TWI515886B - 消除具有電漿摻雜釘紮層之像素中之滯後之方法 - Google Patents
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Description
所描述之實施例大體上係關於影像感測器，且特定而言(但不排他地)係關於包含電漿摻雜之釘紮層之影像感測器。
影像感測器在數位靜態相機、蜂巢式電話、保全攝影機、醫療、汽車及其他應用中廣泛使用。互補金屬氧化物半導體(「CMOS」)技術用於在矽基板上製造低成本影像感測器。在眾多影像感測器中，使用被稱為一釘紮光電二極體之一光電二極體結構，此是因為其低雜訊效能。
在此等光電二極體結構中，一P+型摻雜釘紮層係在矽表面處或正下方鄰近一轉移閘極處進行離子植入。一N型光敏區域也在鄰近於轉移閘極處經離子植入而更深地進入一P型摻雜矽基板中。N型摻雜層係儲存離開通常存在缺陷之表面區域之電荷之埋層。P+型釘紮層之目的係使光電二極體表面上之缺陷鈍化。P+型摻雜釘紮層、N型摻雜光敏區域及鄰近之轉移閘極之邊緣之相對位置應進行精心設計，以改進通過轉移閘極進行之光電二極體電荷轉移。此隨著CMOS影像感測器(「CIS」)持續小型化而變得愈加重要。
隨著CIS持續小型化，其等像素面積且(主要地)其等光敏區域縮小。此導致每一像素用於攔截光及保存光生電荷之能力減小。此外，
隨著背照式(「BSI」)影像感測器之引入，其等減薄之基板使光生電荷(尤其是對可穿過一矽基板而不被完全吸收之較長波長之光)進一步之受制。雖然製造技術之進步促進最小可容許CMOS大小之減小，但形狀放置之可變性(即，對準公差)之減小進步卻比較慢。影像滯後經常取決於N型摻雜光敏區域、P+型釘紮層及鄰近之轉移閘極邊緣之間之一致對準公差。
100‧‧‧CMOS像素/影像感測器像素/像素
110‧‧‧基板
115‧‧‧磊晶層
120‧‧‧淺溝渠隔離(STI)
130‧‧‧轉移電晶體閘極
133‧‧‧轉移閘極
135‧‧‧光敏區域/摻雜劑區域
142‧‧‧光阻遮罩
160p‧‧‧型摻雜劑離子/摻雜劑離子
165‧‧‧釘紮層/釘紮區域/摻雜劑區域
170‧‧‧浮動擴散
202‧‧‧基板表面/p型磊晶層之表面
204a‧‧‧側壁
204b‧‧‧上表面
204c‧‧‧側壁
206‧‧‧犧牲層
208‧‧‧光阻層
210‧‧‧犧牲間隔片/間隔片
δ‧‧‧寬度
β‧‧‧寬度
參看以下圖式描述本發明之非限制性且非詳盡之實施例，圖式中除非另有說明，否則在各個視圖中相同參考數字均指代相同部件。除非明確指示，否則圖式不按比例繪製。
圖1A係包含一釘紮光電二極體之一像素之一實施例之一橫截面。
圖1B為對用於形成一釘紮層之一方法之實施例進行繪示之一像素之一實施例之一橫截面。
圖2A至圖2G係對用於生產包含一釘紮光電二極體之一像素(諸如，圖1A中展示之一像素)之一方法之一實施例進行繪示之橫截面。
本文描述一像素及用於製造具有改進之影像滯後特性、雜訊特性及長波長敏感度特性之一像素之一方法之實施例。
下文之描述中陳述了大量具體細節以提供對實施例之透徹理解。貫穿本說明書參考「一項實施例」或「一實施例」意謂結合該實施例所描述之特定特徵、結構或特性包含在至少一項所描述之實施例中。因此，描述中出現片語「在一項實施例中」或「在一實施例中」不一定全部指同一實施例。此外，特定特徵、結構或特性可以任何合適之方式在一或多項實施例中組合。
圖1A繪示包含釘紮光電二極體之一CMOS像素100之一實施例。
使用以相對於基板表面之不同角度植入之摻雜劑離子而在像素100中形成該釘紮光電二極體。基板110可為已在其上形成磊晶生長矽層(磊晶層)115(其可被輕微p型摻雜)之一p+型摻雜矽層。淺溝渠隔離(STI)區域120形成在磊晶層115中以電隔離鄰近之影像感測器像素。在對光電二極體元件進行離子植入之前，出於將在曝露於場景照明期間釘紮光電二極體內所堆積及保存之光生載流子(信號電荷)自該釘紮光電二極體轉移出去之目的而形成轉移電晶體閘極130。
圖1B繪示釘紮層165之形成。轉移閘極130之一邊緣提供一離子植入遮蔽功能，其容許釘紮光電二極體之元件對準。藉由以相對於轉移閘極130之所曝露垂直邊緣之某一角度離子植入n型摻雜劑離子(諸如，磷或砷)，使得摻雜劑離子可放置在轉移閘極130下方較近距離處，而最先形成光敏區域135(陰極)。此等摻雜劑離子可具有高植入能量且藉此更深地穿透至磊晶層115中而形成光敏區域135。
形成光敏區域135之後，形成一光阻遮罩142，使得部分曝露轉移閘極130。較佳的是，亦使在磊晶層115之表面處的摻雜劑區域135之整個周邊曝露。接著，藉由以相對於轉移閘極130之所曝露垂直邊緣之某一角度離子植入p型摻雜劑離子160(諸如，硼或銦)而形成釘紮層或釘紮區域165(陽極)。摻雜劑離子160被轉移閘極130遮蔽且藉此被拒絕進入光敏區域135上方且鄰近於轉移閘極130之邊緣之一小區域133。離子植入摻雜劑離子160可具有低植入能量且僅穿透至磊晶層115內之一淺位準而形成釘紮層165。
對於影像感測器像素100，摻雜劑區域135及165之邊緣之對準及分離係一重要效能因素。一項此效能因素係影像滯後依賴於釘紮層165與光敏區域135及轉移閘極130之邊緣之對準。釘紮層165與光敏區域135之對準不僅僅在該轉移閘極邊緣處重要。在光電二極體之周邊周圍之所有其他位置處，較佳的是，釘紮層165完全包圍光敏區域135
(即，摻雜劑區域165較佳延伸超過摻雜劑區域135之邊界)。
在所繪示之方法中，對準及分離部分取決於轉移閘極130之厚度以及兩次離子植入之角度及能量。摻雜劑離子之植入能量上限可由閘極130之厚度決定。解決此限制之一種方式係在形成轉移閘極130之前將諸如氧化矽或氮化矽等之一程序相容層添加至轉移閘極130之頂部上，以便使該轉移閘極130成為一更厚之離子植入遮罩。在未在本文進行展示之另一種方法中，在形成釘紮層165之前於轉移閘極130之邊緣上形成一習知閘極間隔片。將一單獨之光阻遮罩142放置在像素100上且對摻雜劑離子160進行離子植入。在此方法中，該閘極間隔片參與靠近轉移閘極130之釘紮光電二極體區域之分離及對準。然而，兩種解決方案都增加了一標準CMOS製程之複雜性及成本。
此外，離子植入之使用引入了晶體缺陷，其導致暗電流且使所轉移之信號產生雜訊。此外，對轉移閘極之離子轟擊可使下伏閘極氧化物之完整性降級。由於此氧化物降級之發生，所以存在離子植入參數之上限，此限制光敏區域135設計之靈活性。
圖2A至圖2G共同繪示用於生產具有一釘紮光電二極體之一像素之方法之一實施例，該釘紮光電二極體係可預測地且重複地與鄰近之轉移閘極隔開。圖2A繪示該方法之一最初部分，其中已經形成該像素之各種元件。光敏區域135形成在磊晶層115之表面202下方。轉移閘極130鄰近於光敏區域135而形成在表面202上且包含上表面204b中之側壁204a及204c。側壁204a係最靠近光敏區域135之側壁。在一實施例中，可事先對轉移閘極130或轉移閘極之一部分(諸如，上表面204b)進行反摻雜，以中和或降低隨後將在電漿摻雜期間植入之摻雜劑之影響(參看圖2E)。在其中整個轉移閘極進行反摻雜之一實施例中，可在形成轉移閘極以前將反摻雜劑植入在轉移閘極材料中。若對全部或部分轉移閘極130進行反摻雜，則其植入之摻雜劑之電荷類型
與將進行電漿植入之摻雜劑之電荷類型相反：若電漿摻雜隨後將用於植入p型摻雜劑，則可用n型摻雜劑對轉移閘極130進行反摻雜，且相反地，若電漿摻雜隨後將被用於植入n型摻雜劑，則可用p型摻雜劑對轉移閘極130進行反摻雜。在與形成光敏區域135之側相對的轉移閘極130之側上在磊晶層115中形成浮動擴散170。淺溝渠隔離(STI)120形成在磊晶層115中。
圖2B繪示該方法之下一個部分。以圖2A中展示之堆積開始，一犧牲層206沈積在基板表面202、轉移閘極上表面204b上以及轉移閘極側壁204a及204c上。犧牲層206在側壁204a上具有一選定之厚度δ。厚度δ可易於控制且可準確調整為任何選定之厚度。在所繪示之實施例中，犧牲層206在其沈積之全部表面上具有一統一厚度，但在其他實施例中，犧牲層206在側壁204a之外之表面上可具有不同於δ之厚度。舉例而言，在一實施例中，可旋塗犧牲層206，使得基板上之犧牲層比轉移閘極電極上方之犧牲層更厚且將無法精確地與閘極電極之形狀相符。基於轉移閘極130與釘紮光電二極體之所得釘紮層之間之所需間隔而選擇側壁204上之犧牲層206之厚度δ。
犧牲層206可為任何易移除之聚合物材料。在一實施例中，犧牲層206係由一底部抗反射塗層(BARC)製成，諸如可自密蘇里州羅拉市(Rolla,Missouri)之Brewer Science公司購得之LH157B發色聚合物或任何其他底部抗反射塗層。其他實施例可使用可自加利福尼亞州森尼維爾市(Sunnyvale,California)之Honeywell Electronic Materials公司購得之底部抗反射塗層之任一者，諸如DUO193基於有機矽氧烷之塗層。在其他實施例中，犧牲層可由其他易移除聚合物製成。
圖2C至圖2D繪示該方法之下一個部分。以圖2B中展示之堆積開始，在圖2C中，一光阻層208沈積在實質上整個犧牲層206上方。在圖2D中，在將光阻層208沈積在犧牲層206上方之後，對該光阻層進
行光微影圖案化且在圖案化之後，蝕刻光阻層208及犧牲層206以曝露基板表面202之實質上位於光敏區域135上方之部分，且曝露轉移閘極上表面204b之至少一部分。該蝕刻在適當位置留下犧牲層206之一部分，以在轉移閘極130之側壁204a上形成犧牲間隔片210。犧牲間隔片210之厚度δ取決於若干事項，諸如轉移閘極之階梯高度、基板及轉移閘極之頂部上之犧牲層206之厚度以及蝕刻。在使用各向異性蝕刻之一實施例中，犧牲間隔片210在蝕刻之後實質上保留其最初厚度δ。在不使用各向異性蝕刻之一實施例中，可使側壁204a上之犧牲層206之最初厚度大於δ，以使非各向異性蝕刻將犧牲間隔片210之厚度實質上減小為δ。
圖2E繪示該方法之下一個部分。以圖2D中展示之堆積開始，將整個堆積放置在一電漿腔室內部，使得該堆積之至少頂部部分將經歷一電漿摻雜方法，諸如電漿浸沒離子植入(「PIII」)。在PIII中，使p型磊晶層115之表面曝露於一電漿，且施加一高負電壓以在p型磊晶層115之表面202與該電漿之間形成一電場。該電場加速p型摻雜劑離子自電漿朝向p型磊晶層之表面202之運動，藉此將該等離子植入在該磊晶層中。在一實施例中，p型摻雜劑離子可為硼，但在其他實施例中可使用其他類型之摻雜劑。使用此方法，在光敏區域135與p型磊晶層115之表面202之間之空間中形成釘紮層或釘紮區域165。一般而言，釘紮層165具有與光敏區域135之電荷類型相反之一電荷類型：在所繪示之實施例中，釘紮層165經p摻雜，而光敏區域135經n摻雜，但在光敏區域135經p摻雜之一實施例中，釘紮層165可經n摻雜。
圖2F繪示該方法之下一個部分。將電漿摻雜在電漿腔室內之結果係在光敏區域135與表面202之間之磊晶層115之部分中形成寬度為β之釘紮層165。釘紮層165與轉移閘極130之邊緣之橫向間隔實質上為間隔片210之寬度δ。在沒有反摻雜之一實施例中，電漿摻雜亦導
致在轉移閘極130之上表面204b中形成一摻雜區(未顯示)，但在有反摻雜之一實施例中，此摻雜區被之前之反摻雜中和或減少。
圖2G繪示該方法之最後一部分。以圖2F中展示之堆積開始，剩餘光阻208以及(若適用)犧牲層206及犧牲間隔片210之任何剩餘物皆被剝除掉，從而留下其中轉移閘極130與釘紮層165及光敏區域135之間隔係一經明確界定之距離δ之一像素。
本發明所繪示之實施例之上述描述(包含摘要中之描述)無意為詳盡的或將本發明限於所揭示之精確形式。雖然出於繪示之目的在本文中描述了本發明之具體實施例及實例，但正如熟悉此項技術者應瞭解，在本發明之範圍內各種等效修改係可能的。鑒於上述詳細描述可對本發明做出此等修改。
隨附申請專利範圍中所使用之術語不應解釋為將本發明限於在說明書及申請專利範圍所揭示之具體實施例。相反，本發明之範圍應完全由隨附申請專利範圍來決定，申請專利範圍應按照已建立之請求項闡釋規則進行解釋。
110‧‧‧基板
115‧‧‧磊晶層
120‧‧‧淺溝渠隔離(STI)
130‧‧‧轉移電晶體閘極
135‧‧‧光敏區域/摻雜劑區域
165‧‧‧釘紮層/釘紮區域/摻雜劑區域
170‧‧‧浮動擴散
206‧‧‧犧牲層
208‧‧‧光阻層
δ‧‧‧寬度
β‧‧‧寬度
Claims (7)
- 一種用於製造一像素之方法，其包括：在一基板之一表面附近形成一光敏區域；在該基板之該表面上鄰近該光敏區域處形成一轉移閘極，該轉移閘極包含一上表面及一對側壁；在該基板之該表面上在該光敏區域上方、該轉移閘極之該上表面上以及至少最靠近該光敏區域的該轉移閘極之側壁上沈積一犧牲層，該犧牲層具有一選定之厚度；在該犧牲層上方沈積一光阻層；對該光阻層及該犧牲層進行圖案化及蝕刻以在該光敏區域及該轉移閘極之該上表面之至少一部分上方曝露該基板之該表面，同時在最靠近該光敏區域的該轉移閘極之該側壁上留下該犧牲層以形成一犧牲間隔片；對該基板進行電漿摻雜以在該光敏區域與該基板之該表面之間形成一釘紮層；及剝離該光阻層及該犧牲間隔片以暴露出最靠近該光敏區域之該轉移閘極之該側壁，該釘紮層與最靠近該光敏區域的該轉移閘極之該側壁之間之間隔實質上對應於該犧牲間隔片之一厚度。
- 如請求項1之方法，其中該犧牲層為聚合物。
- 如請求項1之方法，其中該犧牲間隔片之該厚度係實質上等於該犧牲層之該選定厚度。
- 如請求項2之方法，其中該犧牲層係一底部抗反射塗層(BARC)。
- 如請求項4之方法，其中該BARC係一基於有機矽氧烷之塗層或一發色聚合物。
- 如請求項1之方法，其中電漿摻雜包括：使用電漿浸沒離子植入(PIII)方法。
- 如請求項1之方法，其進一步包括對該轉移閘極之該上表面之至少一部分進行反摻雜。
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