КМОП-ФОТОПРИЕМНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ВЫСОКИМ ФАКТОРОМ ЗАПОЛНЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к области полупроводниковых ИС и может быть использовано для создания фоточувствительных устройств.

Известны КМОП-фотоприемники, в каждом фотоприемном элементе которых содержатся фотодиод и управляющие МОП-транзисторы (см. H.S.Wong, "Technology and Device Scaling Considerations for CMOS Imagers", IEEE Trans. on Electron Devices, vol. 43, No 12, pp.2131-2142, 1996; A.Theuwissen, E.Roks, "Building a Better Mousetrap", Photonics spectra, No 2, pp.29-32, 2001).

Эффективность приема входного излучения КМОП-фотоприемным элементом оценивается с помощью параметра, называемого "фактор заполнения" - Fill Factor (FF). За фактор заполнения принято отношение площади фотодиода к общей площади фотоприемного элемента (ФПЭ). При уменьшении проектных норм FF может быть повышен за счет уменьшения доли площади фотоприемного элемента, занимаемой управляющими транзисторами. При прочих равных условиях фотоприемный элемент, имеющий больший FF, обладает более высокой фоточувствительностью.

В то же время фоточувствительность фотоприемного элемента прямо зависит от эффективности сбора носителей заряда в фотодиод из того объема полупроводника, в котором они генерируются входным оптическим излучением. Очевидно, что фоточувствительность ФПЭ будет повышаться с увеличением доли объема элемента, из которого генерированные светом носители заряда попадают в фотодиод. При расчете величины фактора заполнения FF данные объемы не учитываются.

Известны КМОП-фотоприемные элементы, имеющие многослойную структуру для сбора фотогенерированных носителей заряда из возможно большего объема полупроводниковой подложки, что повышает их фоточувствительность по сравнению с элементами, собирающими носители только из объемов тела фотодиода и его обедненной области [1, 2, 3]. При этом полагают, что площадь фотодиода такого элемента увеличивается на величину площади проекции объема, из которого собираются носители, на поверхность фотоэлемента. При таком подходе фактор заполнения элемента может достигать 100% [1, 2].

Основным прототипом является КМОП-фотоприемный элемент, в котором для сбора носителей заряда из глубины подложки и переноса их в область фотодиода используется структура с внутренним потенциальным барьером между сильно и слаболегированными слоями р-подложки [1, 2]. Однако недостатками данного фотоприемного элемента, приводящими к потере части фотогенерированных носителей заряда, являются:

- применение диффузионного механизма переноса носителей, не обеспечивающего строгой направленности их потока в область фотодиода;

- небольшая толщина области сбора носителей, что не обеспечивает охвата большей части объема элемента;

- расположение области сбора на глубине от поверхности кристалла.

Предлагается КМОП-фотоприемный элемент, содержащий фотодиод и управляющие транзисторы, отличающийся тем, что

- на подложке первого типа проводимости выращивается первый слой второго типа проводимости, который является заглубленной областью фотодиода;

- в первом слое второго типа проводимости по всей площади формируется второй слой первого типа проводимости, который является карманом, в котором затем формируются поверхностная область фотодиода и области транзисторов фотоприемного элемента;

- во втором слое первого типа проводимости формируется второй слой второго типа проводимости (поверхностная область фотодиода) так, чтобы он сомкнулся с первым слоем второго типа проводимости и занимал только часть площади второго слоя первого типа проводимости;

- во втором слое первого типа проводимости вне второго слоя второго типа проводимости формируются третья и последующие области второго типа проводимости, которые являются областями транзисторов элемента;

- первый слой первого типа проводимости на периферии имеет омический контакт, подключаемый к шине «земля»;

- первый слой второго типа проводимости на периферии имеет омический контакт, подключаемый к шине «питание»;

- на поверхности элемента формируется система диэлектрических слоев и затворов, реализующая электрическую схему фотоприемного элемента.

В данном элементе вторая область второго типа проводимости выполняет роль «области накопления» фотогенерированных зарядов, первая область второго типа проводимости играет роль «области сбора» фотогенерированных носителей заряда, из которой носители направляются в «область накопления». При этом при соответствующем подборе уровней легирования диффузионных областей элемента и величин управляющих напряжений перенос фотогенерированных носителей заряда из «области сбора» в «область накопления» будет осуществляться с помощью направленных электрических полей.

Техническим результатом данного изобретения является повышение фоточувствительности фотоприемного элемента и улучшение его шумовых характеристик.

Изобретение поясняется приведенными чертежами.

На фиг.1 представлен схематический разрез КМОП-фотоприемного элемента согласно настоящему изобретению. Область фотоприемного элемента ограничена прямоугольником, обозначенным пунктирной линией. Во второй, меньшей по размеру, обозначенной пунктиром области С1 изображены транзисторы схемы фотоприемного элемента V₁, V₂, V₃, их число может быть различным для различных типов схем.

Фотоприемный элемент содержит:

- подложку первого типа проводимости 1;

- первый слой второго типа проводимости 2, выращенный с помощью операций эпитаксии на подложке 1, данный слой является заглубленной областью фотодиода;

- второй слой первого типа проводимости 3, который является карманом для формирования областей транзисторов схемы фотоприемного элемента;

- второй слой второго типа проводимости 4 и 4.1, который смыкается с первым слоем второго типа проводимости;

- третью область второго типа проводимости 5 и последующие области второго типа проводимости 5.1, 5.2 и т.д., которые являются областями транзисторов элемента;

- затворы 6, 6.1, 6.2 транзисторов схемы фотоприемного элемента;

- систему диэлектрических слоев 7 на поверхности фотоприемного элемента.

Омические контакты к областям фотоприемного элемента расположены на периферии кристалла (на чертеже показана схема их подключения): 8 к первому слою первого типа проводимости и 9 ко второму слою первого типа проводимости (3), которые подключаются к шине «земля»; 10 к первому слою второго типа проводимости, который подключается к шине «питание».

На фиг.2 приведен схематический разрез КМОП-фотоприемного элемента согласно настоящему изобретению в процессе его изготовления после операции формирования заглубленной области фотодиода 2 эпитаксиальным наращиванием пленки n-типа проводимости на подложке 1.

На фиг.3 приведен схематический разрез КМОП-фотоприемного элемента согласно настоящему изобретению в процессе его изготовления после операции формирования области кармана 3 путем имплантации примеси р-типа проводимости.

На фиг.4 приведен схематический разрез КМОП-фотоприемного элемента согласно настоящему изобретению в процессе его изготовления после операции формирования поверхностной n⁺-области фотодиода 4 путем имплантации примеси n-типа проводимости, при этом уровень энергии легирования и последующие термооперации должны обеспечивать смыкание данной области с заглубленной областью фотодиода.

На фиг.5 приведен схематический разрез КМОП-фотоприемного элемента согласно настоящему изобретению в процессе его изготовления после операций формирования областей истоков-стоков транзисторов схемы элемента путем имплантации примеси n-типа проводимости.

В режиме накопления фотогенерированных носителей заряда фотоприемный элемент работает следующим образом.

Приложением соответствующих управляющих напряжений к омическим контактам заглубленной n-области фотодиода, n-области фотодиода, подложке, р-карману, областям транзисторов и затворам схемы фотоприемного элемента устанавливается режим полного обеднения заглубленной n-области фотодиода. При этом электрические поля в р-n-переходах, образованных заглубленной n-областью фотодиода и р-подложкой и заглубленной n-областью фотодиода и р-карманом, направлены так, что электроны, фотогенерированные в областях, охватываемых электрическими полями данных р-n-переходов, будут дрейфовать в n⁺-область фотодиода. Для этого необходимо, чтобы потенциал n⁺-области фотодиода был выше, чем потенциал обеднения заглубленной n-области фотодиода.

Вариант распределения электрического потенциала в объеме фотоприемного элемента, отвечающий указанным условиям, приведен на фиг.6. Распределение электрического потенциала фиг.6 показывает, что электрические поля в объеме заглубленной области фотодиода имеют направления, обеспечивающие движение электронов к поверхностной области фотодиода (некоторые линии движения электронов показаны стрелками).

Электрическая изоляция соседних фотоприемных элементов обеспечивается за счет объемных электрических полей, направленных к n⁺-областям фотодиодов каждого элемента, что не позволяет носителям, фотогенерированным в области объемного электрического поля фотодиода одного элемента, переместиться в область фотодиода другого элемента. Это улучшает шумовые характеристики фотоприемных элементов.

Таким образом, в предлагаемом фотоприемном элементе увеличение фактора заполнения достигается путем создания низколегированного n-эпитаксиального слоя (2), служащего заглубленным телом фотодиода, что при соответствующем подборе уровней легирования диффузионных областей элемента и величин управляющих напряжений обеспечивает возникновение объемных электрических полей, охватывающих значительную часть объема фотоприемного элемента и направленных к поверхностной n⁺-области фотодиода (4), что повышает фоточувствительность элемента. Кроме того, данные электрические поля обеспечивают взаимную электрическую изоляцию фотоприемных элементов.

Фотоприемный элемент согласно настоящему изобретению может иметь следующие значения параметров профиля примеси: глубина залегания n-эпитаксиального слоя (2) - 3,0 мкм; концентрация доноров в n-эпитаксиальном слое (2) - 8,0·10¹³ см^-3; глубина залегания р-кармана (3) - 0,78 мкм; средняя концентрация акцепторов в р-кармане (3) - 9,0·10¹⁶ см^-3; средняя концентрация доноров в поверхностной n⁺-области фотодиода (4) - 4,9·10¹⁷ см^-3. Данными значениями не исчерпываются все варианты изготовления фотоприемного элемента.

Фотоприемный элемент согласно настоящему изобретению может применяться для создания матричных фотоприемных микросхем различного назначения.

Литература

1. US patent № 6.225.670.

2. В.Dierickx, G.Meynants, D.Scheffer, "Near 100% fill factor CMOS active pixels", IEEE CCD & AIS workshop, Brugge, Belgium, 5-7 June (1997); Proceedings p.PI.

3. B.Dierickx, J.Bogaerts, "NIR-enhanced image sensor using multiple epitaxial layers", Electronic Imaging, San Jose, 21 Jan 2004; SPIE Proceedings vol. 5301, p.204 (2004).

Изобретение может быть использовано для создания фоточувствительных цифровых и аналоговых устройств. КМОП-фотоприемный элемент согласно изобретению содержит фотодиод и транзисторы схемы управления фотодиодом. Фотодиод в соответствии с изобретением формируется из двух слоев: заглубленного низколегированного слоя n-типа (выращивается на исходной подложке р-типа проводимости, на поверхности данного n-эпитаксиального слоя формируется р-карман), служащего объемным телом фотодиода, и поверхностного n⁺-слоя, смыкающегося с заглубленным слоем фотодиода на некоторой глубине. При этом подложка и р-карман подсоединены к шине земли, n-область фотодиода - к шине положительного потенциала питания, n⁺-область фотодиода является истоком управляющего транзистора восстановления схемы фотоприемного элемента. При соответствующем выборе уровней легирования диффузионных слоев и управляющих напряжений n-слой фотодиода в режиме накопления оказывается полностью обедненным, что обеспечивает перенос фотогенерированных носителей заряда в n⁺-слой фотодиода с помощью направленных электрических полей, охватывающих значительную часть объема фотоприемного элемента. Изобретение обеспечивает повышение фоточувствительности КМОП-фотоприемного элемента и уменьшение шумов. 6 ил.

КМОП-фотоприемный элемент, содержащий фотодиод и транзисторы схемы управления фотодиодом, отличающийся тем, что на подложке первого типа проводимости выращивается первый слой второго типа проводимости, который является заглубленной областью фотодиода, в первом слое второго типа проводимости по всей площади формируется второй слой первого типа проводимости, который является карманом, в котором затем формируются поверхностная область фотодиода и области транзисторов фотоприемного элемента, во втором слое первого типа проводимости формируется второй слой второго типа проводимости (поверхностная область фотодиода) так, чтобы он сомкнулся с первым слоем второго типа проводимости и занимал только часть площади второго слоя первого типа проводимости, во втором слое первого типа проводимости вне второго слоя второго типа проводимости формируются третья и последующие области второго типа проводимости, которые являются областями транзисторов схемы элемента, первый слой первого типа проводимости на периферии имеет омический контакт, подключаемый к шине «земля», первый слой второго типа проводимости на периферии имеет омический контакт, подключаемый к шине «питание», на поверхности элемента формируется система диэлектрических слоев и затворов, реализующая электрическую схему фотоприемного элемента, вторая область второго типа проводимости выполняет роль «области накопления» фотогенерированных зарядов, первая область второго типа проводимости выполняет роль «области сбора» фотогенерированных носителей заряда, направляя их в «область накопления», при этом перенос фотогенерированных носителей заряда из «области сбора» в «область» накопления осуществляется с помощью направленных электрических полей.