彩色像素单元结构、电路、图像传感器和驱动方法与流程

1.本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种彩色像素单元结构、电路、图像传感器和驱动方法。


背景技术：

2.拜尔最早发现人眼对红绿蓝中的绿色最敏感，因此提出了1红2绿1蓝的rggb排列方式将黑白信息转化成彩色信息，如图1所示的拜尔阵列。现在市场上大规模使用的cmos图像传感器均采用拜耳阵列的红绿蓝三原色滤光片，但由于光线在经过滤镜时，只允许同种颜色的光进入，因此拜尔阵列的分色作用在转化颜色信息的同时也会导致光线强度的损失，示例性地，如图2所示，同时这种模式注定限制了有限面积上的像素数量，所以各生产厂商为了提升显示效果，会不遗余力的追求微缩像素大小。理想情况下，像素数越多意味着图像解析力越好，使得在光照充足条件下出片效果更好，可以让照片在被截取之后仍有较好的清晰度，从而助力更高倍率的数字变焦或混合变焦。然而，对于相同尺寸的cis，如果不改进设计和工艺，单纯地提高像素数不一定提升成像效果，主要是因为原本属于某像素的外界光线，在以倾斜角度入射时，在穿过微透镜和彩色滤光片之后，可能会穿越到其临近的像素上，这会造成不同颜色的光发生串扰(crosstalk)，对最终的成像产生不利影响。
3.为此，亟需提供一种新的彩色像素单元结构的设计方案，以改善不同颜色的光串扰问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种彩色像素单元结构、电路、图像传感器和驱动方法，该彩色像素单元结构能够改善不同颜色的光串扰问题。
5.第一方面，本发明提供一种彩色像素单元结构，包括：基底，所述基底包括相对设置的正面和背面；位于所述基底中的感光单元、第一垂直栅、第二垂直栅和条栅，所述第一垂直栅作为蓝光传输管，所述第二垂直栅作为绿光传输管，所述条栅作为红光传输管；所述感光单元包括相互堆叠的红光感光层、绿光感光层和蓝光感光层，所述绿光感光层置于所述红光感光层和所述蓝光感光层之间，所述感光单元用于读取光生电子数量；第一垂直栅的深度与蓝光感应层的深度相对应，第二垂直栅的深度与绿光感应层的深度相对应；位于所述第一垂直栅旁侧的第一传输源区和第一浮置扩散区，以及位于所述第二垂直栅旁侧的第二传输源区和第二浮置扩散区，所述第一传输源区与所述蓝光感光层通过第一沟道电连接，所述第二传输源区与所述绿光感光层通过第二沟道电连接，位于条栅旁侧的第三浮置扩散区与所述红光感光层通过第三沟道电连接。
6.本发明提供的彩色像素单元结构的有益效果在于：本发明中的彩色像素单元采用三层堆叠感光层作为不同波长光线的光生电子感应节点，利用两个不同深度的垂直栅分别作为蓝光传输管和绿光传输管，条栅作为最表面的红光传输管，分别读取三个感光层的光生电子数量，最后通过线性校准生成同时曝光的整个彩色图像。该结果相对于拜耳彩色感
光阵列，几乎不占用额外的像素面积，可以将像元垂直感光区域的填充率达到最大，能有效提升像素数量集成度，同时使用感光区内部势阱隔离，改善不同颜色的串扰。
7.一种可能的实施方式中，所述红光感光层和绿光感光层之间设有p型隔离区，以及所述绿光感光层和蓝光感光层之间设有p型隔离区。该方案中，p型隔离区主要是通过势垒阻止电子的上下运动，降低上下区域间的不同颜色的光生电子发生串扰。
8.一种可能的实施方式中，所述红光感光层临近所述基底的正面，所述蓝光感应层远离所述基底的正面。该方案中，基于不同波长的光产生的光生电子主要深度不一致的特点，按照上述方法布局不同颜色的感光层，可以将像元垂直感光区域的填充率达到最大。
9.一种可能的实施方式中，所述蓝光感光层和所述基底的背面之间还设有高k氧化层。该层高k氧化层可以包含氧化铪(hfo)和氧化铝(al2o3)中的至少一种，并且可具有10埃到100埃厚度，用于在背面硅中保留空穴积累区，一方面高k材质能提高栅氧化层的绝缘性能，另一方面借此改进电隔离并减少白像素。
10.一种可能的实施方式中，所述红光感光层、绿光感光层和蓝光感光层均为n型掺杂区。
11.第二方面，本发明还提供一种图像传感器，包括如上述第一方面任意一个实施例所述的彩色像素单元结构组成的像素阵列。
12.第三方面，本发明还提供一种彩色像素单元结构，三个传输管tg的一端均与所述光电二极管pd的阴极连接，所述光电二极管pd的阳极接地，所述光电二极管pd用于接收光线并产生光生电子；所述三个传输管tg的另一端均连接至复位管rt的一端和放大管sf的栅极，所述传输管用于将所述光电二极管产生的光生电子传输到目标节点；所述三个传输管tg分别为红色传输管tg_red、绿色传输管tg_green和蓝色传输管tg_blue；所述复位管rt的另一端和放大管sf的一端均连接电源电压，用于将像素单元复位；放大管sf的另一端连接选通晶体管sel的一端，所述选通开关管sel的另一端输出电压，所述放大管sf用于将所述目标节点处的电压放大；所述选通开关管用于选择是否输出所述放大管sf放大的电压。该彩色像素单元结构的有益效果可以参见上述第一方面所述内容。
13.第四方面，本发明还提供一种彩色像素单元电路的驱动方法，可以应用于上述第一方面所述的像素单元电路，包括：在第零时刻打开复位管rt和三个传输管tg，复位像素单元；在第一时刻关断所述三个传输管tg，且保持所述复位管rt仍处于打开状态，并且感光单元开始曝光；在第三时刻，打开蓝光传输管，当蓝光感应光层内积累的电子传递至第一浮置扩散区fd1之后关闭蓝光传输管，并读取所述蓝光光生电子数量；复位第一浮置扩散区fd1之后，在第四时刻打开绿光传输管，当绿光感光层内积累的电子传递至第二浮置扩散区fd2之后关闭绿光传输管，并读取所述绿光光生电子数量；复位第二浮置扩散区fd2之后，在第五时刻打开红光传输管，当红光感光层内积累的电子传递至第三浮置扩散区fd3之后关闭红光传输管，并读取所述红光光生电子数量；根据所述所述蓝光光生电子数量、所述绿光光生电子数量和红光光生电子数量合成彩色图像。该驱动方法能够读取三个感光层的光生电子数量，最后通过线性校准生成同时曝光的整个彩色图像。该结果相对于拜耳彩色感光阵列，几乎不占用额外的像素面积，可以将像元垂直感光区域的填充率达到最大，能有效提升像素数量集成度，同时使用感光区内部势阱隔离，从而改善不同颜色光发生的串扰。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为现有技术中的一种拜尔阵列；
16.图2本发明实施例提供的一种拜尔阵列的分色作用示意图；
17.图3为本发明实施例提供的一种背照式彩色像素的感光单元结构示意图；
18.图4为本发明实施例提供的一种彩色像素单元结构的平面结构示意图；
19.图5为本发明实施例提供的一种彩色像素单元电路结构示意图；
20.图6为图4中的彩色像素单元结构沿a-a’方向的截面图；
21.图7为图4中的彩色像素单元结构沿b-b’方向的截面图；
22.图8为本发明实施例提供的一种彩色像素单元电路的驱动方法流程示意图；
23.图9为本发明实施例提供的电路驱动时序示意图；
24.图10为本发明实施例提供的像元阵列数据合成图像时序图。
具体实施方式
25.为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
26.需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
27.考虑到众多不同波长的光由于穿透性能力在硅中的入射深度有差异，例如450nm光在硅中表面1μm会被吸收90％以上，550nm的光主要在硅中1μm至3μm中吸收80％以上，而650nm的光由于能量小主要是在3μm以上的硅中吸收，光在硅中吸收的过程主要是转换成电子，即光生电子，这种效应意味着不同波长的光产生的光生电子主要深度不一致，因为本发明实施例利用该原理读取图像传感器中不同深度光生电子，从而推算出不同波长光线强度。如图3所示，红光的光线强度最强，所以红光产生的光生电子深度最深，蓝光的光线强度最弱，所以蓝光产生的光生电子深度最浅，绿光的光线强度居中，所以绿光产生的光生电子深度居中。
28.基于上述规律，本发明提供一种彩色像素单元结构，如图3所示，本发明提供的像元单元结构中感光单元采用三层堆叠的感光层作为不同波长光线的光生电子感应节点，蓝光的感光层最贴近感光表面，红光的感光层最远离感光表面。然后，分别读取三个感光层的光生电子数量，最后通过线性校准生成同时曝光的整个彩色图像。该结果相对于拜耳彩色感光阵列，几乎不占用额外的像素面积，可以将像元垂直感光区域的填充率达到最大，能有效提升像素数量集成度，同时使用感光区内部势阱隔离，改善不同颜色的串扰，另外采用背照式入射光(back side illuminated，bsi)，相对于传统的正面表面照射型cmos传感器，该像素单元结构的光电二极管(photo diode，pd)位于整个芯片的最下层，因此光电二极管离
微透镜的距离相对更远，同时没有前照式金属连接层对于光线的遮挡，实际感光更多成像质量也更好。
29.具体来说，本发明实施例提供一种彩色像素单元结构，图4示出了该彩色像素单元结构的平面示意图，该像素单元结构包括位于基底中的三个对应不同光生电子传输管(transfer gate，tg)，以及三个mos管的栅氧、源漏有源区之间的浮置扩散区。三个对应不同光生电子传输管分别为对应红光传输管tg_red、对应绿光传输管tg_green和对应蓝光传输管tg_blue，三个mos管的栅氧、源漏有源区之间的浮置扩散区分别为位于传输管tg_red旁侧的第一浮置扩散区、位于传输管tg_green旁侧的第二浮置扩散区，位于传输管tg_blue旁侧的第三浮置扩散区。
30.图5为对应上述彩色像素单元结构的彩色像素单元电路，包括光电二极管pd、三个传输管tg、复位管rt、放大管sf(source follower)和选通开关管sel(select)；其中：
31.三个传输管tg的一端均与所述光电二极管pd的阴极连接，所述光电二极管pd的阳极接地107，所述光电二极管pd用于接收光线并产生光生电子；所述三个传输管tg的另一端均连接至复位管rt的一端和放大管sf的栅极，所述三个传输管均用于将所述光电二极管产生的光生电子传输到目标节点p；所述三个传输管tg分别为红色传输管tg_red103、绿色传输管tg_green102和蓝色传输管tg_blue101；所述复位管rt104的另一端和放大管sf105的一端均连接电源电压vdd108，用于将像素单元复位；放大管sf105的另一端连接选通晶体管sel106的一端，所述选通开关管sel106的另一端vout109输出电压，所述放大管sf105用于将所述目标节点p处的电压放大；所述选通开关管sel106用于选择是否输出所述放大管sf105放大的电压。
32.为了方便区分，本文将红色传输管tg_red103、复位管rt和放大管sf三个mos管的栅氧、源漏有源区之间的浮动扩散区(floating diode，fd)组成的寄生电容称为fd3；将绿色传输管tg_green102、复位管rt和放大管sf三个mos管的栅氧、源漏有源区之间的fd2；本文将蓝色传输管tg_blue101、复位管rt和放大管sf三个mos管的栅氧、源漏有源区之间的寄生电容称为fd1；物理结构上fd1、fd2和fd3是分别掺杂注入形成，电学上通过金属连线并联至同一目标节点p上。
33.图6为图4所示彩色像素单元结构的沿a-a’方向的截面图，图7为图4所示彩色像素单元结构的沿b-b’方向的截面图，从图6和图7可见，彩色像素单元结构，包括：基底100，所述基底包括相对设置的正面和背面；位于所述基底中的感光单元、第一垂直栅101、第二垂直栅102和条栅103，所述第一垂直栅101作为蓝光传输管，所述第二垂直栅102作为绿光传输管，所述条栅103作为红光传输管。
34.所述感光单元包括相互堆叠的红光感光层93、绿光感光层92和蓝光感光层91，所述绿光感光层92置于所述红光感光层93和所述蓝光感光层91之间，所述感光单元用于读取光生电子数量；第一垂直栅102的深度与蓝光感应层92的深度相对应，第二垂直栅101的深度与绿光感应层91的深度相对应。示例性的，所述红光感光层93、绿光感光层92和蓝光感光层91均为n型掺杂区。
35.另外，该彩色像素单元结构还包括位于所述第一垂直栅102旁侧的第一传输源区和第一浮置扩散区fd1，以及位于所述第二垂直栅101旁侧的第二传输源区和第二浮置扩散区fd2，所述第一传输源区与所述蓝光感光层91通过第一沟道121电连接，所述第二传输源
区与所述绿光感光层92通过第二沟道122电连接，位于条栅103旁侧的第三浮置扩散区fd3与所述红光感光层93通过第三沟道123电连接。当外部光源照射具有上述彩色像素单元结构的图像传感器时，入射光首先接触到蓝光感应光层91，其中，蓝光感应光层91可以采用n型掺杂，使用砷或磷或组合掺杂，n型离子浓度大约在10
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atoms/cm2至10
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atoms/cm2之间。蓝光在蓝光感应光层91感生出光电子，蓝光能量逐渐消散，而绿光和红光由于波长较长会直接穿透这部分区域。蓝光光生电子被收集在区域91中，后续当传输管tg_blue打开通过p型导电沟道121传输到对应的第一浮置扩散区fd1中，其中传输管tg_blue采用垂直栅结构，该传输管tg_blue101形成的第一垂直栅101与蓝光感应光层91深度对应，可以精确控制导电沟道121；第一浮置扩散区fd1可以采用n型注入，一般砷或磷或组合掺杂浓度大约在10
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atoms/cm2至10
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atoms/cm2之间；而沟道121采用p型硼离子掺杂，一般会比源漏区低两个数量级，一般为10
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atoms/cm2左右的硼原子浓度，后续再被读出信号至放大管sf105，最终通过选通开关管106放大后输出蓝光光生电子对应的电信号。穿过蓝光感应光层91区域的绿光和红光继续在硅中传播，入射至绿光感光层92，该区域n型与蓝光感应光层91类似，同时与蓝光感应光层91之间采用p型隔离区126隔离，主要是通过势垒阻止电子的上下运动，降低上下区域间的不同颜色光生电子串扰。可选地，p型隔离区126主要使用p型硼离子掺杂，一般会比n型区高两个数量级，一般为10
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atoms/cm2至10
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atoms/cm2之间的硼原子浓度。绿光光生电子被收集在绿光感光层92中，在后续传输管tg_green打开通过p型导电沟道122传输到对应的第二浮置扩散区fd2中，后续再被读出信号至放大管sf105，最终通过选通开关管106放大后输出绿光光生电子对应的电信号。其中，传输管tg_green采用垂直栅结构，该传输管tg_green形成的第二垂直栅与绿光感光层92的深度相对应，可以精确控制导电沟道122，导电沟道122与导电沟道121掺杂情况一致，第二浮置扩散区fd2与第一浮置扩散区fd1的掺杂情况一致。
36.最终，入射白光被过滤剩下的为红光入射至红光感光层93，该红光感光层93的n型与蓝光感光层91类似，同时与下方绿光感光层92之间采用p型隔离区127，p型隔离区127与p型隔离区126掺杂情况类似。红光光生电子被收集在红光感光层93中，在后续传输管tg_red打开通过p型导电沟道123传输到对应的第三浮置扩散区fd3中，后续再被读出信号至放大管sf105，最终通过选通开关管106放大后输出红光光生电子对应的电信号。其中沟道123与沟道121掺杂情况一致，第三浮置扩散区fd3与第一浮置扩散区fd1掺杂情况一致。可选地，由于红光感光层上面为上层金属区，所以可以增加一层重掺p型隔离区128，其采用p型硼离子掺杂，一般为10
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atoms/cm2至10
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atoms/cm2之间的硼原子浓度，用于隔离后道金属工艺离子影响，同时防止感光单元pd界面耗尽，使感光单元pd性能稳定、降低暗电流、增大灵敏度。
37.可选的，如图6所示，所述蓝光感光层91和所述基底的背面之间还设有高k氧化层125。自然入射白光首先需要经过像元背面的高k氧化层125，该高k氧化层125可包含氧化铪(hfo)和氧化铝(al2o3)中的至少一个，并且可具有10埃到100埃厚度，用于在背面硅中保留空穴积累区，借此改进电隔离并减少白像素，由于其膜层很薄对于白光几乎是穿透过。
38.基于上述彩色像素单元结构，下文进一步结合图8示出了一种彩色像素单元电路的驱动方法流程示意图，包括如下步骤。
39.s801，在第零时刻打开复位管rt和三个传输管tg，复位像素单元；
40.s802，在第一时刻关断所述三个传输管tg，且保持所述复位管rt仍处于打开状态，并且感光单元开始曝光；
41.s803，在第三时刻，打开蓝光传输管，当蓝光感应光层内积累的电子传递至第一浮置扩散区fd1之后关闭蓝光传输管，并读取所述蓝光光生电子数量；
42.s804，复位第一浮置扩散区fd1之后，在第四时刻打开绿光传输管，当绿光感光层内积累的电子传递至第二浮置扩散区fd2之后关闭绿光传输管，并读取所述绿光光生电子数量；
43.s805，复位第二浮置扩散区fd2之后，在第五时刻打开红光传输管，当红光感光层内积累的电子传递至第三浮置扩散区fd3之后关闭红光传输管，并读取所述红光光生电子数量；
44.s806，根据所述所述蓝光光生电子数量、所述绿光光生电子数量和红光光生电子数量合成彩色图像。
45.图9为该彩色像素单元电路的驱动时序图，首先t0到t1时刻三个电子传输管tg_blue、tg_green和tg_red，以及打开复位管rt，复位像素单元，使整个图像传感器阵列中所有像素单元处于相同状态；t1到t3时刻，复位管rt保持打开使各个浮置扩散区均处于高电压，如果感光单元pd内有溢出电子也会被复位管rt的电源端108的固定高电位抽走，同时将三个tg管关闭，像素开始曝光，入射白光在单个pd中三个不同深度节点产生电子，光生电子量有视场入射光波长决定；t3到t4时刻传输管tg_blue101打开，将蓝光感应光层91内积累的电子传递至第一浮置扩散区fd1，再关闭传输管tg_blue101，此时第一浮置扩散区fd1中由于蓝光光生电子使电势升高，再t4时刻到t5时刻分别开关选通开关sel106，在输出端vout109读取vout_blue；然后t6时刻到t7时刻分别开关复位管rt104，复位第二浮置扩散区fd2，再在t7时刻到t8时刻之间的时段打开传输管tg_green102，将绿光感光层92内积累的电子传递至第二浮置扩散区第二浮置扩散区fd2，再关闭传输管tg_green102，此时第二浮置扩散区fd2中由于绿光光生电子使电势升高，再t8到t9时刻分别开关选通开关sel106，在输出端vout109读取vout_green；然后t10到t11时刻打开复位管rt104，复位第二浮置扩散区fd2，再t11时刻到t12时刻之间的时段打开传输管tg_red103打开，将红光感光层93内积累的电子传递至第三浮置扩散区fd3，再关闭传输管tg_red103，此时第三浮置扩散区fd3中由于红光光生电子使电势升高，再t12时刻到t13时刻分别打开选通开关管106，在输出端vout109读取vout_red；最后t14时刻到t15时刻分别开关复位管rt104，复位第三浮置扩散区fd3，此时第三浮置扩散区fd3中由于没有光生电子使电势最低，再t16到t17时刻分别开关选通开关管106，在输出端vout109读取vout_empty。算法计算时，蓝光光生电子数量＝vout_empty-vout_blue、绿光光生电子数量＝vout_empty-vout_green、红光光生电子数量＝vout_empty-vout_red，像素阵列中每个像素单元都有相应的红绿蓝数据，最终配比合成彩色图片如图10所示。
46.从上述内容可见，上述驱动方法能够分别读取三个感光层的光生电子数量，最后通过线性校准生成同时曝光的整个彩色图像。该结果相对于拜耳彩色感光阵列，几乎不占用额外的像素面积，可以将像元垂直感光区域的填充率达到最大，能有效提升像素数量集成度，同时使用感光区内部势阱隔离，从而改善不同颜色光发生的串扰。
47.以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保
护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
48.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。
49.对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。