CN111312693A - 一种图像传感器结构 - 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；其中，靠近所述光电二极管一侧的所述浅槽隔离区的表面上设有电极，所述电极的边界位于所述浅槽隔离区的边界以内。本发明可抑制靠近浅槽隔离区表面的衬底硅中电子的产生，有效降低浅槽隔离区的暗电流来源。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别是涉及一种能够减小暗电流的图像传感器结构。
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。
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，包括了图像传感器单元的核心部分。图中在P-型硅衬底101上的浅槽隔离区(STI)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。
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大小没有达到设计应用的要求，则会限制这颗芯片在各种复杂环境下，尤其是高温、低光照的严苛环境下的的成像质量。这对于图像传感器产品而言将是致命性的。因此，降低暗电流，是图像传感器设计、制造过程中的一项重要任务。
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。如图1所示，由于浅槽隔离区102在工艺制备过程中，硅表面存在大量界面态，同时浅槽隔离区102填充的二氧化硅中可能聚集存在的带正电荷的金属离子，导致靠近浅槽隔离区102的硅表面106中容易产生电子，并被光电二极管103收集形成暗电流。一般地，可通过在靠近浅槽隔离区102的硅衬底101表面上增加一次P型杂质注入形成P+区107，与光电二极管103的N型区形成更佳的PN结来进行隔离。但如果浅槽隔离区102的二氧化硅中的金属离子正电荷较多或浅槽隔离区102刻蚀损伤较严重的情况下，PN结的隔离效果将有限。
因此需要进一步的措施来降低暗电流。
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，以抑制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；其中，靠近所述光电二极管一侧的所述浅槽隔离区的表面上设有电极，所述电极的边界位于所述浅槽隔离区的边界以内。
进一步地，还包括：设于所述光电二极管与其一侧的所述浅槽隔离区之间的所述衬底中的第一隔离层。
进一步地，所述第一隔离层为对所述电极施加负压后，在所述光电二极管与其一侧的所述浅槽隔离区之间的所述衬底中所形成的耗尽层。
进一步地，所述负压的调节范围为-3.3伏到0伏。
进一步地，还包括：设于所述第一隔离层和光电二极管上方的所述衬底中的第二隔离层。
进一步地，所述电极的材料为多晶硅或金属。
进一步地，所述电极的边界与所述浅槽隔离区的边界之间距离为0.05微米到0.5微米。
进一步地，所述电极的厚度为0.02微米到0.2微米。
进一步地，所述传输晶体管设有多晶硅栅，所述电极的材料为多晶硅时，所述电极的厚度与所述多晶硅栅的厚度一致。
进一步地，所述衬底为硅衬底。
与传统的图像传感器结构相比，本发明通过在浅槽隔离区上方设置一电极，通过在电极上施加负压，可抑制靠近浅槽隔离区表面的衬底硅中电子的产生。一方面，针对浅槽隔离区中吸附的带正电荷的金属离子，其影响可被施加负压的电极消除，避免正电荷在硅衬底中感应电子；另一方面，电极、浅槽隔离区中填充的介质层、硅衬底这三者形成的寄生场效应晶体管，可通过电极上施加的负压在硅衬底中产生耗尽层，隔离靠近浅槽隔离区边界的硅表面的缺陷和界面态的影响，保护光电二极管。因此通过本发明的技术方案，可有效降低浅槽隔离区的暗电流来源。
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-硅衬底上的浅槽隔离区(STI)202，设于浅槽隔离区202之间的P-硅衬底上的光电二极管203、浮置扩散区204以及传输晶体管205。其中，光电二极管203和浮置扩散区204位于传输晶体管205的两侧。图像传感器结构还包括设于靠近光电二极管203一侧的浅槽隔离区202(图示左侧)表面上方的电极207。
请参考图2-图3。电极207的边界不超过浅槽隔离区202的边缘(边界)。较佳地，电极207的边界距离浅槽隔离区202的边缘为0.05微米到0.5微米。
电极207的材料可采用多晶硅或金属。电极207的厚度为0.02微米到0.2微米。
如图3所示，电极207上需要施加负压。可根据实际工艺制造的优劣程度，调整施加在电极207上的负压的大小。一般地，施加的负压电压范围为-3.3伏到0伏。
当电极207的材料为多晶硅时，可以选择与传输晶体管205的栅极一样的厚度，以便在制造过程中可以与传输晶体管205的栅极采用同样的工艺，方便制造。
对于例如图1所示的常规的图像传感器结构，在图像传感器工作时，光照抵达光电二极管103并产生电子空穴对，电子被光电二极管103收集累积，在一帧时间内收集的电子数量即反应了光的强弱。然而，由于浅槽隔离区102的影响，在靠近浅槽隔离区102边界的硅衬底表面106也形成了电子，并被光电二极管103收集成为暗电流。这样就导致光电二极管103的信号受到了暗电流的干扰而失真。
下面结合图3，进一步地阐述浅槽隔离区是如何影响暗电流的，以及本发明的工作方式和效果。
首先，金属污染是引起图像传感器质量下降的主要原因之一。由于工艺设备、工艺步骤、人工操作等影响，不可避免地会引入金属离子208，尤其是纳离子、钾离子等轻金属元素。这些金属离子208都是带正电荷的，容易扩散到浅槽隔离区202填充的二氧化硅介质层中，从而在靠近浅槽隔离区202的硅衬底表面感应产生电子。这些电子一旦被光电二极管203收集，便形成暗电流。
本发明通过在浅槽隔离区202上方设置一电极207，并在电极207上施加负压(V＜0)，可抑制靠近浅槽隔离区202表面的衬底硅中电子的产生，避免金属离子正电荷在硅衬底中感应电子。
其次，在图像传感器的制造过程中，浅槽隔离区202是通过刻蚀硅衬底201并填充介质层(如二氧化硅)形成的。在刻蚀过程中，硅衬底201表面会受到刻蚀损伤，存在大量的缺陷。这些缺陷作为电子产生中心，会源源不断地产生电子并被光电二极管203收集。
在本实施例的结构中，电极207、浅槽隔离区202的介质层、硅衬底201这三部分形成了寄生晶体管，可通过电极207上施加的负压，在硅衬底201中产生耗尽层206，作为第一隔离层，隔离靠近浅槽隔离区202边界的硅表面的缺陷和界面态的影响，保护光电二极管203。耗尽层206的存在，使得光电二极管203远离了硅表面的电子来源中心，从而减小了暗电流。
还可通过在光电二极管203上方的硅衬底中通过P型杂质注入形成P+区，作为第二隔离层，利用P+区与光电二极管203的N型区形成的PN结来进一步进行隔离。
以上的仅为本发明的优选实施例，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；其中，靠近所述光电二极管一侧的所述浅槽隔离区的表面上设有电极，所述电极的边界位于所述浅槽隔离区的边界以内。
2.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与其一侧的所述浅槽隔离区之间的所述衬底中的第一隔离层。
3.根据权利要求2所述的图像传感器结构，其特征在于，所述第一隔离层为对所述电极施加负压后，在所述光电二极管与其一侧的所述浅槽隔离区之间的所述衬底中所形成的耗尽层。
4.根据权利要求3所述的图像传感器结构，其特征在于，所述负压的调节范围为-3.3伏到0伏。
5.根据权利要求3所述的图像传感器结构，其特征在于，还包括：设于所述第一隔离层和光电二极管上方的所述衬底中的第二隔离层。
6.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述电极的材料为多晶硅或金属。
7.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述电极的边界与所述浅槽隔离区的边界之间距离为0.05微米到0.5微米。
8.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述电极的厚度为0.02微米到0.2微米。
9.根据权利要求6所述的图像传感器结构，其特征在于，所述传输晶体管设有多晶硅栅，所述电极的材料为多晶硅时，所述电极的厚度与所述多晶硅栅的厚度一致。
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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