專利名稱：Cmos圖像傳感器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及集成電路器件，本發(fā)明更特別地涉及集成電路圖像傳感器以及形成該集成電路圖像傳感器的方法。
背景技術：
CMOS圖像傳感器通常包括二維陣列圖像傳感器單元，該圖像傳感器單元內(nèi)含有圖像轉(zhuǎn)移晶體管。配置這些圖像傳感器晶體管，以對圖像檢測時間間隔期間積累的半導體發(fā)光電子空穴對的轉(zhuǎn)移進行控制。如圖1所示，傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器單元10包括如圖所示連接的光電二極管(P/D)、圖像轉(zhuǎn)移晶體管TX、復位晶體管RX、選擇晶體管SX以及存取晶體管AX。選擇晶體管SX的柵端連接到浮置擴散區(qū)(F/D)。在起動圖像轉(zhuǎn)移晶體管TX時，該浮置擴散區(qū)F/D從光電二極管P/D接收電荷載體。在光電二極管P/D接收光子輻射，然后，在其內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對時，產(chǎn)生這些電荷載體。浮置擴散區(qū)F/D積累的電荷載體偏置選擇晶體管SX的柵端。此外，通過將該區(qū)域電連接到正電源電壓VDD，起動復位晶體管RX，以復位浮置擴散區(qū)F/D。
浮置擴散區(qū)F/D積累的大量電荷載體反映的數(shù)據(jù)使選擇晶體管SX導通，從而將電壓電源線VDD連接到存取晶體管AX的載流端。當在相應行線上(ROW)收到有效高壓時使存取晶體管AX導通，該存取晶體管AX工作，以在選擇晶體管SX和存取晶體管AX均導通時，使電源電壓VDD傳遞到輸出線(OUT)。為了提供高質(zhì)量圖像，通常，要求在使圖像轉(zhuǎn)移晶體管TX導通時，使電荷載體從光電二極管P/D高度轉(zhuǎn)移到浮置擴散區(qū)F/D。為了防止發(fā)生重影成像(即，圖像滯后)，需要這樣高度轉(zhuǎn)移電荷載體。當光電二極管P/D產(chǎn)生的電荷載體保留在光電二極管P/D內(nèi)時，在斷開圖像轉(zhuǎn)移晶體管后，可能發(fā)生重影成像。這種殘余的電荷載體通常影響光電二極管P/D接著立即采集光子(例如，在顯示/圖像序列的下一幀期間)，而且可能導致形成圖像贗象，這樣降低了圖像質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例包括其內(nèi)具有圖像轉(zhuǎn)移晶體管的圖像檢測器件。該圖像轉(zhuǎn)移晶體管包括半導體溝道區(qū)，是第一導電型的；以及導電柵，位于該半導體溝道區(qū)上。還設置了柵絕緣區(qū)。該柵絕緣區(qū)在半導體溝道區(qū)與導電柵之間延伸。該柵絕緣區(qū)包括氮化絕緣層，延伸到與導電柵的界面；以及基本無氮絕緣層，延伸到與半導體溝道區(qū)的界面。在這些實施例的某些實施例中，氮化絕緣層包括氮氧化硅(SiON)，可以通過氮化二氧化硅層的上表面形成它。柵絕緣區(qū)的厚度可以在約30至約100的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的其他圖像檢測器件包括半導體區(qū)，其內(nèi)具有光電二極管；以及圖像轉(zhuǎn)移晶體管，位于該半導體區(qū)上。該圖像轉(zhuǎn)移晶體管包括半導體溝道區(qū)，它是第一導電型的，電連接到光電二極管。還在半導體溝道區(qū)上設置了導電柵。還設置了柵絕緣區(qū)，它在半導體溝道區(qū)與導電柵之間延伸。該柵絕緣區(qū)包括氮化絕緣層，延伸到與該導電柵的界面；以及基本無氮絕緣層，延伸到與該半導體溝道區(qū)的界面。
本發(fā)明的又一個實施例包括一種形成圖像檢測器件的圖像轉(zhuǎn)移晶體管的方法。該方法包括在半導體襯底上形成柵絕緣區(qū)以及氮化該柵絕緣區(qū)的上表面。氮化步驟包括在柵絕緣區(qū)上執(zhí)行解壓等離子體氮化(DPN)處理過程。在室溫下，可以執(zhí)行該DPN處理過程，而且在容納了大致等流速的氮氣(N2)和氦氣(He)的反應室內(nèi)可以進行這種DPN處理。然后，在柵絕緣區(qū)的氮化上表面上可以形成導電柵。在這些實施例的某些實施例中，執(zhí)行的氮化步驟之后，在含氮環(huán)境下，執(zhí)行使柵絕緣區(qū)退火的步驟。還可以在執(zhí)行了形成導電柵的步驟后，在含氮環(huán)境下，執(zhí)行使柵絕緣區(qū)退火的步驟。
在本發(fā)明的又一個實施例中，形成柵絕緣區(qū)的步驟包括，利用自由基氧化處理過程，在半導體襯底上形成柵氧化物層?？梢栽谌菁{了氫氣(H2)和氧氣(O2)的反應室內(nèi)執(zhí)行該自由基氧化處理過程。還可以以約450℃至約950℃范圍內(nèi)的溫度，而且以約2乇至約5乇的壓力，執(zhí)行自由基氧化處理過程(radical oxidation process)。此外，氧氣(O2)與氫氣(H2)的流速比在約70至約110的范圍內(nèi)。特別是，氫氣(H2)和氧氣(O2)可以分別以約0.1sccm和約9.0sccm的速度流動。


圖1是傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器單元的電路原理圖。
圖2A至2E是示出根據(jù)本發(fā)明實施例形成圖像轉(zhuǎn)移晶體管的方法的中間結(jié)構的剖視圖。
圖3是示出在自由基氧化處理期間隨時間變化的反應室溫度的曲線圖。
圖4是在PNA退火處理期間隨時間變化的反應室溫度的曲線圖。
圖5A至5D是示出根據(jù)本發(fā)明實施例形成CMOS圖像傳感器的方法的中間結(jié)構的剖視圖。
具體實施例方式
下面將參看附圖更全面說明本發(fā)明，附圖示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例。然而，本發(fā)明可以以不同的形式實現(xiàn)本發(fā)明，而且不應該把本發(fā)明理解為局限于在此說明的實施例。相反，提供這些實施例是為了使該公開徹底和全面，而且為了使該公開向本技術領域內(nèi)的技術人員全面表達本發(fā)明的范圍。在附圖中，為了清楚起見，對各層和區(qū)域的厚度進行了放大。還應該明白，在稱一層位于另一層或者襯底“上”時，它可以直接位于該另一層或者襯底上，也可以存在中間層。此外，術語“第一導電型”和“第二導電型”指相反的導電型，例如，N型或者P型，然而，在此所描述和說明的每個實施例還都包括其互補實施例。在整個說明書中，同樣的編號表示同樣的元件。
如圖2A所示，根據(jù)本發(fā)明實施例形成圖像轉(zhuǎn)移晶體管的方法包括在半導體襯底20上形成溝道區(qū)22。如果圖像轉(zhuǎn)移晶體管是NMOS晶體管，則可以將溝道區(qū)22形成為P型區(qū)，而如果圖像轉(zhuǎn)移晶體管是PMOS晶體管，則將它形成為N型區(qū)。溝道區(qū)22電連接到光電二極管P/D。該光電二極管包括P型區(qū)24(陽極)和N型區(qū)26(陰極)。通過將B或者BF2植入襯底20內(nèi)，可以形成P型區(qū)24，而通過將P或者As植入襯底20，可以形成N型區(qū)26。如圖2B所示，可以在襯底20的表面上形成柵絕緣層28?？梢岳脽嵫趸幚?，化學汽相沉積(CVD)或者自由基氧化處理，形成該柵絕緣層28。所形成的柵絕緣層28的厚度可以在約30與約100之間的范圍內(nèi)?？梢栽谌菁{了氫氣(H2)和氧氣(O2)的反應室內(nèi)進行自由基氧化處理，而且可以在約450℃至約950℃范圍內(nèi)的溫度進行自由基氧化處理。如圖3所示，自由基氧化期間反應室內(nèi)的溫度可以在0t到11t的時間間隔內(nèi)，隨時間從450℃的低溫到950℃的高溫變化，其中“t”表示在從0到11t的時間間隔不均勻時，可以改變的值。在自由基氧化處理期間，可以使反應室的壓力保持在約2乇至約5乇的范圍內(nèi)。氫氣(H2)和氧氣(O2)可以以使氧氣-氫氣速率比在約70至約110的范圍內(nèi)的速率流動。特別是，氫氣(H2)和氧氣(O2)可以分別以約0.1sccm與9.0sccm的速率流動。
參考圖2C，在柵絕緣層28上直接形成薄氮化物層30。利用可以將柵絕緣層28上的二氧化硅(SiO2)的上表面區(qū)域變換為氮氧化硅(SiON)的解耦等離子體氮化(DPN)方法，可以在處理室內(nèi)形成該薄氮化物層30。盡管不希望受任何理論的限制，但是可以相信，該薄氮化物層可以用作摻雜劑阻擋層(例如，硼擴散阻止層)，它阻止摻雜劑從基本形成的柵層向外擴散，提高圖像轉(zhuǎn)移晶體管的噪聲特性，而且防止發(fā)生重影成像。該DPN處理過程可以包括，在80毫乇的固定室壓以及500瓦的室RF功率情況下，在室溫下，使N2和H2以分別等于100sccm和100sccm的速率流動。所形成的該薄氮化物層30的厚度可以在約1至約10的范圍內(nèi)?？梢栽诎ǔ跏挤€(wěn)定時間間隔(時長＝10秒)、觸及時間間隔(時長＝5秒)、氮化時間間隔(時長＝60秒)、解壓(dechuck)時間間隔(時長＝5秒)以及最終清洗時間間隔(時長＝5秒)的一系列時間間隔內(nèi)執(zhí)行該DPN處理過程?？梢砸?瓦的RF功率進行穩(wěn)定時間間隔和清洗時間間隔，而以500瓦的RF功率進行觸及時間間隔和解壓時間間隔。在執(zhí)行DPN處理過程后，可以在保持5乇壓力下，容納了氮氣和氧氣的處理室內(nèi)執(zhí)行退火步驟。
如圖4所示，在后氮化退火(PNA)期間，反應室的溫度可以在0t到9t的時間間隔內(nèi)，隨時間從450℃的低溫到1000℃的最高溫度變化，其中“t”表示在從0到9t的時間間隔不均勻時，可以改變的值。在某些實施例中，可以在柵絕緣層上形成導電柵層的后續(xù)步驟之后，執(zhí)行PNA步驟。在薄氮化物層30上形成導電柵層32，如圖2D所示。例如，可以由多晶硅形成該導電柵層32。參考圖2E，利用光刻法，將柵層32、氮化物層30以及柵絕緣層28圖形化為區(qū)域32a、30a和28a，以確定圖像轉(zhuǎn)移晶體管的絕緣柵。
現(xiàn)在，參考圖5A-5D，形成圖像傳感器器件的方法包括在半導體襯底50上形成第一導電型的溝槽隔離區(qū)53和溝道區(qū)52。如果該傳感器采用NMOS圖像轉(zhuǎn)移晶體管，則溝道區(qū)52形成為P型區(qū)，而如果該傳感器采用PMOS圖像轉(zhuǎn)移晶體管，則將該溝道區(qū)52形成為N型區(qū)。還與溝道區(qū)52相鄰形成光電二極管。在襯底50上，該光電二極管被形成為P-N結(jié)。該P-N結(jié)包括P型區(qū)54和N型區(qū)56。典型的P型摻雜劑包括B和BF2，而典型的N型摻雜劑包括As和P。在襯底50的表面上形成柵絕緣層58?？梢岳脽嵫趸幚?，化學汽相沉積(CVD)方法或者自由基氧化處理，形成該柵絕緣層58，如上參考圖2A-2E所述。所形成的柵絕緣層58的厚度可以在約30與約100之間的范圍內(nèi)。此后，直接在柵絕緣層58上形成薄氮化物層60?？梢岳脤沤^緣層58上的二氧化硅(SiO2)轉(zhuǎn)換為氮氧化硅(SiON)的解壓等離子體氮化(DPN)方法，在處理室內(nèi)形成該薄氮化物層60。
該DPN處理過程可以包括，在80毫乇的固定室壓以及500瓦的室RF功率情況下，在室溫下，使N2和H2以分別等于100sccm和100sccm的速率流動。所形成的該薄氮化物層60的厚度可以在約1至約10的范圍內(nèi)。可以在包括初始穩(wěn)定時間間隔(時長＝10秒)、觸及時間間隔(時長＝5秒)、氮化時間間隔(時長＝60秒)、解壓(dechuck)時間間隔(時長＝5秒)以及最終清洗時間間隔(時長＝5秒)的一系列時間間隔內(nèi)執(zhí)行該DPN處理過程?？梢砸?瓦的RF功率進行穩(wěn)定時間間隔和清洗時間間隔，而以500瓦的RF功率進行觸及時間間隔、氮化時間間隔和解壓時間間隔。在執(zhí)行DPN處理過程后，可以在保持5乇壓力下，容納了氮氣和氧氣的處理室內(nèi)執(zhí)行退火步驟。如圖4所示，在后氮化退火(PNA)期間，反應室的溫度可以在0t到9t的時間間隔內(nèi)，隨時間從450℃的低溫到1000℃的最高溫度變化，其中“t”表示在從0到9t的時間間隔不均勻時，可以改變的值。然后，可以在薄氮化物層60上形成導電柵層62。例如，可以由多晶硅形成該導電柵層62。
現(xiàn)在，參考圖5B，利用光刻法，圖形化導電柵層62以及柵絕緣層58，以確定圖像轉(zhuǎn)移晶體管TX的柵(區(qū)域62a、60a和58a)、復位晶體管RX的柵(區(qū)域62b、60b和58b)以及選擇晶體管SX的柵(區(qū)域62c、60c和58c)。此后，在相應柵上形成多條金屬線64a、64b和64c，如圖5C所示。在層間絕緣層68內(nèi)，還將金屬線66形成為阻光屏蔽，可以利用CVD方法，形成該阻光屏蔽。
現(xiàn)在，參考圖5D，可以利用傳統(tǒng)技術，在層間絕緣層68上形成濾色片70、外敷層72以及微透鏡陣列74。還可以在微透鏡陣列74上進一步設置鈍化層。
在附圖和說明書中，公開了本發(fā)明的典型優(yōu)選實施例，而且盡管采用了特定術語，但是僅以一般意義和說明性意義使用它們，而沒有限制性意義，下面的權利要求限定本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種用于圖像檢測器件的圖像轉(zhuǎn)移晶體管，包括半導體溝道區(qū)，是第一導電型的；導電柵，位于所述半導體溝道區(qū)上；以及柵絕緣區(qū)，在所述半導體溝道區(qū)與所述導電柵之間延伸，所述柵絕緣區(qū)包括氮化絕緣層，延伸到與所述導電柵的界面；以及基本無氮絕緣層，延伸到與所述半導體溝道區(qū)的界面。
2.根據(jù)權利要求1所述的圖像轉(zhuǎn)移晶體管，其中氮化絕緣層包括氮氧化硅(SiON)。
3.根據(jù)權利要求1所述的圖像轉(zhuǎn)移晶體管，其中所述導電柵包括第一導電型的多晶硅區(qū)。
4.根據(jù)權利要求2所述的圖像轉(zhuǎn)移晶體管，其中所述柵絕緣區(qū)的厚度在約30至約100的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權利要求1所述的圖像轉(zhuǎn)移晶體管，其中所述柵絕緣區(qū)包括具有氮化上表面的二氧化硅層。
6.根據(jù)權利要求1所述的圖像轉(zhuǎn)移晶體管，其中基本無氮絕緣層上氮的重量百分比約小于10％。
7.一種圖像檢測器件，包括半導體區(qū)，其中具有光電二極管；以及圖像轉(zhuǎn)移晶體管，位于所述半導體區(qū)上，所述圖像轉(zhuǎn)移晶體管包括半導體溝道區(qū)，是第一導電型的，電連接到光電二極管；導電柵，位于半導體溝道區(qū)上；以及柵絕緣區(qū)，在半導體溝道區(qū)與導電柵之間延伸，所述柵絕緣區(qū)包括氮化絕緣層，延伸到與該導電柵的界面；以及基本無氮絕緣層，延伸到與該半導體溝道區(qū)的界面。
8.根據(jù)權利要求7所述的器件，其中氮化絕緣層包括氮氧化硅(SiON)。
9.根據(jù)權利要求7所述的器件，其中所述導電柵包括第一導電型的多晶硅區(qū)。
10.根據(jù)權利要求8所述的器件，其中所述柵絕緣區(qū)的厚度在約30至約100的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權利要求7所述的器件，其中所述柵絕緣區(qū)包括具有氮化上表面的二氧化硅層。
12.一種用于形成圖像檢測器件的圖像轉(zhuǎn)移晶體管的方法，包括步驟在半導體襯底上形成柵絕緣區(qū)；氮化該柵絕緣區(qū)的上表面；以及在該柵絕緣區(qū)的氮化上表面上形成導電柵。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中進行了所述氮化步驟之后，在含氮環(huán)境下，執(zhí)行使柵絕緣區(qū)退火的步驟。
14.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中執(zhí)行了形成導電柵的所述步驟后，在含氮環(huán)境下，執(zhí)行使柵絕緣區(qū)退火的步驟。
15.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述氮化步驟包括在柵絕緣區(qū)上執(zhí)行解壓等離子體氮化(DPN)處理過程。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中約以室溫執(zhí)行DPN處理過程。
17.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中在容納了大致等流速的氮氣(N2)和氦氣(He)的反應室內(nèi)進行DPN處理。
18.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中DPN處理過程包括以約500瓦對氮等離子體加電。
19.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中形式柵絕緣區(qū)的所述步驟包括利用自由基氧化處理過程，在半導體襯底上形成柵氧化物層。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中在容納了氫氣(H2)和氧氣(O2)的反應室內(nèi)執(zhí)行自由基氧化處理過程。
21.根據(jù)權利要求20所述的方法，其中以約450℃至950℃范圍內(nèi)的溫度，執(zhí)行自由基氧化處理過程。
22.根據(jù)權利要求21所述的方法，其中以約2乇至約5乇范圍內(nèi)的壓力，執(zhí)行自由基氧化處理過程。
23.根據(jù)權利要求21所述的方法，其中氫氣(H2)和氧氣(O2)分別以約0.1sccm和約9.0sccm的速度流動。
24.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中形成柵絕緣區(qū)的所述步驟包括在半導體襯底上形成基本無氮的柵氧化物層。
25.根據(jù)權利要求21所述的方法，其中氧氣(O2)與氫氣(H2)的流速比在約70至約110的范圍內(nèi)。
全文摘要
CMOS圖像傳感器內(nèi)包括圖像轉(zhuǎn)移晶體管。該圖像轉(zhuǎn)移晶體管包括半導體溝道區(qū)，是第一導電型的；以及導電柵，位于該半導體溝道區(qū)上。還設置了柵絕緣區(qū)。該柵絕緣區(qū)在該半導體溝道區(qū)與該導電柵之間延伸。該柵絕緣區(qū)包括氮化絕緣層，延伸到與導電柵的界面；以及基本無氮絕緣層，延伸到與半導體溝道區(qū)的界面。該氮化絕緣層可以是氮氧化硅(SiON)層。
文檔編號H01L27/146GK1858914SQ200510125139
公開日2006年11月8日 申請日期2005年11月21日 優(yōu)先權日2005年5月2日
發(fā)明者劉永燮, 吳正煥, 邢庸宇, 林憲亨 申請人:三星電子株式會社