[发明专利]电荷快速转移的四管有源像素及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子学的集成电路设计和集成电路工艺领域，尤其涉及一种电荷快速转移的四管有源像素(4transistors active pixel sensor，4T APS)及其制造方法。

背景技术

随着标准CMOS逻辑工艺的持续缩减和CMOS图像传感器(CMOS Image Sensors，CIS)制造工艺的不断改善，CMOS图像传感器不断发挥其在可集成性、功耗、随机寻址等方面对CCD图像传感器的相对优势，成为固态图像传感器领域的主流器件。基于钳位二极管的四管有源像素(Pinned-Photodiode Four Transistors-Active Pixel Sensor，PPD 4T-APS)具有低暗电流、可消除复位噪声和低图像拖尾等特点，是目前CIS采用的主要像素结构。

PPD 4T-APS的基本结构如图1所示，其中1为P型衬底，2为光电二极管N区，3为表面钳位层，1-3共同构成钳位二极管，用以收集光感生电荷；4和5分别为传输管TG和复位管RST的栅级，6为TG和RST共有的源级，又称为浮空扩散区(Floating Diffusion，FD)，7为RST的漏级，与像素电源电压VDD相连，47共同构成传输管TG和复位管RST，用以实现光感应电荷的转移和钳位二极管的复位。源级跟随器SF的栅级与FD相连，漏极与VDD相连，源级与选通管SEL共用，SEL的漏级与列总线(Column Bus，CB)相连，SF和SEL共同构成像素的缓冲读出器，用以读出光感生电荷所转换的光生电压信号。在上述结构中，PD中收集的光生电荷需要经过TG栅下的传输通道转移到复位后的FD，促使FD电压发生变化，最终形成光生电压信号。

在高速机器视觉、高速视频监控和时间延迟积分(Time-Delayed Integration，TDI)成像等高端成像领域，图像传感器一般需要较大的像素尺寸、填充因子和帧读出速率，以保证信号灵敏度、信噪比和成像速度方面的要求。这就要求有源像素要具有在短时间内完全快速地从PD向FD转移全部光感生电荷的能力。而上述传统PPD 4T-APS在这方面面临严重的瓶颈：一方面，由于存在电荷转换成电压以及相应的转换节点复位过程，有源像素需要对FD复位电压和FD光感生电压进行相关双采样，这样消除固定模式噪声和复位噪声后方能输出等同于CCD像素的低噪声读出信号。相比于CCD单纯的电荷像素间转移，在相同的帧读出速率下，PPD 4T-APS供电荷转移的时间Ttf要短于CCD像素；另一方面，由于CMOS像素要兼容于标准CMOS工艺，TG栅级和FD的复位电压要远低于CCD像素的十几伏，PD到FD的势阱深度差ΔΦ较小，PD中远离TX的边缘处指向TX方向的电场较弱，导致该部位所感生的电荷Q向TX运动的速度减慢。因此，在PD尺寸和帧读出速率相同的条件下，PPD 4T-APS像素相对于CCD像素更难于实现感生电荷的快速全部转移，更容易在PD中剩余残留电荷。这种电荷残留不仅将带来严重的图像拖尾，而且将进一步恶化像素的随机噪声，最终限制了CMOS图像传感器在高端成像领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种可实现电荷快速转移的四管有源像素及其制备方法，通过优化PD和TG交叠区域的器件结构及其栅压工作方式，使PD内的电荷转移和电荷感生同步进行，降低大尺寸高帧率4T APS的电荷残留，从而消除图像拖尾现象，改善CIS在高端成像领域应用条件下的信噪比特性。本发明的技术方案如下：

一种电荷快速转移的四管有源像素，包括制作在P型衬底上的光电二极管N区及其表面钳位层、传输管、复位管、源跟随器和选通管，所述的光电二极管N区包括第一N型注入层(8)和设置在其上的第二N型注入层(9)，第一注入层(8)比第二注入层(9)的掺杂浓度低，两个N型注入层的版图位置与传输管的多晶硅栅的版图位置存在交叠区；在交叠区和传输管的栅下区域设置有掺杂浓度不均衡的P型硅半导体注入层，该P型硅半导体注入层的掺杂浓度在交叠区处最高；传输管的多晶硅的栅极的掺杂在交叠区一侧(12)为N-掺杂，非交叠区一侧(13)为N+掺杂；在光电二极管N区的非交叠区与硅表面之间设置一层作为通过P型注入形成的表面钳位层(3)。