TWI409941B - 製造固態成像裝置之方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種用於製造一電荷耦合裝置(CCD)類型、一金屬氧化物半導體(MOS)類型或一互補型金屬氧化物半導體(CMOS)類型之固態成像裝置之方法。更具體而言，本發明係關於一種用於製造採用一電洞累積(經累積)二極體(HAD)結構作為一用於防止可能在一感測器部件或其外圍中出現之暗電流之技術之固態成像裝置的方法。
本發明含有在2008年2月19日向日本專利局申請之日本專利申請案JP 2008-037037之相關標的物，該申請案之全部內容以引用方式併入本文中。
一固態成像裝置(亦稱作一圖像感測器)，例如一CCD圖像感測器及一CMOS圖像感測器，在一成像單元中包含各自由一光電轉換元件(例如，一光電二極體)形成之複數個電荷產生器(感測器部件)，此類固態成像裝置在各種領域中一直用作捕獲一圖像之裝置。
在一普通固態成像裝置中，各自用作感測器部件之主要部件(光接收部件)且各自由一光電二極體或類似物形成之相應光接收元件藉由光接收平面接收入射光並執行光電轉換。所產生之電荷被一偵測電路偵測到且然後將其放大以按順序輸出。
作為該固態成像裝置之一組態實例，在一N類型矽基板(第一傳導性類型之半導體基板)上，形成一作為第二傳導性類型之半導體層之P類型雜質層(P井)。此外，形成一感測器部件(光接收部件)，其包含一藉由將第一傳導性類型之一雜質離子植入第二傳導性類型之半導體層中形成之電荷累積層(下文中，亦稱作一第一感測器區)。在此電荷累積層中累積藉由光接收及光電轉換所獲得之信號電荷。
圖9係一用於闡釋在不具有一HAD結構之組態中暗電流之發生之圖。圖10係一用於闡釋藉由離子植入所形成之HAD結構在抑制暗電流方面之優點之圖。已知曉，在固態成像裝置中，一光電二極體中之晶體缺陷及如圖9中所示之光電二極體與其上之一絕緣膜之間的介面處之介面狀態擔當暗電流之源。作為用於抑制歸因於介面狀態之暗電流之發生之方案，已知曉例如一隱埋式光電二極體結構及一HAD結構。
該隱埋式光電二極體藉由以下步驟獲得：形成一第一傳導性類型(例如n類型)之一半導體區(下文中，將此區稱作一n類型半導體區)且在此n類型半導體區之表面上(亦即，在與絕緣膜之介面之附近處)形用用於暗電流抑制之一第二傳導性類型(p類型)之淺的經重摻雜半導體區(下文中，將此區稱作一電洞累積區)。在製造該隱埋式光電二極體之普通方法中，執行離子植入用作p類型雜質之硼(B)或氟化硼(二氟化硼(BF2))及退火處理(熱處理)以藉此在光電二極體之n類型半導體區與絕緣膜之間的介面之附近處製造p類型半導體區。
如圖10中所示，該HAD結構係藉由將一由P+類型雜質區形成之電洞累積層(下文中，亦稱作第二感測器區)堆疊於位於NP二極體之表面側上一由N+類型雜質區形成之電荷累積層上來獲得。以下闡述將處理藉由離子植入形成之HAD結構。
在一如圖9中所示之不具有HAD結構之組態中，歸因於介面狀態所產生之電子作為暗電流流入光電二極體中。與此相反，如圖10中所示之HAD結構可藉由在該介面附近形成之電洞累積層抑制歸因於介面狀態之暗電流。
具體而言，具有HAD結構之固態成像裝置包含一具有HAD感測器結構之感測器部件，該HAD感測器結構具有堆疊在用於累積相依於入射光所產生之電荷之信號電荷累積層上之電洞累積層以增強敏感性且抑制表面暗電流。如上文所述，該信號電荷累積層係藉由離子植入N+類型雜質而形成且該電洞累積層係藉由離子植入P+類型雜質而形成。在此具有HAD感測器結構之感測器部件中，存在於電洞累積層下面之N類型半導體層(信號電荷累積層)及存在於N類型半導體層下面之P類型半導體層用作一執行光電轉換之光電二極體。在具有此一HAD結構之固態成像裝置中，該電洞累積層陷獲在基板表面附近處由於熱激勵所產生之電子，且因此抑制暗電流之發生，從而提供增強之敏感性。
另一方面，已提出一後輻照固態成像裝置作為一具有該隱埋式光電二極體結構之裝置(參照日本專利早期公開案第2003-31785號(下文中，稱作專利文檔1))。為獲得此裝置，拋光其中形成有光電二極體及各種電晶體之一矽基板之背面以降低該基板之厚度。此允許光自該基板之背面入射以用於光電轉換。如上文所述，一淺的經重摻雜p類型半導體區(電洞累積區)形成於光電二極體部件中以抑制暗電流。在後輻照固態成像裝置之情況下，此電洞累積區形成於基板之前面及背面兩者上。
然而，在使用現有離子植入方法形成隱埋式光電二極體中，在一700℃之高溫度或更高溫度下進行熱處理對於雜質激活係關鍵。因此，具有400℃之溫度或更低溫度之低溫度過程難以藉由離子植入形成p類型半導體區。另外，同樣，當需要避免持續長時間在一高溫度下進行激活以抑制雜質擴散時，採用此形成p類型半導體區之方法(包含離子植入及退火)並非較佳。
此外，在專利文檔1之製造方法中，對藉由離子植入形成淺的重摻雜p類型半導體區存在一限制。因此，若試圖增加該p類型半導體區之雜質濃度來抑制暗電流，則該p類型半導體區將進入至一較深地帶。該較深p類型半導體區導致光電二極體之p-n結與一傳送閘極之間的較大距離，且因而可能降低該傳送閘極讀出之能力。
在該HAD結構中，其中累積信號電荷之部件係信號電荷累積層，其中電位為高。在讀出累積於此信號電荷累積層中之信號電荷過程中，藉由經由一傳送閘電極向該傳送閘極施加電壓來製作一溝道以藉此將電荷傳送至一浮動擴散區。
然而，在其中該HAD結構用於感測器部件(光接收區)之固態成像裝置中，為藉由用於表面溝道之傳送閘電極將該HAD結構中的信號電荷完全傳送至(例如)一FD部件，要求採用其中N類型信號電荷累積層(其係信號電荷在HAD結構之半導體基板之表面側上累積之部件)形成於一淺地帶中之外形設計。此外形設計要求之原因係一較深信號電荷累積層導致較低傳送效率，此乃因藉由該閘極之溝道(電荷傳送溝道)形成於基板表面附近。因此，期望在盡可能淺之一地帶中形成該信號電荷累積層。
為在一淺地帶中形成該信號電荷累積層，提供於該信號電荷累積層上之電洞累積層之厚度需要相應地為小。此意指在一距HAD結構之矽表面極淺(或與其接近)之地帶中形成具有小的厚度之電洞累積層。然而，該電洞累積層之深度及歸因於HAD表面附近之介面狀態之暗電流處於一抵換關係，且形成一淺電洞累積層可能增加該暗電流。例如，在矽表面附近存在大量介面狀態。為抑制由於該等介面裝置而出現之暗電流，重植入一P+類型雜質以便可形成其中該等介面狀態充滿電洞(稱為釘紮)之狀態，亦即以便可防止結與該等介面狀態直接接觸。此與要求電洞累積層具有小的厚度相矛盾。
另外，電洞累積層之深度易受在該電洞累積層形成過程中在離子植入時堆疊於該HAD上之膜之厚度變化之影響。隨著電洞累積層深度之減小，深度之變化對暗電流增加之影像變得越來越大。若信號電荷累積層可形成於一深地帶中且可確保該電洞累積層之某一厚度程度，則即使在厚度具有某些變化時該影響亦係難以察覺之小。然而，較小之厚度產生較大之協作影響。同上，為形成該HAD結構，在其製造方法中需要靈活性。
需要本實施例提供一能夠減少歸因於介面狀態之可能在一感測器部件及其外圍中出現之暗電流之方案。特定而言，需要本實施例提供一用於形成一HAD結構之新穎製造方法。
根據本發明之一個實施例，其提供一種製造一固態成像裝置之方法，於該固態成像裝置中，一偵測例如光等一電磁波以藉此產生信號電荷且主要由一光電二極體形成之電荷產生器形成於一半導體基板上且一具有負固定電荷之負電荷累積層形成於該電荷產生器之該偵測平面上方。於該方法中，在該電荷產生器之該偵測平面上形成一能夠饋送氧之氧饋送膜(氧饋送膜形成步驟)。此後，亦如此形成一金屬膜以覆蓋該電荷產生器之該偵測平面上之氧饋送膜(金屬膜形成步驟)，且在一不活潑氣氛中對此金屬膜執行熱處理(退火處理)以藉此在該金屬膜與該電荷產生器之該偵測平面上之該氧饋送膜之間形成該金屬膜之一氧化物(氧化熱處理步驟)。該氧化物欲用作負電荷累積層。較佳地，移除熱處理之後保留之未被氧化金屬膜(金屬膜移除步驟)。
若安置具有一電晶體且包含以下之一外圍電路：一像素信號產生器，其基於該電荷產生器所產生之信號電荷產生一像素信號；一驅動控制器，其安置於該電荷產生器及該像素信號產生器之外圍上且具有一用以讀出由該像素信號產生器所產生之像素信號至該像素信號產生器及該裝置之外部之控制電路功能；及一信號處理器，其處理自該像素信號產生器讀出之像素信號，則執行以下步驟。在該電荷產生器之偵測平面上形成一能夠饋送氧之氧饋送膜(氧饋送膜形成步驟)。此外，在半導體基板上於除該電荷產生器之偵測平面之區域外之包含外圍電路之區域中形成一不含氧之非氧饋送膜(非氧饋送膜形成步驟)。隨後，一金屬膜經如此形成以覆蓋該電荷產生器之偵測平面上之氧饋送膜及在半導體基板上於除該電荷產生器之偵測平面之區域外之包含外圍電路之區域中之非氧饋送膜(金屬膜形成步驟)。此後，在一不活潑氣氛中對此金屬膜執行熱處理(退火處理)以藉此在該金屬膜與該電荷產生器之偵測平面上之氧饋送膜之間形成該金屬膜之一氧化物(氧化熱處理步驟)。該氧化物欲用作負電荷累積層。隨後，移除熱處理器之後保留之未被氧化之金屬膜(金屬膜移除步驟)。
亦即，形成以下狀態：其中在該電荷產生器之偵測平面(其作為期望以後欲用作負電荷累積層之氧化物絕緣膜剩餘在其上之區域)上不存在該非氧饋送膜而存在該氧饋送膜，而在考量到外圍電路中之電晶體時，在除偵測平面之區域外之包含外圍電路之區域(其作為不期望氧化物絕緣膜剩餘在其上之區域)中不存在氧饋送膜而存在非氧饋送膜。隨後，作為該氧化物絕緣膜(其以後欲用作負電荷累積層)之基礎材料之金屬膜經如此沈積以覆蓋整個區域且然後執行熱處理。藉此，由金屬元素之氧化物組成之絕緣膜形成於電荷產生器之偵測平面上方氧饋送膜與金屬膜之間。此時，在除偵測平面之區域外之包含外圍電路之區域中，非氧饋送膜與金屬膜之間的熱反應不會發生，且因此不形成氧化物絕緣膜。與氧化物絕緣膜相比，可藉由蝕刻更容易地移除該金屬膜。基於此特性，針對電荷產生器及其外圍電路之區域之整體執行例如幹式蝕刻或濕式蝕刻等之移除處理，以藉此移除形成於除偵測平面之區域外之包含外圍電路之區域中的非氧饋送膜上之易於移除之該金屬膜，同時剩餘偵測平面上方難以移除之金屬氧化物膜。
根據本發明之實施例，在製造其中負電荷累積層形成於電荷產生器之偵測平面上方之固態成像裝置之過程中，在電荷產生器之偵測平面上形成氧饋送膜且在除電荷產生器之偵測平面之區域外之包含外圍電路之區域(其作為不期望氧化物絕緣膜剩餘於其上之區域)中形成非氧饋送膜。隨後，將作為以後欲用作負電荷累積層之氧化物絕緣膜之基礎材料之金屬膜沈積於該氧饋送膜及該非氧饋送膜上，且然後在一不活潑氣氛中執行熱處理。
在該電荷產生器之偵測平面上方，該金屬膜與下伏氧饋送膜進行熱反應且一金屬氧化物膜形成於邊界部分處。另一方面，在除電荷產生器之偵測平面之區域外之包含外圍電路之區域上方，該金屬膜不與下伏非氧饋送膜進行熱反應，而保持該金屬膜之狀態。因此，藉由對整個區域執行移除處理，例如蝕刻，自除偵測平面之區域外之包含外圍電路之區域移除該金屬膜，而使該金屬氧化物膜剩餘在偵測平面上方。藉由該等步驟，可僅在電荷產生器之偵測平面上方形成氧化物絕緣膜，且可允許此氧化物絕緣膜用作負電荷累積層。
由於在電荷產生器之偵測平面上方形成具有負固定電荷之負電荷累積層，因此可達成一用於將該電荷產生器表面轉變為電洞累積狀態之HAD結構，從而允許抑制歸因於介面狀態之暗電流分量。此外，可在不進行用於形成電洞累積層之離子植入及雜質激活退火之情形下將電荷產生器之偵測平面轉變為電洞累積狀態，且因此可抑制歸因於介面狀態之暗電流。
下文將參照該等圖式詳細闡述本發明之一實施例。以下闡述將處理一實例，於該實例中使用一CMOS固態成像裝置(其係一X-Y位址類型固態成像裝置之一個實例)作為與本實施例相關之裝置。該闡述基於該CMOS固態成像裝置中之所有像素皆由NMOS形成之一假設。
然而，此假設僅係一個實例且與本實施例相關之裝置並不限於一MOS固態成像裝置。以後欲闡述之所有實施例皆可類似地應用於藉由將複數個單元組件配置成一排或一矩陣而形成之用於偵測一物理量之分佈之所有半導體裝置，該複數個單元組件具有對例如光或自外部輸入之輻射等電磁波之敏感性。
圖1係一作為根據本發明一實施例之固態成像裝置之CMOS固態成像裝置(CMOS圖像感測器)之示意性組態圖。如圖中所示，一固態成像裝置1包含一像素陣列單元10(像素單元)及一外圍電路單元11。
在像素陣列單元10中，提供各自具有一相依於入射光之量輸出信號之光接收元件(電荷產生器之一個實例)及一像素信號產生器之單元像素3(參見以後欲闡述之圖2)。在外圍電路單元11中，提供一具有一用於按順序讀出像素陣列單元10之信號至像素陣列單元10之外部及至晶片之外部之控制電路功能之驅動控制器7及一處理自像素陣列單元10讀出之像素信號So之信號處理器(行處理器26)。電晶體用於該等單元。
例如，如圖1中所示，本實施例之固態成像裝置1包含像素陣列單元10，其具有複數個配置於列及行上之單元像素3且亦被稱作一像素單元及一成像單元；提供於像素陣列單元10之外部之驅動控制器7；及一讀出電流源24，其供應作業電流(讀出電流)以用於讀出像素陣列單元10中單元像素3之像素信號。另外，固態成像裝置1包含具有各自為垂直行中之相應一者提供之行電路25之行處理器26及一輸出電路28(感測放大器(S/A))。
可藉由使用一分色過濾器使固態成像裝置1中之像素陣列單元10與彩色成像相容。具體而言，藉助以下方法使像素陣列單元10能夠捕獲一彩色圖像：基於(例如)所謂的拜耳(Bayer)配置，在像素陣列單元10中之相應電荷產生器(例如光電二極體)之一電磁波(在本實例中為光)入射於其上之光接收平面上，提供由用於捕獲一彩色圖像之複數個色彩之濾色器之組合所形成之該分色過濾器之某些濾色器。
行電路25對作為像素信號So之參考電平之緊隨像素重設後之信號電平(下文中，將此信號電平稱作重設電平)與光電轉換之後之信號電平(下文中，將此信號電平簡單地稱作信號電平)之間的差執行差分處理(相關二重取樣(CDS)處理)。此允許行電路25具有一差分處理器25a及一AD轉換器(ADC)25b之功能，該差分處理器25a獲取由重設電平與信號電平之間之差所指示之一信號分量，且該AD轉換器(ADC)25b將等效於作為像素信號之參考電平之重設電平與信號電平之間之差之信號分量轉換成N位元數位資料。差分處理器25a及AD轉換器25b之配置次序可係任一。由AD轉換器25b將像素信號轉換成數位資料並非關鍵。藉由差分處理器25a進行差分處理，可移除(例如)固定圖案雜訊(FPN)及重設雜訊等雜訊信號分量。
經由藉由行電路25對像素信號電壓Vx進行AD轉換所獲得之數位資料不必需要經水平傳送，但亦可水平傳送對應於像素信號電壓Vx之模擬資訊。在此情況下，較佳地，差分處理器25a針對每一像素行獲取像素信號電壓Vx之重設電平Srst與其信號電平Ssig之間的差。
驅動控制器7具有一按順序地讀出像素陣列單元10之信號之控制電路功能。例如，驅動控制器7包含一水平掃描器12(行掃描電路)、一垂直掃描器14(列掃描電路)及一通信及時序控制器20。水平掃描器12具有一與一時鐘同步按次序選擇行處理器26中之行電路25之行位址且讀出由將像素信號數位轉換至一水平信號線18所產生之資料之讀出掃描器的功能。垂直掃描器14選擇像素陣列單元10之列位址且供應為該列所必需之脈衝。通信及時序控制器20具有一產生一內部時鐘等之功能。
單元像素3經由一用於列選擇之列控制線15連接至垂直掃描器14且經由一垂直信號線19連接至行處理器26，於行處理器26中針對每一垂直行提供行電路25。列控制線15囊括自垂直掃描器14延伸之全部互連且連接至像素。水平信號線18係一用於傳送由行電路25所產生之資料之匯流排線。
儘管在圖式中未顯示，但通信及時序控制器20包含一時序產生器TG(一讀出位址控制裝置之一個實例)之一功能塊，該時序產生器TG供應為相應單元之作業所必需之時鐘及一預定時序之一脈衝信號。此外，通信及時序控制器20包含一通信介面之一功能塊，該通信介面經由一終端5a接收自一外部主供應之一主時鐘CLK0及經由一終端5b接收自該外部主控制器供應且指示作業模式等之資料且輸出包含關於固態成像裝置1之資訊之資料至該外部主控制器。
外圍電路單元11，(其包含驅動控制器7之相應元件，例如水平掃描器12及垂直掃描器14，及行處理器26)經如此組態以用作本實施例之固態成像裝置1之一部分，作為一半導體系統之一個實例之CMOS圖像感測器，作為一所謂的單晶片單元，該單晶片單元藉由使用一類似於半導體積體電路製造技術而與像素陣列單元10(作為一提供於同一半導體基板上之單元)整合地形成於一半導體區域中，例如單晶體矽中。
固態成像裝置1可形成為一個晶片，其中相應單元以此方式彼此整合地形成於一半導體區域中。另一選擇為，儘管在圖式中未顯示，但固態成像裝置1可具有一模組形式，該模組形式具有一成像功能且可藉由集體地組裝除各種類之信號處理器(例如像素陣列單元10、驅動控制器7及行處理器26)以外之一光學系統(包含一照相透鏡、一光學低通過濾器、一紅外線阻隔過濾器等)來獲得。
在一不具有一資料記憶體及傳送輸出單元27之基本組態之情況下，AD轉換器25b或差分處理器25a之輸出連接至水平信號線18。若模擬資料經受藉由差分處理器25a之差分處理且此後AD轉換器25b將該模擬資料轉換為數位資料，則AD轉換器25b之輸出連接至水平信號線18。與此相反，若在藉由AD轉換器25b轉換成數位資料之後執行藉由差分處理器25a之差分處理，則差分處理器25a之輸出連接至水平信號線18。以下闡述係以圖1中所示之前一情況為前提。
一控制脈衝(水平資料傳送時鐘φH)經由一控制線12c自水平掃描器12輸入至AD轉換器25b。AD轉換器25b具有一用以保持一計數結果之鎖存功能並保持資料直至經由控制線12c藉由控制脈衝接收到一指令為止。
在本實施例中，每一行電路25之輸出側包含(在AD轉換器25b之後)作為一保持由AD轉換器25b所保持之計數器結果之N位元記憶體裝置之資料記憶體及傳送輸出單元27及一作為一資料交換器之一個實例之安置於AD轉換器25b與資料記憶體及傳送輸出單元27之間的交換器27a(SEL)，如圖1中所示。若採用一包含資料記憶體及傳送輸出單元27之組態，則作為一控制脈衝之一記憶體傳送指令脈衝CN8以一與其他垂直行上之交換器27a共同之預定時序自通信及時序控制器20供應至交換器27a。
在接收到記憶體傳送指令脈衝CN8之後，交換器27a基於一加載功能將來自同一行上之AD轉換器25b之資料傳送至資料記憶體及傳送輸出單元27。資料記憶體及傳送輸出單元27保持並儲存所傳送之資料。
與提供有交換器27a相稱，本實施例之水平掃描器12具有一讀出掃描器之一功能，該讀出掃描器與指派給行處理器26中之差分處理器25a及AD轉換器25b之處理之執行並行地讀出由相應資料記憶體及傳送輸出單元27所保持之資料。
若採用一包含資料記憶體及傳送輸出單元27之組態，則由AD轉換器25b所保持之經AD轉換之資料可被傳送至資料記憶體及傳送輸出單元27。因此，藉由AD轉換器25b之AD轉換處理及續出AD轉換結果至水平信號線18之作業可彼此獨立地受控制。此允許同時執行AD轉換處理及讀出信號至外部之作業之管線作業。
例如，AD轉換藉由將像素資料之AD轉換結果鎖存(保持並儲存)於AD轉換器25b中來完成。此後，以一預定時序將像素資料傳送至資料記憶體及傳送輸出單元27以儲存並保持於其中。此後，行電路25基於與以一預定時序經由控制線12c自水平掃描器12輸入之控制脈衝同步之移位作業按順序將儲存並保持於資料記憶體及傳送輸出單元27中之像素資料輸出至行處理器26之外部且自一輸出終端5c輸出至具有像素陣列單元10之晶片之外部。
圖2係一顯示圖1中所示之固態成像裝置1中所使用之單元像素之一典型電路組態實例(4TR組態)之圖。
單元像素3之組態類似於一正常CMOS圖像感測器之組態。作為像素中之放大器，例如使用具有一浮動擴散放大器組態之一個放大器。作為一個實例，可使用係作為一CMOS感測器之一普通組態之由四個電晶體組成之4TR組態或一由三個電晶體組成之3TR組態。具體而言，該4TR組態具有用於電荷產生器之以下四個電晶體：作為一電荷讀出部件(傳送閘極部件/讀出閘極部件)之一個實例之一讀出選擇電晶體；作為一重設閘極部件之一個實例之一重設電晶體；一垂直選擇電晶體；及作為一偵測該浮動擴散區之電位改變之偵測元件之一個實例之一具有一源極隨耦器之放大電晶體。圖2顯示該4TR組態。
具有該4TR組態之單元像素3具有一其主要部件由一光電二極體或類似物形成之電荷產生器32；一傳送脈衝TRG供應至其之一讀出選擇電晶體34(傳送電晶體)；一重設脈衝RST供應至其之一重設電晶體36；一浮動擴散區38；一垂直選擇脈衝VSEL供應至其之一垂直選擇電晶體40；及一放大電晶體42。重設電晶體36、浮動擴散區38、垂直選擇電晶體40及放大電晶體42形成一像素信號產生器5。
對於作為一具有一光接收元件DET(例如，一光電二極體PD)作為其主要部件之偵測器之一個實例之電荷產生器32而言，光接收元件DET之一個終端(陽極側)耦合至較低電位側上之一參考電位Vss(例如約-1V之負電位)，且其另一終端(陰極側)連接至讀出選擇電晶體34之輸入終端(通常，為源極)。通常採用一接地電位GND作為參考電位Vss。
讀出選擇電晶體34之輸出終端(通常為汲極)耦合至重設電晶體36、浮動擴散區38及放大電晶體42連接至其之一連接節點。將傳送脈衝TRG供應至讀出選擇電晶體34之控制輸入終端(閘極)。
對於像素信號產生器5中之重設電晶體36而言，其源極連接至浮動擴散區38且其汲極連接至一重設電源Vrd(通常共同使用一電源Vdd用作該電源)，且像素重設脈衝RST輸入至其閘極(重設閘極RG)。
對於垂直選擇電晶體40，作為一個實例，其汲極及源極分別連接至放大電晶體42之源極及一像素線51，且其閘極(特定而言，稱作垂直選擇閘極SELV)連接至一垂直選擇線52。關於垂直選擇電晶體40之連接組態並非限於此，且垂直選擇電晶體40及放大電晶體42之位置可互換；垂直選擇電晶體40之汲極及源極可分別連接至電源Vdd及放大電晶體42之汲極，且放大電晶體42之源極可連接至像素線51。將垂直選擇脈衝VSEL施加至垂直選擇線52。
放大電晶體42之閘極連接至浮動擴散區38且其汲極連接至電源Vdd。其源極經由垂直選擇電晶體40連接至像素線51且連接至垂直信號線19。
垂直信號線19朝向行處理器26延伸。在延伸路徑上，用作一電流源之讀出電流源24(具體而言，為其內部之一恆定電流源I)連接至垂直信號線19，以使得一大體上恆定作業電流(讀出電流)供應至其之一源極隨耦器組態形成有放大電晶體42。
重設電晶體36重設浮動擴散區38。讀出選擇電晶體34將電荷產生器32所產生之信號電荷傳送至浮動擴散區38。由於浮動擴散區38連接至放大電晶體42之閘極，因此放大電晶體42以一電壓模式經由像素線51輸出相依於浮動擴散區38之電位(下文中稱作FD電位)之信號至垂直信號線19。大量之像素連接至垂直信號線19。因此，對於像素選擇，僅選定像素中之垂直選擇電晶體40導通。因此，僅選定像素連接至垂直信號線19且該選定像素之信號被輸出至垂直信號線19。
由於讀出選擇電晶體34、重設電晶體36及垂直選擇電晶體40之相應閘極按列連接，因此同時操作一個列上之相應像素中之電晶體。
圖3係固態成像裝置1中之單元像素3(電荷產生器32及外圍電路)之一示意性剖視圖。在圖3中，顯示彩色成像之單元像素3。
對於本實施例之電荷產生器32，作為一個實例，於一n類型矽基板130上(一第一傳導性類型之半導體基板NSUB)，形成一作為一第二傳導性類型之半導體層之p類型雜質層(P井)。此外，包含一藉由將第一傳導性類型之雜質離子植入第二傳導性類型之半導體層中而形成之電荷累積層(第一感測器區)之一光電二極體PD形成為一感測器部件131(光接收部件)。亦即，使用n類型半導體基板NSUB且在p井中形成作為電荷產生器32之n類型光電二極體PD。此外，包含於單元像素3中之電晶體、互連層等形成於光入射側上。
例如，各自包含於單元像素中之複數個電荷產生器32形成於基板130中。電荷產生器32由基板130中之p-n結形成。例如，在電荷產生器32之區中，作為第一傳導性類型之一n類型電荷累積區141(第一傳導性類型區，n類型電荷累積區)形成於基板130中，且一p類型井142(P井)形成在電荷累積區141之周圍。
在電荷產生器32之基板130之光入射側上，一阻光層133與一由氧化矽(SiO2)或類似物組成之絕緣層132之中間物一起形成。在阻光層133中，對應於電荷產生器32之區形成一孔徑133a。一由例如氮化矽(SiN)組成之保護層134形成於阻光層133上。
在保護層134上，形成一僅允許所需波長範圍中之光通過之濾色器135。在濾色器135上，形成一用於聚集入射光於電荷產生器32上之一微透鏡136。
各種類之電晶體形成於基板130之絕緣層側。儘管在圖式中未顯示，但在基板130上方之絕緣層132中形成包含電晶體之電極及多層金屬互連之一互連層。此外，儘管在圖式中未顯示，但在其中像素信號產生器5安置於基板130中之部分中，形成包含於圖2中所示之單元像素3中之相應電晶體34、36、40及42。另外，儘管在圖式中未顯示，但p井及n井形成於基板130中之外圍電路單元中，且CMOS電路形成於該等井中。
而且，對於此一感測器部件131(光電二極體PD)，一HAD結構藉由在NP二極體之光入射側上將一由一P+類型雜質區形成且具有小的厚度之電洞累積區143(第二傳導性類型區)堆疊於由N+類型雜質區形成之電荷累積區141上方而形成。形成該HAD結構允許抑制由於不必要電荷(例如暗電流)所致之雜訊。另一方面，一絕緣保護膜190沈積在電荷產生器32外部之外圍電路(像素信號產生器5等)上方，且絕緣層132與電荷產生器32上方之絕緣層132整合地形成於絕緣保護膜190上。
本實施例中之電洞累積區143在由一光電二極體形成之用作光電轉換器之感測器部件131之光接收平面上方(亦即，在包含於光電二極體中之電荷累積區141(第一傳導性類型區，n類型電荷累積區)之光接收平面上方)由一具有所要求之厚度及負(-)固定電荷(下文中，稱作一負電荷累積層182)之膜(例如，至少其一部分結晶之一絕緣膜)形成。此負電荷累積層182夾在其他絕緣膜(絕緣層184與絕緣層132)之間。
圖4係一顯示焦點在於單元像素3中電荷產生器32之感測器部件131(光電二極體或類似物)與包含於像素信號產生器5中之電晶體之間的邊界部分之截面結構之輪廓之圖。如圖4中所示，在本實施例之組態中，電荷產生器32(在圖式中表示為光電二極體)及包含在像素信號產生器5中之電晶體在基板130(Si基板)上形成於像素陣列單元10中。儘管在圖式中未顯示，但電晶體還形成於外圍電路單元11中。在基板130中提供一填充有一絕緣體以用於元件隔離之淺溝槽隔離(STI)區160，且電荷產生器32及電晶體之區藉由此STI區160彼此分離。
電洞累積區143安置於電荷產生器32上方。具體而言，首先將由氧化矽(SiO2)或類似物組成之絕緣層184安置於電荷產生器32(光電二極體)之電荷累積區141上，且將用作電洞累積區143且由氧化鉿(HfO2)或類似物組成之負電荷累積層182安置於絕緣層184上。在像素陣列單元10及外圍電路單元11兩者中，在一電晶體區域中提供一閘極區170及用作源極/汲極區之延伸擴散區178。
閘極區170具有一其中一側壁174(絕緣膜間隔件)形成於一閘電極172之兩個側上之結構。在本實例中，由與用於電荷產生器32之絕緣層184之材料相同之材料組成之絕緣層184首先形成於閘電極172之兩個側上。在此絕緣層184外部，一由一不同材料(例如，氮化矽(SiN))組成之絕緣層185經形成以便獲得側壁174。
此外，由氮化矽(SiN)或類似物組成之絕緣保護膜190沈積在除電荷產生器32之區域外之區域上方(在STI區160及電晶體之區域上方)。另外，儘管在圖式中未顯示，但絕緣層132、阻光層133及保護層134以一集體地覆蓋電荷產生器32之負電荷累積層182、STI區160及電晶體側上之絕緣保護膜190之方式沈積在該等組件上方。濾色器135形成於保護層134上，且晶片上微透鏡136形成於濾色器135上。
圖5係一用於闡釋本實施例之電洞累積區143之一優點之圖。本實施例中之電洞累積區143基於以下一結構：其中具有負固定電荷之膜(負電荷累積層182)形成於電荷產生器32(感測器部件131(光接收部件，例如一光電二極體))上方以藉此產生歸因於負固定電荷之能帶彎曲且在介面處形成一電洞累積層。使用負電荷累積層182中之負固定電荷使在不藉助離子植入及用於雜質激活之退火之情形下形成一HAD結構成為可能。
作為負電荷累積層182之材料，可使用任一材料，只要該材料在膜中形成負固定電荷即可。例如，一由以下金屬元素中之任一者之一氧化物組成之絕緣膜係較佳：鉿(Hf)、鋯(Zr)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、釔(Y)及鑭系元素(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)。至少該絕緣膜之一部分結晶。
具體來說，在電荷累積區141(第一傳導性類型區，n類型電荷累積區)之表面側上具有電洞累積區143(第二傳導性類型區，p類型電洞累積區)之所謂隱埋式光電二極體結構藉由將介面附近轉變為電洞累積狀態來抑制因介面狀態導致載流子產生之暗電流。若電洞累積狀態不能藉由離子植入來達成，則可在光電二極體中不基於雜質分佈(摻雜劑分佈)而係藉由該光電二極體上方膜中之固定電荷來將表面附近轉變為電洞累積狀態。在減少暗電方面，與此光接收部件接觸之膜宜具有一較少數目之介面狀態。為達成較少數目之介面狀態，應形成一涉及一較少數目之介面狀態且其中具有負固定電荷之膜。作為用於形成此一涉及一較少數目之介面狀態且其中具有負固定電荷之膜之材料，由原子層沈積(ALD)形成之氧化鉿尤其較佳。
在最近數年，由於朝向較低功率消耗定向之LSI，因此一直研究使用具有約若干奈米厚度之氧化鉿以達成低洩漏電流。此外，已知曉氧化鉿之結晶會使洩漏電流增加。通常認為一用作一閘極絕緣膜且具有約若干奈米厚度之氧化鉿膜之結晶發生在約500℃之一溫度下。因此，一直使用(例如)添加Si至氧化鉿以增強抗熱性來藉此增加結晶溫度之方法之對策。然而，若一氧化鉿膜不用作一閘極絕緣膜，而係形成於一圖像感測器之一光電二極體之表面上方，則洩漏電流特性無關緊要。
已證明，若形成一具有較大厚度之氧化鉿膜(其不用於現有MOS-LSI)，則結晶溫度降低且在約300℃下開始結晶。儘管圖式中未顯示，但已發現，延伸熱處理時間使平帶電壓Vfb朝向更高電壓側移位，亦即，增加氧化鉿膜中之負電荷。此外，已發現增加熱處理溫度使平帶電壓Vfb朝向更高電壓側移位，亦即增加氧化鉿膜中之負電荷。已發現，降低結晶溫度可增加一絕緣膜中之負電荷，且因此降低結晶溫度對固態成像裝置係有利。
同上，新發現以下事實：在一400℃之溫度或更低之溫度下藉由形成一具有適合厚度(大於若干奈米之數量級)之氧化鉿膜且對其執行熱處理而形成一經結晶氧化鉿膜；及負電荷隨同熱處理程度之增加(亦即隨同結晶之進行)形成於氧化鉿膜中。隨同結晶之進行形成負電荷係一現有MOS-LSI之氧化鉿膜及一閘極絕緣膜應避免之特徵。此係由於膜中固定電荷量變得太大且結晶導致洩漏電流之增加。然而，在本實施例中，該氧化鉿膜極適合在固態成像裝置中於光電二極體表面附近累積電洞之效應。使用氧化鉿膜使藉由一400℃或更低溫度之一低溫過程將光電二極體表面轉變成電洞累積狀態成為可能且可達成抑制暗電流。
儘管在先前實例中採用氧化鉿膜，但已發現，負固定電荷亦可形成於由其他金屬元素中之一者之一氧化物組成之一絕緣膜中，例如鋯(Zr)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、釔(Y)及鑭系元素。在光接收平面上方形成一由該等元素中之任一者之一氧化物組成之絕緣膜使將光電二極體表面轉變為電洞累積狀態成為可能且可達成抑制暗電流。作為一額外效應，一抗反射膜藉由負電荷累積層182及其上之絕緣膜(絕緣層132)形成且可達成低暗電流及高敏感性。
圖6A至6C係用於相對於(特定而言)本實施例之固態成像裝置1中之電洞累積區143之製造程序(製造步驟)闡釋一對比實例之製造方法之圖(剖視圖)。該等圖係示意性剖視圖且顯示電荷產生器32及像素信號產生器5之區。
初始地，如圖6A中所示，包含配製成一兩維陣列之光電二極體之複數個電荷產生器32及具有電晶體之外圍電路(像素信號產生器5等)在半導體基板130上形成於像素陣列單元10中。此時，由CMOS電晶體等形成之邏輯電路形成於外圍電路單元11中。
隨後，如圖6B中所示，藉由ALD在電荷產生器32及外圍電路(像素信號產生器5及外圍電路單元11)之整個表面上方形成一以後欲用作負電荷累積層182之金屬氧化物膜(例如，氧化鉿膜)。在藉由ALD形成金屬氧化物膜中，在金屬氧化物膜與基板130之表面(亦即，感測器部件131之光偵測平面)之間的介面處形成作為絕緣層184之一具有一例如約1nm厚度之氧化矽膜。
隨後，如圖6C中所示，對該金屬氧化物膜執行結晶退火以在該金屬氧化物膜中形成負固定電荷以便將該金屬氧化物膜轉變為負電荷累積層182。
此後，儘管圖式中未顯示，但在負電荷累積層182上方形成絕緣層132、阻光層133、保護層134及其他膜(若干層)以便獲得意欲之固態成像裝置1。對於除電荷產生器32之區域外之包含外圍電路之區域，移除絕緣層184及負電荷累積層182且在沈積絕緣層132之前沈積絕緣保護膜190。
同上，為形成電洞累積區143，一由鉿(Hf)、鋯(Zr)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、釔(Y)、鑭系元素等之氧化物組成之絕緣膜用作具有負固定電荷之負電荷累積層182。藉由在光接收部件上方形成氧化物絕緣膜(例如，HfO2膜，其同樣應用於下文中)，可在介面附近形成電洞累積區。
然而，難於處理由該等金屬中之任一者之一氧化物組成之絕緣膜且該絕緣膜之不必要部分可能不能被完全移除。例如，在電荷產生器32之外圍電路(像素信號產生器5等)上方剩餘氧化物絕緣膜係不必要且因此需要將其移除。然而，通常其不能被完全移除而被剩餘。若氧化物絕緣膜剩餘在包含於像素信號產生器5中之電晶體之閘極上方，則氧化物絕緣膜中之固定電荷將致使該電晶體之閾值電壓移位，從而會導致驅動該電晶體失效之麻煩。
為解決此問題，在本實施例中，關注處理作為氧化物絕緣膜之基礎之金屬膜本身比處理氧化物絕緣膜容易之特徵，採用以下方法作為一種用於製造電洞累積區143之方法。
具體而言，在其中期望剩餘氧化物絕緣膜(以後用作負電荷累積層182)之區域中形成一能夠饋送氧之膜(下文中，稱作氧饋送膜)，而在其中不期望剩餘氧化物絕緣膜之區域中形成一不含氧之膜(下文中，稱作非氧饋送膜)。作為氧饋送膜，可使用一含氧之膜。例如，可使用一氧化矽(SiO2)膜或一經氧摻雜碳化矽(SiCO)膜。作為非氧饋送膜，可使用一不含氧之膜。例如，可使用一氮化矽(SiN)、一碳化矽(SiC)膜、一經氮摻雜碳化矽(SiCN)膜。
在形成氧饋送及非氧饋送膜之後，在基板上方形成作為氧化物絕緣膜之基礎之一金屬(鉿(Hf)、鋯(Zr)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、釔(Y)、鑭系元素等)膜，且然後，對其執行退火。此致使氧饋送膜上之作為氧化物絕緣膜之金屬(基礎金屬)與下伏膜之間的反應以便該基礎金屬之一氧化物形成為一絕緣膜。另一方面，非氧饋送膜上之氧化物絕緣膜之基礎金屬不與下伏膜反應，且因此氧化物絕緣膜之基礎金屬之狀態保持原樣。
此後，藉由濕式蝕刻、幹式蝕刻等僅移除氧化物絕緣膜之易於處理之基礎金屬。此允許僅在所需區域(亦即，用作電洞累積區143之負電荷累積層182之區域)中形成氧化物絕緣膜。
同樣在採用此一製造方法時，具有一藉由使用感測器部件131之偵測平面上方具有負固定電荷之負電荷累積層182形成之HAD結構之固態成像裝置1可不藉助離子植入及用於雜質激活之退火進行製造。
圖7A至7D及圖8A至8C係用於闡釋特定而言本發明實施例之固態成像裝置1中之電洞累積區143之製造程序(製造步驟)之圖(剖視圖)。
初始地，在基板130(Si基板)之表面附近形成用於元件隔離之STI區160。例如，在包含像素陣列單元10及外圍電路單元11之基板130中界定一有源區及一場區，且藉由在場區中在基板130中形成一溝槽並用一絕緣膜填充該溝槽形成一具有一STI結構之場氧化物膜。藉此，該有源區及該場區彼此分離。
隨後，按順序將一絕緣膜及一導電層例如一多矽(多晶矽)層沈積於基板130之整個表面上方。隨後，基於一平版印刷技術及一反應離子蝕刻(RIE)技術，在一蝕刻步驟中藉助使用一閘電極圖案之遮罩選擇性地移除絕緣膜及導電層以藉此形成像素陣列單元10及外圍電路單元11中之電晶體區域中之閘極絕緣膜(未顯示)及閘電極172。此外，基於一離子植入技術及一平版印刷技術藉助使用界定電荷產生器32之遮罩藉由將雜質離子植入像素陣列單元10之基板130中之有源區中來形成感測器部件131(光電二極體)。例如，若基板130為一P類型半導體基板，那麼植入n類型雜質離子以形成光電二極體。形成電荷產生器32及外圍電路中之電晶體之步驟將被稱作一元件形成步驟。在此步驟中，還可形成延伸擴散區178(源極/汲極區)。由於閘電極172用作一遮罩，因此，以一自對準方式形成延伸擴散區178。
隨後，在電荷產生器32之偵測平面(光接收平面)上形成一能夠饋送氧之氧饋送膜(氧饋送膜形成步驟)。此外，在半導體基板上於除電荷產生器32之偵測平面之區域外之包含外圍電路之區域中形成一不含氧之非氧饋送膜(非氧饋送膜形成步驟)。具體而言，形成以下狀態：其中在電荷產生器32(感測器部件131)之偵測平面(其作為期望以後欲用作負電荷累積層182之氧化物絕緣膜剩餘在其上方之區域)上不存在非氧饋送膜而存在氧饋送膜，而在包含外圍電路(像素信號產生器5等)但在除偵測平面之區域外之區域(其作為不期望氧化物絕緣膜剩餘在其上之區域)上不存在氧饋送膜而存在非氧饋送膜。只要獲得此一狀態，氧饋送膜形成步驟及非氧饋送膜形成步驟之次序及方案可係任一。以下闡述將處理考量到形成閘電極172之側壁174所設計之一方案。
初始地，如圖7A中所示，作為用於形成閘電極172之側壁174之一側壁膜，在基板130之整個表面上按次序沈積一氧饋送膜(例如，氧化矽(SiO2)膜)及較佳地，一非氧饋送膜(例如，氮化矽(SiN)膜)(以一覆蓋電荷產生器32之偵測平面及包含外圍電路之區域之方式)(等效於實際的氧饋送膜形成步驟)。此後，像素陣列單元10之基板130中，用一抗蝕劑僅覆蓋電荷產生器32。在此步驟中使用非氧饋送膜來形成側壁膜並不關鍵。此係由於以後將再執行一沈積一非氧饋送膜之步驟。
例如，若將氧化矽(SiO2)膜沈積為一高溫度氧化物(HTO)膜，則採用以下沈積條件：採用SiH4及N2O作為處理氣體；溫度在700℃至800℃之範圍內；壓力在50至200Pa之範圍內；且膜厚度在5nm至20nm之範圍內。另一選擇為，若採用一LP-TEOS(低壓原矽酸四乙酯)膜作為氧化矽(SiO2)膜，則採用以下沈積條件：採用TEOS作為處理氣體；溫度在600至700℃之範圍內；壓力在30至100Pa之範圍內；且膜厚度在5nm至20nm之範圍內。已知曉，LP-TEOS膜在階梯覆蓋、厚度之均勻性、生產率等方面極佳且不需要縫隙填充。然而，LP-TEOS具有不穩定之膜品質且因此涉及一在隨後熱步驟中強烈地發生從其中脫氣之缺點。沈積氮化矽(SiN)膜之條件如下：採用DCS(二氯甲矽烷)作為處理氣體；溫度在650至750℃之範圍內；壓力在20至100Pa之範圍內；且膜厚度在10nm至30nm之範圍內。
隨後，如圖7B中所示，針對閘電極172藉由一電子束(EB)或類似物回蝕由氧饋送膜(氧化矽(SiO2)膜)及非氧饋送膜(氮化矽(SiN)膜)組成之多層膜，以藉此在閘電極172之兩個側上形成側壁174。此後，移除該抗蝕劑。
隨後，如圖7C中所示，在基板130之整個表面上方沈積一非氧饋送膜(例如，氮化矽(SiN)膜)(以一覆蓋電荷產生器32之偵測平面及包含外圍電路之區域之方式)。此外，如圖7D中所示，用一抗蝕劑覆蓋除電荷產生器32之區域外之區域，且移除電荷產生器32上方之非氧饋送膜(氮化矽(SiN)膜)(等效於實際的非氧饋送膜形成步驟)。若延伸擴散區178(源極/汲極區)尚未形成，則形成延伸擴散區178。
該等步驟提供以下狀態：其中在電荷產生器32之偵測平面上不存在非氧饋送膜而存在氧饋送膜，而在除偵測平面之區域外之包含外圍電路之區域中不存在氧饋送膜而存在非氧饋送膜。此外，在該等步驟之過程中，作為另一優點，可在閘電極172之側表面上形成側壁174且可以一自對準方式藉由使用側壁174形成延伸擴散區178。
隨後，如圖8A中所示，移除該抗蝕劑，且在基板130之整個表面上方沈積一金屬膜182a，其含有以下金屬(鉿(Hf)、鋯(Zr)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、釔(Y)、鑭系元素等，稱作基礎金屬)中之任一者，該等金屬作為以後欲用作負電荷累積層182之氧化物絕緣膜之基礎金屬(以一覆蓋電荷產生器32之偵測平面及包含外圍電路之區域之方式)。例如，藉由DC濺射將一鉿(Hf)膜沈積至一2至6nm範圍內之厚度，其中該濺射功率在100至1000W之範圍內且Ar氣體之流動速率在10至50sccm(標準cc/min)範圍內。
隨後，如圖8B中所示，在一中性氣體氣氛(不活潑氣體氣氛)例如一氮氣(N2)氣氛中執行退火處理(熱處理)以藉此致使電荷產生器32(感測器部件131)上之氧饋送膜(例如，SiO2膜)與含有氧化物絕緣膜之基礎金屬(金屬材料，例如鉿(Hf)、鋯(Zr)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、釔(Y)或鑭系元素)之金屬膜182a之間橫闊該等膜之間的邊界發生反應(氧化反應)。此形成金屬元素(例如鉿(Hf)、鋯(Zr)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、釔(Y)或鑭系元素)之氧化物絕緣膜(金屬氧化物膜)(執行氧化退火處理)。另外，對金屬膜182a執行結晶退火處理以在金屬膜182a中形成負固定電荷。
例如，在一氮氣氣氛中進行退火處理之條件如下：溫度為500℃或更高且較佳地在600至1000℃之範圍內；壓力在1至760Torr之範圍內；且退火時間在1至30min之範圍內。若使用鉿Hf作為氧化物絕緣膜之基礎金屬，則將作為所得膜之一氧化鉿(HfO2)膜之厚度設定在約4至7nm之範圍內。
在此退火處理過程中，在除電荷產生器32之區域外之基板130上方之氧化物絕緣膜之基礎金屬(例如，鉿(Hf))不與下伏非氧饋送膜(例如，SiN膜)反應，而仍保留在氧化物絕緣膜之基礎金屬(例如，鉿(Hf))狀態(亦即，熱處理之後仍保留未被氧化金屬膜182a)。同樣在電荷產生器32上方，距氧饋送膜與金屬膜182a之間的邊界相對遙遠且未被氧化之金屬膜182a仍保留原樣。
此後，如圖8C中所示，對電荷產生器32及外圍電路(像素信號產生器5)上方之整個區域執行移除處理(例如蝕刻)。藉此，自除感測器部件131之區域外之包含外圍電路之區域移除金屬膜182a，而金屬氧化物膜剩餘在感測器部件131上方。具體而言，藉由濕式蝕刻、幹式蝕刻等僅移除仍保留在除電荷產生器32之區域外之基板130上方且未轉變為氧化物絕緣膜之未被氧化基礎金屬(例如，鉿(Hf))。藉此，僅在電荷產生器32上方在用作電洞累積區143之負電荷累積層182之區域中形成氧化物絕緣膜。可僅在電荷產生器32(感測器部件131)之偵測平面上方形成氧化物絕緣膜，且可允許此氧化物絕緣膜用作負電荷累積層182。同時移除退火處理後仍保留在電荷產生器32之偵測平面上方之未被氧化金屬膜。
例如，若採用濕式蝕刻，則藉助使用一濕式化學品之移除允許僅在電荷產生器32上方形成氧化物絕緣膜。作為濕式化學品，若氧化物絕緣膜之基礎金屬為鉿(Hf)，則可使用例如一稀氫氟(DHF)酸之水溶液。由於鉿(Hf)可易於被一稀氫氟(DHF)酸移除，因此，可僅在電荷產生器32上方形成一氧化鉿(HfO2)膜。
同上，在本實施例之製造方法中，在其中期望剩餘用作負電荷累積層182之氧化物絕緣膜之區域中形成氧饋送膜(例如一氧化矽(SiO2)膜)，而在不期望剩餘用作負電荷累積層182之氧化物絕緣膜之區域中形成非氧饋送膜(例如一氮化矽(SiN)膜)。此後，在基板130之整個表面上方沈積氧化物絕緣膜之基礎金屬(例如鉿(Hf))膜，且然後在一不活潑氣體氣氛中執行退火。藉此，電荷產生器32之區域中之氧饋送膜上之基礎金屬膜與下伏氧饋送膜反應以便該基礎金屬之一氧化物膜形成為一絕緣膜。此絕緣膜藉由結晶退火形成為金屬膜182a，且適合作為負電荷累積層182，此乃因在金屬膜182a中形成負固定電荷。
另一方面，非氧饋送膜(例如，一氮化矽(SiN)膜)上之基礎金屬膜，(其沈積在其中不期望剩餘欲用作負電荷累積層182之氧化物絕緣膜之區域中)不與下伏非氧饋送膜反應而保留原樣。此後，可藉由隨後蝕刻容易地移除包含負電荷累積層182之區域中之未反應基礎金屬膜之基礎金屬膜，以便可僅在所需區域(負電荷累積層182之區域)中形成例如一氧化鉿(HfO2)膜之氧化物絕緣膜。
熟習此項技術者應瞭解，可相依於設計要求及其他因素作出各種修改、組合、子組合及變更，只要其歸屬於隨附申請專利範圍或其等效範圍之範疇內即可。
1．．．固態成像裝置
3．．．單元像素
5a．．．終端
5b．．．終端
5c．．．終端
5．．．像素信號產生器
7．．．驅動控制器
10．．．像素陣列單元
12．．．水平掃描器
12c．．．控制線
14．．．垂直掃描器
15．．．列控制線
18．．．水平信號線
19．．．垂直信號線
20．．．通信及時序控制器
24．．．讀出電流源
25．．．行處理器
25a．．．差分處理器
25b．．．AD轉換器
26．．．行電路
27．．．傳送輸出單元
27a．．．交換器
28．．．輸出電路
29．．．數位算術單元
32．．．電荷產生器
34．．．讀出選擇電晶體
36．．．重設電晶體
38．．．浮動擴散區
40．．．垂直選擇電晶體
42．．．放大電晶體
51．．．像素線
52．．．垂直選擇線
130．．．n類型矽基板
131．．．感測器部件
132．．．絕緣層
133．．．阻光層
133a．．．孔徑
134．．．保護層
135．．．濾色器
136．．．微透鏡
142．．．P井
143．．．電洞累積區
160．．．淺溝槽隔離(STI)區
170．．．閘極區
172．．．閘電極
172．．．閘電極
174．．．側壁
178．．．延伸擴散區
182．．．負電荷累積層
182a．．．金屬膜
184．．．絕緣層
185．．．絕緣層
190．．．絕緣保護膜
圖1係一CMOS固態成像裝置之示意性組態圖；
圖2係一顯示一單元像素之典型電路組態實例之圖；
圖3係該單元像素(電荷產生器、外圍電路)之一示意性剖視圖；
圖4係一顯示焦點在於一感測器部件及包含於一像素信號產生器中之電晶體之截面結構之輪廓之圖；
圖5係一用於闡釋根據本發明實施例之電洞累積區之優點之圖；
圖6A至6C係用於相對於根據本實施例之電洞累積區之製造程序闡釋對比實例之圖；
圖7A至7D係用於闡釋根據本實施例之電洞累積區之製造程序之圖；
圖8A至8C係用於闡釋根據本實施例之電洞累積區之製造程序之圖(在圖7D之後)；
圖9係一用於闡釋不具有一HAD結構之組態中之暗電流之圖；及
圖10一用於闡釋一藉由離子植入形成之HAD結構之優點之圖。
32．．．電荷產生器
131．．．感測器部件
160．．．淺溝槽隔離(STI)區
172．．．閘電極
174．．．側壁
178．．．延伸擴散區
182a．．．金屬膜
Claims (13)
- 一種用於製造一固態成像裝置之方法，在該固態成像裝置中，一偵測一電磁波且產生信號電荷之電荷產生器形成於一半導體基板上，且一具有負固定電荷之負電荷累積層形成於該電荷產生器之一偵測平面上方，該方法包括以下步驟：在該電荷產生器之該偵測平面上形成一能夠饋送氧之氧饋送膜；形成一覆蓋該電荷產生器之該偵測平面上之該氧饋送膜之金屬膜；及在一不活潑氣氛中，對該金屬膜執行熱處理以藉此在該金屬膜與該電荷產生器之該偵測平面上之該氧饋送膜之間形成該金屬膜之一氧化物，該氧化物將用作該負電荷累積層。
- 如請求項1之用於製造一固態成像裝置之方法，其中在該執行熱處理中，該金屬膜之該氧化物之一部分結晶，以藉此形成該負電荷累積層。
- 如請求項1之用於製造一固態成像裝置之方法，其中在該形成一金屬膜中，藉由濺射形成該金屬膜。
- 如請求項1之用於製造一固態成像裝置之方法，其中在該形成一金屬膜中，使用一含有鉿、鋯、鋁、鉭、鈦、釔及一鑭系元素中任一者之金屬材料作為該金屬膜之一材料。
- 如請求項1之用於製造一固態成像裝置之方法，其中 在該執行熱處理中，於一氮氣氣氛中，於一等於或高於500℃之溫度下執行該熱處理。
- 一種用於製造一固態成像裝置之方法，在該固態成像裝置中，一偵測一電磁波且產生信號電荷之電荷產生器及一包含一像素信號產生器、一驅動控制器及一信號處理器之外圍電路形成於一半導體基板上，該像素信號產生器基於該電荷產生器所產生之信號電荷產生一像素信號，該驅動控制器被安置於該電荷產生器及該像素信號產生器之外圍上，且具有一用以將該像素信號產生器所產生之一像素信號讀出至該像素信號產生器及該裝置外部之控制電路功能，該信號處理器處理一讀出自該像素信號產生器之像素信號，一具有負固定電荷之負電荷累積層形成於該電荷產生器之一偵測平面上方，該方法包括以下步驟：在該電荷產生器之該偵測平面上，形成一能夠饋送氧之氧饋送膜；在該半導體基板上，於一除該電荷產生器之該偵測平面之一區域外之包含該外圍電路之區域中，形成一不含氧之非氧饋送膜；形成一金屬膜，該金屬膜覆蓋該電荷產生器之該偵測平面上之該氧饋送膜及除該電荷產生器之該偵測平面之該區域以外之包含該外圍電路之該區域中之該非氧饋送膜；在一不活潑氣氛中，對該金屬膜執行熱處理以藉此在 該金屬膜與該電荷產生器之該偵測平面上之該氧饋送膜之間形成該金屬膜之一氧化物，該氧化物將用作該負電荷累積層；及移除在該熱處理之後未被氧化且仍保留之該金屬膜。
- 如請求項6之用於製造一固態成像裝置之方法，其中在該執行熱處理中，該金屬膜之該氧化物之一部分結晶，以藉此形成該負電荷累積層。
- 如請求項6之用於製造一固態成像裝置之方法，其中在該形成一金屬膜中，藉由濺射形成該金屬膜。
- 如請求項6之用於製造一固態成像裝置之方法，其中在該形成一金屬膜中，使用一含有鉿、鋯、鋁、鉭、鈦、釔及一鑭系元素中任一者之金屬材料作為該金屬膜之一材料。
- 如請求項6之用於製造一固態成像裝置之方法，其中在該執行熱處理中，於一氮氣氣氛中，於一等於或高於500℃之溫度下執行該熱處理。
- 如請求項6之用於製造一固態成像裝置之方法，其中該形成一氧饋送膜及該形成一非氧饋送膜包含以下子步驟：形成覆蓋該電荷產生器之該偵測平面及包含該外圍電路之該區域之該氧饋送膜；藉由使用包含該外圍電路之該區域中該氧饋送膜之一部分來形成該外圍電路中一電晶體之一閘電極之一側壁的同時，移除包含該外圍電路之該區域中該氧饋送膜 之另一部分；形成覆蓋該電荷產生器之該偵測平面及包含該外圍電路之該區域之該非氧饋送膜；及移除該電荷產生器之該偵測平面上方之該非氧饋送膜。
- 如請求項6之製造一固態成像裝置之方法，其中該形成一氧饋送膜及該形成一非氧饋送膜包含以下子步驟：按彼次序，自一半導體基板側以一覆蓋該電荷產生器之該偵測平面及包含該外圍電路之該區域之方式形成該氧饋送膜及該非氧饋送膜；藉由使用包含該外圍電路之該區域中之該氧饋送膜及該非氧饋送膜之一部分來形成該外圍電路中一電晶體之一閘電極之一側壁，同時移除包含該外圍電路之該區域中之該氧饋送膜及該非氧饋送膜之另一部分；形成覆蓋該電荷產生器之該偵測平面及包含該外圍電路之該區域之該非氧饋送膜；及移除該電荷產生器之該偵測平面上方之該非氧饋送膜。
- 如請求項6之用於製造一固態成像裝置之方法，進一步包括以下步驟：在該半導體基板之一偵測平面側上之該外圍電路中，形成一電晶體。
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