CN1921129A - 具有铟掺杂形成的横向掺杂梯度的图像传感器像素 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有源像素，该有源像素的传输门具有掺杂铟的多晶硅门电路。本发明的有源像素包括一位于半导体基体内的感光元件以及一位于该半导体基体内的n－型漂浮节点。具有传输门的n－沟道传输晶体管形成于感光元件与漂浮节点之间。本发明像素的基体具有铟掺杂物的横向掺杂梯度。

Description

具有铟掺杂形成的横向掺杂梯度的图像传感器像素
技术领域
本发明涉及图像传感器，更具体地讲，本发明涉及一种含有掺杂铟像素的图像传感器。
背景技术
图像传感器已经变得无处不在，它们被广泛地用于数字照相机、便携式电话、保密照相机、医疗器械、汽车和其它应用场合。制造图像传感器的技术、特别是CMOS(互补型金属氧化半导体)图像传感器持续地快速发展。例如，高分辨率和低能耗的要求促进了图像传感器的进一步的小型化及集成。
图像传感器的每一像素一般包括感光元件如光电二极管和一个或多个从感光元件读出信号的晶体管。例如，在四晶体管(或者更多)设计的像素中通常采用传输晶体管。该传输晶体管有一位于感光元件与漂浮节点之间的传输门。
对于CMOS和CCD图像传感器来说，一个重要的问题是在感光元件(如光电二极管)和传输门之间的势垒。该势垒和/或阱在固态成像器中可以阻挡电荷充分传输及增加图像非自然性。当图像信号读出后图像信号(电子)仍滞留在光电二极管中时，这些势垒和阱也会产生图像滞后问题。如果图像信号滞留在光电二极管中，那么该图像信号可能作为不需要的“旧”信号而在下次读出时再被读出。每一像素的旧信号取决于该像素是聚焦在前一帧的亮区还是暗区。其结果是，旧景象的重影图像出现在新景象图片或者图帧中。
在图像传感器中，尽量确保通过晶体管的图像信号被充分读出的一个办法就是提供硼掺杂的横向梯度(lateral gradient)，该梯度可驱使电子从感光侧穿过传输门而到达传输门的漏极侧(也称为漂浮扩散)。然而，已发现引入横向梯度掺杂将导致光电二极管N-植入所不需要的补偿。这种横向域在帮助穿过传输门的传输时，这种掺杂以及感光元件/传输门的界面也确实使得势垒和/或阱的性能变差。换言之，在传输门边缘增加硼掺杂以提供横向电场，增加了感光元件/传输门边缘的势垒。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，一方面，本发明提供了一种像素，该像素包括：
一位于半导体基体内的感光元件；
一位于半导体基体内的n-型漂浮节点；
一n-沟道传输晶体管，该n-沟道传输晶体管在感光元件与漂浮节点之间有一传输门；以及
一位于半导体基体内由铟掺杂(或称铟植入)形成的横向掺杂梯度或称横向掺杂构形(lateral doping gradient or profile)，该横向掺杂梯度在感光元件处比在传输门下方的部分，具有更高的掺杂物浓度。
上述像素中，感光元件可以是光电二极管、部分PIN型光电二极管、PIN型光电二极管、光电门或者光电电容器；横向掺杂梯度的掺杂剂量可以控制在5×1011个离子/平方厘米至8×1012个离子/平方厘米之间；横向掺杂梯度的掺杂深度可以控制在大约140埃至800埃之间；横向掺杂梯度可以通过采用20千电子伏特至200千电子伏特的植入能量而进行掺杂；横向掺杂梯度可以部分地延伸至传输门的下方和部分地延伸至漂浮节点内。另外，上述的像素可以进一步包括由漂浮节点控制的放大晶体管，而且这种像素可以是4T、5T、6T或者7T结构中的一部分。
另一方面，本发明还提供了一种位于半导体基体内的结构，该结构包括：
位于半导体基体内的感光元件；
n-沟道传输晶体管，该n-沟道传输晶体管在邻近感光元件处具有传输门，而且该n-沟道传输晶体管可选择性地从感光元件中读出图像信号；以及
位于半导体基体内由铟掺杂物形成的横向掺杂梯度，该横向掺杂梯度在感光元件处比在传输门下方的部分，具有更高的掺杂物浓度。
同样地，上述结构中，感光元件可以是光电二极管、部分PIN型光电二极管、PIN型光电二极管、光电门或者光电电容器；横向掺杂梯度的掺杂剂量可以控制在5×1011个离子/平方厘米至8×1012个离子/平方厘米之间；横向掺杂梯度的掺杂深度可以控制在大约140埃至800埃之间；横向掺杂梯度可以采用20千电子伏特至200千电子伏特的植入能量进行掺杂；这种结构本身可以是4T、5T、6T或者7T结构中的一部分。
再一方面，本发明提供了一种在半导体基体的有源区域内形成像素的方法，该发包括：
在半导体基体的有源区域内进行铟植入，该铟植入在有源区域的一部分被掩膜；
在半导体基体内形成感光元件；
在半导体基体内形成漂浮节点，该漂浮节点的一部分至少与有源区域中被掩膜的那部分的局部相重叠；以及
形成传输晶体管，该传输晶体管在感光元件与漂浮节点之间具有传输门，该传输门至少与有源区域中被掩膜的那部分的局部相重叠。
上述方法还可以进一步包括形成由漂浮节点控制的放大晶体管的步骤。另外，上述方法中，铟植入可以是在形成传输门后进行的，也可以是在形成牺牲氧化物(sacrificial oxide)后进行的。
又一方面，本发明的在半导体基体的有源区域内形成像素的方法可以包括：
在半导体基体的所述有源区域内形成铟植入的横向掺杂梯度，该横向掺杂梯度在有源区域的第一部分中比在有源区域的第二部分中，具有更高的掺杂浓度；
在半导体基体内和第一部分有源区域内形成感光元件；
在半导体基体内形成漂浮节点，该漂浮节点的一部分至少与有源区域的第二部分的局部相重叠；以及
形成传输晶体管，该传输晶体管在感光元件与漂浮节点之间具有传输门，该传输门至少与有源区域的第二部分的局部相重叠。
同样地，上述方法还可以进一步包括形成由漂浮节点控制的放大晶体管的步骤；铟植入可以是在形成传输门后进行的，也可以是在形成牺牲氧化物后进行的。
本发明的像素可以光电二极管/传输门界面处的势垒，明显地改善图像滞后的问题。
附图说明
图1是现有技术中四晶体管像素(4T)的剖面示意图。
图2-图4是本发明形成传输门的一种方法的剖面示意图。
图5和图6是本发明和现有技术像素的掺杂分布曲线和电势的对比图表。
图7和图8是本发明另一实施方案中半导体基体的剖面结构示意图。
具体实施方式
在下面的描述中，提供了许多特定细节，以便对本发明的具体实施方式进行透彻的理解。但所属领域的熟练技术人员可以认识到，在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下仍能实施本发明，或者采用其它方法、元件等的情况下仍能实施本发明。另外，为了清楚地描述本发明的各种实施方案，因而对众所周知的结构和操作没有示出或进行详细地描述。
在本发明的说明书中，提及“一实施方案”或“某一实施方案”时是指该实施方案所述的特定特征、结构或者特性至少包含在本发明的一个实施方案中。因而，在说明书各处所出现的“在一实施方案中”或“在某一实施方案中”并不一定指的是全部属于同一个实施方案；而且，特定的特征、结构或者特性可能以合适的方式结合到一个或多个的具体实施方案中。
图1是现有技术中图像传感器和采用四个晶体管的有源像素的、带剖面结构的示意图。这种有源像素在本领域中叫做4T有源像素。然而，值得指出的是，本发明可适用于像素设计的任何形式，包括但不限于5T、6T和其他设计，同样适用CCD或COMS图像传感器。
图1显示了4T像素103的剖面，其仅是像素阵列中的一代表性像素。该像素包括感光元件109，其在本实施方案中是PIN型光电二极管。然而，感光元件可以是光电门、光电电容器、部分PIN型光电二极管或者非PIN型光电二极管。
光电二极管109输出用来调整放大晶体管115的信号。放大晶体管115也称为源极随偶晶体管。具有传输门111的传输晶体管用于将光电二极管109输出的信号传输至飘浮节点117(N+掺杂)和放大晶体管115的门电路处。
使用时，在积分周期(也称为曝光周期或者积聚周期)内，光电二极管109产生电荷(响应入射光)，这些电荷存储在光电二极管109的N-型层内。积分周期后，传输门111开启，将存储在光电二极管109的N-型层内的电荷传输至飘浮节点117。当信号已经被传输到飘浮节点117后，传输门111再被关闭，并等待下一次积分周期的开始。在飘浮节点117上的信号随后用于调整放大晶体管115。读出后，带有复位门113的复位晶体管将飘浮节点117复位到一参考电压。在一实施方案中，该参考电压为Vdd。
如上所述，为完成图像信号传输，现有技术形成横向掺杂梯度。然而，在现有技术中，采用硼作为掺杂剂形成横向掺杂梯度。本发明认识到，使用硼在光电二极管和传输门之间形成横向掺杂梯度是有缺陷的。
因而，本发明使用铟来形成横向掺杂梯度。具体地讲，虽然硼(特别是B11同位素)植入能量可以非常低，以便进行浅植入，但已发现当采用这样低的植入能量时，硼植入具有较大的离散(straggle)。离散一般被定义为沿与掺杂剂入射轴垂直的轴线方向上的统计波动。离散的另一个定义是植入分布的第二力矩(moment)。较大的离散将导致硼植入具有较宽的植入范围，而这将导致N-型光电二极管植入所不需要的补偿，并增加了光电二极管/传输门界面处的势垒。而且，使用掺杂剂BF2与使用B11一样，其结果难以接受。
根据本发明，在得到相同浅植入范围(RP)的能量时，使用铟植入可获得更小的植入离散。这可消除现有技术中的问题。同时，传输门和使用铟的像素可获得横向电场梯度及更低的势垒/阱电势。这样，就可得到没有图像滞后问题的固体成像器(CCD或者CMOS)。
参阅图2，其示出了具有浅槽隔离(STI)的半导体基体201。在两个STI之间的地方是像素的有源区域。根据本发明，在基体201的顶部形成薄层氧化物203。接着，执行步骤205，植入第一浅铟。在一实施方案中，铟植入的深度是140埃至800埃，优选为200埃至450埃。进一步地，铟植入是在20千电子伏至200千电子伏之间的能量下进行的，优选为20千电子伏至100千电子伏之间。植入的剂量，例如，可以在5×1011个离子/平方厘米至8×1012个离子/平方厘米之间。
虽然，在该实施方案中所描述的是在薄层氧化物形成后进行铟植入，但是在制造过程中铟植入可以采用多种方式进行。例如，铟植入可以在形成焊接氧化物、牺牲氧化物或者门氧化物后进行。
另一实施方案中，在形成牺牲氧化物后并透过其进行铟植入，只是因为不愿在门氧化物上覆盖光刻胶而不得不在多晶硅沉积之前清理晶片，如图所示。然而，在其它的COMS制造过程中，一般经“双门氧化物过程”而在门氧化物的顶部形成光刻胶301。
在又一实施方案中，铟植入可以在门多晶硅等沉积之后进行，也即透过多晶硅覆盖沉积、透过门氧化物并进入下方的硅。当多晶硅门电路相对较薄(低于2000埃，优选低于1200埃)时，这特别容易实现。在这种情况下，铟植入在多晶硅门氧化以后进行的，这样做不会导致因门氧化而产生的任何扩散增强。因而，在工艺流程中，可以有多种潜在的铟植入方式。
参阅图3，在氧化物的表面上形成光刻胶掩膜301。光刻胶掩膜301位于两个STI区域之间。正如将在下面进一步详述中所述，光刻胶掩膜301用于界定仅接受单一铟植入的像素区域的部分。因而，在图3中，采用光刻胶301作为掩膜，进行第二铟植入303。在一实施方案中，第二铟植入的深度是140埃至800埃，优选为200埃至450埃。进一步地，第二铟植入是在20千电子伏至200千电子伏之间的能量下进行的，优选为20千电子伏至100千电子伏。植入的剂量，例如，可以在5×1011个离子/平方厘米至8×1012个离子/平方厘米之间。
如图4中所示，在第二铟植入303后，采用现有的常规步骤形成传输门401、复位门403和侧壁隔片405，以形成图1所示4T晶体管中常用的传输晶体管和复位晶体管。进一步地，采用常规的n-型掺杂步骤(如采用磷或者砷)进一步形成光电二极管、轻微掺杂漏极和漂浮扩散。
需要指出的是，第二铟植入303仅部分地延伸至传输门下方和部分地延伸至漂浮扩散区域内。因而，光刻胶掩膜301覆盖住传输门401的部分和漂浮扩散的部分。
在图7和图8所示的另一实施方案中，采用单一的铟植入。在该实施方案中，光刻胶掩膜701沉积到氧化物上。接着，进行单一的铟掺杂过程703。在一实施方案中，铟植入的深度是140埃至800埃，优选为200埃至450埃。进一步地，铟植入是在20千电子伏至200千电子伏之间的能量下进行的，优选为20千电子伏至100千电子伏。植入的剂量，例如，可以在5×1011个离子/平方厘米至8×1012个离子/平方厘米之间。接着，除去光刻胶掩膜701，并采用常规步骤，在像素的有源区域内形成传输门和复位门。
需要指出的是，铟掺杂仅部分延伸至传输门的下方和部分延伸至漂浮扩散内。再次指出，上述工艺提供了可以帮助信号传输的、横向掺杂梯度。这种工艺的优点在于仅需要对信号铟进行掺杂的过程。
图5示出了采用B11同位素、BF2掺杂剂和铟植入的各种掺杂构形。正如在图5中所见的，铟植入具有较高的峰值浓度，而横向的离散很小。
图6示出了采用现有常规技术硼掺杂与本发明的铟掺杂相比较的电势图表。与现有技术相比，本发明在光电二极管和传输门之间的界面点上，需要克服的势垒较小。
因而，上述内容应理解为：这里所介绍的本发明的具体实施方案只是为了描述本发明，但是在不偏离本发明宗旨与范围的情况下，可以进行各种改进和变换。因此，除权利要求之外，本发明不受其它内容的限制。

Claims (24)

1、一种像素，其包括：
一位于半导体基体内的感光元件；
一位于所述半导体基体内的n-型漂浮节点；
一n-沟道传输晶体管，该n-沟道传输晶体管在所述感光元件与所述漂浮节点之间有一传输门；以及
一位于所述半导体基体内由铟掺杂物形成的横向掺杂梯度，该横向掺杂梯度在所述感光元件处比在所述传输门下方的部分，具有更高的掺杂物浓度。
2、如权利要求1所述的像素，其中，所述的感光元件是光电二极管、部分PIN型光电二极管、PIN型光电二极管、光电门或者光电电容器。
3、如权利要求1所述的像素，其中，所述的横向掺杂梯度的掺杂剂量在5×1011个离子/平方厘米至8×1012个离子/平方厘米之间。
4、如权利要求1所述的像素，其中，所述的横向掺杂梯度的掺杂深度大约为140埃至800埃。
5、如权利要求1所述的像素，其进一步包括由所述漂浮节点控制的放大晶体管。
6、如权利要求1所述的像素，其中，所述的像素是4T、5T、6T或者7T结构的一部分。
7、如权利要求1所述的像素，其中，所述的横向掺杂梯度是采用20千电子伏特至200千电子伏特的植入能量进行掺杂的。
8、如权利要求1所述的像素，其中，所述的横向掺杂梯度部分地延伸至所述传输门的下方和部分地延伸至所述漂浮节点内。
9、一种位于半导体基体内的结构，其包括：
位于所述半导体基体内的感光元件；
n-沟道传输晶体管，该n-沟道传输晶体管在邻近所述感光元件处具有传输门，而且该n-沟道传输晶体管可选择性地从所述感光元件中读出图像信号；以及
位于所述半导体基体内由铟掺杂物形成的横向掺杂梯度，该横向掺杂梯度在所述感光元件处比在所述传输门下方的部分，具有更高的掺杂物浓度。
10、如权利要求9所述的结构，其中，所述的感光元件是光电二极管、部分PIN型光电二极管、PIN型光电二极管、光电门或者光电电容器。
11、如权利要求9所述的结构，其中，所述的横向掺杂梯度的掺杂剂量在5×1011个离子/平方厘米至8×1012个离子/平方厘米之间。
12、如权利要求9所述的像素，其中，所述的横向掺杂梯度的掺杂深度大约为140埃至800埃。
13、如权利要求9所述的结构，其中，所述的结构是4T、5T、6T或者7T结构的一部分。
14、如权利要求9所述的像素，其中，所述的横向掺杂梯度是采用20千电子伏特至200千电子伏特的植入能量进行掺杂的。
15、一种在半导体基体的有源区域内形成像素的方法，其包括：
在所述半导体基体的所述有源区域内进行铟植入，所述的铟植入在所述有源区域的一部分被掩膜；
在所述半导体基体内形成感光元件；
在所述半导体基体内形成漂浮节点，该漂浮节点的一部分至少与所述有源区域中被掩膜的所述部分的局部相重叠；以及
形成传输晶体管，该传输晶体管在所述感光元件与所述漂浮节点之间具有传输门，所述传输门至少与所述有源区域中被掩膜的所述部分的局部相重叠。
16、如权利要求15所述的方法，其中，所述的感光元件是光电二极管、部分PIN型光电二极管、PIN型光电二极管、光电门或者光电电容器。
17、如权利要求15所述的方法，其中进一步包括形成由所述漂浮节点控制的放大晶体管的步骤。
18、如权利要求15所述的方法，其中，所述的铟植入是在形成所述传输门后进行的。
19、如权利要求15所述的方法，其中，所述的铟植入是在形成牺牲氧化物后进行的。
20、一种在半导体基体的有源区域内形成像素的方法，其包括：
在所述半导体基体的所述有源区域内形成铟植入的横向掺杂梯度，该横向掺杂梯度在所述有源区域的第一部分中比在所述有源区域的第二部分中，具有更高的掺杂浓度；
在所述半导体基体内和所述第一部分有源区域内形成感光元件；
在所述半导体基体内形成漂浮节点，该漂浮节点的一部分至少与所述有源区域的第二部分的局部相重叠；以及
形成传输晶体管，该传输晶体管在所述感光元件与所述漂浮节点之间具有传输门，该传输门至少与所述有源区域的第二部分的局部相重叠。
21、如权利要求20所述的方法，其中，所述的感光元件是光电二极管、部分PIN型光电二极管、PIN型光电二极管、光电门或者光电电容器。
22、如权利要求20所述的方法，其进一步包括形成由所述漂浮节点控制的放大晶体管的步骤。
23、如权利要求20所述的方法，其中，所述的铟掺杂是在形成所述传输门后进行的。
24、如权利要求20所述的方法，其中，所述的铟掺杂是在形成牺牲氧化物后进行的。
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