本發(fā)明涉及圖像傳感器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種可減小CMOS圖像傳感器暗電流的像素單元結(jié)構(gòu)及其制造方法。

背景技術(shù)：

圖像傳感器是指將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。圖像傳感器通常包括電荷耦合器件(CCD)和互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器。

CMOS圖像傳感器和傳統(tǒng)的CCD傳感器相比，具有低功耗、低成本和與CMOS工藝兼容等特點，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在CMOS圖像傳感器不僅可用于消費電子領(lǐng)域，例如微型數(shù)碼相機(DSC)、手機攝像頭、攝像機和數(shù)碼單反(DSLR)中，而且在汽車電子、監(jiān)控、生物技術(shù)和醫(yī)學等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

對CMOS圖像傳感器而言，用于感光的像素單元結(jié)構(gòu)的特性直接決定了最終圖像傳感器的性能。通常用于定義像素單元性能的參數(shù)包括量子效率、暗電流、動態(tài)范圍和信噪比等，其中暗電流指的是像素單元在沒有入射光條件下的輸出信號。暗電流越大，像素單元的信噪比就越低；而且，像素單元的暗電流隨溫度呈指數(shù)上升，在高溫條件下，如果暗電流太大，則暗電流信號可能完全淹沒像素單元的光電信號，造成圖像失真和圖像質(zhì)量下降。因此，如何降低暗電流一直是CMOS圖像傳感器像素單元的最大挑戰(zhàn)。

根據(jù)CMOS圖像傳感器制造工藝過程的不同，像素單元的暗電流可能來自用于感光的光電二極管周圍和用于傳輸光電信號的傳輸管。為了減小暗電流，通常需要對光電二極管四周的隔離或傳輸管柵極的氧化層質(zhì)量進行優(yōu)化。

請參閱圖1，圖1是常規(guī)像素單元的一種版圖結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，版圖層次包括了有源區(qū)11、懸浮漏極區(qū)14、光電二極管區(qū)12、柵極區(qū)13、接觸孔區(qū)16和第一金屬互連層區(qū)15(M1)。以該版圖結(jié)構(gòu)為例，常規(guī)像素單元的工作過程為：首先，光電二極管將收集到的入射光轉(zhuǎn)換成電荷，并把轉(zhuǎn)換以后的電荷積累在光電二極管中；在光電轉(zhuǎn)換過程結(jié)束以后，通過脈沖信號將傳輸管柵極打開，將光電二極管中積累的電荷全部輸送到懸浮漏極中，再由懸浮漏極將積累的電荷數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓的變化量。

請參閱圖2和圖3，圖2是圖1中常規(guī)像素單元的傳輸管柵極關(guān)閉時沿A-B向的結(jié)構(gòu)剖視圖，圖3是圖1中常規(guī)像素單元的傳輸管柵極開啟時沿A-B向的結(jié)構(gòu)剖視圖。如圖2所示，傳輸管柵極13處于關(guān)閉狀態(tài)，因而在光電二極管12和懸浮漏極14之間沒有形成導電溝道，此時光電二極管處于光電轉(zhuǎn)換狀態(tài)；如圖3所示，當光電轉(zhuǎn)換完成以后，通過脈沖信號將傳輸管柵極13打開處于開啟狀態(tài)，從而在傳輸管柵極13下方形成導電溝道18，像素單元運用導電溝道18將光電二極管12中通過光電轉(zhuǎn)換形成的電荷傳輸?shù)綉腋÷O14。

在上述常規(guī)像素單元結(jié)構(gòu)中，由于在傳輸管柵極13下方的柵氧層17和襯底硅10之間的界面存在著柵氧氧化過程中形成的懸空鍵，而這些懸空鍵就成為一些缺陷中心，即成為電子空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合中心；在電荷傳輸過程中，即使在沒有光的全暗條件下，這部分由于界面懸空鍵產(chǎn)生的電荷信號也會造成暗電流的上升，使得像素單元信噪比降低，圖像質(zhì)量下降。

因此，如果能消除傳輸管柵極的柵氧層和襯底硅之間的界面態(tài)，就可以有效降低像素單元的暗電流。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種用于減小暗電流的像素單元結(jié)構(gòu)及其制造方法，以消除傳輸管柵極的柵氧層和襯底硅之間的界面態(tài)，有效降低像素單元的暗電流。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種用于減小暗電流的像素單元結(jié)構(gòu)，包括：

硅襯底，形成于硅襯底中的有源區(qū)和包圍有源區(qū)的淺槽隔離，所述有源區(qū)形成有光電二極管、懸浮漏極以及位于光電二極管和懸浮漏極之間的溝道區(qū)，所述溝道區(qū)自下而上形成有阱區(qū)、下夾斷層、溝道層、上夾斷層；

形成于硅襯底上方、其投影覆蓋溝道區(qū)的金屬結(jié)構(gòu)，所述金屬結(jié)構(gòu)通過接觸孔連接上夾斷層；

所述金屬結(jié)構(gòu)作為溝道區(qū)的擋光層以及溝道層開啟和關(guān)閉的控制端，其中，通過對所述金屬結(jié)構(gòu)加正偏壓，使溝道處于關(guān)閉狀態(tài)，利用光電二極管進行電荷積累，通過對所述金屬結(jié)構(gòu)加零偏壓，使溝道處于開啟狀態(tài)，將光電二極管中積累的電荷傳輸?shù)綉腋÷O。

優(yōu)選地，所述上、下夾斷層將溝道層位于光電二極管和懸浮漏極之間的側(cè)部包圍。

優(yōu)選地，所述阱區(qū)將下夾斷層、溝道層、上夾斷層的側(cè)部包圍。

優(yōu)選地，所述阱區(qū)、下夾斷層、溝道層、上夾斷層依次為N型、P型、N型、P型。

優(yōu)選地，所述金屬結(jié)構(gòu)連接后道金屬互連層。

優(yōu)選地，所述金屬結(jié)構(gòu)與后道金屬互連層同層設(shè)置。

優(yōu)選地，所述金屬結(jié)構(gòu)與硅襯底之間設(shè)有電介質(zhì)層。

一種上述用于減小暗電流的像素單元結(jié)構(gòu)的制造方法，包括：

步驟S01：提供一硅襯底，在所述硅襯底中形成淺槽隔離及光電二極管；

步驟S02：通過光刻和多道離子注入，在光電二極管一側(cè)的硅襯底中形成溝道區(qū)，包括從下到上依次形成阱區(qū)、下夾斷層、溝道層、上夾斷層；

步驟S03：在溝道區(qū)遠離光電二極管一側(cè)的硅襯底中形成懸浮漏極；

步驟S04：在硅襯底上制作接觸孔和金屬結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，步驟S02中，通過光刻和多道離子注入，分別形成N阱、P型下夾斷層、N型溝道層和P型上夾斷層。

優(yōu)選地，步驟S02中，形成溝道區(qū)的方法包括：

利用一常規(guī)CMOS圖像傳感器像素單元版圖，將其傳輸管柵極圖形去除，在光電二極管和懸浮漏極圖形之間加入阱區(qū)、下夾斷層、溝道層、上夾斷層以及金屬結(jié)構(gòu)圖形，然后采用常規(guī)的CMOS圖像傳感器制造工藝，通過光刻和多道離子注入制作形成溝道區(qū)；其中，在所述版圖中，使金屬結(jié)構(gòu)圖形面積大于溝道區(qū)圖形面積，并在平行于光電二極管和懸浮漏極圖形連線的方向，使阱區(qū)、下夾斷層、上夾斷層、溝道層的圖形邊界依次縮小，以及在垂直于光電二極管和懸浮漏極圖形連線的方向，使阱區(qū)、下夾斷層、上夾斷層、溝道層的圖形邊界對齊。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明通過將常規(guī)CMOS圖像傳感器像素單元中原有的傳輸管柵極取消，在原傳輸管柵極的位置上方使用金屬結(jié)構(gòu)進行覆蓋，并在光電二極管和懸浮漏極之間自下而上設(shè)置阱區(qū)、下夾斷層、溝道層、上夾斷層形成溝道區(qū)，利用金屬結(jié)構(gòu)作為溝道區(qū)的擋光層，以防止入射光線對下方導電溝道內(nèi)的電荷產(chǎn)生影響，并將金屬結(jié)構(gòu)作為溝道層開啟和關(guān)閉的控制端，可以消除原有傳輸管柵極的柵氧層和襯底硅之間的界面態(tài)，從而有效降低像素單元的暗電流。

附圖說明

圖1是常規(guī)像素單元的一種版圖結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中常規(guī)像素單元的傳輸管柵極關(guān)閉時沿A-B向的結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖3是圖1中常規(guī)像素單元的傳輸管柵極開啟時沿A-B向的結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖4是本發(fā)明一較佳實施例中一種用于減小暗電流的像素單元結(jié)構(gòu)的版圖結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是圖4中像素單元的溝道開啟時沿C-D向的結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖6是圖4中像素單元的溝道開啟時沿E-F向的結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖7是圖4中像素單元的溝道關(guān)閉時沿C-D向的結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖8是圖4中像素單元的溝道關(guān)閉時沿E-F向的結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖9-圖11是本發(fā)明一較佳實施例的一種用于減小暗電流的像素單元結(jié)構(gòu)的制造方法工藝流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的詳細說明。

需要說明的是，在下述的具體實施方式中，在詳述本發(fā)明的實施方式時，為了清楚地表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以便于說明，特對附圖中的結(jié)構(gòu)不依照一般比例繪圖，并進行了局部放大、變形及簡化處理，因此，應(yīng)避免以此作為對本發(fā)明的限定來加以理解。

在以下本發(fā)明的具體實施方式中，請參閱圖4，圖4是本發(fā)明一較佳實施例中一種用于減小暗電流的像素單元結(jié)構(gòu)的版圖結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，在本發(fā)明的一種用于減小暗電流的像素單元結(jié)構(gòu)的版圖結(jié)構(gòu)中，像素單元包括有源區(qū)21、光電二極管22和懸浮漏極28，但沒有傳輸管柵極。在原傳輸管柵極的位置上使用一個金屬結(jié)構(gòu)26進行覆蓋。圖中沿E-F方向，由金屬結(jié)構(gòu)26的上下圖形邊界往里是邊界依次縮小的阱區(qū)25、下夾斷層24、上夾斷層23和溝道層27圖形；沿C-D方向，由金屬結(jié)構(gòu)26的左右圖形邊界往里是邊界對齊或大致對齊的阱區(qū)25、下夾斷層24、上夾斷層23和溝道層27圖形。其中，由阱區(qū)25、下夾斷層24、溝道層27和上夾斷層23共同構(gòu)成溝道區(qū)，并可采用N阱25、P型下夾斷層24、N型溝道層27和P型上夾斷層23結(jié)構(gòu)(后續(xù)將以此為例對本發(fā)明進行說明)。金屬結(jié)構(gòu)26與上夾斷層23之間采用接觸孔29進行連接。圖中其他圖形結(jié)構(gòu)例如后道金屬互連層30(即第一金屬互連層M1)與圖1類同。

請參閱圖5，圖5是圖4中像素單元的溝道開啟時沿C-D向的結(jié)構(gòu)剖視圖。如圖5所示，本發(fā)明的一種用于減小暗電流的像素單元結(jié)構(gòu)，包括：硅襯底20，形成于硅襯底20中的有源區(qū)和包圍有源區(qū)的淺槽隔離31，形成于硅襯底上方、其投影覆蓋溝道區(qū)的金屬結(jié)構(gòu)26。在所述有源區(qū)形成有光電二極管22、懸浮漏極28以及位于光電二極管和懸浮漏極之間的溝道區(qū)。所述溝道區(qū)自下而上形成有N阱區(qū)25、P型下夾斷層24、N型溝道層27、P型上夾斷層23。其中N阱25用于隔離硅襯底20和導電溝道27。光電二極管22、懸浮漏極28以及上夾斷層23可露出于硅襯底表面。

請繼續(xù)參閱圖5。本發(fā)明提供的像素單元與常規(guī)像素單元相比，在光電二極管和懸浮漏極之間去除了柵氧和傳輸管柵極，從而避免了傳輸管柵極下方的柵氧和硅襯底之間的界面態(tài)引入的暗電流，因此可以有效降低像素單元的暗電流。同時，在硅襯底上方、位于常規(guī)像素單元的原傳輸管柵極位置上設(shè)置有一個金屬結(jié)構(gòu)，金屬結(jié)構(gòu)的水平投影可將溝道區(qū)覆蓋住。利用金屬結(jié)構(gòu)作為溝道區(qū)的擋光層，可以防止入射光線對導電溝道內(nèi)電荷產(chǎn)生影響。所述金屬結(jié)構(gòu)26可通過其下方的接觸孔29與上夾斷層23進行連接。這樣，利用金屬結(jié)構(gòu)即可作為溝道層開啟和關(guān)閉的控制端。

懸浮漏極28也通過接觸孔29與后道金屬互連層30(例如第一金屬互連層M1)進行連接。金屬結(jié)構(gòu)26可連接后道金屬互連層30，并可與后道金屬互連層同層設(shè)置。所述金屬結(jié)構(gòu)與硅襯底之間還可設(shè)置電介質(zhì)層(圖略)，作為隔離和支撐層。

請參閱圖6，圖6是圖4中像素單元的溝道開啟時沿E-F向的結(jié)構(gòu)剖視圖。如圖6所示，可通過圖4中的版圖設(shè)計，使得所述上、下夾斷層23、24對位于光電二極管和懸浮漏極之間的溝道層27的側(cè)部實現(xiàn)全包圍，從而可防止N型溝道27和淺槽隔離區(qū)域31側(cè)壁的直接接觸，避免了淺槽隔離側(cè)壁的晶格缺陷和刻蝕損傷對像素單元造成的暗電流影響，因此可以有效提高像素單元的質(zhì)量。

請參閱圖7、圖8，圖7是圖4中像素單元的溝道關(guān)閉時沿C-D向的結(jié)構(gòu)剖視圖，圖8是圖4中像素單元的溝道關(guān)閉時沿E-F向的結(jié)構(gòu)剖視圖。如圖7、圖8所示，可通過對所述金屬結(jié)構(gòu)26加正偏壓，即P型上夾斷層23和N型溝道區(qū)域27、P型下夾斷層24和N型溝道區(qū)域27里的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，N型溝道區(qū)域被全部耗盡，形成耗盡層32，光電二極管22和懸浮漏極28之間不存在導電溝道，即像素單元的N型溝道27處于關(guān)閉狀態(tài)，此時光電二極管22中處于電荷積累狀態(tài)。由于在CMOS圖像傳感器電路中，硅襯底通常接地，為了防止金屬結(jié)構(gòu)上加正偏壓時電源和地之間的短路，可通過圖4中的版圖設(shè)計，在P型上夾斷層、N型溝道層和P型下夾斷層周圍使用N阱進行包圍，這樣就防止了金屬結(jié)構(gòu)上加正偏壓時對硅襯底電位的影響。

請參閱圖5、圖6，通過對所述金屬結(jié)構(gòu)26加零偏壓，使N型溝道27處于開啟狀態(tài)，此時光電二極管22中積累的電荷可以通過N型溝道27傳輸?shù)綉腋÷O28。

下面將結(jié)合具體實施方式，對本發(fā)明的上述用于減小暗電流的像素單元結(jié)構(gòu)的制造方法進行詳細說明。

先請參閱圖4。本發(fā)明的一種上述用于減小暗電流的像素單元結(jié)構(gòu)的制造方法，首先利用一常規(guī)CMOS圖像傳感器像素單元版圖，將常規(guī)像素單元中的傳輸管柵極圖形去除，在光電二極管22和懸浮漏極28圖形之間加入N阱25、P型下夾斷層24、N型溝道層27、P型上夾斷層23以及金屬結(jié)構(gòu)26圖形，形成圖4所示的本發(fā)明一種用于減小暗電流的像素單元結(jié)構(gòu)的版圖結(jié)構(gòu)。

在圖4的版圖結(jié)構(gòu)中，使金屬結(jié)構(gòu)圖形面積大于溝道區(qū)圖形面積，并在平行于光電二極管和懸浮漏極圖形連線的方向(即沿E-F向)，使N阱、P型下夾斷層、P型上夾斷層、N型溝道層的圖形邊界依次縮小，以及在垂直于光電二極管和懸浮漏極圖形連線的方向(即沿C-D向)，使N阱、P型下夾斷層、P型上夾斷層、N型溝道層的圖形邊界對齊或大致對齊。

接著，可采用常規(guī)的CMOS圖像傳感器制造工藝制造本發(fā)明的上述用于減小暗電流的像素單元結(jié)構(gòu)。

請參閱圖9-圖11，圖9-圖11是本發(fā)明一較佳實施例的一種用于減小暗電流的像素單元結(jié)構(gòu)的制造方法工藝流程圖。以圖4中沿C-D向的截面為例，如圖9-圖11所示，本發(fā)明的一種用于減小暗電流的像素單元結(jié)構(gòu)的制造方法，包括以下步驟：

請參閱圖9。執(zhí)行步驟S01：提供一硅襯底20，在所述硅襯底20中通過光刻和刻蝕形成淺槽隔離31，以及通過光刻和離子注入形成用于感光的光電二極管22。

請參閱圖10。執(zhí)行步驟S02：通過光刻和多道離子注入，在光電二極管22一側(cè)的硅襯底中形成溝道區(qū)，包括從下到上依次形成N阱25、P型下夾斷層24、N型溝道層27和P型上夾斷層23。可通過圖4中的版圖設(shè)計，使得P型上、下夾斷層對N型溝道層位于光電二極管和懸浮漏極之間的側(cè)部實現(xiàn)全包圍，并在P型上夾斷層、N型溝道層和P型下夾斷層周圍使用N阱進行包圍。

請參閱圖11。執(zhí)行步驟S03：在溝道區(qū)遠離光電二極管22一側(cè)的硅襯底中，通過光刻和離子注入形成懸浮漏極28。

最后，執(zhí)行步驟S04：進行后續(xù)的接觸孔和金屬互連工藝，在硅襯底上制作接觸孔和與后道金屬互連層同層的金屬結(jié)構(gòu)，最終形成本發(fā)明的用于減小暗電流的像素單元結(jié)構(gòu)(請參考圖5)。

綜上所述，本發(fā)明通過將常規(guī)CMOS圖像傳感器像素單元中原有的傳輸管柵極取消，在原傳輸管柵極的位置上方使用金屬結(jié)構(gòu)進行覆蓋，并在光電二極管和懸浮漏極之間自下而上設(shè)置阱區(qū)、下夾斷層、溝道層、上夾斷層形成溝道區(qū)，利用金屬結(jié)構(gòu)作為溝道區(qū)的擋光層，以防止入射光線對下方導電溝道內(nèi)的電荷產(chǎn)生影響，并將金屬結(jié)構(gòu)作為溝道層開啟和關(guān)閉的控制端，可以消除原有傳輸管柵極的柵氧層和襯底硅之間的界面態(tài)，從而有效降低像素單元的暗電流。

以上所述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述實施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，因此凡是運用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。