[發(fā)明專利]一種增強(qiáng)吸收的背照式抗輻照PPD像元結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210737686.7
• 申請(qǐng)日: 2022-06-27
• 公開（公告）號(hào): CN115050768A
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 呂智軍;李婷;何杰;李海松;徐晚成;崔雙韜;曹天驕;袁昕;張曼;楊靚
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安微電子技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): H01L27/146
• 分類號(hào): H01L27/146
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 崔方方

本發(fā)明公開了一種增強(qiáng)吸收的背照式抗輻照PPD像元結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法，像元結(jié)構(gòu)中阱注入?yún)^(qū)、傳輸管閾值調(diào)整注入層和PD注入?yún)^(qū)設(shè)置在外延層上，傳輸管閾值調(diào)整注入層的一側(cè)設(shè)置有柵氧化層和柵極，F(xiàn)D區(qū)位于阱注入?yún)^(qū)內(nèi)部，高k介質(zhì)層覆蓋器件表面，鈍化層淀積在器件表面。通過淀積高k介質(zhì)層與反射金屬層，利用金屬與半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差，在半導(dǎo)體PD注入?yún)^(qū)的表面感應(yīng)出空穴，并通過將金屬層與外延層共同接到電源地，實(shí)現(xiàn)對(duì)PPD表面感生空穴層的電位鉗制，從而避免了通過高劑量離子注入的方式形成光電二極管表面的鉗位層，有效的減少了PPD表面由于注入損傷引入的缺陷，減少了光電二極管中光電子在表面的復(fù)合，提升了像素單元的量子效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于圖像傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種增強(qiáng)吸收的背照式抗輻照PPD像元結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)

由于互補(bǔ)型金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工藝技術(shù)在大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路(Very Large Scale Integration,VLSI)制程中的推廣，CIS(CMOS Image Sensors,CIS)近些年發(fā)展迅速，并實(shí)現(xiàn)將光電感光模塊與圖像信號(hào)處理模塊集成于同一芯片，從而大幅度降低了研制成本，并縮短了研發(fā)周期。像素單元(簡稱像元)在整個(gè)傳感器系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，負(fù)責(zé)將光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào)，是真正意義上實(shí)現(xiàn)“傳感”的單元，也是圖像傳感器的組成核心。因此，基于像素單元展開深入充分的研究對(duì)圖像傳感器的發(fā)展具有極其重大的意義于價(jià)值。

鉗位光電二極管(Pinned Photodiode，PPD)結(jié)構(gòu)擁有眾多優(yōu)勢(shì)，首先表現(xiàn)在P⁺鉗位層的引入使光電二極管光敏收集區(qū)上移，具備良好的短波段光電荷收集能力，提升了藍(lán)光量子效率；其次，光電二極管由單結(jié)耗盡變?yōu)殡p結(jié)耗盡，增大了光敏區(qū)收集體積，提升了像元的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍；再次，鉗位型結(jié)構(gòu)可使感光節(jié)點(diǎn)被鉗位至固定電勢(shì)，從而可增大電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與感光節(jié)點(diǎn)之間的電勢(shì)差，有利于電荷向存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的完全轉(zhuǎn)移；最后，掩埋式光敏收集區(qū)的設(shè)計(jì)減弱了光電荷收集過程光電子被Si-SiO₂界面缺陷復(fù)合的影響，大大降低了像元的暗電流。PPD像元由于在諸多性能方面的優(yōu)越性以及潛在應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性使其備受研究人員的關(guān)注，因此具有極大的研究意義和價(jià)值。

然而，傳統(tǒng)的PPD像元結(jié)構(gòu)中鉗位層是通過離子注入形成的，因而在注入的過成中會(huì)在光電二極管表面處引入注入損傷缺陷，雖然鉗位層的存在可以抑制光電子在光電二極管表面的復(fù)合，但是注入損傷在表面沿體內(nèi)的方向上居于一定分布，引入的缺陷對(duì)光電子的復(fù)合作用難以完全抑制，從而限制了PPD像元的量子效率、靈敏度與安電流等特性。因此，需要探索能夠降低光電二極管表面缺陷的PPD像元設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步提升圖像傳感器的效率。另外，CIS在航空航天技術(shù)領(lǐng)域也具有用重要應(yīng)用。人造衛(wèi)星是航天技術(shù)的核心，而圖像傳感器是人造衛(wèi)星的“眼睛”，從深空探測(cè)到地表環(huán)境監(jiān)測(cè)，圖像傳感器無不發(fā)揮著重要的作用。然而，空天環(huán)境比日常的生活環(huán)境更為復(fù)雜，空間中充滿各種輻射，空間輻射環(huán)境主要來自宇宙射線、太陽耀斑輻射、圍繞地球的內(nèi)外范艾倫輻射帶、太陽風(fēng)、極光、太陽X射線以及頻譜范圍較寬的電磁輻射等。上述輻射源的主要成分是高能質(zhì)子、高能電子及各種射線等。空間輻射極易對(duì)半導(dǎo)體器件的性能產(chǎn)生損傷，造成微電子系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的故障，導(dǎo)致其無法正常工作。對(duì)于CIS這一精密的微電子系統(tǒng)，輻射將造成其像素器件損傷，導(dǎo)致成像質(zhì)量顯著下降。因此，還需探索能夠保證CIS優(yōu)異性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)抗輻照特性的像元加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中通過離子注入形成的鉗位層，在注入的過程中會(huì)在光電二極管表面引入注入損傷缺陷，損傷缺陷對(duì)光電子的復(fù)合作用難以完全抑制，從而限制了PPD像元的量子效率的問題，提供一種增強(qiáng)吸收的背照式抗輻照PPD像元結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：