[發明專利]提高圖像傳感器滿阱容量與量子效率光電二極管及方法

有效

• 申請號: 201210213315.5
• 申請日: 2012-06-26
• 公開（公告）號: CN102709304A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 徐江濤;孫羽;高靜;史再峰;姚素英
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;H01L31/102;H01L31/0352;H01L31/18
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

技術領域

本發明涉及互補金屬氧化物半導體(CMOS)固態圖像傳感器，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構及制造方法。具體講，涉及提高圖像傳感器滿阱容量與量子效率光電二極管及方法。

背景技術

近年來，受益于標準CMOS工藝的進步與CMOS制造工藝的不斷改進，CMOS圖像傳感器已經超越CCD圖像傳感器成為固態圖像傳感器的主流，實現了近年來CMOS圖像傳感器的飛速發展。在CMOS圖像傳感器領域，借助于背面照射式技術的發展，像素單元尺寸實現了跨越式縮減：由傳統正照式下的3um銳減至背照式技術下的0.7um，使得CMOS圖像傳感器實現低功耗，低成本，高集成度等CCD圖像傳感器無法比擬的優點。

CMOS圖像傳感器是由像素單元陣列，模擬前端電路，數模轉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域方向，分為FSI(Front-side-illumination)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構。在傳統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，并最終進入光電二極管正表面；而在背照式結構中，光子入射方向不變，整個像素單元通過正面背面結構的翻轉，使得光子入射不經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剖面結構如圖1所示，該背照式4T-APS由一個光電二極管(180，200，110)，浮空擴散節點160、傳輸管170、復位管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成：1.在P型外延層110內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共同構成，該光電二極管結構用于接收入射光子111并產生與入射光光強對應的信號電荷。這種結構在設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，設計這些小尺寸像素將面臨一些隨尺寸縮減產生的新問題：動態范圍、信噪比和靈敏度等關鍵指標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計調整光電二極管結構與工藝參數來實現，并最終實現同時獲得高滿阱容量、高量子效率、低暗電流、高信噪比、高動態范圍的高性能小尺寸像素。

發明內容

本發明旨在克服現有技術的不足，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范圍、信噪比、靈敏度等像素單元關鍵性能指標，為達到上述目的，本發明采取的技術方案是，提高圖像傳感器滿阱容量與量子效率的光電二極管，結構為：在P型外延層內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埋層下面還設置有第二個N埋層，第二個N埋層內自其與P型外延層交界面處向N埋層內部，形成有縱向的P插入層結構。

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7e11～1.5e12/cm³；再進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1e11～9e11/cm³；在形成雙N埋層結構后，第二個N埋層內自其與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。