[发明专利]一种硅基CMOS图像传感器及其抑制光生载流子表面陷阱复合的方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种硅基CMOS图像传感器，及其抑制光生载流子表面陷阱复合的方法。 

背景技术

图像传感器是将光学图像转换为电信号的半导体器件，通常可分为CMOS图像传感器和CCD图像传感器。CMOS图像传感器是近十年来图像传感器的研究热点，同传统的CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有体积小巧、低功耗和低成本的优点，而且由于和CMOS工艺兼容的特点，CMOS图像传感器可以实现功能强大的片上系统芯片。 

传统的CMOS图像传感器的单个像素如图1所示。由光电二极管（PPD），浮动扩散区（FD）和传递晶体管（TX）构成。 

理想状态下，CMOS图像传感器单个像素的工作原理如下，先由复位晶体管把光电二极管（PPD）置于高电位状态，使光电二极管的PN结处于反偏状态。再关闭复位晶体管，光电二极管上的高电位使源跟随器处于开启状态图2（A），当行选择晶体管处于开启状态时，Vdd可以通过源跟随器传导到输出端。当光线(光子)到达光电二极管的硅体内后，部分晶格上硅原子的共价键被打断，从而形成电子空穴对，其被释放的电子的数目则正比于入射光的强度图2（B）。在复位晶体管关闭后，光电二极管内的反偏PN结收集通过光电效应在硅体内产生的电子。并排斥与之对应的空穴，使与之相连的源跟随器的栅极电位下降图2（C）。从而在行选中(保持行选择晶体管开启)的状态下，放大晶体管作为源跟随器使像素输出端的电位下降。根据电位下降速率与光强的对应关系，通过量测一定时间内输出端的电位变化(△V)，就可知道入射光的强度图2（D）。 

然而，传统的CMOS图像传感器不能将光感测区（PPD）内的光生载流子完全转移到浮动扩散区（FD），主要原因在于光感测区（PPD）和传递晶体管（TX）沟道之间存在势垒，阻碍了部分光生载流子从光感测区进入沟道，图1的10即光电二极管和传递晶体管沟道之间势垒存在的位置。 

实际工作过程的电势图如图3所示。由于光感测区域和传递晶体管（TX）沟道之间的势垒，部分光生载流子不能转移到浮动扩散区。 

另外一种现有的结构图如图4所示，把感光区的载流子收集区部分向沟道延伸，且与半导体表面相连接，位置不限于栅或者侧墙下面。然而，光电二极管载流子收集区与表面接触，容易造成光生载流子在表面陷阱的复合。 

发明内容

本发明的目的在于提出一种光生载流子的转移效率高、表面复合率低的硅基CMOS图像传感器，及抑制硅基CMOS图像传感器光生载流子表面陷阱复合的方法。 

本发明提供的硅基CMOS图像传感器，具有光生载流子的转移效率高、表面复合率低的特性，具体包括： 

光电二极管（PPD），即光感测器件，用于产生光电荷；

浮动扩散区（FD），用于存储光电荷；

传递晶体管（TX），用于连接光感测器件和浮动扩散区，可将光感测器件产生的光电荷传递到浮动扩散区；

浅槽隔离区（STI），其周围与衬底掺杂类型相同，并使得光电二极管表层重掺杂区域与衬底的电动势相同；

抗穿通注入区（APT），包围浮动扩散区，其位置与光电二极管尽量远；

还包括：

通过两次不同位置、不同能量、不同剂量的离子注入在局部自对准形成的光生载流子表面陷阱抑制层，且邻近光电二极管与传递晶体管（TX）连接部分的陷阱抑制层结深较浅、剂量较低，而其余部分的陷阱抑制层结深较深、剂量较高。

本发明还涉及抑制硅基CMOS图像传感器光生载流子表面陷阱复合的方法，是提供CMOS图像传感器的单个像素，通过两次不同位置、不同能量、不同剂量的离子注入，在局部自对准形成光生载流子表面陷阱抑制层，且邻近光电二极管与传递晶体管（TX）连接部分的陷阱抑制层结深较浅、剂量较低，而其余部分的陷阱抑制层结深较深、剂量较高。 

本发明中，所述位于光电二极管与传递晶体管（TX）沟道区连接部分表层的陷阱抑制层中结深较浅的部分，可形成于传递晶体管（TX）的栅极下方，也可形成在传递晶体管（TX）栅极侧墙下方，或者在栅极和侧墙之下皆有；且在平行于表面从感光区指向传递晶体管（TX）沟道区的方向，陷阱抑制层的掺杂浓度呈现单调递减趋势，结深呈现单调递减趋势。