CN103996686A - 能提高信号摆幅的cmos图像传感器像素及其制作方法 - Google Patents

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郭同辉
旷章曲
唐冕
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Abstract

本发明公开了一种能提高信号摆幅的CMOS图像传感器像素及其制作方法，包括置于半导体基体中的光电二极管、电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、行选择晶体管以及漂浮有源区，靠近所述漂浮有源区一侧的电荷传输晶体管沟道处设有N型杂质离子区，所述N型杂质离子区与所述漂浮有源区相接，并且不与光电二极管相接。N型杂质离子区的势阱耗尽电势小于或等于所述光电二极管的完全耗尽电势。能有效提高像素的电势信号摆幅，拓展像素的电荷饱和阱容量及动态范围，传感器采集到了高照明时更多的实物信息，有效提升了图像传感器输出的图像品质。

Description

能提高信号摆幅的CMOS图像传感器像素及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种CMOS图像传感器像素，尤其涉及一种能提高信号摆幅的CMOS图像传感器像素及其制作方法。 
背景技术
图像传感器已经被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是制造CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。 
在现有技术中，CMOS图像传感器一般采用四晶体管像素(4T)结构。如图1所示，是采用CMOS图像传感器4T有源像素结构的示意图，包括虚线框内的横截面示意图和虚线框外的电路示意图两部分。4T有源像素的元器件包括：光电二极管的N型区101，光电二极管的P型PIN层102，电荷传输晶体管103，复位晶体管104，漂浮有源区105，P型阱区106，复位晶体管漏端107，源跟随晶体管108，行选择晶体管109，列位线110；TX为晶体管103的栅极端，RX为晶体管104的栅极端，SX为晶体管109的栅极端，Vdd为电源电压。光电二极管接收外界入射的光线，产生光电信号；开启晶体管103，将光电二极管中的光电信号转移至漂浮有源区(FD)区后，由晶体管108所探测到的FD势阱内电势变化信号经110读取并保存。 
图2a、2b示出了图1虚线框内器件部分，在进行光电电荷转移操作时的势阱示意图。图中，201为光电二极管区的势阱，202为FD区势阱，203为电荷转移晶体管，204为复位晶体管，Vpin为光电二极管的完全耗尽电势，Vfd为FD区的复位电势；其中图2a为开启电荷转移晶体管进行电荷转移时的势阱图，图2b为电荷转移完毕后关闭电荷转移晶体管的势阱图。由图2a、2b所示，可得FD区的线性信号摆幅为Vfd-Vpin，其中低于Vpin部分的信号为非线性无效信号。由此可见，上述现有技术中，漂浮有源区低于光电二极管完全耗尽电势部分的光电信号没有被利用，信号摆幅被限制到Vfd-Vpin。 
发明内容
本发明的目的是提供一种能提高信号摆幅的CMOS图像传感器像素及其制作方法。 
本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 
本发明的能提高信号摆幅的CMOS图像传感器像素，包括置于半导体基体中的光电二极管、电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、行选择晶体管以及漂浮有源区，靠近所述漂浮有源区一侧的电荷传输晶体管沟道处设有N型杂质离子区，所述N型杂质离子区与所述漂浮有源区相接，并且不与所述光电二极管相接。 
本发明的上述的能提高信号摆幅的CMOS图像传感器像素的制作方法，所述N型杂质离子区的制作工艺在浅槽隔离之后并且在多晶硅栅的制作工艺之前。 
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的能提高信号摆幅的CMOS图像传感器像素及其制作方法，由于靠近所述漂浮有源区一侧的电荷传输晶体管沟道处设有N型杂质离子区，N型杂质离子区与漂浮有源区相接，并且不与光电二极管相接，能有效提高像素的电势信号摆幅，拓展像素的电荷饱和阱容量及动态范围，传感器采集到了高照明时更多的实物信息，有效提升了图像传感器输出的图像品质。 
附图说明
图1是现有技术的CMOS图像传感器的四晶体管有源像素结构示意图。 
图2a是现有技术的CMOS图像传感器像素在进行电荷转移操作时，开启电荷转移晶体管进行电荷转移时的势阱示意图。 
图2b是现有技术的CMOS图像传感器像素在进行电荷转移操作时，电荷转移完毕后关闭电荷转移晶体管的势阱示意图。 
图3是本发明实施例中的CMOS图像传感器的四晶体管有源像素结构示意图。 
图4a是本发明实施例中的CMOS图像传感器像素在进行电荷转移操作时，开启电荷传输晶体管进行电荷转移时的势阱示意图。 
图4b是本发明实施例中的CMOS图像传感器像素在进行电荷转移操作时，电荷转移完毕后关闭电荷转移晶体管的势阱示意图。 
图5是本发明实施例中的CMOS图像传感器像素制作工艺中的P型阱工艺步骤完毕后的横截面示意图。 
图6是本发明实施例中的CMOS图像传感器像素制作工艺中的N型离子区工艺旋涂光刻胶步骤。 
图7是本发明实施例中的CMOS图像传感器像素制作工艺中的N型离子区工艺曝光并显影步骤。 
图8是本发明实施例中的CMOS图像传感器像素制作工艺中的N型离子区工艺N型离子注入步骤。 
图9是本发明实施例中的CMOS图像传感器像素制作工艺中的N型离子区工艺清洗光刻胶步骤。 
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。 
本发明的能提高信号摆幅的CMOS图像传感器像素，其较佳的具体实施方式是： 
包括置于半导体基体中的光电二极管、电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、行选择晶体管以及漂浮有源区，靠近所述漂浮有源区一侧的电荷传输晶体管沟道处设有N型杂质离子区，所述N型杂质离子区与所述漂浮有源区相接，并且不与所述光电二极管相接。 
所述N型杂质离子区的势阱耗尽电势小于或等于所述光电二极管的完全耗尽电势。 
本发明的上述的能提高信号摆幅的CMOS图像传感器像素的制作方法，其较佳的具体实施方式是： 
所述N型杂质离子区的制作工艺在浅槽隔离之后并且在多晶硅栅的制作工艺之前。包括步骤： 
a.旋涂光刻胶； 
b.曝光并显影，在预定区域光刻胶开口； 
c.N型杂质离子注入； 
d.清洗光刻胶。 
所述N型杂质离子采用磷离子和砷离子中的任一种或两种离子。 
所述N型杂质离子注入，采用磷离子的注入能量小于或等于90keV，注入剂量小于或等于5e12个离子/平方厘米。 
所述N型杂质离子注入，采用砷离子的注入能量小于或等于200keV，注入剂量小于或等于5e12个离子/平方厘米。 
所述N型杂质离子注入，采用磷离子的注入能量小于或等于90keV，采用砷离子的注入能量小于或等于200keV，两种离子的注入总剂量小于或等于5e12个离子/平方厘米。 
本发明的能提高信号摆幅的CMOS图像传感器像素及其制作方法，从优化像素工艺 结构入手，在靠近漂浮有源区一侧的电荷传输晶体管沟道处设置有N型离子区，在进行光电电荷转移操作时，此N型离子区可预存部分光电电荷，在电荷传输晶体管关闭后，此区预存的电荷会流入漂浮有源区，引起漂浮有源区的电势继续降低。像素拓展了漂浮有源区的电势信号摆幅，使低于光电二极管完全耗尽电势部分的光电信号从非线性无效信号转变为线性有效信号。 
在进行电荷转移操作时，储存在所述N型杂质离子区的电荷在关闭电荷传输晶体管后会流入漂浮有源区内，使漂浮有源区的电势继续降低，此部分电势信号仍为线性信号，仍为有效信号，并且此部分信号电势可低于光电二极管完全耗尽电势。因此本发明的图像传感器像素有效提高了像素的电势信号摆幅，拓展了像素的电荷饱和阱容量及动态范围。传感器采集到了高照明时更多的实物信息，有效提升了图像传感器输出的图像品质。 
具体实施例一： 
本发明的CMOS图像传感器像素结构如图3所示，包含虚线框内的横截面部分和虚线框外的电路部分示意图。图3中，301为光电二极管N型区，302为光电二极管P型Pin层，303电荷传输晶体管，304为复位晶体管，305为漂浮有源区FD，306为P型阱区，307为304漏端，308为源跟随晶体管，309为行选择晶体管，310为列位线，311为N型离子区；STI为浅槽隔离区，P-epi为半导体基体P型外延层；TX为303栅极端，RX为304栅极端，SX为309栅极端，Vdd为电源电压。其中311位于303沟道处，并且与305相互接触，与301不接触。 
图4a、4b示出了图3虚线框内器件部分，在进行光电电荷转移操作时的势阱示意图。图4a为开启电荷传输晶体管进行电荷转移时的势阱图，图4b为电荷转移完毕后关闭电荷传输晶体管的势阱图。401为光电二极管区的势阱，402为FD区势阱，403为电荷转移晶体管，404为复位晶体管，Vpin为光电二极管的完全耗尽电势，Vfd为FD区的复位电势。图4a和图4b所示的411为所述N型离子区，此N型离子区在开启403晶体管时可以预存部分光电电荷，如图4a所示；在转移电荷操作后期，关闭403晶体管后，则预存在411区的电荷流入402势阱区，如图4b所示。因此，402势阱区的电势可以低于Vpin电势，标记为Vfd2，则Vpin-Vfd2部分电势信号来源于411区存储的电荷。由此可见，像素的电势信号摆幅不受Vpin电势制约，电势信号摆幅量由原来的Vfd-Vpin拓展到了Vfd-Vfd2。 
具体实施例二： 
本发明的CMOS图像传感器像素的N型杂质离子区的具体制作方法如图5至图9所示，所述N型杂质离子区的工艺制作在浅槽隔离之后并且多晶硅栅工艺之前，本发明的N型杂质离子区以制作在P型阱工艺之后为例，如图5所示，506为P型阱区，P-epi为半导体基体P型外延层，STI为浅槽隔离区。具体实施步骤为： 
a.旋涂光刻胶；如图6所示。 
b.曝光并显影，在预定区域光刻胶开口；如图7所示。 
c.N型杂质离子注入，如图8所示，其中811为N型杂质离子区；方式一，采用磷离子的注入能量不大于90keV，注入剂量不大于5e12个离子/平方厘米；方式二，采用砷离子的注入能量不大于200keV，注入剂量不大于5e12个离子/平方厘米；方式三，采用磷离子的注入能量不大于90keV，采用砷离子的注入能量不大于200keV，两种离子的注入总剂量不大于5e12个离子/平方厘米； 
d.清洗光刻胶，如图9所示。 
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。 

Claims (8)

1.一种能提高信号摆幅的CMOS图像传感器像素，包括置于半导体基体中的光电二极管、电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、行选择晶体管以及漂浮有源区，其特征在于，靠近所述漂浮有源区一侧的电荷传输晶体管沟道处设有N型杂质离子区，所述N型杂质离子区与所述漂浮有源区相接，并且不与所述光电二极管相接。
2.根据权利要求1所述的能提高信号摆幅的CMOS图像传感器像素，其特征在于，所述N型杂质离子区的势阱耗尽电势小于或等于所述光电二极管的完全耗尽电势。
3.一种权利要求1或2所述的能提高信号摆幅的CMOS图像传感器像素的制作方法，其特征在于，所述N型杂质离子区的制作工艺在浅槽隔离之后并且在多晶硅栅的制作工艺之前。
4.根据权利要求3所述的能提高信号摆幅的CMOS图像传感器像素的制作方法，其特征在于，包括步骤：
a.旋涂光刻胶；
b.曝光并显影，在预定区域光刻胶开口；
c.N型杂质离子注入；
d.清洗光刻胶。
5.根据权利要求4所述的能提高信号摆幅的CMOS图像传感器像素的制作方法，其特征在于，所述N型杂质离子采用磷离子和砷离子中的任一种或两种离子。
6.根据权利要求5所述的能提高信号摆幅的CMOS图像传感器像素的制作方法，其特征在于，所述N型杂质离子注入，采用磷离子的注入能量小于或等于90keV，注入剂量小于或等于5e12个离子/平方厘米。
7.根据权利要求5所述的能提高信号摆幅的CMOS图像传感器像素的制作方法，其特征在于，所述N型杂质离子注入，采用砷离子的注入能量小于或等于200keV，注入剂量小于或等于5e12个离子/平方厘米。
8.根据权利要求5所述的能提高信号摆幅的CMOS图像传感器像素的制作方法，其特征在于，所述N型杂质离子注入，采用磷离子的注入能量小于或等于90keV，采用砷离子的注入能量小于或等于200keV，两种离子的注入总剂量小于或等于5e12个离子/平方厘米。
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