TWI585962B - 互補金屬氧化物半導體影像感測器及形成方法 - Google Patents

Description

互補金屬氧化物半導體影像感測器及形成方法

本發明係有關一種互補金屬氧化物半導體（CMOS）影像感測器，特別是關於一種可防溢流（anti-blooming）或增進電荷轉移的互補金屬氧化物半導體影像感測器。

互補金屬氧化物半導體（CMOS）影像感測器（以下簡稱影像感測器）普遍應用於行動裝置。影像感測器也可使用於其他應用，例如汽車及安全應用。汽車及安全應用的要求異於行動應用。例如，溢流（blooming）對汽車及監測應用是有害的。當像素於曝光時已填滿光載子而無法再收集更多的電子/電洞對時，即會發生溢流。亮點像素會擴散至相鄰區域的其他像素。

道路場景（特別是在夜間）具有高動態範圍。影像感測器對於特別亮區域必須具有好的溢流控制，才能確保相鄰微暗區域不會被溢流電荷所影響。否則，會遺失許多細節且很難從場景得出訊息。此外，於高溫操作環境（例如汽車），即使在黑暗中，熱像素也會被暗電流充滿。相鄰正常像素因接收溢流電荷，也會變為熱像素。

電荷轉移為汽車及安全應用的另一要求。像素電荷轉移速度是影像感測器的資料頻寬的重要因素。如果電荷轉移不能完全，則會造成有害的暗/低亮度雜訊，其會限制影像感測器的最低可接受亮度位準。

鑑於傳統影像感測器無法有效解決溢流及電荷轉移問題，因此亟需提出一種新穎可防溢流及增進電荷轉移的影像感測器。

鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種互補金屬氧化物半導體影像感測器，用以防止溢流或/且增進電荷轉移。

根據本發明實施例，互補金屬氧化物半導體影像感測器包含基底、第一型的晶體層、光二極體、至少一個第一型的摻雜井區、傳輸閘、浮動擴散節點及第二型的植入區。第一型的晶體層形成於基底上。植入區、光二極體及摻雜井區形成於晶體層內，且浮動擴散節位於摻雜井區內。傳輸閘形成於晶體層的頂面，且傳輸閘的通道整個覆蓋植入區。傳輸閘部分覆蓋光二極體的邊緣及摻雜井區的邊緣。植入區的部分結合光二極體、摻雜井區及浮動擴散節點。

根據本發明另一實施例，形成互補金屬氧化物半導體影像感測器的方法包含以下步驟。提供基底，且形成第一型的晶體層於基底上。形成第二型的植入區於晶體層內。形成至少一個第一型的摻雜井區於晶體層內，且植入區的部分結合摻雜井區。形成傳輸閘於晶體層的頂面，傳輸閘部分覆蓋摻雜井區的邊緣，且植入區被傳輸閘的通道整個覆蓋。形成光二極體於晶體層內，且植入區的部分結合光二極體。執行源極/汲極植入以形成浮動擴散節點於摻雜井區內，且植入區的部分結合浮動擴散節點。

第一A圖顯示互補金屬氧化物半導體（CMOS）影像感測器（以下簡稱影像感測器）100的剖面圖。第一B圖顯示第一A圖的影像感測器100的俯視圖，沿剖線1A-1A’可得到第一A圖的剖面圖。影像感測器100主要包含第一型（例如P型）的基板11。影像感測器100包含第一型的晶體（crystalline）層12，例如P型晶膜（epitaxial）層，形成於基板11上。影像感測器100還包含光二極體（PD）13及至少一個第一型的摻雜井區14（例如P型井區或PW）形成於晶體層12內。影像感測器100還包含傳輸閘（TX）15，其包括晶體層12頂面的閘極氧化（gate oxide）層。傳輸閘15形成於晶體層12的頂面，且部分覆蓋光二極體13的邊緣及摻雜井區14的邊緣。於晶體層12的頂部形成有傳輸閘通道植入16。詳而言之，傳輸閘通道植入16位於整個光二極體13上方，且位於部分傳輸閘15下方。位於傳輸閘15下方的傳輸閘通道植入16係作為暗電流與電荷轉移的通道調整植入，而位於光二極體13上方的傳輸閘通道植入16則作為光二極體13的表面釘扎（pinning）層。隔離區17（例如淺溝槽隔離區或STI）形成於影像感測器100的相鄰像素之間。如第一A/一B圖所示，第二型（例如N型）的浮動擴散（FD）節點18位於摻雜井區14內，且被傳輸閘15部分覆蓋。其中，傳輸閘15的第一端151覆蓋光二極體13，且傳輸閘15的第二端152覆蓋浮動擴散節點18。

第一C圖顯示當曝光且傳輸閘15關閉時沿第一A圖的（虛）切割線101的位能圖。如第一C圖所示，位於光二極體13與摻雜井區14之間的障壁102高於相鄰像素間的隔離區17的障壁103。當受到強光照射而達到全井區飽和（full well saturation）時，超出的光電子會從光二極體103經由障壁103而流至相鄰未飽和像素，因而形成溢流。

為了防止溢流（anti-blooming），需要提出一種新穎的結構。第二A圖顯示本發明實施例的互補金屬氧化物半導體（CMOS）影像感測器（以下簡稱影像感測器）200的剖面圖。本實施例的影像感測器200可於曝光期間當傳輸閘15關閉時增進溢流的防止。本實施例之影像感測器200可適用於前照式（front side illuminance, FSI）影像感測器，也可適用於後照式（back side illuminance, BSI）影像感測器。第二B圖顯示第二A圖的影像感測器200的俯視圖，沿剖線2A-2A’可得到第二A圖的剖面圖。除了第一A/一B圖所述的元件，第二A/二B圖的影像感測器200更包含第二型（例如N型）的植入區19，形成於晶體層12內，其中的第二型相反於第一型。植入區19部分設於（且結合）光二極體13、摻雜井區14及浮動擴散節點18。本實施例之植入區19被傳輸閘15部分覆蓋，但被傳輸閘15的整個通道（亦即第二B圖所示橫向長度H2）所覆蓋。

第二C圖顯示當曝光且傳輸閘關閉時沿第二A圖的（虛）切割線101的位能圖。如第二C圖所示，位於光二極體13與摻雜井區14之間的障壁102因為植入區19而下降，減弱該區域之摻雜井區14的原始P型摻雜。當受到強光照射而達到全井區飽和時，超出的光電子可經由障壁102而流出，並被浮動擴散節點18汲取，其中該浮動擴散節點18於曝光期間為正偏壓，因而得以增進溢流的防止。

在本實施例中，使用適當的植入劑量與能量，可使植入區19距離晶體層12的頂面一段距離。植入區19未碰觸傳輸閘通道植入16，但是在傳輸閘15的第二端152，植入區19結合浮動擴散節點18處，植入區19碰觸到傳輸閘通道植入16。於該處，傳輸閘通道植入16的暗電流不再流回光二極體13，而是流至浮動擴散節點18。因此，靠近光二極體13的傳輸閘通道植入16部分的高電洞累積狀況不會受到影響，因而減少暗電流問題。另一方面，位於浮動擴散節點18下方的摻雜井區14經適當調整，可延伸植入區19深入晶體層12以增大防溢流路徑。詳而言之，植入區19與傳輸閘通道植入16彼此非常接近。在經過整個的熱處理製程後，兩者的邊界會產生互動。植入區19與傳輸閘通道植入16之間的距離彼此權衡。若兩者較近，則有利於電荷移轉但不利於暗電流；若兩者較遠，則有利於暗電流但不利於電荷移轉。

考量植入區19的區域輪廓，如第二B圖所示，遮罩的形狀要求T2＞W2可增大防溢流路徑，並與傳輸閘通道植入的淺溝槽隔離區的側壁保持一段距離，其中T2代表傳輸閘15通道內的淺溝槽隔離區的側壁距離。另一個遮罩的形狀要求H1＞H2可降低防溢流位能障壁的鞍點（saddle point）並靠近光二極體13，因此暗電流會流至浮動擴散節點18而不會流至光二極體13，且增強防溢流強度。第三A圖及第三B圖顯示第二A圖的影像感測器200的俯視圖，分別使用不同植入區遮罩形狀。植入區19的一部份具楔形（taper），其寬度隨遠離光二極體13而逐漸變寬（第三A圖），或者隨遠離光二極體13而逐漸變窄（第三B圖）。上述植入區19的二種遮罩形狀可用以權衡暗電流與防溢流/電荷移轉增益。

第四A圖顯示影像感測器100（類似第一A圖）的剖面圖。第四B圖顯示於電荷移轉期間且傳輸閘15開啟時，沿第四A圖的（虛）切割線104的位能圖。第四A圖的影像感測器100具有低速電荷傳輸的缺點。

本實施例之影像感測器200可於電荷移轉期間且傳輸閘15開啟時，增進電荷的轉移。第五A圖顯示影像感測器200（類似於第二A圖）的剖面圖；第五B圖顯示第五A圖的影像感測器200的俯視圖，沿剖線5A-5A’可得到第五A圖的剖面圖；且第五C圖顯示於電荷移轉期間且傳輸閘15開啟時，沿第五A圖的（虛）切割線104的位能圖。

電荷轉移主要受到以下二因素的限制：(1)電荷的暫態時間決定光載子從光二極體13行進至傳輸閘入口（TX entrance）的速度；(2) 光載子必須克服位於傳輸閘入口的傳輸閘開啟障壁（TX “on” barrier）102的大小。

在本實施例中，植入區19於傳輸閘15的第一端151僅部分覆蓋光二極體13。光二極體13遠端所產生的光載子會受到增強的位能梯度105而加速，因而快速行進至傳輸閘入口。遮罩的形狀要求W1＞T2及W3=光二極體13沿相同方向尺寸的30-40%。根據這些要求，最低電子位能點位於傳輸閘入口的附近。於光二極體13內不具有其他位能袋（potential pocket）。位能梯度105從光二極體13的遠端至最低位能袋的任何路徑之間大致平均分佈，因而避免平坦位能或零位能梯度區域。藉此，電荷的暫態時間可大量降低。

對於傳輸閘開啟障壁102，本實施例之植入區19提供以下的增進：(1)減少傳輸閘入口區域的P型摻雜，以降低傳輸閘開啟障壁102；(2)將傳輸閘開啟障壁的鞍點106寬度垂直延伸至晶體層12；及(3)將傳輸閘開啟障壁的鞍點106重疊傳輸閘通道植入予以橫向增大，其中電荷轉移電流因鞍點106尺寸變大而增強。藉此，位於傳輸閘入口的傳輸閘開啟障壁102可較佳化，於快門關閉期間傳輸閘15開啟時，得以增強電荷轉移。

第六A圖至第六H圖顯示本發明實施例之影像感測器200的形成流程的剖面圖，僅顯示與本實施例相關的步驟。

首先，如第六A圖所示，提供第一型（例如P型）的基底11（例如矽）。形成第一型的晶體層12（例如P型晶膜層）於基底11上。

接著，如第六B圖所示，形成隔離區17（例如淺溝槽隔離區或STI）於影像感測器200的相鄰像素之間。再如第六C圖所示，形成傳輸閘通道植入16於晶體層12的頂部。

根據本實施例的特徵之一，形成第二型（例如N型）的植入區19於晶體層12內。在一實施例中，第六D圖所形成的植入區19可實施於較早的製程階段，甚至於晶圓開始階段，以接受充分的熱處理而得到較佳植入輪廓並藉由退火以減少植入損害。

接下來，如第六E圖所示，形成至少一個第一型的摻雜井區14於晶體層12內。植入區19的部分位於（且結合）摻雜井區14。上述第六C圖至第六E圖的步驟若執行於第六B圖的步驟之後，則其順序可改變。

如第六F圖所示，形成傳輸閘15於晶體層12的頂面，且部分覆蓋摻雜井區14的邊緣。傳輸閘15的整個通道（亦即橫向長度）覆蓋植入區19。值得注意的是，植入區19（第六D圖）係形成於傳輸閘15（第六F圖）之前。

如第六G圖所示，形成光二極體（PD）13於晶體層12內，且光二極體13的邊緣被傳輸閘15部分覆蓋。植入區19的部分設於（且結合）光二極體13。

如第六H圖所示，執行源極/汲極植入以形成浮動擴散（FD）節點18於摻雜井區14，該浮動擴散節點18被傳輸閘15部分覆蓋。植入區19的部分設於（且結合）浮動擴散節點18。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

100‧‧‧互補金屬氧化物半導體影像感測器

200‧‧‧互補金屬氧化物半導體影像感測器

101‧‧‧切割線

102‧‧‧障壁

103‧‧‧障壁

104‧‧‧切割線

105‧‧‧位能梯度

106‧‧‧鞍點

11‧‧‧基板

12‧‧‧晶體層

13‧‧‧光二極體

14‧‧‧摻雜井區

15‧‧‧傳輸閘

151‧‧‧第一端

152‧‧‧第二端

16‧‧‧傳輸閘通道植入

17‧‧‧隔離區

18‧‧‧浮動擴散節點

19‧‧‧植入區

PD‧‧‧光二極體

PW‧‧‧P型井區

TX‧‧‧傳輸閘

STI‧‧‧淺溝槽隔離區

FD‧‧‧浮動擴散

T2‧‧‧遮罩尺寸

W1‧‧‧遮罩尺寸

W2‧‧‧遮罩尺寸

W3‧‧‧遮罩尺寸

H1‧‧‧遮罩尺寸

H2‧‧‧遮罩尺寸

第一A圖顯示互補金屬氧化物半導體（CMOS）影像感測器的剖面圖。 第一B圖顯示第一A圖的影像感測器的俯視圖。 第一C圖顯示當曝光且傳輸閘關閉時沿第一A圖切割線101的位能圖。 第二A圖顯示本發明實施例的互補金屬氧化物半導體（CMOS）影像感測器的剖面圖。 第二B圖顯示第二A圖的影像感測器的俯視圖。 第二C圖顯示當曝光且傳輸閘關閉時沿第二A圖切割線101的位能圖。 第三A圖及第三B圖顯示第二A圖的影像感測器的俯視圖，分別使用不同植入區遮罩形狀。 第四A圖顯示影像感測器的剖面圖。 第四B圖顯示當電荷轉移期間且傳輸閘開啟時沿第四A圖切割線104的位能圖。 第五A圖顯示第二A圖的影像感測器的剖面圖。 第五B圖顯示第五A圖的影像感測器的俯視圖。 第五C圖顯示當電荷轉移期間且傳輸閘開啟時沿第五A圖切割線104的位能圖。 第六A圖至第六H圖顯示本發明實施例之影像感測器的形成流程的剖面圖。

200‧‧‧互補金屬氧化物半導體影像感測器

101‧‧‧切割線

11‧‧‧基板

12‧‧‧晶體層

13‧‧‧光二極體

14‧‧‧摻雜井區

15‧‧‧傳輸閘

151‧‧‧第一端

152‧‧‧第二端

16‧‧‧傳輸閘通道植入

17‧‧‧隔離區

18‧‧‧浮動擴散節點

19‧‧‧植入區

PD‧‧‧光二極體

PW‧‧‧P型井區

TX‧‧‧傳輸閘

STI‧‧‧淺溝槽隔離區

FD‧‧‧浮動擴散

Claims (14)

1. 一種互補金屬氧化物半導體影像感測器，包含：一基底；一第一型的晶體層，形成於該基底上；一光二極體，形成於該晶體層內；至少一個第一型的摻雜井區，形成於該晶體層內；一傳輸閘，形成於該晶體層的頂面，該傳輸閘部分覆蓋該光二極體的邊緣及該摻雜井區的邊緣；一浮動擴散節點，位於該摻雜井區內；及一第二型的植入區，形成於該晶體層內，該植入區的部分結合該光二極體、該摻雜井區及該浮動擴散節點，且該植入區被該傳輸閘的通道整個覆蓋，其中該第二型相反於該第一型。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之互補金屬氧化物半導體影像感測器，更包含一傳輸閘通道植入，形成於該晶體層的頂部。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之互補金屬氧化物半導體影像感測器，其中該浮動擴散節點被該傳輸閘部分覆蓋。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之互補金屬氧化物半導體影像感測器包含前照式互補金屬氧化物半導體影像感測器或後照式互補金屬氧化物半導體影像感測器。
5. 根據申請專利範圍第1項所述之互補金屬氧化物半導體影像感測器，其中該植入區距離該晶體層的頂面一段距離。
6. 根據申請專利範圍第2項所述之互補金屬氧化物半導體影像感測器，其中該植入區未碰觸該傳輸閘通道植入，但是在該植入區結合該浮動擴散節點處，該植入區碰觸到該傳輸閘通道植入。
7. 根據申請專利範圍第1項所述之互補金屬氧化物半導體影像感測器，其中該植入區的一部份具楔形，其寬度隨遠離該光二極體而逐漸改變。
8. 一種形成互補金屬氧化物半導體影像感測器的方法，包含：提供一基底；形成一第一型的晶體層於該基底上；形成一第二型的植入區於該晶體層內，其中該第二型相反於該第一型；形成至少一個第一型的摻雜井區於該晶體層內，該植入區的部分結合該摻雜井區；形成一傳輸閘於該晶體層的頂面，該傳輸閘部分覆蓋該摻雜井區的邊緣，該植入區被該傳輸閘的通道整個覆蓋；形成一光二極體於該晶體層內，該植入區的部分結合該光二極體；及執行源極/汲極植入以形成一浮動擴散節點於該摻雜井區內，該植入區的部分結合該浮動擴散節點。
9. 根據申請專利範圍第8項所述形成互補金屬氧化物半導體影像感測器的方法，更包含一步驟以形成一傳輸閘通道植入於該晶體層的頂部。
10. 根據申請專利範圍第8項所述形成互補金屬氧化物半導體影像感測器的方法，其中該浮動擴散節點被該傳輸閘部分覆蓋。
11. 根據申請專利範圍第8項所述形成互補金屬氧化物半導體影像感測器的方法，其中該互補金屬氧化物半導體影像感測器包含前照式互補金屬氧化物半導體影像感測器或後照式互補金屬氧化物半導體影像感測器。
12. 根據申請專利範圍第8項所述形成互補金屬氧化物半導體影像感測器的方法，其中該植入區距離該晶體層的頂面一段距離。
13. 根據申請專利範圍第9項所述形成互補金屬氧化物半導體影像感測器的方法，其中該植入區未碰觸該傳輸閘通道植入，但是在該植入區結合該浮動擴散節點處，該植入區碰觸到該傳輸閘通道植入。
14. 根據申請專利範圍第8項所述形成互補金屬氧化物半導體影像感測器的方法，其中該植入區的一部份具楔形，其寬度隨遠離該光二極體而逐漸改變。