CN117253899A - 高量子效率宽光谱吸收cis像素单元及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及CMOS图像传感器(CIS)领域，为提出一种基于杂质补偿结构的CIS新型像素及其工艺实现方法，该结构CIS具有宽光谱吸收的特点，且在近红外区具有较高的量子效率。为此，本发明，高量子效率宽光谱吸收CIS像素单元，P型衬底上设置有两个P阱，一个P阱上部设置有浅沟槽隔离STI，另一个P阱上部设置有传输栅TG、浮空扩散节点FD、复位端VRST、电极VDD，两个P阱之间是钳位光电二极管PPD，钳位光电二极管PPD的具体结构由上至下依次为：钳位层、浅N阱、杂质补偿区PDc和p衬底，浅N阱由PDN1和PDN2两层构成。本发明主要应用于CMOS图像传感器的设计制造场合。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器(CIS)领域，特别涉及一种高量子效率宽光谱吸收的CIS新型像素设计及工艺实现方法。具体讲，涉及高量子效率宽光谱吸收CIS像素单元及其制作方法。
背景技术
随着CMOS工艺技术的快速发展，CMOS图像传感器因其读出灵活、功耗和成本低等优点逐渐取代电荷耦合图像传感器(CCD)成为常用的图像传感器，在消费电子、医疗检测和安防监控等领域有着广泛的应用。
由硅光吸收系数与波长和吸收深度的关系可知，波长越长，光在硅体内的吸收深度越深，量子效率也越低。为使CIS具有较高的量子效率，传统CIS通常工作在400～700nm波长范围内。为提高光的利用效率，目前在CIS像素的钳位光电二极管(PPD)设计时，通常采用深N阱结构。为使深N阱的PPD在低压下能完全耗尽，有源像素(APS)通常采用高阻衬底或采用如图1a所示的梯度掺杂，以增加PN结耗尽区深度，从而提高CIS对长波长光的吸收。图1a为传统深N阱有源像素(APS)结构，PPD由上至下依次为钳位层、深N阱和p衬底；其中浅沟槽隔离(STI)在p型深掺杂阱(P阱)上，n型掺杂的深N阱由四种不同浓度的PDN1、PDN2、PDN3和DPDN组成，其浓度由表面到体内依次降低；浮空扩散节点(FD)为电荷电压转换节点，TG、VRST和VDD分别为传输栅、复位晶体管和电源。但是，深N阱结构的PPD存在如下问题：深N阱结构对离子注入工艺要求较高，需通过高能离子注入才能实现；入射光会在相邻的深N阱像素间发生显著的横向串扰，为避免这一问题，通常N阱深度在设计时不超过3μm(SozoYokogawa,Itaru Oshiyama,Harumi Ikeda,IR sensitivity enhancement of CMOS ImageSensor with diffractive light trapping pixels.Scientific Reports,2017,7:3832.)。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于杂质补偿结构的CIS新型像素及其工艺实现方法，该结构CIS具有宽光谱吸收的特点，且在近红外区具有较高的量子效率。为此，本发明采取的技术方案是，高量子效率宽光谱吸收CIS像素单元，P型衬底上设置有两个P阱，一个P阱上部设置有浅沟槽隔离STI，另一个P阱上部设置有传输栅TG、浮空扩散节点FD、复位端VRST、电极VDD，两个P阱之间是钳位光电二极管PPD，钳位光电二极管PPD的具体结构由上至下依次为：钳位层、浅N阱、杂质补偿区PDc和p衬底，浅N阱由PDN1和PDN2两层构成，PDN1和PDN2掺杂浓度根据阱容量要求确定，且前者浓度比后者浓度高，PDN2下方为杂质补偿区PDc，其中，N阱靠近硅表面，负责吸收短波长的光；透过N阱的长波长光被其下方的杂质补偿区PDc吸收。
高量子效率宽光谱吸收CIS像素单元制作方法，制作前述CIS像素单元，具体步骤如下：
(1)PDN1区制备：首先进行As掺杂，注入剂量为3.1×1012/cm2，能量为155千电子伏特(keV)；砷As注入区位于硅表面下0.06～0.58μm范围内，这里先进行砷As+离子注入，使硅表面非晶化，以避免后面磷离子P+和硼离子B+注入时的沟道效应；
(2)杂质补偿区制备：首先进行杂质补偿区B掺杂，分三次注入，使得硼B+离子注入区位于硅表面下0.70～1.82μm范围内，其注入剂量分别为1.0×1011/cm2、0.9×1010/cm2和0.9×1011/cm2，注入能量分别为400keV、450keV和250keV，然后进行P掺杂，注入剂量为5.8×1011/cm2，能量为400keV；磷P+离子注入区位于表面下0.34～1.82μm范围内，B掺杂区与P掺杂区基本重合，能在硅表面下0.70～1.82μm范围内形成杂质补偿区；
(3)PDN2区制备：进行P掺杂，注入剂量为2.1×1011/cm2，能量为80keV，P注入区位于表面下0.36～1.00μm范围内；
(4)进行像素FD制备和P型钳位层注入；
(5)对器件整体进行快速退火：退火温度为800～880℃，退火时间为20～60s。
本发明的特点及有益效果是：
本发明提出一种基于杂质补偿结构的高量子效率宽光谱吸收的CIS新型像素及其工艺实现方法。与传统深N阱CIS像素相比，所设计的CIS新型像素通过杂质补偿效应，在硅禁带中构建了P+和B–局域态能级，能同时发生硅的本征光吸收和局域态能级的光吸收，具有宽光谱吸收的特点，从而提高了CIS的量子效率。具体而言，像素曝光时，PDN1/PDN2吸收短波长的可见光，而PDc杂质补偿区吸收透过PDN1/PDN2区的长波长的光，二者相互配合，有效地提高了光的利用效率。此外，基于杂质补偿结构的CIS新型像素长波光吸收深度较浅，因此在工艺上不需要进行高能离子注入，较易实现。
附图说明：
图1本发明与传统CIS像素单元结构对比。
图中a传统深N阱APS结构；b基于杂质补偿浅N阱APS结构
图2杂质补偿硅量子效率与波长的关系。
图3基于杂质补偿结构CIS新型像素TCAD仿真结果。
具体实施方式
基于局域态能级宽光谱吸收的特性，本发明通过杂质补偿在PPD中构建局域态能级，不但降低了N阱的长波长光吸收深度，而且还提高了其在近红外区光吸收的量子效率。
本发明基于图1a传统有源像素的PPD结构，高量子效率宽光谱吸收CIS像素单元的N阱由PDN1和PDN2两层构成，如图1b所示。PDN1和PDN2掺杂浓度根据阱容量要求确定，且前者浓度比后者浓度高，PDN2下方为杂质补偿区(PDc)，这一点也与传统CIS的PPD不同。图1b高量子效率宽光谱吸收CIS像素的PPD由上至下依次为钳位层、浅N阱、杂质补偿区PDc和p衬底。
在高量子效率宽光谱吸收CIS像素的PPD中构建杂质补偿区，PPD的具体结构由上至下依次为：钳位层、浅N阱、杂质补偿区PDc和p衬底。为提高对长波长光的吸收，传统CIS的N阱深度通常大于2.5μm；与传统CIS像素不同的是，本发明中高量子效率宽光谱吸收CIS像素的N阱深度不超过2.5μm。本发明PPD中的浅N阱由PDN1和PDN2两层构成，其N阱深度比传统CIS的N阱深度浅，PDN1和PDN2掺杂浓度根据阱容量要求确定，且前者浓度比后者浓度高，PDN2下方为杂质补偿区PDc。由于杂质补偿区PDc位于N阱下方，远离硅表面，因此这种结构的PPD在曝光时具有如下光吸收特点：N阱靠近硅表面，负责吸收短波长的光；透过N阱的长波长光被其下方的杂质补偿区PDc吸收，这样PPD中N阱及其下方的杂质补偿区在光吸收时相互配合，有效地提高了光的利用效率。
本发明设计的基于杂质补偿CIS新型像素如图1b所示，其结构与图1a中传统的CIS像素结构类似，PPD均由多层构成。不同之处在于：图1a中的PPD为多次N型掺杂(一般3～5层)，PN结较深；而图1b中的PPD由N阱层(由PDN1和PDN2组成)和杂质补偿层(PDc)构成，PN结较浅。图1b中的N阱与图1a中的N阱作用相同，均用于复位后光生电子的产生和收集；不同之处在于：图1a中的N阱较深，能吸收长波长的光且波长范围较宽；而图1b中的N阱较浅，因此仅能吸收短波长的光且波长范围较窄，但图1b中的杂质补偿结构新型光电二极管(PPDc)长波长光吸收主要由杂质补偿区PDc负责。在图1b的N阱底部，当n-Si被硼(B)杂质补偿后，PDc区中的磷(P)和B杂质原子由于补偿形成P+和B–离子。从能带理论解释，所形成的P+和B–离子在硅(Si)禁带中构成了局域态能级，有利于Si价带电子通过上述局域态能级被长波长光激发至导带，从而产生了长波长光吸收。
基于图1b中的杂质补偿PPDc结构模型，根据过剩少子的连续性方程和边界条件，可得杂质补偿区的电流密度J；然后根据杂质补偿区量子效率η与J的关系，得到量子效率η与入射光波长λ的关系，结果如图2所示。与传统CIS像素相比，基于杂质补偿结构的CIS新型像素在波长高于700nm的近红外波段仍具有较高的量子效率，在895nm波长处的量子效率最高(0.68)；在1100nm处，传统CIS像素的量子效率为0，而基于杂质补偿结构的CIS新型像素的量子效率仍高达0.63。但在可见光波段，基于杂质补偿结构的CIS新型像素的量子效率比传统像素的低；其原因可能与杂质补偿区PDc在PDN1/PDN2下方有关：当PDN1/PDN2复位后曝光时，由于PDN1/PDN2靠近硅表面，因此会吸收短波长的可见光，从而使短波长的可见光不易到达PDc杂质补偿区；因此，不能被PDN1/PDN2区吸收的长波长光会到达PDc杂质补偿区并被吸收。显然，这种PPDc结构能很好地利用短波长的光和长波长的光，表现出宽光谱吸收，从而提高了光的利用效率，有利于微光成像。
图1b中具有杂质补偿结构的PPDc制备工艺主要包括三次N型离子注入和三次P型离子注入，其它器件的制备工艺与传统CIS中的器件工艺相同。
基于杂质补偿结构CIS新型像中的STI隔离、P阱注入、FD和钳位层的形成等工艺与传统CIS像素中的工艺一样。具有杂质补偿结构PPDc的制备工艺主要包括三次N型离子注入和三次P型离子注入，可采用倒掺杂阱工艺，具体步骤如下：
(1)PDN1区制备：首先进行As掺杂，注入剂量为3.1×1012/cm2，能量为155keV。仿真结果表明，此时As注入区位于硅表面下0.06～0.58μm范围内。这里先进行砷(As+)离子注入，使硅表面非晶化，以避免后面磷离子(P+)和硼离子(B+)注入时的沟道效应。
(2)杂质补偿区制备：首先进行杂质补偿区B掺杂，分三次注入，使得硼(B+)离子注入区位于硅表面下0.70～1.82μm范围内，其注入剂量分别为1.0×1011/cm2、0.9×1010/cm2和0.9×1011/cm2，注入能量分别为400keV、450keV和250keV。然后进行P掺杂，注入剂量为5.8×1011/cm2，能量为400keV；仿真结果表明，此时磷(P+)离子注入区位于表面下0.34～1.82μm范围内。以上工艺仿真结果表明(图3)，B掺杂区与P掺杂区基本重合，能在硅表面下0.70～1.82μm范围内形成杂质补偿区。
(3)PDN2区制备：进行P掺杂，注入剂量为2.1×1011/cm2，能量为80keV。仿真结果表明，此时P注入区位于表面下0.36～1.00μm范围内。
(4)在上述N阱制备及杂质补偿区制备工艺完成后，进行像素FD制备和钳位层注入等工艺，这些工艺制备方法与传统CIS的相同。
(5)在钳位层注入完成后，对器件整体进行快速退火：退火温度为800～880℃，退火时间为20～60s。
本发明像素中其它器件的制备工艺与传统CIS工艺相同。通过对上述(1)～(5)工艺进行仿真，结果如图3所示。为确保CIS复位之后N阱区(PDN1/PDN2)能完全耗尽，图3中的PPD采用插指结构，其中插指宽度约为0.85μm，插指间距为0.44μm。N阱区(PDN1/PDN2)和杂质补偿区总深度度约为1.82μm，杂质补偿区厚度约为0.92μm，杂质补偿后PDc区净施主杂质浓度约为6.3×1014/cm3。N区(PDN1/PDN2)总厚度约为0.90μm，其中PDN1区厚度约为0.39μm，杂质浓度约为7.9×1016/cm3；PDN2区厚度约为0.51μm，杂质浓度约为1.2×1016/cm3。该设计的满阱容量为2930e-，钳位电压为0.39V。须说明的是，阱容量和钳位电压可根据性能需要通过N阱杂质浓度进行调节。
以上研究表明，基于杂质补偿结构的CIS新型像素N阱可以设计的较浅，这种结构的像素不仅具有宽光谱吸收的特点，而且在近红外波段也具有较高的量子效率。该发明为CIS新型像素的设计提供了新思路，具有良好的应用前景。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种高量子效率宽光谱吸收CIS像素单元，其特征是，P型衬底上设置有两个P阱，一个P阱上部设置有浅沟槽隔离STI，另一个P阱上部设置有传输栅TG、浮空扩散节点FD、复位端VRST、电极VDD，两个P阱之间是钳位光电二极管PPD，钳位光电二极管PPD的具体结构由上至下依次为：钳位层、浅N阱、杂质补偿区PDc和p衬底，浅N阱由PDN1和PDN2两层构成，PDN1和PDN2掺杂浓度根据阱容量要求确定，且前者浓度比后者浓度高，PDN2下方为杂质补偿区PDc，其中，N阱靠近硅表面，负责吸收短波长的光；
透过N阱的长波长光被其下方的杂质补偿区PDc吸收。
2.一种高量子效率宽光谱吸收CIS像素单元制作方法，其特征是，制作前述CIS像素单元，具体步骤如下：
(1)PDN1区制备：首先进行As掺杂，注入剂量为3.1×1012/cm2，能量为155千电子伏特(keV)；砷As注入区位于硅表面下0.06～0.58μm范围内，这里先进行砷As+离子注入，使硅表面非晶化，以避免后面磷离子P+和硼离子B+注入时的沟道效应；
(2)杂质补偿区制备：首先进行杂质补偿区B掺杂，分三次注入，使得硼B+离子注入区位于硅表面下0.70～1.82μm范围内，其注入剂量分别为1.0×1011/cm2、0.9×1010/cm2和0.9×1011/cm2，注入能量分别为400keV、450keV和250keV，然后进行P掺杂，注入剂量为5.8×1011/cm2，能量为400keV；磷P+离子注入区位于表面下0.34～1.82μm范围内，B掺杂区与P掺杂区基本重合，能在硅表面下0.70～1.82μm范围内形成杂质补偿区；
(3)PDN2区制备：进行P掺杂，注入剂量为2.1×1011/cm2，能量为80keV，P注入区位于表面下0.36～1.00μm范围内；
(4)进行像素FD制备和P型钳位层注入；
(5)对器件整体进行快速退火：退火温度为800～880℃，退火时间为20～60s。
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| CN202311455297.6A CN117253899A (zh) | 2023-11-03 | 2023-11-03 | 高量子效率宽光谱吸收cis像素单元及其制作方法 |
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| CN202311455297.6A CN117253899A (zh) | 2023-11-03 | 2023-11-03 | 高量子效率宽光谱吸收cis像素单元及其制作方法 |
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2023
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