CN106129076B - 一种用于减小暗电流的像素单元结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于减小暗电流的像素单元结构及其制造方法，通过将常规像素单元中原有的传输管栅极取消，在原传输管栅极的位置上方使用金属结构进行覆盖，并在光电二极管和悬浮漏极之间自下而上设置阱区、下夹断层、沟道层、上夹断层形成沟道区，利用金属结构作为沟道区的挡光层，以防止入射光线对下方导电沟道内的电荷产生影响，并将金属结构作为沟道层开启和关闭的控制端，可以消除原有传输管栅极的栅氧层和衬底硅之间的界面态，从而有效降低像素单元的暗电流。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，更具体地，涉及一种可减小CMOS图像传感器暗电流的像素单元结构及其制造方法。
背景技术
图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。图像传感器通常包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比，具有低功耗、低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅可用于消费电子领域，例如微型数码相机(DSC)、手机摄像头、摄像机和数码单反(DSLR)中，而且在汽车电子、监控、生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。
对CMOS图像传感器而言，用于感光的像素单元结构的特性直接决定了最终图像传感器的性能。通常用于定义像素单元性能的参数包括量子效率、暗电流、动态范围和信噪比等，其中暗电流指的是像素单元在没有入射光条件下的输出信号。暗电流越大，像素单元的信噪比就越低；而且，像素单元的暗电流随温度呈指数上升，在高温条件下，如果暗电流太大，则暗电流信号可能完全淹没像素单元的光电信号，造成图像失真和图像质量下降。因此，如何降低暗电流一直是CMOS图像传感器像素单元的最大挑战。
根据CMOS图像传感器制造工艺过程的不同，像素单元的暗电流可能来自用于感光的光电二极管周围和用于传输光电信号的传输管。为了减小暗电流，通常需要对光电二极管四周的隔离或传输管栅极的氧化层质量进行优化。
请参阅图1，图1是常规像素单元的一种版图结构示意图。如图1所示，版图层次包括了有源区11、悬浮漏极区14、光电二极管区12、栅极区13、接触孔区16和第一金属互连层区15(M1)。以该版图结构为例，常规像素单元的工作过程为：首先，光电二极管将收集到的入射光转换成电荷，并把转换以后的电荷积累在光电二极管中；在光电转换过程结束以后，通过脉冲信号将传输管栅极打开，将光电二极管中积累的电荷全部输送到悬浮漏极中，再由悬浮漏极将积累的电荷数转换为电压的变化量。
请参阅图2和图3，图2是图1中常规像素单元的传输管栅极关闭时沿A-B向的结构剖视图，图3是图1中常规像素单元的传输管栅极开启时沿A-B向的结构剖视图。如图2所示，传输管栅极13处于关闭状态，因而在光电二极管12和悬浮漏极14之间没有形成导电沟道，此时光电二极管处于光电转换状态；如图3所示，当光电转换完成以后，通过脉冲信号将传输管栅极13打开处于开启状态，从而在传输管栅极13下方形成导电沟道18，像素单元运用导电沟道18将光电二极管12中通过光电转换形成的电荷传输到悬浮漏极14。
在上述常规像素单元结构中，由于在传输管栅极13下方的栅氧层17和衬底硅10之间的界面存在着栅氧氧化过程中形成的悬空键，而这些悬空键就成为一些缺陷中心，即成为电子空穴对的产生和复合中心；在电荷传输过程中，即使在没有光的全暗条件下，这部分由于界面悬空键产生的电荷信号也会造成暗电流的上升，使得像素单元信噪比降低，图像质量下降。
因此，如果能消除传输管栅极的栅氧层和衬底硅之间的界面态，就可以有效降低像素单元的暗电流。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种用于减小暗电流的像素单元结构及其制造方法，以消除传输管栅极的栅氧层和衬底硅之间的界面态，有效降低像素单元的暗电流。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于减小暗电流的像素单元结构，包括：
硅衬底，形成于硅衬底中的有源区和包围有源区的浅槽隔离，所述有源区形成有光电二极管、悬浮漏极以及位于光电二极管和悬浮漏极之间的沟道区，所述沟道区自下而上形成有阱区、下夹断层、沟道层、上夹断层；
形成于硅衬底上方、其投影覆盖沟道区的金属结构，所述金属结构通过接触孔连接上夹断层；
所述金属结构作为沟道区的挡光层以及沟道层开启和关闭的控制端，其中，通过对所述金属结构加正偏压，使沟道处于关闭状态，利用光电二极管进行电荷积累，通过对所述金属结构加零偏压，使沟道处于开启状态，将光电二极管中积累的电荷传输到悬浮漏极。
优选地，所述上、下夹断层将沟道层位于光电二极管和悬浮漏极之间的侧部包围。
优选地，所述阱区将下夹断层、沟道层、上夹断层的侧部包围。
优选地，所述阱区、下夹断层、沟道层、上夹断层依次为N型、P型、N型、P型。
优选地，所述金属结构连接后道金属互连层。
优选地，所述金属结构与后道金属互连层同层设置。
优选地，所述金属结构与硅衬底之间设有电介质层。
一种上述用于减小暗电流的像素单元结构的制造方法，包括：
步骤S01：提供一硅衬底，在所述硅衬底中形成浅槽隔离及光电二极管；
步骤S02：通过光刻和多道离子注入，在光电二极管一侧的硅衬底中形成沟道区，包括从下到上依次形成阱区、下夹断层、沟道层、上夹断层；
步骤S03：在沟道区远离光电二极管一侧的硅衬底中形成悬浮漏极；
步骤S04：在硅衬底上制作接触孔和金属结构。
优选地，步骤S02中，通过光刻和多道离子注入，分别形成N阱、P型下夹断层、N型沟道层和P型上夹断层。
优选地，步骤S02中，形成沟道区的方法包括：
利用一常规CMOS图像传感器像素单元版图，将其传输管栅极图形去除，在光电二极管和悬浮漏极图形之间加入阱区、下夹断层、沟道层、上夹断层以及金属结构图形，然后采用常规的CMOS图像传感器制造工艺，通过光刻和多道离子注入制作形成沟道区；其中，在所述版图中，使金属结构图形面积大于沟道区图形面积，并在平行于光电二极管和悬浮漏极图形连线的方向，使阱区、下夹断层、上夹断层、沟道层的图形边界依次缩小，以及在垂直于光电二极管和悬浮漏极图形连线的方向，使阱区、下夹断层、上夹断层、沟道层的图形边界对齐。
从上述技术方案可以看出，本发明通过将常规CMOS图像传感器像素单元中原有的传输管栅极取消，在原传输管栅极的位置上方使用金属结构进行覆盖，并在光电二极管和悬浮漏极之间自下而上设置阱区、下夹断层、沟道层、上夹断层形成沟道区，利用金属结构作为沟道区的挡光层，以防止入射光线对下方导电沟道内的电荷产生影响，并将金属结构作为沟道层开启和关闭的控制端，可以消除原有传输管栅极的栅氧层和衬底硅之间的界面态，从而有效降低像素单元的暗电流。
附图说明
图1是常规像素单元的一种版图结构示意图；
图2是图1中常规像素单元的传输管栅极关闭时沿A-B向的结构剖视图；
图3是图1中常规像素单元的传输管栅极开启时沿A-B向的结构剖视图；
图4是本发明一较佳实施例中一种用于减小暗电流的像素单元结构的版图结构示意图；
图5是图4中像素单元的沟道开启时沿C-D向的结构剖视图；
图6是图4中像素单元的沟道开启时沿E-F向的结构剖视图；
图7是图4中像素单元的沟道关闭时沿C-D向的结构剖视图；
图8是图4中像素单元的沟道关闭时沿E-F向的结构剖视图；
图9-图11是本发明一较佳实施例的一种用于减小暗电流的像素单元结构的制造方法工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图4，图4是本发明一较佳实施例中一种用于减小暗电流的像素单元结构的版图结构示意图。如图4所示，在本发明的一种用于减小暗电流的像素单元结构的版图结构中，像素单元包括有源区21、光电二极管22和悬浮漏极28，但没有传输管栅极。在原传输管栅极的位置上使用一个金属结构26进行覆盖。图中沿E-F方向，由金属结构26的上下图形边界往里是边界依次缩小的阱区25、下夹断层24、上夹断层23和沟道层27图形；沿C-D方向，由金属结构26的左右图形边界往里是边界对齐或大致对齐的阱区25、下夹断层24、上夹断层23和沟道层27图形。其中，由阱区25、下夹断层24、沟道层27和上夹断层23共同构成沟道区，并可采用N阱25、P型下夹断层24、N型沟道层27和P型上夹断层23结构(后续将以此为例对本发明进行说明)。金属结构26与上夹断层23之间采用接触孔29进行连接。图中其他图形结构例如后道金属互连层30(即第一金属互连层M1)与图1类同。
请参阅图5，图5是图4中像素单元的沟道开启时沿C-D向的结构剖视图。如图5所示，本发明的一种用于减小暗电流的像素单元结构，包括：硅衬底20，形成于硅衬底20中的有源区和包围有源区的浅槽隔离31，形成于硅衬底上方、其投影覆盖沟道区的金属结构26。在所述有源区形成有光电二极管22、悬浮漏极28以及位于光电二极管和悬浮漏极之间的沟道区。所述沟道区自下而上形成有N阱区25、P型下夹断层24、N型沟道层27、P型上夹断层23。其中N阱25用于隔离硅衬底20和导电沟道27。光电二极管22、悬浮漏极28以及上夹断层23可露出于硅衬底表面。
请继续参阅图5。本发明提供的像素单元与常规像素单元相比，在光电二极管和悬浮漏极之间去除了栅氧和传输管栅极，从而避免了传输管栅极下方的栅氧和硅衬底之间的界面态引入的暗电流，因此可以有效降低像素单元的暗电流。同时，在硅衬底上方、位于常规像素单元的原传输管栅极位置上设置有一个金属结构，金属结构的水平投影可将沟道区覆盖住。利用金属结构作为沟道区的挡光层，可以防止入射光线对导电沟道内电荷产生影响。所述金属结构26可通过其下方的接触孔29与上夹断层23进行连接。这样，利用金属结构即可作为沟道层开启和关闭的控制端。
悬浮漏极28也通过接触孔29与后道金属互连层30(例如第一金属互连层M1)进行连接。金属结构26可连接后道金属互连层30，并可与后道金属互连层同层设置。所述金属结构与硅衬底之间还可设置电介质层(图略)，作为隔离和支撑层。
请参阅图6，图6是图4中像素单元的沟道开启时沿E-F向的结构剖视图。如图6所示，可通过图4中的版图设计，使得所述上、下夹断层23、24对位于光电二极管和悬浮漏极之间的沟道层27的侧部实现全包围，从而可防止N型沟道27和浅槽隔离区域31侧壁的直接接触，避免了浅槽隔离侧壁的晶格缺陷和刻蚀损伤对像素单元造成的暗电流影响，因此可以有效提高像素单元的质量。
请参阅图7、图8，图7是图4中像素单元的沟道关闭时沿C-D向的结构剖视图，图8是图4中像素单元的沟道关闭时沿E-F向的结构剖视图。如图7、图8所示，可通过对所述金属结构26加正偏压，即P型上夹断层23和N型沟道区域27、P型下夹断层24和N型沟道区域27里的PN结处于反偏状态，N型沟道区域被全部耗尽，形成耗尽层32，光电二极管22和悬浮漏极28之间不存在导电沟道，即像素单元的N型沟道27处于关闭状态，此时光电二极管22中处于电荷积累状态。由于在CMOS图像传感器电路中，硅衬底通常接地，为了防止金属结构上加正偏压时电源和地之间的短路，可通过图4中的版图设计，在P型上夹断层、N型沟道层和P型下夹断层周围使用N阱进行包围，这样就防止了金属结构上加正偏压时对硅衬底电位的影响。
请参阅图5、图6，通过对所述金属结构26加零偏压，使N型沟道27处于开启状态，此时光电二极管22中积累的电荷可以通过N型沟道27传输到悬浮漏极28。
下面将结合具体实施方式，对本发明的上述用于减小暗电流的像素单元结构的制造方法进行详细说明。
先请参阅图4。本发明的一种上述用于减小暗电流的像素单元结构的制造方法，首先利用一常规CMOS图像传感器像素单元版图，将常规像素单元中的传输管栅极图形去除，在光电二极管22和悬浮漏极28图形之间加入N阱25、P型下夹断层24、N型沟道层27、P型上夹断层23以及金属结构26图形，形成图4所示的本发明一种用于减小暗电流的像素单元结构的版图结构。
在图4的版图结构中，使金属结构图形面积大于沟道区图形面积，并在平行于光电二极管和悬浮漏极图形连线的方向(即沿E-F向)，使N阱、P型下夹断层、P型上夹断层、N型沟道层的图形边界依次缩小，以及在垂直于光电二极管和悬浮漏极图形连线的方向(即沿C-D向)，使N阱、P型下夹断层、P型上夹断层、N型沟道层的图形边界对齐或大致对齐。
接着，可采用常规的CMOS图像传感器制造工艺制造本发明的上述用于减小暗电流的像素单元结构。
请参阅图9-图11，图9-图11是本发明一较佳实施例的一种用于减小暗电流的像素单元结构的制造方法工艺流程图。以图4中沿C-D向的截面为例，如图9-图11所示，本发明的一种用于减小暗电流的像素单元结构的制造方法，包括以下步骤：
请参阅图9。执行步骤S01：提供一硅衬底20，在所述硅衬底20中通过光刻和刻蚀形成浅槽隔离31，以及通过光刻和离子注入形成用于感光的光电二极管22。
请参阅图10。执行步骤S02：通过光刻和多道离子注入，在光电二极管22一侧的硅衬底中形成沟道区，包括从下到上依次形成N阱25、P型下夹断层24、N型沟道层27和P型上夹断层23。可通过图4中的版图设计，使得P型上、下夹断层对N型沟道层位于光电二极管和悬浮漏极之间的侧部实现全包围，并在P型上夹断层、N型沟道层和P型下夹断层周围使用N阱进行包围。
请参阅图11。执行步骤S03：在沟道区远离光电二极管22一侧的硅衬底中，通过光刻和离子注入形成悬浮漏极28。
最后，执行步骤S04：进行后续的接触孔和金属互连工艺，在硅衬底上制作接触孔和与后道金属互连层同层的金属结构，最终形成本发明的用于减小暗电流的像素单元结构(请参考图5)。
综上所述，本发明通过将常规CMOS图像传感器像素单元中原有的传输管栅极取消，在原传输管栅极的位置上方使用金属结构进行覆盖，并在光电二极管和悬浮漏极之间自下而上设置阱区、下夹断层、沟道层、上夹断层形成沟道区，利用金属结构作为沟道区的挡光层，以防止入射光线对下方导电沟道内的电荷产生影响，并将金属结构作为沟道层开启和关闭的控制端，可以消除原有传输管栅极的栅氧层和衬底硅之间的界面态，从而有效降低像素单元的暗电流。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于减小暗电流的像素单元结构，其特征在于，包括：
硅衬底，形成于硅衬底中的有源区和包围有源区的浅槽隔离，所述有源区形成有光电二极管、悬浮漏极以及位于光电二极管和悬浮漏极之间的沟道区，所述沟道区自下而上形成有阱区、下夹断层、沟道层、上夹断层；
形成于硅衬底上方、其投影覆盖沟道区的金属结构，所述金属结构通过接触孔连接上夹断层；
所述金属结构作为沟道区的挡光层以及沟道层开启和关闭的控制端，其中，通过对所述金属结构加正偏压，使沟道处于关闭状态，利用光电二极管进行电荷积累，通过对所述金属结构加零偏压，使沟道处于开启状态，将光电二极管中积累的电荷传输到悬浮漏极。
2.根据权利要求1所述的用于减小暗电流的像素单元结构，其特征在于，所述上、下夹断层将沟道层位于光电二极管和悬浮漏极之间的侧部包围。
3.根据权利要求1所述的用于减小暗电流的像素单元结构，其特征在于，所述阱区将下夹断层、沟道层、上夹断层的侧部包围。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的用于减小暗电流的像素单元结构，其特征在于，所述阱区、下夹断层、沟道层、上夹断层依次为N型、P型、N型、P型。
5.根据权利要求1所述的用于减小暗电流的像素单元结构，其特征在于，所述金属结构连接后道金属互连层。
6.根据权利要求5所述的用于减小暗电流的像素单元结构，其特征在于，所述金属结构与后道金属互连层同层设置。
7.根据权利要求1、5或6所述的用于减小暗电流的像素单元结构，其特征在于，所述金属结构与硅衬底之间设有电介质层。
8.一种如权利要求1所述的用于减小暗电流的像素单元结构的制造方法，其特征在于，包括：
步骤S01：提供一硅衬底，在所述硅衬底中形成浅槽隔离及光电二极管；
步骤S02：通过光刻和多道离子注入，在光电二极管一侧的硅衬底中形成沟道区，包括从下到上依次形成阱区、下夹断层、沟道层、上夹断层；
步骤S03：在沟道区远离光电二极管一侧的硅衬底中形成悬浮漏极；
步骤S04：在硅衬底上制作接触孔和金属结构。
9.根据权利要求8所述的用于减小暗电流的像素单元结构的制造方法，其特征在于，步骤S02中，通过光刻和多道离子注入，分别形成N阱、P型下夹断层、N型沟道层和P型上夹断层。
10.根据权利要求8或9所述的用于减小暗电流的像素单元结构的制造方法，其特征在于，步骤S02中，形成沟道区的方法包括：
利用一常规CMOS图像传感器像素单元版图，将其传输管栅极图形去除，在光电二极管和悬浮漏极图形之间加入阱区、下夹断层、沟道层、上夹断层以及金属结构图形，然后采用常规的CMOS图像传感器制造工艺，通过光刻和多道离子注入制作形成沟道区；其中，在所述版图中，使金属结构图形面积大于沟道区图形面积，并在平行于光电二极管和悬浮漏极图形连线的方向，使阱区、下夹断层、上夹断层、沟道层的图形边界依次缩小，以及在垂直于光电二极管和悬浮漏极图形连线的方向，使阱区、下夹断层、上夹断层、沟道层的图形边界对齐。
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