技术领域
[0001] 本
发明涉及
半导体制造领域，特别是涉及一种降低CMOS图像传感器中随机电报噪声的结构及形成方法。
背景技术
[0002] CMOS图像传感器(CIS)由于其制造工艺和现有的集成
电路制造工艺兼容，同时其性能上比原有的电荷
耦合器件CCD相比有很多优点。CMOS图像传感器可以将驱动电路和
像素集成在一起，简化了
硬件设计，同时也降低了系统的功耗。CIS由于在采集光
信号的同时就可以取出
电信号，还能实时处理图像信息，速度比CCD图像传感器快。CMOS图像传感器还具有价格便宜，带宽较大，防模糊，
访问的灵活性和较大的填充系数的优点。
[0003] 传统的有源像素是运用光电
二极管作为图像传感器件。通常的有源像素单元是由三个晶体管和一个P+/N+/P-
光电二极管构成，这种结构适合标准的CMOS制造工艺。在对于光电二极管的搀杂的空间分布设计中，我们还必须使
空间电荷区避开晶体
缺陷等复合中心集中的地区，以减小像素的暗
电流。图1显示为
现有技术中背照式图像传感器后端的4T像素结构示意图，在大尺寸的像素单元上由于光电二极管的尺寸较大，满阱容量(光电二极管存储电荷的能
力)得到提升，从而可以存储更多的
电子，从而可以提高像素单元的动态范围(最亮与最暗情况的比值)，降低噪声对像素的影响，
信噪比会有所提高。
[0004] 随着CIS越来越多的用于监控，
汽车辅助系统，以及夜视系统，对于CIS低光强度下的成像
质量要求越来越高，一方面通过增加像素的面积来提高进光量，另一方面通过设计优化来提升像素的动态范围来转化更多的低强度光，如延长曝光时间、多次取样、双转换因子或是像素结合方案。但这些增加动态范围的方法都不会消除原有影响像素质量的因素，特别是
暗电流(DC，Dark Current)和随机电报噪声(RTS，Random Telegraph Signals)，相反很多设计还会加重这些影响，例如延长曝光时间会增加暗电流，如图2所示，对于低光强度下的影响，也有很多改善方案，如图3，对于转移管施加
负压可以降低RTS，怀疑是负
电压将转移管与光电二极管重合区域的钉扎层(PPD)耗尽降低，降低电子的产生-复合概率，从而改善了对应的RTS(Investigation of Dark Current Random Telegraph Signal in Pinned Photodiode CMOS Image Sensors.2011 IEEE)，如图4a和图4b所示，积分时转移管高负压产生的反型层，在PPD与Tx重合区域使耗尽区远离界面，降低RTS；图4c中负压时耗尽区远离界面，但是同时过低的负压会引起转移管下的积累正电荷，将浮动扩散点(FD)和光电二极管(PD)导通，形成漏电，导致在PD积分时，有电流从FD进入，增加暗电流或是随机噪声。
发明内容
[0005] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种降低CMOS图像传感器中随机电报噪声的结构及形成方法，用于解决现有技术中CMOS图像传感器中由于转移管和光电二极管钉扎层重合区域诱导的随机电报噪声对于低光下的图像质量的问题。
[0006] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种降低CMOS图像传感器中随机电报噪声的结构，该结构至少包括：位于
外延层上的转移管和该转移管一侧的光电二极管；所述光电二极管的上表面设有钉扎层；所述转移管的多晶
硅栅极下设有不同厚度的
氧化硅层，其中靠近所述钉扎层一端的所述转移管的
多晶硅栅极下的所述氧化硅层厚度小于所述转移管的多晶硅栅极下其余部分的所述氧化硅层厚度。
[0007] 优选地，所述结构还包括：位于该外延层上的复位管；该复位管的栅极两侧分别设有N+区域；所述N+区域位于所述外延层上的P阱中，其中一个所述N+区域位于所述转移管的多晶硅栅极的另一侧区域，该区域形成浮动扩散点。
[0008] 优选地，所述浮动扩散点上方与所述转移管的多晶硅栅极之间的区域设有所述氧化硅层，该区域的所述氧化硅层的厚度与所述转移管的多晶硅栅极下其余部分的所述氧化硅层厚度相同。
[0009] 优选地，所述钉扎层上表面设有与所述转移管的多晶硅栅极下其余部分的所述氧化硅层厚度相同的氧化硅层；所述转移管的多晶硅栅极设有侧墙；所述钉扎层上暴露在外的所述氧化硅层上表面、所述转移管多晶硅栅极及其侧墙上设有
薄膜层。
[0010] 优选地，所述浮动扩散点上的N+区域连接一放大管，该放大管连接一选择管，所述选择管的栅极接电压VDD；所述复位管另一侧的所述N+区域连接电压VDD。
[0011] 本发明还提供所述降低CMOS图像传感器中随机电报噪声的结构的形成方法，该方法至少包括以下步骤：步骤一、提供外延层，该外延层上设有光电二极管；步骤二、在所述外延层上表面的所述光电二极管的一端区域进行氮
离子注入；步骤三、在所述外延层上表面生长氧化硅层，其中所述氮离子注入的区域形成薄层氧化硅，其余部分形成厚层氧化硅，所述薄层氧化硅的厚度小于所述厚层氧化硅的厚度；步骤四、形成
覆盖一部分所述薄层氧化硅和一部分厚层氧化硅的转移管的多晶硅栅极；步骤五、在所述光电二极管上表面、所述氧化硅层的下表面进行离子注入形成钉扎层；步骤六、形成转移管的多晶硅栅极侧墙，以及在暴露在外的所述氧化硅层和所述转移管的多晶硅栅极上覆盖一薄膜层。
[0012] 优选地，步骤二中进行氮离子注入的方式是利用光罩在所述外延层上表面的所述光电二极管的一端区域进行氮离子掺杂。
[0013] 优选地，步骤一中的外延层已经进行了形成N+区域的离子注入，所述N+区域位于所述转移管的多晶硅栅极一侧的区域，形成浮动扩散点。
[0014] 优选地，在所述转移管的多晶硅栅极上施加负压时，所述薄层氧化硅下的
沟道区域
电场增强。
[0015] 如上所述，本发明的降低CMOS图像传感器中随机电报噪声的结构及形成方法，具有以下有益效果：本发明提出一种利用不同氧化硅厚度形成不同沟道区域的方法来同时满足利用转移管与钉扎层的低耗尽降低电子产生-复合率，以及抑制浮动扩散点到光电二极管的电流，从而可以达到降低
光电子转移和积分时间过程的随机电报噪声(RTS)和暗电流，实现转移转管更为灵活的调整和更加有效地抑制随机电报噪声(RTS)，提高像素单元的动态范围和低光下的响应。
附图说明
[0016] 图1显示为现有技术中背照式图像传感器后端的4T像素结构示意图；
[0017] 图2显示为现有技术中CMOS图像传感器结构中暗电流随积分时间变化的示意图；
[0018] 图3显示为现有技术中CMOS图像传感器结构中暗电流随转移管电压的变化示意图；
[0019] 图4a显示为现有技术中CMOS图像传感器结构中转移管施加负高压时结构示意图；
[0020] 图4b显示为图4a中的转移管栅极电压为0V时对应的耗尽区示意图；
[0021] 图4c显示为图4a中的转移管栅极电压为负高压时对应的耗尽区示意图；
[0022] 图5显示为本发明的CMOS图像传感器结构示意图；
[0023] 图6显示为本发明的图5中的CMOS图像传感器结构的俯视平面示意图；
[0024] 图7显示为本发明中的氧化硅厚度随氮气剂量在不同氧化时间下的关系曲线图；
[0025] 图8显示为本发明中的氧化硅厚度随氧化时间在不同的氮气剂量下的关系曲线图；
[0026] 图9显示为现有技术中的CMOS图像传感器中转移管施加电压为0V时，转移管和光电二极管的电势示意图；
[0027] 图10显示为现有技术中的CMOS图像传感器中转移管施加负高压时，转移管和光电二极管的电势示意图；
[0028] 图11显示为本发明的CMOS图像传感器中转移管施加负高压时，转移管和光电二极管的电势示意图。
具体实施方式
[0029] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本
说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0030] 请参阅图5至图11。需要说明的是，本
实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0031] 本发明提供一种降低CMOS图像传感器中随机电报噪声的结构，如图5所示，图5显示为本发明的CMOS图像传感器结构示意图。该结构至少包括：位于外延层01上的转移管和该转移管一侧的光电二极管02；所述光电二极管02的上表面设有钉扎层03；所述转移管的多晶硅栅极04下设有不同厚度的氧化硅层，其中靠近所述钉扎层03一端的所述转移管的多晶硅栅极04下的所述氧化硅层(薄层氧化硅06)厚度小于所述转移管的多晶硅栅极04下其余部分的所述氧化硅层(厚层氧化硅05)厚度。本发明进一步地，所述结构还包括：位于该外延层01上的复位管(图5中为示出复位管，可参见图1)；该复位管的栅极两侧分别设有N+区域；所述N+区域位于所述外延层01上的P阱中，其中一个所述N+区域07位于所述转移管的多晶硅栅极04的另一侧区域，该区域形成浮动扩散点10。
[0032] 本发明更进一步地，所述浮动扩散点10上方与所述转移管的多晶硅栅极04之间的区域设有所述氧化硅层，该区域的所述氧化硅层的厚度与所述转移管的多晶硅栅极04下其余部分的所述氧化硅层(厚层氧化硅05)厚度相同。
[0033] 本发明优选地，所述转移管的多晶硅栅极04设有侧墙；所述钉扎层03上暴露在外的所述氧化硅层上表面、所述转移管多晶硅栅极04及其侧墙上设有薄膜层08。也就是说，所述钉扎层03上的氧化硅层有一部分为该钉扎层与靠近光电二极管区域所述转移管多晶硅栅极下的薄层氧化硅，另一部分为厚层氧化硅05，该厚层氧化硅没有被所述转移管多晶硅栅极及侧墙覆盖的部分定义为暴露在外的部分，该部分上设有薄膜层08，并且在所述转移管多晶硅栅极侧墙和其上表面均覆盖有所述薄膜层08。
[0034] 本发明进一步地，所述浮动扩散点10上的N+区域07连接一放大管(图5中为示出复位管，可参见图1)，该放大管连接一选择管，所述选择管的栅极接电压VDD；所述复位管另一侧的所述N+区域连接电压VDD。
[0035] 如图6所示，图6显示为本发明的图5中的CMOS图像传感器结构的俯视平面示意图；从投影图形看，有源区11区域内的像素区12，在所述原有的多晶硅区域13旁边有一部分薄层氧化硅06。
[0036] 本发明还提供该CMOS图像传感器中随机电报噪声的结构的形成方法，该方法至少包括以下步骤：
[0037] 步骤一、如图5所示，提供外延层01，该外延层01上设有光电二极管02；本发明进一步地，步骤一中的外延层01已经进行了形成N+区域07的离子注入，所述N+区域07位于所述转移管的多晶硅栅极一侧的区域，形成浮动扩散点10。
[0038] 步骤二、在所述外延层01上表面的所述光电二极管02的一端区域进行氮离子注入；本发明进一步地，步骤二中进行氮离子注入的方式是利用光罩在所述外延层上表面的所述光电二极管的一端区域进行氮离子掺杂。该进行氮离子掺杂的区域即为后续形成如图5所示的转移管多晶硅栅极04与靠近光电二极管钉扎层03的薄层氧化硅06。
[0039] 步骤三、参阅图5，在所述外延层01上表面生长氧化硅层，其中所述氮离子注入的区域形成薄层氧化硅06，其余部分形成厚层氧化硅05，所述薄层氧化硅06的厚度小于所述厚层氧化硅05的厚度；由于形成所述薄层氧化硅的区域已经经过步骤二中进行的氮离子掺杂，因此，该区域的氧化速率会下降，从而形成较薄的氧化硅层。如图7和图8所示，其中图7显示为本发明中的氧化硅厚度随氮气剂量在不同氧化时间下的关系曲线图，图8显示为本发明中的氧化硅厚度随氧化时间在不同的氮气剂量下的关系曲线图。
[0040] 步骤四、参阅图5，形成覆盖一部分所述薄层氧化硅06和一部分厚层氧化硅05的转移管的多晶硅栅极04。也就是说最终形成的一部分薄层氧化硅06位于所述转移管的多晶硅栅极04的下方，另一部分厚层氧化硅05位于所述转移管的多晶硅栅极04的下方。
[0041] 步骤五、在所述光电二极管上表面、所述氧化硅层的下表面进行离子注入形成钉扎层；所述钉扎层与所述转移管的多晶硅栅极的侧墙区域部分重叠；靠近该部分重叠的区域形成有步骤三中的薄层氧化硅06。
[0042] 步骤六、如图5所示，形成转移管的多晶硅栅极侧墙，以及在暴露在外的所述氧化硅层和所述转移管的多晶硅栅极上覆盖一薄膜层08。也就是说，所述钉扎层03上的氧化硅层有一部分为靠近该钉扎层与所述转移管多晶硅栅极侧墙重叠区域的薄层氧化硅06，另一部分为厚层氧化硅05，该厚层氧化硅05没有被所述转移管多晶硅栅极及侧墙覆盖的部分定义为暴露在外的部分，该部分上设有薄膜层08，并且在所述转移管多晶硅栅极侧墙和其上表面均覆盖有所述薄膜层08。
[0043] 参阅图9至图11，图9显示为现有技术中的CMOS图像传感器中转移管施加电压为0V时，转移管和光电二极管的电势示意图，现有结构光电二极管积分时，转移管(Tx)施加0V时光电二极管，Tx和光电二极管(PD)的电势情况。进入Tx处的电子，经过产生-复合有一定概率进入PD，成为不稳定的因素。
[0044] 图10显示为现有技术中的CMOS图像传感器中转移管施加负高压时，转移管和光电二极管的电势示意图，现有结构光电二极管积分时，Tx施加负电压时光电二极管，Tx和PD的电势情况。进入Tx处的电子，经过产生-复合有进入PD的概率会进一步增加，成为不稳定的因素。
[0045] 图11显示为本发明的CMOS图像传感器中转移管施加负高压时，转移管和光电二极管的电势示意图。本发明改进的结构光电二极管积分时，Tx施加负电压时光电二极管，Tx和PD的电势情况。由于薄层区域可以增强电场，将这些区域远离耗尽区，从而将PD区产生-复合降低。同时可以降低FD到光电二极管PD的漏电，可以更加自由的调整随机电报噪声(RTS)。
[0046] 本发明进一步地，在所述转移管的多晶硅栅极上施加负压时，所述薄层氧化硅下的沟道区域电场增强。通过一张掩
模版将原有的多晶硅下面的氧化硅，利用N2离子注入来降低氧化的速度，从而形成较薄的氧化硅层，在同样负电压下可以实现更强的电场，从而实现光电二极管(PD)积分时将耗尽区远离，降低电子产生-复合的概率，降低RTS的产生。同时较厚的氧化硅形成的反型层薄，可以有效阻挡浮动扩散点(FD)到光电二极管(PD)的电子流动，从而降低收集时的暗电流。
[0047] 综上所述，本发明提出一种利用不同氧化硅厚度形成不同沟道区域的方法来同时满足利用转移管与钉扎层的低耗尽降低电子产生-复合率，以及抑制浮动扩散点到光电二极管的电流，从而可以达到降低光电子转移和积分时间过程的随机电报噪声(RTS)和暗电流，实现转移转管更为灵活的调整和更加有效地抑制随机电报噪声(RTS)，提高像素单元的动态范围和低光下的响应。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0048] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的
权利要求所涵盖。
