图像传感器及其像素单元的制备方法

图像传感器及其像素单元的制备方法
【专利摘要】本发明涉及半导体技术领域，公开了一种图像传感器及其像素单元的制备方法。本发明中，图像传感器包含组成阵列的复数个像素单元，每一个像素单元包含：一个光电二极管、一个场效应晶体管和一个双极型晶体管；其中，光电二极管与场效应晶体管的源区相连，场效应晶体管的漏区与双极型晶体管的基区相连；场效应晶体管的栅区引出作为像素单元的控制端，双极型晶体管的发射区引出作为像素单元的输出端；其中，光电二极管收集光线产生电信号，电信号通过场效应晶体管和双极型晶体管的组合进一步放大之后输出。与现有技术相比，本发明有利于提供更佳的成像质量。
【专利说明】
图像传感器及其像素单元的制备方法
技术领域
[0001] 本发明设及半导体技术领域，特别设及一种图像传感器及其像素单元的制备方 法。
【背景技术】
[0002] 图像传感器是一种将光信号转换成电信号的器件。图像传感器广泛用于诸如数字 照相机、摄像录像机、智能手机、游戏机、安防摄像机、医用微型照相机、望远镜等的技术领 域。随着科技的发展，对高性能图像传感器的需求快速增长。
[0003] 其中，互补型金属氧化物半导体（CMOS)图像传感器是目前主流的图像传感器之 一。CMOS图像传感器的一个像素包含:一个光电二极管，用W产生与入射光成比例的电荷， 同时它也包含了其他一些电子元件，W提供缓存转换和复位功能。当每个像素上的电容所 积累的电荷达到一定数量并被传送给信号放大器再通过数模转换之后，所拍摄影像的原始 信号得W真正形成。CMOS图像传感器具有成本低、功耗小等优点，但在成像质量方面，仍存 在一定的改善空间。

【发明内容】

[0004] 本发明的目的在于提供一种图像传感器及其像素单元的制备方法，W提供更佳的 成像质量。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种图像传感器，包含:组成阵列 的复数个像素单元，每一个像素单元包含:一个光电二极管、一个场效应晶体管和一个双极 型晶体管;其中，所述光电二极管与所述场效应晶体管的源区相连，所述场效应晶体管的漏 区与所述双极型晶体管的基区相连;所述场效应晶体管的栅区引出作为所述像素单元的控 制端，所述双极型晶体管的发射区引出作为所述像素单元的输出端;其中，所述光电二极管 收集光线产生电信号，所述电信号通过所述场效应晶体管和所述双极型晶体管的组合进一 步放大之后输出。
[0006] 本发明的实施方式还提供了一种图像传感器像素单元的制备方法，包含W下步 骤：
[0007] 提供一高渗杂衬底；
[000引在衬底之上生长轻渗杂外延层，作为双极型晶体管的集电区；
[0009] 在所述外延层之上形成栅氧化层，并在所述栅氧化层之上形成场效应晶体管的栅 区；
[0010] 在外延层之上进行第一次光刻，开出窗口，进行第一次离子注入，形成场效应晶体 管的源区；其中，第一次光刻得到的光刻胶至少遮蔽预留制作双极型晶体管的区域；
[0011] 在外延层之上进行第二次光刻，开出窗口，进行第二次离子注入，形成场效应晶体 管的漏区；其中，第二次光刻得到的光刻胶至少遮蔽预留制作双极型晶体管的区域；
[0012] 在外延层之上进行第=次光刻，开出窗口，进行第=次离子注入，形成双极型晶体 管的基区；其中，第=次光刻得到的光刻胶至少遮蔽场效应晶体管所在的区域；
[0013] 进行第四次离子注入，形成双极型晶体管的发射区；
[0014] 在对应于所述源区的位置形成透光区域；
[0015] 将所述栅区W及所述发射区引出，得到像素单元的控制端和输出端。
[0016] 本发明实施方式相对于现有技术而言，组成成像阵列的每个像素单元包含一个光 电二极管、一个场效应晶体管和一个双极型晶体管，并且光电二极管与场效应晶体管的源 区相连，场效应晶体管的漏区与双极型晶体管的基区相连，并将场效应晶体管的栅区引出 作为像素单元的控制端，双极型晶体管的发射区引出作为像素单元的输出端，从而，光电二 极管将收集的光线转换成电信号，由于光电二极管与场效应晶体管的源区相连，所W该电 信号在控制端的作用下可W引起场效应晶体管的漏极电荷发生变化，而该电荷变化经双极 型晶体管放大后由双极型晶体管发射极（即输出端)输出，因此，通过监测一定时间内的双 极型晶体管的输出端的电压(或电流)变化，即可检测光线的强度。本实施方式的图像传感 器在每个像素单元中，都直接对由光线产生的电信号进行放大后再输出至图像传感器的相 应部件处理，因此，本实施方式的图像传感器能够检测到更加微弱的光信号，从而具有更佳 的灵敏度，提高成像质量。
[0017] 优选地，所述像素单元包含衬底，形成在所述衬底之上的外延层作为所述双极型 晶体管的集电区，形成在所述外延层中的场效应晶体管的源区、漏区W及双极型晶体管的 基区和发射区，形成在所述外延层上场效应晶体管的源区、漏区之间的栅氧化层，形成在所 述栅氧化层之上的场效应晶体管的栅区；其中，所述场效应场效应晶体管的栅区，W及所述 双极型晶体管的发射区引出，作为所述像素单元的控制端和输出端;所述像素单元在场效 应场效应晶体管的源区所在区域为透光区域，所述场效应场效应晶体管的源区作为所述光 电二极管用于通过所述透光区域收集光。
[0018] 优选地，所述场效应晶体管的漏区和所述双极型晶体管的基区相邻接。
[0019] 优选地，所述场效应晶体管的漏区和所述双极型晶体管的基区之间具有隔离区， 所述漏区和所述基区通过形成在所述外延层之上的金属层互连。
【附图说明】
[0020] 图Ia是根据本发明第一实施方式集电极从正面引出的像素单元的结构及电路原 理不意图；
[0021] 图Ib是根据本发明第一实施方式集电极从背面引出的像素单元的结构及电路原 理不意图；
[0022] 图Ic是根据本发明第一实施方式光照充电前像素单元的电势示意图；
[0023] 图Id是根据本发明第一实施方式光照充电后像素单元的电势示意图；
[0024] 图Ie是根据本发明第一实施方式电子转移过程中像素单元的电势示意图；
[0025] 图If是根据本发明第一实施方式电子转移后像素单元的电势示意图；
[0026] 图2a是根据本发明第一实施方式像素单元的发射极电流Ie与发射极电压Ve在仿 真条件下的关系曲线示意图；
[0027] 图化是场效应晶体管的漏极电流Id与漏极电压Vd在与图2a具有相同仿真条件下 的关系曲线示意图；
[0028] 图3a是根据本发明第一实施方式像素单元的转移特性仿真示意图；
[0029] 图3b是根据本发明第一实施方式的像素单元电流放大特性仿真示意图；
[0030] 图4a是根据本发明第一实施方式像素单元的集电极电流Ic相对发射极电压Ve的 输出特性；
[0031] 图4b是根据本发明第一实施方式像素单元的源极电流Is相对发射极电压Ve的输 出特性；
[0032] 图5是根据本发明第一实施方式像素单元W及单独的FET的1/f噪声特性；
[0033] 图6a根据本发明第一实施方式像素单元的电流流向分布示意图；
[0034] 图化根据本发明第一实施方式像素单元的电流放大曲线示意图；
[0035] 图7a是根据本发明第一实施方式包含有无源的像素单元的图像传感器的结构示 意图；
[0036] 图7b是根据本发明第一实施方式包含有有源的像素单元的图像传感器的结构示 意图；
[0037] 图8是根据本发明第二实施方式像素单元的制备方法的流程图；
[0038] 图9是根据本发明第二实施方式像素单元的制备方法的步骤802制得的像素单元 的结构示意图；
[0039] 图10是根据本发明第二实施方式像素单元的制备方法的步骤803制得的结构示意 图；
[0040] 图11是根据本发明第二实施方式像素单元的制备方法的步骤804制得的结构示意 图；
[0041] 图12是根据本发明第二实施方式的制备方法中从正面引出集电极时步骤805制得 的像素单元的结构示意图；
[0042] 图13是根据本发明第二实施方式的制备方法中从正面引出集电极时步骤806制得 的像素单元的结构示意图；
[0043] 图14是根据本发明第二实施方式的制备方法中从正面引出集电极时步骤807制得 的像素单元的结构示意图；
[0044] 图15是根据本发明第二实施方式的制备方法中从正面引出集电极时步骤809制得 的像素单元的结构示意图；
[0045] 图16是根据本发明第=实施方式的制备方法中从背面引出集电极时制得的像素 单元的结构示意图。
【具体实施方式】
[0046] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实 施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可W理解，在本发明各实施方式中， 为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有运些技术细节和基 于W下各实施方式的种种变化和修改，也可W实现本申请各权利要求所要求保护的技术方 案。
[0047] 本发明的第一实施方式设及一种图像传感器，用于作为数字相机、智能手机、游戏 机等的成像设备的图像传感器单元，其核屯、在于图像传感器的每个像素单元由光电二极 管、场效应晶体管（Ion-Sensitive Field-Effect Transistor:FET)和双极型晶体管 (Bipolar Junction Transisto;r:BJT)的混合结构组成。
[0048] 本实施方式中图像传感器包含:组成阵列的复数个像素单元。其中，每一个像素单 元包含:一个光电二极管、一个场效应晶体管和一个双极型晶体管。其中，光电二极管与场 效应晶体管的源区相连，场效应晶体管的漏区与双极型晶体管的基区相连。场效应晶体管 的栅区引出作为像素单元的控制端，双极型晶体管的发射区引出作为像素单元的输出端。 光电二极管收集光线产生电信号，电信号通过场效应晶体管和双极型晶体管的组合进一步 放大之后输出。
[0049] 结合图Ia所示，对每个像素单元的基本结构进行详细说明。每个像素单元包含:衬 底1，形成在衬底之上的外延层2作为双极型晶体管的集电区。作为举例而非限制，本实施方 式中的衬底可W选用娃衬底、碳化娃衬底或者儒(Ge)衬底。像素单元还包含形成在外延层 中的场效应晶体管的源区3、漏区4W及双极型晶体管的基区5和发射区6,形成在外延层2上 场效应晶体管的源区3、漏区4之间的栅氧化层，形成在栅氧化层之上的场效应晶体管的栅 区7。场效应晶体管的漏区4和双极型晶体管的基区5相邻。本实施方式将像素单元的集电区 9由其正面引出得到像素单元的集电极90,具体地，在外延层2内形成连接衬底的重渗杂区， 将重渗杂区引出，得到像素单元的集电极90。为了使得引出的各端子之间形成良好绝缘，像 素单元还包含形成在衬底1上用于电学隔离的氧化绝缘层8。像素单元的集电区9,栅区7和 发射区6形成有接触孔和通孔，像素单元还包含形成在各接触孔和通孔之间的介质层W及 金属互连线。双极型晶体管的集电区（即连接外延层和衬底的重渗杂区）由金属互连线引 出，作为像素单元的集电极9。场效应晶体管的栅区7, W及双极型晶体管的发射区6分别由 金属互连线引出，作为像素单元的控制端70和输出端60。
[0050] 本实施方式中像素单元还包含形成在外延层2中并位于重渗杂区和发射区外侧的 第一隔离区IOW及形成在场效应晶体管的漏区4和双极型晶体管的基区5之间的第二隔离 区11，像素单元还包含形成在外延层2之上的金属层12,场效应晶体管的漏区4和双极型晶 体管的基区5通过该金属层12互连。通常，第一隔离区10或者第二隔离区11可W采用浅沟道 隔离技术（Shadow化ench Isolation,简称STI)或者局部娃氧化技术形成。通过增加第一 隔离区更加有利于图像传感器的大规模集成。
[0051] 需要说明的是，本实施方式中像素单元的控制端、输出端W及场效应晶体管的集 电极均由像素单元的正面引出。于其他实施方式中，像素单元的场效应晶体管的集电极还 可W从像素单元的背面（即衬底）引出，如图Ib所示。此外，像素单元场效应晶体管的漏区与 双极型晶体管的基区还可W直接相邻，从而使得像素单元的结构更为简化。
[0052] 本实施方式中，将场效应晶体管的栅区7引出作为像素单元的控制端70,将双极型 晶体管的发射区6引出作为像素单元的输出端60。与现有的场效应晶体管相比，本实施方式 的像素单元是非几何对称的，运使得本实施方式的像素单元能够兼容不同的几何设计和渗 杂剂量(doping)。此外，由于场效应晶体管的漏区和衬底的双极效应，当场效应晶体管的漏 区呈现负压时，场效应晶体管中会产生较大的负电流，而本实施方式中，由于像素单元的发 射端有一个PNP双极，因此，像素单元中不会产生同样大的负电流。
[0053] 本实施方式中，对娃衬底或者碳化娃衬底进行外延生长，形成垂直PNP管的集电 区，N-区（即N型轻渗杂区）作为PNP管的基区，与N沟道的场效应晶体管FET的漏极相连。因 此，单个像素单元的工作原理如下：
[0054]在MOS管的栅极70施加高电压，使得源区3、栅区7和漏区4的电势达到稳定状态，如 图Ic所示。当光线(光子)到达光电二极管的娃体(也就是MOS管的源区）内后，部分晶格上娃 原子的共价键被打断，从而形成电子空穴对，其被释放的电子的数目正比于入射光的强度， 如图Id所示，电荷积蓄在源区3。去除栅极7的高电压，积蓄在源区3的电荷向漏区4转移，如 图Ie所示。一定时间W后，电荷转移达到稳定状态，如图If所示。漏区4的电荷变化通过BJT 管进行放大，在BJT的发射区读取运一放大的电荷变化即可得到入射在源区的光的强度。值 得说明的是，在发射区的引出电极上连接不同的检测电路可将电荷变化转换成电流或者电 压的变化检测。
[005日]本实施方式通过采用半导体工艺及器件仿真软件Si IvacoTCAD (Techno Iogy Computer Aided Design)对于像素单元的特性进行了验证。并通过仿真数据对本实施方式 像素单元的工作条件、特性进行进一步说明如下：
[0056] 图2a示出了像素单元的发射极（即像素单元的输出端）电流Ie与发射极电压Ve在 仿真条件下的关系曲线示意图。图化示出了像素单元内部FET的漏极电流Id与漏极电压Vd 在与图2a具有相同仿真条件下的关系曲线示意图。其中，栅极（即像素单元的控制端）电压 Vg = 1V，集电极电压Vc = OV，衬底（Sub)电压VSub = OV，源极电压Vsour C e = OV。漏极电压Vd 和发射极电压Ve电压分别从OV增加至3V。当Vg=IV时，在饱和区，像素单元的发射极电流Ie 相当于相同条件下独立FET的漏极电流的100倍。由图2a、2b可知，当漏极电压Vd〉0时，场效 应晶体管即可产生电流，并且场效应晶体管的漏极电流Id随着漏极电压Vd的增加而达到饱 和。而对于本实施方式的像素单元而言，当发射极电压Ve〉0.7V时开始产生电流，运是由于 PN结自身的阔值电压决定的。像素单元饱和区的电流达到了 10E-4数量级水平，是独立的 FET电流增益的100倍。经分析可知，像素单元达到饱和状态需要两个预设条件:其一是像素 单元内FET的栅极电压Vg应当大于FET的阔值电压，其二是BJT上的发射极电压Ve应当大于 PN结的阔值电压。
[0057] 如图3a示出了本实施方式像素单元的转移特性，即像素单元源极电流Is与栅极电 压Vg关系曲线。图3a中，Is表示像素单元内部FET的源极电流，Ic表示像素单元的集电极电 流，gms、gmc表示相应的跨导。VT表示阔值电压，Vg=I，gm达到峰值，如图3a中的垂直线所 示。图3b示出了电流增益(集电极电流与源极电流之比）曲线。由图3b可知，像素单元内部的 电流增益大于独立的FET的电流增益，该电流增益为集电极电流Ic与源极电流Is的比值，由 于集电极电流Ic近似于发射极电流Ie,所W本实施方式中的电流增益统一为发射极电流Ie 与源极电流Is之比（即le/Is)。发射极电压Ve = IV,相当大且稳定的直接电流增益漏极电流 Id与源极电流Is的比值在线性区（线性区条件:发射极与源极电压差￥63<栅极电压Vg-阔值 电压VT)和饱和区(饱和条件:发射极与源极电压差Ves〉栅极电压Vg-阔值电压VT)均达到80 倍。当栅极电压￥肖<阔值电压VT时，集电极电流Ic相对于源极电流Is的电流增益可W达到 180 倍。
[005引由图4a、4b可知，集电极电流Ic和源极电流Is在Ve<0.7V时很小，因为BJT(即双极 型晶体管）内的PN结的阔值电压低于发射极电压Ve，仅有0.7V。因为像素单元内部的FET具 有阔值电压VT，当栅极电压分别取0.8V、0.4V时的两条曲线均落入亚阔区域。当栅极电压分 别取1.2V和1.5V时，两条曲线达到饱和电流，图4a中集电极电流为IO- 2A,图4b源极电流Is 为IO-4A,运项结果表明像素单元实现了放大作用。
[0059] 像素单元一定会因低频信号的干扰而受到影响。由迁移率涨落理论(mobility fluctuation theory)可知，噪声的功率谱密度（power spectrum density)Si是像素单元 中的发射极电流Ie和噪音频率f共同决定的。而S/ET是由源极电流Is和噪声频率共同决定 的。比如SI/I2 = (?/fNt。tal，叫是豪格化ooge)常量，一般取2xlO-3.4，Sv则会受到栅极电压的 影响，Sv/Si = gm2.2，Vg取1.5V，Ve、Vd分别取lV，像素单元和其内的阳T均工作在线性区，Sv-f与S/ET的仿真结果在如图5所示的噪音应用中得到验证。像素单元和其内的FET的特性均 随着频率呈现负相关。而像素单元的1/f噪声与其内的FET相比，减小了5.7倍，运表明像素 单元比单独的FET具有更佳的低频噪音抗干扰能力。
[0060] 由于FET的电流路径与醒OS相同，它的电流从漏极流向源极，克服了大于阔值电压 的栅极电压Vg。而本实施方式中像素单元电流与FET完全不同。如图6a所示，像素单元的电 流包含两条路径，其一是BJT中的垂直电流，其二是FET中的水平电流。其中，像素单元的驱 动电流主要是BJT产生的垂直方向电流。如图化所示，水平方向电流仅为垂直方向电流的 1%。事实上，FET也有非常小的垂直方向电流，它是由热载流子产生的。FET的垂直电流对于 FET阔值电压的稳定性W及栅极氧化层的完整性和可靠性都是有害的。像素单元中的垂直 电流大约为水平电流的100倍，运使得像素单元具有稳定的放大电流。
[0061] 对于大规模集成电路制造而言，像素单元的双极型晶体管的大制程窗口（big process window)是确保器件性能一致(比如放大倍数0(发射极电流与源极电流的比值）） 的关键，尤其当要在8英寸娃片上采用110纳米工艺时，器件之间，忍片之间，娃片之间的均 匀性要求是十分严格的。如图1所示，Wl表示BJT基区的水平宽度，w2表示BJT基区垂直宽度。 Wl取参考值0.35微米(micrometer,简称um)，w2参考值0.3微米，分别对两者的参考值增加 或者减小0.1微米，并进行8组实验，表1示出了其中一种参考条件。在基区水平方向上，保持 放大倍数e为一常量，通过修改获取不同的Wl值分别为0.25、0.35、0.45微米。我们可^看到 当水平方向基极宽度的公差在30%时，制得的器件仍然具有良好的一致性。也说明了主要 是纵向的双极型晶体管在起放大作用，改变横向基区宽度对放大倍数没有影响。而在基区 垂直方向上，放大倍数e与渗杂深度成反比，其中w2各取0.2、0.3.、0.4微米。放大倍数如勺值 与基区纵向宽度w2的乘积为常量，运表明不同的工作电流与放大倍数0可W通过调整基区 纵向宽度w2而得到，从而可W优化像素单元的信号放大特性。
[0062] 表 1
[0063]
[0064] 综上所述，本实施方式的像素单元具有较佳的直接电流放大能力W及低频噪声的 抗干扰能力。能够满足110纳米制程的一致性要求。并且放大倍数P能够根据BJT的基区纵向 宽度进行调整。运些特性使得本实施方式的像素单元在基因序列检测和CMOS成像等要求大 规模集成、高密度整合的领域极具竞争力。
[0065] 结合上述像素单元，可W构成无源像素传感器和有源像素传感器，W下分别进行 说明：
[0066] 如图7a所示为包含有无源像素单元阵列的图像传感器示意图。其中，像素图像传 感器包含:阵列1，行选择线20、列选择线30和读出放大器3。阵列1中位于同一行的像素单元 10的控制端100连接到同一行选择线20。阵列1中位于同一列的像素单元10的输出端101连 接到同一列选择线30。列选择线30连接读出放大器3。
[0067] 如图7b所示为有源像素单元结构示意图，图像传感器还可W包含:位输出线和与 位输出线连接的读出放大器。图像传感器在每一个像素单元10还对应设置有一个复位晶体 管T1、一个源跟随晶体管T2和一个行选通晶体管T3。像素单元10的输出端101与复位晶体管 Tl的源极和源跟随晶体管T2的栅极相连。源跟随晶体管T2的源极与行选通晶体管T3的源极 相连。复位晶体管Tl的漏极和源跟随晶体管T2的漏极连接电源。复位晶体管Tl的栅极和行 选通晶体管T3的栅极分别连接复位信号和行选通信号。行选通晶体管的漏极连接位输出 线。它是由光敏二极管、复位管Tl,源跟随器T2和行选通开关管T3组成。复位管Tl对光敏二 极管和电容复位，源跟随器T2的作用是实现对信号的放大和缓冲，改善APS的噪声问题。源 跟随器还可W加快总线电容的充放电，因而允许总线长度增加和像素规模增大。该种图像 传感器的工作过程是:首先进入"复位状态"，Tl打开，对光敏二极管复位，然而进入"采样状 态"，Tl关闭，光照射到光电二极管上产生光生载流子，并通过源跟随器T2放大输出。最后进 入"读出状态"，运时行选通管T3打开，信号通过列总线输出。
[0068] 通过图7a和7b可知，本实施方式的图像传感器既可W实现无源的设计方式，也可 W采用有源的设计方式，设计十分灵活。
[0069] 此外，值得说明的是，本实施方式WP型衬底，N型源漏的MOS管W及PNP型的BJT管 为例进行了说明，但本发明并不应W此为限制，WN型衬底，P型源漏的MOS管W及NPN型的 BJT管也应在本发明的保护范围之内。
[0070] 本发明的第二实施方式设及一种图像传感器的制备方法，其流程如图8所示，包含 W下步骤：
[0071] 步骤801:提供一高渗杂衬底。作为举例而非限制，本实施方式的衬底为高渗杂P型 衬底。
[0072] 步骤802:在衬底之上生长轻渗杂外延层，作为双极型晶体管的集电区。对应于步 骤801中的高渗杂P型衬底，本实施方式中的外延层为轻渗杂P型外延层。本步骤中，还可W 在外延层形成隔离区，隔离区包含第一隔离区10和第二隔离区11，其中，第二隔离区用于隔 离场效应晶体管的漏区与双极型晶体管的基区，第一隔离区位于外延层的两端，如图9所 /J、- O
[0073] 步骤803:在外延层之上形成栅氧化层，并在栅氧化层之上形成场效应晶体管的栅 区。具体地，可W采用W下子步骤制作栅区：
[0074] 热氧化方法在外延层上生长栅氧化层7,淀积多晶娃并渗杂，刻蚀出多晶娃栅图 形，轻渗杂漏（lightly doped化ain，LDD)N型杂质离子注入，在栅氧化层两侧形成LDD浅 结，形成侧墙。为防止大剂量的源区漏区注入过于接近沟道从而导致短沟道效应，在LDD注 入之后要在多晶娃栅的两侧形成侧墙。在娃片表面淀积二氧化娃，干法刻蚀直至露出多晶 娃表面。由于各向异性刻蚀，多晶娃栅两侧保留二氧化娃侧墙，如图10所示。
[0075] 步骤804:在外延层之上进行第一次光刻，开出窗口，进行第一次离子注入，形成场 效应晶体管的源区。其中，第一次光刻得到的光刻胶至少遮蔽预留制作双极型晶体管的区 域。第一次光刻得到的光刻胶至少遮蔽预留制作双极型晶体管的区域。本步骤中，光刻胶还 遮蔽预留的用于制作双极型晶体管集电区的区域，该集电区预留区域与隔离区10相邻。退 火后形成场效应晶体管源区3。本实施方式中，在步骤802中形成隔离区10的步骤中，在隔离 区10内侧预设有双极型晶体管的集电区9,因此步骤804形成的结构如图11所示。
[0076] 步骤805:在外延层之上进行第二次光刻，开出窗口，进行第二次离子注入，形成场 效应晶体管的漏区。其中，第二次光刻得到的光刻胶至少遮蔽预留制作双极型晶体管的区 域，如图12所示。
[0077] 步骤806:在外延层之上进行第=次光刻，开出窗口，进行第=次离子注入，形成双 极型晶体管的基区。其中，第=次光刻得到的光刻胶至少遮蔽场效应晶体管所在的区域。即 在除预留的双极型晶体管的基区之外的区域设置光刻胶，开出基区对应的窗口，N型低剂量 杂质离子注入，从而形成双极型晶体管的基区5,如图13所示。
[0078] 步骤807:进行第四次离子注入，形成双极型晶体管的发射区。本实施方式中，在除 预留的双极型晶体管的发射区之外的区域设置光刻胶，开区发射区对应的窗口，P型重渗杂 杂质离子注入，从而形成双极型晶体管的发射区6,如图14所示。具体地，在外延层之上进行 第=次光刻，开出窗口，进行第四次离子注入，形成双极型晶体管的发射区。其中，第=次光 刻得到的光刻胶遮蔽场效应晶体管所在的区域W及基区的部分区域。于其他实施方式中， 无需重新制作光刻胶层，还可W通过调节离子注入方向，使得P型重渗杂杂质离子倾斜注入 预留的发射区，从而形成双极型晶体管的发射区。具体地，在进行离子注入，形成双极型晶 体管的发射区的步骤中，采用前次光刻得到的光刻胶，仅需调整离子注入方向，形成双极型 晶体管的发射区。从而，可W省去光刻胶层的制作步骤，有利于节约成本。需要说明的是，本 步骤中，还可W形成连接漏区和基区的金属层。
[0079] 步骤808:在对应于源区的位置形成透光区域。
[0080] 步骤809:将栅区W及发射区引出，得到像素单元的控制端和输出端。本步骤具体 包含接触孔形成和绝缘层形成。利用物理气相沉积(PVD)在娃片表面沉积一层金属、退火， 形成金属娃化物（即绝缘介质层8)。多层互连工艺实现器件的电气功能。多层互连金属线顶 层可W为引出的场效应晶体管的栅极，经纯化、封装形成像素器，如图15所示。
[0081] 需要说明的是，本实施方式步骤802至步骤807的各步骤中设及到的形光刻W及离 子注入方法均为本领域技术人员所熟知，此处不再详述。应当理解，本发明中形成像素的源 区、漏区、栅区W及双极型晶体管的基区、集电区和发射区的具体步骤及其顺序不应W本实 施方式为限。
[0082] 本实施方式相对于现有技术而言，通过一系列步骤在衬底上形成场效应晶体管和 双极型晶体管混合结构，使其与现有技术中的CCD或者CMOS成像单元相比，不仅具有直接电 流放大能力、较佳的噪声抑制能力，而且可W制造结构简单的成像忍片，有利于提高成像质 量、降低制造成本。
[0083] 上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可W合并为一个步骤或者 对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围 内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法 和流程的核屯、设计都在该专利的保护范围内。
[0084] 不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与 第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有 效，为了减少重复，运里不再寶述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在 第一实施方式中。
[0085] 本发明的第=实施方式设及一种图像传感器的像素单元的制备方法。第=实施方 式与第二实施方式大致相同，主要区别之处在于:在第二实施方式中，像素单元的集电极从 正面引出。而在本发明第=实施方式中，半导体生物传感器的集电极从背面引出。
[0086] 具体地，在进行第一次离子注入，形成场效应晶体管的源区的步骤中，场效应晶体 管的源区和隔离区直接相邻，无需预留作为双极型晶体管集电区的重渗杂区，可W直接从 衬底引出双极型晶体管的集电极。此外，本实施方式中制得的场效应晶体管的漏区与双极 型晶体管的基区之间直接相邻，即无需在该漏区与基区之间另设隔离区，其余步骤与第二 实施方式的制备方法相同，制得的像素单元的结构如图16所示。
[0087] 本领域的普通技术人员可W理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例， 而在实际应用中，可W在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
【主权项】
1. 一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包含组成阵列的复数个像素单元，每 一个像素单元包含一个光电二极管、一个场效应晶体管和一个双极型晶体管； 其中，所述光电二极管与所述场效应晶体管的源区相连，所述场效应晶体管的漏区与 所述双极型晶体管的基区相连； 所述场效应晶体管的栅区引出作为所述像素单元的控制端，所述双极型晶体管的发射 区引出作为所述像素单元的输出端； 其中，所述光电二极管收集光线产生电信号，所述电信号通过所述场效应晶体管和所 述双极型晶体管的组合进一步放大之后输出。2. 根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述像素单元包含衬底，形成在所 述衬底之上的外延层作为所述双极型晶体管的集电区，形成在所述外延层中的场效应晶体 管的源区、漏区以及双极型晶体管的基区和发射区，形成在所述外延层上场效应晶体管的 源区、漏区之间的栅氧化层，形成在所述栅氧化层之上的场效应晶体管的栅区； 其中，所述场效应场效应晶体管的栅区，以及所述双极型晶体管的发射区引出，作为所 述像素单元的控制端和输出端； 所述像素单元在场效应场效应晶体管的源区所在区域为透光区域，所述场效应场效应 晶体管的源区作为所述光电二极管用于通过所述透光区域收集光。3. 根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述场效应晶体管的漏区和所述双 极型晶体管的基区相邻接。4. 根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述场效应晶体管的漏区和所述双 极型晶体管的基区之间具有隔离区，所述漏区和所述基区通过形成在所述外延层之上的金 属层互连。5. 根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包含行选择线、 列选择线和读出放大器； 阵列中位于同一行的像素单元的控制端连接到同一行选择线； 阵列中位于同一列的像素单元的输出端连接到同一列选择线； 所述列选择线连接所述读出放大器。6. 根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包含位输出线和 与所述位输出线连接的读出放大器； 所述图像传感器在每一个像素单元还对应设置有一个复位晶体管、一个源跟随晶体管 和一个行选通晶体管； 所述像素单元的输出端与所述复位晶体管的源极和所述源跟随晶体管的栅极相连； 所述源跟随晶体管的源极与所述行选通晶体管的源极相连； 所述复位晶体管的漏极和所述源跟随晶体管的漏极连接电源； 所述复位晶体管的栅极和所述行选通晶体管的栅极分别连接复位信号和行选通信号； 所述行选通晶体管的漏极连接位输出线。7. -种图像传感器像素单元的制备方法，其特征在于，包含以下步骤： 提供一尚惨杂衬底； 在衬底之上生长轻掺杂外延层，作为双极型晶体管的集电区； 在所述外延层之上形成栅氧化层，并在所述栅氧化层之上形成场效应晶体管的栅区； 在外延层之上进行第一次光刻，开出窗口，进行第一次离子注入，形成场效应晶体管的 源区；其中，第一次光刻得到的光刻胶至少遮蔽预留制作双极型晶体管的区域； 在外延层之上进行第二次光刻，开出窗口，进行第二次离子注入，形成场效应晶体管的 漏区；其中，第二次光刻得到的光刻胶至少遮蔽预留制作双极型晶体管的区域； 在外延层之上进行第三次光刻，开出窗口，进行第三次离子注入，形成双极型晶体管的 基区；其中，第三次光刻得到的光刻胶至少遮蔽场效应晶体管所在的区域； 进行第四次离子注入，形成双极型晶体管的发射区； 在对应于所述源区的位置形成透光区域； 将所述栅区以及所述发射区引出，得到像素单元的控制端和输出端。8. 根据权利要求7所述的图像传感器像素单元的制备方法，其特征在于，在所述进行第 四次离子注入，形成双极型晶体管的发射区的步骤中，采用第三次光刻得到的光刻胶，调整 离子注入方向，形成所述双极型晶体管的发射区。9. 根据权利要求7所述的图像传感器像素单元的制备方法，其特征在于，在所述进行第 四次离子注入，形成双极型晶体管的发射区的步骤中，在外延层之上进行第四次光刻，开出 窗口，进行第四次离子注入，形成双极型晶体管的发射区；其中，第四次光刻得到的光刻胶 遮蔽场效应晶体管所在的区域以及基区的部分区域。10. 根据权利要求7所述的图像传感器像素单元的制备方法，其特征在于，在衬底之上 生长轻掺杂外延层的步骤之后，还包含以下步骤： 在所述外延层形成隔离区，其中一个隔离区用于隔离所述场效应晶体管的漏区与所述 双极型晶体管的基区； 在形成双极型晶体管的发射区的步骤之后，在所述外延层之上，对应于用于隔离所述 场效应晶体管的漏区与所述双极型晶体管的基区的隔离区的位置，形成连接所述漏区和所 述基区的金属层。
【文档编号】H01L27/146GK105826344SQ201610288989
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】侯春源, 丛永鑫, 张世理
【申请人】芜湖生命谷基因科技有限公司