TWI543344B - 影像感測器與影像感測器的製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種影像感測器與一種影像感測器的製造方法，尤指一種可以藉由在該源極隨耦器(source follower)電晶體通道與該感光區域之間形成一抗光暈路徑(anti-blooming path)來減少光暈現象的影像感測器與一種影像感測器的製造方法。
互補式金氧半場效電晶體影像感測器(CMOS Image Sensor，CIS)已經被許多應用廣泛的採用，例如手機、視訊裝置、保全系統、玩具、醫療設備等等。下一波關於互補式金氧半場效電晶體影像感測器大規模的應用會在汽車相關的應用中出現，這可以用於輔助駕駛人的視覺與動作，以得到更安全與輕鬆的駕駛體驗。
然而，關於汽車影像感測器的要求非常高，這些要求通常是基於汽車的嚴苛操作條件下產生的，關於汽車影像感測器的其中之一關鍵要求就是低光暈。
當一像素被光載子(通常是電子)所填滿並且尚未達到整合時間(integration time)時就會出現光暈，也就是當入射光仍然在產生更多的電子/電洞對，但是該像素已經無法收集這些更多的電子/電洞對了，而該些電子與電洞會被注入接地的P型井並且在那重新結合；然而，就像雙極性電晶體(BJT)
的原理，如果有一空的感光二極體在附近作為收集者，並且該些電子與電洞在短距離內無法完全結合，該些電子與電洞就會經由擴散流入該空的感光二極體，在這種情況下，一個亮的像素就會把光散到附近區域的其他像素。光暈在互補式金氧半場效電晶體影像感測器的應用中是需要極力避免的現象，特別是關於汽車與監控相關的應用。
道路的影像通常是具有高度動態範圍的，尤其是在夜晚。互補式金氧半場效電晶體影像感測器必須在特別亮的區域具有良好的光暈控制，以確保周圍燈光昏暗的區域不會被光暈電子所影響，否則很多細節就會被掩埋，使得車輛控制系統或者駕駛人很難從影像中得到正確的資訊。另一個低光暈的理由是關於高度動態範圍架構的要求，其中感光二極體的整合時間都不同，具有較長整合時間之感光二極體的光暈會將具有較短整合時間之感光二極體的資訊摧毀。還有一個理由是群集控制(cluster control)，即使像在汽車中這樣昏暗且高溫的環境下，一個超級”熱”的熱點(hot pixel)也會被強大的暗電流填滿並且達到光暈的程度，而周遭的熱點會顯示出一個奇怪的圖案作為一熱群集(hot cluster)，並且很難用影像處理的方式將其修正回來。
目前有一些關於降低光暈的先前技術，例如在一先前技術(Yasuo Ishihara,et al.,“Interline CCD Image Sensor with an Antiblooming Structure”IEEE Transactions on Electron Devices,Vol.,ED-31,NO.1,Jan 1984)中，提供給電荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)的解決方案可以提供高電壓以確實控制汲極的開啟與關閉，但是像這樣大範圍的電壓並不能用於互補式金氧半場效電晶體影像感測器。
在另一先前技術(G.Agranov,et al.,“Super Small,Sub 2μm Pixels For Novel CMOS Image Sensors”,INTERNATIONAL IMAGE SENSOR
WORKSHOP,June 7-10,2007,Ogunquit,Maine USA)中，隱藏N型井的設計會面對到關於抗光暈與紅反應之間的權衡問題(trade-off)。
此外，另一種傳統的解決方案係利用表面的抗光暈汲極。在一互補式金氧半場效電晶體影像感測器之四顆電晶體的像素(CIS 4T pixel)中，一轉移閘極(transfer gate，Tx)係在該像素之整合期間稍微的被開啟，所以光暈墊子可以被汲取到漂流擴散(floating diffusion，FD)區域。然而，這種解決方案具有許多缺點，例如從轉移閘極通道到感光二極體的區域會有很高的漏電流，並且會大量增加暗電流與白像素，另外，全井產能(full well capacity，FWC)在這種解決方案中也是個需要權衡的問題。雖然為了解決暗電流的問題，可以設計一個專用的抗光暈汲極，但是這樣一來就會減少感光區域的面積。
舉例來說，請參考第1圖、第2圖以及第3圖，第1圖所繪示的係為一傳統的影像感測器100之簡化俯視示意圖，第2圖所繪示的係為影像感測器100之簡化剖面(A-A’)示意圖，以及第3圖所繪示的係為影像感測器100的等效電路圖。如第1圖、第2圖以及第3圖所示，影像感測器100包含有：一P型基底110、一P型磊晶層(epitaxial layer)120、兩個感光區域130、132、兩個P型井區域140、142、一源極隨耦器電晶體(source follower，SF)之一閘極區域150、兩個淺溝槽絕緣(STI)區域160、162、一轉移閘極(transfer gate，Tx)170、一漂流擴散(floating diffusion，FD)區域180、一選擇閘極(select gate，SEL)190、一重設閘極(reset gate，RES)200、一金屬氧化物半導體(MOS)閘極氧化層210，以及感光區域130、132的一表面釘扎層(surface pinning layer)220。金屬氧化物半導體閘極氧化層210係包含在任何的互補式金氧半場效電晶體製程中，沒有例外，並且金屬氧化物半導體閘極氧化層210係形成於多晶矽閘極形成之前。表面釘扎層220不屬於預設的互補式金氧半場效電晶體製程，但是對於互補式金氧半場效電晶體影像感測器(CMOS Image
Sensor，CIS)來說則是必要的，並且表面釘扎層220形成於多晶矽閘極形成之後，其中形成表面釘扎層220係為形成感光區域130、132之一標準製程步驟。此外，在另一先前技術中，淺溝槽絕緣區域160係由一濃厚的P型井隔離230所取代，如第4圖以及第5圖所示。
有鑑於此，本發明之目的之一在於提供一種影像感測器與一種影像感測器的製造方法，可以藉由在該源極隨耦器(source follower，SF)電晶體通道與該感光區域之間形成一抗光暈路徑(anti-blooming path)來減少光暈現象，以解決上述的問題，這是因為在正常情況下，該源極隨耦器的一汲極係連接於晶片上最正向的電源供應，所以該汲極可以非常有效的將光暈電流引導到該源極隨耦器電晶體通道中。
因此，根據本發明之一實施例，其係提供了一種影像感測器。本發明之影像感測器係包含有：一第一型磊晶層(epitaxial layer)、一感光區域、一第一型井區域、一源極隨耦器電晶體之一閘極區域以及一第一型離子佈植絕緣區域。該第一型磊晶層係形成於一第一型基底上；該感光區域係形成於該第一型磊晶層中；該第一型井區域係形成於該第一型磊晶層中，並與該感光區域之間具有一第一水平距離，並且與該第一型磊晶層的一表面之間具有一垂直距離；該源極隨耦器電晶體之一閘極區域係形成於該第一型磊晶層的該表面之一氧化層上，並位於該第一型井區域上方，並且與該感光區域之間具有一第二水平距離；以及該第一型離子佈植絕緣區域係形成於該第一型磊晶層中，並且位於該第一型井區域與該感光區域之間；其中該第一水平距離大於該第二水平距離，並且在該第一型離子佈植絕緣區域與該第一型井區域之間具有一距離以作為一抗光暈路徑。
因此，根據本發明之一實施例，其係提供了一種用於一影像感測
器的製造方法。本發明之製造方法包含有：於一第一型基底上一形成第一型磊晶層；於該第一型磊晶層中形成一第一型井區域，並且該第一型井區域與該第一型磊晶層的一表面之間具有一垂直距離；於該第一型磊晶層的該表面之一氧化層上形成一源極隨耦器電晶體之一閘極區域，並且該源極隨耦器電晶體之該閘極區域係位於該第一型井區域上方；於該第一型磊晶層中形成一感光區域，該感光區域與該第一型井區域之間具有一第一水平距離，並且與該源極隨耦器電晶體的該閘極區域之間具有一第二水平距離；以及於該第一型磊晶層中形成一第一型離子佈植絕緣區域，並且該第一型離子佈植絕緣區域係位於該第一型井區域與該感光區域之間；其中該第一水平距離大於該第二水平距離，並且在該第一型離子佈植絕緣區域與該第一型井區域之間具有一距離以作為一抗光暈路徑。
綜上所述，本發明所提供之該影像感測器與影像感測器的製造方法，可以藉由在該源極隨耦器電晶體通道與該感光區域之間形成一抗光暈路徑來減少光暈現象，並且不需要在該源極隨耦器電晶體通道與該感光區域之間形成任何淺溝槽絕緣(STI)。經由適當的調整該抗光暈路徑的位能障(potential barrier)，幾乎所有從該源極隨耦器電晶體通道空乏區域(depletion region)所產生的電子漏電流(electron leakage current)都可以被該源極隨耦器電晶體的汲極端所吸收，因此本發明可以解決利用一轉移閘極(transfer gate，Tx)作為一抗光暈汲極所產生的問題。
100‧‧‧影像感測器
110‧‧‧P型基底
120‧‧‧P型磊晶層
130、132‧‧‧感光區域
140、142‧‧‧P型井區域
150‧‧‧源極隨耦器電晶體之閘極區域
160、162‧‧‧淺溝槽絕緣區域
170‧‧‧轉移閘極
180‧‧‧漂流擴散區域
190‧‧‧選擇閘極
210‧‧‧金屬氧化物半導體閘極氧化層
220‧‧‧表面釘扎層
500‧‧‧影像感測器
510‧‧‧P型基底
520‧‧‧P型磊晶層
530、532‧‧‧感光區域
540、542‧‧‧P型井區域
550‧‧‧源極隨耦器電晶體之閘極區域
560‧‧‧P型離子佈植絕緣區域
570‧‧‧淺溝槽絕緣區域
580‧‧‧金屬氧化物半導體閘極氧化層
590‧‧‧表面釘扎層
630‧‧‧感光區域
640‧‧‧P型井區域
650‧‧‧源極隨耦器電晶體之閘極區域
660‧‧‧P型離子佈植絕緣區域
第1圖所繪示的係為一傳統的影像感測器之簡化俯視示意圖。
第2圖所繪示的係為第1圖中的影像感測器之簡化剖面(A-A’)示意圖。
第3圖所繪示的係為影像感測器的等效電路圖。
第4圖所繪示的係為另一傳統的影像感測器之簡化俯視示意圖。
第5圖所繪示的係為第4圖中的影像感測器之簡化剖面(A-A’)示意圖。
第6圖所繪示的係為依據本發明一實施例的一種影像感測器之簡化剖面示意圖。
第7圖所繪示的係為舉例說明在P型磊晶層中並且在感光區域與該源極隨耦器電晶體之閘極區域之間形成一抗光暈路徑的5種方式之簡化剖面示意圖。
第8圖所繪示的係為依據上述實施例來概述本發明之用於一影像感測器的製造方法之流程示意圖。
在本說明書以及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件，而所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件，本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則，在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含有」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含有但不限定於」。
請參考第6圖，第6圖所繪示的係為依據本發明一實施例的一種影像感測器500之簡化剖面示意圖，如第6圖所示，影像感測器500包含有：一P型基底510、一P型磊晶層(epitaxial layer)520、兩個感光區域530、532、兩個P型井區域540、542、一源極隨耦器電晶體之一閘極區域550、一P型離子佈植絕緣區域560、一淺溝槽絕緣(STI)區域570、一金屬氧化物半導體閘極氧化層580以及感光區域530、532的一表面釘扎層(surface pinning layer)590。金屬氧化物半導體閘極氧化層580係包含在任何的互補式金氧半場效電晶體製程中，沒有例外，並且金屬氧化物半導體閘極氧化層580係形成於多晶矽閘極形成之前。表面釘扎層590不屬於預設的互補式金氧半場效電晶體製程，
但是對於互補式金氧半場效電晶體影像感測器(CMOS Image Sensor，CIS)來說則是必要的，並且表面釘扎層590形成於多晶矽閘極形成之後，其中形成表面釘扎層590係為形成感光區域530、532之一標準製程步驟。
P型磊晶層520係形成於一P型基底510上，以及感光區域530、532係形成於P型磊晶層520中。P型井區域540、542係形成於P型磊晶層520中，並與感光區域530、532之間具有一第一水平距離，並且與P型磊晶層520的一表面之間具有一垂直距離。該源極隨耦器電晶體之閘極區域550係形成於P型磊晶層520的該表面之金屬氧化物半導體閘極氧化層580上，並位於P型井區域540上方，並且與感光區域530之間具有一第二水平距離。P型離子佈植絕緣區域560係形成於P型磊晶層520中，並且位於P型井區域540與感光區域530之間，其中P型離子佈植絕緣區域560之一寬度與該第二水平距離相等，該第一水平距離大於該第二水平距離，並且在P型離子佈植絕緣區域560與P型井區域540之間具有一距離以作為一抗光暈路徑(anti-blooming path)。
舉例來說，P型離子佈植絕緣區域560以及P型井區域540之間可以有一輕度P型摻雜，其中與P型離子佈植絕緣區域560以及P型井區域540相較之下，該輕度P型摻雜具有較低的能障，因此，在本發明之影像感測器500中可以在P型磊晶層520中，並且在感光區域530與該源極隨耦器電晶體之閘極區域550之間形成一抗光暈路徑。
本發明有5種方式可以在P型磊晶層520中，並且在感光區域530與該源極隨耦器電晶體之閘極區域550之間形成一抗光暈路徑，請參考第7圖，第7圖所繪示的係為舉例說明這5種方式之簡化剖面示意圖。如第7圖所示，閘極區域650、P型離子佈植絕緣區域660以及P型井區域640的邊緣
在第7圖之5種方式中所做的每一種的移動方式係在下列段落中利用各編號作相對應的描述。
1.在P型離子佈植絕緣區域660中進行特別的抗光暈離子佈植，例如佈植N型摻雜；或者利用調整離子佈植能量來使P型離子佈植絕緣區域660變得較窄，以及使P型井區域640變得較深。
2.調整該源極隨耦器電晶體之閘極區域650的寬度，由於P型離子佈植絕緣區域660必須與閘極區域650自我對齊，因此P型離子佈植絕緣區域660的邊緣會依據閘極區域650的位置而移動。
3.調整感光區域630與該源極隨耦器電晶體之閘極區域650之間的距離。
4.調整該源極隨耦器電晶體之閘極區域650下方之P型井區域640的寬度，以在P型離子佈植絕緣區域660以及P型井區域640之間產生一輕度P型摻雜(亦即較低的能障)。
5.經由重設像素之電晶體將該源極隨耦器之一閘極電壓偏壓至一正電壓，以及調整該正電壓以使該源極隨耦器在一深空乏模式中的空乏邊緣產生一較大的延伸。
由於上述的5種方式係彼此獨立，因此該5種方式之間的任意組合也可以產生各種有效的方式。
在此請注意，上述的實施例僅作為本發明的舉例說明，而不是本發明的限制條件，舉例來說，在本發明的影像感測器之另一實施例中，該P型基底可以由一N型基底取代，該P型磊晶層可以由一N型磊晶層取代，該P型井區域可以由一N型井區域取代，以及該P型離子佈植絕緣區域可以由一N型離子佈植絕緣區域取代。
請參考第8圖，第8圖所繪示的係為依據上述實施例來概述本發
明之用於一影像感測器的製造方法之流程示意圖。假如大體上可以得到相同的結果，則流程中的步驟不一定需要照第8圖所示的順序來執行，也不一定需要是連續的，也就是說，這些步驟之間係可以插入其他的步驟。本發明之方法包含有下列步驟：步驟700：於一P型基底上一形成P型磊晶層。
步驟702：於該P型磊晶層中形成一P型井區域，並且該P型井區域與該P型磊晶層的一表面之間具有一垂直距離。
步驟704：於該P型磊晶層的該表面之一氧化層上形成一源極隨耦器(source follower)電晶體之一閘極區域，並且該源極隨耦器電晶體之該閘極區域係位於該P型井區域上方。
步驟706：於該P型磊晶層中形成一感光區域，該感光區域與該P型井區域之間具有一第一水平距離，並且與該源極隨耦器電晶體的該閘極區域之間具有一第二水平距離。
步驟708：於該P型磊晶層中形成一P型離子佈植絕緣區域，並且該P型離子佈植絕緣區域係位於該P型井區域與該感光區域之間，其中在該第一型離子佈植絕緣區域與該第一型井區域之間具有一距離以作為一抗光暈路徑。
在此請注意，上述的實施例僅作為本發明的舉例說明，而不是本發明的限制條件，舉例來說，在本發明的影像感測器之另一實施例中，該P型基底可以由一N型基底取代，該P型磊晶層可以由一N型磊晶層取代，該P型井區域可以由一N型井區域取代，以及該P型離子佈植絕緣區域可以由一N型離子佈植絕緣區域取代。
綜上所述，本發明所提供之該影像感測器與影像感測器的製造方
法，可以藉由在該源極隨耦器電晶體通道與該感光區域之間形成一抗光暈路徑來減少光暈現象，並且不需要在該源極隨耦器電晶體通道與該感光區域之間形成任何淺溝槽絕緣(STI)。經由適當的調整該抗光暈路徑的位能障(potential barrier)，幾乎所有從該源極隨耦器電晶體通道空乏區域(depletion region)所產生的電子漏電流(electron leakage current)都可以被該源極隨耦器電晶體的汲極端所吸收，因此本發明可以解決利用一轉移閘極(transfer gate，Tx)作為一抗光暈汲極所產生的問題。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
500‧‧‧影像感測器
510‧‧‧P型基底
520‧‧‧P型磊晶層
530、532‧‧‧感光區域
540、542‧‧‧P型井區域
550‧‧‧源極隨耦器電晶體之閘極區域
560‧‧‧P型離子佈植絕緣區域
570‧‧‧淺溝槽絕緣區域
580‧‧‧金屬氧化物半導體閘極氧化層
590‧‧‧表面釘扎層
Claims (8)
- 一種影像感測器，包含有：一第一型磊晶層(epitaxial layer)，形成於一第一型基底上；一感光區域，形成於該第一型磊晶層中；一第一型井區域，形成於該第一型磊晶層中，與該感光區域之間具有一第一水平距離，並且與該第一型磊晶層的一表面之間具有一垂直距離；一源極隨耦器(source follower)電晶體之一閘極區域，形成於該第一型磊晶層的該表面之一氧化層上，並位於該第一型井區域上方，並且與該感光區域之間具有一第二水平距離；以及一第一型離子佈植絕緣區域，形成於該第一型磊晶層中，並且位於該第一型井區域與該感光區域之間；其中該第一水平距離大於該第二水平距離，並且在該第一型離子佈植絕緣區域與該第一型井區域之間具有一距離以作為一抗光暈路徑(anti-blooming path)。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該第一型離子佈植絕緣區域之一寬度與該第二水平距離相等。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該第一型基底係為一P型基底，該第一型磊晶層係為一P型磊晶(P-epi)層，該第一型井區域係為一P型井，以及該第一型離子佈植絕緣區域係為一P型離子佈植絕緣區域(P-iso)。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該第一型基底係為一N型基底，該第一型磊晶層係為一N型磊晶(N-eNi)層，該第一型井 區域係為一N型井，以及該第一型離子佈植絕緣區域係為一N型離子佈植絕緣區域(N-iso)。
- 一種影像感測器的製造方法，包含有：於一第一型基底上一形成第一型磊晶層(epitaxial layer)；於該第一型磊晶層中形成一第一型井區域，該第一型井區域與該第一型磊晶層的一表面之間具有一垂直距離；於該第一型磊晶層的該表面之一氧化層上形成一源極隨耦器(source follower)電晶體之一閘極區域，並且該源極隨耦器電晶體之該閘極區域係位於該第一型井區域上方；於該第一型磊晶層中形成一感光區域，該感光區域與該第一型井區域之間具有一第一水平距離，並且與該源極隨耦器電晶體的該閘極區域之間具有一第二水平距離；以及於該第一型磊晶層中形成一第一型離子佈植絕緣區域，並且該第一型離子佈植絕緣區域係位於該第一型井區域與該感光區域之間；其中該第一水平距離大於該第二水平距離，並且在該第一型離子佈植絕緣區域與該第一型井區域之間具有一距離以作為一抗光暈路徑(anti-blooming path)。
- 如申請專利範圍第5項所述之製造方法，其中該第一型離子佈植絕緣區域之一寬度與該第二水平距離相等。
- 如申請專利範圍第5項所述之製造方法，其中該第一型基底係為一P型基底，該第一型磊晶層係為一P型磊晶(P-epi)層，該第一型井區域係為一P型井，以及該第一型離子佈植絕緣區域係為一P型離子佈植絕緣區域(P-iso)。
- 如申請專利範圍第5項所述之製造方法，其中該第一型基底係為一N型基底，該第一型磊晶層係為一N型磊晶(N-eNi)層，該第一型井區域係為一N型井，以及該第一型離子佈植絕緣區域係為一N型離子佈植絕緣區域(N-iso)。
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