CN1881601B - 具有优化的漂浮扩散的图像传感器及像素 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种有源像素，其包括一设在半导体衬底内的感光元件。一传输晶体管设在感光元件与一漂浮扩散之间，其选择运作以将信号从感光元件传输至漂浮扩散。该漂浮扩散由剂量范围为5e13到5e14个离子/平方厘米的n-型植入形成。进一步包括一被漂浮扩散控制的放大晶体管。

Description

具有优化的漂浮扩散的图像传感器及像素
技术领域
本发明涉及图像传感器，更具体地讲，本发明涉及一种采用轻掺杂优化的漂浮扩散的图像传感器的像素。
背景技术
图像传感器已经变得无处不在，它们被广泛地用于数字照相机、便携式电话、保密照相机、医疗器械、汽车和其它应用场合。制造图像传感器的技术、特别是CMOS(互补型金属氧化半导体)图像传感器持续地快速发展。例如，高分辨率和低能耗的要求促进了图像传感器的进一步的小型化及集成。
一般的图像传感器包括由成行成列的独立像素组成的像素阵列。每个像素包括感光区域与读取区域。对于常用的像素(如四晶体管像素)，传输晶体管将感光区域输出的信号传输到漂浮扩散(floatingdiffusion)。然后，信号保持在漂浮扩散，直到被像素的读取部分读出。
像素的漂浮扩散区是很重要的结构。目前，漂浮扩散区由半导体衬底中的N+植入形成。这样就可以在邻近漂浮扩散处使用标准的晶体管(例如传输晶体管与复位晶体管)。使用N+植入来形成漂浮扩散，也在接触栓(contact plug)与漂浮扩散之间提供了较好的欧姆接触(ohmic contact)。
但是，已经发现，这种类型的漂浮扩散具有一些性能问题。首先，N+植入产生一个无定形区(amorphous region)，该无定形区在接下来的叫做固相外延层再生长(solid phase epitaxial regrowth，简称SPE)的热处理工艺中重新排列，改变了硅的晶格。漂浮扩散上的几个不同物理位置上的再生长同步开始。当这些再生长的前沿相会时，就会在相会处产生堆垛层错。漂浮扩散中出现堆垛层错将会导致更高的漂浮扩散结合泄漏(junction leakage)，从而降低了图像性能，并导致了较低的输出。
其次，高的N+植入剂量导致了漂浮扩散区的高电场，而这将导致进一步加大漂浮扩散的结合泄漏。第三，高浓度的N+植入在邻近其的栅极(传输栅极与复位栅极)下方处的发生横向(或叫侧向，lateral)扩散，降低了其断态电路性能(off state current performance)以及其短L击穿性能。这限制了这些晶体管的尺寸设计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够改善漂浮扩散结合泄漏的像素。
为此，一方面，本发明提供了一种有源像素，该有源像素包括：
一设在半导体衬底内的感光元件；
一设在感光元件与一漂浮扩散之间的传输晶体管，该传输晶体管可选择性地将来自感光元件的信号传输至漂浮扩散，其中，漂浮扩散是由剂量在5e13到5e14个离子/平方厘米之间的n-型植入形成的；以及一被漂浮扩散控制的放大晶体管。
上述有源像素中，感光元件可从以下选择：光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管或光电门；n-型植入可以是能够进一步改善漂浮扩散性能的砷与磷的双重植入；有源像素中的放大晶体管向列位线输出信号的放大形式。
上述有源像素还可进一步包括一复位晶体管，用以将漂浮节点恢复到一参考电压。另外，上述像素既可用于CCD图像传感器中，也可用于CMOS图像传感器中。
本发明有源像素的另一种技术方案是：一种有源像素，其包括：
一设在半导体衬底内的感光元件；
一设在感光元件与一漂浮扩散之间的传输晶体管，该传输晶体管可选择性地将来自感光元件的信号传输至漂浮扩散，其中，漂浮扩散是由剂量在5e13到5e14个离子/平方厘米之间的p-型植入形成的；以及一被漂浮扩散控制的放大晶体管。其中，n-型植入可以是能够改善漂浮扩散性能的铟与硼的双重植入。
另一方面，本发明提供了一种制备具有漂浮扩散的像素的方法，该方法包括：
在半导体衬底内形成一感光元件；
在漂浮扩散与感光元件之间形成一传输栅极；
在邻近漂浮扩散并在漂浮扩散与一复位节点之间形成一复位栅极；以及
采用轻掺杂漏极植入工艺，在传输栅极与复位栅极之间形成漂浮扩散。
上述方法中，还可进一步包括通过采用N+植入但该N+植入时遮蔽漂浮扩散来形成复位节点的步骤。
本发明的有益效果是：本发明的漂浮扩散是在5e13到5e14个离子/平方厘米的范围内的n-型植入或p-型植入轻微地掺杂而成，这样的剂量可以形成适当的肖特基接触，但这样的剂量不会形成无定形区，从而不会出现与N+植入有关的结合泄漏问题。同时，本发明的制造方法可以改善断态电路性能以及短L击穿性能，从而便于进一步地集成像素与图像传感器。
附图说明
图1是现有技术中四晶体管像素(4T)的带剖面结构的示意图，其详细地显示了形成在衬底层中的光电二极管。
图2是现有技术4T像素的剖视图。
图3-图6的剖视图显示了本发明制备具有优化漂浮扩散的像素的流程。
具体实施方式
在下面的描述中，提供了许多特定细节，以便对本发明的实施方案进行透彻的理解。但所属领域的熟练技术人员可以认识到，在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下仍能实施本发明，或者采用其它方法、元件等的情况下仍能实施本发明。另外，为了清楚地描述本发明的各种实施方案，因而对众所周知的结构和操作没有示出或进行详细地描述。
在本发明的说明书中，提及“一实施方案”或“某一实施方案”时是指该实施方案所述的特定特征、结构或者特性至少包含在本发明的一个实施方案中。因而，在说明书各处所出现的“在一实施方案中”或“在某一实施方案中”并不一定指的是全部属于同一个实施方案；而且，特定的特征、结构或者特性可能以合适的方式结合到一个或多个的具体实施方案中。
图1是采用了四个晶体管的有源像素的带剖面结构的示意图。这种有源像素在本领域中叫做4T有源像素。感光元件即本实施方案中的光电二极管101，输出用来调整放大晶体管103的信号。放大晶体管103也被称为源极随偶晶体管。在本发明中，感光元件可为多种器件中的一种，包括但不限于光电门(photogates)、光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管等，但此处感光元件是一个光电二极管(无论是PIN型还是部分PIN型均可)。传输晶体管105用于将光电二极管101输出的信号传输至漂浮节点107(也叫做浮动节点或漂浮扩散)，该漂浮节点107连接在放大晶体管103的栅极处。传输晶体管105被传输栅极控制。
4T有源像素的典型特征是传输栅极的存在实现了真正的校正二次取样(correlated double sampling，简称CDS)。可以理解，本发明可以应用于所有的CMOS成像器，无论其具有4个、5个、6个、7个或者更多个晶体管，也可以用于CCD成像器。
使用时，在积分周期(也称为曝光周期或者积聚周期)内，光电二极管101产生电荷，这些电荷存储在N-型层内。积分周期后，传输晶体管105开启并将存储在光电二极管101的N-型层内的电荷传输至漂浮节点107。当信号已经被传输到漂浮节点107后，传输晶体管105被再次关闭，以便下一次积分周期的开始。
在漂浮节点107上的信号随后用于调整放大晶体管103。最后，寻址晶体管109被用以定位像素并选择性地从列位线111上读出信号。通过列位线111读取信号后，复位晶体管113通过复位节点，将漂浮节点107复位到一参考电压。在一实施方案中，该参考电压为Vdd。
具体地，图2详细示出了典型4T像素的剖视图。如图2所示，复位晶体管113与复位栅极邻近漂浮扩散。需要指出的是，Vdd电压轨线(rail)与复位晶体管113之间的接线(connection)是N+植入。进一步需要指出的是，在现有技术中，漂浮扩散一般也是N+植入。最后，轻掺杂的漏极区(lightly doped drain regions，简称LDD)是在各种栅极的侧壁隔片(sidewall spacer)的下方形成的。
图3-图7显示了一种形成具有优化扩散的像素的方法。图3显示了4T像素的一部分，其中光电二极管301形成在p-型衬底或区域中。像素被场氧化层分界，在该实施方案中，被浅的沟槽隔离(简称STI)分界。此外，在图3-图7中显示的光电二极管301是PIN型光电二极管。然而，可以理解，本发明可以用于任意类型的感光元件。仍参照图3，在这些栅极结构的上方生长或者沉积薄的氧化层303。
接着，参照图4，对光刻胶掩模401进行定形，以便用于轻掺杂的漏极植入中。光刻胶掩模401允许进行n-型植入(例如砷、磷或锑)，以在传输栅极与复位栅极之间以及复位栅极与STI区域之间形成轻掺杂的区域。在一实施方案中，轻掺杂的漏极植入的剂量大约为5e13～5e14个离子/平方厘米。
接着，参照图5，进行各种常规步骤，以在传输栅极与复位栅极的侧墙上形成侧壁隔片501。这些结构以及形成这些结构的步骤，在现有技术中都是常用的，但此处为了叙述完整性而进行简要描述。而且，还可能包括其它的步骤，例如增强植入、清洗步骤、P-阱植入等等。此处省略这些现有已知的技术，以避免不能突出显现本发明的特征。
仍参照图5，在晶圆上定形N+光刻胶掩模503。N+光刻胶掩模503暴露出复位栅极与STI之间的区域，但覆盖住传输栅极与复位栅极之间的漂浮扩散区。因此，可以在不影响漂浮扩散区的情况下进行N+植入。N+区域仅在复位栅极与STI之间形成，以作为Vdd的接线。N+植入可以采用如砷、磷或锑等掺杂物。
接着，参照图6，除去N+光刻胶掩模503，并按常规的步骤形成绝缘层、接触洞(contact hole)以及接触栓(contact plug)(例如钨)，以便将像素的各种器件连接起来。此外，这些结构和用于形成这些结构的步骤，在现有技术中都是常用的，但此处为了叙述的完整性而予以简要描述。
需要指出的是，本发明漂浮扩散的掺杂显著地低于现有技术中漂浮扩散的掺杂。现有技术中漂浮扩散是在N+范围内(1e15到5e16个离子/平方厘米)进行掺杂的。根据本发明，漂浮扩散只是轻微地进行掺杂，剂量在5e13到5e14个离子/平方厘米的范围内。这样的剂量对于漂浮扩散来说，仍然可以形成适当的肖特基接触(Schottkycontact)。但这样的剂量不会形成无定形区，而且也不会出现与N+植入有关的结合泄漏问题。
进一步地，为了更好地改善该结合以及缩小电场，在本发明的一实施方案中，作为优选的方式，漂浮扩散轻掺杂的漏极植入采用砷和磷的组合植入。砷植入可以提供相对较高的表面浓度，以支持固体肖特基接触并减小邻近栅极下面的侧向扩散；而在植入处理中可被同时应用的磷植入，能进一步改善掺杂分布(或叫掺杂梯度、掺杂构形)并可减小电场与结合泄漏。较深的磷植入也提供了蚀刻接触方面的保护。而且，在工艺流程中采用适当剂量的轻掺杂漏极的漂浮扩散，可以在随后的高温步骤中如快速热退火中被完全激活。
另一优点是，漂浮扩散具有比较低的掺杂浓度时漂浮扩散电容也比较低。这使得像素能够获得一个较高的变换增益，进而改善弱光灵敏度。
上述内容应理解为：这里所介绍的本发明的具体实施方案只是为了描述本发明，但在不偏离本发明宗旨与范围的情况下可以做出各种变换方案。例如，本发明可以用于NPN的PIN型光电二极管，其中掺杂物的类型可以不同于图中所示的物质。具体地，像素可使用p-沟道晶体管，光电二极管可由设在n-型衬底(或N-阱)中的浅的P-区域形成；相应地，漂浮扩散可用p-型掺杂物如硼或铟进行轻微掺杂。为改进漂浮扩散，也可以同时采用铟和硼，其中，铟可以提供比较高的表面浓度，而硼可以提供比较低的剂量，但可以更深地进入衬底内。因此，本发明的方法和教义还可用于与上述描述和附图具有相反极性的器件中。
因此，除权利要求之外，本发明不受任何限制。

Claims (14)

1.一种有源像素，其包括：
一设在半导体衬底内的感光元件；
一设在所述感光元件与一浮动扩散之间的传输晶体管，该传输晶体管可选择性地将来自所述感光元件的信号传输至所述浮动扩散，其中，所述的浮动扩散是由剂量在5e13到5e14个离子/平方厘米之间的n-型植入形成的；以及
一被所述浮动扩散控制的放大晶体管；
所述的n-型植入是能改善所述浮动扩散的砷与磷的双重植入。
2.如权利要求1所述的像素，其中，所述的感光元件为光电二极管。
3.如权利要求1所述的像素，其中，所述的感光元件为光电门。
4.如权利要求2所述的像素，其中，所述的光电二极管为PIN型光电二极管。
5.如权利要求1所述的像素，其进一步包括能将浮动节点恢复到一参考电压的复位晶体管。
6.如权利要求1所述的像素，其中，所述的像素用于CCD或者CMOS图像传感器中。
7.一种有源像素，其包括：
一设在半导体衬底内的感光元件；
一设在所述感光元件与一浮动扩散之间的传输晶体管，该传输晶体管可选择性地将来自所述感光元件的信号传输至所述浮动扩散，其中，所述的浮动扩散是由剂量在5e13到5e14个离子/平方厘米之间的n-型植入形成的，所述的n-型植入是能改善所述浮动扩散的砷与磷的双重植入；以及
一被所述浮动扩散控制的放大晶体管，所述的放大晶体管将所述信号的放大形式输出到列位线。
8.一种有源像素，其包括：
一设在半导体衬底内的感光元件；
一设在所述感光元件与一浮动扩散之间的传输晶体管，该传输晶体管可选择性地将来自所述感光元件的信号传输至所述浮动扩散，其中，所述的浮动扩散是由剂量在5e13到5e14个离子/平方厘米之间的p-型植入形成的；以及
一被所述浮动扩散控制的放大晶体管；
其中，所述的p-型植入是可改善所述浮动扩散的铟与硼的双重植入。
9.如权利要求8所述的像素，其中，所述的感光元件为光电二极管。
10.如权利要求8所述的像素，其中，所述的感光元件为光电门。
11.如权利要求9所述的像素，其中，所述的光电二极管为PIN型光电二极管。
12.如权利要求8所述的像素，其进一步包括能将浮动节点恢复到一参考电压的复位晶体管。
13.如权利要求8所述的像素，其中，所述的像素用于CCD或者CMOS图像传感器中。
14.一种有源像素，其包括：
一设在半导体衬底内的感光元件；
一设在所述感光元件与一浮动扩散之间的传输晶体管，该传输晶体管可选择性地将来自所述感光元件的信号传输至所述浮动扩散，其中，所述的浮动扩散是由剂量在5e13到5e14个离子/平方厘米之间的p-型植入形成的，所述的p-型植入是可改善所述浮动扩散的铟与硼的双重植入；以及
一被所述浮动扩散控制的放大晶体管，所述的放大晶体管将所述信号的放大形式输出到列位线。
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