四電晶體cmos圖像傳感器及其製造方法

2023-04-28 15:45:36

專利名稱：四電晶體cmos圖像傳感器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及半導體工藝，特別涉及一種CMOS圖像傳感器及其製造方法。
背景技術：
傳統的4T(four-transistors，四電晶體)CMOS圖像傳感器結構剖面如圖1所示。 其結構含有一個Pinned PD(鉗位光電二極體)作為光的感應部分， 一個FD電容(浮置擴 散電容，Floating Diffusion Capacitance)將光電子轉化成電壓(光信號轉換部分)，另 有4個電晶體 l.TG管轉移管，利用時鐘控制，在其打開的時候將光電子從PD(光電二極體)轉 移到FD ; 2. RS管重置管，利用時鐘控制，在下次信號讀取之前重置FD ;
3. TSF管源跟隨器，起到放大和緩衝輸入輸出的作用；
4.TSEL管行地址選擇管，在其打開的時候，信號輸出。
它工作原理如下 初始狀態下，RS管打開，則FD電容電位被重置到工作電壓VDD，當有光照入射時， 光在PD產生光電流，且對PD充電，這樣PD就產生了一個電壓降A Vpd，然後TG管打開，由 於PD與FD之間的電勢差，光電流在PD所積累的電荷會從PD流向FD，注意到由於PD在初 始狀態時，其N-就已經完全耗盡，因此當電荷完全從PD流向FD之後，PD上的電勢又回到 了原來的狀態(初始內建電勢差)。在TG關斷之後，T^打開，從而實現信號輸出。
從以上可以看出，4T傳感器實現了將光的探測部分(PD)和光信號的轉換部分 (FD)分離開來，這就是4T傳感器的優勢。此外，大的PD電容和小的FD電容正是我們所希 望的，因為這樣不僅能實現大的動態範圍而且得到高的靈敏度。 但是，小的FD電容同樣有可能限制其動態範圍如圖2所示，FD(浮置擴散電容) 上的電壓為Vfd， FD的壓降AVfd的大小不可能超過VDD與PD初始內建電勢差之差，另外 由Qfd = Cfd A Vfd，因此，當FD電容很小時，Qfd也有限，很容易在強光的照射下而達到飽和， 這就限制了其動態範圍，降低了傳感器的性能。
傳感器動態範圍(Dynamic Range)如圖3所示。

發明內容
本發明要解決的技術問題是改善四電晶體CMOS圖像傳感器對強光的相應，增加 四電晶體CMOS圖像傳感器的動態範圍。 為解決上述技術問題，本發明提供了一種四電晶體CMOS圖像傳感器，包括光電二
極管區、浮置擴散電容區，其特徵在於，在浮置擴散電容區的一部分形成有一個N區完全耗
盡的P-N-P結，且該P-N-P結的內建電勢比光電二極體的內建電勢要高。 為解決上述技術問題，本發明還公開了一種四電晶體CMOS圖像傳感器製造方法，
其工藝過程包括以下步驟
— .在P襯底進行四電晶體CMOS圖像傳感器CMOS製程的有源區及場區、柵極工 藝，並在浮置擴散電容區域在P襯底上進行P阱注入； 二.在光電二極體區的P襯底進行N-注入，在浮置擴散電容區的P阱進行N注入， 所述N的濃度大於所述N-濃度； 三.進行側牆工藝之後，在光電二極體區的進行N-注入的區域表面進行P+注入， 形成一個N區完全耗盡的P-N-P結，並在浮置擴散電容區的進行N注入的區域的一部分表 面進行P+注入，使浮置擴散電容區的該部分區域形成一個N區完全耗盡的P-N-P結；
四.進行後續工藝。 本發明的四電晶體CMOS圖像傳感器，由於FD的部分區域形成有一個N區完全耗 盡的P-N-P結，不僅不影響四電晶體CMOS圖像傳感器對弱光的靈敏度，而且能改善其對強 光的相應，增加了四電晶體CMOS圖像傳感器的動態範圍，從而提升四電晶體CMOS圖像傳感 器的性能。 本發明的四電晶體CMOS圖像傳感器製造方法，通過在FD區域調整N的濃度及加 入P阱和部分P+離子注入，使得該部分區域形成一個N區完全耗盡的P-N-P結，而且控制P 阱及N的離子濃度均比PD區的P襯底及N-要濃，從而它的內建電勢比Pinned(鉗位)光 電二極體的要高，這個結的存在不僅不影響傳感器對弱光的靈敏度，而且能改善其對強光 的相應，增加了傳感器的動態範圍，從而提升傳感器的性能。


下面結合附圖及具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。
圖1是傳統的四電晶體CMOS圖像傳感器結構剖面圖；
圖2是傳統的四電晶體CMOS圖像傳感器的電勢圖；
圖3是傳統的四電晶體CMOS圖像傳感器動態範圍示意圖；
圖4是本發明的四電晶體CMOS圖像傳感器的剖面圖；
圖5是本發明的四電晶體CMOS圖像傳感器的電勢圖； 圖6是本發明的四電晶體CM0S圖像傳感器弱光照射以後以及TG打開以後的電勢 圖； 圖7是本發明的四電晶體CMOS圖像傳感器弱光照射以後的輸出曲線； 圖8是本發明的四電晶體CMOS圖像傳感器強光照射以後以及TG打開以後的電勢
圖； 圖9是本發明的四電晶體CMOS圖像傳感器強光照射以後的輸出曲線； 圖10是本發明的四電晶體CMOS圖像傳感器製造方法完成傳統CMOS製程的有源
區/場區、柵以及進行P-Well注入示意圖； 圖11是本發明的四電晶體CMOS圖像傳感器製造方法完成PD區的N-以及FD區 的N注入示意圖； 圖12是本發明的四電晶體CMOS圖像傳感器製造方法在完成側牆工藝之後做PD 及FD區的P+注入示意圖； 圖13是本發明的四電晶體CM0S圖像 感器製造方法完成後續N+及外圍P+高濃 度注入示意圖。
具體實施例方式
本發明的四電晶體CMOS圖像傳感器一實施方式如圖4所示，包括PD區域、FD區 域，在FD(Floating Diffusion,浮置擴散電容)的區域的一部分(靠近TG柵極一側)形成 有一個N區完全耗盡的P-N-P結，且它的內建電勢比鉗位光電二極體的內建電勢要高。
本發明的四電晶體CMOS圖像傳感器的電勢圖如圖5所示。由於FD的部分區域形 成一個N區完全耗盡的P-N-P結(Pinned diode，鉗位二極體)，從而在電路重置以後FD會 有二個不同的電勢FD中的鉗位二極體的內建電勢Vpin2及FD重置以後FD非鉗位二極體 區域的電位Vrst(基本等於VDD)，且Vpin2大於PD的Vpinl (PD的內建電勢)。
當有光入射造成PD區域積累了一部分電荷，當TG打開以後，這些電荷會從PD轉 移到FD，假設這些光的強度比較弱，如圖6所示，造成FD(浮置擴散電容)上的電壓Vfd的 改變小於Vrst-Vpin2，則該FD能夠對弱的光強也有著比較靈敏的反應，如圖7所示，由於 A Vfd小於Vrst-Vpin2，因此在弱光下其輸出與光強的關係仍然呈線性。
如果光的強度比較強，如圖8所示，造成Vfd的改變大於Vrst-Vpin2，則FD被 Pinned(鉗位)的那部分電容也起著收集電荷的作用，從而使輸出曲線的斜率發生變化， 從而增加傳感器的動態範圍DR。如圖9所示為強光照射下的輸出曲線，虛線部分表示 傳統四電晶體CMOS圖像傳感器的輸出曲線，實線部分表示本發明的四電晶體CMOS圖像 傳感器的輸出曲線，從圖9明顯看到，FD的部分區域形成一個N區完全耗盡的P-N-P結 (Pi皿eddiode，鉗位二極體)不僅不影響四電晶體CMOS圖像傳感器對弱光的靈敏度，而且 能改善其對強光的相應，增加了四電晶體CMOS圖像傳感器的動態範圍，從而提升四電晶體 CMOS圖像傳感器的性能。 本發明的四電晶體CMOS圖像傳感器製造方法一實施方式如圖10 圖13所示，其 工藝過程如下 1.在P襯底進行傳統四電晶體CMOS圖像傳感器CMOS製程的AA (有源區/場區)、 Gate (柵)工藝，並在FD區域在P襯底上進行P阱注入； 2.在PD區的P襯底進行N-注入，在FD區的P阱進行N注入，所述N的濃度大於 所述N-濃度； 3.進行Spacer (側牆)工藝之後，在PD區的進行N_注入的區域表面進行P+高濃 度離子注入，並在FD區的進行N注入的區域的一部分表面進行P+高濃度離子(例如Boron/ BF2)注入，使該部分區域形成一個N區完全耗盡的P-N-P結(Pinned diode，鉗位二極體)；
4.完成後續N+及外圍P+高濃度離子注入；
5.後續工藝同傳統四電晶體CMOS圖像傳感器工藝一致。 本發明的四電晶體CMOS圖像傳感器製造方法，通過在FD區域調整N的濃度及加 入Pwell (P阱)和部分P+離子注入，使得該部分區域形成一個N區完全耗盡的P-N-P結，而 且控制Pwell及N的離子濃度均比PD區的P-sub及N-要濃，從而它的內建電勢比Pi皿ed 光電二極體的要高，這個結的存在不僅不影響傳感器對弱光的靈敏度，而且能改善其對強 光的相應，增加了傳感器的動態範圍，從而提升傳感器的性能。
權利要求
一種四電晶體CMOS圖像傳感器，包括光電二極體區、浮置擴散電容區，其特徵在於，在浮置擴散電容區的一部分形成有一個N區完全耗盡的P-N-P結，且該P-N-P結的內建電勢比光電二極體的內建電勢要高。
2. 根據權利要求1所述的四電晶體CMOS圖像傳感器，其特徵在於，在浮置擴散電容區 靠近轉移管柵極的一側形成有一個N區完全耗盡的P-N-P結。
3. —種四電晶體CMOS圖像傳感器製造方法，其特徵在於，其工藝過程包括以下步驟一 .在P襯底進行四電晶體CMOS圖像傳感器CMOS製程的有源區及場區、柵極工藝，並 在浮置擴散電容區域在P襯底上進行P阱注入；二 .在光電二極體區的P襯底進行N-注入，在浮置擴散電容區的P阱進行N注入，所 述N的濃度大於所述N-濃度；三.進行側牆工藝之後，在光電二極體區的進行N-注入的區域表面進行P+注入，形成 一個N區完全耗盡的P-N-P結，並在浮置擴散電容區的進行N注入的區域的一部分表面進 行P+注入，使浮置擴散電容區的該部分區域形成一個N區完全耗盡的P-N-P結。
全文摘要
本發明公開了一種四電晶體CMOS圖像傳感器，在浮置擴散電容區的一部分形成有一個N區完全耗盡的P-N-P結，且該P-N-P結的內建電勢比光電二極體的內建電勢要高。本發明還公開了一種四電晶體CMOS圖像傳感器製造方法，在浮置擴散電容區的P襯底上進行P阱注入；在光電二極體區的P襯底進行N-注入，在浮置擴散電容區的P阱進行N注入，所述N的濃度大於N-濃度；在光電二極體區的進行N-注入的區域表面進行P+注入，形成一個N區完全耗盡的P-N-P結，並在浮置擴散電容區的進行N注入的區域的一部分表面進行P+注入，使浮置擴散電容區的該部分區域形成一個N區完全耗盡的P-N-P結。本發明改善了四電晶體CMOS圖像傳感器對強光的相應，增加了動態範圍。
文檔編號H01L21/822GK101752392SQ200810044038
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月2日 優先權日2008年12月2日
發明者熊濤, 羅嘯, 陳華倫, 陳瑜, 陳雄斌 申請人:上海華虹Nec電子有限公司