漂浮節點具有可變電容的源像像素及圖像傳感器的製造方法

2023-06-14 09:41:56

漂浮節點具有可變電容的源像像素及圖像傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種漂浮節點具有可變電容的源像像素及圖像傳感器，有源像素包括置於半導體基體中的感光元件、位於感光元件與漂浮節點之間的傳輸電晶體、連接漂浮節點的復位電晶體、連接漂浮節點的源跟隨電晶體及開關電晶體和列位線，漂浮節點的有源區包括N型重摻雜有源區和N型輕摻雜有源區，N型重摻雜有源區和N型輕摻雜有源區均位於P阱內，並且N型輕摻雜有源區的一側面與N型重摻雜有源區相接觸，提高了圖像傳感器的動態範圍，同時也增大了信噪比。
【專利說明】漂浮節點具有可變電容的源像像素及圖像傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種圖像傳感器像素，尤其涉及一種漂浮節點具有可變電容的源像像素及圖像傳感器。
【背景技術】
[0002]圖像傳感器已經被廣泛地應用於數位相機、移動手機、醫療器械、汽車和其他應用場合。特別是製造CMOS (互補型金屬氧化物半導體)圖像傳感器技術的快速發展，使人們對圖像傳感器的輸出圖像品質有了更高的要求。
[0003]在現有技術中，CMOS圖像傳感器像素的漂浮節點處一般都採用固定電容，如圖1所示，是採用CMOS圖像傳感器四電晶體的有源像素，在本領域中也稱為4T有源像素。4T有源像素的元器件包括:光電二極體101、傳輸電晶體102、復位電晶體103、源跟隨電晶體104和開關電晶體105。光電二極體101接收外界入射的光線,產生光電信號，開啟電晶體102,將光電信號傳輸至漂浮節點FD (Floating Diffusing)後關閉電晶體102，此光電信號被源跟隨電晶體104探測到，同時開啟開關電晶體105，通過列位線106將信號讀出。其中，在光電二極體101中產生的光電信號量與入射光照量成正比，則電晶體104在FD處所探測到的信號也與光照量成正比關係。
[0004]該類圖像傳感器的光電響應是線性的，在本領域內被稱為線性傳感器。線性傳感器所探測到的光照量範圍小，特別是高照明環境下無法辨認出實物信息，不能夠採集從暗光線環境變化到強光線環境下的全部信號，在業內稱為動態範圍小，從而降低了傳感器的輸出圖像品質。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是提供一種較高的像素動態範圍和信噪比，並且漂浮節點具有可變電容的源像像素及圖像傳感器。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0007]本發明的有源像素，包括置於半導體基體中的感光元件、位於感光元件與漂浮節點之間的傳輸電晶體、連接漂浮節點的復位電晶體、連接漂浮節點的源跟隨電晶體及開關電晶體和列位線，所述漂浮節點的有源區包括N型重摻雜有源區和N型輕摻雜有源區，所述N型重摻雜有源區和N型輕摻雜有源區均位於P阱內，並且所述N型輕摻雜有源區的一側面與所述N型重摻雜有源區相接觸。
[0008]本發明的圖像傳感器，該圖像傳感器包含上述的有源像素。
[0009]由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明實施例提供的漂浮節點具有可變電容的源像像素及圖像傳感器，由於有源像素漂浮節點的有源區包括N型重摻雜有源區和N型輕摻雜有源區，N型重摻雜有源區和N型輕摻雜有源區均位於P阱內，並且N型輕摻雜有源區的一側面與N型重摻雜有源區相接觸，提高了圖像傳感器的動態範圍，同時也增大了信噪比。【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是現有技術中CMOS圖像傳感器的四電晶體(4T)有源像素的示意圖。
[0011]圖2是本發明實施例的CMOS圖像傳感器的四電晶體(4T)有源像素的示意圖。
[0012]圖3是本發明實施例的有源像素的漂浮節點有源區橫截面示意圖。
[0013]圖4是本發明實施例在低照明環境下傳輸光電電荷前後勢阱示意圖。
[0014]圖5是本發明實施例在高照明環境下傳輸光電電荷前後勢阱示意圖。
[0015]圖6是本發明實施例的有源像素的漂浮節點總電容與電荷量的關係示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面將對本發明實施例作進一步地詳細描述。
[0017]本發明的有源像素，其較佳的【具體實施方式】是:
[0018]包括置於半導體基體中的感光元件、位於感光元件與漂浮節點之間的傳輸電晶體、連接漂浮節點的復位電晶體、連接漂浮節點的源跟隨電晶體及開關電晶體和列位線，所述漂浮節點的有源區包括N型重摻雜有源區和N型輕摻雜有源區，所述N型重摻雜有源區和N型輕摻雜有源區均位於P阱內，並且所述N型輕摻雜有源區的一側面與所述N型重摻雜有源區相接觸。
[0019]所述N型輕摻雜有源區包括設於表面的P型矽，所述P型矽為重摻雜區，所述P型矽下方為N型輕摻雜區，所述N型輕摻雜區的完全耗盡電勢高於所述感光元件的完全耗盡電勢，並且低於所述N型重摻雜有源區的復位電勢。
[0020]所述P型矽的厚度為0.08 - 0.14um。
[0021]所述P型矽的雜質濃度為5E19 - 2E20/cm_3。
[0022]所述N型輕摻雜區的雜質濃度為6E16-lE17/cm_3。
[0023]所述N型重摻雜有源區雜質濃度為lE19-lE20/cm_3。
[0024]本發明的圖像傳感器，其較佳的【具體實施方式】是:
[0025]該圖像傳感器包含上述的有源像素。
[0026]該圖像傳感器為CMOS圖像傳感器。
[0027]本發明的圖像傳感器像素，解決了現有技術不能採集從暗光線環境變化到強光線環境下的全部信號的問題，以便擴大圖像傳感器像素的動態範圍。在本發明的像素中，如果光照強度高於某一閾值，則輕摻雜有源區部分電容才會加入到漂浮節點。與低照明環境比較，在高照明環境下，漂浮節點處的電容增大從而使得漂浮節點的信號飽和容量增加，則提高了圖像傳感器的動態範圍，同時也增大了信噪比。
[0028]具體實施例:
[0029]在CMOS圖像傳感器中，為了獲得高品質的圖像，本發明從改善4T像素的光電響應性質入手，壓縮高照明環境時的光電響應靈敏度曲線，增大像素的漂浮節點FD處的光電電荷飽和容量，推遲像素的飽和時間，擴大傳感器的動態範圍。例如，在低照明環境時，FD的電容為1.2fF，FD的電壓擺幅為IV，那麼電荷飽和容量為7491，恰好飽和時對應的光照量為Q1 ;若在高照明環境時，FD的電容增大為2fF，則電荷飽和容量增大為12484，恰好飽和時對應的光照量為Q2 ;從而傳感器像素所能探測到照明範圍增大到原來的1.67 (Q2ZiQ1 =12484/7491 = 1.67)倍，即動態範圍擴大到原來的1.67倍。以此方式工作的圖像傳感器像素探測到了高照明環境下的更多實物細節信息，從而提升了傳感器輸出的圖像品質。
[0030]為了實現上述擴大傳感器動態範圍的技術目的，本發明在四電晶體像素的基礎上對FD有源區引入了特殊的工藝，如圖2所示:
[0031]101為光電二極體，TX連接傳輸電晶體102的柵極，RX連接復位電晶體103的柵極，電晶體103的漏極使用接觸孔203與電源Vdd相連，SX與開關電晶體105的柵極相連，列位線106為信號通道讀出線。本發明的像素FD有源區由兩部分組成:N型重摻雜有源區FDl和N型輕摻雜有源區FD2 ;其中，接觸孔201位於有源區FDl內，此接觸孔通過金屬線202與源跟隨電晶體104的柵極相連。
[0032]圖3示出了本發明的有源區FD在圖2中標有CC』橫截面的結構示意圖。有源區FD的兩部分FDl和FD2都製作在P阱304內，301為N型重摻雜有源區，此區工藝與傳統電晶體源漏工藝相同。在有源區FD2內，半導體矽表面的302為P型重摻雜區(雜質濃度為5E19 — 2E20/cnT3)，厚度為 0.08 — 0.14um,此區在靠近 STI (Shallow Trench Isolation) 一側(右側)與P阱相接觸；在302區下面的303為N型輕摻雜區，其中此區的一側(左側)與上述N型重摻雜有源區301相接觸。輕摻雜區303的N型離子濃度比光電二極體中N型離子濃度稍高(最高雜質濃度可達6E16 - lE17/cm_3)，電晶體103開啟進行復位操作時，輕摻雜區303可被完全耗盡。
[0033]圖4示出了在低照明環境下傳輸光電電荷前後的勢阱關係圖。低照明環境下，像素曝光結束時光電二極體101收集到少量電荷，並且完成了 FD復位操作，如圖4左圖所示；其中Vpinl為光電二極體完全耗盡電勢，Vpin2為輕摻雜區303完全耗盡電勢，Vfd為復位後的一參考電勢，Vdd為電源，上述電勢的高低符合Vdd>VFD>Vpin2>Vpinl的關係，Cfdi為重摻雜區寄生總電容，Cfd2為輕摻雜區303寄生總電容；FD復位操作完成後，將光電二極體101中的電荷傳輸至漂浮節點H)，如圖4右圖所示。在低照明環境下，光電二極體101所收集的少量電荷全部傳輸到漂浮節點的FDl部分，FD2部分電容電勢低沒有佔有到電荷，像素的光到電的轉換增益為CGl = q/CFD1(q為一個電子的電量)，光電響應線性斜率正比於CG1。
[0034]高照明環境下，像素曝光結束時光電二極體101收集到大量電荷，並且FD完成了復位操作，如圖5左圖所示；FD復位操作完成後，傳輸電晶體102將101勢阱中的電荷全部傳輸至漂浮節點FD，電荷同時被FDl和FD2勢阱所容納；此時FD總電容量為Cfdi與Cfd2的和，因此像素的光到電的轉換增益為CG2 = q/ (CFD1+CFD2)，光電響應線性斜率正比於CG2。從圖5中可知，FDl部分電容加入到FD總電容中需要的最少電荷量為
[0035]Qc — Cfdi (VFD_Vpin2)
[0036]由於FD2部分電容的加入，FD所容納的電荷最大量可增加
[0037]Qa — Cfd2 (Vpin2_Vpinl)
[0038]圖6為漂浮節點FD總電容與其電荷量的關係示意圖。在低照明區，FD總電容為Cmin = Cfdi ;在高照明區，FD總電容為Cmax = CFD1+CFD2 ；Qc為Cfd2加入到FD總電容的臨界電荷量，Qf為FD可以容納的最大電荷量。
[0039]因此，如上面所述，低照明環境和高照明環境下的像素光電響應度分別正比於CGl和CG2，在高照明環境下由於Cfd2加入到了漂浮節點，增加了 FD的電荷飽和容量，推遲了像素的飽和時間，因此擴大了像素的動態範圍。[0040]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明披露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
【權利要求】
1.一種有源像素，包括置於半導體基體中的感光元件、位於感光元件與漂浮節點之間的傳輸電晶體、連接漂浮節點的復位電晶體、連接漂浮節點的源跟隨電晶體及開關電晶體和列位線，其特徵在於，所述漂浮節點的有源區包括N型重摻雜有源區和N型輕摻雜有源區，所述N型重摻雜有源區和N型輕摻雜有源區均位於P阱內，並且所述N型輕摻雜有源區的一側面與所述N型重摻雜有源區相接觸。
2.根據權利要求1所述的有源像素，其特徵在於，所述N型輕摻雜有源區包括設於表面的P型矽，所述P型矽為重摻雜區，所述P型矽下方為N型輕摻雜區，所述N型輕摻雜區的完全耗盡電勢高於所述感光元件的完全耗盡電勢，並且低於所述N型重摻雜有源區的復位電勢。
3.根據權利要求2所述的有源像素，其特徵在於，所述P型矽的厚度為0.08-0.14um。
4.根據權利要求3所述的有源像素，其特徵在於，所述P型矽的雜質濃度為5E19-2E20/cm 3O
5.根據權利要求4所述的有源像素，其特徵在於，所述N型輕摻雜區的雜質濃度為6E16-lE17/cnT3。
6.根據權利要求1所述的有源像素，其特徵在於，所述N型重摻雜有源區雜質濃度為lE19-lE20/cnT3 。
7.一種圖像傳感器，其特徵在於，該圖像傳感器包含權利要求1至6任一項所述的有源像素。
8.根據權利要求7所述的圖像傳感器，其特徵在於，該圖像傳感器為CMOS圖像傳感器。
【文檔編號】H01L27/146GK104022133SQ201410256452
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月10日 優先權日:2014年6月10日
【發明者】郭同輝, 曠章曲, 唐冕 申請人:北京思比科微電子技術股份有限公司