CN102222679A

CN102222679A - Cmos图像传感器及制作方法

Info

Publication number: CN102222679A
Application number: CN2011101870910A
Authority: CN
Inventors: 吴小利; 唐树澍; 张克云; 周雪梅; 巨晓华; 饶金华
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2011-10-19

Abstract

一种CMOS图像传感器及制作方法，其中，所述CMOS图像传感器至少包含光电二极管和浮动扩散区，并且，所述光电二极管的掺杂浓度随着其和浮动扩散区距离的增大而降低，或随着其和浮动扩散区距离的减少而增加。本发明通过形成其掺杂浓度随着和浮动扩散区距离的增加而减小或随着和浮动扩散区距离的减少而增加的光电二极管结构，增加了光电子的运动速度，也减少了滞留在光电二极管的光电子数量，从而提高了光电二极管对光电子的收集效率，减少了图像延迟或信息丢失的现象。

Description

CMOS图像传感器及制作方法

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，且特别涉及CMOS图像传感器及制作方法。

背景技术

图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分，根据器件的不同，可分为电荷耦合器件(CCD)以及互补金属氧化物半导体(CMOS)器件。

其中，电荷耦合器件(CCD)发展较早，由于其具有高灵敏度、高分辨率以及较出色的噪声控制性能，常被应用于摄影摄像的高端技术元件中。尽管CCD具有较好的性能表现，然而由于其体积较大、功耗较大，并且无法与现行半导体制造技术中较为通用的标准工艺流程相兼容，造成其生产成本居高不下且产品的兼容性较差。

CMOS图像传感器则不存在上述CCD技术中的固有缺陷，其能够充分地利用现有的工艺流程和设备，并与关联的处理电路实现整合，具有高度的系统集成度。除此之外，相较于CCD，CMOS具有体积小，耗电量低，成本低等优势，近些年在低成本的摄影摄像产品中得以广泛应用。

然而，CMOS图像传感器电路在电路中存在图像延迟的问题，这在一定程度上限制了其在高端图像处理领域的应用。

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。其中，CMOS图像传感器至少包括：光电二极管(PD)110，位于半导体基底有源区的一端，用于收集光电子，读出光信号；浮动扩散区(FD)160，用于存储由所述光电二极管110产生的电子；以及四个N型的MOS晶体管120-150的单元像素，分别为转移晶体管120、复位晶体管130、驱动晶体管140和选择晶体管150。

具体地，传递晶体管120连接在光电二极管110与浮动扩散区160之间，用于将光电二极管110收集的光电子传递到浮动扩散区160；重置晶体管130，连接在电源电压端子170和浮动扩散区160之间，用于释放将存储在浮动扩散区160的电子以重置浮动扩散区160；驱动晶体管140，用于响应来自光电二极管110的输出信号来充当源跟随器缓冲放大器；选择晶体管150，连接到驱动晶体管140，以进行寻址操作。

该CMOS图像传感器在工作过程中，首先，重置晶体管130和传递晶体管120同时处于开启状态，此时，光电二极管110处于完全耗尽状态。然后，闭合重置晶体管130和传递晶体管120，光电二极管110开始收集光电子。一段时间之后，光电二极管110灌满光电子。接着，在电势差的作用下，光电二极管110所收集的电子通过传递晶体管120转移到浮动扩散区160，并且，进入浮动扩散区160的光电子进一步通过驱动晶体管140产生输出信号，从而实现光电转换的过程。

然而，在现有的CMOS图像传感器技术中，光电子转移至浮动扩散区110需要一定的时间，并且，用于驱动光电子进行转移的驱动电场随着光电二极管110尺寸的增大迅速的衰减，也影响了光电子的运动速度。这些都使得光电子从光电二极管110到浮动扩散区160的运动过程变得较为缓慢，尤其对于具有较大尺寸的光电二极管而言。此外，由于电场强度或传输时间的限制，部分光电子无法进入至浮动扩散区160，而留在了光电二极管110中，从而导致了信息丢失以及图像滞后延迟等问题。

发明内容

本发明提供了一种CMOS图像传感器及其制作方法，提高了光电二极管对光电子的收集能力，更为有效地转移所收集的光电子，从而缓解甚至解决CMOS图像传感器图像延迟等问题。

为了实现上述技术目的，本发明提出一种CMOS图像传感器，至少包含光电二极管和浮动扩散区，其中，所述光电二极管的掺杂浓度随着其和浮动扩散区距离的增大而降低，或随着其和浮动扩散区距离的减少而增加。

可选的，所述光电二极管的掺杂浓度随着与浮动扩散区距离的减少呈阶梯状增加，或随着和浮动扩散区距离的增大而呈阶梯状降低。

可选的，所述光电二极管包括多个具有不同掺杂浓度的区域，且各区域的掺杂浓度随其与浮动扩散区的距离增加而降低，或随其和浮动扩散区距离的减少而增加。

可选的，所述光电二极管包括三个具有不同掺杂浓度的区域。

可选的，所述光电二极管的掺杂浓度随着其与浮动扩散区距离的增大而呈线性降低，或随着其和浮动扩散区距离的减少而呈线性增加。

此外，本发明还提出一种CMOS图像传感器制作方法，所述CMOS图像传感器至少包括光电二极管和浮动扩散区，其中，所述制作方法包括：形成常规结构的光电二极管；控制离子注入角度，分次对所述光电二极管进行离子注入，从而使得光电二极管的掺杂浓度随着其和浮动扩散区距离的增大而降低，或随着其和浮动扩散区距离的减少而增加。

可选的，所述控制离子注入角度分次对所述光电二极管进行离子注入包括：每次离子注入时采用相同的掩模版。

可选的，所述控制离子注入角度分次对所述光电二极管进行离子注入包括：每次离子注入时，采用相同的离子注入类型。

可选的，所述控制离子注入角度分次对所述光电二极管进行离子注入包括：每次离子注入时，采用相同的离子注入强度。

可选的，所述控制离子注入角度分次对所述光电二极管进行离子注入包括：控制离子注入角度，使得多次所形成的离子注入区域具有相互重合的区域。

本发明的有益效果为：通过形成其掺杂浓度随着和浮动扩散区距离的增加而减小的光电二极管结构，增加了光电子的运动速度，也减少了滞留在光电二极管的光电子数量，从而提高了光电二极管对光电子的收集效率，减少了图像延迟或信息丢失的现象。

附图说明

图1为传统的CMOS图像传感器的结构示意图；

图2为本发明CMOS图像传感器一种实施方式的剖面示意图；

图3为本发明CMOS图像传感器一种实施方式剖面结构对应的电势图；

图4为本发明CMOS图像传感器制作方法一种实施方式的流程示意图；

图5为图4所示步骤S2一种具体实施例的流程示意图；

图6-图8为与图5所示相对应的剖面结构示意图。

具体实施方式

本发明所提供的CMOS图像传感器及制作方法，通过新型的光电二极管结构，提高了光电二极管对光电子的收集能力，不仅增加了光电子的运动速度，也减少了滞留在光电二极管的光电子数量，从而能够实现更为有效的光电子转移，进一步提升了CMOS图像传感器的图像品质、性能以及分辨率。

下面将结合具体实施例和附图，对本发明CMOS图像传感器及其制作方法进行详细阐述。

本发明CMOS图像传感器至少包含光电二极管和浮动扩散区，其中，所述光电二极管的掺杂浓度随着其和浮动扩散区距离的增大而降低，或随着其和浮动扩散区距离的减少而增加；即越接近浮动扩散区，光电二极管的掺杂浓度越大，越远离浮动扩散区，光电二极管的掺杂浓度越小。具体地，在工作过程中，距离浮动扩散区越近，所述光电二极管的电势越大，而距离浮动扩散区越远，所述光电二极管的电势越小。

在一种实施方式中，所述光电二极管的掺杂浓度可随着与浮动扩散区距离的减小呈阶梯状增加，或随着与浮动扩散区距离的增大而呈阶梯状降低。具体来说，参考图2，在本发明CMOS图像传感器的一种具体实现中，该CMOS图像传感器包含光电二极管200，浮动扩散区202以及连接光电二极管200和浮动扩散区202的传递晶体管201。其中，所述光电二极管200按照掺杂浓度的不同，可分为三个区域，分别为区域210、区域220以及区域230，区域210、区域220以及区域230与浮动扩散区202的距离逐渐增大；并且区域210、区域220以及区域230分别具有掺杂浓度为N1、N2和N3，并且N1＞N2，N2＞N3。

由于光电二极管200中各区域的掺杂浓度不尽相同，在工作状态下，光电二极管200中的区域210、区域220以及区域230也就具有了不同的电势。参考图3，其中，由于区域210的掺杂浓度N1大于区域220的掺杂浓度N2，并且区域220的掺杂浓度N2大于区域230的掺杂浓度为N3，因此当光电二极管200接入闭合电路时，区域210的电势Et1小于区域220的电势Et2，并且区域220的电势Et2小于区域230的电势Et3。在这种情况下，光电二极管200内部形成了由区域210指向区域230的内部电场E。由于内部电场E的驱动，光电二极管200中的大量光电子进一步向着浮动扩散区202运动，从而提高了光电子传输的速度，减少了滞留在光电二极管200中的光电子，尤其是距离浮动扩散区202较远位置的光电子，提高了光电二极管200收集光电子的效率，也减少了图像延迟或信息丢失的现象。

在其它具体实现中，所述光电二极管200按照掺杂浓度的不同，也可具有两个不同的区域，或者具有多过于三个的不同区域，并且这些区域中的掺杂浓度随其与浮动扩散区的距离增加而降低，或随其与浮动扩散区的距离减少而增加。其中，具有不同掺杂浓度的区域个数并不影响其内部电场的形成并进而对光电子起到驱动作用，因此也就不对本发明的发明思路构成影响。

在本发明CMOS图像传感器的又一种实施方式中，所述光电二极管的掺杂浓度还可呈线性变化，即，随着其与浮动扩散区距离的增大而呈线性降低，或随着其与浮动扩散区距离的减少而呈线性增加。此时，在工作状态下，随着与浮动扩散区距离的减小，所述光电二极管中的掺杂浓度线形增大，其对应的电势也随之增加，从而在所述光电二极管中形成背向浮动扩散区的内部电场。该内部电场促进了所述光电二极管中光电子的定向运动，减少了光电子的滞留。

此外，在本发明其它实施方式中，所述光电二极管的掺杂浓度还可随其与浮动扩散区距离的增大而呈多种形式的减小，或随其与浮动扩散区距离的减少而呈多种形式的增加，其中所述光电二极管的掺杂浓度随其与浮动扩散区距离的变化而产生反向变化的具体表现方式并不影响本发明CMOS图像传感器的发明思路。

另外，本发明还提供一种CMOS图像传感器制作方法，所述CMOS图像传感器至少包括光电二极管和浮动扩散区，参考图4，该CMOS图像传感器制作方法包括：

步骤S1，形成常规结构的光电二极管；

步骤S2，控制离子注入角度，多次对所述光电二极管进行离子注入，从而使得光电二极管的掺杂浓度随着其和浮动扩散区距离的增大而降低，或随着其和浮动扩散区距离的减少而增加。

其中，在步骤S1中，可采用现有的工艺方法对常规结构的光电二极管，即其掺杂浓度不随其与浮动扩散区距离大小而变化的光电二极管，进行制作，具体步骤和参数并不对本发明的发明思路造成影响。

在步骤S2中，具体来说，可采用不同离子注入角度对所述光电二极管进行多次离子注入，从而在所述光电二极管中形成具有不同掺杂浓度的区域，并且这些区域的掺杂浓度呈阶梯状分布，且各个区域的掺杂浓度随其和浮动扩散区距离的增大而降低，或随着其和浮动扩散区距离的减少而增加。

参考图5至图8，以形成三个具有不同掺杂浓度的区域为例。具体来说，步骤S2可进一步包括：

步骤S11，参考图5和图6，以掩模版PR为掩模，对所述光电二极管的设定区域进行第一次离子注入，以形成第一掺杂区域300，其中，第一次离子注入采用垂直注入角度，离子注入强度为S1。

步骤S12，参考图5和图7，仍以掩模版PR为掩模，进行第二次离子注入，其中，第二次离子注入采用注入角度为T1，离子注入强度为S2，从而在第一掺杂区域300的基础上形成第二掺杂区域310。

步骤S13，参考图5和图8，继续以掩模版PR为掩模，进行第三次离子注入，其中，第三次离子注入采用注入角度为T2，离子注入强度为S3，从而进一步形成第三掺杂区域320。

具体来说，由于三次离子注入所采用的注入角度存在差异以及离子注入的遮蔽效应(shadow effect)，从而形成相互具有重合区域的第一掺杂区域300、第二掺杂区域310以及第三掺杂区域320，并且第三掺杂区域320的掺杂浓度M1为三次离子注入强度之和，即M3＝S1+S2+S3，第二掺杂区域310的掺杂浓度M2为两次离子注入强度之和，即M2＝S1+S2，而第一掺杂区域300的掺杂浓度M1即为第一离子注入强度。因此，在所述光电二极管中，形成了具有三种不同掺杂浓度的区域，且越接近浮动扩散区，所形成区域的掺杂浓度越大。

在具体实现中，第一次离子注入至第三次离子注入可采用相同的注入离子类型；其所采用的离子注入强度可相同，即S1＝S2＝S3，也可不同；所采用的离子注入角度可根据掺杂区域的宽度设计要求进行调整。

在其它实施方式中，也可调整离子注入的次数，例如采用两次具有不同注入角度的离子注入，或者，还可采用多于三次具有不同注入角度的离子注入，以形成多个具有不同掺杂浓度的区域，其个数与离子注入次数相对应，从而使得光电二极管中的掺杂浓度呈阶梯状分布，且各区域的掺杂浓度随着与浮动扩散区距离的增大而降低。

上述CMOS图像传感器制作方法仅通过对所述光电二极管进行多次离子注入，并调节离子注入的角度和强度，以便在光电二极管中形成多个具有不同掺杂浓度的区域，使得光电二极管中的掺杂浓度呈阶梯状分布，且各区域的掺杂浓度随着与浮动扩散区距离的增大而降低，或随着其和浮动扩散区距离的减少而增加，从而使得所述光电二极管能够更有效地收集光电子，提高了光电子的传输速度，减少了图像延迟或信息丢失的现象。

此外，由于仅对离子注入角度进行调整，从而可在多次离子注入中采用相同的掩模版，而无需制作和使用新的掩模版，节约了生产成本，提高了生产效率。

本领域技术人员应能理解，在上述各实施方式中，例如形成具有常规结构的光电二极管的具体实现和工艺步骤并不对本发明CMOS图像传感器制作方法的发明构思造成限制，上述各工艺步骤中可采用但并不限于现有的常规工艺参数、原料及设备。

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

1.一种CMOS图像传感器，至少包含光电二极管和浮动扩散区，其特征在于，所述光电二极管的掺杂浓度随着其和浮动扩散区距离的增大而降低，或随着其和浮动扩散区距离的减少而增加。

2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述光电二极管的掺杂浓度随着与浮动扩散区距离的减少呈阶梯状增加，或随着和浮动扩散区距离的增大呈阶梯状降低。

3.如权利要求2所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述光电二极管包括多个具有不同掺杂浓度的区域，且各区域的掺杂浓度随其与浮动扩散区的距离增加而降低，或随着其和浮动扩散区距离的减少而增加。

4.如权利要求3所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述光电二极管包括三个具有不同掺杂浓度的区域。

5.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述光电二极管的掺杂浓度随着其与浮动扩散区距离的增大而呈线性降低，或随着其和浮动扩散区距离的减少而呈线性增加。

6.一种CMOS图像传感器制作方法，所述CMOS图像传感器至少包括光电二极管和浮动扩散区，其特征在于，所述CMOS图像传感器制作方法包括：

形成常规结构的光电二极管；

控制离子注入角度，分次对所述光电二极管进行离子注入，从而使得光电二极管的掺杂浓度随着其和浮动扩散区距离的增大而降低，或随着其和浮动扩散区距离的减少而增加。

7.如权利要求6所述的CMOS图像传感器制作方法，其特征在于，所述控制离子注入角度分次对所述光电二极管进行离子注入包括：每次离子注入时采用相同的掩模版。

8.如权利要求6所述的CMOS图像传感器制作方法，其特征在于，所述控制离子注入角度分次对所述光电二极管进行离子注入包括：每次离子注入时，采用相同的离子注入类型。

9.如权利要求6所述的CMOS图像传感器制作方法，其特征在于，所述控制离子注入角度分次对所述光电二极管进行离子注入包括：每次离子注入时，采用相同的离子注入强度。

10.如权利要求6所述的CMOS图像传感器制作方法，其特征在于，所述控制离子注入角度分次对所述光电二极管进行离子注入包括：控制离子注入角度，使得多次所形成的离子注入区域具有相互重合的区域。