一種cmos圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，電荷傳輸晶體管的柵極制作在所述半導(dǎo)體基體內(nèi)部，電荷傳輸晶體管的柵極與所述光電二極管之間設(shè)置有P型離子隔離區(qū)。電荷傳輸晶體管工作時(shí)，其溝道附近的電場(chǎng)方向由電荷傳輸晶體管柵極指向光電二極管，沿著電場(chǎng)線方向的電勢(shì)逐漸降低；電荷傳輸晶體管從開(kāi)啟狀態(tài)轉(zhuǎn)換到關(guān)閉狀態(tài)過(guò)程中，P型離子隔離區(qū)和電荷傳輸晶體管溝道中的電子只能沿著電場(chǎng)線的反方向移動(dòng)，而不會(huì)流入光電二極管中，電荷傳輸晶體管不會(huì)產(chǎn)生噪聲。
【專利說(shuō)明】一種CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)手機(jī)、醫(yī)療器械、汽車和其他應(yīng)用場(chǎng)合。特別是制造CMOS (互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，使人們對(duì)圖像傳感器的輸出圖像品質(zhì)有了更高的要求。制造圖像傳感器器件的基體材料是半導(dǎo)體硅，但是硅不是完美的器件材料，在器件工作時(shí)會(huì)伴隨有噪聲，器件噪聲影響了圖像傳感器采集圖像的質(zhì)量。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中，CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)，如圖1所示,包括電路示意圖和虛線框中的平面示意圖兩部分。圖1中，所示像素的元器件包括:光電二極管101、電荷傳輸晶體管102、復(fù)位晶體管103、源跟隨晶體管104和選擇晶體管105、漂浮有源區(qū)106 ;VTX為電荷傳輸晶體管102的柵極端，VRX為復(fù)位晶體管103的柵極端，VSX為選擇晶體管105的柵極端，Vdd為電源電壓，Output為信號(hào)輸出端，STI為淺槽隔離區(qū)。光電二極管101接收外界入射的光線，產(chǎn)生光電信號(hào)；開(kāi)啟電荷晶體管102，將光電二極管101中的光電信號(hào)轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)106區(qū)，由源跟隨晶體管104所探測(cè)到的漂浮有源區(qū)106區(qū)勢(shì)阱內(nèi)電勢(shì)變化信號(hào)經(jīng)Output輸出端讀取并保存。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中的電荷傳輸晶體管102在處于開(kāi)啟工作狀態(tài)時(shí)，其溝道中匯聚電荷電子以形成導(dǎo)電通道；而電荷傳輸晶體管102在關(guān)閉的過(guò)程中，其溝道電子會(huì)同時(shí)流入光電二極管101和漂浮有源區(qū)106區(qū)中，如圖1所示；但電荷傳輸晶體管102多次開(kāi)啟并關(guān)閉的操作中，每次溝道電子流入到光電二極管101中的數(shù)量不會(huì)相等，流入到漂浮有源區(qū)106區(qū)的數(shù)量也不會(huì)相等，此不相等的電子數(shù)量形成了電荷傳輸晶體管102的器件噪聲。像素中的器件噪聲混淆在圖像信號(hào)中，使采集到的圖像信號(hào)不能反映實(shí)物真實(shí)信息，特別是暗光環(huán)境下的實(shí)物圖像變得模糊不清。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種高效的、降低器件噪聲的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，所述電荷傳輸晶體管的柵極制作在所述半導(dǎo)體基體內(nèi)部，所述電荷傳輸晶體管的柵極與所述光電二極管之間設(shè)置有P型離子隔離區(qū)。
[0008]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，由于像素中的電荷傳輸晶體管的柵極制作在半導(dǎo)體基體內(nèi)部，并且在電荷傳輸晶體管柵極與光電二極管之間設(shè)置了 P型離子隔離區(qū)，所述電荷傳輸晶體管工作時(shí)，其溝道附近的電場(chǎng)方向由電荷傳輸晶體管柵極指向光電二極管，沿著電場(chǎng)線方向的電勢(shì)逐漸降低；電荷傳輸晶體管從開(kāi)啟狀態(tài)轉(zhuǎn)換到關(guān)閉狀態(tài)過(guò)程中，P型離子隔離區(qū)和電荷傳輸晶體管溝道中的電子只能沿著電場(chǎng)線的反方向移動(dòng)，而不會(huì)流入光電二極管中，因此本發(fā)明的像素結(jié)構(gòu)中的電荷傳輸晶體管不會(huì)產(chǎn)生噪聲。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2是本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖3是本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)中圖2所示切線I位置的切面示意圖。
[0012]圖4是本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)中圖2所示切線2位置的切面示意圖。
[0013]圖5是本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移操作時(shí)，圖2所示切線I位置的切面示意圖。
[0014]圖6是本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移操作時(shí)，光電二極管和電荷傳輸晶體管的平面部分示意圖。
[0015]圖7是本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移操作時(shí)，圖6所示切線3位置的勢(shì)阱示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016]下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0017]本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:
[0018]包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，所述電荷傳輸晶體管的柵極制作在所述半導(dǎo)體基體內(nèi)部，所述電荷傳輸晶體管的柵極與所述光電二極管之間設(shè)置有P型離子隔離區(qū)。
[0019]所述電荷傳輸晶體管的柵極與光電二極管之間的距離大于等于0.2um，所述電荷傳輸晶體管的柵極與光電二極管之間的平行交疊區(qū)大于等于0.3um,所述電荷傳輸晶體管的柵極在半導(dǎo)體基體中的深度大于等于0.3um。
[0020]所述電荷傳輸晶體管柵極的多晶硅側(cè)壁和底部設(shè)置有薄氧化層，所述薄氧化層的厚度為3nm?15nm。
[0021]所述P型離子隔離區(qū)的一側(cè)與所述光電二極管相接觸，另一側(cè)與所述電荷傳輸晶體管的柵極交疊Oum?0.2um，所述P型離子隔離區(qū)的深度大于所述電荷傳輸晶體管柵極深度至少0.lum。
[0022]所述漂浮有源區(qū)與光電二極管之間設(shè)置有P型離子隔離區(qū)，所述漂浮有源區(qū)與光電二極管的距離大于等于0.2um。
[0023]所述電荷傳輸晶體管的柵極和漂浮有源區(qū)制作有P阱區(qū)，所述P阱區(qū)與P型離子隔離區(qū)相接觸。
[0024]所述光電二極管為N型光電二極管，所述電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管為N型晶體管。
[0025]所述P型離子隔離區(qū)的P型離子濃度為lE15Atom/cm3?lE17Atom/cm3。
[0026]本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，由于像素中的電荷傳輸晶體管的柵極制作在半導(dǎo)體基體內(nèi)部，并且在電荷傳輸晶體管柵極與光電二極管之間設(shè)置了 P型離子隔離區(qū)，所述電荷傳輸晶體管工作時(shí)，其溝道附近的電場(chǎng)方向由電荷傳輸晶體管柵極指向光電二極管，沿著電場(chǎng)線方向的電勢(shì)逐漸降低；電荷傳輸晶體管從開(kāi)啟狀態(tài)轉(zhuǎn)換到關(guān)閉狀態(tài)過(guò)程中，P型離子隔離區(qū)和電荷傳輸晶體管溝道中的電子只能沿著電場(chǎng)線的反方向移動(dòng)，而不會(huì)流入光電二極管中，因此本發(fā)明的像素結(jié)構(gòu)中的電荷傳輸晶體管不會(huì)產(chǎn)生噪聲。
[0027]具體實(shí)施例:
[0028]如圖2所示，包含虛線框內(nèi)的平面部分和虛線框外的電路部分示意圖。圖2中，201為光電二極管，202為電荷傳輸晶體管，203為復(fù)位晶體管，204為源跟隨晶體管，205為選擇晶體管，Output為信號(hào)輸出端，206為漂浮有源區(qū),207為P型離子隔離區(qū),208為薄氧化層；STI為淺槽隔離區(qū)，P阱區(qū)為邏輯工藝的P型阱離子區(qū)，接觸孔為金屬線與有源區(qū)或與晶體管柵極的連接點(diǎn)，Vdd為電源電壓，切線I和切線2表征兩個(gè)切面位置。圖2所示，Vtx為電荷傳輸晶體管202的柵極端，Vrst為復(fù)位晶體管203的柵極端，Vsx為選擇晶體管205的柵極端。所述電荷傳輸晶體管202的柵極與光電二極管201之間設(shè)置有P型離子隔離區(qū)，所述電荷傳輸晶體管202的柵極與光電二極管201之間的距離大于等于0.2um，所述電荷傳輸晶體管202的柵極與光電二極管201之間的平行交疊區(qū)大于等于0.3um,所述電荷傳輸晶體管202的柵極和漂浮有源區(qū)206制作做P阱區(qū)，所述P阱區(qū)與P型離子隔離區(qū)相接觸。所述光電二極管201為N型光電二極管，所述電荷傳輸晶體管202、復(fù)位晶體管203、源跟隨晶體管204、選擇晶體管205為N型晶體管。
[0029]圖2所示切線I位置的切面示意圖，如圖3所示，其中光電二極管201、P型離子隔離區(qū)207、電荷傳輸晶體管202的柵極、薄氧化層208、P阱區(qū)制作在半導(dǎo)體基體內(nèi)部。圖3所示，所述P型離子隔離區(qū)207的左側(cè)與光電二極管相接觸，其右側(cè)與電荷傳輸晶體管的柵極交疊Oum?0.2um,所述P型離子隔離區(qū)207的P型離子濃度為lE15Atom/cm3?lE17Atom/cm3 ;所述電荷傳輸晶體管202的柵極在半導(dǎo)體基體中的深度大于等于0.3um ;所述P型離子隔離區(qū)207的深度大于等于電荷傳輸晶體管202柵極深度至少0.1um ;所述薄氧化層208位于電荷傳輸晶體管202柵極的側(cè)壁和底壁,其厚度為3nm?15nm ;淺槽隔離區(qū)STI位于電荷傳輸晶體管202的右側(cè)；所述P阱區(qū)與P型離子隔離區(qū)207相接。
[0030]圖2所示切線2位置的切面示意圖，如圖4所示，P型離子隔離區(qū)207的左側(cè)為光電二極管201，其右側(cè)為漂浮有源區(qū)206，并且漂浮有源區(qū)206制作在P阱區(qū)，所述漂浮有源區(qū)206的右側(cè)為淺槽隔離區(qū)STI，所述P阱區(qū)左側(cè)與P型離子隔離區(qū)207相接。所述漂浮有源區(qū)206與電荷傳輸晶體管201的距離至少0.2um。
[0031]下面結(jié)合附圖5?附圖7進(jìn)一步詳細(xì)闡述本發(fā)明的像素工作特征。本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移操作時(shí)，圖2所示切線I位置的切面示意圖如5所示。圖5所示，電荷傳輸晶體管202的柵極端Vtx為高電勢(shì)Vdd，電荷傳輸晶體管202的柵極在其溝道附近、P型離子隔離區(qū)207及靠近P型離子隔離區(qū)207的光電二極管201區(qū)感應(yīng)出電場(chǎng)，其電場(chǎng)方向從電荷傳輸晶體管202的柵極指向光電二極管201，根據(jù)電磁學(xué)理論,沿著電場(chǎng)線的方向其電勢(shì)逐漸降低，因此光電二極管201中的電子沿著電場(chǎng)線的反方向從光電二級(jí)管201移動(dòng)到薄氧化層208附近的硅表面。
[0032]本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移操作時(shí)，光電二極管201和電荷傳輸晶體管202的平面部分示意圖，如圖6所示，電荷傳輸晶體管202的柵極端Vtx的電勢(shì)為高電勢(shì)Vdd，切線3表征位置。光電二極管201中的電子沿著電場(chǎng)線的方向從光電二極管201中，跨過(guò)P型離子隔離區(qū)207，移動(dòng)到薄氧化層208附近的硅表面，由于漂浮有源區(qū)206的電勢(shì)最高，薄氧化層208附近的硅表面的電子會(huì)繼續(xù)流入漂浮有源區(qū)206區(qū)，如圖6所示。
[0033]本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移操作時(shí)，圖6所示切線3位置的勢(shì)阱示意圖如圖7所示，其中，701為光電二極管201的勢(shì)阱區(qū)，702為P型離子隔離區(qū)207的勢(shì)阱區(qū)，703為漂浮有源區(qū)206的勢(shì)阱區(qū)，電勢(shì)線I為電荷傳輸晶體管202處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)的電勢(shì)圖，電勢(shì)線2為電荷傳輸晶體管202從開(kāi)啟狀態(tài)置為關(guān)閉狀態(tài)過(guò)程中的電勢(shì)圖，電勢(shì)線3為電荷傳輸晶體管202處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的電勢(shì)圖。圖7所示，電荷傳輸晶體管202處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，即電勢(shì)線I狀態(tài)，701勢(shì)阱區(qū)的電子流入較高電勢(shì)的702勢(shì)阱區(qū)，進(jìn)而流入更高電勢(shì)的703勢(shì)阱區(qū)，電子最終在703勢(shì)阱區(qū)被收集；702勢(shì)阱區(qū)，電勢(shì)線I和電勢(shì)線2的電勢(shì)隨著遠(yuǎn)離701勢(shì)阱區(qū)逐漸升高，在電荷傳輸晶體管202的溝道處電勢(shì)達(dá)到最高值。由此可見(jiàn)，702勢(shì)阱區(qū)的電子，不會(huì)流入到701勢(shì)阱區(qū)，只能流入高電勢(shì)的703勢(shì)阱區(qū)。所以，本發(fā)明的像素結(jié)構(gòu)中的電荷傳輸晶體管202不會(huì)產(chǎn)生噪聲，有效降低了圖像傳感器的像素噪聲，采用本發(fā)明像素的圖像傳感器采集到了更多暗光環(huán)境下的實(shí)物細(xì)節(jié)信息，進(jìn)而有效提升了圖像傳感器采集的圖像品質(zhì)。
[0034]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，其特征在于，所述電荷傳輸晶體管的柵極制作在所述半導(dǎo)體基體內(nèi)部，所述電荷傳輸晶體管的柵極與所述光電二極管之間設(shè)置有P型離子隔離區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電荷傳輸晶體管的柵極與光電二極管之間的距離大于等于0.2um，所述電荷傳輸晶體管的柵極與光電二極管之間的平行交疊區(qū)大于等于0.3um，所述電荷傳輸晶體管的柵極在半導(dǎo)體基體中的深度大于等于0.3um。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電荷傳輸晶體管柵極的多晶硅側(cè)壁和底部設(shè)置有薄氧化層，所述薄氧化層的厚度為3nm?15nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P型離子隔離區(qū)的一側(cè)與所述光電二極管相接觸，另一側(cè)與所述電荷傳輸晶體管的柵極交疊Oum?0.2um，所述P型離子隔離區(qū)的深度大于所述電荷傳輸晶體管柵極深度至少0.lum。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述漂浮有源區(qū)與光電二極管之間設(shè)置有P型離子隔離區(qū)，所述漂浮有源區(qū)與光電二極管的距離大于等于0.2um0
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電荷傳輸晶體管的柵極和漂浮有源區(qū)制作有P阱區(qū)，所述P阱區(qū)與P型離子隔離區(qū)相接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光電二極管為N型光電二極管，所述電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管為N型晶體管。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P型離子隔離區(qū)的P型離子濃度為lE15Atom/cm3?lE17Atom/cm3。
【文檔編號(hào)】H01L27/146GK104269423SQ201410594140
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】郭同輝, 曠章曲 申請(qǐng)人:北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司