一种提高量子效率的CMOS图像传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种提高量子效率的CMOS图像传感器，包括位于衬底上的转移晶体管、PN光电二极管和石墨烯层，所述转移晶体管包括栅极、侧墙、栅极介质层、漏区和源区，所述侧墙围绕在所述栅极周围，所述栅介质层位于所述侧墙和栅极的下方，所述源区和漏区分别位于所述栅介质层之下，且在垂直方向上位于栅极的两侧；所述PN光电二极管与所述转移晶体管的源区相连接，所述栅介质层延伸至覆盖所述PN光电二极管的上表面，所述PN光电二极管在远离衬底的方向依次形成N型掺杂区和P型掺杂区，所述石墨烯层覆盖在PN光电二极管上方的栅介质层上。本发明专利技术提供的一种提高量子效率的CMOS图像传感器，减少了光生载流子在中性区的复合，提高了短波长入射光的量子效率。

A CMOS image sensor for improving quantum efficiency

A CMOS image sensor for improving quantum efficiency is disclosed, including a transfer transistor, a PN photodiode, and a graphene layer located on a substrate. The transfer transistor comprises a gate, a side wall, a gate dielectric layer, a drain region and a source region. The side wall surrounds the gate and the gate dielectric layer is located in the said gate. The source area and the drain area are respectively located below the gate dielectric layer and on both sides of the gate in the vertical direction; the PN photodiode is connected with the source area of the transfer transistor, the gate dielectric layer extends to the upper surface covering the PN photodiode, and the PN photodiode is located below the gate dielectric layer in the vertical direction. N-type doping region and P-type doping region are successively formed in the direction away from the substrate, and the graphene layer is covered on the gate dielectric layer above the PN photodiode. The invention provides a CMOS image sensor for improving quantum efficiency, reducing the recombination of photogenerated carriers in the neutral region, and improving the quantum efficiency of short wavelength incident light.

【技术实现步骤摘要】
一种提高量子效率的CMOS图像传感器
本专利技术涉及半导体领域，具体涉及一种提高量子效率的CMOS图像传感器。
技术介绍
图像传感器中的基本单元为像素，每个像素中包括光电二极管和MOS晶体管，光电二极管用于将光信号转换为相应的电流信号，MOS晶体管用于传输和读出光电二极管转换的电流信号。其中转移晶体管的源区和光电二极管相连，光电二极管上方为氧化硅层，PN光电二极管在远离衬底的方向依次形成N型掺杂区和P型掺杂区。PN光电二极管由于其表面直接与硅/氧化硅截面接触，存在暗电流大的缺点，因此在传统的图像传感器中，需要在图像传感器中引入表面钳位结构。现有技术中的CMOS图像传感器的结构如附图1所示，包括转移晶体管和PN光电二极管，其中转移晶体管包括栅极1、侧墙2、氧化硅层4、漏区5和源区(图中未显示)，侧墙2围绕在栅极1周围，氧化硅层4位于侧墙1和栅极2的下方，源区和漏区5分别位于氧化硅层4之下，且在垂直方向上位于栅极1的两侧；PN光电二极管与转移晶体管的源区相连接，栅介质层4延伸至覆盖PN光电二极管的上表面，PN光电二极管在远离衬底的方向依次形成N型掺杂区7和P型掺杂区6。通常在PN光电二极管上方的P型掺杂区6上方形成P+钳位注入层9，掺杂浓度在1e18/cm3以上，表面高浓度的空穴填充了硅/氧化硅界面处的界面态，可以减小暗电流。但是在上述图像传感器工作过程中，光电二极管的光生载流子会在除耗尽区外的中性区和衬底硅或二氧化硅表面复合，从而降低了CMOS图像传感器的量子效率。中性区分为位于耗尽区上表面到二氧化硅表面之间的部分和位于耗尽区下面的硅衬底部分。耗尽区下面的中性区主要影响长波长入射光的光量子效率。现有技术中的图像传感器由于P+钳位注入层的存在，在PN光电二极管耗尽区上面会产生中性区，这一层P+钳位注入层的引入，由于注入和扩散的作用，在光电二极管重置后会在二氧化硅表面下产生大约0.05微米左右的中性层。耗尽区上面的中性区主要影响短波长入射光的量子效率；越厚，量子效率降低越多；入射光波长越短，量子效率降低越多。而波长为360纳米的吸收长度为0.01微米，因此360纳米的光基本在中性区会吸收并生成电子空穴对，由于P+钳位注入层的少数载流子电子寿命很低，很高比例的光生电子在向电子势阱扩散时在中性区被复合，导致量子效率很低。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题为提供一种提高量子效率的CMOS图像传感器，在PN光电二极管栅介质层上方沉积一层石墨烯层，并在石墨烯层上加负偏压，以在栅介质层下方形成空穴积累层，空穴积累层的厚度只有现有技术中P+钳位注入层的十分之一，从而减少了光生载流子在中性区的复合。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种提高量子效率的CMOS图像传感器，包括位于衬底上的转移晶体管、PN光电二极管和石墨烯层，所述转移晶体管包括栅极、侧墙、栅极介质层、漏区和源区，所述侧墙围绕在所述栅极周围，所述栅介质层位于所述侧墙和栅极的下方，所述源区和漏区分别位于所述栅介质层之下，且在垂直方向上位于栅极的两侧；所述PN光电二极管与所述转移晶体管的源区相连接，所述栅介质层延伸至覆盖所述PN光电二极管的上表面，所述PN光电二极管在远离衬底的方向依次形成N型掺杂区和P型掺杂区，所述石墨烯层覆盖在PN光电二极管上方的栅介质层上，当所述CMOS图像传感器处于工作状态时，所述石墨烯层加负偏压。进一步地，所述衬底为P型硅衬底。进一步地，所述栅介质层为氧化硅。进一步地，所述侧墙为氧化硅或氮化硅。进一步地，所述栅介质层的厚度范围为0-20纳米。进一步地，所述石墨烯层与所述侧墙之间留有间隙。进一步地，远离所述转移晶体管一侧的石墨烯层完全覆盖所述PN光电二极管。进一步地，所述石墨烯层所加的负偏压范围在-3.3V到0V之间，以在栅介质层下方形成空穴积累层。本专利技术的有益效果为：在光电二极管上表面的二氧化硅上层引入一层石墨烯层，并在石墨烯层上加负电压。加了负电压后，空穴在硅表面富集，填充了界面态的能级，减少暗电流；由于负电压引起的空穴层厚度约几个纳米，远小于传统的钳位注入层的厚度，减小了PN光电二极管上表面中性区(由P型钳位注入引入)的厚度，减少了光生载流子在中性区的复合，因此可以提高短波长入射光的量子效率；在硅表面富集的空穴会形成一个从硅指向二氧化硅的电场，从而加速近表面的光生电子向硅体内的电子势阱流动，可以提高短波长端如蓝光到紫光的量子效率。附图说明附图1为现有技术中的CMOS图像传感器的结构图。附图2为本专利技术一种提高量子效率的CMOS图像传感器的结构示意图。图中：1栅极，2侧墙，4栅介质层，5漏极，6P型掺杂区，7N型掺杂区，9P+钳位注入层，10石墨烯层。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步的详细说明。现有技术中的CMOS图像传感器的结构如附图1所示，由于P+钳位注入层9的存在，在PN光电二极管耗尽区上面会产生中性区，这一层P+钳位注入层9的引入，由于注入和扩散的作用，在光电二极管重置后会在二氧化硅表面下大约0.05微米左右的中性层。而波长为360纳米的吸收长度为0.01微米，因此360纳米的光基本在中性区会吸收并生成电子空穴对，由于P+钳位注入层的少数载流子电子寿命很低，很高比例的光生电子在向电子势阱扩散时在中性区被复合，导致量子效率很低。如附图2所示，本专利技术提供的一种提高量子效率的CMOS图像传感器，包括位于衬底上的转移晶体管、PN光电二极管和石墨烯层10，转移晶体管包括栅极1、侧墙2、栅极介质层4、漏区5和源区，侧墙2围绕在所述栅极1周围，栅介质层4位于侧墙2和栅极1的下方，源区和漏区5分别位于栅介质层4之下，且在垂直方向上位于栅极1的两侧；PN光电二极管与转移晶体管的源区相连接，栅介质层4延伸至覆盖PN光电二极管的上表面，PN光电二极管在远离衬底的方向依次形成N型掺杂区7和P型掺杂区6，石墨烯层10覆盖在PN光电二极管上方的栅介质层上。其中，上述结构中衬底为P型衬底，在实际应用中，当衬底选择其他掺杂类型的硅衬底时，可以变化上述结构中光电二极管的结构来形成新的器件，在此不做详细说明。其中，栅介质层选用氧化硅，侧墙选择氧化硅或氮化硅侧墙。本专利技术在实际制作过程中，在实际制作过程中，石墨烯层在侧墙之后的形成。为避免石墨烯层与栅极之间的高电场，在靠近晶体管一侧，石墨烯层不得覆盖到晶体管的侧墙。在远离晶体管一侧，石墨烯层需完全覆盖住PN光电二极管N型区7。本专利技术引入石墨烯层的作用是为了减小因为P+钳位注入层而引入的中性层，由于石墨烯层有极高的透光率，单层可以达到99％，同时有良好的导电性能，可以在其上加负偏压但几乎不影响外量子效率。因此，在本专利技术中CMOS图像传感器处于工作状态时，石墨烯层上需要加负压，且通常石墨烯层所加的负偏压范围在-3.3V到0V之间，以在栅介质层下方形成空穴积累层，负偏压会吸引空穴到二氧化硅，空穴层的有效厚度大约为5纳米，大约只有传统结构的十分之一，在往下就是耗尽区了，见图2虚线。对于波长为360纳米的入射光，大部分光生载流子产生在耗尽区，避免了复合，在指向表面的垂直电场中漂移至势阱。本专利技术提供的一种提高量子效率的CMOS图像传感器，用于提高CMO本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高量子效率的CMOS图像传感器，其特征在于，包括位于衬底上的转移晶体管、PN光电二极管和石墨烯层，所述转移晶体管包括栅极、侧墙、栅极介质层、漏区和源区，所述侧墙围绕在所述栅极周围，所述栅介质层位于所述侧墙和栅极的下方，所述源区和漏区分别位于所述栅介质层之下，且在垂直方向上位于栅极的两侧；所述PN光电二极管与所述转移晶体管的源区相连接，所述栅介质层延伸至覆盖所述PN光电二极管的上表面，所述PN光电二极管在远离衬底的方向依次形成N型掺杂区和P型掺杂区，所述石墨烯层覆盖在PN光电二极管上方的栅介质层上，当所述CMOS图像传感器处于工作状态时，所述石墨烯层加负偏压。

【技术特征摘要】
1.一种提高量子效率的CMOS图像传感器，其特征在于，包括位于衬底上的转移晶体管、PN光电二极管和石墨烯层，所述转移晶体管包括栅极、侧墙、栅极介质层、漏区和源区，所述侧墙围绕在所述栅极周围，所述栅介质层位于所述侧墙和栅极的下方，所述源区和漏区分别位于所述栅介质层之下，且在垂直方向上位于栅极的两侧；所述PN光电二极管与所述转移晶体管的源区相连接，所述栅介质层延伸至覆盖所述PN光电二极管的上表面，所述PN光电二极管在远离衬底的方向依次形成N型掺杂区和P型掺杂区，所述石墨烯层覆盖在PN光电二极管上方的栅介质层上，当所述CMOS图像传感器处于工作状态时，所述石墨烯层加负偏压。2.根据权利要求1所述的一种提高量子效率的CMOS图像传感器，其特征在于，所述衬底为P型硅衬底。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：孙德明，
申请(专利权)人：上海集成电路研发中心有限公司，成都微光集电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31