[發明專利]一種硅基CMOS圖像傳感器及其抑制光生載流子表面陷阱復合的方法

無效

• 申請號: 201410095466.4
• 申請日: 2014-03-14
• 公開（公告）號: CN103915457A
• 公開（公告）日: 2014-07-09
• 發明（設計）人: 蔣玉龍;包永霞
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，具體涉及一種硅基CMOS圖像傳感器，及其抑制光生載流子表面陷阱復合的方法。?

背景技術

圖像傳感器是將光學圖像轉換為電信號的半導體器件，通常可分為CMOS圖像傳感器和CCD圖像傳感器。CMOS圖像傳感器是近十年來圖像傳感器的研究熱點，同傳統的CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器具有體積小巧、低功耗和低成本的優點，而且由于和CMOS工藝兼容的特點，CMOS圖像傳感器可以實現功能強大的片上系統芯片。?

傳統的CMOS圖像傳感器的單個像素如圖1所示。由光電二極管（PPD），浮動擴散區（FD）和傳遞晶體管（TX）構成。?

理想狀態下，CMOS圖像傳感器單個像素的工作原理如下，先由復位晶體管把光電二極管（PPD）置于高電位狀態，使光電二極管的PN結處于反偏狀態。再關閉復位晶體管，光電二極管上的高電位使源跟隨器處于開啟狀態圖2（A），當行選擇晶體管處于開啟狀態時，Vdd可以通過源跟隨器傳導到輸出端。當光線(光子)到達光電二極管的硅體內后，部分晶格上硅原子的共價鍵被打斷，從而形成電子空穴對，其被釋放的電子的數目則正比于入射光的強度圖2（B）。在復位晶體管關閉后，光電二極管內的反偏PN結收集通過光電效應在硅體內產生的電子。并排斥與之對應的空穴，使與之相連的源跟隨器的柵極電位下降圖2（C）。從而在行選中(保持行選擇晶體管開啟)的狀態下，放大晶體管作為源跟隨器使像素輸出端的電位下降。根據電位下降速率與光強的對應關系，通過量測一定時間內輸出端的電位變化(△V)，就可知道入射光的強度圖2（D）。?

然而，傳統的CMOS圖像傳感器不能將光感測區（PPD）內的光生載流子完全轉移到浮動擴散區（FD），主要原因在于光感測區（PPD）和傳遞晶體管（TX）溝道之間存在勢壘，阻礙了部分光生載流子從光感測區進入溝道，圖1的10即光電二極管和傳遞晶體管溝道之間勢壘存在的位置。?

實際工作過程的電勢圖如圖3所示。由于光感測區域和傳遞晶體管（TX）溝道之間的勢壘，部分光生載流子不能轉移到浮動擴散區。?

另外一種現有的結構圖如圖4所示，把感光區的載流子收集區部分向溝道延伸，且與半導體表面相連接，位置不限于柵或者側墻下面。然而，光電二極管載流子收集區與表面接觸，容易造成光生載流子在表面陷阱的復合。?

發明內容

本發明的目的在于提出一種光生載流子的轉移效率高、表面復合率低的硅基CMOS圖像傳感器，及抑制硅基CMOS圖像傳感器光生載流子表面陷阱復合的方法。?

本發明提供的硅基CMOS圖像傳感器，具有光生載流子的轉移效率高、表面復合率低的特性，具體包括：?

光電二極管（PPD），即光感測器件，用于產生光電荷；

浮動擴散區（FD），用于存儲光電荷；

傳遞晶體管（TX），用于連接光感測器件和浮動擴散區，可將光感測器件產生的光電荷傳遞到浮動擴散區；

淺槽隔離區（STI），其周圍與襯底摻雜類型相同，并使得光電二極管表層重摻雜區域與襯底的電動勢相同；

抗穿通注入區（APT），包圍浮動擴散區，其位置與光電二極管盡量遠；

還包括：

通過兩次不同位置、不同能量、不同劑量的離子注入在局部自對準形成的光生載流子表面陷阱抑制層，且鄰近光電二極管與傳遞晶體管（TX）連接部分的陷阱抑制層結深較淺、劑量較低，而其余部分的陷阱抑制層結深較深、劑量較高。

本發明還涉及抑制硅基CMOS圖像傳感器光生載流子表面陷阱復合的方法，是提供CMOS圖像傳感器的單個像素，通過兩次不同位置、不同能量、不同劑量的離子注入，在局部自對準形成光生載流子表面陷阱抑制層，且鄰近光電二極管與傳遞晶體管（TX）連接部分的陷阱抑制層結深較淺、劑量較低，而其余部分的陷阱抑制層結深較深、劑量較高。?

本發明中，所述位于光電二極管與傳遞晶體管（TX）溝道區連接部分表層的陷阱抑制層中結深較淺的部分，可形成于傳遞晶體管（TX）的柵極下方，也可形成在傳遞晶體管（TX）柵極側墻下方，或者在柵極和側墻之下皆有；且在平行于表面從感光區指向傳遞晶體管（TX）溝道區的方向，陷阱抑制層的摻雜濃度呈現單調遞減趨勢，結深呈現單調遞減趨勢。?