CN112397532A - 一种高量子效率图像传感器像素结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种高量子效率图像传感器像素结构及其制作方法，该像素基于背照式工艺，对钳位光电二极管n型区结构进行优化，形成“袋状”耗尽区，延伸并覆盖硅衬底背面感光区域，扩大耗尽区面积，提高光生电子的收集效率；同时，在钳位光电二极管p+型钳位层上方引入金属反射层，对部分由硅衬底背面入射，经过耗尽区未被完全吸收，从硅衬底正面出射的光子进行光学反射，使其从硅衬底正面再次入射并重新被耗尽区吸收，提高入射光子被吸收的效率。通过两种方法的共同作用，有效提高入射光子转化为光生电子的效率和光生电子被收集的效率，进一步提高像素的量子效率，并优化图像传感器的微光成像性能。
Description
技术领域
本发明属于模拟集成电路领域，尤其涉及一种高量子效率图像传感器像素结构及其制作方法。
背景技术
图像传感器是一种将光信号转换为电信号的功能器件，主要包括电荷耦合器件（charge coupled device, CCD）图像传感器和互补金属氧化物半导体（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor, CMOS）图像传感器两种。其中，CMOS图像传感器因其低功耗、高速度、高集成度、低成本、兼容标准CMOS工艺等固有优势，在消费电子、工业电子、汽车电子、科学研究、广播电视、安防监控、医疗影像、航空航天等场景的工程应用日渐广泛。
像素及其阵列是图像传感器的核心部分，其量子效率、暗电流、转换增益、满阱容量等特征参数，是衡量图像传感器整体性能的重要指标。其中，量子效率将直接影响图像传感器的微光成像质量。因此，优化像素结构和制作方法并提高其量子效率，是发展高微光成像性能图像传感器的技术路线之一。
传统四管有源像素结构主要由钳位光电二极管（Pinned Photodiode, PPD）、浮空扩散节点（FD节点）、传输管（TG）、复位管（RST）、源跟随器（SF）和选通管（SEL）组成。四管有源像素根据入射光进入PPD区光学路径的差异，可分为前照式和背照式像素两种。前照式像素是指，入射光经过多层金属，由硅片正面进入感光区；背照式像素是指，入射光由硅片背面直接进入感光区。背照式像素可以有效提高量子效率，已经广泛应用于商用图像传感器之中。
对于上述背照式四管有源像素，限制其量子效率进一步提高的主要因素包括：当硅片衬底较厚时，由钳位光电二极管形成的耗尽区难以延伸并覆盖其背面，部分光生电子在非耗尽区内和空穴发生复合作用；当硅片衬底较薄时，部分光学吸收深度较高的入射光可能在硅片正面出射；二者共同作用，导致量子效率的降低。因此，需要设计新型图像传感器像素结构及其制作方法，在背照式工艺的基础上，针对像素结构，尤其是钳位光电二极管结构进行优化，进一步提高量子效率，从而提升图像传感器的微光成像性能。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种高量子效率图像传感器像素结构及其制作方法。该像素基于背照式工艺，对钳位光电二极管n型区结构进行优化，形成“袋状”耗尽区，延伸并覆盖硅衬底背面感光区域，扩大耗尽区面积，提高光生电子的收集效率；同时，在钳位光电二极管p+型钳位层上方引入金属反射层，对部分由硅衬底背面入射，经过耗尽区未被完全吸收，从硅衬底正面出射的光子进行光学反射，使其从硅衬底正面再次入射并重新被耗尽区吸收，提高入射光子被吸收的效率。通过两种方法的共同作用，有效提高入射光子转化为光生电子的效率和光生电子被收集的效率，进一步提高像素的量子效率，并优化图像传感器的微光成像性能。
图1给出了本发明的高量子效率像素结构一；图2给出了本发明的高量子效率像素结构二。针对本发明提出的两种高量子效率像素结构，具体描述如下（括号内数字与图1及图2中数字相互对应）。
一种高量子效率图像传感器像素结构，像素结构基于p型硅衬底（100）；p型硅衬底（100）背面为p+型背面注入层（101）。
像素结构一涉及的钳位光电二极管结构为：使用三次不同能量和剂量的离子注入，自下而上依次形成n型下层PD区（104）、n型中层PD区（105）和n型上层PD区（106），三个n型PD区连在一起形成一个“袋状”n型PD区；p+型钳位层（107）位于n型上层PD区（106）上方，即p型硅衬底（100）上表面；以上四个结构（107）（106）（105）（104）共同构成“袋状”钳位光电二极管；由该“袋状”钳位光电二极管与其周围的p型硅衬底（100）形成“袋状”耗尽区（图1中长划线-点虚线所示范围）（102）；p+型钳位层（107）上方为金属反射层（103）。
像素结构二涉及的钳位光电二极管结构为：使用两次不同能量和剂量的离子注入，自下而上依次形成n型下层PD区（200）和n型上层PD区（201），二个n型区域以p型区为间隔；p+型钳位层（107）位于n型上层PD区（201）上方，即p型硅衬底（100）上表面；以上三个结构（107）（201）（200）共同构成钳位光电二极管；由该钳位光二极管与其周围的p型硅衬底（100）形成上层耗尽区（203）和下层耗尽区（202），两个耗尽区连在一起形成一个“袋状”耗尽区（图二中长划线-点虚线所示范围）（202 & 203）；p+型钳位层（107）上方为金属反射层（103）。
多晶硅传输栅TG（简称TG栅）（108）和多晶硅复位栅RST（简称RST栅）（109）与p型硅衬底（100）上表面隔着一层薄氧化层相连，形成金属氧化物半导体型结构；n型浮空扩散节点（下称FD区）（114）、n型电源连接节点（下称VDD区）（115）位于p型阱（116）之中；p+型钳位层（107）右侧与TG栅（108）左侧相连；TG栅（108）右侧与n型FD区（114）左侧相连；n型FD区（114）右侧与RST栅（109）左侧相连；RST栅（109）右侧与n型VDD区（115）左侧相连；n型VDD区（115）通过金属线与电源（112）相连；n型FD区（114）通过金属线与源跟随管（简称SF管）（110）栅极相连；SF管（110）漏极通过金属线与电源（112）相连；SF管（110）源极与选通管（简称SEL管）（111）漏极相连；SEL管（111）源极通过金属线与列总线（113）相连；SEL管（111）栅极通过金属线与像素外控制电路相连。
像素结构一涉及的各个像素单元之间的隔离结构为：浅沟槽隔离结构（118）（120）位于深p型隔离阱（117）（119）之中。像素结构二涉及的像素单元隔离结构为：深沟槽隔离结构（204）（205）位于深p型隔离阱（117）（119）之中。浅沟槽隔离结构的工艺更简单，但电学隔离效果相对较差；深沟槽隔离结构的工艺更复杂，但电学隔离效果更好。对于本发明像素结构，由钳位光电二极管和p型硅衬底形成的耗尽区几乎接近并覆盖p型硅衬底下表面，与传统四管有源像素耗尽区相比，其表面积更大，因而像素之间发生光学串扰和电学串扰的可能性更大。因此，本发明推荐深沟槽隔离与深p型隔离阱相结合的方案对像素单元进行电学隔离，以最大限度地降低像素之间的串扰。
本发明像素结构，其光信号转换为电信号的过程为：入射光由硅衬底背面入射，经p+型背面注入层（101）进入硅衬底（100）;由于光电效应，入射光子转化为光生电子；光生电子被“袋状”耗尽区（102）或（202 & 203）收集并储存，成为信号电荷；部分光学吸收深度较高的光子经过p+型钳位层（107）出射，经金属反射层（103）反射，重新入射并产生光生电子，被“袋状”耗尽区收集并储存，成为信号电荷；TG栅（108）加高电平开启时，储存于“袋状”耗尽区中的信号电荷转移至n型FD区（114）；并经过SF管（110）和SEL管（111）以电压值的形式被读出至列总线（113）。
一种高量子效率图像传感器像素结构制作方法：在p型硅衬底（100）上方沉积一层氧化层；在像素单元边缘通过多次沉积和刻蚀形成浅沟槽隔离结构（118）（120），或者，在像素单元边缘通过多次沉积和刻蚀形成深沟槽隔离结构（204）（205）；在像素边缘区域进行多次p型杂质离子注入，在浅沟槽隔离结构或者深沟槽隔离结构周围形成深p型隔离层（117）（119）；选用p型杂质，在相应位置进行离子注入，形成p型阱（116）；选用n型杂质，进行三次不同能量和剂量的离子注入，自下而上依次形成n型下层PD区（104）、n型中层PD区（105）和n型上层PD区（106），或者，进行两次不同离子注入能量和剂量，自下而上依次形成n型下层PD区（200）和n型上层PD区（201）；通过多次沉积和刻蚀，在相应位置上形成多晶硅栅；选用较高浓度p型杂质，在n型上层PD区（106），或者，n型上层PD区（201）上方进行离子注入，形成p+型钳位层（107）；选用n型杂质，在相应位置进行离子注入形成源漏区；在相应栅极和源漏区形成金属孔及金属线；基于背照工艺，对p型硅衬底（100）背面进行减薄；选用较高浓度p型杂质，对p型硅衬底（100）背面进行离子注入，形成p+型背面注入层（101）并最终完成像素制作。
一种高量子效率图像传感器像素结构及其制作方法，其钳位光电二极管具有“袋状”耗尽区，该耗尽区延伸并覆盖硅衬底背面感光区域，有效提升光生电子的收集效率；同时，在钳位光电二极管上方引入金属反射层，实现高吸收深度光子的二次入射，有效提升光子的吸收效率；通过两种结构优化，提高像素的量子效率，并最终优化图像传感器的微光成像性能。
附图说明
图1是高量子效率像素结构一图；
图2是高量子效率像素结构二图。
具体实施方式
基于不同类型的工艺条件，本发明提出的像素结构涉及的关键参数需要根据实际情况进行调整，从而在相应的工艺条件下达到最佳状态。需要调整的具体工艺参数包括：像素单元的尺寸；硅衬底的厚度和掺杂浓度；硅衬底背面减薄之后的厚度；多晶硅栅与硅之间薄氧化层的厚度；各次离子注入的能量、剂量和角度；各次沉积或刻蚀材料的厚度；各次退火的温度和时间；光刻胶的厚度等等。
本发明高量子效率像素，其硅衬底背面减薄之后的厚度和掺杂浓度根据具体工艺，选择不同的实施方式。对于商用图像传感器，p型硅衬底（110）的掺杂浓度一般为1015cm-3量级，为了保证耗尽区能够尽量延伸到硅衬底背面，在工艺允许的基础上，推荐将p型硅衬底的掺杂浓度降低为1014cm-3量级。对于商用背照式工艺，p型硅衬底在背面减薄后的厚度约为3um，若结合低掺杂p型衬底工艺，该厚度可适当增加至5um以上。
本发明高量子效率像素，其像素单元之间的隔离结构有两种实施方式。其一，浅沟槽隔离，该实施方式工艺简单，通用于各项标准CMOS工艺；其二，深沟槽隔离，该实施方式工艺复杂，但其隔离效果更好，能够进一步降低像素单元之间的串扰。
本发明高量子效率像素，其部分结构及制作方法，如传输栅（108）、n型浮空扩散节点（114）、复位栅（109）、n型电源连接节点（115）、源跟随管（110）、选通管（111）等，与传统四管有源像素基本相同，兼容各种标准CMOS工艺，如0.18um标准CMOS工艺、110nm标准CMOS工艺、65nm标准CMOS工艺等。
本发明高量子效率像素，其p+型钳位层（107）上方金属反射层（103）覆盖像素感光区背面。当高光学吸收深度光子由像素背面入射，经过“袋状”耗尽区未完全吸收，由像素正面出射时，经金属反射层（103）反射，重新从像素正面入射，再次被“袋状”耗尽区吸收，进而提升入射光子的吸收效率。该金属反射层的引入有两种实施方式：其一，对硅衬底正面各个金属布线层进行版图设计，使得其被多层金属布线覆盖，形成金属反射层；其二，在标准CMOS工艺的基础上，引入一层专用金属反射层，并在像素感光区背面覆盖金属。
本发明高量子效率像素，其“袋状”耗尽区延伸并覆盖像素背面，与传统四管有源像素相比，扩展了耗尽区面积，有效提升了光生电子的收集效率。本发明提出两种实施方式：
其一，选择n型杂质，根据具体工艺，确定三种掺杂浓度D1、D2、D3，确定三种离子注入能量E1、E2、E3；一般地，D1<D2<D3,E1>E2>E3；第一次离子注入剂量为D1，能量为E1，形成n型下层PD区（104）；第二次离子注入剂量为D2，能量为E2，形成n型中层PD区（105）；第三次离子注入剂量为D3，能量为E3，形成n型上层PD区（106）；上、中、下三层PD区连在一起，形成n型掺杂浓度自上至下逐渐降低的梯度掺杂分布，与其周围p型硅衬底（110）形成“袋状”耗尽区（102）。
其二，选择n型杂质，根据具体工艺，确定两种掺杂浓度D1、D2，确定两种离子注入能量E1、E2；一般地，D1<D2，E1>E2；第一次离子注入剂量为D1，能量为E1，形成n型下层PD区（200）；第二次离子注入剂量为D2，能量为E2，形成n型上层PD区（201）；上、下两层PD区被p型区隔开；上、下两层PD区与其周围p型硅衬底（110）分别形成上层耗尽区（203）和下层耗尽区（202）；上、下两层耗尽区连在一起，共同组成“袋状”耗尽区（202 & 203）。
Claims (3)
1.一种高量子效率图像传感器像素结构，其特征在于：像素结构基于p型硅衬底（100）；p型硅衬底（100）背面为p+型背面注入层（101）；
像素结构一涉及的钳位光电二极管结构为：使用三次不同能量和剂量的离子注入，自下而上依次形成n型下层PD区（104）、n型中层PD区（105）和n型上层PD区（106），三个n型PD区连在一起形成一个“袋状”n型PD区；p+型钳位层（107）位于n型上层PD区（106）上方，即p型硅衬底（100）上表面；以上四个结构（107）（106）（105）（104）共同构成“袋状”钳位光电二极管；由该“袋状”钳位光电二极管与其周围的p型硅衬底（100）形成“袋状”耗尽区（102）；p+型钳位层（107）上方为金属反射层（103）；
像素结构二涉及的钳位光电二极管结构为：使用两次不同能量和剂量的离子注入，自下而上依次形成n型下层PD区（200）和n型上层PD区（201），二个n型区域以p型区为间隔；p+型钳位层（107）位于n型上层PD区（201）上方，即p型硅衬底（100）上表面；以上三个结构（107）（201）（200）共同构成钳位光电二极管；由该钳位光二极管与其周围的p型硅衬底（100）形成上层耗尽区（203）和下层耗尽区（202），两个耗尽区连在一起形成一个“袋状”耗尽区（202 & 203）；p+型钳位层（107）上方为金属反射层（103）；
多晶硅传输栅TG（108）和多晶硅复位栅RST（109）与p型硅衬底（100）上表面隔着一层薄氧化层相连，形成金属氧化物半导体型结构；n型浮空扩散节点（114）、n型电源连接节点（115）位于p型阱（116）之中；p+型钳位层（107）右侧与TG栅（108）左侧相连；TG栅（108）右侧与n型FD区（114）左侧相连；n型FD区（114）右侧与RST栅（109）左侧相连；RST栅（109）右侧与n型VDD区（115）左侧相连；n型VDD区（115）通过金属线与电源（112）相连；n型FD区（114）通过金属线与源跟随管（110）栅极相连；SF管（110）漏极通过金属线与电源（112）相连；SF管（110）源极与选通管（简称SEL管）（111）漏极相连；SEL管（111）源极通过金属线与列总线（113）相连；SEL管（111）栅极通过金属线与像素外控制电路相连。
2.根据权利要求1所述一种高量子效率图像传感器像素结构，其特征在于：像素结构一涉及的各个像素单元之间的隔离结构为：浅沟槽隔离结构（118）（120）位于深p型隔离阱（117）（119）之中；像素结构二涉及的像素单元隔离结构为：深沟槽隔离结构（204）（205）位于深p型隔离阱（117）（119）之中。
3.一种高量子效率图像传感器像素结构制作方法，其特征在于：在p型硅衬底（100）上方沉积一层氧化层；在像素单元边缘通过多次沉积和刻蚀形成浅沟槽隔离结构（118）（120），或者，在像素单元边缘通过多次沉积和刻蚀形成深沟槽隔离结构（204）（205）；在像素边缘区域进行多次p型杂质离子注入，在浅沟槽隔离结构或者深沟槽隔离结构周围形成深p型隔离层（117）（119）；选用p型杂质，在相应位置进行离子注入，形成p型阱（116）；选用n型杂质，进行三次不同能量和剂量的离子注入，自下而上依次形成n型下层PD区（104）、n型中层PD区（105）和n型上层PD区（106），或者，进行两次不同离子注入能量和剂量，自下而上依次形成n型下层PD区（200）和n型上层PD区（201）；通过多次沉积和刻蚀，在相应位置上形成多晶硅栅；选用较高浓度p型杂质，在n型上层PD区（106），或者，n型上层PD区（201）上方进行离子注入，形成p+型钳位层（107）；选用n型杂质，在相应位置进行离子注入形成源漏区；在相应栅极和源漏区形成金属孔及金属线；基于背照工艺，对p型硅衬底（100）背面进行减薄；选用较高浓度p型杂质，对p型硅衬底（100）背面进行离子注入，形成p+型背面注入层（101）并最终完成像素制作。
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