專利名稱：提高圖像傳感器滿阱容量與量子效率光電二極管及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)固態(tài)圖像傳感器，特別涉及一種提高CMOS圖像傳感器滿阱容量與量子效率的光電二極管結(jié)構(gòu)及制造方法。具體講，涉及提高圖像傳感器滿講容量與量子效率光電二極管及方法。
背景技術(shù)：
近年來，受益于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的進(jìn)步與CMOS制造工藝的不斷改進(jìn)，CMOS圖像傳感器已經(jīng)超越CCD圖像傳感器成為固態(tài)圖像傳感器的主流，實現(xiàn)了近年來CMOS圖像傳感器的飛速發(fā)展。在CMOS圖像傳感器領(lǐng)域，借助于背面照射式技術(shù)的發(fā)展，像素單元尺寸實現(xiàn)了跨越式縮減由傳統(tǒng)正照式下的3um銳減至背照式技術(shù)下的0. 7um，使得CMOS圖像傳感器實現(xiàn)低功耗，低成本，高集成度等CCD圖像傳感器無法比擬的優(yōu)點。
CMOS圖像傳感器是由像素單元陣列，模擬前端電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元和時序控制電路共同組成的。在整個圖像傳感器架構(gòu)中，像素單元陣列處于最核心的地位。其作為CMOS圖像傳感器的基本感光單元，將從根本上決定整個圖像傳感器的成像質(zhì)量。像素單元按工作原理主要分為有源像素與無源像素，按集成度可以分為三管有源像素(3T-APS)、鉗位二極管四管有源像素(4T-APS)、鉗位二極管五管有源像素(5T-APS)，其中4T-APS是市場的主流。按入射光射入感光區(qū)域方向，分為FSI (Front-side-iIIumination)正面照射式圖像傳感器,和BSI (Back-side-illumination)背面照射式圖像傳感器結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的正面照射式圖像傳感器中，光子是通過感光元件正表面的多層金屬層，并最終進(jìn)入光電二極管正表面；而在背照式結(jié)構(gòu)中，光子入射方向不變，整個像素單元通過正面背面結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)，使得光子入射不經(jīng)過光電二極管正面金屬層，而是通過光電二極管背面入射。背照式4T APS剖面結(jié)構(gòu)如圖I所示，該背照式4T-APS由一個光電二極管(180，200，110)，浮空擴散節(jié)點160、傳輸管170、復(fù)位管150、源級跟隨器140和地址選通管130共同組成。背照式4T有源像素光電二極管是由三部分共同構(gòu)成1.在P型外延層110內(nèi)注入一個深度較淺的N埋層200，2.與表面形成的高濃度摻雜P+鉗位層180，3.外延110共同構(gòu)成，該光電二極管結(jié)構(gòu)用于接收入射光子111并產(chǎn)生與入射光光強對應(yīng)的信號電荷。這種結(jié)構(gòu)在設(shè)計大尺寸像素時雖然主流，然而，隨著像素尺寸的不斷縮減，單個像素單元面積將逐步縮小，設(shè)計這些小尺寸像素將面臨一些隨尺寸縮減產(chǎn)生的新問題動態(tài)范圍、信噪比和靈敏度等關(guān)鍵指標(biāo)會因像素尺寸減少而受到不同程度地降低。這些限制因素將不同程度地惡化成像質(zhì)量并減小可探測光強范圍。而增加小尺寸像素的滿阱容量將可以同時從根本上解決上述所有影響。滿阱容量的擴展可以通過在小尺寸工藝下設(shè)計調(diào)整光電二極管結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)來實現(xiàn)，并最終實現(xiàn)同時獲得高滿阱容量、高量子效率、低暗電流、高信噪比、高動態(tài)范圍的高性能小尺寸像素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，保證擴展的滿阱容量可以全耗盡，使得該擴展是不以損耗圖像拖尾性能為前提的，并從根本上提升動態(tài)范圍、信噪比、靈敏度等像素單元關(guān)鍵性能指標(biāo)，為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，提高圖像傳感器滿阱容量與量子效率的光電二極管，結(jié)構(gòu)為在P型外延層內(nèi)注入一個深度較淺的N埋層，N埋層上面是高濃度摻雜P+鉗位層，N埋層下面還設(shè)置有第二個N埋層，第二個N埋層內(nèi)自其與P型外延層交界面處向N埋層內(nèi)部，形成有縱向的P插入層結(jié)構(gòu)。提高圖像傳感器滿阱容量與效率的光電二極管形成方法，包括如下步驟在P型外延層上先注入較高濃度的磷形成N埋層，其注入能量范圍為50千電子伏 100千電子伏,摻雜濃度范圍為7ell I. 5el2/cm3 ;再進(jìn)行磷注入形成光電二極管的第二個N埋層，其注入深度更深且位于N埋層正下方，其注入能量范圍為150千電子伏 300千電子伏，摻雜濃度范圍為Iell 9ell/cm3 ;在形成雙N埋層結(jié)構(gòu)后，第二個N埋層內(nèi)自其與P型外延層交界面處注入P型摻雜的二氟化硼形成P插入層。
第二個N埋層內(nèi)自其與P型外延層交界面處注入P型摻雜的二氟化硼形成P插入層，P型摻雜的離子注入分為兩步，第一步使用二氟化硼注入形成第二個N埋層內(nèi)上部Pl區(qū)域，注入能量范圍為1，500千電子伏 2000千電子伏，摻雜濃度范圍為lel2 2el2/cm3 ；第二步使用二氟化硼注入形成Pl區(qū)域下方毗鄰的P2區(qū)域，注入能量范圍為2500千電子伏 3500千電子伏，摻雜濃度范圍同為lel2 2el2/cm3，最終形成雙N埋層P插入層的內(nèi)嵌光電二極管結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的技術(shù)特點及效果所引入的雙N埋層P插入層新鉗位二極管結(jié)構(gòu)，在像素感光面積不變的前提下，I、本發(fā)明的小像素鉗位二極管滿阱容量更大。由于在初始NI埋層下注入第二個N埋層N2，增加了光電二極管側(cè)壁電容值，繼而增大了滿阱容量。2、本發(fā)明的小像素鉗位二極管電荷更易被導(dǎo)出至FD結(jié)點。因為雙N埋層結(jié)構(gòu)是一個梯度從上向下漸變的N埋層，上側(cè)濃度較高電勢較高，下側(cè)濃度較低電勢較低，這將促進(jìn)電子的轉(zhuǎn)移。更因為P插入層是從N埋層底部插入，過渡區(qū)在N埋層上方，不影響電子的轉(zhuǎn)移，不引入固定模式噪聲。3、新鉗位二極管實現(xiàn)更高的量子效率。由于采用了雙N埋層結(jié)構(gòu)，物理上的注入深度會實現(xiàn)縱向擴展，繼而擴展縱向耗盡區(qū)范圍，可以增加靠近襯底背面短波光譜的量子效率。4、新設(shè)計的小像素鉗位二極管更容易實現(xiàn)全耗盡，繼而實現(xiàn)“無圖像拖尾”的效果。因為P插入層被引入至N埋層內(nèi)核中原本容易殘留電荷的區(qū)域，所以在此P插入層的幫助下，原本容易產(chǎn)生電荷殘留的N埋層實現(xiàn)了全耗盡，這將使得像素單元內(nèi)，前一幀的曝光不會對下一幀產(chǎn)生電荷殘留，不會產(chǎn)生圖像拖尾。


圖I傳統(tǒng)背照式4T-APS像素單元結(jié)構(gòu)原理圖。圖2傳統(tǒng)背照式4T-APS像素單元結(jié)構(gòu)剖面圖。圖3由單步N型注入形成的傳統(tǒng)背照式光電二極管(PPD)結(jié)構(gòu)剖面圖。圖4本發(fā)明采用的由兩步N型注入形成的雙N埋層PH)結(jié)構(gòu)剖面圖。圖5本發(fā)明在圖4基礎(chǔ)上插入P型插入?yún)^(qū)形成的雙N埋層P插入層PH)結(jié)構(gòu)剖面。
圖6從左側(cè)嵌入P插入層的分層pro剖面圖。圖7從右側(cè)嵌入P插入層的分層pro剖面圖。圖8從上側(cè)嵌入P插入層的分層pro剖面圖。
具體實施例方式本發(fā)明涉及一種光電二極管(PD)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，這種優(yōu)化結(jié)構(gòu)可以使小尺寸像素實現(xiàn)更高的滿阱容量，使其不以惡化像素單元圖像拖尾為代價。在傳統(tǒng)背照式鉗位光電二極管(PPD)結(jié)構(gòu)中，光電二極管N埋層200是由一步N型摻雜實現(xiàn)的，如圖I所示。而隨著像素尺寸日漸縮小，單個像素的光電二極管面積也不斷減少，N埋層面積將隨之縮減，如若仍然使用此結(jié)構(gòu)，將無法為像素單元提供足夠的滿阱容量。 而如果為了增大滿阱容量，僅提高N埋層200的注入能量使之縱向深度更深的N埋層試圖增大滿阱容量，這將使該N埋層缺少明顯的縱向濃度梯度，引起遠(yuǎn)離傳輸柵(TX)的N埋層內(nèi)部電子更加難以被轉(zhuǎn)移到浮空擴散節(jié)點(FD)結(jié)點。以上現(xiàn)象將造成嚴(yán)重的圖像拖尾。本發(fā)明，考慮到圖像拖尾性能，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)改進(jìn)由兩個步驟組成，第一步，不采用單步高能注入，而是采用兩步N型注入形成一個尺寸上更深、濃度上有梯度漸變的雙N埋層結(jié)構(gòu)；第二步，為了幫助擴展的滿阱容量實現(xiàn)完全耗盡，多個P型插入?yún)^(qū)域被縱向插入于新N埋層與襯底的交界面處。在第一步注入實現(xiàn)雙N埋層結(jié)構(gòu)中，如圖4所示，初始的NI埋層的注入實現(xiàn)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3中相同。不同的是，在NI埋層實現(xiàn)后，需要引入一步新的N型注入，該步N型注入使用更高能量、較低劑量的N型摻雜實現(xiàn)，最終形成一個位于初始的NI埋層正下方的N2埋層。該新埋層將通過增大側(cè)壁電容310增加整個光電二極管的電容從而提高滿阱容量。在該雙N埋層結(jié)構(gòu)中，因為N埋層縱向尺寸的加深，N埋層耗盡區(qū)也實現(xiàn)了向光電二極管背面的擴展，這將使得該結(jié)構(gòu)的量子效率同時得到優(yōu)化。因為在背照式圖像傳感器中，光子是由襯底背面射入像素單元的，耗盡區(qū)與背面越近，將有更多的光生電子被耗盡區(qū)收集，將有更多藍(lán)色光生電子被耗盡區(qū)收集，這將顯著提高短波長的量子效率。如上所述，采用雙N埋層結(jié)構(gòu)可以顯著增加像素單元滿阱容量，但隨之產(chǎn)生一個問題該雙N埋層外圍P型襯底只能耗盡該N埋層外圍區(qū)域，而留下雙N埋層內(nèi)核電子無法在傳輸管(TX)開啟期間被完全復(fù)位，這些殘留下的電子將造成圖像拖尾并在像素陣列中引入隨機噪聲。在結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的第二步中，引入P型插入層的作用即為解決這個問題。如圖5所示，在雙N埋層結(jié)構(gòu)后，P型插入層被引入。這個P型插入層是由兩步高能量的P型注入實現(xiàn)的。在新掩膜版的幫助下，兩步不同能量的P型雜質(zhì)分別在掩膜版開口范圍內(nèi)被注入至N埋層與襯底交界面處，并最終形成了縱向的P插入層結(jié)構(gòu)。為使該P型插入?yún)^(qū)準(zhǔn)確深入至雙N埋層結(jié)構(gòu)中電荷不容易耗盡處，實現(xiàn)“助耗盡”功能，P型插入?yún)^(qū)的形成由兩步P型離子注入實現(xiàn)，分別形成Pl區(qū)域與P2區(qū)域，如圖5所示。Pl區(qū)域更靠近NI區(qū)域，其作用是保證整個P型插入?yún)^(qū)是可以位于N埋層內(nèi)核；P2區(qū)域注入更深，更靠近襯底一側(cè)，其作用是保證整個P插入?yún)^(qū)與襯底形成良好的電勢接觸，避免Pl區(qū)域被周圍N2埋層完全包埋而引起不必要的電勢浮空。之所以選擇在N埋層靠近襯底一側(cè)插入P插入層，而不是選擇從N埋層左側(cè)、右偵U、上側(cè)插入這個p插入層是因為在所有分層pro結(jié)構(gòu)中，對多個N2區(qū)域起到橋梁作用的是過渡區(qū)(C區(qū))，如圖5、6、7、8中所示C區(qū)。過渡區(qū)非常重要，多個N2區(qū)域收集的電子都將經(jīng)過此過渡區(qū)才能傳輸?shù)絋X，故C區(qū)對單個像素滿阱容量影響較大且較為敏感。若從左側(cè)插入P插入層，則如圖6所示，過渡區(qū)的寬度將受形成P插入層之掩膜版對版誤差的影響，造成不同像素滿阱容量值不同，在整個像素陣列中產(chǎn)生固定模式噪聲；若從右側(cè)插入P插入層，如圖7所示，C區(qū)將遠(yuǎn)離傳輸柵，造成電子不易被轉(zhuǎn)移至FD結(jié)點；若從靠近N埋層上側(cè)插入P插入層，如圖8所示，亦將造成由不同N區(qū)收集的電子不易被轉(zhuǎn)移的缺點。在此發(fā)明中，因為這個P插入層是由縱向插入N埋層與襯底交界處的，在本發(fā)明中過渡區(qū)幾何深度不受對版誤差影響，而可以簡單通過使用更高能量的Pl區(qū)使保證該區(qū)不被夾斷，從而從根本上解決了分層PPD中電子不易被全轉(zhuǎn)移、易受掩膜版影響等缺點。下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
本發(fā)明的基本思想是，通過在雙N埋層結(jié)構(gòu)中加入P插入層形成雙N埋層P插入層鉗位光電二極管，用于改善設(shè)計小像素時滿阱容量不足的缺點。其光電二極管具體實施方案是參照圖5所示，在摻雜濃度為Iel5/cm3的P型外延層110上先注入較高濃度的磷形成NI埋層200，其注入能量范圍為50KeV IOOKeV,摻雜濃度范圍為7ell I. 5el2/cm3 ；再使用高能量低劑量的磷注入形成光電二極管的N2埋層300，其注入深度更深且位于NI埋層正下方，其注入能量范圍為150KeV 300KeV，摻雜濃度范圍為Iell 9ell/cm3。在形成雙N埋層結(jié)構(gòu)后，在新掩膜版的幫助下，在掩膜版開口 600與610范圍內(nèi)，注入P型摻雜的二氟化硼形成P插入層。該P型離子注入分為兩步，第一步使用較低能量的BF2注入形成Pl區(qū)域400，其注入能量范圍為1，500KeV 2000KeV，摻雜濃度范圍為lel2 2el2/cm3。第二步使用較高能量的BF2注入形成P2區(qū)域410，其注入能量范圍為2500Kev 3500Kev，摻雜濃度范圍同為Ie 12 2el2/cm3，最終形成雙N埋層P插入層的內(nèi)嵌光電二極管結(jié)構(gòu)。下面結(jié)合實施例具體介紹最佳實施方式在硼摻雜濃度為Iel5/cm3的P型外延層上，兩次注入N型雜質(zhì)共同形成光電二極管的N區(qū)。在第一次注入時，使用傳統(tǒng)光刻版，注入雜質(zhì)為磷，其能量為75KeV，劑量為I. 0el2/cm3，用以形成靠近表面且濃度較大的NI埋層200 ;第二步同樣使用傳統(tǒng)光刻版，注入雜質(zhì)同為磷，其能量較高為250KeV，劑量為0. 4el2/cm3，用以形成位于NI埋層下方的N2埋層300 ;第三步注入形成P型插入層400與410，需要使用一塊新光刻版，在新掩膜版開口 600與610內(nèi)，連續(xù)注入兩次二氟化硼雜質(zhì)，第一次注入形成Pl區(qū)域400，其注入能量為1800KeV，劑量為1.6el2/cm3。第二步注入二氟化硼形成P2區(qū)域410，其注入能量為2600KeV，劑量為 I. 6el2/cm3。采用以上工藝參數(shù)可以實現(xiàn)光電二極管結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終實現(xiàn)小尺寸像素滿阱容量擴展技術(shù)。在此發(fā)明中，滿阱容量的擴展是不以犧牲圖像拖尾表現(xiàn)為代價的。且此改進(jìn)結(jié)構(gòu)，不僅可以提升小尺寸像素滿阱容量，且使采用該結(jié)構(gòu)的光電二極管實現(xiàn)更高的量子效率。
權(quán)利要求
1.一種提高圖像傳感器滿阱容量與量子效率光電二極管，結(jié)構(gòu)為在P型外延層內(nèi)注入一個深度較淺的N埋層，N埋層上面是高濃度摻雜P+鉗位層，其特征是，在靠近表面的N埋層下面還設(shè)置有第二個N埋層，第二個N埋層內(nèi)自其與P型外延層交界面處，形成有縱向的P插入層結(jié)構(gòu)。
2.一種提高圖像傳感器滿阱容量與量子效率光電二極管形成方法，其特征是，在P型外延層上先注入較高濃度的磷形成N埋層，其注入能量范圍為50千電子伏 100千電子伏，摻雜濃度范圍為7ell I. 5el2/cm3 ;再進(jìn)行磷注入形成光電二極管的第二個N埋層，其注入深度更深且位于N埋層正下方，其注入能量范圍為150千電子伏 300千電子伏，摻雜濃度范圍為Iell 9ell/cm3 ;在形成雙N埋層結(jié)構(gòu)后，第二個N埋層內(nèi)自其與P型外延層交界面處注入P型摻雜的二氟化硼形成P插入層。
3.如權(quán)利要求2所述的提高圖像傳感器滿阱容量與量子效率光電二極管形成方法，其特征是，第二個N埋層內(nèi)自其與P型外延層交界面處注入P型摻雜的二氟化硼形成P插入層，P型摻雜的離子注入分為兩步，第一步使用二氟化硼注入形成第二個N埋層內(nèi)上部Pl區(qū)域，注入能量范圍為1，500千電子伏 2000千電子伏，摻雜濃度范圍為lel2 2el2/cm3 ；第二步使用二氟化硼注入形成Pl區(qū)域下方毗鄰的P2區(qū)域，注入能量范圍為2500千電子伏 3500千電子伏，摻雜濃度范圍同為lel2 2el2/cm3，最終形成雙N埋層P插入層的內(nèi)嵌光電二極管結(jié)構(gòu)。
全文摘要
提高圖像傳感器滿阱容量與量子效率光電二極管及方法。本發(fā)明涉及互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)固態(tài)圖像傳感器。為保證擴展的滿阱容量可以全耗盡，使得該擴展是不以損耗圖像拖尾性能為前提的，并從根本上提升動態(tài)范圍、信噪比、靈敏度等像素單元關(guān)鍵性能指標(biāo)，為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，提高圖像傳感器滿阱容量與量子效率光電二極管及方法，結(jié)構(gòu)為在P型外延層內(nèi)注入一個深度較淺的N埋層，N埋層上面是高濃度摻雜P+鉗位層，N埋層下面還設(shè)置有第二個N埋層，第二個N埋層內(nèi)自其與P型外延層交界面處向N埋層內(nèi)部，形成有縱向的P插入層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明主要應(yīng)用于圖像傳感器的設(shè)計制造。
文檔編號H01L31/0352GK102709304SQ20121021331
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月26日
發(fā)明者史再峰, 姚素英, 孫羽, 徐江濤, 高靜 申請人:天津大學(xué)