CN101459188B - 像素单元的fd有源区结构及其制备方法及cmos图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种像素单元的FD有源区结构，属于CMOS图像传感器领域。该FD有源区结构包括：P型硅半导体衬底上形成P型阱，P型阱上设有N型硅半导体注入层，所述N型硅半导体注入层中包含有N-Plus离子注入层，所述N型硅半导体注入层周围设有P型硅半导体注入层，所述P型硅半导体注入层用于隔离N型硅半导体注入层与器件的浅槽隔离区STI，所述N型硅半导体注入层上设有P型硅半导体Pin层，掩埋型接触孔底部穿过P型硅半导体Pin层与N型硅半导体注入层电连接。通过在像素单元FD有源区的N型硅半导体注入层中加入N-Plus注入层，在N型硅半导体注入层周围增加P型硅半导体注入层，在N型硅半导体注入层上增加Pin注入层等几中结构的改变，有效减小FD有源区漏电流的产生。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，尤其涉及一种可减小CMOS图像传感器中的像素单元漏电流的FD有源区结构及其制备方法及CMOS图像传感器。
背景技术
随着固体图像传感器的发展，CMOS图像传感器相对于CCD图像传感器的诸多优点，如成本低、功耗低、功能集成度高等，而得到了快速发展，广泛应用于数码照相机、手机和其他各种电子消费类产品中。CMOS图像传感器利用光电二极管将光信号转化为电信号，然后对电信号进行处理和储存，作为图像还原的数据。
作为CMOS图像传感器的像素单元Pixe1重要组成部分，FD(FloatingDiffusion)有源区的结构和制备方法影响着信号电荷的质量，低噪声低漏电流的FD有源区设计对于像素单元Pixe1工作于全局曝光采集光电信号方式至关重要。
图1所示为现有CMOS图像传感器中常用的4个晶体管像素单元(4TPixe1)的单元电路示意图，它包含一个光电二极管D和四个NMOS管传输门管V1、复位管V2、源跟随管V3和选通管V4。这种电路结构的像素单元在积分开始前，复位管V2和传输门管V1的栅极电压升高，使PD有源区和FD有源区与电源Vdd连通进行复位操作；然后关闭复位管V2和传输门管V1开始积分，光电二极管D在积分过程中收集光电电荷；积分完毕时传输门管V1导通，将PD区的光电电荷转移到FD有源区；选通管V4开启，用源跟随管V3读取FD有源区的光电信号；现有的CMOS图像传感器中的像素单元Pixe1的版图结构的俯视图如图2所示，主要由PD有源区21、PD有源区的N注入层22、PD有源区的Pin注入层23、传输门管的栅极24、FD有源区27、接触孔26、复位管的栅极28、源跟随管的栅极211、源跟随管栅极的接触孔，连接FD有源区27和源跟随管栅极接触孔210的金属层25、选通管的栅极212、连接输出通道的有源区接触孔213和FD有源区上连接电源的电源接触孔9构成，使用这种结构的像素单元Pixe1以全局曝光采集信号方式工作时，则整个CMOS图像传感器中像素单元Pixe1阵列的各像素单元Pixe1同时进行复位、积分和转移光电电荷的操作，然后按顺序逐一读取各像素单元Pixe1的FD有源区光电信号，由于各像素单元Pixe1中的复位管的源端和传输门管的漏端共用FD有源区，FD有源区又与源跟随管的栅极相连，储存在FD有源区的光电电荷会随着时间的逝去而发生变化，则导致CMOS图像传感器中后读取的像素单元Pixe1的FD有源区会产生大量的暗电流，而且后读取的像素单元Pixe1的FD有源区的光电电荷会通过该像素单元Pixe1的复位管的沟道漏掉一部分，因此读取的信号不能反映图像的真实情况，引起图像失真。
包括上述有源区结构的像素单元构成的CMOS图像传感器，虽可满足像素单元Pixe1工作于滚动曝光采集信号方式。但随着图像技术的不断发展，人们对高速运动物体的拍照图像清晰度有了更高的要求，而在对高速运动物体的拍照时要求CMOS图像传感器的像素阵列要工作于全局曝光采集信号的方式，但由于现有像素单元的FD有源区结构和制备方法的限制，在全局曝光采集信号的方式工作时，FD有源区漏电流较大，进而造成CMOS图像传感器采集的图像失真，无法满足对高速运动物体的拍照图像清晰度的要求。
发明内容
基于上述现有技术所存在的问题，本发明实施方式的目的是提供一种像素单元的FD有源区结构及其制备方法及CMOS图像传感器，通过改变像素单元的FD有源区结构，减小FD有源区漏电流，提高像素单元在全局曝光采集信号方式工作时的性能，保证CMOS图像传感器对高速运动物体拍照的清晰度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明实施例提供一种像素单元的FD有源区结构，包括：
P型硅半导体衬底上形成P型阱，P型阱上设有N型硅半导体注入层，所述N型硅半导体注入层中包含有N-Plus离子注入层，所述N型硅半导体注入层周围设有P型硅半导体注入层，所述P型硅半导体注入层与N型硅半导体注入层形成反向P-N结，用于隔离N型硅半导体注入层与器件的浅槽隔离区STI，所述N型硅半导体注入层上设有P型硅半导体Pin层，掩埋型接触孔底部穿过P型硅半导体Pin层与N型硅半导体注入层电连接。
所述N型硅半导体注入层中还包含有N-Minus离子注入层。
所述Pin层还覆盖在所述N型硅半导体注入层周围的所述P型硅半导体注入层上。
所述加长传输门管和复位管的栅极下的沟道长度为0.5um或0.6um；其中，所述传输门管、复位管、源跟随管通过FD有源区连接。
本发明实施方式还提供一种像素单元的FD有源区的制备方法，包括：
在由P型硅半导体衬底上注入离子形成P型阱，在P型阱上设置N型硅半导体注入层的有源区上，在N型硅半导体注入层中通过注入N-Plus离子形成N-Plus离子注入层；
在N型硅半导体注入层周围注入离子浓度为1.0E+16个B原子/cm3的较高浓度P型离子，形成反向P-N结构成P型硅半导体注入层；
在有源区的N型硅半导体注入层硅表面注入离子浓度为1.2E+18个B原子/cm3的高浓度P型离子，形成P型硅半导体Pin层，用于使N型硅半导体注入层的硅表面与二氧化硅隔离。
所述在由P型硅半导体衬底上注入离子形成P型阱时，增加P型阱的离子注入浓度，减小N型硅半导体注入层与P型硅半导体衬底P-N结的宽度，加长传输门管和复位管的沟道长度为0.5um或0.6um；其中，所述传输门管、复位管、源跟随管通过FD有源区连接。
所述方法还包括：在N型硅半导体注入层中通过注入N-Minus离子形成N-Minus离子注入层。
所述方法中，在由P型硅半导体衬底上注入离子形成P型阱、在N型硅半导体注入层周围注入较高浓度P型离子、及在有源区的N型硅半导体注入层硅表面注入高浓度P型离子形成P型硅离子Pin层的步骤中均采用硼离子注入，各注入区的P型离子浓度分别为：P型阱注入区的离子浓度为1.0E+14个B原子/cm3、N型硅半导体注入层周围注入较高浓度P型离子的注入区浓度为1.0E+16个B原子/cm3、P型硅离子Pin层注入区的离子浓度为1.2E+18个B原子/cm3。
本发明实施方式同时提供一种CMOS图像传感器，包括由多个像素单元连接成像素阵列，每个像素单元由光电二极管、传输门管、复位管、源跟随管和选通管构成，所述像素单元中连接传输门管、复位管、源跟随管的FD有源区采用上述中任一种所述的FD有源区结构。
由上述本发明实施方式提供的技术方案可以看出，本发明实施方式通过在像素单元FD有源区的N型硅半导体注入层中加入N-Plus注入层，使N型硅半导体注入层形成的N区不会像光电二极管的N区一样完全耗尽；在N型硅半导体注入层周围增加P型硅半导体注入层，P型硅半导体注入层与N型硅半导体注入层形成反向P-N结，使N型硅半导体注入层与浅槽隔离区STI隔离，避免N型硅半导体注入层与器件的浅槽隔离区STI接触，很好的减小了暗电流，进而有效减小了像素单元FD有源区的漏电流；在N型硅半导体注入层上增加Pin注入层，使N型硅半导体注入层的硅表面与其上绝缘的SiO2相隔离，消除了因表面缺陷而产生的暗电流；通过上述结构的改进形成的FD有源区结构用在像素单元中，可有效减小漏电流，这种像素单元用在CMOS图像传感器中时，可保证对高速物体拍摄的清晰度。
附图说明
图1为现有技术提供的像素单元的电路原理示意图；
图2为现有技术提供的4T Pixe1像素单元的的版图俯视示意图；
图3为本发明实施例的像素单元(4T Pixe1)版图俯视示意图；
图4为本发明实施例的像素单元(4T Pixe1)单元FD有源区N型硅半导体注入层版图示意图；
图5为本发明实施例的像素单元(4T Pixe1)单元FD有源区P型硅半导体注入层版图示意图；
图6为本发明实施例的像素单元(4T Pixe1)单元FD有源区Pin层版图示意图；
图7为图6中像素单元(4T Pixe1)单元FD有源区的A-A向横截面示意图；
图8为图6中像素单元(4T Pixe1)单元FD有源区的B-B向横截面示意图；
图9为图6中像素单元(4T Pixe1)单元FD有源区的C-C向横截面示意图。
具体实施方式
本发明实施方式提供一种用在CMOS图像传感器中的像素单元的FD(Floating Diffusion)有源区结构，使用该FD有源区结构的像素单元可有效减小漏电流，进而保证该像素单元可工作在全局曝光模式，有效提高了使用该像素单元的CMOS图像传感器对高速运动物体拍摄的清晰度。该FD有源区结构具体是：在由P型硅半导体衬底上设置P型阱，并在P型阱上形成N型硅半导体注入层作为N区构成的FD有源区上，在N型硅半导体注入层中包含N-Plus离子注入层，并在N型硅半导体注入层(N区)周围注入较高浓度的P型离子，形成P型硅半导体注入层，使该P型硅半导体注入层与N型硅半导体注入层形成较强的反向P-N结，避免了作为N区的N型硅半导体注入层与STI区的接触，减小暗电流，进而大大减小FD有源区的漏电程度；
在FD有源区的N型硅半导体注入层形成的N区硅表面注入高浓度P离子，形成Pin层，使N区上的Si与其上的绝缘层SiO2层隔离，消除因表面缺陷而产生的暗电流，并且由于FD有源区使用了N-Plus离子注入，所以在复位时，此N区不会像PD有源区的N区那样会完全耗尽；
同时可以增加P型阱的离子注入浓度，加长传输门管和复位管的沟道长度，来减小FD有源区的漏电流。
通过上述结构有机结合后，形成改进的FD有源区版图结构，改善了FD有源区的漏电问题，有利于降低像素单元在全局曝光工作模式时的图像失真的程度。
为便于理解本发明的具体实施方式，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
本实施例提供一种像素单元的FD有源区结构，如图3、图7-9所示，具体包括：
P型硅半导体衬底上形成有P型阱(即：P型硅半导体阱)，P型阱上设有N型硅半导体注入层构成了像素单元的FD有源区，在所述N型硅半导体注入层中还包含有N-Plus离子注入层，在所述N型硅半导体注入层周围设有P型硅半导体注入层，所述P型硅半导体注入层与N型硅半导体注入层形成反向P-N结，用于隔离N型硅半导体注入层与器件的浅槽隔离区STI(Shallow TrenchIsolation)，所述N型硅半导体注入层上设有P型硅半导体Pin层，P型硅Pin层同时覆盖在所述N型硅半导体注入层外围的所述P型硅半导体注入层上，掩埋型接触孔底部穿过P型硅Pin层与所述的N型硅半导体注入层电连接。
上述的FD有源区结构中，在N型硅半导体注入层中还包含有N-Minus离子注入层。
同时在上述FD有源区结构中，增大P型阱的P型离子注入浓度，具体采用P型离子(硼离子注入，Boron)，注入区浓度为1.0E+14个B原子/cm3，以减小N型硅半导体注入层形成的N区与P型硅半导体衬底的P-N结的耗尽层宽度，加长了传输门管和复位管的栅极下沟道长度，降低了管子的源漏漏电流，达到了进一步减小FD有源区漏电流的目的。
本实施例还提供一种形成上述像素单元的FD有源区结构的制备方法，该工艺具体包括：
在由P型硅半导体衬底上注入离子形成P型阱，在P型阱上设置N型硅半导体注入层的FD有源区上，在N型硅半导体注入层中通过注入N-Plus离子形成N-Plus离子注入层；
在N型硅半导体注入层周围注入较高浓度P型离子形成P型半导体注入层，该P型半导体注入层与N型硅半导体注入层形成反向P-N结，使N型硅半导体注入层与器件的浅槽隔离区STI有效隔离；实际中，较高浓度P型离子是指在N区周围的P型离子(硼离子注入，Boron)注入区(P型硅半导体注入层)浓度为1.0E+16个B原子/cm3。
在FD有源区的N型硅半导体注入层硅表面注入高浓度P型离子，形成P型离子Pin层，用于使N型硅半导体注入层硅表面与其上的绝缘的SiO2隔离。注入高浓度P型离子的离子浓度为1.2E+18个B原子/cm3。
上述工艺中，在由P型硅半导体衬底上注入离子形成P型阱时，可以增加P型阱的离子注入浓度，具体采用P型离子(硼离子注入，Boron)注入，注入区浓度为1.0E+14个B原子/cm3，这样可以减小N型硅半导体注入层与P型硅半导体衬底P-N结的耗尽层宽度，以加长传输门管和复位管的沟道长度，减小因传输门管和复位管的沟道过短导致的漏电流。
上述制备方法中，还可以在N型硅半导体注入层中通过注入N-Minus离子形成N-Minus离子注入层。
下面结合相应附图，以常用的4T Pixe1单元中应用本发明实施例的FD有源区结构，对本发明作进一步详细说明。
图3给出了4T Pixe1单元版图的俯视示意图，其中，光电二级管PD区版图主要包括PD有源区1，N-注入层2和Pin注入层3；图3所示的版图结构中，传输门管的栅极4位于PD有源区1和FD有源区7之间，金属层5用来连接FD有源区7和源跟随管的栅极11，由于FD有源区7设有一层P型硅半导体Pin层，所以接触孔为掩埋型接触孔6，复位管的栅极标注为8，有源区接触孔9与电源相连，源跟随管的栅极标注为11；选通管的栅极标注为12，有源区接触孔13与输出通道相连。清楚了4T Pixe1的版图结构后，下面详细介绍FD有源区的版图结构和横截面概况。
图4给出了FD有源区的N型硅半导体注入层14版图的结构示意，其中，N型硅半导体注入层包含N-Plus和N-Minus注入层；N型硅半导体注入层被包含于FD有源区内，包含的距离可以根据实际情况而定；需要注意，实际中要使掩埋接触孔6落于N型硅半导体注入层14内部。在FD有源区使用了N-Plus注入后，在复位时，N型硅半导体注入层形成的N区不会像PD区的N区那样会完全耗尽。
图5给出了FD有源区的P型半导体注入层15版图的结构示意，其中，P型硅半导体注入层与图3中的N硅半导体注入层相接，在工艺上P硅半导体注入层，注入离子能量比N-Plus离子注入能量稍高，目的是在FD有源区的N硅半导体注入层形成的N区硅周围形成P区，避免N区的硅与器件的浅槽的隔离区STI接触产生暗电流。
图6给出了FD有源区的Pin层16版图的结构示意，其中，FD有源区的Pin层是由一薄层高浓度的P型硅组成，用来隔离N型硅半导体注入层的硅表面与其上的SiO2的接触，从而可以防止因表面缺陷而产生的暗电流。
图7给出了图6的FD有源区结构的示意图中的A-A向横截面示意图，其中示出了，包括传输门管和FD有源区的横截面示意图，其中，PD区的Pin层3与FD有源区的Pin层16在实际中可作为同一次工艺形成，图中，4为传输门管的栅极，17为P型硅衬底，18为P型阱，14为N型硅半导体层，6为掩埋型接触孔，其孔深度大于Pin层的厚度，与N型硅半导体层接触形成电连接，FD有源区N型硅半导体层14周围的P型硅半导体注入层15形成的P区深度大于N型硅半导体层14的深度，以使N型硅半导体层14形成的N区与器件的浅槽隔离区(STI)19相互隔离，避免产生暗电流。
图8为图6的B-B向横截面示意图，图9为图6的C-C向横截面示意图，图9中示意出复位管和FD有源区的横截面示意图，可结合图8、9示意的结构对本发明作进一步了解。
实际中，为进一步减少FD有源区的漏电流，可以适当加长传输门管和复位管的沟道长度，可以通过增加P型阱的P型离子注入浓度，以减小N区与P型衬底的P-N结的耗尽层宽度，来增加传输门管和复位管的沟道长度，增加的沟道长度要以增加的管子面积与减小漏电流程度来折衷考虑，例如可根据像素单元面积大小设定管子的沟道长度为0.5um或0.6um，若再增大管子沟道长度，沟道漏电流并不会明显减小，并可能使PD有源区面积比例显著缩小，此时不需要再加长管子沟道长度。
通过上述改进后形成的FD有源区结构，可以有效减小漏电流的产生，进而提高了像素单元工作在全局曝光模式的可行性，提高了使用这种FD有源区结构的像素单元的CMOS图像传感器拍摄高速运动图像的清晰度，减小了图像的失真。
实施例二
本实施例提供一种CMOS图像传感器，该CMOS图像传感器与现有的CMOS图像传感器结构基本相同，可以由多个像素单元连接成像素阵列，每个像素单元由光电二极管、传输门管、复位管、源跟随管和选通管构成，与现有CMOS图像传感器的区别是，该CMOS图像传感器的各像素单元中连接传输门管、复位管、源跟随管的FD有源区采用上述实施例一中给出的任一种FD有源区结构，这样可以保证工作在全局曝光工作模式时，减小像素单元的漏电流，进而保证CMOS图像传感器对拍摄高速运动物体时的清晰度。
综上所述，本发明实施例中通过改进像素单元Pixe1的FD有源区版图结构和工艺，减小了像素单元Pixe1的FD有源区的漏电程度，满足了图像技术发展趋势对CMOS图像传感器工作于全局曝光方式的要求，具有这种FD有源区结构的像素单元以全局曝光方式工作的积分光电电荷转移到FD有源区后，读取FD有源区的光电信号过程中，FD有源区的漏电程度大大减小了，有效地降低了采集图像信号失真的程度，保证了像素单元Pixe1工作于全局曝光采集信号方式的可行性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种像素单元的FD有源区结构，其特征在于，包括：
P型硅半导体衬底上形成P型阱，P型阱上设有N型硅半导体注入层，所述N型硅半导体注入层中包含有N-Plus离子注入层，所述N型硅半导体注入层周围设有P型硅半导体注入层，所述P型硅半导体注入层与N型硅半导体注入层形成反向P-N结，用于隔离N型硅半导体注入层与器件的浅槽隔离区，所述N型硅半导体注入层上设有P型硅半导体层，掩埋型接触孔底部穿过P型硅半导体层与N型硅半导体注入层电连接。
2.根据权利要求1所述的像素单元的FD有源区结构，其特征在于，所述N型硅半导体注入层中还包含有N-Minus离子注入层。
3.根据权利要求1所述的像素单元的FD有源区结构，其特征在于，所述P型硅半导体层还覆盖在所述N型硅半导体注入层周围的所述P型硅半导体注入层上。
4.根据权利要求1所述的像素单元的FD有源区结构，其特征在于，所述加长传输门管和复位管的栅极下的沟道长度为0.5um或0.6um；其中，所述传输门管、复位管、源跟随管通过FD有源区连接。
5.一种像素单元的FD有源区的制备方法，其特征在于，包括：
在由P型硅半导体衬底上注入离子形成P型阱，在P型阱上设置N型硅半导体注入层的有源区上，在N型硅半导体注入层中通过注入N-Plus离子形成N-Plus离子注入层；
在N型硅半导体注入层周围注入离子浓度为1.0E+16个B原子/cm3的较高浓度P型离子，形成反向P-N结构成P型硅半导体注入层；
在有源区的N型硅半导体注入层硅表面注入离子浓度为1.2E+18个B原子/cm3的高浓度P型离子，形成P型硅离子层，用于使N型硅半导体注入层的硅表面与二氧化硅隔离。
6.根据权利要求5所述的像素单元的FD有源区的制备方法，其特征在于，所述在由P型硅半导体衬底上注入离子形成P型阱时，增加P型阱的离子注入浓度，减小N型硅半导体注入层与P型硅半导体衬底P-N结的宽度，加长传输门管和复位管的沟道长度为0.5um或0.6um；其中，所述传输门管、复位管、源跟随管通过FD有源区连接。
7.根据权利要求5所述的像素单元的FD有源区的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
在N型硅半导体注入层中通过注入N-Minus离子形成N-Minus离子注入层。
8.根据权利要求5所述的像素单元的FD有源区的制备方法，其特征在于，所述方法中，在由P型硅半导体衬底上注入离子形成P型阱、在N型硅半导体注入层周围注入较高浓度P型离子、及在有源区的N型硅半导体注入层硅表面注入高浓度P型离子形成P型硅离子层的步骤中均采用硼离子注入，各注入区的P型离子浓度分别为：P型阱注入区的离子浓度为1.0E+14个B原子/cm3、N型硅半导体注入层周围注入较高浓度P型离子的注入区浓度为1.0E+16个B原子/cm3、P型硅离子层注入区的离子浓度为1.2E+18个B原子/cm3。
9.一种CMOS图像传感器，包括由多个像素单元连接成像素阵列，每个像素单元由光电二极管、传输门管、复位管、源跟随管和选通管构成，其特征在于，所述像素单元中连接传输门管、复位管、源跟随管的FD有源区采用上述权利要求1-4中任一种所述的FD有源区结构。
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| CN101459188A (zh) | 2009-06-17 |
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