《提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體及方法》是天津大學於2012年6月26日申請的發明專利，該專利申請號為2012102133155，公布號為CN102709304A，公布日為2012年10月3日，發明人是徐江濤、孫羽、高靜、史再峰、姚素英。
《提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體及方法》涉及互補金屬氧化物半導體（CMOS）固態圖像感測器。為保證擴展的滿阱容量可以全耗盡，使得該擴展是不以損耗圖像拖尾性能為前提的，並從根本上提升動態範圍、信噪比、靈敏度等像素單元關鍵性能指標，為達到上述目的，該發明採取的技術方案是，提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體及方法，結構為：在P型外延層內注入一個深度較淺的N埋層，N埋層上面是高濃度摻雜P+鉗位層，N埋層下面還設定有第二個N埋層，第二個N埋層內自其與P型外延層交界面處向N埋層內部，形成有縱向的P插入層結構。該發明主要套用於圖像感測器的設計製造。
2021年6月24日，《提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體及方法》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體及方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體及方法
- 申請人：天津大學
- 發明人：徐江濤、孫羽、高靜、史再峰、姚素英
- 申請號：2012102133155
- 申請日：2012年6月26日
- 公布號：CN102709304A
- 公布日：2012年10月3日
- 地址：天津市南開區衛津路92號
- 代理機構：天津市北洋有限責任專利代理事務所
- 代理人：劉國威
- Int. Cl.：H01L27/146、H01L31/102、H01L31/0352、H01L31/18
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,專利榮譽,
專利背景
2012年前，受益於標準CMOS工藝的進步與CMOS製造工藝的不斷改進，CMOS圖像感測器已經超越CCD圖像感測器成為固態圖像感測器的主流，實現了近年來CMOS圖像感測器的飛速發展。在CMOS圖像感測器領域，藉助於背面照射式技術的發展，像素單元尺寸實現了跨越式縮減：由傳統正照式下的3微米銳減至背照式技術下的0.7微米，使得CMOS圖像感測器實現低功耗，低成本，高集成度等CCD圖像感測器無法比擬的優點。
CMOS圖像感測器是由像素單元陣列，模擬前端電路，數模轉換單元和時序控制電路共同組成的。在整個圖像感測器架構中，像素單元陣列處於最核心的地位。其作為CMOS圖像感測器的基本感光單元，將從根本上決定整個圖像感測器的成像質量。像素單元按工作原理主要分為有源像素與無源像素，按集成度可以分為三管有源像素（3T-APS）、鉗位二極體四管有源像素（4T-APS）、鉗位二極體五管有源像素（5T-APS），其中4T-APS是市場的主流。按入射光射入感光區域方向，分為FSI（Front-side-illumination）正面照射式圖像感測器，和BSI（Back-side-illumination）背面照射式圖像感測器結構。在傳統的正面照射式圖像感測器中，光子是通過感光元件正表面的多層金屬層，並最終進入光電二極體正表面；而在背照式結構中，光子入射方向不變，整個像素單元通過正面背面結構的翻轉，使得光子入射不經過光電二極體正面金屬層，而是通過光電二極體背面入射。
背照式4T APS剖面結構如圖1所示，該背照式4T-APS由一個光電二極體（180，200，110），浮空擴散節點160、傳輸管170、復位管150、源級跟隨器140和地址選通管130共同組成。背照式4T有源像素光電二極體是由三部分共同構成：1.在P型外延層110內注入一個深度較淺的N埋層200，2.與表面形成的高濃度摻雜P+鉗位層180，3.外延110共同構成，該光電二極體結構用於接收入射光子111並產生與入射光光強對應的信號電荷。這種結構在設計大尺寸像素時雖然主流，然而，隨著像素尺寸的不斷縮減，單個像素單元面積將逐步縮小，設計這些小尺寸像素將面臨一些隨尺寸縮減產生的新問題：動態範圍、信噪比和靈敏度等關鍵指標會因像素尺寸減少而受到不同程度地降低。這些限制因素將不同程度地惡化成像質量並減小可探測光強範圍。而增加小尺寸像素的滿阱容量將可以同時從根本上解決上述所有影響。滿阱容量的擴展可以通過在小尺寸工藝下設計調整光電二極體結構與工藝參數來實現，並最終實現同時獲得高滿阱容量、高量子效率、低暗電流、高信噪比、高動態範圍的高性能小尺寸像素。
發明內容
專利目的
《提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體及方法》旨在克服專利背景中相關技術的不足，保證擴展的滿阱容量可以全耗盡，使得該擴展是不以損耗圖像拖尾性能為前提的，並從根本上提升動態範圍、信噪比、靈敏度等像素單元關鍵性能指標。
技術方案
提高圖像感測器滿阱容量與量子效率的光電二極體，結構為：在P型外延層內注入一個深度較淺的N埋層，N埋層上面是高濃度摻雜P+鉗位層，N埋層下面還設定有第二個N埋層，第二個N埋層內自其與P型外延層交界面處向N埋層內部，形成有縱向的P插入層結構。
提高圖像感測器滿阱容量與效率的光電二極體形成方法，包括如下步驟：在P型外延層上先注入較高濃度的磷形成N埋層，其注入能量範圍為50千電子伏特~100千電子伏特，摻雜濃度範圍為7e11~1.5e12/立方厘米；再進行磷注入形成光電二極體的第二個N埋層，其注入深度更深且位於N埋層正下方，其注入能量範圍為150千電子伏特~300千電子伏特，摻雜濃度範圍為1e11~9e11/立方厘米；在形成雙N埋層結構後，第二個N埋層內自其與P型外延層交界面處注入P型摻雜的二氟化硼形成P插入層。第二個N埋層內自其與P型外延層交界面處注入P型摻雜的二氟化硼形成P插入層，P型摻雜的離子注入分為兩步，第一步使用二氟化硼注入形成第二個N埋層內上部P1區域，注入能量範圍為1500千電子伏特~2000千電子伏特，摻雜濃度範圍為1e12~2e12/立方厘米；第二步使用二氟化硼注入形成P1區域下方毗鄰的P2區域，注入能量範圍為2500千電子伏特~3500千電子伏特，摻雜濃度範圍同為1e12~2e12/立方厘米，最終形成雙N埋層P插入層的內嵌光電二極體結構。
改善效果
所引入的雙N埋層P插入層新鉗位二極體結構，在像素感光面積不變的前提下：
1、《提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體及方法》的小像素鉗位二極體滿阱容量更大。由於在初始N1埋層下注入第二個N埋層N2，增加了光電二極體側壁電容值，繼而增大了滿阱容量。
2、《提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體及方法》的小像素鉗位二極體電荷更易被導出至FD結點。因為雙N埋層結構是一個梯度從上向下漸變的N埋層，上側濃度較高電勢較高，下側濃度較低電勢較低，這將促進電子的轉移。更因為P插入層是從N埋層底部插入，過渡區在N埋層上方，不影響電子的轉移，不引入固定模式噪聲。
3、新鉗位二極體實現更高的量子效率。由於採用了雙N埋層結構，物理上的注入深度會實現縱向擴展，繼而擴展縱向耗盡區範圍，可以增加靠近襯底背面短波光譜的量子效率。
4、新設計的小像素鉗位二極體更容易實現全耗盡，繼而實現“無圖像拖尾”的效果。因為P插入層被引入至N埋層核心中原本容易殘留電荷的區域，所以在此P插入層的幫助下，原本容易產生電荷殘留的N埋層實現了全耗盡，這將使得像素單元內，前一幀的曝光不會對下一幀產生電荷殘留，不會產生圖像拖尾。
附圖說明
圖1是傳統背照式4T-APS像素單元結構原理圖。
圖2是傳統背照式4T-APS像素單元結構剖面圖。
圖3是由單步N型注入形成的傳統背照式光電二極體（PPD）結構剖面圖。
圖4是《提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體及方法》採用的由兩步N型注入形成的雙N埋層PPD結構剖面圖。
圖5是《提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體及方法》在圖4基礎上插入P型插入區形成的雙N埋層P插入層PPD結構剖面。
圖6是從左側嵌入P插入層的分層PPD剖面圖。
圖7是從右側嵌入P插入層的分層PPD剖面圖。
圖8是從上側嵌入P插入層的分層PPD剖面圖。
技術領域
《提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體及方法》涉及互補金屬氧化物半導體（CMOS）固態圖像感測器，特別涉及一種提高CMOS圖像感測器滿阱容量與量子效率的光電二極體結構及製造方法。具體講，涉及提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體及方法。
權利要求
1.一種提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體，結構為：在P型外延層內注入一個深度較淺的N埋層，N埋層上面是高濃度摻雜P+鉗位層，其特徵是，在深度較淺的N埋層下面還設定有第二個N埋層，第二個N埋層內自其與P型外延層交界面處，形成有縱向的P插入層結構。
2.一種提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體形成方法，其特徵是，在P型外延層上先注入較高濃度的磷形成N埋層，其注入能量範圍為50千電子伏特~100千電子伏特，摻雜濃度範圍為7e11~1.5e12/立方厘米；再進行磷注入形成光電二極體的第二個N埋層，其注入深度更深且位於N埋層正下方，其注入能量範圍為150千電子伏特~300千電子伏特，摻雜濃度範圍為1e11~9e11/立方厘米；在形成雙N埋層結構後，第二個N埋層內自其與P型外延層交界面處注入P型摻雜的二氟化硼形成P插入層。
3.如權利要求2所述的提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體形成方法，其特徵是，第二個N埋層內自其與P型外延層交界面處注入P型摻雜的二氟化硼形成P插入層，P型摻雜的離子注入分為兩步，第一步使用二氟化硼注入形成第二個N埋層內上部P1區域，注入能量範圍為1500千電子伏特~2000千千電子伏特摻雜濃度範圍為1e12~2e12/立方厘米；第二步使用二氟化硼注入形成P1區域下方毗鄰的P2區域，注入能量範圍為2500千電子伏特~3500千電子伏特，摻雜濃度範圍同為1e12~2e12/立方厘米，最終形成雙N埋層P插入層的內嵌光電二極體結構。
實施方式
《提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體及方法》涉及一種光電二極體（PD）結構上的最佳化，這種最佳化結構可以使小尺寸像素實現更高的滿阱容量，使其不以惡化像素單元圖像拖尾為代價。
在背照式鉗位光電二極體（PPD）結構中，光電二極體N埋層200是由一步N型摻雜實現的，如圖1所示。而隨著像素尺寸日漸縮小，單個像素的光電二極體面積也不斷減少，N埋層面積將隨之縮減，如若仍然使用此結構，將無法為像素單元提供足夠的滿阱容量。而如果為了增大滿阱容量，僅提高N埋層200的注入能量使之縱向深度更深的N埋層試圖增大滿阱容量，這將使該N埋層缺少明顯的縱向濃度梯度，引起遠離傳輸柵（TX）的N埋層內部電子更加難以被轉移到浮空擴散節點（FD）結點。以上現象將造成嚴重的圖像拖尾。
《提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體及方法》考慮到圖像拖尾性能，該發明的結構改進由兩個步驟組成，第一步，不採用單步高能注入，而是採用兩步N型注入形成一個尺寸上更深、濃度上有梯度漸變的雙N埋層結構；第二步，為了幫助擴展的滿阱容量實現完全耗盡，多個P型插入區域被縱向插入於新N埋層與襯底的交界面處。
在第一步注入實現雙N埋層結構中，如圖4所示，初始的N1埋層的注入實現和傳統結構圖3中相同。不同的是，在N1埋層實現後，需要引入一步新的N型注入，該步N型注入使用更高能量、較低劑量的N型摻雜實現，最終形成一個位於初始的N1埋層正下方的N2埋層。該新埋層將通過增大側壁電容310增加整個光電二極體的電容從而提高滿阱容量。
在該雙N埋層結構中，因為N埋層縱向尺寸的加深，N埋層耗盡區也實現了向光電二極體背面的擴展，這將使得該結構的量子效率同時得到最佳化。因為在背照式圖像感測器中，光子是由襯底背面射入像素單元的，耗盡區與背面越近，將有更多的光生電子被耗盡區收集，將有更多藍色光生電子被耗盡區收集，這將顯著提高短波長的量子效率。
如上所述，採用雙N埋層結構可以顯著增加像素單元滿阱容量，但隨之產生一個問題：該雙N埋層外圍P型襯底只能耗盡該N埋層外圍區域，而留下雙N埋層核心電子無法在傳輸管（TX）開啟期間被完全復位，這些殘留下的電子將造成圖像拖尾並在像素陣列中引入隨機噪聲。
在結構實現的第二步中，引入P型插入層的作用即為解決這個問題。如圖5所示，在雙N埋層結構後，P型插入層被引入。這個P型插入層是由兩步高能量的P型注入實現的。在新掩膜版的幫助下，兩步不同能量的P型雜質分別在掩膜版開口範圍內被注入至N埋層與襯底交界面處，並最終形成了縱向的P插入層結構。
為使該P型插入區準確深入至雙N埋層結構中電荷不容易耗盡處，實現“助耗盡”功能，P型插入區的形成由兩步P型離子注入實現，分別形成P1區域與P2區域，如圖5所示。P1區域更靠近N1區域，其作用是保證整個P型插入區是可以位於N埋層核心；P2區域注入更深，更靠近襯底一側，其作用是保證整個P插入區與襯底形成良好的電勢接觸，避免P1區域被周圍N2埋層完全包埋而引起不必要的電勢浮空。
之所以選擇在N埋層靠近襯底一側插入P插入層，而不是選擇從N埋層左側、右側、上側插入這個P插入層是因為：在所有分層PPD結構中，對多個N2區域起到橋樑作用的是過渡區（C區），如圖5、6、7、8中所示C區。過渡區非常重要，多個N2區域收集的電子都將經過此過渡區才能傳輸到TX，故C區對單個像素滿阱容量影響較大且較為敏感。若從左側插入P插入層，則如圖6所示，過渡區的寬度將受形成P插入層之掩膜版對版誤差的影響，造成不同像素滿阱容量值不同，在整個像素陣列中產生固定模式噪聲；若從右側插入P插入層，如圖7所示，C區將遠離傳輸柵，造成電子不易被轉移至FD結點；若從靠近N埋層上側插入P插入層，如圖8所示，亦將造成由不同N區收集的電子不易被轉移的缺點。在此發明中，因為這個P插入層是由縱向插入N埋層與襯底交界處的，在《提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體及方法》中過渡區幾何深度不受對版誤差影響，而可以簡單通過使用更高能量的P1區使保證該區不被夾斷，從而從根本上解決了分層PPD中電子不易被全轉移、易受掩膜版影響等缺點。
《提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體及方法》的基本思想是，通過在雙N埋層結構中加入P插入層形成雙N埋層P插入層鉗位光電二極體，用於改善設計小像素時滿阱容量不足的缺點。其光電二極體具體實施方案是：
參照圖5所示，在摻雜濃度為1e15/立方厘米的P型外延層110上先注入較高濃度的磷形成N1埋層200，其注入能量範圍為50千電子伏特~100千電子伏特，摻雜濃度範圍為7e11~1.5e12/立方厘米；再使用高能量低劑量的磷注入形成光電二極體的N2埋層300，其注入深度更深且位於N1埋層正下方，其注入能量範圍為150千電子伏特~300千電子伏特，摻雜濃度範圍為1e11~9e11/立方厘米。在形成雙N埋層結構後，在新掩膜版的幫助下，在掩膜版開口600與610範圍內，注入P型摻雜的二氟化硼形成P插入層。該P型離子注入分為兩步，第一步使用較低能量的BF2注入形成P1區域400，其注入能量範圍為1500千電子伏特~2000千電子伏特，摻雜濃度範圍為1e12~2e12/立方厘米。第二步使用較高能量的BF2注入形成P2區域410，其注入能量範圍為2500千電子伏特~3500千電子伏特，摻雜濃度範圍同為1e12~2e12/立方厘米，最終形成雙N埋層P插入層的內嵌光電二極體結構。
在硼摻雜濃度為1e15/立方厘米的P型外延層上，兩次注入N型雜質共同形成光電二極體的N區。在第一次注入時，使用傳統PD光刻版，注入雜質為磷，其能量為75千電子伏特，劑量為1.0e12/立方厘米，用以形成靠近表面且濃度較大的N1埋層200；第二步同樣使用傳統PD光刻版，注入雜質同為磷，其能量較高為250千電子伏特，劑量為0.4e12/立方厘米，用以形成位於N1埋層下方的N2埋層300；第三步注入形成P型插入層400與410，需要使用一塊新光刻版，在新掩膜版開口600與610內，連續注入兩次二氟化硼雜質，第一次注入形成P1區域400，其注入能量為1800千電子伏特，劑量為1.6e12/立方厘米。第二步注入二氟化硼形成P2區域410，其注入能量為2600千電子伏特，劑量為1.6e12/立方厘米。
採用以上工藝參數可以實現光電二極體結構最佳化，最終實現小尺寸像素滿阱容量擴展技術。在此發明中，滿阱容量的擴展是不以犧牲圖像拖尾表現為代價的。且此改進結構，不僅可以提升小尺寸像素滿阱容量，且使採用該結構的光電二極體實現更高的量子效率。
專利榮譽
2021年6月24日，《提高圖像感測器滿阱容量與量子效率光電二極體及方法》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
