本发明专利技术公开了一种全局快门CMOS图像传感器，采用非均匀存储扩散区掺杂来降低存储点的漏电，保证随光电二极管深度增加，像素增加时，后面读取行的载流子可以全部转移到存储扩散区，并保证全局快门晶体管开启时，不引起存储扩散区中载流子的丢失，并保证逐行读出时，即便像素单元行数增加，载流子从存储扩散区也可以通过第二转移管完全转移到浮动扩散区。本发明专利技术还公开了该全局快门CMOS图像传感器的制造方法。方法。方法。
【技术实现步骤摘要】
全局快门CMOS图像传感器及其制造方法
[0001]本专利技术涉及半导体技术，特别涉及一种全局快门(Global Shutter,GS)CMOS图像传感器 (CIS)及其制造方法。
技术介绍
[0002]随着汽车工业、物联网和监控设备的发展，对于图像传感器的消耗逐步增加。现有主流的图像传感器技术是与CMOS工艺兼容的CMOS图像传感器技术，而其中可以捕获更多光的后照式(BSI)结构已经成为主流的方式。
[0003]最近用于车载记录仪和监控设备的近红外需求逐渐增加，主要用于暗光条件下的图像捕捉，使图像可以获取更多细节。对于近红外光(波长大于760nm)的获取，目前对于前照式(FSI) CMOS图像传感器常用的结构和方法主要分为两种：一种是利用超高能注入在N型的衬底上来实现超深的硼(B)注入(能量大于4MeV)，和磷(P)注入(能量大于7MeV)。这些钉扎二极管 (pinned photodiode)可以达到6um的深度，并且具有很好的电学隔离，和强的势垒来隔离照明的像素和邻近像素。另一种是使用厚的高阻值的P型衬底，在这种方法中，收集的效率取决于初始硅片的厚度和经历的热预算。高阻值的衬底主要用于降低钉扎二极管诱导的电势导致的相邻像素的干扰。
[0004]随着像素单元的减小，为增加进光量，CMOS图像传感器采用后照式(BSI)构型。后照式 (BSI)CMOS图像传感器,由于无金属遮挡，进光量增加。
[0005]四种波长的光强随深度变化,在硅中，蓝光光强衰减到1/e的深度约为0.42um，绿光为 1.40um，红光为2.42um,而近红外的由于波长长有很深的吸收范围。波长越大，对应的存储节点寄生效应就越强。对于近红外的器件，会更加严重。
[0006]由于需要减薄硅片来增加透光，同时考虑可见光红光的吸收，一般定义为2.4um(红光的光强为原有1/e)。现有近红外设计注重对于连续图像处理的要求(视频监控，行车记录仪，自动驾驶用摄像头)，而对于结合静态高速的考量较少。对于高速拍照的全局快门(Globalshutter)而言，现有全局快门(Global shutter)技术使用钨对存储节点进行遮挡，从而实现精确的信号转移。随着对于小像素单元，高像素的要求，对于实现近红外的全局技术提出新的要求，由于近红外的光电二极管深度大，在对其进行利用快门门极清除残留电子过程中，需要更长的时间，导致存储扩散点电子容易丢失；随像素的增加，行数增加，逐行的读取，使最后读取的行(像素区上面)的电子存储的时间更长，电子更容易丢失，导致最终的图像质量降低。
[0007]如图1是现有一种6T型全局快门CMOS图像传感器的像素单元电路的结构示意图；该全局快门CMOS图像传感器的各像素单元包括：光电二极管(Photo Diode，PD)，存储扩散区 (Storage Diffusion，SD)106，第一复位区105。
[0008]所述光电二极管包括：第二导电类型的半导体层101，形成在所述半导体层101顶部的第一导电类型的第一感光掺杂区103。所述半导体层101为硅层。所述第一感光掺杂区103为离子注入区。图1中，所述第一感光掺杂区103的底部还包括第一导电类型的掺杂区
1031和 1032，掺杂区1031的掺杂浓度小于掺杂区1032的掺杂浓度，掺杂区1032的掺杂浓度小于第一感光掺杂区103的掺杂浓度。
[0009]所述存储扩散区106具有第一导电类型掺杂，所述第一感光掺杂区103和所述存储扩散区106之间的所述半导体层101的顶部形成有第一转移管M2的栅极结构，栅极结构由栅介质层110和多晶硅栅111叠加而成。
[0010]所述第一复位区105具有第一导电类型掺杂，所述第一复位区105和电源电压VDD连接，所述第一感光掺杂区103和所述第一复位区105之间的所述半导体层101的顶部形成有全局快门晶体管M1的栅极结构。
[0011]在所述第一感光掺杂区103的表面形成有第二导电类型掺杂的钉扎层104。
[0012]所述CMOS图像传感器的各所述像素单元还包括：浮动扩散区(Floating Diffusion，FD) 108，所述浮动扩散区108和所述存储扩散区106之间的所述半导体层101的顶部形成有第二转移管M3的栅极结构。
[0013]所述CMOS图像传感器的各所述像素单元还包括复位管M4，所述复位管M4的栅极结构设置在所述浮动扩散区108和第二复位区109之间，所述第二复位区109具有第一导电类型掺杂，所述第二复位区109和电源电压VDD连接。所述浮动扩散区108和所述第二复位区都形成在第二导电类型阱107中。
[0014]通常，第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。也能为：第一导电类型为P型，第二导电类型为N型。
[0015]所述CMOS图像传感器的各所述像素单元还包括放大管M5和选择管M6，所述放大管M5的栅极连接所述浮动扩散区108，所述放大管M5的源极输出放大信号，所述放大管M5的漏极连接电源电压VDD，所述选择管M6用于选择将所述放大管M5输出的放大信号进行输出，所述选择管M6的栅极连接选择信号Rs。
[0016]在所述CMOS图像传感器的各所述像素单元的周侧环绕有浅沟槽隔离102结构。
[0017]以第一导电类型为N型，第二导电类型为P为例，现有6T型全局快门CMOS图像传感器的像素单元电路的操作顺序为：
[0018](1).光进入光电二极管(PD)，产生光生载流子，光电子会进入到光电二极管(PD)的所述第一感光掺杂区103。
[0019](2).打开第一转移管M2使所有像素单元的电荷从所述第一感光掺杂区103转移到存储扩散区(SD)106中。
[0020](3).第一转移管M2关闭，使光生电子存在存储扩散区(SD)106中。
[0021](4).连接光电二极管(PD)的全局快门晶体管M1的门极即栅极结构打开，使光电二极管 (PD)的所述第一感光掺杂区103中残留的电荷转移所述第一复位区105，同时可以防止任何感光而产生额外的光电子。
[0022](5).电荷从存储扩散区(SD)106通过第二转移管M3和浮动扩散区108以行的方式读出。
[0023]该现有全局快门CMOS图像传感器，存在以下技术问题：
[0024](一)近红外(NIR)技术中，为增加红外光的数量，光电二极管(PD)的深度比正常要深，导致需要更长的转移时间，难以保证以同样的时间将整个像素的光电二极管(PD)中的电子全部转移到存储扩散区(SD)。
[0025](二)随近红外(NIR)技术的广泛应用，尺寸缩小，导致全局快门晶体管M1的栅极的漏电会增加，导致存储扩散区(SD)中的电子可能会丢失，光电二极管(PD)中N个电子，转移到存储扩散区(SD)导中N-m个电子，丢失m个。难以保证全局快门晶体管M1开启时，不引起存储扩散区(SD)中电子的丢失。
[0026](三).N行像素单元逐行读出时，最后几行中的存储扩散区(S本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种全局快门CMOS图像传感器，其特征在于，其包括前后依次排列的N行像素单元，各像素单元包括依次排布的第一复位区(105)、全局快门晶体管(M1)、光电二极管、第一转移管(M2)、存储扩散区(106)、第二转移管(M3)、浮动扩散区(108)、复位管(M4)及第二复位区(109)；所述光电二极管包括第二导电类型的半导体层(101)，及形成在所述半导体层(101)顶部的第一导电类型的第一感光掺杂区(103)；所述存储扩散区(106)具有第一导电类型掺杂，所述第一感光掺杂区(103)和所述存储扩散区(106)之间的所述半导体层(101)的顶部形成有第一转移管(M2)的栅极结构；所述第一复位区(105)具有第一导电类型掺杂，所述第一复位区(105)用于和电源电压连接，所述第一感光掺杂区(103)和所述第一复位区(105)之间的所述半导体层(101)的顶部形成有全局快门晶体管(M1)的栅极结构；在所述第一感光掺杂区(103)的表面形成有第二导电类型掺杂的钉扎层(104)；所述浮动扩散区(108)和所述存储扩散区(106)之间的所述半导体层(101)的顶部形成有第二转移管(M3)的栅极结构；所述复位管(M4)的栅极结构形成在所述浮动扩散区(108)和第二复位区(109)之间；所述第二复位区(109)具有第一导电类型掺杂，所述第二复位区(109)和电源电压连接；所述浮动扩散区(108)和所述第二复位区(109)都形成在第二导电类型阱(107)中；所述N行像素单元的前M行的存储扩散区(106)的第一导电类型掺杂的浓度小于剩余的后N-M行的存储扩散区(106)的第一导电类型掺杂的浓度，N为大于10的整数，M为小于或等于N/2的整数。2.根据权利要求1所述的全局快门CMOS图像传感器，其特征在于，第一导电类型为N型，第二导电类型为P型；或者，第一导电类型为P型，第二导电类型为N型。3.根据权利要求1所述的全局快门CMOS图像传感器，其特征在于，所述N行像素单元的前M行的存储扩散区(106)的第一导电类型掺杂的浓度，近光电二极管侧小于近浮动扩散区侧。4.根据权利要求1所述的全局快门CMOS图像传感器，其特征在于，所述半导体层...
【专利技术属性】
技术研发人员：田志，顾珍，邵华，陈昊瑜，
申请(专利权)人：上海华力微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：
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