專(zhuān)利名稱(chēng)：具有用于陣列晶體管的外延SiC和/或碳化的溝道的低暗電流圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體器件，更具體涉及用于半導(dǎo)體器件包括CMOS圖像傳感器的光電二極管晶體管隔離技術(shù)。
背景技術(shù)：
CMOS圖像傳感器正被越來(lái)越多地用作低成本成像器件。CMOS圖像傳感器電路包括像素單元的焦平面陣列，每一個(gè)所述單元都包括在襯底內(nèi)具有相關(guān)電荷累積區(qū)用于積累光生成的電荷的光柵(photogate)、光電導(dǎo)體、或者光電二極管。每個(gè)像素單元都可以包括用于將電荷從電荷累積區(qū)轉(zhuǎn)移到傳感節(jié)點(diǎn)的晶體管，和用于在電荷轉(zhuǎn)移之前將所述傳感節(jié)點(diǎn)重新設(shè)置為預(yù)定電荷水平的晶體管。像素單元也可以包括用于接收來(lái)自傳感節(jié)點(diǎn)的電荷并進(jìn)行放大的源隨器晶體管(source follower transistor)和用于控制來(lái)自源隨器晶體管的單元內(nèi)容讀出的存取晶體管(access transistor)。
在CMOS圖像傳感器中，像素單元的有源元件執(zhí)行下述必需的功能(1)光電轉(zhuǎn)換；(2)圖像電荷的累積；(3)將電荷轉(zhuǎn)移到傳感結(jié)點(diǎn)并同時(shí)進(jìn)行電荷放大；(4)在將電荷轉(zhuǎn)移到傳感節(jié)點(diǎn)之前將所述傳感結(jié)點(diǎn)重新設(shè)置為已知狀態(tài)；(5)選擇用于讀出的像素；和(6)從所述傳感節(jié)點(diǎn)輸出并放大代表像素電荷的信號(hào)。
上述類(lèi)型的CMOS圖像傳感器通常是公知的，如同在例如以下文獻(xiàn)中所討論的那樣Nixon等，“256×256 CMOS Active Pixel SensorCamera-on-a-Chip，”IEEE Journal of Solid-State Circuits，Vol.31(12)，pp.2046-2050(1996)；和Mendis等，“CMOS Active Pixel ImageSensors，”IEEE Transactions on Electron Devices，Vol.41(3)，pp.452-453(1994)。同樣可以參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利No.6177333和6204524，其描述了常規(guī)CMOS圖像傳感器的操作，并轉(zhuǎn)讓給了MicronTechnology，Inc.，其內(nèi)容在此通過(guò)引用而結(jié)合進(jìn)來(lái)。
圖1示出了常規(guī)CMOS像素單元10的示意圖。所示的CMOS像素單元10是四晶體管(4T)單元。CMOS像素單元10通常包括光轉(zhuǎn)換器件23和轉(zhuǎn)移晶體管17，光轉(zhuǎn)換器件23用于產(chǎn)生和收集通過(guò)光照射在像素單元10上產(chǎn)生的電荷，而轉(zhuǎn)移晶體管17用于將來(lái)自光轉(zhuǎn)換器件23的光電電荷轉(zhuǎn)移到傳感結(jié)點(diǎn)，所述傳感結(jié)點(diǎn)通常是浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)(floating diffusion region)5。浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)5電連接到輸出源隨器晶體管19的柵極上。像素單元10也包括用于將浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)5重新設(shè)置為預(yù)定電壓的重置晶體管16；和行選擇晶體管18，用于響應(yīng)地址信號(hào)將來(lái)自源隨器晶體管19的信號(hào)輸出到輸出端。
圖2是圖1的像素單元10的部分橫截面圖，示出了光轉(zhuǎn)換器件23、轉(zhuǎn)移晶體管17和重置晶體管16。所示例的CMOS像素單元10具有可以作為針狀光電二極管(pinned photodiode)形成的光轉(zhuǎn)換器件23。光電二極管23具有p-n-p構(gòu)造，包括p型表面層22和位于p型有源層11內(nèi)的n型光電二極管區(qū)21。光電二極管23和轉(zhuǎn)移晶體管17相鄰，并且部分位于轉(zhuǎn)移晶體管17下方。重置晶體管16位于轉(zhuǎn)移晶體管17的和光電二極管23相對(duì)的一側(cè)。如圖2所示，重置晶體管16包括源/漏區(qū)2。浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)5位于轉(zhuǎn)移晶體管和重置晶體管17、16之間。
在圖1和2所示的CMOS像素單元10中，通過(guò)光照射在光轉(zhuǎn)換器件23上產(chǎn)生電子，所述電子儲(chǔ)存在n型光電二極管區(qū)21中。當(dāng)轉(zhuǎn)移晶體管17被激活時(shí)，這些電荷被轉(zhuǎn)移晶體管17轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)5。源隨器晶體管19由所述被轉(zhuǎn)移的電荷生成輸出信號(hào)。最大輸出信號(hào)和從n型光電二極管區(qū)21提取的電子數(shù)目成比例。
傳統(tǒng)上，和電荷收集區(qū)21相鄰的淺溝槽隔離(STI)區(qū)3被用于將像素單元10和圖像傳感器的其它像素單元及器件隔離開(kāi)。STI區(qū)3通常采用常規(guī)STI方法形成。STI區(qū)3通常具有氧化物襯里38，并且填充有介電材料37。同樣，STI區(qū)3可以包括氮化物襯里39。氮化物襯里39帶來(lái)了多種優(yōu)點(diǎn)，包括改善了STI區(qū)3拐角附近的倒角(cornerrounding)、降低了STI區(qū)3附近的應(yīng)力以及減少了轉(zhuǎn)移晶體管17的泄漏。
和像素單元相關(guān)的常見(jiàn)問(wèn)題是暗電流一像素單元電容的放電，即使在像素上沒(méi)有光的情況下。暗電流可以由許多不同的因素造成，包括光電二極管結(jié)泄漏、沿著隔離邊緣的泄漏、晶體管次閾值泄漏、漏極誘導(dǎo)的阻擋層低泄漏(barrier lower leakage)、柵極誘導(dǎo)的漏極泄漏、陷阱輔助隧道效應(yīng)以及其它像素缺陷。行業(yè)的明顯趨勢(shì)是在柵極長(zhǎng)度和柵極寬度兩方面上按比例縮小晶體管的尺寸(即，“比例縮小”)。隨著器件逐漸按比例縮小，暗電流效應(yīng)通常增加。
所以，需要具有改進(jìn)的隔離結(jié)構(gòu)來(lái)降低暗電流和固定的圖形噪聲。

發(fā)明內(nèi)容
提供了具有襯底的像素單元，所述襯底具有在本發(fā)明示例性實(shí)施方案中提供的、高碳濃縮物SiC的隔離溝道。所述含有SiC或者碳化的(carbonated)硅的溝道被提供在像素單元襯底中的Si層上方，用于降低暗電流的泄漏。


從本發(fā)明的下列詳述中將更好地理解本發(fā)明的前述和其它方面，所述詳述結(jié)合了附圖，其中圖1是常規(guī)像素單元的示意圖；圖2是常規(guī)像素單元的剖面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方案的常規(guī)像素單元的剖面圖；圖4A示出了處于初始加工階段的圖3的像素單元；圖4B-4L示出了處于加工中間階段的圖3的像素單元；圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施方案的像素單元的剖面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的又一示例性實(shí)施方案的像素單元的剖面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的CMOS圖像傳感器的方框圖；和圖8是結(jié)合了圖3或5的CMOS圖像傳感器的計(jì)算機(jī)處理器系統(tǒng)的示意圖。
發(fā)明詳述在下列詳述中，參考了附圖，所述附圖形成了所述詳述的一部分并且舉例說(shuō)明了從中可以實(shí)施本發(fā)明的具體實(shí)施方案。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記在全部幾幅圖中描述的是基本相似的部件。這些實(shí)施方案描述的詳細(xì)程度足以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可以實(shí)施本發(fā)明，應(yīng)該理解可以采用其它實(shí)施方案而且可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)、邏輯和電氣方面的修改，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
術(shù)語(yǔ)“晶片”和“襯底”應(yīng)該理解成包括硅、絕緣體上的硅(SOI)、藍(lán)寶石上的硅(SOS)和SON(silicon-on-nothing)技術(shù)、摻雜的和未摻雜的半導(dǎo)體、基礎(chǔ)半導(dǎo)體基座支撐的硅外延層和其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。而且，當(dāng)在下面的描述中談到“晶片”或者“襯底”時(shí)，可以已采用在前的工藝步驟在基礎(chǔ)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或基座上形成區(qū)域或者結(jié)。另外，半導(dǎo)體無(wú)需是硅基的，而是可以基于硅鍺、鍺或者砷化鎵。
術(shù)語(yǔ)“像素”或者“像素單元”是指包含有用于將電磁輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光轉(zhuǎn)換器件和晶體管的圖像元件單位單元。為了舉例說(shuō)明，在本文的附圖和描述中給出了部分代表性像素單元，圖像傳感器中所有像素單元的制備通常是以相似方式同時(shí)進(jìn)行。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的像素單元300的剖面圖。像素單元300和圖1和2中所示的像素單元10相似，除了像素單元300包括位于硅層311上方的隔離溝道301以外。隔離溝道301優(yōu)選由SiC或者溝道化的碳化的硅構(gòu)造而成。使用富碳材料層提高了器件的帶隙。隔離溝道301的帶隙比硅的帶隙高，通常比Si低16個(gè)數(shù)量級(jí)，而且所得到的像素單元300具有較低的本征載流子濃度。所以，隔離溝道301使暗電流水平下降。
一直到最近，高質(zhì)量SiC襯底的生長(zhǎng)仍是極其昂貴，所以SiC僅僅用于選擇性應(yīng)用中。最近在SiC外延生長(zhǎng)方面的進(jìn)步使其不再昂貴而且使缺陷密度下降。這些進(jìn)步使得更有可能在常規(guī)應(yīng)用中采用SiC襯底。由于SiC溝道可以構(gòu)建或者生長(zhǎng)在常規(guī)Si層上并且作為常規(guī)Si工藝的一部分，所以可以將其結(jié)合到同樣形成CMOS光電二極管的工藝中。在例如如下文獻(xiàn)中可以找到最近在形成SiC層方面的技術(shù)進(jìn)步“A new Si:C epitaxial channel nMosfet Architectrue with improveddrivability and short-channel characteristics”，T.Ernest等，2003Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers，pp.92-93；“Fabrication of a novel strained SiGeC-channel planar 55nm nMosfetfor High Performance CMOS”，T.Ernest等，2002 Symposium on VLSITechnology Digest of Technical Papers，pp.92-93；和“Selective growthof high-quality 3C-SiC using a SiO2 sacrificial layer technique”，ThinSolid Films，Vol.345(2)(1999)，pp.19-99。
將SiC或者碳化的硅溝道用作像素單元的隔離溝道使得暗電流水平下降。由于暗電流水平下降，所以本發(fā)明使得可以在像素單元陣列中使用更大的縮放比例。更大的縮放比例使得可以有更大的填充因子。
將SiC或者碳化的硅溝道用作像素單元的隔離溝道也由于所述材料的固有性質(zhì)而帶來(lái)了另外的優(yōu)點(diǎn)。具體而言，碳化的硅材料允許高溫操作，并且使像素單元具有承受高電場(chǎng)的能力。另外，這些材料還具有有效散熱的性質(zhì)。
圖4A-4J描述了根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方案的像素單元300的形成。本文所述的步驟無(wú)需按照任何特定的順序執(zhí)行，除了那些在邏輯上需要前面操作的結(jié)果的步驟以外。相應(yīng)地，盡管下面的步驟被描述成按照一般的順序進(jìn)行，但是所述順序僅僅是示例性的，需要時(shí)可以改變。
如圖4A所示，在襯底311上形成了墊氧化物層441，它可以是熱生長(zhǎng)的氧化物。在該墊氧化物層441上形成了犧牲層442。犧牲層442可以是氮化物或者介電抗反射涂料(DARC)層。
圖4B描述了形成位于襯底11中并且貫穿襯底311上的層441、442的溝槽430。溝槽430可以通過(guò)任何已知的技術(shù)形成。例如，將圖案化的光致抗蝕劑層(未示出)用作蝕刻步驟的掩模。第一蝕刻采用干等離子體條件和二氟甲烷/四氟化碳(CH2F2/CF4)化學(xué)物質(zhì)來(lái)進(jìn)行。這種蝕刻可以有效地蝕刻氮化硅層442和墊氧化物層441，以形成延伸通過(guò)所述層并且在到達(dá)襯底311時(shí)停止的開(kāi)口。進(jìn)行第二蝕刻以將所述開(kāi)口延伸到襯底311中。第二蝕刻是采用二氟甲烷/溴化氫(CH2F2/HBr)化學(xué)物質(zhì)的干等離子體蝕刻。調(diào)整蝕刻的時(shí)間以在襯底311中形成所需深度的溝槽430。較短的蝕刻時(shí)間形成較淺的溝槽430。采用標(biāo)準(zhǔn)光致抗蝕劑剝離技術(shù)，優(yōu)選通過(guò)等離子體蝕刻，來(lái)去除光致抗蝕劑掩模(未示出)。
如圖4C所示，在溝槽430側(cè)壁336a、336b和底部308上，形成厚度為大約50-大約250的薄絕緣層338。在圖4C所示的實(shí)施方案中，絕緣層338是氧化物層338，所述氧化物層338優(yōu)選通過(guò)熱氧化生長(zhǎng)。
溝槽430可以襯有阻擋膜339。在圖4C所示的實(shí)施方案中，阻擋膜339是氮化物襯里，例如氮化硅。氮化物襯里339通過(guò)任何合適的技術(shù)形成至大約50-大約250的厚度。氮化硅襯里339可以通過(guò)沉積氨(NH3)和硅烷(SiH4)來(lái)形成，如同本領(lǐng)域所公知的那樣。
如圖4C所示，溝槽430填充了介電材料337。介電材料337可以是氧化物材料，例如硅氧化物，例如SiO或者二氧化硅(SiO2)；氧氮化物；氮化物材料，例如氮化硅；碳化硅；高溫聚合物；或者其它合適的介電材料。在所示實(shí)施方案中，介電材料337是高密度等離子體(HDP)氧化物。
采用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)步驟來(lái)去除襯底311表面上的位于溝槽430外面的氮化物層339以及氮化物層442，如圖4E所示。同樣，例如采用場(chǎng)濕緩沖氧化物蝕刻(field wet buffered-oxide etch)步驟和清潔步驟來(lái)去除墊氧化物層441。
圖4F描述了隔離溝道301的形成。外延隔離溝道301優(yōu)選通過(guò)常規(guī)手段(例如，上述Ernst給出的方法)生長(zhǎng)。在優(yōu)選實(shí)施方案中，外延溝道在低溫生長(zhǎng)。隔離溝道301在優(yōu)選實(shí)施方案中優(yōu)選是SiC或者碳化的溝道硅。隔離溝道301無(wú)需均勻生長(zhǎng)；所以，在場(chǎng)區(qū)(例如，溝槽430)上方的隔離溝道301的深度可以比非場(chǎng)區(qū)上方的隔離溝道層的深度小。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，隔離溝道301中的碳濃度進(jìn)行了調(diào)整。已知控制Si:C的生長(zhǎng)溫度會(huì)影響隔離溝道301的碳濃度。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，隔離溝道只位于晶體管區(qū)中。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，隔離溝道生長(zhǎng)在襯底的另一個(gè)區(qū)例如光電二極管區(qū)的上方。在又一實(shí)施方案中，隔離溝道生長(zhǎng)在目標(biāo)單元的周邊陣列上方。在又一實(shí)施方案中，隔離溝道生長(zhǎng)在幾個(gè)區(qū)上方，即，先前提到的位置組合的上方，例如，如下面描述的圖5和6所示。盡管沒(méi)有示出，但是在隔離溝道形成之前形成氮化物層。氮化物沉積是圖案化的，以暴露特定的區(qū)域用于形成隔離溝道301，具體取決于本發(fā)明的方面。
在隔離溝道301上進(jìn)行平坦化，從而使層高相對(duì)均勻，如圖4G所示。層高可以是100-500，其中典型高度是大約250。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，隔離溝道301在非場(chǎng)區(qū)上方的高度是大約250，而在場(chǎng)區(qū)上方的高度小于大約250。
在平坦化步驟之后，通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)步驟去除在形成隔離溝道301之前沉積的氮化物層。氮化物可以選擇性地去除，具體取決于本發(fā)明的實(shí)施方案。例如，在某一實(shí)施方案中，不去除單元周邊的氮化物層可能是理想的。
圖4H描述了轉(zhuǎn)移晶體管317(圖3)柵疊層407和重置晶體管316(圖3)柵疊層406的形成。盡管沒(méi)有示出，但是源隨器晶體管和行選擇晶體管19，18(圖1)可以分別和下述轉(zhuǎn)移晶體管和重置晶體管317、316同時(shí)形成。
為了形成圖4H所示的晶體管柵疊層407、406，在襯底311上生長(zhǎng)或者沉積第一絕緣層401a，所述絕緣層例如是硅氧化物。在優(yōu)選實(shí)施方案中，通過(guò)快速熱氧化(“RTO”)或者原位晶體管管座形成(in-site stem generation，ISSG)來(lái)形成柵極氧化。第一絕緣層401a充當(dāng)后續(xù)形成的晶體管柵極401b的柵氧化物層。接下來(lái)，在氧化物層401a上方沉積導(dǎo)電材料層401b。導(dǎo)電層401b充當(dāng)晶體管317、316(圖3)的柵電極。導(dǎo)電層401b可以是多晶硅層，其可以被摻雜成第二導(dǎo)電類(lèi)型，例如n型。在導(dǎo)電層401b上方沉積第二絕緣層401c。第二絕緣層401c可以例如由氧化物(SiO2)、氮化物(氮化硅)、氧氮化物(氧氮化硅)、ON(氧化物-氮化物)、NO(氮化物-氧化物)或者ONO(氧化物-氮化物-氧化物)形成。
柵疊層401a、401b、401c可以通過(guò)常規(guī)沉積方法例如特別是化學(xué)氣相沉積(CVD)或者等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積(PECVD)形成。然后，將層401a、401b、401c進(jìn)行圖案化處理和蝕刻，以形成如圖4F所示的多層?xùn)暖B層407、406。
本發(fā)明不限于上述的柵疊層407、406的結(jié)構(gòu)。可以添加另外的層，或者柵疊層407、406可以按需和如同本領(lǐng)域公知的那樣改變。例如，在柵電極401b和第二絕緣層401c之間可以形成硅化物層(未示出)。硅化物層可以包括在柵疊層407、406中，或者包括在圖像傳感器電路中的所有晶體管柵疊層結(jié)構(gòu)中，而且可以是硅化鈦、硅化鎢、硅化鈷、硅化鉬或者硅化鉭。該附加的導(dǎo)電層也可以是阻擋層/折射金屬(refractor metal)，例如氮化鈦/鎢(TiN/W)或者氮化鎢/鎢(WNx/W)，或者可以全部由氮化鎢(WNx)形成。
在襯底311中注入(implanted)了摻雜的p型井334、335，如圖4I所示。第一p型井334在襯底311中形成，圍繞著隔離區(qū)333并且在隔離區(qū)333下方延伸。第二p型井335在襯底311中形成，從位于轉(zhuǎn)移柵疊層407下方的點(diǎn)開(kāi)始在襯底311中沿著背離將要形成光電二極管323(圖3)的位置的方向延伸。
p型井334、335通過(guò)已知方法形成。例如，光致抗蝕劑層(未示出)可以在襯底311上進(jìn)行圖案化，其中在將要形成p型井334、335的區(qū)域上方具有開(kāi)口?？梢酝ㄟ^(guò)光致抗蝕劑中的所述開(kāi)口將p型摻雜劑例如硼注入到襯底311中。形成的p型井334、335的p型摻雜劑濃度高于相鄰的襯底311部分?；蛘撸琾型井334、335可以在形成溝槽430之前形成。
如圖4J所述，摻雜的n型區(qū)321被注入到襯底311中(針對(duì)圖3的光電二極管323而言)。例如，光致抗蝕劑層(未示出)可以在襯底311上進(jìn)行圖案化，其中在襯底311的將形成光電二極管323(圖3)的區(qū)域的表面上方具有開(kāi)口。N型摻雜劑，例如磷、砷或者銻可以通過(guò)所述開(kāi)口注入并進(jìn)入到襯底311中?？梢圆捎枚喾N注入來(lái)調(diào)整區(qū)域321的輪廓。如果需要，可以實(shí)施帶角度的注入來(lái)形成摻雜區(qū)321，從而相對(duì)于襯底311的表面成非90度角實(shí)施注入。
如圖4J所示，n型區(qū)321從靠近轉(zhuǎn)移柵疊層407的點(diǎn)開(kāi)始形成，并在柵疊層407和隔離區(qū)333之間在襯底311中延伸。區(qū)321形成光敏電荷累積區(qū)，用于收集光生成的電荷。
通過(guò)已知方法注入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)305和源/漏區(qū)302，以獲得圖4J所示的結(jié)構(gòu)。浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)305和源/漏區(qū)302形成為n型區(qū)?？梢圆捎萌魏魏线m的n型摻雜劑，例如磷、砷或者銻。浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)305形成在轉(zhuǎn)移柵疊層407的和n型光電二極管區(qū)321相對(duì)的一側(cè)。源/漏區(qū)302形成在重置柵疊層406的和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)305相對(duì)的一側(cè)。
圖4K描述了介電層307的形成。舉例而言，層307是氧化物層，但是層307可以是任何合適的介電材料，例如特別是二氧化硅、氮化硅、氧氮化物或者原硅酸四乙基酯(TEOS)，通過(guò)本領(lǐng)域公知的方法形成。
如圖4L所示，注入用于光電二極管323的摻雜表面層322。摻雜表面層322形成為高度摻雜的p型表面層，而且形成深度為大約0.1微米。p型摻雜劑，例如硼、銦或者任何其它合適的p型摻雜劑，可以用來(lái)形成p型表面層322。
p型表面層322可以通過(guò)已知技術(shù)形成。例如，層322可以通過(guò)將p型離子通過(guò)光致抗蝕劑層中的開(kāi)口注入來(lái)形成?；蛘撸瑢?22可以通過(guò)氣體源等離子體摻雜工藝來(lái)形成，或者通過(guò)p型摻雜劑從沉積在將形成層322的區(qū)域上方的原位摻雜層或者摻雜氧化物層擴(kuò)散到襯底311中來(lái)形成。
氧化物層307經(jīng)蝕刻使得剩余部分在重置柵疊層406的側(cè)壁上形成側(cè)壁分隔物。層307保留在轉(zhuǎn)移柵疊層407、光電二極管323、浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)305和部分重置柵疊層406上方，從而獲得圖3所示的結(jié)構(gòu)?；蛘?，可以執(zhí)行干蝕刻步驟以對(duì)部分氧化物層307進(jìn)行蝕刻，從而使只有側(cè)壁分隔物(未示出)保留在轉(zhuǎn)移柵疊層407和重置柵疊層406上。
可以采用常規(guī)加工方法形成像素300的其它結(jié)構(gòu)。例如，可以形成絕緣、屏蔽和金屬化層來(lái)將柵極線(xiàn)和其它連接體連接到像素300上。而且，整個(gè)表面可以覆蓋有例如二氧化硅、硼硅酸鹽玻璃(BSG)、磷硅酸鹽玻璃(PSG)或者硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)的鈍化層(未示出)，該鈍化層經(jīng)過(guò)CMP平坦化和蝕刻以提供接觸孔，所述接觸孔隨后經(jīng)金屬化處理以提供觸點(diǎn)。也可以采用常規(guī)導(dǎo)體層和絕緣體層來(lái)將這些結(jié)構(gòu)互相連接并將像素300連接到外圍電路上。
圖5描述了根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施方案的像素單元500。像素單元500和像素單元300(圖3)相似，除了隔離溝道507僅僅用于像素單元500的圖像傳感器陣列的一部分上以外。
圖6描述了根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施方案的像素單元501。像素單元501和像素單元300(圖3)相似，除了隔離溝道517僅僅用于像素單元501的圖像傳感器陣列的一部分上以外。在優(yōu)選實(shí)施方案中，隔離溝道517應(yīng)用于圍繞陣列晶體管的源漏區(qū)處，并且應(yīng)用在光電二極管303的表面區(qū)上，如圖6所示。
盡管上述實(shí)施方案是結(jié)合p-n-p型光電二極管的形成來(lái)描述的，但是本發(fā)明不限于這些實(shí)施方案。本發(fā)明還可用于其它類(lèi)型的光轉(zhuǎn)換器件，例如在襯底中從n-p或者n-p-n區(qū)形成的光電二極管、光柵或者光電導(dǎo)體。如果形成的是n-p-n型光電二極管，那么摻雜劑和所有結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電類(lèi)型都會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。
雖然上述實(shí)施方案是結(jié)合4T像素單元300進(jìn)行描述的，但是像素單元300的構(gòu)造僅僅是示例性的，本發(fā)明也可以結(jié)合到具有不同數(shù)目晶體管的其它像素電路中。不是出于限制目的，所述電路可以包括三晶體管(3T)像素單元、五晶體管(5T)像素單元、六晶體管(6T)像素單元和七晶體管(7T)像素單元。3T單元省略了轉(zhuǎn)移晶體管，但是可以具有和光電二極管相鄰的重置晶體管。5T、6T和7T像素單元和4T像素單元的不同之處在于分別加入了一個(gè)、兩個(gè)或者三個(gè)晶體管，例如快門(mén)晶體管(shutter transistor)、CMOS光柵晶體管和抗暈晶體管(anti-blooming transistor)。而且，盡管上述實(shí)施方案是結(jié)合CMOS像素單元300描述的，但是本發(fā)明也可用于電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器中的像素單元。
圖7的方框圖示出了典型的單片CMOS圖像傳感器600。圖像傳感器600包括具有一個(gè)或多個(gè)上述像素單元300、500或者501(分別如圖3、5或者6所示)的像素單元陣列680。陣列680的像素單元排列在預(yù)定數(shù)目的列和行中。
陣列680中的像素單元的行被逐一讀出。相應(yīng)地，在陣列680的一行中的像素單元通過(guò)行選擇線(xiàn)被全部選中以便同時(shí)讀出，在所選行中的每個(gè)像素單元向針對(duì)其所在列的讀出線(xiàn)提供代表所接收的光的信號(hào)。在陣列680中，每列也具有選擇線(xiàn)，響應(yīng)所述列選擇線(xiàn)選擇性地讀出每列的像素單元。
通過(guò)行驅(qū)動(dòng)器682響應(yīng)行地址解碼器681，選擇性激活陣列680中的行線(xiàn)。通過(guò)列驅(qū)動(dòng)器684響應(yīng)列地址解碼器685，選擇性激活列選擇線(xiàn)。陣列680通過(guò)定時(shí)和控制電路683操作，該電路控制地址解碼器681、685，以選擇合適的行線(xiàn)和列線(xiàn)用于讀出像素信號(hào)。
列讀出線(xiàn)上的信號(hào)通常包括針對(duì)每個(gè)像素單元的像素重置信號(hào)(V重置)和像素圖像信號(hào)(V圖像)。響應(yīng)列驅(qū)動(dòng)器684，將兩個(gè)信號(hào)都讀入采樣和保持電路(S/H)686中。通過(guò)差動(dòng)放大器(AMP)687為每個(gè)像素單元生成差動(dòng)信號(hào)(V重置-V圖像)，并且每個(gè)像素單元的差動(dòng)信號(hào)通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)688進(jìn)行數(shù)字化。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器688將數(shù)字化處理的像素信號(hào)提供給圖像處理器689，圖像處理器進(jìn)行適當(dāng)?shù)膱D像處理，然后提供定義圖像輸出的數(shù)字信號(hào)。
圖8示出了包括圖7的圖像傳感器600的基于處理器的系統(tǒng)700。基于處理器的系統(tǒng)700是具有可以包括圖像傳感器器件的數(shù)字電路的系統(tǒng)的實(shí)例。不是出于限制目的，所述系統(tǒng)可以包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、照相機(jī)系統(tǒng)、掃描儀、機(jī)器視覺(jué)、車(chē)輛導(dǎo)航、視頻電話(huà)、監(jiān)視系統(tǒng)、自動(dòng)聚焦系統(tǒng)、星球跟蹤系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和其它要求圖像獲取的系統(tǒng)。
基于處理器的系統(tǒng)700，例如照相機(jī)系統(tǒng)，通常包括經(jīng)由總線(xiàn)793和輸入/輸出(I/O)器件791連接的中心處理單元(CPU)795，例如微處理器。圖像傳感器600也經(jīng)過(guò)總線(xiàn)793與CPU795連接?；谔幚砥鞯南到y(tǒng)700還包括隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)792，并且可以包括可移動(dòng)的存儲(chǔ)器794，例如閃存，它也經(jīng)由總線(xiàn)793和CPU795連接。圖像傳感器600可以和處理器例如CPU、數(shù)字信號(hào)處理器或者微處理器在具有或者不具有存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的情況下在單一集成電路上或者在不同于處理器的芯片上結(jié)合。
應(yīng)該再次指出的是，上述描述和附圖是示例性的，對(duì)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行了說(shuō)明。并不旨在將本發(fā)明限制在所示的實(shí)施方案上。落在后附權(quán)利要求精神和范圍之內(nèi)的本發(fā)明的任何修改都應(yīng)該認(rèn)為是本發(fā)明的一部分。例如，雖然所述的示例性實(shí)施方案是參考CMOS p-n-p像素單元進(jìn)行描述的，但是本發(fā)明不限于所述結(jié)構(gòu)(例如而且也可應(yīng)用于其它構(gòu)造的像素單元，有源的和無(wú)源的都可)，也不限于所述技術(shù)(例如，也可應(yīng)用于CCD技術(shù))。
權(quán)利要求
1.一種像素單元，其包括襯底；在所述襯底中形成的光轉(zhuǎn)換器件；和設(shè)置在所述襯底上的隔離溝道層。
2.權(quán)利要求1的像素單元，其中所述襯底是Si。
3.權(quán)利要求1的像素單元，其中所述隔離溝道層是SiC。
4.權(quán)利要求1的像素單元，其中所述隔離溝道層是碳化的溝道硅。
5.權(quán)利要求1的像素單元，其中所述隔離溝道層形成的深度為大約100-大約500。
6.權(quán)利要求1的像素單元，其中所述隔離溝道層形成的深度是大約250。
7.權(quán)利要求1的像素單元，其中所述光轉(zhuǎn)換器件是p-n型光電二極管。
8.權(quán)利要求1的像素單元，其中所述光轉(zhuǎn)換器件是光電導(dǎo)體。
9.權(quán)利要求1的像素單元，其中所述光轉(zhuǎn)換器件是光柵。
10.一種像素單元，其包括具有晶體管區(qū)和光轉(zhuǎn)換區(qū)的襯底；在所述襯底的光轉(zhuǎn)換區(qū)中形成的光轉(zhuǎn)換器件；和設(shè)置在所述晶體管區(qū)上方的隔離溝道層。
11.權(quán)利要求10的像素單元，其中所述襯底是Si。
12.權(quán)利要求11的像素單元，其中所述隔離溝道層是SiC。
13.權(quán)利要求11的像素單元，進(jìn)一步包括外圍區(qū)；和在所述像素單元的所述外圍區(qū)內(nèi)中設(shè)置在所述襯底上方的第二隔離溝道層。
14.權(quán)利要求13的像素單元，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述光轉(zhuǎn)換區(qū)上方的第三隔離溝道層。
15.一種像素單元，其包括具有晶體管區(qū)和光轉(zhuǎn)換區(qū)的襯底，其中所述晶體管區(qū)具有源和漏區(qū)；和設(shè)置在所述晶體管區(qū)的所述源和漏區(qū)上方的隔離溝道層。
16.權(quán)利要求15的像素單元，其中所述襯底是Si。
17.權(quán)利要求16的像素單元，其中所述隔離溝道層是SiC。
18.權(quán)利要求15的像素單元，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述光轉(zhuǎn)換區(qū)上方的第二隔離溝道層。
19.一種形成像素單元的方法，該方法包括如下步驟形成襯底；在所述襯底上方在選定位置形成氮化物層，以形成暴露的圖案；和在所述襯底上方在與所述暴露的圖案相對(duì)應(yīng)的位置形成隔離溝道層。
20.權(quán)利要求19的方法，其中所述隔離溝道層是SiC。
21.權(quán)利要求19的方法，其中所述隔離溝道層是碳化的溝道硅。
22.權(quán)利要求19的方法，其中所述隔離溝道形成的深度為大約100-大約500。
23.權(quán)利要求19的方法，其中所述隔離溝道層形成的深度為大約250。
24.權(quán)利要求19的方法，其中所述隔離溝道層在所述像素單元的晶體管區(qū)中形成。
25.權(quán)利要求22的方法，其中所述隔離溝道層在所述像素單元的光轉(zhuǎn)換區(qū)中形成。
26.權(quán)利要求22的方法，其中所述隔離溝道層在所述像素單元的外圍區(qū)中形成。
27.權(quán)利要求19的方法，其中所述隔離溝道層在所述像素單元的源和漏區(qū)上方形成。
28.權(quán)利要求27的方法，其中所述隔離溝道層在所述像素單元的所述光轉(zhuǎn)換區(qū)中形成。
29.一種形成像素單元的方法，所述方法包括如下步驟形成襯底；和在所述襯底上方形成富碳隔離溝道層。
30.權(quán)利要求29的方法，進(jìn)一步包括如下步驟在形成所述隔離溝道層的步驟之前在所述襯底上方形成氮化物層。
31.權(quán)利要求30的方法，其中在所述襯底上方選擇性地形成所述氮化物層。
32.權(quán)利要求30的方法，其中在所述襯底上選擇性地形成所述氮化物層以暴露晶體管區(qū)。
33.權(quán)利要求30的方法，其中在所述襯底上選擇性地形成所述氮化物層以暴露光轉(zhuǎn)換區(qū)。
34.權(quán)利要求30的方法，其中在所述襯底上選擇性地形成所述氮化物層以暴露外圍區(qū)。
35.權(quán)利要求30的方法，其中所述形成所述富碳隔離溝道層的步驟通過(guò)外延生長(zhǎng)得以實(shí)現(xiàn)。
36.權(quán)利要求31的方法，其中所述通過(guò)外延生長(zhǎng)形成所述富碳隔離溝道層的步驟在低溫下實(shí)施。
37.權(quán)利要求30的方法，進(jìn)一步包括在形成所述隔離溝道層的步驟之后在所述襯底上形成所述氮化物層的步驟。
38.權(quán)利要求37的方法，進(jìn)一步包括在所述氮化物層上形成用于柵極氧化的晶種層的步驟。
39.權(quán)利要求37的方法，其中所述晶種層由硅形成。
40.權(quán)利要求38的方法，進(jìn)一步包括在所述層上形成柵極氧化層的步驟。
41.權(quán)利要求40的方法，其中所述柵極氧化層通過(guò)快速熱氧化形成。
42.權(quán)利要求41的方法，其中所述柵極氧化層通過(guò)原位晶體管管座形成法形成。
43.一種CMOS成像器，其包括像素單元，所述像素單元包括襯底表面；在所述襯底中形成的光轉(zhuǎn)換器件；和設(shè)置在所述襯底上的隔離溝道層。
44.權(quán)利要求43的成像器，其中所述襯底是Si。
45.權(quán)利要求43的成像器，其中所述隔離溝道層是SiC。
46.權(quán)利要求43的成像器，其中所述隔離溝道層是碳化的溝道硅。
47.權(quán)利要求43的成像器，其中所述隔離溝道層形成的深度為大約100-大約500。
48.權(quán)利要求43的成像器，其中所述隔離溝道層形成的深度為大約250。
49.權(quán)利要求43的成像器，其中所述光轉(zhuǎn)換器件是p-n型光電二極管。
50.權(quán)利要求43的成像器，其中所述光轉(zhuǎn)換器件是光電導(dǎo)體。
51.權(quán)利要求43的成像器，其中所述光轉(zhuǎn)換器件是光柵。
52.一種CMOS成像器，其包括像素單元，所述像素單元包括具有晶體管區(qū)和光轉(zhuǎn)換區(qū)的襯底，其中所述晶體管區(qū)具有源和漏區(qū)；和設(shè)置在所述晶體管區(qū)的所述源和漏區(qū)上方的隔離溝道層。
53.權(quán)利要求52的成像器，其中所述襯底是Si。
54.權(quán)利要求53的成像器，其中所述隔離溝道層是SiC。
55.權(quán)利要求52的成像器，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述光轉(zhuǎn)換區(qū)上方的第二隔離溝道層。
全文摘要
本發(fā)明提供了像素單元，所述像素單元具有襯底，所述襯底具有由高碳濃縮物例如SiC或者碳化的硅形成的隔離溝道。在所述像素單元的襯底上提供了含有SiC或者碳化的硅的所述溝道，以降低暗電流泄漏。
文檔編號(hào)H01L27/146GK101040385SQ200580035295
公開(kāi)日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2005年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月16日
發(fā)明者C·穆利 申請(qǐng)人:微米技術(shù)有限公司