[发明专利]小尺寸CMOS图像传感器像素结构及生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属互补氧化物半导体(CMOS)固态图像传感器，具体讲，涉及小尺寸的CMOS图像传感器像素的光电二极管结构。

背景技术

图像传感器是将入射光信号转换为电信号的半导体器件。其根据工作原理不同，主要分为两类：电荷耦合型图像传感器(Charge Coupled Device)和CMOS图像传感器(complementary metal-oxide-semiconductor)。近年来，受益于标准CMOS工艺的快速进步及特征尺寸的不断减少，CMOS图像传感器可以和更多的数模电路集成在同一块芯片上，实现了低功耗，低成本，高集成度等CCD图像传感器无法比拟的优点，这也促进了近年来CMOS图像传感器的飞速发展。

CMOS图像传感器是由像素阵列，模拟前端电路，数模转换单元和时序控制电路共同组成。但在整个图像传感器架构中处于核心地位的是像素单元阵列。其作为CMOS图像传感器的基本感光单元，按工作原理主要分为有源像素与无源像素，按集成度可以分为三管有源像素(3T-APS)、钳位二极管四管有源像素(4T-APS)、钳位二极管五管有源像素(5T-APS)，其中4T-APS是市场的主流。传统的4T-APS剖面结构如图1所示，4T-APS由一个光电二极管(180，200，110)，浮空扩散节点160、传输管170、复位管150、源级跟随器140和地址选通管130共同组成。像素的感光特性很大程度上是由这六个器件的尺寸结构与工艺参数决定的，尤其受光电二极管和传输管的尺寸结构与工艺参数影响最大，其将从根本上影响整个图像传感器最终成像性能的好坏。

传统4T有源像素光电二极管是由在P型外延层110上注入一个N埋层200，与表面形成的高浓度掺杂P+钳位层190和外延110共同构成，用于接收入射到图像传感器表面的入射光子111并产生与入射光光强对应的信号电荷。这种结构在设计大尺寸像素时虽然主流，但若应用这种光电二极管结构设计小尺寸像素，随着标准CMOS工艺中特征尺寸的减少，每个像素单元面积将减少，这一效应的直接影响是电荷收集区面积也会随之减少，将导致像素单元满阱容量的减少。小尺寸像素下，满阱容量的减小将会造成图像传感器的动态范围减少、暗电流在小像素中的影响将会越来越大、信噪比偏低等缺点，严重影响小像素图像传感器的成像效果。那么，如何在小尺寸工艺下设计电荷收集区域的结构尺寸与工艺参数，使图像传感器同时具有高满阱容量、低暗电流、高信噪比、高动态范围的小尺寸像素，就变得尤为重要。

近几年，为减少小像素下阱容量不够和由之带来的动态范围小、信噪比低等不足，一种采用多步离子注入形成分层PD结构的概念被提出，其结构如图2所示。在这种分层结构中，传统PD结构中仅有的一块N型注入区被一个高浓度的P+插入层210隔开，被P+插入层分割的整个N型掺杂区200是由单一一种N型杂质完成掺杂的。在这个PD分层结构中，整个N型区域其实是一个开口向左、由一种杂质构成的U型埋层结构，其与P插入层210共同起到收集信号电荷的作用。采用这种分层结构的PD，在设计小尺寸像素时，由于引入了这层重掺杂的P+型插入层210，将使光电二极管200内核中本可能无法完全耗尽的区域完全耗尽，最终拥有较大的满阱容量。显然这是通过使未耗尽的区域完全耗尽来达到“激活”的作用，即提高耗尽程度让更多的区域可以被用来收集光生电子。但需要指出的是，当N埋层200已经完全耗尽时，再用此方法增大满肼将不再有效。其他途径可以增大满阱容量：我们也可以通过增大整个N埋层200的浓度可以被耗尽的总量来增大满阱容量。但这种方法势必会增加与表面P型钳位层190接触的N埋层200的掺杂浓度，从而间接增大在si-sio2界面处产生的暗电流，最终会增大各种噪声，并严重降低信噪比。综上所述，即提高满阱容量与减少暗电流、增大信噪比之间有一个相互制约的因素---掺杂浓度。如何避开这一相互制约因素，在不使暗电流增大的情况下同时提高满阱容量、动态范围、信噪比等指标，这将是小像素设计中亟待解决的重要问题。

发明内容