靈敏度自適應的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種靈敏度自適應的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括置于半導體基體中的光電二極管、電荷傳輸晶體管、復位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管，還包括設置于所述光電二極管側(cè)面的晶體管電容和電荷存儲區(qū)；晶體管電容的柵極多晶硅深入到半導體硅基體中，晶體管電容的溝道為光電二極管區(qū)，電荷存儲區(qū)與所述晶體管電容的柵極多晶硅相接觸，并且與光電二極管區(qū)相連，電荷存儲區(qū)為所述電荷傳輸晶體管的源極端。本發(fā)明像素壓縮了強光環(huán)境下的感光靈敏度，拓展了像素的感光動態(tài)范圍，像素采集到了更多高照明時的實物信息。
【專利說明】靈敏度自適應的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像傳感器，特別涉及一種靈敏度自適應的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)。
【背景技術】
[0002]圖像傳感器已經(jīng)被廣泛地應用于數(shù)碼相機、移動手機、醫(yī)療器械、汽車和其他應用場合。特別是制造CMOS (互補型金屬氧化物半導體)圖像傳感器技術的快速發(fā)展，使人們對圖像傳感器的輸出圖像品質(zhì)有了更高的要求。
[0003]在現(xiàn)有技術中，CMOS圖像傳感器一般采用線性光電響應功能的像素結(jié)構(gòu)。如圖1所示，是采用CMOS圖像傳感器四晶體管的有源像素，在本領域中也稱為4T有源像素。4T有源像素的元器件包括:光電二極管101、電荷傳輸晶體管102、復位晶體管103、源跟隨晶體管104和選擇晶體管105 ;VTX為電荷傳輸晶體管102的柵極端，VRX為復位晶體管103的柵極端，VSX為選擇晶體管105的柵極端，F(xiàn)D為漂浮有源區(qū)，Vdd為電源電壓，Output為信號輸出端。光電二極管101接收外界入射的光線，產(chǎn)生光電信號；開啟電荷傳輸晶體管102，將光電二極管中的光電信號轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)FD后，由源跟隨晶體管104所探測到的漂浮有源區(qū)FD勢阱內(nèi)電勢變化信號經(jīng)Output輸出端讀取并保存。其中，在漂浮有源區(qū)FD區(qū)內(nèi)的光電電荷量與入射光照量成正比，漂浮有源區(qū)FD勢阱內(nèi)光電電荷量的變化被源跟隨晶體管104探測到并轉(zhuǎn)換為電勢變化，此電勢變化量，即信號量與光照量成正比關系。該類圖像傳感器的光電響應是線性的，在本領域內(nèi)被稱為線性傳感器。
[0004]線性圖像傳感器像素的光電二極管的感光靈敏度，在弱光和強光環(huán)境下保持不變，即光電二級管中收集到的光電電荷多或少時的電場范圍不變。在自然界中，人的眼睛對弱光敏感，即感知弱光時靈敏度高；而對強光不敏感，即感知強光時靈敏度低。由此可見，上述線性圖像傳感器采集圖像的能力顯然不佳。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種高效的、靈敏度自適應的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明的靈敏度自適應的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括置于半導體基體中的光電二極管、電荷傳輸晶體管、復位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管，其特征在于，還包括設置于所述光電二極管側(cè)面的晶體管電容和電荷存儲區(qū)；
[0008]所述晶體管電容的柵極多晶硅深入到半導體硅基體中，所述晶體管電容的溝道為光電二極管區(qū)，所述電荷存儲區(qū)與所述晶體管電容的柵極多晶硅相接觸，并且與所述光電二極管區(qū)相連，所述電荷存儲區(qū)為所述電荷傳輸晶體管的源極端。
[0009]由上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的靈敏度自適應的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，由于在光電二極管側(cè)面設置有晶體管電容器件，并且設置有電荷存儲區(qū)，光電二極管開始曝光時，電荷存儲區(qū)的電勢高，晶體管電容柵極在光電二極管區(qū)感應的電場區(qū)域范圍大，靈敏度高；電荷存儲區(qū)，收集到大量光電電荷時，其電勢下降，晶體管電容的柵極在光電二極管區(qū)感應的電場區(qū)域范圍變小，靈敏度降低。因此，本發(fā)明像素，壓縮了強光環(huán)境下的感光靈敏度，拓展了像素的感光動態(tài)范圍，像素采集到了更多高照明時的實物信息。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是現(xiàn)有技術的圖像傳感器像素的電路示意圖。
[0011]圖2是本發(fā)明的圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖3是本發(fā)明的圖像傳感器像素中圖2所示切線I位置的切面示意圖。
[0013]圖4是本發(fā)明的圖像傳感器像素中圖2所示切線2位置的切面示意圖。
[0014]圖5是本發(fā)明的圖像傳感器像素工作時，圖2所示切線2位置的勢阱示意圖。
[0015]圖6是本發(fā)明的圖像傳感器像素工作時，弱光照射像素時的光電二極管區(qū)電場分布平面示意圖。
[0016]圖7是本發(fā)明的圖像傳感器像素工作時，弱光照射像素時，圖2所示切線I位置的電場分布意圖。
[0017]圖8是本發(fā)明的圖像傳感器像素工作時，強光照射像素時的光電二極管區(qū)電場分布平面示意圖。
[0018]圖9是本發(fā)明的圖像傳感器像素工作時，強光照射像素時，圖2所示切線I位置的電場分布意圖。
[0019]圖10是本發(fā)明的圖像傳感器像素工作時，光電二極管的光電相應曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面將對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述。
[0021]本發(fā)明的靈敏度自適應的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其較佳的【具體實施方式】是:
[0022]包括置于半導體基體中的光電二極管、電荷傳輸晶體管、復位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管，其特征在于，還包括設置于所述光電二極管側(cè)面的晶體管電容和電荷存儲區(qū)；
[0023]所述晶體管電容的柵極多晶硅深入到半導體硅基體中，所述晶體管電容的溝道為光電二極管區(qū)，所述電荷存儲區(qū)與所述晶體管電容的柵極多晶硅相接觸，并且與所述光電二極管區(qū)相連，所述電荷存儲區(qū)為所述電荷傳輸晶體管的源極端。
[0024]所述晶體管電容位于光電二極管四個側(cè)面中的一面或多面。
[0025]所述晶體管電容的柵極多晶硅在半導體基體中的深度大于等于0.3um,寬度大于等于0.1um0
[0026]所述晶體管電容的柵極多晶硅與光電二極管區(qū)之間的設有薄氧化層，其厚度為4nm ?15um。
[0027]所述晶體管電容的柵極多晶硅的外側(cè)為淺槽隔離區(qū)。
[0028]所述電荷存儲區(qū)為N型離子區(qū)，其深度小于等于0.Sum ；
[0029]所述光電二極管外圍無晶體管電容的側(cè)面設置有P型離子隔離區(qū)，將光電二極管區(qū)與淺槽隔離區(qū)隔開，所述P型離子隔離區(qū)的寬度小于等于0.3um，深度大于等于0.5um ；
[0030]所述半導體基體為P型外延硅體，所述光電二極管區(qū)的深度大于等于0.3um。
[0031]所述電荷存儲區(qū)的N型離子濃度為5E15Atom/cm3?7E17Atom/cm3，此電荷存儲區(qū)能被完全耗盡；
[0032]所述P型離子隔離區(qū)的P型離子濃度為5E16Atom/cm3?lE18Atom/cm3 ；
[0033]所述P型外延娃體的P型離子濃度為lE12Atom/cm3?lE15Atom/cm3 ；
[0034]所述光電二極管區(qū)的N型離子濃度為OAtom/cm3?lE16Atom/cm3。
[0035]所述N型離子為砷離子或磷離子，所述P型離子為硼離子。
[0036]在CMOS圖像傳感器中，為了獲得高品質(zhì)的圖像，本發(fā)明從優(yōu)化像素及其工藝結(jié)構(gòu)入手，在現(xiàn)有技術中的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)中，光電二極管區(qū)側(cè)面添加晶體管電容器件，同時在光電二極管區(qū)域邊緣設置電荷存儲區(qū)，此電荷存儲區(qū)為N型離子區(qū)，并且與晶體管電容器件的柵極多晶硅相接觸，所述電荷存儲區(qū)的電勢與晶體管電容器件的柵極多晶硅的電勢相等；電荷存儲區(qū)因收集到較多電荷時電勢會降低，因此電容器件的柵極多晶硅電勢也會降低，反饋到光電二極管區(qū)的感應電場范圍縮小，所以降低了像素的感光靈敏度，進而拓展了像素的感光動態(tài)范圍。
[0037]具體實施例:
[0038]圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含虛線框內(nèi)的平面部分和虛線框外的電路部分示意圖。圖2中，201為光電二極管區(qū)、202為電荷傳輸晶體管、203為復位晶體管、FD為漂浮有源區(qū)、204為源跟隨晶體管、205為選擇晶體管、206為信號輸出端、207為P型離子隔離區(qū)、208為晶體管電容器件的柵極多晶硅、209為晶體管電容器件的薄氧化層、210為電荷存儲區(qū)、211為淺槽隔離區(qū)；
[0039]其中Vtx為電荷傳輸晶體管202的柵極端，Vrst為復位晶體管203的柵極端，Vsx為選擇晶體管205的柵極端，F(xiàn)D為漂浮有源區(qū)，Vdd為電源電壓，切線I和切線2分別表示位置。所述207位于201的左側(cè)和下側(cè)，207的寬度小于等于0.3um ;所述208位于201的上側(cè)和右側(cè)；所述209作為柵氧層位于201和208之間，其厚度為3nm?15nm ;上述201的四個側(cè)面，分別兩個側(cè)面設置晶體管電容，另外兩個側(cè)面設置P型離子隔離區(qū)，此設置方式也可以換作一個側(cè)面設置晶體管電容，另外三個側(cè)面設置P型離子隔離區(qū)，也可以是其它設置方式，本發(fā)明的光電二極管四個側(cè)面至少有一個側(cè)面設置有晶體管電容器件。所述208與210在硅體中相互接觸連接，其接觸區(qū)域不設置209，如圖2所示；所述210區(qū)為202的源極有源區(qū)，210區(qū)為N型離子區(qū)，其N型離子濃度為5E15Atom/cm3?7E17Atom/cm3。
[0040]圖2所示切線I的切面示意圖，如圖3所示，圖3所示的301區(qū)為P型阱離子區(qū)，晶體管器件203、204、205都制作在此P型中；所述201為光電二極管區(qū)，其深度大于等于
0.3um，201為N型光電二極管，其N型離子濃度為OAtom/cm3?lE16Atom/cm3 ;所述半導體基體為P型外延硅體，其P型離子濃度為lE12Atom/cm3?lE15Atom/cm3，屬于高阻基體。圖3所示，208的深度大于等于0.3um,寬度大于等于0.1um ;所述208的一側(cè)為209，另一側(cè)為211，208的下方為211區(qū)。圖3所示，207的寬度小于等于0.3um，深度大于等于0.5um，其P 型離子濃度為 5E16Atom/cm3 ?lE18Atom/cm3。
[0041]圖2所示切線2的切面示意圖，如圖4所示。圖4中，201與210相互接觸，201為202的源極端，其中210的深度小于等于0.8um;圖4所示的N+區(qū)為FD有源區(qū)，并且是202的漏極端，F(xiàn)D有源區(qū)位于P型阱301區(qū)中。其中，210區(qū)在像素工作時，可以被完全耗盡。所述N型離子可以是砷離子，也可以是磷離子；所述P型離子，是硼離子。
[0042]下面結(jié)合附圖5?附圖10進一步詳細闡述本發(fā)明的像素工作特征。本發(fā)明的圖像傳感器像素工作時，圖2所示切線2位置切面的勢阱示意圖如圖5所示；圖5中，501為晶體管電容器件溝道附近的光電二極管201區(qū)的勢阱，502為電荷存儲區(qū)210區(qū)的勢阱，503為漂浮有源區(qū)的勢阱，Vr為501區(qū)最高電勢，Vpin為502區(qū)的最高電勢，即Vpin為電荷存儲區(qū)的完全耗盡電勢，因為電荷存儲區(qū)的N型離子濃度高于光電二極管區(qū)的N型離子濃度，所以Vpin高于Vr ;圖5所示，a線為501和502區(qū)的最高電勢線，b線為502存儲電荷后的501和502區(qū)的電勢線，b線電勢在501區(qū)低于502區(qū)。
[0043]本發(fā)明的像素，在開始曝光時，502勢阱區(qū)的電荷被清除，208電勢為210區(qū)的完全耗盡電勢Vpin, 208在光電二極管區(qū)域感應出的電場范圍最大，電場布滿整個光電二極管區(qū)域；208在光電二極管區(qū)感應出電場，在光電二極管區(qū)域其電場線方向從209硅表面指向遠處，隨著遠離209電勢逐漸降低，直至到207區(qū)消失；在光電二極管區(qū)域產(chǎn)生的光電電荷在電場的作用下，移動到209的硅表面附近，由于501勢阱區(qū)的電勢始終低于502勢阱區(qū)的電勢，501勢阱區(qū)產(chǎn)生光電電荷后最終會流向502勢阱區(qū)。
[0044]像素受到弱光照射，像素曝光結(jié)束時，勢阱502僅收集到了少量光電電荷，208電勢仍然較高接近Vpin，即在整個曝光周期內(nèi)，電場幾乎布滿整個光電二極管區(qū)域，則在整個光電二極管區(qū)域接受到光子后會產(chǎn)生電荷，即弱光環(huán)境下，像素的感光靈敏度高，如圖6和圖7所示。在弱光照射下，光電二極管區(qū)域產(chǎn)生電荷，光電電荷在電場的作用下，移動到209附近的硅表面區(qū)，由于210區(qū)的電勢最高，光電電荷最終移動到210區(qū)，被210區(qū)收集。
[0045]像素受到強光照射，像素曝光結(jié)束時，勢阱502區(qū)收集到了大量光電電荷，208電勢降低，如圖5中的b線電勢線所示。即，在整個曝光周期內(nèi)，電場由曝光開始時的布滿整個光電二極管，逐漸縮小范圍；曝光結(jié)束時，較低電勢的208在光電二極管210區(qū)僅感應出了較少區(qū)域的電場，僅在209附近的光電二極管區(qū)域感應出電場，如圖8和圖9所示。像素受到強光照射時，像素曝光周期內(nèi)的光電二極管區(qū)域的電場范圍在逐漸縮小，僅在有電場的區(qū)域光電電荷才能被收集，進而像素的感光靈敏度逐漸降低。因此，本發(fā)明的像素壓縮了強光環(huán)境下的感光靈敏度。
[0046]現(xiàn)有技術中的和本發(fā)明的像素的光電相應曲線關系，如圖10所示。圖10中，水平軸為像素曝光量，豎直軸為信號量，即光電電荷量，現(xiàn)有技術的像素在曝光量El處飽和，本發(fā)明的像素在曝光量E2處飽和。由此可見，本發(fā)明的像素，弱光照射時，靈敏度高；強光照射時，靈敏度低。本發(fā)明像素的動態(tài)范圍拓展區(qū)域為曝光量El?E2范圍，所以，像素采集到了更多的實物細節(jié)信號，提升了圖像傳感器采集圖像的品質(zhì)。
[0047]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發(fā)明披露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
【權(quán)利要求】
1.一種靈敏度自適應的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括置于半導體基體中的光電二極管、電荷傳輸晶體管、復位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管，其特征在于，還包括設置于所述光電二極管側(cè)面的晶體管電容和電荷存儲區(qū)； 所述晶體管電容的柵極多晶硅深入到半導體硅基體中，所述晶體管電容的溝道為光電二極管區(qū)，所述電荷存儲區(qū)與所述晶體管電容的柵極多晶硅相接觸，并且與所述光電二極管區(qū)相連，所述電荷存儲區(qū)為所述電荷傳輸晶體管的源極端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靈敏度自適應的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述晶體管電容位于光電二極管四個側(cè)面中的一面或多面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的靈敏度自適應的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述晶體管電容的柵極多晶硅在半導體基體中的深度大于等于0.3um,寬度大于等于0.lum。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的靈敏度自適應的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述晶體管電容的柵極多晶硅與光電二極管區(qū)之間的設有薄氧化層，其厚度為4nm?15um。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的靈敏度自適應的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述晶體管電容的柵極多晶硅的外側(cè)為淺槽隔離區(qū)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的靈敏度自適應的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電荷存儲區(qū)為N型離子區(qū)，其深度小于等于0.Sum ； 所述光電二極管外圍無晶體管電容的側(cè)面設置有P型離子隔離區(qū)，將光電二極管區(qū)與淺槽隔離區(qū)隔開，所述P型離子隔離區(qū)的寬度小于等于0.3um，深度大于等于0.5um ； 所述半導體基體為P型外延硅體，所述光電二極管區(qū)的深度大于等于0.3um。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的靈敏度自適應的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述所述電荷存儲區(qū)的N型離子濃度為5E15Atom/cm3?7E17Atom/cm3，此電荷存儲區(qū)能被完全耗盡； 所述P型離子隔離區(qū)的P型離子濃度為5E16Atom/cm3?lE18Atom/cm3 ； 所述P型外延娃體的P型離子濃度為lE12Atom/cm3?lE15Atom/cm3 ； 所述光電二極管區(qū)的N型離子濃度為OAtom/cm3?lE16Atom/cm3。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的靈敏度自適應的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述N型離子為砷離子或磷離子，所述P型離子為硼離子。
【文檔編號】H01L27/146GK104269421SQ201410543165
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】郭同輝, 曠章曲 申請人:北京思比科微電子技術股份有限公司