本發(fā)明涉及一種互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)影像感測器，特別是涉及一種可防溢流(anti-blooming)或增進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體影像感測器。

背景技術(shù)：

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)影像感測器(以下簡稱影像感測器)普遍應(yīng)用于移動裝置。影像感測器也可使用于其他應(yīng)用，例如汽車及安全應(yīng)用。汽車及安全應(yīng)用的要求異于移動應(yīng)用。例如，溢流(blooming)對汽車及監(jiān)測應(yīng)用是有害的。當(dāng)像素于曝光時已填滿光載流子而無法再收集更多的電子/空穴對時，即會發(fā)生溢流。亮點像素會擴(kuò)散至相鄰區(qū)域的其他像素。

道路場景(特別是在夜間)具有高動態(tài)范圍。影像感測器對于特別亮區(qū)域必須具有好的溢流控制，才能確保相鄰微暗區(qū)域不會被溢流電荷所影響。否則，會遺失許多細(xì)節(jié)且很難從場景得出訊息。此外，于高溫操作環(huán)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?yōu)闊嵯袼亍?/p>

電荷轉(zhuǎn)移為汽車及安全應(yīng)用的另一要求。像素電荷轉(zhuǎn)移速度是影像感測器的數(shù)據(jù)頻寬的重要因素。如果電荷轉(zhuǎn)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(zhǔn)。

鑒于傳統(tǒng)影像感測器無法有效解決溢流及電荷轉(zhuǎn)移問題，因此亟需提出一種新穎可防溢流及增進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移的影像感測器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明實施例的目的之一在于提出一種互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體影像感測器，用以防止溢流或/且增進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移。

根據(jù)本發(fā)明實施例，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體影像感測器包含基底、第一型的晶體層、光二極管、至少一個第一型的摻雜阱區(qū)、傳輸柵、浮動擴(kuò)散節(jié) 點及第二型的注入?yún)^(qū)。第一型的晶體層形成于基底上。注入?yún)^(qū)、光二極管及摻雜阱區(qū)形成于晶體層內(nèi)，且浮動擴(kuò)散節(jié)位于摻雜阱區(qū)內(nèi)。傳輸柵形成于晶體層的頂面，且傳輸柵的通道整個覆蓋注入?yún)^(qū)。傳輸柵部分覆蓋光二極管的邊緣及摻雜阱區(qū)的邊緣。注入?yún)^(qū)的部分結(jié)合光二極管、摻雜阱區(qū)及浮動擴(kuò)散節(jié)點。

根據(jù)本發(fā)明另一實施例，形成互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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于基底上。形成第二型的注入?yún)^(qū)于晶體層內(nèi)。形成至少一個第一型的摻雜阱區(qū)于晶體層內(nèi)，且注入?yún)^(qū)的部分結(jié)合摻雜阱區(qū)。形成傳輸柵于晶體層的頂面，傳輸柵部分覆蓋摻雜阱區(qū)的邊緣，且注入?yún)^(qū)被傳輸柵的通道整個覆蓋。形成光二極管于晶體層內(nèi)，且注入?yún)^(qū)的部分結(jié)合光二極管。執(zhí)行源極/漏極注入以形成浮動擴(kuò)散節(jié)點于摻雜阱區(qū)內(nèi)，且注入?yún)^(qū)的部分結(jié)合浮動擴(kuò)散節(jié)點。

附圖說明

圖1a為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)影像感測器的剖視圖；

圖1b為圖1a的影像感測器的俯視圖；

圖1c為當(dāng)曝光且傳輸柵關(guān)閉時沿圖1a切割線101的位能圖；

圖2a為本發(fā)明實施例的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)影像感測器的剖視圖；

圖2b為圖2a的影像感測器的俯視圖；

圖2c為當(dāng)曝光且傳輸柵關(guān)閉時沿圖2a切割線101的位能圖；

圖3a及圖3b為圖2a的影像感測器的俯視圖，分別使用不同注入?yún)^(qū)掩模形狀；

圖4a為影像感測器的剖視圖；

圖4b為當(dāng)電荷轉(zhuǎn)移期間且傳輸柵開啟時沿圖4a切割線104的位能圖；

圖5a為圖2a的影像感測器的剖視圖；

圖5b為圖5a的影像感測器的俯視圖；

圖5c為當(dāng)電荷轉(zhuǎn)移期間且傳輸柵開啟時沿圖5a切割線104的位能圖；

圖6a至圖6h為本發(fā)明實施例的影像感測器的形成流程的剖視圖。

符號說明

100互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體影像感測器

200互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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光二極管

14摻雜阱區(qū)

15傳輸柵

151第一端

152第二端

16傳輸柵通道注入

17隔離區(qū)

18浮動擴(kuò)散節(jié)點

19注入?yún)^(qū)

pd光二極管

pwp型阱區(qū)

tx傳輸柵

sti淺溝槽隔離區(qū)

fd浮動擴(kuò)散

t2掩模尺寸

w1掩模尺寸

w2掩模尺寸

w3掩模尺寸

h1掩模尺寸

h2掩模尺寸

具體實施方式

圖1a顯示互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)影像感測器(以下簡稱影像感測器)100的剖視圖。圖1b顯示圖1a的影像感測器100的俯視圖，沿剖線1a-1a’可得到圖1a的剖視圖。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，形成于基板11上。影像感測器100還包含光二極管(pd)13及至少一個第一型的摻雜阱區(qū)14(例如p型阱區(qū)或pw)形成于晶體層12內(nèi)。影像感測器100還包含傳輸柵(tx)15，其包括晶體層12頂面的柵柵極氧化(gateoxide)層。傳輸柵15形成于晶體層12的頂面，且部分覆蓋光二極管13的邊緣及摻雜阱區(qū)14的邊緣。于晶體層12的頂部形成有傳輸柵通道注入16。詳而言之，傳輸柵通道注入16位于整個光二極管13上方，且位于部分傳輸柵15下方。位于傳輸柵15下方的傳輸柵通道注入16是作為暗電流與電荷轉(zhuǎn)移的通道調(diào)整注入，而位于光二極管13上方的傳輸柵通道注入16則作為光二極管13的表面釘扎(pinning)層。隔離區(qū)17(例如淺溝槽隔離區(qū)或sti)形成于影像感測器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(kuò)散(fd)節(jié)點18位于摻雜阱區(qū)14內(nèi)，且被傳輸柵15部分覆蓋。其中，傳輸柵15的第一端151覆蓋光二極管13，且傳輸柵15的第二端152覆蓋浮動擴(kuò)散節(jié)點18。

圖1c顯示當(dāng)曝光且傳輸柵15關(guān)閉時沿圖1a的(虛)切割線101的位能圖。如圖1c所示，位于光二極管13與摻雜阱區(qū)14之間的障壁102高于相鄰像素間的隔離區(qū)17的障壁103。當(dāng)受到強(qiáng)光照射而達(dá)到全阱區(qū)飽和(fullwellsaturation)時，超出的光電子會從光二極管103經(jīng)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(jié)構(gòu)。圖2a顯示本發(fā)明實施例的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)影像感測器(以下簡稱影像感測器)200的剖視圖。本實施例的影像感測器200可于曝光期間當(dāng)傳輸柵15關(guān)閉時增進(jìn)溢流的防止。本實施例的影像感測器200可適用于前照式(frontsideilluminance,fsi)影像感測器，也可適用于后照式(backsideilluminance,bsi)影像感測器。圖2b顯示圖2a的影像感測器200的俯視圖，沿剖線2a-2a’可得到圖2a的剖視圖。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)的注入?yún)^(qū)19，形 成于晶體層12內(nèi)，其中的第二型相反于第一型。注入?yún)^(qū)19部分設(shè)于(且結(jié)合)光二極管13、摻雜阱區(qū)14及浮動擴(kuò)散節(jié)點18。本實施例的注入?yún)^(qū)19被傳輸柵15部分覆蓋，但被傳輸柵15的整個通道(亦即圖2b所示橫向長度h2)所覆蓋。

圖2c顯示當(dāng)曝光且傳輸柵關(guān)閉時沿圖2a的(虛)切割線101的位能圖。如圖2c所示，位于光二極管13與摻雜阱區(qū)14之間的障壁102因為注入?yún)^(qū)19而下降，減弱該區(qū)域的摻雜阱區(qū)14的原始p型摻雜。當(dāng)受到強(qiáng)光照射而達(dá)到全阱區(qū)飽和時，超出的光電子可經(jīng)由障壁102而流出，并被浮動擴(kuò)散節(jié)點18汲取，其中該浮動擴(kuò)散節(jié)點18于曝光期間為正偏壓，因而得以增進(jìn)溢流的防止。

在本實施例中，使用適當(dāng)?shù)淖⑷雱┝颗c能量，可使注入?yún)^(qū)19距離晶體層12的頂面一段距離。注入?yún)^(qū)19未碰觸傳輸柵通道注入16，但是在傳輸柵15的第二端152，注入?yún)^(qū)19結(jié)合浮動擴(kuò)散節(jié)點18處，注入?yún)^(qū)19碰觸到傳輸柵通道注入16。于該處，傳輸柵通道注入16的暗電流不再流回光二極管13，而是流至浮動擴(kuò)散節(jié)點18。因此，靠近光二極管13的傳輸柵通道注入16部分的高空穴累積狀況不會受到影響，因而減少暗電流問題。另一方面，位于浮動擴(kuò)散節(jié)點18下方的摻雜阱區(qū)14經(jīng)適當(dāng)調(diào)整，可延伸注入?yún)^(qū)19深入晶體層12以增大防溢流路徑。詳而言之，注入?yún)^(qū)19與傳輸柵通道注入16彼此非常接近。在經(jīng)過整個的熱處理制作工藝后，兩者的邊界會產(chǎn)生互動。注入?yún)^(qū)19與傳輸柵通道注入16之間的距離彼此權(quán)衡。若兩者較近，則有利于電荷移轉(zhuǎn)但不利于暗電流；若兩者較遠(yuǎn)，則有利于暗電流但不利于電荷移轉(zhuǎn)。

考慮注入?yún)^(qū)19的區(qū)域輪廓，如圖2b所示，掩模的形狀要求t2>w2可增大防溢流路徑，并與傳輸柵通道注入的淺溝槽隔離區(qū)的側(cè)壁保持一段距離，其中t2代表傳輸柵15通道內(nèi)的淺溝槽隔離區(qū)的側(cè)壁距離。另一個掩模的形狀要求h1>h2可降低防溢流位勢壘壁的鞍點(saddlepoint)并靠近光二極管13，因此暗電流會流至浮動擴(kuò)散節(jié)點18而不會流至光二極管13，且增強(qiáng)防溢流強(qiáng)度。圖3a及圖3b顯示圖2a的影像感測器200的俯視圖，分別使用不同注入?yún)^(qū)掩模形狀。注入?yún)^(qū)19的一部分具楔形(taper)，其寬度隨遠(yuǎn)離光二極管13而逐漸變寬(圖3a)，或者隨遠(yuǎn)離光二極管13而逐漸變窄(圖3b)。上述注入?yún)^(qū)19的二種掩模形狀可用以權(quán)衡暗電流與防溢流/電荷 移轉(zhuǎn)增益。

圖4a顯示影像感測器100(類似圖1a)的剖視圖。圖4b顯示于電荷移轉(zhuǎn)期間且傳輸柵15開啟時，沿圖4a的(虛)切割線104的位能圖。圖4a的影像感測器100具有低速電荷傳輸?shù)娜秉c。

本實施例的影像感測器200可于電荷移轉(zhuǎn)期間且傳輸柵15開啟時，增進(jìn)電荷的轉(zhuǎn)移。圖5a顯示影像感測器200(類似于圖2a)的剖視圖；圖5b顯示圖5a的影像感測器200的俯視圖，沿剖線5a-5a’可得到圖5a的剖視圖；且圖5c顯示于電荷移轉(zhuǎn)期間且傳輸柵15開啟時，沿圖5a的(虛)切割線104的位能圖。

電荷轉(zhuǎn)移主要受到以下二因素的限制：(1)電荷的暫態(tài)時間決定光載流子從光二極管13行進(jìn)至傳輸柵入口(txentrance)的速度；(2)光載流子必須克服位于傳輸柵入口的傳輸柵開啟障壁(tx“on”barrier)102的大小。

在本實施例中，注入?yún)^(qū)19于傳輸柵15的第一端151僅部分覆蓋光二極管13。光二極管13遠(yuǎn)端所產(chǎn)生的光載流子會受到增強(qiáng)的位能梯度105而加速，因而快速行進(jìn)至傳輸柵入口。掩模的形狀要求w1>t2及w3＝光二極管13沿相同方向尺寸的30-40％。根據(jù)這些要求，最低電子位能點位于傳輸柵入口的附近。于光二極管13內(nèi)不具有其他位能袋(potentialpocket)。位能梯度105從光二極管13的遠(yuǎn)端至最低位能袋的任何路徑之間大致平均分布，因而避免平坦位能或零位能梯度區(qū)域。由此，電荷的暫態(tài)時間可大量降低。

對于傳輸柵開啟障壁102，本實施例的注入?yún)^(qū)19提供以下的增進(jìn)：(1)減少傳輸柵入口區(qū)域的p型摻雜，以降低傳輸柵開啟障壁102；(2)將傳輸柵開啟障壁的鞍點106寬度垂直延伸至晶體層12；及(3)將傳輸柵開啟障壁的鞍點106重疊傳輸柵通道注入予以橫向增大，其中電荷轉(zhuǎn)移電流因鞍點106尺寸變大而增強(qiáng)。由此，位于傳輸柵入口的傳輸柵開啟障壁102可較佳化，于快門關(guān)閉期間傳輸柵15開啟時，得以增強(qiáng)電荷轉(zhuǎn)移。

圖6a至圖6h顯示本發(fā)明實施例的影像感測器200的形成流程的剖視圖，僅顯示與本實施例相關(guān)的步驟。

首先，如圖6a所示，提供第一型(例如p型)的基底11(例如硅)。形成第一型的晶體層12(例如p型晶膜層)于基底11上。

接著，如圖6b所示，形成隔離區(qū)17(例如淺溝槽隔離區(qū)或sti)于影像感測器200的相鄰像素之間。再如圖6c所示，形成傳輸柵通道注入16于 晶體層12的頂部。

根據(jù)本實施例的特征之一，形成第二型(例如n型)的注入?yún)^(qū)19于晶體層12內(nèi)。在一實施例中，圖6d所形成的注入?yún)^(qū)19可實施于較早的制作工藝階段，甚至于晶片開始階段，以接受充分的熱處理而得到較佳注入輪廓并通過退火以減少注入損害。

接下來，如圖6e所示，形成至少一個第一型的摻雜阱區(qū)14于晶體層12內(nèi)。注入?yún)^(qū)19的部分位于(且結(jié)合)摻雜阱區(qū)14。上述圖6c至圖6e的步驟若執(zhí)行于圖6b的步驟之后，則其順序可改變。

如圖6f所示，形成傳輸柵15于晶體層12的頂面，且部分覆蓋摻雜阱區(qū)14的邊緣。傳輸柵15的整個通道(亦即橫向長度)覆蓋注入?yún)^(qū)19。值得注意的是，注入?yún)^(qū)19(圖6d)形成于傳輸柵15(圖6f)之前。

如圖6g所示，形成光二極管(pd)13于晶體層12內(nèi)，且光二極管13的邊緣被傳輸柵15部分覆蓋。注入?yún)^(qū)19的部分設(shè)于(且結(jié)合)光二極管13。

如圖6h所示，執(zhí)行源極/漏極注入以形成浮動擴(kuò)散(fd)節(jié)點18于摻雜阱區(qū)14，該浮動擴(kuò)散節(jié)點18被傳輸柵15部分覆蓋。注入?yún)^(qū)19的部分設(shè)于(且結(jié)合)浮動擴(kuò)散節(jié)點18。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用以限定本發(fā)明的權(quán)利要求；凡其它未脫離發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包含在上述的權(quán)利要求內(nèi)。