CN103139497B - Cmos图像传感器的有源像素及cmos图像传感器 - Google Patents
Cmos图像传感器的有源像素及cmos图像传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103139497B CN103139497B CN201310092489.5A CN201310092489A CN103139497B CN 103139497 B CN103139497 B CN 103139497B CN 201310092489 A CN201310092489 A CN 201310092489A CN 103139497 B CN103139497 B CN 103139497B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- photo
- ion injection
- foreign ion
- sensitive cell
- active pixel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 33
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 33
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 7
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 claims description 7
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 claims description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 15
- 238000005286 illumination Methods 0.000 abstract description 10
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 abstract description 10
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 2
- 235000006508 Nelumbo nucifera Nutrition 0.000 description 1
- 240000002853 Nelumbo nucifera Species 0.000 description 1
- 235000006510 Nelumbo pentapetala Nutrition 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000005040 ion trap Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000005316 response function Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
本发明公开了一种CMOS图像传感器的有源像素，至少包括置于半导体基体中的感光元件，连接感光元件的复位晶体管和源跟随晶体管，开关晶体管和列位线。本发明的图像传感器像素感光元件包含两个感光区：低剂量杂质离子注入区和靠近复位晶体管的高剂量杂质离子注入区；低照明时，感光元件内产生的光电电荷仅在高剂量杂质离子注入区收集，光电转换增益高，传感器的灵敏度高；高照明时，感光元件内产生的光电电荷在整个感光元件内收集。因此，本发明的有源像素有效提高了低照明时图像传感器的感光灵敏度，传感器采集到低照明时更多实物细节信息。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器，特别是涉及一种CMOS图像传感器的有源像素及CMOS图像传感器。
背景技术
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。
在现有技术中，CMOS图像传感器一般采用线性光电响应功能的像素结构。如图1所示，CMOS图像传感器采用三晶体管的有源像素，在本领域中也称为3T有源像素，3T有源像素的元器件包括：光电二极管101，复位晶体管102，源跟随晶体管103和开关晶体管104，及列位线105；光电二极管101的一端VPD与复位晶体管102的源极和源跟随晶体管103的栅极相连，VRX为复位晶体管102的栅极端，VSX为开关晶体管104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；开启开关晶体管104，将由源跟随晶体管103探测到的光电二极管101势阱内电势变化信号经列位线105读取并保存。其中，在光电二极管101中产生的光电电荷量与入射光照量成正比，光电二极管101势阱内光电电荷的变化被源跟随晶体管103探测到并转换为电势变化，一个光电电荷转换为电势的量称为光电转换增益；光电电荷量变化时，转换增益保持不变，则源跟随晶体管103在光电二极管处所探测到的电势信号也与光照量成正比关系。
该类图像传感器的光电响应是线性的，在本领域内被称为线性传感器。相对高照明环境，线性传感器不易采集到低照明环境的实物信息，从而降低了传感器的输出图像品质。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种CMOS图像传感器的有源像素及CMOS图像传感器，能保证输出图像的品质，从而解决线性传感器不易采集到低照明环境的实物信息的问题。
解决上述技术问题的技术方案如下：
本发明提供一种CMOS图像传感器的有源像素，包括：置于半导体基体中的感光元件，连接所述感光元件的复位晶体管、源跟随晶体管、开关晶体管和列位线，所述感光元件具有两个感光区：低剂量杂质离子注入区以及与复位晶体管相邻的高剂量杂质离子注入区。
本发明还提供一种CMOS图像传感器，包括按阵列方式排列的多个像素，各像素采用上述的有源像素。
本发明的有益效果是：该有源像素在低照明时，感光元件内产生的光电电荷仅在高剂量杂质离子注入区收集，光电转换增益高，传感器的灵敏度高；高照明时，感光元件内产生的光电电荷在整个感光元件内收集。因此，该有源像素可有效提高低照明时图像传感器的感光灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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附图。
图1为现有技术的CMOS图像传感器的三晶体管(3T)有源像素的电路示意图；
图2为本发明实施例的3T有源像素的PIN型光电二极管横截面示意图；
图3为本发明实施例的PIN型光电二极管曝光开始时的势阱示意图；
图4为本发明实施例的PIN型光电二极管在低照明环境时曝光结束时的势阱示意图；
图5为本发明实施例的PIN型光电二极管在高照明环境时曝光结束时的势阱示意图；
图6为本发明实施例的3T有源像素图像传感器的光电响应曲线示意图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种有源像素，如图2所示，该有源像素至少包括置于半导体基体中的感光元件，连接感光元件的复位晶体管和源跟随晶体管，开关晶体管和列位线，其中，感光元件具有两个感光区：低剂量杂质离子注入区和靠近复位晶体管的高剂量杂质离子注入区。
上述有源像素的感光元件中的低剂量杂质离子注入区能被完全耗尽，靠近复位晶体管的高剂量杂质离子注入区不能被完全耗尽。在像素尺寸小于6.0um时，所述低剂量杂质离子注入区的杂质离子注入剂量大于1E＋12个/cm2并且小于1E＋13个/cm2，所述高剂量杂质离子注入区的高剂量杂质离子注入量大于1E+14个/cm2并且小于1E+15个/cm2。
上述低剂量杂质离子注入量和高剂量杂质离子注入量的多少，要视感光元件大小和复位晶体管阈值电压以及电源电压而定；例如，复位晶体管阈值电压为1.0V，电源电压为3.3V，则6.0um像素尺寸的低剂量杂质离子注入剂量为1.2E+12个/cm2，杂质注入能量为100kev；其高剂量杂质离子注入剂量为5E+14个/cm2，杂质注入能量为60kev。
上述有源像素中，连接感光元件与源跟随晶体管栅极的接触孔位于该感光元件的高剂量杂质离子注入区。
上述有源像素的感光元件可采用光电二极管，该光电二极管可采用PIN型光电二极管，部分PIN型光电二极管或者多晶硅栅型光电二极管。
本实施例的有源像素采用提高低照明环境时图像传感器像素的光电转换增益来达到提高灵敏度的目的，解决现有技术不易采集低照明环境的实物信息，从而提升图像传感器输出的图像品质。
本发明实施例的有源像素为了实现增大低照明环境时的光电转换增益的技术目的，通过对作为感应元件的光电二极管引入了特殊的工艺结构形成一种新的3T像素，如图2所示光电二极管横截面示意图；其中，感光电荷收集区201、202（即两个感光区），PIN型隔离层203，有源区接触孔204、207，复位晶体管102的漏极有源区205，P型杂质离子阱206，P-epi区为P型Si（硅）基体，STI为浅槽隔离区。其中，感光电荷收集区201为低剂量杂质离子注入区，该感光区在光电二极管复位操作时能被完全耗尽；感光电荷收集区202为高剂量杂质离子注入区，该感光区位置靠近复位晶体管102的沟道，该感光区在光电二极管（即感应元件）复位操作时不能被完全耗尽；感光区201、202的杂质离子注入量要视感光元件大小和复位晶体管阈值电压以及电源电压而定。光电二极管（即感应元件）的有源区接触孔204位于感光区202内，并且与VPD端相连，有源区205的接触孔207，与电源电压Vdd相连。
本发明实施例的有源像素的感光元件曝光开始时的势阱示意图，如图3所示，其中，低剂量杂质离子注入区的势阱区301，高剂量杂质离子注入区的势阱区302，复位晶体管102的漏极端有源区的势阱区303；其中301区的完全耗尽电势为Vpin，302区的复位电势为Vreset，303区的电势为电源电压Vdd；并且，301区的势阱电势低于302区的势阱电势。图3中的C1为整个光电二极管的电容，即301区电容，C2为302区电容，并且C2小于C1；301区的光电转换增益为CG1=q/C1，302区的光电转换增益为CG2=q/C2，其中q为一个电子的电量，因此CG2＞CG1。
本发明有源像素的感光元件（光电二极管）在低照明环境下曝光结束时的势阱示意图，如图4所示，低照明环境下，光电二极管曝光期间，在低电势势阱301区产生的光电电荷全部流入高电势势阱302区。因此，在低照明环境时，本发明有源像素的光电转换增益为CG2。
本发明的像素感光元件在高照明环境下曝光结束时的势阱示意图，如图5所示。高照明环境下，光电二极管曝光期间，所产生光电电荷分布在低电势势阱301区。因此，在高照明环境时，本发明有源像素的光电转换增益为CG1。
为了更清晰地描述本发明的有源像素的结构优势，图6示出了本发明图像传感器的光电响应曲线示意图。图6中，横轴为有源像素的曝光量，纵轴为传感器的光电电势信号量，高转换增益区的转换增益为CG2，低转换增益区的转换增益为CG1；Epin为光电电荷填满302势阱区时的感光元件所需曝光量，此时的电势信号量为Vreset-Vpin；Esat为本发明有源像素所能探测的最大信号量Vsat时的感光元件所需曝光量。图6中所标A点和B点分别对应低照明环境（即图4所示意的）和高照明环境（即图5所示意的）的有源像素工作位置。
图像传感器的有源像素感光灵敏度与其光电转换增益成正比关系，本发明从改善3T像素的光电响应性质入手，增大低照明环境时的光电转换增益，提高低照明环境时的感光灵敏度，所以相对高照明环境本发明的有源像素有效提高了低照明环境时的感光灵敏度，达到了图像传感器采集更多低照明的实物细节信息，从而提升传感器输出的图像品质。
本发明实施例还提供一种CMOS图像传感器，包括按阵列方式排列的多个像素，各像素采用本发明的有源像素。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种CMOS图像传感器的有源像素，包括：置于半导体基体中的感光元件，连接所述感光元件的复位晶体管、源跟随晶体管、开关晶体管和列位线，其特征在于，所述感光元件具有两个感光区：低剂量杂质离子注入区以及与复位晶体管相邻的高剂量杂质离子注入区；所述低剂量杂质离子注入区注入的低剂量杂质离子注入量最大值以能够被完全耗尽为准；所述高剂量杂质离子注入区的高剂量杂质离子注入量的最小值以不能够被完全耗尽为准；所述连接所述感光元件与源跟随晶体管的栅极的接触孔位于所述感光元件的高剂量杂质离子注入区；
像素尺寸小于6.0um时，所述低剂量杂质离子注入区的杂质离子注入剂量大于1E+12个/cm2且小于1E+13个/cm2，所述高剂量杂质离子注入区的高剂量杂质离子注入量大于1E+14个/cm2且小于1E+15个/cm2。
2.如权利要求1所述的有源像素，其特征在于，所述感光元件为光电二极管。
3.如权利要求2所述的有源像素，其特征在于，所述光电二极管采用：PIN型光电二极管，部分PIN型光电二极管或者多晶硅栅型光电二极管。
4.一种CMOS图像传感器，其特征在于，包括按阵列方式排列的多个像素，各像素采用上述权利要求1～3任一项所述的有源像素。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310092489.5A CN103139497B (zh) | 2013-03-21 | 2013-03-21 | Cmos图像传感器的有源像素及cmos图像传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310092489.5A CN103139497B (zh) | 2013-03-21 | 2013-03-21 | Cmos图像传感器的有源像素及cmos图像传感器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103139497A CN103139497A (zh) | 2013-06-05 |
| CN103139497B true CN103139497B (zh) | 2017-06-06 |
Family
ID=48498739
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310092489.5A Expired - Fee Related CN103139497B (zh) | 2013-03-21 | 2013-03-21 | Cmos图像传感器的有源像素及cmos图像传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103139497B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103227183B (zh) | 2013-04-08 | 2015-08-19 | 上海华力微电子有限公司 | 一种抑制背照式cmos图像传感器电学互扰的方法 |
| CN105789202B (zh) * | 2016-05-20 | 2018-09-14 | 京东方科技集团股份有限公司 | 有源像素传感器电路、驱动方法和图像传感器 |
| CN106686327B (zh) * | 2016-12-28 | 2019-09-13 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 一种实现三转换增益的像素单元结构 |
| CN117766556A (zh) * | 2023-12-25 | 2024-03-26 | 脉冲视觉(北京)科技有限公司 | 感光器件及其制备方法和传感器像素单元 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101840927A (zh) * | 2009-03-17 | 2010-09-22 | 夏普株式会社 | 固态图像捕捉元件和电子信息设备 |
| CN102315238A (zh) * | 2011-09-28 | 2012-01-11 | 上海宏力半导体制造有限公司 | Cmos图像传感器及其形成方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012069574A (ja) * | 2010-09-21 | 2012-04-05 | Toshiba Corp | 不純物層の形成方法、露光用マスクおよび固体撮像装置の製造方法 |
| US8614112B2 (en) * | 2010-10-01 | 2013-12-24 | Omnivision Technologies, Inc. | Method of damage-free impurity doping for CMOS image sensors |
| CN102290426B (zh) * | 2011-09-09 | 2013-01-02 | 上海中科高等研究院 | 图像传感器及其制造方法 |
| CN102544042B (zh) * | 2012-01-17 | 2014-10-15 | 中国科学院半导体研究所 | 高速cmos图像传感器的像素单元及其制作方法 |
-
2013
- 2013-03-21 CN CN201310092489.5A patent/CN103139497B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101840927A (zh) * | 2009-03-17 | 2010-09-22 | 夏普株式会社 | 固态图像捕捉元件和电子信息设备 |
| CN102315238A (zh) * | 2011-09-28 | 2012-01-11 | 上海宏力半导体制造有限公司 | Cmos图像传感器及其形成方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103139497A (zh) | 2013-06-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN209389038U (zh) | 图像传感器 | |
| CN205666884U (zh) | 图像传感器像素以及成像系统 | |
| CN103139499B (zh) | 具有可变转换增益的图像传感器有源像素及图像传感器 | |
| US6586789B1 (en) | Pixel image sensor | |
| CN101312205A (zh) | 固态成像装置及照相机 | |
| CN103762251A (zh) | 一种双栅极光电薄膜晶体管、像素电路及像素阵列 | |
| WO2019085374A1 (zh) | 光敏探测器、采用其构成的成像芯片以及探测方法 | |
| CN103139497B (zh) | Cmos图像传感器的有源像素及cmos图像传感器 | |
| CN103022069B (zh) | 图像传感器 | |
| CN204217043U (zh) | 扩展动态范围的三晶体管图像传感器像素结构 | |
| CN103491323B (zh) | 一种cmos图像传感器的像素单元和阵列及其制作方法 | |
| CN106601763B (zh) | 具有太阳能电池功能的图像传感器及其电子装置 | |
| CN102820313B (zh) | Cmos图像传感器 | |
| TW201618293A (zh) | 具有具中心接觸件之通道區域之光感測器 | |
| CN110335882B (zh) | 一种可提高帧转移ccd响应度像元结构 | |
| CN104465689A (zh) | 一种高动态范围图像传感器像素单元及其制备方法 | |
| CN102544044B (zh) | Cmos图像传感器及cmos图像传感电路系统 | |
| CN103715215B (zh) | 一种对角度敏感的图像像素单元 | |
| CN204632761U (zh) | 图像传感器 | |
| CN111180477B (zh) | 图像传感器及图像采集设备 | |
| CN105100651B (zh) | 图像传感器及降低图像传感器噪声的方法 | |
| JP2008103554A (ja) | 裏面照射型撮像素子及び半導体基板 | |
| CN104022133B (zh) | 漂浮节点具有可变电容的源像像素及图像传感器 | |
| CN102569325B (zh) | 多功能图像传感器及其制作方法 | |
| CN201741698U (zh) | 背面照光的cmos图像传感器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170606 |