[发明专利]一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构及制作方法

说明书

本发明公开了一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构，包括设于P^‑硅衬底正面上的N阱和光电二极管，设于N阱和光电二极管之间的深槽隔离，设于P^‑硅衬底背面上的P⁺⁺注入衬底层；通过使深槽隔离的深度大于N阱和所述光电二极管的注入深度，以对N阱和光电二极管进行电性隔离，并通过将N阱的阱电位接电源电压，将P⁺⁺注入衬底层接负偏压，以在N阱与P^‑硅衬底及P⁺⁺注入衬底层之间形成反向偏置的PN结。本发明能够降低像元噪声并减小漏电，提升图像传感器的性能。本发明还公开了一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法。

技术领域

本发明涉及固态图像传感器技术领域，特别是涉及一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构及制作方法。

背景技术

图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，通常大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片两大类。

硅材料对入射光的吸收系数随波长的增加而减小。常规CMOS图像传感器像素单元通常使用红、绿、蓝三原色的滤光层。其中蓝光的波长为450纳米，绿光波长为550纳米，红光波长为650纳米。因此红光的吸收位置最深，蓝光最浅。蓝光在最靠近硅表面的位置被吸收，其吸收系数最高，红光进入硅衬底最深，大约可以进入硅衬底2.3μm左右，其吸收系数最低，绿光介于两者之间，而近红外光的吸收则需要大于2.3μm的吸收厚度。同时，在目前的安防监控、机器视觉和智能交通系统的应用中，夜晚红外补光的光线波长集中在850nm至940nm，而常规背照式CMOS图像传感器像素单元对这一波段的光线不敏感。所以需要设计新的背照式像素单元结构和形成方法，以提高近红外波段的灵敏度，提升产品的夜视效果。

使用箝位式光电二极管(PPD)结构的图像传感器像素单元，由于读出噪声小、转换增益高和暗电流小而在高性能成像中得到了广泛的应用。对于在近红外和软X射线波段等需要高量子效率的应用上，有源传感器的硅层厚度通常要达到数十甚至数百微米，通过在硅衬底背面施加反向偏压，厚硅层被完全耗尽，从而消除了常规图像传感器里面的无电场的区域，所以在硅衬底中产生的光生电荷可以被及时收集。反向偏压的大小取决于半导体衬底的电阻率和厚度，可以远远超过系统中的任何其他电压，形成深耗尽的像元结构，这种结构已被用在混合型CMOS图像传感器或CCD中。

但是，上述这种结构的问题是容易形成漏电。对于有源像素传感器而言,如图1所示，在箝位式光电二极管26旁边的P阱22中，需要形成像素单元的控制晶体管。最终P阱引出接0v衬底电位21，而衬底负偏压20加在P⁺⁺注入衬底23上，以增加箝位式光电二极管26下的耗尽深度。这种结构将导致P阱22的0v衬底电位21和P⁺⁺注入衬底23的负偏压20之间形成较大电流，即从硅片正面的P阱22流向硅片背面的P⁺⁺接触。为了消除这个寄生电流，常规结构在高阻P^-衬底24中位于像素单元的P阱22下方增加了N型轻掺杂注入25，也叫做DDE(DeepDepletion Extesion)结构，来对P阱22和P⁺⁺注入衬底23之间的漏电通路形成夹断。但这种DDE的缺陷是，它的电势受光电二极管电势的影响，注入能量和剂量的工艺窗口非常小，所以在像元工作过程中还是容易形成漏电通路，造成图像传感器性能劣化。

因此，需要设计一种彻底防止P阱引出和P⁺⁺注入衬底之间漏电通路的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构及制作方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：