TW441119B - Dark current reducing guard ring - Google Patents

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TW441119B TW087111407A TW87111407A TW441119B TW 441119 B TW441119 B TW 441119B TW 087111407 A TW087111407 A TW 087111407A TW 87111407 A TW87111407 A TW 87111407A TW 441119 B TW441119 B TW 441119B
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Description

441119 A7 B7 五、發明説明（1 ) ~~~ 發明背景 1. 發明領域_ 概略而言本發明係關於光檢測半導體構造。特別本發明 係關於使用近代互補金屬氧化物半導體（CMOS)製造方法 製成的光電二極體。 2. 背景資訊 顯影系統之關鍵組件爲.光電二極體檢測器，此乃用於檢 測其影像待捕捉之該物件發出之可見光入射光用之裝置。 光電二極體暴露於入射光，入射光行進通過透明氧化物隔 離層及進入矽區，矽區包括Ρ·Ν接面。當p_n接面二極體被 施加逆偏壓時，可形成排空區及回應於可見光入射光子之 衝擊透明氧化物隔離層，電子-孔對於排空區内侧及外側 產生。光產生電子-孔對藉擴散及漂移機構被掃除而收集 於排空區，因此誘生光子流表示光電二極體已經曝光之影 像部分。 促成光電二極體靈敏度之顯著因素爲其可捕捉儘可能大 量入射光子。光電二極體之靈敏度部分受暗電流影響，暗 電流馬當光電一極體於暗處時於光電二極體誘生逆偏壓二 極體漏電流量’亦即非由光線誘生之電流。暗電流特別於 透明隔離區及排空區之交界面產生。暗電流於回應於光電 二極體曝光產生信號引發雜訊。過度暗電流也使讀取動態 範園降低。因此嘗試減少暗電流而降低榉測信號雜訊並保 有讀取動態範圍。 希望減少於光電二極體之排空層與透明隔離層間交界面 -4- 尺度述Α中Β) ®家櫺埤（( 210 X297公麓) " ~ {讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 訂 441 1 19 A7 B7 五、發明説明（2 產生的暗電流量 ； 發明概述 提供一種光電二極體。光電二極體包栝絕緣區（IR)其許 可光線通過其中。光電二極體也包括第一導電型基材區及 第二導電型阱區。阱成形於基材内部於IR下方《阱藉第一 表面與基材分界。光電二極體又包括第二導電型重度攙雜 區（HDR)。HDR成形於ir之第一位置。第一表面於大體第 一位置與HDR會合。 .圖式之簡單説明 本發明之特點、態樣及優點由後文詳細説明，随附之申 請專利範圍及附圖將更完整明瞭，附圖中： 圖1示例説明本發明之光電二極體之一個具體例之剖面 圖； β 圖2爲示例説明根據本發明之附有護圏之光電二 體例之剖面圖； ‘ 圖3 a及3 b爲示例説明本發明之兩個光電二極體具體例 剖面圖，其各自有不同寬度之護圈； 圖4a及4b示例説明本發明之光電二極體之第 體例； 極體具 之 及第二具 圖5a示例説明本發明之光電二極體附有金屬接面人 上之具體例之剖面圖； 合其 圖^示例説明本發明之⑽s光電極體之範例布 圖；及 局 圖ό示例説明包括本發明之光電二極體具體例之 斤*晶 胞 5- 本紙张X度这州中國拽家標Η1 ( (’NS ) 公釐 (详先閱讀背而之注意事項再蛾寫本頁)
9 A7 B7 五、發明説明（3 ) 電路之可能實務。 , 詳細説明 後文説明中，爲了徹底瞭解本發明陳述相當多特定細 節。但業界人士瞭解本發明可非使用此等特定細節實施。 某些例中未詳細顯示之眾所周知之電路、構造及技術不會 不必要的模糊本發明。 圖1示例説明二極體光接收器（後文稱光電二極體）100之 剖面圖。光電二極體100包括半導體基材1〇4。基材104成 形有N阱區106。又光電二極體1〇〇有淺溝隔離（sti)區 102。當成形於基材1〇4與阱106間之P-N接面被施加逆偏 壓時，於N阱106與P基材1〇4分界表面116附近形成排空區 114 〇 介於STI與排空區114間之交界面特別產生暗電流。因 STI 102比N阱106更寬，故排空區114與STI 102間之交界面 124係與STI 102底面118形成。發現電子-孔對之產生/重新 組合於STI底面118增加。相信STI底面118之產生/重組增 加起因係由於存在於溝底面之受損區引起及由STI之蝕刻 製程引起。蝕刻製程可形成淺溝。於蝕刻製程進行後，殘 餘物特別碳留在溝底。
圖2示例説明根據本發明之光電二極體2〇〇和重度攙雜區 220之具體例之剖面圖。光電二極體2〇〇可爲CMOS影像感 測器部件，光電二極體藉近代矽CMOS製法如設定用於製 造微處理器之方法製造。此外，CMOS影像感測器可構成 業界已知之CMOS激發像素感測器陣列之部件。此外CMOS -6 - 本紙张尺度珀川中闽國家榀肀（（，NS ) Λ衫见枯（2丨0X 297公f ) 、\5 (誚先閱讀背面之注項再填寫本頁)
4 41 1 1 g A 7 ___________ _B7_ 五、發明説明（4 ) 激發像素感測器陣列可與顯影系統如數位相機或攝影裝置 併用。 光電二極體200相當類似圖1光電二極體之具體例，包括 具第一導電型之矽基材區204及成形於矽基材之陈區2〇6。 味區有第二導電型。此處所述本發明之具體例中，基材區 204包括P型矽基材及阱區206包括n型矽阱。須瞭解此處 所述本發明之具體例可以基材及p型阱良好實施。本 發明之光電二極體之具體例中，阱206可藉基材204之離予 植入或任何其他眾所周知之製造阱方法形成。 光電二極體2〇〇又包括電絕緣區（電介質202)其形成於n 阱206底。介電區可透光許可光線通過其中。介電區2〇2係 藉蚀刻基材頂之淺溝形成。然後淺溝以氧化物二氧化砂填 補因而形成淺溝隔離STI區（以陰影線顯示其相對於水平方 向夾銳角）。淺溝及溝之製法爲業界人士眾所周知。 淺溝寬度（水平方向）比N阱206寬度（水平方向）大因而遮 蔽N阱區206。N阱206係藉分界（分隔）N阱206與P基材204 之N阱表面216界定。當N阱及P基材被施加逆偏壓時，跨 越及接近P-N接面形成二極體排空區。特別二極體排空區 形成跨越及接近N阱206與基材204之分界面（第一面）。於 施加正確逆偏壓電壓至光電二極體後，回應於入射至STI 之透射光可於二極體排空區214謗生光電流》 此處所述本發明之光電二極體2〇〇之具體例也包括成形 於STI 202内部之重度攙雜區（HDR)(後文稱作護圈）。HDR 220具有第二導電型N，且因重度攙雜故HDR 220爲N+。護 (CNS } ( 210 X 297^¾ ) --------y π------訂--------- - --'、 ί - ' i (請先閱讀背面之注項再填寫本頁}
J 441U9 A7 B7 五、發明説明（5 ) 圈220形狀可爲隔離STI 202於兩區之閉合環圈型：内區203 及外^ 205。本發明之具體例中，STI 202爲矩形，内區203 爲矩形及護圈220爲環狀矩形，如圖5示例説明（容後詳 述）。 本發明之光電二極體200之具體例中，護圏220係於虚線 222界定之第一位置及其周圍藉蝕刻部分sti 202而於STI 202形成。護圈220形成於蝕刻部。然後護圈220接受離子 植入處理獲得重度攙雜護圈220。第一位置222可定義爲N 阱2〇6與基材2〇4分界面216會合STI 202底面218且STI 202 未形成護圈220之處。如此形成護圈220，使分界面216會 合（交叉）護圈底面之大體接近第.一位置之位置。較佳護圈 220係於STI 202形成，故表面216交叉護圈底面於護圈中間 位置。 於第一位置存在有N+攙雜護圈220使排空區214與STI 202交界於外區205之與STI 202底面218相對的外侧内面 228 »如此護圈220成形方式使排空區218接觸STI 202。排 空區214止於STI 202之外側面228比排空區214止於底面218 更佳，原因爲外側面228較爲乾淨（例如含有比STI底面218 較少矽損害及殘餘物）^排空區214與表面218間之較乾淨 交界面使排空區與STI之交界面較少產生/重組孔及電子， 因而較少產生暗電流。此外因外側面228之接觸面積224係 與護圈220之攙雜程度呈反比，護圈220使排空區214與STI 之接觸面積比排空區214交叉STI底面218之情況更小β 護圈220移動排空區遠離STI底面至STI外側面228。護圈 -8- 本紙張尺度4用中闳囤家標?f ( (、NS } Λ4規招（210X297公嫠） (請先閱讀背面之注^^項再填寫本頁)
4 41 1 19 A7 B7 五、發明説明（6 ) (¾先閱讀背面之注意事項再填寫本頁〕 220由於退行p阱攙雜亦即p攙雜於接受表面處愈高，故護 圈220;造成排空區與STI間之接觸面積縮小。因此護圈220 促成本發明之光電二極體具體例之暗電流下降。 圖3a及3b示例説明本發明之光電二極體之具體例之部分 剖面圖，此處護圈寬度不等。圖3 a之具體例之護圈寬度 350小於圖3b所示具體例之護圈寬度352。排空區3 14與STI 外側面328間之交界面對具較窄寬度350之護圈（圖3a)比具 較大護圈352(圖2b)之護圈更大。如此護圈愈寬，則排空區 與STI之交界面積愈小，及環繞該區產生的暗電流愈少。 雖以較寬護圈爲佳，但因STI外側面328之交界面較小， 較寬護圈之感光區亦即STI内區303較小。如此護圈愈寬， 則產生的暗電流愈少，但因感光面積較小故二極體之靈敏 度下降。因此對任何特定製程而言，最佳只需考慮光電二 極體靈敏度及暗電流決定。 圖4a及4b示例説明本發明之光電二極體之第一及第二具 體例。圖4 a具體例護圈大體小於前述具體例護圏。圖4 b 具體例具有部分407界定一個内部405及外部403。但替代 N+重度攙雜護圈，閘極氧化物護圏455成形於區403與405 間。薄層氧化物461上方之多晶矽閘極453層成形於STI區 介於内區與外區405及403間。多晶矽層被矽化及耦合接 地。注意N阱内部之矽界面於閘極電壓爲〇伏時爲反相位 而於操作時阱電壓爲正》排空區止於高彳品質閘極氧化物 區。閘極氧化物區之品質高可滿足良好MOSFET操作。 圖5 a示例説明之光電二極體示例説明之剖面圖其附有金 -9 - 本紙张尺度诫州中國國家榡埤（（'NS ) Λ4規格（210X297公傻） 441 1 19 A7 B7 部 屮 ..丨j: ί·ί 卑 \\ Λ ill Λ if 印 五、發明説明（ 屬接面560。N+護圈也扮演光電二極體阱之歐姆接面角 色，原：因爲N+區導電故。護圈520頂上之矽化區562也導 電，典型耦合至金屬接面其560對光電二極體施加偏壓。 金屬接面560耦合至像素節點618，後文説明於圖6。 圖5 b示例説明圖5示例説明之本發明之CMOS光電二極 體之範例布局圖。護圈520環繞光電二極體之内感光部 503 «Ν阱包括由虛線512界限部分。金屬接面560接觸N + 護圈520供根據本發明對光電二極體施加偏壓。 圖6示例説明顯影系統603之可能實務，例如數位相機或 攝錄影裝置附有激發像素感測器晶胞電路6〇〇，其包括根 據本發明之光電二極體602。激發像素感測器晶胞包括於 CMOS激發像素感光器陣列605。顯影系統603也包括控制 裝置607核合至睁列605及後處理裝置609稱合至陣列及控 制裝置607。 激發像素感測器晶胞600包括復置電晶體614及來源追蹤 裝置616。復置電晶體614選擇性復置像素節點618至預定 電壓。當讀取信號被主張至列交換器電晶體622時，來源 追縱器616提供像素節點618至電壓之相關電壓至影像捕捉 系統（未顯示）。入射光經由二極體排空區產生之電子集合 使像素節點618電壓下降。本發明之光電二極體6〇2包括前 文説明之護圈可減少暗電流之負面影響，原因爲暗電流大 體由前述護圈下降。 t 前文説明書以參照特定具體例説明本發明。但顯然易知 可未悖離如隨附之申請專利範圍陳述之本發明之廣義精髓 (誚先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂
I 本紙張尺料 (('NS )从现括（210X297公漦 441 1 19 A7 B7 五、發明説明（8 ) 及範圍做出多種修改及變化。如此説明書及附圖僅視爲舉 例説明而非限制意義。故本發明僅受隨附之申請專利範園 所限。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _
"-Μ部屮少榡卑局u η消抡合竹社印V -11 - 本紙張尺度適川中國因家標埤（（'NS ) Μ規格（210X297公漦）

Claims (1)

  1. 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 441 1 19
    —第二導電型N阱’其係成形於基#内部且於絕緣區 下方，阱係藉第一表面與基材分界；及 一第二導電型之重度攙雜區（HDR)成形於絕緣區内之 第一位置，該第一表面於大體第一位置會合重度攙雜 區0 2. 如申請專利範園第1項之光電二極體，其中該重度攙雜 區爲包含擴散區成形於絕緣區護圈。 3. 如申請專利範圍第1項之光電二極體，其中該絕緣區大 體爲圓形。 4_如申請專利範圍第1項之光電二極體，其中該HDR區大 體爲環形。 5. 如申請專利範圍第1項之光電二極體，其中該重度攙雜 區包括一個迴路，其將絕緣區分隔成重度攙雜區包園之 内區及包圍重度攙雜區之外區。 6. 如申請專利範園第5項之光電二極體，其中該外區具有 外側面接觸重度攙雜區。 7. 如申請專利範圍第6項之光電二極體，其中一個排空區 成形於阱及基材之第一表面近處，當基材及阱被施加逆 偏壓時該排空區止於外側面。 8. 如申請專利範圍第1項之光電二極體，其中該重度攙雜 區包括矽化頂面。 •12- 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4规格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 衣. 訂 441119 A8 B8 C8 D8 經濟部中央標率局員工消費合作社印裝 13. —種光電二極 一第一導電 一絕緣區（1戌
    申請專利範圍 9_如申請專利範圍第1項之光電二極體，其中該絕緣區包 括淺溝隔離區。 10_如申請專利範圍第1项之光電二極體，其中該重度攙雜 區之底面交叉第一面。 11. 如申請專利範圍第5項之光電二椏體，其中該護圈具有 第一寬度及内£具第一寬...度，第一對第二寬度之比係於 第一與第二値界定之範 12. —種激發像素感測器陣含： 一光晶胞對曝光具有應性，該光晶胞包括光電二 極體其包括： '‘ 一第一導電型之基材區： 一絕緣區（IR)成形於基材内部許可光線通過其中； 一第二導電型阱區，其係成形於基材内部且於絕緣區 下方，胖係藉第一表面與基材分界；及 一第一導電型之重度攙雜區（HDR)成形於絕緣區内之 第一位置，該第一表面於大體第一位置會合重度攙雜 區，及復置電路耦合至光電二極體而引發光電二極體； 及 讀取電路耦合至光電二極體讀取檢測光之代表性電信 號 包含： 導體基材區； f 形於基材内部許可光線通過其中； 一第二導電型半導體阱區，成形於基材内部及絕緣區 -13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ： ^ ο II . :, -(請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 441 1 19 A8 BS C8 D8 經济部中央榡準局貝工消費合作社印$L 、申請專利範園 下部，阱係藉第一表面與基材分界；及 一第二導電型重度攙雜區（HDR)成形於絕緣區内部’ 重度攙雜區包園絕緣區之第一部分，該第一表面交叉重 度攙雜區。 14_如申請專利範圍第！ 3項之光電二極體，其中該護圈劃界 絕緣區之第一部分與包圍該第一部分之絕緣區第二部 分0 15. 如申請專利範圍第13項之光電二極體，其中該基材及阱 當施加逆偏壓時第一面近處形成一個排空區。 16. 如申請專利範圍第i 5項之光電二極體，其中該排空區止 於第二部分之外側面。 17. 如申請專利範圍第13項之光電二極體，其中該重度攙雜 區包括底面及第一面會合重度攙雜區於該底面 18. 如申請專利範圍第17項之光電二極體，其中該第一面於 大體接近底面置交叉重度攙雜區底面。 19. 一種光電二極專含： 一第一導電體基材區； 一電絕緣區 形於基材内部許可光線通過其中， 該電絕緣區具有第一寬度： 第二導電型半導體阱區成形於基材内部及電絕緣區下 方，該阱具有比第一寬度更大的第二寬度，胖籍第一表 面與基材分界；及 閘極氧化物區成形於基材上及包括電絕緣區，第—表 _面會合閘極氧化物區。 -14 - 本紙張尺度逋用中國國家揉準（CNS ) A4规格（210X297公釐j m ·ϋ_^_ ^^1 l:,. . Γ - - (請先閱讀背面之注項脣本頁) I 訂 441119 A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 20. 如申請專利範園第1項之光電二極體’其中該電絕緣區 大體爲矩形及矩形仿迴路形，該重度攙雜區包圍該電絕 緣區。 一 21. —種激發像素感測器陣_丨包含； 複數光電二極體，各g電二極體包括絕緣區（ir)而 許可光線通過其中；響 一第一導電型基材區： 一第二導電型阱區成形於基材内部且位於絕緣區下 方，阱係藉第一表面與基材分界；及 一第二導電型重度攙雜區（HDR)成形於絕緣區内部之 第一位置，2第一表面大體於第一位置會合重度攙雜 區。
    (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ir-il 22. •種顯像裝 一控制裝 I 訂._ 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 一激發像會感測器陣列耦合至該控制裝置，其包括絕 緣區（IR)而許可光線通過其中； 一第一導電型基材區； 一第二導電型阱區成形於基材内部且位於絕緣區下 方，該阱係藉第一表面與基材分界； 一第一二導電型重度攙雜區（HDr)成形於絕緣區之第 一位置’該第一表面係大體於第一位置會合重度攙雜 區；及 一後處理裝置其耦合至控制裝置及激發像素感測器陣 列0 • 15- 本紙故尺度適用中國圃家標準（CNS ) A4規格（210X297公嫠）
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