CN103904092B

CN103904092B - 一种硅基cmos图像传感器提高电子转移效率的方法

Info

Publication number: CN103904092B
Application number: CN201410093313.6A
Authority: CN
Inventors: 蒋玉龙; 包永霞
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: CN103904092A

Abstract

本发明属于微电子技术领域，具体为一种硅基CMOS图像传感器及其提高电子转移效率的方法。本发明通过在感光区和转移晶体管（TX）沟道区的接触部分引入从体内到表面的递增掺杂，使衬底体内到TX表面沟道的电势逐步递增，实现光生载流子的完全转移，并可以达到理论的转移载流子数目的极限，成功解决了光生载流子不能完全转移引起的噪声问题。

Description

一种硅基CMOS图像传感器提高电子转移效率的方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种硅基CMOS图像传感器，及提高电子转移效率的方法。

背景技术

图像传感器是将光学图像转换为电信号的半导体器件，通常可分为CMOS图像传感器和CCD图像传感器。CMOS图像传感器是近十年来图像传感器的研究热点，同传统的CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有体积小巧、低功耗和低成本的优点，而且由于和CMOS工艺兼容的特点，CMOS图像传感器可以实现功能强大的片上系统芯片。

传统的CMOS图像传感器的单个像素结构如图1所示。主要由光电二极管（PPD），浮动扩散区（FD）和传递晶体管（TX）构成。

理想状态下，CMOS图像传感器单个像素的工作原理如下。先由复位晶体管把光电二极管（PPD）置于高电位状态，使光电二极管的PN结处于反偏状态。再关闭复位晶体管，光电二极管上的高电位使源跟随器处于开启状态图2（A），当行选择晶体管处于开启状态时，Vdd可以通过源跟随器传导到输出端。当光线(光子)到达光电二极管的硅体内后，部分晶格上硅原子的共价键被打断，从而形成电子空穴对，其被释放的电子的数目则正比于入射光的强度图2（B）。在复位晶体管关闭后，光电二极管内的反偏PN结收集通过光电效应在硅体内产生的电子。并排斥与之对应的空穴，使与之相连的源跟随器的栅极电位下降图2（C）。从而在行选中(保持行选择晶体管开启)的状态下，放大晶体管作为源跟随器使像素输出端的电位下降。根据电位下降速率与光强的对应关系，通过量测一定时间内输出端的电位变化(△V)，就可知道入射光的强度图2（D）。

然而，传统的CMOS图像传感器不能将光感测区（PPD）内的光生载流子完全转移到浮动扩散区（FD），主要原因在于光感测区（PPD）和传递晶体管（TX）沟道之间的势垒阻碍了部分光生载流子从光感测区进入传递晶体管（TX）沟道（即从光感测区体内到沟道表面存在势垒），图1的10箭头标示的是光电二极管和传递晶体管沟道之间势垒存在的位置。

实际工作过程的电势图如图3所示。由于光感测区域和传递晶体管（TX）沟道之间的势垒，部分光生载流子不能转移到浮动扩散区。

传统结构的硅基CMOS图像传感器，即图1的结构，不能转移的电子位于图4的40。

另外一种现有的结构图如图5所示，感光区的载流子收集区部分向沟道延伸，且与半导体表面相连接，位置不限于栅或者侧墙下面。然而，由于A点的N型掺杂浓度高于B点，A点的电势高于B点，所以存在A到B之间的势垒。该结构工作过程的电势图和图3类似，在此不再赘述。

根据图5的结构制造的硅基CMOS图像传感器，不能转移的电子位于图6的60。

对于结构如图1和图2的硅基CMOS图像传感器而言，包围浮动扩散区的抗穿通注入区（APT）距离光感应区越近，光感测区（PPD）和传递晶体管（TX）沟道之间的势垒越大。

本文所讨论的光生载流子完全转移，均在理论的转移光生载流子的极限数目之内。

发明内容

本发明的目的在于提出一种电子转移效率高的硅基CMOS图像传感器。

本发明同时提出一种能降低硅基CMOS图像传感器感光区（PPD）到传递晶体管（TX）沟道的势垒，提高光生载流子转移效率的方法。

本发明提出的提高硅基CMOS图像传感器光生载流子转移效率的方法，是在感光区（PPD）和传递晶体管（TX）沟道的连接部分从体内到表面进行递增掺杂，使得从感光区到传递晶体管（TX）沟道之间的势垒逐步降低，由此提高光生载流子的转移效率，改善器件的特性。

本发明还涉及一种新型硅基CMOS图像传感器，该硅基CMOS图像传感器具有较高的光生载流子的转移效率，具体包括：

光电二极管（PPD），即光感测器件，用于产生光电荷；

浮动扩散区（FD），用于存储光电荷；

传递晶体管（TX），用于连接光感测器件和浮动扩散区，可将光感测器件产生的光电荷传递到浮动扩散区；

浅槽隔离区（STI），其周围与衬底掺杂类型相同，并使得光电二极管表层重掺杂区域与衬底的电动势相同；

抗穿通注入区（APT），包围浮动扩散区，其位置与光电二极管尽量远；

在光电二极管与传递晶体管沟道的连接区域，引入有从体内到表面的递增掺杂，使得连接处从体内到沟道表面的内建电势递增，从而使全部光生电子可从光感测器件到达沟道表面而没有电子滞留于光感测器件内；电子到达沟道表面后，传递晶体管沟道反型开启，浮动扩散区加正电压，把电子传输到浮动扩散区。

所述递增掺杂是指掺杂浓度递增分布的掺杂。

本发明中，所述的光电二极管与传递晶体管（TX）的连接区域（掺杂浓度呈现从体内到表面递增），可形成于TX的栅极下方，也可形成在TX栅极侧墙下方，或者栅极和侧墙之下皆有。

本发明中，所述的光感测器件与传递晶体管的连接部分，掺杂浓度呈现从体内到表面的递增，其掺杂的杂质的类型与光感测器件载流子收集区的类型相同。即，如果光感测器件载流子收集区是N型，光生载流子为电子，则连接部分为N型递增掺杂；如果光感测器件载流子收集区是P型，光生载流子为空穴，则连接部分为P型递增掺杂。

本发明通过在感光区和转移晶体管（TX）沟道区的接触部分引入从体内到表面的递增掺杂，使衬底体内到TX表面沟道的电势逐步递增，实现光生载流子的完全转移，并可以达到理论的转移载流子数目的极限，成功解决了光生载流子不能完全转移引起的噪声问题。通常情况下，由于种种原因造成的势垒，光生载流子转移结束后，感光区的最高电势低于浮动扩散区（FD）的电势。通过使用本发明的方法，感光区的光生载流子转移结束后，感光区的最高电压与浮动扩散区（FD）的电压相同，也就是达到了能转移的光生载流子数目的极限。

附图说明

图1是传统的硅基CMOS图像传感器像素的结构示意图。

图2中，A到D说明理想状态下硅基CMOS图像传感器产生和读出电荷的操作时的电势分布图。

图3中，A到D说明实际情况下硅基CMOS图像传感器产生和读出电荷的操作时的电势分布图。

图4是图1结构的硅基CMOS图像传感器完成读出电荷操作后的剩余的光生载流子。

图5是现有技术硅基CMOS图像传感器像素的结构示意图。

图6是图5结构的硅基CMOS图像传感器完成读出电荷操作后的剩余的光生载流子。

图7是根据本发明的硅基CMOS图像传感器像素的结构示意图。

图8中，A到D说明根据本发明的硅基CMOS图像传感器产生和读出电荷操作时的电势分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步描述本发明。

本发明区别于传统的硅基CMOS图像传感器在于感光区（PPD）与传递晶体管（TX）沟道连接部分从体内到表面掺杂浓度递增分布，可通过以下两种方法形成：

1、硅基CMOS图像传感器的其它部分形成以后，再用一个光刻版，在感光区（PPD）与传递晶体管（TX）沟道连接区域连续多次不同能量不同浓度注入P型离子；

2、不同能量不同浓度的N型离子连续多次注入得到感光区的光生电子收集区，形成从表面到体内N型掺杂浓度递减；再进行光电二极管陷阱防止层区域的高浓度P型掺杂注入。与第一种方法相比，这种方法可节约一张光刻版。

以光生载流子为电子为例，参照附图7说明本发明的内容。本发明的硅基CMOS图像传感器包括光感应区（PPD），传输晶体管（TX），浮动扩散区（FD），包围浮动扩散区的抗穿通注入区域（APT），连接光感应区与传输晶体管沟道的区域，浅槽隔离区域（STI）。传输晶体管（TX）和浮动扩散区（FD）施加具有与光生载流子电荷极性相反的电压时，光感应区（PPD）存储的光生载流子在电场的牵引下转移至浮动扩散区（FD）。

图7中，700为P型衬底，701为掺杂浓度高于P型衬底的抗穿通区域（APT），701的位置距离光电二极管708尽量远。707、708、700构成PNP结，光照这个PNP结，光生载流子产生于这个区域，存储于708中。当传递晶体管（TX）和浮动扩散区（FD）上加正向偏压时，存储于载流子收集区708中的电子沿着A—A′—A″的路径转移到浮动扩散区（FD）。其中，704区域，沿着A—A′，N型掺杂浓度递增。

图7结构的CMOS图像传感器，工作过程中的电势分布如图8所示。因为光感应区（PPD）和传递晶体管（TX）沟道连接区704的从体内到表面N型递增掺杂，沿着AA′电势下降，如图8的虚线框里所示。这样，就消除了电子从光感应区（PPD）到传递晶体管（TX）的势垒，使得电子转移效率提高。

Claims

1.一种提高硅基CMOS图像传感器电子转移效率的方法，该硅基CMOS图像传感器，具体包括：

光电二极管（PPD），即光感测器件，用于产生光电荷；

浮动扩散区（FD），用于存储光电荷；

抗穿通注入区（APT），包围浮动扩散区，其位置远离光电二极管；

其特征在于：在光电二极管与传递晶体管沟道的连接区域，引入有从体内到表面的递增掺杂，使得连接处从体内到沟道表面的内建电势递增，从而使全部光生电子从光感测器件到达沟道表面而没有电子滞留于光感测器件内；电子到达沟道表面后，传递晶体管沟道反型开启，浮动扩散区加正电压，把电子传输到浮动扩散区；所述递增掺杂是指掺杂浓度递增分布的掺杂；

其中，光电二极管与传递晶体管（TX）的连接区域，形成于传递晶体管（TX）的栅极下方，或者形成在传递晶体管（TX）栅极侧墙下方，或者在栅极和侧墙之下皆有；

在光电二极管与传递晶体管沟道的连接区域递增掺杂的杂质的类型与光感测器件载流子收集区的类型相同，即，如果光感测器件载流子收集区是N型，光生载流子为电子，则连接区域为N型递增掺杂；如果光感测器件载流子收集区是P型，光生载流子为空穴，则连接区域为P型递增掺杂；

其特征在于具体步骤为：在硅基CMOS图像传感器的感光区（PPD）和传递晶体管（TX）沟道的连接部分从体内到表面进行掺杂浓度递增分布的掺杂，使得从感光区到传递晶体管（TX）沟道之间的势垒逐步降低，由此提高光生载流子的转移效率，改善器件的特性；

其中，掺杂浓度递增分布，通过以下方法形成：

硅基CMOS图像传感器的传递晶体管（TX）的栅极形成以后，在传递晶体管（TX）邻近感光区一侧侧墙形成前,在感光区与传递晶体管（TX）沟道连接区域连续多次不同能量、不同浓度注入与光电二级管载流子收集区同型的杂质离子，形成从表面到体内该型杂质掺杂浓度的递减；然后完成栅极的侧墙，再进行光电二极管感光区表面陷阱防止层的高浓度杂质注入，且该杂质类型与光电二极管载流子收集区掺杂类型相反。