全局曝光方式的圖像傳感器像素結構的製作方法
2023-06-26 13:20:26 1
全局曝光方式的圖像傳感器像素結構的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種全局曝光方式的圖像傳感器像素結構，包括置於半導體基體中的光電二極體、第一電荷傳輸電晶體、復位電晶體、源跟隨電晶體、選擇電晶體、漂浮有源區還包括第二電荷傳輸電晶體，第一電荷傳輸電晶體與第二電荷傳輸電晶體之間設有電晶體電容；電晶體電容的溝道位於N型離子區中，電晶體電容的源漏有源區的矽表面設置有P+型保護層，所述P+型保護層的下方為N型離子區。適合用於存儲光電電荷較長時間、採用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構
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種圖像傳感器像素，尤其涉及一種全局曝光方式的圖像傳感器像素結構。
【背景技術】
[0002]圖像傳感器採用感光像素陣列採集圖像信號，然後進行後續信號處理得以保存圖像或將圖像輸出到電子屏幕上。圖像傳感器採集圖像信號的方式有兩種:滾動曝光方式和全局曝光方式。現有技術中的圖像傳感器一般採用滾動曝光方式採集圖像信息，像素陣列中的第一行像素開始曝光，然後是第二行、第三行、...，直至最後一行，然後再逐行讀取像素採集到的光電信號；滾動曝光方式的圖像傳感器，適用於採集靜態環境下的圖像。滾動曝光方式的圖像傳感器採集動態的實物時，由於每行像素的曝光時間段都不相同，第一行像素採集圖像信號時的實物位置與最後一行像素採集圖像信號時的實物位置可能會相差很大，例如拍照快速運動的風扇、汽車等，會發現採集的圖像發生了扭曲、畸變。全局曝光方式的圖像傳感器採集圖像時，像素陣列中的每個像素都同時曝光，曝光完畢後，再逐個讀取像素採集到的圖像信號，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採集圖像信號時，運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，適合採集運動實物的圖像。
[0003]在現有技術中，CMOS圖像傳感器一般採用四電晶體像素(4T)結構。如圖1所示，是採用CMOS圖像傳感器4T有源像素結構的示意圖，包括虛線框內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:光電二極體101、電荷傳輸電晶體102、復位電晶體103、漂浮有源區FD、源跟隨電晶體104、選擇電晶體105、列位線106 ;其中光電二極體區域101置於半導體基體中，STI為淺槽隔離區，N+區為電晶體源漏有源區;Vtx為電荷傳輸電晶體102的柵極端，Vrst為復位電晶體103的柵極端，Vsx為選擇電晶體105的柵極端，Vdd為電源電壓。光電二極體101接收外界入射的光線,產生光電信號；開啟電荷傳輸電晶體102，將光電二極體中的光電信號轉移至漂浮有源區FD區後，由源跟隨電晶體104所探測到的漂浮有源區FD勢阱內電勢變化信號經列位線106讀取並保存。
[0004]若全局曝光方式的圖像傳感器使用4T像素結構，可以將像素陣列中的每個像素光電二極體採集到的光電電荷至漂浮有源區FD，然後再逐個讀取。但現有技術中的漂浮有源區FD設置有接觸孔，並且N+區矽表面因缺陷和應力引起較大的漏電，致使漂浮有源區FD不適合存儲光電電荷太長時間，否則會使後讀取的像素信號失真。因此，現有技術中的像素不適合用於全局曝光方式的圖像傳感器。
實用新型內容
[0005]本實用新型的目的是提供一種適合用於存儲光電電荷較長時間的全局曝光方式的圖像傳感器像素結構。
[0006]本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的:
[0007]本實用新型的全局曝光方式的圖像傳感器像素結構，包括置於半導體基體中的光電二極體、第一電荷傳輸電晶體、復位電晶體、源跟隨電晶體、選擇電晶體、漂浮有源區還包括第二電荷傳輸電晶體，所述第一電荷傳輸電晶體與第二電荷傳輸電晶體之間設有電晶體電容；
[0008]所述電晶體電容的溝道位於N型離子區中，所述電晶體電容的源漏有源區的矽表面設置有P+型保護層，所述P+型保護層的下方為N型離子區。
[0009]由上述本實用新型提供的技術方案可以看出，本實用新型實施例提供的全局曝光方式的圖像傳感器像素結構，由於像素結構中設置有電晶體電容器件，其源漏有源區設置有P+型保護層，並且不設置接觸孔，因此漏電小，適合用於存儲光電電荷較長時間、採用全局曝光方式的圖像傳感器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是現有技術的圖像傳感器的像素結構示意圖。
[0011]圖2是本實用新型實施例提供的全局曝光方式的圖像傳感器像素結構示意圖。
[0012]圖3a是本實用新型實施例中圖像傳感器像素中的第一電荷傳輸電晶體、第二電荷傳輸電晶體、電晶體電容的平面示意圖。
[0013]圖3b是本實用新型實施例中圖像傳感器像素中的N型離子區的平面示意圖。
[0014]圖3c是本實用新型實施例中圖像傳感器像素中的P+型保護層的平面示意圖。
[0015]圖4是本實用新型實施例中圖像傳感器像素工作的時序控制示意圖。
[0016]圖5是本實用新型實施例中圖像傳感器像素中的光電二極體在進行復位操作時的勢阱示意圖。
[0017]圖6是本實用新型實施例中圖像傳感器像素工作時，光電電荷從光電二極體轉移至電晶體電容區操作的勢阱示意圖。
[0018]圖7是本實用新型實施例中圖像傳感器像素工作時，光電電荷被保存在電晶體電容中的勢阱示意圖。
[0019]圖8是本實用新型實施例中圖像傳感器像素工作時，光電電荷從電晶體電容區轉移至漂浮有源區操作的勢阱示意圖。
[0020]圖9是本實用新型實施例中圖像傳感器像素工作時，光電電荷被轉移至漂浮有源區完畢時的勢阱示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面將對本實用新型實施例作進一步地詳細描述。
[0022]本實用新型的全局曝光方式的圖像傳感器像素結構，其較佳的【具體實施方式】是:
[0023]包括置於半導體基體中的光電二極體、第一電荷傳輸電晶體、復位電晶體、源跟隨電晶體、選擇電晶體、漂浮有源區，還包括第二電荷傳輸電晶體，所述第一電荷傳輸電晶體與第二電荷傳輸電晶體之間設有電晶體電容；
[0024]所述電晶體電容的溝道位於N型離子區中，所述電晶體電容的源漏有源區的矽表面設置有P+型保護層，所述P+型保護層的下方為N型離子區。
[0025]所述第一電荷傳輸電晶體與所述光電二極體相連，所述第二電荷傳輸電晶體與所述漂浮有源區相連，所述電晶體電容的上方設有遮光金屬。
[0026]所述光電二極體為N型光電二極體，所述第一電荷傳輸電晶體、復位電晶體、源跟隨電晶體、選擇電晶體、第二電荷傳輸電晶體為N型電晶體。
[0027]所述電晶體電容的柵極多晶矽位於有源區的內部，且與淺槽隔離區隔開，所述柵極多晶矽與所述淺槽隔離區的距離大於等於0.lum，所述柵極多晶矽的面積大於等於0.0 lum2。
[0028]所述N型離子區為第一電荷傳輸電晶體的漏極、第二電荷傳輸電晶體的源極，所述N型離子區與所述淺槽隔離區隔開，兩者距離為0.05um?0.2um，所述N型離子區的深度小於等於0.5um ；
[0029]所述P+型保護層覆蓋所述電晶體電容的溝道之外的N型離子區，並且與所述淺槽隔離區接觸，其厚度為Oum?0.3um。
[0030]所述N型離子區的N型離子濃度為5E15Atom/cm3?5E17Atom/cm3 ；
[0031]所述P+型保護層的P型離子濃度大於等於5E17Atom/Cm3。
[0032]所述N型離子區能被完全耗盡，其完全耗盡電勢大於等於所述光電二極體的完全耗盡電勢。
[0033]所述N型離子為磷離子或砷離子，所述P型離子為硼離子。
[0034]本實用新型的全局曝光方式的圖像傳感器像素結構的工作方法，包括步驟:
[0035]a、光電二極體復位操作，開啟復位電晶體、第一電荷傳輸電晶體、第二電荷傳輸電晶體，同時電晶體電容的柵極處於低電平，時間持續Ius?1us後，關閉復位電晶體、第一電荷傳輸電晶體、第二電荷傳輸電晶體，像素開始曝光；
[0036]b、電晶體電容復位操作，像素曝光結束前，開啟復位電晶體、第二電荷傳輸電晶體，同時第一電荷傳輸電晶體處於關閉狀態，電晶體電容的柵極處於低電平，時間持續Ius?1us後，關閉復位電晶體、第二電荷傳輸電晶體；
[0037]C、轉移光電電荷操作，復位電晶體和第二電荷傳輸電晶體處於關閉狀態，將電晶體電容的柵極從低電平置為高電平，開啟第一電荷傳輸電晶體，時間持續Ius?10us，將光電二極體中的光電電荷轉移至電晶體電容後，關閉第一電荷傳輸電晶體，電晶體電容的柵極保持高電平，等待進一步操作，等待時間為Os?Is ;
[0038]d、漂浮有源區的復位操作，第一電荷傳輸電晶體、第二電荷傳輸電晶體處於關閉狀態，電晶體電容的柵極處於高電平，開啟復位電晶體，時間持續Ius?10us，關閉復位電晶體，然後讀取漂浮有源區的復位信號；
[0039]e、光電電荷轉移操作，復位電晶體、第一電荷傳輸電晶體處於關閉狀態,開啟第二電荷傳輸電晶體後，將電晶體電容的柵極端從高電平置為低電平，時間持續Ius?10us，將電晶體電容中的光電電荷轉移至漂浮有源區，關閉第二電荷傳輸電晶體，然後讀取漂浮有源區的光電信號。
[0040]所述低電平的電壓小於等於0V，所述高電平的電壓大於等於電源電壓。
[0041]本實用新型的全局曝光方式的圖像傳感器像素結構，由於像素結構中設置有電晶體電容器件，其源漏有源區設置有P+型保護層，並且不設置接觸孔，因此漏電小，適合用於存儲光電電荷較長時間。本實用新型的圖像傳感器像素配合本實用新型的像素工作方法，適合用於採用全局曝光方式的圖像傳感器。
[0042]具體實施例:
[0043]在CMOS圖像傳感器中，為了獲得高品質的圖像，本實用新型從優化像素及其工藝結構入手，在現有技術中的圖像傳感器像素結構中，添加電晶體電容器件，此電晶體器件採用特殊的工藝結構，其源漏區域矽表面設置有P+型保護層，其源漏和溝道設置在N型離子區中；並且電晶體電容源漏區不設置接觸孔，因此漏電小，適合用於存儲光電電荷較長時間。
[0044]實施例一:
[0045]本實用新型的圖像傳感器像素結構如圖2所示，包含虛線框內的切面部分和虛線框外的電路部分不意圖。圖2中，201為光電二極體,202為第一電荷傳輸電晶體,203為復位電晶體，FD為漂浮有源區，204為源跟隨電晶體，205為選擇電晶體，206為列位線，207為電晶體電容，208為N型離子區，209為P+型保護層，210為第二電荷傳輸電晶體，211為遮光金屬。其中，光電二極體201、N型離子區208、P+型保護層209置於半導體基體中，STI為淺槽隔離區，Vtxl為第一電荷傳輸電晶體202的柵極端，Vct為電晶體電容207的柵極端，Vtx2為第二電荷傳輸電晶體210的柵極端，Vrst為復位電晶體203的柵極端，Vsx為選擇電晶體205的柵極端；光電二極體201為N型光電二極體,第一電荷傳輸電晶體202、復位電晶體203、源跟隨電晶體204、選擇電晶體205、第二電荷傳輸電晶體210為N型電晶體，遮光金屬211位於電晶體電容207、N型離子區208、P+型保護層209的上方用來遮光。第一電荷傳輸電晶體202的源極為光電二極體201,其漏極為P+型保護層209 ;第二電荷傳輸電晶體210的源極為P+型保護層209，其漏極為漂浮有源區FD ;電晶體電容207位於第一電荷傳輸電晶體202和第二電荷傳輸電晶體210之間；P+型保護層209為電晶體電容207源漏有源區的矽表面保護層。所述N型離子區208可以被完全耗盡，其完全耗盡電勢大於等於光電二極體201的完全耗盡電勢。
[0046]所述第一電荷傳輸電晶體202、電晶體電容207、第二電荷傳輸電晶體210的平面不意圖，如圖3a所不。圖3a中，301為第一電荷傳輸電晶體202、電晶體電容207、第二電荷傳輸電晶體210的源漏有源區，電晶體電容207的柵極多晶娃位於第一電荷傳輸電晶體202和第二電荷傳輸電晶體210之間，並且位於有源區內部，不與淺槽隔離區相接觸。所述電晶體電容207棚極多晶娃的面積大於等於0.0lum2,電晶體電容207的棚極多晶娃與淺槽隔離區的距離大於等於0.lum。
[0047]所述N型離子區208的平面示意圖，如圖3b所示。圖3b中，N型離子區208的兩側分別接觸第一電荷傳輸電晶體202和第二電荷傳輸電晶體210的溝道，N型離子區208位於有源區301內部，不與淺槽隔離區接觸，N型離子區208與淺槽隔離區的距離為0.05um?0.2um。所述N型離子區208區的深度小於等於0.5um,其N型離子濃度為5E15Atom/cm3?5E17Atom/ cm3。
[0048]所述P+型保護層209區的平面示意圖，如圖3c所示。圖3c中，P+型保護層209區兩側分別接觸第一電荷傳輸電晶體202和第二電荷傳輸電晶體210的溝道,電晶體電容207溝道處不設置P+型保護層209，P+型保護層209覆蓋電晶體電容207溝道之外的第一電荷傳輸電晶體202柵極與第二電荷傳輸電晶體210柵極之間的有源區，P+型保護層209與淺槽隔離區接觸。所述P+型保護層209區厚度小於等於0.3um，其P型離子濃度為大於等於 5E17Atom/cm3。
[0049]所述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。
[0050]實施例二
[0051]本實用新型的圖像傳感器像素工作的時序控制示意圖，如圖4所示。圖4僅示出了與本實用新型相關的時序控制圖，其它時序未示出，其中，Vrst時序為復位電晶體203柵極端的時序，Vct時序為電晶體電容207柵極端的時序，Vtxl時序為第一電荷傳輸電晶體202柵極端的時序，Vtx2時序為第二電荷傳輸電晶體210柵極端的時序，SH時序高電平脈衝表徵像素信號讀取操作。圖4所示，時間軸上401?407表示在像素時序操作中的各種操作點，401時間位置表徵光電二極體201復位操作,402時間位置表徵電晶體電容207復位操作，403時間位置表徵從光電二極體201轉移光電電荷至207的操作,404時間位置表徵FD區復位操作，405時間位置表徵讀取復位信號操作，406時間位置表徵從電晶體電容207轉移光電電荷至漂浮有源區FD區操作，407時間位置表徵讀取光電信號操作。復位電晶體203柵極端Vrst、第一電荷傳輸電晶體202柵極端Vtxl、二電荷傳輸電晶體210柵極端Vtx2時序中的高電平分別表不復位電晶體203、第一電荷傳輸電晶體202、第二電荷傳輸電晶體210處於開啟狀態,低電平分別表不復位電晶體203、第一電荷傳輸電晶體202、第二電荷傳輸電晶體210處於關閉狀態。
[0052]圖5?圖9示出了，在進行上述401、403、404、406、407操作時，像素的勢阱示意圖。其中，501為光電二極體201的勢阱，502為電晶體電容207源漏有源區的勢阱，503為漂浮有源區FD區勢阱，504為電源有源區勢阱，601為電晶體電容207的溝道勢阱；Vpinl為501勢阱區完全耗盡電勢，Vpin2為502勢阱區完全耗盡電勢，Vreset為漂浮有源區FD區復位電勢，Vdd為電源電壓。其中Vpin2大於等於Vpinl，所示虛線表示電晶體處於關閉時的溝道電勢。
[0053]下面，結合示意圖4?圖9，詳細地闡述本實用新型圖像傳感器像素的工作方法步驟及其工作原理。
[0054]首先，光電二極體201復位操作，開啟復位電晶體203、第一電荷傳輸電晶體202、第二電荷傳輸電晶體210,同時電晶體電容207的柵極處於低電平，時間持續Ius?1us後，關閉復位電晶體203、第一電荷傳輸電晶體202、第二電荷傳輸電晶體210,像素開始曝光。所述光電二極體201的復位操作，如圖4中的401位置所示，將復位電晶體203、第二電荷傳輸電晶體210、第一電荷傳輸電晶體202的柵極端Vrst、Vtxl、Vtx2分別置為高電平的操作。所述進行光電二極體201復位操作時的勢阱示意圖，如圖5所示。501勢阱中的電荷經過第一電荷傳輸電晶體202的溝道轉移到502勢阱區，然後經過第二電荷傳輸電晶體210的溝道轉移到漂浮有源區FD區的503勢阱區，最後經過復位電晶體203溝道到達504勢阱區，進而被電源Vdd吸收。所述低電平的電壓小於等於0V，所述高電平的電壓大於等於電源電壓。
[0055]進一步，電晶體電容207復位操作,像素曝光結束前,開啟復位電晶體203、第二電荷傳輸電晶體210,同時第一電荷傳輸電晶體202處於關閉狀態,電晶體電容207的柵極處於低電平，時間持續Ius?1us後,關閉復位電晶體203、第二電荷傳輸電晶體210。所述電晶體電容207復位操作如圖4中的402位置所示，復位電晶體203、第二電荷傳輸電晶體210的柵極Vrst、Vtx2分別置為高電平操作。
[0056]進一步，轉移光電電荷操作，復位電晶體203和第二電荷傳輸電晶體210處於關閉狀態，將電晶體電容207的柵極Vct從低電平置為高電平，開啟第一電荷傳輸電晶體202，時間持續Ius?1us,將光電二極體201中的光電電荷轉移至電晶體電容207後,關閉第一電荷傳輸電晶體202，電晶體電容207的柵極Vct保持高電平，等待進一步操作，等待時間為Os?Is。所述轉移光電電荷操作,如圖4中的操作403位置所示,將電晶體電容207和第一電荷傳輸電晶體202柵極Vet、Vtxl分別置為高電平操作；圖4所示的讀取其它像素信號的時間為等待進一步操作時間。所述轉移光電電荷操作的勢阱示意圖，如圖6所示。圖6中，第一電荷傳輸電晶體202處於開啟狀態,501勢講中的光電電荷被轉移到電晶體電容207的溝道勢阱601中。將光電電荷從501勢阱區轉移至601勢阱區完畢後的勢阱示意圖，如圖7所示，所有光電電荷都儲存在601勢阱區。
[0057]進一步，漂浮有源區FD的復位操作，第一電荷傳輸電晶體202、第二電荷傳輸電晶體210處於關閉狀態，電晶體電容207的柵極Vct處於高電平，開啟復位電晶體203，時間持續Ius?10us，關閉復位電晶體203，然後讀取漂浮有源區FD的復位信號。所述漂浮有源區FD的復位操作，如圖4中的404位置所示，電晶體電容207柵極端Vct處於高電平，復位電晶體203柵極端Vrst置為高電平操作。如圖4中的405操作所示，SH做高電平操作，表示讀取像素信號。
[0058]進一步，光電電荷轉移操作，復位電晶體203、第一電荷傳輸電晶體202處於關閉狀態，開啟第二電荷傳輸電晶體210後,將電晶體電容207的柵極端Vct從高電平置為低電平，時間持續Ius?10us，將電晶體電容207中的光電電荷轉移至漂浮有源區FD完畢後，關閉第二電荷傳輸電晶體210，然後讀取漂浮有源區的光電信號。所示光電電荷轉移操作如圖4中的406位置所示，第二電荷傳輸電晶體210柵極端Vtx2做一高電平脈衝操作；讀取漂浮有源區的光電信號的操作如圖4中的407位置所示，SH時序做一高電平脈衝操作表示讀取像素信號。所述光電電荷轉移操作406的勢阱示意圖，如圖8所示，第二電荷傳輸電晶體210處於開啟狀態，601勢阱區的光電電荷在電晶體電容207柵極電勢從高電平轉為低電平後被轉入502勢阱區，然後經過第二電荷傳輸電晶體210的溝道，被轉移到503勢阱區。所述，光電電荷從502勢阱區轉至503勢阱區完畢後的勢阱示意圖，如圖9所示。
[0059]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本實用新型披露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。因此，本實用新型的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
【權利要求】
1.一種全局曝光方式的圖像傳感器像素結構，包括置於半導體基體中的光電二極體、第一電荷傳輸電晶體、復位電晶體、源跟隨電晶體、選擇電晶體、漂浮有源區，其特徵在於，還包括第二電荷傳輸電晶體，所述第一電荷傳輸電晶體與第二電荷傳輸電晶體之間設有電晶體電容； 所述電晶體電容的溝道位於N型離子區中，所述電晶體電容的源漏有源區的矽表面設置有P+型保護層，所述P+型保護層的下方為N型離子區。
2.根據權利要求1所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結構，其特徵在於，所述第一電荷傳輸電晶體與所述光電二極體相連，所述第二電荷傳輸電晶體與所述漂浮有源區相連，所述電晶體電容的上方設有遮光金屬。
3.根據權利要求2所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結構，其特徵在於，所述光電二極體為N型光電二極體，所述第一電荷傳輸電晶體、復位電晶體、源跟隨電晶體、選擇電晶體、第二電荷傳輸電晶體為N型電晶體。
4.根據權利要求3所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結構，其特徵在於，所述電晶體電容的柵極多晶矽位於有源區的內部，且與淺槽隔離區隔開，所述柵極多晶矽與所述淺槽隔離區的距離大於等於0.lum，所述柵極多晶矽的面積大於等於0.0lum2。
5.根據權利要求4所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結構，其特徵在於，所述N型離子區為第一電荷傳輸電晶體的漏極、第二電荷傳輸電晶體的源極，所述N型離子區與所述淺槽隔離區隔開，兩者距離為0.05um?0.2um，所述N型離子區的深度小於等於0.5um ； 所述P+型保護層覆蓋所述電晶體電容的溝道之外的N型離子區，並且與所述淺槽隔離區接觸，其厚度為Oum?0.3um。
【文檔編號】H01L27/146GK204088323SQ201420603847
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月17日 優先權日:2014年10月17日
【發明者】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