[发明专利]提高图像传感器满阱容量与量子效率光电二极管及方法

说明书

技术领域

本发明涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)固态图像传感器，特别涉及一种提高CMOS图像传感器满阱容量与量子效率的光电二极管结构及制造方法。具体讲，涉及提高图像传感器满阱容量与量子效率光电二极管及方法。

背景技术

近年来，受益于标准CMOS工艺的进步与CMOS制造工艺的不断改进，CMOS图像传感器已经超越CCD图像传感器成为固态图像传感器的主流，实现了近年来CMOS图像传感器的飞速发展。在CMOS图像传感器领域，借助于背面照射式技术的发展，像素单元尺寸实现了跨越式缩减：由传统正照式下的3um锐减至背照式技术下的0.7um，使得CMOS图像传感器实现低功耗，低成本，高集成度等CCD图像传感器无法比拟的优点。

CMOS图像传感器是由像素单元阵列，模拟前端电路，数模转换单元和时序控制电路共同组成的。在整个图像传感器架构中，像素单元阵列处于最核心的地位。其作为CMOS图像传感器的基本感光单元，将从根本上决定整个图像传感器的成像质量。像素单元按工作原理主要分为有源像素与无源像素，按集成度可以分为三管有源像素(3T-APS)、钳位二极管四管有源像素(4T-APS)、钳位二极管五管有源像素(5T-APS)，其中4T-APS是市场的主流。按入射光射入感光区域方向，分为FSI(Front-side-illumination)正面照射式图像传感器，和BSI(Back-side-illumination)背面照射式图像传感器结构。在传统的正面照射式图像传感器中，光子是通过感光元件正表面的多层金属层，并最终进入光电二极管正表面；而在背照式结构中，光子入射方向不变，整个像素单元通过正面背面结构的翻转，使得光子入射不经过光电二极管正面金属层，而是通过光电二极管背面入射。

背照式4T APS剖面结构如图1所示，该背照式4T-APS由一个光电二极管(180，200，110)，浮空扩散节点160、传输管170、复位管150、源级跟随器140和地址选通管130共同组成。背照式4T有源像素光电二极管是由三部分共同构成：1.在P型外延层110内注入一个深度较浅的N埋层200，2.与表面形成的高浓度掺杂P+钳位层180，3.外延110共同构成，该光电二极管结构用于接收入射光子111并产生与入射光光强对应的信号电荷。这种结构在设计大尺寸像素时虽然主流，然而，随着像素尺寸的不断缩减，单个像素单元面积将逐步缩小，设计这些小尺寸像素将面临一些随尺寸缩减产生的新问题：动态范围、信噪比和灵敏度等关键指标会因像素尺寸减少而受到不同程度地降低。这些限制因素将不同程度地恶化成像质量并减小可探测光强范围。而增加小尺寸像素的满阱容量将可以同时从根本上解决上述所有影响。满阱容量的扩展可以通过在小尺寸工艺下设计调整光电二极管结构与工艺参数来实现，并最终实现同时获得高满阱容量、高量子效率、低暗电流、高信噪比、高动态范围的高性能小尺寸像素。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，保证扩展的满阱容量可以全耗尽，使得该扩展是不以损耗图像拖尾性能为前提的，并从根本上提升动态范围、信噪比、灵敏度等像素单元关键性能指标，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，提高图像传感器满阱容量与量子效率的光电二极管，结构为：在P型外延层内注入一个深度较浅的N埋层，N埋层上面是高浓度掺杂P+钳位层，N埋层下面还设置有第二个N埋层，第二个N埋层内自其与P型外延层交界面处向N埋层内部，形成有纵向的P插入层结构。

提高图像传感器满阱容量与效率的光电二极管形成方法，包括如下步骤：

在P型外延层上先注入较高浓度的磷形成N埋层，其注入能量范围为50千电子伏～100千电子伏，掺杂浓度范围为7e11～1.5e12/cm³；再进行磷注入形成光电二极管的第二个N埋层，其注入深度更深且位于N埋层正下方，其注入能量范围为150千电子伏～300千电子伏，掺杂浓度范围为1e11～9e11/cm³；在形成双N埋层结构后，第二个N埋层内自其与P型外延层交界面处注入P型掺杂的二氟化硼形成P插入层。