[发明专利]带有低噪声源跟随器的图像传感器像素结构及其制作方法

说明书

带有低噪声源跟随器的图像传感器像素结构及其制作方法，像素结构中的无浅沟槽隔离源跟随器使用p+型隔离层结构代替浅沟槽隔离结构，在实现电学隔离功能的基础上，降低晶体管沟道边缘区域的缺陷密度；同时降低源跟随器晶体管栅氧化层厚度，提高单位面积栅氧化层电容值；该无浅沟槽隔离源跟随器可有效提升小尺寸像素的噪声特性；该像素结构的制作方法是：在硅衬底上生成一层p型外延层，在p型外延层上通过沉积、刻蚀和离子注入等方法先后生成p型阱、光电二极管区，多晶硅栅、源漏区等结构；针对源跟随器进行重点优化，源跟随器采用薄栅氧化层结构，同时在其相应位置进行高浓度p型离子注入，形成p+型隔离层结构代替浅沟槽隔离结构。

技术领域

本发明涉及模拟集成电路领域，尤其涉及一种带有低噪声源跟随器的图像传感器像素结构及其制作方法。

背景技术

随着图像传感器技术的迅速发展，其在消费电子、工业电子、汽车电子、科学研究、广播电视、安防监控、医疗影像、航空航天等场景的工程应用日渐广泛。像素作为图像传感器的核心部分，将直接决定量子效率、噪声、满阱容量、信噪比、动态范围、暗电流等关键特征参数，进而影响图像传感器的整体性能指标。因此，优化像素器件结构并提高像素特征参数是发展高性能图像传感器的主要技术路线。

目前，传统四管有源像素结构主要由钳位光电二极管（Pinned Photodiode,PPD）、浮空扩散（Floating Diffusion, FD）节点、传输管（TG）、复位管（RST）、源跟随器（Source Follower, SF）和选通管（SEL）组成。随着图像传感器读出电路噪声的降低以及像素单元尺寸的缩小，像素内源跟随器噪声（主要为闪烁噪声，亦称为1/f噪声）在系统总读出噪声中的所占比例逐渐增大，源跟随器已经成为小尺寸（如像素中心距小于2um）四管有源像素的主要噪声来源。在传统四管有源像素中，源跟随器通过浅沟槽隔离（Shallow TrenchIsolation, STI）结构与像素内其它部分进行电学隔离。同时，源跟随器的STI结构与硅材料之间存在Si-SiO₂交界面，在该交界面处存在大量的缺陷，这些缺陷的存在将导致源跟随器噪声的增大，进而影响整个图像传感器的成像质量。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种带有低噪声源跟随器的图像传感器像素结构及其制作方法。该像素结构中的无浅沟槽隔离源跟随器的第一个特征为，使用p+型隔离层结构代替STI结构，在实现电学隔离功能的基础上，降低晶体管沟道边缘区域的缺陷密度；其第二个特征为，降低源跟随器晶体管栅氧化层厚度，提高单位面积栅氧化层电容值；这两个特征共同作用于像素内源跟随器的噪声（尤其是1/f噪声）的降低，从而提升像素的噪声特性，并最终优化图像传感器的成像质量。此外，该像素结构中的无浅沟槽隔离源跟随器在小尺寸有源像素中的噪声优化效果更加明显。

带有低噪声源跟随器的图像传感器像素结构，其像素版图如图1所示。该像素版图的具体描述如下（括号内数字与图1中数字相互对应）：钳位光电二极管（PPD）区（101）右下侧连接传输管（TG）多晶硅栅极（102）左侧；TG多晶硅栅极（102）右侧连接n型浮空扩散区（FD区）（103）左侧；n型FD区（103）上侧连接复位管（RST）多晶硅栅极（104）下侧；RST多晶硅栅极（104）上侧连接n型电源（VDD）区（105）下侧；n型VDD区（105）上侧连接源跟随器（SF）多晶硅栅极（106）下侧；SF多晶硅栅极（106）上侧连接n型连接区（107）下侧；该n型连接区（107）上侧连接选通管（SEL）多晶硅栅极（108）下侧；SEL多晶硅栅极（108）上侧连接n型输出（OUT）区（109）下侧；SF多晶硅栅极（106）左右两侧通过p+型隔离层（112）进行电学隔离；p+型隔离层（112）位于环绕SF的p型阱（111）之中；像素版图其余非有源区部分为浅沟槽隔离（STI）结构（110）。当本发明应用于小尺寸像素时，在该像素版图结构的基础上可以采取共享读出型版图布局方案（如两个及两个以上像素单元共用一个SF管和一个SEL管），从而进一步缩小像素单元尺寸。因此，本发明提出的无浅沟槽隔离源跟随器结构同样适用于共享读出型版图设计结构。