一種半導(dǎo)體器件及其形成方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件及其形成方法。在所述半導(dǎo)體器件的外延層內(nèi)，包括紅光像素單元、綠光像素單元和藍(lán)光像素單元，在所述綠光像素單元和藍(lán)光像素單元內(nèi)設(shè)置第一阻擋層，所述第一阻擋層位于綠光像素單元內(nèi)的第二電子收集區(qū)域下方；在藍(lán)光像素單元內(nèi)設(shè)置第二阻擋層，所述第二阻擋層位于藍(lán)光像素單元的第三電子收集區(qū)域下方。所述第一阻擋層和第二阻擋層可有效阻止各像素單元內(nèi)的電子擴(kuò)散至相鄰的像素單元內(nèi)，并被相鄰的像素單元的電子吸收層吸收，從而避免出現(xiàn)造成電學(xué)串?dāng)_現(xiàn)象。
【專利說(shuō)明】-種半導(dǎo)體器件及其形成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制備領(lǐng)域，尤其是涉及一種半導(dǎo)體器件及其形成方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 圖像傳感器，是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)的設(shè)備，它被廣泛地應(yīng)用在數(shù)碼 相機(jī)和其他電子光學(xué)設(shè)備。
[0003] 電荷禪合器件（化arged Coupled Device,簡(jiǎn)稱CCD)圖像傳感器與互補(bǔ)金屬氧化 物半導(dǎo)體圖像傳感器（CMOS Image Sensor,簡(jiǎn)稱CIS)是當(dāng)前被普遍采用的兩種圖像傳感 器，兩者都是利用感光二極管（Photodiode)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
[0004] 其中，在半導(dǎo)體器件制備技術(shù)中，CCD難W與主流的CMOS技術(shù)相兼容，因而CCD為 基礎(chǔ)的圖像傳感器難W實(shí)現(xiàn)單芯片一體化。相對(duì)地，CIS由于采用了 CMOS技術(shù)，可W將像 素區(qū)域與外圍電路集成在同一芯片上。因而，與CCD圖像傳感器相比，CIS具有體積小、重 量輕、功耗低、編程方便、易于控制W及制備成本低的優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 參考圖1所示，CIS包括多種相鄰排列的像素單元，如紅光像素單元1、綠光像素單 元2、藍(lán)光像素單元3。每個(gè)像素單元包括特定的紅色、綠色或藍(lán)色顏色濾鏡，W及諸如光電 二極管之類的光電轉(zhuǎn)換器（圖中未顯示)。穿過(guò)像素單元的顏色濾鏡并到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器的光 被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
[0006] 現(xiàn)有的CIS的光電二極管包括構(gòu)建在P-/P++外延娃晶片上的P+的收集區(qū)域和位 于收集區(qū)域上方的n型的吸收區(qū)域（即存儲(chǔ)區(qū)域)，相鄰的像素單元的收集區(qū)域和n型吸收 區(qū)域通過(guò)STI (淺溝槽隔離區(qū)）隔離。穿過(guò)像素單元的顏色濾鏡的光子，激活收集區(qū)域內(nèi)的 通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，在收集區(qū)域產(chǎn)生電子空穴對(duì)，空穴對(duì)中的電子被捕獲后被吸收區(qū)域吸收，W 作為信號(hào)電荷，從而由光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。
[0007] 然而，部分電子通過(guò)熱擴(kuò)散可沿任意方向自由擴(kuò)散，且會(huì)被她鄰的像素單元收集， 從而造成電學(xué)串?dāng)_現(xiàn)象。電學(xué)串?dāng)_現(xiàn)象會(huì)直接降低CIS的顏色飽和度、顏色準(zhǔn)確度，W及造 成過(guò)度噪音，從而嚴(yán)重降低了 CIS的質(zhì)量。
[0008] 為此，本領(lǐng)域技術(shù)人員嘗試通過(guò)延伸STI深度方式（Deep trench isolation,簡(jiǎn)稱 DTI) W強(qiáng)化相鄰的像素單元的電隔離性，避免相鄰像素單元間的電學(xué)干擾現(xiàn)象。然而，上述 方法在使用過(guò)程中，會(huì)在STI的表層、側(cè)壁W及拐角處產(chǎn)生暗電流，從而影響CIS性能。
[000引為此，如何降低CIS的電學(xué)串?dāng)_現(xiàn)象，W提升CIS的性能是本領(lǐng)域技術(shù)人員繼續(xù)解 決的問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明解決的問(wèn)題是提供一種半導(dǎo)體器件及其形成方法，從而有效抑制CIS中的 電學(xué)串?dāng)_現(xiàn)象。
[0011] 為解決上述問(wèn)題，所述的半導(dǎo)體器件，包括：
[0012] 半導(dǎo)體襯底和位于半導(dǎo)體襯底上的外延層；
[0013] 位于外延層內(nèi)的至少一個(gè)像素區(qū)域，所述像素區(qū)域包括紅光像素單元、綠光像素 單元和藍(lán)光像素單元，所述紅光像素單元、綠光像素單元和藍(lán)光像素單元并行排列；
[0014] 位于所述綠光像素單元和藍(lán)光像素單元內(nèi)的所述外延層內(nèi)的第一阻擋層，且所述 第一阻擋層位于半導(dǎo)體襯底上；
[0015] 位于所述藍(lán)光像素單元內(nèi)的所述外延層內(nèi)的第二阻擋層，且所述第二阻擋層位于 所述第一阻擋層上方。
[0016] 可選地，所述第一阻擋層和第二阻擋層采用離子注入工藝形成，且所述第一阻擋 層和第二阻擋層內(nèi)含有P型離子。
[0017] 可選地，P型離子包括B或BF2。
[0018] 可選地，在所述外延層內(nèi)，所述第一阻擋層的深度為1.9±0.3ym。
[0019] 可選地，在所述外延層內(nèi)，所述第二阻擋層的深度為1. 1 + 0. 3 ym。
[0020] 可選地，所述第二阻擋層的下表面和所述第一阻擋層上表面貼合。
[0021] 可選地，所述第二阻擋層和所述第一阻擋層之間存有間隔，所述間隔的寬度小于 0? 5 U m。
[0022] 可選地，所述外延層為P型外延層，所述外延層內(nèi)的P型離子劑量為1. OX l〇is? 3. OXl〇i5cm-3。
[0023] 所述半導(dǎo)體器件還包括：
[0024] 位于所述紅光像素單元內(nèi)的外延層內(nèi)的第一電子吸收層，及位于所述第一電子吸 收層下方的所述外延層內(nèi)的第一電子收集區(qū)域；
[00巧]位于所述綠光像素單元內(nèi)的外延層內(nèi)的第二電子吸收層，及位于所述第二電子吸 收層和所述第一阻擋層之間的所述外延層內(nèi)的第二電子收集區(qū)域；
[0026] 位于所述藍(lán)光像素單元內(nèi)的外延層內(nèi)的第H電子吸收層；及位于所述第H電子吸 收層和所述第二阻擋層之間的所述外延層內(nèi)的第H電子收集區(qū)域；
[0027] 所述第一電子吸收層、第二電子吸收層和第H電子吸收層的上表面位于所述外延 層上表面下方。
[0028] 可選地，所述第一電子吸收層、第二電子吸收層和第H電子吸收層的深度為 0. 2 + 0. 1 U m。
[0029] 可選地，所述紅光像素單元、綠光像素單元和藍(lán)光像素單元兩兩么間設(shè)置有STI。
[0030] 可選地，所述STI的深度大于所述電子吸收層深度。
[0031] 本發(fā)明還提供了一種半導(dǎo)體器件的形成方法，包括：
[0032] 提供半導(dǎo)體襯底；
[0033] 在所述半導(dǎo)體襯底上形成外延層，所述外延層包括至少一個(gè)像素區(qū)域，其中所述 像素區(qū)域包括并行排列的紅光像素單元、綠光像素單元和藍(lán)光像素單元；
[0034] 向所述綠光像素單元和藍(lán)光像素單元內(nèi)的外延層內(nèi)注入第一離子，在半導(dǎo)體襯底 上形成第一阻擋層；
[00巧]向所述藍(lán)光像素單元內(nèi)的外延層內(nèi)注入第二離子，在所述第一阻擋層上形成第二 阻擋層。
[0036] 可選地，所述第一離子和第二離子為P型離子。
[0037] 可選地，形成所述第一阻擋層的方法包括，向所述外延層內(nèi)注入能量為900Kev? 1 lOOKev，劑量為 5. 0 X 1〇11 ?5. 0 X 10"cm-3 的第一離子。
[0038] 可選地，形成所述第二阻擋層的方法包括，向所述外延層內(nèi)注入能量為400Kev? 600Kev，劑量為 5. 0X10"?5. OXl〇i3cm-3 的第二離子。
[0039] 可選地，還包括；在向所述外延層內(nèi)注入所述第二離子后，在800?120(TC下進(jìn)行 退火工藝。
[0040] 可選地，還包括：
[0041] 向所述外延層內(nèi)注入第H離子，在所述紅光像素單元內(nèi)的外延內(nèi)形成第一電子吸 收層，在所述綠光像素單元內(nèi)的外延層的內(nèi)形成第二電子吸收層，在所述藍(lán)光像素單元內(nèi) 的外延層內(nèi)形成第H電子吸收層；
[0042] 所述第H離子的注入工藝的能量為100?200Kev，注入劑量為1.0X10"? 1. 0X10"cm-3。
[0043] 可選地，所述第H離子為N型離子。
[0044] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0045] 在半導(dǎo)體襯底上方的外延層內(nèi)，包括至少一個(gè)像素區(qū)域，且所述像素區(qū)域包括紅 光像素單元、綠光像素單元和藍(lán)光像素單元。在所述綠光像素單元和藍(lán)光像素單元內(nèi)的外 延層內(nèi)設(shè)置有第一阻擋層；在藍(lán)光像素單元內(nèi)的外延層內(nèi)，位于所述第一阻擋層上方設(shè)置 有第二阻擋層。使用過(guò)程中，光射入紅光像素單元、綠光像素單元和藍(lán)光像素單元內(nèi)，并在 各個(gè)像素單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)形成電子。本發(fā)明的技術(shù)方案提供的第一阻擋層，可有 效防止紅光像素單元內(nèi)，位于下方的電子擴(kuò)散至綠光像素單元和藍(lán)光像素單元內(nèi)；所述第 二阻擋層可有效防止綠光像素單元內(nèi)，位于下方的電子擴(kuò)散至藍(lán)色像素單元內(nèi)，從而避免 出現(xiàn)造成電學(xué)串?dāng)_現(xiàn)象。
[0046] 可選方案中，在所述外延層內(nèi)，所述第一阻擋層的深度為1.9 + 0. 3 ym，所述第一 阻擋層的深度與紅光像素單元、綠光像素單元，W及藍(lán)光像素單元內(nèi)形成的電子的深度相 匹配，從而確保紅光像素單元內(nèi)的充分實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換同時(shí)，紅光像素單元內(nèi)的電子不會(huì)擴(kuò) 散至綠光像素單元和藍(lán)光像素單元內(nèi)；所述第二阻擋層的深度為1. 1 + 0. 3um，所述第二 阻擋層的厚度與綠光像素單元W及藍(lán)光像素單元內(nèi)形成的電子的深度相匹配，確保綠光像 素單元內(nèi)充分實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的同時(shí)，綠光像素單元內(nèi)的電子不會(huì)擴(kuò)散至藍(lán)光像素單元內(nèi)， 從而有效避免電學(xué)串?dāng)_現(xiàn)象出現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0047] 圖1和圖2為現(xiàn)有的CIS的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048] 圖3是CIS中，光的波長(zhǎng)與光在外延層內(nèi)的穿透深度的關(guān)系圖；
[0049] 圖4至圖7為實(shí)施例1提供的半導(dǎo)體器件形成方法的結(jié)構(gòu)圖；
[0050] 圖8為本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例提供的半導(dǎo)體器件形成方法的結(jié)構(gòu)圖；
[0051] 圖9是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0052] 圖10本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提供的半導(dǎo)體器件中第一阻擋層和第二阻擋層的結(jié) 構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0053] 正如【背景技術(shù)】所述，在現(xiàn)有的CIS各個(gè)像素單元會(huì)出現(xiàn)電學(xué)串?dāng)_現(xiàn)象，從而影響 CIS的質(zhì)量。分析其原因，在光透過(guò)CIS的各個(gè)像素單元的特定顏色濾鏡后，濾出的特定光 波進(jìn)入外延層內(nèi)，并激活外延層內(nèi)的電子。其中，基于透過(guò)各顏色濾鏡后獲得的不同波長(zhǎng)的 單色光在外延層內(nèi)的穿透深度不同，參考圖3所示，在相同的條件下，波長(zhǎng)越長(zhǎng)的單色光在 外延層內(nèi)的穿透深度越大，因而不同的像素單元內(nèi)由光電轉(zhuǎn)換形成的電子的深度不同，即 不同的像素單元的收集區(qū)域的深度不同。且在不同的像素單元內(nèi)，基于光波能量分布差異， 像素單元下方的光波能量較小，因而位于下方的電子被對(duì)應(yīng)的吸收區(qū)域吸收概率較小，未 被吸收的電子會(huì)出現(xiàn)自由擴(kuò)散現(xiàn)象，并進(jìn)入其他的像素單元內(nèi)，從而引起電學(xué)串?dāng)_現(xiàn)象。
[0054] 例如，參考下表1為一個(gè)典型的例子。結(jié)合參考表1和圖2所不，如紅光的波長(zhǎng)為 640nm左右，穿透單晶娃在外延層的內(nèi)的穿透深度hi為3. 3ym左右。結(jié)合圖2所示，即紅 光像素單元1的收集區(qū)域深度為3. 3ym左右。然而，紅光在外延層內(nèi)的半數(shù)能量被吸收 的深度為3. 0 y m左右，即紅光一半的能量集中于3. 0 y m上方的收集區(qū)域內(nèi)，使得只有在 3. 0 y m上方的收集區(qū)域內(nèi)，紅光所激發(fā)的電子沿C向移動(dòng)，可被吸收區(qū)域31完全吸收，而 間于3. 0 y m至3. 3 y m之間的部分紅光激發(fā)的電子的能量較弱，因而被吸收區(qū)域31吸收的 比例概率較小，一部分會(huì)出現(xiàn)自由擴(kuò)散，且部分會(huì)越過(guò)紅光像素區(qū)域1的收集區(qū)域，擴(kuò)散至 3. 3 y m下方。而越過(guò)收集區(qū)域的部分電子則無(wú)法被吸收層31吸收，基本處于自由擴(kuò)散狀 態(tài)。
[0055] 相似的，結(jié)合參考表1和圖2所示，綠光的波長(zhǎng)為530nm左右，綠光像素單元2的 收集區(qū)域深度h2為1. 6 y m左右。然而，綠光一半的能量集中于0. 79 y m上方的收集區(qū)域 內(nèi)。使得在0. 79 y m上方的收集區(qū)域內(nèi)，綠光所激發(fā)的電子沿B向移動(dòng)，可被吸收區(qū)域32 完全吸收，而間于0. 79 y m至1. 6 y m之間的部分電子會(huì)出現(xiàn)自由擴(kuò)散的現(xiàn)象，甚至越過(guò)綠 光像素區(qū)域1的收集區(qū)域，擴(kuò)散至1. 6 y m下方。
[0056] 藍(lán)光的波長(zhǎng)為460皿左右，藍(lán)光像素單元3的收集區(qū)域深度h3為0. 42 y m左右，然 而，藍(lán)光一半的能量集中于0. 32 y m上方的收集區(qū)域內(nèi)。使得在0. 32 y m上方的收集區(qū)域 內(nèi)，綠光所激發(fā)的電子沿A向移動(dòng)，可被吸收區(qū)域31完全吸收，而間于0. 32 y m至0. 42 y m 之間的部分電子會(huì)出現(xiàn)自由擴(kuò)散現(xiàn)象，甚至是越過(guò)藍(lán)光像素區(qū)域3的收集區(qū)域，擴(kuò)散至 0. 42U m 下方。
[0057] 表 1
[0058]

【權(quán)利要求】
1. 一種半導(dǎo)體器件，包括： 半導(dǎo)體襯底和位于半導(dǎo)體襯底上的外延層； 位于外延層內(nèi)的至少一個(gè)像素區(qū)域，所述像素區(qū)域包括紅光像素單元、綠光像素單元 和藍(lán)光像素單元，所述紅光像素單元、綠光像素單元和藍(lán)光像素單元并行排列； 其特征在于，還包括： 位于所述綠光像素單元和藍(lán)光像素單元內(nèi)的所述外延層內(nèi)的第一阻擋層，且所述第一 阻擋層位于半導(dǎo)體襯底上； 位于所述藍(lán)光像素單元內(nèi)的所述外延層內(nèi)的第二阻擋層，且所述第二阻擋層位于所述 第一阻擋層上方。
2. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述第一阻擋層和第二阻擋層采用 離子注入工藝形成，且所述第一阻擋層和第二阻擋層內(nèi)含有P型離子。
3. 如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，P型離子包括B或BF2。
4. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，在所述外延層內(nèi)，所述第一阻擋層的 深度為 1. 9 + 0. 3 y m。
5. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，在所述外延層內(nèi)，所述第二阻擋層的 深度為 1. 1 + 0. 3 y m。
6. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述第二阻擋層的下表面和所述第 一阻擋層上表面貼合。
7. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述第二阻擋層和所述第一阻擋層 之間存有間隔，所述間隔的寬度小于0. 5 y m。
8. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述外延層為P型外延層，所述外延 層內(nèi)的P型離子劑量為1.0X10"?3. OXl〇i5cnT3。
9. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，還包括： 位于所述紅光像素單元內(nèi)的外延層內(nèi)的第一電子吸收層，及位于所述第一電子吸收層 下方的所述外延層內(nèi)的第一電子收集區(qū)域； 位于所述綠光像素單元內(nèi)的外延層內(nèi)的第二電子吸收層，及位于所述第二電子吸收層 和所述第一阻擋層之間的所述外延層內(nèi)的第二電子收集區(qū)域； 位于所述藍(lán)光像素單元內(nèi)的外延層內(nèi)的第H電子吸收層；及位于所述第H電子吸收層 和所述第二阻擋層之間的所述外延層內(nèi)的第H電子收集區(qū)域； 所述第一電子吸收層、第二電子吸收層和第H電子吸收層的上表面位于所述外延層上 表面下方。
10. 如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述第一電子吸收層、第二電子吸 收層和第H電子吸收層的深度為0. 2 + 0. 1 y m。
11. 如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述紅光像素單元、綠光像素單元 和藍(lán)光像素單元兩兩之間設(shè)置有STI。
12. 如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述STI的深度大于所述電子吸收 層深度。
13. -種半導(dǎo)體器件的形成方法，其特征在于，包括： 提供半導(dǎo)體襯底； 在所述半導(dǎo)體襯底上形成外延層，所述外延層包括至少一個(gè)像素區(qū)域，其中所述像素 區(qū)域包括并行排列的紅光像素單元、綠光像素單元和藍(lán)光像素單元； 向所述綠光像素單元和藍(lán)光像素單元內(nèi)的外延層內(nèi)注入第一離子，在半導(dǎo)體襯底上形 成第一阻擋層； 向所述藍(lán)光像素單元內(nèi)的外延層內(nèi)注入第二離子，在所述第一阻擋層上形成第二阻擋 層。
14. 如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體器件的形成方法，其特征在于，所述第一離子和第二 離子為P型離子。
15. 如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體器件的形成方法，其特征在于，形成所述第一阻 擋層的方法包括，向所述外延層內(nèi)注入能量為900Kev?llOOKev，劑量為5.0X10"? 5. 0 X 10"cm 3的第一貿(mào)子。
16. 如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體器件的形成方法，其特征在于，形成所述第二阻 擋層的方法包括，向所述外延層內(nèi)注入能量為400Kev?600Kev，劑量為5.0X10"? 5. 0X10"cm-3 的第二離子。
17. 如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體器件的形成方法，其特征在于，還包括；在向所述外延 層內(nèi)注入所述第二離子后，在800?120(TC下進(jìn)行退火工藝。
18. 如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體器件的形成方法，其特征在于，還包括： 向所述外延層內(nèi)注入第H離子，在所述紅光像素單元內(nèi)的外延內(nèi)形成第一電子吸收 層，在所述綠光像素單元內(nèi)的外延層內(nèi)形成第二電子吸收層，在所述藍(lán)光像素單元內(nèi)的外 延層內(nèi)形成第H電子吸收層； 所述第H離子的注入工藝的能量為100?200Kev，注入劑量為1. 0X 1〇11? 1. 0X10"cm-3。
19. 如權(quán)利要求18所述的半導(dǎo)體器件的形成方法，其特征在于，所述第H離子為N型離 子。
【文檔編號(hào)】H01L27/146GK104465677SQ201310424885
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月17日
【發(fā)明者】王沖, 吳秉寰 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司