CN102324430B - 电荷快速转移的四管有源像素及其制作方法 - Google Patents

电荷快速转移的四管有源像素及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于微电子学的集成电路设计和集成电路工艺领域，涉及一种电荷快速转移的四管有源像素，包括制作在P型衬底上的光电二极管、传输管、复位管、源跟随器和选通管，光电二极管N区包括第一N型注入层和设置在其上掺杂浓度较低的第二N型注入层，两个N型注入层与传输管的多晶硅栅的版图位置存在交叠区；在交叠区和传输管的栅下区域设置有掺杂浓度不均衡的P型硅半导体注入层，其掺杂浓度在交叠区处最高；传输管的多晶硅的栅极的掺杂在交叠区一侧为N-掺杂，非交叠区一侧为N+掺杂；在光电二极管N区的非交叠区与硅表面之间设置一层钳位层。本发明同时提供一种上述有源像素的制作方法。本发明的像素能够获得快速无拖尾的电荷转移。

Description

电荷快速转移的四管有源像素及其制作方法
技术领域
本发明涉及微电子学的集成电路设计和集成电路工艺领域，尤其涉及一种电荷快速转移的四管有源像素(4transistors active pixel sensor，4T APS)及其制造方法。
背景技术
随着标准CMOS逻辑工艺的持续缩减和CMOS图像传感器(CMOS Image Sensors，CIS)制造工艺的不断改善，CMOS图像传感器不断发挥其在可集成性、功耗、随机寻址等方面对CCD图像传感器的相对优势，成为固态图像传感器领域的主流器件。基于钳位二极管的四管有源像素(Pinned-Photodiode FourTransistors-Active Pixel Sensor，PPD 4T-APS)具有低暗电流、可消除复位噪声和低图像拖尾等特点，是目前CIS采用的主要像素结构。
PPD 4T-APS的基本结构如图1所示，其中1为P型衬底，2为光电二极管N区，3为表面钳位层，1-3共同构成钳位二极管，用以收集光感生电荷；4和5分别为传输管TG和复位管RST的栅级，6为TG和RST共有的源级，又称为浮空扩散区(Floating Diffusion，FD)，7为RST的漏级，与像素电源电压VDD相连，47共同构成传输管TG和复位管RST，用以实现光感应电荷的转移和钳位二极管的复位。源级跟随器SF的栅级与FD相连，漏极与VDD相连，源级与选通管SEL共用，SEL的漏级与列总线(Column Bus，CB)相连，SF和SEL共同构成像素的缓冲读出器，用以读出光感生电荷所转换的光生电压信号。在上述结构中，PD中收集的光生电荷需要经过TG栅下的传输通道转移到复位后的FD，促使FD电压发生变化，最终形成光生电压信号。
在高速机器视觉、高速视频监控和时间延迟积分(Time-Delayed Integration，TDI)成像等高端成像领域，图像传感器一般需要较大的像素尺寸、填充因子和帧读出速率，以保证信号灵敏度、信噪比和成像速度方面的要求。这就要求有源像素要具有在短时间内完全快速地从PD向FD转移全部光感生电荷的能力。而上述传统PPD 4T-APS在这方面面临严重的瓶颈：一方面，由于存在电荷转换成电压以及相应的转换节点复位过程，有源像素需要对FD复位电压和FD光感生电压进行相关双采样，这样消除固定模式噪声和复位噪声后方能输出等同于CCD像素的低噪声读出信号。相比于CCD单纯的电荷像素间转移，在相同的帧读出速率下，PPD 4T-APS供电荷转移的时间Ttf要短于CCD像素；另一方面，由于CMOS像素要兼容于标准CMOS工艺，TG栅级和FD的复位电压要远低于CCD像素的十几伏，PD到FD的势阱深度差ΔΦ较小，PD中远离TX的边缘处指向TX方向的电场较弱，导致该部位所感生的电荷Q向TX运动的速度减慢。因此，在PD尺寸和帧读出速率相同的条件下，PPD 4T-APS像素相对于CCD像素更难于实现感生电荷的快速全部转移，更容易在PD中剩余残留电荷。这种电荷残留不仅将带来严重的图像拖尾，而且将进一步恶化像素的随机噪声，最终限制了CMOS图像传感器在高端成像领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种可实现电荷快速转移的四管有源像素及其制备方法，通过优化PD和TG交叠区域的器件结构及其栅压工作方式，使PD内的电荷转移和电荷感生同步进行，降低大尺寸高帧率4T APS的电荷残留，从而消除图像拖尾现象，改善CIS在高端成像领域应用条件下的信噪比特性。本发明的技术方案如下：
一种电荷快速转移的四管有源像素，包括制作在P型衬底上的光电二极管N区及其表面钳位层、传输管、复位管、源跟随器和选通管，所述的光电二极管N区包括第一N型注入层(8)和设置在其上的第二N型注入层(9)，第一注入层(8)比第二注入层(9)的掺杂浓度低，两个N型注入层的版图位置与传输管的多晶硅栅的版图位置存在交叠区；在交叠区和传输管的栅下区域设置有掺杂浓度不均衡的P型硅半导体注入层，该P型硅半导体注入层的掺杂浓度在交叠区处最高；传输管的多晶硅的栅极的掺杂在交叠区一侧(12)为N-掺杂，非交叠区一侧(13)为N+掺杂；在光电二极管N区的非交叠区与硅表面之间设置一层作为通过P型注入形成的表面钳位层(3)。
作为优选实施方式，光电二极管N区的两个N型注入层(8，9)，按照下列的N型杂质离子注入形成：第一次注入剂量在0.5e12～1e13/cm2之间，能量在20～500kev之间，第二次注入剂量在1e12～2e14/cm2之间，能量在5～300kev之间，退火后，掺杂浓度从交叠区向光电二极管N区的边缘逐渐递减；P型硅半导体注入层在交叠区处(10)的掺杂浓度范围在1e16～2e19/cm3之间；P型硅半导体注入层在除交叠区之外的传输管的多晶硅栅下位置(11)的掺杂浓度范围在1e15～1e18/cm3之间。传输管的多晶硅的栅极的掺杂在交叠区一侧(12)的浓度范围在1e16～1e19/cm3之间，非交叠区一侧(13)的浓度范围在1e18～5e20/cm3之间；所述的光电二极管的表面钳位层(3)的注入能量范围是5～250kev，剂量范围是5e12～1e15/cm2。
本发明同时提供一种上述四管有源像素的制作方法，光电二极管N区的版图位置与传输管的多晶硅栅的版图位置存在交叠区，其特征在于，所述的光电二极管及传输管按照下列方法制作：
(1)在P型衬底上进行两次N型注入，形成光电二极管N区，第一次注入比第二次注入的掺杂浓度低，注入能量高；
(2)在光电二极管N区贴近硅表面进行一次P型注入，形成栅下交叠区的浓度较高的P型注入层(10)，其注入能量范围是5～100kev，注入剂量范围是1e12～1e14/cm2；
(3)在整个传输管区域做一次低剂量低能量的P型注入，形成栅下非交叠区的浓度较低的P型注入层(11)，其注入能量范围是5～80kev，剂量范围是0.5e12～1e13/cm2；
(4)在传输管的多晶硅栅上将传输管栅靠近光电二极管的部分用光刻胶掩蔽，对栅的非交叠区域进行高剂量的N型离子注入，其注入能量范围是20～80kev，剂量范围是1e13～8e15/cm2；
(5)经过退火，在传输管的栅极的交叠区处形成低浓度的N型掺杂；
(6)进行一次高浓度的P型注入形成光电二极管N区的表面钳位层(3)，其注入能量范围是5～250kev，剂量范围是5e12～1e15/cm2。
作为优选实施方式，第(1)步中，按照下列的N型杂质离子注入形成，第一次注入剂量在0.5e12～1e13/cm2之间，能量在20～500kev之间，第二次注入剂量在1e12～2e14/cm2之间，能量在5～300kev之间，退火后，掺杂浓度从交叠区向光电二极管N区的边缘逐渐递减。
本发明的有益效果如下：
光电二极管的N型注入层与传输管的多晶硅栅的交叠区域扩展了电荷转移的通道宽度，加快电荷从光电二极管区域转移到FD区域。
光电二极管的N型注入层的两次注入所形成的由交叠区向边缘浓度逐渐降低的浓度梯度形成了由交叠区向边缘电势逐渐降低的电势梯度，该电势梯度促使电荷由光电二极管的N型注入层的边缘位置流向交叠区，从而加快电荷完全转移，并最终实现电荷的完全转移。
交叠区与硅表面之间的浓度较高的P型注入层实现了光电二极管N注入层得完全包埋，彻底隔离了N注入层与硅表面的接触。
交叠区与硅表面之间的浓度较高的P型注入层消除了N注入层与表面接近或接触所引起的电荷积累。
栅下的较高浓度与较低浓度P型注入层在沟道内形成了由光电二极管区指向FD区的电势梯度，加快了电荷转移速度。
传输管的N-N+非均匀掺杂结构在沟道内形成了由光电二极管区指向FD区的电势梯度，加快了电荷转移速度。
附图说明
图1四管有源像素原理图。
图2为本发明四管有源像素光电二极管、传输管和FD的剖面图。
图3-1在P型硅衬底上做第一次高能量低剂量的N型注入。
图3-2高剂量低能量的N型注入与上一次N注入共同形成光电二极管的N区。
图3-3在光电二极管区域及其与栅的交叠区注入一层高剂量低能量的P型注入层。
图3-4在栅下注入一层低剂量低能量的P型注入层。
图3-5在光刻胶的掩蔽下，通过高剂量的N型注入形成非均匀的栅掺杂和FD。
图3-6在光电二极管区域注入高剂量低能量的P型杂质，形成光电二极管的表面钳位Pin层。
具体实施方式
参见图2，本发明在P型硅半导体衬底1上由N型杂质注入形成光电二极管的N型硅半导体注入层8和9。光电二极管N型注入层的版图位置与传输管的多晶硅栅的版图位置存在一定的交叠，所述交叠区的尺寸一般为栅长的5～50％之间。N型硅半导体注入层的峰值浓度接近硅半导体表面，交叠区域的N型掺杂浓度最高(图中9号位置)，其掺杂浓度范围在1e15～1e19/cm3，其余部分浓度范围在1e14～1e18/cm3之间，从交叠区向N型注入层边缘逐渐递减。光电二极管的N型注入层的非交叠区域与硅表面之间设有一个高浓度(1e18～1e20/cm3)的P型硅半导体注入层Pin层3，用来形成钳位光电二极管(Pinned photodiode，PPD)结构。光电二极管的N型注入层的交叠区与硅表面之间设有一层浓度较高的P型硅半导体注入层10，其浓度范围在1e16～2e19/cm3。传输管的多晶硅栅下的除交叠区以外的其余位置设有一层浓度较低的P型注入层11，其浓度范围在1e15～1e18/cm3。传输管的多晶硅的栅极的掺杂在交叠区一侧的浓度低，在1e16～1e19/cm3之间，为N-掺杂，非交叠区一侧浓度高，在1e18～5e20/cm3之间，为N+掺杂。
制造方法：
在P型硅衬底1上，由两次N型(砷或磷)注入形成所述光电二极管的N型注入层8和9。第一次注入剂量低，在0.5e12～1e13/cm2之间，能量高，在20～500kev之间，即注入深度较深掺杂浓度较低，形成第一个光电二极管N型注入层8；第二次注入剂量高，在1e12～2e14/cm2之间，能量低，在5～300kev，在即注入深度浅掺杂浓度较高，形成第二个光电二极管N型注入层9。两次注入共同形成光电二极管的N型注入层，保证了由上至下的浓度梯度。
在光电二极管的N型注入层的上方贴近硅体表面做一次高剂量低能量的P型(硼、二氟化硼或铟等P型杂质)注入，与栅的交叠一般大于光电二极管N型注入层的交叠大小，一般在10～60％之间，形成栅下交叠区的浓度较高的P型注入层10，其注入能量范围是5～100kev，注入剂量范围是1e12～1e14/cm2。
在整个传输管区域(包括PD、传输管沟道、FD)做一次低剂量低能量的P型(硼、二氟化硼或铟等P型杂质)注入，形成栅下非交叠区的浓度较低的P型注入层11，其注入能量范围是5～80kev，剂量范围是0.5e12～1e13/cm2。
在形成spacer之后，做一次高浓度的P型(硼、二氟化硼或铟等P型杂质)注入形成光电二极管N型注入层的钳位Pin层3，其注入能量范围是5～250kev，剂量范围是5e12～1e15/cm2。
在传输管的多晶硅栅上将传输管栅靠近PD的部分用光刻胶掩蔽，栅掩蔽的大小为20～70％之间，对栅的非交叠区域进行高剂量的N型(砷或磷)离子注入，其注入能量范围是20～80kev，剂量范围是1e13～8e15/cm2。交叠区的低浓度的N型掺杂由非交叠区的高浓度N型掺杂经过退火之后得到。
下面结合一种实施例具体介绍本发明的制作方法：
在硼掺杂浓度为1e15/cm3的衬底上，定义0.7um的栅长。两次光电二极管N型注入层的注入参数分别为70kev，0.6e12/cm2和50kev，1e12/cm2，注入杂质都是磷，其版图位置与栅的交叠都为0.05um。栅下交叠区的浓度较高的P型注入层10采用二氟化硼注入，能量为10kev，剂量为2e12/cm2，其与栅交叠0.15um。覆盖整个传输管区域的低浓度P型注入层11采用硼注入，其能量为10kev，剂量为2e12/cm2。光电二极管的表面钳位层3的注入采用二氟化硼杂质，其注入能量为45kev，注入剂量为1e13/cm2。传输管栅上的部分掺杂掩蔽的大小为栅靠近PD的0.35um，该注入分两次，第一次为磷注入，能量为35kev，剂量为1.5e14/cm2；第二次为砷注入，能量为60kev，剂量为5e15/cm2。
采用这些工艺参数得到的像素能够获得快速无拖尾的电荷转移。

Claims (7)

1.一种电荷快速转移的四管有源像素，包括制作在P型衬底上的光电二极管N区及其表面钳位层、传输管、复位管、源跟随器和选通管，其特征在于，所述的光电二极管N区包括第一N型注入层（8）和设置在其上的第二N型注入层（9），第一注入层（8）比第二注入层（9）的掺杂浓度低，两个N型注入层的版图位置与传输管的多晶硅栅的版图位置存在交叠区；在交叠区和传输管的栅下区域设置有掺杂浓度不均衡的P型硅半导体注入层，该P型硅半导体注入层的掺杂浓度在交叠区处最高；传输管的多晶硅的栅极的掺杂在交叠区一侧（12）为N-掺杂，非交叠区一侧（13）为N+掺杂；在光电二极管N区的非交叠区与硅表面之间设置一层作为通过P型注入形成的表面钳位层（3）。
2.根据权利要求1所述的四管有源像素，其特征在于，光电二极管N区的两个N型注入层（8，9），按照下列的N型杂质离子注入形成：第一次注入剂量在0.5e12~1e13/cm2之间，能量在20~500kev之间，第二次注入剂量在1e12~2e14/cm2之间，能量在5~300kev之间，退火后，掺杂浓度从交叠区向光电二极管N区的边缘逐渐递减。
3.根据权利要求1所述的四管有源像素，其特征在于，P型硅半导体注入层在交叠区处（10）的掺杂浓度范围在1e16~2e19/cm3之间；P型硅半导体注入层在除交叠区之外的传输管的多晶硅栅下位置（11）的掺杂浓度范围在1e15~1e18/cm3之间。
4.根据权利要求1所述的四管有源像素，其特征在于，传输管的多晶硅的栅极的掺杂在交叠区一侧（12）的浓度范围在1e16~1e19/cm3之间，非交叠区一侧（13）的浓度范围在1e18~5e20/cm3之间。
5.根据权利要求1所述的四管有源像素，其特征在于，所述的光电二极管的表面钳位层（3）的注入能量范围是5~250kev，剂量范围是5e12~1e15/cm2。
6.一种权利要求1所述的四管有源像素的制作方法，光电二极管N区的版图位置与传输管的多晶硅栅的版图位置存在交叠区，其特征在于，所述的光电二极管及传输管按照下列方法制作：
（1）在P型衬底上进行两次N型注入，形成光电二极管N区，第一次注入比第二次注入的掺杂浓度低，注入能量高；
（2）在光电二极管N区贴近硅表面进行一次P型注入，形成栅下交叠区的浓度较高的P型注入层（10），其注入能量范围是5~100kev，注入剂量范围是1e12~1e14/cm2；
（3）在整个传输管区域做一次低剂量低能量的P型注入，形成栅下非交叠区的浓度较低的P型注入层（11），其注入能量范围是5~80kev，剂量范围是0.5e12~1e13/cm2；
（4）在传输管的多晶硅栅上将传输管栅靠近光电二极管的部分用光刻胶掩蔽，对栅的非交叠区域进行高剂量的N型离子注入，其注入能量范围是20~80kev，剂量范围是1e13~8e15/cm2；
（5）经过退火，掺杂浓度从交叠区向光电二极管N区的边缘逐渐递减；
（6）进行一次高浓度的P型注入形成光电二极管N区的表面钳位层（3），其注入能量范围是5~250kev，剂量范围是5e12~1e15/cm2。
7.根据权利要求6所述的四管有源像素的制作方法，其特征在于，第（1）步中，按照下列的N型杂质离子注入形成，第一次注入剂量在0.5e12~1e13/cm2之间，能量在20~500kev之间，第二次注入剂量在1e12~2e14/cm2之间，能量在5~300kev之间，退火后，掺杂浓度从交叠区向光电二极管N区的边缘逐渐递减。
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