提高图像传感器满阱容量与量子效率光电二极管及方法

摘要

提高图像传感器满阱容量与量子效率光电二极管及方法。本发明涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)固态图像传感器。为保证扩展的满阱容量可以全耗尽，使得该扩展是不以损耗图像拖尾性能为前提的，并从根本上提升动态范围、信噪比、灵敏度等像素单元关键性能指标，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，提高图像传感器满阱容量与量子效率光电二极管及方法，结构为：在P型外延层内注入一个深度较浅的N埋层，N埋层上面是高浓度掺杂P+钳位层，N埋层下面还设置有第二个N埋层，第二个N埋层内自其与P型外延层交界面处向N埋层内部，形成有纵向的P插入层结构。本发明主要应用于图像传感器的设计制造。

说明书

技术领域

本发明涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)固态图像传感器，特别涉及一种提高CMOS图 像传感器满阱容量与量子效率的光电二极管结构及制造方法。具体讲，涉及提高图像传感器 满阱容量与量子效率光电二极管及方法。

背景技术

近年来，受益于标准CMOS工艺的进步与CMOS制造工艺的不断改进，CMOS图像传感器已 经超越CCD图像传感器成为固态图像传感器的主流，实现了近年来CMOS图像传感器的飞速发 展。在CMOS图像传感器领域，借助于背面照射式技术的发展，像素单元尺寸实现了跨越式缩 减：由传统正照式下的3um锐减至背照式技术下的0.7um，使得CMOS图像传感器实现低功耗， 低成本，高集成度等CCD图像传感器无法比拟的优点。

CMOS图像传感器是由像素单元阵列，模拟前端电路，数模转换单元和时序控制电路共同 组成的。在整个图像传感器架构中，像素单元阵列处于最核心的地位。其作为CMOS图像传感 器的基本感光单元，将从根本上决定整个图像传感器的成像质量。像素单元按工作原理主要 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)、钳位二极管四管有源 像素(4T-APS)、钳位二极管五管有源像素(5T-APS)，其中4T-APS是市场的主流。按入射光 射入感光区域方向，分为FSI(Front-side-illumination)正面照射式图像传感器，和 BSI(Back-side-illumination)背面照射式图像传感器结构。在传统的正面照射式图像传感器 中，光子是通过感光元件正表面的多层金属层，并最终进入光电二极管正表面；而在背照式 结构中，光子入射方向不变，整个像素单元通过正面背面结构的翻转，使得光子入射不经过 光电二极管正面金属层，而是通过光电二极管背面入射。

背照式4T APS剖面结构如图1所示，该背照式4T-APS由一个光电二极管(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 组成。背照式4T有源像素光电二极管是由三部分共同构成：1.在P型外延层110内注入一个 深度较浅的N埋层200，2.与表面形成的高浓度掺杂P+钳位层180，3.外延110共同构成， 该光电二极管结构用于接收入射光子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，然而，随着像素尺寸的不断缩减，单个像素单元面积将逐步缩 小，设计这些小尺寸像素将面临一些随尺寸缩减产生的新问题：动态范围、信噪比和灵敏度 等关键指标会因像素尺寸减少而受到不同程度地降低。这些限制因素将不同程度地恶化成像 质量并减小可探测光强范围。而增加小尺寸像素的满阱容量将可以同时从根本上解决上述所 有影响。满阱容量的扩展可以通过在小尺寸工艺下设计调整光电二极管结构与工艺参数来实 现，并最终实现同时获得高满阱容量、高量子效率、低暗电流、高信噪比、高动态范围的高 性能小尺寸像素。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，保证扩展的满阱容量可以全耗尽，使得该扩展是不以 损耗图像拖尾性能为前提的，并从根本上提升动态范围、信噪比、灵敏度等像素单元关键性 能指标，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，提高图像传感器满阱容量与量子效率 的光电二极管，结构为：在P型外延层内注入一个深度较浅的N埋层，N埋层上面是高浓度 掺杂P+钳位层，N埋层下面还设置有第二个N埋层，第二个N埋层内自其与P型外延层交界 面处向N埋层内部，形成有纵向的P插入层结构。

提高图像传感器满阱容量与效率的光电二极管形成方法，包括如下步骤：

在P型外延层上先注入较高浓度的磷形成N埋层，其注入能量范围为50千电子伏～100 千电子伏，掺杂浓度范围为7e11～1.5e12/cm³；再进行磷注入形成光电二极管的第二个N埋 层，其注入深度更深且位于N埋层正下方，其注入能量范围为150千电子伏～300千电子伏， 掺杂浓度范围为1e11～9e11/cm³；在形成双N埋层结构后，第二个N埋层内自其与P型外延 层交界面处注入P型掺杂的二氟化硼形成P插入层。

第二个N埋层内自其与P型外延层交界面处注入P型掺杂的二氟化硼形成P插入层，P 型掺杂的离子注入分为两步，第一步使用二氟化硼注入形成第二个N埋层内上部P1区域，注 入能量范围为1,500千电子伏～2000千电子伏，掺杂浓度范围为1e12～2e12/cm³；第二步使 用二氟化硼注入形成P1区域下方毗邻的P2区域，注入能量范围为2500千电子伏～3500千 电子伏，掺杂浓度范围同为1e12～2e12/cm³，最终形成双N埋层P插入层的内嵌光电二极管 结构。

本发明的技术特点及效果：

所引入的双N埋层P插入层新钳位二极管结构，在像素感光面积不变的前提下，

1、本发明的小像素钳位二极管满阱容量更大。由于在初始N1埋层下注入第二个N埋层 N2，增加了光电二极管侧壁电容值，继而增大了满阱容量。

2、本发明的小像素钳位二极管电荷更易被导出至FD结点。因为双N埋层结构是一个梯 度从上向下渐变的N埋层，上侧浓度较高电势较高，下侧浓度较低电势较低，这将促进电子 的转移。更因为P插入层是从N埋层底部插入，过渡区在N埋层上方，不影响电子的转移， 不引入固定模式噪声。

3、新钳位二极管实现更高的量子效率。由于采用了双N埋层结构，物理上的注入深度 会实现纵向扩展，继而扩展纵向耗尽区范围，可以增加靠近衬底背面短波光谱的量子效率。

4、新设计的小像素钳位二极管更容易实现全耗尽，继而实现“无图像拖尾”的效果。因 为P插入层被引入至N埋层内核中原本容易残留电荷的区域，所以在此P插入层的帮助下， 原本容易产生电荷残留的N埋层实现了全耗尽，这将使得像素单元内，前一帧的曝光不会对 下一帧产生电荷残留，不会产生图像拖尾。

附图说明

图1传统背照式4T-APS像素单元结构原理图。

图2传统背照式4T-APS像素单元结构剖面图。

图3由单步N型注入形成的传统背照式光电二极管(PPD)结构剖面图。

图4本发明采用的由两步N型注入形成的双N埋层PPD结构剖面图。

图5本发明在图4基础上插入P型插入区形成的双N埋层P插入层PPD结构剖面。

图6从左侧嵌入P插入层的分层PPD剖面图。

图7从右侧嵌入P插入层的分层PPD剖面图。

图8从上侧嵌入P插入层的分层PPD剖面图。

具体实施方式

本发明涉及一种光电二极管(PD)结构上的优化，这种优化结构可以使小尺寸像素实现 更高的满阱容量，使其不以恶化像素单元图像拖尾为代价。

在传统背照式钳位光电二极管(PPD)结构中，光电二极管N埋层200是由一步N型掺杂 实现的，如图1所示。而随着像素尺寸日渐缩小，单个像素的光电二极管面积也不断减少，N 埋层面积将随之缩减，如若仍然使用此结构，将无法为像素单元提供足够的满阱容量。而如 果为了增大满阱容量，仅提高N埋层200的注入能量使之纵向深度更深的N埋层试图增大满 阱容量，这将使该N埋层缺少明显的纵向浓度梯度，引起远离传输栅(TX)的N埋层内部电 子更加难以被转移到浮空扩散节点(FD)结点。以上现象将造成严重的图像拖尾。

本发明，考虑到图像拖尾性能，本发明的结构改进由两个步骤组成，第一步，不采用单 步高能注入，而是采用两步N型注入形成一个尺寸上更深、浓度上有梯度渐变的双N埋层结 构；第二步，为了帮助扩展的满阱容量实现完全耗尽，多个P型插入区域被纵向插入于新N 埋层与衬底的交界面处。

在第一步注入实现双N埋层结构中，如图4所示，初始的N1埋层的注入实现和传统结构 图3中相同。不同的是，在N1埋层实现后，需要引入一步新的N型注入，该步N型注入使用 更高能量、较低剂量的N型掺杂实现，最终形成一个位于初始的N1埋层正下方的N2埋层。 该新埋层将通过增大侧壁电容310增加整个光电二极管的电容从而提高满阱容量。

在该双N埋层结构中，因为N埋层纵向尺寸的加深，N埋层耗尽区也实现了向光电二极 管背面的扩展，这将使得该结构的量子效率同时得到优化。因为在背照式图像传感器中，光 子是由衬底背面射入像素单元的，耗尽区与背面越近，将有更多的光生电子被耗尽区收集， 将有更多蓝色光生电子被耗尽区收集，这将显著提高短波长的量子效率。

如上所述，采用双N埋层结构可以显著增加像素单元满阱容量，但随之产生一个问题： 该双N埋层外围P型衬底只能耗尽该N埋层外围区域，而留下双N埋层内核电子无法在传输 管(TX)开启期间被完全复位，这些残留下的电子将造成图像拖尾并在像素阵列中引入随机 噪声。

在结构实现的第二步中，引入P型插入层的作用即为解决这个问题。如图5所示，在双 N埋层结构后，P型插入层被引入。这个P型插入层是由两步高能量的P型注入实现的。在新 掩膜版的帮助下，两步不同能量的P型杂质分别在掩膜版开口范围内被注入至N埋层与衬底 交界面处，并最终形成了纵向的P插入层结构。

为使该P型插入区准确深入至双N埋层结构中电荷不容易耗尽处，实现“助耗尽”功能， P型插入区的形成由两步P型离子注入实现，分别形成P1区域与P2区域，如图5所示。P1 区域更靠近N1区域，其作用是保证整个P型插入区是可以位于N埋层内核；P2区域注入更 深，更靠近衬底一侧，其作用是保证整个P插入区与衬底形成良好的电势接触，避免P1区域 被周围N2埋层完全包埋而引起不必要的电势浮空。

之所以选择在N埋层靠近衬底一侧插入P插入层，而不是选择从N埋层左侧、右侧、上 侧插入这个P插入层是因为：在所有分层PPD结构中，对多个N2区域起到桥梁作用的是过渡 区(C区)，如图5、6、7、8中所示C区。过渡区非常重要，多个N2区域收集的电子都将经 过此过渡区才能传输到TX，故C区对单个像素满阱容量影响较大且较为敏感。若从左侧插入P 插入层，则如图6所示，过渡区的宽度将受形成P插入层之掩膜版对版误差的影响，造成不 同像素满阱容量值不同，在整个像素阵列中产生固定模式噪声；若从右侧插入P插入层，如 图7所示，C区将远离传输栅，造成电子不易被转移至FD结点；若从靠近N埋层上侧插入P 插入层，如图8所示，亦将造成由不同N区收集的电子不易被转移的缺点。在此发明中，因 为这个P插入层是由纵向插入N埋层与衬底交界处的，在本发明中过渡区几何深度不受对版 误差影响，而可以简单通过使用更高能量的P1区使保证该区不被夹断，从而从根本上解决了 分层PPD中电子不易被全转移、易受掩膜版影响等缺点。

下面结合附图与实施例对本发明进一步说明。

本发明的基本思想是，通过在双N埋层结构中加入P插入层形成双N埋层P插入层钳位 光电二极管，用于改善设计小像素时满阱容量不足的缺点。其光电二极管具体实施方案是：

参照图5所示，在掺杂浓度为1e15/cm3的P型外延层110上先注入较高浓度的磷形成 N1埋层200，其注入能量范围为50KeV～100KeV，掺杂浓度范围为7e11～1.5e12/cm3；再使用 高能量低剂量的磷注入形成光电二极管的N2埋层300，其注入深度更深且位于N1埋层正下 方，其注入能量范围为150KeV～300KeV，掺杂浓度范围为1e11～9e11/cm3。在形成双N埋层 结构后，在新掩膜版的帮助下，在掩膜版开口600与610范围内，注入P型掺杂的二氟化硼 形成P插入层。该P型离子注入分为两步，第一步使用较低能量的BF2注入形成P1区域400， 其注入能量范围为1,500KeV～2000KeV，掺杂浓度范围为1e12～2e12/cm3。第二步使用较高能 量的BF2注入形成P2区域410，其注入能量范围为2500Kev～3500Kev，掺杂浓度范围同为 1e12～2e12/cm3，最终形成双N埋层P插入层的内嵌光电二极管结构。

下面结合实施例具体介绍最佳实施方式：

在硼掺杂浓度为1e15/cm3的P型外延层上，两次注入N型杂质共同形成光电二极管的N 区。在第一次注入时，使用传统PD光刻版，注入杂质为磷，其能量为75KeV，剂量为1.0e12/cm3， 用以形成靠近表面且浓度较大的N1埋层200；第二步同样使用传统PD光刻版，注入杂质同为 磷，其能量较高为250KeV，剂量为0.4e12/cm3，用以形成位于N1埋层下方的N2埋层300；第 三步注入形成P型插入层400与410，需要使用一块新光刻版，在新掩膜版开口600与610 内，连续注入两次二氟化硼杂质，第一次注入形成P1区域400，其注入能量为1800KeV，剂 量为1.6e12/cm3。第二步注入二氟化硼形成P2区域410，其注入能量为2600KeV，剂量为 1.6e12/cm3。

采用以上工艺参数可以实现光电二极管结构优化，最终实现小尺寸像素满阱容量扩展技 术。在此发明中，满阱容量的扩展是不以牺牲图像拖尾表现为代价的。且此改进结构，不仅 可以提升小尺寸像素满阱容量，且使采用该结构的光电二极管实现更高的量子效率。