一种提高量子效率的CMOS图像传感器像素制作方法

摘要

一种提高量子效率的CMOS图像传感器像素制作方法，采用像素背部注入高浓度P型离子掺杂，以及通过在衬底上施加反向偏压来耗尽较厚敏感半导体区域的方法，从而消除无场区，并迅速收集光生电荷。反向偏压的大小取决于半导体基板的电阻率和厚度，并且可以远远超过系统中的任何其他电压。最终进一步提高了图像传感器的量子效率，大大提高了成像质量。

权利要求

1.一种提高量子效率的CMOS图像传感器像素制作方法，其特征在于：首先在栅形成前在衬底底部进行一次高浓度的P型离子注入，形成P++区域，即在原PPD区域下方的中性区增加一个耗尽区，并且衬底施加负压，使得形成的两个耗尽区域相连；传输栅形成后，采用自对准技术注入N型离子，形成PPD的N-感光区和FD区域；当较长波长的光照射到PPD区域时，半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，从而形成光生电子-空穴对，即光生载流子，在耗尽区电场的作用下，光生电子被收集在PPD区域，而光生空穴被衬底吸收；在耗尽区底部的中性区内被吸收的光子产生的光生电荷不能被PPD区域收集。

说明书

一种提高量子效率的CMOS图像传感器像素制作方法

技术领域

[0001] 本发明属于CMOS图像传感器领域，尤其是适用于入射光为近红外或软X射线波段的一种提高量子效率的CMOS图像传感器像素制作方法。

背景技术

[0002] 钳位光电二极管（pinned photodiode，PPD）最初被用在CCD图像传感器中，二十多年后才被用于CMOS图像传感器。图1是基于PPD的4T像素结构。4T像素由PPD、传输管、复位管、行选通管以及浮空扩散节点组成。当光入射到半导体表面时，其中一部分入射光被反射，而其余则被半导体吸收。当进入半导体内部的光子能量不低于半导体材料禁带宽度时，那么半导体材料便有一定概率吸收这份能量，从而产生电子-空穴对，即光生载流子。光照积分完成后，传输管导通，光生电荷在电场的作用下由光电二极管区域转移至浮空扩散节点，即完成电荷-电压信息的转换过程，最后通过行选通管以及列级读出电路，逐行读出存储在浮空扩散节点的光信号。

[0003] 对于较长波长的近红外和X射线波段的入射光来说，其吸收长度可达数十甚至数百微米。采用传统的CMOS图像传感器的PPD型4T像素，无法达到如此深的耗尽区深度，故会造成较低的量子效率，降低图像传感器的成像性能。像素外延层中，除耗尽层外的部分均为中性区，若入射光在中性区内被吸收，且产生光生电子空穴对，则信号电荷将无法被转移到浮空扩散节点中，最终也无法被成功读出。

发明内容

[0004] 针对现有技术存在的问题，本专利发明一种能够提高量子效率的CMOS图像传感器像素制作方法，采用像素背部注入高浓度P型离子掺杂，以及通过在衬底上施加反向偏压来耗尽较厚敏感半导体区域的方法，从而消除无场区，并迅速收集光生电荷。反向偏压的大小取决于半导体基板的电阻率和厚度，并且可以远远超过系统中的任何其他电压。最终进一步提高了图像传感器的量子效率，大大提高了成像质量。

[0005] 一种提高量子效率的CMOS图像传感器像素制作方法，如图2所示，首先在栅形成前在衬底底部进行一次高浓度的P型离子注入，形成P++区域，即在原PPD区域下方的中性区增加一个耗尽区2。传输栅形成后，采用自对准技术注入N型离子，形成PPD的N-感光区和FD区域。与传统的4T有源像素相比，本专利提出的像素结构，需要在栅形成前进行一次较深的P型离子的注入，并且衬底施加负压，使得形成的两个耗尽区域相连。当较长波长的光照射到PPD区域时，半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，从而形成光生电子-空穴对，即光生载流子，在耗尽区电场的作用下，光生电子被收集在PPD区域，而光生空穴被衬底吸收；在耗尽区底部的中性区内被吸收的光子产生的光生电荷不能被PPD区域收集。

[0006] 本发明提出的像素制作方法，即与传统的4T有源像素相比，在衬底底部加入一次重掺杂的P型离子注入，且施加负电压，使得由PPD与衬底以及衬底与重掺杂P型区域形成的耗尽区相连接，最终等效增加了耗尽区的深度，当较长波长的光照射到PPD区域时，光生电荷被形成的深耗尽区吸收，在传输管导通阶段被转移到浮空扩散节点端，最终被读出，有效的提高光生电荷的收集率以及量子效率，提高传感器的成像质量。

附图说明

[0007] 图1是4T像素基本结构图；图2是增加衬底底部P++离子注入的像素结构。

具体实施方式

[0008] 以下根据附图和实施例对本发明进行详细说明。

[0009] 本发明通过在衬底底部进行一次高浓度的P型离子注入，形成P++区域，在原PPD区域下方的中性区增加一个耗尽区2，控制好外延层和P++区域的掺杂浓度以及衬底所施加的负电压，从而使得耗尽区1和耗尽区2能够连接在一起形成一个完整的耗尽区，近红外线或者软X射线在较深位置产生的光生电荷被收集在耗尽区内，通过传输管传输到浮空扩散节点中，最终被读出。该结构可以有效提高量子效率，进而提高图像传感器的成像质量。

[0010] 本发明提出的提高量子效率的CMOS图像传感器像素结构，适用于入射光为较长波段的近红外线或者软X射线的像素，PPD耗尽区1和衬底与外延层形成的耗尽区2相连接，采用本专利所提出的像素结构，可以有效提高图像传感器的感光面积。例如，对于入射光为近红外光的像素来说，采用2e13/cm2的B离子掺杂形成的P型外延层，衬底底部采用浓度为1e15/cm2的B离子注入形成重掺杂的P++区域，衬底所加负电压大小为-4.0V。PPD与P型外延层形成的耗尽区1的深度可达3um；P++层与外延层形成的耗尽区深度范围大约为10um-15um之间。对于外延厚度为12um的像素来说，按照以上工艺条件形成的耗尽区1和耗尽区2在空间上发生交叠，有效增加了感光区域，进而提高量子效率和图像传感器的成像质量。

[0011] 采用以上像素结构可以实现基于PPD结构上的结构优化，用以在保证大感光面积的基础上，同时实现较低中性区扩散暗电流的像素单元设计。