TWI559513B - 具有透過含隔離區之接觸蝕刻終止層耦接之金屬接點之影像感測器 - Google Patents
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Description
本發明大體係關於成像。更特定而言，本發明之實例係關於基於互補金屬氧化物半導體之影像感測器。
落到互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器上之具有高亮度位準之影像的電簽名可保持內嵌在隨後獲取之影像之隨後讀出的電簽名中。保持在影像感測器中之先前感測的影像之電簽名一直稱為「幻象假影」或「記憶效應」。此非吾人所樂見之效果可由於靜態影像(尤其是高強度或亮度之影像)向影像感測器之重複暴露而加劇。幻象影像之保留表示使隨後獲取之影像模糊不清且減小信雜比之雜訊，且在存在正成像之移動之情況下可引起模糊。
記憶效應問題已發現尤其存在於已使用先進製造技術製造之CMOS影像感測器中，尤其是採用措施使金屬互連密度最大化之CMOS影像感測器。舉例而言，採用所謂之「無邊界接點」之彼等製造技術已發現與此問題之根本原因相關聯。
100‧‧‧成像系統
102‧‧‧像素陣列
104‧‧‧讀出電路
106‧‧‧功能邏輯
108‧‧‧控制電路
202‧‧‧像素陣列
210‧‧‧半導體基板
212A‧‧‧光電二極體
212B‧‧‧光電二極體
214‧‧‧金屬接點
216‧‧‧隔離區
302‧‧‧像素陣列
310‧‧‧半導體基板層
312‧‧‧光電二極體
314‧‧‧金屬接點
316‧‧‧隔離區
318‧‧‧淺渠溝隔離
320‧‧‧鈍化層
322‧‧‧接觸蝕刻終止層
324‧‧‧介電質層/金屬互連層
326‧‧‧多晶矽區
328‧‧‧應力路徑
參看以下圖式描述本發明之非限制性且非詳盡實施例，圖式
中，除非另外指定，否則相同參考數字貫穿各圖指代相同零件。
圖1為說明根據本發明之教示包括實例像素陣列之成像系統的一項實例之圖，該實例像素陣列具有影像感測器像素，該等影像感測器像素具有透過含隔離區之接觸蝕刻終止層耦接至像素電路之金屬接點。
圖2A說明具有影像感測器像素之像素陣列之一項實例之俯視圖，該等影像感測器像素具有透過接觸蝕刻終止層耦接至像素電路之金屬接點。
圖2B說明根據本發明之教示之具有影像感測器像素之像素陣列的一項實例之俯視圖，該等影像感測器像素具有透過含隔離區之接觸蝕刻終止層耦接至像素電路之金屬接點。
圖3A說明包括在具有影像感測器像素之實例像素陣列中之半導體基板層的一項實例之橫截面圖，該等影像感測器像素具有透過接觸蝕刻終止層耦接至像素電路之金屬接點。
圖3B說明根據本發明之教示之包括在具有影像感測器像素之實例像素陣列中之半導體基板層的一項實例之橫截面圖，該等影像感測器像素具有透過含隔離區之接觸蝕刻終止層耦接至像素電路之金屬接點。
對應之參考符號貫穿圖式之若干視圖指示對應組件。熟習此項技術者將瞭解，圖中之元件僅為了簡潔及清晰而說明且未必係按比例繪製。舉例而言，圖中一些元件之尺寸可相對於其他元件有所誇示以幫助提高對本發明之各項實施例之理解。又，商業可行環境中有用或必要之常見但眾所周知之元件通常未描繪以便促進對本發明之此等各種實施例之順暢理解。
在以下描述中，陳述許多特定細節以便提供對本發明之詳盡理
解。然而，一般熟習此項技術者將瞭解，不需要採用特定細節來實踐本發明。在其他例子中，未詳細描述眾所周知之材料或方法以免混淆本發明。
貫穿本說明書對「一項實施例」、「一實施例」、「一項實例」或「一實例」之參考意味著，結合實施例或實例描述之特定特徵、結構或特性包括在本發明之至少一項實施例中。因此，貫穿本說明書在各處之片語「在一項實施例中」、「在一實施例中」、「一項實例」或「一實例」之出現不一定全部指代同一實施例或實例。此外，在一或多項實施例或實例中，特定特徵、結構或特性可以任何適宜之組合及/或子組合之形式進行組合。特定特徵、結構或特性可包括在積體電路、電子電路、組合邏輯電路，或提供所描述功能性之其他適宜組件中。另外，應瞭解，同此提供之圖式係出於對一般熟習此項技術者進行闡釋之目的，且圖式未必係按比例繪製。
根據本發明之教示之實例提出互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器中之記憶效應的根本原因中之影響因素，且提供用以減少或消除包括蝕刻終止層之CMOS影像感測器中之記憶效應的解決方案。根據本發明之教示之實例CMOS影像感測器包括實例接觸蝕刻終止層，其使得CMOS影像感測器中具有減小之記憶效應或無記憶效應之無邊界接點元件成為可能。特定而言，代替在影像感測器之整個表面上提供連續之接觸蝕刻終止層，(金屬接點透過接觸蝕刻終止層耦接至像素電路之情況除外)，根據本發明教示之實例影像感測器包含包括具有隔離區之接觸蝕刻終止層的影像感測器像素。舉例而言，在一項實例中，影像感測器像素包括安置在半導體層中之一或多個光電二極體。像素電路安置在半導體層中、耦接至該一或多個光電二極體。鈍化層在像素電路及該一或多個光電二極體上方安置在半導體層附近。接觸蝕刻終止層安置在鈍化層上方。一或多個金屬接點透過接觸
蝕刻終止層耦接至像素電路。在接觸蝕刻終止層中界定一或多個隔離區，其將金屬接點及該一或多個金屬接點耦接至像素電路所透過之接觸蝕刻終止層材料與該一或多個光電二極體隔離。藉由隔離金屬接點及該金屬接點耦接至像素電路所透過之接觸蝕刻終止層材料，接觸蝕刻終止層中光電二極體區與金屬接點之間的應力路徑實質上被消除，此減小根據本發明教示之影像感測器中之記憶效應。
為了說明，圖1為說明根據本發明之教示包括實例像素陣列102之成像系統100的一項實例之圖，實例像素陣列102具有擁有隔離區之接觸蝕刻終止層。如所描繪之實例中所示，成像系統100包括耦接至控制電路108及讀出電路104之像素陣列102，讀出電路104耦接至功能邏輯106。
在一項實例中，像素陣列102為成像感測器或像素(例如，像素P1、P2...、Pn)之二維(2D)陣列。在一項實例中，每一像素為CMOS成像像素。如所說明，每一像素配置為列(例如，列R1至Ry)及行(例如，行C1至Cx)以獲取人、地方、物體等之影像資料，該影像資料可接著用於呈現人、地方、物體等之2D影像。
在一項實例中，在每一像素已獲取其影像資料或影像電荷之後，影像資料由讀出電路104讀出且接著傳遞至功能邏輯106。在各種實例中，讀出電路104可包括放大電路、類比轉數位(ADC)轉換電路或其他。功能邏輯106可簡單地儲存影像資料，或甚至藉由應用後影像效應(例如，裁剪、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)來操縱影像資料。在一項實例中，讀出電路104可沿著讀出行線(已說明)一次讀出一列影像資料，或可使用諸如串行讀出或同時對所有像素之完全並行讀出等多種其他技術(未說明)來讀出影像資料。
在一項實例中，控制電路108耦接至像素陣列102以控制像素陣列102之操作特性。舉例而言，控制電路108可產生用於控制影像獲取
之快門信號。在一項實例中，快門信號係用於同時啟用像素陣列102內之所有像素以在單一獲取窗口期間同時捕獲其相應影像資料之全域快門信號。在另一實例中，快門信號為滾動快門信號，使得每一列、行或像素群組在連續獲取窗口期間被循序地啟用。
圖2A說明影像感測器像素之實例像素陣列202之半導體基板210的一項實例之俯視圖。應瞭解，在一項實例中，像素陣列202為提供圖1之像素陣列202之一項實例之增加之細節的說明。如圖2A中描繪之實例中所示，像素陣列202包括影像感測器像素之陣列，其包括多個光電二極體(PD)及金屬接點214，金屬接點214透過接觸蝕刻終止層耦接至與配置在半導體層210中之光電二極體相關聯之像素電路。在各種實例中，每一像素可包括一或多個光電二極體(例如，212A及/或212B)及一或多個金屬接點214。在圖2A中描繪之實例中，影像感測器像素中之一者包括光電二極體212A及光電二極體212B，及一或多個金屬接點214，金屬接點214耦接至半導體基板210中之相關聯像素電路。在另一實例中，應瞭解，影像感測器像素可包括僅一個光電二極體。在一項實例中，金屬接點214耦接至可包括諸如(但不限於)轉移電晶體、浮動擴散等像素電路元件之像素電路。在一項實例中，一或多個影像感測器像素亦可包括或共用至電壓轉換浮動二極體及放大器電晶體之電荷。
如下文將更詳細論述，在一項實例中，接觸蝕刻終止層安置在沈積在像素陣列202上方之鈍化層上方。接觸蝕刻終止層之沈積係可在提供無邊界接點時利用之製造技術，該等無邊界接點可用於增加像素陣列202中之金屬互連密度。在一項實例中，根據本發明之教示，在接觸蝕刻終止層中界定隔離區，該等隔離區實質上消除接觸蝕刻終止層中在光電二極體區與金屬接點之間及至金屬接點耦接所透過之接觸蝕刻終止層材料之應力路徑。
為了說明，圖2B說明根據本發明之教示之具有影像感測器像素之像素陣列202的一項實例之俯視圖，該影像感測器像素具有透過含隔離區216之接觸蝕刻終止層耦接之金屬接點214。應瞭解，圖2B之像素陣列202與圖2A之像素陣列202類似，且下文參考之類似命名及編號之元件如上文描述而耦接且起作用。如實例中展示且下文將更詳細論述，在像素陣列202之影像感測器像素之接觸蝕刻終止層中界定如例如圖2B中說明之隔離區216，該等隔離區根據本發明之教示將金屬接點214及金屬接點214耦接至相關聯像素電路所透過之接觸蝕刻終止層材料與包括光電二極體212A及光電二極體212B之光電二極體隔離。特定而言，根據本發明之教示，用隔離區216實質上消除接觸蝕刻終止層中在光電二極體212A及212B與金屬接點214之間的應力路徑。應瞭解，根據本發明之教示，藉由藉助在如圖所示之接觸蝕刻終止層中界定隔離區216來改變像素陣列202之結構，實現像素上之額外電及/或機械效應，其減少像素陣列202中之幻象假影或記憶效應。
為了說明，圖3A展示根據本發明之教示包括在CMOS影像感測器之實例像素陣列302中之半導體基板層310的一項實例之橫截面圖。應注意，在一項實例中，圖3A之像素陣列302係沿著圖2A之像素陣列202之線A-A'之橫截面圖。如所描繪之實例中展示，像素陣列302包括半導體基板層310，其包括(例如)矽，光電二極體312區安置在其中。在該實例中，光電二極體312區可為安置在半導體310中之唯一光電二極體區或複數個光電二極體區中之一者，該複數個光電二極體區包括在像素陣列302之影像感測器像素中。如所描繪之實例中展示，存在安置在半導體基板層310中之淺渠溝隔離(STI)318區，其將光電二極體312區與半導體基板層310中之相鄰像素電路分離。
如所描繪之實例中展示，鈍化層320在像素電路及像素陣列302之光電二極體312上方沈積在半導體基板層310附近。在一項實例中，
鈍化層320可包括諸如基於氧化矽之介電質層之絕緣材料。在所說明之實例中，像素電路展示為包括多晶矽區326，其在一項實例中表示多晶矽閘極結構等。當然，應瞭解，像素電路可包括其他電路結構，諸如(但不限於)轉移電晶體、浮動擴散、放大器電晶體等。在所描繪之實例中，多晶矽區326展示為被鈍化層320之氧化物材料圍繞。
圖3A亦說明接觸蝕刻終止層322安置在鈍化層320上方，鈍化層320沈積在半導體基板層310中之像素陣列302之像素電路及光電二極體312上方。在一項實例中，當提供待在像素陣列302中製造之無邊界接點時利用接觸蝕刻終止層322。如此，接觸蝕刻終止層322用於保護下伏結構以免在用於形成接點開口之乾式蝕刻製程期間受到損壞。因此，蝕刻終止層322具有比例如基於氧化矽之介電質層慢之蝕刻速率。
圖3A亦說明安置在接觸蝕刻終止層322上方之介電質層324，接觸蝕刻終止層322沈積在鈍化層320上方，鈍化層320如圖所示沈積在半導體基板層310上方。在一項實例中，介電質層324為金屬互連層324，其可包括諸如硼磷矽玻璃之絕緣材料。
圖3A亦展示金屬接點314透過接觸蝕刻終止層322耦接至像素電路。在一項實例中，金屬接點314透過接觸蝕刻終止層322且透過介電質層324耦接至像素電路之多晶矽區326。在一項實例中，金屬接點，314係包括在像素陣列302之實例影像感測器像素中之複數個金屬接點314中之一者。
在圖3A中描繪之實例中，應注意，接觸蝕刻終止層322在光電二極體312區至金屬接點314之間係連續的。因此，圖3A展示在接觸蝕刻終止層322中的在光電二極體312區與金屬接點314之間及在光電二極體312區與金屬接點314耦接至像素電路之多晶矽區326所透過之接觸蝕刻終止層322材料之間存在應力路徑328。
接觸蝕刻終止層322包括基於氮化矽之介電質，其包括(例如)氮氧化矽或碳化矽等。在一項實例中，接觸蝕刻終止層322可使用電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)來沈積，PECVD採用電驅動之電漿來分解諸如矽烷(SiH4)、氨氣(NH4)及氧氣(O2)等源氣體，以提供矽、氮及氧之源來用於形成氮化矽及/或氮氧化矽。
在一項實例中，所得之接觸蝕刻終止層322可因此藉由包括歸因於原子之間的殘餘氫或較差形成之晶體鍵合(諸如，Si-Si鍵或Si-H鍵)而引起的顯著量之移動電荷來表徵。在一項實例中，所得之接觸蝕刻終止層322亦藉由具有與選定沈積製程參數或選定相對量之反應氣體相關聯之殘餘機械應力來表徵。
接觸蝕刻終止層322之PECVD氮化矽及/或氮氧化矽中之移動電荷可由諸如置放在接觸蝕刻終止層322上之電場之電力來移動，此可引起諸如光電二極體區312及/或包括在像素陣列302之像素中之像素電路等附近半導體區中之非吾人所樂見之效應。舉例而言，包括在像素陣列302之像素中之像素電路中所包括的電晶體之源極-汲極電阻可藉由更改下伏輕度摻雜源極或汲極區之耗盡特性而受接觸蝕刻終止層322之上覆PECVD氮化矽中之移動電荷影響來實現。另外，應注意，接觸蝕刻終止層322之PECVD氮化矽及/或氮氧化矽與諸如二氧化矽膜之其他膜之間的界面能夠將通常在各種原子之間的斷裂鍵中之電荷保持在界面處。
此外，應注意，亦可藉由暴露於可見光而在接觸蝕刻終止層322之PECVD氮化矽及/或氮氧化矽中引發淨正電荷累積，此可當像素陣列302之光電二極體312區被照射時發生。特定而言，與Si-Si及Si-H晶體結構之聲子模式相關聯之能量可參與電載波之光學激勵。聲子為與晶體結構相關聯之性質，且因此可能與接觸蝕刻終止層322之PECVD氮化矽及/或氮氧化矽之應力性質有關。
接觸蝕刻終止層322之PECVD氮化矽及/或氮氧化矽之所有上文概述之電荷相關特性可在附近之半導體區中引起非吾人所樂見之效應，且因此促成像素陣列302中之非吾人所樂見之幻象假影或記憶效應。
為了解決可由接觸蝕刻終止層322引起之像素陣列302中之非吾人所樂見的幻象假影或記憶效應，根據本發明之教示，可在接觸蝕刻終止層322中界定一或多個隔離區以藉由實質上消除接觸蝕刻終止層322中的在光電二極體312區至金屬接點314之間的應力路徑328而減輕一些應力。
為了說明，圖3B說明根據本發明之教示之包括在具有影像感測器像素之實例像素陣列302中之半導體基板層310的一項實例之橫截面圖，該等影像感測器像素具有透過含隔離區316之接觸蝕刻終止層322耦接之金屬接點314。應注意，在一項實例中，圖3B之像素陣列302係沿著圖2B之像素陣列202之線B-B'之橫截面圖。應瞭解，圖3B之像素陣列302與圖3A之像素陣列302類似，且下文參考之類似命名及編號之元件如上文描述而耦接且起作用。
如圖3B中描繪之實例中所示，在接觸蝕刻終止層322中界定一或多個隔離區316。如此，金屬接點314及金屬接點314耦接至像素電路所透過之周圍接觸蝕刻終止層322材料與相鄰之光電二極體312區隔離。特定而言，根據本發明之教示，在接觸蝕刻終止層322中界定之該一或多個隔離區316實質上消除接觸蝕刻終止層322中在該一或多個金屬接點314與像素陣列302之影像感測器像素之該一或多個相鄰光電二極體312區之間的應力路徑。在一項實例中，如先前描述，藉由移除或蝕刻去除如在金屬接點314與光電二極體312區之間所示之接觸蝕刻終止層322材料(如圖所示)以實質上消除應力路徑328，而在接觸蝕刻終止層322中界定隔離區316。在一項實例中，根據本發明之教示，接觸蝕刻終止層322材料之移除或蝕刻去除減輕接觸蝕刻終止層322中
之至少一些應力。
根據本發明之教示，藉由如圖所示移除接觸蝕刻終止層322材料且在接觸蝕刻終止層322中界定隔離區316，像素陣列302中之記憶效應被減小或消除。特定而言，如圖所示在接觸蝕刻終止層322中界定之隔離區316可減小像素陣列302中之記憶效應，此係因為原本存在於蝕刻終止層322中之應力已藉由移除部分316而釋放，因此減小蝕刻終止層322被光學激勵且藉由蝕刻終止層322內之電荷捕獲或在蝕刻終止層322與鄰近膜(包括例如鈍化層320)之界面處保持幻象假影影像之傾向性。另外，應注意，根據本發明之教示，亦可在像素陣列302中減小記憶效應，此係因為當自蝕刻終止層322移除部分316時執行之開渠溝可導致蝕刻終止層322內移動電荷之總體減少，此亦減小像素陣列302中之記憶效應。
本發明之所說明實例之以上描述(包括摘要中描述之內容)不希望為詳盡的或限於所揭示之精確形式。雖然本文出於說明性目的描述本發明之特定實施例及實例，但可在不脫離本發明之較廣精神及範疇的情況下進行各種等效修改。事實上，應瞭解，特定實例電壓、電流、頻率、功率範圍值、時間等係出於闡釋之目的而提供，且根據本發明之教示，在其他實施例及實例中亦可採用其他值。
202‧‧‧像素陣列
210‧‧‧半導體基板
212A‧‧‧光電二極體
212B‧‧‧光電二極體
214‧‧‧金屬接點
216‧‧‧隔離區
Claims (21)
- 一種影像感測器像素，其包含：一或多個光電二極體，其安置在一半導體層中；像素電路，其安置在該半導體層中、耦接至該一或多個光電二極體；一鈍化層，其在該像素電路及該一或多個光電二極體上方安置在該半導體層附近；一單一接觸蝕刻終止層，其安置在該鈍化層上方，其中該單一接觸蝕刻終止層界定一或多個隔離區，其中在該單一接觸蝕刻終止層中界定之一或多個隔離區中沒有該單一接觸蝕刻終止層之材料；一或多個金屬接點，其透過該單一接觸蝕刻終止層之一第一部分耦接至該像素電路，其中該單一接觸蝕刻終止層之一第二部分安置在該一或多個光電二極體之一光電二極體區中，其中在該單一接觸蝕刻終止層中界定之該一或多個隔離區將該單一接觸蝕刻終止層之該第一部分與該單一接觸蝕刻終止層之該第二部分隔離。
- 如請求項1之影像感測器像素，其中在該單一接觸蝕刻終止層中界定之該一或多個隔離區實質上消除該單一接觸蝕刻終止層中的在該單一接觸蝕刻終止層之該第一部分與該單一接觸蝕刻終止層之該第二部分之間的應力路徑。
- 如請求項1之影像感測器像素，其中在該單一接觸蝕刻終止層中界定該一或多個隔離區，其中在該單一接觸蝕刻終止層之該第一部分與該單一接觸蝕刻終止層之該第二部分之間移除該單一接觸蝕刻終止層之該材料。
- 如請求項1之影像感測器像素，其中該一或多個金屬接點包含無邊界接點。
- 如請求項1之影像感測器像素，其中該單一接觸蝕刻終止層包含氮化物。
- 如請求項1之影像感測器像素，其中該單一接觸蝕刻終止層包含氮氧化矽。
- 如請求項1之影像感測器像素，其中該鈍化層包含氧化物。
- 如請求項1之影像感測器像素，其進一步包含安置在該單一接觸蝕刻終止層上方之一介電質層。
- 如請求項8之影像感測器像素，其中該介電質層包含硼磷矽玻璃。
- 如請求項1之影像感測器像素，其中該影像感測器像素係包含在一互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器中。
- 一種成像系統，其包含：影像感測器像素之一像素陣列，其中該影像感測器像素中之每一者包括：一或多個光電二極體，其安置在一半導體層中；像素電路，其安置在該半導體層中、耦接至該一或多個光電二極體；一鈍化層，其在該像素電路及該一或多個光電二極體上方安置在該半導體層附近；一單一接觸蝕刻終止層，其安置在該鈍化層上方，其中該單一接觸蝕刻終止層界定一或多個隔離區，其中在該單一接觸蝕刻終止層中界定之一或多個隔離區中沒有該單一接觸蝕刻終止層之材料；一或多個金屬接點，其透過該單一接觸蝕刻終止層之一第 一部分耦接至該像素電路，其中該單一接觸蝕刻終止層之一第二部分安置在該一或多個光電二極體之一光電二極體區中，其中在該接觸蝕刻終止層中界定之該一或多個隔離區將該單一接觸蝕刻終止層之該第一部分與該單一接觸蝕刻終止層之該第二部分隔離；控制電路，其耦接至該像素陣列以控制該像素陣列之操作；及讀出電路，其耦接至該像素陣列以自該複數個像素讀出影像資料。
- 如請求項11之成像系統，其進一步包含耦接至該讀出電路以儲存自該影像感測器像素讀出的該影像資料之功能邏輯。
- 如請求項11之成像系統，其中在該單一接觸蝕刻終止層中界定之該一或多個隔離區實質上消除該單一接觸蝕刻終止層中之在該單一接觸蝕刻終止層之該第一部分與該單一接觸蝕刻終止層之該第二部分之間的應力路徑。
- 如請求項11之成像系統，其中該一或多個隔離區係界定於該單一接觸蝕刻終止層中，其中在該單一接觸蝕刻終止層之該第一部分與該單一接觸蝕刻終止層之該第二部分之間移除該單一接觸蝕刻終止層之該材料。
- 如請求項11之成像系統，其中該一或多個金屬接點包含無邊界接點。
- 如請求項11之成像系統，其中該單一接觸蝕刻終止層包含氮化物。
- 如請求項11之成像系統，其中該單一接觸蝕刻終止層包含氮氧化矽。
- 如請求項11之成像系統，其中該鈍化層包含氧化物。
- 如請求項11之成像系統，其進一步包含安置在該單一接觸蝕刻終止層上方之一介電質層。
- 如請求項19之成像系統，其中該介電質層包含硼磷矽玻璃。
- 如請求項11之成像系統，其中該影像感測器像素係包含在一互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器中。
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