专利名称：Cmos图像传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及集成电路器件，本发明更特别地涉及集成电路图像传感器以及形成该集成电路图像传感器的方法。
背景技术：
CMOS图像传感器通常包括二维阵列图像传感器单元，该图像传感器单元内含有图像转移晶体管。配置这些图像传感器晶体管，以对图像检测时间间隔期间积累的半导体发光电子空穴对的转移进行控制。如图1所示，传统的CMOS图像传感器单元10包括如图所示连接的光电二极管(P/D)、图像转移晶体管TX、复位晶体管RX、选择晶体管SX以及存取晶体管AX。选择晶体管SX的栅端连接到浮置扩散区(F/D)。在起动图像转移晶体管TX时，该浮置扩散区F/D从光电二极管P/D接收电荷载体。在光电二极管P/D接收光子辐射，然后，在其内产生电子空穴对时，产生这些电荷载体。浮置扩散区F/D积累的电荷载体偏置选择晶体管SX的栅端。此外，通过将该区域电连接到正电源电压VDD，起动复位晶体管RX，以复位浮置扩散区F/D。
浮置扩散区F/D积累的大量电荷载体反映的数据使选择晶体管SX导通，从而将电压电源线VDD连接到存取晶体管AX的载流端。当在相应行线上(ROW)收到有效高压时使存取晶体管AX导通，该存取晶体管AX工作，以在选择晶体管SX和存取晶体管AX均导通时，使电源电压VDD传递到输出线(OUT)。为了提供高质量图像，通常，要求在使图像转移晶体管TX导通时，使电荷载体从光电二极管P/D高度转移到浮置扩散区F/D。为了防止发生重影成像(即，图像滞后)，需要这样高度转移电荷载体。当光电二极管P/D产生的电荷载体保留在光电二极管P/D内时，在断开图像转移晶体管后，可能发生重影成像。这种残余的电荷载体通常影响光电二极管P/D接着立即采集光子(例如，在显示/图像序列的下一帧期间)，而且可能导致形成图像赝象，这样降低了图像质量。
发明内容
本发明的实施例包括其内具有图像转移晶体管的图像检测器件。该图像转移晶体管包括半导体沟道区，是第一导电型的；以及导电栅，位于该半导体沟道区上。还设置了栅绝缘区。该栅绝缘区在半导体沟道区与导电栅之间延伸。该栅绝缘区包括氮化绝缘层，延伸到与导电栅的界面；以及基本无氮绝缘层，延伸到与半导体沟道区的界面。在这些实施例的某些实施例中，氮化绝缘层包括氮氧化硅(SiON)，可以通过氮化二氧化硅层的上表面形成它。栅绝缘区的厚度可以在约30至约100的范围内。
根据本发明的其他图像检测器件包括半导体区，其内具有光电二极管；以及图像转移晶体管，位于该半导体区上。该图像转移晶体管包括半导体沟道区，它是第一导电型的，电连接到光电二极管。还在半导体沟道区上设置了导电栅。还设置了栅绝缘区，它在半导体沟道区与导电栅之间延伸。该栅绝缘区包括氮化绝缘层，延伸到与该导电栅的界面；以及基本无氮绝缘层，延伸到与该半导体沟道区的界面。
本发明的又一个实施例包括一种形成图像检测器件的图像转移晶体管的方法。该方法包括在半导体衬底上形成栅绝缘区以及氮化该栅绝缘区的上表面。氮化步骤包括在栅绝缘区上执行解压等离子体氮化(DPN)处理过程。在室温下，可以执行该DPN处理过程，而且在容纳了大致等流速的氮气(N2)和氦气(He)的反应室内可以进行这种DPN处理。然后，在栅绝缘区的氮化上表面上可以形成导电栅。在这些实施例的某些实施例中，执行的氮化步骤之后，在含氮环境下，执行使栅绝缘区退火的步骤。还可以在执行了形成导电栅的步骤后，在含氮环境下，执行使栅绝缘区退火的步骤。
在本发明的又一个实施例中，形成栅绝缘区的步骤包括，利用自由基氧化处理过程，在半导体衬底上形成栅氧化物层。可以在容纳了氢气(H2)和氧气(O2)的反应室内执行该自由基氧化处理过程。还可以以约450℃至约950℃范围内的温度，而且以约2乇至约5乇的压力，执行自由基氧化处理过程(radical oxidation process)。此外，氧气(O2)与氢气(H2)的流速比在约70至约110的范围内。特别是，氢气(H2)和氧气(O2)可以分别以约0.1sccm和约9.0sccm的速度流动。
图1是传统CMOS图像传感器单元的电路原理图。
图2A至2E是示出根据本发明实施例形成图像转移晶体管的方法的中间结构的剖视图。
图3是示出在自由基氧化处理期间随时间变化的反应室温度的曲线图。
图4是在PNA退火处理期间随时间变化的反应室温度的曲线图。
图5A至5D是示出根据本发明实施例形成CMOS图像传感器的方法的中间结构的剖视图。
具体实施例方式
下面将参看附图更全面说明本发明，附图示出本发明的优选实施例。然而，本发明可以以不同的形式实现本发明，而且不应该把本发明理解为局限于在此说明的实施例。相反，提供这些实施例是为了使该公开彻底和全面，而且为了使该公开向本技术领域内的技术人员全面表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见，对各层和区域的厚度进行了放大。还应该明白，在称一层位于另一层或者衬底“上”时，它可以直接位于该另一层或者衬底上，也可以存在中间层。此外，术语“第一导电型”和“第二导电型”指相反的导电型，例如，N型或者P型，然而，在此所描述和说明的每个实施例还都包括其互补实施例。在整个说明书中，同样的编号表示同样的元件。
如图2A所示，根据本发明实施例形成图像转移晶体管的方法包括在半导体衬底20上形成沟道区22。如果图像转移晶体管是NMOS晶体管，则可以将沟道区22形成为P型区，而如果图像转移晶体管是PMOS晶体管，则将它形成为N型区。沟道区22电连接到光电二极管P/D。该光电二极管包括P型区24(阳极)和N型区26(阴极)。通过将B或者BF2植入衬底20内，可以形成P型区24，而通过将P或者As植入衬底20，可以形成N型区26。如图2B所示，可以在衬底20的表面上形成栅绝缘层28。可以利用热氧化处理，化学汽相沉积(CVD)或者自由基氧化处理，形成该栅绝缘层28。所形成的栅绝缘层28的厚度可以在约30与约100之间的范围内。可以在容纳了氢气(H2)和氧气(O2)的反应室内进行自由基氧化处理，而且可以在约450℃至约950℃范围内的温度进行自由基氧化处理。如图3所示，自由基氧化期间反应室内的温度可以在0t到11t的时间间隔内，随时间从450℃的低温到950℃的高温变化，其中“t”表示在从0到11t的时间间隔不均匀时，可以改变的值。在自由基氧化处理期间，可以使反应室的压力保持在约2乇至约5乇的范围内。氢气(H2)和氧气(O2)可以以使氧气-氢气速率比在约70至约110的范围内的速率流动。特别是，氢气(H2)和氧气(O2)可以分别以约0.1sccm与9.0sccm的速率流动。
参考图2C，在栅绝缘层28上直接形成薄氮化物层30。利用可以将栅绝缘层28上的二氧化硅(SiO2)的上表面区域变换为氮氧化硅(SiON)的解耦等离子体氮化(DPN)方法，可以在处理室内形成该薄氮化物层30。尽管不希望受任何理论的限制，但是可以相信，该薄氮化物层可以用作掺杂剂阻挡层(例如，硼扩散阻止层)，它阻止掺杂剂从基本形成的栅层向外扩散，提高图像转移晶体管的噪声特性，而且防止发生重影成像。该DPN处理过程可以包括，在80毫乇的固定室压以及500瓦的室RF功率情况下，在室温下，使N2和H2以分别等于100sccm和100sccm的速率流动。所形成的该薄氮化物层30的厚度可以在约1至约10的范围内。可以在包括初始稳定时间间隔(时长＝10秒)、触及时间间隔(时长＝5秒)、氮化时间间隔(时长＝60秒)、解压(dechuck)时间间隔(时长＝5秒)以及最终清洗时间间隔(时长＝5秒)的一系列时间间隔内执行该DPN处理过程。可以以0瓦的RF功率进行稳定时间间隔和清洗时间间隔，而以500瓦的RF功率进行触及时间间隔和解压时间间隔。在执行DPN处理过程后，可以在保持5乇压力下，容纳了氮气和氧气的处理室内执行退火步骤。
如图4所示，在后氮化退火(PNA)期间，反应室的温度可以在0t到9t的时间间隔内，随时间从450℃的低温到1000℃的最高温度变化，其中“t”表示在从0到9t的时间间隔不均匀时，可以改变的值。在某些实施例中，可以在栅绝缘层上形成导电栅层的后续步骤之后，执行PNA步骤。在薄氮化物层30上形成导电栅层32，如图2D所示。例如，可以由多晶硅形成该导电栅层32。参考图2E，利用光刻法，将栅层32、氮化物层30以及栅绝缘层28图形化为区域32a、30a和28a，以确定图像转移晶体管的绝缘栅。
现在，参考图5A-5D，形成图像传感器器件的方法包括在半导体衬底50上形成第一导电型的沟槽隔离区53和沟道区52。如果该传感器采用NMOS图像转移晶体管，则沟道区52形成为P型区，而如果该传感器采用PMOS图像转移晶体管，则将该沟道区52形成为N型区。还与沟道区52相邻形成光电二极管。在衬底50上，该光电二极管被形成为P-N结。该P-N结包括P型区54和N型区56。典型的P型掺杂剂包括B和BF2，而典型的N型掺杂剂包括As和P。在衬底50的表面上形成栅绝缘层58。可以利用热氧化处理，化学汽相沉积(CVD)方法或者自由基氧化处理，形成该栅绝缘层58，如上参考图2A-2E所述。所形成的栅绝缘层58的厚度可以在约30与约100之间的范围内。此后，直接在栅绝缘层58上形成薄氮化物层60。可以利用将栅绝缘层58上的二氧化硅(SiO2)转换为氮氧化硅(SiON)的解压等离子体氮化(DPN)方法，在处理室内形成该薄氮化物层60。
该DPN处理过程可以包括，在80毫乇的固定室压以及500瓦的室RF功率情况下，在室温下，使N2和H2以分别等于100sccm和100sccm的速率流动。所形成的该薄氮化物层60的厚度可以在约1至约10的范围内。可以在包括初始稳定时间间隔(时长＝10秒)、触及时间间隔(时长＝5秒)、氮化时间间隔(时长＝60秒)、解压(dechuck)时间间隔(时长＝5秒)以及最终清洗时间间隔(时长＝5秒)的一系列时间间隔内执行该DPN处理过程。可以以0瓦的RF功率进行稳定时间间隔和清洗时间间隔，而以500瓦的RF功率进行触及时间间隔、氮化时间间隔和解压时间间隔。在执行DPN处理过程后，可以在保持5乇压力下，容纳了氮气和氧气的处理室内执行退火步骤。如图4所示，在后氮化退火(PNA)期间，反应室的温度可以在0t到9t的时间间隔内，随时间从450℃的低温到1000℃的最高温度变化，其中“t”表示在从0到9t的时间间隔不均匀时，可以改变的值。然后，可以在薄氮化物层60上形成导电栅层62。例如，可以由多晶硅形成该导电栅层62。
现在，参考图5B，利用光刻法，图形化导电栅层62以及栅绝缘层58，以确定图像转移晶体管TX的栅(区域62a、60a和58a)、复位晶体管RX的栅(区域62b、60b和58b)以及选择晶体管SX的栅(区域62c、60c和58c)。此后，在相应栅上形成多条金属线64a、64b和64c，如图5C所示。在层间绝缘层68内，还将金属线66形成为阻光屏蔽，可以利用CVD方法，形成该阻光屏蔽。
现在，参考图5D，可以利用传统技术，在层间绝缘层68上形成滤色片70、外敷层72以及微透镜阵列74。还可以在微透镜阵列74上进一步设置钝化层。
在附图和说明书中，公开了本发明的典型优选实施例，而且尽管采用了特定术语，但是仅以一般意义和说明性意义使用它们，而没有限制性意义，下面的权利要求限定本发明的范围。
权利要求
1.一种用于图像检测器件的图像转移晶体管，包括半导体沟道区，是第一导电型的；导电栅，位于所述半导体沟道区上；以及栅绝缘区，在所述半导体沟道区与所述导电栅之间延伸，所述栅绝缘区包括氮化绝缘层，延伸到与所述导电栅的界面；以及基本无氮绝缘层，延伸到与所述半导体沟道区的界面。
2.根据权利要求1所述的图像转移晶体管，其中氮化绝缘层包括氮氧化硅(SiON)。
3.根据权利要求1所述的图像转移晶体管，其中所述导电栅包括第一导电型的多晶硅区。
4.根据权利要求2所述的图像转移晶体管，其中所述栅绝缘区的厚度在约30至约100的范围内。
5.根据权利要求1所述的图像转移晶体管，其中所述栅绝缘区包括具有氮化上表面的二氧化硅层。
6.根据权利要求1所述的图像转移晶体管，其中基本无氮绝缘层上氮的重量百分比约小于10％。
7.一种图像检测器件，包括半导体区，其中具有光电二极管；以及图像转移晶体管，位于所述半导体区上，所述图像转移晶体管包括半导体沟道区，是第一导电型的，电连接到光电二极管；导电栅，位于半导体沟道区上；以及栅绝缘区，在半导体沟道区与导电栅之间延伸，所述栅绝缘区包括氮化绝缘层，延伸到与该导电栅的界面；以及基本无氮绝缘层，延伸到与该半导体沟道区的界面。
8.根据权利要求7所述的器件，其中氮化绝缘层包括氮氧化硅(SiON)。
9.根据权利要求7所述的器件，其中所述导电栅包括第一导电型的多晶硅区。
10.根据权利要求8所述的器件，其中所述栅绝缘区的厚度在约30至约100的范围内。
11.根据权利要求7所述的器件，其中所述栅绝缘区包括具有氮化上表面的二氧化硅层。
12.一种用于形成图像检测器件的图像转移晶体管的方法，包括步骤在半导体衬底上形成栅绝缘区；氮化该栅绝缘区的上表面；以及在该栅绝缘区的氮化上表面上形成导电栅。
13.根据权利要求12所述的方法，其中进行了所述氮化步骤之后，在含氮环境下，执行使栅绝缘区退火的步骤。
14.根据权利要求12所述的方法，其中执行了形成导电栅的所述步骤后，在含氮环境下，执行使栅绝缘区退火的步骤。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述氮化步骤包括在栅绝缘区上执行解压等离子体氮化(DPN)处理过程。
16.根据权利要求15所述的方法，其中约以室温执行DPN处理过程。
17.根据权利要求15所述的方法，其中在容纳了大致等流速的氮气(N2)和氦气(He)的反应室内进行DPN处理。
18.根据权利要求15所述的方法，其中DPN处理过程包括以约500瓦对氮等离子体加电。
19.根据权利要求12所述的方法，其中形式栅绝缘区的所述步骤包括利用自由基氧化处理过程，在半导体衬底上形成栅氧化物层。
20.根据权利要求19所述的方法，其中在容纳了氢气(H2)和氧气(O2)的反应室内执行自由基氧化处理过程。
21.根据权利要求20所述的方法，其中以约450℃至950℃范围内的温度，执行自由基氧化处理过程。
22.根据权利要求21所述的方法，其中以约2乇至约5乇范围内的压力，执行自由基氧化处理过程。
23.根据权利要求21所述的方法，其中氢气(H2)和氧气(O2)分别以约0.1sccm和约9.0sccm的速度流动。
24.根据权利要求12所述的方法，其中形成栅绝缘区的所述步骤包括在半导体衬底上形成基本无氮的栅氧化物层。
25.根据权利要求21所述的方法，其中氧气(O2)与氢气(H2)的流速比在约70至约110的范围内。
全文摘要
CMOS图像传感器内包括图像转移晶体管。该图像转移晶体管包括半导体沟道区，是第一导电型的；以及导电栅，位于该半导体沟道区上。还设置了栅绝缘区。该栅绝缘区在该半导体沟道区与该导电栅之间延伸。该栅绝缘区包括氮化绝缘层，延伸到与导电栅的界面；以及基本无氮绝缘层，延伸到与半导体沟道区的界面。该氮化绝缘层可以是氮氧化硅(SiON)层。
文档编号H01L27/146GK1858914SQ200510125139
公开日2006年11月8日 申请日期2005年11月21日 优先权日2005年5月2日
发明者刘永燮, 吴正焕, 邢庸宇, 林宪亨 申请人:三星电子株式会社