CN109599408B - 一种cmos图像传感器像素结构及其制备、使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电探测领域的图像传感器，提出了一种CMOS图像传感器像素结构及其制备、使用方法；所述像素结构包括P型衬底，所述P型衬底包括由下至上设置的光敏区、倍增区以及像元区域；所述像元区域位于P型衬底的顶部的左侧或由右侧，所述像元区域上形成有深N阱电子通道，并连通至倍增区；本发明通过在像素部分对探测到的光子所形成的光生载流子进行倍增，从而提高器件探测微弱光的灵敏度，进而提升了CMOS图像传感器在微光下的探测成像能力。
Description
技术领域
本发明属于光电探测领域的图像传感器，特别是适用于微光环境下的图像传感器；具体为一种CMOS图像传感器像素结构及其制备、使用方法。
背景技术
图像传感器是一种测量光强度的装置，互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，简称CMOS)图像传感器由像元探测光强并转换成电压输出。
为提高微弱光尤其是单光子的探测能力，需要采用倍增的方法增强信号，现有的方法是将薄层雪崩光电二极管(avalanche photodiode，简称APD)结构与电路集成实现；如图1所示，传统的背照式CMOS图像传感器像素结构一般由常规的CMOS图像传感器由像素区域、电路区域、背面光敏区和P型衬底构成，入射光被器件光敏区吸收后，通过扩散和漂移的方式被像素区域收集并转换为电压；如图2所示，此类结构可以参见下述文章中的描述：Mosconi D,Stoppa D,Pancheri L,et al.CMOS single-photon avalanche diode arrayfor time-resolved fluorescence detection[C].Solid-State Circuits Conference,2006.ESSCIRC 2006.Proceedings of the 32nd European.IEEE,2006:564-567.但这些图像传感器均存在占空比不高、对长波(600nm以上)响应不强的问题。
发明内容
为解决现有像元级倍增式CMOS图像传感器响应度低、占空比低的问题，本发明提出了背照式像元级倍增的像素结构，可以解决上述问题，600nm-1100nm波长的响应度平均可提高1倍以上，占空比可以由不到70％提升至100％。
本发明的一种CMOS图像传感器像素结构，所述像素结构包括P型衬底，所述P型衬底包括由下至上设置的光敏区、倍增区以及至少一个像元区域；所述像元区域位于P型衬底的顶部，所述像元区域上形成有深N阱电子通道，并连通至倍增区。
优选的，所述P型衬底形成的厚度为一微米至一毫米。
在本发明的像素结构的基础上，本发明还提出了一种CMOS图像传感器像素结构的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1、根据探测所需的波长选择合适掺杂浓度以及合适厚度的P型衬底；在600nm-1100nm波长下，该P型衬底的厚度为80微米～500微米；P型衬底的掺杂浓度为1.0×1017/cm3至1.0×1022/cm3；
S2、在所述P型衬底的顶部的形成有至少一个像元区域后，可对该P型衬底进行减薄；
S3、通过扩散或掺杂的方式在P型衬底上形成N型倍增区和P型光敏区；
S4、采用注入或扩散的方式在像元区域制作深N阱，从而连通像元区域至倍增区。
因此，减薄后的P型衬底的厚度为一微米至一毫米。
优选的，所述倍增区采用N型杂质进行掺杂，其掺杂浓度为1.0×1018/cm3至1.0×1021/cm3。
优选的，所述光敏区采用P型杂质进行掺杂，其掺杂浓度为1.0×1013/cm3至1.0×1021/cm3。
优选的，步骤S4中深N阱掺杂有N型杂质，其浓度在1.0×1011/cm3至1.0×1018/cm3之间。
其中，像元区域与倍增区之间是通过垂直的深N阱通道相连接的，相应的，若像元区域为多个时，则有相应的多个深N阱通道。
本发明还提出了一种CMOS图像传感器像素结构的使用方法，适用于本发明的像素结构，所述使用方法包括以下步骤：
1)：在光敏区施加-200V至0V范围内的电压，使得倍增区内形成105V/cm以上的电场；
2)：在光生载流子到达所述倍增区时，形成倍增，通过深N阱通道被收集并转换成电压输出。
本发明的有益效果：
1)本发明具备像元倍增功能；
2)该图像传感器像素结构与CMOS标准工艺兼容；
3)本发明可以将现有图像传感器灵敏度提升1个量级；
4)本发明采用背照式结构、背面倍增、深N阱电子通道三种结合的方式实现倍增后信号的传输与收集；
5)微光下成像是图像传感器一直在重点发展的领域，目前CMOS图像传感器在微光下成像差，本发明通过在像素部分对探测到的光子所形成的光生载流子进行倍增，从而提高器件探测微弱光的灵敏度，进而提升了CMOS图像传感器在微光下的探测成像能力。
附图说明
图1为传统的背照式CMOS图像传感器示意图；
图2为传统的像元倍增型图像传感器示意图；
图3为本发明采用的像元倍增型图像传感器示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图3所示，本发明的一种CMOS图像传感器像素结构，所述像素结构包括P型衬底，所述P型衬底包括由下至上设置的光敏区、倍增区以及至少一个像元区域；所述像元区域位于P型衬底的顶部，所述像元区域上形成有深N阱电子通道，并连通至倍增区。
作为一种可选方式，本发明的CMOS图像传感器像素结构还可包括N型衬底，所述N型衬底包括由下至上的光敏区、倍增区以及像元区域；所述像元区域位于N型衬底的顶部的左侧或由右侧，所述像元区域上形成有深P阱电子通道，并连通至倍增区。
以P型衬底为例，图3表明该像素结构是一种背面进光模式的像素级倍增的CMOS图像传感器，光被器件吸收时，光生载流子通过光敏区和倍增区形成雪崩倍增效应，放大后的光生载流子通过深N阱通道被像元区域收集，然后通过电路部分转换为电压并被其他结构读出。
其中，电路部分可以如图1的电路区域设置在P型衬底顶部的一侧，也可外接，本领域技术人员可根据实际情况进行相应的变通。
在CMOS图像传感器设计制造时，根据探测所需的波长选择合适掺杂浓度以及合适厚度的P型衬底，在600nm-1100nm波长下，该P型衬底的厚度为80微米～500微米；P型衬底的掺杂浓度为1.0×1017/cm3至1.0×1022/cm3。
在像元区域制作深N阱，该深N阱采用注入或者扩散的方式实现，设计时要求该深N阱连通正面像素区域和背面的倍增区。该深N阱的掺杂有N型杂质，其中，掺杂的N型杂质的浓度在1E11/cm3至1E18/cm3之间。
该图像传感器在其正面结构制作完成后，需要对其背面进行减薄，因而，减薄后的剩余厚度一般大于1微米，小于1毫米。
在该结构的背面进行减薄后，通过扩散或者掺杂的方式分别形成N型倍增区和P型光敏区，光敏区掺杂浓度一般在1E18/cm3至1E21/cm3，倍增区的掺杂浓度比光敏区的掺杂浓度低，一般在1E13/cm3至1E21/cm3。
最后，将光敏区连接出来，在光敏区施加-200V至0V范围内的电压，使得倍增区内形成105V/cm以上的电场；当光生载流子到达此电场区域后，形成倍增，最后通过深N阱通道被收集、并转换成电压输出。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种CMOS图像传感器像素结构，所述像素结构包括P型衬底，其特征在于，所述P型衬底包括由下至上设置的P型光敏区、N型倍增区以及至少一个像元区域；所述像元区域位于P型衬底的顶部，所述像元区域上形成有深N阱电子通道，并连通至N型倍增区。
2.根据权利要求1所述的一种CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，所述P型衬底形成的厚度为一微米至一毫米。
3.一种CMOS图像传感器像素结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1、根据探测所需的波长选择合适掺杂浓度以及合适厚度的P型衬底；
S2、在所述P型衬底的顶部的形成有至少一个像元区域；
S3、通过扩散或掺杂的方式在P型衬底上形成N型倍增区和P型光敏区；
S4、采用注入或扩散的方式在像元区域制作深N阱，从而连通像元区域至倍增区。
4.根据权利要求3所述的一种CMOS图像传感器像素结构的制备方法，其特征在于，所述倍增区采用N型杂质进行掺杂，其掺杂浓度为1.0×1018/cm3至1.0×1021/cm3。
5.根据权利要求3所述的一种CMOS图像传感器像素结构的制备方法，其特征在于，所述光敏区采用P型杂质进行掺杂，其掺杂浓度为1.0×1013/cm3至1.0×1021/cm3。
6.根据权利要求3所述的一种CMOS图像传感器像素结构的制备方法，其特征在于，步骤S4中深N阱掺杂有N型杂质，其掺杂浓度在1.0×1011/cm3至1.0×1018/cm3。
7.一种用于权利要求1或2所述的CMOS图像传感器像素结构的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括以下步骤：
1）在光敏区施加-200V至0V范围内的电压，使得倍增区内形成105V/cm以上的电场；
2）在光生载流子到达所述倍增区时，形成倍增，通过深N阱通道被收集并转换成电压输出。
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