CN111146224A - 图像传感器及电荷转移方法 - Google Patents

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田志
李娟娟
邵华
陈昊瑜
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Abstract

本发明提供了一种图像传感器及电荷转移方法，图像传感器包括：衬底、位于衬底内的N型重掺杂区、位于所述N型重掺杂区一侧的栅极，以及位于所述栅极的与所述N型重掺杂区相对的一侧的N型掺杂区和P型隔离区，所述N型掺杂区位于所述P型隔离区上方，所述栅极一部分位于所述衬底表面，一部分位于所述衬底内，位于所述衬底内的栅极靠近所述衬底表面的横截面积大于远离所述衬底表面的横截面积。在本发明提供的图像传感器及电荷转移方法中，位于所述衬底内的栅极靠近所述衬底表面的横截面积大于远离所述衬底表面的横截面积，减少N型重掺杂区底部电子转移经过的路径，减少了移动的时间，同时，还平衡了上部分和下部分电子移动的效果。

Description

图像传感器及电荷转移方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种图像传感器及电荷转移方法。
背景技术
CMOS图像传感器在过去十几年得到了飞速发展，现已广泛应用于手机、电脑、数码照相机等领域。为了迎合市场需求，在单位面积内集成更多像素单元， CMOS图像传感器的像素尺寸已经从5.6mm逐渐缩小至1.0mm。可是，像素尺寸的缩小不能简单等价于缩小光电二极管(Photodiode)各方向的尺寸，这是由于光电二极管有效满阱容量(FWC)的限制。如果尺寸太小，导致不能存储足够的电子，那么图像质量会严重退化。
传统的4T的CMOS图像传感器的基本构造如图1所示，有光电二极管(PD)，转移管(Tx)，复位管(RST)，源极跟随管(SF)和行选择管(RS)构成。其中在 Tx关闭进行感光的过程中，P-N结捕获太阳光产生电子和空穴，光生电子在P-N 结内建电场的作用下，向顶部积聚，在Transfer Gate打开时，经过表面沟道传输至浮动扩散区(Floating Diffusion)，进而被读取，电子的转移路径如图 2所示。这种电子传输方式通路较小，光电二极管深处电子的传输需要穿过整个结区，很容易被复合而导致抽取效率较低。而且，P-N结深处电子需要一定的时间和电压驱动才能完成传输，这不利于快速读取。为了增加电子转移的速度和效率开发三维(Three-Dimensional)像素区替换传统的二维沟道结构是解决上述问题的有效途径。垂直栅(Vertical Gate)的开发可以将沟道延伸至光电二极管深处。电子传输沟道由平面沟道变为立体沟道，电子的传输通道倍增，光生电子传输速率大幅增加，而且沟道的深入能够降低二极管内的电子残留，提升光生电子的利用率，最终提升光电二极管的满阱容量。但是表面电场强，对应的电子会先开始转移，而底部的电子由于电厂较弱导致转移时间增加，影响整体的响应速度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图像传感器及电荷转移方法，可以减少N型重掺杂区的底部的离子的转移时间，从而提高转移速度。
为了达到上述目的，本发明提供了一种图像传感器，包括：衬底、位于所述衬底内的N型重掺杂区、位于所述N型重掺杂区一侧的栅极，以及位于所述栅极的与所述N型重掺杂区相对的一侧的N型掺杂区和P型隔离区，所述N型掺杂区位于所述P型隔离区上方，所述栅极一部分位于所述衬底表面，一部分位于所述衬底内，位于所述衬底内的栅极靠近所述衬底表面的横截面积大于远离所述衬底表面的横截面积。
可选的，在所述的图像传感器中，所述栅极垂直于所述衬底的表面。
可选的，在所述的图像传感器中，所述图像传感器还包括位于所述栅极表面的转移管。
可选的，在所述的图像传感器中，所述栅极位于所述衬底表面的为第一部分栅极，所述栅极位于所述衬底内的为第二部分栅极和第三部分栅极，所述第一部分栅极和所述第二部分栅极直接连接，所述第二部分栅极的横截面积的尺寸大于所述第三部分栅极的横截面积尺寸。
可选的，在所述的图像传感器中，所述栅极为圆柱形。
可选的，在所述的图像传感器中，所述第二部分栅极的直径大于所述第三部分栅极的直径。
可选的，在所述的图像传感器中，所述图像传感器还包括位于所述N型掺杂区的上方并且在所述衬底内的钉扎层。
可选的，在所述的图像传感器中，所述图像传感器还包括位于所述第一部分栅极外侧并包围所述第一部分栅极的ONO层。
本发明还提供了一种电荷转移方法，包括：当转移管打开时，电荷从N型重掺杂区沿着第二部分栅极和第三部分栅极同时沿着栅极表面向N型掺杂区移动。
可选的，所述的电荷转移方法，其特征在于，电荷为负电荷。
在本发明提供的图像传感器及电荷转移方法中，位于所述衬底内的栅极靠近所述衬底表面的横截面积大于远离所述衬底表面的横截面积，减少N型重掺杂区底部电子转移经过的路径，减少了移动的时间，同时，还平衡了上部分和下部分电子移动的效果。
附图说明
图1是本发明实施例的图像传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例的电荷转移的示意图；
图中：110-衬底、120-N型重掺杂区、130-栅极、131-第一部分栅极、132- 第二部分栅极、133-第三部分栅极、140-N型掺杂区、150-P型隔离区、170- 钉扎层、180-ONO层。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
在下文中，术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。
如图1，本发明提供了一种图像传感器，包括：衬底110、位于所述衬底110 内的N型重掺杂区120、位于所述N型重掺杂区120一侧的栅极130，以及位于所述栅极130的与所述N型重掺杂区120相对的一侧的N型掺杂区140和P 型隔离区150，所述N型掺杂区140位于所述P型隔离区150上方，所述栅极 130一部分位于所述衬底110表面，一部分位于所述衬底110内，位于所述衬底 110内的栅极130靠近所述衬底110表面的横截面积大于远离所述衬底110表面的横截面积。
进一步的，所述栅极130垂直于所述衬底110的表面。所述栅极130为垂直栅，垂直于衬底110。
进一步的，所述图像传感器还包括位于所述栅极130表面的转移管160。转移管160开启的时候，N型重掺杂区120的离子开始转移。
进一步的，所述栅极130位于所述衬底110表面的为第一部分栅极131，所述栅极130位于所述衬底110内的为第二部分栅极132和第三部分栅极133，所述第一部分栅极131和所述第二部分栅极132直接连接，所述第二部分栅极132 的横截面积的尺寸大于所述第三部分栅极133的横截面积尺寸。现有技术中，由于垂直栅上下部分是一样的尺寸，导致N型重掺杂区底部的电子向N型掺杂区移动的时候，在底部需要经过较长的路径，浪费大量的时间，影响整体转移的效果。而本发明实施例将位于衬底内的垂直栅还分为上大下小的两部分，减少N型重掺杂区底部电子转移经过的路径，减少了移动的时间，同时，还平衡了上部分和下部分电子移动的效果。
进一步的，所述栅极130为圆柱形。所述第二部分栅极132的直径大于所述第三部分栅极133的直径。如图2，所述，圆柱形表面平滑有利于电子沿着栅极表面移动，第二部分栅极132的直径大于所述第三部分栅极133的直径，则第二部分栅极132的表面积相对于第一部分栅极131的表面积较小，使得底部的电子移动的路径减小，从而移动的时间也减小，最终减少了电荷整体移动的时间，并且，平衡了上部分和下部分电荷移动的速度。
进一步的，所述图像传感器还包括位于所述N型重掺杂区120的上方并且在所述衬底110内的钉扎层170。
进一步的，所述图像传感器还包括位于所述第一部分栅极131外侧并包围所述第一部分栅极131的ONO层180。
进一步的，电荷从N型重掺杂区120沿着第二部分栅极132和第三部分栅极133同时沿着栅极表面向N型掺杂区移动。
进一步的，电荷为负电荷。N型重掺杂区掺杂的是N型离子，是电子即负电荷。
综上，在本发明实施例提供的图像传感器及电荷转移方法中，位于所述衬底内的栅极靠近所述衬底表面的横截面积大于远离所述衬底表面的横截面积，减少N型重掺杂区底部电子转移经过的路径，减少了移动的时间，同时，还平衡了上部分和下部分电子移动的效果。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：衬底、位于所述衬底内的N型重掺杂区、位于所述N型重掺杂区一侧的栅极，以及位于所述栅极的与所述N型重掺杂区相对的一侧的N型掺杂区和P型隔离区，所述N型掺杂区位于所述P型隔离区上方，所述栅极一部分位于所述衬底表面，一部分位于所述衬底内，位于所述衬底内的栅极靠近所述衬底表面的横截面积大于远离所述衬底表面的横截面积。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述栅极垂直于所述衬底的表面。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括位于所述栅极表面的转移管。
4.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述栅极位于所述衬底表面的为第一部分栅极，所述栅极位于所述衬底内的为第二部分栅极和第三部分栅极，所述第一部分栅极和所述第二部分栅极直接连接，所述第二部分栅极的横截面积的尺寸大于所述第三部分栅极的横截面积尺寸。
5.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述栅极为圆柱形。
6.如权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述第二部分栅极的直径大于所述第三部分栅极的直径。
7.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括位于所述N型掺杂区的上方并且在所述衬底内的钉扎层。
8.如权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括位于所述第一部分栅极外侧并包围所述第一部分栅极的ONO层。
9.一种电荷转移方法，其特征在于，包括：当转移管打开时，电荷从N型重掺杂区沿着第二部分栅极和第三部分栅极同时沿着栅极表面向N型掺杂区移动。
10.如权利要求9所述的电荷转移方法，其特征在于，电荷为负电荷。
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