[發明專利]CMOS圖像傳感器及其制造方法

有效

• 申請號: 202110345055.6
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN112885862B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 肖燏萍;李佳龍;范曉
• 申請（專利權）人: 華虹半導體（無錫）有限公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 上海浦一知識產權代理有限公司 31211
• 代理人: 郭四華

本發明公開了一種CMOS圖像傳感器，像素區的像素單元的光電二極管之間隔離有深溝槽隔離結構；光電二極管的N型區由形成于半導體襯底表面上的N型外延層組成，P型區由N型區底部的半導體襯底組成；N型外延層的厚度根據光電二極管的反偏時的耗盡區的深度要求值設置以實現對光電二極管進行縱向尺寸拓展；深溝槽隔離結構由形成于N型外延層中的深溝槽中的第一P型外延層、第二介質層和第三多晶硅層疊加而成。本發明還公開了一種CMOS圖像傳感器的制造方法。本發明能實現對光電二極管的反偏時的耗盡區深度進行精確調節并從而能對光電二極管進行縱向尺寸進行很好的拓展，同時能提高光電二極管之間的光學或電學隔離。

技術領域

本發明涉及半導體集成電路制造領域，特別是涉及一種CMOS圖像傳感器(CMOSImage Sensor，CIS)。本發明還涉及一種CMOS圖像傳感器的制造方法。

背景技術

現有CMOS圖像傳感器由像素(Pixel)單元電路和CMOS電路構成，像素(Pixel)單元電路位于像素區(Pixel area)、CMOS電路為邏輯電路位于邏輯區(Logic area)。相對于CCD圖像傳感器，CMOS圖像傳感器因為采用CMOS標準制作工藝，因此具有更好的可集成度，可以與其他數模運算和控制電路集成在同一塊芯片上，更適應未來的發展。

根據現有CMOS圖像傳感器的像素單元電路所含晶體管數目，其主要分為3T型結構和4T型結構。

如圖1所示，是現有3T型CMOS圖像傳感器的像素單元電路的等效電路示意圖；現有3T型CMOS圖像傳感器的像素單元電路包括光電二極管D1和CMOS像素讀出電路。所述CMOS像素讀出電路為3T型像素電路，包括復位管M1、放大管M2、選擇管M3，三者都為NMOS管。

所述光電二極管D1的N型區和所述復位管M1的源極相連。

所述復位管M1的柵極接復位信號Reset，所述復位信號Reset為一電位脈沖，當所述復位信號Reset為高電平時，所述復位管M1導通并將所述光電二極管D1的電子吸收到讀出電路的電源Vdd中實現復位。當光照射的時候所述光電二極管D1產生光生電子，電位升高，經過放大電路將電信號傳出。所述選擇管M3的柵極接行選擇信號Rs，用于選擇將放大后的電信號輸出即輸出信號Vout。

如圖2所示，是現有4T型CMOS圖像傳感器的像素單元電路的等效電路示意圖；和圖1所示結構的區別之處為，圖2所示結構中多了一個轉移晶體管或稱為傳輸管M4，所述轉移晶體管M4的源區為連接所述光電二極管D1的N型區，所述轉移晶體管M4的漏區為浮空有源區(Floating Diffusion，FD)，所述轉移晶體管M4的柵極連接傳輸控制信號Tx。所述光電二極管D1產生光生電子后，通過所述轉移晶體管M4轉移到浮空有源區中，然后通過浮空有源區連接到放大管M2的柵極實現信號的放大。

如圖3A所示，是現有CMOS圖像傳感器的像素區的俯視圖；圖3B是沿圖3A中線AA處的剖面圖；像素區用于形成各像素單元，各像素單元中包括了光電二極管和CMOS像素讀出電路，光電二極管是將光轉換為電的關鍵器件，光電二極管是由N型區102和由底部的P型半導體襯底101組成的P型區疊加而成。在N型區102的周側還形成有P型阱103。CMOS像素讀取電流的各晶體管通常都為NMOS，這些NMOS管都形成在P型阱103上。由圖3A所示可知，各像素單元會排列成陣列結構。

CIS的感光度會和像素區的尺寸大小強相關。光電二極管在復位后，N型區102基本會被耗盡，光會在耗盡區中被吸收被產生對應的光生電子，耗盡區還作為存儲光生電子的勢阱。所以，光電二極管的N型區102所形成的耗盡區越大，吸收效率和感光度也就會越高，勢阱所能存儲的光生電子的容量即滿阱容量也會越大。

但是，如果通過增加光電二極管的N型區102的橫向尺寸來提高光電二極管的N型區102所形成的耗盡區，則會光電二極管所占用的面積會增加，不利于CMOS圖像傳感器的尺寸縮小。