專利名稱：Cmos圖像傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種CMOS圖像傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sensor, CIS)憑借其制造工藝和通用的集成電路標(biāo)準(zhǔn)工藝流程兼容性強(qiáng)，而較現(xiàn)有的電荷耦合器件(Charge Coupled Device, (XD)具有明顯的優(yōu)勢。CMOS圖像傳感器不存在CCD技術(shù)中的體積大、功耗高，兼容性差等固有缺陷，反而能夠充分利用現(xiàn)有工藝流程和設(shè)備，并與關(guān)聯(lián)的處理電路實(shí)現(xiàn)整合，具有高度的系統(tǒng)集成度。除此之外，相較CCD，CMOS圖像傳感器具有體積小、功耗低、速度快，成本低廉等優(yōu)勢，已在攝影攝像產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的有源像素是運(yùn)用光電二極管作為圖像傳感器件。通常的有源像素單元是由三個(gè)晶體管和一個(gè)N+/P—光電二極管構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)適合標(biāo)準(zhǔn)的CMOS制造工藝。在對于光電二極管的摻雜的空間分布設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員必須使空間電荷區(qū)避開晶體缺陷等復(fù)合中心集中的地區(qū)，以減小像素的暗電流。而隨著有源像素的尺寸逐漸減小，光電二極管容納電子的阱容量也隨之變小，那么對光的捕獲和光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳輸產(chǎn)生一定的影響。為了避免上述缺陷，現(xiàn)在對于CMOS圖像傳感器通常采用以下兩種設(shè)計(jì)方式:其一，與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的光電二極管和3個(gè)晶體管相結(jié)合，以此保證光電二極管的面積。在所述3T結(jié)構(gòu)的像素操作中，通過開啟復(fù)位晶體管，將像素中放大晶體管的柵極預(yù)充到高電位，從而使光電二極管的P-N結(jié)處于反偏狀態(tài)。在復(fù)位晶體管關(guān)閉后，光電二極管中反偏PN結(jié)通過收集因光電效應(yīng)而在硅體內(nèi)產(chǎn)生的電子，并排斥與之對應(yīng)的空穴，使與之相連的放大晶體管的柵極電位下降。其二，不與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的具有高阱容量的釘扎光電二極管與4個(gè)晶體管結(jié)合的具有較低暗電流的像素結(jié)構(gòu)，所述釘扎光電二極管包括N-層，以及形成在所述N-層上形成的P+連接層。所述4T結(jié)構(gòu)在光照時(shí)，光電二極管在N-處產(chǎn)生電荷，此時(shí)轉(zhuǎn)移晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)。然后轉(zhuǎn)移晶體管打開，將存儲(chǔ)在光電二極管中的電子傳輸?shù)狡」?jié)點(diǎn)，傳輸后，轉(zhuǎn)移晶體管關(guān)閉，并等待下一次光照的進(jìn)入。在漂浮節(jié)點(diǎn)上的電荷信號(hào)隨后用于調(diào)整放大晶體管。讀出后，帶有復(fù)位門的復(fù)位晶體管將漂浮點(diǎn)復(fù)位到一個(gè)參考電壓。但是，在3T結(jié)構(gòu)中的暗電流限制了圖像傳感器的探測極限和動(dòng)態(tài)范圍。在4T結(jié)構(gòu)中，釘扎二極管中結(jié)分布問題引起的光電二極管中電子不能完全轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)的圖像延遲。為了減少或是抑制4T結(jié)構(gòu)中釘扎光電二極管產(chǎn)生的缺陷，確保光電二極管產(chǎn)生的電子更快和更多的通過轉(zhuǎn)移晶體管，中國專利CN200510126641.2利用銦與硼的雙重注入形成P+連接層。低擴(kuò)散率、高濃度的銦層可以阻擋耗盡層向上延伸至表面。硼與銦的不同濃度和擴(kuò)散率形成橫向梯度，這個(gè)梯度具有的電場使電子從感光側(cè)穿過轉(zhuǎn)移管而到達(dá)傳輸們的漏極側(cè)(即漂浮點(diǎn))，從而使電子的收集速度增加，減少滯留在光電二極管中的光電子。但是，由于硼本身的質(zhì)量小，且受到溫度的影響會(huì)再分布，導(dǎo)致硼在光電二極管中的補(bǔ)償過多，使光電二極管和轉(zhuǎn)移管之間的勢壘較大。故針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本案設(shè)計(jì)人憑借從事此行業(yè)多年的經(jīng)驗(yàn)，積極研究改良，于是有了本發(fā)明一種CMOS圖像傳感器及其制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對現(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)的3T結(jié)構(gòu)中暗電流限制了圖像傳感器的探測極限和動(dòng)態(tài)范圍；4T結(jié)構(gòu)中，釘扎二極管中結(jié)分布問題引起的光電二極管中電子不能完全轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)的圖像延遲等缺陷提供一種CMOS圖像傳感器。本發(fā)明之又一目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)的3T結(jié)構(gòu)中暗電流限制了圖像傳感器的探測極限和動(dòng)態(tài)范圍；4T結(jié)構(gòu)中，釘扎二極管中結(jié)分布問題引起的光電二極管中電子不能完全轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)的圖像延遲等缺陷提供一種CMOS圖像傳感器的制備方法。為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器，所述CMOS圖像傳感器，包括設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)的光電二極管、轉(zhuǎn)移晶體管、復(fù)位晶體管、第一浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)、第二浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)，以及用于器件電氣隔離的隔離結(jié)構(gòu)，其中，所述光電二極管具有至少兩個(gè)不同銦摻雜濃度的第一區(qū)域和第二區(qū)域，且位于所述轉(zhuǎn)移晶體管遠(yuǎn)端的第一區(qū)域之銦摻雜濃度小于位于所述轉(zhuǎn)移晶體管近端的第二區(qū)域之銦摻雜濃度?？蛇x地，所述半導(dǎo)體襯底為P型襯底?？蛇x地，所述第一浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)和第二浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)均為N+摻雜區(qū)?？蛇x地，所述光電二極管中形成由所述第二區(qū)域指向所述第一區(qū)域的內(nèi)部電場。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明之又一目的，本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器的制備方法，所述方法包括，執(zhí)行步驟S1:形成常規(guī)結(jié)構(gòu)光電二極管；執(zhí)行步驟S2:控制離子注入角度，對所述常規(guī)結(jié)構(gòu)光電二極管進(jìn)行至少兩次離子注入，從而使得所述光電二極管具有不同銦摻雜濃度的至少第一區(qū)域和第二區(qū)域，且位于所述轉(zhuǎn)移晶體管遠(yuǎn)端的第一區(qū)域之銦摻雜濃度小于位于所述轉(zhuǎn)移晶體管近端的第二區(qū)域之銦摻雜濃度?？蛇x地，所述步驟S2進(jìn)一步包括，執(zhí)行步驟S21:以所述光阻為掩模，對所述常規(guī)結(jié)構(gòu)光電二極管的設(shè)定區(qū)域進(jìn)行第一次離子注入，所述第一次離子注入采用垂直注入角度；執(zhí)行步驟S22:以所述光阻為掩模，對所述常規(guī)結(jié)構(gòu)光電二極管的設(shè)定區(qū)域進(jìn)行第二次離子注入，所述第二次離子注入采用與所述半導(dǎo)體襯底呈α角注入?？蛇x地，所述α角根據(jù)摻雜區(qū)域的寬度設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)整?？蛇x地，所述第一次離子注入的能量為30 120KeV，所述第一次離子注入的濃度為 6X IO11 10X IO12 個(gè) /cm2。可選地，所述第二次離子注入的能量為30 120KeV，所述第二次離子注入的濃度為 6X IO11 10X IO12 個(gè) /cm2。綜上所述，本發(fā)明CMOS圖像傳感器采用至少兩次不同角度離子注入，且利用離子注入的遮蔽效應(yīng)，從而在所述光電二極管上形成具有不同銦摻雜濃度的第一區(qū)域和第二區(qū)域，且位于所述轉(zhuǎn)移晶體管遠(yuǎn)端的第一區(qū)域之銦摻雜濃度小于位于所述轉(zhuǎn)移晶體管近端的第二區(qū)域之銦摻雜濃度。當(dāng)所述光電二極管接入閉合電路時(shí)，在所述光電二極管中便形成由所述第二區(qū)域指向所述第一區(qū)域的內(nèi)部電場E，從而提高了光電子的傳輸速度，減少了滯留在光電二極管中的光電子，提高了所述光電二極管收集光電子的效率，也減少了圖像延遲或信息丟失的現(xiàn)象。


圖1所示為本發(fā)明CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2所示為CMOS圖像傳感器之光電二極管第一次銦摻雜的示意圖；圖3所示為CMOS圖像傳感器之光電二極管第二次銦摻雜的示意圖。
具體實(shí)施例方式為詳細(xì)說明本發(fā)明創(chuàng)造的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所達(dá)成目的及功效，下面將結(jié)合實(shí)施例并配合附圖予以詳細(xì)說明。請參閱圖1,圖1所示為本發(fā)明CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。所示CMOS圖像傳感器I包括設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底10內(nèi)的光電二極管11、轉(zhuǎn)移晶體管12、復(fù)位晶體管13、第一浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)14、第二浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)15，以及用于器件電氣隔離的隔離結(jié)構(gòu)16，其中，所述光電二極管11具有至少兩個(gè)不同銦摻雜濃度的第一區(qū)域111和第二區(qū)域112，且位于所述轉(zhuǎn)移晶體管12遠(yuǎn)端的第一區(qū)域111之銦摻雜濃度小于位于所述轉(zhuǎn)移晶體管12近端的第二區(qū)域112之銦摻雜濃度。在本發(fā)明中，定義“遠(yuǎn)端”、“近端”為所述不同銦摻雜濃度的區(qū)域相對所述轉(zhuǎn)移晶體管12所處的位置。在本發(fā)明中，所述半導(dǎo)體襯底10為P型襯底。所述第一浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)14和第二浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)15為N+摻雜區(qū)。所述光電二極管11用于收集光電子，讀出光信號(hào)；所述轉(zhuǎn)移晶體管12用于將所述光電二極管11輸出的信號(hào)傳輸至第一浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)14。在本發(fā)明中，由于所述光電二極管11的第一區(qū)域111和第二區(qū)域112具有不同的銦摻雜濃度，則在工作狀態(tài)下，所述光電二極管11的第一區(qū)域11和第二區(qū)域112具有不同的電勢。具體地，位于所述轉(zhuǎn)移晶體管12遠(yuǎn)端的第一區(qū)域111之銦摻雜濃度小于位于所述轉(zhuǎn)移晶體管12近端的第二區(qū)域112之銦摻雜濃度，則當(dāng)所述光電二極管11接入閉合電路時(shí)，在所述光電二極管11中便形成由所述第二區(qū)域112指向所述第一區(qū)域111的內(nèi)部電場E。由于內(nèi)部電場E的驅(qū)動(dòng)，所述光電二極管11中的光電子進(jìn)一步向所述轉(zhuǎn)移晶體管12方向運(yùn)動(dòng)，從而提高了光電子的傳輸速度，減少了滯留在光電二極管11中的光電子，特別是有效的加速了位于所述光電二極管11遠(yuǎn)端的第一區(qū)域111處的光電子傳輸，提高了所述光電二極管11收集光電子的效率，也減少了圖像延遲或信息丟失的現(xiàn)象。明顯地，在本發(fā)明中，列舉所述光電二極管11具有不同銦摻雜濃度的第一區(qū)域111和第二區(qū)域112，所述不同銦摻雜濃度區(qū)域的數(shù)量不應(yīng)視為對本發(fā)明技術(shù)方案的限制。作為本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解地，所述光電二極管11也可包括銦摻雜濃度呈梯度分布的三個(gè)或者三個(gè)以上不同區(qū)域。具有不同銦摻雜濃度的區(qū)域個(gè)數(shù)并不影響其內(nèi)部電場的形成，并可進(jìn)而對光電子的傳輸起到驅(qū)動(dòng)作用。具體地，所述銦摻雜濃度呈梯度分布是指位于所述轉(zhuǎn)移晶體管12遠(yuǎn)端的區(qū)域之銦摻雜濃度小于位于所述轉(zhuǎn)移晶體管12近端的區(qū)域之銦摻雜濃度。
請參閱圖2、圖3，并結(jié)合參閱圖1，圖2所示為CMOS圖像傳感器之光電二極管第一次銦摻雜的示意圖。圖3所示為CMOS圖像傳感器之光電二極管第二次銦摻雜的示意圖。所述CMOS圖像傳感器的制備方法包括以下步驟，執(zhí)行步驟S1:形成常規(guī)結(jié)構(gòu)光電二極管Ila ;所謂常規(guī)結(jié)構(gòu)光電二極管Ila即為摻雜濃度不隨其與所述轉(zhuǎn)移晶體管12的距離大小而變化的晶體管。執(zhí)行步驟S2:控制離子注入角度，對所述常規(guī)結(jié)構(gòu)光電二極管Ila進(jìn)行多次離子注入，從而使得所述光電二極管11具有不同銦摻雜濃度的至少第一區(qū)域111和第二區(qū)域112，且位于所述轉(zhuǎn)移晶體管12遠(yuǎn)端的第一區(qū)域111之銦摻雜濃度小于位于所述轉(zhuǎn)移晶體管12近端的第二區(qū)域112之銦摻雜濃度。具體地,所述步驟S2進(jìn)一步包括，執(zhí)行步驟S21:以所述光阻17為掩模，對所述常規(guī)結(jié)構(gòu)光電二極管Ila的設(shè)定區(qū)域進(jìn)行第一次離子注入。其中，所述第一次離子注入采用垂直注入角度。所述第一次離子注入的能量為30 120KeV，所述第一次離子注入的濃度為6 X IO11 10 X IO12個(gè)/cm2。執(zhí)行步驟S22:以所述光阻17為掩模，對所述常規(guī)結(jié)構(gòu)光電二極管11的設(shè)定區(qū)域進(jìn)行第二次離子注入。其中，第二次離子注入采用與所述半導(dǎo)體襯底10呈a角注入。所述第二次離子注入的能量為30 120KeV，所述第一次離子注入的濃度為6 X IO11 10 X IO12個(gè) /cm2。所述a角可根據(jù)摻雜區(qū)域的寬度設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)整。由于所述光阻17傾斜的陰影效應(yīng)，使得所述光電二極管11之近于所述轉(zhuǎn)移晶體管12 —端的第二區(qū)域112的銦摻雜濃度高于所述光電二極管11之遠(yuǎn)離所述轉(zhuǎn)移晶體管12 —端的第一區(qū)域111的銦摻雜濃度。具體而言，由于兩次注入所采用的注入角度存在差異，以及離子注入的遮蔽效應(yīng)，從而在所述光電二極管11上形成具有不同銦摻雜濃度的至少第一區(qū)域111和第二區(qū)域112，且位于所述轉(zhuǎn)移晶體管12遠(yuǎn)端的第一區(qū)域111之銦摻雜濃度小于位于所述轉(zhuǎn)移晶體管12近端的第二區(qū)域112之銦摻雜濃度。當(dāng)所述光電二極管11接入閉合電路時(shí)，在所述光電二極管11中便形成由所述第二區(qū)域112指向所述第一區(qū)域111的內(nèi)部電場E。由于內(nèi)部電場E的驅(qū)動(dòng)，所述光電二極管11中的光電子進(jìn)一步向所述轉(zhuǎn)移晶體管12方向運(yùn)動(dòng)，從而提高了光電子的傳輸速度，減少了滯留在光電二極管11中的光電子，特別是有效的加速了位于所述光電二極管11遠(yuǎn)端的第一區(qū)域111處的光電子傳輸，提高了所述光電二極管11收集光電子的效率，也減少了圖像延遲或信息丟失的現(xiàn)象。綜上所述，本發(fā)明CMOS圖像傳感器采用至少兩次不同角度離子注入，且利用離子注入的遮蔽效應(yīng)，從而在所述光電二極管上形成具有不同銦摻雜濃度的第一區(qū)域和第二區(qū)域，且位于所述轉(zhuǎn)移晶體管遠(yuǎn)端的第一區(qū)域之銦摻雜濃度小于位于所述轉(zhuǎn)移晶體管近端的第二區(qū)域之銦摻雜濃度。當(dāng)所述光電二極管接入閉合電路時(shí)，在所述光電二極管中便形成由所述第二區(qū)域指向所述第一區(qū)域的內(nèi)部電場E，從而提高了光電子的傳輸速度，減少了滯留在光電二極管中的光電子，提高了所述光電二極管收集光電子的效率，也減少了圖像延遲或信息丟失的現(xiàn)象。本領(lǐng)域技術(shù)人員均應(yīng)了解，在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變型。因而，如果任何修改或變型落入所附權(quán)利要求書及等同物的保護(hù)范圍內(nèi)時(shí)，認(rèn)為本發(fā)明涵蓋這些修改和變型。
權(quán)利要求
1.一種CMOS圖像傳感器，包括設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)的光電二極管、轉(zhuǎn)移晶體管、復(fù)位晶體管、第一浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)、第二浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)，以及用于器件電氣隔離的隔離結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光電二極管具有至少兩個(gè)不同銦摻雜濃度的第一區(qū)域和第二區(qū)域，且位于所述轉(zhuǎn)移晶體管遠(yuǎn)端的第一區(qū)域之銦摻雜濃度小于位于所述轉(zhuǎn)移晶體管近端的第二區(qū)域之銦摻雜濃度。
2.如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述半導(dǎo)體襯底為P型襯底。
3.如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述第一浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)和第二浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)均為N+摻雜區(qū)。
4.如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述光電二極管中形成由所述第二區(qū)域指向所述第一區(qū)域的內(nèi)部電場。
5.一種如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器的制備方法，其特征在于，所述方法包括， 執(zhí)行步驟S1:形成常規(guī)結(jié)構(gòu)光電二極管； 執(zhí)行步驟S2:控制離子注入角度，對所述常規(guī)結(jié)構(gòu)光電二極管進(jìn)行至少兩次離子注入，從而使得所述光電二極管具有不同銦摻雜濃度的至少第一區(qū)域和第二區(qū)域，且位于所述轉(zhuǎn)移晶體管遠(yuǎn)端的第一區(qū)域之銦摻雜濃度小于位于所述轉(zhuǎn)移晶體管近端的第二區(qū)域之銦摻雜濃度。
6.如權(quán)利要求5所述的CMOS圖像傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟S2進(jìn)一步包括， 執(zhí)行步驟S21:以所述光阻為掩模，對所述常規(guī)結(jié)構(gòu)光電二極管的設(shè)定區(qū)域進(jìn)行第一次離子注入，所述第一次離子注入采用垂直注入角度； 執(zhí)行步驟S22:以所述光阻為掩模，對所述常規(guī)結(jié)構(gòu)光電二極管的設(shè)定區(qū)域進(jìn)行第二次離子注入，所述第二次離子注入采用與所述半導(dǎo)體襯底呈α角注入。
7.如權(quán)利要求6所述的CMOS圖像傳感器的制備方法，其特征在于，所述α角根據(jù)摻雜區(qū)域的寬度設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)整。
8.如權(quán)利要求6所述的CMOS圖像傳感器的制備方法，其特征在于，所述第一次離子注入的能量為30 120KeV，所述第一次離子注入的濃度為6 X IO11 10 X IO12個(gè)/cm2。
9.如權(quán)利要求6所述的CMOS圖像傳感器的制備方法，其特征在于，所述第二次離子注入的能量為30 120KeV，所述第二次離子注入的濃度為6 X IO11 10 X IO12個(gè)/cm2。
全文摘要
一種CMOS圖像傳感器，包括設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)的光電二極管、轉(zhuǎn)移晶體管、復(fù)位晶體管、第一浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)、第二浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)，以及用于器件電氣隔離的隔離結(jié)構(gòu)，其中，所述光電二極管具有至少兩個(gè)不同銦摻雜濃度的第一區(qū)域和第二區(qū)域，且位于所述轉(zhuǎn)移晶體管遠(yuǎn)端的第一區(qū)域之銦摻雜濃度小于位于所述轉(zhuǎn)移晶體管近端的第二區(qū)域之銦摻雜濃度。本發(fā)明CMOS圖像傳感器采用至少兩次不同角度離子注入，且利用離子注入的遮蔽效應(yīng)，在所述光電二極管中形成由所述第二區(qū)域指向所述第一區(qū)域的內(nèi)部電場E，從而提高了光電子的傳輸速度，減少了滯留在光電二極管中的光電子，提高了所述光電二極管收集光電子的效率，也減少了圖像延遲或信息丟失的現(xiàn)象。
文檔編號(hào)H01L27/146GK103208502SQ20131008515
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者田志, 江潤峰 申請人:上海華力微電子有限公司