CN1812111A - 影像感测像素单元、影像感测装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种影像感测像素单元、影像感测装置及其制造方法，该影像感测装置包括：一光学感测元件；一晶体管，电性耦接于该光学感测元件，该晶体管具有位于一栅介电层上的一栅电极以及位于该栅电极两侧的多个间隔物，该些间隔物包括位于一缓冲氧化物上的一氮化物；以及一电容，电性耦接于该晶体管与该光学感测元件。本发明所述影像感测像素单元、影像感测装置及其制造方法可有效较低噪声比与较少不明信号。
Description
技术领域
本发明是有关于半导体装置，且特别是有关于一种互补型金属氧化物半导体影像感测装置(CMOS image sensor)。
背景技术
互补型金属氧化物半导体(complementary metal-oxidesemiconductor，CMOS)影像感测装置具有较低操作电压、较少能源消耗、可允许随机影像数据存取，以及可经由适当的CMOS制程同时形成，因而适用于单晶片相机的使用。基于上述特点，CMOS影像感测装置已逐渐取代传统的电荷耦合装置(charged-coupled devices，CCDs)。
一般而言，CMOS影像感测装置利用感光CMOS电路将能转换成电能。感光CMOS电路通常包括形成于一硅基底内的感光二极管(photo-diode)。当感光二极管接触光线时，感光二极管将感应并产生电荷。感光二极管通常耦合于如金属氧化物半导体晶体管的开关元件，其是应用于感测该感光二极管上的电荷。而其颜色则可通过位于感光CMOS电路上的滤光片而决定。
通常，CMOS影像感测装置是利用感光二极管内的电容量(capacitance)以及其连结晶体管间的一浮置电容量(floatingcapacitance)所制备而成。然而上述电容量极小，易受到噪声(noise)的影响且其最大输出信号值因而降低。目前已见有增加感光二极管所产生的信号强度的方法，但是其通常仅增加了感光二极管所产生的电荷值，而非增强其输出信号的强度。
再者，CMOS影像感测装置通常应用具有多晶硅栅极与氮化硅间隔物的金属氧化物半导体晶体管。然而上述类型的晶体管具有一硅表面陷阱(silicon surface trap)与漏电流(leakage)，因而造成输出信号中的噪声增加且更造成了不明信号(dark signal)的增加。
因此，便需要一种较佳的影像感测装置，借以降低噪声与其内的不明信号，并增加该影像感测器的电容量。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的就是一种影像感测装置及其制造方法，该影像感测装置中具有较高的电容量，其内的感光二极管可产生较高的电流量，因而具有较低的噪声比与较少的不明信号。本发明的影像感测装置可包括一四晶体管或三晶体管的像素。
发明提供了一种影像感测装置，包括：一光学感测元件；一晶体管，电性耦接于该光学感测元件，该晶体管具有位于一栅介电层上的一栅电极以及位于该栅电极两侧的多个间隔物，该些间隔物包括位于一缓冲氧化物上的一氮化物；以及一电容，电性耦接于该晶体管与该光学感测元件。
本发明所述的影像感测装置，该电容为一平面电容、一堆叠电容、一金属-绝缘-金属电容或一多晶硅-绝缘物-多晶硅电容。
本发明所述的影像感测装置，该电容为形成于一基底的一平坦表面上的一金属氧化物半导体晶体管(MOS)，或为沿着一浅沟槽隔离物的一侧壁所形成的一金属氧化物半导体晶体管。
本发明所述的影像感测装置，该缓冲氧化物较该栅介电层为厚。
本发明所述的影像感测装置，该影像感测装置包括一三晶体管的像素或一四晶体管的像素。
本发明还提供了一种影像感测像素单元，包括：一光学感测元件；一第一晶体管，电性耦接于该光学感测元件，该第一晶体管具有位于一栅介电层上的一栅电极以及位于该栅电极两侧的多个间隔物，该些间隔物包括位于一缓冲氧化物上的一氮化物；一第一电容，电性耦接于该第一晶体管的一源极以及该光学感测元件；以及一第二电容，电性耦接于该第一晶体管的一漏极。
本发明所述的影像感测像素单元，至少该第一电容与该第二电容之一为一平面电容、一堆叠电容、一金属-绝缘-金属电容或为一多晶硅-绝缘物-多晶硅电容。
本发明所述的影像感测像素单元，至少该第一电容与该第二电容之一为形成于一基底的一平面上的一金属氧化物半导体晶体管或为沿着一浅沟槽隔离物的一侧壁所形成的一金属氧化物半导体晶体管。
本发明所述的影像感测像素单元，该缓冲氧化物较该栅介电层为厚。
本发明又提供了一种影像感测装置的制造方法，包括下列步骤：形成一光学感测元件；形成一晶体管，电性耦接于该光学感测元件，该第一晶体管具有位于一栅介电层上的一栅电极以及位于该栅电极两侧的多个间隔物，该些间隔物包括位于一缓冲氧化物上的一氮化物；以及形成一第一电容，电性耦接于该第一晶体管的一源极以及该光学感测元件。
本发明所述的影像感测装置的制造方法，更包括形成电性耦接于该第一晶体管的一漏极的一第二电容的步骤。
本发明所述影像感测像素单元、影像感测装置及其制造方法可有效较低噪声比与较少不明信号。
附图说明
图1为一示意图，用以说明依据本发明一实施例的包括有四晶体管的一影像感测装置；
图2为一示意图，用以说明依据本发明一实施例的包括有三晶体管的一影像感测装置；
图3为一剖面图，用以说明依据本发明一实施例的应用堆叠电容的影像感测像素单元；
图4为一剖面图，用以说明依据本发明一实施例的应用平面电容的影像感测像素单元；
图5为一剖面图，用以说明依据本发明一实施例的应用平面型金属氧化物半导体晶体管的影像感测像素单元；
图6为一剖面图，用以说明依据本发明一实施例的应用垂直型金属氧化物半导体晶体管的影像感测像素单元；
图7为一剖面图，用以说明依据本发明一实施例的应用沟槽型电容的影像感测像素单元；
图8为一剖面图，用以说明依据本发明一实施例的应用金属-绝缘-金属(MIM)电容的影像感测像素单元。
具体实施方式
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图示，作详细说明如下：
本发明的实施例将配合图1至图8作一详细叙述如下。请参照图1，显示了具有较高电容量的一四晶体管(4T)的影像像素(4Timage pixel)100。此4T影像像素100包括一感光二极管PD，其阳极接地而其阴极则耦接于一第一电容C1的第一电极板与第一晶体管M1的源极。第一电容C1的第二电极板则耦接于一偏压VB，例如为接地(ground)、VDD、0.5VDD或相似电压。第一晶体管M1为一转移晶体管(transfer transistor)并具有耦接于一转移线路VT的一栅电极。
第一晶体管M1的漏极则耦接于第二电容C2的第一电极板、第二晶体管M 2的一漏极以及第三晶体管M3的一栅极。第二电容C2的第二电极板则耦接于如接地、VDD、0.5VDD或相似电压的一偏压VB。
第二晶体管M2是作为一重设晶体管(reset transistor)之用，其栅电极是耦接于一重设线路VR。第二晶体管M2的源极则耦接于一源极电压VDD。第三晶体管M3的源极则耦接于VDD而第三晶体管M3的漏极则耦接于一第四晶体管M4，第四晶体管M4是作为选择晶体管(select transistor)之用。第四晶体管M4的一栅极耦接于一选择线路VS，而第四晶体管M4的漏极则耦接于一输出线路Vout。
值得注意的，依据本发明的实施例，第一电容C1与第二电容C2是作为提供感光二极管PD额外电容量的电容结构之用。第一电容C1与第二电容C2可为一堆叠电容(stacked capacitor)、一平面电容(planar capacitor)、一金属氧化物半导体电容(MOScapacitor)、一沟槽电容(trench capacitor)、一金属-绝缘-金属(MIM)/多晶硅-绝缘物-多晶硅(PIP)电容或其他型态的电容。
值得注意的，图1是绘示了于一CMOS内的单一像素的示意图。如图1所示的像素可更为一多重像素结构，借形成具有多重像素结构的一影像感测装置。
于操作时，于感光二极管PD内因光线而生成电荷。由于第一电容C1所新增的电容量，感光二极管PD便可产生并储存等同于第一电容C1电容量的一电荷。于当电荷转移至第二电容C2时，电荷经由第一晶体管M1开启而转移。因此，电荷转移量可等同于第二电容的最大电容量。
经由第一晶体管M1转移自感光二极管PD的电荷开启了第三晶体管，因而使得正比于为感光二极管PD所产生电荷的电荷自源极电压VDD通过第三晶体管M3而抵达第四晶体管M4。当欲感测信号时，将开启选择线路以允许电荷通过第四晶体管M4而抵达输出电路Vout。
于下文中将进一步解说上述影像像素所使用的晶体管，特别是第一晶体管M1与第二晶体管M2，其较佳地利用了位于一氮化硅间隔物下方的一缓冲氧化物。经发明人观察，具有如此结构的晶体管捕捉较少电荷，因而减少影像像素100中的噪声与不明信号。
图2则绘示了依据本发明的一实施例之一三晶体管(3T)的影像像素200。此3T影像像素200包括一感光二极管PD，其阳极接地而其阴极则耦接于一第一电容C1的第一电极板与第一晶体管M1的漏极以及一第二晶体管M2的栅极。第一电容C1的第二电极板则耦接于一偏压，例如为接地、VDD、0.5VDD或相似电压。第一晶体管M1的栅极则耦接于一重设线路VT。
第一晶体管M1的源极与第二电容C2的源极耦接于源极电压VDD。第二晶体管M2的漏极则耦接于一第三晶体管M3的源极，第三晶体管M3是作为选择晶体管之用。第三晶体管M3的栅极则耦接于一选择线路VS，而第三晶体管M3的漏极则耦接于一输出线路Vout。
依据本发明的一实施例，第一电容C1具有较现有由感光二极管PD的扩散区所形成的电容为大的电容量。较佳地，第一电容C1可为一堆叠电容、一平面电容、一金属氧化物半导体电容、一沟槽电容、一MIM/PIP电容或其他型态的电容。
于操作时，光线于感光二极管PD内产生电荷。由于第一电容C1的存在，感光二极管PD便可产生并储存等同于第一电容C1电容量的一电荷。当由感光二极管所产生的电荷转移至第三晶体管M3时，电荷开启了第二晶体管M2。当欲感测信号时，将开启选择线路以允许电荷通过第三晶体管M3而抵达输出电路Vout。
于较佳实施例中，上述晶体管，特别是第一晶体管M1，较佳地设置有位于一氮化硅间隔物下方的一缓冲氧化物。经发明人观察，具有如此结构的晶体管捕捉较少电荷，因而减少影像像素200中的噪声与不明信号。
图3至图8则分别绘示了本发明的多个实施例，其中通过图1所示的第一电容与第二电容而增加了整体电容量。值得注意的，图3至图8仅作为说明之用而无完整绘示其结构。在此仅绘示出感光二极管、电容、以及具有缓冲氧化物的晶体管。其结构亦可采用如其他电容、元件布局情形的其他构件。值得注意的，如图3至图8是绘示了如图1所示的4T影像像素。类似结构亦可应用于如图2所示的3T影像像素，差异处在于3T影像像素中的晶体管的源极/漏极通常电性耦接于一晶体管与VDD而非耦接于两电容。
请参照图3，部分显示了依据本发明的一实施例的应用一对堆叠电容的像素300。像素300包括一晶体管310、一第一堆叠电容320、一第二堆叠电容330以及一感光二极管340。晶体管310，是对应于图1中的晶体管M1，其包括形成于位于一基底302上的一栅氧化物314上的一栅电极312。较佳地，于基底302的表面上与沿着栅电极312的侧壁上形成有一缓冲氧化层316。间隔物318则形成于缓冲氧化物层316上。于较佳实施例中，间隔物318的材质为氮化硅而缓冲氧化层316的材质为二氧化硅。栅氧化层314的材质例如为氧化硅，而栅电极312的材质则例如为经掺杂的多晶硅。然而，上述元件亦可采用其他材料。于较佳实施例中，缓冲氧化层316具有较栅氧化层314为厚的一厚度。较佳地，缓冲氧化层316具有大于20埃的厚度，而栅氧化层314则具有大于10埃的厚度。
晶体管310的源极是耦接于感光二极管340。感光二极管340例如通过一离子布植程序于基底302内布植杂质所形成，举例来说，其可为一PN结的感光二极管、一PNP感光二极管、一NPN感光二极管或其他型态的感光二极管。
晶体管310的源极经由通过一第一绝缘层324的一第一底电极板322而耦接于第一堆叠电容320。第一绝缘层324是位置于第一底电极板322与基底302间以绝缘第一底电极板322，使之免于连结感光二极管340与晶体管310的源极。第一电容介电层326则设置于第一底电极板322与一第一顶电极板328间，其是耦接于如接地、VDD、0.5VDD或类似电压的一偏压。第一底电极板322以及第一顶电极板328的材质例如经掺杂的多晶硅。第一电容介电层326的是由介电材料所组成，例如氧化硅、氧化物/氮化物/氧化物绝缘层或其他相似材料。
晶体管310的漏极经由第二底电极板332而电性耦接于第二堆叠电容330，其亦可电性耦接于一重设晶体管的一漏极以及一驱动晶体管的一栅极(未图式，请参照图1)。第二绝缘层334则设置于第二底电极板332与漏极之间，且具有形成通过以电性连结于第二底电极板332与晶体管310的源极的连结。第二绝缘层334的材质可为于形成第一绝缘层324的同一步骤中同时形成的氧化硅。
第二电容介电层338则形成于第二底电极板332上，而第二顶电极板336则形成于第二电容介电层338上。第二顶电极板336可耦接如接地、VDD、0.5VDD或类似电压的一偏压。第二底电极板332与第二顶电极板336的材质例如为经掺杂的多晶硅。
图4部分显示了依据本发明的实施例的应用一对平面电容一像素400的剖面情形。图4的像素400类似于图3的像素300，除了于图3内第一堆叠电容320以及第二堆叠电容330在此置换为一第一平面电容420以及一第二平面电容430。如晶体管310与感光二极管340的其他构件则相同于图3的相关描述，相同标号是表示相同的构件。
于本实施例中，第一平面电容420与第二平面电容430具有一介电层422形成于基底302的一掺杂区之上，而一顶电极板424则形成于介电层422上。介电层422的材质可为介电材料，例如氧化硅、氧化物/氮化物/氧化物的绝缘层或其他类似材料。
图5部分显示了依据本发明的实施例的应用一对MOS电容的像素500的剖面情形。图5的像素500相似于图3的像素300，除了于图3内第一堆叠电容320以及第二堆叠电容330在此置换为一第一MOS电容520以及一第二MOS电容530。其他构件，如晶体管310与感光二极管340则较佳地如图3的所描述，相似的标号是表示相同的构件。
于本实施例中，第一MOS电容520与第二MOS电容530是形成于基底302的平面表面之上，其栅电极是耦接于如接地、VDD、0.5VDD或相似电压的一偏压。如此，其电容量通过MOS晶体管的源极/漏极-栅极介电层-栅电极的导体-介电层-导体层所形成。第一MOS电容520以及第二MOS电容530可与晶体管310同时形成，其制程则请参照图3的内容。
图6部分显示了依据本发明的实施例的应用一对MOS电容的一像素600的剖面情形。图6的像素600相似于图3的像素300，除了于图3内第一堆叠电容320以及第二堆叠电容330在此置换为一第一MOS电容620以及一第二MOS电容630。其他构件，如晶体管310与感光二极管340较佳地如图3的描述，相似的标号是表示相同的构件。
于本实施例中，第一MOS电容620与第二MOS电容630是沿着浅沟槽隔离物STI的边缘而形成。第一MOS电容620以及第二MOS电容630可与晶体管310同时形成，请参照图3的描述内容，其栅电极是耦接于如接地、VDD、0.5VDD或相似电压的一偏压。
图7部分显示了依据本发明的实施例的应用一对沟槽电容的像素700的剖面情形。图7的像素700相似于图3的像素300，除了于图3内第一堆叠电容320以及第二堆叠电容330在此置换为一第一沟槽电容720以及一第二沟槽电容730。如晶体管310与感光二极管340的其他构件较佳地如同图3所描述，相似的标号是表示相同的构件。
于本实施例中，第一沟槽电容720与第二沟槽电容730是形成于基底302内的一沟槽中。顶电极板724形成于介电层722之上并通过一导电材料填满该沟槽所形成。底电极板则为形成于基底302内的一掺杂区。介电层722可为如氧化硅的一介电材料、如氧化物/氮化物/氧化物绝缘层或其他相似相似。
图8部分显示了依据本发明的实施例的应用一对MIM(或PIP)电容的像素800的剖面情形。图8的像素800相似于图3的像素300，除了第一堆叠电容320以及第二堆叠电容330于图3内置换为一第一MIM电容820以及一第二MIM电容830。其他构件，如晶体管310与感光二极管340较佳地如图3的相关描述，相似的标号是表示相同的构件。值得注意的，于图8所示的MIM电容是以一堆叠电容形式表示，其亦可为沟槽电容、其他垂直型态的电容或相似物。
于本实施例中，第一沟槽电容820与第二沟槽电容830分别形成于第一层间介电层810上。第一层间介电层较佳地包括氧化物可通过化学气相沉积法采用四乙基原硅酸盐(TEOS)与氧作为前驱物。第一层间介电层810的表面可通过如化学机械研磨(CMP)的制程所平坦化。介层物828可形成穿过第一层间介电层以电性连结于下方的电路。
第一MIM电容820以及第二MIM电容830较佳地包括一底电极板822、一介电层824形成于底电极板822之上，以及一顶电极板826形成于介电层824之上。顶电极板与底电极板可由如氮化钛、氮化钽、钌、铝、钨、铜或相似物质的导电材料构成，其并可通过如化学气相沉积法的方法所形成。介电层824较佳地为一高介电常数膜层，例如为氧化钽、氧化铝、氧化铪、BST、PZT、氧化物或多重膜层的高介电常数介电材料或相似物，其可通过化学气相沉积的方式形成。
第二层间介电层812则形成于第一MIM电容820与第二MIM电容830上。第二层间介电层812可相似于第一层间介电层810。本领域技术人员当能理解，本实施例的结构可更包括其他膜层。举例来说，于层间介电层间以及基底302的表面可形成有蚀刻停止层，阻障层则可形成于沿着介层物828的侧壁，掺杂区则可经金属硅化或其他处理。
虽然本发明已通过较佳实施例说明如上，但该较佳实施例并非用以限定本发明。本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应有能力对该较佳实施例做出各种更改和补充，因此本发明的保护范围以权利要求书的范围为准。
附图中符号的简单说明如下：
100：4T影像像素
PD：感光二极管
M1、M2、M3、M4：晶体管
C1、C2：电容
200：3T影像像素
300、400、500、600、700、800：像素
302：基底
310：晶体管
312：栅电极
314：栅氧化物
316：缓冲氧化层
318：间隔物
320：第一堆叠电容
322：第一底电极板
324：第一绝缘层
326：第一电容介电层
328：第一顶电极板
330：第二堆叠电容
332：第二底电极板
334：第二绝缘层
336：第二顶电极板
340：感光二极管
420：第一平面电容
422：介电层
424：顶电极板
430：第二平面电容
520、620：第一MOS电容
530、630：第二MOS电容
720：第一沟槽电容
722：介电层
724：顶电极板
730：第二沟槽电容
810：第一层间介电层
812：第二层间介电层
820：第一MIM电容
822：底电极板
824：介电层
826：顶电极板
828：介层物
830：第二MIM电容
Claims (11)
1.一种影像感测装置，其特征在于，所述影像感测装置包括：
一光学感测元件；
一晶体管，电性耦接于该光学感测元件，该晶体管具有位于一栅介电层上的一栅电极以及位于该栅电极两侧的多个间隔物，该些间隔物包括位于一缓冲氧化物上的一氮化物；以及
一电容，电性耦接于该晶体管与该光学感测元件。
2.根据权利要求1所述的影像感测装置，其特征在于，该电容为一平面电容、一堆叠电容、一金属-绝缘-金属电容或一多晶硅-绝缘物-多晶硅电容。
3.根据权利要求1所述的影像感测装置，其特征在于，该电容为形成于一基底的一平坦表面上的一金属氧化物半导体晶体管，或为沿着一浅沟槽隔离物的一侧壁所形成的一金属氧化物半导体晶体管。
4.根据权利要求1所述的影像感测装置，其特征在于，该缓冲氧化物较该栅介电层为厚。
5.根据权利要求1所述的影像感测装置，其特征在于，该影像感测装置包括一三晶体管的像素或一四晶体管的像素。
6.一种影像感测像素单元，其特征在于，所述影像感测像素单元包括：
一光学感测元件；
一第一晶体管，电性耦接于该光学感测元件，该第一晶体管具有位于一栅介电层上的一栅电极以及位于该栅电极两侧的多个间隔物，该些间隔物包括位于一缓冲氧化物上的一氮化物；
一第一电容，电性耦接于该第一晶体管的一源极以及该光学感测元件；以及
一第二电容，电性耦接于该第一晶体管的一漏极。
7.根据权利要求6所述的影像感测像素单元，其特征在于，至少该第一电容与该第二电容之一为一平面电容、一堆叠电容、一金属-绝缘-金属电容或为一多晶硅-绝缘物-多晶硅电容。
8.根据权利要求6所述的影像感测像素单元，其特征在于，至少该第一电容与该第二电容之一为形成于一基底的一平面上的一金属氧化物半导体晶体管或为沿着一浅沟槽隔离物的一侧壁所形成的一金属氧化物半导体晶体管。
9.根据权利要求6所述的影像感测像素单元，其特征在于，该缓冲氧化物较该栅介电层为厚。
10.一种影像感测装置的制造方法，其特征在于，所述影像感测装置的制造方法包括下列步骤：
形成一光学感测元件；
形成第一晶体管，电性耦接于该光学感测元件，该第一晶体管具有位于一栅介电层上的一栅电极以及位于该栅电极两侧的多个间隔物，该些间隔物包括位于一缓冲氧化物上的一氮化物；以及
形成一第一电容，电性耦接于该第一晶体管的一源极以及该光学感测元件。
11.根据权利要求10所述的影像感测装置的制造方法，其特征在于，更包括形成电性耦接于该第一晶体管的一漏极的一第二电容的步骤。
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