能提高信號擺幅的cmos圖像傳感器像素及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種能提高信號擺幅的CMOS圖像傳感器像素及其制作方法，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、行選擇晶體管以及漂浮有源區(qū)，靠近所述漂浮有源區(qū)一側(cè)的電荷傳輸晶體管溝道處設(shè)有N型雜質(zhì)離子區(qū)，所述N型雜質(zhì)離子區(qū)與所述漂浮有源區(qū)相接，并且不與光電二極管相接。N型雜質(zhì)離子區(qū)的勢阱耗盡電勢小于或等于所述光電二極管的完全耗盡電勢。能有效提高像素的電勢信號擺幅，拓展像素的電荷飽和阱容量及動態(tài)范圍，傳感器采集到了高照明時更多的實物信息，有效提升了圖像傳感器輸出的圖像品質(zhì)。
【專利說明】能提高信號擺幅的CMOS圖像傳感器像素及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種CMOS圖像傳感器像素，尤其涉及一種能提高信號擺幅的CMOS圖像傳感器像素及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼相機、移動手機、醫(yī)療器械、汽車和其他應(yīng)用場合。特別是制造CMOS (互補型金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，使人們對圖像傳感器的輸出圖像品質(zhì)有了更高的要求。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中，CMOS圖像傳感器一般采用四晶體管像素(4T)結(jié)構(gòu)。如圖1所示，是采用CMOS圖像傳感器4T有源像素結(jié)構(gòu)的示意圖，包括虛線框內(nèi)的橫截面示意圖和虛線框外的電路示意圖兩部分。4T有源像素的元器件包括:光電二極管的N型區(qū)101，光電二極管的P型PIN層102，電荷傳輸晶體管103，復(fù)位晶體管104，漂浮有源區(qū)105，P型阱區(qū)106，復(fù)位晶體管漏端107，源跟隨晶體管108，行選擇晶體管109，列位線110 ;TX為晶體管103的柵極端，RX為晶體管104的柵極端，SX為晶體管109的柵極端，Vdd為電源電壓。光電二極管接收外界入射的光線，產(chǎn)生光電信號；開啟晶體管103，將光電二極管中的光電信號轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)(FD)區(qū)后，由晶體管108所探測到的FD勢阱內(nèi)電勢變化信號經(jīng)110讀取并保存。
[0004]圖2a、2b示出了圖1虛線框內(nèi)器件部分，在進行光電電荷轉(zhuǎn)移操作時的勢阱示意圖。圖中，201為光電二極管區(qū)的勢阱，202為FD區(qū)勢阱，203為電荷轉(zhuǎn)移晶體管，204為復(fù)位晶體管，Vpin為光電二極管的完全耗盡電勢,Vfd為FD區(qū)的復(fù)位電勢；其中圖2a為開啟電荷轉(zhuǎn)移晶體管進行電荷轉(zhuǎn)移時的勢阱圖，圖2b為電荷轉(zhuǎn)移完畢后關(guān)閉電荷轉(zhuǎn)移晶體管的勢阱圖。由圖2a、2b所示，可得FD區(qū)的線性信號擺幅為Vfd-Vpin，其中低于Vpin部分的信號為非線性無效信號。由此可見，上述現(xiàn)有技術(shù)中，漂浮有源區(qū)低于光電二極管完全耗盡電勢部分的光電信號沒有被利用，信號擺幅被限制到Vfd-Vpin。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種能提高信號擺幅的CMOS圖像傳感器像素及其制作方法。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明的能提高信號擺幅的CMOS圖像傳感器像素，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、行選擇晶體管以及漂浮有源區(qū)，靠近所述漂浮有源區(qū)一側(cè)的電荷傳輸晶體管溝道處設(shè)有N型雜質(zhì)離子區(qū)，所述N型雜質(zhì)離子區(qū)與所述漂浮有源區(qū)相接，并且不與所述光電二極管相接。
[0008]本發(fā)明的上述的能提高信號擺幅的CMOS圖像傳感器像素的制作方法，所述N型雜質(zhì)離子區(qū)的制作工藝在淺槽隔離之后并且在多晶硅柵的制作工藝之前。
[0009]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的能提高信號擺幅的CMOS圖像傳感器像素及其制作方法，由于靠近所述漂浮有源區(qū)一側(cè)的電荷傳輸晶體管溝道處設(shè)有N型雜質(zhì)離子區(qū)，N型雜質(zhì)離子區(qū)與漂浮有源區(qū)相接，并且不與光電二極管相接，能有效提高像素的電勢信號擺幅，拓展像素的電荷飽和阱容量及動態(tài)范圍，傳感器采集到了高照明時更多的實物信息，有效提升了圖像傳感器輸出的圖像品質(zhì)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的CMOS圖像傳感器的四晶體管有源像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2a是現(xiàn)有技術(shù)的CMOS圖像傳感器像素在進行電荷轉(zhuǎn)移操作時，開啟電荷轉(zhuǎn)移晶體管進行電荷轉(zhuǎn)移時的勢阱示意圖。
[0012]圖2b是現(xiàn)有技術(shù)的CMOS圖像傳感器像素在進行電荷轉(zhuǎn)移操作時，電荷轉(zhuǎn)移完畢后關(guān)閉電荷轉(zhuǎn)移晶體管的勢阱示意圖。
[0013]圖3是本發(fā)明實施例中的CMOS圖像傳感器的四晶體管有源像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖4a是本發(fā)明實施例中的CMOS圖像傳感器像素在進行電荷轉(zhuǎn)移操作時，開啟電荷傳輸晶體管進行電荷轉(zhuǎn)移時的勢阱示意圖。
[0015]圖4b是本發(fā)明實施例中的CMOS圖像傳感器像素在進行電荷轉(zhuǎn)移操作時，電荷轉(zhuǎn)移完畢后關(guān)閉電荷轉(zhuǎn)移晶體管的勢阱示意圖。
[0016]圖5是本發(fā)明實施例中的CMOS圖像傳感器像素制作工藝中的P型阱工藝步驟完畢后的橫截面示意圖。
[0017]圖6是本發(fā)明實施例中的CMOS圖像傳感器像素制作工藝中的N型離子區(qū)工藝旋涂光刻膠步驟。
[0018]圖7是本發(fā)明實施例中的CMOS圖像傳感器像素制作工藝中的N型離子區(qū)工藝曝光并顯影步驟。
[0019]圖8是本發(fā)明實施例中的CMOS圖像傳感器像素制作工藝中的N型離子區(qū)工藝N型離子注入步驟。
[0020]圖9是本發(fā)明實施例中的CMOS圖像傳感器像素制作工藝中的N型離子區(qū)工藝清洗光刻膠步驟。
【具體實施方式】
[0021 ] 下面將對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述。
[0022]本發(fā)明的能提高信號擺幅的CMOS圖像傳感器像素，其較佳的【具體實施方式】是:
[0023]包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、行選擇晶體管以及漂浮有源區(qū)，靠近所述漂浮有源區(qū)一側(cè)的電荷傳輸晶體管溝道處設(shè)有N型雜質(zhì)離子區(qū)，所述N型雜質(zhì)離子區(qū)與所述漂浮有源區(qū)相接，并且不與所述光電二極管相接。
[0024]所述N型雜質(zhì)離子區(qū)的勢阱耗盡電勢小于或等于所述光電二極管的完全耗盡電勢。
[0025]本發(fā)明的上述的能提高信號擺幅的CMOS圖像傳感器像素的制作方法，其較佳的【具體實施方式】是:
[0026]所述N型雜質(zhì)離子區(qū)的制作工藝在淺槽隔離之后并且在多晶硅柵的制作工藝之前。包括步驟:
[0027]a.旋涂光刻膠；
[0028]b.曝光并顯影，在預(yù)定區(qū)域光刻膠開口 ；
[0029]c.N型雜質(zhì)離子注入；
[0030]d.清洗光刻膠。
[0031]所述N型雜質(zhì)離子采用磷離子和砷離子中的任一種或兩種離子。
[0032]所述N型雜質(zhì)離子注入，采用磷離子的注入能量小于或等于90keV，注入劑量小于或等于5el2個離子/平方厘米。
[0033]所述N型雜質(zhì)離子注入，采用砷離子的注入能量小于或等于200keV，注入劑量小于或等于5el2個離子/平方厘米。
[0034]所述N型雜質(zhì)離子注入，采用磷離子的注入能量小于或等于90keV，采用砷離子的注入能量小于或等于200keV，兩種離子的注入總劑量小于或等于5el2個離子/平方厘米。
[0035]本發(fā)明的能提高信號擺幅的CMOS圖像傳感器像素及其制作方法，從優(yōu)化像素工藝結(jié)構(gòu)入手，在靠近漂浮有源區(qū)一側(cè)的電荷傳輸晶體管溝道處設(shè)置有N型離子區(qū)，在進行光電電荷轉(zhuǎn)移操作時，此N型離子區(qū)可預(yù)存部分光電電荷，在電荷傳輸晶體管關(guān)閉后，此區(qū)預(yù)存的電荷會流入漂浮有源區(qū)，引起漂浮有源區(qū)的電勢繼續(xù)降低。像素拓展了漂浮有源區(qū)的電勢信號擺幅，使低于光電二極管完全耗盡電勢部分的光電信號從非線性無效信號轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性有效信號。
[0036]在進行電荷轉(zhuǎn)移操作時，儲存在所述N型雜質(zhì)離子區(qū)的電荷在關(guān)閉電荷傳輸晶體管后會流入漂浮有源區(qū)內(nèi)，使漂浮有源區(qū)的電勢繼續(xù)降低，此部分電勢信號仍為線性信號，仍為有效信號，并且此部分信號電勢可低于光電二極管完全耗盡電勢。因此本發(fā)明的圖像傳感器像素有效提高了像素的電勢信號擺幅，拓展了像素的電荷飽和阱容量及動態(tài)范圍。傳感器采集到了高照明時更多的實物信息，有效提升了圖像傳感器輸出的圖像品質(zhì)。
[0037]具體實施例一:
[0038]本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)如圖3所示，包含虛線框內(nèi)的橫截面部分和虛線框外的電路部分示意圖。圖3中，301為光電二極管N型區(qū)，302為光電二極管P型Pin層，303電荷傳輸晶體管，304為復(fù)位晶體管，305為漂浮有源區(qū)FD，306為P型阱區(qū)，307為304漏端，308為源跟隨晶體管，309為行選擇晶體管，310為列位線，311為N型離子區(qū)；STI為淺槽隔離區(qū)，Pipi為半導(dǎo)體基體P型外延層；TX為303柵極端，RX為304柵極端，SX為309柵極端，Vdd為電源電壓。其中311位于303溝道處，并且與305相互接觸，與301不接觸。
[0039]圖4a、4b示出了圖3虛線框內(nèi)器件部分，在進行光電電荷轉(zhuǎn)移操作時的勢阱示意圖。圖4a為開啟電荷傳輸晶體管進行電荷轉(zhuǎn)移時的勢阱圖，圖4b為電荷轉(zhuǎn)移完畢后關(guān)閉電荷傳輸晶體管的勢阱圖。401為光電二極管區(qū)的勢阱，402為FD區(qū)勢阱，403為電荷轉(zhuǎn)移晶體管，404為復(fù)位晶體管，Vpin為光電二極管的完全耗盡電勢，Vfd為FD區(qū)的復(fù)位電勢。圖4a和圖4b所示的411為所述N型離子區(qū)，此N型離子區(qū)在開啟403晶體管時可以預(yù)存部分光電電荷，如圖4a所示；在轉(zhuǎn)移電荷操作后期，關(guān)閉403晶體管后，則預(yù)存在411區(qū)的電荷流入402勢阱區(qū)，如圖4b所示。因此，402勢阱區(qū)的電勢可以低于Vpin電勢，標(biāo)記為Vfd2，則Vpin-Vfd2部分電勢信號來源于411區(qū)存儲的電荷。由此可見，像素的電勢信號擺幅不受Vpin電勢制約，電勢信號擺幅量由原來的Vfd-Vpin拓展到了 Vfd_Vfd2。
[0040]具體實施例二:
[0041]本發(fā)明的CMOS圖像傳感器像素的N型雜質(zhì)離子區(qū)的具體制作方法如圖5至圖9所示，所述N型雜質(zhì)離子區(qū)的工藝制作在淺槽隔離之后并且多晶硅柵工藝之前，本發(fā)明的N型雜質(zhì)離子區(qū)以制作在P型阱工藝之后為例，如圖5所示，506為P型阱區(qū)，P-epi為半導(dǎo)體基體P型外延層，STI為淺槽隔離區(qū)。具體實施步驟為:
[0042]a.旋涂光刻膠；如圖6所示。
[0043]b.曝光并顯影，在預(yù)定區(qū)域光刻膠開口 ；如圖7所示。
[0044]c.N型雜質(zhì)離子注入，如圖8所示，其中811為N型雜質(zhì)離子區(qū)；方式一，采用磷離子的注入能量不大于90keV，注入劑量不大于5el2個離子/平方厘米；方式二，采用砷離子的注入能量不大于200keV，注入劑量不大于5el2個離子/平方厘米；方式三，采用磷離子的注入能量不大于90keV，采用砷離子的注入能量不大于200keV，兩種離子的注入總劑量不大于5el2個離子/平方厘米；
[0045]d.清洗光刻膠，如圖9所示。
[0046]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
【權(quán)利要求】
1.一種能提高信號擺幅的CMOS圖像傳感器像素，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、行選擇晶體管以及漂浮有源區(qū)，其特征在于，靠近所述漂浮有源區(qū)一側(cè)的電荷傳輸晶體管溝道處設(shè)有N型雜質(zhì)離子區(qū)，所述N型雜質(zhì)離子區(qū)與所述漂浮有源區(qū)相接，并且不與所述光電二極管相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能提高信號擺幅的CMOS圖像傳感器像素，其特征在于，所述N型雜質(zhì)離子區(qū)的勢阱耗盡電勢小于或等于所述光電二極管的完全耗盡電勢。
3.—種權(quán)利要求1或2所述的能提高信號擺幅的CMOS圖像傳感器像素的制作方法，其特征在于，所述N型雜質(zhì)離子區(qū)的制作工藝在淺槽隔離之后并且在多晶硅柵的制作工藝之N /.刖。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的能提高信號擺幅的CMOS圖像傳感器像素的制作方法，其特征在于，包括步驟: a.旋涂光刻膠； b.曝光并顯影，在預(yù)定區(qū)域光刻膠開口； c.N型雜質(zhì)離子注入； d.清洗光刻膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的能提高信號擺幅的CMOS圖像傳感器像素的制作方法，其特征在于，所述N型雜質(zhì)離子采用磷離子和砷離子中的任一種或兩種離子。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的能提高信號擺幅的CMOS圖像傳感器像素的制作方法，其特征在于，所述N型雜質(zhì)離子注入，采用磷離子的注入能量小于或等于90keV，注入劑量小于或等于5el2個離子/平方厘米。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的能提高信號擺幅的CMOS圖像傳感器像素的制作方法，其特征在于，所述N型雜質(zhì)離子注入，采用砷離子的注入能量小于或等于200keV，注入劑量小于或等于5el2個離子/平方厘米。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的能提高信號擺幅的CMOS圖像傳感器像素的制作方法，其特征在于，所述N型雜質(zhì)離子注入，采用磷離子的注入能量小于或等于90keV，采用砷離子的注入能量小于或等于200keV，兩種離子的注入總劑量小于或等于5el2個離子/平方厘米。
【文檔編號】H01L27/146GK103996686SQ201410256464
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】郭同輝, 曠章曲, 唐冕 申請人:北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司