CN110690236A - 一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构，包括设于P‑硅衬底正面上的N阱和光电二极管，设于N阱和光电二极管之间的深槽隔离，设于P‑硅衬底背面上的P++注入衬底层；通过使深槽隔离的深度大于N阱和所述光电二极管的注入深度，以对N阱和光电二极管进行电性隔离，并通过将N阱的阱电位接电源电压，将P++注入衬底层接负偏压，以在N阱与P‑硅衬底及P++注入衬底层之间形成反向偏置的PN结。本发明能够降低像元噪声并减小漏电，提升图像传感器的性能。本发明还公开了一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法。
Description
技术领域
本发明涉及固态图像传感器技术领域，特别是涉及一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构及制作方法。
背景技术
图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，通常大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片两大类。
硅材料对入射光的吸收系数随波长的增加而减小。常规CMOS图像传感器像素单元通常使用红、绿、蓝三原色的滤光层。其中蓝光的波长为450纳米，绿光波长为550纳米，红光波长为650纳米。因此红光的吸收位置最深，蓝光最浅。蓝光在最靠近硅表面的位置被吸收，其吸收系数最高，红光进入硅衬底最深，大约可以进入硅衬底2.3μm左右，其吸收系数最低，绿光介于两者之间，而近红外光的吸收则需要大于2.3μm的吸收厚度。同时，在目前的安防监控、机器视觉和智能交通***的应用中，夜晚红外补光的光线波长集中在850nm至940nm，而常规背照式CMOS图像传感器像素单元对这一波段的光线不敏感。所以需要设计新的背照式像素单元结构和形成方法，以提高近红外波段的灵敏度，提升产品的夜视效果。
使用箝位式光电二极管(PPD)结构的图像传感器像素单元，由于读出噪声小、转换增益高和暗电流小而在高性能成像中得到了广泛的应用。对于在近红外和软X射线波段等需要高量子效率的应用上，有源传感器的硅层厚度通常要达到数十甚至数百微米，通过在硅衬底背面施加反向偏压，厚硅层被完全耗尽，从而消除了常规图像传感器里面的无电场的区域，所以在硅衬底中产生的光生电荷可以被及时收集。反向偏压的大小取决于半导体衬底的电阻率和厚度，可以远远超过***中的任何其他电压，形成深耗尽的像元结构，这种结构已被用在混合型CMOS图像传感器或CCD中。
但是，上述这种结构的问题是容易形成漏电。对于有源像素传感器而言,如图1所示，在箝位式光电二极管26旁边的P阱22中，需要形成像素单元的控制晶体管。最终P阱引出接0v衬底电位21，而衬底负偏压20加在P++注入衬底23上，以增加箝位式光电二极管26下的耗尽深度。这种结构将导致P阱22的0v衬底电位21和P++注入衬底23的负偏压20之间形成较大电流，即从硅片正面的P阱22流向硅片背面的P++接触。为了消除这个寄生电流，常规结构在高阻P-衬底24中位于像素单元的P阱22下方增加了N型轻掺杂注入25，也叫做DDE(DeepDepletion Extesion)结构，来对P阱22和P++注入衬底23之间的漏电通路形成夹断。但这种DDE的缺陷是，它的电势受光电二极管电势的影响，注入能量和剂量的工艺窗口非常小，所以在像元工作过程中还是容易形成漏电通路，造成图像传感器性能劣化。
因此，需要设计一种彻底防止P阱引出和P++注入衬底之间漏电通路的方法。
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，提供一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构及制作方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构，包括：并列设于一P-硅衬底正面上的N阱和光电二极管，设于所述N阱和光电二极管之间的深槽隔离，以及设于所述P-硅衬底背面上的P++注入衬底层；其中，通过使所述深槽隔离在所述P-硅衬底中的深度大于所述N阱和所述光电二极管的注入深度，以对所述N阱和光电二极管进行电性隔离，并通过将所述N阱的阱电位接电源电压，将所述P++注入衬底层接负偏压，以在所述N阱与所述P-硅衬底及P++注入衬底层之间形成反向偏置的PN结。
进一步地，沿所述深槽隔离的内壁表面设有固定电荷层。
进一步地，所述固定电荷层带有固定负电荷，用于在所述深槽隔离外侧的所述P-硅衬底中感应出正电荷。
进一步地，所述固定电荷层材料为高介电常数材料。
进一步地，所述固定电荷层材料为氧化铪或氧化锆。
进一步地，所述光电二极管为箝位式光电二极管。
进一步地，还包括：设于所述P-硅衬底正面上的传输管及悬浮漏极。
本发明还提供一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法，包括以下步骤：
提供一P-硅衬底，在所述P-硅衬底正面上形成深槽隔离的沟槽结构，并使所述沟槽的深度大于待形成的N阱和光电二极管的最大注入深度；
在所述沟槽的内壁表面进行固定电荷层的淀积，并使其带有固定负电荷；
在所述沟槽内填充介质层，形成深槽隔离结构；
通过光刻和离子注入，在所述深槽隔离两侧的所述P-硅衬底正面上分别形成N阱和光电二极管，并使所述N阱和光电二极管的深度小于所述深槽隔离的深度；
使用常规工艺，在所述P-硅衬底正面上形成像素单元的传输管和悬浮漏极；
将所述P-硅衬底背面减薄到所需厚度；
通过注入和退火工艺，在减薄后的所述P-硅衬底背面上形成P++注入衬底层。
进一步地，所述光电二极管为箝位式光电二极管。
进一步地，所述固定电荷层材料为氧化铪或氧化锆，并通过工艺菜单调整使所述氧化铪或氧化锆带有固定负电荷。
本发明具有以下显著特点：
(1)通过使用N阱来进行像素单元晶体管的制造，即将像素单元的相关控制晶体管从NMOS改为PMOS管。由于PMOS管的噪声小于NMOS管，所以像元的噪声特性也得到了相应改善。并且，由于N阱的阱电位接电源电压，所以N阱与P-硅衬底及P++注入衬底层上加的负偏压之间形成反向偏置的PN结，避免了形成图1中所示的P阱和P++注入衬底层之间的漏电通路。
(2)由于箝位式光电二极管中的夹断电压通常在1～2伏之间，而N阱的电源电位通常是3.3v，即箝位式光电二极管中的电位不同于接电源电压的N阱。为了防止箝位式光电二极管和N阱之间的漏电，本发明通过采用深度大于N阱或箝位式光电二极管注入深度的深槽隔离，来进行N阱和箝位式光电二极管之间的隔离，由于深槽隔离深度大于N阱和箝位式光电二极管，而深槽隔离底部为高阻P-硅衬底，因此避免了两者之间的漏电。
(3)同时在深槽隔离内壁使用固定电荷层，固定电荷层可以使用氧化铪或者氧化锆等高介电常数材料，并通过工艺菜单调整使其带有固定负电荷，这些固定负电荷在沟槽隔离外侧的硅衬底中感应出正电荷，这些正电荷可以进一步防止N阱和箝位式光电二极管之间的漏电，并且可以减小箝位式光电二极管的暗电流，从而能够提升像素单元的性能。
附图说明
图1是现有的一种深耗尽图像传感器像素单元结构示意图。
图2是本发明一较佳实施例的一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构示意图。
图3是图2中深槽隔离区域A附近的局部放大结构示意图。
图4-图11是本发明一较佳实施例的一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法工艺步骤示意图。
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，请参考图2，图2是本发明一较佳实施例的一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构示意图。如图2所示，本发明的一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构，设置在一个高阻P-硅衬底1上。具体可包括：在水平方向上并列设于一个高阻P-硅衬底1正面上的N阱2和光电二极管3；设于N阱2和光电二极管3之间的P-硅衬底1正面上用于对N阱2和光电二极管3进行电性隔离的深槽隔离8；设于高阻P-硅衬底1正面上的传输管(栅极)4和悬浮漏极5等图像传感器像素单元结构；以及设于P-硅衬底1背面上的P++注入衬底层9。
光电二极管3可采用箝位式光电二极管3。深槽隔离8内填充有介质层6。深槽隔离8在P-硅衬底1中的深度大于N阱2和光电二极管3在P-硅衬底1中的注入深度。
其中，通过使深槽隔离8在P-硅衬底1中的深度大于N阱2和光电二极管3的注入深度，实现对N阱2和光电二极管3进行电性隔离。箝位式光电二极管3中的夹断电压通常在1～2伏之间，而N阱2的电源电位通常是3.3v，即箝位式光电二极管3中的电位不同于接电源电压的N阱2。为了防止箝位式光电二极管3和N阱2之间的漏电，本发明通过采用深度大于N阱2或箝位式光电二极管3注入深度的深槽隔离8，来进行N阱2和箝位式光电二极管3之间的隔离。由于深槽隔离8深度大于N阱2和箝位式光电二极管3的深度，而深槽隔离8底部为高阻P-硅衬底1，因此彻底避免了N阱2和箝位式光电二极管3两者之间的漏电发生。
并且，本发明使用了N阱2来进行像素单元晶体管的制造，即将像素单元的相关控制晶体管从NMOS改为PMOS管。由于PMOS管的噪声小于NMOS管，所以像元的噪声特性也得到了相应改善。如图2所示，由于N阱2的阱电位接电源电压，所以N阱2与P-硅衬底1及P++注入衬底层9上加的负偏压之间形成反向偏置的PN结，因而避免了形成图1中所示的P阱和P++注入衬底层之间的漏电通路。
请参考图2和图3。作为一优选的实施方式，沿深槽隔离8的内壁表面还可设置固定电荷层7。固定电荷层7可以使用氧化铪或者氧化锆等高介电常数材料，并通过工艺菜单调整使其带有固定负电荷。这些固定负电荷在深槽隔离8外侧的P-硅衬底1中感应出正电荷，这些正电荷可以进一步防止N阱2和箝位式光电二极管3之间的漏电，并且可以减小箝位式光电二极管3的暗电流，提升像素单元的性能。
下面通过具体实施方式及附图，对本发明的一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法进行详细说明。
请参考图4-图11，图4-图11是本发明一较佳实施例的一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法工艺步骤示意图。本发明的一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法，可用于制作上述例如图3显示的一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构，并可具体包括以下步骤：
首先如图4所示，在一个高阻P-硅衬底1的正面上进行深槽隔离结构沟槽8’的刻蚀，并使形成的沟槽8’的深度大于后续将要形成的N阱2和箝位式光电二极管3的最大注入深度。
其次，如图5所示，在沟槽8’的内壁表面进行固定电荷层材料7’的淀积。固定电荷层材料7’可以使用氧化铪或者氧化锆等高介电常数材料，并可通过工艺菜单调整使固定电荷层材料7’带有固定负电荷。
然后，如图6所示，在沟槽8’内进行介质层材料的淀积和化学机械抛光工艺，仅保留深槽隔离8结构中的介质层材料，形成内部具有固定电荷层7和介质层6的深槽隔离8结构。
接着，如图7所示，通过光刻和离子注入，在深槽隔离8一侧的高阻P-硅衬底1的正面上形成N阱2，用于后续像素单元控制晶体管的制作，并使N阱2的注入深度小于深槽隔离8的下端深度。
接着，如图8所示，通过光刻和离子注入，在相对N阱2的深槽隔离8另一侧的高阻P-硅衬底1的正面上形成箝位式光电二极管3，并同样使箝位式光电二极管3的注入深度小于深槽隔离8的下端深度。
接下来，如图9所示，可使用常规工艺，在高阻P-硅衬底1正面上形成像素单元的传输管4和悬浮漏极5。
接下来，如图10所示，可通过研削、腐蚀和化学机械抛光等工艺，将高阻P-硅衬底1的背面减薄到所需厚度。
最后，如图11所示，可通过注入和激光退火等工艺，在减薄后的高阻P-硅衬底1的背面上形成P++注入衬底层9。
综上，本发明通过使用N阱中的PMOS来形成深耗尽像元中的控制晶体管，防止了常规像元的P阱和P++注入衬底之间加不同电位时形成的漏电通道；同时，使用填充有固定电荷层的深槽隔离来进行N阱和箝位式光电二极管之间的隔离，降低了像元的噪声并减小了漏电，从而提升了图像传感器的性能。
以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的保护范围，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)
1.一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构，其特征在于，包括：并列设于一P-硅衬底正面上的N阱和光电二极管，设于所述N阱和光电二极管之间的深槽隔离，以及设于所述P-硅衬底背面上的P++注入衬底层；其中，通过使所述深槽隔离在所述P-硅衬底中的深度大于所述N阱和所述光电二极管的注入深度，以对所述N阱和光电二极管进行电性隔离，并通过将所述N阱的阱电位接电源电压，将所述P++注入衬底层接负偏压，以在所述N阱与所述P-硅衬底及P++注入衬底层之间形成反向偏置的PN结。
2.根据权利要求1所述的防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构，其特征在于，沿所述深槽隔离的内壁表面设有固定电荷层。
3.根据权利要求2所述的防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构，其特征在于，所述固定电荷层带有固定负电荷，用于在所述深槽隔离外侧的所述P-硅衬底中感应出正电荷。
4.根据权利要求2所述的防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构，其特征在于，所述固定电荷层材料为高介电常数材料。
5.根据权利要求2所述的防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构，其特征在于，所述固定电荷层材料为氧化铪或氧化锆。
6.根据权利要求1所述的防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构，其特征在于，所述光电二极管为箝位式光电二极管。
7.根据权利要求1所述的防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构，其特征在于，还包括：设于所述P-硅衬底正面上的传输管及悬浮漏极。
8.一种防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一P-硅衬底，在所述P-硅衬底正面上形成深槽隔离的沟槽结构，并使所述沟槽的深度大于待形成的N阱和光电二极管的最大注入深度；
在所述沟槽的内壁表面进行固定电荷层的淀积，并使其带有固定负电荷；
在所述沟槽内填充介质层，形成深槽隔离结构；
通过光刻和离子注入，在所述深槽隔离两侧的所述P-硅衬底正面上分别形成N阱和光电二极管，并使所述N阱和光电二极管的深度小于所述深槽隔离的深度；
使用常规工艺，在所述P-硅衬底正面上形成像素单元的传输管和悬浮漏极；
将所述P-硅衬底背面减薄到所需厚度；
通过注入和退火工艺，在减薄后的所述P-硅衬底背面上形成P++注入衬底层。
9.根据权利要求8所述的防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法，其特征在于，所述光电二极管为箝位式光电二极管。
10.根据权利要求8所述的防漏电的深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法，其特征在于，所述固定电荷层材料为氧化铪或氧化锆，并通过工艺菜单调整使所述氧化铪或氧化锆带有固定负电荷。
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