一种增强吸收的背照式抗辐照PPD像元结构及其实现方法技术

本发明专利技术公开了一种增强吸收的背照式抗辐照PPD像元结构及其实现方法，像元结构中阱注入区、传输管阈值调整注入层和PD注入区设置在外延层上，传输管阈值调整注入层的一侧设置有栅氧化层和栅极，FD区位于阱注入区内部，高k介质层覆盖器件表面，钝化层淀积在器件表面。通过淀积高k介质层与反射金属层，利用金属与半导体之间的功函数差，在半导体PD注入区的表面感应出空穴，并通过将金属层与外延层共同接到电源地，实现对PPD表面感生空穴层的电位钳制，从而避免了通过高剂量离子注入的方式形成光电二极管表面的钳位层，有效的减少了PPD表面由于注入损伤引入的缺陷，减少了光电二极管中光电子在表面的复合，提升了像素单元的量子效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种增强吸收的背照式抗辐照PPD像元结构及其实现方法


[0001]本专利技术属于图像传感器
，涉及一种增强吸收的背照式抗辐照PPD像元结构及其实现方法。

技术介绍

[0002]由于互补型金属
‑
氧化物
‑
半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺技术在大规模及超大规模集成电路(Very Large Scale Integration,VLSI)制程中的推广，CIS(CMOS Image Sensors,CIS)近些年发展迅速，并实现将光电感光模块与图像信号处理模块集成于同一芯片，从而大幅度降低了研制成本，并缩短了研发周期。像素单元(简称像元)在整个传感器系统中起着举足轻重的作用，负责将光学图像信号转换为电学信号，是真正意义上实现“传感”的单元，也是图像传感器的组成核心。因此，基于像素单元展开深入充分的研究对图像传感器的发展具有极其重大的意义于价值。
[0003]钳位光电二极管(Pinned Photodiode，PPD)结构拥有众多优势，首先表现在P
+
钳位层的引入使光电二极管光敏收集区上移，具备良好的短波段光电荷收集能力，提升了蓝光量子效率；其次，光电二极管由单结耗尽变为双结耗尽，增大了光敏区收集体积，提升了像元的灵敏度和动态范围；再次，钳位型结构可使感光节点被钳位至固定电势，从而可增大电荷存储节点与感光节点之间的电势差，有利于电荷向存储节点的完全转移；最后，掩埋式光敏收集区的设计减弱了光电荷收集过程光电子被Si
‑
SiO2界面缺陷复合的影响，大大降低了像元的暗电流。PPD像元由于在诸多性能方面的优越性以及潜在应用领域的广泛性使其备受研究人员的关注，因此具有极大的研究意义和价值。
[0004]然而，传统的PPD像元结构中钳位层是通过离子注入形成的，因而在注入的过成中会在光电二极管表面处引入注入损伤缺陷，虽然钳位层的存在可以抑制光电子在光电二极管表面的复合，但是注入损伤在表面沿体内的方向上居于一定分布，引入的缺陷对光电子的复合作用难以完全抑制，从而限制了PPD像元的量子效率、灵敏度与安电流等特性。因此，需要探索能够降低光电二极管表面缺陷的PPD像元设计，从而进一步提升图像传感器的效率。另外，CIS在航空航天
也具有用重要应用。人造卫星是航天技术的核心，而图像传感器是人造卫星的“眼睛”，从深空探测到地表环境监测，图像传感器无不发挥着重要的作用。然而，空天环境比日常的生活环境更为复杂，空间中充满各种辐射，空间辐射环境主要来自宇宙射线、太阳耀斑辐射、围绕地球的内外范艾伦辐射带、太阳风、极光、太阳X射线以及频谱范围较宽的电磁辐射等。上述辐射源的主要成分是高能质子、高能电子及各种射线等。空间辐射极易对半导体器件的性能产生损伤，造成微电子系统出现不同程度的故障，导致其无法正常工作。对于CIS这一精密的微电子系统，辐射将造成其像素器件损伤，导致成像质量显著下降。因此，还需探索能够保证CIS优异性能的同时实现抗辐照特性的像元加固结构设计。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有技术中通过离子注入形成的钳位层，在注入的过程中会在光电二极管表面引入注入损伤缺陷，损伤缺陷对光电子的复合作用难以完全抑制，从而限制了PPD像元的量子效率的问题，提供一种增强吸收的背照式抗辐照PPD像元结构及其实现方法。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]一种增强吸收的背照式抗辐照PPD像元结构，包括外延层、阱注入区、传输管阈值调整注入层、栅氧化层、栅极、PD注入区、FD区、高k介质层、FD欧姆接触金属、反射金属层和钝化层；
[0008]所述阱注入区、传输管阈值调整注入层和PD注入区设置在外延层上，传输管阈值调整注入层的一侧依次设置有栅氧化层和栅极，所述FD区位于阱注入区内部，所述高k介质层设置在外延层表面，同时覆盖栅极、PD注入区和FD区，FD欧姆接触金属与FD区表面接触，反射金属层设置在高k介质层的表面，钝化层设置在反射金属层、高k介质层和FD欧姆接触金属的表面。
[0009]一种增强吸收的背照式抗辐照PPD像元结构的实现方法，包括以下步骤：
[0010]在外延层上进行浅槽隔离；
[0011]注入离子形成阱注入区；
[0012]注入离子形成传输管阈值调整注入层；
[0013]淀积栅氧化层和栅极，并进行栅极的图形化；
[0014]通过自对准注入形成PD注入区以及FD区，并进行退火激活；
[0015]淀积高k介质层覆盖PD注入区与隔离浅槽表面；
[0016]去除FD区表面的高k介质层，淀积欧姆接触金属并进行退火；
[0017]在高k介质层表面淀积反射金属层；
[0018]在器件表面淀积钝化层。
[0019]本专利技术的进一步改进在于：
[0020]所述外延层的掺杂浓度为1
×
10
15
～5
×
10
15
cm
‑3，厚度为2～5μm。
[0021]所述阱注入区需要若干次硼离子注入，包括以下步骤：
[0022]首先注入能量为140～160keV，注入剂量为1
×
10
13
～2
×
10
13
cm
‑2；
[0023]然后注入能量为290～310keV，注入剂量为1
×
10
12
～3
×
10
12
cm
‑2；
[0024]最后注入能量为70～90keV，注入剂量为1
×
10
12
～3
×
10
12
cm
‑2。
[0025]所述传输管阈值调整注入层为硼离子注入，注入能量为5～7keV，注入剂量为1
×
10
12
～3
×
10
12
cm
‑2。
[0026]所述栅氧化层的材质为二氧化硅，厚度为7～10nm。
[0027]所述PD注入区中注入的掺杂剂为砷，注入能量为60～70keV，注入剂量为4
×
10
12
～6
×
10
12
cm
‑2。
[0028]所述FD区注入的掺杂剂为磷，注入能量为18～22keV，注入剂量为2
×
10
12
～3
×
10
12
cm
‑2。
[0029]所述高k介质层的厚度为10～15nm，高k介质层由Al2O3、HfO2、TiO2和Ta2O5中的一种或多种制成。
[0030]所述反射金属层覆盖高k介质层，反射金属层的厚度为2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种增强吸收的背照式抗辐照PPD像元结构，其特征在于，包括外延层(10)、阱注入区(11)、传输管阈值调整注入层(12)、栅氧化层(13)、栅极(14)、PD注入区(15)、FD区(16)、高k介质层(17)、FD欧姆接触金属(18)、反射金属层(19)和钝化层(20)；所述阱注入区(11)、传输管阈值调整注入层(12)和PD注入区(15)设置在外延层(10)上，传输管阈值调整注入层(12)的一侧依次设置有栅氧化层(13)和栅极(14)，所述FD区(16)位于阱注入区(11)内部，所述高k介质层(17)设置在外延层(10)表面，同时覆盖栅极(14)、PD注入区(15)和FD区(16)，FD欧姆接触金属(18)与FD区(16)表面接触，反射金属层(19)设置在高k介质层(17)的表面，钝化层(20)设置在反射金属层(19)、高k介质层(17)和FD欧姆接触金属(18)的表面。2.一种增强吸收的背照式抗辐照PPD像元结构的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：在外延层(10)上进行浅槽隔离；注入离子形成阱注入区(11)；注入离子形成传输管阈值调整注入层(12)；淀积栅氧化层(13)和栅极(14)，并进行栅极(14)的图形化；通过自对准注入形成PD注入区(15)以及FD区(16)，并进行退火激活；淀积高k介质层(17)覆盖PD注入区(15)与隔离浅槽表面；去除FD区(16)表面的高k介质层(17)，淀积欧姆接触金属(18)并进行退火；在高k介质层(17)表面淀积反射金属层(19)；在器件表面淀积钝化层(20)。3.如权利要求2所述的一种增强吸收的背照式抗辐照PPD像元结构的实现方法，其特征在于，所述外延层(10)的掺杂浓度为1
×
10
15
～5
×
10
15
cm
‑3，厚度为2～5μm。4.如权利要求2所述的一种增强吸收的背照式抗辐照PPD像元结构的实现方法，其特征在于，所述阱注入区(11)需要若干次硼离子注入，包括以下步骤：首先注入能量为140～160keV，注入剂量为1
×
10
13
～2
×
10
13
cm
‑2；然后注入能量为29...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕智军，李婷，何杰，李海松，徐晚成，崔双韬，曹天骄，袁昕，张曼，杨靓，
申请(专利权)人：西安微电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：