TW201528484A - 影像感測裝置及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種影像感測裝置中，轉移電晶體的製造方式。電晶體包括基板，位於基板上的閘極氧化層以及位於閘極氧化層上之閘極電極部。閘極電極部內具有一溝槽或絕緣層用以精準在閘極電極部內定義出第一區及第二區，且其中第一區具有第一導電型，而第二區具有第二導電型或為一未摻雜區。

Description

影像感測裝置及其製造方法
本發明係有關一種半導體技術，且特別有關一種影像感測裝置中，轉移電晶體(Transfer gate)及其製造方法。
在半導體技術中，影像感測裝置係用來感測投射至半導體基底的光線。常見的影像感測裝置包括互補式金氧半(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)影像感測器與電荷耦合裝置(charge coupled device,CCD)感測器，其可廣泛地用於各方面，例如數位相機。這些影像感測裝置係利用畫素陣列來接受光能量，以將影像轉換為數位資料。上述畫素陣列中可包括光二極體(photo diode)以及電晶體。目前，互補式金氧半導體影像感測器的結構包括有3-T架構以及4-T架構二種。3-T架構中可包括重置電晶體(RST)、源極隨耦器電晶體(SF)及選擇電晶體(RS)，而4-T架構中可包括轉移電晶體(TX)、重置電晶體、源極隨耦器電晶體及選擇電晶體。
目前，互補式金氧半影像感測裝置仍普遍存在訊號延遲(image lag)及暗電流(dark current)無法達到最佳化的問題。如果轉移電晶體的閘極，可有兩不同摻雜型式，則可對此一問題進行最佳化改善。但一般的閘極結構10(見第1圖)，其不 同摻雜界面(或接面)11是以圖案化定義，後續的製程容易造成接面的移動，使得同一矩陣(pixel array)的像素(pixel)有不一樣的接面11位置，而使得均勻性不佳，而有雜訊(noise)的產生。
因此，業界極需新穎的製造方法於影像感測器中，可在轉移電晶體裝置中明確定義不同摻雜接面，以期能解決或減輕上述問題。
本發明之實施例係揭示一種影像感測裝置，包括：一電晶體，包括：一基板；一閘極氧化層，位於基板上；以及一第一閘極電極部，位於閘極氧化層上，且第一閘極電極部內具有一溝槽用以定義一接面所在，其中溝槽在第一閘極電極部內定義出一第一區及一第二區，且其中第一區具有一第一導電型，而第二區具有一第二導電型或為一未摻雜區。
本發明之另一實施例係揭示一種影像感測裝置的製造方法，包括：提供一基板；以及於基板內形成一電晶體，電晶體具有一第一閘極電極部位於基板之一閘極氧化層上，且第一閘極電極部內具有一溝槽以及一接面自溝槽底部延伸至基板，溝槽用以定義接面所在，其中接面在第一閘極電極部內定義出一第一區及一第二區，且其中第一區具有一第一導電型，而第二區具有一第二導電型或為一未摻雜區。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
10‧‧‧閘極結構
100、200‧‧‧基板
102‧‧‧半導體層
102’‧‧‧閘極電極部
102a、102a’、202a、202a’‧‧‧第一區
102b、102b’、202b、202b’‧‧‧第二區
11、103、203‧‧‧接面
104、212‧‧‧第一摻雜製程
105、107、205、207‧‧‧圖案化的光阻層
106、214‧‧‧第二摻雜製程
110、206‧‧‧溝槽
120、220‧‧‧光二極體
130、230‧‧‧電晶體
140、240‧‧‧浮置擴散區
202‧‧‧第一半導體層
202’‧‧‧第一閘極電極部
208‧‧‧絕緣層
208’‧‧‧絕緣間隔層
210‧‧‧第二半導體層
210’‧‧‧第二閘極電極部
第1圖為習知影像感測器中轉移電晶體之閘極結構剖面示意圖。
第2A至2E圖為根據本發明一實施例之影像感測器中，一般若具有不同摻雜接面的轉移電晶體裝置的形成方法剖面示意圖。
第3A至3H圖為根據本發明另一實施例之影像感測器中，具有不同摻雜接面的轉移電晶體裝置的形成方法剖面示意圖。
以下說明本發明實施例之影像感測器中，具有不同摻雜接面的轉移電晶體裝置形成方法及其結構。然而，可輕易瞭解本發明所提供的實施例僅用於說明以特定方法製作及使用本發明，並非用以侷限本發明的範圍。再者，在本發明實施例之圖式及說明內容中係使用相同或相似的標號來表示相同的部件。
第2E圖為根據本發明一實施例之影像感測裝置剖面示意圖。請參照第2E圖，在本實施例中，影像感測裝置可為互補式金氧半影像感測器，其包括電晶體130(如，轉移電晶體)。電晶體130包括基板100，形成於基板100上的閘極氧化層101以及形成於閘極氧化層101上的閘極電極部102’。在本實施例中，閘極電極部102’內具有一溝槽110，溝槽110在閘極電極部102’內定義出一第一區102a’及一第二區102b’。
在一實施例中，第一區102a’可具有第一導電 型，而第二區102b’可具有第二導電型，其中第二導電型不同於該第一導電型。舉例來說，第一區102a’可為N型導電型，而第二區102b’為P型導電型。或者，第一區102a’可為P型導電型，而第二區102b’為N型導電型。在另一實施例中，第一區102a’可具有第一導電型，而第二區102b’可為一未摻雜的區域。
在本實施例中，影像感測裝置更包括一光二極體(photodiode)120及一浮置擴散區(floating diffusion)130，其分別形成於第一閘極電極部102’兩側的基板100內。在本實施例中，電晶體130(如，轉移電晶體)可用以將光二極體120所產生的電荷轉移至浮置擴散區140。然而，本發明不限於此。所述閘極電極部102’的結構亦可適用於影像顯示裝置中其他類型的電晶體，例如溢流式閘極電晶體(Overflow gate)。
第2A至2E圖為根據本發明一實施例之之影像感測器中，具有不同摻雜接面的轉移電晶體裝置的形成方法剖面示意圖。參照第2A圖，提供一基板100。在一實施例中，基板100可為一半導體基板，其可為摻雜有微量P型摻雜物的矽基底，然而本發明不限於此。在其他實施例中，基板100亦可包括其他種類的半導體材料，例如矽、鍺或鑽石等元素半導體(elementary semiconductor)，或者是例如碳化矽、砷化鎵、砷化銦或磷化銦等複合半導體。基板100亦可包括覆蓋於塊狀半導體(bulk semiconductor)之上的磊晶層、覆蓋於塊狀矽(bulk silicon)之上的鍺化矽層、覆蓋於塊狀鍺化矽之上的矽材料層或者絕緣層上覆矽(silicon-on-insulator,SOI)結構，為求簡化與清 楚說明，上述結構未繪示於圖式中。在本實施例中，基板100可包括摻雜P型或N型摻雜物的磊晶層(未繪示)，但本發明不限於此。在其他實施例中，基板100亦可包括摻雜N型摻雜物的磊晶層，而在光二極體120(見第2E圖)區域中摻雜P型摻雜物。
接著，繼續參照第2A圖，於基板100上形成一未摻雜的半導體層102。當然，閘極氧化層101在半導體層102形成前便已形成。在本實施例中，半導體層102厚度可為200nm，但本發明不限於此。在其它實施例中，亦包含不同厚度之半導體層102。在本實施例中，半導體層102可由多晶矽或單晶矽所構成，且第一半導體層102可透過低壓化學氣相沉積法(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)、具有合適矽來源材料(silicon source material)的物理氣相沉積法(physical vapor deposition,PVD)或任何適當的沉積法來形成。
接著，參照第2B圖，對半導體層102的一區域實施一第一摻雜製程104(例如，離子佈植製程)，以形成一接面103及由溝槽110所定義出的第一區102a及第二區102b。在本實施例中，可透過於半導體層102上形成一圖案化光阻層105以作為佈植罩幕，藉此界定出欲實施第一摻雜製程104的區域。在本實施例中，第一摻雜製程104可摻雜具有第一導電型的摻雜物，其可為N型摻雜物如磷或砷，或為P型摻雜物如硼。
參照第2C圖，在一實施例中，可對半導體層102的第二區102b實施一第二摻雜製程106(例如，離子佈植製程)，以在第二區102b中摻雜與第一導電型相反之第二導電型的摻雜物。舉例來說，可於第一區102a中摻雜N型摻雜物，且於第二 區102b中摻雜P型摻雜物。或者，可於第一區102a摻雜P型摻雜物，且於第二區102b中摻雜N型摻雜物。在本實施例中，可於第一區102a上形成一圖案化光阻層107以作為佈植罩幕，而在暴露出的第二區102b中摻雜第二導電型之摻雜物。
在其他實施例中，可不對第二區102b實施任何摻雜製程。亦即，第二區102b亦可為一未摻雜區。
在本實施例中，半導體層102將於後續步驟中形成影像感測裝置內電晶體130(如，轉移電晶體)的閘極電極部102，(見第2E圖)，其內部可具有不同導電性的摻雜區(即，第一區102a’與第二區102b’)，用以極佳化影像感測裝置中，暗電流(dark current)和影像延遲(image lag)的性能。然而，不同摻雜區之間的界面(或接面)仍可能因熱擴散等因素而改變位置，導致影像感測裝置中，不同像素有不同的界面(接面)位置，而有不均勻性，造成過高雜訊(noise)的現象。為解決上述問題，參照第2D圖，於接面103的兩側形成一溝槽110，以使溝槽110對應於第一區102a及第二區102b。在本實施例中，溝槽110之深寬比(aspect ratio)範圍，依不同製程能力而有不同的範圍。溝槽110可以任何適當的方法形成。舉例來說，可於半導體層102上施加一圖案化的光阻層(未繪示)。接著，蝕刻半導體層102中未被光阻層保護到的區域，以形成溝槽110。
接著，參照第2E圖，圖案化半導體層102，以於基板100上形成電晶體130的閘極電極部102’。在本實施例中，圖案化半導體層102的步驟可包括於半導體層102上施加一圖案化的光阻層(未繪示)。接著，透過標準的蝕刻製程，去除半 導體層102中未被光阻層保護到的區域，以形成閘極電極部102’。在本實施例中，電晶體130的製作更包括於基板100內形成電晶體130的其他部件(如：源極/汲極區)(未繪示)，上述部件的製作為本領域具有通常知識者所習知，在此不加以贅述。
繼續參照第2E圖，在本實施例中，閘極電極部102’兩側的基板100內可分別形成一光二極體120與一浮置擴散區140。上述光二極體120與浮置擴散區140的製造為本領域具有通常知識者所習知，在此不加以贅述。另外，可理解的是光二極體120與浮置擴散區140的位置可視需要而變更，其不限於第2E圖所示之位置。在本實施例中，電晶體130可為互補式金氧半導體影像感測器中的轉移電晶體，其可用以將光二極體120所產生的電荷轉移至浮置擴散區140。然而，本發明不限於此。所述第一閘極電極部102’的結構及製造方法亦可適用於影像顯示裝置中其他類型的電晶體，如溢流式閘極電晶體(Overflow gate)。
第3A至3H圖為根據本發明另一實施例之之影像感測器中，具有不同摻雜接面的轉移電晶體裝置的形成方法剖面示意圖。參照第3A圖，提供一基板200，並於基板200上形成一第一半導體層202。當然，閘極氧化層201在第一半導體層202形成前便已形成。在本實施例中，第一半導體層202厚度可為150nm，但本發明不限於此。在其它實施例中，亦包含不同厚度之第一半導體層202。在本實施例中，基板200與前述實施例之基板100具有相同或類似的結構。此外，第一半導體層202與 前述實施例之半導體層102可由相同或類似的材質所構成，且可由相同或類似的方法形成，在此不加以贅述。
接著，參照第3B圖，於第一半導體層202內形成一溝槽206。在本實施例中，溝槽206之深寬比(aspect ratio)範圍，依不同製程能力而有不同的範圍。在本實施例中，溝槽206可以任何適當的方法形成。舉例來說，可於第一半導體層202上施加一圖案化的光阻層(未繪示)。接著，蝕刻第一半導體層202中未被光阻層保護到的區域，以形成溝槽206。
參照第3C圖，於第一半導體層202上形成一絕緣層208並填入溝槽206內，在本實施例中，其厚度可為3nm，但本發明不限於此。在其它實施例中，亦包含不同厚度之絕緣層208。接著，如第3D圖所示，於溝槽206的側壁上形成絕緣間隔層208’。在本實施例中，可透過如反應式離子蝕刻(reactive ion etching,RIE)或其他適當的非等向性蝕刻製程來去除第一半導體層202上及溝槽206底部的絕緣層208，以形成絕緣間隔層208’。在本實施例中，絕緣層208材質可包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或任何適當的絕緣材料。在本實施例中，絕緣層208可透過化學氣相沉積法、物理氣相沉積法、原子層沉積法(atomic layer deposition,ALD)、熱氧化製程(thermal oxidation)或任何適當的方法形成。
參照第3E圖，於第一半導體層202上形成一第二半導體層210並填入溝槽206內，以覆蓋絕緣間隔層208’。在本實施例中，第二半導體層210之厚度可為50nm，但本發明不限於此。在其它實施例中，亦包含不同厚度之第二半導體層210。 在本實施例中，第一半導體層202與第二半導體層210，其相加厚度與前述實施例的半導體層102厚度一致，避免元件特性變化。例如，當半導體層102的厚度為200nm，則第一半導體層202厚度可為150nm，第二半導體層210厚度可為50nm，以使得第一半導體層202與第二半導體層210相加的厚度亦為200nm，但本發明不限於此。在其它實施例中，亦可包含不同厚度。第二半導體層210與前述之第一半導體層202及半導體層102可由相同或類似的材質所構成，且可由相同或類似的方法形成，在此不加以贅述。
接著，參照第3F圖，選擇性對第一半導體層202及第二半導體層210實施一第一摻雜製程212(例如，離子佈植製程)，以在第一半導體層202及第二半導體層210內形成一接面203及由溝槽206與絕緣層208’所定義出的第一區202a及第二區202b。在本實施例中，可透過於第一半導體層202及第二半導體層210上形成一圖案化光阻層205以作為佈植罩幕，藉此界定出欲實施第一摻雜製程212的區域。在本實施例中，第一摻雜製程212可摻雜具有第一導電型的摻雜物，其可為N型摻雜物如磷或砷，或為P型摻雜物如硼。
參照第3G圖，在一實施例中，可對第二區202b實施一第二摻雜製程214(例如，離子佈植製程)，以在第二區202b中摻雜與第一導電型相反之第二導電型的摻雜物。舉例來說，可於第一區202a中摻雜N型摻雜物，且於第二區202b中摻雜P型摻雜物。或者，可於第一區202a摻雜P型摻雜物，且於第二區202b中摻雜N型摻雜物。在本實施例中，可於第一區202a上 形成一圖案化光阻層207以作為罩幕，而於暴露出的第二區202b中摻雜第二導電型之摻雜物。
在其他實施例中，可不對第二區202b實施任何摻雜製程。亦即，第二區102b亦可為一未摻雜區。
接著，參照第3H圖，圖案化第一半導體層202及第二半導體層210，以於基板200上分別形成電晶體230的閘極，此閘極是由第一閘極電極部202’及第二閘極電極部210’組合而成。在本實施例中，圖案化第一半導體層202及第二半導體層210的步驟可包括於第一半導體層202及第二半導體層210上施加一圖案化的光阻層(未繪示)。接著，透過標準的蝕刻製程，去除第一半導體層202及第二半導體層210中未被光阻層保護到的區域，以分別形成第一閘極電極部202’及第二閘極電極部210’。在本實施例中，電晶體230的製作更包括於基板200內形成電晶體230的其他部件(如：源極/汲極區)(未繪示)，上述部件的製作為本領域具有通常知識者所習知，在此不加以贅述。
繼續參照第3H圖，在本實施例中，第一閘極電極部202’及第二閘極電極部210’兩側的基板200內可分別形成一光二極體220與一浮置擴散區240。上述光二極體220與浮置擴散區240的製造為本領域具有通常知識者所習知，在此不加以贅述。另外，可理解的是光二極體220與浮置擴散區240的位置可視需要而變更，其不限於第3H圖所示之位置。在本實施例中，電晶體230可為互補式金氧半導體影像感測器中的轉移電晶體，其可用以將光二極體220所產生的電荷轉移至浮置擴散 區240。然而，本發明不限於此。所述第一閘極電極部202’及第二閘極電極部210’的結構及製造方法亦可適用於影像顯示裝置中其他類型的電晶體，如溢流式閘極電晶體(Overflow gate)。
在上述實施例的影像感測裝置中，轉移電晶體於閘極電極部之不同摻雜區的接面處所形成的溝槽及絕緣間隔層可有效阻擋摻雜區中摻雜物的擴散，故可有助於避免摻雜區之界面因受到後續製程(如：熱退火製程)的影響而變動其原先位置。因此，本發明之實施例可有助於降低在影像感測器中，具不同摻雜界面之轉移電晶體裝置中，因無法精確控制閘極電極部內不同摻雜區之間的界面位置，而導致無法極佳化影像感測器中，轉移電晶體裝置的製程參數，而得到最佳性能的問題。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧基板
101‧‧‧閘極氧化層
102’‧‧‧閘極電極部
102a’‧‧‧第一區
102b’‧‧‧第二區
103‧‧‧接面
110‧‧‧溝槽
120‧‧‧光二極體
130‧‧‧電晶體
140‧‧‧浮置擴散區(floating diffusion)

Claims (20)

  1. 一種影像感測裝置，包括：一電晶體，包括：一基板；一閘極氧化層，位於該基板上；以及一第一閘極電極部，位於該閘極氧化層上，且該第一閘極電極部內具有一溝槽用以定義一接面所在，其中該溝槽在該第一閘極電極部內定義出一第一區及一第二區，且其中該第一區具有一第一導電型，而該第二區具有一第二導電型或為一未摻雜區。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該基板包括一P型或N型磊晶區。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，更包括一光二極體及一浮置擴散區，分別形成於該第一閘極電極部的兩側的該基板內。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該電晶體為轉移電晶體。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該第一導電型為N型，且該第二導電型為P型。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該第一導電型為P型，且該第二導電型為N型。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該溝槽位於該接面的兩側而對應於該第一區及該第二區。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該溝槽位 於該接面的其中一側而對應於該第一區或該第二區。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之影像感測裝置，其中該電晶體更包括：一絕緣間隔層，位於該溝槽的側壁上；以及一第二閘極電極部，位於該第一閘極電極部上並填入該溝槽內，以覆蓋該間隔層。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之影像感測裝置，其中該第一及該第二閘極電極部包括多晶矽或單晶矽。
  11. 一種影像感測裝置的製造方法，包括：提供一基板；以及於該基板內形成一電晶體，該電晶體具有一第一閘極電極部位於該基板之一閘極氧化層上，且該第一閘極電極部內具有一溝槽以及一接面自該溝槽底部延伸至該基板，該溝槽用以定義該接面所在，其中該接面在該第一閘極電極部內定義出一第一區及一第二區，且其中該第一區具有一第一導電型，而該第二區具有一第二導電型或為一未摻雜區。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之影像感測裝置的製造方法，其中該基板包括一P型或N型磊晶區。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之影像感測裝置的製造方法，更包括於該第一閘極電極部的兩側的該基板內分別形成一光二極體及一浮置擴散區。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之影像感測裝置的製造方法，其中該電晶體為轉移電晶體。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之影像感測裝置的製造方法，其中該第一導電型為N型，且該第二導電型為P型。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之影像感測裝置的製造方法，其中該第一導電型為P型，且該第二導電型為N型。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之影像感測裝置的製造方法，其中形成該電晶體的步驟包括：於該基板上形成一半導體層；對該半導體層的一區域實施一第一摻雜製程，以形成該接面及由該接面所定義出的該第一區與該第二區；於該接面的兩側形成該溝槽，使該溝槽對應於該第一區及該第二區；以及圖案化該半導體層，以形成該第一閘極電極部。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之影像感測裝置的製造方法，更包括於實施該第一摻雜製程之後，對該第二區實施一第二摻雜製程。
  19. 如申請專利範圍第11項所述之影像感測裝置的製造方法，其中形成該電晶體的步驟包括：於該基板上形成一第一半導體層；於該第一半導體層內形成該溝槽；於該溝槽的側壁上形成一絕緣間隔層；於該第一半導體層上形成一第二半導體層並填入該溝槽內，以覆蓋該絕緣間隔層；選擇性對該第一及該第二半導體層實施一第一摻雜製程，以在該溝槽下方形成該接面及由該接面所定義出的該第一 區與該第二區，其中該接面對準於該溝槽的側壁；以及圖案化該第一及該第二半導體層，以分別形成該第一閘極部及一第二閘極部。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之影像感測裝置的製造方法，更包括於實施該第一摻雜製程之後，對該第二區實施一第二摻雜製程。
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