[發明專利]一種提高量子效率的CMOS圖像傳感器像素制作方法

在審

• 申請號: 201910801765.8
• 申請日: 2019-08-28
• 公開（公告）號: CN112447775A
• 公開（公告）日: 2021-03-05
• 發明（設計）人: 徐江濤;王瑞碩;夏夢真;史興萍;李鳳
• 申請（專利權）人: 天津大學青島海洋技術研究院
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種提高量子效率的CMOS圖像傳感器像素制作方法，采用像素背部注入高濃度P型離子摻雜，以及通過在襯底上施加反向偏壓來耗盡較厚敏感半導體區域的方法，從而消除無場區，并迅速收集光生電荷。反向偏壓的大小取決于半導體基板的電阻率和厚度，并且可以遠遠超過系統中的任何其他電壓。最終進一步提高了圖像傳感器的量子效率，大大提高了成像質量。

技術領域

本發明屬于CMOS圖像傳感器領域，尤其是適用于入射光為近紅外或軟X射線波段的一種提高量子效率的CMOS圖像傳感器像素制作方法。

背景技術

鉗位光電二極管（pinned photodiode，PPD）最初被用在CCD圖像傳感器中，二十多年后才被用于CMOS圖像傳感器。圖1是基于PPD的4T像素結構。4T像素由PPD、傳輸管、復位管、行選通管以及浮空擴散節點組成。當光入射到半導體表面時，其中一部分入射光被反射，而其余則被半導體吸收。當進入半導體內部的光子能量不低于半導體材料禁帶寬度時，那么半導體材料便有一定概率吸收這份能量，從而產生電子-空穴對，即光生載流子。光照積分完成后，傳輸管導通，光生電荷在電場的作用下由光電二極管區域轉移至浮空擴散節點，即完成電荷-電壓信息的轉換過程，最后通過行選通管以及列級讀出電路，逐行讀出存儲在浮空擴散節點的光信號。

對于較長波長的近紅外和X射線波段的入射光來說，其吸收長度可達數十甚至數百微米。采用傳統的CMOS圖像傳感器的PPD型4T像素，無法達到如此深的耗盡區深度，故會造成較低的量子效率，降低圖像傳感器的成像性能。像素外延層中，除耗盡層外的部分均為中性區，若入射光在中性區內被吸收，且產生光生電子空穴對，則信號電荷將無法被轉移到浮空擴散節點中，最終也無法被成功讀出。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本專利發明一種能夠提高量子效率的CMOS圖像傳感器像素制作方法，采用像素背部注入高濃度P型離子摻雜，以及通過在襯底上施加反向偏壓來耗盡較厚敏感半導體區域的方法，從而消除無場區，并迅速收集光生電荷。反向偏壓的大小取決于半導體基板的電阻率和厚度，并且可以遠遠超過系統中的任何其他電壓。最終進一步提高了圖像傳感器的量子效率，大大提高了成像質量。

一種提高量子效率的CMOS圖像傳感器像素制作方法，如圖2所示，首先在柵形成前在襯底底部進行一次高濃度的P型離子注入，形成P++區域，即在原PPD區域下方的中性區增加一個耗盡區2。傳輸柵形成后，采用自對準技術注入N型離子，形成PPD的N-感光區和FD區域。與傳統的4T有源像素相比，本專利提出的像素結構，需要在柵形成前進行一次較深的P型離子的注入，并且襯底施加負壓，使得形成的兩個耗盡區域相連。當較長波長的光照射到PPD區域時，半導體材料中價帶的電子吸收光子的能量，從價帶越過禁帶到達導帶，從而形成光生電子-空穴對，即光生載流子，在耗盡區電場的作用下，光生電子被收集在PPD區域，而光生空穴被襯底吸收；在耗盡區底部的中性區內被吸收的光子產生的光生電荷不能被PPD區域收集。

本發明提出的像素制作方法，即與傳統的4T有源像素相比，在襯底底部加入一次重摻雜的P型離子注入，且施加負電壓，使得由PPD與襯底以及襯底與重摻雜P型區域形成的耗盡區相連接，最終等效增加了耗盡區的深度，當較長波長的光照射到PPD區域時，光生電荷被形成的深耗盡區吸收，在傳輸管導通階段被轉移到浮空擴散節點端，最終被讀出，有效的提高光生電荷的收集率以及量子效率，提高傳感器的成像質量。

附圖說明

圖1是4T像素基本結構圖；

圖2是增加襯底底部P++離子注入的像素結構。

具體實施方式

以下根據附圖和實施例對本發明進行詳細說明。