CN111293132B - 图像传感器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图像传感器结构，包括：衬底，设于所述衬底上的浅槽隔离区，依次位于所述浅槽隔离区之间的光电二极管、传输晶体管和浮置扩散区，以及设于靠近所述光电二极管一侧的所述浅槽隔离区表面上的导电层；其中，在粒子照射下，所述导电层中产生负电荷，用于与所述浅槽隔离区的填充材料中产生的正电荷相互抵消，从而可避免靠近浅槽隔离区的硅衬底表面产生暗电流。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别是涉及一种图像传感器单元。
背景技术
图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。图像传感器单元类别主要有电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)器件。CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比，具有低功耗、低成本以及可与CMOS工艺相兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用，包括消费电子、汽车电子、监控、生物技术和医学等领域。
CMOS图像传感器包括由众多像素单元构成的像素阵列，像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。在现有技术中，最常见的4T(4Transistors)像素单元中通常包含由一个光电二极管(Photo Diode)、4个场效应晶体管和一个寄生的浮置扩散区存储节点电容组成的有源像素结构。其中，4个晶体管分别是复位(Reset，RX)晶体管、传输(TransitionGate，TX)晶体管、源跟随器(Source Follower，SF)以及行选择(Row Select，RS)晶体管。在这些器件中，光电二极管是感光单元，基于入射光产生电子，实现对光线的收集和光电转换；传输晶体管通过其栅极控制将光电二极管产生的电子转移到浮置扩散区存储节点，再通过后续读出电路将电子转换为电压信号读出。
对于CMOS图像传感器而言，暗电流是一个重要指标。暗电流的大小对噪声、动态范围有着显著的影响，从而直接关系到最终的图像质量。如果图像传感器芯片的暗电流的大小没有达到设计应用的要求，则会限制这颗芯片在高温、低光照下的成像质量。
暗电流的来源包括传输晶体管的栅氧化层与沟道、光电二极管的表面、衬底、浅槽隔离区的边界，等等。其中，浅槽隔离区是暗电流的主要来源之一。尤其对于一些特殊环境下应用的图像传感器而言，当其持续不断地受到空间粒子照射时，容易在目前常规的以二氧化硅材料为主的浅槽隔离区填充材料中产生正电荷。
请参阅图1，图1是现有的一种CMOS图像传感器像素单元的结构原理示意图，其包括了图像传感器单元的核心部分。如图1所示，在P型硅衬底101上的二氧化硅浅槽隔离区102之间为图像传感器的光电二极管103、浮置扩散区104以及传输晶体管105，光电二极管103和浮置扩散区104位于传输晶体管105的两侧。在受到特殊粒子照射后，二氧化硅浅槽隔离区102中产生的正电荷会引起靠近浅槽隔离区102的硅衬底101的区域106中电子的产生，从而造成暗电流的急剧上升，甚至超过光信号产生的电子，使得图像传感器失效。
一般地，可通过在靠近浅槽隔离区102的硅衬底表面增加一次P型杂质注入形成P+区，与光电二极管103的N型区形成更佳的PN结来隔离。但是，当粒子不断照射产生的正电荷量达到一定程度后，PN结有限的隔离能力无法避免抑制能力的失效。
因此，必须找到一种应对上述特殊空间环境应用的新技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种图像传感器结构，以减少受粒子照射影响引起的浅槽隔离区边缘产生的暗电流。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种图像传感器结构，包括：衬底，设于所述衬底上的浅槽隔离区，依次位于所述浅槽隔离区之间的光电二极管、传输晶体管和浮置扩散区，以及设于靠近所述光电二极管一侧的所述浅槽隔离区表面上的导电层；其中，在粒子照射下，所述导电层中产生负电荷，用于与所述浅槽隔离区的填充材料中产生的正电荷相互抵消。
进一步地，所述导电层至少覆盖靠近所述光电二极管一侧的所述浅槽隔离区的整个表面。
进一步地，当粒子由所述导电层的正面方向照射时，所述导电层覆盖靠近所述光电二极管一侧的所述浅槽隔离区的整个表面，并向所述光电二极管一侧延伸至所述光电二极管的侧部上方。
进一步地，当粒子由所述导电层的背面方向照射时，所述导电层覆盖靠近所述光电二极管一侧的所述浅槽隔离区的整个表面，并向所述光电二极管一侧延伸至覆盖整个所述光电二极管。
进一步地，所述导电层的厚度与所述浅槽隔离区的体积成正比。
进一步地，所述导电层材料为氮化钛或氮化钽，所述浅槽隔离区的填充材料为二氧化硅。
进一步地，所述导电层的厚度为10纳米到200纳米。
进一步地，还包括：设于所述光电二极管上方的所述衬底中的隔离区，所述隔离区为注入层，其与所述光电二极管之间形成PN结。
进一步地，所述衬底为硅衬底。
从上述技术方案可以看出，本发明通过在浅槽隔离区上方设置导电层，该导电层在粒子照射下产生负电荷，与粒子照射下浅槽隔离区的填充材料中产生的正电荷相抵消，从而可避免靠近浅槽隔离区的硅衬底表面产生暗电流。同时，对于导电层使用氮化钛、氮化钽等导电材料时，产生的负电荷会集聚在导电材料的边角区域，该区域更靠近光电二极管，使得抑制暗电流的效果得到大幅增强。
附图说明
图1是现有的一种CMOS图像传感器像素单元的结构原理示意图。
图2-图3是本发明一较佳实施例一的一种图像传感器结构示意图。
图4是本发明一较佳实施例二的一种图像传感器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参考图2-图3，图2-图3是本发明一较佳实施例一的一种图像传感器结构示意图。如图2-图3所示，本发明的一种图像传感器结构，可包括：P-硅衬底201；设于P-硅衬底201上的浅槽隔离区(STI)202；依次位于浅槽隔离区202之间的P-硅衬底201上的光电二极管203、传输晶体管205和浮置扩散区204，光电二极管203和浮置扩散区204位于传输晶体管205的两侧；以及设于靠近光电二极管203一侧的浅槽隔离区202表面上的导电层207。
下面结合图3，进一步阐述本实施例的较佳实施方式和突出效果。对于常规的CMOS图像传感器工艺而言，浅槽隔离区202的填充材料一般为二氧化硅，二氧化硅在粒子照射下会产生正电荷206。在本发明的方案中，导电层207在粒子照射下，在导电层207中会产生负电荷208。这样，即使在特殊环境下应用，在浅槽隔离区202的二氧化硅中产生的正电荷206，就会被覆盖在浅槽隔离区202上的导电层207中产生的负电荷208中和，即负电荷208可以和正电荷206相互抵消，实现抑制暗电流的产生。
在本实施例的优选方案中，覆盖浅槽隔离区202的导电层207材料可以是氮化钛、氮化钽等导电材料。
导电层207厚度的可选范围为10nm到200nm，可根据浅槽隔离区202的体积进行调整。若浅槽隔离区202的体积较大，意味着浅槽隔离区202中填充的二氧化硅材料较多，其受粒子照射后产生的正电荷206也较多，那么可适当选择较厚的导电层207。如果浅槽隔离区202的体积较小，即浅槽隔离区202的面积较小或浅槽隔离区202的高度较浅时，其中填充的二氧化硅材料也较少，那么可以选择较薄的导电层207，这样平整度更好。
还可通过在光电二极管203上方的硅衬底201中通过P型杂质注入形成P+注入层，作为隔离区，利用P+注入层与光电二极管203的N型区形成的PN结来进一步进行隔离。
当导电层207材料为氮化钛或氮化钽等时，由于氮化钛或氮化钽材料具有导电性，受粒子照射后，导电层207中产生的负电荷208会集聚在导电层207的边角位置，离光电二极管203的隔离区更近，因此会有突出的效果，使得受粒子照射产生暗电流的抑制能力得到大幅增强。
氮化钛、氮化钽等材料是传统CMOS集成电路加工工艺的常用材料，淀积、光刻、刻蚀等工艺成熟，因此，采用氮化钛、氮化钽等材料形成导电层207，与集成电路工艺完全兼容，且工艺简单。
为了实现更优的抑制暗电流效果，导电层207的覆盖面积需要尽可能的大，且至少覆盖整个浅槽隔离区202的二氧化硅填充材料表面。但是，氮化钛、氮化钽等导电层材料的透光效果一般比较差，远远低于二氧化硅的透光能力，因此不能处于光通路上。
如图3所示，对于传统的前照式CMOS图像传感器而言，光是从硅衬底201的正面(图示硅衬底201的上表面)上方进入(即粒子由导电层207的正面方向照射)，更优的方案是：导电层207的覆盖区域不但超出浅槽隔离区202，而且可尽量靠近光电二极管203，但不覆盖光电二极管203的N型区域，例如导电层207可向光电二极管203一侧延伸至光电二极管203的N型区域侧部上方，这样对衬底暗电流的抑制效果更佳。不能覆盖光电二极管203的原因是导电层207覆盖材料较差的透光效果。
请参考图4，图4是本发明一较佳实施例二的一种图像传感器结构示意图。如图4所示，对于背照式CMOS图像传感器而言，由于光是从硅衬底201的背面(即图示硅衬底201的下表面)进入(即粒子由导电层207的背面方向照射)，光电二极管203上方不再是光通路，因此最优的方案可以是：将导电层207覆盖于靠近光电二极管203一侧的整个浅槽隔离区202以及整个光电二极管203的上方(导电层207与传输晶体管205之间应保留必要的隔离间隙)，以对衬底中的正电荷进行全面中和。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种图像传感器结构，其特征在于，包括：衬底，设于所述衬底上的浅槽隔离区，依次位于所述浅槽隔离区之间的光电二极管、传输晶体管和浮置扩散区，以及设于靠近所述光电二极管一侧的所述浅槽隔离区表面上的导电层；其中，所述导电层至少覆盖所述浅槽隔离区，在粒子照射下，所述导电层中产生负电荷，用于与所述浅槽隔离区的填充材料中产生的正电荷相互抵消。
2.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述导电层至少覆盖靠近所述光电二极管一侧的所述浅槽隔离区的整个表面。
3.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，当粒子由所述导电层的正面方向照射时，所述导电层覆盖靠近所述光电二极管一侧的所述浅槽隔离区的整个表面，并向所述光电二极管一侧延伸至所述光电二极管的侧部上方。
4.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，当粒子由所述导电层的背面方向照射时，所述导电层覆盖靠近所述光电二极管一侧的所述浅槽隔离区的整个表面，并向所述光电二极管一侧延伸至覆盖整个所述光电二极管。
5.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述导电层的厚度与所述浅槽隔离区的体积成正比。
6.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述导电层材料为氮化钛或氮化钽，所述浅槽隔离区的填充材料为二氧化硅。
7.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述导电层的厚度为10纳米到200纳米。
8.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，还包括：设于所述光电二极管上方的所述衬底中的隔离区。
9.根据权利要求8所述的图像传感器结构，其特征在于，所述隔离区为注入层，其与所述光电二极管之间形成PN结。
10.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述衬底为硅衬底。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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