一種硅基cmos圖像傳感器及其提高電子轉移效率的方法
【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圖像傳感器及其提高電子轉移效率的方法。本發(fā)明通過在感光區(qū)和轉移晶體管（TX）溝道區(qū)的接觸部分引入從體內(nèi)到表面的遞增摻雜，使襯底體內(nèi)到TX表面溝道的電勢逐步遞增，實現(xiàn)光生載流子的完全轉移，并可以達到理論的轉移載流子數(shù)目的極限，成功解決了光生載流子不能完全轉移引起的噪聲問題。
【專利說明】一種硅基CMOS圖像傳感器及其提高電子轉移效率的方法
【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，及提高電子轉移效率的方法。
【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，通常可分為CMOS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結構如圖1所示。主要由光電二極管(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(nèi)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(shù)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(nèi)的反偏PN結收集通過光電效應在硅體內(nèi)產(chǎn)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(jù)電位下降速率與光強的對應關系，通過量測一定時間內(nèi)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(nèi)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)(pro)和傳遞晶體管(TX)溝道之間的勢壘阻礙了部分光生載流子從光感測區(qū)進入傳遞晶體管(TX)溝道(即從光感測區(qū)體內(nèi)到溝道表面存在勢壘)，圖1的10箭頭標示的是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]傳統(tǒng)結構的硅基CMOS圖像傳感器，即圖1的結構，不能轉移的電子位于圖4的40。
[0008]另外一種現(xiàn)有的結構圖如圖5所示，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，由于A點的N型摻雜濃度高于B點，A點的電勢高于B點，所以存在A到B之間的勢壘。該結構工作過程的電勢圖和圖3類似，在此不再贅述。
[0009]根據(jù)圖5的結構制造的硅基CMOS圖像傳感器，不能轉移的電子位于圖6的60。
[0010]對于結構如圖1和圖2的硅基CMOS圖像傳感器而言，包圍浮動擴散區(qū)的抗穿通注入?yún)^(qū)(APT)距離光感應區(qū)越近，光感測區(qū)(PPD)和傳遞晶體管(TX)溝道之間的勢壘越大。
[0011]本文所討論的光生載流子完全轉移，均在理論的轉移光生載流子的極限數(shù)目之內(nèi)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0012]本發(fā)明的目的在于提出一種電子轉移效率高的硅基CMOS圖像傳感器。
[0013]本發(fā)明同時提出一種能降低硅基CMOS圖像傳感器感光區(qū)(pro)到傳遞晶體管(TX)溝道的勢壘，提高光生載流子轉移效率的方法。
[0014]本發(fā)明提出的提高硅基CMOS圖像傳感器光生載流子轉移效率的方法，是在感光區(qū)(pro)和傳遞晶體管(τχ)溝道的連接部分從體內(nèi)到表面進行遞增摻雜，使得從感光區(qū)到傳遞晶體管(TX)溝道之間的勢壘逐步降低，由此提高光生載流子的轉移效率，改善器件的特性。
[0015]本發(fā)明還涉及一種新型硅基CMOS圖像傳感器，該硅基CMOS圖像傳感器具有較高的光生載流子的轉移效率，具體包括:
光電二極管(pro)，即光感測器件，用于產(chǎn)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(chǎn)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?yún)^(qū)(APT)，包圍浮動擴散區(qū)，其位置與光電二極管盡量遠；
在光電二極管與傳遞晶體管溝道的連接區(qū)域，引入有從體內(nèi)到表面的遞增摻雜，使得連接處從體內(nèi)到溝道表面的內(nèi)建電勢遞增，從而使全部光生電子可從光感測器件到達溝道表面而沒有電子滯留于光感測器件內(nèi)；電子到達溝道表面后，傳遞晶體管溝道反型開啟，浮動擴散區(qū)加正電壓，把電子傳輸?shù)礁訑U散區(qū)。
[0016]所述遞增摻雜是指摻雜濃度遞增分布的摻雜。
[0017]本發(fā)明中，所述的光電二極管與傳遞晶體管(TX)的連接區(qū)域(摻雜濃度呈現(xiàn)從體內(nèi)到表面遞增)，可形成于TX的柵極下方，也可形成在TX柵極側墻下方，或者柵極和側墻之下皆有。
[0018]本發(fā)明中，所述的光感測器件與傳遞晶體管的連接部分，摻雜濃度呈現(xiàn)從體內(nèi)到表面的遞增，其摻雜的雜質(zhì)的類型與光感測器件載流子收集區(qū)的類型相同。即，如果光感測器件載流子收集區(qū)是N型，光生載流子為電子，則連接部分為N型遞增摻雜；如果光感測器件載流子收集區(qū)是P型，光生載流子為空穴，則連接部分為P型遞增摻雜。
[0019]本發(fā)明通過在感光區(qū)和轉移晶體管(TX)溝道區(qū)的接觸部分引入從體內(nèi)到表面的遞增摻雜，使襯底體內(nèi)到TX表面溝道的電勢逐步遞增，實現(xiàn)光生載流子的完全轉移，并可以達到理論的轉移載流子數(shù)目的極限，成功解決了光生載流子不能完全轉移引起的噪聲問題。通常情況下，由于種種原因造成的勢壘，光生載流子轉移結束后，感光區(qū)的最高電勢低于浮動擴散區(qū)(FD)的電勢。通過使用本發(fā)明的方法，感光區(qū)的光生載流子轉移結束后，感光區(qū)的最高電壓與浮動擴散區(qū)(FD)的電壓相同，也就是達到了能轉移的光生載流子數(shù)目的極限?！緦＠綀D】
【附圖說明】
[0020]圖1是傳統(tǒng)的硅基CMOS圖像傳感器像素的結構示意圖。
[0021]圖2中，A到D說明理想狀態(tài)下硅基CMOS圖像傳感器產(chǎn)生和讀出電荷的操作時的電勢分布圖。
[0022]圖3中，A到D說明實際情況下硅基CMOS圖像傳感器產(chǎn)生和讀出電荷的操作時的電勢分布圖。
[0023]圖4是圖1結構的硅基CMOS圖像傳感器完成讀出電荷操作后的剩余的光生載流子。
[0024]圖5是現(xiàn)有技術硅基CMOS圖像傳感器像素的結構示意圖。
[0025]圖6是圖5結構的硅基CMOS圖像傳感器完成讀出電荷操作后的剩余的光生載流子。
[0026]圖7是根據(jù)本發(fā)明的硅基CMOS圖像傳感器像素的結構示意圖。
[0027]圖8中，A到D說明根據(jù)本發(fā)明的硅基CMOS圖像傳感器產(chǎn)生和讀出電荷操作時的電勢分布圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和實施例，進一步描述本發(fā)明。
[0029]本發(fā)明區(qū)別于傳統(tǒng)的硅基CMOS圖像傳感器在于感光區(qū)(PPD)與傳遞晶體管(TX)溝道連接部分從體內(nèi)到表面摻雜濃度遞增分布，可通過以下兩種方法形成:
1、硅基CMOS圖像傳感器的其它部分形成以后，再用一個光刻版，在感光區(qū)(PPD)與傳遞晶體管(TX)溝道連接區(qū)域連續(xù)多次不同能量不同濃度注入P型離子；
2、不同能量不同濃度的N型離子連續(xù)多次注入得到感光區(qū)的光生電子收集區(qū)，形成從表面到體內(nèi)N型摻雜濃度遞減；再進行光電二極管陷阱防止層區(qū)域的高濃度P型摻雜注入。與第一種方法相比，這種方法可節(jié)約一張光刻版。
[0030]以光生載流子為電子為例，參照附圖7說明本發(fā)明的內(nèi)容。本發(fā)明的硅基CMOS圖像傳感器包括光感應區(qū)(pro)，傳輸晶體管(TX)，浮動擴散區(qū)(FD)，包圍浮動擴散區(qū)的抗穿通注入?yún)^(qū)域(APT)，連接光感應區(qū)與傳輸晶體管溝道的區(qū)域，淺槽隔離區(qū)域(STI)。傳輸晶體管(TX)和浮動擴散區(qū)(FD)施加具有與光生載流子電荷極性相反的電壓時，光感應區(qū)(PPD)存儲的光生載流子在電場的牽引下轉移至浮動擴散區(qū)(FD)。
[0031]圖7中，700為P型襯底，701為摻雜濃度高于P型襯底的抗穿通區(qū)域(APT)，701的位置距離光電二極管708盡量 遠。707、708、700構成PNP結，光照這個PNP結，光生載流子產(chǎn)生于這個區(qū)域，存儲于708中。當傳遞晶體管(TX)和浮動擴散區(qū)(FD)上加正向偏壓時，存儲于載流子收集區(qū)708中的電子沿著A — A' -K"的路徑轉移到浮動擴散區(qū)(FD)。其中，704區(qū)域，沿著A— A’，N型摻雜濃度遞增。
[0032]圖7結構的CMOS圖像傳感器，工作過程中的電勢分布如圖8所示。因為光感應區(qū)(PPD)和傳遞晶體管(TX)溝道連接區(qū)704的從體內(nèi)到表面N型遞增摻雜，沿著AAi電勢下降，如圖8的虛線框里所示。這樣，就消除了電子從光感應區(qū)(PB))到傳遞晶體管(TX)的勢壘.，使得電子轉移效率提聞。
【權利要求】
1.一種硅基CMOS圖像傳感器，具有較高的光生載流子的轉移效率，具體包括: 光電二極管(pro)，即光感測器件，用于產(chǎn)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(chǎn)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?yún)^(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:在光電二極管與傳遞晶體管溝道的連接區(qū)域，引入有從體內(nèi)到表面的遞增摻雜，使得連接處從體內(nèi)到溝道表面的內(nèi)建電勢遞增，從而使全部光生電子從光感測器件到達溝道表面而沒有電子滯留于光感測器件內(nèi)；電子到達溝道表面后，傳遞晶體管溝道反型開啟，浮動擴散區(qū)加正電壓，把電子傳輸?shù)礁訑U散區(qū)；所述遞增摻雜是指摻雜濃度遞增分布的摻雜。
2.如權利要求1所述的硅基CMOS圖像傳感器，其特征在于:光電二極管與傳遞晶體管(TX)的連接區(qū)域，形成于TX的柵極下方，或者形成在TX柵極側墻下方，或者在柵極和側墻之下皆有。
3.如權利要求1所述的硅基CMOS圖像傳感器，其特征在于:在光電二極管與傳遞晶體管溝道的連接區(qū)域遞增摻雜的雜質(zhì)的類型與光感測器件載流子收集區(qū)的類型相同，即，如果光感測器件載流子收集區(qū)是N型，光生載流子為電子，則連接區(qū)域為N型遞增摻雜；如果光感測器件載流子收集區(qū)是P型，光生載流子為空穴，則連接區(qū)域為P型遞增摻雜。
4.一種提高硅基CMOS圖像傳感器電子轉移效率的方法，其特征在于具體步驟為:在硅基CMOS圖像傳感器的感光區(qū)(PPD)和傳遞晶體管(TX)溝道的連接部分從體內(nèi)到表面進行摻雜濃度遞增分布的摻雜，使得從感光區(qū)到傳遞晶體管(TX)溝道之間的勢壘逐步降低，由此提高光生載流子的轉移效率，改善器件的特性。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于摻雜濃度遞增分布，通過以下方法形成: (I)硅基CMOS圖像傳感器TX晶體管的柵極形成以后，在TX晶體管鄰近感光區(qū)一側側墻形成前，在感光區(qū)與TX晶體管溝道連接區(qū)域連續(xù)多次不同能量、不同濃度注入與光電二級管載流子收集區(qū)同型的雜質(zhì)離子，形成從表面到體內(nèi)該型雜質(zhì)摻雜濃度的遞減；然后完成柵極的側墻，再進行光電二極管感光區(qū)表面陷阱防止層的高濃度雜質(zhì)注入，且該雜質(zhì)類型與光電二極管載流子收集區(qū)摻雜類型相反。
【文檔編號】H01L27/146GK103904092SQ201410093313
【公開日】2014年7月2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