CN102097442B - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CMOS图像传感器，包括光电二极管、浮动扩散区、传输晶体管、复位晶体管、驱动晶体管以及选择晶体管，光电二极管的侧面包含一个包围所述光电二极管的P型环，该P型环为一离子注入层并使所述光电二极管形成一个横向完全耗尽的P-N-P结。本发明还公开了该CMOS图像传感器的制造方法，包括：在P型衬底上形成有源区、阱区以及栅极；在栅极形成侧墙前，利用光刻工艺定义所述P型环的注入区域，并进行离子注入形成所述P型环；形成所述光电二极管、浮动扩散区、传输晶体管、复位晶体管、驱动晶体管以及选择晶体管。本发明能提高其光电二极管的光吸收效率和降低漏电。

Description

CMOS图像传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种CMOS图像传感器，本发明还涉及该CMOS图像传感器的制造方法。

背景技术

如图1A所示，为现有4T CMOS图像传感器结构剖面图及对应二极管能带图，包括一光电二极管(PD，photo diode)、一浮动扩散区(FD，floating diffusion)、一传输晶体管、一复位晶体管、一驱动晶体管、一选择晶体管，所述光电二极管作为光的感应部分，浮动扩散区作为一个电容将光电子转换为电压。如图1A的能带图所示，所述传输晶体管的栅极接一时钟控制信号，在其打开的时候将光电子从光电二极管传输到浮动扩散区，使浮动扩散区的电压变化产生一V_FD的电压信号。所述驱动晶体管为一源极跟随器，起到放大和缓冲输入输出的作用，栅极接V_FD作为输入端，漏端接电源V_dd，源端接选择晶体管。选择晶体管用于选择列地址，在其打开时，信号输出。所述复位晶体管，其栅极接一时钟控制信号，利用时钟控制信号，在下次信号读取之前重置所述浮动扩散区。

如图1B所示，为现有4T CMOS图像传感器的光电二极管的平面示意图，在X方向从左到右依次为光电二极管、传输晶体管和浮动扩散区。

如图1C所示，为现有4T CMOS图像传感器的光电二极管剖面图及能带图，光电二极管的结构为在P衬底上形成一N型轻掺杂区即N-区，其结深为X_j；N-区和P衬底间则形成PN结，其耗尽区为X_n、X_p间的区域，其宽度为W。该光电二极管的光吸收效率为：

${\mathrm{\η}}_Q=\frac{{\∫}_{x_n}^{x_p}\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)P_o\exp [-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)x]\mathrm{dx}}{{\∫}_0^{\∞}\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)P_o\exp [-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)x]\mathrm{dx}}=(1-\exp [-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)W\left]\right)\exp [-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)x_n],---\left(1\right)$

耗尽区宽度为：

$W=\sqrt{\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Si}}(N_d+N_a)(V_{\mathrm{bi}}+V_{\mathrm{appl}})}{e{N}_a{N}_d}},---\left(2\right)$

由上面公式(1)可知，吸收效率随着耗尽区宽度W的增加而迅速增加，但由公式(2)可知，当外加偏压V_appl＝0时，耗尽区宽度完全由结两边的掺杂浓度N_a和N_d决定，因此W一般都比较小，成为制约提高所述光电二极管光吸收效率的重要因素。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种CMOS图像传感器，能提高其光电二极管的光吸收效率和降低漏电；为此，本发明还提供了该CMOS图像传感器的制造方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的CMOS图像传感器包括一光电二极管、一浮动扩散区、一传输晶体管、一复位晶体管以及一驱动晶体管、一选择晶体管。所述光电二极管的侧面包含一个包围所述光电二极管的P型环，该P型环为一离子注入层并使所述光电二极管形成一个横向完全耗尽的P-N-P结。所述P型环的离子注入的杂质为B或BF₂、能量为50-300kev，剂量为5e12-5e13cm^-2。

本发明提供的CMOS图像传感器的制造方法为：在P型衬底上形成有源区、阱区以及栅极；在栅极形成侧墙前，利用光刻工艺定义所述P型环的注入区域，并进行离子注入形成所述P型环，该离子注入的杂质为B或BF₂、能量为50-300kev，剂量为5e12-5e13cm^-2；形成所述光电二极管以及传输晶体管、复位晶体管、驱动晶体管、选择晶体管以及浮动扩散区。

本发明通过在其光电二极管(PD，photo diode)的侧面利用P型离子注入，形成一个包围PD的P型环，该环的存在使得PD形成一个横向完全耗尽的P-N-P结，从而该PD的耗尽区宽度就完全取决于纵向PN结的结深，可以灵活调整，特别是能够做出很宽的耗尽区，这个宽耗尽区的存在能明显提高PD对各种色光的吸收效率。另外，由于PD与场氧化层之间被一圈P型环所隔开，因此在场氧化层形成过程中所产生的缺陷及应力均被P型环所隔开而不会对PD产生影响，从而也降低了漏电(Dark current)。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1A是现有4T CMOS图像传感器结构剖面图及对应二极管的能带图；

图1B是现有4T CMOS图像传感器的光电二极管；

图1C是现有4T CMOS图像传感器的光电二极管剖面图及能带图；

图2是本发明实施例4T CMOS图像传感器的光电二极管平面示意图及其剖面图。

具体实施方式

如图2所示，为本发明实施例4T CMOS图像传感器的光电二极管平面示意图及其剖面图，可以看出在光电二极管(PD)的外周侧面形成一个P型环，该P型环包围了所述光电二极管。所述光电二极管的剖面图为Y方向的剖面图，可以看出，由于所述光电二极管的N-区和其两侧的P型环形成P-N-P结，使得所述光电二极管的N-区在横向方向上完全耗尽，这样所述光电二极管的耗尽区宽度就完全取决于纵向PN结的结深X_j，这样通过通过增加该纵向结深X_j就能够做出很宽的耗尽区，从而PD对各种色光的吸收效率。另外，由于PD与场氧化层之间被一圈P型环所隔开，因此在场氧化层形成过程中所产生的缺陷及应力均被P型环所隔开而不会对PD产生影响，从而也降低了漏电。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种CMOS图像传感器，包括一光电二极管、一浮动扩散区、一传输晶体管、一复位晶体管以及一驱动晶体管、一选择晶体管，其特征在于：所述光电二极管的侧面包含一个包围所述光电二极管的P型环，该P型环为一离子注入层，所述P型环将所述光电二极管的N-区横向完全耗尽并使所述光电二极管形成一个横向完全耗尽的P-N-P结，所述P-N-P结由所述光电二极管的N-区和其两侧的所述P型环形成。

2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述P型环的离子注入的杂质为B或BF₂、能量为50-300kev，剂量为5e12-5e13cm^-2。

3.一种CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：

在P型衬底上形成有源区、阱区以及栅极；

在栅极形成侧墙前，利用光刻工艺定义P型环的注入区域，并进行离子注入形成所述P型环；所述P型环的注入区域为位于后续形成的光电二极管的侧面的区域，所述P型环会从所述光电二极管的侧面包围所述光电二极管；

形成所述光电二极管、浮动扩散区、传输晶体管、复位晶体管、驱动晶体管以及选择晶体管，所述P型环将所述光电二极管的N-区横向完全耗尽并使所述光电二极管形成一个横向完全耗尽的P-N-P结，所述P-N-P结由所述光电二极管的N-区和其两侧的所述P型环形成。

4.如权利要求3所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：所述P型环的离子注入的杂质为B或BF₂、能量为50-300kev，剂量为5e12-5e13cm^-2。