CN110875338B - 像素结构及其制造方法、图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种像素结构及其制造方法、图像传感器。所述像素结构包括光电二极管，所述光电二极管上依次沉积有栅氧化层(19)和传输管栅极(13)，在所述栅氧化层(19)上、所述光电二极管靠近所述传输管栅极(13)的一侧还沉积有附加多晶硅(15)，并且从所述附加多晶硅(15)引出电极。这样，该电极加高电压时可以在光电二极管内该附加多晶硅的下方寄生出一个电容。在曝光的时候，电子优先储存到该电容中，使得电子的转移时间减小，从而降低图像拖影。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种像素结构及其制造方法、图像传感器。
背景技术
图像传感器是一种将通过成像透镜形成的光学图像转换为电子信号的半导体器件。图像拖影是图像传感器在光强突然改变后，残余的图像仍然出现在接下来的数帧图像中的现象。在互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)图像传感器中，如果光电二极管中的电荷转移到浮置节点在一帧内没有全部转移完成，这些电荷将在光电二级管中保持到下一帧的曝光，就可能导致图像拖影现象，从而造成图像的污损，降低成像质量。尤其是在弱光条件下拍摄亮的物体时，该现象对成像质量的影响更加明显。
在相关技术中，可以利用光电二极管的不同N埋层的宽度来产生一个垂直于传输管方向的横向电场，这样就加快了电子传输到浮置节点的传输速度，从而降低CMOS图像传感器图像拖影。该方法缺点是降低了光电二极管的填充系数，并且横向电场的大小和N埋层的宽度并不是线性关系，很难确定出合适的N埋层宽度来产生固定方向的电场。
发明内容
本公开的目的是提供一种简单实用的像素结构及其制造方法、图像传感器。
为了实现上述目的，本公开提供一种像素结构。所述像素结构包括光电二极管，在所述光电二极管上依次沉积有栅氧化层和传输管栅极，在所述栅氧化层上、所述光电二极管靠近所述传输管栅极的一侧还沉积有附加多晶硅，并且从所述附加多晶硅引出电极。
可选地，所述光电二极管包括依次层叠的P型外延层、N埋层和钳位P+层。
可选地，在所述栅氧化层上还沉积有复位管，所述像素结构还包括浮置节点、电源电压端、源跟随管、行选择管，所述电源电压端依次通过所述源跟随管和所述行选择管与电压检测装置连接，所述源跟随管与所述浮置节点连接。
可选地，所述源跟随管和所述行选择管为N型MOS管。
可选地，所述电极在开始曝光时输入高电平，在曝光结束并打开传输管时输入低电平。
本公开还提供一种图像传感器，包括本公开提供的上述像素结构。
本公开还提供一种像素结构的制造方法。所述方法包括：
生成光电二极管；
在所述光电二极管上沉积栅氧化层、附加多晶硅和传输管栅极，使得所述附加多晶硅在所述栅氧化层上、所述光电二极管靠近所述传输管栅极的一侧；
从所述附加多晶硅引出电极。
可选地，所述生成光电二极管的步骤包括：
提供P型衬底；
在所述P型衬底生长出P型外延层；
在所述P型外延层内注入N埋层；
在所述N埋层上注入钳位P+层。
可选地，所述方法还包括：在所述栅氧化层上沉积复位管，所述方法还包括：
在所述P型外延层上设置浮置节点和电源电压端；
将所述电源电压端依次通过源跟随管和行选择管与电压检测装置连接，并将所述源跟随管与所述浮置节点连接。
可选地，所述源跟随管和所述行选择管为N型MOS管。
可选地，所述方法还包括：控制所述电极在开始曝光时输入高电平，在曝光结束并打开传输管时输入低电平。
通过上述技术方案，在光电二极管靠近传输管栅极的一侧刻蚀多晶硅时在栅氧化层的上方保留部分多晶硅(附加多晶硅)，然后从附加多晶硅引出电极。这样，该电极加高电压时可以在光电二极管内该附加多晶硅的下方寄生出一个电容。在曝光的时候，电子优先储存到该电容中，使得电子的转移时间减小，从而降低图像拖影。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是一示例性实施例提供的像素结构的横截面结构示意图；
图2是一示例性实施例提供的像素结构的俯视结构示意图；
图3a是一示例性实施例提供的现有像素结构曝光时的电势能分布图；
图3b是一示例性实施例提供的本公开的像素结构曝光时的电势能分布图；
图4a是一示例性实施例提供的现有像素结构曝光完成后的电子累积分布图；
图4b是一示例性实施例提供的本公开的像素结构曝光完成后的电子累积分布图；
图5是一示例性实施例提供的像素结构的时序控制图。
附图标记说明
10P型衬底 11P型外延层 12浮置节点
13传输管栅极 14N埋层 15附加多晶硅
16复位管 17电源电压端 18钳位P+层
19栅氧化层 20源跟随管 21行选择管
31光电二极管处势阱 311附加多晶硅处势阱 33浮置节点处势阱
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
本公开提供一种像素结构。图1是一示例性实施例提供的像素结构的横截面结构示意图。图2是一示例性实施例提供的像素结构的俯视结构示意图。如图1所示，所述像素结构包括光电二极管，该光电二极管上一次沉积有栅氧化层19、传输管栅极13(传输管栅极多晶硅)，在栅氧化层19上、光电二极管靠近传输管栅极13的一侧还沉积有附加多晶硅15，并且从附加多晶硅15引出电极。
在图1的实施例中，光电二极管包括依次层叠的P型外延层11、N埋层14和钳位P+层18。该沉积钳位P+层18能够起到减少图像传感器噪声的作用。
在栅氧化层19上还沉积有复位管16(复位管多晶硅)。该像素结构还包括浮置节点12、电源电压端17、源跟随管20、行选择管21。电源电压端17依次通过源跟随管20和行选择管21与电压检测装置(未示出)连接(输出端Vout与电压检测装置连接)，源跟随管20与浮置节点12连接。图1中，源跟随管20和行选择管21为N型MOS管，源跟随管20的栅极与浮置节点12连接。
在图1中，传输管、复位管、源跟随管20和行选择管21的连接关系和作用与现有技术中相同。像素结构还包括P型外延层11上的P阱层和浅沟道隔离(Shallow TrenchIsolation，STI)。STI用于将本像素结构与相邻的像素结构进行隔离。
以下详细描述本公开的像素结构能够减小图形拖影的原因。
图3a是一示例性实施例提供的现有像素结构曝光时的电势能分布图。在图3a中，以及在下文的图3b、图4a和图4b中，纵轴表示电子的电势能，横轴表示该像素结构上的位置，横轴的箭头方向沿电子传输的方向。如图3a所示，光电二极管处的势阱31处电子的电势能高于浮置节点处的势阱33处电子的电势能。该像素结构的工作原理是：复位管和传输管同时打开对浮置节点12和光电二极管同时复位，清除残留的电子，然后复位管和传输管都关闭开始曝光，同时附加多晶硅15(电容栅)上电开启。曝光一定时间后打开复位管，清除残留在浮置节点的电子。然后关闭复位管，通过源跟随管20和行选择管21读出此时浮置节点的电压V1。然后打开传输管并将电容栅断电，使光电二极管中的电子传输到浮置节12，一段时间后关闭传输管，再次读出此时的浮置节点12的电压V2，则这段曝光时间内的光信号就转变为点电压信号(V1-V2)。
图4a是一示例性实施例提供的现有像素结构曝光完成后的电子累积分布图。如图4a所示，光电二级管中电子传输到浮置节点12的时间分为t1和t2两部分。产生图像拖影的原因是，在传输管打开的时间内，光电二极管中的电子来不及完全传输到浮置节点12中，其中t2区域靠近传输管部分靠电场驱动传输，需要很短的时间，而远离传输管的部分t1区域不存在横向电场，只能靠电子浓度差产生扩散来传输，所需的扩散时间可能比传输管的开启时间更长。
在图4a中，由于t2对应区域内有特殊注入，在传输管打开时会存在一个电场，该电场能很快地将t2对应区域内的电子传输到浮置节点。t2对应区域电子完全传输所需时间约为T2＝L2/μn，t1对应区域电子扩散传输的时间约为T1＝L1/Dn。其中，L1、L2分别为t1、t2对应区域朝向传输管方向上的长度，Dn是t1对应区域电子的扩散系数，μn是t2对应区域电子的迁移率。在常温下Dn远小于μn，因此，T1远大于T2。而传输管打开的时间非常有限，因此，在传输管打开后t1对应区域内的电子有可能不能完全传输到浮置节点。如果光电二极管中的电子转移到浮置节点在一帧内没有全部转移完成，这些电子将在光电二级管中保持到下一帧的曝光，就可能导致图像拖影。
本公开中，在光电二级管上增加一个电容栅(附加多晶硅)。在该电容栅加高压时该栅下的PN结部分的结电容会增加。该结电容的大小与该栅电压正相关。
图3b是一示例性实施例提供的本公开的像素结构曝光时的电势能分布图。如图3b所示，附加多晶硅处势阱311的电势能小于图3a中光电二极管处势阱31的电势能。
图4b是一示例性实施例提供的本公开的像素结构曝光完成后的电子累积分布图。如图4b所示，当上述结电容增加时，在曝光时间中光电二级管中积累的电子(如图4b中的阴影部分)更多地存储在附加多晶硅处势阱311，而并非在光电二极管中平均分布(如图4a中的阴影部分)。这样，大部分电子将储存在t2对应的区域中，根据光照的大小不同或曝光时间的长短不同，少部分或者没有电子储存在t1对应的区域中。因此，在传输管打开时t2对应区域的电子能迅速地转移到浮置节点12，而t1对应区域的电子只有较少的量或并没有电子，这样，整个光电二极管中的电子能够更快、更多地在传输管打开的时间内传输到浮置节点中去，减弱了图像拖影现象。
综上所述，本公开与现有技术的不同点是在像素结构中的光电二极管上靠近传输管栅极一侧增加了一个MOS电容。该电容增加了光电二极管靠近传输管栅极附近区域的电子存储量，使远离传输管栅极部分光电二极管中曝光的电子在曝光期间就储存到靠近传输管栅极区域的电容中，这样，在传输管打开时有利于提高光电二极管中电子传输至浮置节点的效率。
图5是一示例性实施例提供的像素结构的时序控制图。如图5所示，首先复位管和传输管同时打开(高电平)，对光电二极管和浮置节点同时复位，清空光电二极管和浮置节点内的电子残余，此时的电容端(上述的结电容)加低电平。然后关闭复位管和传输管，开始曝光(积分时间开始)，此时电容端加高电平。在曝光的同时光电二极管中t2区域的结电容由于受MOS电容的影响变大，所以在曝光期间产生的电子首先向t2区域积累。从而在一定光照下大部分或者全部电子都存储在t2区域。然后复位管打开，对浮置节点进行复位，清空浮置节点的电子残余，读出浮置节点的电压V1，然后关闭复位管(积分时间结束)，打开传输管，将光电二极管中的电子传输到浮置节点，此时将栅电容置于低电平，更好地清空光电二极管中的电子。然后关闭传输管，读出此时的浮置节点的电压V2，完成获取的所需要光电转换信号ΔV＝V1-V2，完成一帧图像的整个光电转化过程。综上所述，从附加多晶硅引出的电极在开始曝光时输入高电平，在曝光结束并打开传输管时输入低电平，这样能够有效减小图像拖影。
通过上述技术方案，在光电二极管靠近传输管栅极的一侧刻蚀多晶硅时在栅氧化层的上方保留部分多晶硅(附加多晶硅)，然后从附加多晶硅引出电极。这样，该电极加高电压时可以在光电二极管内该附加多晶硅的下方寄生出一个电容。在曝光的时候，电子优先储存到该电容中，使得电子的转移时间减小，从而降低图像拖影。
本公开还提供一种图像传感器，包括本公开提供的上述像素结构。
本公开还提供一种像素结构的制造方法，该方法可以包括以下步骤：
生成光电二极管；在光电二极管上沉积栅氧化层19、附加多晶硅15和传输管栅极13，使得附加多晶硅15在栅氧化层19上靠近传输管栅极13的一侧；从附加多晶硅15引出电极。
其中，生成光电二极管的步骤可以包括：
提供P型衬底10；
在P型衬底10生长出P型外延层11；
在P型外延层11内注入N埋层14；
在N埋层14上注入钳位P+层18。
该方法还可以包括：在栅氧化层19上沉积复位管16；在P型外延层11上可以设置浮置节点12和电源电压端17；将电源电压端17依次通过源跟随管20和行选择管21与电压检测装置连接，并将源跟随管20与浮置节点12连接。其中，源跟随管20和行选择管21可以为N型MOS管。
所述方法还可以包括：控制附加多晶硅15引出的电极在开始曝光时输入高电平，在曝光结束并打开传输管时输入低电平。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (8)
1.一种像素结构，其特征在于，所述像素结构包括光电二极管，在所述光电二极管上依次沉积有栅氧化层(19)和传输管栅极(13)，在所述栅氧化层(19)上、所述光电二极管靠近所述传输管栅极(13)的一侧还沉积有附加多晶硅(15)，并且从所述附加多晶硅(15)引出电极；所述电极在开始曝光时输入高电平，在曝光结束并打开传输管时输入低电平。
2.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述光电二极管包括依次层叠的P型外延层(11)、N埋层(14)和钳位P+层(18)。
3.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，在所述栅氧化层(19)上还沉积有复位管(16)，所述像素结构还包括浮置节点(12)、电源电压端(17)、源跟随管(20)、行选择管(21)，所述电源电压端(17)依次通过所述源跟随管(20)和所述行选择管(21)与电压检测装置连接，所述源跟随管(20)与所述浮置节点(12)连接。
4.根据权利要求3所述的像素结构，其特征在于，所述源跟随管(20)和所述行选择管(21)为N型MOS管。
5.一种图像传感器，其特征在于，包括根据权利要求1-4中任一权利要求所述的像素结构。
6.一种像素结构的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
生成光电二极管；
在所述光电二极管上沉积栅氧化层(19)、附加多晶硅(15)和传输管栅极(13)，使得所述附加多晶硅(15)在所述栅氧化层(19)上、所述光电二极管靠近所述传输管栅极(13)的一侧；
从所述附加多晶硅(15)引出电极；
所述电极在开始曝光时输入高电平，在曝光结束并打开传输管时输入低电平。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述生成光电二极管的步骤包括：
提供P型衬底(10)；
在所述P型衬底(10)生长出P型外延层(11)；
在所述P型外延层(11)内注入N埋层(14)；
在所述N埋层(14)上注入钳位P+层(18)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述栅氧化层(19)上沉积复位管(16)；
在所述P型外延层(11)上设置浮置节点(12)和电源电压端(17)；
将所述电源电压端(17)依次通过源跟随管(20)和行选择管(21)与电压检测装置连接，并将所述源跟随管(20)与所述浮置节点(12)连接。
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