专利名称：小尺寸cmos图像传感器像素结构及生成方法
技术领域：
本发明涉及金属互补氧化物半导体(CMOS)固态图像传感器，具体讲，涉及小尺寸的CMOS图像传感器像素的光电ニ极管结构。
背景技术：
图像传感器是将入射光信号转换为电信号的半导体器件。其根据工作原理不同，主要分为两类电荷稱合型图像传感器(Charge Coupled Device)和CMOS图像传感器(complementary metal-oxi de-semi conductor)。近年来，受益于标准 CMOS エ艺的快速进步及特征尺寸的不断減少，CMOS图像传感器可以和更多的数模电路集成在同一块芯片上，实现了低功耗，低成本，高集成度等CXD图像传感器无法比拟的优点，这也促进了近年来CMOS图像传感器的飞速发展。CMOS图像传感器是由像素阵列，模拟前端电路，数模转换单元和时序控制电路共同组成。但在整个图像传感器架构中处于核心地位的是像素单元阵列。其作为CMOS图像传感器的基本感光単元，按工作原理主要分为有源像素与无源像素，按集成度可以分为三管有源像素(3T-APS)、钳位ニ极管四管有源像素(4T-APS)、钳位ニ极管五管有源像素(5T-APS)，其中4T-APS是市场的主流。传统的4T-APS剖面结构如图I所示，4T-APS由ー个光电ニ极管(180，200，110)，浮空扩散节点160、传输管170、复位管150、源级跟随器140和地址选通管130共同組成。像素的感光特性很大程度上是由这六个器件的尺寸结构与エ艺參数決定的，尤其受光电ニ极管和传输管的尺寸结构与エ艺參数影响最大，其将从根本上影响整个图像传感器最終成像性能的好坏。传统4T有源像素光电ニ极管是由在P型外延层110上注入ー个N埋层200，与表面形成的高浓度掺杂P+钳位层190和外延110共同构成，用于接收入射到图像传感器表面的入射光子111并产生与入射光光强对应的信号电荷。这种结构在设计大尺寸像素时虽然主流，但若应用这种光电ニ极管结构设计小尺寸像素，随着标准CMOSエ艺中特征尺寸的减少，每个像素单元面积将減少，这ー效应的直接影响是电荷收集区面积也会随之減少，将导致像素単元满阱容量的減少。小尺寸像素下，满阱容量的减小将会造成图像传感器的动态范围減少、暗电流在小像素中的影响将会越来越大、信噪比偏低等缺点，严重影响小像素图像传感器的成像效果。那么，如何在小尺寸エ艺下设计电荷收集区域的结构尺寸与エ艺參数，使图像传感器同时具有高满阱容量、低暗电流、高信噪比、高动态范围的小尺寸像素，就变得尤为重要。近几年，为减少小像素下阱容量不够和由之带来的动态范围小、信噪比低等不足，一种采用多步离子注入形成分层ro结构的概念被提出，其结构如图2所示。在这种分层结构中，传统H)结构中仅有的ー块N型注入区被一个高浓度的P+插入层210隔开，被P+插入层分割的整个N型掺杂区200是由单一一种N型杂质完成掺杂的。在这个ro分层结构 中，整个N型区域其实是ー个开ロ向左、由一种杂质构成的U型埋层结构，其与P插入层210共同起到收集信号电荷的作用。采用这种分层结构的ro，在设计小尺寸像素时，由于引入了这层重掺杂的P+型插入层210，将使光电ニ极管200内核中本可能无法完全耗尽的区域完全耗尽，最終拥有较大的满阱容量。显然这是通过使未耗尽的区域完全耗尽来达到“激活”的作用，即提高耗尽程度让更多的区域可以被用来收集光生电子。但需要指出的是，当N埋层200已经完全耗尽时，再用此方法增大满肼将不再有效。其他途径可以增大满阱容量我们也可以通过増大整个N埋层200的浓度可以被耗尽的总量来増大满阱容量。但这种方法势必会增加与表面P型钳位层190接触的N埋层200的掺杂浓度，从而间接增大在si-si02界面处产生的暗电流，最終会増大各种噪声，并严重降低信噪比。综上所述，即提高满阱容量与減少暗电流、増大信噪比之间有ー个相互制约的因素一掺杂浓度。如何避开这ー相互制约因素，在不便暗电流増大的情况下同时提高满阱容量、动态范围、信噪比等指标，这将是小像素设计中亟待解决的重要问题。
发明内容
本发明g在克服现有技术的不足，提供ー种小尺寸的CMOS图像传感器像素的光电ニ极管结构，使得优化后的小像素単元可以在不増大暗电流的情况下增加满阱容量，从 而完成间接增大动态范围、信噪比等，完成小像素下像素単元的优化设计，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，ー种小尺寸CMOS图像传感器像素结构，由一种杂质半导体构成光电ニ极管N埋层外层，由另ー种杂质半导体构成光电ニ极管N埋层内层,构成光电ニ极管N埋层内层的杂质半导体比构成N埋层外层杂质半导体的浓度大、扩散系数小，N埋层的内层形状为开ロ向左的U型，U型中间部位由P型掺杂注入形成P插入层，P插入层范围左侧始自光电ニ极管区域左侧边界，右侧最远距离传输管X处，X范围最大值不大于整个光电ニ极管N埋层宽度，最小值趋向于零但始終大于零，N埋层的外层N埋层的内层全部包埋。扩散系数较大的杂质半导体是磷，扩散系数较小的杂质半导体是神。所述的像素结构尺寸成比例变化构成大像素CMOS图像传感器像素结构。ー种小尺寸CMOS图像传感器像素结构生成方法，包括下列步骤选择使用扩散系数不同的磷P和神AS共同形成N埋层，在第一歩注入时使用扩散系数较大的磷注入形成N埋层外层，其浓度比第二步砷注入浓度要小，第二步形成神注入层时，其浓度比第一步磷注入浓度更大，同时控制注入能量使得最終达到扩散系数较大的磷注入层将扩散系数较小的神注入层全部包埋的N埋层结构，神注入层为U型，在U型中间注入P型插入层。所述步骤细化为在掺杂浓度为IXio1Vcm3的P型外延层内注入低浓度的磷形成N埋层外层结构，其注入能量范围为70KeV 220KeV，掺杂浓度范围为lXKT/cn^至I X IO1Vcm3 ;再注入比N埋层外层浓度更高的砷形成双杂质包埋的光电ニ极管N埋层内层，其注入能量范围为70KeV 290KeV，掺杂浓度范围为lX10n/cm3 2. 5 X IO1Vcm3 ;使用新掩膜版，掩膜版开ロ范围为，左侧始自光电ニ极管N埋层左边界，右侧为距离传输管X距离处，在此窗ロ范围内，注入P型掺杂的ニ氟化硼，最終形成P插入层，P插入层注入能量范围为10千电子伏 100千电子伏，掺杂浓度范围为I X 10n/cm3 5X 1013/cm3，并最终形成由不同扩散系数杂质共同构成的内嵌光电ニ极管结构，其形状为开ロ向左的U型。若选择同时使用扩散系数不同的N型掺杂组合，选择范围是氮、磷、神、锑、铋。 P型插入层开ロ为向右，即由左侧插入光电ニ极管N埋层。本发明的技术特点及效果
所引入的由不同扩散系数杂质共同构成的分层与内嵌N埋层结构的钳位ニ极管，在像素感光面积不变的前提下，I.新设计的小像素钳位ニ极管满阱容量更大。由于新结构是由扩散系数不同的两种杂质共同组成，可以使用更高剂量的神AS注入形成N区的内部，从而使新满阱容量比完全使用単一低剂量的磷掺杂形成的满阱容量更大。2.新设计的小像素钳位ニ极管暗电流比完全使用单一高剂量AS掺杂形成的N埋层暗电流低。这种内嵌AS掺杂结构相较完全的高剂量AS掺杂结构而言(如图4-1)，虽然其阱容量没有高浓度砷AS掺杂大，但其产生的暗电流小。因为整个N埋层的浓度梯度由中心高浓度的AS渐变到较低浓度的P，而不是直接以很高浓度的AS与P+钳位层相邻，使得所产生的暗电流更小。
3.新钳位ニ极管由于纵向p+/n/n+/p/n+/n/p的叠加，新光电ニ极管产生的物理深度也会在一定范围内增加，从而增加向纵向方向的耗尽区范围，可以增加长波光谱的量子效率。4.新设计的小像素钳位ニ极管电荷传输速度更快。远离传输管TX的钳位ニ极管N区被P插入层耗尽后电势降低，而靠近传输管TX的N区由于其AS注入量比远离TX的N区AS注入量多，所以靠近TX管ー侧的电势更高，促进了在N区中收集的光生电子的转移，提高了电荷自钳位ニ极管N区向FD的传输速度。
图I传统4T-APS像素单元结构剖面图。图2分层PB)像素单元结构剖面图。图3由单一一种杂质注入形成的N埋层原理图及其对应掺杂分布曲线图。图4本发明采用的由不同扩散系数杂质共同构成的内嵌N埋层PH)结构原理图及其相应的浓度分布曲线。图5应用本发明改进图2后的分层与内嵌N埋层PH)像素単元结构剖面图。
具体实施例方式本发明为ー种基于分层ro结构上的结构优化，用以在设计小像素图像传感器吋，在不增大暗电流的基础上，同时提升小像素下满阱容量、动态范围的方法。在传统pro及未改进的分层pro结构(图I与图2)中，N埋层200是由单一的同种N型掺杂实现的，如磷(P)或神(AS)。而对于単一掺杂磷(P)的N埋层来说，因为P在离子注入时，拥有相对较高的扩散系数，使注入形成的N埋层的浓度分布曲线易形成浓度较低，范围较大的掺杂浓度分布，即“扁宽型”，如图3B所示。而如果为了增大小像素的满阱容量，仅仅用更高剂量的AS掺杂注入形成N埋层时，会使注入形成N埋层的浓度曲线易形成浓度较大但扩散范围比较小的曲线，即“窄瘦型”，如图3A所示。这是因为AS在离子注入过程中，具有相对较低的扩散系数。但这种高剂量的AS注入会使N埋层与Si-Si02产生更大的暗电流，使像素単元的暗电流特性变得更差。在本发明中，鉴于AS和P在离子注入时的扩散系数有很大差异，尤其随着温度越高，两者扩散系数差距越大。如图4，若选择同时使用扩散系数不同的(磷)P和(神)AS共同形成N埋层，且在第一歩注入形成砷层240吋，剂量较大，第二步形成磷注入层230吋，剂量较小，同时控制注入能量使得最終达到扩散系数较大的(磷)P注入层230将扩散系数较小的(神)AS注入层240全部包埋的N埋层结构，其特征结构与浓度-深度曲线如图4所示。通过两步不同扩散系数掺杂形成的N埋层，可以看出其N埋层上表面与表面P型层180接触区域附近P (磷)浓度比中心AS (神)浓度要低。即AS注入层提供一个更高的阱容量，P (磷)注入层使得整个N埋层的浓度梯度由中心高浓度的AS渐变到较低浓度的P (磷)，而不是直接以很高浓度的AS与表面P+型钳位层相邻，使得所产生的暗电流更小。同时，插入的P型层也能确保采用的双扩散系数杂质増大的满阱容量可以被完全耗尽，从而确保这种优化的光电ニ极管结构可以被用于小像素下提升满阱容量的同时，可以优化动态范围，信噪比及暗电流等特性。
本发明中，为了在不增大暗电流的情况下，设计拥有更高满阱容量的小像素，现利用图4所示结构对图2所示分层pro结构进行改善。改善后的结构即为采用这种由不同扩散系数杂质共同构成的内嵌分层N埋层钳位光电ニ极管，其新结构图如图5所示。图5中A-A’虚线处的结构即为图4中的结构。整个光电ニ极管的N埋层由两种扩散系数的杂质共同构成，一种是由低浓度的磷构成的外层320，其注入能量范围为70KeV 220KeV，掺杂浓度范围为IelO Iel3/cm3 ;—种是由较高浓度的砷构成的内层220，其形状为开ロ向左的倒U型，其注入能量范围为70KeV 290KeV，掺杂浓度范围为Iell 2. 5el3/cm3。N埋层内层由P型掺杂的ニ氟化硼注入形成P插入层，其注入能量范围为IOKeV lOOKeV，掺杂浓度范围为Iell 5el3/cm3，其距离传输管距离为X，理论上X的变化范围是大于0，小于等于光电ニ极管N埋层的宽度。此处，X的距离控制为整个光电ニ极管N埋层总宽度的一半处。图5相比图2所示的分层PH)而言，因为其N埋层与P+钳位层接触的上部分采用较低浓度的磷掺杂，所以在不增大暗电流的情况下获得了由更高剂量砷掺杂而带来的阱容量的提闻，从而提闻动态范围、イ目噪比等重要參数。本发明中使用的AS与P作为ー对掺杂组合是因为其在现有的半导体制造エ艺下相对普遍与成熟，但需要指出的是，其他类型的N型掺杂组合也同样适用。只要这种同型掺杂组合拥有不同的扩散系数，如砷与铋的组合也是适用的。同时，几乎所有的N型掺杂组合(氣、憐、神、铺、秘)都是适用的。本发明所采用的两种不同扩散系数的N型杂质形成N埋层，也可以采用三种或三种以上扩散系数不同的N型杂质共同实现，皆属于本专利精神范围。本发明中采用的内嵌分层ro结构，其开ロ向左的。但需要指出的是，开ロ方向，向右亦属于本专利精神范围。在开ロ向右结构中，P插入层插入范围是大于0，小于等于光电ニ极管N埋层宽度。插入方向由光电ニ极管N埋层右侧插入。本发明用为了在不增大暗电流的情况下，设计拥有更高满阱容量的小像素。但需要指出的是，若采用此专利方法设计大像素图像传感器也属于本专利精神范围。本发明，是通过多次注入不同扩散系数的杂质形成内嵌分层N埋层钳位光电ニ极管，用于改善设计小像素时暗电流与阱容量的制约关系。其光电ニ极管具体实施方案是參照图5所示，在掺杂浓度为Iel5/cm3的P型外延层110上注入低浓度的磷形成N埋层外层结构320，其注入能量范围为70KeV 220KeV，掺杂浓度范围为IelO lel3/cm3 ;再注入较高剂量的神形成整个光电ニ极管的N埋层220，其注入能量范围为70KeV 290KeV，掺杂浓度范围为Iell 2. 5el3/cm3。再次注入P型掺杂的ニ氟化硼注入形成P插入层，其注入能量范围为IOKeV lOOKeV，掺杂浓度范围为Iell 5el3/cm3。最终形成由不同扩散系数杂质共同构成的内嵌光电ニ极管结构，其形状为开ロ向左的倒U型，。下面结合实施例具体介绍最佳实施方式在硼掺杂浓度为Iel5/cm3的P型外延层上，两次注入N型杂质共同形成光电ニ极管的N区。在第一次注入时，使用传统H)光刻版，注入杂质为磷，其能量为200KeV，剂量为O. 5el2/cm3，用以形成低浓度的N埋层320 ;第二步同样使用传统H)光刻版，注入杂质为神，其能量为170KeV，剂量为1.5el2/cm3，用以形成整个光电ニ极管内嵌N埋层部分220 ；第三步注入形成P型插入层210，需要使用一块新光刻版，其排列 在距离传输管X距离的位置，注入杂质为ニ氟化硼，注入能量为IlOKeV,剂量为Iel3/cm3完成P插入层的注入。最后注入形成P+钳位层，使用的是传统H)光刻版，注入能量为35KeV，剂量为Iel3/cm3。采用以上エ艺參数可以实现基于分层ro结构上的结构优化，用以在不増大暗电流的基础上，同时实现设计拥有更高满阱容量、更大动态范围的小像素图像传感器像素单元的设计。
权利要求
1.ー种小尺寸CMOS图像传感器像素结构，其特征是，由一种杂质半导体构成光电ニ极管N埋层外层，由另ー种杂质半导体构成光电ニ极管N埋层内层，构成光电ニ极管N埋层内层的杂质半导体比构成N埋层外层杂质半导体浓度大、扩散系数小，N埋层的内层形状为开ロ向左的U型，U型中间部位由P型掺杂注入形成P插入层，P插入层范围左侧始自光电ニ极管区域左侧边界，右侧最远距离传输管X处，X范围最大值不大于整个光电ニ极管N埋层宽度，最小值趋向于零但始終大于零，N埋层的外层N埋层的内层全部包埋。
2.如权利要求I所述的小尺寸CMOS图像传感器像素结构，其特征是，扩散系数大的杂质半导体是磷，扩散系数小的杂质半导体是神。
3.如权利要求I所述的小尺寸CMOS图像传感器像素结构，其特征是，所述的像素结构尺寸成比例变化构成大像素CMOS图像传感器像素结构。
4.ー种小尺寸CMOS图像传感器像素结构生成方法，其特征是，包括下列步骤选择使用扩散系数不同的磷P和神AS共同形成N埋层，在第一歩注入时使用扩散系数较大的磷注入形成N埋层外层，其浓度比第二步砷注入浓度要小，第二步形成神注入层时，其浓度比第ー步磷注入浓度更大，同时控制注入能量使得最終达到扩散系数较大的磷注入层将扩散系数较小的砷注入层全部包埋的N埋层结构，神注入层为U型，在U型中间注入P型插入层。
5.如权利要求4所述的像素结构生成方法，其特征是，所述步骤细化为在掺杂浓度为IXlO1Vcm3的P型外延层内注入低浓度的磷形成N埋层外层结构，其注入能量范围为70KeV 220KeV，掺杂浓度范围为I X 1010/cm3至I X IO1Vcm3 ;再注入比N埋层外层浓度更高的砷形成双杂质包埋的光电ニ极管N埋层内层，其注入能量范围为70KeV 290KeV，掺杂浓度范围为lX10n/cm3 2. 5 X IO1Vcm3 ;使用新掩膜版，掩膜版开ロ范围为，左侧始自光电ニ极管N埋层左边界，右侧为距离传输管X距离处，在此窗ロ范围内，注入P型掺杂的ニ氟化硼，最終形成P插入层，P插入层注入能量范围为10千电子伏 100千电子伏，掺杂浓度范围为IX 10n/cm3 5X 1013/cm3,并最终形成由不同扩散系数杂质共同构成的内嵌光电ニ极管结构，其形状为开ロ向左的U型。
6.如权利要求4所述的像素结构生成方法，其特征是，若选择同时使用扩散系数不同的N型掺杂组合,选择范围是氮、磷、神、铺、秘。
7.如权利要求4所述的像素结构生成方法，其特征是，P型插入层开ロ为向右，即由左侧插入光电ニ极管N埋层。
全文摘要
本发明涉及金属互补氧化物半导体固态图像传感器。为提供一种小尺寸的CMOS图像传感器像素的光电二极管结构，使得优化后的小像素单元可以在不增大暗电流的情况下增加满阱容量，从而间接增大动态范围、信噪比等，完成小像素下像素单元的优化设计，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，小尺寸CMOS图像传感器像素结构，像素光电二极管是由在P型外延层上注入一个较浅的N型区域埋层构成，N型区域是一个开口向左、由同型扩散系数较大的杂质构成的U型埋层结构，U型埋层结构中间位置是扩散系数较小的同型杂质；扩散系数较大的杂质注入层将扩散系数较小的杂质注入层全部包埋。本发明主要应用于CMOS固态图像传感器的设计制造。
文档编号H01L27/146GK102683372SQ20121014366
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月10日 优先权日2012年5月10日
发明者史再峰, 姚素英, 孙羽, 徐江涛, 高志远, 高静 申请人:天津大学