CN116235280A - 存在低固定模式噪声的固态成像设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种成像设备(201)，其中，传输栅极器件(TX)的侧壁间隔件(74)宽度比其它像素内器件的侧壁间隔件(71、72、73)宽度大。本发明可以减少光电二极管(photodiode，PD)和浮动扩散(floating diffusion，FD)区中的GIDL和GISL，同时缩小像素内器件的接触和栅极间距。
Description
技术领域
本发明涉及一种成像设备及其制造方法。
背景技术
人们已经开发出高分辨率成像设备，例如，移动设备中的相机的图像传感器，而且设置在成像设备中的像素在不断增加。随着像素尺寸缩小，不可避免地要减小半导体衬底上的晶体管等器件的侧壁间隔件宽度。因此，电场变高，以便满足恒定电压缩放。栅极诱导漏极泄漏(gate induced drain leakage，GIDL)和栅极诱导源极泄漏(gate inducedsource leakage，GISL)尤其变得更加严重。
在现有技术中，设置在光电二极管(photodiode，PD)侧的侧壁间隔件比设置在浮动扩散(floating diffusion，FD)侧的侧壁间隔件窄，使得有效光电二极管面积增大，满阱容量提高。但是，这会在电荷累积过程中产生GISL问题，并且产生更高的固定模式噪声和更高的暗信号不均匀性。
发明内容
本发明提供了一种成像设备，以减少光电二极管和浮动扩散区中的GIDL和GISL，同时缩小像素内器件的接触和栅极间距。
根据第一方面，提供了一种成像设备。所述成像设备包括多个像素，每个像素包括传输栅极器件、复位器件、源极跟随器件和行选择器件，所述传输栅极器件的侧壁间隔件宽度比其它像素内器件的侧壁间隔件宽度大。
在所述第一方面的一种可能的实现方式中，所述传输栅极器件的所述侧壁间隔件宽度与所述其它像素内器件的所述侧壁间隔件宽度之差等于或大于3纳米。
根据第二方面，提供了一种成像设备。传输栅极器件的侧壁间隔件宽度和相邻器件的源极侧的侧壁间隔件宽度比所述相邻器件的漏极侧的侧壁间隔件宽度和源极跟随器件、行选择器件和其它像素内器件的侧壁间隔件宽度大，其中，所述相邻器件是除所述传输栅极器件以外的器件且设置为与浮动扩散相邻。
在所述第二方面的一种可能的实现方式中，所述传输栅极器件的所述侧壁间隔件宽度和所述相邻器件的所述源极侧的所述侧壁间隔件宽度比所述相邻器件的所述漏极侧的所述侧壁间隔件宽度和所述源极跟随器件、行选择器件和其它像素内器件的侧壁间隔件宽度大3纳米或以上。
第三方面，提供了一种成像设备。所述成像设备包括多个像素，每个像素包括传输栅极器件、复位器件、源极跟随器件和行选择器件，所述传输栅极器件的栅极偏移间隔件宽度比其它像素内器件的栅极偏移间隔件宽度大。
在所述第三方面的一种可能的实现方式中，所述传输栅极器件的所述栅极偏移间隔件宽度与所述其它像素内器件的所述栅极偏移间隔件宽度之差等于或大于3纳米。
根据第四方面，提供了一种成像设备。传输栅极器件的栅极偏移间隔件宽度和相邻器件的源极侧的栅极偏移间隔件宽度比所述相邻器件的漏极侧的栅极偏移间隔件宽度和源极跟随器件、行选择器件和其它像素内器件的栅极偏移间隔件宽度大，其中，所述相邻器件是除所述传输栅极器件以外的器件且设置为与浮动扩散相邻。
在所述第四方面的一种可能的实现方式中，所述传输栅极器件的所述栅极偏移间隔件宽度和所述相邻器件的所述源极侧的所述栅极偏移间隔件宽度比所述相邻器件的所述漏极侧的所述栅极偏移间隔件宽度和所述源极跟随器件、行选择器件和其它像素内器件的栅极偏移间隔件宽度大3纳米或以上。
第五方面，提供了一种制造成像设备的方法。所述方法包括：在传输栅极器件和其它像素内器件的两侧形成栅极偏移间隔件；在所述传输栅极器件和所述其它像素内器件上形成绝缘膜；通过各向同性蚀刻在所述其它像素内器件上蚀刻所述绝缘膜；通过各向异性蚀刻在所述传输栅极器件和所述其它像素内器件上蚀刻所述绝缘膜。
第六方面，提供了一种制造成像设备的方法。所述方法包括：在传输栅极器件、相邻器件和其它像素内器件的两侧形成栅极偏移间隔件，其中，所述相邻器件是除所述传输栅极器件以外的器件且设置为与浮动扩散相邻；在所述传输栅极器件、所述相邻器件和所述其它像素内器件上形成绝缘膜；通过各向同性蚀刻在所述其它像素内器件上和所述相邻器件的漏极侧蚀刻所述绝缘膜；通过各向异性蚀刻在所述传输栅极器件、所述相邻器件和所述其它像素内器件上蚀刻所述绝缘膜。
第七方面，提供了一种制造成像设备的方法。所述方法包括：在传输栅极器件和其它像素内器件上形成绝缘膜；通过各向同性蚀刻在所述其它像素内器件上蚀刻所述绝缘膜；通过各向异性蚀刻在所述传输栅极器件和所述其它像素内器件上蚀刻所述绝缘膜；在所述传输栅极器件和所述其它像素内器件的两侧形成侧壁间隔件。
第八方面，提供了一种制造成像设备的方法。所述方法包括：在传输栅极器件、相邻器件和其它像素内器件上形成绝缘膜，其中，所述相邻器件是除所述传输栅极器件以外的器件且设置为与浮动扩散相邻；通过各向同性蚀刻在所述其它像素内器件上和所述相邻器件的漏极侧蚀刻所述绝缘膜；通过各向异性蚀刻在所述传输栅极器件、所述相邻器件和所述其它像素内器件上蚀刻所述绝缘膜；在所述传输栅极器件、所述相邻器件和所述其它像素内器件的两侧形成侧壁间隔件。
附图说明
为了更清楚地描述本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。以下描述中的附图仅示出了本发明的一些实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是成像系统201的示例性框图。
图2是成像设备的示例性电路图。
图3是本发明一个实施例提供的在用于图2所示的成像设备的半导体衬底上形成的示例性电路布局的俯视图。
图4是本发明实施例提供的在半导体衬底上形成的一部分成像设备的截面图。
图5是本发明另一个实施例提供的在用于图2所示的成像设备的半导体衬底上形成的示例性电路布局的俯视图。
图6是本发明实施例提供的在半导体衬底上形成的一部分成像设备的截面图。
图7是成像设备的示例性电路图。
图8是本发明一个实施例提供的在用于图7所示的成像设备的半导体衬底上形成的示例性电路布局的俯视图。
图9是成像设备的示例性电路图，其中，两组PD和TX共用像素内器件。
图10是成像设备的示例性电路图，其中，四组PD和TX共用像素内器件。
图11是本发明另一个实施例提供的在用于图10所示的成像设备的半导体衬底上形成的示例性电路布局的俯视图。
图12是一部分成像设备的截面图，其中，TX的侧壁间隔件宽度与其它像素内器件的侧壁间隔件宽度之差由源极/漏极(source/drain，S/D)侧壁间隔件造成。
图13是一部分成像设备的截面图，其中，TX的侧壁间隔件宽度与其它像素内器件的侧壁间隔件宽度之差由栅极偏移间隔件造成。
图14至图21示出了用于根据制造工艺的一个示例制造成像设备的衬底的第一至第八截面图的示例。
图22至图25示出了用于根据另一制造工艺的一个示例制造成像设备的衬底的第一至第四截面图的示例。
图26是成像系统201的另一示例性框图。
图27示出了相机系统的各种应用。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
图1是成像系统201的示例性框图。成像系统201包括控制电路205、像素阵列209、读出电路210、信号处理电路206。像素阵列205是像素的二维阵列。每个像素可以是图2所示的成像设备。像素按行(R1至Ry)和列(C1至Cx)排列，以获取被摄体的图像数据。控制电路205控制像素阵列209，例如，生成快门信号。图像数据由读出电路210通过位线读出并发送到信号处理电路206。
图2是成像设备的示例性电路图，该成像设备可以是图1中的像素。光电二极管(photodiode，PD)将光转换为电荷。电荷通过传输栅极器件(TX)选择性地传输到浮动扩散(floating diffusion，FD)。FD连接到源极跟随器件(SF)的栅极，输出信号(Vout)通过行选择器件(SEL)传输到信号线。电流源(Icolumn)连接在SEL和接地之间。因此，如果TX和SEL的栅极导通，则在信号线上获取与来自PD的电信号对应的输出信号。复位器件(RST)选择性地使FD中累积的电荷复位。双转换增益器件(DCG)(未在图2中示出，但在图7中示出)可以连接在RST和FD之间，以便通过组合两种类型的增益来实现高动态范围。
图3是本发明一个实施例提供的在用于图2所示的成像设备的半导体衬底上形成的示例性电路布局的俯视图。需要说明的是，侧壁间隔件74的宽度比侧壁间隔件71、72和73的宽度大。图4是本发明实施例提供的在半导体衬底上形成的一部分成像设备的截面图。FD侧的侧壁间隔件宽度对GIDL敏感。因此，TX的侧壁间隔件宽度(Wt)比包括RST、SF、SEL和DCG在内的其它像素内器件的侧壁间隔件宽度(Wd)大。Wt与Wd之差等于或大于3纳米(nanometer，nm)。传输栅极器件(TX)可以是平面或垂直面的。
图5是本发明另一个实施例提供的在用于图2所示的成像设备的半导体衬底上形成的示例性电路布局的俯视图。需要说明的是，侧壁间隔件74的宽度和侧壁间隔件73的右侧(FD和RST之间设置有粗线所示的布线的那一侧)的宽度比侧壁间隔件73的左侧、上侧、下侧(FD和RST之间未设置有布线的各侧)的宽度和侧壁间隔件71和72的宽度大。图6是本发明实施例提供的在半导体衬底上形成的一部分成像设备的截面图。TX的侧壁间隔件宽度和RST的源极侧(S)的侧壁间隔件宽度比RST的漏极侧(D)的宽度和SF、SEL、其它像素内器件的源极和漏极(S/D)侧的宽度大。
如上所述，DCG器件可以如图7所示连接在RST器件和FD之间。图8是本发明另一个实施例提供的在用于图7所示的成像设备的半导体衬底上形成的示例性电路布局的俯视图。需要说明的是，侧壁间隔件74的宽度和侧壁间隔件75的右侧(FD和DCG之间设置有粗线所示的布线的那一侧)的宽度比侧壁间隔件75的左侧、上侧、下侧(FD和DCG之间未设置有布线的各侧)的宽度和侧壁间隔件71、72和73的宽度大。在图5中，RST是除TX以外的器件且设置为与FD相邻。在图8中，RST是除TX以外的器件且设置为与FD相邻。
图2和图7中的成像设备包括一个PD。但是，像素内器件可以由多个PD共用。图9中的成像设备包括共用其它像素内器件的两组PD和TX。图10中的成像设备包括共用其它像素内器件的四组PD和TX。图11是本发明另一个实施例提供的在用于图10所示的成像设备的半导体衬底上形成的示例性电路布局的俯视图。需要说明的是，侧壁间隔件74的宽度和侧壁间隔件75的下侧(FD和DCG之间设置有粗线所示的布线的那一侧)的宽度比侧壁间隔件75的左侧、右侧和上侧(FD和DCG之间未设置有布线的各侧)的宽度和侧壁间隔件71、72和73的宽度大。本发明实施例也可以应用于共用像素内器件的4组以上PD和TX。
在图4中，TX的侧壁间隔件宽度与其它像素内器件的侧壁间隔件宽度之差由图12所示的源极/漏极(source/drain，S/D)侧壁间隔件造成。S/D侧壁间隔件的材料可以是氧化物(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)或其它绝缘材料。S/D侧壁间隔件可以是单层或多层。上述差可以由图13所示的栅极偏移间隔件造成。栅极偏移间隔件的材料可以是氧化物(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)或其它绝缘材料。下面参考图14至图21描述第二种情况使用的制造工艺，而参考图22至图25描述第一种情况使用的制造工艺。
参考图14至图21，下面描述本发明一个实施例提供的成像设备的制造工艺的一个示例。图14至图21示出了用于制造成像设备的衬底的第一至第八截面图的示例。
参考图14，提供了原材料，例如，半导体衬底10。为了避免干扰相邻成像设备，执行浅沟槽隔离(shallow trench isolation，STI)工艺以在衬底10中形成场氧化膜21和22。在另一实施例中，在没有STI的情况下，每个器件只能通过杂质分离。形成掩模以使用于形成PD的区域暴露，并将离子杂质注入衬底10以形成延伸到预定深度的PD。在n型光电二极管的情况下，注入磷或砷或其组合，使用硼或BF2进行隔离。在p型光电二极管的情况下，注入硼或BF2，使用磷或砷或其组合进行隔离。
接下来，参考图15，在衬底10上形成栅极绝缘膜，在衬底10上形成导电膜，执行图案化工艺以形成栅极图案41至44(栅极绝缘膜分成31至34)，并且去除抗蚀剂图案。
接下来，如图16所示，在衬底10上形成绝缘膜，以用于栅极偏移间隔件沉积。该绝缘膜的材料可以是氧化物(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)或其它绝缘材料。如图17所示，形成掩模以覆盖PD和TX。除了PD和TX之外，形成的掩模还可以覆盖RST的右半部分。如图18所示，通过各向同性蚀刻在一定程度上蚀刻未形成掩模的区域中的绝缘膜，留下一层薄膜。
接下来，参考图19，去除掩模，通过各向异性蚀刻来蚀刻覆盖PD和TX的厚膜的上侧。薄膜的上侧被过度蚀刻。形成第一离子注入掩模以覆盖PD和TX，通过注入离子杂质在SEL、SF和RST的两侧形成轻掺杂区51至54，去除第一离子注入掩模。
接下来，参考图20，在衬底10上形成绝缘膜，然后蚀刻绝缘膜以在SEL、SF、RST和TX的两侧形成间隔件71a至74b。该绝缘膜的材料可以是氧化物(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)或其它绝缘材料。形成第二离子注入掩模以覆盖PD和TX。将离子杂质注入到衬底10中，以形成重掺杂区61至64以及FD。在n型光电二极管的情况下，制作n型导电层，在p型光电二极管的情况下，制作p型导电层。重掺杂区61至64自对准它们对应的间隔件，SEL和SF之间的轻掺杂区52分成两部分，SF和RST之间的轻掺杂区53分成两部分。移除第二离子注入掩模。
接下来，参考图21，执行后道(back end of line，BEOL)工艺，形成金属互连81至88。也就是说，形成厚绝缘膜，形成接触孔，对金属膜进行沉积和图案化。然后，放置在衬底10上的成像设备通过铜铜键合等键合或其它硅片间连接，连接到放置在另一衬底11上的逻辑电路。
然后，形成深沟槽隔离(deep trench isolation，DTI)91和92，以减少PD之间的串扰。金属网格101和102放置像素边界处衬底10背面的绝缘膜上，以抑制光斑和重影。彩色滤光片设置在层110内对应于PD的位置上。微透镜121和122设置在对应于PD的位置上。例如，PD的大小可以不同，PD可以在图21的水平方向上交错设置。
参考图22至图25，下面描述本发明一个实施例提供的成像设备的另一制造工艺的一个示例。图22至图25示出了用于制造成像设备的衬底的第一至第四截面图的示例。
参见图22，在执行结合图14至图16所述的相同工艺之后，通过各向异性蚀刻来蚀刻绝缘膜的上侧，形成第一离子注入掩模以覆盖PD和TX，通过注入离子杂质在SEL、SF和RST的两侧形成轻掺杂区，去除第一离子注入掩模。绝缘膜在衬底10上形成。该绝缘膜的材料可以是氧化物(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)或其它绝缘材料。
接下来，参考图23，形成掩模以覆盖PD和TX。除了PD和TX之外，形成的掩模还可以覆盖RST的右半部分。通过各向同性蚀刻在一定程度上蚀刻未形成掩模的区域中的膜，留下一层薄膜。
接下来，参考图24，去除掩模，通过各向异性蚀刻来蚀刻绝缘膜的上侧，薄膜的上侧被过度蚀刻。
接下来，参考图25，形成第二离子注入掩模以覆盖PD和TX，将离子杂质注入衬底以形成N型导电层的重掺杂区61至64以及FD。重掺杂区61至64自对准它们对应的间隔件，SEL和SF之间的轻掺杂区52分成两部分，SF和RST之间的轻掺杂区53分成两部分。移除第二离子注入掩模。之后，执行结合图21描述的相同工艺。
本申请实施例提供的成像设备可以应用于成像系统201，例如，相机系统。图26是成像系统201的另一示例性框图。成像系统201包括光学系统202(例如，一个或多个透镜)、快门器件203、固态图像传感器204、控制电路205、信号处理电路206、显示器207和存储器208。固态图像传感器204包括，例如，图1中的像素阵列209和读出电路210，在控制电路205的控制下，通过透镜202和快门器件203获取被摄体的图像数据。信号处理电路206将获取到的图像数据输出到显示器207或将图像数据存储在存储器208中。
图27示出了相机系统的各种应用。本发明实施例提供的成像设备可以应用于，例如，手机摄像头、数码相机、网络摄像头、安全监控摄像头、视频摄像机、汽车和交通摄像头、医疗摄像头和机器视觉。
本发明实施例可以应用于阵列器件和不同的衬底，例如，体硅衬底、绝缘体上硅衬底、硅-锗衬底和其它光敏衬底。
本发明实施例可以减少浮动扩散节点中的GIDL，从而产生更好的固定模式噪声。这可以收紧像素内器件相关的设计规则，并且通过增大器件尺寸来改善源极跟随器件的随机噪声和RTS噪声。TX的侧壁间隔件较宽，可以提高转换增益，这是因为寄生电容较低，产生较低的像素和电路噪声。
上文公开的仅仅是本发明的示例性实施例，当然并不旨在限制本发明的保护范围。本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或部分过程以及根据本发明的权利要求所做的等效修改都应属于本发明的范围。
Claims (12)
1.一种成像设备，其特征在于，所述成像设备包括多个像素，每个像素包括传输栅极器件、复位器件、源极跟随器件和行选择器件，
所述传输栅极器件的侧壁间隔件宽度比其它像素内器件的侧壁间隔件宽度大。
2.根据权利要求1所述的成像设备，其特征在于，所述传输栅极器件的所述侧壁间隔件宽度与所述其它像素内器件的所述侧壁间隔件宽度之差等于或大于3纳米。
3.一种成像设备，其特征在于，
传输栅极器件的侧壁间隔件宽度和相邻器件的源极侧的侧壁间隔件宽度比所述相邻器件的漏极侧的侧壁间隔件宽度和源极跟随器件、行选择器件和其它像素内器件的侧壁间隔件宽度大，其中，所述相邻器件是除所述传输栅极器件以外的器件，且设置为与浮动扩散相邻。
4.根据权利要求3所述的成像设备，其特征在于，所述传输栅极器件的所述侧壁间隔件宽度和所述相邻器件的所述源极侧的所述侧壁间隔件宽度比所述相邻器件的所述漏极侧的所述侧壁间隔件宽度和所述源极跟随器件、行选择器件和其它像素内器件的侧壁间隔件宽度大3纳米或以上。
5.一种成像设备，其特征在于，所述成像设备包括多个像素，每个像素包括传输栅极器件、复位器件、源极跟随器件和行选择器件，
所述传输栅极器件的栅极偏移间隔件宽度比其它像素内器件的栅极偏移间隔件宽度大。
6.根据权利要求5所述的成像设备，其特征在于，所述传输栅极器件的所述栅极偏移间隔件宽度与所述其它像素内器件的所述栅极偏移间隔件宽度之差等于或大于3纳米。
7.一种成像设备，其特征在于，
传输栅极器件的栅极偏移间隔件宽度和相邻器件的源极侧的栅极偏移间隔件宽度比所述相邻器件的漏极侧的栅极偏移间隔件宽度和源极跟随器件、行选择器件和其它像素内器件的栅极偏移间隔件宽度大，其中，所述相邻器件是除所述传输栅极器件以外的器件，且设置为与所述传输栅极器件相邻。
8.根据权利要求7所述的成像设备，其特征在于，所述传输栅极器件的所述栅极偏移间隔件宽度和所述相邻器件的所述源极侧的所述栅极偏移间隔件宽度比所述相邻器件的所述漏极侧的所述栅极偏移间隔件宽度和所述源极跟随器件、行选择器件和其它像素内器件的栅极偏移间隔件宽度大3纳米或以上。
9.一种制造成像设备的方法，其特征在于，所述方法包括：
在传输栅极器件和其它像素内器件的两侧形成栅极偏移间隔件；
在所述传输栅极器件和所述其它像素内器件上形成绝缘膜；
通过各向同性蚀刻在所述其它像素内器件上蚀刻所述绝缘膜；
通过各向异性蚀刻在所述传输栅极器件和所述其它像素内器件上蚀刻所述绝缘膜。
10.一种制造成像设备的方法，其特征在于，所述方法包括：
在传输栅极器件、相邻器件和其它像素内器件的两侧形成栅极偏移间隔件，其中，所述相邻器件是除所述传输栅极器件以外的器件，且设置为与浮动扩散相邻；
在所述传输栅极器件、所述相邻器件和所述其它像素内器件上形成绝缘膜；
通过各向同性蚀刻在所述其它像素内器件和所述相邻器件的漏极侧上蚀刻所述绝缘膜；
通过各向异性蚀刻在所述传输栅极器件、所述相邻器件和所述其它像素内器件上蚀刻所述绝缘膜。
11.一种制造成像设备的方法，其特征在于，所述方法包括：
在传输栅极器件和其它像素内器件上形成绝缘膜；
通过各向同性蚀刻在所述其它像素内器件上蚀刻所述绝缘膜；
通过各向异性蚀刻在所述传输栅极器件和所述其它像素内器件上蚀刻所述绝缘膜；
在所述传输栅极器件和所述其它像素内器件的两侧形成侧壁间隔件。
12.一种制造成像设备的方法，其特征在于，所述方法包括：
在传输栅极器件、相邻器件和其它像素内器件上形成绝缘膜，其中，所述相邻器件是除所述传输栅极器件以外的器件，且设置为与浮动扩散相邻；
通过各向同性蚀刻在所述其它像素内器件和所述相邻器件的漏极侧上蚀刻所述绝缘膜；
通过各向异性蚀刻在所述传输栅极器件、所述相邻器件和所述其它像素内器件上蚀刻所述绝缘膜；
在所述传输栅极器件、所述相邻器件和所述其它像素内器件的两侧形成侧壁间隔件。
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