图像传感器的像素单元及其形成方法
【专利摘要】一种高动态范围的图像传感器像素单元及其形成方法，其中的图像传感器的像素单元包括：位于衬底内相互分立的光电二极管、第一浮置扩散区和第二浮置扩散区；位于衬底表面的第一栅极结构，第一栅极结构具有第一端和第二端，第一栅极结构的第一端位于光电二极管和第一浮置扩散区之间，用于构成传输晶体管，第一栅极结构的第二端位于第一浮置扩散区和第二浮置扩散区之间，用于构成控制晶体管，传输晶体管的阈值电压低于控制晶体管的阈值电压，传输晶体管和控制晶体管共用栅极信号；位于衬底表面的复位晶体管，用于使第一浮置扩散区和第二浮置扩散区复位。所述图像传感器像素单元的电路布图结构得到简化、提高像素填充率（Fill?factor）。
【专利说明】图像传感器的像素单元及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造【技术领域】，尤其涉及一种图像传感器的像素单元及其形成方法。
【背景技术】
[0002]图像传感器属于光电产业里的光电元件类，随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，目前市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾划着未来人类日常生活的美景。图像传感器在日常生活中的应用，无疑要属数码相机产品，其发展速度可以用日新月异来形容。短短的几年，数码相机就由几十万像素，发展到400,500万像素甚至更高。以图像传感器作为关键零部件的产品成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为电荷耦合图像传感器(Charge-coupled Device image sensor,简称CO)图像传感器)、互补型金属氧化物图像传感器(Complementary Metal Oxide Semiconductor image sensor,简称 CMOS 传感器)。
[0003]请参考图1，图1是现有的4T结构的CMOS图像传感器的电路结构示意图，包括:传输晶体管Ml、复位晶体管M2、源跟随晶体管M3、行选通晶体管M4。所述4T结构图像传感器的工作原理为:传输晶体管Ml用来将感光二极管H)的光生电荷传输到浮置扩散区FD，复位晶体管M2用来对浮置扩散区FD复位，源跟随晶体管M3用来将浮置扩散区FD的电信号放大输出。其工作过程包括:由复位信号R控制复位晶体管M2开启，将浮置扩散区FD置为高电位；然后关断复位晶体管M2，并由传输信号T控制打开传输晶体管M1，将感光二极管PD中的光生电荷传输到浮置扩散区FD，使浮置扩散区FD产生压降，这个压降通过源跟随晶体管M3在行选通晶体管M4的输出端out输出，该输出的压降即为输出信号。
[0004]在应用上述4T结构的CMOS图像传感器时发现，外界光强会因为天气或环境的变化而发生变化。当外界光强较强时，光生电荷数量AQ也较多，若浮置扩散区FD的结电容Cfd相对偏小，则无法容纳感光二极管产生的所有光生电荷，继而致使信号丢失，而且浮置扩散区FD的压降AVfd= AQ/Cfd过大，并超出电路的设计范围。相对的，当外界光强较弱时，光生电荷数量△ Q较少，若浮置扩散区FD的结电容Cfd相对偏大，则浮置扩散区FD的压降AVfd= Λ Q/Cfd过小，并容易导致信号无法读出。
[0005]为了解决上述问题，一种高动态范围的图像传感器被提出。然而，所述高动态分图形传感器的结构较为复杂，结构尺寸较大，不利于器件的微型化和集成化。
【发明内容】
[0006]本发明解决的问题是提供一种高动态范围图像传感器的像素单元及其形成方法，简化图像传感器像素单元的电路结构布图，提高像素填充率(Fi 11 factor)。
[0007]为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器的像素单元，包括:衬底；位于衬底内的光电二极管、第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，所述光电二极管、第一浮置扩散区和第二浮置扩散区相互分立；位于衬底表面的第一栅极结构，所述第一栅极结构具有第一端和第二端,所述第一栅极结构的第一端位于光电二极管和第一浮置扩散区之间,用于构成传输晶体管，所述第一栅极结构的第二端位于第一浮置扩散区和第二浮置扩散区之间，用于构成控制晶体管，所述传输晶体管的阈值电压低于控制晶体管的阈值电压，所述传输晶体管和控制晶体管共用栅极信号；位于衬底表面的复位晶体管，用于使第一浮置扩散区和第二浮置扩散区复位。
[0008]可选的，所述传输晶体管和控制晶体管为NMOS晶体管；所述传输晶体管的源极与光电二极管连接，所述传输晶体管的漏极与第一浮置扩散区连接；所述控制晶体管的源极与第一浮置扩散区连接，所述控制晶体管的漏极与第二浮置扩散区连接。
[0009]可选的，所述第一栅极结构包括:位于衬底表面的第一栅介质层、以及位于第一栅介质层表面的第一栅极，所述第一栅极与传输信号连接。
[0010]可选的，所述复位晶体管包括第一复位晶体管和第二复位晶体管，所述第一复位晶体管用于复位第一浮置扩散区，所述第二复位晶体管用于复位第二浮置扩散区。
[0011]可选的，所述衬底表面具有第二栅极结构，所述第二栅极结构具有第一端和第二端，所述第二栅极结构的第一端用于构成第一复位晶体管，所述第二栅极结构的第二端用于构成第二复位晶体管。
[0012]可选的，所述第二栅极结构包括:位于衬底表面的第二栅介质层、以及位于第二栅介质层表面的第二栅极，所述第二栅极与复位信号连接。
[0013]可选的，所述第一复位晶体管和第二复位晶体管为NMOS晶体管；所述第一复位晶体管的源极与第一浮置扩散区连接，所述第一复位晶体管的漏极与高电平连接；所述第二复位晶体管的源极与第二浮置扩散区连接，所述第二复位晶体管的漏极与高电平连接。
[0014]可选的，还包括:源跟随晶体管，用于放大输出信号，所述源跟随晶体管的栅极与第一浮置扩散区连接，所述源跟随晶体管的源极和漏极分别与输出端和高电平连接。
[0015]可选的，还包括:位于源跟随晶体管和输出端之间的选择晶体管，用于选择输出信号，所述选择晶体管的栅极与选择信号连接，所述选择晶体管的源极和漏极分别与源跟随晶体管的源极和输出端连接。
[0016]相应的，本发明提供一种上述任一项图像传感器的像素单元的形成方法，包括:提供衬底；在所述衬底内形成光电二极管、第一浮置扩散区和第二浮置扩散区；在衬底表面形成第一栅极结构，所述第一栅极结构的第一端位于光电二极管和第一浮置扩散区之间，用于构成传输晶体管，所述第一栅极结构的第二端位于第一浮置扩散区和第二浮置扩散区之间，用于构成控制晶体管；在所述衬底内和表面形成复位晶体管，用于使第一浮置扩散区和第二浮置扩散区复位。
[0017]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0018]本发明的结构中，位于光电二极管和第一浮置扩散区之间第一栅极结构的第一端能够作为传输晶体管的栅极结构，而位于第一浮置扩散区和第二浮置扩散区之间的第一栅极结构的第二端能够作为控制晶体管的栅极结构，即所述控制晶体管和传输晶体管为共用栅极。因此，所述传输晶体管和控制晶体管的结构得到简化，使得图像传感器的像素单元的电路结构布图得到简化，且所述传输晶体管和控制晶体管占用的空间缩小。
[0019]本发明的形成方法中，在衬底表面形成第一栅极结构，其中，所述第一栅极结构第一端能够作为传输晶体管的栅极结构，所述第一栅极结构的第二端能够作为控制晶体管的栅极结构，即所述控制晶体管和传输晶体管的共用栅极。因此，所形成的图像传感器的像素单元的电路结构布图得到简化，且所述传输晶体管和控制晶体管占用的空间缩小。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是现有的4T结构的CMOS图像传感器的电路结构示意图；
[0021]图2是一种高动态分布的图像传感器的电路结构示意图；
[0022]图3本发明实施例的图像传感器的像素单元的俯视结构示意图；
[0023]图4是图3所示的图像传感器的像素单元的电路图；
[0024]图5至图7是在图3所示的图像传感器的像素单元工作时的电势状态图；
[0025]图8至图10是本发明实施例的图像传感器像素单元的形成过程的俯视结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]如【背景技术】所述，现有的高动态分的图像传感器结构复杂，结构尺寸较大，不利于器件集成。
[0027]经过研究发现，请参考图2，图2是一种高动态分布的图像传感器的电路结构示意图，包括:传输晶体管Ml、复位晶体管M2、源跟随晶体管M3、行选通晶体管M4、控制晶体管M5和电容Cs。其中，当控制晶体管M5由开关信号S控制开启时，所述电容Cs与浮置扩散区FD的结电容Cj并联连接，则浮置扩散区FD的总电容Cfd = Cs+Cj。具体的，当外界光强较强时，使控制晶体管M5开启，即电容Cs工作，则浮置扩散区FD的压降AVfd= AQ/(Cs+Cj)，其中，AQ为感光二极管TO产生的光生电荷；当外界光强较弱时，使控制晶体管M5关断，即电容Cs不工作，则浮置扩散区FD的压降AVfd= AQ/Cj。因此，浮置扩散区FD的压降Λ Vfd波动范围减小，输出信号更为稳定，从而使得CMOS图像传感器能够在外界光强变化强烈的环境下工作。
[0028]然而，上述高动态分布的图像传感器电路结构为5T结构，即所述电路结构中至少有5个晶体管，使得所述高动态分布的图形传感器的器件结构以及电路布图(layout)较为复杂，不利于使所述高动态分布的图像传感器在器件或芯片中进行集成。
[0029]为了解决上述问题，经过进一步研究，本发明提出一种图像传感器的像素单元。其中，位于光电二极管和第一浮置扩散区之间第一栅极结构的第一端能够作为传输晶体管的栅极结构，而位于第一浮置扩散区和第二浮置扩散区之间的第一栅极结构的第二端能够作为控制晶体管的栅极结构，即所述控制晶体管和传输晶体管为共用栅极。因此，所述传输晶体管和控制晶体管的结构得到简化，使得图像传感器的像素单元的电路结构分布得到简化，且所述传输晶体管和控制晶体管占用的空间缩小。
[0030]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0031]请参考图3，图3本发明实施例的图像传感器的像素单元的俯视结构示意图，包括:
[0032]衬底(未图示)；[0033]位于衬底内的光电二极管H)、第一浮置扩散区201和第二浮置扩散区202，所述光电二极管PD、第一浮置扩散区201和第二浮置扩散区202相互分立；
[0034]位于衬底表面的第一栅极结构204，所述第一栅极结构204具有第一端和第二端，所述第一栅极结构204的第一端(未标不)位于光电二极管和第一浮置扩散区201之间,用于构成传输晶体管Ml,所述第一栅极结构204的第二端(未标不)位于第一浮置扩散区201和第二浮置扩散区202之间，用于构成控制晶体管M2，所述传输晶体管Ml的阈值电压低于控制晶体管M2的阈值电压，所述传输晶体管Ml和控制晶体管M2共用栅极信号；
[0035]位于衬底表面的复位晶体管，用于使第一浮置扩散区201和第二浮置扩散区202复位。
[0036]需要说明的是，图3为忽略衬底和衬底表面的介质层后，所述图像传感器像素单元的俯视结构图。以下将对上述图像传感器的像素单元进行详细说明。
[0037]所述衬底用于形成器件结构或芯片电路，所述衬底为半导体基底，所述半导体基底包括硅衬底、硅锗衬底、碳化硅衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底、绝缘体上锗(GOI)衬底、玻璃衬底或II1-V族化合物衬底(例如氮化硅或砷化镓等)。本实施例中，所述衬底为体基底，即硅衬底、硅锗衬底或碳化硅衬底。在其他实施例中，所述衬底还能够为绝缘体上硅衬底或绝缘体上锗衬底。此外，所述衬底还能够包括半导体基底、以及通过外延工艺形成于半导体基底表面的外延层，而所述光电二极管、第一栅极结构和复位晶体管形成于外延层内部或表面。此外，所述衬底内具有阱区，所述阱区内具有掺杂离子，且阱区内的掺杂离子类型与第一浮置扩散区201的掺杂离子类型相反，所述阱区通过离子注入工艺形成；在本实施例中，所述阱区内具有P型离子。
[0038]所述光电二极管ro能够在受到外界光强激发的情况下，产生光生载流子，即电子，当传输晶体管Ml打开后，电子流入第一浮置扩散区201内，使第一浮置扩散区201产生压降。
[0039]所述光电二极管ro位于衬底内，所述光电二极管ro够通过离子注入工艺形成，而且，通过控制离子注入的能量和浓度，能够控制离子注入的深度和注入范围，从而控制光电二极管ro的深度和厚度。本实施例中，所述光电二极管ro内掺杂有N型离子，所述N型离子包括磷离子、砷离子或锑离子。
[0040]相对于所述光电二极管ro分立设置的第一浮置扩散区201用于存储光电二极管ro激发出的电子，使得第一浮置扩散区201的电势降低、产生压降，而所述第一浮置扩散区201与源跟随晶体管SF的栅极连接，使所述压降转化为输出信号输出。所述第一浮置扩散区201内具有掺杂离子，且所述第一浮置扩散区201内的掺杂离子类型与光电二极管ro相同，本实施例中，所述第一浮置扩散区201内具有N型离子，所述第一浮置扩散区201通过离子注入工艺形成。
[0041]位于光电二极管H)和第一浮置扩散区201之间的部分第一栅极结构204用于作为传输晶体管Ml的栅极结构，而位于第一浮置扩散区201和第二浮置扩散区202之间的部分第一栅极结构204用于作为控制晶体管M2的栅极结构。所述第一栅极结构204包括:位于衬底表面的第一栅介质层、以及位于第一栅介质层表面的第一栅极，其中，所述第一栅极与传输信号T (如图4所示)连接，用于使传输晶体管Ml或控制晶体管M2开启。
[0042]由于所述传输晶体管Ml和控制晶体管M2的栅极结构均由第一栅极结构204构成，即共用栅极信号，减少了金属互联层，因此，所述图像传感器像素单元的结构简单、尺寸缩小，而且电路结构布图(layout)得到简化，有利于缩小半导体器件的尺寸，提高像素填充率(Fill Factor)0而且，第一栅极结构204底部的阱区内不具有与第一浮置扩散区201或光电二极管H)内类型相同的掺杂离子，本实施例中为N型离子。
[0043]所述传输晶体管Ml由第一栅极结构204的第一端作为栅极结构，而位于第一栅极结构204的第一端两侧的光电二极管ro的阴极区、以及第一浮置扩散区201分别作为源区和漏区，即所述传输晶体管Ml的源极和漏极分别与阴极区和第一浮置扩散区201连接。
[0044]本实施例中，所述阴极区和第一浮置扩散区201均具有N型掺杂离子，则所述传输晶体管Ml为NMOS晶体管，则光电二极管H)作为传输晶体管Ml的漏区，所述第一浮置扩散区201作为传输晶体管Ml的源区。当所述传输晶体管Ml开启时，由光电二极管H)流出的光生载流子进入第一浮置扩散区201内。
[0045]相对于第一浮置扩散区201分立设置的第二浮置扩散区202，用于在外部光强较强时，与第一浮置扩散区201 —起存储光电二极管ro激发出的光生载流子，以此使第一浮置扩散区201的电势更为稳定，以此提高图像传感器像素单元的动态范围，使图像传感器适应更大的外部光强变化范围。所述第二浮置扩散区202内具有掺杂离子，且所述第二浮置扩散区202内的掺杂离子类型与第一浮置扩散区201、以及光电二极管H)的阴极区相同，使位于第二浮置扩散区202和第一浮置扩散区201之间的控制晶体管M2能够分别以第二浮置扩散区202和第一浮置扩散区201作为源区和漏区。本实施例中，所述第二浮置扩散区202内具有N型离子，所述第二浮置扩散区202通过离子注入工艺形成。
[0046]所述控制晶体管M2由第一栅极结构204的第二端作为栅极结构，而位于第一栅极结构204的第二端两侧的第二浮置扩散区202和第一浮置扩散区201分别作为源区和漏区，即所述控制晶体管M2的源极和漏极分别与第二浮置扩散区202和第一浮置扩散区201连接。
[0047]本实施例中，所述第二浮置扩散区202和第一浮置扩散区201均具有N型掺杂离子，则所述控制晶体管M2为NMOS晶体管，则第一浮置扩散区201作为控制晶体管M2的源极，所述第二浮置扩散区202作为控制晶体管M2的漏极。当所述控制晶体管M2开启时，由第一浮置扩散区201流出的光生载流子进入第二浮置扩散区202内。
[0048]所述复位晶体管用于在图像传感器的像素单元工作前，使第一浮置扩散区201和第二浮置扩散区202复位。本实施例中，所述复位晶体管包括第一复位晶体管M3和第二复位结构管M4，所述第一复位晶体管M3用于复位第一浮置掺杂区201，所述第二复位晶体管M4用于复位第二浮置掺杂区202。本实施例中，所述第一复位晶体管M3和第二复位结构管M4的栅极结构均由第二栅极结构205构成。
[0049]所述第二栅极结构205位于所述衬底表面，所述第二栅极结构205包括:位于衬底表面的第二栅介质层、以及位于第二栅介质层表面的第二栅极，所述第二栅极与复位信号R(如图4所示)连接，所述复位信号R能够开启第一复位晶体管M3和第二复位结构管M4，并将高电平或低电平施加于第一浮置扩散区201和第二浮置扩散区202进行复位操作。所述第二栅极结构205具有第一端和第二端，所述第二栅极结构205的第一端用于构成第一复位晶体管M3，所述第二栅极结构205的第二端用于构成第二复位晶体管M4。
[0050]本实施例中，所述第一复位晶体管M3为NMOS晶体管。其中，所述第二栅极结构205的第一端两侧分别为第一浮置扩散区201和第一掺杂区301，所述第一掺杂区301位于衬底内，并通过离子注入工艺形成，所述第一浮置扩散区201和第一掺杂区内均具有N型掺杂离子，所述第一浮置掺杂区201作为第一复位晶体管M3的源区，所述第一掺杂区301作为第一复位晶体管M3的漏区；由于所述第一掺杂区301与高电平VDD (如图4所示)连接，即所述第一复位晶体管M3的源极与第一浮置掺杂区201连接，所述第一复位晶体管M3的漏极与高电平VDD连接。
[0051]其次，所述第二复位晶体管M4为NMOS晶体管。所述第二栅极结构205的第二端两侧分别为第二浮置扩散区202和第三掺杂区303，所述第三掺杂区303位于衬底内，并通过离子注入工艺形成，所述第一浮置扩散区201和第三掺杂区303内均具有N型掺杂离子，所述第二浮置掺杂区202作为第二复位晶体管M4的源区，所述第三掺杂区303作为第一复位晶体管M4的漏极；由于所述第三掺杂区303与高电平VDD (如图4所示)连接，即所述第二复位晶体管M4的源极与第二浮置掺杂区202连接，所述第二复位晶体管M4的漏极与高电平VDD连接。
[0052]本实施例中，所述第一掺杂区301和第二掺杂区303表面具有第一导电结构209,高电平信号VDD通所述第一导电结构209施加于第一掺杂区301和第三掺杂区303。本实施例中，所述第一导电结构209包括:位于第一掺杂区301和第二掺杂区303表面的第一导电插塞、以及位于所述第一导电插塞顶部的第一导电互连线，所述高电平信号VDD施加于第一导电互连线。
[0053]此外，本实施例的图像传感器像素单元还包括:源跟随晶体管SF，用于放大由浮置扩散区输出的信号，所述源跟随晶体管SF的栅极与第一浮置扩散区201连接，所述源跟随晶体管SF的源极和漏极分别与输出端out和高电平VDD连接。
[0054]具体的，所述源跟随晶体管SF由第三栅极结构206、以及位于第三栅极结构206两侧的第一掺杂区301和第二掺杂区302构成。其中，所述第三栅极结构206作为源跟随晶体管SF的栅极结构，所述第三栅极结构206包括:位于衬底表面的第三栅介质层、以及位于第三栅介质层表面的第三栅极。所述第一掺杂区301和第二掺杂区302分别作为源跟随晶体管SF的源极和漏极。
[0055]其中，所述第三栅极通过第二导电结构208与第一浮置扩散区201连接，从而使浮置扩散区的压降信号向源跟随晶体管SF传输。本实施例中，所述第二导电结构208包括:位于第三栅极和第一浮置扩散区201表面的第二导电插塞、以及位于所述第二导电插塞顶部的第二导电互连线。
[0056]本实施例中，所述源跟随晶体管SF为NMOS晶体管，则所述第二掺杂区302内具有N型离子，所述N型离子通过离子注入工艺形成。所述第一掺杂区301作为源跟随晶体管SF的漏极，所述第二掺杂区302作为源跟随晶体管SF的源极。由于所述第一掺杂区301与高电平VDD信号连接，即所述源跟随晶体管SF的漏极与高电平VDD信号连接，而源跟随晶体管SF的源极与输出端out (如图4所示)连接。
[0057]此外，在本实施例中，所述源跟随晶体管SF和输出端out之间还具有选择晶体管SEL，用于选择输出信号的像素单元。所述选择晶体管SEL由位于衬底表面的第四栅极结构207、以及位于所述第四栅极结构207两侧的第二掺杂区302和第四掺杂区304构成。其中，所述第四栅极结构207作为选择晶体管SEL的栅极结构，所述第四栅极结构207包括:位于衬底表面的第四栅介质层、以及位于第四栅介质层表面的第四栅极。所述第二掺杂区302和第四掺杂区304分别作为选择晶体管SEL的源极和漏极。其中，所述第四栅极与选择信号sel (如图4所示)连接，以选择需要输出信号。
[0058]本实施例中，所述选择晶体管SEL为NMOS晶体管，则所述第四掺杂区304内具有N型离子，所述N型离子通过离子注入工艺形成。所述第二掺杂区302作为选择晶体管SEL的漏极，所述第四掺杂区304作为选择晶体管SEL的源极。即所述选择晶体管SEL的漏极与源跟随晶体管SF的源极连接；所述第四掺杂区304，即选择晶体管SEL的源极与输出端out连接。
[0059]请参考图4，图4是图3所示的图像传感器的像素单元的电路图，包括:光电二极管PD、传输晶体管Ml、控制晶体管M2、第一复位晶体管M3、第二复位结构管M4、源跟随晶体管SF、选择晶体管SEL、第一浮置扩散区201和第二浮置扩散区202。
[0060]所述传输晶体管Ml的源极与所述光电二极管ro连接，所述传输晶体管Ml的栅极与传输信号T连接，所述传输晶体管Ml的漏极与第一浮置扩散区201连接。
[0061]所述控制晶体管M2的源极与第一浮置扩散区201连接，所述控制晶体管M2的漏极与第二浮置扩散区202连接，所述控制晶体管M2的栅极与传输信号T连接。
[0062]所述第一复位晶体管M3的漏极与高电平VDD信号连接，所述第一复位晶体管M3的源极与第二浮置扩散区202连接，所述第一复位晶体管M3的栅极与复位信号R连接。
[0063]所述第二复位结构管M4的漏极与高电平VDD信号连接，所述第二复位结构管M4的源极与第一浮置扩散区201连接，所述第二复位结构管M4的栅极与复位信号R连接。
[0064]所述源跟随晶体管SF的漏极与高电平VDD信号连接，所述源跟随晶体管SF的源极与选择晶体管SEL的漏极连接，所述源跟随晶体管SF的栅极与第一浮置扩散区201连接。
[0065]所述选择晶体管SEL的源极与输出端out连接，所述选择晶体管SEL的栅极与选择信号sel连接。
[0066]如图4所示，当外部光强较弱时，产生的光生载流子较少，使传输信号T的电压高于传输晶体管Ml的阈值电压、低于控制晶体管M2的阈值电压，因此所述传输晶体管Ml开启、控制晶体管M2关闭。光电二极管H)内的光生载流子Λ Q进入第一浮置扩散区201，浮置扩散区FD的总电容为Cfd=Cfdl,其中Cfdl为第一浮置扩散区201的结电容。
[0067]当外部光强较强时，产生的光生载流子较多，传输信号T的电压高于控制晶体管M2，因此所述传输晶体管Ml和控制晶体管M2均开启。光电二极管H)内的光生载流子Λ Q进入第一浮置扩散区201和第二浮置扩散区202，则浮置扩散区FD的总电容为Cfd=CfdI+Cfd2，其中，Cfdl为第一浮置扩散区201的结电容，Cfd2为第二浮置扩散区202的结电容。由Λ V= Δ Q/Cfd可知，浮置扩散区无论外部光强较弱或较强都能得到稳定的压降，从而图像传感器能得到稳定的输出信号。
[0068]请参考图5至图7，是图3所示的图像传感器的像素单元工作时，光电二极管H)、传输晶体管Ml、控制晶体管M2、第一浮置扩散区201和第二浮置扩散区202的电势分布图。
[0069]如图5，光电二极管内电子传输前的电势分布示意图。传输晶体管Ml、控制晶体管M2均关闭，光生载流子存储在光电二极管内。
[0070]如图6，当光强较弱时的电势分布示意图。此时传输晶体管Ml开启，控制晶体管M2关闭，光生载流子只流入第一浮置扩散区201。此时浮置扩散区FD的总电容为Cfd=Cfdl。
[0071]如图7，当光强较强时的电势分布示意图。此时传输晶体管Ml开启，控制晶体管M2均开启，光生载流子流入第一浮置扩散区201和第二浮置扩散区202。此时浮置扩散区FD 的总电容为 Cfd=Cfdl+Cfd2。
[0072]本实施例中，位于光电二极管和第一浮置扩散区之间第一栅极结构的第一端能够作为传输晶体管的栅极结构，而位于第一浮置扩散区和第二浮置扩散区之间的第一栅极结构的第二端能够作为控制晶体管的栅极结构，即所述控制晶体管和传输晶体管为共用栅极。因此，所述传输晶体管和控制晶体管的结构得到简化，使得图像传感器的像素单元的电路结构布图得到简化，且所述传输晶体管和控制晶体管占用的空间缩小。
[0073]其中，所述传输晶体管和控制晶体管为NMOS晶体管，且所述传输晶体管的漏极与第一浮置扩散区连接，所述控制晶体管的源极与第一浮置扩散区连接，即所述传输晶体管和控制晶体管共用源漏极，因此，所述图像传感器的器件尺寸能够进一步缩小，电路结构布图得到进一步的简化。
[0074]此外，所述复位晶体管包括第一复位晶体管和第二复位结构管，而且所述第一复位晶体管由第二栅极结构的第一端构成，所述第二复位晶体管由第二栅极结构的第二端构成，即所述第一复位晶体管和第二复位晶体管共用栅极，因此，所述复位晶体管所占用的空间较小，所述使所述图像传感器的器件尺寸缩小，电路结构布图简化。
[0075]相应的，本发明的实施例还提供一种图像传感器的像素单元的形成方法，图8至图10是本发明实施例的图像传感器像素单元的形成过程的俯视结构示意图。
[0076]请参考图8，提供衬底(未示出)，衬底内具有器件区200，在衬底的器件区200内注入N型离子，形成光电二极管ro。在光电二极管ro以外的器件区200内注入P型离子作为阱区。图8示出了器件区200的俯视结构图形。本实施例中，所述器件区200周围的衬底内具有浅沟槽隔离结构(STI，未示出)进行隔离。
[0077]请参考图9，在衬底上形成栅极介质层、位于栅介质层表面的栅极、以及位于栅介质层和栅极侧壁表面的侧墙，以形成第一栅极结构204、第二栅极结构205、第三栅极结构206和第四栅极结构207。
[0078]之后，在衬底的器件区200 (如图8所示)内注入N型离子，以形成第一浮置扩散区201、第二浮置扩散区202、第一掺杂区301、第二掺杂区302、第三掺杂区303和第四掺杂区304。
[0079]请参考图10,在衬底表面形成第一导电结构209,使高电平信号施加于第一掺杂区301和第三掺杂区303 ;在衬底表面形成第二导电结构208，使第三栅极结构206的栅极与第一浮置扩散区201连接。
[0080]本实施例中，在衬底表面形成第一栅极结构，其中，所述第一栅极结构第一端能够作为传输晶体管的栅极结构，所述第一栅极结构的第二端能够作为控制晶体管的栅极结构，即所述控制晶体管和传输晶体管的共用栅极。因此，所形成的图像传感器的像素单元的电路结构布图得到简化，且所述传输晶体管和控制晶体管占用的空间缩小。
[0081 ] 虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
【权利要求】
1.一种图像传感器的像素单元，其特征在于，包括: 衬底； 位于衬底内的光电二极管、第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，所述光电二极管、第一浮置扩散区和第二浮置扩散区相互分立； 位于衬底表面的第一栅极结构，所述第一栅极结构具有第一端和第二端，所述第一栅极结构的第一端位于光电二极管和第一浮置扩散区之间，用于构成传输晶体管，所述第一栅极结构的第二端位于第一浮置扩散区和第二浮置扩散区之间，用于构成控制晶体管，所述传输晶体管的阈值电压低于控制晶体管的阈值电压，所述传输晶体管和控制晶体管共用栅极信号； 位于衬底表面的复位晶体管，用于使第一浮置扩散区和第二浮置扩散区复位。
2.如权利要求1所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，所述传输晶体管和控制晶体管为NMOS晶体管；所述传输晶体管的源极与光电二极管连接，所述传输晶体管的漏极与第一浮置扩散区连接；所述控制晶体管的源极与第一浮置扩散区连接，所述控制晶体管的漏极与第二浮置扩散区连接。
3.如权利要求1所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，所述第一栅极结构包括:位于衬底表面的第一栅介质层、以及位于第一栅介质层表面的第一栅极，所述第一栅极与传输信号连接。
4.如权利要求1所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，所述复位晶体管包括第一复位晶体管和第二复位晶体管，所述第一复位晶体管用于复位第一浮置扩散区，所述第二复位晶体管用于复位第二浮置扩散区。
5.如权利要求4所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，所述衬底表面具有第二栅极结构，所述第二栅极结构具有第一端和第二端，所述第二栅极结构的第一端用于构成第一复位晶体管，所述第二栅极结构的第二端用于构成第二复位晶体管。
6.如权利要求5所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，所述第二栅极结构包括:位于衬底表面的第二栅介质层、以及位于第二栅介质层表面的第二栅极，所述第二栅极与复位信号连接。
7.如权利要求4所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，所述第一复位晶体管和第二复位晶体管为NMOS晶体管；所述第一复位晶体管的源极与第一浮置扩散区连接，所述第一复位晶体管的漏极与高电平连接；所述第二复位晶体管的源极与第二浮置扩散区连接，所述第二复位晶体管的漏极与高电平连接。
8.如权利要求1所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，还包括:源跟随晶体管，用于放大输出信号，所述源跟随晶体管的栅极与第一浮置扩散区连接，所述源跟随晶体管的源极和漏极分别与输出端和高电平连接。
9.如权利要求8所述的图像传感器的像素单元，其特征在于，还包括:位于源跟随晶体管和输出端之间的选择晶体管，用于选择输出信号，所述选择晶体管的栅极与选择信号连接，所述选择晶体管的源极和漏极分别与源跟随晶体管的源极和输出端连接。
10.一种如权利要求1至9任一项所述图像传感器的像素单元的形成方法，其特征在于，包括: 提供衬底；在所述衬底内形成光电二极管、第一浮置扩散区和第二浮置扩散区； 在衬底表面形成第一栅极结构，所述第一栅极结构的第一端位于光电二极管和第一浮置扩散区之间，用于构成传输晶体管，所述第一栅极结构的第二端位于第一浮置扩散区和第二浮置扩散区之间，用于构成控制晶体管； 在所述衬底内 和表面形成复位晶体管，用于使第一浮置扩散区和第二浮置扩散区复位。
【文档编号】H01L21/8238GK103811510SQ201410084191
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2014年3月7日
【发明者】饶金华, 张克云 申请人:上海华虹宏力半导体制造有限公司