TWI572023B - Ｃｍｏｓ影像感測單元及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種影像感測單元，特別是有關於一種CMOS影像感測單元，以及其製造方法。
常見的CMOS影像感測單元包含感光二極體(photodiode，PD)、轉移閘(transfer gate)、重置閘(reset gate)、源極隨耦閘(source follower gate)，及轉移閘與重置閘之間的浮汲極區(floating drain region，FD)等，其中浮汲極區與源極隨耦閘經由金屬內連線電性導通。在操作時，接收了光訊號之感光二極體所產生的電荷經由轉移閘所控制之通道流到浮汲極區，進而影響到與浮汲極區電性導通之源極隨耦閘所控制之通道的電流的大小，如此即可得知光訊號強度。
然而，由於感光二極體全區之電容量(CPD)大於浮汲極區之電容量(CFD)，因此在轉移電晶體導通的週期中，感光二極體中所產生的電荷將難以完全轉移至浮汲極區。如此當轉移電晶體關閉後，感光二極體中仍留有電荷，而導致影像滯後(image
lag)。如此將限制影像感測的動態範圍(dynamic range)。
先前解決此問題的方式是加上與浮汲極區耦接的金屬/絕緣層/金屬(MIM)型電容器，以增大浮汲極區之電容量，但如此一來將佔用額外的面積，而降低了填充因數(fill factor)。此外，傳統結構中，其浮汲極區與源極隨耦閘之間的電流訊號傳導會流過內連線中之金屬與矽的異質接面。此異質接面所存在的漏電流容易造成影像感測時的暗電流(dark current)，進而形成訊號感測時的雜訊(noise)。
本發明提供一種CMOS影像感測單元，其可在不降低填充因數之情況下增大動態範圍，同時也可以減小暗電流。
本發明並提供此種CMOS影像感測單元的製造方法。
本發明的CMOS影像感測單元包括感光二極體、轉移閘、重置閘、浮汲極區、源極隨耦閘及複晶矽/絕緣層/複晶矽(polysilicon-insulator-polysilicon，PIP)型電容器。其中，感光二極體在一半導體基底中，轉移閘在感光二極體旁之半導體基底上，重置閘在半導體基底上，浮汲極區在轉移閘與重置閘之間的半導體基底中，源極隨耦閘在半導體基底上，且PIP型電容器的複晶矽下電極與浮汲極區和源極隨耦閘電性連接，而兼作為浮汲極區和源極隨耦閘之間的內連線。
在上述CMOS影像感測單元的一實施例中，複晶矽下電極藉由不同之複晶矽接觸窗分別與浮汲極區和源極隨耦閘電性連
接。
本發明的CMOS影像感測單元的製造方法包括以下步驟。首先提供一半導體基底，其上已形成有轉移閘、重置閘及源極隨耦閘，且其中已形成有感光二極體及浮汲極區，前述轉移閘位於感光二極體旁，且浮汲極區位於轉移閘與重置閘之間。接著在浮汲極區和源極隨耦閘上形成多數個接觸窗，然後形成PIP型電容器，其複晶矽下電極與該些接觸窗連接，而兼作為浮汲極區和源極隨耦閘之間的內連線。
在上述製造方法的一實施例中，於浮汲極區和源極隨耦閘上形成接觸窗以及形成PIP型電容器的步驟包括以下所述者。首先於半導體基底上形成絕緣層，再於浮汲極區和源極隨耦閘上方絕緣層中形成多數個接觸窗開口。接著形成第一複晶矽層，其同時填入了前述接觸窗開口而形成該些接觸窗，然後於第一複晶矽層上依序形成一介電層與第二複晶矽層。接著圖案化第二複晶矽層、介電層及第一複晶矽層，以形成上述PIP型電容器。
在上述CMOS影像感測單元或其製造方法的一實施例中，半導體基底之材質為摻雜單晶矽，且轉移閘、重置閘及源極隨耦閘之材質為摻雜複晶矽。
在上述CMOS影像感測單元或其製造方法的一實施例中，轉移閘位於感光二極體之第一側邊之半導體基底上，且源極隨耦閘位於感光二極體之第二側邊之半導體基底上。
在上述CMOS影像感測單元或其製造方法的一實施例
中，於感光二極體上的半導體基底中更配置或形成有一針扎層。
由於本發明以PIP型電容器的下電極兼作為浮汲極區和源極隨耦閘之間的內連線，即利用先前技術中原本內連線所佔面積來形成與浮汲極區耦接之PIP型電容器，故可在不降低填充因數之情況下增大浮汲極區之電容量以及動態範圍。同時，當複晶矽下電極/內連線藉由複晶矽接觸窗與浮汲極區和源極隨耦閘電性連接、浮汲極區所在之半導體基底之材質為摻雜單晶矽，且源極隨耦閘等閘極之材質為摻雜複晶矽時，矽與矽之間的同質接面更有助於減小暗電流。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10‧‧‧半導體基底
12‧‧‧隔離層
14a‧‧‧轉移閘
14b‧‧‧重置閘
14c‧‧‧源極隨耦閘
14d‧‧‧列選擇閘
16‧‧‧閘介電層
20‧‧‧感光二極體
22‧‧‧針扎層
24‧‧‧浮汲極區
26、42‧‧‧絕緣層
28a、28b‧‧‧接觸窗開口
30、34‧‧‧複晶矽層
30a、30b‧‧‧接觸窗
30c‧‧‧複晶矽下電極
32、32a‧‧‧介電層
34a‧‧‧複晶矽上電極
36、44‧‧‧圖案化光阻層
40‧‧‧PIP型電容器
46a、46b‧‧‧接觸窗開口
48a、48b、48c、48d‧‧‧金屬接觸窗
49‧‧‧第一金屬內連線
50‧‧‧主動區
52‧‧‧其他源/汲極區
圖1~5為本發明一實施方式的影像感測單元的製造方法的剖面圖，其中圖5為該實施方式的影像感測單元的剖面圖。
圖6為該實施方式的影像感測單元的一例示的布局(layout)。
以下將藉由實施方式來說明本發明，但本發明之範圍不限於此。例如，雖然本實施方式是以含轉移閘、重置閘、源極隨耦閘及列選擇閘(row select gate，RS gate)的4電晶體(4T)CMOS
影像感測單元來說明，但亦可用於其他型態的CMOS影像感測單元，只要其具有上述感光二極體、轉移閘、重置閘、浮汲極區以及源極隨耦閘之基本架構即可。
圖1~5為本發明一實施方式的影像感測單元的製造方法的剖面圖，其中圖5為該實施方式的影像感測單元的剖面圖。
請參照圖1，首先提供半導體基底10，其材質例如為摻雜單晶矽，導電型態例如為P型。半導體基底10上已形成有隔離層12以定義出主動區，且已形成有轉移閘14a、重置閘14b、源極隨耦閘14c及列選擇閘(圖1未繪示，但繪於圖6中：14d)。各閘極皆以閘介電層16與半導體基底10相隔。閘介電層16之材質例如為氧化矽(silicon dioxide)、氮化矽(silicon nitride)、氧化矽-氮化矽-氧化矽(oxide-nitride-oxide)，或其他單層或多層堆疊式之絕緣層等。各閘極之材質例如為摻雜複晶矽。半導體基底10中已形成有感光二極體20及浮汲極區24。感光二極體20及浮汲極區24的導電型態例如為N型，其中感光二極體20為淡摻雜區。前述轉移閘14a位於感光二極體20旁，且浮汲極區24位於轉移閘14a與重置閘14b之間。感光二極體20上的半導體基底10中更可形成有一針扎層(pinning layer)22，以增加短波長(如藍光)的響應(response)、提升感光二極體區之電荷量。當感光二極體20的導電型態為N型時，其上針扎層22的導電型態為P型。
接著形成覆蓋上述結構的絕緣層26，再於浮汲極區24和源極隨耦閘14c上方的絕緣層26中形成接觸窗開口28a、28b，
其中於源極隨耦閘14c上的形成接觸窗開口28b時可對於源極隨耦閘14c有些許地過度蝕刻(over etching)，以確保製程範圍(process window)的穩定性。
請參照圖2，接著形成第一複晶矽層30，其同時填入了接觸窗開口28a、28b而形成接觸窗30a、30b。然後於第一複晶矽層30上形成介電層32，其材質例如為氧化矽、氮化矽、氧化矽-氮化矽-氧化矽，或其他單層或多層堆疊式之絕緣層等。接著於介電層32上形成第二複晶矽層34，再於第二複晶矽層34上方形成圖案化光阻層36，其具有待形成之PIP型電容器(或者浮汲極區與源極隨耦閘之間的內連線)的圖案。
請參照圖3，接著以圖案化光阻層36為罩幕來圖案化第二複晶矽層34、介電層32及第一複晶矽層30，以形成PIP型電容器40，其包括複晶矽下電極30c、圖案化介電層32a及複晶矽上電極34a，其中複晶矽下電極30c經由接觸窗30a、30b與浮汲極區24和源極隨耦閘14c電性連接，而兼作為浮汲極區24與源極隨耦閘14c之間的內連線。
請參照圖4，接著形成覆蓋上述結構的絕緣層42，再於絕緣層42上方形成圖案化光阻層44，其具有待形成之接觸窗開口的圖案。接著以圖案化光阻層44為罩幕，於轉移閘14a和複晶矽上電極34a上方的絕緣層26+42中形成接觸窗開口46a、46b，其中於轉移閘14a上形成接觸窗開口46a時可對於轉移閘14a有些許地過度蝕刻，以確保製程範圍的穩定性。
請參照圖5，接著於接觸窗開口46a、46b中填入金屬材料，例如是鎢，而形成金屬接觸窗48a、48b。然後形成第一金屬內連線49與金屬接觸窗48a、48b連接。第一金屬內連線49例如是由沈積鎢金屬層或AlCu層後再蝕刻定義而成，或是由Cu製程所形成。
雖然以上實施方式中複晶矽上電極34a和各閘極14a等所需之電性連接結構是利用形成接觸窗開口、填入金屬材料及形成第一金屬內連線與金屬接觸窗連接之程序來製做，但本發明並不僅限於此。例如，亦可在接觸窗開口形成後，以金屬材料填滿接觸窗開口並覆蓋絕緣層42上達一定厚度，之後再以第一金屬層圖案化製程來形成與金屬接觸窗連接的第一金屬內連線。此情況下所使用的金屬材料例如是鎢。
上述影像感測單元的例示的布局例如為圖6所示者，但本發明之影像感測單元的布局並不僅限於此。
請同時參照圖5、6，在此例示的布局中，轉移閘14a位於感光二極體20之第一側邊之半導體基底10上，且源極隨耦閘14c位於感光二極體20之第二側邊之該半導體基底10上，此第二側邊例如與第一側邊相鄰。PIP型電容器40例如是大部分沿著第二側邊延伸。
圖6還繪示了列選擇閘14d、主動區50、浮汲極區24以外的其他源/汲極區52、重置閘14b及列選擇閘14d上的金屬接觸窗48c，以及其他源/汲極區52a上的金屬接觸窗48d。
雖然本實施方式中例舉了圖6所示之布局，但於所屬技術領域中具通常知識者應知各閘極與感光二極體彼此之間的相對位置可以有許多變化，使得浮汲極區24和源極隨耦閘14c之間的內連線30c或PIP型電容器40的形狀及位置也可以有許多變化。
由於上述實施方式以PIP型電容器40的下電極30c兼作為浮汲極區24和源極隨耦閘14c之間的內連線，即利用先前技術中原本內連線所佔面積來形成與浮汲極區24耦接之PIP型電容器40，故可在不降低填充因數之情況下增大浮汲極區24之電容量以及動態範圍。同時，由於複晶矽下電極/內連線30c藉由複晶矽接觸窗30a、30b與浮汲極區24和源極隨耦閘14c電性連接，故當浮汲極區24所在之半導體基底10之材質及源極隨耦閘14c等閘極之材質皆為矽時，接觸窗30a/30b與浮汲極區24/源極隨耦閘14c之間會有同質接面，而更有助於減小暗電流。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧半導體基底
12‧‧‧隔離層
14a‧‧‧轉移閘
14b‧‧‧重置閘
14c‧‧‧源極隨耦閘
16‧‧‧閘介電層
20‧‧‧感光二極體
22‧‧‧針扎層
24‧‧‧浮汲極區
26、42‧‧‧絕緣層
28a、28b‧‧‧接觸窗開口
30a、30b‧‧‧接觸窗
30c‧‧‧複晶矽下電極
32a‧‧‧介電層
34a‧‧‧複晶矽上電極
40‧‧‧PIP型電容器
48a、48b‧‧‧金屬接觸窗
49‧‧‧第一金屬內連線
Claims (8)
- 一種CMOS影像感測單元，包括：一感光二極體，位於一半導體基底中；一轉移閘，位於該感光二極體旁之該半導體基底上；一重置閘，位於該半導體基底上；一浮汲極區，位於該轉移閘與重置閘之間的該半導體基底中；一源極隨耦閘，位於該半導體基底上；以及一複晶矽/絕緣層/複晶矽(polysilicon-insulator-polysilicon，PIP)型電容器，其複晶矽下電極與該浮汲極區和該源極隨耦閘電性連接，而兼作為該浮汲極區和該源極隨耦閘之間的內連線，其中該轉移閘位於該感光二極體之第一側邊之該半導體基底上，且該源極隨耦閘位於該感光二極體之第二側邊之該半導體基底上。
- 如申請專利範圍第1項所述的CMOS影像感測單元，其中該複晶矽下電極藉由不同之複晶矽接觸窗分別與該浮汲極區和該源極隨耦閘電性連接。
- 如申請專利範圍第2項所述的CMOS影像感測單元，其中該半導體基底之材質為摻雜單晶矽，且該轉移閘、該重置閘及該源極隨耦閘之材質為摻雜複晶矽。
- 如申請專利範圍第1項所述的CMOS影像感測單元，其更包括：一針扎層，位於該感光二極體上的該半導體基底中。
- 一種CMOS影像感測單元的製造方法，包括：提供一半導體基底，其上已形成有一轉移閘、一重置閘及一源極隨耦閘，且其中已形成有一感光二極體及一浮汲極區，該轉移閘位於該感光二極體旁，且該浮汲極區位於該轉移閘與該重置閘之間；在該浮汲極區和該源極隨耦閘上形成多數個接觸窗；以及形成一複晶矽/絕緣層/複晶矽(polysilicon-insulator-polysilicon，PIP)型電容器，其複晶矽下電極與該些接觸窗連接，而兼作為該浮汲極區和該源極隨耦閘之間的內連線，其中在浮汲極區和源極隨耦閘上形成該些接觸窗以及形成該PIP型電容器的步驟包括：於該半導體基底上形成一絕緣層；在該浮汲極區和該源極隨耦閘上方之該絕緣層中形成多數個接觸窗開口；形成第一複晶矽層，其同時填入了該些接觸窗開口而形成該些接觸窗；於該第一複晶矽層上形成一介電層；於該介電層上形成第二複晶矽層；以及圖案化該第二複晶矽層、該介電層及該第一複晶矽層以形成該PIP型電容器。
- 如申請專利範圍第5項所述的CMOS影像感測單元的製造 方法，其中該半導體基底之材質為摻雜單晶矽，且該轉移閘、該重置閘及該源極隨耦閘之材質為摻雜複晶矽。
- 如申請專利範圍第5項所述的CMOS影像感測單元的製造方法，其中該轉移閘位於該感光二極體之第一側邊之該半導體基底上，且該源極隨耦閘位於該感光二極體之第二側邊之該半導體基底上。
- 如申請專利範圍第5項所述的CMOS影像感測單元的製造方法，其中所提供之該半導體基底中更已形成有一針扎層，該針扎層位於該感光二極體上的該半導體基底中。
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