TW457644B - CMOS image sensor with equivalent potential diode - Google Patents

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Ju-Il Lee
Nan-Yi Lee
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Hyundai Electronics Ind
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Description

A7 B7 457644 五、發明説明（1 ) 發明背景 1 .發明領域 本發明係關於可產生高品質圖像之固態影像感測裝置， 特別係關於與CMOS技術相關聯之影像感測裝置及其製 法。 2 .相關技術之說明 隨著電信與電腦系統的發展，CMOS影像感測器用於電 子成像系統。CMOS影像感測器的需求將隨數位靜態攝影 機、P C相機、數位錄像機及PCS (個人通訊系統），以及 標準類比與先進數位電視和視訊系統的發展而成比例地大 增。又CMOS影像感測器可用於視訊遊樂器、閉路監視 器攝影機及醫療用之顯微攝影機。 圖1為方塊圖示例說明習知CCD(電荷耦合裝置）影像 感測器。如圖1所示，CCD影像感測器100包括光電轉 換及電荷累積器10用於吸收來自物體之光及收集光產生 電荷成為信號電荷封包。又CCD影像感測器100包括一 電荷轉移區20用於輸送來自光電轉換及電荷累積器10 及電荷至電壓信號轉換器30之電荷封包，而當轉移通過 電荷轉移區20時產生信號電荷封包之電壓輸出。 光電二極體廣泛用作光電轉換及電荷累積器。具有PN 接面的光電二極體形成電位阱而累積來自物體的光產生的 電荷。於光電轉換及電荷累積器10產生的電荷被捕集於 光電二極體之電位阱，被捕集的電荷依據電位阱的移動被 移轉至預定位置。此種電荷移動係藉電荷轉移區20控 -4- 本纸張尺度適用中國國家榡準（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐） ^^1 —^1* K1 ^^^1 —^1 ^^^1 n Hf/v ^^^1 m ^—^1 ι^ϋ ^ J * (請先閉讀背面V注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印策 經濟部中央標準局負工消費合作社印家 457644 五、發明説明（2 ) 制。 電荷/電壓信號轉換器3 0產生電壓，該電壓係與被移轉 的信號電荷封包有關σ因電荷產生電場，其對應於靜電電 位，引進信號電荷封包結果集中的電荷可藉靜電電位之電 荷（亦即電位阱深度）測量a此種電位阱改變促成CCD影 像感測器之電壓檢測。 它方面，於檢測信號後，於目前電位阱之電荷需被去除 用於隨後信號檢測。此種電荷的去除係經由將信號電荷封 包排除至汲極而達成。藉由降低電位阱與汲極間之電位屏 障，電位阱可被“重置“。 如前述，習知CCD影像感測器透過電荷耦合檢測影像 信號。光電二極體作為對應影像像素之感光板無法即刻提 取光電電流，反而於電荷堆疊於信號封包一段時間後提取 光電電流。如此，CCD影像感測器具有良好靈敏度及低 雜訊。但因CCD影像感測器需連績移轉光電電荷封包， 要求的驅動信號極為複雜，需要約8伏至1 0伏之大電壓 擺盪，具有高功率消耗，且需正及負功率供給。比較次微 米CMOS技術，其需要約2 0光罩，CCD技術更複雜也更 昂貴，因需要額外光罩製程（約3 0至4 0光罩）。此外， 因CCD影像感測器晶片無法整合典型由CCD電路執行的 信號處理電路，故難以縮小影像感測器大小用於更為寬廣 多變化的用途。 如此，曾經使用CMOS及CCD技術的組合進行更深更 廣的APS (主動像素感測器）研究，APS係由電晶體切換作 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > Α4規格（210X297公釐） ---------^------ΐτ------^ >* (請先Μ讀背C之注意事項再填寫本頁) 457644 A7 _ B7 五、發明説明（3 ) 業控制β 圖2為電路圖示例說明F〇SSum等之美國專利5 471，515 號提出之習知APS之單位像素。Aps使用M〇s電容器妹 構的光閘收集光電電荷。為了轉移於光閉21下方^ 生的電荷至浮動擴散區22，APS包括—轉移電晶體23。 又APS包括一重置電晶體24.，一汲極擴散區25，—驅 動電晶體26作為源極隨耗器，一選擇電晶體27而選擇 一像素陣列之列及一負載電晶體2 8。 但圖2所示APS中，MOS電容器作為感光板，M〇s電 容器係由厚多晶矽層製成，故大部分藍光（具有比紅光更 短波長）偏好由多晶矽吸收，結果難以於低度照明獲得高 品質彩色影像。 經濟部中央標準局员工消費合作社印裝 (請先Μ·讀背面之注項再填寫本頁) 圖3為Lee等之美國專利5,625 21〇提示之Aps之剖面 圖。美國專利5,625,210揭示帶有眾所周知定位光電二極 體乙APS。圖3之APS包括定位光電二極體（pinned photodiode, PPD)來收集光電電荷’及一轉移電晶體Τχ具 有+Ν-區36用於轉移光電電荷由ppD至輸出節點的浮動 N+區37。提供一重置電晶體具有用於一主動區之N+區 37,也具有耦合至電源VDD之另一主動區之N+區刊。 雜質被引進輕度攙雜P—epi(磊晶）層32，該層係生長於較 為重度攙雜P型基質31上。PPD係經由嵌置n +區3 3及 P+定位區34形成β此外，圖3中，參考編號ha、35b及 3 5c各自表示一電晶體閘極。
特別如圖4及Lee等之美國專利5,625,210所示，PPD -6- 本紙張尺度適用中國標準（CNS Μ4胁（210X297公釐） 457644 ^ A7 B7 五、發明説明（4 ) 係經由使用單一光罩層4 1 (例如光阻圖樣）經由循序離子 植入N +及P +雜質形成。特別PPD係經由僅由—出s m、 ^ w 光罩用於 N+及P+二離子植入製程形成。 但若N+及P+二離子植入係僅使用單—光罩循序進行， •形成於N+區33上方的P+定位區34無法可靠地電連接至 P磊晶層3 2。特別因植入N +區3 3所需能量比p +定位區 34更高’故此種離子植入過程將導致p +定位區3 4與p 日層32作電隔離》結果，p定位區34與ρ基晶層32 將處於不同電位’特別當使用3.3伏之低電源時尤為如 此。此種電位差異妨礙N+區33完全空乏，因此無法獲得 穩定定位電壓。此外，硼原子攙雜劑隔離於場氧化物層 39也促成P+定位區34與P磊晶層32隔離。 經濟部中央樣準局負工消费合作社印裝
Nakashiba及Uchiya之另一美國專利5,567 632揭示嵌 置（或定位）光電二極體製造方法，其採用傾斜離子植入及 單一光罩層。此案例中，難以於量產環境下控制及監視離 子植入角度。換言之’極為難以測量N +定位區3 4與P + 區33間之準確對正來使嵌置的光電二極體一致可靠。此 外’使用N +或p +定向夾角離子植入限制轉移閘設置於相 對於晶片與晶圓之特定方向性，原因為夾角離子植入故。 發明概述 因此本發明之目的係提供一種可於低電壓作業之影像感 測器。 本發明之另一目的係提供一種使用次微米CMOS技術製 造影像感測器之方法。 -7- 本紙張適用中國國家操準（CNS ) A规^· ( 2l〇xW7公釐） 4 5 7 6 4.4 ， A7 B7 五、發明説明（5 ) 本發明之又另一目的係提供一種具有改良之電荷轉移效 果之影像感測器及其製法。 根據本發明之一方面，提供一種用於CMOS影像感測裝 置之光電二極體，包含：一第一導電型半導體層；一隔離 層將半導體層劃分為一場區及一主動區；一第二導電型第 一雜質區，係形成於該半導體層内部，其中該第一雜質區 係與隔離層隔開；及一第一導電型第二雜質區，係形成於 該半導體層表面下方及於第一雜質區上，其中第二雜質區 寬度係寬於第一雜質區寬度，故部分第二雜質區係形成於 半導體層上，如此，第二雜質區具有與該半導體層相等的 電位。 根據本發明之另一方面提供一種CMOS影像感測裝置， 包含：一第一導電型半導體層；一第一導電型阱區，其係 局部位於該半導體層；一光電二極體係形成於該半導體 層，用於感測來自物件之光；至少一空乏電晶體係形成於 該半導體層，用於轉移光電二極體產生的光電電荷至浮動 接面，該浮動接面係形成於半導體層部分上及其儲存光電 電荷；及至少一增強電晶體係形成於阱區，用於回應由浮 動接面轉移之光電電荷量輸出電信號。 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 (請先昤讀背面"之注意事項再填寫本頁) 根據本發明之又另一方面提供一種CMOS影像感測裝 置，包含：一導電型半導體層；一第一導電型阱區，其係 局部位於該半導體層；至少一光電二極體其係形成於該半 導體層及位於阱區外側，用於感測來自物件的光線；一浮 動接面用於儲存於光電二極體產生之光電電荷；一第一空 -8- 本紙伕尺度適用中國國家橾準（CNS > A4規格（210X297公釐） 457644 A7 B7 五、發明説明（6 ) 乏電晶體係形成於阱區外侧且介於光電二極體與浮動接面 間，用於轉移光電電荷至浮動接面，及其中該第一空乏電 晶體係回應第一控制信號控制；一第二空乏電晶體其係形 成於阱區外侧且耦合至浮動接面，用於重置浮動接面至預 定電位；一第一增強電晶體，其係形成於該阱區且回應儲 存於浮動接面之光電電荷量而輸出電信號，其中第二空乏 電晶體及第一增強電晶體之一共通主動區係位於半導體層 與阱區間之邊界；及一第二增強電晶體其係形成於該阱區 及用於接收選擇像素用之位址信號。 根據本發明之又另一方面提供一種製造用於CMOS影像 感測裝置之光電二極體之方法，該方法包含下列步驟：提 供一第一導電型半導體層；形成一隔離層，該層將該半導 體層劃分為一場區及一主動區；形成一第二導電型第一雜 質區於該半導體層内部，該形成係使用第一離子植入光罩 進行，其中該第一離子植入光罩遮蓋部分半導體層，故第 一雜質區係與隔離層隔開；及使用第二離子植入光罩形成 —第一導電型之第二雜質區於該半導體層表面下方且位於 第一雜質區上，其中第二離子植入光罩開啟部分半導體 層，故第二雜質區寬度比第一雜質區寬度更寬，且部分第 二雜質區係接觸該半導體層。 根據本發明之又另一方面提供一種製造CMOS影像感測 裝置之方法，該CMOS影像感測裝置具有一光電二極 體，該方法包含下列步驟：提供一第一導電型半導體層； 形成一隔離層於該半導體層上俾便界定一場區及一主動 -9 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（2丨0><297公釐） 請 先 閱· 背 面 之 注
I 經濟部中央橾準局員工消費合作社印裝 45764m 五、發明説明（7 ) 區，形成-空乏電晶體之閉接電極於該半導體，且 隔離層隔開；形成—笛一銪 n n »n I I n n n I 丁 (請先盹讀背面-'之注意事項再填寫本頁} 區且係位於隔離層與空乏電晶體之問極電極間，其中^ 離子植人光罩遮盖隔離層及部分接近隔離層之咸光區， 形成-第-雜質區，係經由將第二導電型雜質離；引進暴 露的感光區形成；移開第一離子植入光罩；形成一第二離 子植入光罩其可開啟全部感光區，其中該第二離子植入光 罩係設置於隔離層與感光區間之交界面，故第二離子植入 光罩之開放區係寬於第一離子植入光罩之開放區；及形成 一第二雜質區，係經由將第一導電型雜質離子引進全部感 光區形成，如此，第一雜質區係與隔離層分開，第二雜質 區寬度係寬於第一雜質區寬度，及部分第二雜質區係接觸 該半導體層《 提供—第一導電型半導體層：第二步驟，形成一第 驟 根據本發明之又另一方面提供一種製造具有一光電二極 體之CMOS影像感測裝置之方法，該方法包含：第—步 經濟部中央標準局員工消費合作社印聚 導電型牌區於部分半導體層；第三步驟，將雜質離子引進 阱區俾便調整閾值電壓；第四步驟’形成轉移電晶體之第 一閘極，重置電晶體之第二閘極及輸出電晶體之至少一第 三間極’其中該第一閘極及第二閘極係形成於阱區外側， 及孩第三閘極係形成於阱區上，及重置電晶體及輸出電晶 禮之共通活性區係位於半導體層與阱區間之邊界；一第五 步驟’形成一光電二極體於半導體層，其中該光電二極體 係電耦合至轉移電晶體；一第六步驟，形成一第一離子植 -10 本紙張尺度適用中賴家樣準（CNS )八4驗（21GX297公釐 457644 Α7 Β7 五、發明説明（8 ) 入光罩’其暴露阱區及引進低濃度第二導電型雜質離子至 昧區；一第七步驟’形成一絕緣間隔層作為第三閘極側 壁’及一第八步驟，形成—第二離子植入光罩暴露該半導 體層及畔區，但光電二極體除外，及將高濃度第二導電型 雜質離子引至半導體層及阱區，藉此轉移電晶體及重置電 晶體其主動區係形成於半導體層，可以空乏模式工作，及 該輸出電晶體其主動區係形成於阱區而可以增強模式工 作。 ®式之簡單說明 其他本發明之目的及方面由後文具體例之說明參照附圖 將顯然易明，附圖中： 圖1為方塊圖示例說明習知CCD影像感測器； 圖2為方塊圖示例說明習知ApS之單位像素； 圖3及4為剖面圖示例說明圖2之習知aps ; 圖5為電路圖示例說明根據本發明之cmos影像感測器 之單位像素； 圖6為剖面圖示例說明根據本發明之cmos影像感測器 之單位像素； 圖7 A至7 J為剖面圖示例說明圖6之單位像素之製 法；及 圖8A及8B為用於將雜質離子植入主動區之光罩圖樣 之頂視圖β 較佳具體例之詳細說明 後文將參照附圖說明本發明之細節。 -11 - 本紙張尺度ϋ财g®轉準（CNS)織格（21():<297公着） 請 先 讀 背 之 注 意 事 項 再 填 寫 本 頁 笨 1 丁 經濟部中央搮準局負工消費合作杜印製 A7 B7 五、發明説明（9) 參照圖5，顯示根據本發明之CMOS影像感測器之單位 像素。單位像素包括一低電壓光電二極體（LVPD) 510及 四個NMOS電晶體。轉移電晶體（Τχ) 520轉移由低電壓 光電二極體510收集的光電電荷用於於浮動節點560上感 測。重置電晶體（Rx ) 530經由排除電荷及設置節點電位 為已知值而重置浮動節點560。驅動電晶體（Dx ) 540作 為源極隨耦緩衝放大器，及選擇電晶體550對共用負載電 晶體570提供定址能力《 本發明具有主要優點為包括低電壓光電二極體510及 NMOS電晶體之影像感測器可使用常見CMOS技術製造。 又轉移電晶體（Tx) 520及重置電晶體（Rx) 530形成為空 乏模式，或低閾值電壓NMOS電晶體俾便改良電荷移轉 效率以及降低輸出信號的壓降及/或信號電荷損耗。特 別，適當NMOS電晶體可使用P磊晶層而不含P阱製 造。此種負NMOS電晶體具有微負的閾值電壓。 經濟部中央標準局員工消费合作社印裝 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖6為剖面圖示例說明根據本發明之CMOS影像感測器 之單位像素。如圖6所示，為了改良CMOS影像感測器 之靈敏度以及經由減少光產生電荷的”錯誤收集”來改良 調變轉移功能，磊晶層用於本發明建立CMOS裝置。換 言之，使用具有P磊晶層602形成於P+基質601上至雜 質濃度約10 14離子/立方厘米的晶圓。使用P磊晶層602 之理由如下。 1) P磊晶層602允許低電壓光電二極體之空乏區變大 變深，其經由提高低電壓光電二極體收集光電產生電荷之 -12- 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 4 5 7 6 44 A7 B7 經濟部中央樣準局員工消費合作社印装 五、發明説明（1CJ) 能力而改良靈敏度。本發明中，P磊晶層6〇2之厚度為約 2至5微米口 2)於P蠢晶層602下方之高度攙雜p+基質601可經由 減少光電電荷之隨機擴散而改良感測器陣列調變轉移功 能。電荷於P型基質隨機擴散結果導致可能由鄰近像素” 錯誤收集”光產生的電荷，且直接導致影像鮮明度損耗或 較低調變轉移功能。少數載子壽命縮短，及P +基質601 攙雜濃度較高可顯著減少光電電荷之”錯誤收集，’，原因 為電荷於擴散至鄰近像素之前已經迅速復合而消失。本發 明中，較佳P +基質601及p磊晶層602具有電阻係數分 別為約0.01 Ω cm及10-25 Ώ cm。如此，P+基質601之雜質 ;辰度需遠高於P磊晶層602之雜質濃度，及p +基質601 的對應少數載子壽命需遠低於p蟲晶層602之少數載子 壽命。 再度參照圖6 ’根據本發明之低電壓光電二極體包括一 輕度攙雜N-區6〇3形成於p磊晶層6〇2，及—輕度攙雜 P0區604形成於輕度攙雜N-區603周圍□此種低電壓光 電二極體具有絕佳靈敏度及光子至電子之量子效率原因 為感光區未以多晶矽層遮蓋故，特別對短波長藍光靈敏度 顯著改進。由於輕度P磊晶層結果，低電壓光電二極體 之電荷S乏區也對長波長紅光或紅外光具有高靈敏度。此 外，此低電壓光電二極體可快速有效地轉移電荷由感光區 至浮動感測節點。此外，經由控制於矽-二氧化矽交界面 之义界面產生能階態電位狀態可減少暗電流。 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公廣） m^i - -i ^^^^1 nn ^1^1— j— HJ In ^^^1--5J - , (请先盹讀背面之注意事項再填寫本頁) 5 A7 5- A A ^ Hh H- B7 五、發明説明（11 ) 為了實現前述優點，低電壓光電二極體需於低電壓完全 空乏，其可與5伏、3.3伏或2.5伏之電源相容。但習知 CCD需要超過8伏之高驅動電壓俾便有效轉移電荷及全 然空乏於典型CCD製程嵌置的光電二極體。因CCD製程 中於嵌置光電二極體離子植入後之高溫製程故，所得嵌置 光電二極體無法於低於5伏之電壓全然空乏。又使用傾斜 離子植入技術嵌置的光電二極體無法藉利用低電壓製程的 典型次微米CMOS方法穩定實現。 例如3.3伏作業之0.5微米CMOS方法須有嵌置光電二 極體結構其可於1 . 2伏-2.8伏範圍完全空乏。若此電壓 過高*則光電電荷至浮動感測郎點之不冗全電何^移轉將引 起多種非期望的成像缺陷。它方面，若此電壓過低，則嵌 置光電二極體之電荷容量將極低，結果導致輸出信號小。 未經額外加熱處理（其曾經用於習知CCD方法），僅使 用二光罩、二離子植入製程及習知次微米CMOS方法之 加熱處理，本發明製造一種低電壓光電二極體，其於3.3 伏及5伏電源之例中可於1.2伏至4.5伏之電壓範圍完全 空乏。此將具體舉例說明於本發明之處理步驟。如圖6所 示，因場氧化物層607邊與N _區603邊充分隔開（參考圖 6之” A ”），P0區604電連結至P磊晶層602，因此位於相 等電位。換言之，PG區604之側壁及底部係接觸P磊晶層 602，因此603及602兩層位在相等電位。故經由適當選 擇N-及P0植入能，N—區603可於1.2伏-4.5伏間之電壓 可靠地完全空乏。 -14- 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ---------$------1T------> *k (請先閲讀背&之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央樣準局員工消費合作社印装 457644 A7 B7 五、發明説明（12) 四種NMOS電晶體中，轉移電晶體（T X )及重置電晶體 (R X)為低閾值電壓或空乏模式電晶體而確保浮動節點完 全重置，及獲得最大輸出電壓動態範圍。驅動電晶體（Dx) 及選擇電晶體（Sx)為典型NMOS電晶體。如此，驅動電 晶體（Dx)及選擇電晶體（Sx)係形成於P阱。但像素内之 橫向阱擴散造成低電壓光電二極體及固有電晶體之電力特 性低劣。如此，P阱605限於小區，但透過橫向擴散合併 全部驅動電晶體及選擇電晶體而未影響低電壓光電二極體 及關聯之重置電晶體及轉移電晶體。本發明之較佳具體例 中，P阱區包括重置電晶體（Rx)之部分汲極606丑延伸 至場氧化物層607 (後文將此P阱區605稱作迷你P阱）。 又形成於P阱605之驅動電晶體（Dx)及選擇電晶體（Sx) 使用LDD (輕度攙雜汲極）結構。形成於P磊晶層602之 轉移電晶體（Tx)及重置電晶體（Rx)未使用LDD(輕度攙 雜汲極）結構，其可改善浮動節點與重置電壓的隔離，藉 由降低重疊電容而減少重置時脈信號與轉移時脈信號間之 耦合量，及經由降低浮動節點之關聯總電容而增加像素之 總靈敏度。 根據本發明之影像感測機制詳細說明如後： a) 轉移電晶體（Tx)、重置電晶體（Rx)及選擇電晶體 (Sx)被斷開。此時，低電壓光電二極體完全空乏。 b) 光子被吸收入矽基質並產生光電電荷。 c) 光電電荷由低電壓光電二極體收集。 d )於預定積分時間而收集光電電荷後，浮動感測節點藉 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )A4規格（210X297公釐） 請 先 閱 讀 背 之· 注 意 事 項 再 填 寫 本 頁 装 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 457644 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（13 ) 由導通重置電晶體（Rx)重置^ e) 經由導通選擇電晶體（Sx)而選定單位像素供讀出。 f) 測量/隸隨接緩衝器之輸出電壓V】（此電壓僅表示浮 動感測節點之直流位階遷移）。 g) 轉移電晶體（Τχ)被導通。 h) 全部收集的光電電荷被轉移至浮動㉟測節點。 i )轉移電晶體（T X )被斷開， j) 源極隨耦缓衝器之輸出電壓V2經測量。所得差異輸 出信號W-V2係由於光電電荷轉移之緣故。此種方法稱 作CDS (父互關聯雙重抽樣）方法，可提供補償電壓抵 消、重置開關雜訊及1 / f閃爍雜訊。 k) 重複步騾（a)至（j)。低電壓光電二極體於步驟（^)完 全空乏。 圖7A至7J為剖面圖示例說明根據本發明之CM〇s影 像感測器之單位像素之製法。 參照圖7A，P磊晶層702形成於p+基質7〇1上及雜 質引進暴露之P磊晶層。此時因單位像素内部有一低電 壓光電—極體其二固有NM〇s電晶體（轉移電晶體及重置 e日9組）以及次微米NMOS電晶體（驅動電晶體及選擇電 晶體），故用於典型次微米CM〇S方法的習知p阱基質非 用作本發明之CMOS影像感測器。用於典型次微米CMOS 方法的習知阱結構由於小像素内部橫向攙雜及擴散之容忍 度有限’因此造成低電壓光電二極體及固有NM〇S電晶 體之電力特性低劣。換言之’如前述進行迷你p阱製 -16- 本紙張尺度適用中圉國家標準（CNS >厶4規格（2!〇χ297公釐） _ ^^------1T------··-" (請先Η·讀背面之注意事項再填寫本頁) 457644 五、發明説明（14 法。 參照圖7B，於移開p阱離子植入光罩7〇3後，合併 動:晶體及選擇電晶體二者之p陈7〇5係於加熱處理期 間藉橫向擴散形成。 ” ‘·、圖C為了裝置隔離目的，場氧化物層係藉 ，〇S方法、凹槽隔離法等形A ;場氧化物層7 0 7界‘ =場區及一主動區。此具體例中，多層光罩圖樣7〇2其中 觀塾氧化物層、緩衝多晶石夕層及氮化物層係以此種順岸形 成，用作形成場氧化物層之濕氧化物光罩。隔離為本主題 相關業界人士眾所周知。 參照圖7D，去除多層光罩圖樣7〇6後，形成暴露p阱 7〇5之光罩圖樣74〇，進行離子植入而調整n通道閾值電 壓及擊穿電壓。經由使用此種離子植入，於單位像素内: <驅動電晶體及選擇電晶體具有次微米NMOS電晶體之 典型特徵。同時此種離子植入調整閾值電壓並非於待形成 低電壓光電二極體及二固有電晶體之區域進行。 經濟部中央樣隼局員工消費合作社印装 參照圖7E，為了形成四個單位像素内部之NM〇s電晶 體，多晶矽層709及矽化鎢層710以此順序形成於p』 晶層702上藉光罩及蝕刻製程圖樣化，因此形成四個聞： 電極7 Π彼此隔開預定間隔距離。 ~ 其次，參照圖7F，光罩圖樣7U形成於所得結構上而 形成低電壓光電二極體之輕度攙雜N-區721，引進p石 晶層702之雜質濃度為约10丨7離子/立方厘米。此時須: 意極為要緊地需使用光罩圖樣7丨3作為植入光罩而界定離 -17- 本紙伕尺度適用中國闺家標準（CNS ) A4«^( 210X297公釐） 457644 A7 B7 五、發明説明（15 ) 子植入區。如圖7F之剖面圖所示，光罩圖樣713之一端 7 15係位於轉移電晶體閘極電極中央，及其另一端716係 位於主動區内側。換言之，場區與主動區間之交界面係被 光罩圖樣713遮蓋，故位在交界面附近之部分主動區未接 受離子植入。光罩圖樣713係沿圖8A光罩之線A-A，所 取=如圖8 A所示，光罩圖樣713係沿主動區與場區間之 交界面（圖8A之虚線）對正，但其遮蓋部分主動區8〇〇, 如此，防止N —雜質離子被引進其邊緣。 參照圖7G’光罩圖樣713被去除，另—光罩圖樣717 被形成因而形成輕度攙雜p〇區722。雜質以約1〇丨8離子/ 立方厘米濃度引進P磊晶層702。此時P0離子之加速係 低於圖7F N-離子之加速能，故輕度攙雜p〇區722係位於 輕度换雜N區721上。如圖7 G之剖面圖所示，光罩圖樣 717 —端719係位於轉移電晶體之閘極電極中央，及其另 一端720係位於場氧化物層707上β圖8 b顯示光罩圖樣 717之頂視圖。如此，本發明之低電壓光電二極體整個主 動區皆暴露出，故比較圖3所示電連結，介於ρ0區722 與Ρ磊晶層702間達到充分電連結Α ^雖然本發明採用 兩個不同尺寸光罩’但需注意此種連結Α可秘屯丨，w 經濟部中央標準局負工消費合作社印袈 ° Λ可經由控制雜 質區深度達成5 它方面，相對於圖7F及7G之離子；^λ 、 啡卞植入万法，轉移電 晶體之閘極電極厚度需控制。因低電壓光兩_ υ兒—極體之攙雜 情況決定電荷轉移效率，故攙雜區自杆斟τ & ’ 丁對正轉移電晶體間 極電極一端·>如此’轉移電晶體之閘極雷木 使而具有可迷斷 -18 本紙伕尺度適用中國國家標率（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 457644 五、發明説明（16) 加速離子的厚度。若否，則離子穿入閘極電極，故離子攙 雜層72 1及722未自行對正轉移電晶體閘極電極邊緣。此 種未對正使電荷轉移效率低劣。多晶梦層及沙化鶴層於習 知CMOS方法分別形成厚度為約1500埃及小於1500 埃，但於本發明之較佳具體例中，其形成厚度分別為大於 2000埃及大於1500埃。結果根據本發明之轉移電晶體之 閘極電極厚度比較藉習知CMOS方法製造之NMOS電晶 體相對較厚。 此外，因輕度攙雜N·區721邊緣遠離場氧化物層707邊 緣，且介於PG區722與P磊晶層702間達成足夠電連結 A，故即使於電源電壓低於5伏時，PG區722及P磊晶層 702仍具有相同電位。如此，輕度攙雜N —區721於1.2-4.5伏時完全空乏。若未達成PG區722與P磊晶層702間 之足夠電連結A，則光電二極體無法作為低電壓光電二極 體而無法達到完全空乏。 其次，參照圖7 Η，於移開光罩圖樣717後，於所得結 構上形成光罩圖樣723，暴露出Ρ阱區俾便對驅動電晶體 及選擇電晶體提供LDD結構。藉此於Ρ阱之驅動電晶體 及選擇電晶體將具有如同習知次微米NMOS電晶體之相 同特徵。因LDD結構之離子植入未於Ρ磊晶層702進 行’故轉移電晶體及重置電晶體不具有LDD結構’亦即 其為固有NMOS電晶體。 參照圖7 I，去除光罩圖樣723後，氧化物層藉LPCVD (低電壓化學蒸氣沉積）方法沉積於所得結構上，俾便形成 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2l〇X297公釐）
In In n n^i I hr. ^^^1 ^1.^1 V 1 ' 3 、-B (請先w讀背面'之注意事項再填寫本頁) 457644 A7 B7 五、發明説明（17) 單位像素内部四個電晶體之源極/汲極區。回蝕方法應用 於氧化物層，然後氧化物間隔層726形成於全部電晶體之 側壁上=光罩圖樣727用於將雜質離子植入P磊晶層702 及P阱705，但低電壓光電二極體區除外，光罩圖樣727 形成於所得結構上及進行N+離子植入，藉此對源極/汲極 形成高度攙雜N +區729。 如前述，形成於P磊晶層702之固有電晶體T x及R X 具有負閾值電壓（空乏模式）。固有空乏模式電晶體之特徵 可有效用於本發明之轉移電晶體。例如當達到光電二極體 之電荷容量時，過量光電電荷將溢流出光電二極體且由鄰 近像素收集。由於影像強光源造成的串音稱作”開花”。 如本發明之示例說明，於使用空乏模式之固有轉移電晶 體之案例，雖然〇伏施加於固有轉移電晶體之閘極，但電 流可流動，原因為低電壓光電二極體與浮動感測節點間之 電位差增高故，如此，去除’’開花”。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 nn nnt ^lk —fe (請先B3-讀背面'之注意事項再填寫本頁) 它方面，於低電壓光電二極體内部之自行對正N·區721 及區722透過高溫LPCVD製程進行向外擴散過程形成 而氧化物間隔層726。於PG區722擴散超出轉移電晶體 閘極下方之N _區721之案例，於轉移電晶體一側形成電 位屏障，其降低電荷轉移效率。如此，為了於進行高溫 LPCVD製程時不會形成此種非期望的電位屏障，需小心 控制P 0及NT區722及72 1之橫向情況。 圖7 J為於一般後端製程後單位像素之剖面圖。如圖7 J 所示，於形成高度攙雜N _區729後，形成層間絕緣層 ，20- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210X297公釐） 457 6 44 A7 _ ____ B7 五、發明説明（18) PMD、IMD1及IMD2及金屬層M1及M2，且形成鈍化層 用於保護裝置不接觸水氣及刮擦。最後，由紅、綠、及藍 色配置或黃 '紫及靛色配置组成的濾色鏡陣列係形成於鈍 化層上。於低電壓光電二極體之敏感區上僅有絕緣層、鈍 化層及濾色鏡。又為了屏蔽非感光區不接觸入射光，可使 用另一金屬層或不透明光屏。 雖然未舉例說明用途已經揭示本發明之較佳具體例，但 業界人士瞭解多種修改、添加及取代皆屬可能而未悖離如 隨附之申請專利範圍揭示之本發明之範圍及精髓。 ---------^ ! - . (請先閲讀背Φ.之注'項再填寫本頁) 訂------> 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇χ297公釐）

Claims (1)

  1. Λ8 £8 C8 D8 457644 六、申請專利範園 1 - 一種用於CMOS影像感測裝置之光電二極體：包含： 一第一導電型半導體層； 一隔離層將丰導體層劃分為一場區及一主動區； 一第二導電型第一雜質區，係形成於該半導體層内 部’其中該第一雜質區係與隔離層隔開；及 一第一導電型第二雜質區’係形成於該半導體層表 面下方及於第一雜質區上’其中第二雜質區寬度係寬於 第一雜質區寬度，故部分第二雜質區係形成於半導體層 上， 如此’第二雜質區具有與該丰導體層相等的電位。 2. 如申請專利範圍第1項之光電二極體，其中該光電二 極體進一步包含一第一導電型半導體基質，其係形成於 半導體層下方，其中半導體基質之雜質濃度係高於半導 體層之雜質濃度。 3. 如申請專利範圍第2項之光電二極體，其中該半導體 層之電阻係數係於約10_25 Q cm之範圍及該半導體基質 之電阻係數為約〇.〇 1 Ωcm。 4. 如申請專利範圍第2項之光電二極體’其中該半導體 層為一磊晶層生長於該半導體基質上。 5. 如申請專利範圍第2項之光電二極體，其中該半導體 層厚度係於約2 - 5微米之範圍= 6. 如申請專利範圍第5項之光電二極體，其中該磊晶層 係形成至雜質濃度為約1〇 w離子/立方厘米。 7·如申請專利範圍第6項之光電二極體，其中該第二雜 -22- 本紙張尺度逋用t國國家揉準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） (請先閲讀背面之注項再填寫本頁) ·— >今 訂 經濟部中央標率局貝工消费合作社印装 A8 B8 C8 D8 457644 六、申請專利範圍 質區係形成至雜質濃度為約1018離子/立方厘米。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 8. 如申請專利範圍第7項之光電二極體，其中該第一雜 質區係形成至雜質濃度為約1〇17離子/立方厘米。 9. 如申請專利範園第8項之光電二極體，其中該光電二 極體具有一層於約1.2 -4.5伏完全空乏層於該半導體 層。 10. 如申請專利範圍第1項之光電二極體，其中該第一導 電型為P型及該第二導電型為>4型。 11. 一種CMOS影像感測裝置，包含： 一第一導電型半導體層； 一第一導電型阱區，其係局部位於該半導體層； 一光電二極體係形成於該半導體層用於感測來自物 件之光； 至少一空乏電晶體係形成於該半導體層用於轉移光 電二極體產生的光電電荷至浮動接面，該浮動接面係形 成於半導體層部分上及其儲存光電電荷；及 至少一增強電晶體係形成於阱區用於回應由浮動接 面轉移之光電電荷量輸出電信號。 經濟部中央標隼局負工消費合作社印袈 12. 如申請專利範圍第1 1項之CMOS影像感測裝置，其中 該空乏電晶體具有負閾值電壓，及其中該CMOS影像 感測裝置進一步包含一重置電晶體形成於該半導體層， 及其中該重置電晶體具有負閾值電壓用於重置於浮動接 面之電位。 13. 如申請專利範圍第1 1項之CMOS影像感測裝置，其中 -23- 本紙浪尺度逋用中國®家揉率（CNS ) A4*ys· ( 210X297公釐） 457644 ABCD 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 六、申請專利範圍 該浮動接面為第二導電型高度攙雜區，其係形成於該導 電層且介於空乏電晶體與重置電晶體間。 14. 如申請專利範圍第1 1項之CMOS影像感測裝置，其中 該光電二極體包含： 一第二導電型第一雜質區，係形成於該半導體層内 部，其中該第一雜質區係與隔離層隔開；及 一第一導電型第二雜質區，係形成於該半導體層表 面下方及於第一雜質區上，其中第二雜質區寬度係寬於 第一雜質區寬度，故部分第二雜質區係直接接觸該半導 體層， 如此，第二雜質區具有與該半導體層相等的電位。 15. 如申請專利範圍第1 4項之CMOS影像感測裝置，其中 該光電二極體具有一層於約1.2 - 4.5伏完全空乏層於該 半導體層。 16. —種CMOS影像感測裝置，包含： 一導電型半導體層； —第一導電型阱區，其係局部位於該半導體層； 至少一光電二極體其係形成於該半導體層及位於阱 區外侧用於感測來自物件的光線； 、 —浮動接面用於儲存於光電二極體產生之光電電何， 一第一空乏電晶體係形成於阱區外側且介於光電二 極體與浮動接面間用於轉移光電電荷至浮動接面，及其 中該第一空乏電晶體係回應第一控制信號控制； -24- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度速用中國國家梂準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 457644 ABCD 經濟部中央標隼局負工消費合作社印裝 六、申請專利範圍 一第二空乏電晶體其係形成於阱區外側且耦合至浮 動接面用於重置浮動接面至預定電位； 一第一增強電晶體，其係形成於該阱區且回應儲存 於浮動接面之光電電荷量而輸出電信號，其中第二空乏 電晶體及第一增強電晶體之一共通主動區係位於半導體 層與阱區間之邊界；及 一第二增強電晶體其係形成於該阱區及用於接收選 擇像素用之位址信號。 17. 如申請專利範圍第1 6項之CMOS影像感測裝置，其中 該第一及第二增強電晶體具有輕度攙雜汲極LDD結 構。 18. 如申請專利範圍第1 6項之CMOS影像感測裝置，其中 該光電二極體包含： —第二導電型第一雜質區，係形成於該半導體層内 部，其中該第一雜質區係與隔離層隔開；及 一第一導電型第二雜質區，係形成於該半導體層表 面下方及於第一雜質區上，其中第二雜質區寬度係寬於 第一雜質區寬度，故部分第二雜質區係直接接觸該半導 體層， 如此，第二雜質區具有與該半導體層相等的電位。 19. 如申請專利範圍第1 8項之CMOS影像感測裝置，其中 該光電二極體具有一層於約1.2 - 4.5伏完全空乏層於該 半導體層。 20. 如申請專利範圍第1 8項之CMOS影像感測裝置，其中 -25- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐） A8 B8 C8 D8 457644 六、申請專利範圍 (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 該半導體層為一磊晶層形成於具有第一導電型之半導體 基質上。 21. 如申請專利範圍第1 8項之CMOS影像感測裝置，其中 該第一及第二空乏電晶體具有一閘極電極包括一多晶矽 層及一矽化物層。 22. 如申請專利範圍第1 8項之CMOS影像感測裝置，其中 該第一及第二空乏電晶體具有一間隔絕緣層形成於其閘 極電極上。 23. —種製造用於CMOS影像感測裝置之光電二極體之方 法，該方法包含下列步驟： 提供一第一導電型半導體層； 形成一隔離層，該層將該半導體層劃分為一場區及 一主動區； 形成一第二導電型第一雜質區於該半導體層内部， 該形成係使用第一離子植入光罩進行，其中該第一離子 植入光罩遮蓋部分半導體層，故第一雜質區係與隔離層 隔開；及 經濟部中央棣準局負工消費合作社印裝 使用第二離子植入光罩形成一第一導電型之第二雜 質區於該半導體層表面下方且位於第一雜質區上，其中 第二離子植入光罩開啟部分半導體層，故第二雜質區寬 度比第一雜質區寬度更寬且部分第二雜質區係接觸該半 導體層。 24. 如申請專利範圍第2 3項之方法，其中該第一雜質區之 雜質濃度係高於該半導體層之雜質濃度，及第二雜質區 -26 - 本紙張尺度逋用中國國家揉準（CNS) Α4说格（210Χ297公嫠） AB,CD 457644 六、申請專利範圍 之雜質濃度係高於第一雜質區之雜質濃度。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 25. 如申請專利範圍第2 3項之方法，其中該半導體層為一 層磊晶層生長於第一導電型半導體基質上。 26. —種製造CMOS影像感測裝置之方法，該CMOS影像 感測裝置具有一光電二極體，該方法包含下列步驟： 提供一第一導電型半導體層； 形成一隔離層於該半導體層上俾便界定一場區及一 主動區， 形成一空乏電晶體之閘極電極於該半導體層上，且 與隔離層隔開； 形成一第一離子植入光罩，其暴露部分感光區且係 位於隔離層與空乏電晶體之閘極電極間，其中該第一離 子植入光罩遮蓋隔離層及部分接近隔離層之感光區； 形成一第一雜質區，係經由將第二導電型雜質離子 引進暴露的感光區形成； 移開第一離子植入光罩； 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 形成一第二離子植入光罩其可開啟全部感光區，其 中該第二離子植入光罩係設置於隔離層與感光區間之交 界面，故第二離子植入光罩之開放區係寬於第一離子植 入光罩之開放區；及 形成一第二雜質區，係經由將第一導電型雜質離子 引進全部感光區形成， 如此，第一雜質區係與隔離層分開，第二雜質區寬 度係寬於第一雜質區寬度，及部分第二雜質區係接觸該 -27- 本紙張尺度逋用十國國家標準（CNS )八4说格（210X297公釐） 457644 A8 BS C8 D8 經濟部中央標準局員工消費合作社印装 々、申請專利範圍 半導體層。 27. 如申請專利範圍第2 6項之方法，其中該空乏電晶體之 閘極電極具有某種厚度可阻斷雜質離子，使雜質離子不 會引進閘極電極下方之半導體層。 28. 如申請專利範圍第2 7項之方法，其中該第一離子植入 光罩一邊係形成於閘極電極上，故第一雜質區係自行對 正閘極電極。 29. 如申請專利範圍第2 7項之方法，其中該第二離子植入 光罩之一邊係形成於空乏電晶體之閘極電極上，故該第 二雜質區係自行對正閘極電極。 30. 如申請專利範圍第2 7項之方法，其中該空乏電晶體之 閘極電極包含一多晶石夕層及一石夕化物層形成於該多晶石夕 層上。 31. 如申請專利範圍第3 0項之方法，其中該多晶矽層及該 矽化物層之厚度分別高於2000埃及高於1500埃。 32. 如申請專利範圍第2 6項之方法，其中該半導體層為一 磊晶層生長於第一導電型半導體基質上。 33. 如申請專利範圍第3 2項之方法，其中該半導體基質之 雜質濃度係高於該半導體層之雜質濃度。 34. —種製造具有一光電二極體之CMOS影像感測裝置之 方法，該方法包含： 第一步驟，提供一第一導電型半導體層； 第二步驟，形成一第一導電型阱區於部分半導體 層； -28- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國困家捸準（CNS ) 说格（210X297公釐） A8 B8 C8 D8 457644 六、申請專利範圍 (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 第三步驟，將雜質離子引進阱區俾便調整閾值電 壓； 第四步驟，形成轉移電晶體之第一閘極，重置電晶 體之第二閘極及輸出電晶體之至少一第三閘極，其中該 第一閘極及第二閘極係形成於阱區外侧，及該第三閘極 係形成於阱區上，及重置電晶體及輸出電晶體之共通活 性區係位於半導體層與阱區間之邊界； 一第五步驟，形成一光電二極體於半導體層，其中 該光電二極體係電耦合至轉移電晶體； 一第六步驟，形成一第一離子植入光罩，其暴露啡 區及引進低濃度第二導電型雜質離子至阱區； 一第七步驟，形成一絕緣間隔層作為第三閘極側 壁；及 一第八步驟，形成一第二離子植入光罩暴露該半導 體層及阱區，但光電二極體除外，及將高濃度第二導電 型雜質離子引至半導體層及阱區， 藉此轉移電晶體及重置電晶體其主動區係形成於半 導體層，可以空乏模式工作，及該輸出電晶體其主動區 係形成於阱區而可以增強模式工作。 經濟部中央標隼局負工消費合作社印製 35. 如申請專利範圍第3 4項之方法，其中該半導體層為一 磊晶層形成於第一導電型半導體基質上，及其中該丰導 體基質之濃度係高於半導體層之濃度。 36. 如申請專利範圍第3 5項之方法，其中該半導體層形成 之厚度為約2至5微米。 -29- 本紙張又度逍用中國國家揉準（CNS ) Α4说格（210><297公釐） 45764 5、申請專利範圍 A8 B8 C8 D8 37’如t請專利範園第34㉟之方法’其中該第三 含： 。 第四閘極用於CMOS影像感測器之驅動電晶體. 及 ， 第五閘極用於CMOS影像感測器之選擇電晶體， 其t該驅動電晶體及選擇電晶體係形成於阱區且具有— 共通源極/汲極區^ 对‘如申請專利範圍帛3 4項之方法，其中該第三步驟 下列步驟： 形成一第二離子植入光罩暴露出阱區； 將離子引進阱區用於調整輸出電晶體之閾值電壓： 及 將離子引進阱區用於調整輸出電晶體之擊穿電壓。 39. 如申請專利範固帛34項之方法，其中該第四步驟包各 下列步驟： D 和形成一第二導電型之第一雜質區至該半導體層，故 第一雜質區係由半導體層包園；及 形成一第二雜質區至半導體層及於第一雜質區上’ 經濟部中央棣準局員工消費合作社印策 (請先聞•讀背面之注意事項再填寫本頁〕 訂 其中該第二雜質區係接觸該半導體層於第—雜質區之— 側。 40. 如申請專利範圍第39項之方法，其中第一雜質區之雜 貝；辰度係南於半導體層之雜質濃度，及第二雜質區之雜 質濃度係向於第一雜質區之雜質濃度。 41. 如申請專利範圍第40項之方法，其中該光電二極體有 -30- 本紙張尺度逋用中國國家樣车（CNS ) A4規格（210X297公sTj 457644 A8 B8 C8 ___________D8 六、申請專利範圍 一於約l.2 _4.5伏完全空乏層於該半導體層。 42. 如申請專利㈣帛34項之方法，其中該第—導電型』 Ρ型及該第二導電型為Ν型。 43. 如申請專利範圚第3 4项夕女法，甘山， 周甲^貞乏万去，其中該方法進一步， 含下列步驟： 形成複數金屬層藉—絕緣層與毗鄰金屬層隔離； 形成一鈍化層於所得結構上；及 形成一濾色鏡於鈍化層上。 經濟部中央榡隼局員工消費合作社印轚 1 3 本紙張尺度速用中國國家梂牟（CNS ) Α4規格（210X297公釐）
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