DE102006060253A1

DE102006060253A1 - Halbleiterbauelement mit Photodiode und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102006060253A1
Application number: DE102006060253A
Authority: DE
Inventors: Doo-won Seongnam Kwon; Jong-ryeol Osan Yoo; Chang-Rok Moon
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2026-12-15
Also published as: KR20070063852A; US20090315137A1; US7595213B2; DE102006060253B4; KR100761829B1; TWI307956B; TW200723511A; US20070141801A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement, insbesondere einen Bildsensor, mit einer Photodiode sowie auf Verfahren zur Herstellung desselben.
Erfindungsgemäß wird ein Graben in einem Substrat (100') zum Definieren eines aktiven Photodiodenbereichs gebildet, Störstellen werden in einen Boden und eine Seitenwand des Grabens dotiert, ein Graben-Bauelementisolationsbereich (100a") wird durch Bilden einer zwischenraumfüllenden Materialschicht (107) in dem störstellendotierten Graben gebildet, und die Photodiode (140, 150) wird in dem aktiven Photodiodenbereich gebildet.
Verwendung z.B. in der CMOS-Bildsensortechnologie.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit Photodiode, insbesondere einen Bildsensor, sowie auf Verfahren zur Herstellung desselben.
Bildsensoren sind Halbleiterbauelemente, die optische Bilder in elektrische Signale umwandeln. Bildsensoren können in solche mit ladungsgekoppelten Bauelementen (CCD-Bildsensoren) und CMOS-Bildsensoren klassifiziert werden. Ein CMOS-Bildsensor beinhaltet eine Photodiode, die optische Signale empfängt, und einen MOS-Transistor, der die optischen Signale innerhalb eines Einheitspixels steuert. Der CCD-Bildsensor weist ein kompliziertes Treibersystem und einen komplizierten Herstellungsprozess auf. In einem CCD-Chip sind Signalverarbeitungsschaltkreise schwierig herzustellen. Im Gegensatz dazu kann der CMOS-Bildsensor durch Standard-CMOS-Techniken hergestellt werden und kann zusammen mit anderen Signalverarbeitungsschaltkreisen in einen einzigen Schaltkreis integriert werden.
Eine CMOS-Bildsensorfertigung beinhaltet das Bilden einer Bauelementisolationsschicht auf einem Siliciumsubstrat, um die aktiven Photodiodenbereiche und die aktiven MOS-Transistorbereiche zu definieren. Ein CMOS-Bildsensor kann kristalline Defekte, wie nicht abgesättigte Bindungen (dangling bonds), an einer Grenzfläche zwischen der Bauelementisolationsschicht und dem Substrat des aktiven Photodiodenbereichs aufweisen. Wenn zum Beispiel die Bauelementisolationsschicht eine Struktur mit flacher Grabenisolation (STI) aufweist, wie einen Graben, der durch Ätzen des Substrats gebildet und mit einer isolierenden Schicht gefüllt wird, können beim Ätzen des Substrats kristalline Defekte auftreten. Die kristallinen Defekte, die als Einfangstellen für Elektronen wirken, können zu Defekt- oder Rauschkomponenten jedes Pixels werden, die den Dunkelstrom erhöhen, d.h. den Strom, der in der Photodiode weiterfließt, wenn kein einfallendes Licht vorhanden ist. Somit können die kristallinen Defekte des Bauelementisolationsbereichs die bildgebenden Eigenschaften des CMOS-Bildsensors degradieren.
Das Bilden eines Störstellenbereichs in einem unteren Teil des Grabens unter Verwendung von Ionenimplantation ist schwierig. Da der Ionenstrahl, der zur Ionenimplantation verwendet wird, eine Vorzugsrichtung nach vorn aufweist, wird der Störstellenbereich hauptsächlich unter dem Graben gebildet, ohne die Seiten des Grabens zu umgeben. Der Ionenstrahl oder das Substrat können während des Implantationsprozesses gekippt werden, so dass der Störstellenbereich auf den Seiten des Grabens gebildet wird, jedoch ohne Störstellenbereich, der unter dem Graben gebildet wird. Ein kristalliner Defekt, der in der Grenzfläche eines Grabens auftritt, der nicht von einem Störstellenbereich umgeben ist, kann den Dunkelstrom erzeugen. Da Halbleiterbauelemente immer höher integriert werden, werden die Gräben immer tiefer und enger gemacht. In einem derartigen Fall wird es schwieriger, den Störstellenbereich durch Ionenimplantation so zu bilden, dass er den Graben umgibt. Als ein Ergebnis kann der Dunkelstrom erhöht sein.
Da die Ionenimplantation außerdem unter Bedingungen mit relativ hoher Energie durchgeführt wird, wird der Störstellenbereich im Allgemeinen dick ausgebildet. Dies neigt dazu, den Verarmungsbereich der Photodiode schrumpfen zu lassen, die benachbart zu dem Graben ausgebildet wird, was den Sättigungsstrom der Photodiode verringern kann.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Halbleiterbauelements mit Photodiode sowie eines zugehörigen Herstellungsverfahrens zugrunde, mit denen sich die oben erwähnten Schwierigkeiten des Standes der Technik reduzieren oder eliminieren lassen.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Herstellungsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eines Halbleiterbauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 16.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
1 ein Ersatzschaltbild eines Einheitspixels eines CMOS-Bildsensors,
2 eine Draufsicht, die ausschnittweise eine Pixelfeldeinheit zur Realisierung des in 1 dargestellten CMOS-Bildsensors veranschaulicht,
3A bis 3F Schnittansichten entlang einer Linie I-I von 2, die ein Verfahren zur Herstellung des CMOS-Bildsensors in aufeinanderfolgenden Schritten veranschaulichen,
4 ein Blockdiagramm eines Computerprozessorsystems, das mit einem CMOS-Bildsensor ausgerüstet ist,
5 eine graphische Darstellung, die eine Bordichte in Relation zu einer Seitenwandtiefe von Proben zeigt, die aus Experimenten sowie einem Vergleichsfall resultieren, und
6 eine photographische Aufnahme, die einen experimentell erhaltenen Graben-Bauelementisolationsbereich zeigt.
Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsformen der Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es versteht sich, dass wenn ein Element, wie eine Schicht, ein Film, ein Bereich oder ein Substrat, als "auf" einem anderen Element bezeichnet wird, es direkt auf dem anderen Element liegen kann oder auch zwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich überall in der Beschreibung der Figuren auf gleiche oder identische Elemente.
1 zeigt im Ersatzschaltbild ein Einheitspixel PX eines CMOS-Bildsensors gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung. Bezugnehmend auf 1 beinhaltet das Einheitspixel PX eine erste Photodiode 140, eine zweite Photodiode 150, einen ersten Transfertransistor 120, einen zweiten Transfertransistor 130, einen Rücksetztransistor 160, einen Treibertransistor 170 und einen Auswahltransistor 180.
Die erste und die zweite Photodiode 140 und 150 sind mit Sourceelektroden des ersten bzw. des zweiten Transfertransistors 120, 130 verbunden. Drainelektroden der Transfertransistoren 120 und 130 teilen sich einen floatenden Diffusionsbereich FD, der ein floatender Knoten ist. Der Rücksetztransistor 160, der Auswahltransistor 180 und der Treibertransistor 170 sind seriell mit dem floatenden Knoten FD verbunden. Der floatende Knoten FD ist außerdem mit einem Gate des Treibertransistors 170 verbunden. Eine Leistungsquelle Vdd ist mit einem Knoten zwischen dem Rücksetztransistor 160 und dem Auswahltransistor 180 verbunden.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 1 das Treiben eines Einheitspixels PX gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Wenn einem Gate des Rücksetztransistors 160 ein Rücksetzsignal R_x zugeführt wird, wird der Rücksetztransistor 160 eingeschaltet. Das elektrische Potential des floatenden Knotens FD wird auf eine Leistungsversorgungsspannung zurückgesetzt. Dann wird der Rücksetztransistor 160 ausgeschaltet. Das auf die Photodioden 140 und 150 einfallende Licht bewirkt, dass Elektron-Loch-Paare proportional zu dem einfallenden Licht erzeugt werden. Die erzeugten Signalladungen werden durch Gatebarrieren der Transfertransistoren 120 und 130 in den Photodioden 140 und 150 eingefangen.
Wenn einem Gate eines der Transfertransistoren 120 oder 130 ein Transfersignal T_x1 zugeführt wird, wird dieser eingeschaltet. Wenn das Transfersignal T_x1 zum Beispiel dem ersten Transfertransistor 120 zugeführt wird, wird der erste Transfertransistor 120 eingeschaltet. In diesem Fall werden die in der ersten Photodiode 140 eingefangenen Signalladungen zu dem floatenden Knoten FD transferiert, um das Potential des floatenden Knotens FD zu ändern. Die Gatevorspannung des Treibertransistors 170 wird geändert, und so wird die Stromsteuerbarkeit des Treibertransistors 170 bestimmt. Zu diesem Zeitpunkt wird einem Gate des Auswahltransistors 180 ein Auswahlsignal SEL zugeführt, und der Auswahltransistor 180 wird eingeschaltet. Als Ergebnis fließt ein Strom entsprechend dem Potential des floatenden Knotens FD durch den Treibertransistor 170, der als eine Ausgangsspannung Vout zugeführt wird.
Hierbei bezeichnet T_x2 ein Transfersignal, das einem Gate des zweiten Transfertransistors 130 zugeführt wird.
Wie vorstehend beschrieben, beinhaltet das Einheitspixel wenigstens zwei Photodioden, und die Transistoren werden gemeinsam genutzt, um die Signale von den Photodioden bereitzustellen, und die Einheitspixelfläche ist verringert, was sowohl eine höhere Integration als auch einen erhöhten Füllfaktor ermöglicht. Es versteht sich, dass das Einheitspixel eine einzelne Photodiode oder wenigstens drei Photodioden aufweisen kann und die Anordnung und Anzahl der Transistoren geeignet modifiziert werden kann.
2 zeigt in Draufsicht ausschnittweise eine Pixelfeldeinheit gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung zur Realisierung des in 1 dargestellten CMOS-Bildsensors. Bezugnehmend auf 2 beinhaltet die Pixelfeldeinheit Einheitspixel PX, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Das Einheitspixel PX beinhaltet einen ersten aktiven Bereich 110 und einen zweiten aktiven Bereich 115, die durch Bilden eines Graben-Bauelementisolationsbereichs in einem vorgegebenen Bereich eines Substrats definiert sind. Der erste aktive Bereich 110 beinhaltet einen ersten und einen zweiten aktiven Photodiodenbereich 110_1 und 110_2, die voneinander beabstandet sind, sowie einen aktiven Transfertransistorbereich 110_3, der sich von dem ersten und dem zweiten aktiven Photodiodenbereich 110_1 und 110_2 aus erstreckt, um den ersten und den zweiten aktiven Photodiodenbereich 110_1 und 110_2 zu verbinden. Ein aktiver Rücksetztransistorbereich 110_4 erstreckt sich von dem aktiven Transfertransistorbereich 110_3 aus. Die erste und die zweite Photodiode 140 und 150 sind in dem ersten und dem zweiten aktiven Photodiodenbereich 110_1 und 110_2 ausgebildet.
Auf dem ersten und dem zweiten aktiven Bereich 110 und 115 sind eine erste Transfergateelektrode 123, eine zweite Transfergateelektrode 133, eine Rücksetzgateelektrode 163, eine Auswahlgateelektrode 183 und einer Treibergateelektrode 173 angeordnet. Die erste und die zweite Transfergateelektrode 123 und 133 queren über dem aktiven Transfertransistorbereich 110_3 in einer Weise, dass sie benachbart zu dem ersten bzw. dem zweiten aktiven Photodiodenbereich 110_1, 110_2 sind. In dem aktiven Transfertransistorbereich 110_3, der zwischen der ersten und der zweiten Transfergateelektrode 123 und 133 freiliegt, ist ein floatender Diffusionsbereich FD ausgebildet. Die Rücksetzgateelektrode 163 quert über dem aktiven Rücksetztransistorbereich 110_4 und ist benachbart zu dem floatenden Diffusionsbereich FD. Außerdem queren die Auswahlgateelektrode 183 und die Treibergateelektrode 173 über dem zweiten aktiven Bereich 115.
Auf den Gateelektroden 123, 133, 163, 173 und 183 sind nicht gezeigte Zwischenverbindungen angeordnet. Eine Zwischenverbindung ermöglicht zum Beispiel, dass ein aktiver Bereich gegenüber dem floatenden Diffusionsbereich FD außerhalb des aktiven Rücksetztransistorbereichs 110_4 benachbart zu der Rücksetzgateelektrode 163 mit dem zweiten aktiven Bereich 115, der an einer Seite der Auswahlgateelektrode 183 freiliegt, elektrisch verbunden ist, und sie ist mit der Leistungsquelle Vdd von 1 verbunden. Eine weitere Zwischenverbindung ermöglicht, dass der floatende Diffusionsbereich FD mit der Treibergateelektrode 173 elektrisch verbunden ist.
Andererseits können Intervalle Wa und Wb zwischen den Photodioden 140 und 150 reduziert sein, um die Fläche des Einheitspixels PX zu verringern und den Füllfaktor zu erhöhen. Um zu verhindern, dass Übersprechen zwischen den Photodioden 140 und 150 auftritt, kann der Graben-Bauelementisolationsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten aktiven Photodiodenbereich 110_1 und 110_2 noch tiefer gemacht werden.
Die 3A bis 3F veranschaulichen ein Verfahren zur Herstellung des CMOS-Bildsensors gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung speziell anhand eines Pixelbereichs und eines peripheren Schaltkreisbereichs. Der periphere Schaltkreisbereich ist in einer Peripherie der in 2 dargestellten Pixelfeldeinheit platziert, und darin ist ein Treiberschaltkreis zum Treiben der Pixelfeldeinheit angeordnet.
Bezugnehmend auf 3A wird ein Substrat 100' mit einem Pixelbereich und einem peripheren Schaltkreisbereich bereitgestellt. Das Substrat 100' weist ein Basissubstrat 100 und eine epitaxiale Schicht 101 auf, die einen ersten Leitfähigkeitstyp besitzt und auf dem Basissubstrat 100 ausgebildet wird. Der erste Leitfähigkeitstyp kann z.B. p-leitend sein.
Auf dem Substrat 100' werden eine Kontaktstellenisolationsschicht 103 und eine Hartmaskenschicht 104 sequentiell gestapelt. Die Hartmaskenschicht 104, z.B. eine Siliciumnitridschicht, wird als eine Hartmaske verwendet, wenn ein Graben gebildet wird, der später beschrieben wird. Die Kontaktstellenisolationsschicht 103, z.B. eine Siliciumoxidschicht, löst auf das Substrat 100' beim Stapeln der Hartmaskenschicht 104 einwirkende mechanische Spannungen.
Auf der Hartmaskenschicht 104 wird eine nicht gezeigte Photoresiststruktur gebildet. Die Hartmaskenschicht 104 und die Kontaktstellenisolationsschicht 103 werden unter Verwendung der Photoresiststruktur als Maske geätzt, wodurch das Substrat 100' teilweise freigelegt wird. Dann wird die Photoresiststruktur entfernt.
Die Hartmaskenschicht 104 wird als Maske verwendet, um ein freigelegtes Gebiet des Substrats 100' zu ätzen. Gräben 100a und 100b werden in dem Substrat 100' gebildet. In einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung werden die Gräben 100a und 100b in der epitaxialen Schicht 101 gebildet und definieren die aktiven Bereiche. Zum Beispiel definiert ein Pixelgraben 100a, der in dem Substrat 100' des Pixelbereichs ausgebildet ist, einen aktiven Pixelbereich. Ein Schaltkreisgraben 100b definiert einen aktiven Schaltkreisbereich, der in dem Substrat 100' des peripheren Schaltkreisbereichs ausgebildet ist. Der aktive Pixelbereich beinhaltet den ersten und den zweiten aktiven Photodiodenbereich 110_1 und 110_2 von 2 und den aktiven Transfertransistorbereich 110_3 von 2.
Bezugnehmend auf 3B wird eine Pufferisolationsschicht 105 auf dem Substrat 100' dort gestapelt, wo die Gräben 100a und 100b ausgebildet sind. Die Pufferisolationsschicht 105 wird auf der Hartmaskenschicht 104 gebildet, indem die Gräben 100a und 100b aufgefüllt werden. Auf der Pufferisolationsschicht 105 wird eine Photoresiststruktur 109 gebildet. Die Photoresiststruktur 109 bedeckt eine gesamte Oberfläche des peripheren Schaltkreisbereichs, ist jedoch in dem Pixelbereich zu der Hartmaskenschicht 104 justiert, um die Pufferisolationsschicht 105 auf einer Oberseite des Pixelgrabens 100a freizulegen.
Die freigelegte Pufferisolationsschicht 105 wird unter Verwendung der Photoresiststruktur 109 als Maske geätzt. Daher wird die Pufferisolationsschicht 105 innerhalb des Pixelgrabens 100a sorgfältig geätzt, und ein Boden des Pixelgrabens 100a wird freigelegt. Dann wird der Boden des freigelegten Pixelgrabens 100a geätzt, um einen tiefen Pixelgraben 100a' zu bilden, wie in 3C dargestellt.
Während der tiefe Pixelgraben 100a' gebildet wird, kann die Photoresiststruktur 109 geätzt werden, und eine Oberseite der Pufferisolationsschicht 105 kann teilweise geätzt werden. Die Pufferisolationsschicht 105 wirkt als eine Ätzpufferschicht, welche die Hartmaskenschicht 104 nicht freilegt, während der tiefe Pixelgraben 100a', wie vorstehend beschrieben, gebildet wird.
Bezugnehmend auf 3C ist die Tiefe des tiefen Pixelgrabens 100a' größer als jene des Schaltkreisgrabens 100b. Die aktiven Photodiodenbereiche 110_1 und 110_2 von 2 sind ausreichend voneinander separiert, um Übersprechen zu verhindern, das dazu neigt, zwischen den Photodioden aufzutreten, die in einem nachfolgenden Prozess gebildet werden. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung weist der tiefe Pixelgraben 100a' eine Tiefe von etwa 1 μm bis etwa 4 μm auf und kann Übersprechen verhindern. Der Schaltkreisgraben 100b kann ein flacher Graben mit einer Tiefe von etwa 0,4 μm oder weniger sein. Es versteht sich jedoch, dass der Pixelgraben als ein flacher Graben von 0,4 μm oder weniger gebildet werden kann.
Sowohl der tiefe Pixelgraben 100a' als auch der Schaltkreisgraben 100b können innerhalb der epitaxialen Schicht 101 gebildet werden. Es versteht sich, dass der Schaltkreisgraben 100b innerhalb der epitaxialen Schicht 101 gebildet werden kann und der tiefe Pixelgraben 100a' die epitaxiale Schicht 101 durchdringen kann.
Danach werden Störstellen in den Boden und die Seitenwand des Pixelgrabens 100a' dotiert, um einen Kanalstopp-Störstellenbereich 106 zu bilden, der den Boden und die Seitenwand des Pixelgrabens 100a' umgibt. Wenn der Kanalstopp-Störstellenbereich 106 den Boden und die Seitenwand des Pixelgrabens 100a' vollständig umgibt, wird die Freilegung einer Grenzfläche des Pixelgrabens 100a' verhindert. In einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung umgibt der Kanalstopp-Störstellenbereich 106 den Boden und die Seitenwand des Pixelgrabens 100a' konform, und der Dunkelstrom und Rauschen, die von einem Grenzflächendefekt des Pixelgrabens 100a' verursacht werden, können verringert werden.
Die Störstellendotierung kann ein Plasmadotierprozess sein. Das Substrat 100 mit dem Pixelgraben 100a' wird zum Beispiel in einer nicht gezeigten Plasmadotierkammer platziert, und ein Dotiergas als Quellengas wird in die Kammer eingebracht. Dann wird das Dotiergas zur Erzeugung eines Plasmas verwendet, und an das Substrat 100 wird eine Spannung angelegt, um Ionen des Plasmas in das Substrat 100 zu dotieren, z.B. das Innere des Pixelgrabens 100a'. In einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung bildet das Plasma den Kanalstopp-Störstellenbereich 106, der den Boden und die Seitenwand des Pixelgrabens 100a' umgibt. Wenn der Pixelgraben 100a' zum Beispiel als eine tiefe Grabenkonfiguration gebildet wird, wie vorstehend beschrieben, kann Plasmadotierung effektiv den Kanalstopp-Störstellenbereich 106 bilden, der den Boden und die Seitenwand des tiefen Grabens umgibt. Wenn Plasmadotierung verwendet wird, werden die Störstellen durch Konzentrieren auf einen Teil in Kontakt mit dem Pixelgraben 100a' verteilt, und eine Dichte der Störstellen nimmt kontinuierlich von dem Pixelgraben 100a' weg ab. Der Kanalstopp-Störstellenbereich 106 kann dünn gebildet werden, und ein Verarmungsbereich der Photodiode, die später gebildet wird, wird nicht reduziert, und die Abnahme des Sättigungsstroms kann verhindert werden.
Das Dotierstoffgas kann zum Beispiel BF₃, B₂H₆, BCl₃ oder jegliche Kombination derselben umfassen. Bor kann in den Kanalstopp-Störstellenbereich 106 dotiert werden. Das Quellengas kann ein Verdünnungsgas zusammen mit dem Dotierstoffgas beinhalten. Das Verdünnungsgas kann zum Beispiel H₂, N₂, O₂, F₂, He, Ar, Xe oder jegliche Kombinationen derselben umfassen. Das Verdünnungsgas kann gleichmäßig in einer Dichte des Plasmas dispergiert sein, was den Kanalstopp-Störstellenbereich 106 über den Boden und die Seitenwand des Pixelgrabens 100a' hinweg verteilt. In exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung umgibt der Kanalstopp-Störstellenbereich 106 den Boden und die Seitenwand des tiefen Grabens. Die Dicke des Ka nalstopp-Störstellenbereichs 106 auf der Seite des Pixelgrabens 100a' kann zum Beispiel ein Verhältnis von 0,5 bis 1 bezüglich der Dicke des Kanalstopp-Störstellenbereichs 106 unter dem Pixelgraben 100a' aufweisen.
Vor der Dotierung der Störstellen kann eine Oxidschicht 108 innerhalb des Pixelgrabens 100a' gebildet werden. Die Oxidschicht 108 kann ein Hereinströmen von Material außer Bor bei der Durchführung der Plasmadotierung blockieren. Die Oxidschicht 108 kann eine thermische Oxidschicht sein. Wenn die thermische Oxidschicht gebildet wird, kann Schädigungen abgeholfen werden, wie einem Gitterdefekt, der innerhalb des Grabens 100a' auftritt. Plasmadotierung kann zum Beispiel mit einer Energie in einem Bereich von etwa 1 kV bis etwa 7 kV durchgeführt werden und kann den Dunkelstrom verhindern und die Abnahme des Sättigungsstroms verhindern.
In einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung wird Plasmadotierung mit einer Dosis in einem Bereich von etwa 0,1 × 10¹³ Atome/cm² bis etwa 1,0 × 10¹⁸ Atome/cm² durchgeführt.
Bezugnehmend auf 3D wird eine zwischenraumfüllende Materialschicht 107 innerhalb des störstellendotierten Pixelgrabens 100a' gebildet. Die zwischenraumfüllende Materialschicht 107 kann eine isolierende Schicht beinhalten. Die zwischenraumfüllende Materialschicht 107 wird auf einer Oberseite der Pufferisolationsschicht 105 gebildet. Die zwischenraumfüllende Materialschicht 107 kann ein isolierendes Material beinhalten, wie zum Beispiel ein Oxid aus einer chemischen Gasphasenabscheidung mit einem Plasma hoher Dichte (HDP-CVD) mit einer ausgezeichneten Zwischenraumfülleigenschaft oder undotiertes Silicatglas (USG). An dem Substrat 100' mit der zwischenraumfüllenden Materialschicht 107 darauf wird chemisch-mechanisches Polieren (CMP) durchgeführt, bis die Hartmaskenschicht 104 freigelegt ist, wodurch die zwischenraumfüllende Materialschicht 107 und die Pufferisolationsschicht 105 planarisiert werden. Danach werden die Hartmaskenschicht 104 und die Kontaktstellenisolationsschicht 103 entfernt, um die aktiven Bereiche freizulegen.
Wie in 3E dargestellt, werden dann der Pixelgraben-Bauelementisolationsbereich 100a'', die zwischenraumfüllende Materialschicht 107, der Schaltkreisgraben-Bauelementisolationsbereich 100b' und die Pufferisolationsschicht 105 gebildet.
Innerhalb des Substrats 100' des peripheren Schaltkreisbereichs werden Störstellen mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp implantiert, wodurch eine Mulde 102 mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp gebildet wird. Der zweite Leitfähigkeitstyp kann zum Beispiel n-leitend sein. Danach wird eine Gateisolationsschicht 119 auf dem Substrat 100' gebildet, und eine leitfähige Gateschicht wird auf der Gateisolationsschicht 119 gebildet. Die leitfähige Gateschicht kann eine dotierte Polysiliciumschicht sein. Die leitfähige Gateschicht wird strukturiert, um eine erste Transfergateelektrode 123 und eine zweite Transfergateelektrode 133 auf dem aktiven Transfertransistorbereich 110_3 von 2 und eine Schaltkreisgateelektrode 193 auf dem aktiven Schaltkreisbereich zu bilden. Die Gateisolationsschicht 119 kann ebenfalls strukturiert werden. Die erste und die zweite Transfergateelektrode 123 und 133 werden benachbart zu dem ersten beziehungsweise zweiten aktiven Photodiodenbereich 110_1, 110_2 von 2 gebildet.
Dann wird eine erste Photoresiststruktur gebildet, die den aktiven Transfertransistorbereich 110_3 freilegt. Danach werden unter Verwendung der ersten Photoresiststruktur und der ersten und der zweiten Transfergateelektrode 123 und 133 als Masken die Störstellen mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp implantiert, um einen floatenden Diffusionsbereich FD zu bilden.
Anschließend wird die erste Photoresiststruktur entfernt und es wird eine zweite Photoresiststruktur zum Freilegen des aktiven Schaltkreisbereichs gebildet. Unter Verwendung der zweiten Photoresiststruktur und der Schaltkreisgateelektrode 193 als Masken werden die Störstellen mit dem ersten Leitfähigkeitstyp implantiert, um Source-/Drainbereiche 195 zu bilden.
Nun wird eine nicht gezeigte dritte Photoresiststruktur gebildet, welche die aktiven Photodiodenbereiche 110_1 und 110_2 von 2 freilässt. Unter Verwendung der dritten Photoresiststruktur als Maske werden die Störstellen mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp in den ersten und den zweiten aktiven Photodiodenbereich 110_1, 110_2 von 2 mit einer hohen Energie implantiert, wobei ein erster und zweiter unterer Störstellenbereich 147 und 157 gebildet werden. Dann wird die dritte Photoresiststruktur entfernt.
Bezugnehmend auf 3F wird eine Abstandshalterisolationsschicht auf das Substrat 100' gestapelt. Die Abstandshalterisolationsschicht wird anisotrop geätzt, um Abstandshalter 129 entlang von Seitenwänden der Gateelektroden 123, 133 und 193 zu bilden. Zur Freilegung der aktiven Photodiodenbereiche 110_1 und 110_2 von 2 wird eine vierte Photoresiststruktur auf dem Substrat 100' mit den Abstandshaltern 129 gebildet. Unter Verwendung der vierten Photoresiststruktur und der Abstandshalter 129 als Masken werden die Störstellen mit dem ersten Leitfähigkeitstyp mit einer geringen Energie implantiert, um einen ersten und einen zweiten oberen Störstellenbereich 145 und 155 zu bilden. Der erste und der zweite obere Störstellenbereich 145 und 155 werden innerhalb des ersten beziehungsweise des zweiten unteren Störstellenbereichs 147, 157 gebildet. Der erste obere Störstellenbereich 145 und der erste untere Störstellenbereich 147 beinhalten die erste Photodiode 140.
Der zweite obere Störstellenbereich 155 und der zweite untere Störstellenbereich 157 beinhalten die zweite Photodiode 150.
Der erste und der zweite obere Störstellenbereich 145 und 155 können unter Verwendung von Plasmadotierung gebildet werden. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung ist die Störstellendichte innerhalb des ersten und des zweiten oberen Störstellenbereichs 145 und 155 auf der Oberfläche des Substrats 100' konzentriert, so dass der erste und der zweite obere Störstellenbereich 145 und 155 dünn gebildet werden können, und die Dicke eines Verarmungsbereichs wird erhöht, wenn die Photodioden 140 und 150 betrieben werden, was die Photosensitivität der Photodioden 140 und 150 verbessert.
4 veranschaulicht ein Computerprozessorsystem, das mit dem CMOS-Bildsensor gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung ausgerüstet ist. Bezugnehmend auf 4 beinhaltet ein Computerprozessorsystem 300 eine Zentralprozessoreinheit (CPU) 320, ein Disketten-Laufwerk 330, ein CDROM-Laufwerk 340, einen CMOS-Bildsensor 310, eine E/A-Einheit 360 und einen RAM 350. Der CMOS-Bildsensor 310 kann wie vorstehend unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 3A bis 3F beschrieben ausgeführt sein. Die CPU 320, der CMOS-Bildsensor 310 und der RAM 350 können in einem System-auf-Chip (SoC) realisiert sein.
Die CPU 320, das Disketten-Laufwerk 330, das CDROM-Laufwerk 340, der CMOS-Bildsensor 310, die E/A-Einheit 360 und der RAM 350 können über einen Bus 370 wechselseitig miteinander in Verbindung stehen.
Im Folgenden werden zum weiteren Verständnis von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung experimentelle Resultate dargestellt.
Zunächst wird auf den Dunkelstrom und statische Rauschcharakteristika von CMOS-Bildsensoren eingegangen.
In einem ersten Experiment wird auf einem Substrat eine epitaxiale Schicht gebildet, und eine Maskenstruktur mit einer Siliciumoxidschicht und einer Siliciumnitridschicht wird auf der epitaxialen Schicht gebildet. Unter Verwendung der Maskenstruktur als Maske wird die epitaxiale Schicht bis zu einer Tiefe von etwa 0,3 μm geätzt, um einen Graben zu bilden, der einen aktiven Photodiodenbereich definiert. Bor wird in einen Boden und eine Seitenwand des Grabens unter Verwendung von Plasmadotierung dotiert, wobei ein Kanalstopp-Störstellenbereich gebildet wird. Bei der Durchführung des Plasmadotierprozesses wird BF₃ als Quellengas verwendet. Die Dotierenergie beträgt 3 kV und die Dosis von BF₃ ist 1,0 × 10¹⁵ Atome/cm². Eine HDP-CVD-Oxidschicht wird in dem mit Bor dotierten Graben vergraben, und die HDP-CVD-Oxidschicht wird mittels CMP planarisiert. Danach werden die Siliciumnitridschicht und die Siliciumoxidschicht entfernt, um einen Graben-Bauelementisolationsbereich zu bilden. Phosphorionen werden in den aktiven Photodiodenbereich implantiert, um einen unteren Störstellenbereich zu bilden, und Bor wird in den aktiven Photodiodenbereich implantiert, um einen oberen Störstellenbereich zu bilden.
In einem zweiten Experiment wird eine Probe in der gleichen Weise wie jener des ersten Experiments hergestellt, mit der Ausnahme, dass BF₃ und N₂ bei der Durchführung der Plasmadotierung als Quellengase verwendet werden, wobei die Fluidmengenverhältnisse von BF₃ und N₂ 20% beziehungsweise 80% betragen.
In einem ersten Vergleichsexperiment wird beim Dotieren von Bor in den Graben keine Plasmadotierung verwendet. Stattdessen wird Bor unter Prozessbedingungen von 30 kV und 1,2 × 10¹³ Atome/cm² implantiert und nochmals unter Prozessbedingungen von 10 kV und 6,0 × 10¹² Atome/cm² implantiert. Alle anderen Prozessbedingungen und Schritte sind die gleichen wie jene des ersten Experiments.
Der gemessene Dunkelstrom und die gemessenen Zufallsrauschcharakteristika der Proben gemäß dem ersten und zweiten Experiment sowie dem Vergleichsexperiment sind in Tabelle 1 aufgelistet.
Tabelle 1
Bezugnehmend auf Tabelle 1 weisen bei einer Dotierung von Bor in den Graben die Proben gemäß den Experimenten 1 und 2, die Plasmadotierung verwenden, einen verringerten Dunkelstrom und ein geringeres Rauschen auf als die Proben vom Vergleichsexperiment. Experiment 2, bei dem N₂ als Verdünnungsgas hinzugefügt wird, weist einen Rauschwert auf, der niedriger als jener von Experiment 1 ist. Wenn Störstellen in den Boden und die Seitenwände des Grabens dotiert werden, können die Dunkelstromcharakteristik und die Zufallsrauschcharakteristik verbessert werden, wenn Plasmadotierung verwendet wird.
Wenn das Innere des Grabens unter Verwendung von Plasmadotierung dotiert wird, umgibt ein Kanalstoppbereich den Boden und die Seitenwand des Grabens vollständig. Ein derartiger Kanalstopp-Störstellenbereich verhindert, dass Ladungen, die von einer Grenzfläche des Gra bens erzeugt werden, die einen kristallinen Defekt beinhaltet, eine Photodiode erreichen, und der Dunkelstrom und das Rauschen können verringert werden.
Nun wird auf das Dotierprofil des Bodens und der Seitenwand des Grabens näher eingegangen. 6 ist eine photographische Aufnahme des Graben-Bauelementisolationsbereichs des zweiten Experiments. Bezugnehmend auf 6 betragen Dicken W₂ und W₃ des Kanalstopp-Störstellenbereichs 106 auf beiden Seiten des Grabens 100a 65,74 nm beziehungsweise 61,07 nm. Die Dicke W₁ des Kanalstopp-Störstellenbereichs 106 unter dem Graben 100a beträgt 72,37 nm. Daher weist die Dicke des Kanalstopp-Störstellenbereichs 106 an der Seite des Grabens 100a ein Verhältnis von 0,86 oder 0,91 bezüglich des Kanalstopp-Störstellenbereichs 106 unter dem Graben 100a auf.
Wenn nur BF₃ als Quellengas ohne Verwendung des Verdünnungsgases verwendet wird (Experiment 1), weist die Dicke des Kanalstopp-Störstellenbereichs auf der Seite des Grabens ein Verhältnis von grob 0,5 bezüglich jener unter dem Graben auf.
Wenn der Kanalstopp-Störstellenbereich unter Verwendung von Plasmadotierung gebildet wird, weist die Dicke des Kanalstopp-Störstellenbereichs auf der Seite des Grabens ein Verhältnis von 0,5 bis 1 bezüglich jener unter dem Graben auf. Wenn der Kanalstopp-Störstellenbereich unter Verwendung von Plasmadotierung gebildet wird, schließt er die Seitenwand des Grabens konform ein. Wenn während der Plasmadotierung das Verdünnungsgas verwendet wird, kann die Konformität verbessert werden.
Bezüglich des Substratdotierprofils wurde als Experiment 3 ein Substrat mit einer epitaxialen Schicht hergestellt, und Bor wurde unter Verwendung von Plasmadotierung in das Substrat dotiert, wodurch ein Störstel lenbereich gebildet wurde. Beim Durchführen der Plasmadotierung wurden BF₃ und N₂ als Quellengase verwendet. Das Fluidmengenverhältnis von BF₃ und N₂ betrug 20% beziehungsweise 80%. Die Dotierenergie betrug 3 kV und die Dosis von BF₃ betrug 1,0 × 10¹⁵ Atome/cm².
Als Experiment 4 wurde eine Probe in der gleichen Weise wie jener des Experiments 3 herstellt, mit der Ausnahme, dass die Dotierenergie während der Plasmadotierung 1 kV betrug.
Als zweites Vergleichsexperiment wurde ein Substrat mit einer epitaxialen Schicht hergestellt. Bor wurde unter den Prozessbedingungen von 30 kV und 1,2 × 10¹³ Atome/cm² implantiert und nochmals unter den Bedingungen von 10 kV und 6,0 × 10¹² Atome/cm² implantiert, wodurch ein bordotierter Störstellenbereich in dem Substrat gebildet wurde.
Die Prozessbedingungen für eine Dotierung mit Bor in die Proben gemäß den Experimenten 3, 4 und dem Vergleich 2 sind in Tabelle 2 aufgelistet.
Tabelle 2
5 ist eine graphische Darstellung, welche die Bordichte bezüglich der aus den Experimenten 3 und 4 und des Vergleichs 2 resultierenden Seitenwandtiefe der Proben zeigt. In 5 beziehen sich Kennlinien a, b und c auf Proben gemäß Experiment 3, Experiment 4 bzw. Vergleich 2.
Bezugnehmend auf 5 weisen die Proben a und b der Experimente 3 und 4 eine beträchtliche Menge an Störstellen auf der Oberfläche des Substrats auf, und die Dichte der Störstellen nimmt kontinuierlich mit der Tiefe von der Oberfläche des Substrats her ab. Die Probe c von Vergleich 2 weist eine Störstellendichte auf, die bis zum Erreichen einer Tiefe von 0,01 μm von der Oberfläche des Substrats her abnimmt.
Im Hinblick auf diese Experimente ist der Störstellenbereich, der unter Verwendung von Ionenimplantation gebildet wird, dicker als jener, der unter Verwendung von Plasmadotierung gebildet wird. Wenngleich zur Bildung eines Kanalstopp-Störstellenbereichs in die Seite des Grabens eine Ionenimplantation verwendet wird, bei welcher ein Ionenstrahl gekippt wird, wird der Störstellenbereich dick gebildet und verringert den Verarmungsbereich der Photodiode, welcher der Seite des Grabens benachbart ist. Im Gegensatz dazu beeinflusst der Kanalstopp-Störstellenbereich, der durch Plasmadotierung gebildet wird, den Verarmungsbereich der Photodiode nicht. Daher kann die Abnahme des Sättigungsstroms verhindert werden, wenn der Kanalstopp-Störstellenbereich unter Verwendung von Plasmadotierung gebildet wird.
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung werden Störstellen in einen Boden und eine Seitenwand eines Grabens dotiert, um einen Kanalstopp-Störstellenbereich zu bilden, der den Boden und die Seitenwand des Grabens vollständig umgibt, und Dunkelstrom und Rauschen können verringert werden. In einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung wird die Störstellendotierung mittels Plasmadotierung durchgeführt, um den gesamten Kanalstopp-Störstellenbereich dünn zu bilden, was die Abnahme des Sättigungsstroms eines CMOS-Bildsensors verhindert.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, insbesondere eines Bildsensors, mit einer Photodiode, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Bilden eines Grabens (100a') in einem Substrat (100'), um einen aktiven Photodiodenbereich (110_1, 110_2) zu definieren, – Dotieren von Störstellen in einen Boden und eine Seitenwand des Grabens, – Bilden eines Graben-Bauelementisolationsbereichs (100a'') durch Bilden einer zwischenraumfüllenden Materialschicht (107) in dem störstellendotierten Graben und – Bilden der Photodiode (140, 150) in dem aktiven Photodiodenbereich.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanalstopp-Störstellenbereich (106) durch die Störstellendotierung derart gebildet wird, dass er den Boden und die Seitenwand des Grabens umgibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierschritt unter Verwendung von Plasmadotierung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter gekennzeichnet durch Bilden einer Oxidschicht (108) innerhalb des Grabens vor dem Dotierschritt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmadotierung bei einer Energie in einem Bereich von etwa 1 kV bis etwa 7 kV und/oder durch eine Dosis in einem Bereich von etwa 1,0 × 10¹³ Atome/cm² bis etwa 1,0 × 10¹⁸ Atome/cm² durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmadotierung unter Verwendung von wenigstens einem Dotierstoffgas oder einem Verdünnungsgas durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dotierstoffgas wenigstens ein Material beinhaltet, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus BF₃, B₂H₆ und BCl₃ besteht, und/oder das Verdünnungsgas wenigstens ein Material beinhaltet, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus H₂, N₂, O₂, F₂, He, Ar und Xe besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Graben in Form einer tiefen Grabenkonfiguration gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Graben mit einer Tiefe von etwa 1 μm bis etwa 4 μm gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Basissubstrat (100) und eine epitaxiale Schicht (101) beinhaltet, die auf dem Basissubstrat ausgebildet ist, und dass der Graben so gebildet wird, dass er die epitaxiale Schicht durchdringt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilden der Photodiode umfasst: – Bilden eines unteren Störstellenbereichs innerhalb des aktiven Photodiodenbereichs und – Bilden eines oberen Störstellenbereichs auf dem unteren Störstellenbereich unter Verwendung von Plasmadotierung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiterbauelement ein Bildsensor hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass – das Bilden des Grabens das Bilden eines Schaltkreisgrabens (100b) innerhalb eines peripheren Schaltkreisbereichs des Substrats zum Definieren eines aktiven Schaltkreisbereichs und das Bilden eines Pixelgrabens (100a) innerhalb eines Pixelbereichs des Substrats zum Definieren des aktiven Photodiodenbereichs beinhaltet, – der Kanalstopp-Störstellenbereich derart gebildet wird, dass er den Boden und die Seitenwand des Pixelgrabens umgibt, und – die zwischenraumfüllende Materialschicht in dem Schaltkreisgraben zum Bilden eines Schaltkreisgraben-Bauelementisolationsbereichs und in dem störstellendotierten Pixelgraben zum Bilden eines Pixelgraben-Bauelementisolationsbereichs gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des Pixelgrabens größer als die Tiefe des Schaltkreisgrabens ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreisgraben in der epitaxialen Schicht des Substrats gebildet wird.
Halbleiterbauelement, gekennzeichnet durch – einen in einem Substrat (100') ausgebildeten Graben-Bauelementisolationsbereich (100a''), um einen aktiven Photodiodenbereich (110_1, 110_2) zu definieren, – einen in dem Substrat ausgebildeten Kanalstopp-Störstellenbereich (106), der den Graben-Bauelementisolationsbereich kontaktiert, wobei der Kanalstopp-Störstellenbereich einen Boden und eine Seitenwand des Graben-Bauelementisolationsbereichs umgibt, und – eine in dem aktiven Photodiodenbereich ausgebildete Photodiode (140, 150).
Halbleiterbauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Störstellendichte in dem Kanalstopp-Störstellenbereich von dem Graben-Bauelementisolationsbereich weg kontinuierlich abnimmt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke des Kanalstopp-Störstellenbereichs auf der Seite des Graben-Bauelementisolationsbereichs ein Verhältnis von 0,5 bis 1 bezüglich einer Dicke des Kanalstopp-Störstellenbereichs unter dem Graben-Bauelementisolationsbereich aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Graben eine tiefe Grabenkonfiguration beinhaltet.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des Grabens etwa 1 μm bis etwa 4 μm beträgt.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Basissubstrat (100) und eine auf dem Basissubstrat ausgebildete epitaxiale Schicht (101) beinhaltet und der Graben die epitaxiale Schicht durchdringt.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement einen Bildsensor beinhaltet.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor folgende Elemente aufweist: – das Substrat mit einem Pixelbereich und einem peripheren Schaltkreisbereich und – einen Schaltkreisgraben-Bauelementisolationsbereich, der in dem peripheren Schaltkreisbereich ausgebildet ist, um einen aktiven Schaltkreisbereich zu definieren, – wobei der Graben-Bauelementisolationsbereich einen Pixelgraben-Bauelementisolationsbereich in dem Pixelbereich bildet, um den aktiven Photodiodenbereich zu definieren, und – wobei der Kanalstopp-Störstellenbereich den Pixelgraben-Bauelementisolationsbereich kontaktiert und einen Boden und eine Seitenwand des Pixelgraben-Bauelementisolationsbereichs umgibt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des Pixelgraben-Bauelementisolationsbereichs größer als die Tiefe des Schaltkreisgraben-Bauelementisolationsbereichs ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Pixelgraben-Bauelementisolationsbereich in der epitaxialen Schicht ausgebildet ist.