TWI424559B - 固態成像裝置、電子設備及固態成像裝置之製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關固態成像裝置、具有該固態成像裝置之電子設備、及製造該固態成像裝置之方法。本發明更特別地是有關用以抑制主動元件中之漏洩電流的固態成像裝置、具有該固態成像裝置之電子設備、及製造該固態成像裝置之方法，該等主動元件係適以處理在光接收區域中所捕捉到之電荷。
許多CMOS(互補金屬氧化物半導體)或MOS(金屬氧化物半導體)固態成像元件被併入於數位相機、攝錄像機、影印機、配備有相機之行動電話、及其他設備中。這些固態成像元件傾向於微型化及增加像素數目，並且光電二極體面積亦呈現減少的趨勢。這減少了信號電荷的數量，因而使其需要為了最小的雜訊而抑制該光電二極體中之漏洩電流、浮動擴散、及重設電晶體。
一般而言，在氧化物膜及矽基板間之介面中有許多缺陷。如果PN接面係形成在此介面中，即產生漏洩電流。此電流係視經由該介面中之缺陷而發展於該PN接面中的電場而定。特別是在形成元件隔離區域之氧化物膜的端部，晶體缺陷由於應力而發生。其結果是，如果PN接面係形成在此應力集中之處，將會產生大的漏洩電流。為此緣故，在日本專利公開申請案第2000-299453號中揭示一組態，其中，該元件隔離區域之介面被P型半導體層所覆蓋。
在至此已知之技術中，雖然沒有強的電場區域被形成在元件隔離區域之介面中，高濃度P和N型半導體將在PN接面中彼此相接觸，該PN接面係形成有一在該元件隔離區域之外的P型井區域及鄰接元件的N型區域。這導致PN接面之陡峭的濃度梯度，而在該PN接面中產生一強的電場。此外，具有陡峭的濃度梯度之PN接面係形成於電晶體區域中之氧化物膜的介面中，這使其無法抑制漏洩電流的增加。
本發明之實施例在於抑制主動元件中之漏洩電流，而該等主動元件係適以處理在光接收區域中所捕捉到之電荷。
依據本發明之實施例，提供有固態成像裝置及具有該固態成像裝置之電子設備。該固態成像裝置包括主動元件、元件隔離區域、及第一與第二雜質區域。該等主動元件處理在光接收區域中所捕捉到之電荷。該元件隔離區域隔離該等主動元件之各區域。該第一雜質區域圍繞該元件隔離區域。該第二雜質區域包含其雜質濃度比該第一雜質區域之雜質濃度低的雜質區域。該第二雜質區域被設置於該第一雜質區域與主動元件之間。
在本發明的實施例中。該元件隔離區域被該第一雜質區域所圍繞。這抑制由該元件隔離區域的介面中之應力濃度所造成的晶體缺陷中之漏洩電流。此外，該第二雜質區域被設置於該第一雜質區域及主動元件之間。這比如果該等主動元件及第一雜質區域係彼此毗連者提供較不陡峭的濃度梯度。
在此，該等主動元件為電晶體。第三雜質區域被設置在該電晶體的源極與汲極之至少任何一者的周圍。這在該電晶體的源極與汲極之至少任何一者及該元件隔離區域之間提供甚至較不陡峭的濃度梯度。
依據本發明之另一實施例，提供有固態成像裝置之製造方法。該製造方法包括以下步驟：形成雜質區域於主動元件形成區域的周圍，且形成元件隔離區域於該雜質區域之內；及形成遮罩，該遮罩在該等主動元件形成區域之內具有開口，並且以雜質來摻雜該等主動元件形成區域，以形成主動元件。
在如上所述之本發明的實施例中，該元件隔離區域被該雜質區域所圍繞。這抑制由該元件隔離區域的介面中之應力濃度所造成的晶體缺陷中之漏洩電流。此外，在該雜質區域與主動元件之間提供一間隙。這比如果該等主動元件及第一雜質區域係彼此毗連者提供較不陡峭的濃度梯度。
本發明之實施例促成主動元件中之漏洩電流的抑制，該等主動元件係適以處理在光接收區域中所捕捉到之電荷，因而抑制感光信號中之白斑缺陷的視覺感知。
在下面將提出與用以實施本發明之模式的說明(在下文中被稱為實施例)。應注意的是該說明將以下列的順序被提出：
1. 固態成像裝置之組態(該第一與第二組態之範例)
2. 固態成像裝置之製造方法
3. 電子設備
圖1為一概要剖面視圖，用以敘述依據本實施例之固態成像裝置(第一組態)。依據本實施例之固態成像裝置係形成在半導體基板或其他半導體材料中。該固態成像裝置包括主動元件及元件隔離區域20。該等主動元件處理在光接收區域10中所捕捉到之電荷。該元件隔離區域20隔離主動元件區域。
在此，該等主動元件為轉移電晶體Tr1、重設電晶體Tr2、及其他毗連該光接收區域10之電晶體。該轉移電晶體Tr1係毗連電荷至電壓轉換部(浮動擴散)11，其適以將在該光接收區域10中所捕捉到之電荷轉換成電壓。該轉移電晶體Tr1將該電荷傳送至該電荷至電壓轉換部11。該重設電晶體Tr2將傳送至該電荷至電壓轉換部11之電荷放電(discharge)。
該光接收區域10為光電二極體，其包括形成在該半導體材料中之N+及P+型區域。該光接收區域10依據所接收到之光的量而產生電荷。設置成鄰接於該光接收區域10之電荷至電壓轉換部11為摻雜部，其適以將藉由該光接收區域10所產生之電荷轉換成電壓及輸出該電壓作為感光信號。該轉移電晶體Tr1被設置於該光接收區域10及電荷至電壓轉換部11之間。當給定之電壓被施加至該轉移電晶體Tr1之閘極電極(轉移電極)G時，電荷自該光接收區域10中被讀出，且被傳送至該電荷至電壓轉換部11。
該重設電晶體Tr2及轉移電晶體Tr1係藉由設置在其間之元件隔離區域20而彼此隔離。該重設電晶體Tr2將被傳送至該電荷至電壓轉換部11之電荷放電。亦即，當給定之電荷被施加至該重設電晶體Tr2之閘極電極G時，該電荷至電壓轉換部11係經由該重設電晶體Tr2而放電。
在依據本實施例之固態成像裝置中，P+型區域被提供作為在該元件隔離區域20周圍之第一雜質區域30。此外，第二雜質區域40被設置於該第一雜質區域30及主動元件之間。該第二雜質區域40包括其雜質濃度比該第一雜質區域30之雜質濃度低的P-型區域。這在該等主動元件的源極/汲極區域(S/D)與在該元件隔離區域20周圍的第一雜質區域30之間，提供比如果該等主動元件及第一雜質區域30係彼此鄰接者較不陡峭的濃度梯度。
亦即，該等主動元件之源極與汲極區域的每一個被提供作為N+雜質區域。包括P-型區域之第二雜質區域被提供於該源極或汲極區域與包括P+型區域的第一雜質區域之間。因此，P-型區域位於N+型區域(亦即，源極或汲極區域)與P+型區域(亦即，第一雜質區域)之間。這比如果該汲極區域(N+型區域)及第一雜質區域(P+型區域)係彼此毗連者提供較不陡峭的濃度梯度。
圖2為圖解說明雜質濃度分佈及具有偏壓的電場強度分佈之範例的圖形，該偏壓被施加於依據圖1所示之本實施例的固態成像裝置的組態中。上方圖說明雜質濃度分佈，且下方圖說明電場強度分佈。於在此所示之範例中，形成電晶體源極區域之摻雜區域係與該元件隔離區域隔開100奈米(nm)。於該上方圖中所示之雜質濃度分佈中，自-4至5的刻度上之正值表示N型區域，且負值表示P型區域。該值越大，不管其是否為正值或負值，則該雜質濃度越高。此外，在該下方圖中所顯示之電場強度分佈中，自0至9的刻度上之值越大，則該電場強度越高。
在依據本實施例之固態成像裝置的組態中，受到應力集中的元件隔離區域之有缺陷傾向的端部(圖1中之A部份)被覆蓋以包括P型區域之第一雜質區域。再者，該PN接面之濃度梯度係較不陡峭的，因而弛緩該電場。
在此，雜質濃度分佈及電場強度分佈的比較範例被顯示在圖9中，其中，該元件隔離區域並未被該第一雜質區域所圍繞。在該比較範例之結構中，該PN接面在元件隔離區域中之端部處的濃度梯度係比本實施例中之濃度梯度更陡峭的。其結果是，該最大電場強度為0.81 MV/cm。在另一方面，如在圖2中所說明者，在依據本實施例之固態成像裝置的組態中，該最大電場強度為0.66 MV/cm。
圖5為圖解說明該電場強度及漏洩電流間之關係的圖形。此圖形已基於該蕭克萊-瑞得-霍爾(Shockley-Read-Hall’s)TAT模型藉由將Γ與電場強度間之關係轉換成該漏洩電流與電場強度間之關係而被產生。於該圖形中，水平軸代表電場強度，且垂直軸代表漏洩電流(相對值)。依據此圖形，電場強度從針對該比較範例之組態的0.81 MV/cm下降至針對依據本實施例之組態的0.66 MV/cm。其結果是，漏洩電流減小至約七分之一(1/7)。
圖3為一概要剖面視圖，用以說明依據本實施例之固態成像裝置(第二組態)。依據本實施例之固態成像裝置係形成在半導體材料中，如同該第一組態。該固態成像裝置亦包括主動元件及元件隔離區域20。該等主動元件處理在該光接收區域10中所捕捉到之電荷。該元件隔離區域20隔離該等主動元件區域。
在此，該等主動元件為轉移電晶體Tr1、重設電晶體Tr2、及其他毗連該光接收區域10之電晶體。轉移電晶體Tr1係毗連該電荷至電壓轉換部(浮動擴散)11，其適以將在該光接收區域10中所捕捉到之電荷轉換成電壓。該轉移電晶體Tr1將電荷傳送至電荷至電壓轉換部11。該重設電晶體Tr2將傳送至該電荷至電壓轉換部11之電荷放電。
該光接收區域10為光電二極體，其包括形成在該半導體材料中之N+及P+型區域。該光接收區域10依據所接收到之光的量而產生電荷。設置成鄰接於該光接收區域10之電荷至電壓轉換部11將由該光接收區域10所產生之電荷轉換成電壓及輸出該電壓作為感光信號。該轉移電晶體Tr1被設置於該光接收區域10與電荷至電壓轉換部11之間。當給定之電壓被施加至該轉移電晶體Tr1之閘極電極(轉移電極)G時，電荷自該光接收區域10中被讀出，且被傳送至該電荷至電壓轉換部11。
重設電晶體Tr2及轉移電晶體Tr1係藉由設置在其間之元件隔離區域20而彼此隔離。重設電晶體Tr2將傳送至電荷至電壓轉換部11之電荷放電。亦即，當給定之電荷被施加至該重設電晶體Tr2之閘極電極G時，電荷至電壓轉換部11係經由該重設電晶體Tr2而放電。
在依據本實施例之固態成像裝置中，P+型區域被提供作為在該元件隔離區域20周圍之第一雜質區域30。此外，第二雜質區域40被設置於該第一雜質區域30與主動元件之間。該第二雜質區域40包括其雜質濃度比該第一雜質區域30之雜質濃度低的P-型區域。再者，在該第二組態中，第三雜質區域50被設置在該電晶體的源極/汲極區域(S/D)之至少一個(亦即主動元件)的周圍。該第三雜質區域50具有與該等源極/汲極區域(S/D)相同之傳導性類型，且其雜質濃度比源極/汲極區域之雜質濃度低。
在圖3所說明之範例中，該第三雜質區域50被設置在該重設電晶體Tr2的源極/汲極區域(S/D)周圍。該第三雜質區域50包含其雜質濃度比N+雜質區域之雜質濃度低的N-型區域，亦即，源極/汲極區域(S/D)。該第三雜質區域50並未被提供用於轉移電晶體Tr1。然而，視需要，該第三雜質區域50可被提供用於轉移電晶體Tr1。
如上所述，如果該電晶體之源極/汲極區域(S/D)第三雜質區域50所圍繞，自該源極/汲極區域(S/D)至在該元件隔離區域20周圍的第一雜質區域30之雜質濃度梯度可比在該第一組態中被做成較不陡峭的。這進一步弛緩該電場，因而促成漏洩電流之減少。
圖4為圖解說明雜質濃度分佈及具有偏壓的電場強度分佈之範例的圖形，該偏壓被施加於依據圖3所示之本實施例之固態成像裝置的組態中。上方圖說明雜質濃度分佈，且下方圖說明電場強度分佈。於在此所示之範例中，形成該電晶體源極區域之摻雜區域係與該元件隔離區域隔開100奈米(nm)。於該上方圖中所示之雜質濃度分佈中，自-4至5的刻度上之正值表示N型區域，且負值表示P型區域。該值越大，不管其是否為正值或負值，則該雜質濃度越高。再者，在該下方圖中所顯示之電場強度分佈中，自0至9的刻度上之值越大，則該電場強度越高。
在依據本實施例之固態成像裝置的組態中，受到應力集中的元件隔離區域之有缺陷傾向的端部被覆蓋以包括P型區域之第一雜質區域。再者，該PN接面之濃度梯度係比於該第一組態(圖1)中較不陡峭的，因而弛緩該電場。這使該最大電場強度下降至0.59 MV/cm。其結果是，依據該電場強度與圖5所示漏洩電流間之關係，依據本實施例之固態成像裝置的漏洩電流減小至該比較範例的大約八分之一(1/8)(參考圖9)。
圖6A至6C及圖7為概要圖形，用以說明依據本實施例之固態成像裝置的製造方法之範例。首先，如圖6A所說明者，元件隔離區域20係形成在半導體基板S上。矽(Si)基板例如被用作為該半導體基板S。該元件隔離區域20係形成於LOCOS(矽的局部氧化層)或STI(淺溝絕緣層)結構中，其包括例如絕緣層(SiO2
)。
在此，在形成圖6A所示的元件隔離區域20之前或之後，第一雜質區域30(亦即，P型半導體層)被形成而包圍元件隔離區域20。雖然未做說明，元件隔離區域20及第一雜質區域30被提供未包圍電晶體形成區域。
其次，如在圖6B所說明者，組成電晶體Tr之通道係形成在半導體基板S上。其次，該閘極電極G係形成有設置於該通道與閘極電極G間之閘極絕緣膜。然後，源極/汲極區域(S/D)的其中之一或兩者係以N型雜質來予以摻雜。在摻雜之時，用作為遮罩M的絕緣膜之開口的尺寸係做得比被該元件隔離區域20之第一雜質區域30所圍繞的區域之尺寸更小。例如，遮罩M之開口的邊緣係與該第一雜質區域30之端部隔開一段50奈米或更大之距離。
圖7圖解說明於源極及汲極區域之摻雜期間的遮罩佈局。在元件隔離區域20周圍之第一雜質區域30係形成而包圍主動區域。閘極電極G係形成在該主動區域之內。由於經由該閘極電極G之摻雜，該等源極及汲極區域係以相對於該閘極電極G的自行對齊之方式而被形成的。
此外，在本實施例中，遮罩M係形成在被元件隔離區域20之第一雜質區域30所圍繞的主動區域內。亦即，該開口之位置被決定而使得遮罩M之開口的邊緣與該第一雜質區域30的端部(該主動區域的端部)間之距離d為50奈米或更大，如上所述。經由遮罩M及閘極電極G之摻雜允許源極及汲極區域能夠以與該元件隔離區域20之第一雜質區域30隔開這樣的方式而被形成。
在此，用以形成源極及閘極區域之摻雜條件為例如，為離子種類為砷或磷、能量為10至20千電子伏特(keV)、及劑量為5×1014
cm-2
或更多。
此外，藉由重複使用遮罩M而以不同的離子種類及劑量之摻雜步驟複數次，可以在源極/汲極區域(S/D)周圍形成該第三雜質區域50。該第三雜質區域50具有與等源極/汲極區域(S/D)相同之傳導性類型，並且其雜質濃度比源極/汲極區域之雜質濃度更低。摻雜條件為例如，離子種類為砷或磷、能量為20至40千電子伏特(keV)、及劑量為1×1013
cm-2
至1×1014
cm-2
。
摻雜步驟之後為加熱步驟，加熱步驟係適以使活化雜質，因而完成依據本實施例之固態成像裝置，如圖1及3所示。
應注意的是，雖然電晶體被用作為依據本實施例的固態成像裝置中之主動元件與該固態成像裝置之製造方法的範例，本實施例係不僅可適用於電晶體，而且也可適用於例如適以處理由光接收區域10所產生之電荷的二極體。
圖8為方塊圖，說明依據本實施例的電子設備之組態範例。如在圖8所說明者，成像裝置90包括由透鏡群組91所構成之光學系統、固態成像裝置92、DSP(數位信號處理)電路93(亦即，相機信號處理電路)、訊框記憶體94、顯示裝置95、記錄裝置96、操作系統97、電力系統98及其他組件。在這些組件中，DSP電路93、訊框記憶體94、顯示裝置95、記錄裝置96、操作系統97與電力系統98係經由匯流排線路99而彼此連接。
透鏡群組91捕捉來自對象(subject)之入射光(影像光線)，以形成影像於固態影像裝置92之成像表面上。固態成像裝置92將入射光之量轉換成電信號且輸出該電信號作為像素信號，入射光被該透鏡群組91所使用，以形成影像於該成像表面上。依據本實施例之上述固態成像裝置被使用作為固態成像裝置92。
顯示裝置95包括面板顯示裝置(諸如，液晶或有機EL(電激發光)顯示裝置)，並且顯示由固態影像裝置92所捕捉到之移動或靜止的影像。記錄裝置96將由固態影像裝置92所捕捉到之移動或靜止影像記錄於記錄媒體(諸如，非揮發性記憶體、錄影帶或DVD(數位影音光碟片))。
操作系統97回應於使用者操作而發出用於該成像裝置之各種功能的操作指令。如果適當的話，電力系統98供應不同型式之電源至DSP電路93、訊框記憶體94、顯示裝置95、記錄裝置96、及操作系統97。
被組構成如上所述者之成像裝置90係應用於攝影機、數位相機、及用於行動裝置(諸如，行動電話)之相機模組。有可能藉由使用依據本實施例之固態成像裝置作為固態成像裝置92，以提供呈現高影像品質而具有最小雜訊之成像裝置。
本申請案包含有關於2009年3月9日向日本專利局提出的日本優先權專利申請案第JP 2009-054353號中所揭示之標的，其整個內容係以引用的方式併入於本文中。
那些熟諳此技藝者應了解可視設計需求及其他因素而定發生各種修改、組合、次組合、及變更，該等因素係在所附申請專利範圍或其同等項之範圍內。
10‧‧‧光接收區域
11‧‧‧轉換部
20‧‧‧元件隔離區域
30‧‧‧第一雜質區域
40‧‧‧第二雜質區域
50‧‧‧第三雜質區域
90‧‧‧成像裝置
91‧‧‧透鏡群組
92‧‧‧固態成像裝置
93‧‧‧數位信號處理電路
94‧‧‧訊框記憶體
95‧‧‧顯示裝置
96‧‧‧記錄裝置
97‧‧‧操作系統
98‧‧‧電力系統
99‧‧‧匯流排線路
A‧‧‧部份
G‧‧‧閘極電極
M‧‧‧遮罩
S‧‧‧半導體基板
Tr‧‧‧電晶體
Tr1‧‧‧轉移電晶體
Tr2‧‧‧重設電晶體
圖1係概要剖面視圖，用以說明依據本實施例之固態成像裝置(第一組態)；
圖2係圖解說明雜質濃度分佈及具有偏壓的電場強度分佈之範例的圖形，該偏壓被施加於依據圖1所示之本實施例之固態成像裝置的組態中；
圖3係概要剖面視圖，用以說明依據本實施例之固態成像裝置(第二組態)；
圖4係圖解說明雜質濃度分佈及具有偏壓的電場強度分佈之範例的圖形，該偏壓被施加於依據圖3所示之本實施例之固態成像裝置的組態中；
圖5係圖解說明電場強度及漏洩電流間之關係的圖形；
圖6A至6C係概要圖(1)，用以說明依據本實施例之固態成像裝置的製造方法之範例；
圖7係概要圖(2)，用以說明依據本實施例之固態成像裝置的製造方法之範例；
圖8係方塊圖，說明依據本實施例的電子設備之組態範例；及
圖9係圖解說明雜質濃度分佈及具有偏壓的電場強度分佈之範例的圖形，該偏壓被施加於比較範例之組態中。
10．．．光接收區域
11．．．轉換部
20．．．元件隔離區域
30．．．第一雜質區域
40．．．第二雜質區域
A．．．部份
G．．．閘極電極
Tr1．．．轉移電晶體
Tr2．．．重設電晶體
Claims (5)
- 一種固態成像裝置，包括：主動元件，其被組構成處理在光接收區域中所捕捉到之電荷；元件隔離區域，其被組構成隔離該主動元件之區域；第一雜質區域，其被組構成圍繞該元件隔離區域；及第二雜質區域，該第二雜質區域包含其雜質濃度比該第一雜質區域之雜質濃度低的雜質區域，而該第二雜質區域被設置於該第一雜質區域與主動元件之間，其中該等主動元件為電晶體，及第三雜質區域被設置在該等電晶體之其中一電晶體的源極與汲極之至少任何一者的周圍，並且該第三雜質區域具有與源極和汲極區域相同之傳導性類型，且具有比該等源極和汲極區域之雜質濃度更低的雜質濃度。
- 如申請專利範圍第1項之固態成像裝置，其中該等主動元件的其中之一為毗連摻雜部之電晶體，該摻雜部被組構成將在該光接收區域中所捕捉到之電荷轉換成電壓。
- 如申請專利範圍第1項之固態成像裝置，其中該等主動元件為毗連該光接收區域之電晶體。
- 一種電子設備，包括：固態成像裝置，其被組構成依據所接收到之光的量而輸出電信號；及 信號處理器，其被組構成處理自該固態成像裝置所輸出之該電信號，該固態成像裝置包含主動元件，其被組構成處理在光接收區域中所捕捉之電荷；元件隔離區域，其被組構成隔離該主動元件之區域；第一雜質區域，其被組構成圍繞該元件隔離區域；及第二雜質區域，該第二雜質區域包含其在雜質濃度比該第一雜質區域之雜質濃度低的雜質區域，該第二雜質區域被設置於該第一雜質區域與主動元件之間，其中該等主動元件為電晶體，及第三雜質區域被設置在該等電晶體之其中一電晶體的源極與汲極之至少任何一者的周圍，並且該第三雜質區域具有與源極和汲極區域相同之傳導性類型，且具有比該等源極和汲極區域之雜質濃度更低的雜質濃度。
- 一種製造固態成像裝置之方法，包括以下步驟：形成雜質區域於主動元件形成區域的周圍，且形成元件隔離區域於該雜質區域之內；及形成遮罩，該遮罩在該等主動元件形成區域之內具有開口，並且以雜質來摻雜該等主動元件形成區域，以形成主動元件，其中，形成該等主動元件包括形成閘極電極於該等主動元件形成區域之內，並且經由該閘極電極之摻雜 ，以相對於該閘極電極的自行對齊之方式來形成源極及汲極區域，該方法另包括：藉由重複使用該遮罩而以不同的離子種類及劑量之摻雜步驟複數次，以形成第三雜質區域於該等源極和汲極區域的周圍，其中，該第三雜質區域具有與該等源極和汲極區域相同之傳導性類型，且具有比該等源極和汲極區域之雜質濃度更低的雜質濃度。
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