高饱和容量的图像传感器像素的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种高饱和容量的图像传感器像素，包括置于半导体基体中的光电二极管、电荷传输晶体管、第一复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，还包括第二复位晶体管和N型离子区，第二复位晶体管与光电二极管相连；N型离子区的一部分位于所述电荷传输晶体管沟道中，另一部分位于所述漂浮有源区中，并且与漂浮有源区的N+区相连。像素的饱和电荷容量不受工作电势限制，进而有效提高了像素的饱和容量，提升了图像传感器输出的图像品质。
【专利说明】高饱和容量的图像传感器像素
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种图像传感器，尤其涉及一种高饱和容量的图像传感器像素。
【背景技术】
[0002]图像传感器已经被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是制造CMOS (互补型金属氧化物半导体)图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。
[0003]在现有技术中，CMOS图像传感器一般采用四晶体管像素(4T)结构。如图1所示，是采用CMOS图像传感器4T有源像素结构的示意图，包括虚线框内的切面示意图和虚线框外的电路示意图两部分。4T有源像素的元器件包括:光电二极管区域101，电荷传输晶体管102，复位晶体管103，漂浮有源区FD，源跟随晶体管104，选择晶体管105，列位线106 ;其中101置于半导体基体中，STI为浅槽隔离区，N+区为晶体管源漏有源区，其中FD区由N+区组成；Vtx为102的栅极端，Vrst为103的栅极端，Vsx为105的栅极端，Vdd为电源电压。光电二极管101接收外界入射的光线，产生光电信号；开启晶体管102，将光电二极管中的光电信号转移至漂浮有源区FD区后，由晶体管104所探测到的FD势阱内电势变化信号经106读取并保存。
[0004]图2示出了图1虚线框内器件部分，在进行光电电荷转移操作时的势阱示意图。图2所示，201为光电二极管区101的势阱，202为FD区势阱，Vpinl为光电二极管的完全耗尽电势，Vrstl为FD区的复位电势；其中Cpdl为201的电容，Cfdl为202的电容。由图2所示，201区中的光电电荷能够被完全转移至202的条件是:Cpdl*Vpinl〈=Cfdl* (Vrstl-Vpinl),即 Vpinl〈 = Cfdl^Vrstl/ (Cpdl+Cfdl),其中 Vrstl-Vpinl 为 FD 区电压信号摆幅；由此可见，201区的饱和电荷量Cpdl*Vpinl受到Vpinl最高值的限制，即像素的饱和电荷量受到像素工作电势的限制。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的是提供一种能有效提高像素的饱和容量，提升图像传感器输出的图像品质的高饱和容量的图像传感器像素。
[0006]本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的:
[0007]本实用新型的高饱和容量的图像传感器像素，包括置于半导体基体中的光电二极管、电荷传输晶体管、第一复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，还包括第二复位晶体管和N型离子区，所述第二复位晶体管与所述光电二极管相连；
[0008]所述N型离子区的一部分位于所述电荷传输晶体管沟道中，另一部分位于所述漂浮有源区中，并且与所述漂浮有源区的N+区相连。
[0009]由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的一种高饱和容量的图像传感器像素，由于在电荷传输晶体管沟道和漂浮有源区区域设置了 N型离子区，电荷传输晶体管沟道与漂浮有源区N+区之间形成势垒，可以将光电二极管高电势区的电荷转移至漂浮有源区N+区。因此，本实用新型的像素的饱和电荷容量不受工作电势限制，进而有效提高了像素的饱和容量，提升了图像传感器输出的图像品质。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是现有技术的图像传感器的像素结构示意图。
[0011]图2是现有技术的图像传感器像素在进行电荷转移操作时的势阱示意图。
[0012]图3是本实用新型的图像传感器的像素结构示意图。
[0013]图4是本实用新型的图像传感器像素工作的时序控制示意图。
[0014]图5是本实用新型的图像传感器像素工作时，曝光开始时的势阱示意图。
[0015]图6是本实用新型的图像传感器像素工作时，转移光电电荷操作前的势阱示意图。
[0016]图7是本实用新型的图像传感器像素工作时，转移光电电荷操作，开启电荷传输晶体管时的势阱示意图。
[0017]图8是本实用新型的图像传感器像素工作时，转移光电电荷操作，未完全关闭电荷传输晶体管时的势阱示意图。
[0018]图9是本实用新型的图像传感器像素工作时，转移光电电荷操作，完全关闭电荷传输晶体管时的势阱示意图。
[0019]图10是本实用新型的图像传感器像素工作时，转移光电电荷操作完毕时的势阱示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面将对本实用新型实施例作进一步地详细描述。
[0021]本实用新型的高饱和容量的图像传感器像素，其较佳的【具体实施方式】是:
[0022]包括置于半导体基体中的光电二极管、电荷传输晶体管、第一复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，还包括第二复位晶体管和N型离子区，所述第二复位晶体管与所述光电二极管相连；
[0023]所述N型离子区的一部分位于所述电荷传输晶体管沟道中，另一部分位于所述漂浮有源区中，并且与所述漂浮有源区的N+区相连。
[0024]所述第二复位晶体管的源极端为光电二极管区，漏极端与电源电压相连。
[0025]所述N型离子区与所述电荷传输晶体管沟道交叠部分大于等于0.1um,并且在所述漂浮有源区中的宽度大于等于0.lum。
[0026]所述N型离子区的深度小于等于0.2um。
[0027]所述漂浮有源区的N+区与电荷传输晶体管栅极的距离大于等于0.lum。
[0028]所述N型离子区的N型离子浓度为lE+15Atom/cm3?lE+16Atom/cm3。
[0029]所述光电二极管的完全耗尽电势不受像素工作电势的限制，最高为电源电压。
[0030]本实用新型的高饱和容量的图像传感器像素的工作方法，包括步骤:
[0031]a、进行光电二极管复位操作，即开启第二复位晶体管，清除光电二极管中的电荷，清除完毕后关闭第二复位晶体管，像素开始曝光；
[0032]b、像素曝光结束前，开启第一复位晶体管做漂浮有源区复位操作，然后关闭第一复位晶体管，读取复位信号；
[0033]C、转移光电二极管中的光电电荷至漂浮有源区操作，开启电荷传输晶体管，将一部分光电电荷转移到N型离子区，然后关闭电荷传输晶体管，N型离子区中的光电电荷转移至漂浮有源区，重复电荷传输晶体管的开启关闭操作，直至光电二极管中的光电电荷完全转移至漂浮有源区，像素曝光周期结束；其中电荷传输晶体管的开启关闭操作大于等于I次；
[0034]d、读取漂浮有源区中的光电信号。
[0035]本实用新型的高饱和容量的图像传感器像素，由于在电荷传输晶体管沟道和漂浮有源区区域设置了 N型离子区，电荷传输晶体管沟道与漂浮有源区N+区之间形成势垒，配合本实用新型像素的工作方法，电荷传输晶体管多次开启关闭的操作，可以将光电二极管高电势区的电荷转移至漂浮有源区N+区。因此，本实用新型的像素的饱和电荷容量不受工作电势限制，进而有效提高了像素的饱和容量，提升了图像传感器输出的图像品质。
[0036]具体实施例:
[0037]实施例一:
[0038]图像传感器像素结构如图3所示，包含虚线框内的切面部分和虚线框外的电路部分不意图。图3中，301为光电二极管,302为电荷传输晶体管,303为第一复位晶体管，FD为漂浮有源区，304为源跟随晶体管，305为选择晶体管，306为列位线，307为第二复位晶体管，308为N型离子区；其中，STI为浅槽隔离区，N+区为晶体管源漏有源区，Vdd为电源电压；Vtx为302的栅极端,Vrst为303的栅极端,Vsx为305的栅极端,Vct为307的栅极端。图3所示，N型离子区308的一部分位于302的沟道处，一部分位于FD区，308与302沟道交叠部分大于等于0.lum，308在FD有源区的宽度大于等于0.lum，308的一侧与FD区的N+区相连，308区的深度小于等于0.2um, 308区的N型离子浓度为lE+15Atom/cm3?lE+16Atom/cm3。所述307的漏极端与电源电压Vdd相连，源极端为301区。所述电荷传输晶体管302的沟道与FD区N+区之间形成势垒，此势垒是由于N型离子区浓度较低而产生的。
[0039]实施例二:
[0040]图像传感器像素工作的时序控制示意图，如图4所示。图4仅示出了与本实用新型相关的时序控制图，其它时序未示出，其中，Vct为第二复位晶体管307的栅极时序，Vrst为第一复位晶体管303的栅极时序，Vtx为电荷传输晶体管302的栅极时序，SH时序表征采集像素/[目号的时序，其中SH闻电平表不米集像素彳目号。上述Vet、Vrst、Vtx闻电平脉冲表征开启相应晶体管操作，为低电平时表征关闭相应晶体管。图4所示，401表征清除光电二极管中电荷的操作，402表征FD复位操作，4031?403η表征光电电荷转移操作，其中η值大于等于I，404表征读取复位信号操作，405表征读取光电信号操作。所述401、402、403操作时对应的势阱示意图,如图5?图10所示。下面，结合示意图4?图10,详细地阐述本实用新型像素的工作方法及其工作原理。
[0041]本实用新型的图像传感器像素的工作方法，步骤如下:
[0042]首先，进行光电二极管复位操作，即开启第二复位晶体管307，将Vct置为高电平，清除光电二极管中301中的电荷,清除完毕后关闭第二复位晶体管307,将Vct置为低电平，像素开始曝光，如图4中401所示。清除301中电荷完毕时的势阱示意图，如图5所示，其中501为301的势阱，502为308的势阱，503为FD区N+区的势阱，504为电源Vdd势阱；Vpin2为501的完全耗尽电势，Vrst2为FD的复位电势，Cpd2为501的电容，Cfd2为503的电容。所述Vpin2不受工作电势限制，Vpin2最高可等于Vdd。
[0043]进一步，像素曝光结束前，开启第一复位晶体管303，即Vrst置为高电平，做漂浮有源区FD复位操作，然后关闭第一复位晶体管303，此操作如图4中的402所示。
[0044]进一步，读取复位信号操作，如图4中404所示。
[0045]进一步，转移光电电荷操作，即将501的中电荷转移至503区，此操作时序如图4中的403所示。转移电荷操作，是通过将302做至少I次开启关闭的动作实现的，所述转移光电电荷的原理图，如图6?图10所不。光电电荷转移前的势讲，如图6所不,501区由于光的照射，产生了大量光电电荷，302处于关闭状态，Vtx处于低电平。转移光电电荷操作，开启302，即将Vtx置为高电平，如图4中的403操作所示，对应的势阱示意图如图7所示，501中的光电电荷重新分配到501、502和302的沟道区中，由于502区与503区之间存在势垒，501与503处于断开状态；然后关闭302的操作中，302未完全关闭时的势阱示意图，如图8所示，此时，502区中存有光电电荷；302完全关闭时，势阱示意图如图9所示，存在502区的电荷，转移到503区中。如此，多次做302开启关闭的动作，最终将501区中的光电电荷全部转移至503区，像素曝光周期结束，此时的势阱示意图如图10所示。
[0046]最后，读取503区中的光电信号，如图4中的405操作所示。
[0047]本实用新型的图像传感器像素，结合本实用新型的像素工作方法，光电二极管的完全耗尽电势不受像素工作电势的制约，其最高值可以为电源电压，其饱和电荷容量最高可以为Cpd2*Vdd。因此，本实用新型有效提高了像素的饱和容量，提升了图像传感器输出的图像品质。
[0048]以上所述，仅为本实用新型较佳的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种高饱和容量的图像传感器像素，包括置于半导体基体中的光电二极管、电荷传输晶体管、第一复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，其特征在于，还包括第二复位晶体管和N型离子区，所述第二复位晶体管与所述光电二极管相连； 所述N型离子区的一部分位于所述电荷传输晶体管沟道中，另一部分位于所述漂浮有源区中，并且与所述漂浮有源区的N+区相连。
2.根据权利要求1所述的高饱和容量的图像传感器像素，其特征在于，所述第二复位晶体管的源极端为光电二极管区，漏极端与电源电压相连。
3.根据权利要求1所述的高饱和容量的图像传感器像素，其特征在于，所述N型离子区与所述电荷传输晶体管沟道交叠部分大于等于0.lum，并且在所述漂浮有源区中的宽度大于等于0.lum。
4.根据权利要求1所述的高饱和容量的图像传感器像素，其特征在于，所述N型离子区的深度小于等于0.2um。
5.根据权利要求1所述的高饱和容量的图像传感器像素，其特征在于，所述漂浮有源区的N+区与电荷传输晶体管栅极的距离大于等于0.lum。
【文档编号】H01L29/10GK204088320SQ201420539363
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】郭同辉, 旷章曲 申请人:北京思比科微电子技术股份有限公司