高信號(hào)擺幅的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種高信號(hào)擺幅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、電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，還包括第一N型離子區(qū)和第二N型離子區(qū)；第一N型離子區(qū)的一側(cè)位于復(fù)位晶體管的溝道中，另一側(cè)與漂浮有源區(qū)的N+區(qū)相連；第二N型離子區(qū)的一側(cè)位于復(fù)位晶體管的溝道中并與第一N型離子區(qū)相連，另一側(cè)與復(fù)位晶體管漏極有源區(qū)的N+區(qū)相連。在復(fù)位晶體管漏極N+區(qū)與復(fù)位晶體管溝道之間形成勢(shì)壘，有效提高了像素的信號(hào)擺幅，解決了像素信號(hào)擺幅受到復(fù)位電勢(shì)限制的問(wèn)題，進(jìn)而提升了圖像傳感器輸出的圖像品質(zhì)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】高信號(hào)擺幅的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種圖像傳感器，尤其涉及一種高信號(hào)擺幅的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)手機(jī)、醫(yī)療器械、汽車(chē)和其他應(yīng)用場(chǎng)合。特別是制造CMOS (互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，使人們對(duì)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(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(xiàn)框內(nèi)的切面示意圖和虛線(xiàn)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)域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(xiàn)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102的柵極端，Vrst為103的柵極端，Vsx為105的柵極端，Vdd為電源電壓。光電二極管101接收外界入射的光線(xiàn)，產(chǎn)生光電信號(hào)；開(kāi)啟晶體管102，將光電二極管中的光電信號(hào)轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)FD區(qū)后，由晶體管104所探測(cè)到的FD勢(shì)阱內(nèi)電勢(shì)變化信號(hào)經(jīng)106讀取并保存。
[0004]圖2示出了圖1虛線(xiàn)框內(nèi)器件部分，在進(jìn)行漂浮有源區(qū)復(fù)位操作時(shí)的勢(shì)阱示意圖。圖2所示，201為光電二極管101勢(shì)阱，202為FD區(qū)勢(shì)阱，203為103的漏極端勢(shì)阱，其中Vpinl為201的完全耗盡電勢(shì)，Vrstl為FD的復(fù)位電勢(shì)，Vdd為電源電壓?，F(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器像素復(fù)位操作時(shí)FD的復(fù)位電勢(shì)VrstI，小于等于Vdd，F(xiàn)D區(qū)電壓信號(hào)擺幅Vfdl =Vrstl-Vpinl，即最高信號(hào)擺幅為Vdd-Vpinl ;若Vdd固定不變，可以降低Vpinl來(lái)增大信號(hào)擺幅，但降低Vpinl會(huì)減少光電二極管的電荷飽和容量，因此不可以輕易降低Vpinl參數(shù)。
[0005]由此可見(jiàn)，現(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器像素的信號(hào)擺幅Vfdl受到Vrstl的限制。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型的目的是提供一種圖像傳感器采集圖像的質(zhì)量高的高信號(hào)擺幅的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)。
[0007]本實(shí)用新型的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本實(shí)用新型的高信號(hào)擺幅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、電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，其特征在于，還包括第一N型離子區(qū)和第二N型離子區(qū)；
[0009]所述第一 N型離子區(qū)的一側(cè)位于所述復(fù)位晶體管的溝道中，另一側(cè)與所述漂浮有源區(qū)的N+區(qū)相連；
[0010]所述第二 N型離子區(qū)的一側(cè)位于所述復(fù)位晶體管的溝道中并與所述第一 N型離子區(qū)相連，另一側(cè)與所述復(fù)位晶體管漏極有源區(qū)的N+區(qū)相連。
[0011]由上述本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的高信號(hào)擺幅的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，由于在復(fù)位晶體管溝道中設(shè)置了第一 N型離子區(qū)和第二 N型離子區(qū)，在復(fù)位晶體管漏極N+區(qū)與復(fù)位晶體管溝道之間形成勢(shì)皇，有效提高了像素的信號(hào)擺幅，解決了像素信號(hào)擺幅受到復(fù)位電勢(shì)限制的問(wèn)題，進(jìn)而提升了圖像傳感器輸出的圖像品質(zhì)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]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。
[0013]圖2是現(xiàn)有技術(shù)的圖像傳感器像素在進(jìn)行漂浮有源區(qū)復(fù)位操作時(shí)的勢(shì)阱示意圖。
[0014]圖3是本實(shí)用新型的圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖4是本實(shí)用新型的圖像傳感器像素進(jìn)行漂浮有源區(qū)復(fù)位操作的時(shí)序控制示意圖。
[0016]圖5是本實(shí)用新型的圖像傳感器像素在進(jìn)行漂浮有源區(qū)復(fù)位操作時(shí)，復(fù)位晶體管置為關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的勢(shì)阱示意圖。
[0017]圖6是本實(shí)用新型的圖像傳感器像素在進(jìn)行漂浮有源區(qū)復(fù)位操作時(shí)，復(fù)位晶體管置為開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)的勢(shì)阱示意圖。
[0018]圖7是本實(shí)用新型的圖像傳感器像素在進(jìn)行漂浮有源區(qū)復(fù)位操作時(shí)，復(fù)位晶體管未完全關(guān)閉時(shí)的勢(shì)講不意圖。
[0019]圖8是本實(shí)用新型的圖像傳感器像素在進(jìn)行漂浮有源區(qū)復(fù)位操作時(shí)，復(fù)位晶體管完全關(guān)閉時(shí)的勢(shì)講不意圖。
[0020]圖9是本實(shí)用新型的圖像傳感器像素在進(jìn)行漂浮有源區(qū)復(fù)位操作時(shí)，復(fù)位操作完畢時(shí)的勢(shì)阱示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面將對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0022]本實(shí)用新型的高信號(hào)擺幅的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:
[0023]包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，其特征在于，還包括第一 N型離子區(qū)和第二 N型離子區(qū)；
[0024]所述第一 N型離子區(qū)的一側(cè)位于所述復(fù)位晶體管的溝道中，另一側(cè)與所述漂浮有源區(qū)的N+區(qū)相連；
[0025]所述第二 N型離子區(qū)的一側(cè)位于所述復(fù)位晶體管的溝道中并與所述第一 N型離子區(qū)相連，另一側(cè)與所述復(fù)位晶體管漏極有源區(qū)的N+區(qū)相連。
[0026]所述光電二極管為N型光電二極管，所述電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管為N型晶體管。
[0027]所述第一 N型離子區(qū)在復(fù)位晶體管溝道中的長(zhǎng)度大于等于0.1 μ m，深度小于等于0.2 μπι ；
[0028]所述第二 N型離子區(qū)在復(fù)位晶體管溝道中的長(zhǎng)度大于等于0.1 μ m，在復(fù)位晶體管漏極有源區(qū)的長(zhǎng)度大于等于0.1 μm，所述第二 N型離子區(qū)的深度小于等于0.2 μπι。
[0029]所述第一 N型離子區(qū)N型離子濃度小于第二 N型離子區(qū)N型離子濃度。
[0030]所述第一 N型離子區(qū)的N型離子濃度為lE+15Atom/cm3?5E+16Atom/cm 3;
[0031]所述第二 N型離子區(qū)的N型離子濃度為5E+15Atom/cm3?lE+17Atom/cm 3。
[0032]所述N型離子是磷離子或砷離子。
[0033]所述漂浮有源區(qū)的復(fù)位電勢(shì)大于等于電源電壓。
[0034]本實(shí)用新型的上述的高信號(hào)擺幅的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的漂浮有源區(qū)的復(fù)位操作方法，包括步驟:
[0035]a、開(kāi)啟復(fù)位晶體管，即將復(fù)位晶體管的柵極端從低電平置為高電平，高電平持續(xù)時(shí)間為0.1us?10us，此高電平大于等于電源電壓；
[0036]b、關(guān)閉復(fù)位晶體管，即將復(fù)位晶體管的柵極端從高電平置為低電平，此低電平小于等于0V，此低電平持續(xù)時(shí)間為Ins?Ius ;
[0037]C、重復(fù)步驟a?步驟b，次數(shù)大于等于I次。
[0038]所述復(fù)位晶體管柵極的工作電壓有兩種:
[0039]一種是:低電平，小于等于OV ；
[0040]另一種是:高電平，大于等于電源電壓。
[0041]本實(shí)用新型的高信號(hào)擺幅的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，由于在復(fù)位晶體管溝道中設(shè)置了第一 N型離子區(qū)和第二 N型離子區(qū)，復(fù)位晶體管的漏極端設(shè)置有第二 N型離子區(qū)，并且與其N(xiāo)+區(qū)相連，第一 N型離子區(qū)N型離子濃度小于第二 N型離子區(qū)N型離子濃度。所以在復(fù)位晶體管漏極N+區(qū)與復(fù)位晶體管溝道之間形成勢(shì)皇，配合本實(shí)用新型的像素漂浮有源區(qū)的復(fù)位操作方法，漂浮有源區(qū)的復(fù)位電勢(shì)大于等于電源電壓。因此本實(shí)用新型有效提高了像素的信號(hào)擺幅，解決了像素信號(hào)擺幅受到復(fù)位電勢(shì)限制的問(wèn)題，進(jìn)而提升了圖像傳感器輸出的圖像品質(zhì)。
[0042]具體實(shí)施例:
[0043]實(shí)施例一:
[0044]本實(shí)用新型的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)如圖3所示，包含虛線(xiàn)框內(nèi)的切面部分和虛線(xiàn)框外的電路部分示意圖。圖3中，301為光電二極管，302為電荷傳輸晶體管，303為復(fù)位晶體管，F(xiàn)D為漂浮有源區(qū)，304為源跟隨晶體管，305為選擇晶體管，306為列位線(xiàn)，307為第一N型離子區(qū)，308為第二 N型離子區(qū)；其中，STI為淺槽隔離區(qū)，N+區(qū)為晶體管源漏有源區(qū)，Vdd為電源電壓；Vtx為302的柵極端，Vrst為303的柵極端，Vsx為305的柵極端；301、307,308及N+區(qū)置于半導(dǎo)體基體中。如圖3所示，307位于303溝道中，其一側(cè)與FD區(qū)的N+區(qū)相連，另一側(cè)在303溝道中與308相連，307在303溝道中的長(zhǎng)度大于等于0.1 μ m，其深度小于等于0.2 μ m，其N(xiāo)型離子濃度為lE+15Atom/cm3?5E+16Atom/cm 3；308區(qū)的一部分位于303溝道中，一部分位于303的漏極端有源區(qū)，308區(qū)的一側(cè)在303溝道中與307相連，另一側(cè)在303的漏極有源區(qū)與N+區(qū)相連，308在303溝道中的長(zhǎng)度大于等于0.1 μπι，在303漏極有源區(qū)的長(zhǎng)度大于等于0.1 μπι, 308在半導(dǎo)體基體中的深度小于等于0.2 μπι, 308區(qū)N型離子濃度為5E+15Atom/cm3?lE+17Atom/cm3。所述307區(qū)的N型離子濃度小于308區(qū)的N型離子濃度，由于308區(qū)的一部分位于303漏極有源區(qū)，其N(xiāo)型離子濃度較低，因此303的漏極N+區(qū)與303的溝道之間存在勢(shì)皇，其勢(shì)皇值與308區(qū)N型離子濃度相關(guān)。上述中的N型離子可以是磷離子，也可以是砷離子。所述303的柵極端Vrst有兩種工作電壓:低電平，小于等于0V;高電平，大于等于電源電壓；所述Vrst的兩種工作電壓，可以使用電荷泵電路實(shí)現(xiàn)，此電荷泵電路不屬于本實(shí)用新型闡述范圍。
[0045]實(shí)施例二:
[0046]本實(shí)用新型的圖像傳感器像素工作在漂浮有源區(qū)復(fù)位操作時(shí)的時(shí)序控制示意圖，如圖4所示。圖4僅示出了與本實(shí)用新型相關(guān)的時(shí)序控制圖，其它時(shí)序未示出，其中，Vrst時(shí)序?yàn)?03柵極端的時(shí)序。圖4中，a線(xiàn)表示Vrst的高電平值線(xiàn)，a線(xiàn)的高電平電壓值大于等于電源電壓；0V線(xiàn)，指的是GND電位；b線(xiàn)表示Vrst的低電平值線(xiàn)，b線(xiàn)的低電平電壓值小于等于OV ；Vrst為高電平時(shí)，晶體管303開(kāi)啟，Vrst為低電平時(shí)，晶體管303關(guān)閉。圖4所示，Vrst的高電平脈沖，1、2、...、η個(gè)脈沖，表示晶體管303開(kāi)啟并關(guān)閉了 η次，中η大于等于I ;Vrst每個(gè)脈沖的高電平時(shí)間持續(xù)0.1us?10us，相鄰高電平脈沖之間的時(shí)間持續(xù) Ins ?Ius0
[0047]下面，結(jié)合示意圖5?圖9，詳細(xì)地闡述本實(shí)用新型像素漂浮有源區(qū)的復(fù)位操作操作方法的原理。
[0048]本實(shí)用新型的圖像傳感器像素復(fù)位晶體管303的工作原理，如下所述:
[0049]漂浮有源區(qū)FD在復(fù)位操作之前，F(xiàn)D區(qū)存有大量電荷，此時(shí)的勢(shì)阱關(guān)系，如圖5所示。圖5中，501為光電二極管301的勢(shì)阱，502為FD區(qū)勢(shì)阱，503為303的漏極有源區(qū)N+區(qū)勢(shì)阱，504為307區(qū)勢(shì)阱，505為308區(qū)在303溝道中的勢(shì)阱；其中，Vtx為電平，Vrst為低電平，Vdd為電源電壓，Vpin2為501的完全耗盡電勢(shì)，所述低電平小于等于0V，303處于關(guān)閉狀態(tài)。因?yàn)?，所?07區(qū)的N型離子濃度小于308區(qū)的N型離子濃度，所述505區(qū)勢(shì)阱低于504區(qū)。
[0050]進(jìn)一步，開(kāi)啟晶體管303，即將Vrst由低電平置為高電平，所述高電平大于等于Vdd，此時(shí)的勢(shì)阱示意圖，如圖6所示。圖6中，303處于關(guān)閉時(shí)的H)區(qū)電荷，在303開(kāi)啟后，重新分配到502、504和505勢(shì)阱區(qū)；因?yàn)閂rst由低電平置為高電平，所以504和505的勢(shì)講被推向了高電勢(shì)區(qū)。303處于開(kāi)啟狀態(tài)，504區(qū)的最高電勢(shì)為Vrst2，Vrst2大于等于Vdd，Vrst2與504區(qū)N型離子濃度和Vrst高電平值相關(guān)；505區(qū)的最高電勢(shì)大于Vrst2，其差值與307和308區(qū)的N型離子濃度差值相關(guān)；505區(qū)與503區(qū)之間存在一勢(shì)皇，此勢(shì)皇區(qū)由位于303漏極有源區(qū)的308區(qū)產(chǎn)生。303晶體管開(kāi)啟的時(shí)間持續(xù)0.1us?10us。
[0051]進(jìn)一步，關(guān)閉晶體管303，即將Vrst從高電平置為低電平。
[0052]圖7示出了 303未完全關(guān)閉時(shí)的勢(shì)阱示意圖，從圖7中可知504電勢(shì)高于FD區(qū)502的電勢(shì)，505區(qū)存有電荷，此部分電荷為原502區(qū)的電荷；_卩，圖7中的502和505區(qū)電荷量之和等于圖5中的502區(qū)電荷量。由此可見(jiàn)，圖7中的502電荷量少于圖5中的502電荷量。
[0053]圖8示出了 303完全關(guān)閉時(shí)的勢(shì)阱示意圖，從圖8中可知，位于505勢(shì)阱區(qū)中的電荷被轉(zhuǎn)移到503勢(shì)阱區(qū)中，進(jìn)而被電源Vdd吸收。
[0054]由此可見(jiàn)，晶體管303開(kāi)啟關(guān)閉的過(guò)程，清除了部分502勢(shì)阱區(qū)中的電荷。如此往復(fù)操作303的開(kāi)啟和關(guān)閉操作，直至502勢(shì)阱區(qū)電荷不再減少，502勢(shì)阱區(qū)的電勢(shì)被復(fù)位到Vrst2，如圖9所示。
[0055]由上所述像素的漂浮有源區(qū)復(fù)位操作，F(xiàn)D區(qū)的電壓擺幅為Vrst2 — Vpin2，其中Vrst2可以高于Vdd。因此，本實(shí)用新型的像素及其復(fù)位操作操作方法，突破了像素信號(hào)擺幅Vdd-Vpin的限制，將像素信號(hào)擺幅由Vdd — Vpin提高到了 Vrst2 — Vpin，信號(hào)擺幅提高量與Vrst2與Vdd的差值相關(guān)，例如Vrst2可以高于Vdd 0.5V。因此，本實(shí)用新型有效提高了像素的信號(hào)擺幅，提升了圖像傳感器輸出的圖像品質(zhì)。
[0056]以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳的【具體實(shí)施方式】，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本實(shí)用新型披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種高信號(hào)擺幅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、電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，其特征在于，還包括第一 N型離子區(qū)和第二 N型離子區(qū)； 所述第一 N型離子區(qū)的一側(cè)位于所述復(fù)位晶體管的溝道中，另一側(cè)與所述漂浮有源區(qū)的N+區(qū)相連； 所述第二 N型離子區(qū)的一側(cè)位于所述復(fù)位晶體管的溝道中并與所述第一 N型離子區(qū)相連，另一側(cè)與所述復(fù)位晶體管漏極有源區(qū)的N+區(qū)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高信號(hào)擺幅的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光電二極管為N型光電二極管，所述電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管為N型晶體管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高信號(hào)擺幅的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一N型離子區(qū)在復(fù)位晶體管溝道中的長(zhǎng)度大于等于0.1 y m，深度小于等于0.2 μπι ; 所述第二 N型離子區(qū)在復(fù)位晶體管溝道中的長(zhǎng)度大于等于0.1 μ m，在復(fù)位晶體管漏極有源區(qū)的長(zhǎng)度大于等于0.1 μ m，所述第二 N型離子區(qū)的深度小于等于0.2 μ m。
【文檔編號(hào)】H01L27/146GK204179087SQ201420546020
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月22日
【發(fā)明者】郭同輝, 曠章曲 申請(qǐng)人:北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司