[发明专利]一种降低扩散暗电流的CMOS图像传感器像素结构

说明书

一种降低扩散暗电流的CMOS图像传感器像素结构，主要由光电二极管PPD、传输栅TG、浮空扩散节点FD、以及深N_abs层组成；STI为浅沟槽隔离，其作用是将相邻两个像素进行电学隔离，防止串扰现象；该像素结构采用多加一次高能量的N型掺杂注入，可以在外延层中性区形成新的耗尽区，使得中性区的大多数电荷被新形成的耗尽区收集，从而有效的降低中性区扩散暗电流，进一步提高了图像传感器的动态范围和信噪比，大大提高了成像质量。

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器领域，尤其涉及一种降低扩散暗电流的CMOS图像传感器像素结构。

背景技术

钳位光电二极管（pinned photodiode，PPD）最初被用在CCD图像传感器中，二十多年后才被用于CMOS图像传感器。图1是基于PPD的4T像素结构。4T像素由PPD、传输管（Transfer Gate, TG）、复位管（Reset, RST）、源级跟随器（Source Follower, SF）行选通管（Selector Transistor, SEL）以及浮空扩散节点（Floating Diffusion, FD）组成。当光入射到半导体表面时，其中一部分入射光被反射，而其余则被半导体吸收。当进入半导体内部的光子能量不低于半导体材料禁带宽度时，那么半导体材料便有一定概率吸收这份能量，从而产生电子-空穴对，即光生载流子。光照积分完成后，传输管导通，光生电荷在电场的作用下由光电二极管区域转移至浮空扩散节点，即完成电荷-电压信息的转换过程，最后通过行选通管以及列级读出电路，逐行读出存储在浮空扩散节点的光信号。

暗电流是指CMOS图像传感器在无光照的条件下所输出的信号值，是一种非理想因素，暗电流会积分成为暗电荷并被存储于像素电荷存储节点（无论是暗光条件还是光照条件时都存在）。暗电流水平通常与像素工艺流程紧密联系，如下图2所示，为PPD中的主要暗电流来源，包括：耗尽区产生暗电流、表面产生暗电流、STI暗电流、TG沟道区暗电流、中性区扩散暗电流。

像素外延层中，除耗尽层外的部分均为中性区，其中的自由电子由于热运动作用，使得靠近PPD耗尽区的中性区中的自由电子有一定概率被PPD收集，从而形成暗电流。本专利针对像素中存在中性区扩散暗电流的问题，提出一种在中性区形成耗尽层的方法，使得中性区的大多数电荷被新形成的耗尽区收集，从而降低了像素的中性区扩散暗电流。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明一种降低扩散暗电流的CMOS图像传感器像素结构，采用多加一次高能量的N型掺杂注入，可以在外延层中性区形成新的耗尽区，使得中性区的大多数电荷被新形成的耗尽区收集，从而有效的降低中性区扩散暗电流，进一步提高了图像传感器的动态范围和信噪比，大大提高了成像质量。

一种降低扩散暗电流的CMOS图像传感器像素结构，如图3所示。该像素结构主要由光电二极管PPD、传输栅TG、浮空扩散节点FD、以及深N_abs层组成；STI为浅沟槽隔离，其作用是将相邻两个像素进行电学隔离，防止串扰现象；用CMOS工艺制造图像传感器的像素时，首先进行栅前的P+钳位层离子注入，然后进行高能量N型离子的注入，形成位于PPD下方的N_abs吸收层，进而进行栅的形成，最后利用自对准技术进行栅后PPD区域N-型掺杂的离子注入以及FD节点的N+型离子注入，最后形成的具有高能量N_abs层的像素结构如图3所示。此结构通过在PPD耗尽区1的下方注入一层N型掺杂，从而与外延层形成耗尽区2，尤其需要注意的是耗尽区1和耗尽区2应该分离开，故N_abs层的形成，其离子注入能量较大。