大感光面積cmos圖像傳感器像素結構及生成方法
2023-09-12 11:25:30 1
專利名稱：大感光面積cmos圖像傳感器像素結構及生成方法
技術領域：
本發明涉及固態CMOS圖像傳感器領域，尤其涉及一種提高大尺寸像素量子效率的像素結構。
背景技術：
近年來，隨著CMOS集成電路製造工藝特別是CMOS圖像傳感器設計及製造工藝的不斷發展，CMOS圖像傳感器已經逐漸取代CXD圖像傳感器成為主流。CMOS圖像傳感器相比工藝集成度更高、功耗更低等優點。傳統4T-PH)有源像素結構切面圖如圖I所示，其中包括，I為P型雜質襯底；2為鉗位二極體的N區；3為鉗位二極體的P區；4為FD (Floating Diffusion)存儲節點；5是RST管(復位管)的漏極，接電源電壓Vdd ;6是氧化層；7是TX管(傳輸管)的柵；8是RST管(復位管)的柵。其俯視圖如圖2所示，9是鉗位二極體的感光區域，其包括鉗位二極體N區2和位於其與氧化層6之間的鉗位二極體P區3。在大像素應用中，大像素其具體表現在於圖2所示ro感光區域9的面積大。在4T-PPD有源像素曝光之前，鉗位二極體N區2內的電子必須完全耗盡，否則會弓I入很大的噪聲，電子完全耗盡這一條件在小尺寸像素下很容易達到，但是在大像素中，由於鉗位二極體N區2過大，導致其中心部位在復位過程中無法完全耗盡，這就會引入很大的隨機噪聲。使鉗位二極體N區2在復位過程中能完全耗盡的傳統方法有減小N區雜2質濃度、以及減小N區2底部邊緣距氧化層6的距離。然而減小N區2雜質濃度，會使像素的阱容量降低；減小N區2底部邊緣距氧化層距離，會降低長波長光量子效率。所以鉗位二極體N區2的面積、注入深度與劑量之間存在一個相互制約的問題。
發明內容
本發明旨在克服現有技術的不足，提供一種性能參數優良的大像素結構，提高像素對長波長光的量子效率，以便採集到更加真實的彩色圖像，為達到上述目的，本發明採取的技術方案是，大感光面積CMOS圖像傳感器像素結構，由傳輸管TX、復位管RST、源跟隨器SF、選擇管SEL以及鉗位二極體PH)和存儲節點FD組成，鉗位二極體PH)為P型雜質襯底上設置有鉗位二極體的N區、鉗位二極體的P區，在鉗位二極體的N區、鉗位二極體的P區之間設置有新P型雜質注入區，新P型雜質注入區與鉗位二極體感光區域交疊部分面積與感光區面積比例在I : 100 I : 5之間；交疊部分與傳輸管TX柵極之間的最短距離大於2um ;新P型雜質注入區濃度峰值注入的深度在N型雜質區雜質深度分布範圍之內。一種大感光面積CMOS圖像傳感器像素結構生成方法，在由傳輸管TX、復位管RST、源跟隨器SF、選擇管SEL以及鉗位二極體pro和存儲節點FD組成的CMOS圖像傳感器像素結構上進行，包括下列步驟使光刻板位於鉗位二極體pro感光區上方，光刻板開窗區為矩形，矩形的長邊與傳輸管TX柵極和復位管RST柵極垂直連線方向相平行，開窗區的數量大於等於一；、
自開窗區向鉗位二極體pro的N區、鉗位二極體pro的P區之間注入新P型雜質注入區，使新P型雜質注入區與感光區域交疊部分面積與感光區面積比例在I : 100 I : 5之間；交疊部分與傳輸管TX柵極之間的最短距離大於2um ;新P型雜質注入區濃度峰值注入的深度在N型雜質區雜質深度分布範圍之內。開窗區矩形長邊長為感光區的2/5，短邊長為感光區的1/8。新P型雜質注入區，雜質類型為硼，能量為80千電子伏，注入劑量為4X1012/cm2。本發明的技術特點及效果所增加的一次P型雜質注入12在不改變感光區面積的前提下，I.使鉗位二極體N區注入深度可以在一定範圍內加深，從而向襯底擴展耗盡區範 圍，以提高對於長波長光的量子效率；2.使得鉗位二極體N區在復位過程中能夠完全耗盡，降低圖像噪聲；3.使鉗位二極體N區注入濃度可以在一定範圍內提高，從而提高阱容量；4.使得鉗位二極體N區遠離TX傳輸管柵7的一側濃度低於貼近TX傳輸管柵一側的濃度，從而形成一個自TX傳輸管柵向遠離TX傳輸管柵一側的內建電場，提高電荷自鉗位二極體向FD存儲節點4的傳輸速度。
圖I. 4T-PPD有源像素結構示意圖。圖2.傳統鉗位二極體與TX傳輸管柵7、FD節點4、復位管的俯視圖。圖3.增加的P型雜質注入12所用的光刻版的位置。圖4.以圖3所示A-A』連線的剖面圖。圖5.傳統鉗位二極體與TX傳輸管柵7、FD節點4、復位管的剖面圖。
具體實施例方式本發明採取的技術方案是，大感光面積CMOS圖像傳感器像素結構，由傳輸管TX、復位管RST、源跟隨器SF、選擇管SEL以及鉗位二極體PH)和存儲節點FD組成，鉗位二極體PPD為P型雜質襯底上設置有鉗位二極體的N區、鉗位二極體的P區，在鉗位二極體的N區、鉗位二極體的P區之間設置有新P型雜質注入區，新P型雜質注入區與鉗位二極體感光區域交疊部分面積與感光區面積比例在I : 100 I : 5之間；交疊部分與傳輸管TX柵極之間的最短距離大於2um ;新P型雜質注入區濃度峰值注入的深度在N型雜質區雜質深度分布範圍之內。一種大感光面積CMOS圖像傳感器像素結構生成方法，在由傳輸管TX、復位管RST、源跟隨器SF、選擇管SEL以及鉗位二極體pro和存儲節點FD組成的CMOS圖像傳感器像素結構上進行，包括下列步驟使光刻板位於鉗位二極體pro感光區上方，光刻板開窗區為矩形，矩形的長邊與傳輸管TX柵極和復位管RST柵極垂直連線方向相平行，開窗區的數量大於等於一；自開窗區向鉗位二極體pro的N區、鉗位二極體pro的P區之間注入新P型雜質注入區，使新P型雜質注入區與感光區域交疊部分面積與感光區面積比例在I : 100 I : 5之間；交疊部分與傳輸管TX柵極之間的最短距離大於2um ;新P型雜質注入區濃度峰值注入的深度在N型雜質區雜質深度分布範圍之內。開窗區矩形長邊長為感光區的2/5，短邊長為感光區的1/8。新P型雜質注入區，雜質類型為硼，能量為80千電子伏，注入劑量為4X 1012/cm2。下面結合附圖和具體實施方式
，進一步詳細說明本發明。本發明所涉及的4T-PH)有源像素的感光區面積是相對較大的，其特徵是面積在25um2 500um2之間。在鉗位二極體的傳統兩種注入基礎上，其中包括P型雜質鉗位層的注A 3以及N型雜質區的注入2，增加一次P型雜質注入12。P型雜質注入其特徵是，光刻版10相對位置如圖3所示，開窗11所處位置是P型雜質注入的範圍。光刻版10開窗11其特徵是，與鉗位二極體感光區域9有交疊部分，並且以直線連接開窗11邊界與鉗位二極體感光區9邊界的交點，所連直線屬於原感光區9的輪廓線上；並且交疊部分面積與感光區面積比例在I : 100 I : 5之間；交疊部分與TX傳輸管柵7之間的最短距離大於2um ;並且擁有上述特徵的開窗11的數量大於等於一。P型雜質注入12其特徵是，濃度峰值注入的深 度在N型雜質區注入2的雜質深度分布範圍之內。I.通過多次注入得到如圖5所示結構，具體為鉗位二極體N區注入，雜質為磷，能量為80keV，劑量為5 X IO1Vcm2 ;鉗位二極體P型鉗位層3注入，雜質為BF2,能量為20keV，劑量為IX 1013/cm2 ；FD存儲節點4與復位管漏極5的N型雜質注入以具體工藝的NMOS管源漏注入為準。BF2是二氟化硼，keV表示千電子伏。2.如圖3所示開窗11所示位置，其中線與鉗位二極體感光區9的中線重合於A-A』，並且以圖3所示開窗11上下寬度佔到鉗位二極體感光區9上下寬度的1/8，並且開窗11與鉗位二極體感光區9交疊部分的左右寬度佔鉗位二極體感光區9左右寬度的2/5。P型雜質注入12，雜質類型為硼，能量為80keV，注入劑量為4X1012/cm2。本發明通過在鉗位二極體感光區增加一次P型雜質注入12，能夠在保證不降低鉗位二極體感光區域9面積、不降低像素的滿阱容量、並且能使鉗位二極體N區2在復位過程中完全耗盡的前提下，提高像素對長波長光的量子效率，以設計得到一種性能參數優良的大像素結構。
權利要求
1.一種大感光面積CMOS圖像傳感器像素結構，由傳輸管TX、復位管RST、源跟隨器SF、選擇管SEL以及鉗位二極體pro和存儲節點FD組成，鉗位二極體pro為P型雜質襯底上設置有鉗位二極體的N區、鉗位二極體的P區，其特徵是，在鉗位二極體的N區、鉗位二極體的P區之間設置有新P型雜質注入區，新P型雜質注入區與鉗位二極體感光區域交疊部分面積與感光區面積比例在I : 100 I : 5之間；交疊部分與傳輸管TX柵極之間的最短距離大於2um ;新P型雜質注入區濃度峰值注入的深度在N型雜質區雜質深度分布範圍之內。
2.一種大感光面積CMOS圖像傳感器像素結構生成方法，其特徵是，在由傳輸管TX、復位管RST、源跟隨器SF、選擇管SEL以及鉗位二極體PI3D和存儲節點FD組成的CMOS圖像傳感器像素結構上進行，包括下列步驟 使光刻板位於鉗位二極體PF1D感光區上方,光刻板開窗區為矩形,矩形的長邊與傳輸管TX柵極和復位管RST柵極垂直連線方向相平行，開窗區的數量大於等於一； 自開窗區向鉗位二極體PPD的N區、鉗位二極體PPD的P區之間注入新P型雜質注入區，使新P型雜質注入區與感光區域交疊部分面積與感光區面積比例在I : 100 I : 5之間；交疊部分與傳輸管TX柵極之間的最短距離大於2um ;新P型雜質注入區濃度峰值注入的深度在N型雜質區雜質深度分布範圍之內。
3.如權利要求2所述的大感光面積CMOS圖像傳感器像素結構生成方法，其特徵是，開窗區矩形長邊長為感光區的2/5，短邊長為感光區的1/8。
4.如權利要求2所述的大感光面積CMOS圖像傳感器像素結構生成方法，其特徵是，新P型雜質注入區，雜質類型為硼，能量為80千電子伏，注入劑量為4X1012/cm2。
5.如權利要求2所述的大感光面積CMOS圖像傳感器像素結構生成方法，其特徵是，開窗區的數量大於I時，使開窗區在感光區範圍內平行分布。
全文摘要
本發明涉及固態CMOS圖像傳感器。為提供性能參數優良的大像素結構，提高像素對長波長光的量子效率，以便採集到更加真實的彩色圖像，本發明採取的技術方案是，大感光面積CMOS圖像傳感器像素結構及生成方法，鉗位二極體PPD為P型雜質襯底上設置有鉗位二極體的N區、鉗位二極體的P區，在鉗位二極體的N區、鉗位二極體的P區之間設置有新P型雜質注入區，新P型雜質注入區與鉗位二極體感光區域交疊部分面積與感光區面積比例在1:100～1:5之間；交疊部分與傳輸管TX柵極之間的最短距離大於2um；新P型雜質注入區濃度峰值注入的深度在N型雜質區雜質深度分布範圍之內。本發明主要應用於CMOS圖像傳感器的設計製造。
文檔編號H01L27/146GK102683373SQ20121014401
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月10日 優先權日2012年5月10日
發明者史再峰, 姚素英, 孫羽, 徐江濤, 韓立鏹, 高靜 申請人:天津大學