CN103280451B - 改善cmos图像传感器性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及CMOS图像传感器，具体涉及一种改善CMOS图像传感器性能的方法，通过在P型硅衬底表面制备一P型的碳化硅外延层，由于碳化硅的能隙较大，在反偏情况下，碳化硅P型的价带和硅衬底N型的价带之间的势能差减小，从而有利于将光子产生的空穴排到P型碳化硅外延层的价带上，可以增加光电转换的效率和灵敏度；同时这种结构由于具有较厚的层，可以防止生成的电子‑空穴对被相邻像素单元所捕获，降低了像素之间的电学互扰，进而提高了图像质量。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器，具体涉及一种改善CMOS图像传感器性能的方法。
背景技术
CMOS图像传感器（CIS）由于其制造工艺和现有的集成电路制造工艺兼容，同时其性能上比原有的电荷耦合器件CCD相比有很多优点。CMOS图像传感器可以将驱动电路和像素集成在一起，简化了硬件设计，同时也降低了系统的功耗。CIS由于在采集光信号的同时就可以取出电信号，还能实时处理图像信息，速度比CCD图像传感器快。CMOS图像传感器还具有价格便宜，带宽较大，防模糊，访问的灵活性和较大的填充系数的优点。
传统的有源像素是运用光电二极管作为图像传感器件。通常的有源像素单元是由三个晶体管和一个N+/P-光电二极管构成，这种结构适合标准的CMOS制造工艺。在对于光电二极管的搀杂的空间分布设计中，我们还必须使空间电荷区避开晶体缺陷等复合中心集中的地区，以减小像素的暗电流。而现在像素的尺寸逐渐减小，光电二极管容纳电子的阱容量也随之变小，那么对光的捕获和光电信号有一定的影响。现在对于CMOS图像传感器有两种选择，一种是与标准CMOS工艺兼容的光电二极管和3个晶体管相结合，以此保证光电二极管的面积。另一种是不与标准CMOS工艺兼容的具有高阱容量的所谓钉扎光电二极管（包括N-层，在其上形成的P+连接层）与4个晶体管结合的具有较低暗电流的像素结构。
图1为完成背照图像传感器后端的4T像素的示意图，P型外延层有源单元区周围设置有浅隔离沟槽结构，并在有源单元区中形成有光电二极管，光电二极管的顶部有一钉扎层，在该有源单元区中还形成有一个P型的阱区107，及至少在P型阱区107的顶部形成有漂浮的第一N型区109和第二N型区108；和在第一N区109与钉扎 层上方形成有栅氧化物层和栅氧化物层之上的栅极，以形成一个转移晶体管110；以及在第一N区109和第二N区108之间的P阱区的上方形成有栅氧化物层和栅氧化物层之上的栅极，以形成一个复位晶体管111，在有源单元区中还形成有一个放大晶体管和一个选择晶体管，所述第一N区109电性连接到放大晶体管的栅极，放大晶体管和选择晶体管串联，放大晶体管的一端连接电源电压VDD，另一端连接选择晶体管。
在光照时，光电二极管产生电荷，这时转移管是关闭状态。然后转移管打开，将存储在光电二极管中的电荷传输到漂浮节点，传输后，转移管关闭，并等待下一次光照的进入。在漂浮节点上的电荷信号随后用于调整放大晶体管。读出后，带有复位门的复位晶体管将漂浮点复位到一个参考电压。
当入射光抵达感光二极管的空间电荷区以外的衬底区域，并通过光电效应产生的电子空穴对时，其电子也会在衬底内通过扩散到达空间电荷区边缘而被空间电荷区所吸收。然而，由于电子扩散的无规则性，其可能在衬底内与空穴复合，也可能在衬底游走一段距离后被扫入其他像素的空间电荷区，从而引起像素间一种新的互扰，称之为电学互扰。电学互扰同样会给像素引入一些不真实的信号，使图像传感器信噪比降低，图像质量变差。在强光的照射下，这种电学互扰会非常严重，此时不仅在感光二极管空间电荷区外产生的光生电子会在衬底扩散，而且被二极管空间电荷区已收集的电子也可能会重新扩散到衬底中，并在最终的图像中引入一些缺陷，如光晕。原因在于对像素而言，其所能容纳的电子个数有限，一旦P-N结收集足够的电子后脱离反偏态而进入平衡态，其多余的电子将溢出而扩散到衬底中，并有很大部分将被邻近的像素所吸收，使周边像素亮度增加，形成光晕。
中国专利（公开号：200980104585）公开了“用于背侧照明影像感测器的电路与光感测器重迭”提出一种像素电路区域和光电二极管区域相互重叠的分布方式，将光电二极管置于像素单元电路区下，而通过一个结合扩散区将光电二极管和钉扎层相连实现将电子通过转移管传到漂浮点的功能。如图2所示，该发明扩大了光电二极管的面 积，提升了像素单元的填充因数，同时大的光电二极管可以接受更多的光，提高了对倾斜光的吸收，增加了光电转换的效率。
对于光电二极管而言，当光线（光子）到达硅体内后，部分晶格上的硅的共价键被打断，从而形成电子空穴对，其释放的电子数目则正比于入射光的强度。在三个晶体管（3T）有源像素单元中，在像素操作时，通过开启复位晶体管，将像素中放大晶体管的栅极预充到高电位，从而使光电二极管的PN结处于反偏状态。在复位晶体管关闭后，光电二极管中反偏PN结通过收集因光电效应而在硅体内产生的电子，并排斥与之相对应的空穴，使与之相连的放大晶体管的栅极电位下降。在四晶体管（4T）有源像素单元中，在光照时，光电二极管在N-处产生电荷，这时转移管是关闭状态。然后转移管打开，将存储在光电二极管中的电荷传输到漂浮节点，传输后，转移管关闭，并等待下一次光照的进入。在漂浮节点上的电荷信号随后用于调整放大晶体管。读出后，带有复位门的复位晶体管将漂浮点复位到一个参考电压。在3T和4T有源像素晶体管中，通过光线产生的电子都要经过二极管的反向偏压所收集，而空穴被这个电场扫到二极管的P型端。电子和空穴的收集速度以及效率会影响像素单元的光电转换效率。
但是现有技术的前照式和背照式CMOS图像传感器都是利用硅作为衬底及外延层，如图3所示为传统的光电二极管能带示意图，采用硅作为衬底及外延层时，光电子产生的空穴需要经过一个高的势能差（0.7V）才能到达P型硅的价带，同时电子也需要越过一个势垒到达N型硅的导带，这样会降低光电转换的效率，进而降低了CMOS图像传感器的性能。
发明内容
本发明根据现有技术中的不足提供了一种改善CMOS图像传感器性能的方法，通过利用相比硅能隙大的碳化硅层作为光电二极管的P型外延层，由于碳化硅的能隙大于硅的能隙，在反偏情况下，碳化硅P型的价带和硅N型的价带之间的势能差减小，这样有利于将光 子产生的空穴排到P型碳化硅的价带上，可以增加光电转换的效率和灵敏度，同时这种结构由于具有较厚的层，可以防止生成的电子-空穴对被相邻像素单元所捕获，降低了像素之间的电学互扰。
本发明采用的技术方案为：
一种改善CMOS图像传感器性能的方法，其中，包括以下步骤：
提供一硅衬底，该硅衬底的表面具有一氧化层；
对所述硅衬底进行清洗工艺后去除所述氧化层；
于所述硅衬底上表面生长一碳化硅外延层；
对所述碳化硅外延层进行P掺杂工艺后，对所述硅衬底的下表面进行减薄工艺；
继续后续的CMOS图像传感器的制备工艺。
上述的改善CMOS图像传感器性能的方法，其中，所述硅衬底为P型掺杂的硅衬底。
上述的改善CMOS图像传感器性能的方法，其中，将所述硅衬底置于H2的氛围的外延腔体内进行加热工艺，其中，
采用浓度为0.01ml/s～0.05ml/s的H2，在温度为900～1100℃条件下，对所述硅衬底进行10～60s的加热工艺。
上述的改善CMOS图像传感器性能的方法，其中，通入H2、C3H8和SiH4于所述硅衬底上表面生长一层碳化硅外延层；
其中，通入H2的流量为0.01ml/s～0.05ml/s，C3H8的流量为0.1ml/s～0.5ml/s，SiH4的流量为0.2ml/s～1ml/s以生长所述碳化硅外延层。
上述的改善CMOS图像传感器性能的方法，其中，通入C3H8、SiH4及掺杂剂三甲基铝对所述外延层进行P掺杂工艺，
其中，进行P掺杂工艺时，通入的C3H8的气体流量为0.1ml/s～1ml/s,SiH4的气体流量为0.1ml/s～1ml/s,掺杂剂三甲基铝的流量为5E-7ml/s～5E-6ml/s。
上述的改善CMOS图像传感器性能的方法，其中，所述碳化硅外延层的掺杂浓度与所述P衬底的掺杂浓度相同。
由于本发明采用了以上技术方案，通过在P型硅衬底上表面生长 一碳化硅层作为CMOS图像传感器的外延层，有利于将光子产生的空穴排到P型碳化硅外延层的价带上，可以增加光电转换的效率和灵敏度，同时这种结构由于具有较厚的层，可以防止生成的电子-空穴对被相邻像素单元所捕获，降低了像素之间的电学互扰。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为现有技术中4T有源背照式CMOS图像传感器示意图；
图2为现有技术中像素电路区与光电二极管区重叠的4T有源背照式CMOS图像传感器示意图；
图3为传统的光电二极管能带示意图；
图4为本发明改善CMOS图像传感器性能的方法的流程图；
图5-6为本发明制造的两种CMOS图像传感器的示意图；
图7为本发明的光电二极管能带示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
图4为本发明改善CMOS图像传感器性能的方法的流程图，如图所示，包括以下步骤：
步骤S1、提供一表面具有氧化层的硅衬底，优选的，采用一P型掺杂的硅衬底然后对其进行清洗；
步骤S2、将硅衬底置于H2氛围的外延腔体内进行加热工艺，在本发明的实施例中，采用浓度为0.01ml/s～0.05ml/s的H2，在温度为900～1100℃条件下，对所述硅衬底进行10～60s的加热工艺以去除硅衬底表面的氧化层。
步骤S3、于硅衬底上表面生长形成碳化硅外延层，在本发明的该实施例中，在800～1150℃（如800℃，900℃，1000℃，1150℃） 的温度条件下通入H2、C3H8和SiH4以在硅衬底上表面生长形成碳化硅外延层；其中，通入H2的流量为0.01ml/s～0.05ml/s,C3H8的流量为0.1ml/s～0.5ml/s，SiH4的流量为0.2ml/s～1ml/s，以在P型衬底的上表面生长一外延层。在本发明的实施例中，优选通入H2的流量为0.02ml/s，C3H8 的流量为0.2ml/s，SiH4的流量为0.5ml/s，以获得最佳技术效果。
步骤S4、对碳化硅外延层进行P型掺杂，通入C3H8、SiH4及掺杂剂三甲基铝对外延层进行P掺杂工艺，在本发明的实施例中，通入的C3H8的气体流量为0.1ml/s～1ml/s,通入的SiH4的气体流量为0.1ml/s～1ml/s,通入的掺杂剂三甲基铝的流量为5E-7ml/s～5E-6ml/s，并保证碳化硅外延层的离子掺杂浓度与P型衬底的离子掺杂浓度相同，形成P型掺杂的碳化硅外延层。
步骤S5、对硅衬底背面进行减薄工艺，将硅衬底的底面的厚度减薄到合适的厚度以满足工艺需求；
步骤S6、继续进行后续的CMOS图像传感器像素单元的制备工艺，由于后续的生产工艺采用传统技术的制备方法，故发明不再赘述。
图5-6为本发明制造的两种CMOS图像传感器的示意图；图7为本发明的光电二极管能带示意图；集合图5至图7所示，本发明在P型硅衬底上表面制备了一P型碳化硅外延层，由于碳化硅的能隙较大，在反偏情况下，碳化硅P型的价带和硅衬底N型的价带之间的势能差减小，从而有利于将光子产生的空穴排到P型碳化硅外延层的价带上，可以增加光电转换的效率和灵敏度；同时这种结构由于具有较厚的层，可以防止生成的电子-空穴对被相邻像素单元所捕获，降低了像素之间的电学互扰，进而提高了图像质量。
综上所述，由于本发明采用了以上技术方案，通过在P型硅衬底表面制备一P型的碳化硅外延层，由于碳化硅的能隙较大，在反偏情况下，碳化硅P型的价带和硅衬底N型的价带之间的势能差减小，从而有利于将光子产生的空穴排到P型碳化硅外延层的价带上，可以增加光电转换的效率和灵敏度；同时这种结构由于具有较厚的层，可以防止生成的电子-空穴对被相邻像素单元所捕获，降低了像素之间 的电学互扰，进而提高了图像质量。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。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做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (4)
1.一种改善CMOS图像传感器性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一硅衬底，该硅衬底的表面具有一氧化层；
对所述硅衬底进行清洗工艺以去除所述氧化层；
于所述硅衬底上表面生长一碳化硅外延层；
对所述碳化硅外延层进行P掺杂工艺后，对所述硅衬底的下表面进行减薄工艺；
继续后续的CMOS图像传感器的制备工艺；
其中，所述硅衬底为P型掺杂的硅衬底；
在所述硅衬底上表面通入H2、C3H8和SiH4以生长一层碳化硅外延层；通入H2的流量为0.01ml/s～0.05ml/s，C3H8的流量为0.1ml/s～0.5ml/s，SiH4的流量为0.2ml/s～1ml/s以生长所述碳化硅外延层。
2.根据权利要求1所述的改善CMOS图像传感器性能的方法，其特征在于，将所述硅衬底置于H2的氛围的外延腔体内进行加热工艺去除所述氧化层，其中，
采用浓度为0.01ml/s～0.05ml/s的H2，在温度为900～1100℃条件下，对所述硅衬底进行10～60s的加热工艺。
3.根据权利要求1所述的改善CMOS图像传感器性能的方法，其特征在于，通入C3H8、SiH4及掺杂剂三甲基铝对所述外延层进行P掺杂工艺，
其中，进行P掺杂工艺时，通入的C3H8的气体流量为0.1ml/s～1ml/s,SiH4的气体流量为0.1ml/s～1ml/s,掺杂剂三甲基铝的流量为5E-7ml/s～5E-6ml/s。
4.根据权利要求1所述的改善CMOS图像传感器性能的方法，其特征在于，所述碳化硅外延层的掺杂浓度与所述硅衬底的掺杂浓度相同。
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