金屬氧化物半導體圖像傳感器的製作方法
2023-05-27 03:37:11
專利名稱：金屬氧化物半導體圖像傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及圖像傳感器領域，特別涉及雙模金屬氧化物半導體圖像傳感器技術。
背景技術：
眾所周知，圖像傳感器是一種能將光學圖像轉換成電信號的半導體器件。圖像傳感器大體上可以分為電荷耦合元件(Charge-Coupled Device，簡稱「CCD」)和互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide kmiconductor，簡稱 「CMOS」)圖像傳感器。現有的CMOS圖像傳感器根據其讀出方式大致可以分為無源式像素傳感器 (Passive Pixel Sensor，簡稱 「PPS」)、有源式像素傳感器(Active Pixel Sensor，簡稱 「APS」)和數字像素傳感器(Digital Pixel Sensor，簡稱「DPS」)三種類型。PPS又稱為被動式像素傳感器，它由一個反向偏置的光敏二極體和一個開關管構成。光敏二極體本質上是一個由P型半導體和N型半導體組成的PN結，它可等效為一個反向偏置的二極體和一個MOS電容並聯。當開關管開啟時，光敏二極體與垂直的列線(Column bus)連通。位於列線末端的電荷積分放大器讀出電路(Charge integrating amplifier) 保持列線電壓為一常數，當光敏二極體存貯的信號電荷被讀出時，其電壓被復位到列線電壓水平，與此同時，與光信號成正比的電荷由電荷積分放大器轉換為電荷輸出。PPS為最早出現的結構，如圖1所示，它包括一個感光二極體(Photodiode)和一個行選(Row-select)電晶體，讀出時，打開行選電晶體，電荷通過該列的積分器進行積分，最後將電壓讀出。APS又稱為主動式像素傳感器，APS結構通常包括一個復位(Reset)電晶體、 一個源跟隨器(Source follower)、一個行選(Row-select)電晶體和一個感光二極體 (Photodiode) (4T結構為Pinned Diode和一個傳輸管)。幾乎在CMOS PPS像素傳感器發明的同時，人們很快認識到在像素內引入緩衝器或放大器可以改善像素的性能，在CMOS APS 中每一像素內都有自己的放大器。集成在表面的放大電晶體減少了像素元件的有效表面積，降低了「封裝密度」，使40% 50%的入射光被反射。這種傳感器的另一個問題是，如何使傳感器的多通道放大器之間有較好的匹配，這可以通過降低殘餘水平的固定圖形噪聲較好地實現。由於CMOS APS像素內的每個放大器僅在讀出期間被激發，所以CMOS APS的功耗比CXD圖像傳感器的還小。感光二極體積累的電荷通常很小，很容易受到雜波幹擾。對於PPS來說，像素內部沒有信號放大器，只依賴垂直總線終端放大器，因而讀出的信號雜波很大，其S/N比低，更因不同位置的像素雜波大小不一樣(固定圖形噪波FPN)而影響整個圖像的質量。而APS與 PPS相比，它在每個像素處增加了一個放大器，可以將感光二極體積累的電荷轉換成電壓進行放大，大大提高了 S/N比，從而提高了傳輸過程中抗幹擾的能力。但由於放大器佔據了過多的像素麵積，因而它的填充因子(Fill factor)相對較低，填充因子是指像素上的感光區域相對於像素表面積的大小，一般在25% -35%之間。APS讀出方式具體又可以分為兩種V-APS和C-APS。如圖2所示，V-APS方式是將像素電容上的電壓讀出；如圖3所示，C-APS方式是將像素電容上的電荷讀出並進行積分得到電壓。雙模CMOS圖像傳感器通常包括C-APS和PPS兩種讀出方式，但本發明的發明人發現，現有技術中的雙模CMOS圖像傳感器要麼電路複雜，導致圖像傳感器的填充因子比較小，要麼控制邏輯過於複雜。因此，目前亟需一種能夠實現雙模讀取功能，可以有效提高圖像傳感器的動態範圍，並且電路結構和邏輯控制都比較簡單的圖像傳感器。
發明內容
本發明的目的在於提供一種金屬氧化物半導體圖像傳感器，可以有效地提高圖像傳感器的動態範圍，並且電路結構和邏輯控制都比較簡單。為解決上述技術問題，本發明的實施方式公開了一種金屬氧化物半導體圖像傳感器，包括感光器件、第一金屬氧化物半導體MOS管、第二 MOS管、第三MOS管和積分電路；感光器件的一端接地，另一端與第二 MOS管的柵極連接，用於將光信號轉換成電信號；第一 MOS管的柵極與第一控制信號連接，源漏極中的一極與第二 MOS管的柵極連接，另一極與積分電路的輸入端連接；第二 MOS管源漏極中的一極與偏置電壓連接，另一極與積分電路的輸入端連接；第三MOS管的柵極與第二控制信號連接，源漏極中的一極與電源連接，另一極與第二 MOS管的柵極連接；積分電路用於將輸入的電荷或者電流轉換為電壓信號輸出。在另一優選例中，感光器件是感光二極體，傳感器還包括第四MOS管；第四MOS管的柵極與第三控制信號連接，源漏極中的一極與感光器件的非接地端連接，另一極與第二 MOS管的柵極連接，第四MOS管與第二 MOS管柵極相連的電極和半導體襯底之間構成一 PN結電容，即第一電容，第四MOS管用於將感光器件上的光生電荷轉移至第一電容，並實現相關雙採樣。在另一優選例中，相關雙採樣通過以下方式實現先後兩次採樣，一次是在復位之後立刻採樣，一次是在積分過程結束時採樣，將兩次採樣結果相減，從而降低噪聲。 在另一優選例中，第一電容是PN結電容並聯一個獨立的電容。在另一優選例中，積分電路包括運算放大器和第二電容；運算放大器的反相輸入端作為積分電路的輸入端，同相輸入端接地，輸出端作為積分電路的輸出端；第二電容的一端與運算放大器的反相輸入端連接，另一端與運算放大器的輸出端連接。在另一優選例中，感光器件、第三MOS管和第四MOS管直接做在P型襯底上，第三 MOS管的源極和第四MOS管的漏極共用一個N型摻雜區，利用該N型摻雜區和P型襯底組成的PN結的結電容作為第一電容；在P型襯底上還有一個N阱，第一和第二 MOS管均做在N阱中，第一 MOS管的漏極和第二 MOS管的漏極共用一個P型摻雜區。
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在另一優選例中，在每個像素的四周有隔離槽，用於實現相鄰像素間的電學隔離。在另一優選例中，復位時，第二控制信號加高電平，第一、第三控制信號和偏置電壓加低電平，將第一電容上的電荷清除，復位完成。在另一優選例中，如果檢測到環境光強超過預定門限，則使用無源式像素傳感器讀出方式，第一和第三控制信號加高電平，第二控制信號和偏置電壓加低電平，第一電容上的電荷在第二電容上積分得到電壓，再將電壓讀出。在另一優選例中，如果檢測到環境光強低於預定門限，則使用有源式像素傳感器讀出方式，第三控制信號加高電平，偏置電壓加高電平，第一和第二控制信號加低電平，第一電容上的電壓直接加在第二 MOS管的柵極，電流在第二電容上積分得到電壓，再將電壓讀出。本發明實施方式與現有技術相比，主要區別及其效果在於通過金屬氧化物半導體圖像傳感器結構實現了雙模讀取的功能，可以有效地提高圖像傳感器的動態範圍，並且電路結構和邏輯控制都比較簡單。進一步地，採用相關雙採樣，能夠有效地降低噪聲，大大提高讀出信號的S/N比。進一步地，在環境光線比較強的情況下，使用PPS模式進行讀取，不經放大將電荷直接讀取出來，防止因光線太強而導致C-APS飽和的情形；在環境光線比較弱的情況下，使用C-APS模式進行讀取，通過不同的偏置實現可變增益讀取，從而大大擴展了金屬氧化物半導體圖像傳感器的動態範圍。進一步地，在P型襯底上製做一個N阱，將實現APS中放大作用的MOS管和實現 PPS的MOS管設置在N阱中，將傳輸MOS管和復位MOS管做在P型襯底上，可以利用CMOS的互補效果得到更優的性能。進一步地，使用一個摻雜區，該摻雜區不但同時作為傳輸MOS管和復位MOS管的共用電極，還利用該摻雜區與襯底的PN結電容作為實現相關雙採樣的電容，進一步簡化了制
造工藝ο
圖1是PPS型圖像傳感器的電路結構圖；圖2是V-APS型圖像傳感器的電路結構圖；圖3是C-APS型圖像傳感器的電路結構圖；圖4是本發明第一實施方式中一種金屬氧化物半導體圖像傳感器的電路結構圖；圖5是本發明第二實施方式中一種金屬氧化物半導體圖像傳感器的電路結構圖；圖6是本發明第二實施方式中一種金屬氧化物半導體圖像傳感器的工作時序圖；圖7是本發明第三實施方式中一種金屬氧化物半導體圖像傳感器的剖面圖；圖8是本發明實施方式中全部採用NMOS實現的金屬氧化物半導體圖像傳感器的剖面圖。
具體實施例方式在以下的敘述中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術細節。但是，本領域的普通技術人員可以理解，即使沒有這些技術細節和基於以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現本申請各權利要求所要求保護的技術方案。為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的實施方式作進一步地詳細描述。本發明第一實施方式涉及一種金屬氧化物半導體圖像傳感器。圖4是該金屬氧化物半導體圖像傳感器的電路結構圖。具體地說，如圖4所示，該金屬氧化物半導體圖像傳感器包括感光二極體PD、第一 MOS管PPS、第二 MOS管APS、第三MOS管RST和積分電路。在本發明的其它某些實施方式中，也可以不用感光二極體PD，而是用其它類型的感光器件，如PIN、Photo gate等。感光二極體PD的一端接地，另一端(或非接地端)與第二 MOS管APS的柵極連接， 用於將光信號轉換成電信號。第一 MOS管PPS的柵極與第一控制信號VPPS連接，源漏極中的一極與第二 MOS管 APS的柵極連接，另一極與積分電路的輸入端連接。第二 MOS管APS源漏極中的一極與偏置電壓VAPS連接，另一極與積分電路的輸入端連接。第三MOS管RST的柵極與第二控制信號連接，源漏極中的一極與電源VDD連接，另一極與第二 MOS管APS的柵極連接。其中，第一 MOS管PPS和第三MOS管RST起開關作用，第二 MOS管APS起信號放大作用，第三MOS管RST作為復位MOS管。積分電路包括運算放大器OP和第二電容CF，用於將輸入的電荷或者電流轉換為電壓信號輸出。運算放大器OP的反相輸入端作為積分電路的輸入端，同相輸入端接地，輸出端作為積分電路的輸出端。第二電容CF的一端與運算放大器OP的反相輸入端連接，另一端與運算放大器OP 的輸出端連接。本具體實施方式
中，通過3T結構的金屬氧化物半導體圖像傳感器結構實現PPS和 APS雙模讀取的功能，可以有效地擴展圖像傳感器的動態範圍，並且電路結構和邏輯控制都比較簡單。本發明第二實施方式涉及一種金屬氧化物半導體圖像傳感器。圖5是該金屬氧化物半導體圖像傳感器的電路結構圖。第二實施方式在第一實施方式的基礎上進行了改進，主要改進之處在於在電路結構中，還包括第四MOS管TX。具體地說，如圖5所示，第四MOS管TX的柵極與第三控制信號連接，源漏極中的一極與感光二極體PD的非接地端相連，另一極與第二 MOS管APS的柵極連接。其與第二 MOS管APS柵極連接的一極為浮動擴散區(floating diffusion)，其與半導體襯底形成一 PN結電容，即第一電容FD， 用以存儲光生電荷。在本實施方式中，第一電容F D是PN結電容，因為不是獨立的電容，所以在圖5中以虛線表示。在本發明的其它某些實施方式中，有可能第一電容FD不夠大，此時可以在PN 結電容FD上並聯一個獨立的電容加以解決。
第四MOS管TX用於將感光二極體PD上的電荷轉移至第一電容FD上，並實現相關雙採樣。第四MOS管TX作為傳輸MOS管。採用相關雙採樣，能夠有效地降低噪聲，大大提高讀出信號的S/N比。相關雙採樣通過以下方式實現先後兩次採樣，一次是在復位之後立刻採樣，一次是在積分過程結束時採樣，將兩次採樣結果相減，從而降低噪聲。如圖5所示的金屬氧化物半導體圖像傳感器，通過4T結構的金屬氧化物半導體圖像傳感器結構實現PPS和APS雙模讀取的功能，在環境光線比較強的情況下，使用PPS模式進行讀取，不經放大將電荷直接讀取出來，可以防止因光線太強而導致飽和的情形；在環境光線比較弱的情況下，使用C-APS模式進行讀取，通過不同的偏置讀取可變增益，從而大大擴展了金屬氧化物半導體圖像傳感器的動態範圍。圖6是該金屬氧化物半導體圖像傳感器的工作時序圖。具體地說，如圖6所示，在復位(RES ET)階段，RST加高電平，VPPS, TX和偏置電壓VAPS加低電平，電源 VDD將第一電容FD上的電荷清除，之後，復位完成。圖5所示的電路結構可以通過簡單的邏輯控制實現PPS和APS雙模讀取的功能， 如果檢測到環境光強超過預定門限，則採用PPS讀取模式(或方式)，VPPS和TX加高電平， RST和偏置電壓VAPS加低電平，第一電容FD上的電荷在第二電容CF上積分得到電壓，再將電壓讀出。這樣在強光條件下，也不容易達到飽和狀態，從而達到提高動態範圍的效果。如果檢測到環境光強低於預定門限，則採用C-APS讀取模式(或方式)，TX加高電平，偏置電壓VAPS加高電平，VPPS和RST加低電平，第一電容FD上的電壓直接加在第二 MOS管APS的柵極，APS管的跨導由這兩個電壓差也就是柵源電壓控制，可以表示為
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gm = μ0οχ-{vgs-VT),電流在第二電容CF上積分得到電壓，之後再將電壓讀出到模數轉
換器(Analog to Digital Converter，簡稱「ADC」)或者其他處理電路。這樣可以實現放大讀取，可以有效提高圖像的亮度。在這裡，VAPS可以根據需要加合適的偏置電壓，從而達到可變增益的效果。本發明第三實施方式涉及一種金屬氧化物半導體圖像傳感器。第三實施方式在第二實施方式的基礎上提出了一種優選的剖面圖實現方式，如圖7所示。圖 7 中，採用 pinned diode結構的感光二極體PD(Pinned Photodiode) 1、第三MOS 管RST和第四MOS管TX直接做在P型襯底9上，第三MOS管RST的源極和第四MOS管TX 的漏極共用一個N型摻雜區3，該N型摻雜區和P型襯底組成的PN結的結電容就是圖5中的第一電容FD。使用一個摻雜區不但同時作為傳輸MOS管(第四MOS管)和復位MOS管 (第三MOS管)的共用電極，還利用該摻雜區與襯底的PN結電容作為實現相關雙採樣的電容，進一步簡化了製造工藝。在P型襯底9上還有一個N阱5，第一 MOS管PPS和第二 MOS管APS均做在N阱5 中，第一 MOS管PPS的漏極和第二 MOS管APS的漏極共用一個P型摻雜區7。在P型襯底上做一個N阱，將實現APS中放大作用的第二 MOS管和實現PPS的第一 MOS管做在N阱中，將起傳輸作用的第四MOS管和起復位作用的第三MOS管做在P型襯底上，可以利用CMOS的互補效果得到更優的性能。在每個像素的四周有隔離槽2，用於實現相鄰像素間的電學和/或光學隔離。隔離槽，一般用的是STI淺槽隔離。第三MOS管RST的漏極4與電源VDD相連。N型摻雜區3直接與第一 MOS管PPS 的源極6以及第二 MOS管APS的柵極相連，APS管的源極8加偏置電壓VAPS。這只是本發明的一個優選實施方式，在本發明的其它某些實施方式中，也可以採用其它的剖面圖實現方式，例如，P型襯底可以換成N型襯底，N阱可以換成P阱，相應地將第三實施方式的NMOS換成PMOS，PMOS換成NM0S。又如，也可以不用N阱或P阱，第一、第二、第三和第四MOS管全部都用NMOS或PMOS來實現。再如，各個管的排列順序也可以變化， 例如可以不按TX、RST、PPS和APS的順序排列，而是將TX和RST作為一組，將PPS和APS作為一組，兩組並行排列或垂直排列等等。在圖8中示出了全部採用NMOS實現的一種剖面圖。具體地說，如圖8所示，採用 pinned diode 結構的感光二極體 PD (Pinned Photodiode) 81、第一 MOS 管 PPS、第二 MOS 管 APS、第三MOS管RST和第四MOS管TX都直接做在P型襯底89上，第三MOS管RST的源極和第四MOS管TX的漏極共用一個N型摻雜區83，該N型摻雜區和P型襯底組成的PN結的結電容就是圖5中的第一電容FD。第二 MOS管APS的源極與第三MOS管RST的漏極共用一個N型摻雜區84。第一 MOS管PPS的漏極和第二 MOS管APS的漏極共用一個N型摻雜區 85。N型摻雜區83直接與第一 MOS管PPS的源極86以及第二 MOS管APS的柵極相連。在每個像素的四周有隔離槽82，用於實現相鄰像素間的電學和/或光學隔離。雖然通過參照本發明的某些優選實施方式，已經對本發明進行了圖示和描述，但本領域的普通技術人員應該明白，可以在形式上和細節上對其作各種改變，而不偏離本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特徵在於，包括感光器件、第一金屬氧化物半導體MOS管、第二 MOS管、第三MOS管和積分電路；感光器件的一端接地，另一端與第二 MOS管的柵極連接，用於將光信號轉換成電信號；第一 MOS管的柵極與第一控制信號連接，源漏極中的一極與第二 MOS管的柵極連接，另一極與積分電路的輸入端連接；第二 MOS管源漏極中的一極與偏置電壓連接，另一極與積分電路的輸入端連接；第三MOS管的柵極與第二控制信號連接，源漏極中的一極與電源連接，另一極與第二 MOS管的柵極連接；積分電路用於將輸入的電荷或者電流轉換為電壓信號輸出。
2.根據權利要求1所述的金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特徵在於，所述感光器件是感光二極體，所述傳感器還包括第四MOS管；第四MOS管的柵極與第三控制信號連接，源漏極中的一極與感光器件的非接地端連接，另一極與第二 MOS管的柵極連接，第四MOS管與第二 MOS管柵極相連的電極和半導體襯底之間構成一 PN結電容，即第一電容，第四MOS管用於將感光器件上的光生電荷轉移至第一電容，並實現相關雙採樣。
3.根據權利要求2所述的金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特徵在於，所述相關雙採樣通過以下方式實現先後兩次採樣，一次是在復位之後立刻採樣，一次是在積分過程結束時採樣，將兩次採樣結果相減，從而降低噪聲。
4.根據權利要求2所述的金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特徵在於，所述第一電容是PN結電容並聯一個獨立的電容。
5.根據權利要求2所述的金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特徵在於，所述積分電路包括運算放大器和第二電容；運算放大器的反相輸入端作為所述積分電路的輸入端，同相輸入端接地，輸出端作為所述積分電路的輸出端；第二電容的一端與運算放大器的反相輸入端連接，另一端與運算放大器的輸出端連接。
6.根據權利要求2至5中任一項所述的金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特徵在於，感光器件、第三MOS管和第四MOS管直接做在P型襯底上，第三MOS管的源極和第四MOS管的漏極共用一個N型摻雜區，利用該N型摻雜區和P型襯底組成的PN結的結電容作為所述第一電容；在P型襯底上還有一個N阱，第一和第二 MOS管均做在N阱中，第一 MOS管的漏極和第二 MOS管的漏極共用一個P型摻雜區。
7.根據權利要求6所述的金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特徵在於，在每個像素的四周有隔離槽，用於實現相鄰像素間的電學隔離。
8.根據權利要求7所述的金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特徵在於，復位時，第二控制信號加高電平，第一、第三控制信號和偏置電壓加低電平，將第一電容上的電荷清除，復位完成。
9.根據權利要求8所述的金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特徵在於，如果檢測到環境光強超過預定門限，則使用無源式像素傳感器讀出方式，第一和第三控制信號加高電平， 第二控制信號和偏置電壓加低電平，第一電容上的電荷在第二電容上積分得到電壓，再將電壓讀出。
10.根據權利要求9所述的金屬氧化物半導體圖像傳感器，其特徵在於，如果檢測到環境光強低於預定門限，則使用有源式像素傳感器讀出方式，第三控制信號加高電平，偏置電壓加高電平，第一和第二控制信號加低電平，第一電容上的電壓直接加在第二 MOS管的柵極，電流在第二電容上積分得到電壓，再將電壓讀出。
全文摘要
本發明涉及圖像傳感器領域，公開了一種金屬氧化物半導體圖像傳感器。本發明中，通過金屬氧化物半導體圖像傳感器結構實現了雙模讀取的功能，可以有效地擴展圖像傳感器的動態範圍，並且電路結構和邏輯控制都比較簡單。通過相關雙採樣，能夠有效地降低噪聲，大大提高讀出信號的S/N比。在環境光線比較強的情況下，使用PPS模式進行讀取，不經放大將電荷直接讀取出來，可以防止因光線太強而導致C-APS飽和的情形；在環境光線比較弱的情況下，使用C-APS模式進行讀取，通過不同的偏置實現可變增益讀取，從而大大擴展了金屬氧化物半導體圖像傳感器的動態範圍。
文檔編號H04N5/3745GK102523393SQ20111045747
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者孫濤, 方娜, 汪輝, 田犁, 陳杰 申請人:上海中科高等研究院