CN1889269A - 适用于cmos图像传感器的低暗电流有源像素及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素的结构在N衬底上生长一层P+型外延层，在P+型外延层上生长一层P型外延层，在P外延层区内注入一层N+区，并在N+区浅注入一层P区，从而形成两个PN结，可以吸收不同波长的注入光。本发明提出的是一种基于N衬底和光电二极管的有源像素结构，这种有源像素结构不仅有效的降低了暗电流、提高了量子效率，而且改进了在蓝光区域的量子效应。由于减少了光产生的电子－空穴对的复合，因此可以产生相应的效果。利用N衬底可以有效的防止像素之间的光电荷的扩散，防止弥散现象。

Description

适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素及其制造方法
技术领域
本发明涉及微电子学的集成电路设计技术领域，尤其涉及一种适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素及其制造方法。
背景技术
虽然有源像素与CCD(Charge Coupled Device，中文：电荷耦合器件)出现的时间几乎相同，但由于CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，中文：互补从属氧化物半导体)制造工艺不成熟，使得CCD的性能一直优于有源像素的性能，如CCD的固定图形噪声低、像素面积小、分辨率高、图像质量好等。因此接下来将近10多年在有源像素方面的研究很少。
现代有源像素的发展得益于CMOS工艺的改进，如降低了器件与器件之间不匹配、降低了制造成本、功耗大大降低等。与无源像素相比，有源像素尽管由于MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，中文：金属-氧化物半导体场效应晶体管)占了很大的面积，降低了填充系数，但能获得低的输出噪声、高的响应速度和大的输出摆幅，因此有源像素结构现在已成为CMOS图像传感器的设计主流。
目前，CMOS图像传感器中的光电检测器主要采用光电二极管和光栅晶体管，光电二极管具有较低的噪声、良好的均匀性和简单的版图结构，已广泛的使用；光栅晶体管具有与CCD工作类似的结构、很高的增益和宽的频谱响应范围，已引起国外研究者的兴趣。
然而，应用标准CMOS工艺制造的光电二极管存在PN结漏电流引起的噪声大、灵敏度低等问题；光栅晶体管因为栅极的吸收系数和反射系数较大引起光敏响应灵敏度较低等缺点。
另外，随着CMOS工艺的发展，大量研究表明当工艺下降到0.25um时，光电二极管的暗电流噪声增加、量子效应下降、漏电流增加。
为了解决这些问题，1995年JPL/Kodak课题组提出基于PinnedPhotodiode(光电二极管)的有源像素，其基本结构包含一个PinnedPhotodiode、一个复位晶体管、一个源跟随晶体管、一个行选择晶体管以及各一传输晶体管。像素的工作原理与光栅有源像素相似，浮置扩散输出端被复位；传输晶体管用来传输信号电荷到节点，光电二极管本身通过复位晶体管和传输晶体管复位。这种结构能够降低暗电流，提高量子效率，但是基于标准的CMOS工艺的P型衬底，仍未能根本改变衬底暗电流的问题。
发明内容
鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素及其制造方法，不仅有效的降低了暗电流、提高了量子效率，而且因为能吸收更长波长的光改进了在蓝光区域的量子效应。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素，主体包括N型衬底、P+外延层与P型外延层；P+外延层生长于N衬底上，P型外延层生长于P+外延层上；所述的P型外延层还设有N+区，形成一个PN结；在N+区上还设有P区，形成另一个PN结。
所述的P型外延层上还设有深P+区，深P+区与N+区接触；并且在深P+区上设有表面电极，并在表面电极上加有偏置电压。
所述的P型外延层上还设有P-阱，在P-阱上生长有栅氧层，在栅氧层上还生长有一层多晶硅层；在P-阱上还设有源漏区。
所述的P型外延层上设有窄沟道隔离区，P区设于窄沟道隔离区下。
一种基于上述适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素的制造方法，包括：
A、在N型衬底上外延生长P+型外延层；
B、在P+型外延层上面外延生长P型外延层；
C、在P型外延层一热生长一层二氧化硅SiO2，注入磷离子，激活磷离子同时将其趋入形成N-阱，作为N+区；
D、将硼离子注入到N-阱中，经过高温退火，激活硼离子同时将其趋入，形成深P+区；
E、生成读出电路的晶体管；
F、在N-阱的表面生长一层二氧化硅SiO2，注入离子注入BF2+，形成表面P区。
所述的步骤C还包括：
生长的二氧化硅SiO2层厚度控制在100埃～150埃。
所述的步骤D还包括：
在引线时将深P+区接地。
所述的步骤E还包括：
E1、在P型外延层中形成P-阱；
E2、在P-阱上生长栅氧层；
E3、在栅氧层上长一层多晶硅层层；
E4、在P-阱上注入磷离子形成源漏区。
所述的步骤F还包括：
F1、在P型外延层上做出窄沟道隔离区；
F2、在窄沟道隔离区下方的N-阱的表面生长一层二氧化硅SiO2，注入离子注入BF2+，形成表面P区。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明的适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素的结构在N衬底上生长一层P+型外延层，在P+型外延层上生长一层P型外延层，在P外延层区内注入一层N+区，并在N+区浅注入一层P区，从而形成两个PN结，可以吸收不同波长的注入光。本发明提出的是一种基于N衬底和光电二极管的有源像素结构，这种有源像素结构不仅有效的降低了暗电流、提高了量子效率，而且改进了在蓝光区域的量子效应。由于减少了光产生的电子-空穴对的复合，因此可以产生相应的效果。
附图说明
图1为本发明所述的适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素结构示意图一；
图2为本发明所述的适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素结构示意图二；
图3为本发明所述的适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素制造过程示意图一；
图4为本发明所述的适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素制造过程示意图二；
图5为本发明所述的适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素制造过程示意图三；
图6为本发明所述的适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素制造过程示意图四；
图7为本发明所述的适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素制造过程示意图五。
具体实施方式
本发明提出一种基于N衬底和Pinned Photodiode的有源像素结构，这种适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素结构不仅有效的降低了暗电流、提高了量子效率，而且改进了在蓝光区域的量子效应。之所以可以产生相应的效果是由于减少了光产生的电子-空穴对的复合的结果。
本发明的适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素的结构的具体实施方式一如图1所示，具体为：
在N衬底1上生长一层P+型外延层2，在P+型外延层2上生长一层P型外延层3，在P外延层区3内注入一层N+区4，并在N+区4浅注入一层P区6，从而形成两个PN结，可以吸收不同波长的注入光。
在所述的P型外延层3上还设有深P+区5，深P+区5与N+区4接触。
在两个结PN处将光量子转变为光电荷，其中电子积累在N+区4，产生的空穴电荷积累在P区6靠近PN结的一边，很快被设于深P+区5上的偏置电压11吸走。
在所述的P型外延层3上还设有P-阱10，在P-阱上生长有栅氧层8，在栅氧层上还生长有一层多晶硅层9；在P-阱10上还设有源漏区分别为源极7与漏极13。
所述的多晶硅层9上设有传输栅12与栅极14，将电子电荷运走；当传输栅12上加一高电平，在栅氧化层8下形成一反型层，形成低的势垒，从而将电荷读出到NMOS(N-channel metal oxide semiconductor，中文：N通道金属氧化半导体)管的源极7。NMOS管制造在P型阱内，NMOS管的漏极是13，一般接在高电平上，当栅极14加一高电平将NMOS管置位，源极7置位为高电平，当传输栅12为低电平时，光电荷读出，在NMOS管源极7将电荷积分转变为电压读出。
本发明的适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素的结构的种具体实施方式二如图2所示，其结构上在P型外延层上3设有窄沟道隔离区(shallow trench isolation)15，P区6设于窄沟道隔离区15下方。
本发明的有源像素的制造方法的工艺流程具体实施方式为，以实施例一为例：
首先，如图3所示，在N型衬底1上外延生长P+外延层2，然后，再在P+外延层2上面外延生长P外延层3。
其次，如图4所示，在P外延层3上热生长一层SiO2，SiO2的厚度为100埃～150埃，其目的是减小P外延层3受到离子注入的损伤。注入磷离子，然后高温退火，激活磷离子同时将其趋入形成N-阱，也就是N+区4。
第三，如图5所示，将高能量、大剂量的硼离子注入到N-阱中，经过高温退火，激活硼离子同时将其趋入，形成深P+区5。在引线时，将深P+区接地，其作用是收集光生空穴。
第四，如图6所示，生成读出电路中晶体管，读出电路中晶体管的生成与传统基于CMOS工艺中制作NMOS的工艺流程相同。首先在外延层3中形成P-阱10，生长栅氧层8，在栅氧层8上长一层多晶硅层9，最后注入离子形成源极7和漏极13。
最后，如图7所示，为了防止将NMOS的源极7和漏极13驱深，在完成NMOS工艺后，要避免长时间的高温过程，所以，采用低温氧化LTO方法在N-阱的表面生长一层SiO2，作为减小离子注入损伤的保护层，然后，注入低能量、大剂量离子BF2+，形成表面P+区6，使用RTP(Rapid TemperatureProcess，中文：快速高温处理)将其激活。
本发明的有源像素的实施例二制造方法的工艺流程具体实施方法，与实施例一的区别在P型外延层上3构造窄沟道隔离区15，然后在窄沟道隔离区15下方注入低能量、大剂量离子BF2+，形成表面P+区6，使用RTP将其激活。该有源像素主要针对深亚微米工艺，由于采用窄沟道隔离技术将感光面积与表面隔离，可以获得低的暗电流和高的感光灵敏度。
暗电流的主要是由硅/二氧化硅之间的界面态或硅衬底的体态(bulkstates)产生。通过在N+区的表面浅注入一层P区，将体内与表面分开，将光转变为电荷的PN结位于半导体的体内，从而将暗电流降低。
利用N衬底可以有效的防止像素之间的光电荷的扩散。N衬底本身有像N+扩散漏极的效果。当像素本身因照射光太强的时候，产生的多余电荷将向相临像素扩散，如果不加以疏散，将形成弥散(blooming)现象。当一个直流电位加在N衬底时，多余的电荷将被衬底收集，而不会向相临的像素扩散，从而防止弥散现象。暗电流的主要是由硅/二氧化硅之间的界面态或硅衬底的体态(bulk states)产生。大多数情况下，界面产生是体内产生的十倍。在N衬底上生长一层P+型外延层，在P+型外延层上生长一层P型外延层，在P外延层区内注入一层N+区，在N+区的表面浅注入一层P区，将体内与表面分开，将光转变为电荷的PN结位于半导体的体内，从而将暗电流降低，同时因为形成了两个PN结，增加了储存电荷的容量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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揭露的技术范围内，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1、一种适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素，其特征在于，主体包括N型衬底、P+外延层与P型外延层；P+外延层生长于N衬底上，P型外延层生长于P+外延层上；所述的P型外延层还设有N+区，形成一个PN结；在N+区上还设有P区，形成另一个PN结。
2、根据权利要求书1所述的一种适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素，其特征在于，所述的P型外延层上还设有深P+区，深P+区与N+区接触；并且在深P+区上设有表面电极，并在表面电极上加有偏置电压。
3、根据权利要求书1所述的一种适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素，其特征在于，所述的P型外延层上还设有P-阱，在P-阱上生长有栅氧层，在栅氧层上还生长有一层多晶硅层；在P-阱上还设有源漏区。
4、根据权利要求书1、2或3所述的一种适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素，其特征在于，所述的P型外延层上设有窄沟道隔离区，P区设于窄沟道隔离区下。
5、一种基于上述适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素的制造方法，其特征在于，包括：
A、在N型衬底上外延生长P+型外延层；
B、在P+型外延层上面外延生长P型外延层；
C、在P型外延层一热生长一层二氧化硅SiO2，注入磷离子，激活磷离子同时将其趋入形成N-阱，作为N+区；
D、将硼离子注入到N-阱中，经过高温退火，激活硼离子同时将其趋入，形成深P+区；
E、生成读出电路的晶体管；
F、在N-阱的表面生长一层二氧化硅SiO2，注入离子注入BF2+，形成表面P区。
6、根据权利要求书5所述的适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素的制造方法，其特征在于，所述的步骤C还包括：
生长的二氧化硅SiO2层厚度控制在100埃～150埃。
7、根据权利要求书5所述的适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素的制造方法，其特征在于，所述的步骤D还包括：
在引线时将深P+区接地。
8、根据权利要求书5所述的适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素的制造方法，其特征在于，所述的步骤E还包括：
E1、在P型外延层中形成P-阱；
E2、在P-阱上生长栅氧层；
E3、在栅氧层上长一层多晶硅层层；
E4、在P-阱上注入磷离子形成源漏区。
9、根据权利要求书5所述的适用于CMOS图像传感器的低暗电流有源像素的制造方法，其特征在于，所述的步骤F还包括：
F1、在P型外延层上做出窄沟道隔离区；
F2、在窄沟道隔离区下方的N-阱的表面生长一层二氧化硅SiO2，注入离子注入BF2+，形成表面P区。
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