[发明专利]一种抗辐照的4T有源像素及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于CMOS图像传感器技术领域，涉及一种抗辐照的4T有源像素及制备方法。

背景技术

CMOS图像传感器以其低噪声、低功耗、低成本以及能够真正实现相关双采样（CDS）等优点逐渐取代了传统电荷耦合器件（CCD）成为主流图像传感器。随着CMOS图像传感器在空间及医学等多个辐射环境领域中的广泛应用，其抗辐照性能成为关注的焦点，特别是对总剂量效应的防护。

在辐照环境下，CMOS图像传感器像素中会产生暗电流，影响成像质量，特别是在低光照条件下，暗电流的影响极为明显。常见的CMOS图像传感器有源像素结构分为3T和4T结构，4T有源像素结构如图1所示，它由一个钳位二极管PPD（a，b，d），浮空扩散节点c，传输管f，复位管g，源跟随器h，行选开关i共同组成，钳位二极管是由在P型外延层d上注入的N埋层b，表面P+钳位层a和P型外延层d共同组成。4T有源像素由于钳位二极管PPD引入的重掺杂P+钳位层a将光敏区与表面隔离开，因此较3T结构抑制了表面暗电流的影响，具备一定抗辐照优势。

电荷传输管TG的引入使得4T像素结构产生新的暗电流产生机制，即晶体管边缘漏电，如图2所示，这是由于在辐照环境下，传输管f边缘浅槽隔离（STI）与Si的界面处陷阱俘获因辐照电离的正电荷k，使靠近STI表面的P型外延d反型形成漏电通道，漏电流j被浮空扩散区c吸收形成暗电流，类似LOCOS工艺中的“鸟嘴”效应。另外，与钳位二极管PPD边缘交叠处的STI由于俘获正电荷在界面处的积累引起STI底部的P外延层d反型，如图3所示，从而使PPD光敏N区b与P外延层d形成的耗尽区l被延伸至STI底部，又因为STI/Si界面因辐照产生的复合中心m的面密度大幅增加，而反向偏置PN结耗尽区存在足够强的电场，因此在热激发的作用下，通过复合中心m产生的电子空穴对来不及复合就被强电场驱走，存在净产生率，从而形成PN结反向电流n，被N埋层b吸收成为暗电流输出，这部分暗电流与PPD的周长紧密相关。

对于传输管TG边缘漏电，业界传统的加固方法是采用环形栅结构消除漏电边缘，这种方法不仅难于应用普通CMOS工艺实现，且引入了大的栅输入电容，影响像元操作速度，同时也不利于像素填充因子设计；对于钳位二极管PPD周围STI底部复合中心引起的暗电流，普遍加固方法是在版图设计上拉开N埋层至STI的距离，这种方法在较大辐射总剂量的积累后不能完全抑制耗尽区向STI底部的延伸。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抗辐照的4T有源像素及制备方法，针对4T有源像素的辐照敏感节点进行加固设计，在不明显影响填充因子的情况下大幅抑制像素内部因辐照所产生的暗电流，并且提高了光电二极管的满阱容量。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种抗辐照的4T有源像素，包括复位管、电荷传输管、源跟随器、行选开关、钳位光电二极管和浮空扩散节点；其中，钳位二极管的光敏区N区、电荷传输管的沟道、浮空扩散节点与有源区边缘之间设置有隔离区，隔离区相连通并注入P型杂质层。

所述的隔离区的宽度为0.4～0.8μm。

所述的隔离区形状来自于同一光刻掩模板，所注入的P型杂质层一次注入。

所述的P型杂质层的杂质峰值浓度不超过钳位光电二极管表面P+层峰值浓度，注入深度深度在STI深度与钳位光敏二极管N埋层深度之间。

所述的注入P型杂质层在包围钳位光电二极管的部分由欧姆接触引出接地，包围浮空扩散节点扩散区的部分不接偏置保持浮空状态。

一种抗辐照的4T有源像素的制备方法，包括以下操作：

1）进行STI的刻槽与淀积；

2）进行钳位光敏二极管光敏区N埋层注入；

3）进行浮空扩散节点的掺杂注入；

4）进行钳位光敏二极管的P+层注入；

5）通过光照刻蚀工艺，利用设置有隔离区形状的光刻掩模板，形成相连通的隔离区，将钳位光敏二极管光敏区N埋层、电荷传输管沟道、浮空扩散节点同时与STI边缘隔离开，然后在隔离区注入P杂质层；其离子注入能量保证P杂质层深度在STI深度与钳位光敏二极管N埋层深度之间，离子注入剂量小于钳位光敏二极管P+层离子注入剂量；

6）进行多晶硅淀积及掺杂。

所述的光刻掩模板的开窗宽度为0.4～0.8μm。

所述在步骤5）的光照刻蚀中实施正性光刻，在注入P杂质层时选择硼离子进行注入。