分(用分开第一及第二厚度的垂直虚线来展示)。换句话说，电介质材料151的较厚部分可具有与电介质材料151的其余部分不同的成分。
在一些实例中，电介质材料151还可包含氧化物/氮化物，例如氧化硅(SiO2)、氧化铪(HfO2)、氮化硅(Si3N4)、氧氮化硅(SiOxNy)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化镧(La2O3)、氧化镨(Pr2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钷(Pm2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化铕(Eu2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化铽(Tb2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化钬(Ho2O3)、氧化铒(Er2O3)、氧化铥(Tm2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化镥(Lu2O3)、氧化钇(Y2O3)或类似者。另外，相关领域的技术人员将认识到，根据本发明的教示，可使用上文金属/半导体及其氧化物/氮化物/氮氧化物的任何化学计量比。换句话说，“氧化铪”可指HfO2或另一化学计量比(例如，HfOx)。
图1B是根据本发明的教示的包含图1A的晶体管131的像素100的电路图。在所描绘实例中，图像传感器100包含：半导体材料101、多个光电二极管107、一或多个转移晶体管113、浮动扩散121、复位晶体管123、源极跟随器晶体管131及行选择晶体管133。多个光电二极管107安置在半导体材料101中以响应于引导到多个光电二极管107的入射图像光而累积图像电荷。在一个实例中，半导体材料101可包含硅，但是可包含其它合适半导体材料(例如，锗或类似者)及掺杂剂原子。多个转移晶体管113也安置在半导体材料101中，并且多个转移晶体管113中的个别转移晶体管113耦合到多个光电二极管107中的个别光电二极管107。浮动扩散121安置在半导体材料101中，且浮动扩散121耦合到多个转移晶体管113以响应于循序地施加到每一个别转移晶体管113的控制端子的转移信号而从多个光电二极管107接收图像电荷。换句话说，在所描绘实例中，转移信号被施加到顶部转移晶体管113的控制端子，然后转移信号被施加到第二从顶部转移晶体管113的控制端子等。复位晶体管123耦合到浮动扩散121以从浮动扩散121提取图像电荷并响应于被施加到复位晶体管123的栅极端子的重设信号而复位浮动扩散121上的电荷。此外，源极跟随器晶体管131耦合到浮动扩散121以放大浮动扩散上的信号，并且行选择晶体管133耦合在源极跟随器晶体管131的输出与位线输出之间。
在所描绘实例中，多个光电二极管107包含通过转移晶体管113耦合到浮动扩散121的四个光电二极管107。然而，在不同实例中，任何数目个光电二极管107(包含两个、六个及八个光电二极管107)可耦合到浮动扩散121。在一个实例中，四个光电二极管107包含经安置以吸收绿光的一个光电二极管107，经安置以吸收蓝光的一个光电二极管107，经安置以吸收红光的一个光电二极管107，以及经安置以吸收红外线光的一个光电二极管107。可通过将彩色滤光器(例如，“CF”)层放置在半导体材料101附近来实现颜色选择。在一个实例中，彩色滤光器层包含可经布置成拜耳图案、EXR图案、X-trans图案或类似者的红色、红外线、绿色及蓝色彩色滤光器。然而，在不同或同一实例中，彩色滤光器层可包含红外线滤光器、紫外线滤光器或隔离EM光谱的不可见光部分的其它滤光器。在同一或不同实例中，在彩色滤光器层上形成微透镜层(例如，“ML”)。微透镜层可由在彩色滤光器层的表面上图案化的光活性聚合物制成。一旦在彩色滤光器层的表面上图案化矩形聚合物块，就可使块熔化(或回流)以形成微透镜的圆顶状结构特性。
图2是说明根据本发明的教示的包含图1A的图像传感器的成像系统200的一个实例的框图。成像系统200包含像素阵列205、控制电路221、读出电路211及功能逻辑215。在一个实例中，像素阵列205是光电二极管或图像传感器像素(例如，像素P1、P2…、Pn)的二维(2D)阵列。如所说明，光电二极管布置成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获取人、位置、物体等等的图像数据，所述图像数据可随后用于呈现人、位置、物体等等的2D图像。然而，光电二极管不必被布置成行及列，并且可以采取其它配置。
在一个实例中，在像素阵列205中的每一图像传感器光电二极管/像素已获取其图像数据或图像电荷之后，所述图像数据由读出电路211读出且随后被转移到功能逻辑215。在各种实例中，读出电路211可包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它电路。功能逻辑215可仅存储图像数据或甚至通过应用后图像效果(例如，裁剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或以其它方式)操纵图像数据。在一个实例中，读出电路211可沿读出列线一次读出一行图像数据(已说明)或可使用各种其它技术读出图像数据(未说明)，例如，串行读出或同时完全并行读出全部像素。
在一个实例中，控制电路221耦合到像素阵列205以控制像素阵列205中的多个光电二极管的操作。举例来说，控制电路221可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中，所述快门信号是全局快门信号，其用于同时启用像素阵列205内的所有像素以在单个获取窗口期间同时获取其相应图像数据。在另一实例中，所述快门信号是滚动快门信号，使得像素的每一行、每一列或每一群组在连续获取窗口期间被循序地启用。在另一实例中，图像获取与照明效果(例如闪光)同步。
在一个实例中，成像系统200可包含于数码相机、手机、膝上型计算机或类似物中。另外，成像系统200可耦合到其它硬件块，例如处理器(通用或其它)、存储器元件、输出(USB端口、无线发射器、HDMI端口等等)、照明/闪光、电输入(键盘、触摸显示器、跟踪板、鼠标、麦克风等等)及/或显示器。其它硬件块可将指令传送到成像系统200，从成像系统200提取图像数据，操纵由成像系统200供应的图像数据。
图3说明根据本发明的教示用于制造图1A的图像传感器的方法300。一些或所有过程块在方法300中出现的顺序不应被视为限制。而是，受益于本发明的所属领域的一般技术人员将理解，可以未说明的顺序或甚至并行执行方法300中的部分。此外，方法300可省略某些过程框以便避免模糊某些方面。替代地，方法300可包含在本发明的一些实施例/实例中可能不是必需的额外过程块。
框301说明在半导体材料中形成一或多个光电二极管以接收图像光并产生图像电荷。这可包含将一种或多种掺杂剂(例如，P、As、B或类似者)植入(例如，经由离子植入)到半导体材料(例如，硅)中以形成p-n结(例如，钉扎光电二极管)。
框303展示将浮动扩散植入到半导体材料中以从一或多个光电二极管接收图像电荷。在一些实例中，此植入步骤可同时发生，并且使用与植入掺杂剂中的一或多者以形成光电二极管相同的掺杂剂材料。
框305描绘形成一或多个转移晶体管，其经耦合以将一或多个光电二极管中的图像电荷转移到浮动扩散。在一个实例中，这可包含在半导体材料的表面之上形成栅极。转移门可为经由化学气相沉积或类似者(然后是离子植入步骤)沉积的高掺杂多晶硅。转移晶体管还可包含经由离子植入形成到半导体衬底中的源电极、漏电极及作用区。并且栅极可安置在作用区之上。
框307展示形成源极跟随器晶体管，其经耦合以放大浮动扩散中的图像电荷。在所描绘实例中，这包含框309到313中的所有以下步骤。应了解，源极跟随器的部分可与一或多个转移晶体管的部分同时形成。
框309描绘形成耦合到浮动扩散的源极跟随器的栅电极。举例来说，可使用沉积在半导体材料表面上的重掺杂(例如，导电)多晶硅(例如，在形成转移晶体管的栅电极的同时)形成栅电极。
框311说明在半导体材料中形成源电极及漏电极以及作用区。作用区安置在源电极与漏电极之间。形成源电极、漏电极及作用区可包含将掺杂剂植入到半导体材料中。源电极及漏电极可具有比作用区更高的掺杂剂浓度(及相反的多数电荷载流子类型)(如通过每cm3的掺杂剂原子测量)。
框313说明形成(例如，沉积或生长)安置在栅电极与作用区之间的电介质材料，其具有第一厚度及第二厚度。第二厚度大于第一厚度，并且第二厚度比第一厚度更靠近漏电极安置(例如，第二厚度横向延伸到或者甚至超过最靠近栅电极的漏电极的边缘)。这导致源极跟随器晶体管跨越大部分表面(除电场最高之处(接近漏电极)之外)具有非常薄的电介质。因此，第二厚度大于或等于当源极跟随器晶体管以饱和状态操作时防止击穿所需的厚度。在一些实施例中，形成电介质材料包含形成电介质材料的第一厚度，其可为
Figure BDA0002196476930000071
或更少。在一些实例中，第二厚度可为第一厚度的至少两倍。电介质材料可由上文列出的任何材料以及材料及其组成元素的组合形成。此外，电介质材料可包含这些材料中的一种以上。可通过化学气相沉积、原子层沉积、分子束外延或类似者来沉积材料。还可经由氧化物或类似者的热生长来产生电介质材料。
尽管在别处描绘，但是在一些实施例中，可形成复位晶体管。复位晶体管耦合到浮动扩散，以响应于被施加到复位晶体管的栅极端子的复位信号而复位浮动扩散中的电荷。类似地，可形成行选择晶体管，其耦合在源极跟随器晶体管的输出与位线输出之间。复位晶体管及行选择晶体管的部分可与源极跟随器及转移晶体管的部分同时形成。
在一些实施例中，控制电路可形成(例如，部分地在围绕图像传感器的外围的半导体材料中)并且经耦合以控制一或多个光电二极管的操作。类似地，读出电路可形成并且耦合到位线以从一或多个光电二极管读出图像数据。功能逻辑可类似地形成并耦合到读出电路以操纵图像数据。
不希望本发明的所说明的实例的以上描述(包含摘要中所描述的内容)为穷尽性或将本发明限于所揭示的具体形式。尽管本文描述本发明的特定实例是出于说明性目的，但所属领域的技术人员将认识到，在本发明范围内各种修改是可能的。
依据以上详细描述可对本发明做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于本说明书中所揭示的特定实例。而是，本发明的范围全部由所附权利要求书确定，所附权利要求书应根据权利要求解释的既定原则来解释。

Claims (20)

1.一种图像传感器，其包括：
一或多个光电二极管，其安置在半导体材料中以接收图像光并产生图像电荷；
浮动扩散，其用以从所述一或多个光电二极管接收所述图像电荷；
一或多个转移晶体管，其经耦合以将所述一或多个光电二极管中的图像电荷转移到所述浮动扩散；及
源极跟随器晶体管，其经耦合以放大所述浮动扩散中的所述图像电荷，所述源极跟随器晶体管包含：
栅电极，其耦合到所述浮动扩散；
源电极及漏电极；
作用区，其在所述源电极与所述漏电极之间安置在所述半导体材料中；及
介电材料，其安置在所述栅电极与所述作用区之间，所述介电材料具有第一厚度及第二厚度，其中所述第二厚度大于所述第一厚度，且其中所述第二厚度比所述第一厚度更靠近所述漏电极安置。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一厚度为
Figure FDA0002196476920000011
或更少。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第二厚度大于或等于在所述源极跟随器晶体管以饱和状态操作时防止击穿所需的厚度。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述第二厚度是所述第一厚度的至少两倍厚。
5.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述介电材料从所述第一厚度逐渐过渡到所述第二厚度。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括：复位晶体管，其耦合到所述浮动扩散，以响应于重设信号被施加到所述复位晶体管的第二栅极端子而复位所述浮动扩散中的电荷。
7.根据权利要求4所述的图像传感器，其进一步包括：行选择晶体管，其耦合在所述源极跟随器晶体管的输出与位线输出之间。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述介电材料包含氧化铪、氧化硅、氮化硅或氧化铝中的至少一者。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括控制电路，所述控制电路经耦合以控制所述一或多个光电二极管的操作；及
读出电路，其耦合到所述位线以从所述一或多个光电二极管读出图像数据。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其进一步包括功能逻辑，所述功能逻辑耦合到所述读出电路以操纵所述图像数据。
11.一种图像传感器制造方法，其包括：
在半导体材料中形成一或多个光电二极管以接收图像光并产生图像电荷；
在所述半导体材料中植入浮动扩散以从所述一或多个光电二极管接收所述图像电荷；
形成一或多个转移晶体管，所述一或多个转移晶体管经耦合以将所述一或多个光电二极管中的图像电荷转移到所述浮动扩散；以及
形成源极跟随器晶体管，其经耦合以放大所述浮动扩散中的所述图像电荷，其包含：
形成耦合到所述浮动扩散的栅电极；
形成源电极及漏电极；
在所述半导体材料中、所述源电极与所述漏电极之间植入作用区；以及
形成安置在所述栅电极与所述作用区之间的介电材料，所述介电材料具有第一厚度及第二厚度，其中所述第二厚度大于所述第一厚度，且其中所述第二厚度比所述第一厚度更靠近所述漏电极安置。
12.根据权利要求11所述的方法，其中形成所述介电材料包含形成
Figure FDA0002196476920000021
或更少的所述第一厚度的所述介电材料。
13.根据权利要求11所述的方法，其中形成所述电介质包含形成所述第二厚度，所述第二厚度大于或等于在所述源极跟随器晶体管以饱和状态操作时防止击穿所需的厚度。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二厚度是所述第一厚度的至少两倍厚。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述介电材料从所述第一厚度逐渐过渡到所述第二厚度。
16.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括形成复位晶体管，所述复位晶体管耦合到所述浮动扩散，以响应于重设信号被施加到所述复位晶体管的第二栅极端子重设而复位所述浮动扩散中的电荷。
17.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括形成耦合在所述源极跟随器晶体管的输出与位线输出之间的行选择晶体管。
18.根据权利要求11所述的方法，其中形成所述介电材料包含沉积或生长氧化铪、氧化硅、氮化硅或氧化铝中的至少一者。
19.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：
形成控制电路，所述控制电路经耦合以控制所述一或多个光电二极管的操作；以及
形成读出电路，所述读出电路耦合到所述位线以从所述一或多个光电二极管读出图像数据。
20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括形成功能逻辑，所述功能逻辑耦合到所述读出电路以操纵所述图像数据。
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