電荷快速轉移的四管有源像素及其製作方法

2023-05-03 15:25:11

專利名稱：電荷快速轉移的四管有源像素及其製作方法
技術領域：
本發明涉及微電子學的集成電路設計和集成電路工藝領域，尤其涉及一種電荷快速轉移的四管有源像素^transistors active pixel sensor,4T APS)及其製造方法。
背景技術：
隨著標準CMOS邏輯工藝的持續縮減和CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sensors, CIS)製造工藝的不斷改善，CMOS圖像傳感器不斷發揮其在可集成性、功耗、隨機尋址等方面對CCD圖像傳感器的相對優勢，成為固態圖像傳感器領域的主流器件。基於鉗位二極體的四管有源像素(Pinned-Photodiode Four Transistors-Active Pixel Sensor，PPD 4T-APS)具有低暗電流、可消除復位噪聲和低圖像拖尾等特點，是目前CIS採用的主要像素結構。PPD 4T-APS的基本結構如圖1所示，其中1為P型襯底，2為光電二極體N區，3為表面鉗位層，1-3共同構成鉗位二極體，用以收集光感生電荷；4和5分別為傳輸管TG和復位管RST的柵級，6為TG和RST共有的源級，又稱為浮空擴散區(Floating Diffusion, FD), 7為RST的漏級，與像素電源電壓VDD相連，47共同構成傳輸管TG和復位管RST，用以實現光感應電荷的轉移和鉗位二極體的復位。源級跟隨器SF的柵級與FD相連，漏極與VDD相連，源級與選通管SEL共用，SEL的漏級與列總線(Column Bus, CB)相連，SF和SEL共同構成像素的緩衝讀出器，用以讀出光感生電荷所轉換的光生電壓信號。在上述結構中，PD中收集的光生電荷需要經過TG柵下的傳輸通道轉移到復位後的FD，促使FD電壓發生變化，最終形成光生電壓信號。在高速機器視覺、高速視頻監控和時間延遲積分(Time-Delayed Integration, TDI)成像等高端成像領域，圖像傳感器一般需要較大的像素尺寸、填充因子和幀讀出速率， 以保證信號靈敏度、信噪比和成像速度方面的要求。這就要求有源像素要具有在短時間內完全快速地從PD向FD轉移全部光感生電荷的能力。而上述傳統PPD 4T-APS在這方面面臨嚴重的瓶頸一方面，由於存在電荷轉換成電壓以及相應的轉換節點復位過程，有源像素需要對FD復位電壓和FD光感生電壓進行相關雙採樣，這樣消除固定模式噪聲和復位噪聲後方能輸出等同於CCD像素的低噪聲讀出信號。相比於CCD單純的電荷像素間轉移，在相同的幀讀出速率下，PPD 4T-APS供電荷轉移的時間Ttf要短於C⑶像素；另一方面，由於 CMOS像素要兼容於標準CMOS工藝，TG柵級和FD的復位電壓要遠低於CXD像素的十幾伏， PD到FD的勢阱深度差Δ Φ較小，PD中遠離TX的邊緣處指向TX方向的電場較弱，導致該部位所感生的電荷Q向TX運動的速度減慢。因此，在PD尺寸和幀讀出速率相同的條件下， PPD 4T-APS像素相對於C⑶像素更難於實現感生電荷的快速全部轉移，更容易在PD中剩餘殘留電荷。這種電荷殘留不僅將帶來嚴重的圖像拖尾，而且將進一步惡化像素的隨機噪聲， 最終限制了 CMOS圖像傳感器在高端成像領域的應用
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的上述不足，提供一種可實現電荷快速轉移的四管有源像素及其製備方法，通過優化PD和TG交疊區域的器件結構及其柵壓工作方式，使PD 內的電荷轉移和電荷感生同步進行，降低大尺寸高幀率4T APS的電荷殘留，從而消除圖像拖尾現象，改善CIS在高端成像領域應用條件下的信噪比特性。本發明的技術方案如下一種電荷快速轉移的四管有源像素，包括製作在P型襯底上的光電二極體N區及其表面鉗位層、傳輸管、復位管、源跟隨器和選通管，所述的光電二極體N區包括第一N型注入層(8)和設置在其上的第二 N型注入層(9)，第一注入層(8)比第二注入層(9)的摻雜濃度低，兩個N型注入層的版圖位置與傳輸管的多晶矽柵的版圖位置存在交疊區；在交疊區和傳輸管的柵下區域設置有摻雜濃度不均衡的P型矽半導體注入層，該P型矽半導體注入層的摻雜濃度在交疊區處最高；傳輸管的多晶矽的柵極的摻雜在交疊區一側(12)為N-摻雜，非交疊區一側(13)為N+摻雜；在光電二極體N區的非交疊區與矽表面之間設置一層作為通過P型注入形成的表面鉗位層(3)。作為優選實施方式，光電二極體N區的兩個N型注入層(8，9)，按照下列的N型雜質離子注入形成第一次注入劑量在0. 5el2 lel3/cm2之間，能量在20 500kev之間，第二次注入劑量在lel2 &14/cm2之間，能量在5 300kev之間，退火後，摻雜濃度從交疊區向光電二極體N區的邊緣逐漸遞減；P型矽半導體注入層在交疊區處(10)的摻雜濃度範圍在Iel6 &19/Cm3之間；P型矽半導體注入層在除交疊區之外的傳輸管的多晶矽柵下位置(11)的摻雜濃度範圍在lel5 lel8/cm3之間。傳輸管的多晶矽的柵極的摻雜在交疊區一側(12)的濃度範圍在lel6 lel9/cm3之間，非交疊區一側(13)的濃度範圍在IelS k20/cm3之間；所述的光電二極體的表面鉗位層(3)的注入能量範圍是5 250kev，劑量範圍是 5el2 lel5/cm2。本發明同時提供一種上述四管有源像素的製作方法，光電二極體N區的版圖位置與傳輸管的多晶矽柵的版圖位置存在交疊區，其特徵在於，所述的光電二極體及傳輸管按照下列方法製作(1)在P型襯底上進行兩次N型注入，形成光電二極體N區，第一次注入比第二次注入的摻雜濃度低，注入能量高；(2)在光電二極體N區貼近矽表面進行一次P型注入，形成柵下交疊區的濃度較高的P型注入層(10)，其注入能量範圍是5 lOOkev，注入劑量範圍是lel2 lel4/cm2 ；(3)在整個傳輸管區域做一次低劑量低能量的P型注入，形成柵下非交疊區的濃度較低的P型注入層(11)，其注入能量範圍是5 80kev，劑量範圍是0』el2 lel3/cm2 ；(4)在傳輸管的多晶矽柵上將傳輸管柵靠近光電二極體的部分用光刻膠掩蔽，對柵的非交疊區域進行高劑量的N型離子注入，其注入能量範圍是20 80kev，劑量範圍是 lel3 8el5/cm2 ；(5)經過退火，在傳輸管的柵極的交疊區處形成低濃度的N型摻雜；(6)進行一次高濃度的P型注入形成光電二極體N區的表面鉗位層(3)，其注入能量範圍是5 250kev，劑量範圍是5el2 lel5/cm2。作為優選實施方式，第(1)步中，按照下列的N型雜質離子注入形成，第一次注入劑量在0. 5el2 lel3/cm2之間，能量在20 500kev之間，第二次注入劑量在lel2 加14/ cm2之間，能量在5 300kev之間，退火後，摻雜濃度從交疊區向光電二極體N區的邊緣逐漸遞減。本發明的有益效果如下光電二極體的N型注入層與傳輸管的多晶矽柵的交疊區域擴展了電荷轉移的通道寬度，加快電荷從光電二極體區域轉移到FD區域。光電二極體的N型注入層的兩次注入所形成的由交疊區向邊緣濃度逐漸降低的濃度梯度形成了由交疊區向邊緣電勢逐漸降低的電勢梯度，該電勢梯度促使電荷由光電二極體的N型注入層的邊緣位置流向交疊區，從而加快電荷完全轉移，並最終實現電荷的完全轉移。交疊區與矽表面之間的濃度較高的P型注入層實現了光電二極體N注入層得完全包埋，徹底隔離了 N注入層與矽表面的接觸。交疊區與矽表面之間的濃度較高的P型注入層消除了 N注入層與表面接近或接觸所引起的電荷積累。柵下的較高濃度與較低濃度P型注入層在溝道內形成了由光電二極體區指向FD 區的電勢梯度，加快了電荷轉移速度。傳輸管的N-N+非均勻摻雜結構在溝道內形成了由光電二極體區指向FD區的電勢梯度，加快了電荷轉移速度。


圖1四管有源像素原理圖。圖2為本發明四管有源像素光電二極體、傳輸管和FD的剖面圖。圖3-1在P型矽襯底上做第一次高能量低劑量的N型注入。圖3-2高劑量低能量的N型注入與上一次N注入共同形成光電二極體的N區。圖3-3在光電二極體區域及其與柵的交疊區注入一層高劑量低能量的P型注入層。圖3-4在柵下注入一層低劑量低能量的P型注入層。圖3-5在光刻膠的掩蔽下，通過高劑量的N型注入形成非均勻的柵摻雜和FD。圖3-6在光電二極體區域注入高劑量低能量的P型雜質，形成光電二極體的表面鉗位Pin層。
具體實施例方式
參見圖2，本發明在P型矽半導體襯底1上由N型雜質注入形成光電二極體的N型矽半導體注入層8和9。光電二極體N型注入層的版圖位置與傳輸管的多晶矽柵的版圖位置存在一定的交疊，所述交疊區的尺寸一般為柵長的5 50%之間。N型矽半導體注入層的峰值濃度接近矽半導體表面，交疊區域的N型摻雜濃度最高(圖中9號位置)，其摻雜濃度範圍在lel5 lel9/cm3，其餘部分濃度範圍在lel4 lel8/cm3之間，從交疊區向N型注入層邊緣逐漸遞減。光電二極體的N型注入層的非交疊區域與矽表面之間設有一個高濃度(lel8 le20/cm3)的P型矽半導體注入層Pin層3，用來形成鉗位光電二極體(Pinned photodiode,PPD)結構。光電二極體的N型注入層的交疊區與矽表面之間設有一層濃度較高的P型矽半導體注入層10，其濃度範圍在lel6 &19/cm3。傳輸管的多晶矽柵下的除交疊區以外的其餘位置設有一層濃度較低的P型注入層11，其濃度範圍在lel5 lel8/cm3。 傳輸管的多晶矽的柵極的摻雜在交疊區一側的濃度低，在lel6 lel9/cm3之間，為N-摻雜，非交疊區一側濃度高，在lel8 k20/cm3之間，為N+摻雜。製造方法在P型矽襯底1上，由兩次N型(砷或磷)注入形成所述光電二極體的N型注入層8和9。第一次注入劑量低，在0. 5el2 lel3/cm2之間，能量高，在20 500kev之間， 即注入深度較深摻雜濃度較低，形成第一個光電二極體N型注入層8 ；第二次注入劑量高， 在lel2 &14/cm2之間，能量低，在5 300kev，在即注入深度淺摻雜濃度較高，形成第二個光電二極體N型注入層9。兩次注入共同形成光電二極體的N型注入層，保證了由上至下的濃度梯度。在光電二極體的N型注入層的上方貼近矽體表面做一次高劑量低能量的P型 (硼、二氟化硼或銦等P型雜質)注入，與柵的交疊一般大於光電二極體N型注入層的交疊大小，一般在10 60%之間，形成柵下交疊區的濃度較高的P型注入層10，其注入能量範圍是5 lOOkev，注入劑量範圍是lel2 lel4/cm2。在整個傳輸管區域(包括PD、傳輸管溝道、FD)做一次低劑量低能量的P型(硼、 二氟化硼或銦等P型雜質)注入，形成柵下非交疊區的濃度較低的P型注入層11，其注入能量範圍是5 80kev，劑量範圍是0. 5el2 lel3/cm2。在形成spacer之後，做一次高濃度的P型(硼、二氟化硼或銦等P型雜質)注入形成光電二極體N型注入層的鉗位Pin層3，其注入能量範圍是5 250kev，劑量範圍是 5el2 lel5/cm2。在傳輸管的多晶矽柵上將傳輸管柵靠近PD的部分用光刻膠掩蔽，柵掩蔽的大小為20 70%之間，對柵的非交疊區域進行高劑量的N型(砷或磷)離子注入，其注入能量範圍是20 80kev，劑量範圍是lel3 8el5/cm2。交疊區的低濃度的N型摻雜由非交疊區的高濃度N型摻雜經過退火之後得到。下面結合一種實施例具體介紹本發明的製作方法在硼摻雜濃度為lel5/cm3的襯底上，定義0.7um的柵長。兩次光電二極體N型注入層的注入參數分別為70kev，0. 6el2/cm2和50kev，lel2/cm2,注入雜質都是磷，其版圖位置與柵的交疊都為0. 05um。柵下交疊區的濃度較高的P型注入層10採用二氟化硼注入， 能量為lOkev，劑量為&12/cm2，其與柵交疊0. 15um。覆蓋整個傳輸管區域的低濃度P型注入層11採用硼注入，其能量為lOkev，劑量為&12/cm2。光電二極體的表面鉗位層3的注入採用二氟化硼雜質，其注入能量為45kev，注入劑量為lel3/cm2。傳輸管柵上的部分摻雜掩蔽的大小為柵靠近PD的0. 35um,該注入分兩次，第一次為磷注入，能量為35kev，劑量為 1. 5el4/cm2 ；第二次為砷注入，能量為60kev，劑量為kl5/cm2。採用這些工藝參數得到的像素能夠獲得快速無拖尾的電荷轉移。
權利要求
1.一種電荷快速轉移的四管有源像素，包括製作在P型襯底上的光電二極體N區及其表面鉗位層、傳輸管、復位管、源跟隨器和選通管，其特徵在於，所述的光電二極體N區包括第一 N型注入層(8)和設置在其上的第二 N型注入層(9)，第一注入層(8)比第二注入層(9)的摻雜濃度低，兩個N型注入層的版圖位置與傳輸管的多晶矽柵的版圖位置存在交疊區；在交疊區和傳輸管的柵下區域設置有摻雜濃度不均衡的P型矽半導體注入層，該P型矽半導體注入層的摻雜濃度在交疊區處最高；傳輸管的多晶矽的柵極的摻雜在交疊區一側 (12)為N-摻雜，非交疊區一側(13)為N+摻雜；在光電二極體N區的非交疊區與矽表面之間設置一層作為通過P型注入形成的表面鉗位層(3)。
2.根據權利要求1所述的四管有源像素，其特徵在於，光電二極體N區的兩個N型注入層(8，9)，按照下列的N型雜質離子注入形成第一次注入劑量在0. lel3/cm2之間， 能量在20 500kev之間，第二次注入劑量在lel2 &14/cm2之間，能量在5 300kev之間，退火後，摻雜濃度從交疊區向光電二極體N區的邊緣逐漸遞減。
3.根據權利要求1所述的四管有源像素，其特徵在於，P型矽半導體注入層在交疊區處(10)的摻雜濃度範圍在lel6 &19/cm3之間；P型矽半導體注入層在除交疊區之外的傳輸管的多晶矽柵下位置(11)的摻雜濃度範圍在lel5 lel8/cm3之間。
4.根據權利要求1所述的四管有源像素，其特徵在於，傳輸管的多晶矽的柵極的摻雜在交疊區一側(12)的濃度範圍在lel6 lel9/cm3之間，非交疊區一側(13)的濃度範圍在 lel8 5e20/cm3 之間。
5.根據權利要求1所述的四管有源像素，其特徵在於，所述的光電二極體的表面鉗位層(3)的注入能量範圍是5 250kev，劑量範圍是 lel5/cm2。
6.一種權利要求1所述的四管有源像素的製作方法，光電二極體N區的版圖位置與傳輸管的多晶矽柵的版圖位置存在交疊區，其特徵在於，所述的光電二極體及傳輸管按照下列方法製作(1)在P型襯底上進行兩次N型注入，形成光電二極體N區，第一次注入比第二次注入的摻雜濃度低，注入能量高；(2)在光電二極體N區貼近矽表面進行一次P型注入，形成柵下交疊區的濃度較高的P 型注入層(10)，其注入能量範圍是5 lOOkev，注入劑量範圍是lel2 lel4/cm2 ；(3)在整個傳輸管區域做一次低劑量低能量的P型注入，形成柵下非交疊區的濃度較低的P型注入層(11)，其注入能量範圍是5 80kev，劑量範圍是0. 5el2 lel3/cm2 ；(4)在傳輸管的多晶矽柵上將傳輸管柵靠近光電二極體的部分用光刻膠掩蔽，對柵的非交疊區域進行高劑量的N型離子注入，其注入能量範圍是20 80kev，劑量範圍是 lel3 8el5/cm2 ；(5)經過退火，在傳輸管的柵極的交疊區處形成低濃度的N型摻雜；(6)進行一次高濃度的P型注入形成光電二極體N區的表面鉗位層(3)，其注入能量範圍是5 250kev，劑量範圍是5el2 lel5/cm2。
7.根據權利要求6所述的四管有源像素，其特徵在於，第(1)步中，按照下列的N型雜質離子注入形成，第一次注入劑量在0. 5el2 lel3/cm2之間，能量在20 500kev之間， 第二次注入劑量在lel2 &14/cm2之間，能量在5 300kev之間，退火後，摻雜濃度從交疊區向光電二極體N區的邊緣逐漸遞減。
全文摘要
本發明屬於微電子學的集成電路設計和集成電路工藝領域，涉及一種電荷快速轉移的四管有源像素，包括製作在P型襯底上的光電二極體、傳輸管、復位管、源跟隨器和選通管，光電二極體N區包括第一N型注入層和設置在其上摻雜濃度較低的第二N型注入層，兩個N型注入層與傳輸管的多晶矽柵的版圖位置存在交疊區；在交疊區和傳輸管的柵下區域設置有摻雜濃度不均衡的P型矽半導體注入層，其摻雜濃度在交疊區處最高；傳輸管的多晶矽的柵極的摻雜在交疊區一側為N-摻雜，非交疊區一側為N+摻雜；在光電二極體N區的非交疊區與矽表面之間設置一層鉗位層。本發明同時提供一種上述有源像素的製作方法。本發明的像素能夠獲得快速無拖尾的電荷轉移。
文檔編號H01L31/0352GK102324430SQ201110280058
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月20日 優先權日2011年9月20日
發明者姚素英, 徐江濤, 李偉平, 趙士彬, 高志遠 申請人:天津大學