CN102569429A - 图像传感器 - Google Patents

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饶金华
张克云
吴小利
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Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
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Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
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Abstract

根据本发明的图像传感器包括：光感元件、传输管、重置晶体管、以及源跟随晶体管；其中，在所述传输管和所述重置晶体管之间的浮置扩散区层上布置了一个多晶硅层以形成MOS电容，所述MOS电容与浮置扩散区PN结电容并联；并且，在所述传输管和所述重置晶体管之间的浮置扩散区层的体内形成了一个二氧化硅层。

Description

图像传感器
技术领域
本发明涉及电路设计领域，具体涉及一种用于图像传感器的浮置扩散区结构以及采用了该浮置扩散区结构的图像传感器。
背景技术
图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)和CMOS(ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件)两大类。
在图像传感器中，采用传输管(transfer transistor)来传输光电二极管中的光生电子。
如图1，光电二极管1与传输管2相连，在浮置扩散区3注入大剂量的N型离子(如磷，砷)，和P阱形成结电容。浮置扩散区3与源跟随晶体管SF的栅极相连，其起到了电荷-电压转换作用。
如图1所示，图像传感器包括：光电二极管1、传输管2、重置晶体管4、源跟随晶体管5、输出晶体管6(选择器件)、以及负载RL。光电二极管1连接至传输管2；传输管2的浮置扩散区3与源跟随晶体管5的栅极相连；重置晶体管4与源跟随晶体管5相连；并且源跟随晶体管5连接至输出晶体管6以及负载7。
对于P阱与浮置扩散区3之间的PN结的电容，电容随电压变化很大；而且，输出电压的线性区范围很小，限制了传感器在高动态领域的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能够增大输出电压的线性区范围，提高图像传感器动态范围的方法。
根据本发明，提供了一种图像传感器，其包括：光感元件、传输管、重置晶体管以及源跟随晶体管；其中，在所述传输管和所述重置晶体管之间的浮置扩散区层上布置了一个多晶硅层以形成MOS电容；并且MOS电容与浮置扩散区PN结电容并联。由于浮置扩散区衬底的N型离子掺杂浓度很高，因此MOS电容电压系数非常小，即MOS电容随电压变化波动非常小。与传统MOS电容比较，它的电容-电压曲线近似于平板电容。并且，在所述传输管和所述重置晶体管之间的浮置扩散区层的体内形成了一个二氧化硅层。
优选地，所述二氧化硅层是通过离子注入以及退火工艺形成的。
优选地，所述浮置扩散区多晶硅层中间开孔，并且金属接触填充了所述孔。
优选地，所述光感元件是光电二极管。
优选地，所述图像传感器是CMOS图像传感器。
根据本发明，通过在P阱的浮置扩散区中处注入氧元素，通过热处理形成二氧化硅层，从而有效降低P阱与浮置扩散区之间的PN结电容。由此，在仅仅增加MOS电容的情况下，浮置扩散区总电容的电压系数降低，即，总电容随电压变化的波动变小，使输出端电压的线性区范围变大，有利于提高图像传感器的动态范围。进一步，在增加MOS电容并注入氧以形成二氧化硅层的情况下，浮置扩散区3端总电容随电压变化的波动变得更小，输出电压的线性区范围更大，进一步提高像传感器的动态范围。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示出了根据现有技术的图像传感器的电路结构。
图2示出了根据本发明实施例的图像传感器。
图3示出了根据本发明实施例的图像传感器的部分截面图。
图4示出了根据本发明实施例的图像传感器的输出电压与光生电子的关系曲线图。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
图2示出了根据本发明实施例的图像传感器。可以看出，该结构的连接关系实际上与图1所示的电路结构的一个电路分支相对应。如图2所示，光电二极管1、传输管2、重置晶体管4、源跟随晶体管5以及可选的选择器件SEL依次连接。
需要说明的是，光电二极管1是光感元件的一个具体示例，在其它应用中，可以采用其它合适的光感元件。
与图1所示的结构不同的是，图2所示的图像传感器在传输管2和重置晶体管4之间的浮置扩散区层3上附加地布置了一个多晶硅层(8)以形成MOS电容，该MOS电容与浮置扩散区PN结电容并联。由于浮置扩散区衬底的N型离子掺杂浓度很高(如背景技术所述，在制作图像传感器，会在浮置扩散区3注入大剂量的N型离子)，因此MOS电容电压系数非常小，即MOS电容随电压变化波动非常小。与传统MOS电容比较，它的电容-电压曲线近似于平板电容。
可进一步布置用于浮置扩散区多晶硅层8下方的有源区的连接的源区接触CTACT以及用于浮置扩散区多晶硅层8的连接的多晶硅接触CTPOLY。
图3示出了根据本发明实施例的图像传感器的部分截面图。图3所示的截面图是沿着图2所示的线A-A截取的结构图。
如图3所示，根据本发明实施例的图像传感器在图像传感器在传输管2和重置晶体管4之间的浮置扩散区层3中进行了氧元素注入，通过热处理以形成二氧化硅层10。如图3所示，二氧化硅层10不在表面处，而是位于浮置扩散区层3的一定深度处(浮置扩散区层3体内)；即，二氧化硅层10与浮置扩散区层3的表面相距一定距离，通常位于浮置扩散区PN结深位置。
由此，通过在P阱的浮置扩散区3中处注入氧元素，通过热处理形成二氧化硅层，从而有效降低P阱与浮置扩散区3之间的PN结电容。
并且，如图3所示，浮置扩散区多晶硅层8中间开孔，并且金属接触9填充了该孔，从而金属接触9可连接至浮置扩散区多晶硅层8下方的有源区。可在浮置扩散区多晶硅层8之间通过金属接触9而连接至光电二极管1的阳极。
图4示出了根据本发明实施例的图像传感器以及根据现有技术的图像传感器的输出电压Vout与光生电子Q的关系曲线图。其中，曲线C1表示根据现有技术的图像传感器的输出电压与光生电子的关系曲线；曲线C2表示在仅仅增加MOS电容的情况下关系曲线；曲线C3表示在增加MOS电容并注入氧以形成二氧化硅层的情况下的关系曲线。
如图4所示，在仅仅增加MOS电容的情况下，浮置扩散区3总电容随电压变化波动减小，输出电压Vout的线性区范围变大，有利于提高像传感器的动态范围。进一步，在增加MOS电容并注入氧以形成二氧化硅层的情况下，浮置扩散区3电容变得更稳定，输出电压Vout的线性区范围更大，进一步提高像传感器的动态范围。
在一个具体示例中，例如，上述图像传感器是一个CMOS图像传感器。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种图像传感器，其特征在于包括：光感元件、传输管、重置晶体管以及源跟随晶体管；其中，在所述传输管和所述重置晶体管之间的浮置扩散区层上布置了一个多晶硅层以形成MOS电容，所述MOS电容与浮置扩散区PN结电容并联；并且，在所述传输管和所述重置晶体管之间的浮置扩散区层的体内形成了一个二氧化硅层。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述二氧化硅层是通过离子注入以及退火工艺形成的。
3.根据权利要求1或2所述的图像传感器，其特征在于，所述浮置扩散区多晶硅层中间开孔，并且金属接触填充了所述孔。
4.根据权利要求1或2所述的图像传感器，其特征在于，所述光感元件是光电二极管。
5.根据权利要求1或2所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器是CMOS图像传感器。
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