CN102201421B - Cmos图像传感器及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种CMOS图像传感器,包括:p型半导体基底;位于所述p型半导体基底内的n型阱;位于所述n型阱内的p型阱;位于所述p型阱内的浅沟槽,以及位于所述浅沟槽底面和侧面的第一介质层和位于所述第一介质层表面的第一电极层。相应地,本发明还提供所述CMOS图像传感器的形成方法,以及所述CMOS图像传感器的光电容读取方法。通过本发明所提供的CMOS图像传感器实现了一种全新的光电信号转化方式,提高了CMOS图像传感器的效率,避免了成像滞后的问题。

Description

CMOS图像传感器及其形成方法
技术领域
本发明涉及图像传感器,特别涉及CMOS图像传感器及其形成方法。
背景技术
电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)器件是两种常见的基于半导体的图像成像器。CCD经常用于图像采集,但是,CCD图像成像器存在诸如功耗比较高,难与CMOS处理装置集成等多种固有限制。
基于CCD技术中的固有限制,CMOS图像传感器已经获得广泛应用。然而,CMOS图像传感器在电路中较易引入各种噪声(noise),从而在一定程度上限制了其在高端领域的应用。
请参见图1,图1所示为现有技术中单像素4T型CMOS图像传感器的单元像素的结构示意图。
现有技术中,CMOS图像传感器的单元像素包括:半导体基底(未图示);位于半导体基底的有源区的一端光电二极管110,光电二极管110用于收集光电子;电连接所述光电二极管110的转移晶体管120,所述转移晶体管120用于传递光电二极管110收集的光电子;电连接转移晶体管120的浮动扩散区160,浮动扩散区160用于存储由所述转移晶体管120传递的光电子;位于电源电压端子(未图示)和所述浮动扩散区160之间重置晶体管130,用于将存储在浮动扩散区160的电子放电以重置所述浮动扩散区160;电连接所述重置晶体管130的驱动晶体管140,所述驱动晶体管140用于响应来自所述光电二极管110的输出信号来充当源跟随器缓冲放大器;连接于所述驱动晶体管140的选择晶体管150,用于进行CMOS图像传感器的单元像素寻址操作。
工作时,所述重置晶体管130和所述转移晶体管120同时开启,所述光电二极管110处于完全耗尽状态;随之关闭所述重置晶体管130和所述转移晶体管120,所述光电二极管110收集光电子并使所述光电二极管110灌满光电子;接着导通所述转移晶体管120,所述光电二极管110收集的电子转移到所述浮动扩散区160,移动到所述浮动扩散区160的光电子通过所述驱动晶体管140产生输出信号。
专利号为6,654,057的美国专利中提供了对CMOS图像传感器的更详细的描述。现有的CMOS图像传感器存在以下问题:
第一,因为浮动扩散区的电容越大,CMOS图像传感器的灵敏度越小,所以为了保证CMOS图像传感器的灵敏度不会过小,浮动扩散区的电容一般比较小,因此浮动扩散区的电荷容纳能力比较小,所以会因为前次光脉冲所产生的光电子延迟进入浮动扩散区而造成成像滞后(imagelag);
第二,受到现有的将光电二极管收集到的光电子转入浮动扩散区以实现光电信号的转换方式的限制,现有CMOS图像传感器的光电二极管结深通常较浅,光电二极管浅结不能有效的收集衬底深处产生的光电子,这些光电子通常要通过特殊方式复合掉,而不能有效复合的光电子会通过扩散缓慢进入光电二极管,从而造成成像滞后问题;
第三,为了得到足够大的光电子收集能力,光电二极管的面积要设计足够大,从而不利于实现器件的小型化。
发明内容
本发明的实施例解决的问题是提供一种CMOS图像传感器及其形成方法,以解决现有CMOS图像传感器成像滞后的问题。
为解决上述问题,本发明提供一种CMOS图像传感器,包括:
p型半导体基底;
位于所述p型半导体基底内的n型阱;
位于所述n型阱内的p型阱;
位于所述p型阱内的浅沟槽,以及位于所述浅沟槽底面和侧面的第一介质层和位于所述第一介质层表面的第一电极层。
可选地,所述n型阱的掺杂浓度为1e16-1e17离子/立方厘米。
可选地,所述n型阱的掺杂离子为磷离子或者砷离子。
可选地,所述p型阱的掺杂浓度为5e16-5e17离子/立方厘米。
可选地,所述浅沟槽的深度为1-3μm。
可选地,所述浅沟槽的宽度为0.2-0.8μm。
可选地,所述第一介质层的材料是二氧化硅。
可选地,所述第一介质层的厚度为50-250埃。
可选地,所述电极层的材料是多晶硅。
可选地,还包括:位于所述第一电极层表面的第二介质层,以及位于所述第二介质层表面,且填充满所述浅沟槽的第二电极层。
可选地,所述第二电极层的材料是多晶硅。
可选地,所述第二介质层的材料是二氧化硅。
可选地,还包括:驱动晶体管,所述驱动晶体管的栅极与第一电极层电连接,源极与第二电极层电连接;
选择晶体管,所述选择晶体管的源极与驱动晶体管的漏极电连接;
读出主线,所述读出主线与选择晶体管的漏极电连接。
相应地,本发明还提供CMOS图像传感器的工作方法,包括:
CMOS图像传感器获得一光信息,并将所获得的光信息转化为光电容值;
在所述第二电极层与所述p型阱之间施加电压,当驱动晶体管开启时,通过驱动晶体管的开关特性获得CMOS图像传感器的光电容值,并将所述光电容值通过所述选择晶体管传输至所述读出主线。
相应地,本发明还提供所述CMOS图像传感器的形成方法,包括:
提供p型半导体基底;
在所述p型半导体基底内形成n型阱;
在所述n型阱内形成p型阱;
在所述p型阱内形成浅沟槽;
在所述浅沟槽的底面和侧面形成第一介质层;
在所述第一介质层表面形成第一电极层。
可选地,还包括:在所述第一电极层表面形成第二介质层;
在所述第二介质层表面形成填充满所述浅沟槽的第二电极层。
与现有技术相比,本发明的实施例具有以下优点:
第一,本发明所提供的CMOS图像传感器中,第一电极层、第一介质层、p型阱组成第一电容,并以所述第一电容容纳由n型阱和p型阱所构成的光电二极管所收集到的光电子,所述第一电容为MOS电容,在所述第一电极层与p型阱之间施加偏压时,光电二极管所容纳的光电子会在电场的作用下转移到第一介质层处,光电二极管所容纳的光电子越多,第一电容的光电容值越大,直至使得第一电容工作在完全反型状态;在没有光电子的情况下,n阱被完全耗尽,在偏压情况下,由于没有电子源,第一电容处于深耗尽状态,此时第一电容为耗尽电容,其光电容值很小,本发明通过上述方式实现了对光信息的转换,并且可以充分容纳所产生的光电子,避免了CMOS图像传感器成像滞后的问题;
第二,本发明所提供的CMOS图像传感器包含纵向的光电二极管,且增大了光电二极管的有效面积,所以提高了收集光电子的能力,特别是对红光产生的光电子的吸收。
附图说明
图1是现有技术中单像素4T型CMOS图像传感器的单元像素的结构示意图;
图2是本发明的第一实施例所提供的CMOS图像传感器的结构示意图;
图3是本发明的第一实施例所提供的CMOS图像传感器的第一电容的电容量随光电子数目的变化图;
图4是本发明的第一实施例所提供的CMOS图像传感器的形成方法的流程示意图;
图5至图9是本发明的第一实施例所提供的CMOS图像传感器的形成方法的剖面示意图;
图10是本发明的第二个实施例所提供的CMOS图像传感器的结构示意图;
图11所示是本发明的第二实施例所提供的CMOS图像传感器的使用方法示意图;
图12是发明的第二实施例所提供的CMOS图像传感器的使用方法的等效电路图。
具体实施方式
由背景技术可知,现有的CMOS图像传感器有成像滞后的问题。
本发明的发明人针对上述问题进行研究,发现现有CMOS图像传感器成像滞后的原因是,形成在深处的光电子需要很长的时间扩散到光电二极管,当这些前一次脉冲形成的光电子在当前脉冲才进入光电二极管时,导致出现成像滞后的问题,而且浮动扩散区电容太小不能有效转移光电二极管中的电子,残余光电子同样也会产生成像滞后的问题。
此外,现有CMOS图像传感器的光电二极管的结通常比较浅,浅结不能有效的收集衬底深处产生的光电子,这些光电子通常要通过特殊的方式复合掉,而不能有效复合的光电子会通过扩散缓慢进入光电二极管,从而造成成像滞后。
发明人经过进一步研究在本发明的实施例中提供一种CMOS图像传感器及其制造方法。本发明的实施例所提供的CMOS图像传感器包括:
p型半导体基底;
位于所述p型半导体基底内的n型阱;
位于所述n型阱内的p型阱;
位于所述p型阱内的浅沟槽,以及位于所述浅沟槽底面和侧面的第一介质层和位于所述第一介质层表面的第一电极层。
本发明所提供的CMOS图像传感器中,第一电极层、第一介质层、p型阱组成第一电容,并以所述第一电容容纳由n型阱和p型阱所构成的光电二极管所收集到的光电子,因为第一电容为MOS电容,在电极层与p型阱之间施加偏压时,光电二极管所容纳的光电子会在电场的作用下转移到第一介质层处,光电二极管所容纳的光电子越多,第一电容的光电容值越大,直至使得第一电容工作在完全反型状态;在没有光电子的情况下,n型阱被完全耗尽,在偏压情况下,由于没有电子源,第一电容处于深耗尽状态,此时第一电容为耗尽电容,其光电容值很小,本发明通过上述方式实现了对光信息的转换,并且可以充分容纳所产生的光电子,避免了CMOS图像传感器成像滞后的问题;
本发明的实施例所提供的CMOS图像传感器的第一电容不作为信号放大部件,所以电容可以很大,能够有效容纳光电二极管所收集的光电子,而且纵向光电二极管可以更加有效的收集深处的光电子,所以可以提高效率和有效解决现有CMOS图像传感器成像滞后的问题。为了进一步说明本发明的精神和实质,在下文中结合附图和实施方式对本发明进行详细阐述。
图2是本发明的第一实施例所提供的CMOS图像传感器的结构示意图。本实施例所提供的CMOS图像传感器包括:
p型半导体基底200;
位于所述p型半导体基底200内的n型阱210;
位于所述n型阱210内的p型阱220;
位于所述p型阱内220的浅沟槽,以及位于所述浅沟槽底面和侧面的第一介质层230和位于所述第一介质层230表面,且填充满所述浅沟槽的第一电极层240。
其中,所述p型半导体基底200的材质可以为硅、锗硅、绝缘体上硅等。
所述n型阱210的深度为1-3.5μm,宽度为0.2-1μm。
所述n型阱210的掺杂离子可以是任意的n型离子,比如磷离子或者砷离子,n型阱210的掺杂浓度为1e16-1e17离子/立方厘米。
对所述n型阱210进行掺杂,部分反转所述n型阱210,形成位于n型阱210内的p型阱220。可以通过控制掺杂的能量控制所形成的p型阱220的深度,在本发明的一个实施例中,所形成的p型阱220的掺杂浓度为5e16-5e17离子/立方厘米。
所述n型阱210与p型阱220构成光电二极管,所述光电二极管收集由光信号转化而来的光电子。
所述第一介质层230的材料是二氧化硅,厚度为50-200埃。所述电极层240的材料是多晶硅。
所述第一电极层240,第一介质层230,p型阱220构成第一电容。
在第一电极层240与p型阱220之间施加偏压的情况下,所述光电二极管所收集的光电子会在电场的作用下转移到第一介质层230处,光电二极管所收集的光电子越多,第一电容的光电容量越大,直至使得第一电容工作在完全反型状态,即第一电容的光电容量直接对应于光电二极管所收集的光电子的量;在没有光电子的情况下,n型阱210被完全耗尽,在偏压情况下,由于没有电子源,第一电容处于深耗尽状态,此时第一电容为耗尽电容,其光电容值很小,本发明通过上述方式实现了对光信息的转换,并且可以充分容纳所收集的光电子。
图3是本发明的第一实施例所提供的CMOS图像传感器的第一电容的电容量随光电子数目的变化图,请参考图3,其中横轴为第一电极层240与p型阱220之间的电压,其中,第一电极层240接高电位,p型阱220接地,纵轴为第一电容的光电容值。光电子沿箭头Ⅰ所示的方向增加,在所述电压的作用下,第一电容的光电容量随着光电子的增加而逐步增加,直至达到反型电容。在工业界,可以根据应用需求,对所述第一电容的形成工艺进行调整,使得所述第一电容的反型电容足以容纳光电二极管所收集的光电子。
在本实施例中,所形成的第一电极层240是填充满所述浅沟槽的单层结构,在本发明的第二实施例中,所述第一电极层240未填充满所述浅沟槽。
相应地,本发明还提供本发明的第一实施例所提供的CMOS图像传感器的形成方法。
图4是本发明的第一实施例所提供的CMOS图像传感器的形成方法的流程示意图,包括:
步骤S101,提供半导体基底,所述半导体基底为p型;
步骤S102,在所述半导体基底内形成n型阱;
步骤S103,在所述n型阱内形成p型阱;
步骤S104,在所述p型阱内形成浅沟槽;
步骤S105,形成覆盖所述浅沟槽的第一介质层,以及填充满所述浅沟槽的第一电极层。
首先,参考图5,执行步骤101,提供半导体基底200,所述半导体基底200为p型。
所述半导体基底200的材质可以为硅、锗硅、绝缘体上硅等。作为一个实施例,所述衬底200为形成有晶体管的硅衬底,所述晶体管用于控制后续形成的光电二极管。
参考图6,执行步骤S102,在所述半导体基底200内形成n型阱210。
所述n型阱210可以利用现有的掺杂工艺形成,可以通过控制掺杂的能量与剂量,控制所形成的n型阱210的深度及掺杂浓度,在本发明的一个实施例中,所述n型阱210的深度为1-3.5μm,宽度为0.2-1μm。
所述n型阱210的掺杂离子可以是任意的n型离子,比如磷离子或者砷离子,n型阱210的掺杂浓度为1e16-1e17离子/立方厘米。
参考图7,执行步骤S103,在所述n型阱210内形成p型阱220。
利用现有的掺杂工艺部分反转所述n型阱210,形成位于n型阱210内的p型阱220。同样地,可以通过控制掺杂的能量与剂量,控制所形成的p型阱220的深度及掺杂浓度,在本发明的一个实施例中,所形成的p型阱220的掺杂浓度为5e16-5e17离子/立方厘米。
参考图8,执行步骤S104,在所述p型阱220内形成浅沟槽300。
所述浅沟槽300的形成工艺可以采用现有的刻蚀工艺。
参考图9,执行步骤S105,形成覆盖所述浅沟槽300的第一介质层230,以及填充满所述浅沟槽300的第一电极层240。
在一个实施例中,所述第一介质层230的材料为二氧化硅,所述第一电极层240是单层结构,所述第一电极层240的材料为多晶硅,所述第一电极层240、第一介质层230以及p型阱220构成第一电容。在本发明中,将光信号转化为第一电容的光电容信号。
图10为本发明第二实施例所提供的CMOS图像传感器的结构示意图。第二实施例中与第一实施例的区别在于第二实施例中以堆叠结构填充所述浅沟槽。
第二实施例所提供的CMOS图像传感器包括:
p型半导体基底200;
位于所述p型半导体基底200内的n型阱210;
位于所述n型阱210内的p型阱220;
位于所述p型阱内220的浅沟槽,以及位于所述浅沟槽底面和侧面的第一介质层230和位于所述第一介质层230表面的第一电极层240,位于所述第一电极层240表面的第二介质层250,位于所述第二介质层250表面,且填充满所述浅沟槽的第二电极层260。
在第二实施例中,所述第二电极层260、第二介质层250、第一电极层240构成第二电容,第二电容的电容值为固定值。
所述第一电极层240、第一介质层230以及p型阱220构成第三电容,所述第二电容与所述第三电容的光电容值匹配,即第二电容的电容值与第三电容的最大光电容值为同一数量级。
所述第三电容为MOS电容,光电容值随光信号的强度发生变化。所述第三电容的光电容值随光信号的强度发生变化的原理,与第一实施例中,所述第一电容的光电容值随光信号的强度发生变化的原理相同。
进一步,本实施例所提供的CMOS图像传感器还包括:驱动晶体管,所述驱动晶体管的栅极与第一电极层电连接,源极与第二电极层电连接;
选择晶体管,所述选择晶体管的源极与驱动晶体管的漏极电连接;
读出主线,所述读出主线与选择晶体管的漏极电连接。
正如前文所提到的,现有技术中受灵敏度和光电信号转化方式的现实,浮动扩散区的电容比较小,并且光电二极管的结比较浅,所以容易造成成像滞后。本发明所提供的光电转化方式将光电二极管收集到的光电子容纳与第一介质层处,将光信号转化为电容信号,实现了一种新的光电转化方式,避免了现有CMOS图像传感器成像滞后的问题。
相应地,本发明还提供了第二实施例所提供的CMOS图像传感器的形成方法。第二实施例所提供的CMOS图像传感器的形成方法与第一实施例所提供的CMOS图像传感器的形成方法区别之处在于,前者在形成第一介质层230后,在第一介质层表面形成第一电极层240,所述第一电极层240没有填充满所述浅沟槽,然后在所述第一电极层240表面形成第二介质层250,然后在第二介质层250表面,形成填充满所述浅沟槽的第二电极层260。其他步骤可以参见步骤S101-S104。
其中第二介质层250和第二电极层260的厚度可以根据第二电容及第三光电容的电容值等进行调整。
所述第二介质层250的材料是二氧化硅,第二电极层260是多晶硅。
相应地,本发明还提供一种依据所述本发明第二实施例所提供的CMOS图像传感器的工作方法。
请参考图11,图11所示为本发明的第二实施例所提供的CMOS图像传感器的工作方法示意图,具体地,所述第二电极层260接高电位(Vdd),所述p型阱220接地,从而在所述第二电极层260与所述p型阱220之间施加电压;并且在测量过程中,所述施加电压的值是固定的。
图12是图11所示的CMOS图像传感器的工作方法的等效电路图,从图12可以看出,所述第二电极层260、所述第二介质层250和所述第一电极层270构成第二电容C20,并且所述第二电容C20的电容值固定,所述第一电极层270、所述第一介质层230和所述p型阱220构成第三电容C30。在CMOS图像传感器得到光信号后,所述光信号转化为光电子,所述光电子被容纳在第三电容C30,第三电容C30的光电容的值与所述光电子的数量一一对应,从而将第三电容C30的光电容的值与所获得的光信号建立对应关系,即所述第三电容C30的光电容值随光信号变化。
所述第二电极层260接高压(Vdd),所述p型阱220接地,在CMOS图像传感器的工作器件,Vdd的值不变。
根据串联电路中电容量与电压的关系可知:
C310/C210=V20/V30(1)
在关系式(1)中,C310、C210分别为第三电容C30光电容值和第二电容C20的电容值,V30、V20分别为第三电容C30和第二电容C20两个极板之间的电压。第二电容C20的电容值C210是固定值,测量过程中Vdd是固定的。由于C30与C20的分压,V30被自动决定,V30的变化仅由C310的变化决定。并且在本实施例中,V20等于驱动晶体管340(发挥源跟随器缓冲放大器的功能)的栅压,并且所述栅压变化时,驱动晶体管340的开关特性发生相应变化,驱动晶体管340的开关特性由选择晶体管350传输到读出总线400,从而实现了由驱动晶体管340读出V20的功能,所施加电压减去V20即可以读取V30,因为V30与C310一一对应,从而以上述方式读取了C310的光电容值。
综上,第一,本发明所提供的CMOS图像传感器中,电极层、第一介质层、p型阱组成第一电容,并以所述第一电容容纳光电二极管所收集到的光电子,因为第一电容为MOS电容,在电极层与p型阱之间形成偏压的情况下,光电二极管所容纳的光电子会在电场的作用下转移到第一介质层处,光电二极管所容纳的光电子越多,第一电容的光电容值越大,直至使得第一电容工作在完全反型状态;在没有光电子的情况下,n阱被完全耗尽,在偏压情况下,由于没有电子源,第一电容处于深耗尽状态,此时第一电容为耗尽电容,其电容值很小,本发明通过上述方式实现了对光信息的转换,并且可以充分容纳所产生的光电子,避免了CMOS图像传感器成像滞后的问题;
第二,本发明的实施例所提供的CMOS图像传感器包含纵向的光电二极管,且增大了光电二极管的有效面积,所以收集光电子的能力。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本发明,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改,因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰,均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (13)

1.一种CMOS图像传感器,包括:p型半导体基底,其特征在于,还包括:
位于所述p型半导体基底内的n型阱;
位于所述n型阱内的p型阱;
位于所述p型阱内的浅沟槽,以及位于所述浅沟槽底面和侧面的第一介质层和位于所述第一介质层表面的第一电极层;
还包括:位于所述第一电极层表面的第二介质层,以及位于所述第二介质层表面,且填充满所述浅沟槽的第二电极层。
2.依据权利要求1所述的CMOS图像传感器,其特征在于,所述n型阱的掺杂浓度为1e16-1e17离子/立方厘米。
3.依据权利要求1所述的CMOS图像传感器,其特征在于,所述n型阱的掺杂离子为磷离子或者砷离子。
4.依据权利要求1所述的CMOS图像传感器,其特征在于,所述p型阱的掺杂浓度为5e16-5e17离子/立方厘米。
5.依据权利要求1所述的CMOS图像传感器,其特征在于,所述浅沟槽的深度为1-3μm。
6.依据权利要求1所述的CMOS图像传感器,其特征在于,所述浅沟槽的宽度为0.2-0.8μm。
7.依据权利要求1所述的CMOS图像传感器,其特征在于,所述第一介质层的材料是二氧化硅。
8.依据权利要求6所述的CMOS图像传感器,其特征在于,所述第一介质层的厚度为50-250埃。
9.依据权利要求1所述的CMOS图像传感器,其特征在于,所述电极层的材料是多晶硅。
10.依据权利要求1所述的CMOS图像传感器,其特征在于,所述第二电极层的材料是多晶硅。
11.依据权利要求1所述的CMOS图像传感器,其特征在于,所述第二介质层的材料是二氧化硅。
12.依据权利要求1所述的CMOS图像传感器,其特征在于,还包括:
驱动晶体管,所述驱动晶体管的栅极与第一电极层电连接,源极与第二电极层电连接;
选择晶体管,所述选择晶体管的源极与驱动晶体管的漏极电连接;
读出主线,所述读出主线与选择晶体管的漏极电连接。
13.依据权利要求1至9中任意一项的所述CMOS图像传感器的形成方法,其特征在于,包括:
提供p型半导体基底;
在所述p型半导体基底内形成n型阱;
在所述n型阱内形成p型阱;
在所述p型阱内形成浅沟槽;
在所述浅沟槽的底面和侧面形成第一介质层;
在所述第一介质层表面形成第一电极层;
还包括:在所述第一电极层表面形成第二介质层;
在所述第二介质层表面形成填充满所述浅沟槽的第二电极层。
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