一種硅基cmos圖像傳感器及其抑制光生載流子表面陷阱復合的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于微電子【技術領域】，具體為一種硅基CMOS圖像傳感器及其抑制光生載流子表面陷阱復合的方法。本發(fā)明硅基CMOS圖像傳感器，具有光生載流子的轉移效率高、表面復合率低的特性，具體包括：光電二極管（PPD），浮動擴散區(qū)（FD），傳遞晶體管（TX），淺槽隔離區(qū)（STI），抗穿通注入區(qū)（APT），以及通過兩次不同位置、不同能量、不同劑量的離子注入在局部自對準形成的表面陷阱抑制層，同時獲得高的光生載流子轉移效率和低的表面陷阱復合率。
【專利說明】一種硅基CMOS圖像傳感器及其抑制光生載流子表面陷阱復合的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子【技術領域】，具體涉及一種硅基CMOS圖像傳感器，及其抑制光生載流子表面陷阱復合的方法。
【背景技術】
[0002]圖像傳感器是將光學圖像轉換為電信號的半導體器件，通?？煞譃镃MOS圖像傳感器和CCD圖像傳感器。CMOS圖像傳感器是近十年來圖像傳感器的研究熱點，同傳統(tǒng)的CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器具有體積小巧、低功耗和低成本的優(yōu)點，而且由于和CMOS工藝兼容的特點，CMOS圖像傳感器可以實現(xiàn)功能強大的片上系統(tǒng)芯片。
[0003]傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器的單個像素如圖1所示。由光電二極管(Pro)，浮動擴散區(qū)(FD)和傳遞晶體管(TX)構成。
[0004]理想狀態(tài)下，CMOS圖像傳感器單個像素的工作原理如下，先由復位晶體管把光電二極管(PPD)置于高電位狀態(tài)，使光電二極管的PN結處于反偏狀態(tài)。再關閉復位晶體管，光電二極管上的高電位使源跟隨器處于開啟狀態(tài)圖2 CA),當行選擇晶體管處于開啟狀態(tài)時，Vdd可以通過源跟隨器傳導到輸出端。當光線(光子)到達光電二極管的硅體內后，部分晶格上硅原子的共價鍵被打斷，從而形成電子空穴對，其被釋放的電子的數目則正比于入射光的強度圖2 (B)。在復位晶體管關閉后，光電二極管內的反偏PN結收集通過光電效應在硅體內產生的電子。并排斥與之對應的空穴，使與之相連的源跟隨器的柵極電位下降圖2(C)。從而在行選中(保持行選擇晶體管開啟)的狀態(tài)下，放大晶體管作為源跟隨器使像素輸出端的電位下降。根據電位下降速率與光強的對應關系，通過量測一定時間內輸出端的電位變化(Λ V)，就可知道入射光的強度圖2 (D)0
[0005]然而，傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器不能將光感測區(qū)(PPD)內的光生載流子完全轉移到浮動擴散區(qū)(FD)，主要原因在于光感測區(qū)(PPD)和傳遞晶體管(TX)溝道之間存在勢壘，阻礙了部分光生載流子從光感測區(qū)進入溝道，圖1的10即光電二極管和傳遞晶體管溝道之間勢壘存在的位置。
[0006]實際工作過程的電勢圖如圖3所示。由于光感測區(qū)域和傳遞晶體管(TX)溝道之間的勢壘，部分光生載流子不能轉移到浮動擴散區(qū)。
[0007]另外一種現(xiàn)有的結構圖如圖4所示，把感光區(qū)的載流子收集區(qū)部分向溝道延伸，且與半導體表面相連接，位置不限于柵或者側墻下面。然而，光電二極管載流子收集區(qū)與表面接觸，容易造成光生載流子在表面陷阱的復合。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提出一種光生載流子的轉移效率高、表面復合率低的硅基CMOS圖像傳感器，及抑制硅基CMOS圖像傳感器光生載流子表面陷阱復合的方法。
[0009]本發(fā)明提供的硅基CMOS圖像傳感器，具有光生載流子的轉移效率高、表面復合率低的特性，具體包括:
光電二極管(pro)，即光感測器件，用于產生光電荷；
浮動擴散區(qū)(FD)，用于存儲光電荷；
傳遞晶體管(TX)，用于連接光感測器件和浮動擴散區(qū)，可將光感測器件產生的光電荷傳遞到浮動擴散區(qū)；
淺槽隔離區(qū)(STI )，其周圍與襯底摻雜類型相同，并使得光電二極管表層重摻雜區(qū)域與襯底的電動勢相同；
抗穿通注入區(qū)(APT)，包圍浮動擴散區(qū)，其位置與光電二極管盡量遠；
還包括:
通過兩次不同位置、不同能量、不同劑量的離子注入在局部自對準形成的光生載流子表面陷阱抑制層，且鄰近光電二極管與傳遞晶體管(TX)連接部分的陷阱抑制層結深較淺、劑量較低，而其余部分的陷阱抑制層結深較深、劑量較高。
[0010]本發(fā)明還涉及抑制硅基CMOS圖像傳感器光生載流子表面陷阱復合的方法，是提供CMOS圖像傳感器的單個像素，通過兩次不同位置、不同能量、不同劑量的離子注入，在局部自對準形成光生載流子表面陷阱抑制層，且鄰近光電二極管與傳遞晶體管(TX)連接部分的陷阱抑制層結深較淺、劑量較低，而其余部分的陷阱抑制層結深較深、劑量較高。
[0011]本發(fā)明中，所述位于光電二極管與傳遞晶體管(TX)溝道區(qū)連接部分表層的陷阱抑制層中結深較淺的部分，可形成于傳遞晶體管(TX)的柵極下方，也可形成在傳遞晶體管(TX)柵極側墻下方，或者在柵極和側墻之下皆有；且在平行于表面從感光區(qū)指向傳遞晶體管(TX)溝道區(qū)的方向，陷阱抑制層的摻雜濃度呈現(xiàn)單調遞減趨勢，結深呈現(xiàn)單調遞減趨勢。
[0012]本發(fā)明中，所述該陷阱抑制層的制作過程是:多晶硅柵極線條形成后，在收集區(qū)內表層通過第一次低能、低劑量離子注入形成表層PU結，即實現(xiàn)結深5nm以內的淺層陷阱抑制層；然后通過多晶硅側墻偏移工藝(Sidewall Offset)，在多晶硅柵極感光區(qū)一側形成側墻偏移，再在感光區(qū)通過第二次較高能量、劑量的離子注入形成表層Pn結，即在收集區(qū)內表層實現(xiàn)結深IOnm以內的陷阱抑制層。兩次離子注入過程均是自對準的實現(xiàn)選區(qū)摻雜。
[0013]本發(fā)明通過兩次不同位置、不同能量、不同劑量的離子注入在局部自對準的形成表面陷阱抑制層，同時獲得了高的光生載流子轉移效率和低的表面陷阱復合率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是傳統(tǒng)的硅基CMOS圖像傳感器像素的結構示意圖。
[0015]圖2中，A到D說明理想狀態(tài)下硅基CMOS圖像傳感器產生和讀出電荷的操作時的電勢分布圖。
[0016]圖3中，A到D說明實際情況下硅基CMOS圖像傳感器產生和讀出電荷的操作時的電勢分布圖。
[0017]圖4為一種傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器的結構圖。
[0018]圖5是根據本發(fā)明CMOS圖像傳感器像素的布圖。
[0019]圖6為形成光電二極管最淺結深P型層的剖面圖。
[0020]圖7為形成光電二極管次淺結深P+型層的剖面圖。
[0021]圖8為形成光電二極管較深結深P++型層的剖面圖?！揪唧w實施方式】
[0022]下面結合附圖和實施例進一步描述本發(fā)明。
[0023]本發(fā)明區(qū)別于傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器在于通過兩次不同位置不同能量不同劑量的注入形成陷阱抑制層，可通過以下方法形成:
1、如圖6所示，多晶硅柵形成以后，進行低劑量P型離子注入，在感光區(qū)形成淺P型陷阱防止層。
[0024]2、如圖7所示，采用側墻偏移技術形成第一層側墻后，進行較高劑量P型離子注入，在感光區(qū)形成較淺P+型陷阱防止層。
[0025]3、如圖8所示，第二層側墻淀積形成后，進行高劑量P型離子注入，在感光區(qū)形成較深P++型陷阱防止層。
[0026]以光生載流子為電子為例，參照附圖5說明本發(fā)明的內容。本發(fā)明的CMOS圖像傳感器包括光感應區(qū)，光感應區(qū)的陷阱防止層，傳輸柵極，浮動擴散區(qū)，抗穿通注入區(qū)域。當傳輸柵極和浮動擴散區(qū)施加了具有與所產生電荷極性相反極性的電壓時，光感應區(qū)存儲的載流子被傳輸至浮動擴散區(qū)。
[0027]501為P型襯底，502為摻雜濃度高于P型襯底的抗穿通區(qū)域。507、508、501構成PNP,光生載流子產生于這個區(qū)域，并且存儲于508中。505為最淺P型區(qū)域，506為次淺P型區(qū)域。當傳輸晶體管(TX)和浮動擴散區(qū)(FD)上加正向偏壓時，存儲于507中的電子沿著A-B—C-D的路徑轉移到浮動擴散區(qū)(FD)。
【權利要求】
1.一種硅基CMOS圖像傳感器，具有光生載流子的轉移效率高、表面復合率低的特性，具體包括: 光電二極管(pro)，即光感測器件，用于產生光電荷； 浮動擴散區(qū)(FD)，用于存儲光電荷； 傳遞晶體管(TX)，用于連接光感測器件和浮動擴散區(qū)，可將光感測器件產生的光電荷傳遞到浮動擴散區(qū)； 淺槽隔離區(qū)(STI)，其周圍與襯底摻雜類型相同，并使得光電二極管表層重摻雜區(qū)域與襯底的電動勢相同； 抗穿通注入區(qū)(APT)，包圍浮動擴散區(qū)，其位置與光電二極管盡量遠； 其特征在于還包括: 通過兩次不同位置、不同能量、不同劑量的離子注入，在局部自對準形成的光生載流子表面陷阱抑制層，且鄰近光電二極管與傳遞晶體管(TX)連接部分的陷阱抑制層結深較淺、劑量較低，而其余部分的陷阱抑制層結深較深、劑量較高。
2.如權利要求1所述的硅基CMOS圖像傳感器，其特征在于位于光電二極管與傳遞晶體管(TX)溝道區(qū)連接部分表層的陷阱抑制層中結深較淺的部分，在傳遞晶體管(TX)的柵極下方，或者在傳遞晶體管(TX)柵極側墻下方，或者在柵極和側墻之下皆有；且在平行于表面從感光區(qū)指向傳遞晶體管(TX)溝道區(qū)的方向，陷阱抑制層的摻雜濃度呈單調遞減趨勢，結深呈單調遞減趨勢。
3.一種抑制硅基CMOS圖像傳感器光生載流子表面陷阱復合的方法，其特征在于具體步驟為:提供CMOS圖像傳感器的單個像素，通過兩次不同位置、不同能量、不同劑量的離子注入，在局部自對準形成光生載流子表面陷阱抑制層，且鄰近光電二極管與傳遞晶體管(TX)連接部分的陷阱抑制層結深較淺、劑量較低，而其余部分的陷阱抑制層結深較深、劑量較聞。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于位于光電二極管與傳遞晶體管(TX)溝道區(qū)連接部分表層的陷阱抑制層中結深較淺的部分，形成于傳遞晶體管(TX)的柵極下方，或者形成在傳遞晶體管(TX)柵極側墻下方，或者形成在傳遞晶體管(TX)柵極和柵極側墻下方；且在平行于表面從感光區(qū)指向傳遞晶體管(TX)溝道區(qū)的方向，陷阱抑制層的摻雜濃度呈現(xiàn)單調遞減趨勢，結深呈現(xiàn)單調遞減趨勢。
5.根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述陷阱抑制層的制作過程是:多晶硅柵極線條形成后，在收集區(qū)內表層通過第一次低能、低劑量離子注入形成表層Pn結，即實現(xiàn)結深5nm以內的淺層陷阱抑制層；然后通過多晶硅側墻偏移工藝，在多晶硅柵極感光區(qū)一側形成側墻偏移，再在感光區(qū)通過第二次較高能量、劑量的離子注入形成表層Pn結，即在收集區(qū)內表層實現(xiàn)結深IOnm以內的陷阱抑制層；兩次離子注入過程均是自對準的實現(xiàn)選區(qū)慘雜。
【文檔編號】H01L27/146GK103915457SQ201410095466
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權日:2014年3月14日
【發(fā)明者】蔣玉龍, 包永霞 申請人:復旦大學