[发明专利]一种硅基CMOS图像传感器提高电子转移效率的方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种硅基CMOS图像传感器，及提高电子转移效率的方法。

背景技术

图像传感器是将光学图像转换为电信号的半导体器件，通常可分为CMOS图像传感器和CCD图像传感器。CMOS图像传感器是近十年来图像传感器的研究热点，同传统的CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有体积小巧、低功耗和低成本的优点，而且由于和CMOS工艺兼容的特点，CMOS图像传感器可以实现功能强大的片上系统芯片。

传统的CMOS图像传感器的单个像素结构如图1所示。主要由光电二极管（PPD），浮动扩散区（FD）和传递晶体管（TX）构成。

理想状态下，CMOS图像传感器单个像素的工作原理如下。先由复位晶体管把光电二极管（PPD）置于高电位状态，使光电二极管的PN结处于反偏状态。再关闭复位晶体管，光电二极管上的高电位使源跟随器处于开启状态图2（A），当行选择晶体管处于开启状态时，Vdd可以通过源跟随器传导到输出端。当光线(光子)到达光电二极管的硅体内后，部分晶格上硅原子的共价键被打断，从而形成电子空穴对，其被释放的电子的数目则正比于入射光的强度图2（B）。在复位晶体管关闭后，光电二极管内的反偏PN结收集通过光电效应在硅体内产生的电子。并排斥与之对应的空穴，使与之相连的源跟随器的栅极电位下降图2（C）。从而在行选中(保持行选择晶体管开启)的状态下，放大晶体管作为源跟随器使像素输出端的电位下降。根据电位下降速率与光强的对应关系，通过量测一定时间内输出端的电位变化(△V)，就可知道入射光的强度图2（D）。

然而，传统的CMOS图像传感器不能将光感测区（PPD）内的光生载流子完全转移到浮动扩散区（FD），主要原因在于光感测区（PPD）和传递晶体管（TX）沟道之间的势垒阻碍了部分光生载流子从光感测区进入传递晶体管（TX）沟道（即从光感测区体内到沟道表面存在势垒），图1的10箭头标示的是光电二极管和传递晶体管沟道之间势垒存在的位置。

实际工作过程的电势图如图3所示。由于光感测区域和传递晶体管（TX）沟道之间的势垒，部分光生载流子不能转移到浮动扩散区。

传统结构的硅基CMOS图像传感器，即图1的结构，不能转移的电子位于图4的40。

另外一种现有的结构图如图5所示，感光区的载流子收集区部分向沟道延伸，且与半导体表面相连接，位置不限于栅或者侧墙下面。然而，由于A点的N型掺杂浓度高于B点，A点的电势高于B点，所以存在A到B之间的势垒。该结构工作过程的电势图和图3类似，在此不再赘述。

根据图5的结构制造的硅基CMOS图像传感器，不能转移的电子位于图6的60。

对于结构如图1和图2的硅基CMOS图像传感器而言，包围浮动扩散区的抗穿通注入区（APT）距离光感应区越近，光感测区（PPD）和传递晶体管（TX）沟道之间的势垒越大。

本文所讨论的光生载流子完全转移，均在理论的转移光生载流子的极限数目之内。

发明内容

本发明的目的在于提出一种电子转移效率高的硅基CMOS图像传感器。

本发明同时提出一种能降低硅基CMOS图像传感器感光区（PPD）到传递晶体管（TX）沟道的势垒，提高光生载流子转移效率的方法。

本发明提出的提高硅基CMOS图像传感器光生载流子转移效率的方法，是在感光区（PPD）和传递晶体管（TX）沟道的连接部分从体内到表面进行递增掺杂，使得从感光区到传递晶体管（TX）沟道之间的势垒逐步降低，由此提高光生载流子的转移效率，改善器件的特性。

本发明还涉及一种新型硅基CMOS图像传感器，该硅基CMOS图像传感器具有较高的光生载流子的转移效率，具体包括：

光电二极管（PPD），即光感测器件，用于产生光电荷；

浮动扩散区（FD），用于存储光电荷；

传递晶体管（TX），用于连接光感测器件和浮动扩散区，可将光感测器件产生的光电荷传递到浮动扩散区；

浅槽隔离区（STI），其周围与衬底掺杂类型相同，并使得光电二极管表层重掺杂区域与衬底的电动势相同；

抗穿通注入区（APT），包围浮动扩散区，其位置与光电二极管尽量远；

在光电二极管与传递晶体管沟道的连接区域，引入有从体内到表面的递增掺杂，使得连接处从体内到沟道表面的内建电势递增，从而使全部光生电子可从光感测器件到达沟道表面而没有电子滞留于光感测器件内；电子到达沟道表面后，传递晶体管沟道反型开启，浮动扩散区加正电压，把电子传输到浮动扩散区。

所述递增掺杂是指掺杂浓度递增分布的掺杂。