專利名稱：用于抗輻射cmos圖像傳感器的有源像素結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種有源像素。特別是涉及一種用于抗輻射CMOS圖像傳感器的有源像素結構。
背景技術：
無論在航天工程、國防建設都需要具有抗輻射性能的集成電路，CMOS圖像傳感器和CCD圖像傳感器是現(xiàn)階段常用的兩大類圖像傳感器。由于CMOS圖像傳感器，在抗輻照的性能方面優(yōu)于CCD像素；CM0S抗輻照圖像傳感器在航天和國防領域有著廣泛的應用前景。但是在輻照條件下，通用CMOS的圖像傳感器中像素的暗電流會隨著輻照強度成指數(shù)增長。通過抗輻照加固設計可以增加像素的抗輻照特性，但是由于種種原因，該技術一直對外保密。在輻照條件下，普通結構的有源像素(包括3T、4T和其他類型的像素)，會產生暗電流。暗電流的大小與總劑量輻照強度和單粒子的位移損傷有關，暗電流的大小隨著輻照強度成指數(shù)關系增長。在輻照條件下，照射在PN結上電磁波包括有主要有可見光和總劑量輻照。在一般的輻照環(huán)境下，總劑量輻照的能量要大于可見光，總劑量輻照射線的量子效率要大于可見光。因此總劑量輻照引起的暗電流要大于可見光引起的暗電流，同時遠遠大于H)管自身的暗電流。對于通用圖像傳感器，在0.5KGy的總劑量輻照強度下，總劑量輻照引起的暗電流可以完全淹沒由可見光強產生的電流。因此，CMOS圖像傳感器的用于像素需要經過特殊設計才可以用于強輻照環(huán)境下。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種能夠削弱甚至消除輻照所產生的暗電流的影響，使有源像素能夠工作在強輻照環(huán)境下的用于抗輻射CMOS圖像傳感器的有源像素結構。本發(fā)明所采用的技術方案是:一種用于抗輻射CMOS圖像傳感器的有源像素結構，包括有光電二極管PD、復位管Ml 1、晶體管M12和選通管M13，還設置有補償管M14和電流源I，其中，所述的補償管M14的柵極連接補償信號，復位管Mll的柵極連接復位信號，選通管M13的柵極連接選通信號，補償管M14的源極、復位管Mll的漏極和晶體管M12的漏極均連接電源VDD，補償管M14的漏極、復位管Mll的源極、晶體管M12的柵極和光電二極管H)的N極連在一起，晶體管M12的源極連接選通管M13的漏極，選通管M13的源極連接電流源I的輸入端，電流源I的輸出端接地，所述的光電二極管ro的P端接地。所述的晶體管M13的源極為輸出信號端。所述的補償信號是由補償信號產生電路產生，所述的補償信號產生電路包括有N個晶體管Ml 麗、N個光電二極管PDl PDN和一個緩沖器F，其中，每一個晶體管的漏極對應連接一個光電二極管的N極，所述的N個晶體管Ml 麗的源極均連接電源VDD，N個晶體管Ml 麗的柵極和漏極連接在一起，并與所述的N個光電二極管PDl PDN的N極一起連接緩沖器F的輸入端，所述的N個光電二極管PDl PDN的P極均接地，緩沖器F的輸出端連接有源像素結構的補償管M14的柵極，來為其提供電流偏置。所述的N個晶體管Ml 麗是P型MOS晶體管。本發(fā)明的用于抗輻射CMOS圖像傳感器的有源像素結構，可以降低H)自身暗電流對圖像質量的影響。同時，本發(fā)明的像素可以在總劑量輻照強度較大環(huán)境下正常工作，即使有源像素能夠工作在強輻照的環(huán)境下。


圖1是本發(fā)明的抗輻照有源像素的電路原理圖；圖2是本發(fā)明的抗輻照有源像素的信號產生電路原理圖；圖3是抗輻照有源像素的二維截面示意圖；圖4是抗輻照有源像素補償信號產生電路基本單元的二維截面示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發(fā)明的用于抗輻射CMOS圖像傳感器的有源像素結構做出詳細說明。本發(fā)明提出了一種有源像素的暗電流消除的電路結構，該電路結構可以抑制甚至消除暗電流，尤其對較大暗電流的像素，效果更加明顯。對于傳統(tǒng)的三管P型襯底有源像素來說，包括光電二極管、復位管、源跟隨管和選通管。復位管漏極接電源，源極接光電二極管的N端，光電二極管的P端接地。源跟隨管的漏極接電源，柵極接復位管的源極，源極接選通管的漏極。四管有像素是在光電二極管的N端和復位管之間又接了一個晶體管，該晶體被稱為傳輸管。該方法適合三管、四管等結構的像素，襯底摻雜可以使P型也可以是N型。在像素正常工作模式下，流過光電二極管中的電流包括光電二極管自身產生的暗電流，由輻照引起的暗電流和可見光強引起的光生電流。在強輻照環(huán)境下，為了實時地補償像素的暗電流，需要在像素中加入一個PMOS晶體管，該PMOS晶體管的源極接VDD，漏極接光電二極管的N極，PMOS管的柵極加上一個合適的補償信號，該補償信號控制流過PMOS管源漏之間的電流，使該電流的大小等于ro管中所有暗電流的總和，包括ro管自身產生的暗電流和輻照引起的暗電流。如圖1所示，本發(fā)明的用于抗輻射CMOS圖像傳感器的有源像素結構，包括有光電二極管H)、補償管M14、復位管Ml1、晶體管M12、選通管M13和電流源I，其中，所述的補償管M14的柵極連接補償信號，復位管Mll的柵極連接復位信號，選通管M13的柵極連接選通信號，補償管M14的源極、復位管Mll的漏極和晶體管M12的漏極均連接電源VDD，補償管M14的漏極、復位管Mll的源極、晶體管M12的柵極和光電二極管H)的N極連在一起，晶體管M12的源極連接選通管M13的漏極，選通管M13的源極連接電流源I的輸入端，電流源I的輸出端接地，所述的光電二極管H)的P端接地。所述的晶體管M13的源極為輸出信號端。圖1中，流過補償管M14源漏之間的電流成為IDarit，流過光電二極管ro的電流是IDaA+ISignal，光電二極管PD可以接受可見光和總劑量輻照。該結構像素與傳統(tǒng)的3T像素相t匕，多了 P型補償管M14和一個輸入補償信號。在輻照條件下，補償管M14中流過的電流與總劑量輻照引起的暗電流相等，可以實時地對光電二極管ro進行暗電流補償。流過光電二極管ro中的暗電流與流過補償管M14的電流相等。在一定范圍的暗電流，都可以進行實時補償。由于工藝的限制，電流鏡中PMOS晶體管閾值電壓會有一定的失配。閾值電壓的失配會造成像素之間補償電流的差異，如果該差異電流的大小遠大于光電二極管ro自身的暗電流，則該差異電流是影響圖像質量的主要因素，那么這種方法在該條件下會有其局限性。在輻照條件下，APS圖像傳感器的暗電流會很大，要遠大于補償PMOS晶體管失配造成的電流差異，本發(fā)明的用于抗輻射CMOS圖像傳感器的有源像素結構可以有效地消除有源像素的暗電流。本發(fā)明提出的像素結構還需要一個額外的補償信號電壓產生電路來為像素中的補償管M14提供電流偏置。該電路可以集成在CMOS圖像傳感器芯片上?？梢园岩恍┫袼仃嚵械恼戏接娩X板覆蓋，該鋁板可以濾除可見光，但不能阻擋總劑量輻照射線(X實現(xiàn)、β實現(xiàn)和Y射線等)的穿透。為了減少總劑量輻照在鋁板中的能量損失，要把鋁板的厚度做的盡可能薄。如圖2的示，所述的補償信號是由補償信號產生電路產生，所述的補償信號產生電路包括有N個晶體管Ml 麗、N個光電二極管PDl PDN和一個緩沖器F，所述的N個晶體管Ml MN是P型MOS晶體管。其中，每一個晶體管的漏極對應連接一個光電二極管的N極，所述的N個晶體管Ml 麗的源極均連接電源VDD，N個晶體管Ml 麗的柵極和漏極連接在一起，并與所述的N個光電二極管PDl TON的N極一起連接緩沖器F的輸入端，所述的N個光電二極管PDl PDN的P極均接地，緩沖器F的輸出端連接有源像素結構的補償管Μ14的柵極，來為其提供電流偏置。由于在補償信號產生電路中的光電二極管只接受總劑量輻照，光電二極管PDl PDN中流過電流包括ro管自身的暗電流和輻照引起的電流，不包括可見光強引起的暗流。因為所有的光電二極管PDl PDN和所有的PMOS晶體管Ml 麗是串聯(lián)的，而且緩沖器輸入端是高阻，所以流過光電二極管PDl PDN的暗電流與流過PMOS晶體管Ml 麗中的電流相等。流過PMOS晶體管Ml 麗管中的電流可以通過電流鏡鏡像到像素中的。圖1中的補償管M14正是為了鏡像該電流而加入的晶體管。增加光電二極管和PMOS晶體管的數(shù)量可以減小失配。對于P型襯底的有源像素來說，需要在像素中先做一個N阱，再在N阱中做一個PMOS管，為了減小PMOS管閾值電壓的適配，PMOS管的面積不能太小。對于深亞微米的工藝來說，總劑量對PMOS管和NMOS管閾值電壓的影響很小，但會造成NMOS管的漏電流增大很多，所以NMOS晶體管要做成環(huán)形柵結構。對于N型襯底的CMOS工藝來說，只需要在像素中多加入一個P管，其他部分和通用像素結構一樣。 圖3是一個抗輻射CMOS圖像傳感器像素的實例。它是一個P型襯底的CMOS圖像傳感器，P型襯底100主要起到物理支撐作用，P型襯底中的右半部分做了一個N型摻雜區(qū)101和一個NMOS晶體管，N型摻雜區(qū)101是NMOS晶體管的源極，N+摻雜102是NMOS晶體管的漏極。該NMOS晶體管的柵極是復位信號的輸入端，由二氧化層103、摻雜的多晶硅104和接觸層105組成，二氧化層103在P型襯底的上表面，摻雜多晶硅104在二氧化層正上方，接觸層105在摻雜多晶硅的正上方。在N型摻雜區(qū)的最左邊有一個N+摻雜區(qū)107，它的正上方是接觸層106。在P型襯底的左半部分是個N阱區(qū)112和一個P+摻雜區(qū)113。N阱中的最左側做了一個N+摻雜115，N+摻雜的右側是一個P+摻雜114，N+摻雜區(qū)115和P+摻雜區(qū)114通過金屬線與電源相連接。N阱區(qū)的最右部分是一個P+摻雜110。P+摻雜區(qū)114、P+摻雜區(qū)110、二氧化層區(qū)111、多晶硅摻雜區(qū)109和接觸層108構成一個PMOS晶體管，二氧化層區(qū)111在N阱的正上方，二氧化層區(qū)111在二氧化層區(qū)111的正上方，接觸層108在多晶硅摻雜區(qū)109的正上方。P+摻雜區(qū)110和N+摻雜區(qū)107連接，同時與源跟隨管Ma的柵極相連接。接觸層108是補償信號輸入端。P+摻雜區(qū)113與地連接。源跟隨管Ma的漏極與電源連接，源極與選通管Mb的漏極連接，選通管Mb的柵極是選通信號輸入端，選通管的源極是信號輸出端。補償信號產生電路與通用CMOS圖像傳感器的補償信號產生電路有所不同。通用CMOS補償信號的ro管正上填充是為了完全阻擋可見光。但對于該結構的補償信號產生電路來說，不僅要阻擋可見光，同時不能阻擋總劑量輻照，需要在ro管的正上方填充上一層金屬鋁板，以阻擋可見光，但不能阻擋總劑量輻照射線X射線、Y射線和β射線，所以金屬的厚度必須足夠薄。同時鋁板的上方不能有多余的填充物。即使鋁板足夠薄，也對總劑量輻照有一定的阻擋作用?？梢酝ㄟ^調節(jié)PMOS管之間電流鏡的放大倍數(shù)，使流過像素中補償管的電流盡可能等于ro管中的暗電流。在本發(fā)明中提出了一種補償信號產生電路基本單元的設計方法，二維截面示意圖如圖4所示。該單元的物理支撐部分是P型襯底116，P型襯底116的右半部分是N型摻雜區(qū)117，N型摻雜去117的上方是兩個二氧化層圓柱118和120，二氧化層圓柱118和120的正上方是鋁板119。二氧化層圓柱118和120主要起到物理支撐作用，N型摻雜117的最左邊是一個N+摻雜121。P型襯底116的左半部分做了一個N阱123和一個P+摻雜區(qū)126，P+摻雜區(qū)126在最左邊，N阱123在P+摻雜區(qū)126的右側，P+摻雜區(qū)126與地連接。N阱123中最左側做了一個N+摻雜125，中間部分做了一個P+摻雜124，最右側做了一個P+摻雜122。N+摻雜125與電源連接，P+摻雜124和P+摻雜122分別是PMOS晶體管的源極和漏極。N阱的上方有一二氧化層薄層127，它在P+摻雜124和P+摻雜122之間。二氧化層127的正上方是摻雜的多晶硅128。P+摻雜122、多晶硅128、N+摻雜121和緩沖器的輸入端連接在一起，該節(jié)點的電壓是補償電路信號的輸出端。本發(fā)明的用于抗輻射CMOS圖像傳感器的有源像素結構，在輻照強度較大的情況下，電路需要比較大的功耗，所以像素的陣列不能做的太大。550X550的像素陣列比較合適，像素陣列中間部分的512X512個像素是用來成像用的，其余像素是用于補償信號產生電路中。由于在像素中加入了一個多余的PMOS晶體管，而且為了減少失配，PMOS晶體管的面積不能太小，一個像素可以做成36X36um2。
權利要求
1.一種用于抗輻射CMOS圖像傳感器的有源像素結構，包括有光電二極管ro、復位管Mil、晶體管M12和選通管M13，其特征在于，還設置有補償管M14和電流源I，其中，所述的補償管M14的柵極連接補償信號，復位管Ml I的柵極連接復位信號，選通管M13的柵極連接選通信號，補償管M14的源極、復位管Mll的漏極和晶體管M12的漏極均連接電源VDD，補償管M14的漏極、復位管Mll的源極、晶體管M12的柵極和光電二極管H)的N極連在一起，晶體管M12的源極連接選通管M13的漏極，選通管M13的源極連接電流源I的輸入端，電流源I的輸出端接地，所述的光電二極管ro的P端接地。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于抗輻射CMOS圖像傳感器的有源像素結構，其特征在于，所述的晶體管M13的源極為輸出信號端。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于抗輻射CMOS圖像傳感器的有源像素結構，其特征在于，所述的補償信號是由補償信號產生電路產生，所述的補償信號產生電路包括有N個晶體管Ml MN、N個光電二極管PDl TON和一個緩沖器F，其中，每一個晶體管的漏極對應連接一個光電二極管的N極，所述的N個晶體管Ml 麗的源極均連接電源VDD，N個晶體管Ml 麗的柵極和漏極連接在一起，并與所述的N個光電二極管PDl PDN的N極一起連接緩沖器F的輸入端，所述的N個光電二極管PDl PDN的P極均接地，緩沖器F的輸出端連接有源像素結構的補償管M14的柵極，來為其提供電流偏置。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于抗輻射CMOS圖像傳感器的有源像素結構，其特征在于，所述的N個晶體管Ml 麗是P型MOS晶體管。
全文摘要
一種用于抗輻射CMOS圖像傳感器的有源像素結構，有補償管M14的柵極連接補償信號，復位管M11的柵極連接復位信號，選通管M13的柵極連接選通信號，補償管M14的源極、復位管M11的漏極和晶體管M12的漏極均連接電源VDD，補償管M14的漏極、復位管M11的源極、晶體管M12的柵極和光電二極管PD的N極連在一起，晶體管M12的源極連接選通管M13的漏極，選通管M13的源極連接電流源I的輸入端，電流源I的輸出端接地，所述的光電二極管PD的P端接地。本發(fā)明的用于抗輻射CMOS圖像傳感器的有源像素結構，可以降低PD自身暗電流對圖像質量的影響。同時，本發(fā)明的像素可以在總劑量輻照強度較大環(huán)境下正常工作，即使有源像素能夠工作在強輻照的環(huán)境下。
文檔編號H04N5/374GK103152531SQ20131006229
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月27日 優(yōu)先權日2013年2月27日
發(fā)明者高靜, 楊玉紅, 徐江濤, 姚素英, 史再峰 申請人:天津大學