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TWI397171B - 施加有裝置隔離技術以用於降低暗電流信號之影像感測器及其製造方法 - Google Patents

施加有裝置隔離技術以用於降低暗電流信號之影像感測器及其製造方法 Download PDF

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TWI397171B
TWI397171B TW093118957A TW93118957A TWI397171B TW I397171 B TWI397171 B TW I397171B TW 093118957 A TW093118957 A TW 093118957A TW 93118957 A TW93118957 A TW 93118957A TW I397171 B TWI397171 B TW I397171B
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Description

施加有裝置隔離技術以用於降低暗電流信號之影像感測器及其製造方法
本發明係關於一種影像感測器。更詳而言之，本發明係關於一種使用一裝置隔離技術用於降低暗訊號信號之影像感測器及其製造方法。
一般皆知裝置隔離技術已用於半導體積體電路製造時對各裝置進行電性隔離上，例如隔離一電晶體與一電容。在諸多裝置隔離技術中，矽之區域氧化(LOCOS)技術及淺溝渠隔離(STI)技術為其中常採用者。
LOCOS技術是在一矽基材一主動區域上形成一氮化層類的罩幕圖案，並接著使用該罩幕圖案作為遮罩對該矽基材進行熱氧化。然而，LOCOS技術具有氧化物層形成於一大片區域及氧化層與矽基材介面間有鳥喙(bird’s beak)產生的缺點，因此，使用LOCOS技術於高度積體化的裝置受到限制。因此，STI技術較廣用於高度積體化裝置中，因STI技術係以形成一淺溝渠於一基材上、並接著將該溝渠埋入一氧化物層之方式進行。
同時，影像感測器用以將一光學影像轉換成一電訊號，其亦為一種半導體裝置。在各種影像感測器中，電荷耦合裝置(CCD)及互補式金氧半(COMS)影像感測器被廣泛使用，此一影像感測器在一單位像素中具有數個光電二極體，該些互為鄰近之單位像素的光電二極體各皆需以裝置隔離技術加以隔離。
進行每一光電二極體之隔離時，LOCOS技術或STI 技術形成之裝置隔離層會為應力造成的諸多缺陷所破壞，其中該應力係產生於一場區及一主動區間之一邊界區域者。這些缺陷嚴重影響一暗訊號的特性，而暗訊號係為一影像感測器最重要的特性之一。因此，非常需要發展一種可用於針對影像感測器之特定特性的有效裝置隔離技術性。
因此，本發明之一目的係提供一使用一裝置隔離技術之影像感測器及其製造方法，其中該裝置隔離技術係用以降低暗訊號。
在本發明一觀點中，提供一影像感測器，其包含一邏輯單元及一光收集單元，其中該光收集單元形成有複數個光電二極體，其中該等光電二極體互相間以一形成於一基材之一表面下之場離子佈植區以及一形成於該基材之該表面上之隔離層所隔離。
在本發明的另一觀點中，提供一互補式金氧半(CMOS)影像感測器，其包含一邏輯單元及一像素陣列單元，其中該像素陣列單元形成有複數個光電二極體，其中該等光電二極體互相以一形成於一基材之一表面下之場離子佈植區以及一形成於該基材之該表面上之隔離層所隔離，其中該場離子佈植區一基材之表面及該基材之表面上的一隔離層下。
在本發明另一觀點中，提供一種形成一影像感測之一裝置隔離結構的方法，該影像感測器包含一光收集單元及一邏輯單元，該方法包含下列步驟：在該光收集單元之一 場區域中形成一隔離層圖案於一基材上；藉由執行LOCOS技術或STI技術形成一裝置隔離用隔離層於該邏輯單元之一場區域中；及形成一場離子佈植區於該基材之一表面下於該光收集單元之場區域內。
本發明之一較佳實施例將配合所附圖式詳述如下。
第1圖係為根據本發明較佳實施例中一影像感測器中一裝置隔離結構之剖面圖。
如圖所示，該影像感測器分作一光收集單元A及一邏輯單元B兩部份，光收集單元A中形成有複數個光電二極體，邏輯單元B中則形成有典型互補式金氧半(CMOS)元件。光收集單元中，該等光電二極體用以在收集光後產生光電荷，此處以10A及10B分別表示一第一及一第二光電二極體。一場離子佈植區20形成於一矽基材100之一預定表面下方，該基材係位於第一光電二極體10A及第二光電二極體10B之間。一隔離層30形成於矽基材100之預定表面上。場離子佈植區20及隔離層30用以隔離相鄰而置的第一及第二光電二極體10A,10B。若矽基材100係為一第一導電型，則該第一及第二光電二極體10A,10B係為一第二導電型，且場離子佈植區20係為第一導電型。在邏輯單元B中，傳統矽之局部氧化(LOCOS)技術及或淺溝渠隔離(STI)被執行以形成一隔離層60，該隔離層60係為一裝置隔離層。
如上所述，為達降低影像感測器中暗訊號之目的，光收集單元A施加以一特殊裝置隔離技術，而邏輯單元B施加 以傳統LOCOS及(或)STI技術。更詳而言之。LOCOS技術及STI技術強迫伴隨與一熱氧化過程，故產生於一場區域及一裝置隔離區間之一介面之應力造成缺陷，並因此造成暗訊號問題。然而，在本較佳實施例中暗訊號的產生得以降低，因為裝置隔離層係以離子佈植及沉積隔離層之方法形成、且該離子佈植不需伴以熱氧化製程之故。
第2圖為本發明較佳實施例中一具有一裝置隔離結構之CMOS影像感測器的剖面圖。
如圖所示，CMOS影像感測器分作一像素陣列單元C及一邏輯單元D兩部份，其中像素陣列單元C形成有光電二極體，而邏輯單元D形成有典型CMOS裝置。在像素陣列單元C中，一光電二極體10用以在收集訊號後產生光電荷，一傳送閘Tx用以將該光電二極體10產生之光電荷傳送至一感測點40處，一場離子佈植區20及一隔離層30用以隔離該等裝置。在邏輯單元D中，一裝置隔離層60A以STI技術或LOCOS技術將該等典型COMS裝置互相隔離，故一場區域及一主動區間200介面產生之缺陷數得以降低，暗訊號數亦因此降低。
同時，當考慮諸如離子佈植能量等製程規格時，裝置隔離用隔離層30必須有其預定厚度；亦即，影像感測器形成過程所用之離子佈植能量規格之決定當視以LOCOS技術形成之裝置隔離層的厚度而定。因此，隔離層30形成之厚度應同於以LOCOS技術形成場氧化層時往矽基材上表面處成長部份的厚度，以使不改變及後續之離子佈植能量等條件。此外，當上述特定裝置隔離結構係以該較佳實施例形 成時，目前施用製造條件的改變需加以最小化，下列將詳述用以形成特定裝置隔離結構而不改變目前施用製造條件之方法。
第3A圖至第3F圖係為用以說明本發明較佳實施例中影像感測器內裝置隔離結構之一形成方法的剖面圖。
在第3A圖中，一氧化層302及一氮化層303沉積於一矽基材301上，一第一裝置隔離罩幕圖案304則形成於上述形成之結構上，用以打開一光收集單元之主動區及一邏輯單元的整個區域，其中該氧化層302的沉積厚度為約2000至約2500，該氮化層303沉積之厚度為約1000至約1500。
詳而言之，氮化層303之設置係使一後續形成之氧化層圖案傾斜，氧化層302亦以熱氧化製程方式形成，用以使矽基材301內存在之雜質往外部擴散；由於該往外擴散之故，吸氣(gettering)效果將產生。此外，氧化層302如第1圖所示用以作為裝置隔離之隔離層30，其需足夠厚以使諸如離子佈植等後續製程步驟得順利進行。舉例而言，由於以LOCOS技術場氧化層時往矽基材之上表面方向長去之部份的典型厚度約為2200，因此氧化層302之形成至少需有該厚度。圖中，該第一裝置隔離罩幕圖案304為一光阻PR，其係以傳通微影蝕刻製程形成。
第3B圖及第3C圖為顯示既打開之主動區內之氮化層303及氧化層302之受蝕狀態的剖面圖，其中該蝕刻係以第一裝置隔離罩幕圖案304為之。更特定說來，第3B圖為顯示該氮化層303及該氧化層302在一乾蝕刻製程後的受蝕 狀態的剖面圖，第3C圖則為該兩層303,302在一濕蝕刻製程後的受蝕狀態。
較佳地，該乾蝕刻製程的執行以能使氧化層302之側向輪廓有約60o 之傾斜角，其目的在於避免在一導電層中，諸如用於一閘極電極中之一多晶矽層，殘餘物之產生，其中該傾斜部份以參考符號B表示於第3B圖中。此外，以乾蝕刻製程形成圖案之氮化層303的每一側壁下部以形成有一下切(undercut)為更佳，其目的在於圓化後續濕蝕刻製程時氧化層的上部份，其中該下切以參考符號A表示。此外，氧化層302厚度在乾蝕刻製程期間保持在約600至約700之間，以避免乾蝕刻製程期間電漿對矽基材301的破壞，其中蝕刻後剩餘之氧化層302部份以C表示於第3B圖中。
如第3D圖所示，第一裝置隔離罩幕圖案304及氮化層303被移除。接著，一墊氧化層305及一墊氮化層306係沉積以作為邏輯單元內裝置隔離用。此時，墊氧化層305之厚度為約100至約200，而墊氮化層306之厚度則為約1000至約1500。其後，一第二裝置隔離罩幕圖案307在該邏輯單元打開一場區域係形成於上述形成結構之上。
如第3E圖所示，第二裝置隔離罩幕圖案307被移除，一場隔離層308則以一熱製程步驟成長於該邏輯單元中。接著，墊氮化層306及墊氧化層305被移除。
第3D圖及第3E圖中，揭示以傳統LOCOS技術在邏輯電路之場區域內形成裝置隔離層之步驟。然而，除了LOCOS技術外，仍可能藉由一傳統STI技術形成裝置隔離層。
如第3F圖所示，僅在光收集單元中仍存氧化層302之場區域執行以一選擇性離子佈植步驟。從該選擇性離子佈植步驟，一場離子佈植區309係形成於沈積在光收集單元中氧化層302下之矽基材301之一表面下。
當以本發明之較佳實施例製程時，光收集單元施加以一特殊裝置隔離技術形成其場離子佈植區及氧化層。相反地，邏輯單元則施加以LOCOS及或STI技術形成。結果，光收集單元內應力產生之缺陷可得避免，因此暗訊號得以降低，影像感測器之低光位準特性也因此得獲改善，而良率亦得增加。再者，由於裝置隔離結構在加以傳統製程步驟時得有最小的改變，因此本發明亦有減少縮短週期及減少開發及量產成本之額外效益。
本申請案包含與申請日為2003年12月16日之韓國申請案2003-0091843內相關之標的，該申請案之所有內容以參考方式併入本文。
本發明已以數特定實施例描述於上，熟習該項技術者得在不脫本發明精神及範圍的條件下加以改變或修改，本發明之精神及範圍定義如後附之申請專利範圍中。
10A、10B‧‧‧光電二極體
20‧‧‧場離子佈植區
30、300‧‧‧隔離層
40‧‧‧觀測點
60‧‧‧裝置隔離層
100、301‧‧‧矽基材
200‧‧‧主動區
302‧‧‧氧化層
303‧‧‧氮化層
304‧‧‧第一裝置隔離圖案
305‧‧‧墊氧化層
306‧‧‧墊氮化層
307‧‧‧第二裝置隔離罩幕圖案
308‧‧‧場隔離層
309‧‧‧場離子佈植區
在詳閱過以下較佳實施例配合以圖式之說明後，本發明之上述及其它目的與特徵將變得更為明顯易懂，其中：第1圖係本發明第一較佳實施例中一影像感測器中一裝置隔離結構之剖面圖，其中該裝置隔離結構用以降低暗訊號；第2圖係本發明一較佳實施例中一互補式金氧半(CMOS) 影像感測器之剖面圖，其中該CMOS影像感測器具有一裝置隔離結構；及第3A圖至第3F圖係用以說明本發明之較佳實施例中一種形成一影像感測器中一裝置隔離結構之方法的剖面圖。
10A、10B‧‧‧光電二極體
20‧‧‧場離子佈植區
30‧‧‧隔離層
60‧‧‧裝置隔離層
100‧‧‧矽基材

Claims (18)

  1. 一種在一影像感測器中形成一裝置隔離結構之方法，該影像感測器包含一光收集單元及一邏輯單元，該方法包含下列步驟：形成一隔離層圖案於光收集單元之一場區域中之一基材上，且該隔離層圖案係以獲得傾斜側壁方式形成；藉由執行LOCOS技術及/或STI技術形成一裝置隔離用隔離層於該邏輯單元之一場區域內，用以將於該邏輯單元之元件隔離；及於該光收集單元之該場區域中之該基材之一表面下形成一場離子佈植區，該方法進一步包含於該光收集單元形成多個光二極體，該場離子佈植區是用於將該些光二極體分離，且是利用選擇性離子佈植方式形成。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該形成該隔離層圖案之步驟包含下列步驟：堆疊一氧化層及一氮化層於一基材上；形成一罩幕圖案於該氮化層上，該罩幕圖案打開該光收集單元之一主動區；藉由使用該罩幕圖案作為一蝕刻罩幕於該氮化層及該氧化層上執行一乾蝕刻製程及一後續之濕蝕刻製程；及移除該罩幕圖案及該氮化層。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該氮化層的每一側壁下部形成一下切。
  4. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該氧化層的厚度被維持在約600至約700之間。
  5. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該氧化層係利用一熱製程而 成長。
  6. 一種影像感測器的製作方法，包含：在該影像感測器的邏輯單元及像素陣列單元形成一氧化層，且該氧化層於對應該邏輯單元及該像素陣列單元具有不同厚度；於對應該像素陣列單元的氧化層的表面下形成一離子佈植區；及於該邏輯單元形成一隔離層，該方法進一步包含於該像素陣列單元形成多個光二極體，該場離子佈植區是用於將該些光二極體分離，且是利用選擇性離子佈植方式形成。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，更包含於該氧化層上形成一氮化層，並於該氮化層上形成一隔離罩幕，以該隔離罩幕為遮罩，蝕刻該氧化物層及氮化物層，最後將該隔離罩幕及該氮化層移除。
  8. 如申請專利範圍第6項之方法，更包含令該邏輯單元及該像素陣列單元的基材形成第一導電型，令該些光電二極體具有第二導電型，且該離子佈植區為第一導電型。
  9. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該隔離層的形成方法包括：於該邏輯單元形成墊氧化層；於該墊氧化層上形成一墊氮化層；於該墊氮化層上形成一圖案化隔離罩幕；以該圖案化隔離罩幕為遮罩經由一熱製程形成該隔離層；及將該墊氮化層及墊氧化層移除。
  10. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該隔離層的形成方法包括： 於該邏輯單元形成墊氧化層；於該墊氧化層上形成一墊氮化層；於該墊氮化層上形成一圖案化隔離罩幕；以該圖案化隔離罩幕為遮罩經由一矽之區域氧化技術形成該隔離層；及將該墊氮化層及墊氧化層移除。
  11. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該隔離層的形成方法包括：於該邏輯單元形成墊氧化層；於該墊氧化層上形成一墊氮化層；於該墊氮化層上形成一圖案化隔離罩幕；以該圖案化隔離罩幕為遮罩經由一淺溝槽隔離技術形成該隔離層；及將該墊氮化層及墊氧化層移除。
  12. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該隔離層是以熱製程方式形成。
  13. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該隔離層的厚度是依據後續進行之離子佈植製程的離子佈植能量而定。
  14. 一種影像感測器的製作方法，包含：於該影像感測器之基材的邏輯單元形成多數個元件；於該影像感測器之基材的光收集單元形成多數個光電二極體；以熱氧化製程將該些元件彼此隔離；及於該熱氧化製程後，再利用離子佈植將該些光電二極體彼此隔離，其中，該熱氧化製程包括形成一具有傾斜側壁的隔離層，且該隔離 層的形成方法包括：於該基材依序形成一氧化層及一氮化層：接著於該氮化物層上形成一圖案化隔離罩幕，並將該隔離罩幕於對應該光收集單元打開形成一主動區；以該圖案化隔離罩幕為遮罩，利用乾式蝕刻蝕刻該氧化物層及氮化物層；於乾式蝕刻後再利用濕式蝕刻蝕刻該氧化物層及氮化物層；及將該隔離罩幕及該氮化物層移除。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該氮化物層的每一側壁下部形成一下切。
  16. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該氧化物層厚度會保持在600~700之間。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該基材為第一導電型，該些光電二極體具有第二導電型，該離子佈植區是以選擇性離子佈植方式形成，並具有第一導電型。
  18. 一種影像感測器的製作方法，包含：於該影像感測器之一基材上的光收集單元形成一隔離層；於該影像感測器之一基材上的邏輯單元形成一隔離層；及於該光收集單元之隔離層的表面下形成一場離子佈植區，其中，該場離子佈植區用於將多個光二極體分離，且是利用選擇性離子佈植方式形成，該隔離層的形成包括：依序於該基材上形成一氧化物層及一氮化物層，且該氧化物層係以熱氧化製程方式形成，接著於該氮化物層上形成一圖案化隔離罩幕，並將該隔離罩幕於 對應該光收集單元區打開形成一主動區，以該圖案化隔離罩幕為遮罩，利用乾式蝕刻蝕刻該氧化物層及氮化物層，於乾式蝕刻後再利用濕式蝕刻蝕刻該氧化物層及氮化物層，最後將該隔離罩幕及該氮化物層移除。
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