全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及其控制方法，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管區(qū)，電荷傳輸晶體管，復(fù)位晶體管，源跟隨晶體管，選擇晶體管，還包括設(shè)于光電二極管區(qū)外圍的多晶硅環(huán)和薄氧化層環(huán)、晶體管電容器件、N型離子區(qū)。多晶硅環(huán)為高電平時在光電二極管區(qū)感應(yīng)出電場，為低電平時不感應(yīng)出電場，光電二極管區(qū)的積分時間為多晶硅環(huán)高電平時間；晶體管電容器件位于N型離子區(qū)中，晶體管電容用來存儲光電二極管區(qū)收集到的光電電荷，適用于全局曝光方式的圖像傳感器。
【專利說明】全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種圖像傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及其控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器采用感光像素陣列采集圖像信號，然后進(jìn)行后續(xù)信號處理得以保存圖像或?qū)D像輸出到電子屏幕上。圖像傳感器采集圖像信號的方式有兩種:滾動曝光方式和全局曝光方式?，F(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器一般采用滾動曝光方式采集圖像信息，像素陣列中的第一行像素開始曝光，然后是第二行、第三行、...，直至最后一行，然后再逐行讀取像素采集到的光電信號；滾動曝光方式的圖像傳感器，適用于采集靜態(tài)環(huán)境下的圖像。滾動曝光方式的圖像傳感器采集動態(tài)的實物時，由于每行像素的曝光時間段都不相同，第一行像素采集圖像信號時的實物位置與最后一行像素采集圖像信號時的實物位置可能會相差很大，例如拍照快速運(yùn)動的風(fēng)扇、汽車等，會發(fā)現(xiàn)采集的圖像發(fā)生了扭曲、畸變。全局曝光方式的圖像傳感器采集圖像時，像素陣列中的每個像素都同時曝光，曝光完畢后，再逐個讀取像素采集到的圖像信號，由此可見，全局曝光方式的圖像傳感器，像素陣列中的每個像素采集圖像信號時，運(yùn)動的實物可看作是靜止不動的。所以全局曝光方式的圖像傳感器，適合采集運(yùn)動實物的圖像。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中，CMOS圖像傳感器一般采用四晶體管像素(4T)結(jié)構(gòu)。如圖1所示，是采用CMOS圖像傳感器4T有源像素結(jié)構(gòu)的示意圖，包括虛線框內(nèi)的切面示意圖和虛線框外的電路示意圖兩部分。4T有源像素的元器件包括:光電二極管區(qū)101、電荷傳輸晶體管102、復(fù)位晶體管103、漂浮有源區(qū)FD、源跟隨晶體管104、選擇晶體管105、列位線106 ;其中101置于半導(dǎo)體基體中，STI為淺槽隔離區(qū)，N+區(qū)為晶體管源漏有源區(qū)；Vtx為電荷傳輸晶體管102的柵極端，Vrst為復(fù)位晶體管103的柵極端，Vsx為選擇晶體管105的柵極端，Vdd為電源電壓。光電二極管區(qū)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，將光電二極管區(qū)101中的光電信號轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)FD區(qū)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)列位線106讀取并保存。
[0004]若全局曝光方式的圖像傳感器使用4T像素結(jié)構(gòu)，可以將像素陣列中的每個像素光電二極管區(qū)采集到的光電電荷至漂浮有源區(qū)FD區(qū)，然后再逐個讀取。但現(xiàn)有技術(shù)中的漂浮有源區(qū)FD區(qū)，設(shè)置有接觸孔，并且N+區(qū)硅表面因缺陷和應(yīng)力引起較大的漏電，致使漂浮有源區(qū)FD區(qū)不適合存儲光電電荷太長時間，否則會使后讀取的像素信號失真。因此，現(xiàn)有技術(shù)中的像素不適合用于全局曝光方式的圖像傳感器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種適合用于全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及其控制方法。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管區(qū)，電荷傳輸晶體管，復(fù)位晶體管，源跟隨晶體管，選擇晶體管，還包括設(shè)于光電二極管區(qū)外圍的多晶硅環(huán)和薄氧化層環(huán)、晶體管電容器件、N型離子區(qū)；
[0008]所述多晶硅環(huán)位于光電二極管區(qū)側(cè)壁，所述多晶硅環(huán)與光電二極管區(qū)之間設(shè)置有薄氧化層環(huán)，多晶硅環(huán)用來控制光電二極管區(qū)有無電場；
[0009]所述晶體管電容器件位于所述N型離子區(qū)中，用來存儲光電二極管區(qū)收集到的光電電荷。
[0010]本發(fā)明的上述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的控制方法，包括步驟:
[0011]a、N型離子區(qū)復(fù)位操作，晶體管電容器件柵極、多晶硅環(huán)處于低電平，低電平電壓為0V,開啟復(fù)位晶體管、電荷傳輸晶體管，時間持續(xù)Ius?1us,清除N型離子區(qū)電荷后,關(guān)閉復(fù)位晶體管、電荷傳輸晶體管；
[0012]b、光電二極管區(qū)積分操作，在N型離子區(qū)復(fù)位操作后，復(fù)位晶體管、電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，將晶體管電容器件的柵極和多晶硅環(huán)從低電平置為高電平，高電平電壓為IV?電源電壓，持續(xù)積分周期時間后，將多晶硅環(huán)電勢從高電平置為低電平，光電二極管區(qū)積分完畢；
[0013]C、等待像素進(jìn)一步操作，等待時間為Os?ls，等待時間為讀取其它像素信號操作時間；
[0014]d、漂浮有源區(qū)復(fù)位操作，多晶硅環(huán)處于低電平，晶體管電容器件柵極處于高電平，電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟復(fù)位晶體管，持續(xù)時間為Ius?10us，漂浮有源區(qū)的電荷清除完畢后，關(guān)閉復(fù)位晶體管；
[0015]e、讀取復(fù)位信號操作，漂浮有源區(qū)復(fù)位操作完畢后，讀取漂浮有源區(qū)的復(fù)位信號;
[0016]f、光電電荷轉(zhuǎn)移操作，多晶硅環(huán)處于低電平，復(fù)位晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟電荷傳輸晶體管，然后將晶體管電容器件的柵極從高電平置為低電平，光電電荷轉(zhuǎn)移完畢后，關(guān)閉電荷傳輸晶體管；
[0017]g、讀取光電信號操作，光電電荷轉(zhuǎn)移操作完畢后，讀取漂浮有源區(qū)的光電信號。
[0018]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及其控制方法，由于像素中多晶硅環(huán)位于光電二極管區(qū)側(cè)壁，并且兩者之間設(shè)置有薄氧化層，多晶硅環(huán)為高電平時在光電二極管區(qū)感應(yīng)出電場，為低電平時不感應(yīng)出電場，光電二極管區(qū)的積分時間為多晶硅環(huán)高電平時間；所述晶體管電容器件位于N型離子區(qū)中，晶體管電容用來存儲光電二極管區(qū)收集到的光電電荷，適用于全局曝光方式的圖像傳感器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2是本發(fā)明實施例中的圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3是本發(fā)明實施例中的圖像傳感器像素中圖2所示切線I位置的切面示意圖。
[0022]圖4是本發(fā)明實施例中的圖像傳感器像素中圖2所示切線2位置的切面示意圖。
[0023]圖5是本發(fā)明實施例中的圖像傳感器像素工作的時序控制示意圖。
[0024]圖6是本發(fā)明實施例中的圖像傳感器像素工作時，光電二極管區(qū)開始積分前進(jìn)行N型離子區(qū)復(fù)位操作的勢阱示意圖。
[0025]圖7是本發(fā)明實施例中的圖像傳感器像素工作時，光電二極管區(qū)積分過程的勢阱示意圖。
[0026]圖8是本發(fā)明實施例中的圖像傳感器像素工作時，等待像素進(jìn)一步操作時的勢阱示意圖。
[0027]圖9是本發(fā)明實施例中的圖像傳感器像素工作時，進(jìn)行光電電荷轉(zhuǎn)移操作的勢阱示意圖。
[0028]圖10是本發(fā)明實施例中的圖像傳感器像素工作時，進(jìn)行讀取光電信號操作時的勢阱示意圖。

【具體實施方式】
[0029]下面將對本發(fā)明實施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0030]本發(fā)明的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其較佳的【具體實施方式】是:
[0031]包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管區(qū)，電荷傳輸晶體管，復(fù)位晶體管，源跟隨晶體管，選擇晶體管，還包括設(shè)于光電二極管區(qū)外圍的多晶硅環(huán)和薄氧化層環(huán)、晶體管電容器件、N型離子區(qū)；
[0032]所述多晶硅環(huán)位于光電二極管區(qū)側(cè)壁，所述多晶硅環(huán)與光電二極管區(qū)之間設(shè)置有薄氧化層環(huán)，多晶硅環(huán)用來控制光電二極管區(qū)有無電場；
[0033]所述晶體管電容器件位于所述N型離子區(qū)中，用來存儲光電二極管區(qū)收集到的光電電荷。
[0034]所述多晶硅環(huán)在所述N型離子區(qū)區(qū)域開口，所述N型離子區(qū)與所述光電二極管區(qū)接觸，所述N型離子區(qū)為所述電荷傳輸晶體管的源極；
[0035]所述多晶硅環(huán)的外圍為淺槽隔離區(qū)。
[0036]所述多晶硅環(huán)在半導(dǎo)體基體中的深度大于等于0.5um、寬度大于等于0.1um ；
[0037]所述晶體管電容器件的柵極與所述N型離子區(qū)的邊緣的距離大于等于0.lum，所述晶體管電容器件的柵極面積大于等于0.0lum2 ；
[0038]所述多晶硅環(huán)與所述光電二極管區(qū)之間的薄氧化層環(huán)的厚度為3nm?15nm ；
[0039]所述N型離子區(qū)與淺槽隔離區(qū)的距離大于等于0.lum，其深度小于等于0.5um。
[0040]所述光電二極管區(qū)硅表面設(shè)置有P+型Pin層，所述晶體管電容器件的源漏有源區(qū)區(qū)域的娃表面設(shè)置有P+型Pin層,所述P+型Pin層的厚度小于等于0.2um。
[0041]所述N型離子區(qū)、晶體管電容器件、電荷傳輸晶體管上方覆蓋有遮光金屬。
[0042]所述N型離子區(qū)的N型離子濃度為lE15Atom/cm3?5E17Atom/cm3 ；
[0043]所述P+型Pin層的P型離子濃度大于等于5E17Atom/cm3 ；
[0044]所述半導(dǎo)體基體為P型半導(dǎo)體基體，其P型離子濃度為lE12Atom/cm3?5E15Atom/
3
cm ο
[0045]所述N型離子區(qū)的N型離子是磷離子或砷離子，所述P型離子是硼離子。
[0046]本發(fā)明的上述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的控制方法，其較佳的【具體實施方式】是:
[0047]包括步驟:
[0048]a、N型離子區(qū)復(fù)位操作，晶體管電容器件柵極、多晶硅環(huán)處于低電平，低電平電壓為0V,開啟復(fù)位晶體管、電荷傳輸晶體管，時間持續(xù)Ius?1us,清除N型離子區(qū)電荷后,關(guān)閉復(fù)位晶體管、電荷傳輸晶體管；
[0049]b、光電二極管區(qū)積分操作，在N型離子區(qū)復(fù)位操作后，復(fù)位晶體管、電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，將晶體管電容器件的柵極和多晶硅環(huán)從低電平置為高電平，高電平電壓為IV?電源電壓，持續(xù)積分周期時間后，將多晶硅環(huán)電勢從高電平置為低電平，光電二極管區(qū)積分完畢；
[0050]C、等待像素進(jìn)一步操作，等待時間為Os?ls，等待時間為讀取其它像素信號操作時間；
[0051]d、漂浮有源區(qū)復(fù)位操作，多晶硅環(huán)處于低電平，晶體管電容器件柵極處于高電平，電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟復(fù)位晶體管，持續(xù)時間為Ius?10us，漂浮有源區(qū)的電荷清除完畢后，關(guān)閉復(fù)位晶體管；
[0052]e、讀取復(fù)位信號操作，漂浮有源區(qū)復(fù)位操作完畢后，讀取漂浮有源區(qū)的復(fù)位信號;
[0053]f、光電電荷轉(zhuǎn)移操作，多晶硅環(huán)處于低電平，復(fù)位晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟電荷傳輸晶體管，然后將晶體管電容器件的柵極從高電平置為低電平，光電電荷轉(zhuǎn)移完畢后，關(guān)閉電荷傳輸晶體管；
[0054]g、讀取光電信號操作，光電電荷轉(zhuǎn)移操作完畢后，讀取漂浮有源區(qū)的光電信號。
[0055]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)化像素結(jié)構(gòu)及其工藝結(jié)構(gòu)入手，在現(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)中，在光電二極管區(qū)周圍側(cè)壁添加多晶硅環(huán)和薄氧化層環(huán)，用來控制光電二極管區(qū)有無電場，光電二極管區(qū)有電場時積分，無電場時不能分離出光子激發(fā)出的正負(fù)電荷，因而光電二極管區(qū)無電場時不能積分；多晶硅環(huán)為高電平時，會在光電二極管區(qū)感應(yīng)出電場，其電場方向指向光電二極管區(qū)中心位置，光電二極管區(qū)的積分周期為多晶硅環(huán)的高電平時長。本發(fā)明的另一特征是，添加晶體管電容器件用來存儲光電二極管區(qū)收集到的光電電荷，晶體管電容器件的源漏區(qū)與多晶硅環(huán)附近的光電二極管區(qū)相接觸，光電二極管區(qū)產(chǎn)生光電電荷在電場作用下移動到薄氧化層環(huán)附近的硅表面，因為晶體管電容器件源漏區(qū)的電勢高于薄氧化層環(huán)附近的硅表面電勢，光電電荷會繼續(xù)移動到晶體管電容器件源漏區(qū)；晶體管電容器件的源漏有源區(qū)設(shè)置有P+型Pin層，不設(shè)置接觸孔，所以漏電小，適合用于存儲光電電荷較長時間。因此，本發(fā)明的像素適用于全局曝光方式的圖像傳感器。
[0056]實施例一
[0057]本發(fā)明的圖像傳感器像素結(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(fù)位晶體管，F(xiàn)D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為晶體管電容器件，208為N型離子區(qū)，209為P+型Pin層，210為多晶硅環(huán)，211為薄氧化層環(huán)，212為淺槽隔離區(qū)；其中，電荷傳輸晶體管202的柵極端為Vtx，復(fù)位晶體管203的柵極端為Vrst，選擇晶體管205的柵極端為Vsx，Vdd為電源電壓，F(xiàn)D為漂浮有源區(qū)，切線I和切線2表示切面的位置。圖2所示，多晶硅環(huán)210環(huán)繞光電二極管區(qū)201四周，并且在N型離子區(qū)208區(qū)開口，N型離子區(qū)208區(qū)與薄氧化層環(huán)211附近的光電二極管區(qū)201相接觸，晶體管電容器件207設(shè)置在N型離子區(qū)208區(qū)，N型離子區(qū)208區(qū)為電荷傳輸晶體管202的源極有源區(qū)，所述P+型Pin層209覆蓋在光電二極管區(qū)201和N型離子區(qū)208的表面；所述薄氧化層環(huán)211位于多晶硅環(huán)210與光電二極管區(qū)201之間，多晶硅環(huán)210的外圍為淺槽隔離區(qū)212。所述多晶硅環(huán)210在半導(dǎo)體基體中的寬度大于等于0.lum，薄氧化層環(huán)211的厚度為3nm?15nm，晶體管電容器件207的柵極多晶硅與N型離子區(qū)208的邊緣距離大于等于0.1um,晶體管電容器件207的柵極多晶硅的面積大于等于0.01um2，N型離子區(qū)208與淺槽隔離區(qū)212的距離大于等于0.lum。多晶硅環(huán)210的端點是Vctl，晶體管電容器件207的柵極端為Vct2。
[0058]圖2所示切線I位置的切面示意圖，如圖3所示。圖3中，多晶硅環(huán)210的電勢為高電平時，在光電二極管區(qū)201中感應(yīng)出電場，如圖3中光電二極管區(qū)201所示，其電場方向垂直圖示切面指向外部，光電二極管區(qū)201電場范圍深度與多晶硅環(huán)210的深度相同，光電二極管區(qū)201接受到入射光，在電場的作用下負(fù)電荷電子移動到高電勢區(qū)。圖3所示的213為遮光金屬層，N型離子區(qū)208不會受到光線干擾。圖3所示，209為P+型Pin層，其厚度小于等于0.2um, P型離子濃度大于等于5E17Atom/cm3 ；N型離子區(qū)208深度小于等于0.5um, N型離子濃度為lE15Atom/cm3?5E17Atom/cm3。所述半導(dǎo)體基體為P型半導(dǎo)體基體，其P型離子濃度為lE12Atom/cm3?5E15Atom/cm3。所述N型離子區(qū)的N型離子可以是磷離子，也可以是砷離子；所述P型離子是硼離子。
[0059]圖2所示切線2位置的切面示意圖，如圖4所示。圖4中，多晶硅環(huán)210的深度大于等于0.5um，多晶硅環(huán)210的外側(cè)是淺槽隔離區(qū)212，多晶硅環(huán)210的下端是淺槽隔離區(qū)212 ;所述電場線方向，從薄氧化層環(huán)211指向光電二極管區(qū)201中心位置；圖4所示，光電二極管區(qū)201存在電場，在入射光的作用下，產(chǎn)生電荷，電荷在電場的作用下，移動到薄氧化層環(huán)211附近的硅表面。
[0060]實施例二
[0061]本發(fā)明的圖像傳感器像素工作的時序控制示意圖，如圖5所示。圖5僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的時序控制圖，其它時序未示出，其中，Vrst時序為復(fù)位晶體管203柵極端的時序，Vctl時序為多晶硅環(huán)210的時序，Vct2時序為晶體管電容器件207柵極端的時序，Vtx時序為電荷傳輸晶體管202柵極端的時序，SH時序高電平脈沖表征像素信號讀取操作。圖5所示，時間軸上501?507表示在像素時序操作中的各種操作點，501時間位置表征像素積分前N型離子區(qū)復(fù)位操作，502時間位置表征光電二極管區(qū)201積分操作，503時間位置表征像素等待操作，504時間位置表征漂浮有源區(qū)復(fù)位操作，505時間位置表征讀取漂浮有源區(qū)復(fù)位信號操作，506時間位置表征光電電荷轉(zhuǎn)移操作，507時間位置表征讀取漂浮有源區(qū)光電信號操作。復(fù)位晶體管203柵極端Vrst、電荷傳輸晶體管202柵極端Vtx為高電平時，分別表不晶體管復(fù)位晶體管203、電荷傳輸晶體管202處于開啟狀態(tài),低電平時,分別表示關(guān)閉狀態(tài)。所述高電平電壓為IV?電源電壓，低電平電壓為0V。
[0062]圖6?圖10分別示出了，在進(jìn)行上述501、502、503、506、507操作時，像素的勢阱示意圖。其中，601為光電二極管區(qū)201的勢阱，602為N型離子區(qū)208的勢阱，603為漂浮有源區(qū)FD區(qū)勢阱，604為電源有源區(qū)勢阱；Vpin為602勢阱區(qū)最高電勢，即N型離子區(qū)208區(qū)的完全耗盡電勢，Vreset為漂浮有源區(qū)FD區(qū)復(fù)位電勢，Vdd為電源電壓；所述601勢阱最高電勢小于等于Vpin。所示虛線表示晶體管處于關(guān)閉時的溝道電勢。
[0063]下面，結(jié)合示意圖5?圖10，詳細(xì)地闡述本發(fā)明圖像傳感器像素的工作方法步驟及其工作原理。
[0064]首先，N型離子區(qū)復(fù)位操作，晶體管電容器件207柵極Vct2、多晶硅環(huán)210的Vctl處于低電平，低電平電壓為0V,開啟復(fù)位晶體管203、電荷傳輸晶體管202,即將電荷傳輸晶體管202和復(fù)位晶體管203的柵極端Vtx和Vrst分別置為高電平，時間持續(xù)lus?10us，清除N型離子區(qū)電荷后，關(guān)閉復(fù)位晶體管203、電荷傳輸晶體管202，即將電荷傳輸晶體管202和復(fù)位晶體管203的柵極端Vtx和Vrst分別置為低電平。所述N型離子區(qū)復(fù)位操作如圖5中的501時間位置操作，N型離子區(qū)復(fù)位操作的勢阱示意圖如圖6所示。圖6中，601勢阱電勢為0V，無電荷；602勢阱區(qū)的電荷通過電荷傳輸晶體管202的溝道轉(zhuǎn)移到603勢阱區(qū)，進(jìn)而再通過復(fù)位晶體管203的溝道轉(zhuǎn)移到604勢阱區(qū)，最終被電源吸收；602勢阱區(qū)電荷清除完畢后，關(guān)閉晶體管電荷傳輸晶體管202。
[0065]進(jìn)一步，光電二極管區(qū)201積分操作，在N型離子區(qū)208復(fù)位操作后，復(fù)位晶體管203、電荷傳輸晶體管202處于關(guān)閉狀態(tài)，將晶體管電容器件207的棚極Vct2和多晶娃環(huán)Vctl從低電平置為高電平，高電平電壓為IV?電源電壓，持續(xù)積分周期時長后，將多晶硅環(huán)Vctl電勢從高電平置為低電平，光電二極管區(qū)201積分完畢。所述光電二極管區(qū)201積分操作如圖5中的502時間位置的操作，光電二極管區(qū)201積分操作時的勢阱示意圖如圖7所示。圖7中，多晶硅環(huán)Vctl為高電平，在光電二極管區(qū)201感應(yīng)出電場，其電場勢阱圖為601勢阱區(qū)，601勢阱區(qū)的最高電勢低于602勢阱區(qū)的最高電勢Vpin ;晶體管電容器件207的柵極Vct2為高電平，在602勢阱的基礎(chǔ)上，進(jìn)而感應(yīng)出更深的勢阱701區(qū)；光電二極管區(qū)積分過程，601勢阱區(qū)不斷產(chǎn)生光電電荷，601勢阱區(qū)的光電電荷不斷流向602勢阱區(qū)，進(jìn)而流到701勢阱區(qū)，被701勢阱區(qū)存儲。像素積分周期后，將多晶硅環(huán)Vctl置為低電平，則601勢阱區(qū)無電場，不會產(chǎn)生光電電荷，像素積分完畢。
[0066]進(jìn)一步，等待像素進(jìn)一步操作，等待時間為Os?ls，等待時間為讀取其它像素信號操作時間。所述等待像素進(jìn)一步操作的操作如圖5中的503時間位置操作，其勢阱示意圖如圖8所示，多晶硅環(huán)Vctl、電荷傳輸晶體管202的柵極端Vtx、復(fù)位晶體管203的柵極端Vrst為低電平，晶體管電容器件207的柵極端Vct2為高電平，601勢阱區(qū)不會產(chǎn)生光電電荷，所以光電電荷被存儲到701勢阱區(qū)。晶體管電容器件207的602勢阱區(qū)不設(shè)置接觸孔，并且設(shè)置有P+型Pin層保護(hù)，所以漏電小，可存儲電荷較長時間。
[0067]進(jìn)一步，漂浮有源區(qū)FD復(fù)位操作，多晶硅環(huán)Vctl處于低電平，晶體管電容器件207柵極Vct2處于高電平，電荷傳輸晶體管202處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟復(fù)位晶體管203，即將復(fù)位晶體管203的柵極端Vrst置為高電平，持續(xù)時間為lus?10us，漂浮有源區(qū)的電荷清除完畢后，關(guān)閉復(fù)位晶體管203，即將復(fù)位晶體管203的柵極端Vrst置為低電平。所述漂浮有源區(qū)FD復(fù)位操作如圖5中的504時間位置的操作。
[0068]進(jìn)一步，讀取復(fù)位信號操作，漂浮有源區(qū)復(fù)位操作完畢后，讀取漂浮有源區(qū)的復(fù)位信號。所述讀取復(fù)位信號操作如圖5中505時間位置的操作，將SH時序做一高電平脈沖操作，表示讀取像素信號。
[0069]進(jìn)一步，光電電荷轉(zhuǎn)移操作，多晶硅環(huán)的電勢Vctl處于低電平，復(fù)位晶體管203處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟電荷傳輸晶體管202，即將電荷傳輸晶體管202的柵極端Vtx置為高電平，然后將晶體管電容器件207的柵極端Vct2從高電平置為低電平，時間持續(xù)lus?10us，光電電荷轉(zhuǎn)移完畢后，關(guān)閉電荷傳輸晶體管202，即將電荷傳輸晶體管202的柵極端Vtx置為低電平。所述光電電荷轉(zhuǎn)移操作如圖5中的506時間位置的操作，其勢阱示意圖如圖9所示。圖9中，電荷傳輸晶體管202為開啟狀態(tài)，701勢阱區(qū)中的光電電荷因為晶體管電容器件207的柵極端Vct2從高電平置為低電平而被驅(qū)趕到602勢阱區(qū)，進(jìn)而通過電荷傳輸晶體管202的溝道轉(zhuǎn)移到603勢阱區(qū)，轉(zhuǎn)移電荷完畢后，關(guān)閉電荷傳輸晶體管202。
[0070]最后，讀取光電信號操作，光電電荷轉(zhuǎn)移操作完畢后，讀取漂浮有源區(qū)的光電信號。所述讀取光電信號操作如圖5中的507時間位置的操作，SH時序做一高電平脈沖操作，表示讀取像素信號。所述讀取光電信號操作時的勢阱示意圖，如圖10所示。圖10中，多晶硅環(huán)Vctl、晶體管電容器件207的柵極端Vct2處于低電平，電荷傳輸晶體管202和復(fù)位晶體管203處于關(guān)閉狀態(tài)，602勢阱區(qū)無電荷，603勢阱區(qū)存儲所有光電二極管區(qū)積分時產(chǎn)生的光電電荷，此光電電荷降低了 603勢講區(qū)的電勢，電勢降低的量即為光電電壓信號。
[0071]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(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管區(qū)，電荷傳輸晶體管，復(fù)位晶體管，源跟隨晶體管，選擇晶體管，其特征在于，還包括設(shè)于光電二極管區(qū)外圍的多晶硅環(huán)和薄氧化層環(huán)、晶體管電容器件、N型離子區(qū)； 所述多晶硅環(huán)位于光電二極管區(qū)側(cè)壁，所述多晶硅環(huán)與光電二極管區(qū)之間設(shè)置有薄氧化層環(huán)，多晶硅環(huán)用來控制光電二極管區(qū)有無電場； 所述晶體管電容器件位于所述N型離子區(qū)中，用來存儲光電二極管區(qū)收集到的光電電荷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多晶硅環(huán)在所述N型離子區(qū)區(qū)域開口，所述N型離子區(qū)與所述光電二極管區(qū)接觸，所述N型離子區(qū)為所述電荷傳輸晶體管的源極； 所述多晶硅環(huán)的外圍為淺槽隔離區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多晶硅環(huán)在半導(dǎo)體基體中的深度大于等于0.5um、寬度大于等于0.1um ； 所述晶體管電容器件的柵極與所述N型離子區(qū)的邊緣的距離大于等于0.lum，所述晶體管電容器件的柵極面積大于等于0.0lum2 ； 所述多晶硅環(huán)與所述光電二極管區(qū)之間的薄氧化層環(huán)的厚度為3nm?15nm ； 所述N型離子區(qū)與淺槽隔離區(qū)的距離大于等于0.lum，其深度小于等于0.5um。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光電二極管區(qū)硅表面設(shè)置有P+型Pin層，所述晶體管電容器件的源漏有源區(qū)區(qū)域的硅表面設(shè)置有P+型Pin層，所述P+型Pin層的厚度小于等于0.2um。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述N型離子區(qū)、晶體管電容器件、電荷傳輸晶體管上方覆蓋有遮光金屬。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述N型離子區(qū)的N型離子濃度為lE15Atom/cm3?5E17Atom/cm3 ； 所述P+型Pin層的P型離子濃度大于等于5E17Atom/cm3 ； 所述半導(dǎo)體基體為P型半導(dǎo)體基體，其P型離子濃度為lE12Atom/cm3?5E15Atom/cm3。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述N型離子區(qū)的N型離子是磷離子或砷離子，所述P型離子是硼離子。
8.—種權(quán)利要求1至7任一項所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的控制方法，其特征在于，包括步驟: a、N型離子區(qū)復(fù)位操作，晶體管電容器件柵極、多晶硅環(huán)處于低電平，低電平電壓為0V,開啟復(fù)位晶體管、電荷傳輸晶體管,時間持續(xù)Ius?1us,清除N型離子區(qū)電荷后,關(guān)閉復(fù)位晶體管、電荷傳輸晶體管； b、光電二極管區(qū)積分操作，在N型離子區(qū)復(fù)位操作后，復(fù)位晶體管、電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，將晶體管電容器件的柵極和多晶硅環(huán)從低電平置為高電平，高電平電壓為IV?電源電壓，持續(xù)積分周期時間后，將多晶硅環(huán)電勢從高電平置為低電平，光電二極管區(qū)積分完畢； C、等待像素進(jìn)一步操作，等待時間為Os?ls，等待時間為讀取其它像素信號操作時間； d、漂浮有源區(qū)復(fù)位操作，多晶硅環(huán)處于低電平，晶體管電容器件柵極處于高電平，電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟復(fù)位晶體管，持續(xù)時間為Ius?lOus，漂浮有源區(qū)的電荷清除完畢后，關(guān)閉復(fù)位晶體管； e、讀取復(fù)位信號操作，漂浮有源區(qū)復(fù)位操作完畢后，讀取漂浮有源區(qū)的復(fù)位信號； f、光電電荷轉(zhuǎn)移操作，多晶娃環(huán)處于低電平，復(fù)位晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟電荷傳輸晶體管，然后將晶體管電容器件的柵極從高電平置為低電平，光電電荷轉(zhuǎn)移完畢后，關(guān)閉電荷傳輸晶體管； g、讀取光電信號操作，光電電荷轉(zhuǎn)移操作完畢后，讀取漂浮有源區(qū)的光電信號。
【文檔編號】H01L21/77GK104282707SQ201410554896
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月17日
【發(fā)明者】郭同輝, 曠章曲 申請人:北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司