本发明专利技术公开了一种图像传感器，感光结构和像素读出电路都形成于带有绝缘埋层的半导体衬底的顶层半导体层上。感光结构包括横向排列的三个掺杂区，在耗尽区上形成有一厚度非均匀的介质层，在介质层上形成有多晶硅层。感光结构的掺杂区为横向结构能够使耗尽区的宽度突破SOI顶层半导体层厚度的限制，从而能够增加感光结构的光吸收效率。形成于耗尽区上的非均匀介质层和多晶硅层能够对耗尽区的能带进行调制，使耗尽区的能带更加陡峭，从能显著增加耗尽区中的光生电荷的转移效率。本发明专利技术还能减少图像传感器的寄生效应和提高其抗辐射能力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种图像传感器。
技术介绍
20世纪70年代，CXD图像传感器和CMOS图像传感器同时起步。CXD图像传感器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的原因，敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上，造成由CXD图像传感器组装的摄像机体积大、功耗大。 CMOS图像传感器以其集成度高，功率低，成本低等优势，得到了越来越广泛的应用。现有CMOS图像传感器包括CMOS数模电路和像素单元电路阵列构成，根据一个所述像素单元电路所包括的晶体管的数目，现有CMOS图像传感器分为3T型结构和4T型结构、还可以有5T型结构。如图1所示，为一种现有3T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图，包括一个光电二极管IO(Photc) Diode, PD)，用于在曝光时进行光电转换，将接收到的光信号转换成电信号，所述光电二极管10包括P型区和N型区，所述P型区接地。一个复位晶体管M1，用于在曝光前对所述光电二极管10进行复位，复位由复位信号Reset信号进行控制。在图1中，所述复位晶体管Ml选用一个NMOS管，所述复位晶体管 Ml的源极和所述光电二极管10的N型区相连，所述复位晶体管Ml的源极同时也为一感应节点W又称为浮空扩散区(Floating Diffusion, FD)；所述复位晶体管Ml的漏极接电源 Vdd，所述电源Vdd为一正电源。当所述复位信号Reset为高电平时，所述复位晶体管Ml导通并将所述光电二极管10的N型区连接到电源Vdd，在所述电源Vdd的作用下，使所述光电二极管10反偏并会清除所述光电二极管10的全部累积的电荷，实现复位。所述复位晶体管Ml也可以由多个NMOS管串联形成、或由多个NMOS管并联形成，也可以用PMOS管代替所述NMOS管。一个放大晶体管M2，也为一源极跟随器，用于将所述光电二极管10产生的电信号进行放大。在图1中，所述放大晶体管M2选用一 NMOS管，所述放大晶体管M2的栅极接所述光电二极管10的N型区，所述放大晶体管M2的漏极接所述电源Vdd，所述放大晶体管M2 的源极为放大信号的输出端。所述放大晶体管M2也可以由多个NMOS管串联形成、或由多个NMOS管并联形成。—个行选择晶体管M3，用于将所述放大晶体管M2的源极输出的放大信号输出。在图1中，所述行选择晶体管M3选用一 NMOS管，所述行选择晶体管M3的栅极接行选择信号 Rs，所述行选择晶体管M3的源极接所述放大晶体管M2的源极，所述行选择晶体管M3的漏极为输出端。如图2所示，为一种现有4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图。相比于3T型结构，现有4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路结构图增加了一个转移晶体管M4，所述转移晶体管M4用于将所述光电二极管10产生的电信号输入到所述感应节点W。在图2中，所述转移晶体管M4选用一 NMOS管，所述转移晶体管M4的栅极接转移信号TX，所述转移晶体管M4的源极接所述光电二极管10的N型区，所述转移晶体管M4的漏极接所述复位晶体管Ml的源极即所述感应节点m。上述现有技术中，不管是3T型结构还是4T型结构，其中光电二极管都为纵向结构即垂直式的结构。如申请号为200810187734.X的中国专利技术专利所述，该专利技术专利公开了 CMOS图像传感器的像素单元电路都是形成于硅衬底中，其中光电二极管为一种垂直式的结构，即由垂直分布的N型区和P型区组成。由于上述CMOS图像传感器的电路都是形成于硅衬底即体硅中，这样会器件和衬底之间的相互作用会引起一系列的寄生效应，如源扩散区和漏扩散区与衬底之间的寄生电容，这个电容随着衬底掺杂浓度的增加而增大；也会产生闩锁效应等。针对上述缺陷，有设计者，利用SOI (silicon on insulator)衬底即绝缘层上的硅衬底来形成CMOS图像传感器，如申请号为2009100835 . X的中国专利技术专利所述，其中就用到SOI衬底来形成CMOS图像传感器。所述SOI衬底自上而下包括顶层硅、绝缘层、硅衬底。所述顶层硅用来做CMOS等半导体器件，中间的所述绝缘层如二氧化硅埋层简称埋氧层用来隔离器件和所述硅衬底。SOI 基CMOS器件即形成于所述SOI衬底的顶层硅上的器件比体硅CMOS器件具有下列优点寄生电容小、漏电低、具有高速和低功耗特点；消除了体硅CMOS常见的闭锁效应；抑制了衬底的脉冲电流干扰，减少了软错误发生几率。而且工艺上SOI和体硅CMOS工艺兼容且制造步骤相对简单。这些优点使得它在航天等辐射环境具有广泛的应用前景。中国专利技术专利2009100835 . X中也指出，当用SOI制作CMOS图像传感器时，由于 SOI的顶层硅厚度较薄，在其上制作的感光二极管即光电二极管受到限制，较薄的顶层硅限制感光区的厚度，光吸收效率下降，增加顶层硅的厚度则不能做成全耗尽的SOI器件，降低图像传感器抗辐射等性能。所以中国专利技术专利2009100835 . X中只是将光电二极管外的其它电路部分形成于所述SOI衬底的顶层硅上，而将光电二极管形成于所述SOI衬底的硅衬底中。中国专利技术专利2009100835 . X中之所以还是将光电二极管形成于硅衬底中，其原因还是光电二极管的结构为垂直型结构，由于顶层硅厚度较薄，垂直型结构的光电二极管形成于较薄的所述顶层硅中会使光电二极管在反偏即加入反向偏压时形成的耗尽区宽度较小，使光电二极管光吸收效率降低。但是上述专利虽然能使CMOS图像传感器光电二极管外的其它电路的具有高速、低功耗、抗闭锁和低软错误几率的优点，但是由于光电二极管还是形成于硅衬底中，所以光电二极管还具有寄生效应以及抗辐射方面的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种图像传感器，能增加图像传感器的感光结构的光吸收效率、显著增加耗尽区中的光生电荷的转移效率，还能减少图像传感器的寄生效应，提高图像传感器的抗辐射能力。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种图像传感器，形成于带有绝缘埋层的半导体衬底上，所述衬底自上而下包括顶层半导体层、绝缘层、支撑衬底，图像传感器的像素单元电路包括感光结构和像素读出电路，所述感光结构和所述像素读出电路都形成于所述顶层半导体层上。所述感光结构包括横向排列的三个掺杂区和一个多晶硅栅。所述第二掺杂区为耗尽区，第一掺杂区位于所述第二掺杂区的一侧且形成接触， 所述第三掺杂区位于所述第二掺杂区的另一侧且形成接触；所述第三掺杂区为光生电荷的收集端。所述多晶硅栅位于所述第二掺杂区上方、且所述多晶硅栅和所述第二掺杂区间隔离有栅介质层；从所述第一掺杂区到所述第三掺杂区的方向上所述栅介质层的厚度依次减少。进一步的改进是，从所述第一掺杂区到所述第三掺杂区的方向上所述栅介质层的厚度线性依次减少，或呈阶梯状依次减少。进一步的改进是，所述第二掺杂区为P型掺杂、掺杂浓度为1E12CM_3 1E15CM_3。 所述第三掺杂区为N型掺杂、掺杂浓度大于所述第二掺杂区的掺杂浓度，为1E16CM—3 1E20CM—3;所述第三掺杂区用于收集光生电子。所述第一掺杂区为P型掺杂或所述第一掺杂区为N型掺杂，掺杂浓度与所述第三掺杂区的掺杂浓度为相同数量级，为1E16CM_3 1E20CM—3。所述多晶硅栅为N型掺杂。进一步本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种图像传感器，形成于带有绝缘埋层的半导体衬底上，所述衬底自上而下包括顶层半导体层、绝缘层、支撑衬底，其特征在于：图像传感器的像素单元电路包括感光结构和像素读出电路，所述感光结构和所述像素读出电路都形成于所述顶层半导体层上；所述感光结构包括横向排列的三个掺杂区和一个多晶硅栅；所述第二掺杂区为耗尽区，第一掺杂区位于所述第二掺杂区的一侧且形成接触，所述第三掺杂区位于所述第二掺杂区的另一侧且形成接触；所述第三掺杂区为光生电荷的收集端；所述多晶硅栅位于所述第二掺杂区上方、且所述多晶硅栅和所述第二掺杂区间隔离有栅介质层；从所述第一掺杂区到所述第三掺杂区的方向上所述栅介质层的厚度依次减小。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：汪辉，林琳，陈杰，汪宁，尚岩峰，
申请(专利权)人：上海中科高等研究院，
类型：发明
国别省市：31
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