[发明专利]全局曝光像素单元、电容结构及制备方法

说明书

本发明提供了一种全局曝光像素单元、电容结构及制备方法，通过在纵向上形成第一电容结构、第二电容结构和第三电容结构，将这三个电容结构采用并联的方式连接在一起，从而在不增加全局曝光像素单元的电容结构的面积的基础上，增加了电容结构的存储电容值，降低了读出噪声，同时，不影响整个全局曝光像素单元的光电二极管感光区域的面积，提高了器件的性能。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种全局曝光像素单元、电容结构及其制备方法。

背景技术

图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，通常大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片两大类。

CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比具有的低功耗，低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机(DSC)，手机摄像头，摄像机和数码单反(DSLR)中，而且在汽车电子，监控，生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。

CMOS图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。最常用像素单元为包含一个光电二极管和多个晶体管的有源像素结构，这些器件中光电二极管是感光单元，实现对光线的收集和光电转换，其它的MOS晶体管是控制单元，主要实现对光电二极管的选中，复位，信号放大和读出的控制。

在数码相机中通常有两种快门控制方式:机械快门和电子快门。机械快门通过安装在CMOS图像传感器前面的机械件的开合来控制曝光时间；电子快门通过像素单元的时序控制来改变积分时间，从而达到控制曝光时间的目的。由于机械快门需要机械件，会占用数码相机的面积，因此不适用于便携式的数码相机，而且对于视频监控应用而言，由于通常是进行视频采集，因此一般采用电子快门控制曝光时间。电子快门又分为两种：卷帘式和全局曝光式。卷帘式电子快门每行之间的曝光时间是不一致的，在拍摄高速物体是容易造成拖影现象；全局曝光式电子快门的每一行在同一时间曝光，然后同时将电荷信号存储在像素单元的存储节点，最后将存储节点的信号逐行输出，由于所有行在同一时间进行曝光，所以不会造成拖影现象。

随着CMOS图像传感器在工业、车载、道路监控和高速相机中越来越广泛的应用，对于可以捕捉高速运动物体图像的图像传感器的需求进一步提高。为 了监控高速物体，CMOS图像传感器需要使用全局曝光的像素单元，而全局像元中用于存储电荷信号的存储电容的电容值会直接影响全局像素单元的读出噪声，存储电容的电容值越大则像素单元的读出噪声越小，其性能就越优异，如图1所示为常规的MOS电容作为存储电容的全局曝光像素单元，包括：硅衬底100，光电二极管区域101，MOS存储电容结构区域102，电容结构区域102的接触孔103，互连层中的金属M1和金属M2，以及层间介质104；如图2所示为图1中MOS存储电容的放大图，CMOS工艺中的MOS存储电容包括MOS常规电容和MOS变容电容，MOS电容按照掺杂类型又可以分为N型和P型两种结构。以MOS变容电容为例，它是一个在P型硅衬底100上形成的两端器件，MOS存储电容的上极板203为N型多晶，MOS存储电容的下极板201为N阱掺杂区，在上下极板203、201之间是电容介质层202；还包括位于上极板203两侧的侧墙以及源漏区204，位于上极板203上的接触孔103、位于源漏区204上的接触孔103、位于接触孔103之间的层间介质104、上极板电极205和下极板电极206。其电容值的大小取决于多晶上极板和N阱下极板之间重合区的面积,因此要增加电容值就需要增加电容在硅衬底上的面积，由于MOS电容和用于感光的光电二极管位于硅衬底中，如果增加存储电容面积则需要减小光电二极管的感光面积，就会降低像素单元的灵敏度，因此为了保证像素单元中光电二极管区域的感光面积，存储电容的面积受到限制。所以如果能够在不影响光电二极管感光面积的条件下增加存储电容的电容值，则全局像素单元可以在不牺牲灵敏度的情况下降低读出噪声，提高性能。

发明内容