[发明专利]大感光面积CMOS图像传感器像素结构及生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及固态CMOS图像传感器领域，尤其涉及一种提高大尺寸像素量子效率的像素结构。

背景技术

近年来，随着CMOS集成电路制造工艺特别是CMOS图像传感器设计及制造工艺的不断发展，CMOS图像传感器已经逐渐取代CCD图像传感器成为主流。CMOS图像传感器相比工艺集成度更高、功耗更低等优点。

传统4T-PPD有源像素结构切面图如图1所示，其中包括，1为P型杂质衬底；2为钳位二极管的N区；3为钳位二极管的P区；4为FD(Floating Diffusion)存储节点；5是RST管(复位管)的漏极，接电源电压Vdd；6是氧化层；7是TX管(传输管)的栅；8是RST管(复位管)的栅。其俯视图如图2所示，9是钳位二极管的感光区域，其包括钳位二极管N区2和位于其与氧化层6之间的钳位二极管P区3。

在大像素应用中，大像素其具体表现在于图2所示PD感光区域9的面积大。在4T-PPD有源像素曝光之前，钳位二极管N区2内的电子必须完全耗尽，否则会引入很大的噪声，电子完全耗尽这一条件在小尺寸像素下很容易达到，但是在大像素中，由于钳位二极管N区2过大，导致其中心部位在复位过程中无法完全耗尽，这就会引入很大的随机噪声。

使钳位二极管N区2在复位过程中能完全耗尽的传统方法有减小N区杂2质浓度、以及减小N区2底部边缘距氧化层6的距离。然而减小N区2杂质浓度，会使像素的阱容量降低；减小N区2底部边缘距氧化层距离，会降低长波长光量子效率。所以钳位二极管N区2的面积、注入深度与剂量之间存在一个相互制约的问题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种性能参数优良的大像素结构，提高像素对长波长光的量子效率，以便采集到更加真实的彩色图像，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，大感光面积CMOS图像传感器像素结构，由传输管TX、复位管RST、源跟随器SF、选择管SEL以及钳位二极管PPD和存储节点FD组成，钳位二极管PPD为P型杂质衬底上设置有钳位二极管的N区、钳位二极管的P区，在钳位二极管的N区、钳位二极管的P区之间设置有新P型杂质注入区，新P型杂质注入区与钳位二极管感光区域交叠部分面积与感光区面积比例在1∶100～1∶5之间；交叠部分与传输管TX栅极之间的最短距离大于2um；新P型杂质注入区浓度峰值注入的深度在N型杂质区杂质深度分布范围之内。

一种大感光面积CMOS图像传感器像素结构生成方法，在由传输管TX、复位管RST、源跟随器SF、选择管SEL以及钳位二极管PPD和存储节点FD组成的CMOS图像传感器像素结构上进行，包括下列步骤：

使光刻板位于钳位二极管PPD感光区上方，光刻板开窗区为矩形，矩形的长边与传输管TX栅极和复位管RST栅极垂直连线方向相平行，开窗区的数量大于等于一；

自开窗区向钳位二极管PPD的N区、钳位二极管PPD的P区之间注入新P型杂质注入区，使新P型杂质注入区与感光区域交叠部分面积与感光区面积比例在1∶100～1∶5之间；交叠部分与传输管TX栅极之间的最短距离大于2um；新P型杂质注入区浓度峰值注入的深度在N型杂质区杂质深度分布范围之内。

开窗区矩形长边长为感光区的2/5，短边长为感光区的1/8。

新P型杂质注入区，杂质类型为硼，能量为80千电子伏，注入剂量为4×10¹²/cm²。

本发明的技术特点及效果：

所增加的一次P型杂质注入12在不改变感光区面积的前提下，

1.使钳位二极管N区注入深度可以在一定范围内加深，从而向衬底扩展耗尽区范围，以提高对于长波长光的量子效率；

2.使得钳位二极管N区在复位过程中能够完全耗尽，降低图像噪声；

3.使钳位二极管N区注入浓度可以在一定范围内提高，从而提高阱容量；

4.使得钳位二极管N区远离TX传输管栅7的一侧浓度低于贴近TX传输管栅一侧的浓度，从而形成一个自TX传输管栅向远离TX传输管栅一侧的内建电场，提高电荷自钳位二极管向FD存储节点4的传输速度。

附图说明

图1.4T-PPD有源像素结构示意图。

图2.传统钳位二极管与TX传输管栅7、FD节点4、复位管的俯视图。

图3.增加的P型杂质注入12所用的光刻版的位置。

图4.以图3所示A-A’连线的剖面图。

图5.传统钳位二极管与TX传输管栅7、FD节点4、复位管的剖面图。

具体实施方式