高转换增益像素的制造工艺制造技术

本发明专利技术涉及图像传感器领域，为提出一种高转换增益像素的工艺实现方法，降低FD寄生电容，从而提高像素转换增益，实现像素噪声的降低。本发明专利技术，高转换增益像素的制造工艺，所述像素包括光电二极管、传输栅、复位栅、源极跟随晶体管、行选择晶体管，传输栅、复位栅之间为浮空扩散节点FD，对FD节点进行两次离子注入步骤：一次垂直的离子注入，使用磷离子，作为FD节点电容的注入，其注入方向垂直于传输栅、复位栅连线；一次倾斜角度的离子注入，使用砷离子，其注入方向与垂直的离子注入方向的夹角为7

【技术实现步骤摘要】
高转换增益像素的制造工艺


[0001]本专利技术涉及图像传感器领域，针对FD节点提出一种提高像素转换增益的工艺实现方法。

技术介绍

[0002]随着制造CMOS图像传感器技术的快速发展，图像传感器被广泛应用于数码相机、移动手机、安全监控、军事国防、生物技术和医学等领域。CMOS图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。4T(四晶体管)有源像素是典型的像素单元，如图1所示，其元器件包括：光电二极管、传输晶体管、复位晶体管、源极跟随晶体管、行选择晶体管和列总线。其中，光电二极管作为感光单元，负责接收外界入射的光线，实现光信号与电信号之间的转换。传输晶体管负责将光电二极管中产生的电子传输到浮空扩散节点(FD，floatingdiffusion)处，FD节点实现电荷
‑
电压的转换之后，源极跟随晶体管将电压信号放大并通过选择晶体管输出。在FD节点处一个光生电荷转换为电压的量称为像素的转换增益(CG， Conversion Gain)。
[0003]在CMOS图像传感器芯片中，像素单元的转换增益是一个重要的评价标准，其直接影响像素单元的灵敏度、信噪比等指标，决定了像素的微光探测能力。像素单元的转换增益计算公式如下：
[0004][0005]其中，q为电子电量，1表示一个电子，C
FD
表示FD节点的电容值。由公式可知，降低 FD节点的电容是提高转换增益的关键。
[0006]有研究提出可以通过减小源极跟随器尺寸的方式来降低FD节点电容，但是同时会带来源极跟随器更大的RTS(random telephone noise)噪声的问题，通过减小FD节点面积的方式需要考虑版图设计极限。目前多数芯片会进行减小FD节点与传输晶体管和行选晶体管的交叠面积的设计方案，甚至是消除节点交叠电容如无栅复位技术，但同样需要考虑版图设计极限与电荷转移特性的折衷。因此，在特定的结构设计、版图布局条件下研究具有更高FD节点转换增益的工艺设计具有重要意义。

技术实现思路

[0007]为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出一种高转换增益像素的工艺实现方法，即提出一种“垂直+倾斜”的工艺手段，降低FD寄生电容，从而提高像素转换增益，实现像素噪声的降低。传统的CMOS图像传感器的工艺中，对FD节点的注入都是采用一次垂直注入的工艺，即注入方向垂直于器件表面对FD进行一次离子注入，如图2中(a)图所示。为此，本专利技术采取的技术方案是，高转换增益像素的制造工艺，所述像素包括光电二极管、传输栅、复位栅、源极跟随晶体管、行选择晶体管，传输栅、复位栅之间为浮空扩散节点FD，对FD 节点进行两次离子注入步骤：
[0008]一次垂直的离子注入，使用磷离子，作为FD节点电容的注入，其注入方向垂直于传输栅、复位栅连线，以注入能量E0进行注入，根据像素满阱容量的需求，设计FD节点的电容，进而调整FD节点的垂直注入的注入剂量，提供满足像素满阱需求FD节点的电容；
[0009]一次倾斜角度的离子注入，使用砷离子，用于增加FD节点向沟道的横向延伸长度，其注入方向与垂直的离子注入方向的夹角为7
°
，同样以E0的注入能量进行360度旋转注入，根据传输晶体管导通后，从沟道至FD节点表面的电势分布曲线判断，调整倾斜注入的注入剂量，直至沟道至FD节点路径上的电势分布曲线中的势垒消失为止。
[0010]其中所有离子注入的步骤都是使用蒙特卡洛模式进行注入的。
[0011]详细步骤如下：
[0012](1)pn+结耗尽区宽度公式：
[0013][0014]其中，N
A
、N
D
分别为P型区受主杂质浓度和N型施主杂质浓度，x
n
、x
p
分别为空间电荷区的两端边界，VD为pn结的接触电势差，根据pn+结耗尽区宽度公式可知，FD节点注入剂量降低时，其耗尽区宽度减小；
[0015](2)根据注入离子在靶中的分布理论，离子注入表面横向结深公式为：
[0016][0017]其中，R
P
、ΔR
P
、ΔR
⊥
分别为有效射程、纵向和横向标准偏差，Q为注入剂量，N
B
为衬底浓度，当FD注入剂量降低时，FD节点的横向结深也会减小。
[0018]本专利技术的特点及有益效果是：
[0019]相比于传统的垂直注入手段，“垂直+倾斜”的注入工艺手段能实现像素转移性能良好的前提下较大程度地降低结电容，同时也能实现像素零交叠电容。且“垂直+倾斜”的注入手段不仅能应用于FD节点的设计，还能应用于源极跟随器的源漏极设计，能极大程度地降低像素的寄生电容，实现像素单元的超高转换增益和超高感光灵敏度。
附图说明：
[0020]图1为现有技术中CMOS图像传感器像素单元的电路结构示意图；
[0021]图2为FD节点传统注入工艺与“垂直+倾斜”注入工艺的对比图；图中，(a)传统一次垂直注入，(b)垂直+倾斜注入。
[0022]图3为FD节点。
[0023]图4为FD节点处的寄生电容分布。
具体实施方式
[0024]本专利技术是针对像素中FD节点的注入工艺，提出的一种高转换增益像素的实现方法。
[0025]FD节点的注入工艺包括：形成形成光刻胶步骤、离子注入步骤、等离子体去除光刻
胶步骤，其特征在于所述离子注入步骤中，在垂直注入的基础上，增加一次倾斜注入。
[0026]FD节点的注入是在传输栅和复位栅及栅极两侧的侧墙形成之后，通过自对准的方式进行离子注入。其中侧墙的作用是为了给栅结构提供支撑，其宽度约为W
S
。由于侧墙的存在，在传输晶体管开启时，沟道与FD节点之间会存在势垒，导致光电二极管中的光生电子无法传输到FD中。
[0027]如图3所示，W为FD节点的表面耗尽区宽度，xj为FD节点的表面横向结深。当FD节点向沟道延伸的长度L
diff
＝(W+xj)≥W
S
时，则可认为侧墙下的势垒被消除。
[0028](1)pn+结耗尽区宽度公式：
[0029][0030]其中，N
A
、N
D
分别为P型区受主杂质浓度和N型施主杂质浓度，x
n
、x
p
分别为空间电荷区的两端边界，VD为pn结的接触电势差。根据pn+结耗尽区宽度公式可知，FD节点注入剂量降低时，其耗尽区宽度减小。
[0031](2)根据注入离子在靶中的分布理论(Lindhard，Scharff and Schiott首先确立的分布理论，简称LSS理论)，离子注入表面横向结深公式为：
[0032][0033]其中，R
P
、ΔR
P
、ΔR
⊥
分别为有效射程、纵向和横向标准偏差，Q为注入剂量，N
B
为衬底浓度。根据横向结深公式可知，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高转换增益像素的制造工艺，其特征是，所述像素包括光电二极管、传输栅、复位栅、源极跟随晶体管、行选择晶体管，传输栅、复位栅之间为浮空扩散节点FD，对FD节点进行两次离子注入步骤：一次垂直的离子注入，使用磷离子，作为FD节点电容的注入，其注入方向垂直于传输栅、复位栅连线，以注入能量E0进行注入，根据像素满阱容量的需求，设计FD节点的电容，进而调整FD节点的垂直注入的注入剂量，提供满足像素满阱需求FD节点的电容；一次倾斜角度的离子注入，使用砷离子，用于增加FD节点向沟道的横向延伸长度，其注入方向与垂直的离子注入方向的夹角为7
°
，同样以E0的注入能量进行360度旋转注入，根据传输晶体管导通后，从沟道至FD节点表面的电势分布曲线判断，调整倾斜注入的注入剂量，直至沟道至FD节点路径上的电势分布曲线中的势垒消失为止。2.如权利要求1所述的高转换增益像素的制造工艺，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：高志远，杜雅娟，聂凯明，高静，徐江涛，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：