基于輻射環(huán)境應(yīng)用的快速電荷轉(zhuǎn)移像素結(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于CMOS圖像傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種基于輻射環(huán)境應(yīng)用的快速電荷轉(zhuǎn)移像素結(jié)構(gòu)。為了解決現(xiàn)有的無(wú)法對(duì)像素起到抗輻射加固效果，并不適用于輻射環(huán)境的問(wèn)題，本發(fā)明包括P型外延層上設(shè)置有閉合環(huán)形的電荷傳輸管TG多晶硅柵極，P型外延層內(nèi)設(shè)置有N埋層，N埋層上設(shè)置有P+鉗位層，P+鉗位層、N埋層和P型外延層組成鉗位二極管PPD，電荷傳輸管TG多晶硅柵極外部設(shè)置一周浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD，浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD上設(shè)置若干接觸孔，并連接有復(fù)位管的漏極和源跟隨器的柵極，浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD外部為STI隔離，本發(fā)明抑制了電荷傳輸管TG多晶硅柵極邊緣及鉗位二極管PPD邊界這兩個(gè)輻射嚴(yán)重敏感節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的暗電流，并形成發(fā)散轉(zhuǎn)移模式，提高了電荷轉(zhuǎn)移效率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于輻射環(huán)境應(yīng)用的快速電荷轉(zhuǎn)移像素結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于CMOS圖像傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種基于輻射環(huán)境應(yīng)用的快速電荷轉(zhuǎn)移像素結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]CMOS圖像傳感器以其低功耗、低成本、高集成密度等優(yōu)點(diǎn)逐漸取代電荷耦合器件(CCD)成為主流圖像傳感器。隨著其在空間探測(cè)及醫(yī)學(xué)成像等多個(gè)輻射環(huán)境領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，傳感器像素的抗輻射性能成為關(guān)注的焦點(diǎn)，特別是對(duì)總劑量效應(yīng)的防護(hù)。
[0003]目前較為普遍的像素結(jié)構(gòu)為四管有源像素結(jié)構(gòu),它由一個(gè)鉗位二極管PPD,浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)，傳輸管，復(fù)位管，源跟隨器，行選開(kāi)關(guān)共同組成，鉗位二極管pro是由在P型外延層上注入的N埋層，表面P+鉗位層和P型外延層組成。
[0004]雖然表面P+層的引入隔離了 N埋層與Si表面，使四管有源像素具備一定抗輻射能力，但仍然存在兩個(gè)嚴(yán)重的輻射敏感點(diǎn):其一，在輻射環(huán)境下，位于傳輸管邊緣的STI界面陷阱俘獲因輻射電離的正電荷，使靠近STI表面的P型外延反型形成漏電通道，造成晶體管邊緣產(chǎn)生漏電流，被浮空擴(kuò)散區(qū)吸收形成暗電流，類(lèi)似LOCOS工藝中的“鳥(niǎo)嘴”效應(yīng)；其二，與pro邊緣交疊處的STI由于正電荷的累積引起底部P外延耗盡，并與N埋層與底部P外延層形成的耗盡區(qū)結(jié)合，又因?yàn)檩椛涫沟迷摵谋M區(qū)內(nèi)的載流子復(fù)合中心面密度大幅增力口，在熱激發(fā)作用下，通過(guò)復(fù)合中心產(chǎn)生的電子空穴對(duì)來(lái)不及復(fù)合就被耗盡區(qū)的內(nèi)強(qiáng)電場(chǎng)驅(qū)向N埋層，存在載流子凈產(chǎn)生率，從而形成反向電流，這部分暗電流與PPD的周長(zhǎng)緊密相關(guān)。上述兩個(gè)輻射敏感點(diǎn)影響著CMOS圖像傳感器在輻射環(huán)境中的成像質(zhì)量。
[0005]在像素工作過(guò)程中，傳輸管TG控制光生載流子由存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)pro轉(zhuǎn)移至浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD，然后經(jīng)源跟隨器SF與行選開(kāi)關(guān)SEL輸出成為光信號(hào)電壓。如果光生載流子不能完全、快速地轉(zhuǎn)移至浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD，會(huì)造成部分光信號(hào)電荷殘留至pro中，等待下一幀操作時(shí)輸出，這將導(dǎo)致圖像出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象?？梢?jiàn)，光生載流子的轉(zhuǎn)移效率同樣關(guān)系到傳感器成像質(zhì)量的好壞。
[0006]因此，如何優(yōu)化設(shè)計(jì)像素結(jié)構(gòu)，使其既具備良好的抗輻射能力又能有高的電荷轉(zhuǎn)移效率，從而保證CMOS圖像傳感器在輻射環(huán)境應(yīng)用時(shí)的成像質(zhì)量，是亟待解決的重要問(wèn)題。
[0007]目前針對(duì)四管有源像素抗輻射加固設(shè)計(jì)，普遍方法是采用pro包圍浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD形成環(huán)形傳輸管TG結(jié)構(gòu)，或者在版圖上拉開(kāi)pro邊緣至STI的距離形成NTA(N to Activearea)結(jié)構(gòu)。這兩種加固措施各自?xún)H能抑制前述兩個(gè)敏感節(jié)點(diǎn)之一所產(chǎn)生的福射暗電流分量，只有同時(shí)采用才能起到徹底加固效果，這會(huì)增加像素設(shè)計(jì)難度及工藝制造步驟，也不利于電荷轉(zhuǎn)移效率特性的改善。而針對(duì)提高電荷轉(zhuǎn)移效率設(shè)計(jì)，業(yè)界采取優(yōu)化TG柵下電荷傳輸溝道電勢(shì)的方法，使光生載流子在轉(zhuǎn)移過(guò)程中不會(huì)遇到勢(shì)阱或勢(shì)壘，該方法無(wú)法對(duì)像素起到抗輻射加固效果，并不適用于輻射環(huán)境。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種基于輻射環(huán)境應(yīng)用的快速電荷轉(zhuǎn)移像素結(jié)構(gòu)，針對(duì)四管有源像素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)像素中兩個(gè)輻射嚴(yán)重敏感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，大幅抑制像素內(nèi)部因輻射產(chǎn)生的暗電流分量，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)光生電荷的快速轉(zhuǎn)移，提高圖像傳感器性能。
[0009]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明包括P型襯底，以及淀積在P型襯底上的P型外延層，P型外延層上設(shè)置有閉合環(huán)形的電荷傳輸管TG多晶硅柵極，P型外延層內(nèi)設(shè)置有N埋層，N埋層上設(shè)置有P+鉗位層，P+鉗位層、N埋層和P型外延層組成鉗位二極管PPD，電荷傳輸管TG多晶硅柵極外部設(shè)置一周浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD，浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD上設(shè)置若干接觸孔，并連接有復(fù)位管的漏極和源跟隨器的柵極，浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD外部為STI隔離，復(fù)位管的源極連接電源VDD，源跟隨器的源極連接電源VDD，漏極連接行選開(kāi)關(guān)的源極，行選開(kāi)關(guān)的漏極連接輸出OUT。
[0010]所述的接觸孔與復(fù)位管的漏極和源跟隨器的柵極通過(guò)金屬導(dǎo)線(xiàn)相連。
[0011]所述復(fù)位管的寬長(zhǎng)比為工藝設(shè)計(jì)規(guī)則所規(guī)定的晶體管最小寬長(zhǎng)比的N倍，N > 2。
[0012]所述浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD的寬度為工藝設(shè)計(jì)規(guī)則所規(guī)定的接觸孔最小寬度再加2倍的有源區(qū)覆蓋接觸孔邊緣的最小距離。
[0013]所述工藝設(shè)計(jì)規(guī)則所規(guī)定的接觸孔最小寬度為0.6 μ m，有源區(qū)覆蓋接觸孔邊緣的最小距離為0.5 μ m。
[0014]所述浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD上設(shè)置的接觸孔共為16個(gè)，對(duì)稱(chēng)分布在浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD的四條邊上。
[0015]所述電荷傳輸管TG多晶硅柵極為正方閉合環(huán)形，柵長(zhǎng)為0.35 μ m，像素尺寸為10 μ mX 10 μ m。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)將電荷傳輸管TG多晶硅柵設(shè)置成閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使P+鉗位層和浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD分別位于環(huán)狀電荷傳輸管TG多晶硅柵極的內(nèi)部和外部，抑制了電荷傳輸管TG多晶硅柵極邊緣及鉗位二極管PH)邊界這兩個(gè)輻射嚴(yán)重敏感節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的暗電流，通過(guò)將浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD四周設(shè)置接觸孔引出，連接至復(fù)位管RST漏極和源跟隨器SF柵極，等效拓寬了光生載流子由鉗位二極管PPD向浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD的轉(zhuǎn)移通道，形成發(fā)散轉(zhuǎn)移模式，提高了電荷轉(zhuǎn)移效率，本發(fā)明并未對(duì)感光區(qū)進(jìn)行改造，也無(wú)需引入附加的光刻及離子注入工藝步驟，僅對(duì)像素內(nèi)電荷傳輸晶體管結(jié)構(gòu)做一優(yōu)化設(shè)計(jì)，便可在提高抗輻射能力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速的電荷轉(zhuǎn)移，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，效率極高。
[0017]進(jìn)一步的，本發(fā)明的復(fù)位管的寬長(zhǎng)比為工藝設(shè)計(jì)規(guī)則所規(guī)定的晶體管最小寬長(zhǎng)比的N倍，N彡2，這樣更有利于驅(qū)動(dòng)FD負(fù)載節(jié)點(diǎn)。
[0018]進(jìn)一步的，本發(fā)明的浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD的寬度為工藝設(shè)計(jì)規(guī)則所規(guī)定的接觸孔最小寬度再加2倍的有源區(qū)覆蓋接觸孔邊緣的最小距離，以便減小浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD寄生電容，增加光信號(hào)轉(zhuǎn)換增益，補(bǔ)償因環(huán)狀浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD結(jié)構(gòu)帶來(lái)的信號(hào)擺幅降低。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為現(xiàn)有四管有源像素結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為現(xiàn)有傳輸管TG邊緣漏電俯視圖；
[0021]圖3為現(xiàn)有PPD周?chē)谋M區(qū)延伸及復(fù)合中心產(chǎn)生漏電流剖面圖；
[0022]圖4為本發(fā)明涉及的四管有源像素結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖5為本發(fā)明涉及的環(huán)狀電荷傳輸管TG版圖示意圖；
[0024]圖6為本發(fā)明的等效電路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0026]參見(jiàn)圖4和圖5，本發(fā)明包括P型襯底e，以及淀積在P型襯底e上的P型外延層d,P型外延層d上設(shè)置有正方閉合環(huán)形的電荷傳輸管TG多晶娃柵極,柵長(zhǎng)為0.35 μ m,像素尺寸為10 μ mX 10 μ m，P型外延層d內(nèi)設(shè)置有N埋層b，N埋層b上設(shè)置有P+鉗位層a，P+鉗位層a、N埋層b和P型外延層d組成鉗位二極管PPD，電荷傳輸管TG多晶硅柵極外部設(shè)置一周浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD，浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD上設(shè)置16個(gè)接觸孔q，并通過(guò)金屬導(dǎo)線(xiàn)P連接有復(fù)位管g的漏極和源跟隨器h的柵極，16個(gè)接觸孔q對(duì)稱(chēng)分布在浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD的四條邊上，浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD外部為STI隔離，復(fù)位管g的源極連接電源VDD，源跟隨器h的源極連接電源VDD，漏極連接行選開(kāi)關(guān)i的源極，行選開(kāi)關(guān)i的漏極連接輸出OUT ;復(fù)位管g的寬長(zhǎng)比為工藝設(shè)計(jì)規(guī)則所規(guī)定的晶體管最小寬長(zhǎng)比的N倍，N > 2，浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD的寬度為工藝設(shè)計(jì)規(guī)則所規(guī)定的接觸孔最小寬度再加2倍的有源區(qū)覆蓋接觸孔邊緣的最小距離，工藝設(shè)計(jì)規(guī)則所規(guī)定的接觸孔最小寬度為0.6 μ m，有源區(qū)覆蓋接觸孔邊緣的最小距離為0.5 μ m。
[0027]本發(fā)明涉及的像素結(jié)構(gòu)抗總劑量輻射加固原理如下所述:環(huán)狀柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得電荷傳輸管TG多晶硅柵極形成包圍式結(jié)構(gòu)，沒(méi)有物理邊緣，從而消除了邊緣漏電機(jī)制，在輻射環(huán)境下這部分暗電流不再產(chǎn)生；將鉗位二極管PB)置于環(huán)狀柵的內(nèi)部，使鉗位二極管PPD與浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD外層的STI完全隔離，這樣N埋層b與P型外延層d所形成的耗盡區(qū)不會(huì)延伸至STI底部，STI界面復(fù)合中心產(chǎn)生的非平衡載流子將很快被復(fù)合，無(wú)法形成暗電流。
[0028]本發(fā)明涉及的像素結(jié)構(gòu)快速電荷轉(zhuǎn)移原理如下所述:將環(huán)狀浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD四周設(shè)置多個(gè)接觸孔q引出，并用底層金屬導(dǎo)線(xiàn)P連接，使得電荷傳輸管TG多晶硅柵極柵寬大幅增加，并覆蓋整個(gè)鉗位二極管pro邊緣，光生載流子可以同時(shí)向不同方向轉(zhuǎn)移，而非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)只能往同一方向，特別對(duì)于大尺寸像素，縮短了轉(zhuǎn)移路徑，使電荷能夠更完全、快速地轉(zhuǎn)移，避免出現(xiàn)信號(hào)拖尾現(xiàn)象。
[0029]參見(jiàn)圖5，本發(fā)明給出一種典型的實(shí)施例，基于國(guó)內(nèi)某CMOS圖像傳感器專(zhuān)用工藝，電荷傳輸管TG多晶硅柵極設(shè)計(jì)為正方閉合環(huán)狀，柵長(zhǎng)為0.35 μ m,像素尺寸為1ymXlOym,正方閉合環(huán)形的電荷傳輸管TG多晶硅柵極形成環(huán)狀柵ο，鉗位二極管PTO的P+鉗位層a、N埋層b和P型外延層d位于環(huán)狀柵ο的內(nèi)部，浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD位于環(huán)形柵ο的外部。P+鉗位層a、N埋層b和P型外延層d的區(qū)域內(nèi)無(wú)接觸孔引出，保留感光區(qū)形狀。正方閉合環(huán)的浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD的每一條邊各對(duì)稱(chēng)分布4個(gè)接觸孔q，共16個(gè)，由第一層金屬導(dǎo)線(xiàn)P互連并接至復(fù)位管RST的漏極和源跟隨器SF的柵極。所述工藝規(guī)定的接觸孔最小寬度為0.6 μ m,有源區(qū)覆蓋接觸孔邊緣的最小距離為0.5 μ m,浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD每條邊的寬度為1.6 μ m。復(fù)位管RST柵寬設(shè)計(jì)為最小柵寬的4倍。
[0030]在輻射環(huán)境中，例如太空拍攝時(shí)，該四管有源像素由于缺少大氣層的保護(hù)，會(huì)受到太陽(yáng)或者宇宙深處產(chǎn)生的質(zhì)子、中子及Y射線(xiàn)的輻射作用，在STI及其他電介質(zhì)層中電離出電子空穴對(duì)，其中遷移率較低的空穴被電介質(zhì)層中的陷阱俘獲。由于該像素的正方閉合環(huán)狀的電荷傳輸管TG多晶硅柵極設(shè)計(jì)使晶體管沒(méi)有物理邊緣，因此被陷阱俘獲的空穴并不會(huì)影響到電荷傳輸管TG多晶硅柵極漏電特性，消除了這一輻射敏感節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的暗電流。另外，該像素的鉗位二極管pro位于電荷傳輸管TG多晶硅柵極內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了與外部STI的完全隔離，耗盡區(qū)無(wú)法觸及STI底部，阻止了高密度界面復(fù)合中心產(chǎn)生的載流子被強(qiáng)電場(chǎng)拉至N埋層產(chǎn)生暗電流的過(guò)程。從而使該像素能夠同時(shí)從兩方面達(dá)到抗輻射加固效果。
[0031]當(dāng)該像素處于工作狀態(tài)時(shí)，首先通過(guò)4倍寬度的復(fù)位管對(duì)浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD復(fù)位，經(jīng)過(guò)第一層金屬導(dǎo)線(xiàn)P連接至源跟隨器SF及行選開(kāi)關(guān)SEL輸出復(fù)位電壓，之后對(duì)像素進(jìn)行曝光積分，光子在鉗位二極管中激發(fā)電子空穴對(duì)產(chǎn)生大量光生載流子，通過(guò)將正方閉合環(huán)狀柵ο偏置為3.3V打開(kāi)轉(zhuǎn)移通道，光生載流子同時(shí)向不同方向轉(zhuǎn)移至環(huán)狀FD，并被置于FD中的16個(gè)接觸孔抽走，經(jīng)SF及SEL輸出為信號(hào)電壓。
[0032]參見(jiàn)圖6，為該像素的等效電路圖，較傳統(tǒng)像素結(jié)構(gòu)，該像素至少增加了 4倍的轉(zhuǎn)移通道寬度，電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間也縮短至傳統(tǒng)像素的四分之一，實(shí)現(xiàn)了快速、完全的電荷轉(zhuǎn)移，避免圖像拖尾發(fā)生，并且提高了圖像傳感器的幀頻。
【權(quán)利要求】
1.一種基于輻射環(huán)境應(yīng)用的快速電荷轉(zhuǎn)移像素結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括P型襯底(e)，以及淀積在P型襯底(e)上的P型外延層(d)，p型外延層(d)上設(shè)置有閉合環(huán)形的電荷傳輸管TG多晶硅柵極(f)，P型外延層(d)內(nèi)設(shè)置有N埋層(b)，N埋層(b)上設(shè)置有P+鉗位層(a)，P+鉗位層(a)、N埋層(b)和P型外延層⑷組成鉗位二極管PPD，電荷傳輸管TG多晶硅柵極(f)外部設(shè)置一周浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD (C)，浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD (c)上設(shè)置若干接觸孔(q)，并連接復(fù)位管(g)的漏極和源跟隨器(h)的柵極，浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD(C)外部為STI隔離，復(fù)位管(g)的源極連接電源VDD，源跟隨器(h)的源極連接電源VDD，漏極連接行選開(kāi)關(guān)(i)的源極，行選開(kāi)關(guān)(i)的漏極連接輸出OUT。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于輻射環(huán)境應(yīng)用的快速電荷轉(zhuǎn)移像素結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的接觸孔(q)與復(fù)位管(g)的漏極和源跟隨器(h)的柵極通過(guò)金屬導(dǎo)線(xiàn)(P)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于輻射環(huán)境應(yīng)用的快速電荷轉(zhuǎn)移像素結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述復(fù)位管(g)的寬長(zhǎng)比為工藝設(shè)計(jì)規(guī)則所規(guī)定的晶體管最小寬長(zhǎng)比的N倍，N > 2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于輻射環(huán)境應(yīng)用的快速電荷轉(zhuǎn)移像素結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD(C)的寬度為工藝設(shè)計(jì)規(guī)則所規(guī)定的接觸孔最小寬度再加2倍的有源區(qū)覆蓋接觸孔邊緣的最小距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于輻射環(huán)境應(yīng)用的快速電荷轉(zhuǎn)移像素結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述工藝設(shè)計(jì)規(guī)則所規(guī)定的接觸孔最小寬度為0.6 μ m，有源區(qū)覆蓋接觸孔邊緣的最小距離為0.5 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于輻射環(huán)境應(yīng)用的快速電荷轉(zhuǎn)移像素結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD(C)上設(shè)置的接觸孔(q)共為16個(gè)，對(duì)稱(chēng)分布在浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD(C)的四條邊上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于輻射環(huán)境應(yīng)用的快速電荷轉(zhuǎn)移像素結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述電荷傳輸管TG多晶硅柵極(f)為正方閉合環(huán)形，柵長(zhǎng)為0.35 μ m，像素尺寸為.10 μ mX 10 μ m。
【文檔編號(hào)】H01L27/146GK104134676SQ201410353610
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】曹琛, 張冰, 吳龍勝, 王俊峰 申請(qǐng)人:中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第九研究院第七七一研究所