專利名稱：提高圖像靈敏度和動態(tài)范圍的單位像素的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及單位像素，更具體地，涉及用于在低照明度條件下提高靈敏度和增加
動態(tài)范圍的單位像素。
背景技術：
圖1是包含在圖像傳感器中的單位像素的電路圖。 參見圖l，單位像素包括光電二極管PD和圖像信號轉換電路。圖像信號轉換電路 包括傳輸晶體管Ml、復位晶體管M2、轉換晶體管M3和選擇晶體管M4。 光電二極管PD產(chǎn)生對應于圖像信號的圖像電荷。通過響應于傳輸控制信號Tx接
通或者斷開的傳輸晶體管Ml，將圖像電荷傳輸?shù)礁≈脭U散區(qū)FD。復位晶體管M2對浮置擴
散區(qū)FD進行復位。轉換晶體管M3產(chǎn)生與聚積進浮置擴散區(qū)FD的電荷相對應的轉換電壓。
通過響應于選擇控制信號Sx接通或者斷開的選擇晶體管M4輸出轉換電壓。 作為建模，浮置擴散區(qū)FD可以實現(xiàn)為電容器。浮置擴散區(qū)FD的總電容值CT可以
是以下電容值的和 1.浮置擴散區(qū)FD和襯底之間的結電容；
2.柵極電容；禾口
3.重疊電容。 因為在假設襯底為P型的情況下，浮置擴散區(qū)FD為N型，所以在浮置擴散區(qū)FD和 襯底之間形成了 PN結結構。浮置擴散區(qū)和襯底之間的結電容是指由充當兩個電極的浮置 擴散區(qū)和襯底以及在這兩個電極之間形成的耗盡區(qū)所產(chǎn)生的結電容。
后面描述的結電容包括浮置擴散區(qū)FD和側壁之間的電容。 柵極電容是指由浮置擴散區(qū)FD、轉換晶體管M3的柵極氧化層和大部分轉換晶體 管M3形成的柵極電容。重疊電容表示由兩個晶體管Ml和M2的柵極端和浮置擴散區(qū)FD彼 此重疊、且傳輸晶體管Ml和復位晶體管M2的柵極氧化層插入在其間的部分產(chǎn)生的電容。
這里，在完成制造過程時，柵極電容和重疊電容可以具有固定值。但是，根據(jù)浮置 擴散區(qū)FD中下降的電壓電平，結電容具有可變值。
電容器的電容C可以簡單地表示為等式1。
[等式l] C = OX 這里，e。，表示形成電容器的介電材料的介電常數(shù)。A表示介電材料的面積，d表 示兩個電極之間的距離或者介電材料的厚度。 在結電容器的情況中，當完成制造過程時，介電材料的介電常數(shù)和面積是固定的。 但是，因為變成介電材料的耗盡區(qū)的寬度根據(jù)施加到結電容器的兩個電極的電壓而改變， 所以結電容也改變。例如，如果施加到襯底的電壓是固定的，在施加到具有N型材料的浮置 擴散區(qū)FD的電壓正向增加的情況下，反向偏壓被施加到由P型材料制成的P型襯底和由N型材料制成的浮置擴散區(qū)之間的耗盡區(qū)上，使得耗盡區(qū)的寬度增加。這導致了等式l中的
介電材料的厚度d增加，使得結電容降低。 為了產(chǎn)生浮置擴散區(qū)， 1.通過使用掩模來限定浮置擴散區(qū)， 2.將雜質(zhì)離子注入浮置擴散區(qū)限定的部分內(nèi)，禾口 3.執(zhí)行退火，以均勻地擴散所注入的雜質(zhì)。 這里，重疊電容器的電容根據(jù)注入浮置擴散區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)離子的濃度而改變。具體 地，如果提供了足夠的退火時間，因為增加了注入浮置擴散區(qū)的雜質(zhì)離子的濃度，因此會增 加垂直方向和水平方向上擴散雜質(zhì)離子的寬度，最后，浮置擴散區(qū)FD與傳輸晶體管Ml和復 位晶體管M2的柵極氧化層重疊的面積增加，使得重疊電容增加。因此，當完成制造過程時， 固定了重疊電容器的電容。但是，總電容根據(jù)注入浮置擴散區(qū)FD內(nèi)的雜質(zhì)的濃度而改變。
這里，當注入擴散區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)離子的濃度超過預定限度時，通常會發(fā)生重疊電容 器的電容值固定的現(xiàn)象。因此，在濃度沒有達到預定限度的情況下，重疊電容器的電容根據(jù) 施加到重疊電容器的兩個電極的電壓而改變。這將在后面描述。 如上描述，傳輸晶體管Ml和復位晶體管M2分別由傳輸控制信號Tx和復位控制信 號Rx導通或者斷開。這里，當導通或者斷開兩個晶體管M1和M2時，在浮置擴散區(qū)FD內(nèi)發(fā) 生噪聲，這個噪聲稱為開關噪聲。開關噪聲的大小與重疊電容器的電容成正比，從而，為了 降低開關噪聲，必須降低重疊電容器的電容。 如上描述，因為結電容器與浮置擴散區(qū)FD內(nèi)下降的電壓值成正比例地改變，因 此，存在的問題在于，圖像傳感器(包括具有那些電特性的像素)的動態(tài)范圍和低照明度狀 況可能降低。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題 本發(fā)明提供用于改善低照明度狀況和增加動態(tài)范圍的單位像素。 本發(fā)明還提供了用于改善低照明度狀況和增加動態(tài)范圍的單位像素的制造方法。 技術方案 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供的單元像素包括光電二極管，產(chǎn)生對應于圖像信號
的圖像電荷；傳輸晶體管，將所述圖像電荷傳輸?shù)礁≈脭U散區(qū)；和復位晶體管，其一端連接
到所述浮置擴散區(qū)，其另一端被施加有電源；其中，注入所述浮置擴散區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)離子濃度
比注入施加有所述電源的所述復位晶體管的擴散區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)離子濃度低。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供的單位像素包括一個或多個光電二極管，產(chǎn)生對應
于圖像信號的圖像電荷；一個或多個傳輸晶體管，連接到相應的一個或多個光電二極管，以
將所述圖像電荷傳輸?shù)焦驳母≈脭U散區(qū)；和復位晶體管，其一端連接到所述公共的浮置
擴散區(qū)，其另一端被施加有電源；其中，注入所述公共的浮置擴散區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)離子濃度比注
入施加有所述電源的所述復位晶體管的擴散區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)離子濃度低。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制造單位像素的方法，所述單位像素包括光 電二極管和用于將圖像信號轉換成電信號的圖像信號轉換電路，其中，所述方法使用第一 掩膜，用于限定浮置擴散區(qū)；和第二掩膜，用于限定包含在所述圖像信號轉換電路內(nèi)的擴散區(qū)中除了所述浮置擴散區(qū)以外的剩余的擴散區(qū)；其中，所述方法包括以下步驟將N(N是整 數(shù))個雜質(zhì)離子注入所述第一掩膜限定的區(qū)域內(nèi)；和將M(M是整數(shù))個雜質(zhì)離子注入所述 第二掩膜限定的區(qū)域內(nèi)。
有益效果 本發(fā)明具有的優(yōu)勢是，改善了所述單位像素的低照明度狀況，增加了所述單位像 素的動態(tài)范圍。


圖1是包含在圖像傳感器中的單位像素的電路圖； 圖2示出了通常的單位像素的布局圖； 圖3是圖2所示的布局圖沿著線AA'得到的截面視圖； 圖4示出了測量施加有反向偏壓的正_負(PN)結的電壓特性的測量狀況；
圖5示出了注入圖4所示的N型擴散區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)離子的兩個濃度曲線，和根據(jù)反 向偏壓變化的輸出電壓； 圖6示出了在圖4所示的電壓測量狀況下PN結的結電容變化； 圖7示出了根據(jù)浮置擴散區(qū)內(nèi)下降的電壓，浮置擴散區(qū)的建模電容器的電容。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照附圖詳細描述本發(fā)明的示例性實施方式。
圖2示出了通常的單位像素的布局圖。 參見圖2，將柵極端表示為陰影線的矩形，其可以由多晶硅制成。 將金屬線示為填充有點的矩形，通過用具有"X"標志的方格表示的觸點，將金屬
線、柵極端和擴散區(qū)電連接起來。 參見圖2，單位像素包括光電二極管PD和圖像信號轉換電路。圖像信號轉換電路 包括傳輸晶體管、復位晶體管、轉換晶體管和選擇晶體管。 傳輸晶體管包括用作漏極端和源極端的光電二極管區(qū)PD、浮置擴散區(qū)FD和施加 有傳輸控制信號Tx的柵極端。復位晶體管包括用作漏極端和源極端的浮置擴散區(qū)FD、施 加有源電壓Vdd的擴散區(qū)和施加有復位控制信號Rx的柵極端。轉換晶體管包括用作漏極 端或者源極端并且施加有源電壓Vdd的擴散區(qū)和施加有浮置擴散區(qū)FD的電壓的柵極。選擇 晶體管包括擴散區(qū)和施加有選擇控制信號Sx的柵極端，該擴散區(qū)的一端通常連接到轉換 晶體管的另一端，該擴散區(qū)的另一端用于輸出轉換電壓0UT。 這里，不管晶體管的類型如何，"一端"和"另一端"都分別表示漏極端和源極端。 在N型金屬氧化物半導體(M0S)晶體管中，P型MOS晶體管的漏極端和柵極端彼此交換。這 是本領域的技術人員能夠理解的，因此不進行詳細描述。
圖3是圖2所示的布局圖沿著線AA'的截面視圖。 參見圖3，在P—襯底的左側表面處形成了光電二極管PD，在光電二極管PD和N+型 浮置擴散區(qū)FD之間形成了傳輸晶體管的柵極端Tx。在浮置擴散區(qū)FD和施加有源電壓Vdd 的擴散區(qū)之間形成復位晶體管的柵極端Rx。這里，兩個柵極端Tx和Rx布置在襯底的上表 面上。雖然圖3中沒有示出，但柵極端Rx、Tx和襯底之間存在絕緣材料，絕緣材料的電特性
5除了確定M0S晶體管的閾值電壓之外，還確定MOS晶體管的額定電壓。此外，絕緣材料的厚 度必須具有固定值。因此，可以通過在二氧化硅上執(zhí)行熱生長來形成絕緣材料。
參見圖3，用N+表示浮置擴散區(qū)，^+表示復位晶體管1^的右側擴散區(qū)。這意味 著在N+中注入的雜質(zhì)離子的數(shù)量比在N++中注入的雜質(zhì)離子的數(shù)量少。例如，注入N++中的 雜質(zhì)離子的數(shù)量可以是大約10"/Cm 注入N+中的雜質(zhì)離子的數(shù)量依賴于面積可以是大約 1013到1019/0113，從而可以獲得本發(fā)明的效果。 傳統(tǒng)的浮置擴散區(qū)和剩余的擴散區(qū)同時由信號掩模限定并且在單個雜質(zhì)離子注 入過程內(nèi)形成。因此，注入浮置擴散區(qū)FD內(nèi)的雜質(zhì)離子濃度和注入用于形成晶體管的漏極 區(qū)和源極區(qū)的剩余擴散區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)離子濃度是彼此相等的。 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，注入浮置擴散區(qū)FD的雜質(zhì)離子濃度降低到比注入除了 浮置擴散區(qū)以外的、用于形成MOS晶體管漏極區(qū)和源極區(qū)的擴散區(qū)的雜質(zhì)離子濃度低，以 便改善低照明度狀況和增加動態(tài)范圍。 現(xiàn)在，描述降低浮置擴散區(qū)FD中的雜質(zhì)濃度的物理意義。 圖4示出了測量施加有反向偏壓的PN結的電壓特性的測量狀況。 參見圖4，示出了在將電壓Vin施加于PN結的N型區(qū)時測量在P型區(qū)中電壓響應
(稱為"V。ut")特性的狀況。PN結周圍的虛線輪廓代表PN結的耗盡區(qū)的邊界表面。這里，
因為用N—表示N型區(qū)、用P++表示P型區(qū)，可以看出注入N型區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)離子濃度比注入P
型區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)離子濃度低。 圖4所示的箭頭表示當反向偏壓增加時耗盡區(qū)的邊界表面的移動方向。當電壓Vin 增加時，P型區(qū)的耗盡區(qū)的邊界線和N型區(qū)的耗盡區(qū)的邊界線遠離PN結部分。
當施加到PN結耗盡區(qū)的反向偏壓增加時，耗盡區(qū)的寬度隨之增加。這里，P型擴 散區(qū)和N型擴散區(qū)中注入的雜質(zhì)離子相對較少的耗盡區(qū)的寬度更快速地增加。這種物理現(xiàn) 象的理論背景是眾所周知的，從而略去對其的詳細描述。在圖4中，為了表示前述的物理現(xiàn) 象，將N型區(qū)的耗盡區(qū)邊界線之間的間隔示出為比P型區(qū)的耗盡區(qū)邊界線之間的間隔大。
圖5示出了注入圖4所示的N型擴散區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)離子的兩條濃度曲線和根據(jù)反向 偏壓改變的輸出電壓。 在注入N型擴散區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)濃度相對較低(稱為"低摻雜")的情況下，在施加到 N型擴散區(qū)的反向偏壓U曾加到第一限度Vpl之前，P型擴散區(qū)中檢測的輸出電壓V。ut以預 定梯度增加。但是，在反向偏壓Vin增加到高于第一限度Vpl之后，輸出電壓V。ut不再增加。 在注入N型擴散區(qū)的雜質(zhì)濃度相對較高(稱為"高摻雜")的情況下，在反向偏壓Vin增加到
第二限度Vp2之前，輸出電壓V。ut以預定梯度增加。但是，在反向偏壓Vin高于第二限度Vp2 之后，輸出電壓V。ut不再增加。這里，第二限度Vp2具有比第一限度l更高的電壓電平。 如上描述，在施加到N型擴散區(qū)的反向偏壓Vin增加到高于預定限度后，輸出電壓
V。ut不能增加。這是因為，由于反向偏壓Vin達到極限電壓，使得整個N型擴散區(qū)成為耗盡
區(qū)，這種情況下的N型擴散區(qū)稱為釘扎(pi皿ing)。在釘扎區(qū)內(nèi)，幾乎沒有電荷移動。因此， 雖然增加了反向偏壓Vin的電壓電平，但是在N型擴散區(qū)和P型擴散區(qū)之間沒有電流流動。 因此，反向偏壓Vin的增加不能對輸出端有任何影響，從而使得輸出端V。ut的電壓不能增加。
圖6示出了在圖4所示的電壓測量狀況下，PN結的結電容的變化。
圖6所示的結電容J。aD是由PN結的P型擴散區(qū)、耗盡區(qū)和N型擴散區(qū)形成的結電容器的電容。當施加到N型擴散區(qū)的反向偏壓Vin增加時，耗盡區(qū)的厚度增加。參見等式l， 當電容器的兩端之間的絕緣材料的厚度d增加時，電容值降低。 如上描述，通過釘扎浮置擴散區(qū)FD，可以獲得兩種效果。 第一，重疊電容器的絕緣材料的厚度顯著地增加，使得重疊電容最小化，并且可以 顯著地抑制開關噪聲分量。 第二，在施加到浮置擴散區(qū)的電壓高的情況下，襯底和浮置擴散區(qū)之間的結電容 可以最小化。 圖7示出了浮置擴散區(qū)的建模(modeling)電容器的電容根據(jù)浮置擴散區(qū)中的壓 降變化的情況。 參見圖7，浮置擴散區(qū)FD的建模電容器的電容CT可以表示為柵極電容C。結電容 和重疊電容C。v的總和。假設將復位時浮置擴散區(qū)FD的電壓電平VFD稱為復位電壓VK[V]。
當施加到光電二極管的圖像信號較弱(稱為"低照明度狀況")時，光電二極管產(chǎn) 生少量的圖像電荷。即便將該少量的圖像電荷傳輸?shù)礁≈脭U散區(qū)FD，傳輸?shù)膱D像電荷也不 能對浮置擴散區(qū)FD的電壓施加任何影響。因此，浮置擴散區(qū)FD的電壓電平VFD基本不從復 位電壓VJV]改變。在浮置擴散區(qū)FD的電壓電平是VJV]時，結電容(^和重疊電容C。v接 近0值，使得浮置擴散區(qū)的建模電容CT依賴于柵極電容Ce。如上描述，對于低照明度狀況 下的圖像信號僅存在最小電容，在此情況下，開關噪聲分量可以最小。 當照明度增加并且應用了具有高照明度的圖像信號時，將產(chǎn)生對應于高照明度的 大量的圖像電荷，并將大量的圖像電荷傳輸?shù)礁≈脭U散區(qū)FD，因此，浮置擴散區(qū)FD的電壓 電平VFD也將降低。因為當浮置擴散區(qū)FD中壓降減少時，結電容(^和重疊電容C。v額外地包 括在柵極電容Q;內(nèi)，所以浮置擴散區(qū)FD的建模電容CT可以具有更大的開關噪聲分量。但 是，在此情況下，圖像信號的強度明顯高于開關噪聲，從而開關噪聲不能嚴重地影響圖像信 號的轉換。 因此，如上描述，通過降低浮置擴散區(qū)FD的針扎電壓，可以改善低照明度狀況下 的圖像信號靈敏度。提高低照明度狀況下的圖像信號靈敏度意味著增加使用像素的圖像傳 感器的動態(tài)范圍。 在前述的描述中，單位像素的構造包括單個光電二極管和單個圖像信號轉換電
路。但是，提出了分離型單位像素，用于在一塊芯片內(nèi)實現(xiàn)光電二極管和傳輸晶體管，在另
一塊芯片內(nèi)實現(xiàn)剩下的晶體管。此外，在分離型單位像素的情況下，已經(jīng)提出了以下技術
將多個光電二極管和相應的傳輸晶體管連接到單個公共的浮置擴散區(qū)、并以時分方法對傳
輸晶體管執(zhí)行開關操作，以便降低芯片的面積或者增加分配給光電二極管的面積。 如果能夠理解根據(jù)本發(fā)明的要點，可容易地將根據(jù)本發(fā)明的要點應用于分離型單
元像素，從而忽略了對該應用的詳細描述。 存在制造前述單位像素的多種方法。對通過使用兩個掩模實現(xiàn)單位像素的方法的 實施例進行解釋。 為了制造根據(jù)本發(fā)明的單位像素，其它工藝根據(jù)通用的標準工藝應用。但是具體 地，使用第一掩模限定浮置擴散區(qū)，并使用第二掩模限定圖像信號轉換電路內(nèi)包括的擴散 區(qū)中除了浮置擴散區(qū)以外的剩余的擴散區(qū)。 這里，將N個(N是整數(shù))雜質(zhì)離子注入到第一掩模限定的區(qū)內(nèi)，將M個(M是整數(shù))雜質(zhì)離子注入到第二掩模限定的區(qū)內(nèi)。M比N大。N可以為例如從10"/Cm3到1019/'Cm3 的值。 盡管已經(jīng)連同示例性實施方式示出和描述了本發(fā)明，本領域的技術人員將明白， 在沒有背離如權利要求定義的精神和保護范圍的條件下可以進行修改和變化。
權利要求
一種單位像素，包括光電二極管，產(chǎn)生對應于圖像信號的圖像電荷；傳輸晶體管，將所述圖像電荷傳輸?shù)礁≈脭U散區(qū)；和復位晶體管，其一端連接到所述浮置擴散區(qū)，其另一端被施加有電源；其中，注入所述浮置擴散區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)離子濃度比注入施加有所述電源的所述復位晶體管的擴散區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)離子濃度低。
2. 根據(jù)權利要求1所述的單位像素，注入所述浮置擴散區(qū)內(nèi)的所述雜質(zhì)離子的數(shù)量具 有從1017/Cm3到102°/Cm3的值。
3. —種單位像素，包括一個或多個光電二極管，產(chǎn)生對應于圖像信號的圖像電荷；一個或多個傳輸晶體管，連接到相應的一個或多個光電二極管，以將所述圖像電荷傳輸?shù)焦驳母≈脭U散區(qū)；禾口復位晶體管，其一端連接到所述公共的浮置擴散區(qū)，其另一端被施加有電源； 其中，注入所述公共的浮置擴散區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)離子濃度比注入施加有所述電源的所述復位晶體管的擴散區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)離子濃度低。
4. 根據(jù)權利要求1所述的單位像素，其中，注入所述浮置擴散區(qū)內(nèi)的所述雜質(zhì)離子的 數(shù)量具有從1017/Cm3到102°/Cm3的值。
5. —種制造單位像素的方法，所述單位像素包括光電二極管和用于將圖像信號轉換成 電信號的圖像信號轉換電路，其中，所述方法使用第一掩膜，用于限定浮置擴散區(qū)；禾口第二掩膜，用于限定包含在所述圖像信號轉換電路內(nèi)的擴散區(qū)中除了所述浮置擴散區(qū) 以外的剩余的擴散區(qū)；其中，所述方法包括以下步驟將N(N是整數(shù))個雜質(zhì)離子注入所述第一掩膜限定的區(qū)域內(nèi)；禾口 將M(M是整數(shù))個雜質(zhì)離子注入所述第二掩膜限定的區(qū)域內(nèi)。
6. 根據(jù)權利要求5所述的方法，其中，M比N大。
7. 根據(jù)權利要求5所述的方法，其中，N具有從1013/Cm3到1019/Cm3的值。
全文摘要
提供了用于提高低照明度狀況下的靈敏度的單位像素和制造該單位像素的方法。該單位像素包括產(chǎn)生對應于圖像信號的圖像電荷的光電二極管、將圖像電荷傳輸?shù)礁≈脭U散區(qū)的傳輸晶體管、和一端連接到浮置擴散區(qū)且另一端被施加有電源的復位晶體管。其中，注入浮置擴散區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)離子濃度比注入施加有電源的復位晶體管的擴散區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)離子濃度低。
文檔編號H01L27/146GK101796642SQ200880102369
公開日2010年8月4日 申請日期2008年8月4日 優(yōu)先權日2007年8月9日
發(fā)明者李道永 申請人:(株)賽麗康