一种提高阱容量的图像传感器像素的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种提高阱容量的图像传感器像素，包括置于半导体基体中的光电二极管以及电荷传输晶体管，光电二极管的侧面设置有晶体管电容，晶体管电容的栅极位于所述半导体基体内，晶体管电容的沟道位于光电二极管中。此晶体管电容加入到光电二极管中，有效提高了图像传感器的像素饱和阱容量，拓展了动态范围。
【专利说明】一种提高阱容量的图像传感器像素
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种图像传感器，尤其涉及一种提高阱容量的图像传感器像素。
【背景技术】
[0002]图像传感器已经被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是制造CMOS (互补型金属氧化物半导体)图像传感器和CCD (电荷耦合型器件)图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。
[0003]在现有技术中，随着市场的需求和半导体制作工艺精度尺寸不断缩小的进步，图像传感器的分辨率不断增加，而像素单元面积在不断减小，例如市场上已经出现了 1.4um,
1.lum，甚至0.9um的像素的图像传感器，但是图像传感器的像素面积越小饱和阱容量就会越低，从而影响了动态范围，使得使用小面积像素的图像传感器采集的图像效果不尽人意。例如，1.1um像素的阱电容约为0.5fF，其信号饱和阱容量范围一般为2500e-?3500e_，优秀的像素噪声为5e-，则动态范围最高仅为56.9dB。
[0004]如图1所示，现有技术中像素采用N型光电二极管的切面示意图，包含光电二极管N区101，光电二极管P型Pin层102，相邻像素的光电二极管N区101’和P型Pin层102’，电荷传输晶体管103，103的漏极端104和栅极端TX，半导体基体105，STI为浅槽隔离区。图1所示的现有技术中的像素阱电容仅包含101区电容部分，因为像素面积所限制，101区电容是有限的；对于小面积像素来说，阱电容一般不会高于IfF，因此阱电荷容量也不会高于 7000e-。
[0005]随着图像传感器技术的快速发展，在追求低廉成本产品的同时，图像传感器采集图像的质量也必须得到关注，因此提高小面积像素饱和阱容量至关重要。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的是提供一种提高阱容量的图像传感器像素，通过在光电二极管侧面添加晶体管电容，达到提高阱电容的目的，因而有效提高了小面积像素信号饱和阱容量。
[0007]本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的:
[0008]本实用新型的提高阱容量的图像传感器像素，包括置于半导体基体中的光电二极管以及电荷传输晶体管，所述光电二极管的侧面设置有晶体管电容，所述晶体管电容的栅极位于所述半导体基体内，所述晶体管电容的沟道位于所述光电二极管中。
[0009]由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型提供的提高阱容量的图像传感器像素，由于像素中的晶体管电容制作在光电二极管的侧面，不占据像素有源区面积，不影响光电二极管自身电容，因此，此晶体管电容加入到光电二极管中，有效提高了图像传感器的像素饱和阱容量，拓展了动态范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是现有技术中的图像传感器像素切面示意图。
[0011]图2a是本实用新型实施例提供的提高阱容量的图像传感器像素切面示意图。
[0012]图2b是本实用新型实施例中的晶体管电容电路示意图。
[0013]图3是本实用新型实施例中的像素中的晶体管电容制作工艺中的淀积多晶硅并在预定区域开口步骤示意图。
[0014]图4是本实用新型实施例中的像素中的晶体管电容制作工艺中的干法离子刻蚀步骤示意图。
[0015]图5是本实用新型实施例中的像素中的晶体管电容制作工艺中的高温氧化步骤示意图。
[0016]图6是本实用新型实施例中的像素中的晶体管电容制作工艺中的隔离离子注入步骤示意图。
[0017]图7是本实用新型实施例中的像素中的晶体管电容制作工艺中的淀积多晶硅步骤示意图。
[0018]图8是本实用新型实施例中的像素中的晶体管电容制作工艺中的化学机械研磨步骤示意图。
[0019]图9是本实用新型实施例中的像素中的晶体管电容制作工艺中的干法离子刻蚀步骤示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面将对本实用新型实施例作进一步地详细描述。
[0021]本实用新型的提高阱容量的图像传感器像素，其较佳的【具体实施方式】是:
[0022]包括置于半导体基体中的光电二极管以及电荷传输晶体管，所述光电二极管的侧面设置有晶体管电容，所述晶体管电容的栅极位于所述半导体基体内，所述晶体管电容的沟道位于所述光电二极管中。
[0023]所述晶体管电容的栅极被相邻的两个像素的晶体管电容共用。
[0024]所述晶体管电容的栅极多晶硅深度为0.2um?0.8um。
[0025]所述晶体管电容的栅极多晶硅与所述光电二极管之间设置有氧化层，其厚度为4nm ?15nm。
[0026]所述晶体管电容的栅极多晶硅下端设置有隔离注入层，其深度不小于0.2um，其离子浓度不小于lE+18Atom/cm3，其离子类型与所述光电二极管类型相反。
[0027]所述光电二极管种类包括N型光电二极管和P型光电二极管。
[0028]本实用新型的上述的提高阱容量的图像传感器像素的制作方法，包括步骤:
[0029]a.在紧邻浅槽隔离制作工艺完毕后，淀积氮化硅保护层，其厚度为0.2um?0.3um,并在预定区域开口 ；
[0030]b.干法离子刻蚀，将步骤a中氮化硅开口区域的硅基体刻蚀掉，其深度为0.2um?0.8um ；
[0031]c.在氧气环境下，高温加热，使步骤b中裸露的硅表面氧化生成氧化层，其厚度为4nm ?15nm ；
[0032]d.离子注入，注入离子类型与光电二极管类型相反，其注入深度不小于0.2um，其注入区离子浓度不小于lE+18Atom/cm3 ；
[0033]e.淀积多晶硅，将硅缺口填平，至高出半导体硅表面；
[0034]f.化学机械研磨，将氮化硅表面上的多晶硅研磨去除；
[0035]g.干法离子刻蚀，将氮化硅保护层去除。
[0036]本实用新型的提高阱容量的图像传感器像素，在图像传感器现有技术的基础上，为了提高像素信号饱和阱容量，在光电二极管侧面添加了晶体管电容，其栅极位于半导体基体内，其沟道位于光电二极管中；本实用新型的像素，由于添加的晶体管电容加入到光电二极管中，所以可以有效提高图像传感器的像素饱和阱容量。
[0037]为了更清晰地叙述本实用新型的优点，下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本实用新型的像素中可以采用N型和P型两种光电二极管，在实施例中本实用新型采用N型光电二极管加以阐述说明。
[0038]实施例一:
[0039]如图2a、图2b所示，为本实用新型的图像传感器像素结构示意图；其中，图2a为本实用新型的像素切面示意图，图2b为本实用新型像素中的晶体管电容电路示意图。图2a、图2b中，201为N型光电二极管，201’为相邻像素的N型光电二极管，202为P型Pin层，202’为相邻像素的P型Pin层，203为电荷传输晶体管，204为203的漏极端，205为半导体基体，206为晶体管电容的栅极多晶硅，207为隔离离子注入层，208为硅氧化层；其中，TX与203的栅极相连，Vct与晶体管电容栅极206相连，STI为浅槽隔离区。图2a中所标记的虚线框部分的电路示意图，如图2b示意图所示。
[0040]如图2a所示，206的深度为0.2um?0.8um, 207的深度不小于0.2um, 208的厚度为4nm?15nm ;并且207区的离子类型为P型，离子浓度不小于lE+18Atom/cm3。如图2a和图2b所示，206位于相邻两个像素的光电二极管之间，206与201和201’分别组成晶体管电容，206同时被两个像素的晶体管电容栅极共用。
[0041]从上述可知，本实用新型像素中的晶体管电容制作在相邻的光电二极管之间，位于光电二极管侧面，不占据像素的有源区，因此不会降低光电二极管的填充因子，不影响光电二极管自身的阱容量。现有技术中的晶体管电容值大小约为5fF/um2，以1.4um像素为例，若206为0.8um,则本实用新型像素中的电容可以制作到4fF左右，4fF的电容加入到光电二级管中，可使光电二极管的总电容增大4倍左右，其阱容量也会增大4倍左右。由此可见，本实用新型的像素，增加的阱容量相当可观。
[0042]由于晶体管电容加入到了光电二极管中，因此本实用新型有效提高了图像传感器的像素饱和阱容量，拓展了动态范围。
[0043]实施例二:
[0044]为了进一步清楚地阐述本实用新型特征，图3至图9详细表征了本实用新型像素中的晶体管电容工艺的制作流程。
[0045]在紧邻STI (浅槽隔离)工艺之后，淀积氮化硅保护层，并在预定区域开口，如图3所示。图3中，305为半导体基体，308为硅表面氧化层，309为氮化硅；其中309的厚度为0.2um ?0.3um。
[0046]下一步，干法离子刻蚀，将氮化硅开口处的硅刻蚀掉，刻蚀深度为0.2um?0.8um,如图4所示。
[0047]下一步，在氧气环境下，高温加热，使裸露的硅表面生成一层氧化层，如图5所示；其中，510为氧化层，厚度为4nm?15nm。
[0048]下一步，离子注入，如图6所示；图6中，在挖开的硅底部形成一层隔离区607，用来隔离两侧的光电二极管，其离子类型与光电二极管类型相反，607的深度不小于0.2um,离子浓度不小于lE18Atom/cm3。
[0049]下一步，淀积多晶娃，形成晶体管电容棚极，如图7所不。图7中，706为多晶娃,其中多晶硅需填满硅开口区。
[0050]下一步，化学机械研磨，将氮化硅表面上的多晶硅全部去掉，如图8所示。
[0051]下一步，干法离子刻蚀，将氮化硅保护层全部清除，如图9所示。
[0052]至此，像素中的电容部分工艺制作完毕。
[0053]以上所述，仅为本实用新型较佳的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种提高阱容量的图像传感器像素，包括置于半导体基体中的光电二极管以及电荷传输晶体管，其特征在于，所述光电二极管的侧面设置有晶体管电容，所述晶体管电容的栅极位于所述半导体基体内，所述晶体管电容的沟道位于所述光电二极管中。
2.根据权利要求1所述的提高阱容量的图像传感器像素，其特征在于，所述晶体管电容的栅极被相邻的两个像素的晶体管电容共用。
3.根据权利要求2所述的提高阱容量的图像传感器像素，其特征在于，所述晶体管电容的栅极多晶硅深度为0.2um?0.8um。
4.根据权利要求3所述的提高阱容量的图像传感器像素，其特征在于，所述晶体管电容的栅极多晶硅与所述光电二极管之间设置有氧化层，其厚度为4nm?15nm。
5.根据权利要求4所述的提高阱容量的图像传感器像素，其特征在于，所述晶体管电容的栅极多晶硅下端设置有隔离注入层，其深度不小于0.2um。
6.根据权利要求5所述的提高阱容量的图像传感器像素，其特征在于，所述光电二极管种类包括N型光电二极管和P型光电二极管。
【文档编号】H01L27/146GK204067360SQ201420464020
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】郭同辉, 旷章曲, 陈多金, 陈杰, 刘志碧, 唐冕 申请人:北京思比科微电子技术股份有限公司