[发明专利]通过F离子注入降低CMOS图像传感器暗电流的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，更具体地，涉及一种通过F离子注入降低CMOS图像传感器暗电流的工艺集成方法。

背景技术

伴随着移动互联网的飞速发展，人们对智能终端的需求愈来愈庞大，而有着智能终端“眼睛”之称的图像传感器也迎来了前所未有的发展空间。传统的CCD图像传感器由于其功耗较大，市场局限在高性能的数码相机中；CMOS图像传感器(CIS)不仅功耗低，速率快，而且易于与现有的半导体工艺相兼容，生产成本较低，这使得CMOS图像传感器占据了图像传感器市场的半壁江山。

请参阅图1，图1是现有的一种CMOS图像传感器的结构示意图，其显示目前CIS的主流设计。如图1所示，该CIS包含了光电二极管PD，传输栅TX和浮动扩散极FD。其工作原理是：当有光线照射进N型区与P型外延层EPI形成的PD中时，PD中就会产生光生载流子的积累，然后通过控制外部电路打开TX，光生载流子就从PD流到FD点，FD为N+型区域，既是TX的漏极，又是一个PN结电容，FD点将光生载流子转变成电压信号输出。为了避免PD之间的电学串扰，PD之间采用P+型侧面隔离ISO和浅沟槽隔离STI。为了抑制表面暗电流，在Si与SiO₂(STI的填充材料和TX的栅氧材料一般为SiO₂)界面处采用P+型表面隔离ISO。界面类型主要有两种，一种是Si与STI的界面，另一种是Si与层间电介质ILD的界面。

与CCD图像传感器相比，CIS的暗电流(Dark Current，DC)水平要高出一个数量级。DC不仅会降低传感器的动态范围，而且其空间和时间的波动又是固定模式噪声(FPN)和随机噪声(Random Noise)的主要来源。当某个像素的DC异常偏高时，该像素暗光条件下就表现为一个亮点，称为白像素点，白像素点对CIS图像质量有很大的影响。随着CIS像素个数的不断提高和像素尺寸的不断减小，DC引起的图像噪声会更加显著。

请参阅图2，图2是CIS光电二极管中暗电流的来源示意图，其表明CIS光电二极管中暗电流的主要来源包括：i)耗尽层；ii)基底；iii)硅表面。

在耗尽层，少子处于耗尽状态，光生电子空穴对产生复合平衡中的产生过程占据优势。根据Shockley–Read–Hall理论，耗尽层中的DC为

其中，

n_i为本征电子浓度，τ_g为光生电子的平均自由时间，q为电子的电量，G为光生电子的产生速率，W为耗尽层宽度，E_t为禁带中心能级，E_i为本征费米能级，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，v_th为热速度，σ₀为电子和空穴的捕获截面，N_t为复合中心浓度。

从上式可知，当E_t接近E_i时，J_gen会急剧上升，也就是说耗尽层中的暗电流主要来自于禁带中央附近的深能级杂质。

在基底中，少子的浓度要远远高于耗尽层中，因此在基底与耗尽层之间会形成少子的扩散电流(如图示箭头所指)，即扩散暗电流：

其中，D_n为电子的扩散系数，n_p0为基底中少数载流子电子的浓度，L_n为电子的平均自由程，τ_n为电子的平均自由时间，N_A为施主杂质掺杂浓度，n_i为电子浓度。因此，扩散暗电流主要与掺杂浓度相关。

在硅表面，晶格的周期性受到了破坏，因此在能带中会出现许多表面态(如图示的×所指)，这些表面态也是暗电流主要来源，即表面暗电流：

其中，S₀为表面生成速度，n_d为表面态密度。

因此，总的暗电流：