兼容測(cè)距的高速CMOS圖像傳感器像素單元及制作方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種兼容測(cè)距的高速CMOS圖像傳感器像素單元，包括：?jiǎn)尉Ч枰r底、在單晶硅襯底內(nèi)沿對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置的淺槽隔離區(qū)、在淺槽隔離區(qū)之間設(shè)置的感光單元和信號(hào)讀出電路；其中，所述感光單元包括在淺槽隔離區(qū)之間沿對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置的掩埋型感光二極管；信號(hào)讀出電路包括在淺槽隔離區(qū)之間的兩個(gè)邊緣轉(zhuǎn)移晶體管和兩個(gè)中心轉(zhuǎn)移晶體管，其中兩個(gè)邊緣轉(zhuǎn)移晶體管沿對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置且位于掩埋型光電二極管邊緣處靠近淺槽隔離區(qū)，而兩個(gè)中心轉(zhuǎn)移晶體管沿對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置且靠近對(duì)稱軸；所述掩埋型感光二極管包括埋層摻雜區(qū)，且所述埋層摻雜區(qū)通過采用兩次位于不同區(qū)域的離子注入實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明專利技術(shù)可以提高感光區(qū)域光生電荷轉(zhuǎn)移的速度。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
兼容測(cè)距的高速CMOS圖像傳感器像素單元及制作方法
本專利技術(shù)涉及一種互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor,CMOS)
，尤其涉及一種兼容測(cè)距的高速CMOS圖像傳感器像素單元及其制造方法。
技術(shù)介紹
圖像傳感器通過將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào)，完成獲取影像信息的功能。根據(jù)所采用的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，圖像傳感器可以分為電荷耦合型器件(ChargeCoupledDevice,CCD)和CMOS圖像傳感器兩大類。相比于CCD圖像傳感器，CMOS圖像傳感器不僅具有低功耗、低成本的優(yōu)勢(shì)，而且可以與超大規(guī)模數(shù)模混合CMOS集成電路相集成，因此近些年取得迅速發(fā)展。飛行時(shí)間(Time-of-flight,TOF)測(cè)距原理與圖像傳感器技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了一種并行獲取二維深度圖像的方法，用于實(shí)現(xiàn)一種兼容測(cè)距功能的圖像傳感器，也被稱為TOF圖像傳感器或者TOF相機(jī)。兼容測(cè)距的圖像傳感器相比于傳統(tǒng)基于雙目視覺成像系統(tǒng)，具有低成本、高度集成的優(yōu)勢(shì)，因此受到了廣泛的重視。在基于飛行時(shí)間測(cè)距的圖像傳感器設(shè)計(jì)中，像素單元是核心部件。根據(jù)現(xiàn)有基于相位采樣方法的飛行時(shí)間測(cè)距原理，像素曝光產(chǎn)生的光生電荷需要在幾納秒的時(shí)間內(nèi)完成電荷轉(zhuǎn)移。目前已有多種基于CCD或CMOS技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的距離圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)被提出，在CCD或CMOS距離圖像傳感器構(gòu)成的距離成像系統(tǒng)中，通常包含波長范圍在850nm～950nm的近紅外LED或激光光源，光源通常由頻率為5～30MHz的周期脈沖信號(hào)調(diào)制，CCD或CMOS距離傳感器通過采樣反射信號(hào)，計(jì)算發(fā)射光與反射光之間的相位差或延時(shí)，進(jìn)而推測(cè)出反射點(diǎn)與像素之間的距離?，F(xiàn)有技術(shù)中已有單抽頭、兩抽頭、四抽頭和分割化像素結(jié)構(gòu)被提出，可用于實(shí)現(xiàn)光生電荷的快速導(dǎo)出，滿足測(cè)距成像原理對(duì)電荷導(dǎo)出速度的要求。現(xiàn)有技術(shù)雖然已可以實(shí)現(xiàn)兼容測(cè)距的圖像成像，但是在兼容測(cè)距功能的基礎(chǔ)上仍有待于提高普通成像模式的成像速率。具有兼容深度圖像探測(cè)功能的高速圖像傳感器在高速目標(biāo)識(shí)別和高速目標(biāo)跟蹤等特殊應(yīng)用領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值，因此設(shè)計(jì)一種兼容測(cè)距的高速圖像傳感器像素單元具有重要意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的主要目的是在掩埋型CMOS圖像傳感器技術(shù)基礎(chǔ)上，提供一種支持快速轉(zhuǎn)移光電二極管感光區(qū)域中光生電荷的圖像傳感器像素單元，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兼容測(cè)距與普通高速成像的功能。為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的。本專利技術(shù)提供了一種兼容測(cè)距的高速CMOS圖像傳感器像素單元，包括：?jiǎn)尉Ч枰r底(101)、在單晶硅襯底(101)內(nèi)沿對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置的淺槽隔離區(qū)(102)、在淺槽隔離區(qū)(102)之間設(shè)置的感光單元和信號(hào)讀出電路；其中，所述感光單元包括在淺槽隔離區(qū)(102)之間沿對(duì)稱軸(120)對(duì)稱設(shè)置的掩埋型感光二極管；信號(hào)讀出電路包括在淺槽隔離區(qū)(102)之間的兩個(gè)邊緣轉(zhuǎn)移晶體管和兩個(gè)中心轉(zhuǎn)移晶體管，其中兩個(gè)邊緣轉(zhuǎn)移晶體管沿對(duì)稱軸(120)對(duì)稱設(shè)置且位于掩埋型光電二極管邊緣處靠近淺槽隔離區(qū)(102)，而兩個(gè)中心轉(zhuǎn)移晶體管沿對(duì)稱軸(120)對(duì)稱設(shè)置且靠近對(duì)稱軸(120)；所述掩埋型感光二極管包括埋層摻雜區(qū)，且所述埋層摻雜區(qū)通過采用兩次位于不同區(qū)域的離子注入實(shí)現(xiàn)。本專利技術(shù)還提供了一種兼容測(cè)距的CMOS圖像傳感器像素單元的制作方法，其包括：步驟1：在襯底內(nèi)形成沿對(duì)稱軸對(duì)稱分布的兩個(gè)淺槽隔離區(qū)；所述對(duì)稱軸位于像素結(jié)構(gòu)中心；步驟2：在襯底內(nèi)兩個(gè)淺槽隔離區(qū)之間形成掩埋型感光二極管埋層摻雜第一次離子注入?yún)^(qū)；所述埋層摻雜第一次離子注入?yún)^(qū)包括四部分，其中每?jī)刹糠譃橐唤M沿所述對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置，且所述四部分埋層摻雜第一次離子注入?yún)^(qū)之間具有一定間隔；步驟3：在襯底內(nèi)形成轉(zhuǎn)移晶體管的閾值電壓調(diào)節(jié)區(qū)，所述閾值電壓調(diào)節(jié)區(qū)包括四部分，其中兩部分沿所述對(duì)稱軸對(duì)稱且分別位于所述埋層摻雜第一次離子注入?yún)^(qū)與淺槽隔離區(qū)之間，另外兩部分沿所述對(duì)稱軸對(duì)稱且分別位于所述埋層摻雜第一次離子注入?yún)^(qū)與所述對(duì)稱軸之間；所述四部分閾值電壓調(diào)節(jié)區(qū)與所述埋層摻雜第一次離子注入?yún)^(qū)之一部分重疊；步驟4：分別在所述四部分閾值電壓調(diào)節(jié)區(qū)上方形成轉(zhuǎn)移晶體管的柵介質(zhì)層，在柵介質(zhì)層上形成柵極；步驟5：在襯底內(nèi)形成轉(zhuǎn)移晶體管漏極輕摻雜區(qū)，所述漏極輕摻雜區(qū)包括三部分，其中兩部分沿對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置在淺槽隔離區(qū)與靠近淺槽隔離區(qū)的閾值電壓調(diào)節(jié)區(qū)之間，另外一部分位于像素結(jié)構(gòu)中心且與靠近對(duì)稱軸的兩閾值電壓調(diào)節(jié)區(qū)相連接；步驟6：在襯底內(nèi)形成掩埋型感光二極管埋層摻雜第二次離子注入?yún)^(qū)，所述埋層摻雜第二次離子注入?yún)^(qū)包括兩部分，分別位于閾值電壓調(diào)節(jié)區(qū)之間并且沿對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置，且與所述埋層摻雜第一次離子注入?yún)^(qū)部分重疊；步驟8：形成轉(zhuǎn)移晶體管柵極及柵介質(zhì)層兩側(cè)的側(cè)壁，所述側(cè)壁覆蓋轉(zhuǎn)移晶體管柵極及柵介質(zhì)層的側(cè)面，并且所述轉(zhuǎn)移晶體管柵極及柵介質(zhì)層一側(cè)的所述側(cè)壁與下方的閾值電壓調(diào)節(jié)區(qū)相連接，而另一側(cè)的所述側(cè)壁與轉(zhuǎn)移晶體管漏極輕摻雜區(qū)相連接；步驟9：在襯底內(nèi)形成轉(zhuǎn)移晶體管漏極擴(kuò)散區(qū)和中心浮空擴(kuò)散區(qū)，所述漏極擴(kuò)散區(qū)包括沿中心對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置的兩部分，其一邊與淺槽隔離區(qū)相連接，另一邊與轉(zhuǎn)移晶體管漏極輕摻雜區(qū)相連接；所述中心浮空擴(kuò)散區(qū)位于像素結(jié)構(gòu)中心；步驟10：形成掩埋型感光二極管表面P型摻雜區(qū)，所述掩埋型光電二極管表面P型摻雜區(qū)完全覆蓋在掩埋型光電二極管埋層摻雜第一次離子注入?yún)^(qū)和埋層摻雜第二次離子注入?yún)^(qū)位于像素結(jié)構(gòu)表面的部分。上述技術(shù)方案具有以下有益效果：1、本專利技術(shù)提供的兼容測(cè)距的高速CMOS圖像傳感器像素單元，通過對(duì)于掩埋型感光二極管的埋層摻雜區(qū)進(jìn)行兩次位于不同區(qū)域的離子注入，在掩埋型感光二極管埋層摻雜區(qū)內(nèi)部形成雜質(zhì)濃度梯度分布，形成橫向和縱向的內(nèi)建電場(chǎng)，從而提高了光生電荷的轉(zhuǎn)移速度，使圖像傳感器像素在兼容測(cè)距功能的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)高速成像。附圖說明圖1所示為本專利技術(shù)提供的兼容測(cè)距的高速CMOS圖像傳感器像素單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2～圖10所示為本專利技術(shù)提供的制造兼容測(cè)距的高速CMOS圖像傳感器像素單元的工藝流程示意圖。具體實(shí)施方式為使本專利技術(shù)的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖1所示，在本專利技術(shù)實(shí)施例中，本專利技術(shù)提供的兼容測(cè)距的高速CMOS圖像傳感器像素單元至少包括：?jiǎn)尉Ч枰r底101、在單晶硅襯底101內(nèi)沿對(duì)稱軸120對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)淺槽隔離區(qū)102、在淺槽隔離區(qū)102之間設(shè)置的感光單元和信號(hào)讀出電路，所述對(duì)稱軸120位于所述像素單元結(jié)構(gòu)中心；其中，所述感光單元包括在淺槽隔離區(qū)102之間沿對(duì)稱軸120對(duì)稱設(shè)置的掩埋型感光二極管，信號(hào)讀出電路包括沿對(duì)稱軸120對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)邊緣轉(zhuǎn)移晶體管和兩個(gè)中心轉(zhuǎn)移晶體管，所述兩個(gè)邊緣轉(zhuǎn)移晶體管位于掩埋型感光二極管邊緣處靠近淺槽隔離區(qū)102處，所述兩個(gè)中心轉(zhuǎn)移晶體管靠近對(duì)稱軸120，其中邊緣轉(zhuǎn)移晶體管的漏極擴(kuò)散區(qū)110連接固定電平，中心轉(zhuǎn)移晶體管的漏極擴(kuò)散區(qū)復(fù)用形成中心浮空擴(kuò)散區(qū)111；所述掩埋型感光二極管包括埋層摻雜第一次離子注入?yún)^(qū)103、第二次離子注入?yún)^(qū)108，以及掩埋型感光二極管表面P型摻雜區(qū)112；所述邊緣轉(zhuǎn)移晶體管包括：柵極1061、柵介質(zhì)層105、柵介質(zhì)層以及柵極兩側(cè)的側(cè)壁109、閾值電壓調(diào)節(jié)區(qū)104、轉(zhuǎn)移晶體管漏極輕摻雜區(qū)107和邊本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種兼容測(cè)距的高速CMOS圖像傳感器像素單元，包括：?jiǎn)尉Ч枰r底(101)、在單晶硅襯底(101)內(nèi)沿對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置的淺槽隔離區(qū)(102)、在淺槽隔離區(qū)(102)之間設(shè)置的感光單元和信號(hào)讀出電路；其中，所述感光單元包括在淺槽隔離區(qū)(102)之間沿對(duì)稱軸(120)對(duì)稱設(shè)置的掩埋型感光二極管；信號(hào)讀出電路包括在淺槽隔離區(qū)(102)之間的兩個(gè)邊緣轉(zhuǎn)移晶體管和兩個(gè)中心轉(zhuǎn)移晶體管，其中兩個(gè)邊緣轉(zhuǎn)移晶體管沿對(duì)稱軸(120)對(duì)稱設(shè)置且位于掩埋型光電二極管邊緣處靠近淺槽隔離區(qū)(102)，而兩個(gè)中心轉(zhuǎn)移晶體管沿對(duì)稱軸(120)對(duì)稱設(shè)置且靠近對(duì)稱軸(120)；所述掩埋型感光二極管包括埋層摻雜區(qū)，且所述埋層摻雜區(qū)通過采用兩次位于不同區(qū)域的離子注入實(shí)現(xiàn)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種兼容測(cè)距的高速CMOS圖像傳感器像素單元，包括：?jiǎn)尉Ч枰r底(101)、在單晶硅襯底(101)內(nèi)沿對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置的淺槽隔離區(qū)(102)、在淺槽隔離區(qū)(102)之間設(shè)置的感光單元和信號(hào)讀出電路；其中，所述感光單元包括在淺槽隔離區(qū)(102)之間沿對(duì)稱軸(120)對(duì)稱設(shè)置的掩埋型感光二極管；信號(hào)讀出電路包括在淺槽隔離區(qū)(102)之間的兩個(gè)邊緣轉(zhuǎn)移晶體管和兩個(gè)中心轉(zhuǎn)移晶體管，其中兩個(gè)邊緣轉(zhuǎn)移晶體管沿對(duì)稱軸(120)對(duì)稱設(shè)置且位于掩埋型光電二極管邊緣處靠近淺槽隔離區(qū)(102)，而兩個(gè)中心轉(zhuǎn)移晶體管沿對(duì)稱軸(120)對(duì)稱設(shè)置且靠近對(duì)稱軸(120)；所述掩埋型感光二極管包括埋層摻雜區(qū)，且所述埋層摻雜區(qū)通過采用兩次位于不同區(qū)域的離子注入實(shí)現(xiàn)；其中，所述埋層摻雜區(qū)包括第一次離子注入?yún)^(qū)(103)和第二次離子注入?yún)^(qū)(108)，所述第一次離子注入?yún)^(qū)(103)由兩個(gè)區(qū)域組成，分別在第二次離子注入?yún)^(qū)(108)的兩側(cè)，其中所述第一次離子注入?yún)^(qū)(103)每個(gè)區(qū)域的一部分與所述邊緣轉(zhuǎn)移晶體管或中心轉(zhuǎn)移晶體管的下方部分重疊，而所述第一次離子注入?yún)^(qū)(103)每個(gè)區(qū)域的另一部分與所述第二次離子注入?yún)^(qū)(108)部分重疊，所述第二次離子注入?yún)^(qū)(108)完全覆蓋所述掩埋型感光二極管下方；所述第一次離子注入?yún)^(qū)(103)的注入劑量范圍是1.0E12～1.0E13/cm2，采用注入能量為對(duì)應(yīng)于砷的50～170keV或?qū)?yīng)磷的30～120keV；所述第二次離子注入?yún)^(qū)(108)的注入劑量范圍是5.0E11～5.0E12/cm2，采用注入能量為對(duì)應(yīng)于砷的100～350keV或?qū)?yīng)磷的50～250keV；其中，在距離成像模式下，對(duì)所述圖像傳感器像素單元邊緣轉(zhuǎn)移晶體管的柵極(1061)和中心轉(zhuǎn)移晶體管的柵極(1062)施加具有和調(diào)制脈沖信號(hào)相同頻率的同步選通信號(hào)，其中施加在中心轉(zhuǎn)移晶體管柵極(1062)的信號(hào)分別具有0°、180°相位偏移，施加在邊緣轉(zhuǎn)移晶體管柵極(1061)的信號(hào)和施加在中心轉(zhuǎn)移晶體管柵極(1062)的信號(hào)相互反向。2.如權(quán)利要求1所述的高速CMOS圖像傳感器像素單元，其中，所述第一次離子注入?yún)^(qū)(103)采用低注入能量、高注入劑量的雜質(zhì)注入，所述第二次離子注入?yún)^(qū)(108)采用高注入能量、低注入劑量的雜質(zhì)注入。3.如權(quán)利要求1所述的高速CMOS圖像傳感器像素單元，其中，所述第一次離子注入?yún)^(qū)(103)在邊緣轉(zhuǎn)移晶體管和中心轉(zhuǎn)移晶體管形成之前進(jìn)行離子注入，與所述邊緣轉(zhuǎn)移晶體管或中心轉(zhuǎn)移晶體管下方重疊部分的長度為小于或等于0.35μm。4.如權(quán)利要求1所述的高速CMOS圖像傳感器像素單元，其中，所述中心轉(zhuǎn)移晶體管分別包括柵介質(zhì)層、柵極、柵介質(zhì)層以及柵極兩側(cè)的側(cè)壁、閾值電壓調(diào)節(jié)區(qū)、漏極輕摻雜區(qū)和中心浮空擴(kuò)散區(qū)，所述邊緣轉(zhuǎn)移晶體管分別包括柵介質(zhì)層、柵極、柵介質(zhì)層以及柵極兩側(cè)的側(cè)壁、閾值電壓調(diào)節(jié)區(qū)、漏極輕摻雜區(qū)和漏極擴(kuò)散區(qū)。5.如權(quán)利要求4所述的高速CMOS圖像傳感器像素單元，其中，所述第二次離子注入?yún)^(qū)(108)在邊緣轉(zhuǎn)移晶體管和中心轉(zhuǎn)移晶體管的柵介質(zhì)層和柵極形成之后、柵介質(zhì)層及柵極兩側(cè)的側(cè)壁形成之前進(jìn)行注入，與所述邊緣轉(zhuǎn)移晶體管和中心轉(zhuǎn)移晶體管下方重疊部分的長度為小于...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳哲，吳南健，底衫，曹中祥，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11