CN118213379A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CMOS图像传感器及其制造方法,属于半导体技术领域,该CMOS图像传感器,包括衬底、垂直栅、光电二极管和浮动扩散区,所述衬底上形成有所述光电二极管,其中,至少部分区域的光电二极管边界宽度从第一侧到第二侧逐渐变大,所述光电二极管的第二侧与所述垂直栅相连,所述垂直栅远离所述光电二极管的一侧布置所述浮动扩散区。通过优化光电二极管的形状,形成横向的恒定电场,使得电子能够快速地转移到浮动扩散区,并进行像素传输读取,这样图像的成像更加迅速,抑制了图像滞后,提高了图像成像性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域,特别涉及一种CMOS图像传感器及其制造方法。
背景技术
CMOS图像传感器(CIS)是图像传感器技术,主要用于智能手机、数码相机、安防设备以及一些高端科学应用当中。光电二极管(PD)由于具有低噪声、高量子效率和低暗电流等优点主要用于电子成像领域,一直是CIS的首选技术。电荷转移过程是PD的关键性能参数,高电荷转移速度和低图像滞后对于超高速成像等高级应用起着非常重要的作用。
如今现有的大多数CIS设计中,PD在水平方向的光生电子转移受到多种耦合过程的驱动,包括自诱导漂移、边缘场和热扩散,对于中心区域电位分布“平坦”的大PD,扩散是主要因素,电荷转移时间与距离的平方成正比。由于PD中光产生的少数载流子只能通过热扩散向FD至浮动扩散区(Floating Diffusion)方向运动,但基于单一的扩散下载流子运动缓慢,增加了图像滞后效应的概率。
需要说明的是,公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明一般背景技术的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CMOS图像传感器及其制造方法,以解决光生光电二极管载流子转移速度慢的问题。
为解决上述技术问题,本发明提供一种CMOS图像传感器,包括衬底、垂直栅、光电二极管和浮动扩散区,所述衬底上形成有所述光电二极管,其中,至少部分区域的光电二极管边界宽度从第一侧到第二侧逐渐变大,所述光电二极管的第二侧与所述垂直栅相连,所述垂直栅远离所述光电二极管的一侧布置所述浮动扩散区。
优选地,所述光电二极管中注入有第一导电类型的离子,且至少部分区域的光电二极管的离子浓度从所述第一侧到所述第二侧逐渐增加。
优选地,所述光电二极管包括第一区和第二区,所述第一区和第二区分别位于所述第一侧和所述第二侧,所述第一区和所述第二区之间布置有扩张区,所述扩张区边界宽度从所述第一侧到所述第二侧逐渐变大。
优选地,所述扩张区中的离子浓度从所述第一侧到所述第二侧逐渐增加。
优选地,所述第一区和所述第二区的边界具有恒定的宽度。
优选地,所述扩张区的宽度满足:
其中,x表示光电二极管电荷转移轴上的位置,电荷转移轴从第一侧指向第二侧,VL表示扩张区第一侧端部的电势,Vmin表示扩张区第二侧边界处的电势,LPD表示光电二极管的长度,M表示工艺容限值。
本公开还提供一种CMOS图像传感器的制造方法,包括以下步骤:
提供衬底,在所述衬底上形成光电二极管,并在所述光电二极管的第二侧形成浮动扩散区,其中,至少部分区域的光电二极管边界宽度从第一侧到第二侧逐渐变大;
在所述光电二极管和所述浮动扩散区之间刻蚀形成沟槽,并在沟槽中填充介质形成垂直栅。
优选地,所述光电二极管中注入有第一导电类型的离子,且至少部分区域的光电二极管的离子浓度从所述第一侧到所述第二侧逐渐增加。
优选地,所述光电二极管包括第一区和第二区,所述第一区和第二区分别位于所述第一侧和所述第二侧,所述第一区和所述第二区之间布置有扩张区,所述扩张区边界宽度从所述第一侧到所述第二侧逐渐变大。
优选地,所述扩张区中的离子浓度从所述第一侧到所述第二侧逐渐增加,所述第一区和所述第二区的边界具有恒定的宽度。
在本发明提供的CMOS图像传感器,通过优化光电二极管的形状,形成横向的恒定电场,使得电子能够快速地转移到浮动扩散区,并进行像素传输读取,这样图像的成像更加迅速,抑制了图像滞后,提高了图像成像性能。
本发明提供的CMOS图像传感器的制造方法与本发明提供的CMOS图像传感器属于同一发明构思,因此,本发明提供的CMOS图像传感器的制造方法至少具有本发明提供的CMOS图像传感器的所有优点,在此不再赘述。
附图说明
图1是本发明一实施例的光电二极管示意图;
图2是本发明一实施例模拟掺杂不同浓度离子的光电二极管的平面示意图;
图3是本发明一实施例掺杂不同浓度离子的光电二极管的平面示意图;
图4是本发明一实施例模拟恒定电场下的光电二极管的平面示意图;
图5是本发明光电二极管的电势与横向位置之间的关系的示意图;
图6是本发明光电二极管的电子转移速率的示意图。
图中,
1、衬底;2、光电二极管;21、扩张区;22、第一区;23、第二区;3、垂直栅;4、浮动扩散区。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的CMOS图像传感器及其制造方法作进一步详细说明。根据下面说明,本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。应当了解,说明书附图并不一定按比例地显示本发明的具体结构,并且在说明书附图中用于说明本发明某些原理的图示性特征也会采取略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。以及,在以下说明的实施方式中,有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分,而省略其重复说明。在本说明书中,使用相似的标号和字母表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
发明人研究发现,像素结构中的光电二极管的光生电子的转移速度受多种因素的影响,常规技术方案下,光生载流子只能依靠热扩散移动,移动速率较慢,容易造成图形滞后,因此,提高电子转移速率成了各商家竞争的关键所在。
基于此,本发明实的核心思想在于,为了提高电荷转移速度,通过优化PD结构和制造工艺来创建一个横向静电势梯度的横向电场,与传统的基于热扩散相比,构建横向电场显著加速电荷收集。
具体的,请参考图1-图6,其为本发明实施例的示意图。如图1所示,一种CMOS图像传感器,包括衬底1、垂直栅3、光电二极管2和浮动扩散区4,所述衬底1上形成有所述光电二极管2,其中,至少部分区域的光电二极管2边界宽度从第一侧到第二侧逐渐变大,所述光电二极管2的第二侧与所述垂直栅3相连,所述垂直栅3远离所述光电二极管2的一侧布置所述浮动扩散区4。
通过优化光电二极管2的形状,形成横向的恒定电场,使得电子能够快速地转移到浮动扩散区4,并进行像素传输读取,这样图像的成像更加迅速,抑制了图像滞后,提高了图像成像性能。
具体的,所述光电二极管2中注入有第一导电类型的离子,且至少部分区域的光电二极管2的离子浓度从所述第一侧到所述第二侧逐渐增加。第一导电类型的离子为N型离子。
如图2所示,在光电二极管2平面上的水平方向或者说长度方向掺杂不同浓度剂量的离子,使其在剖面结构中形成具有一定浓度梯度的非均匀性的光电二极管2区域,这也将进一步提升电子转移效率,这种结构设计对未来设计更快更清晰的图像效果起了至关重要的参考意义。
在一种实施方式中,所述光电二极管2包括第一区22和第二区23,所述第一区22和第二区23分别位于所述第一侧和所述第二侧,所述第一区22和所述第二区23之间布置有扩张区21,所述扩张区21边界宽度从所述第一侧到所述第二侧逐渐变大。
如图2所示,扩张区21的边界宽度随着靠近垂直栅3增大,并且两侧分别具有第一区22和第二区23,第一区22位于第一侧,第二区23位于第二侧,若仅设置扩张区21存在两个问题:当光电二极管2第一侧的N阱宽度过小,由于周围的P阱和衬底1的杂质补偿,很难形成N阱;在光电二极管-垂直栅界面中,垂直栅3的边缘效应对电位影响很大,因此,在扩张区21的两侧分别添加第一区22和第二区23。
具体的,所述扩张区21中的离子浓度从所述第一侧到所述第二侧逐渐增加。如图2所示,沿靠近垂直栅3的方向设置注入离子浓度,在电荷转移轴方向掺杂不同剂量的离子,从而在剖面结构中形成具有一定浓度梯度的非均匀性的光电二极管2区域,进一步提升电子转移效率。
在一种实施方式中,所述第一区22和所述第二区23的边界具有恒定的宽度。
具体的,所述扩张区21的宽度满足:
理论上,沿电荷转移轴的横向电场为常数时,电荷转移速度最快。根据电场与电势的关系,恒定的电场要求电势沿电荷传递轴呈线性变化。具体如图5所示,纵轴为电势(potential),横轴则为电荷转移轴,实线表示现有技术中矩形的光电二极管,虚线表示本申请中锥形的光电二极管;图6中实线表示现有技术中矩形的光电二极管,虚线表示本申请中锥形的光电二极管,横轴为时间,纵轴则为电荷转移速率减小程度。为了得到能产生恒定电场的光电二极管2形状,获得上述恒定电场条件下光电二极管宽度与电荷转移轴上x位置之间的关系式。
其中,x表示光电二极管2电荷转移轴上的位置,电荷转移轴从第一侧指向第二侧,VL表示扩张区21第一侧端部的电势,Vmin表示扩张区21第二侧边界处的电势,LPD表示光电二极管2的长度,在理想状态下,扩张区21的宽度满足VPD(x)=k*x,如图4所示,X表示电荷转移轴,X方向也为光电二极管2的长度方向,Y轴方向也为光电二极管2的宽度方向,M表示工艺容限值,在实际制造流程中,考虑到光刻等工艺,扩张区21的宽度很难与理想值完全相同,因此设置一工艺容限值,该值可以为一常数。
在一种实施方式中,由于扩张区21的离子浓度是变化的,扩张区21可以由若干个宽度不同的矩形构成的,如图3所示,矩形的宽度可以通过上述公式获得,可以通过光刻暴露出扩张区21所需进行离子注入的区域,如依次暴露出各个宽度不同的矩形注入所需的离子剂量,保证光电二极管2的离子浓度随着靠近垂直栅3逐步增加。显然,也可对光电二极管2中所有区域进行一定剂量的离子注入,然后进行多次光刻暴露出需要再进行离子注入的区域,保证扩张区21的离子浓度梯度。
基于相同的技术构思,本公开还提供一种CMOS图像传感器的制造方法,包括以下步骤:
提供衬底1,在所述衬底1上形成光电二极管2,并在所述光电二极管2的第二侧形成浮动扩散区4,其中,至少部分区域的光电二极管2边界宽度从第一侧到第二侧逐渐变大。
在所述光电二极管2和所述浮动扩散区4之间刻蚀形成沟槽,并在沟槽中填充介质形成垂直栅3。
设置光电二极管2的形状使其具有恒定横向电场,使光生电子最快速度地转移的到浮动扩散区4,从而加快图像的读取。
具体的,所述光电二极管2中注入有第一导电类型的离子,且至少部分区域的光电二极管2的离子浓度从所述第一侧到所述第二侧逐渐增加。所述扩张区21中的离子浓度从所述第一侧到所述第二侧逐渐增加,所述第一区22和所述第二区23的边界具有恒定的宽度。进一步的,改变光电二极管2中掺杂的N型离子的浓度,从而提升电子转移速率。
所述光电二极管2包括第一区22和第二区23,所述第一区22和第二区23分别位于所述第一侧和所述第二侧,所述第一区22和所述第二区23之间布置有扩张区21,所述扩张区21边界宽度从所述第一侧到所述第二侧逐渐变大。
如图2所示,扩张区21的边界宽度随着靠近垂直栅3越大,并且两侧分别具有第一区22和第二区23,第一区22位于第一侧,第二区23位于第二侧,若仅设置扩张区21存在两个问题:当光电二极管2第一侧的N阱宽度过小,由于周围的P阱和衬底1的杂质补偿,很难形成N阱;在光电二极管-垂直栅界面中,垂直栅3的边缘效应对电位影响很大,因此,在扩张区21的两侧分别添加第一区22和第二区23。
综上可见,在本发明实施例提供的CMOS图像传感器及其制造方法中,通过优化光电二极管2的形状,形成横向的恒定电场,使得电子能够快速地转移到浮动扩散区4,并进行像素传输读取,这样图像的成像更加迅速,抑制了图像滞后,提高了图像成像性能。在光电二极管2平面上的水平方向或者说长度方向掺杂不同浓度剂量的离子,使其在剖面结构中形成具有一定浓度梯度的非均匀性的光电二极管2区域,这也将进一步提升电子转移效率,这种结构设计对未来设计更快更清晰的图像效果起了至关重要的参考意义。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述,并非对本发明范围的任何限定,本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰,均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种CMOS图像传感器,其特征在于,包括衬底、垂直栅、光电二极管和浮动扩散区,所述衬底上形成有所述光电二极管,其中,至少部分区域的光电二极管边界宽度从第一侧到第二侧逐渐变大,所述光电二极管的第二侧与所述垂直栅相连,所述垂直栅远离所述光电二极管的一侧布置所述浮动扩散区。
2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器,其特征在于,所述光电二极管中注入有第一导电类型的离子,且至少部分区域的光电二极管的离子浓度从所述第一侧到所述第二侧逐渐增加。
3.如权利要求1所述的CMOS图像传感器,其特征在于,所述光电二极管包括第一区和第二区,所述第一区和第二区分别位于所述第一侧和所述第二侧,所述第一区和所述第二区之间布置有扩张区,所述扩张区边界宽度从所述第一侧到所述第二侧逐渐变大。
4.如权利要求3所述的CMOS图像传感器,其特征在于,所述扩张区中的离子浓度从所述第一侧到所述第二侧逐渐增加。
5.如权利要求3所述的CMOS图像传感器,其特征在于,所述第一区和所述第二区的边界具有恒定的宽度。
6.如权利要求3所述的CMOS图像传感器,其特征在于,所述扩张区的宽度满足:
其中,x表示光电二极管电荷转移轴上的位置,电荷转移轴从第一侧指向第二侧,VL表示扩张区第一侧端部的电势,Vmin表示扩张区第二侧边界处的电势,LPD表示光电二极管的长度,M表示工艺容限值。
7.一种CMOS图像传感器的制造方法,其特征在于,包括以下步骤:
提供衬底,在所述衬底上形成光电二极管,并在所述光电二极管的第二侧形成浮动扩散区,其中,至少部分区域的光电二极管边界宽度从第一侧到第二侧逐渐变大;
在所述光电二极管和所述浮动扩散区之间刻蚀形成沟槽,并在沟槽中填充介质形成垂直栅。
8.如权利要求7所述的CMOS图像传感器的制造方法,其特征在于,所述光电二极管中注入有第一导电类型的离子,且至少部分区域的光电二极管的离子浓度从所述第一侧到所述第二侧逐渐增加。
9.如权利要求7所述的CMOS图像传感器的制造方法,其特征在于,所述光电二极管包括第一区和第二区,所述第一区和第二区分别位于所述第一侧和所述第二侧,所述第一区和所述第二区之间布置有扩张区,所述扩张区边界宽度从所述第一侧到所述第二侧逐渐变大。
10.如权利要求9所述的CMOS图像传感器的制造方法,其特征在于,所述扩张区中的离子浓度从所述第一侧到所述第二侧逐渐增加,所述第一区和所述第二区的边界具有恒定的宽度。
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