[发明专利]一种深耗尽的图像传感器像素单元结构及制作方法

说明书

本发明公开了一种深耗尽的图像传感器像素单元结构，包括：埋设于P^‑硅衬底中的介质绝缘层，设于所述P^‑硅衬底中并位于所述介质绝缘层上方的P阱，设于所述P^‑硅衬底中并位于所述P阱一侧的光电二极管，设于所述介质绝缘层下方的所述P^‑硅衬底背面上的P⁺⁺注入衬底层；其中，通过所述介质绝缘层对所述P阱和所述P⁺⁺注入衬底层进行完全的物理隔离，以阻断漏电通路，避免了漏电的产生，从而提升了图像传感器的性能。

技术领域

本发明涉及固态图像传感器技术领域，更具体地，涉及一种深耗尽的图像传感器像素单元结构及制作方法。

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。

硅材料对入射光的吸收系数随波长的增加而减小。常规CMOS图像传感器像素单元通常使用红、绿、蓝三原色的滤光层。其中蓝光的波长为450纳米，绿光波长为550纳米，红光波长为650纳米。因此红光的吸收位置最深，蓝光最浅。蓝光在最靠近硅表面的位置被吸收，其吸收系数最高，红光进入硅衬底最深，大约可以进入硅衬底2.3μm左右，其吸收系数最低，绿光介于两者之间，而近红外光的吸收则需要大于2.3μm的吸收厚度。同时，在目前的安防监控、机器视觉和智能交通系统的应用中，夜晚红外补光的光线波长集中在850nm至940nm，而常规背照式CMOS图像传感器像素单元对这一波段的光线不敏感。所以需要设计新的背照式像素单元结构和形成方法，以提高近红外波段的灵敏度，提升产品的夜视效果。

使用箝位式光电二极管(PPD)结构的图像传感器像素单元，由于读出噪声小、转换增益高和暗电流小而在高性能成像中得到了广泛的应用。对于在近红外和软X射线波段等需要高量子效率的应用上，有源传感器的硅层厚度通常要达到数十甚至数百微米，通过在硅衬底背面施加反向偏压，厚硅层被完全耗尽，从而消除了常规图像传感器里面的无电场的区域，所以在硅衬底中产生的光生电荷可以被及时收集。反向偏压的大小取决于半导体衬底的电阻率和厚度，可以远远超过系统中的任何其他电压，形成深耗尽的像元结构，这种结构已被用在混合型CMOS图像传感器或CCD中。

但是，上述这种结构的问题是容易形成漏电。对于有源像素传感器而言,如图1所示，在箝位式光电二极管26旁边的P阱22中，需要形成像素单元的控制晶体管。最终P阱引出接0v衬底电位21，而衬底负偏压20加在P⁺⁺注入衬底23上，以增加箝位式光电二极管26下的耗尽深度。这种结构将导致P阱22的0v衬底电位21和P⁺⁺注入衬底23的负偏压20之间形成较大电流，即从硅片正面的P阱22流向硅片背面的P⁺⁺接触。为了消除这个寄生电流，常规结构在高阻P^-衬底24中位于像素单元的P阱22下方增加了N型轻掺杂注入25，也叫做DDE(DeepDepletion Extesion)结构，来对P阱22和P⁺⁺注入衬底23之间的漏电通路形成夹断。但这种DDE的缺陷是，它的电势受光电二极管电势的影响，注入能量和剂量的工艺窗口非常小，所以在像元工作过程中还是容易形成漏电通路，造成图像传感器性能劣化。

因此，需要设计一种彻底隔离P阱引出和P⁺⁺注入衬底之间漏电通路的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种深耗尽的图像传感器像素单元结构及制作方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：