CN111326535A - 一种大满阱低噪声的图像传感器结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电探测领域的图像传感器，特别涉及一种大满阱低噪声的图像传感器结构及其制备方法，所述结构包括垂直区和水平区，电荷从垂直区向水平区转移，所述水平区包括小信号水平区、势垒以及大信号水平区，其中小信号水平区与高CVF放大器连接，大信号水平区与低CVF放大器连接；本发明采用电荷分割的方式，采用双放大器读出的方式，使小信号从高CVF放大器输出，大信号从低CVF放大器输出，从而提高器件满阱容量、降低器件噪声；与现有技术相比，在同等满阱下，可以将噪声可以降低一半以上。
Description
技术领域
本发明属于光电探测领域的图像传感器，特别涉及一种大满阱低噪声的图像传感器结构及其制备方法。
背景技术
图像传感器是一种测量光强度的装置，电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)图像传感器由像元探测光强并将电荷转移至放大器转换成电压输出。其中满阱电荷数和噪声是关键参数，输出电压等于满阱电荷数×电荷-电压转换系数(charge-to-voltageconver-sion factor，简称CVF)，但是由于AD转换电路限制，通常情况下输出电压被限制在3V以内，这样在满阱电荷设计容量较大时，CVF就必须小，使两者的乘积被现代在一定范围内，但是，小的CVF必然导致噪声增加，这样导致大满阱和低噪声无法兼顾。
发明内容
为解决现有CCD图像传感器大满阱和低噪声无法兼顾的问题，本发明提出一种大满阱低噪声的图像传感器结构，包括垂直区和水平区，电荷从垂直区向水平区转移，所述水平区包括小信号水平区、势垒以及大信号水平区，其中小信号水平区与高CVF放大器连接，大信号水平区与低CVF放大器连接。
进一步的，水平区的横向尺寸均与像元尺寸保持一致，大信号水平区的纵向尺寸与小信号水平区的纵向尺寸之比大于5。
进一步的，水平区间势垒电势高于小信号水平区的势阱电势，小信号水平区的势阱电势高于大信号水平区的势阱电势。
进一步的，高CVF放大器的放大范围为10-500倍，低CVF放大器的方法范围为1-10倍。
本发明还提出一种大满阱低噪声的图像传感器结构的制备方法，依次包括硅衬底氧化、P阱注入、埋沟注入、沟阻注入、多晶硅工艺、源漏注入工艺、接触孔制作、金属引线制作以及微透镜制作，在埋沟注入阶段形成小信号水平区与大信号水平区之间的势垒。
作为一种可选实施例，在埋沟注入阶段形成小信号水平区与大信号水平区之间的势垒的过程包括：
在埋沟注入阶段形成小信号水平区与大信号水平区之间的势垒的过程包括：在小信号水平区、水平区间势垒、大信号水平区的位置进行一次埋沟注入N 型掺杂；
在大信号水平区和水平区间势垒分两别注入不同剂量能量的P型掺杂杂质，其中水平区间势垒处的注入剂量要大于大信号水平区的注入剂量。
作为另一种可选实施例，在埋沟注入阶段形成小信号水平区与大信号水平区之间的势垒的过程包括：分两次在小信号水平区和大信号水平区进行两次剂量有差异的埋沟注入，其中小信号水平区的注入剂量高于大信号水平区，水平区间势垒不注入或者注入剂量低于大信号水平区的N型杂质注入或者进行P型杂质注入。
本发明采用电荷分割的方式，采用双放大器读出的方式，使小信号从高CVF 放大器输出，大信号从低CVF放大器输出，从而提高器件满阱容量、降低器件噪声；与现有技术相比，在同等满阱下，可以将噪声可以降低一半以上。
附图说明
图1为本发明一种大满阱低噪声的图像传感器结构的水平区结构；
图2为常规图像传感器结构的水平区结构；
图3为本发明水平区结构内部电势台阶情况；
图4为现有技术图像传感器结构的制备方法；
其中，1、垂直区；2、水平区；2-1、小信号水平区；2-2、势垒；2-3、大信号水平区。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为解决现有CCD图像传感器大满阱和低噪声无法兼顾的问题，本发明提出了具有电荷分割结构以及双放大器输出结构的一种大满阱低噪声的图像传感器结构，如图1，包括垂直区和水平区，电荷从垂直区向水平区转移，所述水平区包括小信号水平区、势垒以及大信号水平区，其中小信号水平区与高CVF放大器连接，大信号水平区与低CVF放大器连接；两个放大器同时输出，对其图像进行融合之后，可以解决常规CCD低噪声和大满阱性能不能兼顾的问题。
进一步的，水平区的横向尺寸均与像元尺寸保持一致，大信号水平区的纵向尺寸与小信号水平区的纵向尺寸之比大于5。
进一步的，水平区间势垒电势高于小信号水平区的势阱电势，小信号水平区的势阱电势高于大信号水平区的势阱电势。
进一步的，高CVF放大器的放大范围为10-500倍，低CVF放大器的方法范围为1-10倍。
水平区的势阱深度由水平区离子注入的浓度和深度决定，在形成小信号水平区的注入时，采用能量和剂量或其中一种高于大信号水平区同一位置的注入条件，就可以使小信号水平区的势阱深度较大信号水平区深。小信号水平区的容量主要由其纵向尺寸决定，小信号水平区一般采用比像元尺寸更小的长度，大信号水平区采用像元尺寸2-20倍长度，比如像元大小为10微米×10微米，则小信号水平区纵向长度为0.3微米-3微米，大信号水平区纵向长度为7微米-200 微米，更大的大信号水平区会带来负载过大的问题。水平区间势垒尺寸没有太多的限制，在工艺允许的条件下尽量做小以减小面积。
如图2，传统CCD图像传感器的结构通常分为垂直区、水平区、放大器几个部分，信号被探测之后，转化为电子存储在器件中，并从垂直区转向水平区，常规的CCD只有一个水平区，会导致大满阱和低噪声无法兼容的问题，本发明所涉及到的器件结构，将通过在水平区通过注入形成势垒的方式将水平区一分为二，分开后的水平区连接不同大小CVF的放大器，可以同时输出信号，两个放大器信号融合之后，可以同时实现大满阱和低噪声，同时提高器件动态范围。
当信号由垂直区转移至水平区时，信号首先进入小信号水平区，由于大小信号水平区间的势垒较低，当小容量水平区填满时，多余信号会通过水平区间势垒进入大容量水平区，需要注意的是，水平区自垂直区承接信号时，驱动电压应低于后续转移电压，此种情况下，转移时信号容量大于承接时信号容量，否则满阱电荷转移容易造成转移效率变差的问题。
基于本发明的水平区，不需要增加驱动时钟，水平区与常规CCD的水平区制作有差异，本发明的图像传感器制备方式和常规的图像传感器类似，最大的差异之处就是对水平区进行了纵向切割，使其分成了小信号水平区和大信号水平区，中间采用水平区间势垒进行隔离，当小信号水平区势阱装满信号电子后，多余的电子会通过水平区间势垒扩散至大信号水平区。
本发明还提供一种大满阱低噪声的图像传感器结构的制备方法，依次包括硅衬底氧化、P阱注入、埋沟注入、沟阻注入、多晶硅工艺、源漏注入工艺、接触孔制作、金属引线制作以及微透镜制作，其特征在于，在埋沟注入阶段形成小信号水平区与大信号水平区之间的势垒。
本发明提供两种在埋沟注入阶段形成小信号水平区与大信号水平区之间的势垒的实施例，包括：
作为一种可选实施例，在小信号水平区、水平区间势垒、大信号水平区的位置先进行一次埋沟注入(通常是N型掺杂)，然后在大信号水平区和水平区间势垒分两别注入不同剂量能量的P型掺杂杂质，其中水平区间势垒处的注入剂量要大于大信号水平区的注入剂量，以保证水平区间势垒电势高于大信号水平区；
作为另一种可选实施例，分两次在小信号水平区和大信号水平区进行两次剂量有差异的埋沟注入，其中小信号水平区的注入剂量高于大信号水平区，水平区间势垒不注入或者注入剂量低于大信号水平区的N型杂质注入或者进行P 型杂质注入。
最终在小信号水平区、大信号水平区、水平区间势垒处形成的电势分布如图3所示。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种大满阱低噪声的图像传感器结构，包括垂直区和水平区，电荷从垂直区向水平区转移，其特征在于，所述水平区包括小信号水平区、势垒以及大信号水平区，其中小信号水平区与高CVF放大器连接，大信号水平区与低CVF放大器连接。
2.根据权利要求1所述的一种大满阱低噪声的图像传感器结构，其特征在于，水平区的横向尺寸均与像元尺寸保持一致，大信号水平区的纵向尺寸与小信号水平区的纵向尺寸之比大于5。
3.根据权利要求1所述的一种大满阱低噪声的图像传感器结构，其特征在于，水平区间势垒电势高于小信号水平区的势阱电势，小信号水平区的势阱电势高于大信号水平区的势阱电势。
4.根据权利要求1所述的一种大满阱低噪声的图像传感器结构，其特征在于，高CVF放大器的放大范围为10-500倍，低CVF放大器的方法范围为1-10倍。
5.一种大满阱低噪声的图像传感器结构的制备方法，依次包括硅衬底氧化、P阱注入、埋沟注入、沟阻注入、多晶硅工艺、源漏注入工艺、接触孔制作、金属引线制作以及微透镜制作，其特征在于，在埋沟注入阶段形成小信号水平区与大信号水平区之间的势垒。
6.根据权利要求5所述的一种大满阱低噪声的图像传感器结构的制备方法，在埋沟注入阶段形成小信号水平区与大信号水平区之间的势垒的过程包括：
在小信号水平区、水平区间势垒、大信号水平区的位置进行一次埋沟注入N型掺杂；
在大信号水平区和水平区间势垒分两别注入不同剂量能量的P型掺杂杂质，其中水平区间势垒处的注入剂量要大于大信号水平区的注入剂量。
7.根据权利要求5所述的一种大满阱低噪声的图像传感器结构的制备方法，在埋沟注入阶段形成小信号水平区与大信号水平区之间的势垒的过程包括：分两次在小信号水平区和大信号水平区进行两次剂量有差异的埋沟注入，其中小信号水平区的注入剂量高于大信号水平区，水平区间势垒不注入或者注入剂量低于大信号水平区的N型杂质注入或者进行P型杂质注入。
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