TWI637495B

TWI637495B - 互補金屬氧化物半導體影像感測器及其光二極體與形成方法

Info

Publication number: TWI637495B
Application number: TW106120833A
Authority: TW
Inventors: 吳揚; 派翠克依那
Original assignee: 恆景科技股份有限公司
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2018-10-01
Also published as: TW201906146A

Abstract

一種互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器的光二極體(PD)，包含具第二型的頂部光二極體；及底部光二極體，設於頂部光二極體之下。底部光二極體包含至少一個具第二型的次光二極體(sub-PD)連接至頂部光二極體，且包含至少一個具第一型的次井區被次光二極體圍繞。

Description

互補金屬氧化物半導體影像感測器及其光二極體與形成方法

本發明係有關一種互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器，特別是關於一種具有垂直的次光二極體(sub-PD)之互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器。

互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器普遍使用於行動的應用。互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器也可應用於其他場合，例如汽車與安全(security)應用。汽車與安全應用的要求不同於行動的應用。例如，對於高動態範圍(high dynamic range或HDR)的要求較嚴格，得以於同一圖框(frame)當中同時擷取到極暗與極亮場景的高品質影像。

互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器的動態範圍(DR)可分為二大類：一為本質(intrinsic)動態範圍，其係由讀取的雜訊與滿井電子容量(full well capacity或FWC)來決定，係相關於實體裝置及電路性能；另一為延伸(extended)動態範圍，其可由多次曝光及增益來達到。本質動態範圍不但有助於最終的動態範圍，對於延伸動態範圍之副作用的降低也有幫助。為了獲得更多的本質動態範圍，需要大量的增進滿井電子容量(FWC)，其定義每一像素所能保持的電荷量。因此，亟需提出一種新穎的具較高之滿井電子容量(FWC)像素的互補金屬氧化物半導體(CMOS)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(相關於像素尺寸與製程技術的)可擴充(scalable)機制，以得到較高之滿井電子容量(FWC)之互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器。本實施例可適用於前照式(FSI)或背照式(BSI)互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器。

根據本發明實施例之一，互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器的光二極體包含具第二型的頂部光二極體及底部光二極體。底部光二極體設於頂部光二極體之下，且底部光二極體包含至少一個具第二型的次光二極體連接至頂部光二極體，且包含至少一個具第一型的次井區被次光二極體圍繞。

根據本發明另一實施例，互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器包含基板；具第二型的底部光二極體設於基板上，該底部光二極體包含至少一個具第二型的次光二極體；至少一個具第一型的次井區，設於基板上且被次光二極體圍繞；具第二型的頂部光二極體設於底部光二極體之上，該頂部光二極體連接至次光二極體；具第一型的傳送閘通道，設於頂部光二極體之上；複數具第一型的像素井設於基板上，相鄰的像素井之間定義光二極體區域，其包含頂部光二極體與底部光二極體；及隔離區，設於基板之上且位於相鄰像素之間。

根據本發明又一實施例，互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器的形成方法包含以下步驟。形成具第一型的結晶層於基板上。形成隔離區於結晶層內，該隔離區位於相鄰像素之間。形成具第一型的傳送閘通道於結晶層的頂層部分。形成具第二型的底部光二極體層於結晶層的底層部分。形成複數具第一型的像素井於結晶層內，相鄰的像素井之間定義光二極體區域。形成至少一個具第一型的次井區於底部光二極體層內，該底部光二極體層當中未形成有次井區的區域則形成至少一個次光二極體，作為光二極體區域當中的底部光二極體。形成具第二型的頂部光二極體於結晶層的頂層部分，該頂部光二極體與該底部光二極體共同組成光二極體區域。

100‧‧‧互補金屬氧化物半導體影像感測器

10‧‧‧基板

11‧‧‧結晶層

12‧‧‧隔離區

13‧‧‧氧化層

14‧‧‧傳送閘通道

15A‧‧‧底部光二極體層

15B‧‧‧次光二極體/底部光二極體

16‧‧‧像素井

17‧‧‧次井區

18‧‧‧頂部光二極體

19‧‧‧傳送閘

20‧‧‧浮動擴散點

131‧‧‧空乏區側壁

PW‧‧‧像素井

Vpin‧‧‧針釘電壓

Tx‧‧‧傳送閘

FD‧‧‧浮動擴散點

第1圖至第8圖的剖面圖顯示本發明實施例之互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器的形成方法。

第9A圖至第9C圖例示本發明實施例之次光二極體的局部剖面圖與相應仰視圖。

第9D圖例示本發明另一實施例之次光二極體的仰視圖。

第10A圖及第10B圖顯示不具次光二極體之互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器的電位圖，分別顯示傳送閘為關閉與開啟。

第11A圖及第11B圖顯示不具次光二極體之另一種互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器，分別顯示傳送閘為關閉與開啟。

第12A圖及第12B圖顯示第8圖之具有次光二極體的互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器的電位圖，分別顯示傳送閘為關閉與開啟。

第13A圖顯示本發明實施例之互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器的剖面圖。

第13B圖顯示當傳送閘為開啟時，沿第13A圖之切割線A-A’與切割線B-B’的電位圖。

第13C圖顯示當傳送閘為開啟時，沿第13A圖之切割線C-C’的電位圖。

第1圖至第8圖的剖面圖顯示本發明實施例之互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器100的形成方法。本實施例之方法可用以形成前照式(front-side illuminated,FSI)互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器，也可用以形成背照式(backside illuminated,BSI)互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器。第1圖至第8圖僅顯示互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器100(如第8圖所示)之形成方法的其中一個例子。形成互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器100的順序可作適當的改變，仍屬本發明的範圍。為了便於了解本實施例的特徵，圖式僅顯示與本實施例有關的組成或元件。

參閱第1圖，提供具第一型(例如P型)的基板10。基板10可為半導體基板，例如矽晶圓。接著，形成具第一型的結晶(crystalline)層11(例如P型磊晶層或P-epi)於基板10上，例如使用沉積製程。

參閱第2圖，形成隔離區12(例如淺溝槽隔離區或STI)於結晶層11內，該隔離區12位於互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器100的相鄰像素之間。結晶層11的頂表面上可包含氧化層13，例如二氧化矽層。隔離區12可於後續步驟才形成，且隔離區12不一定為淺溝槽隔離區。

參閱第3圖，形成具第一型的傳送閘通道(transfer-gate channel)14於結晶層11的頂層(或靠近表面)部分，例如使用離子植入製程，因而形成植入的(implanted)傳送閘通道。

參閱第4圖，形成具第二型(例如N型，其相反於第一型)的底部光二極體(PD)層15A於結晶層11的底層部分，例如使用離子植入製程，因而形成植入的底部光二極體層。植入的能量須夠高，使得底部光二極體(PD)層15A可深入於結晶層11的底層部分。通常須使用不同能量的多次植入，以形成所需的深度輪廓。在另一實施例中，底部光二極體(PD)層15A的形成可於結晶層11之後，但於隔離區12(或傳送閘通道14)之前。

參閱第5圖，形成具第一型的像素井(PW)16於結晶層11內，例如使用摻雜製程。每一個像素井16從傳送閘通道14延伸至結晶層11的底表面。相鄰的像素井16之間定義光二極體(PD)區域，其包含位於底部的底部光二極體(PD)層15A與位於頂部的結晶層11。

參閱第6圖，形成至少一個具第一型的次井區(sub-well)17於底部光二極體(PD)層15A內，例如使用植入製程。底部光二極體(PD)層15A當中未形成有次井區17的區域則形成至少一個垂直的次光二極體(sub-PD)15B，作為底部光二極體。類似於底部光二極體(PD)層15A，次井區17的植入能量須夠高，使得次井區17可深入於光二極體區域的底層部分。通常須使用不同能量的多次植入，以形成所需的深度輪廓。第5圖的像素井16可形成於次光二極體15B之後。像素井16與次井區17的摻雜濃度可相同或相異。

參閱第7圖，以第二型離子植入於光二極體區域的頂層部分的(第一型)結晶層11內，因而形成具第二型的頂部光二極體18。次光二極體(或底部光二極體)15B與頂部光二極體18共同組成光二極體區域。在一實施例中，從次光二極體(或底部光二極體)15B至頂部光二極體18形成梯度(graded)摻雜。藉此，可有效降低電荷的暫態(transient)時間，使得光二極體區域的光載子(carriers)可快速傳送至傳送閘通道14，利於電荷的傳送。

接著，形成傳送閘19於結晶層11上(例如氧化層13的頂表面)。在本實施例中，傳送閘19部分重疊於傳送閘通道14。傳送閘19的一端(例如第一端)部分重疊於頂部光二極體18。

第9A圖至第9C圖例示本發明實施例之次光二極體(或底部光二極體)15B的局部剖面圖與相應仰視圖。如第9A圖所例示，次井區17被環形的次光二極體15B圍繞。如第9B圖所例示，內部的次光二極體15B被環形的次井區17圍繞，該次井區17再被環形的次光二極體15B圍繞。如第9C圖所例示，內部的次井區17被環形的次光二極體15B圍繞，該次光二極體15B再被外部的環形次井區17圍繞，該外部的環形次井區17再被外部的次光二極體15B圍繞。本實施例之環形次光二極體15B相對於底部光二極體的中心點具對稱性，此有利於透鏡陰影(lens shading)校正、色彩陰影校正及行/列定型雜訊(fixed pattern noise)。第9D圖例示本發明另一實施例之次光二極體(或底部光二極體)15B的仰視圖。在本實施例中，次光二極體15B仍具對稱性但並非環形。如果隔離區12是採用深溝槽隔離(DTI)，則次光二極體15B不需具對稱性。

參閱第8圖，執行電晶體源極與汲極的植入製程，因而形成浮動擴散(FD)點20於像素井16的頂層部分。浮動擴散點20鄰接於傳送閘通道14。傳送閘19的另一端(亦即第二端，其對立於第一端)部分重疊於浮動擴散點20。

一般來說，本實施例之互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器100的光二極體(PD)可包含具第二型的頂部光二極體18，其位於第一型層(例如結晶層11)內；及具第二型的底部光二極體15B，其位於第一型層內且位於頂部光二極體18之下。底部光二極體15B包含至少一個具第二型的次光二極體15B，其連接至頂部光二極體18。

根據上述實施例，至少一個次光二極體15B的複數垂直側壁使得底部光二極體15B的(接面電容)面積得以增加，因而使得互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器100對於(第10A圖定義的)已知Vpin的電荷儲存密度也跟著增加。再者，高接面電容面積也有助於次光二極體15B的針釘(pinning)電壓可低於頂部光二極體18，有利於電荷的傳送。

垂直側壁的面積大小可比例於次光二極體15B的深度或者數量。因此，當技術提升而足以形成更深或更多的次光二極體15B時，則滿井電子容量(full well capacity或FWC)也跟著增加。

此外，由於外部的空乏區(depletion)側壁(如第13A圖的符號131所指)圍繞著整個光二極體區域，所產生的強電場可防止光二極體內部產生的電荷逃脫至相鄰光二極體，因而可以達到良好的光二極體量子效率(quantum efficiency或QE)。雖然環形的次光二極體15B之間會有串電(crosstalk)，然而，因為所有次光二極體15B皆連接至頂部光二極體18，因此該串電將侷限於內部而不會造成像素之間的串電。

值得注意的是，如果隔離區12是採用深溝槽隔離(DTI)，則對於量子效率(QE)、串電及底部光二極體15的對稱性要求將變得較為寬鬆。

第10A圖及第10B圖顯示不具次光二極體15B之傳統互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器(亦即，整個光二極體區域為實心而不具有次井區17) 的電位圖，分別顯示傳送閘(Tx)為關閉與開啟，其中Vpin代表針釘(pinning)電壓。第11A圖及第11B圖顯示不具次光二極體15B之另一種互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器，分別顯示傳送閘(Tx)為關閉與開啟。藉由增加頂部光二極體18與底部光二極體層15A的摻雜濃度以增加滿井電子容量(FWC)。第11A圖及第11B圖的互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器的光二極體之植入濃度大於第10A圖及第10B圖的互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器。相較於第10A圖及第10B圖，由於第11A圖及第11B圖的互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器具較大障壁(barrier)及較小的壓降，即使其光二極體累積較多的電荷，仍然具較差的電荷傳送。第12A圖及第12B圖顯示第8圖之具有次光二極體15B的互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器100的電位圖，分別顯示傳送閘19為關閉與開啟。如前所述，次光二極體15B的垂直側壁之接面電容面積增強了互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器100的電荷儲存密度，其大於第10A圖及第10B圖的互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器。藉此，本實施例之互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器100可達到較高的滿井電子容量(FWC)。

第13A圖顯示本發明實施例之互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器100的剖面圖，且第13B圖顯示當傳送閘19為開啟時，沿第13A圖之切割線A-A’與切割線B-B’的電位圖。第13C圖顯示當傳送閘19為開啟時，沿第13A圖之切割線C-C’的電位圖。第13C圖顯示從底部光二極體15B，經由頂部光二極體18及傳送閘通道14，至浮動擴散點20的電位輪廓。藉由適當的安排底部光二極體15B與頂部光二極體18的摻雜濃度，可以得到底部光二極體15B與頂部光二極體18的梯度(graded)電位輪廓，以利平穩的電荷傳送。

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。

Claims

一種互補金屬氧化物半導體影像感測器的光二極體，包含：具第二型的頂部光二極體；及底部光二極體，設於該頂部光二極體之下，該底部光二極體包含至少一個具第二型的次光二極體連接至該頂部光二極體，且包含至少一個具第一型的次井區被該次光二極體圍繞。
根據申請專利範圍第1項所述互補金屬氧化物半導體影像感測器的光二極體，其中該至少一個次光二極體為環形。
根據申請專利範圍第1項所述互補金屬氧化物半導體影像感測器的光二極體，其中該至少一個次井區被環形的次光二極體圍繞。
根據申請專利範圍第1項所述互補金屬氧化物半導體影像感測器的光二極體，其中該至少一個次光二極體相對於該底部光二極體的中心點具對稱性。
一種互補金屬氧化物半導體影像感測器，包含：一基板；具第二型的底部光二極體，設於該基板上，該底部光二極體包含至少一個具第二型的次光二極體；至少一個具第一型的次井區，設於該基板上且被該至少一個次光二極體圍繞；具第二型的頂部光二極體，設於該底部光二極體之上，該頂部光二極體連接至該至少一個次光二極體；具第一型的傳送閘通道，設於該頂部光二極體之上；複數具第一型的像素井，設於該基板上，相鄰的像素井之間定義一光二極體區域，其包含該頂部光二極體與該底部光二極體；及一隔離區，設於該基板之上且位於相鄰像素之間。
根據申請專利範圍第5項所述之互補金屬氧化物半導體影像感測器，更包含：一傳送閘，設於該傳送閘通道之上且部分重疊於該傳送閘通道；及一浮動擴散點，設於該像素井的頂層部分，該浮動擴散點鄰接於該傳送閘通道。
根據申請專利範圍第6項所述之互補金屬氧化物半導體影像感測器，其中該傳送閘的第一端部分重疊於該頂部光二極體，且該傳送閘的第二端部分重疊於該浮動擴散點。
根據申請專利範圍第5項所述之互補金屬氧化物半導體影像感測器，其中該至少一個次光二極體為環形。
根據申請專利範圍第5項所述之互補金屬氧化物半導體影像感測器，其中該至少一個次井區被環形的次光二極體圍繞。
根據申請專利範圍第5項所述之互補金屬氧化物半導體影像感測器，其中該至少一個次光二極體相對於該底部光二極體的中心點具對稱性。
一種互補金屬氧化物半導體影像感測器的形成方法，包含：提供一基板；形成具第一型的結晶層於該基板上；形成一隔離區於該結晶層內，該隔離區位於相鄰像素之間；形成具第一型的傳送閘通道於該結晶層的頂層部分；形成具第二型的底部光二極體層於該結晶層的底層部分；形成複數具第一型的像素井於該結晶層內，相鄰的像素井之間定義一光二極體區域；形成至少一個具第一型的次井區於該底部光二極體層內，該底部光二極體層當中未形成有該次井區的區域則形成至少一個次光二極體，作為該光二極體區域當中的底部光二極體；及形成具第二型的頂部光二極體於該結晶層的頂層部分，該頂部光二極體與該底部光二極體共同組成該光二極體區域。
根據申請專利範圍第11項所述互補金屬氧化物半導體影像感測器的形成方法，更包含：形成一傳送閘於該結晶層之上，該傳送閘部分重疊於該傳送閘通道；及形成一浮動擴散點於該像素井的頂層部分，該浮動擴散點鄰接於該傳送閘通道。
根據申請專利範圍第12項所述互補金屬氧化物半導體影像感測器的形成方法，其中該浮動擴散點係執行電晶體源極與汲極的植入製程所形成。
根據申請專利範圍第12項所述互補金屬氧化物半導體影像感測器的形成方法，其中該傳送閘的第一端部分重疊於該頂部光二極體，且該傳送閘的第二端部分重疊於該浮動擴散點。
根據申請專利範圍第11項所述互補金屬氧化物半導體影像感測器的形成方法，其中該至少一個次光二極體為環形。
根據申請專利範圍第11項所述互補金屬氧化物半導體影像感測器的形成方法，其中該至少一個次井區被環形的次光二極體圍繞。
根據申請專利範圍第11項所述互補金屬氧化物半導體影像感測器的形成方法，其中該至少一個次光二極體相對於該底部光二極體的中心點具對稱性。