一種抗串?dāng)_倒u型埋層光電二極管及生成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極管及生成方法，能夠保證在不損耗感光區(qū)填充因子的條件下，降低相鄰像素單元之間較長波段光激發(fā)的載流子因擴(kuò)散機(jī)制而產(chǎn)生的電荷串?dāng)_率，并提升滿阱能力、量子效率等關(guān)鍵指標(biāo)，本發(fā)明包括P型外延層上部設(shè)置的表面P+鉗位層，表面P+鉗位層下部設(shè)置有初始N型感光區(qū)，初始N型感光區(qū)下方設(shè)置有兩層環(huán)形的P型輕摻雜埋層，P型輕摻雜埋層環(huán)形內(nèi)部設(shè)置有二次N型感光埋層；建立了由P型輕摻雜埋層指向P型外延層的內(nèi)建電場，使產(chǎn)生于外延層及襯底中較長波段入射光激發(fā)的載流子受到內(nèi)建電場力的作用向頂層感光N埋層漂移并被收集，阻止了電荷的橫向擴(kuò)散，電荷串?dāng)_現(xiàn)象得到抑制。
【專利說明】一種抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極管及生成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于CMOS圖像傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極管及 生成方法。

【背景技術(shù)】
[0002] CMOS圖像傳感器以其低功耗、低成本、并且能與CMOS半導(dǎo)體集成電路制造工藝兼 容等優(yōu)點(diǎn)逐步取代CCD占據(jù)圖像傳感器主流市場。采用鉗位光電二極管（PPD)為感光單元 的像素結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小了傳感器的復(fù)位噪聲、暗電流、固定模式噪聲等指標(biāo)，并且能夠通過 相關(guān)雙采樣技術(shù)補(bǔ)償成像質(zhì)量，這些優(yōu)勢使pro像素廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代高性能CMOS圖像傳感 器中。
[0003] 常規(guī)pro像素電路是由一個(gè)鉗位光電二極管、浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)、傳輸管、復(fù)位管、源 跟隨器和行選開關(guān)共同組成，鉗位光電二極管是由在P型外延層上注入的N埋層，表面P+ 鉗位層和P型外延層共同組成，該光電二極管結(jié)構(gòu)用于接收入射光子，并產(chǎn)生與入射光光 強(qiáng)及波長相對(duì)應(yīng)的信號(hào)電荷輸出，P阱的注入是為了抑制感光耗盡區(qū)橫向延伸。
[0004] 隨著CMOS工藝的進(jìn)步，CMOS圖像傳感器像素單元尺寸縮小，集成密度增加，使得 相鄰像素之間的物理距離越來越小，引發(fā)嚴(yán)重的串?dāng)_效應(yīng)，造成輸出圖像解析度及均勻性 降低，影響成像質(zhì)量。所謂串?dāng)_效應(yīng)，可分為兩類，一類是光在被完全吸收之前到達(dá)相鄰像 素位置或是經(jīng)過互連介質(zhì)層反射及折射而進(jìn)入相鄰像素感光區(qū)，稱為光串?dāng)_；另一類是光 入射到襯底激發(fā)電荷，其在擴(kuò)散回耗盡層吸收區(qū)之前存在一定幾率發(fā)生橫向擴(kuò)散而進(jìn)入相 鄰像素感光吸收區(qū)而被收集，稱為電荷串?dāng)_，特別對(duì)于較長波段光，其吸收深度遠(yuǎn)低于耗盡 層吸收區(qū)，電荷串?dāng)_現(xiàn)象會(huì)更加顯著。因此考慮到串?dāng)_效應(yīng)的影響，上述常規(guī)Pro像素結(jié)構(gòu) 將會(huì)受到相鄰像素的干擾，降低圖像解析度，在應(yīng)用中存在一定局限性。
[0005] 目前國內(nèi)外對(duì)串?dāng)_效應(yīng)的研究已有部分公開發(fā)表的成果，特別是針對(duì)電荷串?dāng)_， 提出了一些解決措施，歸納為三種：第一種是在相鄰像素之間增加有源區(qū)并注入P+保護(hù) 環(huán)，為產(chǎn)生于襯底的光生電荷提供低阻泄放通路，使其無法擴(kuò)散至其他像素，該方法會(huì)大幅 增加傳感器芯片面積，也不利于感光區(qū)填充因子的設(shè)計(jì)；第二種是增加外延層的摻雜濃度， 降低少數(shù)載流子壽命及擴(kuò)散長度，使電荷在擴(kuò)散至相鄰像素感光吸收區(qū)之前已復(fù)合，其弊 端在于P型外延層濃度的增加不利于耗盡區(qū)向外延層延伸，影響長波段光的吸收，降低了 量子效率，使傳感器光譜響應(yīng)范圍受限；第三種是采用深槽隔離工藝（DTI)，將像素單元進(jìn) 行電氣隔離，該方法受限于工藝水平，也增加了暗電流產(chǎn)生率，較難得到廣泛應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極管及生成 方法，能夠保證在不損耗感光區(qū)填充因子的前提下，降低相鄰像素單元之間較長波段光激 發(fā)載流子的電荷串?dāng)_率，并提升滿阱能力、量子效率等像素關(guān)鍵性能指標(biāo)，使傳感器能夠提 供高解析度、高質(zhì)量的圖像。
[0007] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明一種抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極管，包括P型外延層和 在其下部的P型襯底，P型外延層上部設(shè)置有表面P+鉗位層，表面P+鉗位層下部設(shè)置有初 始N型感光區(qū)，初始N型感光區(qū)下方設(shè)置有兩層環(huán)形的P型輕摻雜埋層，P型輕摻雜埋層環(huán) 形內(nèi)部設(shè)置有二次N型感光埋層。
[0008] -種抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極管的生成方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟一：在P型外延層內(nèi)注入砷離子形成初始N型感光區(qū)；
[0010] 步驟二：在初始N型感光區(qū)上的注入硼離子形成P+鉗位層；
[0011] 步驟三：在初始N型感光區(qū)下方與外延層交界處的周圍使用LP光刻掩膜板注 入比砷離子投影射程長的N型雜質(zhì)離子，形成LP1區(qū)域，注入劑量范圍為2X10 nCnT2? 3X10ncnT2,注入能量范圍為650keV?850keV ;
[0012] 步驟四：在LP1區(qū)域下方注入比砷離子投影射程長的N型雜質(zhì)離子，形成LP2區(qū) 域，LP1區(qū)域與LP2區(qū)域形成縱向環(huán)形P型輕摻雜埋層，并產(chǎn)生內(nèi)建電場，注入劑量范圍為 2X10 ncnT2 ?3X10ncnT2,注入能量范圍為 1300keV ?1600keV ;
[0013] 步驟五：使用Sn光刻掩膜板將砷離子注入P型輕摻雜埋層環(huán)形內(nèi)部，形成二次N 型感光埋層，二次N型感光埋層與P型輕摻雜埋層產(chǎn)生側(cè)壁寄生電容，最終形成抗串?dāng)_倒U 型埋層光電二極管。
[0014] 所述步驟一中P型外延層的摻雜濃度為1X 1015cnT3。
[0015] 所述步驟一中注入砷離子的劑量范圍為5X1012cm_2?7X10 12cm_2,注入能量范圍 為 60keV ?lOOkeV。
[0016] 所述步驟二中硼離子的注入劑量范圍為8X1012cnT2?lX10 13cnT2,注入能量范圍 為 5keV ?8keV。
[0017] 所述步驟三和步驟四中比砷離子投影射程長的N型雜質(zhì)離子為氮或磷。
[0018] 所述步驟五中砷離子注入劑量范圍為8X10nCnT2?12X10 nCnT2,注入能量范圍為 200keV ?300keV。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一種抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極管具有以下有益效 果：
[0020] 1)本發(fā)明并未影響像素感光面積及填充因子，也未增加傳感器芯片的面積；
[0021] 2)本發(fā)明的二次感光N埋層的注入使耗盡層進(jìn)一步向襯底延伸，入射光能夠被有 效吸收的深度更深，因此擁有更高的長波段光照量子效率；
[0022] 3)本發(fā)明的二次N型感光埋層被"內(nèi)嵌"于P型輕摻雜埋層內(nèi)，相當(dāng)于僅是初始N 型感光區(qū)的中部區(qū)域向P型外延層延伸，并且因雜質(zhì)濃度梯度分布的原因，二次N型感光埋 層摻雜濃度較低，因此能夠在一定程度保持初始N型感光埋層的耗盡能力，不易產(chǎn)生前一 幀信號(hào)電荷殘留至下一幀的"圖像拖尾"現(xiàn)象。
[0023] 進(jìn)一步的，本發(fā)明一種抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極管在初始N型感光區(qū)下方再次 注入了二次N型感光埋層，增加了光電二極管側(cè)壁寄生電容，進(jìn)而增大了滿阱電荷能力。
[0024] 本發(fā)明一種抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極管的生成方法，是通過在初始N型感光區(qū) 下方與P型外延層外延層交界處周圍注入高能量低劑量N型雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)與P型外延層的雜 質(zhì)補(bǔ)償，生成比P型外延層濃度更低的P型輕摻雜埋層，并與P型外延層之間形成濃度梯 度，建立了由P型輕摻雜埋層指向P型外延層的內(nèi)建電場，使產(chǎn)生于外延層及襯底中較長波 段入射光激發(fā)的載流子受到內(nèi)建電場力的作用向頂層感光N埋層漂移并被收集，阻止了電 荷的橫向擴(kuò)散，電荷串?dāng)_現(xiàn)象得到抑制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1為傳統(tǒng)4T有源像素電路示意圖；
[0026] 圖2為傳統(tǒng)pro結(jié)構(gòu)電荷串?dāng)_機(jī)理；
[0027] 圖3為本發(fā)明兩步輕摻雜P型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖4為本發(fā)明二次N型感光埋層注入示意圖；
[0029] 圖5為本發(fā)明感光區(qū)版圖示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0031] 參見圖3、圖4和圖5,本發(fā)明一種抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極管，包括P型外延層 130和在其下部的P型襯底200, P型外延層130上部設(shè)置有表面P+鉗位層100,表面P+鉗 位層100下部設(shè)置有初始N型感光區(qū)110,初始N型感光區(qū)110下方設(shè)置有兩層環(huán)形的P型 輕摻雜埋層，P型輕摻雜埋層環(huán)形內(nèi)部設(shè)置有二次N型感光埋層410。
[0032] 實(shí)施例1 :
[0033] 步驟一：在摻雜濃度為1 X 1015cnT3的P型外延層130內(nèi)注入砷離子形成初始N型 感光區(qū)110,注入砷離子的劑量為5X10 12cm_2,注入能量為60keV ;
[0034] 步驟二：在初始N型感光區(qū)110上注入硼離子形成P+鉗位層100,硼離子的注入 劑量為8X10 12cm_2,注入能量為5keV ;
[0035] 步驟三：在初始N型感光區(qū)100下方與外延層交界處的周圍使用LP光刻掩膜板 520注入磷離子，形成LP1區(qū)域320,注入劑量為2. 2X 10ncnT2?，注入能量為700keV ;
[0036] 步驟四：在LP1區(qū)域320下方注入氮或磷離子，形成LP2區(qū)域321，LP1區(qū)域320與 LP2區(qū)域321形成縱向環(huán)形P型輕摻雜埋層，并產(chǎn)生內(nèi)建電場，注入劑量為3X10nCnT2,注入 能量為1600keV ;
[0037] 步驟五：使用Sn光刻掩膜板將砷離子411注入P型輕摻雜埋層環(huán)形內(nèi)部，砷離子 411注入劑量為8 X 10ncm_2,注入能量為200keV，形成二次N型感光埋層410,二次N型感光 埋層410與P型輕摻雜埋層產(chǎn)生側(cè)壁寄生電容420,最終形成抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極 管。
[0038] 實(shí)施例2 :
[0039] 步驟一：在摻雜濃度為1 X 1015cnT3的P型外延層130內(nèi)注入砷離子形成初始N型 感光區(qū)110,注入砷離子的劑量為5X10 12cm_2,注入能量為60keV ;
[0040] 步驟二：在初始N型感光區(qū)110上的注入硼離子形成P+鉗位層100,硼離子的注 入劑量為8X10 12cm_2,注入能量為5keV ;
[0041] 步驟三：在初始N型感光區(qū)100下方與外延層交界處的周圍使用LP光刻掩膜板 520注入磷離子，形成LP1區(qū)域320,注入劑量為2X 10ncnT2,注入能量為650keV ;
[0042] 步驟四：在LP1區(qū)域320下方注入氮或磷離子，形成LP2區(qū)域321，LP1區(qū)域320與 LP2區(qū)域321形成縱向環(huán)形P型輕摻雜埋層，并產(chǎn)生內(nèi)建電場，注入劑量為2X10nCnT2,注入 能量為1300keV ;
[0043] 步驟五：使用Sn光刻掩膜板將砷離子411注入P型輕摻雜埋層環(huán)形內(nèi)部，砷離子 411注入劑量為8 X 10ncm_2,注入能量為200keV，形成二次N型感光埋層410,二次N型感光 埋層410與P型輕摻雜埋層產(chǎn)生側(cè)壁寄生電容420,最終形成抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極 管。
[0044] 實(shí)施例3 :
[0045] 步驟一：在摻雜濃度為1 X 1015cnT3的P型外延層130內(nèi)注入砷離子形成初始N型 感光區(qū)110,注入砷離子的劑量為7X10 12cm_2,注入能量為lOOkeV ;
[0046] 步驟二：在初始N型感光區(qū)110上的注入硼離子形成P+鉗位層100,硼離子的注 入劑量為1 X l〇13cm_2,注入能量為8keV ;
[0047] 步驟三：在初始N型感光區(qū)100下方與外延層交界處的周圍使用LP光刻掩膜板 520注入氮離子，形成LP1區(qū)域320,注入劑量為3 X 10ncnT2,注入能量為850keV ;
[0048] 步驟四：在LP1區(qū)域320下方注入氮或磷離子，形成LP2區(qū)域321，LP1區(qū)域320與 LP2區(qū)域321形成縱向環(huán)形P型輕摻雜埋層，并產(chǎn)生內(nèi)建電場，注入劑量為3X10nCnT2,注入 能量為1600keV ;
[0049] 步驟五：使用Sn光刻掩膜板將砷離子411注入P型輕摻雜埋層環(huán)形內(nèi)部，砷離子 411注入劑量為12X10 ncm_2,注入能量為300keV，形成二次N型感光埋層410,二次N型感 光埋層410與P型輕摻雜埋層產(chǎn)生側(cè)壁寄生電容420,最終形成抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極 管。
[0050] 實(shí)施例4 :
[0051] 步驟一：在摻雜濃度為1X 1015cnT3的P型外延層130內(nèi)注入砷離子形成初始N型 感光區(qū)110,注入砷離子的劑量為6X10 12cm_2,注入能量為80keV ;
[0052] 步驟二：在初始N型感光區(qū)110上的注入硼離子形成P+鉗位層100,硼離子的注 入劑量為9 X 1012cm_2,注入能量為7keV ;
[0053] 步驟三：在初始N型感光區(qū)100下方與外延層交界處的周圍使用LP光刻掩膜板 520注入磷離子，形成LP1區(qū)域320,注入劑量為1. 5 X 10ncnT2,注入能量為750keV ;
[0054] 步驟四：在LP1區(qū)域320下方注入氮或磷離子，形成LP2區(qū)域321，LP1區(qū)域320與 LP2區(qū)域321形成縱向環(huán)形P型輕摻雜埋層，并產(chǎn)生內(nèi)建電場，注入劑量為1. 5X10ncm_2,注 入能量為1450keV ;
[0055] 步驟五：使用Sn光刻掩膜板將砷離子411注入P型輕摻雜埋層環(huán)形內(nèi)部，砷離子 411注入劑量為10X10 ncm_2,注入能量為150keV，形成二次N型感光埋層410,二次N型感 光埋層410與P型輕摻雜埋層產(chǎn)生側(cè)壁寄生電容420,最終形成抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極 管。
[0056] 本發(fā)明通過折中考慮串?dāng)_效應(yīng)的抑制與其他主要像素性能指標(biāo)的保持及改善，做 了以下兩步結(jié)構(gòu)改進(jìn)：步驟一是在初始N型感光區(qū)（0N) 110下方與外延層交界處的周圍分 別注入縱向P型輕摻雜埋層結(jié)構(gòu)；步驟二是在P型輕摻雜埋層之間注入二次N型感光埋層， 與P型輕摻雜埋層形成倒U型結(jié)構(gòu)。
[0057] 如圖3所示，在P型輕摻雜埋層的生成方法上，要求新注入P型濃度要低于P型外 延層的摻雜濃度，因此需根據(jù)雜質(zhì)補(bǔ)償原理，分兩步注入能量不同的N型雜質(zhì)離子311來補(bǔ) 償P型外延層中的受主離子，兩步注入掩膜板相同。該N型離子類型的選擇必須是原子序 數(shù)小于初始N埋層雜質(zhì)的離子，以獲得更深的投影射程。第一步注入劑量為2 X 10nCnT2? 3X10ncnT2,能量為650keV?850keV，形成LP1區(qū)域；第二步注入劑量為2X10 ncnT2? 3 X 10ncm_2,能量為1300keV?1600keV，形成LP2區(qū)域，則LP1及LP2埋層的形成使得在LP 區(qū)域與P型外延層130之間建立了由P型輕摻雜埋層指向P型外延層的深層電場330,其電 場強(qiáng)度可表達(dá)為：
[0058]

【權(quán)利要求】
1. 一種抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極管，其特征在于：包括P型外延層（130)和在其下 部的P型襯底（200)，P型外延層（130)上部設(shè)置有表面P+鉗位層（100)，表面P+鉗位層 (100)下部設(shè)置有初始N型感光區(qū)（110)，初始N型感光區(qū)（110)下方設(shè)置有兩層環(huán)形的P 型輕摻雜埋層，P型輕摻雜埋層環(huán)形內(nèi)部設(shè)置有二次N型感光埋層（410)。
2. -種抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極管的生成方法，其特征在于：包括以下步驟： 步驟一：在P型外延層（130)內(nèi)注入砷離子形成初始N型感光區(qū)（110); 步驟二：在初始N型感光區(qū)（110)上的注入硼離子形成P+鉗位層（100); 步驟三：在初始N型感光區(qū)（100)下方與外延層交界處的周圍使用LP光刻掩膜板 (520)注入比砷離子投影射程長的N型雜質(zhì)離子，形成LP1區(qū)域（320)，注入劑量范圍為 2X10ncnT 2 ?3X10ncnT2,注入能量范圍為 650keV ?850keV ; 步驟四：在LP1區(qū)域（320)下方注入比砷離子投影射程長的N型雜質(zhì)離子，形成LP2區(qū) 域（321)，LP1區(qū)域（320)與LP2區(qū)域（321)形成縱向環(huán)形P型輕摻雜埋層，并產(chǎn)生內(nèi)建電 場，注入劑量范圍為2X10 ncnT2?3X10ncnT2,注入能量范圍為1300keV?1600keV ; 步驟五：使用Sn光刻掩膜板將砷離子（411)注入P型輕摻雜埋層環(huán)形內(nèi)部，形成二次 N型感光埋層（410)，二次N型感光埋層（410)與P型輕摻雜埋層產(chǎn)生側(cè)壁寄生電容（420)， 最終形成抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極管的生成方法，其特征在于： 所述步驟一中P型外延層（130)的摻雜濃度為lX1015cm_3。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極管的生成方法，其特征在 于：所述步驟一中注入砷離子的劑量范圍為5X10 12cnT2?7X1012cnT2,注入能量范圍為 60keV ?lOOkeV。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極管的生成方法，其特征在于： 所述步驟二中硼離子的注入劑量范圍為8X 1012cm_2?1 X 1013cm_2,注入能量范圍為5keV? 8keV。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極管的生成方法，其特征在于： 所述步驟三和步驟四中比砷離子投影射程長的N型雜質(zhì)離子為氮或磷。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種抗串?dāng)_倒U型埋層光電二極管的生成方法，其特征在于： 所述步驟五中砷離子（411)注入劑量范圍為8X 10ncnT2?12X 10ncnT2,注入能量范圍為 200keV ?300keV。
【文檔編號(hào)】H01L31/18GK104112782SQ201410353580
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】曹琛, 李炘, 張冰, 吳龍勝, 王俊峰 申請(qǐng)人:中國航天科技集團(tuán)公司第九研究院第七七一研究所