降低暗电流和噪声的有源像素装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及(互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器像素技术，为实现电荷传输通道与传输栅沟道表面的分离，在保证电荷转移效率的前提下减小暗电流。为此，本发明专利技术采取的技术方案是，降低暗电流和噪声的有源像素装置，包含光电探测器PD、传输栅TG、复位管RST、源极跟随器SF和行选通管SEL，其中TG负责将PD内收集到的光电子转移到电荷

【技术实现步骤摘要】
降低暗电流和噪声的有源像素装置


[0001]本专利技术涉及CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器像素领域，特别涉及CMOS图像传感器中的4T(4transistors)有源像素以及基于4T像素的其他像素结构。

技术介绍

[0002]图像传感器一直是人们研究的热点之一，如何获得高质量的图像信息、帮助人类扩展视觉的极限是图像传感器不断研究的根本目的。随着工艺水平的进步，CMOS图像传感器逐渐地占领市场，并不断发展。想要获得高质量的图像，低噪声的设计尤为重要。目前，大部分采用的像素结构基本都是基于4T像素结构进行的优化而来，这种结构能将电荷收集区和电荷
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电压转换节点分隔开，从而能够通过相关双采样来消除复位管的KTC噪声(复位噪声)和部分固定模式噪声。这种结构在很大程度上提高了像素的图像质量，减小了一部分噪声的压力，一直以来对于噪声和暗电流的优化是CIS(CMOS图像传感器)发展的方向之一。
[0003]对于像素而言，在无光照的条件下产生的输出信号都可以归为暗电流的范畴，暗电流的大小与温度、半导体制作工艺水平密切相关。暗电流在读出时会带来输出信号的固定偏移和噪声，其严重限制了图像传感器的动态范围以及微光条件下的成像质量，因此在像素设计过程中对暗电流进行优化设计具有重要意义。在目前所采用的钳位二极管中的主要暗电流来源有耗尽区产生暗电流、表面产生暗电流、STI(浅沟槽隔离)暗电流、TG(传输栅)沟道区暗电流、中性扩散暗电流。其中TG区的暗电流主要是由于在像素曝光期间，TG沟道区域陷阱辅助载流子产生与复合效应，产生的载流子直接通过沟道进入PPD(嵌位光电二极管)，从而被收集，因此，从设计上对TG沟道区域暗电流进行优化具有重要研究价值。

技术实现思路

[0004]为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出一种应用于4T有源像素的传输栅离子注入结构，该结构可以实现电荷传输通道与传输栅沟道表面的分离，在保证电荷转移效率的前提下减小暗电流。为此，本专利技术采取的技术方案是，降低暗电流和噪声的有源像素装置，包含光电探测器PD、传输栅TG、复位管RST、源极跟随器SF和行选通管SEL，其中TG负责将PD内收集到的光电子转移到电荷
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电压转换节点FD，复位管RST可以对FD和PD进行复位操作，SF负责将FD节点的电压信号缓冲出去，SEL管在行选信号到来时将某一行选通，传输栅TG下方加入一层N型离子注入，形成一层薄的N型区域。
[0005]根据电子势能的公式：
[0006]E
p
＝
‑
|q|
×
Ψ
[0007]q为电子的电荷量，Ψ为静电势，电子势能最小的地方位于N型区内。
[0008]在靠近光电二极管一侧传输栅TG下N型离子的注入，通过设置掩膜版的位置，使其N型离子注入与光电二极管的N型注入之间有一定的距离，在注入该N型区域的同时，也会通过该距离来调节CPX层的注入位置，CPX层为P型离子注入层，在靠近电荷
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电压转换节点一侧的传输栅，同样通过设置掩膜版的位置，使其N型离子注入超出传输栅，能够与右侧的FD
节点区域连接上，从而消除由于传输栅侧墙的存在而造成的栅下势垒的影响；其注入的最佳位置距离传输栅左侧边缘为0.2um，超出传输栅右侧边缘0.1～0.2um。
[0009]在光电二极管与传输栅的连接处形成一个P型离子注入区域，CPXN层的位置调整到处于P型离子注入区域的下方，CPXN层最佳注入位置处于光电二极管N型区域和传输栅交界处，在光电二极管N型区域和传输栅下各延伸0.2um～0.25um。
[0010]P型离子注入区域的离子注入剂量相对于N型离子注入剂量高101～102量级，其最佳注入位置在钳位层P
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PD的下方，处于光电二极管和传输栅的过渡区，其在传输栅下占据0.3um的长度，在光电二极管的N型区域中占据0.1um～0.2um的长度。
[0011]本专利技术的特点及有益效果是：
[0012]本专利技术提出的离子注入结构，相比于以往的光电二极管结构，通过两次掺杂能够将传输栅沟道下的最大电势处远离硅和二氧化硅交界面，从而减小传输栅区域的暗电流和电荷转移过程产生的噪声，从而对图像传感器的噪声进行改善。
附图说明：
[0013]图1 4T像素结构示意图。
[0014]图2离子注入结构示意图。
[0015]图3传输栅下的耗尽区及其电势图。
具体实施方式
[0016]本方案主要是通过在传输栅下进行多次离子注入来实现，基于4T像素的基本原理，通过在传输栅下加入一层N型离子注入和一层P型离子注入从而达到对噪声改善的效果。传统的4T像素结构如附图1所示，其包含光电探测器PD、传输栅TG、复位管RST、源极跟随器SF和行选通管SEL，其中TG负责将PD内收集到的光电子转移到电荷
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电压转换节点FD，复位管RST可以对FD和PD进行复位操作，SF负责将FD节点的电压信号缓冲出去，SEL管在行选信号到来时将某一行选通。其工作原理为在SEL开启时，首先将RST管导通，对FD节点进行复位，随后关断RST并对此时FD节点的复位电压信号进行读出；随后开启TG，通过TG将PD内部的电子转移到FD节点，关断TG后进行光信号的读出。
[0017]在4T像素中，对PD和传输栅TG的设计至关重要。如附图1左侧的PD区域所示，在目前的设计中，通常采用嵌位光电二极管(PPD)，即在光电二极管N型离子注入的上方加入一层薄的P+型离子注入(P
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PD)，该层的加入使得光电二极管的N区全耗尽，并且有效地降低了由表面态引起的暗电流。另外CPX层为P型离子注入，该层的注入可以补偿沟道连接处栅下N型区域对沟道阈值的影响，消除传输管开启时沟道区域存在的势阱；图中的CPXN为N型离子注入，该层的注入能加快电荷的转移，并且能够使得远离沟道处的电子也能转移到FD，即可以实现PD的完全转移。
[0018]在传统的设计基础上，通过控制离子注入的能量和剂量，在栅下加入一层N型离子注入，可以在栅下形成一层薄的N型区域，如附图2所示。通常来说，对于一个NMOS器件，MOS管的沟道区域全部为P型离子，当栅上没有外加适当的栅极电压时，在加入该N型区域后，N型层内含有多余的电子向P型衬底扩散，P型衬底中含有多余的空穴并向N型层扩散，这个结构与PN结相同，上述的扩散产生了内部电场，从而在N型层内电势达到最大，如附图3所示。
[0019]根据电子势能的公式：
[0020]E
p
＝
‑
|q|
×
Ψ
[0021]q为电子的电荷量，Ψ为静电势。电子势能最小的地方位于N型区内，并与硅和二氧化硅的交界面有一定距离，所以电荷在传输过程中，电子会通过该势能最小(或电位最高)的沟道进行传输，远离硅和二氧化硅的交界面，从而减小表面缺陷造成的噪声。
[0022]为了防止光电二极管中的电荷在传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种降低暗电流和噪声的有源像素装置，其特征是，包含光电探测器PD、传输栅TG、复位管RST、源极跟随器SF和行选通管SEL，其中TG负责将PD内收集到的光电子转移到电荷
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电压转换节点FD，复位管RST可以对FD和PD进行复位操作，SF负责将FD节点的电压信号缓冲出去，SEL管在行选信号到来时将某一行选通，传输栅TG下方加入一层N型离子注入，形成一层薄的N型区域。2.如权利要求1所述的降低暗电流和噪声的有源像素装置，其特征是，根据电子势能的公式：E
p
＝
‑
|q|
×
Ψq为电子的电荷量，Ψ为静电势，电子势能最小的地方位于N型区内。3.如权利要求1所述的降低暗电流和噪声的有源像素装置，其特征是，在靠近光电二极管一侧传输栅TG下N型离子的注入，通过设置掩膜版的位置，使其N型离子注入与光电二极管的N型注入之间有一定的距离，在注入该N型区域的同时，也会通过该距离来调节CPX层的注入位置，CPX层为P型离子注入层...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐江涛，舒刘琴，聂凯明，高志远，高静，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：