CN1305229A - 用于cmos图象传感器的优化浮置p+区光电二极管 - Google Patents

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Abstract

用于CMOS图像传感器的带有优化浮置P+区的光电二极管。光电二极管构成为具有P+/N阱/P衬底结构。光电二极管的N阱/P衬底结用作提高灵敏度的深结光电二极管。P+浮置反纯化硅表面,减小暗电流。与传统的牵制光电二极管结构不同,本发明的P+区不与P阱或P衬底区相连,使P+区浮置。避免给单元额外附加电容。光电二极管可作为有源像素传感单元的一部分,其布局与标准CMOS制造工艺完全兼容。这类有源像素传感单元包括光电二极管,可构成三晶体管结构,读出光电二极管的信号。

Description

用于CMOS图像传感器的 优化浮置P+区光电二极管
本发明涉及图像探测器件，特别涉及像素传感单元。
集成电路技术使包括计算机、控制系统、电信和成像等不同领域发生了巨大变化。在成像领域，电荷耦合器件(CCD)因其包括低成本和小尺寸等制造和性能特性而非常普遍。然而，成像所需要的固态CCD集成电路较难制造，因此非常贵。此外，由于相对于MOS集成电路，CCD集成电路制造中的不同工艺，成像传感器的信号处理部分一般设在单独的集成芯片上。所以，CCD成像器件至少包括两个集成电路：一个用于CCD传感器，另一个用于信号处理逻辑。
另一类图像传感器是有源像素传感器。如授予Lee等人的美国专利5652210(210专利)所述，有源像素传感器是带有例如晶体管等与每个像素有关的有源器件的电子图像传感器。有源像素传感器的优点在于能够将信号处理和探测电路放入同一集成电路。常规有源像素传感器一般使用多晶硅光电容器或光电二极管作图像探测元件。
最普通的有源像素传感器结构由三个晶体管和一个N+/P阱光电二极管构成，这种结构能与标准CMOS制造工艺兼容。美国专利5587596(示出了一个晶体管单元)、美国专利5926214(示出了一个N晶体管单元)和美国专利5933190(示出了一个对数标度传感器)中示出了其它结构的例子。在这些传感器中，希望的特性包括器件能够具有高灵敏度及低暗电流(即，暗环境下从传感器输出的电流)。在有源像素传感器的设计中，已知对于相同传感器尺寸来说，深结光电二极管比浅结(例如典型的N+/P阱)光电二极光灵敏度高。然而，这些器件的制造一般需要改进标准CMOS制造工艺，此外，由于较大的有效结面积会增大暗电流(从三维透视图考虑)。
所以，目前两种有效的替代品或者采用可用标准CMOS制造工艺形成的标准三晶体管加N+/P阱光电二极管的结构，或者为便于意改进灵敏度和暗电流特性的设计，不用标准的CMOS制造工艺。不利用标准CMOS制造工艺制造的一种有源像素传感器设计是‘210专利所教导的牵制光电二极管(pinnedphotodiode)。
牵制光电二极管的优点在于其具有良好的蓝光色响应能力及暗电流密度和图像滞后。通过P+区使二极管表面电位保持在P阱或P衬底(GND)实现暗电流的减小。尽管‘210专利提供一种利用牵制光电二极管和有源像素传感器的方法，但所教导的设计具有制造复杂的缺点。具体说，如‘210专利的附图所示，这种设备的制造需要多次掩蔽和光刻步骤。
授予Chen美国专利5880495(‘495专利)中示出了对‘210专利中教导的器件的改进，这里引用该文献。‘495专利教导了可利用比‘210专利中教导的结构少一个的掩模制造的有源像素牵制光电二极管结构。这可以通过消除对转移栅下的N-沟道的需要实现，如‘210专利所示。代之以形成与转移栅相邻的重掺杂N+阱(转移阱)，有助于电荷(光信号)从牵制光电二极管到输出电路的转移。此外，‘210专利中示出的形成轻掺杂N-沟道的掩蔽步骤必须精确对准以便位于转移栅之下。相反，‘495专利器件中的掩模对准比较耐未对准。
甚至采用‘495专利所教导的改进结构，牵制光电二极管仍存在缺点。例如，在牵制光电二极管结构中，存在四个晶体管，所以相同面积的占空系数较小，导致了较小的灵敏度。此外，由于掩埋沟道TG晶体管的缘故，这种结构的制造工艺需要对标准CMOS制造工艺进行相当大改进。还是如‘210专利指出的，如果对于电荷转移来说结分布不是很好，则由于电荷从二极管到浮置节点的不完全转移，牵制光电二极管结构引起图像滞后。
所以，需要的是可利用标准CMOS工艺形成的像素光电二极管结构，同时具有高灵敏度和低暗电流。
本发明公开了一种用于成像阵列且形成于具有第一导电类型的半导体衬底中的像素传感器。根据本发明的一个方面，像素传感器包括构成为具有P+/N阱/P衬底结构的光电二极管。
N阱/P衬底结用作提供高灵敏度的深结光电二极管。P+区钝化硅表面，以减小暗电流。与牵制光电二极管不同，本发明中P+区不与P阱或P衬底层连接，所以使P+区浮置。这样一来避免了在该单元上附加额外的电容。在与该二极管进行接触时，通过阻挡接触区中的P+，以确保其浮置，同时保证有N+，以确保与N阱的良好接触，从而可以改善性能。
根据本发明的另一方面，光电二极管实现为有源像素传感单元，于是其整个布图可与标准CMOS制造工艺兼容。此外，这种有源像素传感单元器件可利用标准三晶体管单元形成，与牵制光电二极管需要的四晶体管单元不同。或者，光电二极管也可以采用其它结构，例如无源像素、二晶体管、四晶体管或对数标度单元。
根据本发的另一方面，三晶体管有源像素传感单元包括形成于半导体衬底中与光电二极管邻接的复位晶体管及缓冲晶体管和行选晶体管。为形成复位晶体管，在半导体衬底中邻接光电二极管的N阱形成P阱。然后，在P阱上形成栅，还形成源和漏N+区。漏N+区形成于P阱上，而源N+区形成于N阱和P阱间结的一部分之上。场氧化隔离区(例如LOCOS隔离)形成于N阱和P阱的任一侧上。
根据本发明的另一方面，可以在P+区和N阱间引入附加N型区，以细调特殊应用的结分布。
根据本发明的再一方面，对该结构的另一改变是具有都位于场氧化隔离区之下的P+/N阱/P衬底光电二极管。这减少了二极管暴露于场氧化隔离区边缘的面积，由于强电场和机械应力的缘故，这可能是暗电流的诱因。
参考以下详细介绍，结合附图，会更容易理解本发明的上述各方面及许多附加优点，其中：
图1是用第一掩模开始根据本发明的像素传感器的形成的P衬底；
图2展示了在P衬底中形成N阱的情况；
图3展示了在P衬底中形成P阱的情况；
图4展示了场氧化区和多晶层的附加情况；
图5展示了由多晶层形成栅的情况；
图6展示了在栅的任一侧上形成N+区的情况；
图7展示了形成作为光电二极管的一部分的浮置P+区的情况；
图8展示了表示完成的有源像素传感器件与三个晶体管结构的连接的局部电路图；
图9展示了带有N型区的替代实施例；
图10展示了光电二极管位于场氧化区边缘之下的另一替代实施例。
本发明是对‘210和‘495专利中教导的有源像素传感器的改进。有源像素传感器电路的许多介绍记载于‘210专利和‘210专利中引证的文献。认为这些设计对有源像素传感器的基本设计和操作具有指导意义。
本发明是可利用标准CMOS制造工艺制造的有源像素传感器，同时还具有希望的高灵敏度和低暗电流。通过利用钝化硅表面的P+区减小了暗电流。与牵制光电二极管结构不同，本发明中的P+区不与P阱或P衬底区连接，所以使之浮置。浮置的P+区避免了在单元上额外附加电容。
如上所述，本发明的器件是利用标准CMOS制造工艺形成的。在以下的介绍中，优选的N型注入掺杂剂是磷，而优选的P型注入掺杂剂是硼。如图1所示标准CMOS制造工艺可以从P型半导体衬底开始。如图1所示，首先用光刻掩模201覆盖P型半导体衬底101。光刻掩模201暴露P衬底101的一部分，所以衬底可以接受第和N型离子注入，如图2所示。
如图2所示，进行第一N型离子注入，注入深N阱103。如以下将更具体介绍的，注入到P衬底101中的N阱103还包括附加的P+区，以便形成P+/N阱/P衬底光电二极管。根据本发明，N阱103在衬底中形成得相当深，以提高光电二极管的灵敏度。由于增加了瞬间光产生载流子的收集路径，深注入使得光电响应明显增强，因而可以实现灵敏度的提高。
如图3所示，在P衬底的一部分上淀积光刻掩模202。然后，进行P型离子注入，以形成深P阱105。如以下将具体介绍的，P阱用作形成复位晶体管、缓冲晶体管151和行选晶体管153的部分。
如图4所示，利用任何合适的常规半导体加工方法，例如LOCOS，在衬底101上形成场氧化区113。场氧化区113限定其中形成光电二极管的有源区。另外，在两场氧化区113之间衬底101上面形成绝缘氧化物115，绝缘氧化物115也称作栅氧化物，较好由二氧化硅构成。用于形成二氧化硅栅氧化层115的方法可以是任何已知技术中的一种，包括热氧化硅。如图4所示，在衬底101上淀积多晶硅层117。多晶硅可利用例如低压化学汽相淀积(LPCVD)等任何常规技术淀积。
如图5所示，利用常规光刻和掩蔽技术，构图并腐蚀多晶硅层117，形成控制栅121。如下所述，它将作为复位晶体管的栅121。
如图6所示，淀积光刻掩模203。掩模203利用常规光刻技术形成。然后，用掩模203作实施掩模，采用高浓度掺杂，形成N+区。高浓度掺杂的实施利用现有技术中已知技术和常规掺杂剂进行。于是形成N+区123和N+区125。注意，N+区123形成在N阱103和P阱105间的边界。如以下将具体介绍的，N+区123和125将用作复位晶体管的源和漏。
如图7所示，淀积光刻掩模204，暴露场氧化区113之一和N+区123间的区域。然后，利用掩模204作实施掩模，采用高浓度掺杂，形成P+区。于是形成P+区131作为先前介绍的光电二极管的浮置P+区，该区钝化表面以减小暗电流。P+区的形成与PMOS源/漏注入相同，作为标准CMOS工艺的一部分。与牵制光电二极管不同，本发明的P+区131不与P衬底101或P阱105连接，所以是浮置的。因此，P+区131不给单元额外附加电容。注意，在制作与光电二极管的接触时，接触区中的P+区应被阻挡，以确保其浮置，N+区应呈现出来，以确保与N阱103的良好接触。
如‘210专利中所进一步骤介绍的，并如图8所示，N+区123与输出电路相连。除行选晶体管153外，输出电路还包括缓冲晶体管151。N+区123耦合到缓冲晶体管151的栅，而缓冲晶体管151的漏耦合到例如VDD等固定电压。晶体管151的源耦合到行选晶体管153的漏，而晶体管153的源提供处理电路的输出。行选晶体管153的栅接收行选信号RS。
还是如图8所示，N+区125与例如电源电压VDD等固定电压相连。复位栅121被复位信号周期性激活。在复位信号“on”时，复位栅121下的沟道导通，电流能够流过该晶体管，使光电二极管复位。
如图所示，本发明提供一种可以利用标准CMOS工艺形成的有源像素光电二极管结构。此外，与先前介绍的牵制光电二极管需要的四个晶体管相比，图8的器件只形成有三个晶体管。结果，对于组定制造面积，本发明的器件可将更大面积用于光探测，而不是处理电路。此外，在结分布对于电荷转移来说并非最佳时，这避免了有时由于电荷从二极管到浮置节点的不完全转移造成的牵制光电二极管的图像滞后。
本发明的所述结构提供了深结光电二极管，如从深N阱/P阱结看到的(如N阱103和P衬底101间看到的)，所以提供了高灵敏度器件。此外，由于P+区131钝化了硅表面，所以暗电流减小。如以上要注意的，P+区131与P阱105或P衬底101不相连，所以使P+区131浮置。由于P+区131浮置，所以未给单元额外附加电容。
图9示出了本发明的替代实施例。如图9所示，附加N型区141引入P+区131和N阱103之间。该附加N型区141有助于细调特殊应用的结分布。
图10示出了另一替代实施例。如图10所示，现在场氧化区113位于P+/N阱/P衬底光电二极之上。在场氧化绝缘113之下具有这种光电二极管，减小了二极管暴露于场氧化物边缘的面积。由于该区中的强电场和高机械应力，二极管区暴露于场氧化物边缘会成为暗电流的一种诱因。
尽管已展示和介绍了本发明的优选实施例，但应理解，可以做出各种改变，而不脱离本发明的精神和范围。例如，尽管在形成图2和3所示的有源像素传感器时，示出了一般在P阱105之前形成N阱103，但这些工艺可以按相反的顺序进行。此外，尽管在形成图4所示场氧化区113时示出了一般在N阱103和P阱105之后形成，但也可在形成场氧化区113之后形成N阱和/或P阱。尽管示出了一般在图7的P+区131之前形成图6的N+区123和125，但也可以按相反顺序进行这些工艺。此外，图9中的任意N型区141可在N+区123和125及P+区131之前或之后形成。另外，图9的任意N区141可以形成在N+区123和125与P+区131之间，或在P+区131和N+区123和125之间。还应理解，示出了该器件一般利用不同类型的P或N型材料，但材料的类型可以变换，也可以产生类似的效果。例如，除利用P+层131、N阱103和P衬底101形成的P+/N阱/P衬底之外，可用其它类型的材料形成N＋/P阱/N衬底光电二极管。
此外，上述光电二极管也可用于其它应用。例如，除有源像素传感器外，该光电二极管可按无源像素传感器实现。另外，除按三晶体管有源像素传感器实现外，也可以采用其它类型的有源像素传感器，例如两晶体管、四晶体管或对数标度方式。如以上要注意的，现有技术设计的某些实例也可以实现这些目标，美国专利5587596、5926214和5933190中示出了其它形式。
以上就几个优选实施例介绍了本发明。阅读了前面的说明书后，所属领域的普通技术人员应能够做出各种改变、变化和替代，而不会脱离本公开的思想。因此，意在仅由包含在所附权利要求书及其等同物中的限定而不由这里所介绍的实施例限制本发明的范围。

Claims (25)

1、一种形成于第一导电类型的半导体衬底中的光电二极管，包括：
形成于半导体衬底中的第二导电类型的第一阱；
形成于第一阱中高浓度掺杂的第一导电类型的第一区；及
其中高浓度掺杂的第一导电类型的第一区不与半导体衬底相连，所以第一区电浮置。
2、根据权利要求1的光电二极管，其特征在于半导体衬底是P型，第一阱是N型，高浓度掺杂的第一区是P+，以形成P+/N阱/P衬底光电二极管。
3、根据权利要求1的光电二极管，其特征在于半导体衬底是N型，第一阱是P型，高浓度掺杂的第一区是N+，所以形成N+/P阱/N衬底光电二极管。
4、一种形成于第一导电类型的半导体衬底中的像素传感器，所说像素传感器用于成像阵列，所说像素传感器具有光电二极管，所说光电二极管包括：
形成于半导体衬底中的第二导电类型的第一阱；
形成于第一阱中高浓度掺杂的第一导电类型的第一区；及
其中高浓度掺杂的第一导电类型的第一区不与半导体衬底相连接，所以第一区电浮置。
5、根据权利要求4的像素传感器，其特征在于半导体衬底是P型，第一阱是N型，高浓度掺杂的第一区是P+，所以形成P+/N阱/P衬底光电二极管。
6、根据权利要求4的像素传感器，其特征在于半导体衬底是N型，第一阱是P型，高浓度掺杂的第一区是N+，所以形成N+/P阱/N衬底光电二极管。
7、根据权利要求4的像素传感器，其特征在于还包括形成于半导体衬底中邻接第一阱的第一导电类型的第二阱，所说第二阱在第一阱之前或之后形成。
8、根据权利要求7的像素传感器，其特征在于还包括：
在第一和第二阱的任一侧上的一对场氧化区，所说场氧化区在第一和第二阱之前或之后形成；
各阱上的绝缘氧化层；及
第二阱上的栅。
9、根据权利要求8的像素传感器，其特征在于还包括高浓度掺杂的第二导电类型的第二和第三区，所说第二和第三区在栅的任一侧之下，以便所说第二区形成于第二阱中，第三区形成于第一和第二阱的一部分中，所说第二和第三区在第一区之前或之后形成。
10、根据权利要求9的像素传感器，其特征在于第二区与电源电压相连，第三区与用于从光电二极管读出信号的电路相连。
11、根据权利要求9的像素传感器，其特征在于第二阱是P型，高浓度掺杂的第二和第三区是N+。
12、根据权利要求9的像素传感器，其特征在于第二阱是N型，高浓度掺杂的第二和第三区是P+。
13、根据权利要求9的像素传感器，其特征在于还包括第二导电类型的第四区，第四区位于第一区和第三区之下，第四区在第一区、第二和第三区的形成之前或之后或之间形成。
14、根据权利要求9的像素传感器，其特征在于第一阱侧上的场氧化区进一步延伸成至少局部覆盖第一区和第一阱。
15、根据权利要求4的像素传感器，其特征在于像素传感器按无源像素结构形成。
16、根据权利要求4的像素传感器，其特征在于像素传感器按有源像素结构形成。
17、根据权利要求4的像素传感器，其特征在于像素传感器形成对数标度单元。
18、根据权利要求4的像素传感器，其特征在于像素传感器形成为具有两个或多个晶体管的单元。
19、根据权利要求18的像素传感器，其特征在于所说单元具有三个晶体管。
20、一种像素传感单元，包括：
具有P+/N阱/P衬底结构的光电二极管；
与光电二极管耦合的复位晶体管，用于复位光电二极管上的信号电平；
缓冲晶体管，其栅与光电二极管的输出耦合；
行选晶体管，其栅与行选信号线耦合，其输入与缓冲晶体管的输出耦合，其输出提供像素传感单元的输出。
21、根据权利要求20的像素传感单元，其特征在于光电二极管的P+区电浮置。
22、根据权利要求20的像素传感单元，其特征在于P+区形成为作为标准CMOS工艺一部分的PMOS源/漏注入的一部分，以便像素传感单元的布图与标准CMOS制造工艺完全兼容。
23、根据权利要求20的像素传感单元，其特征在于还包括在光电二极管边缘上的场氧化绝缘层。
24、根据权利要求23的像素传感单元，其特征在于场氧化绝缘层还在光电二极管的P+区和N阱上延伸。
25、根据权利要求20的像素传感单元，其特征在于光电二极管还包括P+区和N阱之间的附加N型区。
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