无漏电流CMOS像素制造技术

本发明专利技术涉及用于光学传感器的像素(P)，其包括具有信号路径(SP)和浮动扩散区域(FD)的基板(Sub)。此外，像素(P)包括传输栅极(TG)，其中传输栅极(TG)布置在信号路径(SP)上方的第一多晶硅层中并且部分地与浮动扩散区域(FD)重叠。传输栅极(TG)通过数字栅极氧化层至少部分地与基板(Sub)分离。特别地，在传输栅极(TG)和浮动扩散区域(FD)的重叠区域中，传输栅极(TG)通过高压栅极氧化物层与基板分离。此外，本发明专利技术涉及用于制造像素(P)的方法，其中在基板(Sub)上生长数字栅极氧化物层。特别地，除数字栅极氧化物(DGO)之外，还生长高压栅极氧化物(HVO)，其中在传输栅极(TG)和浮动扩散区域(FD)的重叠区域中生长高压栅极氧化物(HVO)。(FD)的重叠区域中生长高压栅极氧化物(HVO)。(FD)的重叠区域中生长高压栅极氧化物(HVO)。

【技术实现步骤摘要】
无漏电流CMOS像素


[0001]本专利技术涉及用于光学传感器的像素，该像素包括具有信号路径和浮动扩散区域的基板。此外，像素还包括传输栅极，该传输栅极布置在信号路径上方的第一多晶硅层中。在此，传输栅极通过数字栅极氧化物层至少部分地与基板分离。本专利技术还涉及制造根据本专利技术的像素的方法。

技术介绍

[0002]图像传感器被广泛用于数码相机、手机(尤其是智能手机)、安全摄像头以及医疗应用、汽车应用等。用于制造图像传感器，特别是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的技术已经迅速发展。例如，更高分辨率和更低功耗的要求促进了这些图像传感器的进一步小型化和集成化。
[0003]CMOS传感器基于光电效应并将入射的光子转换为电荷。
[0004]CMOS传感器通常包括光敏区域、电容器、放大器元件和用于读出和复位的数据线。每个CMOS像素具有放大器，该放大器直接向模拟信号处理器提供电容器电压。因此，可以单独地以电子方式读取每个像素。
[0005]通常通过光刻法在单晶硅晶片上制造CMOS传感器。
[0006]在晶片表面上通过以下方式形成大量的NMOS晶体管和PMOS晶体管：进行各种光致抗蚀剂涂层，通过不同的光掩模对晶片进行曝光，显影和蚀刻曝光区域，以及通过目标离子注入进行局部掺杂。特别地，将磷用于n掺杂，并且将硼用于p掺杂。
[0007]随后，通过进一步的氧化过程在晶片表面上产生氧化硅的绝缘栅极氧化物层。
[0008]在栅极氧化物层上交替地沉积绝缘氧化硅和导电多晶硅，以产生栅极。
[0009]此外，通过蚀刻工艺和金属涂覆来产生电触点。
[0010]在传统有源CMOS像素中，通过传输栅极将所谓的图像电荷从光敏区域传输到浮动扩散区域，并且在“浮动扩散节点”处转换为像素内的电压信号。针对每次曝光，在将图像电荷从光电二极管传输到浮动扩散部之前，通过复位晶体管将每个像素的浮动扩散部复位到复位电平。
[0011]文献“Leakage Current Non
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Uniformity and Random Telegraph Signals in CMOS Image Sensor Floating Diffusions Used for In
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Pixel Charge Storage(用于像素内电荷存储的CMOS图像传感器浮动扩散中的漏电流非均匀性和随机电报信号)”(Le Roch等人，Sensors 2019，19，5550)描述了在浮动扩散实施体与传输栅极的重叠区域中的薄的数字栅极氧化物层中出现较强的暗放电，其中与在浮动扩散实施体与传输栅极层的重叠区域中出现在传输栅极的电介质中的高电场有关。较强暗放电的原因是由栅极引起的漏电流，该漏电流取决于电介质中的电场强度。
[0012]所述现象也被称为“热像素(hot pixel)”。这是指像素尤其在长光照时间期间以及在低光照条件下的较强暗放电。不是照射在光电二极管上的光，而是不期望的电流(即，所谓的暗电流)导致在受影响像素中累积电荷。
[0013]通常可以通过诸如暗场减法等软件措施来提供补救措施。
[0014]Le Roch等人提出了一种可能的解决方案，以降低像素的复位电压。然而，这具有减小动态范围的后果。
[0015]此外，改变传输栅极电压虽然可能降低由栅极引起的漏电流，但会导致传输栅极的不利开关特性。

技术实现思路

[0016]因此，本专利技术的目的是提供一种用于改进用于光学传感器的像素的解决方案，其中，防止了热像素的出现，并且其中，该解决方案应是低成本的并且不应意味着标准CMOS像素的制造过程中的重大技术改变。
[0017]所提出的解决方案提供了一种用于光学传感器的像素，该像素包括具有信号路径和浮动扩散区域的基板。此外，像素还包括传输栅极。因此，传输栅极布置在信号路径上方的第一多晶硅层中，其中，传输栅极部分地与浮动扩散区域重叠。
[0018]特别地，传输栅极通过数字栅极氧化物层(digial gate oxide layer)至少部分地与基板分离。
[0019]特别地，在传输栅极和浮动扩散区域的重叠区域中，传输栅极通过高压栅极氧化物层(high voltage gate oxide layer)与基板分离。
[0020]因此，传输栅极的第一部分通过数字栅极氧化物层与基板分离，并且传输栅极的第二部分通过高压栅极氧化物层与基板分离。
[0021]在本专利技术的一实施例中，像素包括集电栅极。
[0022]特别地，基板包括集电栅极区域。
[0023]特别地，集电栅极通过数字栅极氧化物层与基板分离。
[0024]在一实施例中，集电栅极在集电栅极区域上方布置在第二多晶硅层中或第一多晶硅层中。
[0025]在一实施例中，传输栅极在集电栅极区域与浮动扩散区域之间布置在信号路径上方的第一多晶硅层中，其中传输栅极部分地与浮动扩散区域重叠。
[0026]在本专利技术的一实施例中，高压栅极氧化物层的厚度大于数字栅极氧化物层的厚度。
[0027]由于数字栅极氧化物层和高压栅极氧化物层的厚度不同，因此在传输栅极和浮动扩散区域的重叠区域中传输栅极与基板的距离大于跨越信号路径的传输栅极与基板之间的距离。
[0028]在一实施例中，数字栅极氧化物层的厚度为1nm至20nm。特别地，数字栅极氧化物层的厚度为9nm至10nm。特别地，数字栅极氧化物层的厚度为9.4nm。
[0029]在一实施例中，高压栅极氧化物层的厚度为20nm至60nm。特别地，高压栅极氧化物层的厚度为45nm。
[0030]与数字栅极氧化物层相比明显更厚的高压栅极氧化物层极大降低了传输栅极和浮动扩散区域之间的过渡区域中的电场强度的技术效果。
[0031]通过在传输栅极和浮动扩散区域的重叠区域中使用高压栅极氧化物层，与在传输栅极和浮动扩散区域的重叠区域中使用数字栅极氧化物层相比，该重叠区域中的电场强度
降低了四倍。
[0032]以此方式，防止了由于由栅极引起的漏电流而导致不期望的暗放电。
[0033]所提出的解决方案还提供了一种用于制造上述像素的方法。像素包括具有信号路径和浮动扩散区域的基板。此外，像素还包括传输栅极。
[0034]在基板上生长数字栅极氧化物。
[0035]特别地，除数字栅极氧化物之外，还生长高压栅极氧化物。
[0036]特别地，在传输栅极和浮动扩散区域的重叠区域中生长高压栅极氧化物。
[0037]在一实施例中，该方法包括以下过程步骤：
[0038]a)在信号路径和浮动扩散区域上方，在基板上生长高压栅极氧化物；
[0039]b)部分地去除高压栅极氧化物，使得高压栅极氧化物仅保留在传输栅极和浮动扩散区域的重叠区域中；
[0040]c)在这些被去除高压栅极氧化物的区域中，在基板上生长数字栅极氧化物；以及
[0041]d)沉积和图案化多晶硅，以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于光学传感器的像素(P)，其包括：基板(Sub)，其具有信号路径(SP)和浮动扩散区域(FD)；以及传输栅极(TG)，其中，所述传输栅极(TG)布置在所述信号路径(SP)上方的第一多晶硅层中，并且部分地与所述浮动扩散区域(FD)重叠，并且其中，所述传输栅极(TG)通过数字栅极氧化物层至少部分地与所述基板(Sub)分离，其特征在于，在所述传输栅极(TG)与所述浮动扩散区域(FD)的重叠区域中，所述传输栅极(TG)通过高压栅极氧化物层与所述基板(Sub)分离。2.根据权利要求1所述的像素(P)，其特征在于，所述像素(P)包括集电栅极(CG)，并且所述基板(Sub)具有集电栅极区域(CGB)，其中，所述集电栅极(CG)通过所述数字栅极氧化物层与所述基板(Sub)分离。3.根据权利要求2所述的像素(P)，其特征在于，所述集电栅极(CG)在所述集电栅极区域(CGB)上方布置在第二多晶硅层中或所述第一多晶硅层中。4.根据权利要求2至3中任一项所述的像素(P)，其特征在于，所述传输栅极(TG)在所述集电栅极区域(CGB)与所述浮动扩散区域(FD)之间布置在所述信号路径(SP)上方的所述第一多晶硅层中，并且部分地与所述浮动扩散区域(FD)重叠。5.根据权利要求1至3中任一项所述的像素(P)，其特征在于，所述高压栅极氧化物层的厚度大于所述数字栅极氧化物层的厚度。6.根据权利要求1至3中任一项所述的像素(P)，其特征在于，所述数字栅极氧化物层的厚度为1nm至20nm。7.根据权利要求6所述的像素(P)，其特征在于，所述数字栅极氧化物层的厚度为9nm至10nm。8.根据权利要求7所述的像素(P)，其特征在于，所述数字栅极氧化物层的厚度为9.4nm。9.根据权利要求1至3中任一项所述的像素(P)，其特征在于，所述高压栅极氧化物层的厚度为2...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯蒂安，
申请(专利权)人：艾尔默斯半导体欧洲股份公司，
类型：发明
国别省市：