RU2377692C1 - Cmos photodetector element with high fill factor - Google Patents
Cmos photodetector element with high fill factor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2377692C1 RU2377692C1 RU2008127651/28A RU2008127651A RU2377692C1 RU 2377692 C1 RU2377692 C1 RU 2377692C1 RU 2008127651/28 A RU2008127651/28 A RU 2008127651/28A RU 2008127651 A RU2008127651 A RU 2008127651A RU 2377692 C1 RU2377692 C1 RU 2377692C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- photodiode
- layer
- type
- conductivity
- region
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области полупроводниковых ИС и может быть использовано для создания фоточувствительных устройств.The invention relates to the field of semiconductor ICs and can be used to create photosensitive devices.
Известны КМОП-фотоприемники, в каждом фотоприемном элементе которых содержатся фотодиод и управляющие МОП-транзисторы (см. H.S.Wong, "Technology and Device Scaling Considerations for CMOS Imagers", IEEE Trans. on Electron Devices, vol. 43, No 12, pp.2131-2142, 1996; A.Theuwissen, E.Roks, "Building a Better Mousetrap", Photonics spectra, No 2, pp.29-32, 2001).CMOS photodetectors are known in which each photodetector contains a photodiode and MOS control transistors (see HSWong, "Technology and Device Scaling Considerations for CMOS Imagers", IEEE Trans. On Electron Devices, vol. 43, No. 12, pp. 2131-2142, 1996; A. Theuwissen, E. Roks, "Building a Better Mousetrap", Photonics spectra, No. 2, pp. 29-32, 2001).
Эффективность приема входного излучения КМОП-фотоприемным элементом оценивается с помощью параметра, называемого "фактор заполнения" - Fill Factor (FF). За фактор заполнения принято отношение площади фотодиода к общей площади фотоприемного элемента (ФПЭ). При уменьшении проектных норм FF может быть повышен за счет уменьшения доли площади фотоприемного элемента, занимаемой управляющими транзисторами. При прочих равных условиях фотоприемный элемент, имеющий больший FF, обладает более высокой фоточувствительностью.The efficiency of receiving input radiation by a CMOS photodetector element is estimated using a parameter called the Fill Factor (FF). The filling factor is the ratio of the area of the photodiode to the total area of the photodetector element (PFE). With a decrease in design standards, FF can be increased by reducing the fraction of the area of the photodetector occupied by the control transistors. Other things being equal, a photodetector having a higher FF has a higher photosensitivity.
В то же время фоточувствительность фотоприемного элемента прямо зависит от эффективности сбора носителей заряда в фотодиод из того объема полупроводника, в котором они генерируются входным оптическим излучением. Очевидно, что фоточувствительность ФПЭ будет повышаться с увеличением доли объема элемента, из которого генерированные светом носители заряда попадают в фотодиод. При расчете величины фактора заполнения FF данные объемы не учитываются.At the same time, the photosensitivity of the photodetector directly depends on the efficiency of the collection of charge carriers in the photodiode from the volume of the semiconductor in which they are generated by the input optical radiation. It is obvious that the photosensitivity of the PES will increase with an increase in the fraction of the volume of the element from which the charge carriers generated by the light enter the photodiode. When calculating the magnitude of the filling factor FF, these volumes are not taken into account.
Известны КМОП-фотоприемные элементы, имеющие многослойную структуру для сбора фотогенерированных носителей заряда из возможно большего объема полупроводниковой подложки, что повышает их фоточувствительность по сравнению с элементами, собирающими носители только из объемов тела фотодиода и его обедненной области [1, 2, 3]. При этом полагают, что площадь фотодиода такого элемента увеличивается на величину площади проекции объема, из которого собираются носители, на поверхность фотоэлемента. При таком подходе фактор заполнения элемента может достигать 100% [1, 2].CMOS photodetector elements are known that have a multilayer structure for collecting photogenerated charge carriers from the largest possible volume of a semiconductor substrate, which increases their photosensitivity compared to elements collecting carriers only from the body volumes of the photodiode and its depletion region [1, 2, 3]. It is believed that the photodiode area of such an element increases by the projection area of the volume from which the carriers are collected onto the surface of the photocell. With this approach, the element filling factor can reach 100% [1, 2].
Основным прототипом является КМОП-фотоприемный элемент, в котором для сбора носителей заряда из глубины подложки и переноса их в область фотодиода используется структура с внутренним потенциальным барьером между сильно и слаболегированными слоями р-подложки [1, 2]. Однако недостатками данного фотоприемного элемента, приводящими к потере части фотогенерированных носителей заряда, являются:The main prototype is a CMOS photodetector element, in which a structure with an internal potential barrier between strongly and lightly doped p-substrate layers is used to collect charge carriers from the depth of the substrate and transfer them to the region of the photodiode [1, 2]. However, the disadvantages of this photodetector element, leading to the loss of part of the photogenerated charge carriers, are:
- применение диффузионного механизма переноса носителей, не обеспечивающего строгой направленности их потока в область фотодиода;- the use of a diffusion carrier transfer mechanism that does not provide a strict directivity of their flow in the region of the photodiode;
- небольшая толщина области сбора носителей, что не обеспечивает охвата большей части объема элемента;- a small thickness of the collection area of the media, which does not provide coverage of most of the volume of the element;
- расположение области сбора на глубине от поверхности кристалла.- location of the collection area at a depth from the surface of the crystal.
Предлагается КМОП-фотоприемный элемент, содержащий фотодиод и управляющие транзисторы, отличающийся тем, чтоA CMOS photodetector element comprising a photodiode and control transistors is proposed, characterized in that
- на подложке первого типа проводимости выращивается первый слой второго типа проводимости, который является заглубленной областью фотодиода;- on the substrate of the first type of conductivity, the first layer of the second type of conductivity is grown, which is the buried region of the photodiode;
- в первом слое второго типа проводимости по всей площади формируется второй слой первого типа проводимости, который является карманом, в котором затем формируются поверхностная область фотодиода и области транзисторов фотоприемного элемента;- in the first layer of the second type of conductivity, a second layer of the first type of conductivity is formed over the entire area, which is a pocket in which the surface region of the photodiode and the region of the transistors of the photodetector are then formed;
- во втором слое первого типа проводимости формируется второй слой второго типа проводимости (поверхностная область фотодиода) так, чтобы он сомкнулся с первым слоем второго типа проводимости и занимал только часть площади второго слоя первого типа проводимости;- in the second layer of the first type of conductivity, a second layer of the second type of conductivity is formed (the surface region of the photodiode) so that it closes with the first layer of the second type of conductivity and occupies only part of the area of the second layer of the first conductivity type;
- во втором слое первого типа проводимости вне второго слоя второго типа проводимости формируются третья и последующие области второго типа проводимости, которые являются областями транзисторов элемента;- in the second layer of the first conductivity type, outside the second layer of the second conductivity type, the third and subsequent regions of the second conductivity type are formed, which are regions of the element transistors;
- первый слой первого типа проводимости на периферии имеет омический контакт, подключаемый к шине «земля»;- the first layer of the first type of conductivity at the periphery has an ohmic contact connected to the ground bus;
- первый слой второго типа проводимости на периферии имеет омический контакт, подключаемый к шине «питание»;- the first layer of the second type of conductivity at the periphery has an ohmic contact connected to the "power" bus;
- на поверхности элемента формируется система диэлектрических слоев и затворов, реализующая электрическую схему фотоприемного элемента.- a system of dielectric layers and gates is formed on the surface of the element, which implements the electrical circuit of the photodetector.
В данном элементе вторая область второго типа проводимости выполняет роль «области накопления» фотогенерированных зарядов, первая область второго типа проводимости играет роль «области сбора» фотогенерированных носителей заряда, из которой носители направляются в «область накопления». При этом при соответствующем подборе уровней легирования диффузионных областей элемента и величин управляющих напряжений перенос фотогенерированных носителей заряда из «области сбора» в «область накопления» будет осуществляться с помощью направленных электрических полей.In this element, the second region of the second conductivity type plays the role of the “accumulation region” of photogenerated charges, the first region of the second conductivity type plays the role of the “collection region” of photogenerated charge carriers, from which the carriers are directed to the “accumulation region”. Moreover, with an appropriate selection of the doping levels of the diffusion regions of the element and the values of the control voltages, the transfer of photogenerated charge carriers from the “collection region” to the “accumulation region” will be carried out using directed electric fields.
Техническим результатом данного изобретения является повышение фоточувствительности фотоприемного элемента и улучшение его шумовых характеристик.The technical result of this invention is to increase the photosensitivity of the photodetector element and improve its noise characteristics.
Изобретение поясняется приведенными чертежами.The invention is illustrated by the drawings.
На фиг.1 представлен схематический разрез КМОП-фотоприемного элемента согласно настоящему изобретению. Область фотоприемного элемента ограничена прямоугольником, обозначенным пунктирной линией. Во второй, меньшей по размеру, обозначенной пунктиром области С1 изображены транзисторы схемы фотоприемного элемента V1, V2, V3, их число может быть различным для различных типов схем.Figure 1 presents a schematic section of a CMOS photodetector element according to the present invention. The area of the photodetector element is limited by a rectangle indicated by a dashed line. In the second, smaller, indicated by the dotted line region C1, transistors of the photodetector element V 1 , V 2 , V 3 are shown, their number may be different for different types of circuits.
Фотоприемный элемент содержит:The photodetector contains:
- подложку первого типа проводимости 1;- a substrate of the first type of
- первый слой второго типа проводимости 2, выращенный с помощью операций эпитаксии на подложке 1, данный слой является заглубленной областью фотодиода;- the first layer of the second type of
- второй слой первого типа проводимости 3, который является карманом для формирования областей транзисторов схемы фотоприемного элемента;- the second layer of the first type of
- второй слой второго типа проводимости 4 и 4.1, который смыкается с первым слоем второго типа проводимости;- the second layer of the second type of
- третью область второго типа проводимости 5 и последующие области второго типа проводимости 5.1, 5.2 и т.д., которые являются областями транзисторов элемента;- the third region of the second type of conductivity 5 and the subsequent regions of the second type of conductivity 5.1, 5.2, etc., which are the areas of the transistors of the element;
- затворы 6, 6.1, 6.2 транзисторов схемы фотоприемного элемента;- gates 6, 6.1, 6.2 of transistors of the photodetector circuit;
- систему диэлектрических слоев 7 на поверхности фотоприемного элемента.- a system of dielectric layers 7 on the surface of the photodetector element.
Омические контакты к областям фотоприемного элемента расположены на периферии кристалла (на чертеже показана схема их подключения): 8 к первому слою первого типа проводимости и 9 ко второму слою первого типа проводимости (3), которые подключаются к шине «земля»; 10 к первому слою второго типа проводимости, который подключается к шине «питание».Ohmic contacts to the regions of the photodetector element are located on the periphery of the crystal (the diagram shows their connection diagram): 8 to the first layer of the first type of conductivity and 9 to the second layer of the first type of conductivity (3), which are connected to the ground bus; 10 to the first layer of the second type of conductivity, which is connected to the bus "power".
На фиг.2 приведен схематический разрез КМОП-фотоприемного элемента согласно настоящему изобретению в процессе его изготовления после операции формирования заглубленной области фотодиода 2 эпитаксиальным наращиванием пленки n-типа проводимости на подложке 1.Figure 2 shows a schematic section of a CMOS photodetector element according to the present invention during its manufacturing after the operation of forming a buried region of the
На фиг.3 приведен схематический разрез КМОП-фотоприемного элемента согласно настоящему изобретению в процессе его изготовления после операции формирования области кармана 3 путем имплантации примеси р-типа проводимости.Figure 3 shows a schematic section of a CMOS photodetector element according to the present invention in the manufacturing process after the operation of forming the region of the
На фиг.4 приведен схематический разрез КМОП-фотоприемного элемента согласно настоящему изобретению в процессе его изготовления после операции формирования поверхностной n+-области фотодиода 4 путем имплантации примеси n-типа проводимости, при этом уровень энергии легирования и последующие термооперации должны обеспечивать смыкание данной области с заглубленной областью фотодиода.Figure 4 shows a schematic section of a CMOS photodetector element according to the present invention during its manufacturing after the operation of forming the surface n + region of photodiode 4 by implantation of an n-type impurity, while the doping energy level and subsequent thermal operations should ensure the closure of this region with buried area of the photodiode.
На фиг.5 приведен схематический разрез КМОП-фотоприемного элемента согласно настоящему изобретению в процессе его изготовления после операций формирования областей истоков-стоков транзисторов схемы элемента путем имплантации примеси n-типа проводимости.Figure 5 shows a schematic section of a CMOS photodetector element according to the present invention during its manufacturing after operations of forming source-drain regions of transistors of an element circuit by implanting an n-type impurity impurity.
В режиме накопления фотогенерированных носителей заряда фотоприемный элемент работает следующим образом.In the mode of accumulation of photogenerated charge carriers, the photodetector operates as follows.
Приложением соответствующих управляющих напряжений к омическим контактам заглубленной n-области фотодиода, n-области фотодиода, подложке, р-карману, областям транзисторов и затворам схемы фотоприемного элемента устанавливается режим полного обеднения заглубленной n-области фотодиода. При этом электрические поля в р-n-переходах, образованных заглубленной n-областью фотодиода и р-подложкой и заглубленной n-областью фотодиода и р-карманом, направлены так, что электроны, фотогенерированные в областях, охватываемых электрическими полями данных р-n-переходов, будут дрейфовать в n+-область фотодиода. Для этого необходимо, чтобы потенциал n+-области фотодиода был выше, чем потенциал обеднения заглубленной n-области фотодиода.By applying the corresponding control voltages to the ohmic contacts of the buried n-region of the photodiode, the n-region of the photodiode, the substrate, the p-pocket, the areas of transistors and the gates of the photodetector circuit, the mode of complete depletion of the buried n-region of the photodiode is established. In this case, the electric fields in the pn junctions formed by the recessed n-region of the photodiode and the p-substrate and the recessed n-region of the photodiode and the p-pocket are directed so that the electrons photogenerated in the regions covered by the electric fields of the data pn- transitions will drift to the n + -region of the photodiode. For this, it is necessary that the potential of the n + region of the photodiode be higher than the depletion potential of the buried n-region of the photodiode.
Вариант распределения электрического потенциала в объеме фотоприемного элемента, отвечающий указанным условиям, приведен на фиг.6. Распределение электрического потенциала фиг.6 показывает, что электрические поля в объеме заглубленной области фотодиода имеют направления, обеспечивающие движение электронов к поверхностной области фотодиода (некоторые линии движения электронов показаны стрелками).A variant of the distribution of electric potential in the volume of the photodetector that meets the specified conditions is shown in Fig.6. The distribution of the electric potential of Fig. 6 shows that the electric fields in the volume of the recessed region of the photodiode have directions that ensure the movement of electrons to the surface region of the photodiode (some lines of electron motion are shown by arrows).
Электрическая изоляция соседних фотоприемных элементов обеспечивается за счет объемных электрических полей, направленных к n+-областям фотодиодов каждого элемента, что не позволяет носителям, фотогенерированным в области объемного электрического поля фотодиода одного элемента, переместиться в область фотодиода другого элемента. Это улучшает шумовые характеристики фотоприемных элементов.Electrical isolation of adjacent photodetector elements is ensured by volume electric fields directed to the n + regions of the photodiodes of each element, which prevents carriers photogenerated in the region of the volume electric field of the photodiode of one element from moving to the region of the photodiode of the other element. This improves the noise characteristics of the photodetector elements.
Таким образом, в предлагаемом фотоприемном элементе увеличение фактора заполнения достигается путем создания низколегированного n-эпитаксиального слоя (2), служащего заглубленным телом фотодиода, что при соответствующем подборе уровней легирования диффузионных областей элемента и величин управляющих напряжений обеспечивает возникновение объемных электрических полей, охватывающих значительную часть объема фотоприемного элемента и направленных к поверхностной n+-области фотодиода (4), что повышает фоточувствительность элемента. Кроме того, данные электрические поля обеспечивают взаимную электрическую изоляцию фотоприемных элементов.Thus, in the proposed photodetector element, an increase in the filling factor is achieved by creating a low-doped n-epitaxial layer (2), which serves as a buried body of the photodiode, which, with appropriate selection of the doping levels of the diffusion regions of the element and the values of the control voltages, provides the occurrence of volume electric fields covering a significant part of the volume photodetector element and directed to the surface n + -region of the photodiode (4), which increases the photosensitivity of the element. In addition, these electric fields provide mutual electrical isolation of the photodetector elements.
Фотоприемный элемент согласно настоящему изобретению может иметь следующие значения параметров профиля примеси: глубина залегания n-эпитаксиального слоя (2) - 3,0 мкм; концентрация доноров в n-эпитаксиальном слое (2) - 8,0·1013 см-3; глубина залегания р-кармана (3) - 0,78 мкм; средняя концентрация акцепторов в р-кармане (3) - 9,0·1016 см-3; средняя концентрация доноров в поверхностной n+-области фотодиода (4) - 4,9·1017 см-3. Данными значениями не исчерпываются все варианты изготовления фотоприемного элемента.The photodetector element according to the present invention may have the following impurity profile parameter values: the depth of the n-epitaxial layer (2) is 3.0 μm; the concentration of donors in the n-epitaxial layer (2) - 8.0 · 10 13 cm -3 ; the depth of the p-pocket (3) is 0.78 microns; the average concentration of acceptors in the p-pocket (3) is 9.0 · 10 16 cm -3 ; the average concentration of donors in the surface n + region of the photodiode (4) is 4.9 · 10 17 cm -3 . These values do not exhaust all the options for manufacturing a photodetector.
Фотоприемный элемент согласно настоящему изобретению может применяться для создания матричных фотоприемных микросхем различного назначения.The photodetector element according to the present invention can be used to create array photodetector microcircuits for various purposes.
ЛитератураLiterature
1. US patent № 6.225.670.1. US patent No. 6.225.670.
2. В.Dierickx, G.Meynants, D.Scheffer, "Near 100% fill factor CMOS active pixels", IEEE CCD & AIS workshop, Brugge, Belgium, 5-7 June (1997); Proceedings p.PI.2. B. Dierickx, G. Meynants, D.Scheffer, "Near 100% fill factor CMOS active pixels", IEEE CCD & AIS workshop, Brugge, Belgium, 5-7 June (1997); Proceedings p.PI.
3. B.Dierickx, J.Bogaerts, "NIR-enhanced image sensor using multiple epitaxial layers", Electronic Imaging, San Jose, 21 Jan 2004; SPIE Proceedings vol. 5301, p.204 (2004).3. B. Dierickx, J. Bogaerts, "NIR-enhanced image sensor using multiple epitaxial layers", Electronic Imaging, San Jose, 21 Jan 2004; SPIE Proceedings vol. 5301, p.204 (2004).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008127651/28A RU2377692C1 (en) | 2008-07-07 | 2008-07-07 | Cmos photodetector element with high fill factor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008127651/28A RU2377692C1 (en) | 2008-07-07 | 2008-07-07 | Cmos photodetector element with high fill factor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2377692C1 true RU2377692C1 (en) | 2009-12-27 |
Family
ID=41643162
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008127651/28A RU2377692C1 (en) | 2008-07-07 | 2008-07-07 | Cmos photodetector element with high fill factor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2377692C1 (en) |
-
2008
- 2008-07-07 RU RU2008127651/28A patent/RU2377692C1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7166878B2 (en) | Image sensor with deep well region and method of fabricating the image sensor | |
US8779481B2 (en) | SOI-based CMOS imagers employing flash gate/chemisorption processing | |
US8743247B2 (en) | Low lag transfer gate device | |
US20170186798A1 (en) | Stacked spad image sensor | |
KR100882467B1 (en) | Image sensor and method for manufacturing thereof | |
US7432121B2 (en) | Isolation process and structure for CMOS imagers | |
KR102094738B1 (en) | Pn-structured gate demodulation pixel | |
US20090179232A1 (en) | Low lag transfer gate device | |
CN104517983B (en) | Solid-state imaging device, method of manufacturing the same, and imaging system | |
US10325955B2 (en) | CMOS image sensor with backside biased substrate | |
US10748951B2 (en) | Near ultraviolet photocell | |
US20230197762A1 (en) | Complementary metal-oxide-semiconductor image sensor and method of making | |
TWI451564B (en) | Image sensor having two epitaxial layers and method for making the same | |
KR20100038630A (en) | Method for fabricating of cmos image sensor | |
JP4053651B2 (en) | Electromagnetic radiation detector, high-sensitivity pixel structure using the detector, and method of manufacturing the detector | |
US6215165B1 (en) | Reduced leakage trench isolation | |
KR100922924B1 (en) | Image Sensor and Method for Manufacturing thereof | |
KR20090026032A (en) | Image sensor | |
RU2377692C1 (en) | Cmos photodetector element with high fill factor | |
KR100853793B1 (en) | CMOS Image Sensor and Method of Manufaturing Thereof | |
US8513753B1 (en) | Photodiode having a buried well region | |
US20070023803A1 (en) | CMOS image sensor and method of fabricating the same | |
US20230171522A1 (en) | Light detection device and method for driving light sensor | |
KR20080008543A (en) | Cmos image sensor and method for fabricating the same | |
CN116454101A (en) | Vertical transfer structure |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MZ4A | Patent is void |
Effective date: 20180221 |