专利名称：低衬底漏电流的空穴积累型有源像素及其制造方法
技术领域：
本发明涉及微电子学的集成电路设计技术领域，尤其涉及一种低衬底漏电流的空穴积累型有源像素及其制造方法。
背景技术：
经过十几年的研究，CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，中文互补从属氧化物半导体)图像传感器在某些性能方面取得了明显改善，但在噪声和成像质量等方面都比不上CCD(Charge Coupled Device，中文电荷耦合器件)图像传感器。相对于CCD图像传感器技术而言，基于CMOS工艺的图像传感器具有成本低、功耗低、便于大规模集成等优点。
尤其是随着CMOS工艺的特征尺寸按等比例原则进一步缩小，对某些应用来说，CMOS图像传感器技术某些性能的优势更加突出。
CMOS图像传感器技术能够单芯片集成许多附加电路，如电源管理电路、图像处理电路、图像压缩电路等；同时CMOS器件中的像素单元可以作得比较小，能够提供比CCD图像传感器更高分辨率的图像器件。
目前，用于CMOS图像传感器结构的像素单元主要有无源像素结构和有源像素结构。无源像素结构的最大优点是像素内只集成一个晶体管，能获得大的填充系数；电路结构不复杂、寻址简单、获得的成品率高，因而价格低。但无源像素的列总线等效的电阻和电容比较大，使得像素读出的速度慢，特别是当像素阵列比较大时，由列总线带来的信号延迟和信号损失非常大；其次无源像素读出的噪声较大，信号电荷的损失随着列总线的增长而变大，降低了信噪比。
因为上述缺点限制了应用，很快被后来发展的有源像素结构代替。有源像素内部包含一个有源器件，即包含一个由一个或多个晶体管组成的放大器，通常由源跟随晶体管构成，该放大器在像素内部具有放大和缓冲功能，电荷不需要经过远距离而到达输出放大器，在列总线直接输出的是电压或电流信号，因此避免了像无源像素内的信号电荷必须经过很长列总线才能到达放大器的缺陷。
目前，基于标准的CMOS制造过程的常用有源像素结构是包括三个晶体管和一个N+/P-阱的光电二极管，但这种有源像素具有较大的暗电流，大大影响了CMOS图像传感器的动态范围，更严重的是大的暗电流将造成CMOS图像传感器出现白点。
另一种有源像素结构的设计是基于P型衬底的钉扎型光电二极管，这种光电二极管具有表面暗电流低、对蓝光具有良好的响应特性。但该种结构的光电二极管依然没有改变CMOS工艺的本质特征，因此减少的暗电流并不很明显。
发明内容
鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种低衬底漏电流的空穴积累型有源像素及其制造方法，制作在N型硅衬底上，从而获得低暗电流的特征。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的一种低衬底漏电流的空穴积累型有源像素，主体包括N型衬底、P+外延层与P型外延层；P+外延层生长于N衬底上，P型外延层生长于P+外延层上；所述的P型外延层还设有N+区，形成一个PN结；在N+区上还设有P区，形成另一个PN结。
所述的P型外延层上还设有深N+区，深N+区扩散至P+外延层；深N+区与N+区接触；并且在N+区上设有电极，该电极加有偏置电压。
所述的P型外延层上还设有N-阱，在N-阱上生长有栅氧层，在栅氧层上还生长有一层多晶硅层；在N-阱上还设有源漏区。
所述的P型外延层上设有窄沟道隔离区，P区设于窄沟道隔离区下。
一种基于上述低衬底漏电流的空穴积累型有源像素的制造方法，包括A、在N型衬底上外延生长P+型外延层；B、在P+型外延层上面外延生长P型外延层；C、将磷离子注入到P外延层3中，经过预定时间的高温退火，激活磷离子同时将其趋入，形成N+区；E、生成读出电路的晶体管；F、在N-阱的表面生长一层二氧化硅SiO2，注入离子注入BF2+，形成表面P区。
所述的步骤C还包括C1、在P型外延层一热生长一层二氧化硅SiO2；C2、注入磷离子，激活磷离子，注入形成深N+区。
所述的步骤C1还包括生长的二氧化硅SiO2层厚度控制在100埃～150埃。
所述的步骤D还包括在引线时将深P+区接地。
所述的步骤E还包括E1、在P型外延层中形成N-阱；E2、在N-阱上生长栅氧层；E3、在栅氧层上长一层多晶硅层层；
E4、在N-阱上注入硼离子离子形成源漏区。
所述的步骤F还包括F1、在P型外延层上做出窄沟道隔离区；F2、在窄沟道隔离区下方的N-阱的表面生长一层二氧化硅SiO2，注入低能量、大剂量离子注入BF2+，形成表面P区。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素的在N衬底上生长一层P+型外延层，在P+型外延层上生长一层P型外延层，在P外延层区内注入一层N+区，并在N+区浅注入一层P区，从而形成两个PN结，可以吸收不同波长的注入光。本发明提出的是一种基于N衬底和光电二极管的有源像素结构，这种低衬底漏电流的空穴积累型有源像素结构有效的降低了暗电流、提高了量子效率。
图1为本发明所述的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素结构示意图一；图2为本发明所述的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素结构示意图二；图3为本发明所述的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素制造过程示意图一；图4为本发明所述的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素制造过程示意图二；图5为本发明所述的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素制造过程示意图三；图6为本发明所述的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素制造过程示意图四；图7为本发明所述的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素制造过程示意图五。
具体实施例方式
本发明的核心描述了一种新型适用于CMOS图像传感器的低暗电流的有源像素，该种有源像素最根本的特点在于制作在N型硅衬底上，从而获得低暗电流的特征。
本发明的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素的结构的具体实施方式
一如图1所示，具体为在N衬底1上生长一层P+型外延层2，在P+型外延层2上生长一层P型外延层3，在P外延层区3内注入一层N+区4，并在N+区4浅注入一层P区6，从而形成两个PN结，可以吸收不同波长的注入光。
在所述的P型外延层3上还设有深N+区5，深N+区5扩散至P+型外延层2，深N+区5与N+区4接触。
在所述的两个结PN处将光量子转变为光电荷，其中电子积累在N+区4，产生的空穴电荷积累在P区6靠近PN结的一边，很快被设于N+区4上的偏置电压11吸走。
在所述的P型外延层3上还设有N-阱10，在N-阱上生长有栅氧层8，在栅氧层上还生长有一层多晶硅层9；在N-阱10上还设有源漏区分别为源极7与漏极13。多晶硅层9上设有传输栅12与栅极14，将电子电荷运走；当传输栅12上加一高电平，在栅氧化层8下形成一反型层，形成低的势垒，从而将电荷读出到NMOS(N-channel metal oxide semiconductor，中文N通道金属氧化半导体)管的源极7。
NMOS管制造在P型阱内，NMOS管的漏极是13，一般接在高电平上，当栅极14加一高电平将NMOS管置位，源极7置位为高电平，当传输栅12为低电平时，光电荷读出，在NMOS管源极7将电荷积分转变为电压读出。
本发明的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素的结构的种具体实施方式
二如图2所示，其结构与图1所示的具体实现结构相似，区别在于在P型外延层上3设有窄沟道隔离区(shallow trench isolation)15，P区6设于窄沟道隔离区15下方。
为对本发明有进一步理解，下而再对本发明所述的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素的制造方法进行说明。
以实施例一为例，本发明所述的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素的制作工艺的具体实施方式
具体包括以下制作处理过程首先，如图3所示，在N型衬底1上外延生长P外延层2，然后，再在P+外延层2上面外延生长P外延层3，其厚度略大于后面的N-阱10的深度即可；其次，如图4所示，在P外延层3上热生长一层SiO2，SiO2的厚度为100埃～150埃，其目的是减小P外延层3受到离子注入的损伤；当向P外延层3注入高能量、大剂量的磷离子，并经高温退火，激活磷离子后，注入形成深N+区5；由于P外延层3较薄，可以使深N+区5扩散到P外延层3中；第三，如图5所示，高能量、大剂量的磷离子注入到P外延层3中，经过短时间的高温退火，激活磷离子同时将其驱入适当的深度，形成N+区4。
第四，如图6所示，生成读出电路中晶体管，读出电路中晶体管的生成与传统基于CMOS工艺中制作PMOS的工艺流程相同；首先，在外延层3中形成N-阱10，生长栅氧层8，在栅氧层8上长一层多晶硅层9，最后注入离子形成源极7和漏极13示；最后，如图7所示，为了防止将PMOS(P沟道金属氧化物半导体)的源漏极的驱深，在完成PMOS工艺后，要避免长时间的高温过程，所以，采用低温氧化LTO方法在N+4的表面生长一层SiO2，作为减小离子注入损伤的保护层，然后，低能量、大剂量离子注入BF2+，形成表面P区6，使用RTP(Rapid Temperature Process，快速温度处理)将其激活。
本发明的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素的实施例二制造方法的工艺流程具体实施方法，与实施例一的区别在P型外延层上3构造窄沟道隔离区15，然后在窄沟道隔离区15下方注入低能量、大剂量离子BF2+，形成表面P+区6，使用RTP将其激活。该低衬底漏电流空穴积累型有源像素主要针对深亚微米工艺，由于采用窄沟道隔离技术将感光结面积与表面隔离，可以获得低的暗电流和高的感光灵敏度。暗电流的主要是由硅/二氧化硅之间的界面态或硅衬底的体态(bulk states)产生。通过在N+区的表面浅注入一层P区，将体内与表面分开，将光转变为电荷的PN结位于半导体的体内，从而将暗电流降低。该优点主要通过降低表面悬挂键对光产生电荷的影响。
暗电流的主要是由硅/二氧化硅之间的界面态或硅衬底的体态(bulkstates)产生。大多数情况下，界面产生是体内产生的十倍。在N衬底上生长一层P+型外延层，在P+型外延层上生长一层P型外延层，在P外延层区内注入一层N+区，在N+区的表面浅注入一层P区，将体内与表面分开，将光转变为电荷的PN结位于半导体的体内，从而将暗电流降低，同时因为形成了两个PN结，增加了储存电荷的容量。利用N衬底可以有效的防止像素之间的光电荷的扩散。N衬底本身有像N+扩散漏极的效果。当像素本身因照射光太强的时候，产生的多余电荷将向相临像素扩散，如果不加以疏散，将形成弥散(blooming)现象。当一个直流电位加在N衬底时，多余的电荷将被衬底收集，而不会向相临的像素扩散，从而防止弥散现象。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种低衬底漏电流的空穴积累型有源像素，其特征在于，主体包括N型衬底、P+外延层与P型外延层；P+外延层生长于N衬底上，P型外延层生长于P+外延层上；所述的P型外延层还设有N+区，形成一个PN结；在N+区上还设有P区，形成另一个PN结。
2.根据权利要求书1所述的一种低衬底漏电流的空穴积累型有源像素，其特征在于，所述的P型外延层上还设有深N+区，深N+区扩散至P+外延层；深N+区与N+区接触；并且在N+区上设有电极，该电极加有偏置电压。
3.根据权利要求书1所述的一种低衬底漏电流的空穴积累型有源像素，其特征在于，所述的P型外延层上还设有N-阱，在N-阱上生长有栅氧层，在栅氧层上还生长有一层多晶硅层；在N-阱上还设有源漏区。
4.根据权利要求书1、2或3所述的一种有源像素，其特征在于，所述的P型外延层上设有窄沟道隔离区，P区设于窄沟道隔离区下。
5.一种基于上述低衬底漏电流的空穴积累型有源像素的制造方法，其特征在于，包括A、在N型衬底上外延生长P+型外延层；B、在P+型外延层上面外延生长P型外延层；C、将磷离子注入到P外延层3中，经过预定时间的高温退火，激活磷离子同时将其趋入，形成N+区；E、生成读出电路的晶体管；F、在N-阱的表面生长一层二氧化硅SiO2，注入离子注入BF2+，形成表面P区。
6.根据权利要求书5所述的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素的制造方法，其特征在于，所述的步骤C还包括C1、在P型外延层一热生长一层二氧化硅SiO2；C2、注入磷离子，激活磷离子，注入形成深N+区。
7.根据权利要求书6所述的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素的制造方法，其特征在于，所述的步骤C1还包括生长的二氧化硅SiO2层厚度控制在100埃～150埃。
8.根据权利要求书5所述的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素的制造方法，其特征在于，所述的步骤D还包括在引线时将深P+区接地。
9.根据权利要求书5所述的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素的制造方法，其特征在于，所述的步骤E还包括E1、在P型外延层中形成N-阱；E2、在N-阱上生长栅氧层；E3、在栅氧层上长一层多晶硅层层；E4、在N-阱上注入硼离子离子形成源漏区。
10.根据权利要求书5所述的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素的制造方法，其特征在于，所述的步骤F还包括F1、在P型外延层上做出窄沟道隔离区；F2、在窄沟道隔离区下方的N-阱的表面生长一层二氧化硅SiO2，注入低能量、大剂量离子注入BF2+，形成表面P区。
全文摘要
本发明的低衬底漏电流的空穴积累型有源像素的在N衬底上生长一层P+型外延层，在P+型外延层上生长一层P型外延层，在P外延层区内注入一层N+区，并在N+区浅注入一层P区，从而形成两个PN结，可以吸收不同波长的注入光。本发明提出的是一种基于N衬底和光电二极管的有源像素结构，这种低衬底漏电流的空穴积累型有源像素结构有效的降低了暗电流、提高了量子效率。利用N衬底可以有效的防止像素之间的光电荷的扩散，防止弥散现象。
文档编号H01L21/82GK1889268SQ20051008300
公开日2007年1月3日 申请日期2005年7月12日 优先权日2005年7月12日
发明者金湘亮 申请人:北京思比科微电子技术有限公司