[发明专利]CMOS图像传感器的像素结构及其形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种CMOS图像传感器的像素结构及其形成方法。

背景技术

图像传感器分为互补金属氧化物(CMOS)图像传感器和电荷耦合器件（CCD）图像传感器，通常用于将光学信号转化为相应的电信号。CCD图像传感器的优点是对图像敏感度较高，噪声小，但是CCD图像传感器与其他器件的集成比较困难，而且CCD图像传感器的功耗较高。相比之下，CMOS图像传感器具有工艺简单、易与其他器件集成、体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点。目前CMOS图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、照相手机、数码摄像机、医疗用摄像装置（例如胃镜）、车用摄像装置等。

CMOS图像传感器的基本感光单元被称为像素，所述像素包含一个光电二极管和3个或4个MOS晶体管，称为3T型或4T型。目前市场上大部分CMOS图像传感器是4T型。如图1所示的4T型图像传感器包括：4个MOS晶体管和1个光电二极管PD，所述4个MOS晶体管分别为复位晶体管M1、放大晶体管M2、传输晶体管M3的和传输晶体管M4。

下面对如图1所示的4T型图传感器的像素单元的工作原理进行说明。首先，在接收光照前，复位晶体管M1和传输晶体管M4导通，其他晶体管关断，对所述浮置扩散区FD和光电二极管PD进行复位；然后，所有晶体管关断，光电二极管PD接收光照，并且进行光电转换形成光生载流子；然后传输晶体管M4导通，其他晶体管关断，光生载流子自光电二极管PD转移到浮置扩散区FD；接着，放大晶体管M2和选择晶体管M3导通，光生载流子依次从浮置扩散区FD经过放大晶体管M2和选择晶体管M3输出，完成一次光信号的采集与传输。

光生载流子自光电二极管PD传输至浮置扩散区FD依靠的是光电二极管PD的阴极与浮置扩散区FD之间的电势差，当所述电势差大于光电二极管PD与浮置扩散区FD之间的势垒时，所述电势差可以将光电荷传输到浮置扩散区FD。由于所述电势差随着光生载流子的传输逐渐减小，当电势差小于光电二极管PD与浮置扩散区FD之间的势垒时，光生载流子不能被传输出去而留在光电二极管PD中，与光电二极管PD下一次收集的光生载流子叠加，形成残像，影响成像质量。

发明内容

本发明解决的问题是提高CMOS图像传感器的成像质量。

为解决上述问题，本发明提供一种CMOS图像传感器的像素结构，包括：半导体衬底；位于半导体衬底上的传输晶体管，所述传输晶体管包括位于半导体衬底上的栅极结构；位于栅极结构的一侧的半导体衬底内的光电二极管，所述光电二极管包括位于半导体衬底内的深掺杂区，所述深掺杂区为梳状结构，所述梳状结构包括梳柄和与梳柄相连的若干分立的梳齿，梳柄靠近传输晶体管的栅极结构，梳齿远离传输晶体管的栅极结构；位于栅极结构的另一侧的半导体衬底内的浮置扩散区。

可选的，所述梳齿的宽度随着与栅极结构的远离距离增大而逐渐减小。

可选的，所述梳齿的宽度呈阶梯状减小。

可选的，所述梳齿的宽度呈阶梯状减小时，所述阶梯的级数大于等于2。

可选的，所述梳柄的宽度大于等于栅极结构的宽度。

可选的，所述半导体衬底的掺杂类型为P型，深掺杂区的掺杂类型为N型，浮置扩散区的掺杂类型为N型。

可选的，所述半导体衬底的掺杂类型为N型，深掺杂区的掺杂类型为P型，浮置扩散区的掺杂类型为P型。

本发明还提供了一种CMOS图像传感器的像素结构的形成方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成传输晶体管，所述传输晶体管包括位于半导体衬底上的栅极结构；在栅极结构的一侧的半导体衬底内形成光电二极管，所述光电二极管包括位于半导体衬底内的深掺杂区，所述深掺杂区为梳状结构，所述梳状结构包括梳柄和与梳柄相连的若干分立的梳齿，梳柄靠近传输晶体管的栅极结构，梳齿远离传输晶体管的栅极结构；在栅极结构的另一侧的半导体衬底内形成浮置扩散区。

可选的，在形成光电二极管之前，还包括在半导体衬底上形成掩膜层，所述掩膜层具有梳状的开口，梳状的开口暴露出栅极结构一侧的半导体衬底。

可选的，所述深掺杂区形成的过程为：沿梳状的开口对半导体衬底进行第一离子注入，在半导体衬底中形成梳状的注入区；然后对梳状的注入区进行退火，形成深掺杂区。

可选的，所述第一离子注入的能量为100～300Kev，第一离子注入的剂量为1E10～1E13atom/cm²，所述退火的温度为800～1500摄氏度，时间为5～200秒。

可选的，所述梳齿的宽度随着与栅极结构的远离距离增大而逐渐减小。