專利名稱：大感光面積cmos圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)CMOS圖像傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種提高大尺寸像素量子效率的像素結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
近年來，隨著CMOS集成電路制造工藝特別是CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)及制造工藝的不斷發(fā)展，CMOS圖像傳感器已經(jīng)逐漸取代CXD圖像傳感器成為主流。CMOS圖像傳感器相比工藝集成度更高、功耗更低等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)4T-PH)有源像素結(jié)構(gòu)切面圖如圖I所示，其中包括，I為P型雜質(zhì)襯底；2為鉗位二極管的N區(qū)；3為鉗位二極管的P區(qū)；4為FD (Floating Diffusion)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；5是RST管(復(fù)位管)的漏極，接電源電壓Vdd ;6是氧化層；7是TX管(傳輸管)的柵；8是RST管(復(fù)位管)的柵。其俯視圖如圖2所示，9是鉗位二極管的感光區(qū)域，其包括鉗位二極管N區(qū)2和位于其與氧化層6之間的鉗位二極管P區(qū)3。在大像素應(yīng)用中，大像素其具體表現(xiàn)在于圖2所示ro感光區(qū)域9的面積大。在4T-PPD有源像素曝光之前，鉗位二極管N區(qū)2內(nèi)的電子必須完全耗盡，否則會(huì)弓I入很大的噪聲，電子完全耗盡這一條件在小尺寸像素下很容易達(dá)到，但是在大像素中，由于鉗位二極管N區(qū)2過大，導(dǎo)致其中心部位在復(fù)位過程中無法完全耗盡，這就會(huì)引入很大的隨機(jī)噪聲。使鉗位二極管N區(qū)2在復(fù)位過程中能完全耗盡的傳統(tǒng)方法有減小N區(qū)雜2質(zhì)濃度、以及減小N區(qū)2底部邊緣距氧化層6的距離。然而減小N區(qū)2雜質(zhì)濃度，會(huì)使像素的阱容量降低；減小N區(qū)2底部邊緣距氧化層距離，會(huì)降低長(zhǎng)波長(zhǎng)光量子效率。所以鉗位二極管N區(qū)2的面積、注入深度與劑量之間存在一個(gè)相互制約的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種性能參數(shù)優(yōu)良的大像素結(jié)構(gòu)，提高像素對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)光的量子效率，以便采集到更加真實(shí)的彩色圖像，為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，大感光面積CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，由傳輸管TX、復(fù)位管RST、源跟隨器SF、選擇管SEL以及鉗位二極管PH)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)FD組成，鉗位二極管PH)為P型雜質(zhì)襯底上設(shè)置有鉗位二極管的N區(qū)、鉗位二極管的P區(qū)，在鉗位二極管的N區(qū)、鉗位二極管的P區(qū)之間設(shè)置有新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)，新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)與鉗位二極管感光區(qū)域交疊部分面積與感光區(qū)面積比例在I : 100 I : 5之間；交疊部分與傳輸管TX柵極之間的最短距離大于2um ;新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)濃度峰值注入的深度在N型雜質(zhì)區(qū)雜質(zhì)深度分布范圍之內(nèi)。一種大感光面積CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)生成方法，在由傳輸管TX、復(fù)位管RST、源跟隨器SF、選擇管SEL以及鉗位二極管pro和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)FD組成的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)上進(jìn)行，包括下列步驟使光刻板位于鉗位二極管pro感光區(qū)上方，光刻板開窗區(qū)為矩形，矩形的長(zhǎng)邊與傳輸管TX柵極和復(fù)位管RST柵極垂直連線方向相平行，開窗區(qū)的數(shù)量大于等于一；、
自開窗區(qū)向鉗位二極管pro的N區(qū)、鉗位二極管pro的P區(qū)之間注入新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)，使新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)與感光區(qū)域交疊部分面積與感光區(qū)面積比例在I : 100 I : 5之間；交疊部分與傳輸管TX柵極之間的最短距離大于2um ;新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)濃度峰值注入的深度在N型雜質(zhì)區(qū)雜質(zhì)深度分布范圍之內(nèi)。開窗區(qū)矩形長(zhǎng)邊長(zhǎng)為感光區(qū)的2/5，短邊長(zhǎng)為感光區(qū)的1/8。新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)，雜質(zhì)類型為硼，能量為80千電子伏，注入劑量為4X1012/cm2。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)及效果所增加的一次P型雜質(zhì)注入12在不改變感光區(qū)面積的前提下，I.使鉗位二極管N區(qū)注入深度可以在一定范圍內(nèi)加深，從而向襯底擴(kuò)展耗盡區(qū)范 圍，以提高對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)光的量子效率；2.使得鉗位二極管N區(qū)在復(fù)位過程中能夠完全耗盡，降低圖像噪聲；3.使鉗位二極管N區(qū)注入濃度可以在一定范圍內(nèi)提高，從而提高阱容量；4.使得鉗位二極管N區(qū)遠(yuǎn)離TX傳輸管柵7的一側(cè)濃度低于貼近TX傳輸管柵一側(cè)的濃度，從而形成一個(gè)自TX傳輸管柵向遠(yuǎn)離TX傳輸管柵一側(cè)的內(nèi)建電場(chǎng)，提高電荷自鉗位二極管向FD存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)4的傳輸速度。


圖I. 4T-PPD有源像素結(jié)構(gòu)示意圖。圖2.傳統(tǒng)鉗位二極管與TX傳輸管柵7、FD節(jié)點(diǎn)4、復(fù)位管的俯視圖。圖3.增加的P型雜質(zhì)注入12所用的光刻版的位置。圖4.以圖3所示A-A’連線的剖面圖。圖5.傳統(tǒng)鉗位二極管與TX傳輸管柵7、FD節(jié)點(diǎn)4、復(fù)位管的剖面圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，大感光面積CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，由傳輸管TX、復(fù)位管RST、源跟隨器SF、選擇管SEL以及鉗位二極管PH)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)FD組成，鉗位二極管PPD為P型雜質(zhì)襯底上設(shè)置有鉗位二極管的N區(qū)、鉗位二極管的P區(qū)，在鉗位二極管的N區(qū)、鉗位二極管的P區(qū)之間設(shè)置有新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)，新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)與鉗位二極管感光區(qū)域交疊部分面積與感光區(qū)面積比例在I : 100 I : 5之間；交疊部分與傳輸管TX柵極之間的最短距離大于2um ;新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)濃度峰值注入的深度在N型雜質(zhì)區(qū)雜質(zhì)深度分布范圍之內(nèi)。一種大感光面積CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)生成方法，在由傳輸管TX、復(fù)位管RST、源跟隨器SF、選擇管SEL以及鉗位二極管pro和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)FD組成的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)上進(jìn)行，包括下列步驟使光刻板位于鉗位二極管pro感光區(qū)上方，光刻板開窗區(qū)為矩形，矩形的長(zhǎng)邊與傳輸管TX柵極和復(fù)位管RST柵極垂直連線方向相平行，開窗區(qū)的數(shù)量大于等于一；自開窗區(qū)向鉗位二極管pro的N區(qū)、鉗位二極管pro的P區(qū)之間注入新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)，使新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)與感光區(qū)域交疊部分面積與感光區(qū)面積比例在I : 100 I : 5之間；交疊部分與傳輸管TX柵極之間的最短距離大于2um ;新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)濃度峰值注入的深度在N型雜質(zhì)區(qū)雜質(zhì)深度分布范圍之內(nèi)。開窗區(qū)矩形長(zhǎng)邊長(zhǎng)為感光區(qū)的2/5，短邊長(zhǎng)為感光區(qū)的1/8。新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)，雜質(zhì)類型為硼，能量為80千電子伏，注入劑量為4X 1012/cm2。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
，進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。本發(fā)明所涉及的4T-PH)有源像素的感光區(qū)面積是相對(duì)較大的，其特征是面積在25um2 500um2之間。在鉗位二極管的傳統(tǒng)兩種注入基礎(chǔ)上，其中包括P型雜質(zhì)鉗位層的注A 3以及N型雜質(zhì)區(qū)的注入2，增加一次P型雜質(zhì)注入12。P型雜質(zhì)注入其特征是，光刻版10相對(duì)位置如圖3所示，開窗11所處位置是P型雜質(zhì)注入的范圍。光刻版10開窗11其特征是，與鉗位二極管感光區(qū)域9有交疊部分，并且以直線連接開窗11邊界與鉗位二極管感光區(qū)9邊界的交點(diǎn)，所連直線屬于原感光區(qū)9的輪廓線上；并且交疊部分面積與感光區(qū)面積比例在I : 100 I : 5之間；交疊部分與TX傳輸管柵7之間的最短距離大于2um ;并且擁有上述特征的開窗11的數(shù)量大于等于一。P型雜質(zhì)注入12其特征是，濃度峰值注入的深 度在N型雜質(zhì)區(qū)注入2的雜質(zhì)深度分布范圍之內(nèi)。I.通過多次注入得到如圖5所示結(jié)構(gòu)，具體為鉗位二極管N區(qū)注入，雜質(zhì)為磷，能量為80keV，劑量為5 X IO1Vcm2 ;鉗位二極管P型鉗位層3注入，雜質(zhì)為BF2,能量為20keV，劑量為IX 1013/cm2 ；FD存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)4與復(fù)位管漏極5的N型雜質(zhì)注入以具體工藝的NMOS管源漏注入為準(zhǔn)。BF2是二氟化硼，keV表示千電子伏。2.如圖3所示開窗11所示位置，其中線與鉗位二極管感光區(qū)9的中線重合于A-A’，并且以圖3所示開窗11上下寬度占到鉗位二極管感光區(qū)9上下寬度的1/8，并且開窗11與鉗位二極管感光區(qū)9交疊部分的左右寬度占鉗位二極管感光區(qū)9左右寬度的2/5。P型雜質(zhì)注入12，雜質(zhì)類型為硼，能量為80keV，注入劑量為4X1012/cm2。本發(fā)明通過在鉗位二極管感光區(qū)增加一次P型雜質(zhì)注入12，能夠在保證不降低鉗位二極管感光區(qū)域9面積、不降低像素的滿阱容量、并且能使鉗位二極管N區(qū)2在復(fù)位過程中完全耗盡的前提下，提高像素對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)光的量子效率，以設(shè)計(jì)得到一種性能參數(shù)優(yōu)良的大像素結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種大感光面積CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，由傳輸管TX、復(fù)位管RST、源跟隨器SF、選擇管SEL以及鉗位二極管pro和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)FD組成，鉗位二極管pro為P型雜質(zhì)襯底上設(shè)置有鉗位二極管的N區(qū)、鉗位二極管的P區(qū)，其特征是，在鉗位二極管的N區(qū)、鉗位二極管的P區(qū)之間設(shè)置有新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)，新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)與鉗位二極管感光區(qū)域交疊部分面積與感光區(qū)面積比例在I : 100 I : 5之間；交疊部分與傳輸管TX柵極之間的最短距離大于2um ;新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)濃度峰值注入的深度在N型雜質(zhì)區(qū)雜質(zhì)深度分布范圍之內(nèi)。
2.一種大感光面積CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)生成方法，其特征是，在由傳輸管TX、復(fù)位管RST、源跟隨器SF、選擇管SEL以及鉗位二極管PI3D和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)FD組成的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)上進(jìn)行，包括下列步驟 使光刻板位于鉗位二極管PF1D感光區(qū)上方,光刻板開窗區(qū)為矩形,矩形的長(zhǎng)邊與傳輸管TX柵極和復(fù)位管RST柵極垂直連線方向相平行，開窗區(qū)的數(shù)量大于等于一； 自開窗區(qū)向鉗位二極管PPD的N區(qū)、鉗位二極管PPD的P區(qū)之間注入新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)，使新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)與感光區(qū)域交疊部分面積與感光區(qū)面積比例在I : 100 I : 5之間；交疊部分與傳輸管TX柵極之間的最短距離大于2um ;新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)濃度峰值注入的深度在N型雜質(zhì)區(qū)雜質(zhì)深度分布范圍之內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的大感光面積CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)生成方法，其特征是，開窗區(qū)矩形長(zhǎng)邊長(zhǎng)為感光區(qū)的2/5，短邊長(zhǎng)為感光區(qū)的1/8。
4.如權(quán)利要求2所述的大感光面積CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)生成方法，其特征是，新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)，雜質(zhì)類型為硼，能量為80千電子伏，注入劑量為4X1012/cm2。
5.如權(quán)利要求2所述的大感光面積CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)生成方法，其特征是，開窗區(qū)的數(shù)量大于I時(shí)，使開窗區(qū)在感光區(qū)范圍內(nèi)平行分布。
全文摘要
本發(fā)明涉及固態(tài)CMOS圖像傳感器。為提供性能參數(shù)優(yōu)良的大像素結(jié)構(gòu)，提高像素對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)光的量子效率，以便采集到更加真實(shí)的彩色圖像，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，大感光面積CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及生成方法，鉗位二極管PPD為P型雜質(zhì)襯底上設(shè)置有鉗位二極管的N區(qū)、鉗位二極管的P區(qū)，在鉗位二極管的N區(qū)、鉗位二極管的P區(qū)之間設(shè)置有新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)，新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)與鉗位二極管感光區(qū)域交疊部分面積與感光區(qū)面積比例在1:100～1:5之間；交疊部分與傳輸管TX柵極之間的最短距離大于2um；新P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)濃度峰值注入的深度在N型雜質(zhì)區(qū)雜質(zhì)深度分布范圍之內(nèi)。本發(fā)明主要應(yīng)用于CMOS圖像傳感器的設(shè)計(jì)制造。
文檔編號(hào)H01L27/146GK102683373SQ20121014401
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者史再峰, 姚素英, 孫羽, 徐江濤, 韓立鏹, 高靜 申請(qǐng)人:天津大學(xué)