CN103152529A - 提高电荷转移效率减小暗电流的像素结构及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高电荷转移效率减小暗电流的像素结构及其工作方法，有光电二极管PD的N端连接传输晶体管TX的源极，光电二极管PD的P端接地，传输晶体管TX的漏极、复位晶体管RST的源极、源跟随晶体管SF的栅极以及浮扩散区FD的一端相连接，浮扩散区FD的另一端接地，复位晶体管RST的漏极和源跟随晶体管SF的漏极连接电源VDD，源跟随晶体管SF的源极连接选择晶体管SEL的漏极，选择晶体管SEL的源极为输出端连接到列输出信号线上，传输晶体管TX的栅极分为第一栅极TX1和第二栅极TX2两部分。本发明通过在传输管上采用双栅结构，在电荷积分和电荷转移过程中加不同的偏置电压来减小暗电流，同时提高了阱容量，优化了电荷转移路径中的电势分布，更有利于转移，减小图像拖尾。
Description
技术领域
本发明涉及一种像素结构。特别是涉及一种提高电荷转移效率减小暗电流的像素结构及其工作方法。
背景技术
尽管CCD(Charge Couple Device,CCD)在图像传感器中得到广泛应用，但CMOS图像传感器(CMOS Image Sensors,CIS)以它的低功耗、易集成和低成本等优势在数码相机、扫面设备等应用上具有很大的吸引力。由于传统CCD图像传感器功耗大、不能与标准CMOS工艺兼容提高了成本，正逐渐被发展迅速的CMOS图像传感器取代。
CMOS图像传感器中的像素阵列是收集光信号并转换成电信号的部分，对图像传感器的性能有重要影响。现有的像素结构主要分为无源像素（Passive Pixel Sensor，PPS）和有源像素（Active Pixel Sensor,APS）。由于无源像素存在信号容易衰减，噪声大等问题没有得到广泛应用。现在的有源像素根据晶体管数量的不同主要分为三管有源像素（3T-APS）、四管有源像素（4T-APS）、五管有源像素（5T-APS）等类型，其中，具有钳位光电二极管（Pinned Photodiode,PPD）结构的四管有源像素应用最为广泛。图1所示是典型的四管有源像素结构。四管有源像素由光电二极管（Photodiode，PD）、传输管（TransferT ransistor，TX）、浮空扩散区（FloatingDiffusion，FD）、复位晶体管（Reset Transistor，RST）、源跟随器（Source Follower，SF）、选择管（Select Transistor，SEL）构成。其中传输管中光电二极管的具体结构如图2所示，由表面的高掺杂的P+钳位层、N埋层和衬底共同组成。
CMOS图像传感器中四管有源像素的工作时序如图3所示，首先复位管RST打开，对FD复位，并作为相关双采样（CDS）的第一个信号输出；然后传输管TX打开，将光电二极管中光电效应产生的信号电子转移到浮空扩散节点FD处，并转换成电压信号，通过源极跟随器SF和选择管SEL输出到列信号线上，作为相关双采样的第二个信号输出；最后，两个CDS信号做差，并经过后续处理电路得到所需图像。复位管RST给FD和PD复位，进入下一个工作周期。
从像素在CMOS图像传感器中的作用和它的工作原理可以看出，光电二极管内收集到的信号电子是否能够完全快速的转移是CMOS图像传感器成像质量的关键因素。而电荷转移的关键位置是传输栅下沟道的电势分布，梯度电势分布可以有效的提高电荷转移效率。使前一帧中的电子能够尽量多的转移到FD中，不对下一帧的信号产生影响，减小图像拖尾。
随着工艺尺寸的逐渐缩小，进入亚微米后，像素中的暗电流成为限制成像质量的关键因素。暗电流是CCD或CMOS图像传感器像素在未受光照条件下存在的本底电流。是光电探测器在不受光照下的信号响应，暗电流的存在会严重影响图像传感器的成像质量。而暗电流主要产生于Si-SiO2界面处，钳位光电二极管结构的像素得以广泛应用的主要原因就是其表面的高掺杂P+钳位层将Si-SiO2界面与电荷收集区域的N埋层隔离开，减小了此处产生的暗电流。因此，现在的暗电流主要产生于传输栅下的电荷转移沟道处。暗电流的产生是由于晶体的缺陷处于非平衡状态，在传输栅上加一个很小的负偏压可以使栅下积累空穴后使高密度缺陷的区域恢复平衡，因此抑制了暗电流的产生。但由于传输栅下的电势平坦，在电荷转移结束后，沟道中残余的电子在传输管关断的时候会既可能流回PPD中，又可能流入FD中，影响电子的转移效率，同时会产生图像拖尾。因此，该问题需要进一步解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过改变四管像素中传输管的栅结构，在电荷积分和转移过程中分别加不同的偏置电压，在电荷积分期间减小传输栅沟道中产生的暗电流的提高电荷转移效率减小暗电流的像素结构及其工作方法。
本发明所采用的技术方案是：一种提高电荷转移效率减小暗电流的像素结构，包括复位晶体管RST，传输晶体管TX、选择晶体管SEL、源跟随晶体管SF、光电二极管PD和浮扩散区FD，其中，所述的光电二极管PD的N端连接传输晶体管TX的源极，光电二极管PD的P端接地，传输晶体管TX的漏极、复位晶体管RST的源极、源跟随晶体管SF的栅极以及浮扩散区FD的一端相连接，所述的浮扩散区FD的另一端接地，所述的复位晶体管RST的漏极和源跟随晶体管SF的漏极连接电源VDD，源跟随晶体管SF的源极连接选择晶体管SEL的漏极，选择晶体管SEL的源极为输出端连接到列输出信号线上，所述的传输晶体管TX的栅极分为第一栅极TX1和第二栅极TX2两部分。
所述的传输晶体管TX的第一栅极TX1和第二栅极TX2的栅长由采用的工艺标准决定。
所述的传输晶体管TX的第一栅极TX1和栅长大于第二栅极TX2的栅长。
一种提高电荷转移效率减小暗电流的像素结构的工作方法，首先复位晶体管RST打开，对浮扩散区FD复位，并作为相关双采样的第一个信号输出；然后传输晶体管TX的打开，传输晶体管TX的第一栅极TX1和第二栅极TX2采用两条信号线控制，将光电二极管PD中光电效应产生的信号电子转移到浮扩散区FD处，并转换成电压信号，浮扩散区FD的电压信号由源跟随晶体管SF读出，最后通过行选择管读出到外部处理电路中。
传输晶体管TX的第一栅极TX1在电荷积分期间加的电压低于GND，为负电压，而在电荷转移期间加的电压低于电源电压VDD。
本发明的提高电荷转移效率减小暗电流的像素结构及其工作方法，通过在传输管上采用双栅结构，在电荷积分和电荷转移过程中加不同的偏置电压来减小暗电流，同时提高了阱容量，优化了电荷转移路径中的电势分布，更有利于转移，减小图像拖尾。
附图说明
图1是现有技术的典型的四管有源像素示意图；
图2是现有技术的典型传输管结构；
图3是典型四管像素工作时序；
图4（a）是本发明的传输管结构；
图4（b）是本发明的电荷积分期间电荷转移路径上的电势能分布；
图4（c）是本发明的电荷转移期间电荷转移路径上的电势能分布；
图5（a）是本发明的四管有源像素结构；
图5（b）是本发明的工作时序。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的提高电荷转移效率减小暗电流的像素结构及其工作方法做出详细说明。
如图4（a）、图5（a）所示，本发明的提高电荷转移效率减小暗电流的像素结构，在传统4T有源像素基础上，改变了传输管（TX）的栅结构，包括复位晶体管RST，传输晶体管TX、选择晶体管SEL、源跟随晶体管SF、光电二极管PD和浮扩散区FD，其中，所述的光电二极管PD的N端连接传输晶体管TX的源极，光电二极管PD的P端接地，传输晶体管TX的漏极、复位晶体管RST的源极、源跟随晶体管SF的栅极以及浮扩散区FD的一端相连接，所述的浮扩散区FD的另一端接地，所述的复位晶体管RST的漏极和源跟随晶体管SF的漏极连接电源VDD，源跟随晶体管SF的源极连接选择晶体管SEL的漏极，选择晶体管SEL的源极为输出端连接到列输出信号线上，所述的传输晶体管TX的栅极分为第一栅极TX1和第二栅极TX2两部分。
所述的传输晶体管TX的第一栅极TX1和第二栅极TX2的栅长由采用的工艺标准决定。所述的传输晶体管TX的第一栅极TX1和栅长大于第二栅极TX2的栅长，这样更有利于暗电流的减小。
新的栅结构的作用是在像素的电荷积分期间和电荷转移期间内加不同的偏置电压。所加偏压的大小由采用的工艺标准、工艺条件和半导体材料决定。在像素工艺流程中，将传输管的栅分为两个栅的设计可以通过设计多晶硅淀积等相关工艺步骤的掩模板的即可，而不需要在现有工艺流程中增加额外的工艺步骤。
本发明的提高电荷转移效率减小暗电流的像素结构的工作方法，是首先复位晶体管RST打开，对浮扩散区FD复位，并作为相关双采样（CDS）的第一个信号输出；然后传输晶体管TX的打开，传输晶体管TX的第一栅极TX1和第二栅极TX2采用两条信号线控制，将光电二极管PD中光电效应产生的信号电子转移到浮扩散区FD处，并转换成电压信号，浮扩散区FD的电压信号由源跟随晶体管SF读出，最后通过行选择管读出到外部处理电路中。
新的工作时序只改变了传输晶体管TX的第一栅极TX1和第二栅极TX2的工作电压，其他与前面叙述的现有技术工作时序相同。图5(b)中已经标出电源电压VDD和接地电压GND。传输晶体管TX的第一栅极TX1在电荷积分期间加的电压低于GND，为负电压，而传输晶体管TX的第一栅极TX1在电荷转移期间加的电压低于电源电压VDD。
本发明的提高电荷转移效率减小暗电流的像素结构及其工作方法，具体的工作原理描述如下：
像素中电子转移的通道为从光电二极管PD内光电效应产生的电子，通过传输晶体管TX的第一栅极TX1和第二栅极TX2，最后到达浮扩散区FD，将电子转换成电压读出。
在电荷积分时间，即曝光时间内，分别在传输晶体管TX的第一栅极TX1和第二栅极TX2上加不同的偏压，使电势能在传输栅下靠近光电二极管PD的一侧高于靠近达浮扩散区FD一侧的电势能。使沿着电子转移通道如图4（a）所示路径a-b-c-d上产生如图4（b）所示电势能分布情况。图4（b）中a处的电势是在第一栅极TX1上加一定的负偏压产生的，由于所加的负偏压会在沟道下形成空穴积累，填充了Si-SiO2的界面态，因此减小了此处暗电流的产生。同时在第二栅极TX2上加一定的偏压，使b处的电势能略低于a处，在抑制暗电流产生的同时，由于栅下形成的梯度电势分布，可以使存在的暗电流和电荷转移后残留在沟道中的电子在梯度电势的作用下流到d处，即浮扩散区FD内。由4T像素的工作原理可知，在传输管转移电子之前，浮扩散区FD会被复位，因此，此处流到浮扩散区FD内的多于电子会被复位掉，与实际的电信号分开，不会影响有用的信号电荷，减小暗电流的同时提高了电荷转移效率，减小了图像拖尾。并且在电荷积分期间栅上加负偏压后电势能提高，对于电子来说存在更高的势垒阻挡，使PPD内能存贮更多的电子，增大了像素的阱容量。
在电荷转移期间，在传输晶体管TX的第一栅极TX1和第二栅极TX2上也采用不同的偏压使传输管导通，采用此工作方式的目的是电荷转移期间在栅下产生电势梯度，使沿电子转移路径上电势依次变高，即Va<Vb<Vc<Vd，如图4(c)所示为电子转移路径的电势能分布图。使电子在电场作用下转移的更快更完全。在大尺寸像素中，电荷转移一直是一个关键问题，此种方法可以提高电荷转移速度，使电荷转移更完全。在相同的转移时间内，光电二极管PD内转移后残余的电子数比传统像素更少，使它对下一帧的信号影响更小，减小图像拖尾。
本发明的一种实施方式是在0.18um工艺条件下，晶体管的栅长为0.7um，传输管的双栅设计第一栅极TX1的栅长为0.25um，第二栅极TX2栅长为0.45um，第一栅极TXI和第二栅极TX2之间的距离为0.25um，电源电压为3.3V。
在电荷积分期间，在第一栅极TX1上加-0.8V的负偏压，第二栅极TX2上电压为0V，使电势能在传输栅下靠近光电二极管PD的一侧高于靠近浮扩散区FD一侧的电势能。第一栅极TX1上加的负偏压会在沟道下形成空穴积累，填充了Si-SiO2的界面态，因此减小了此处暗电流的产生。由于第一栅极TX1下的电势能略高于第二栅极TX2下的电势能，在抑制暗电流产生的同时，由于栅下形成的梯度电势分布，可以使存在的暗电流和电荷转移后残留在沟道中的电子在梯度电势的作用下流到浮扩散区FD内。由4T像素的工作原理可知，在传输管转移电子之前，浮扩散区FD会被复位，因此，此处流到浮扩散区FD内的多于电子会被复位掉，与实际的电信号分开，不会影响有用的信号电荷，减小暗电流的同时提高了电荷转移效率，减小了图像拖尾。
在电荷转移期间，第一栅极TX1所加的正电压为2.8V，第二栅极TX2所加的正电压为3.3V。电荷转移期间在栅下产生电势梯度，使沿电子转移路径上电势依次变高。由此产生的电势梯度可以使电子快速完全的转移到浮扩散区FD中，达到提高电荷转移效率的目的。同时在相同的转移时间内，光电二极管PD内转移后残余的电子数比传统像素更少，使它对下一帧的信号影响更小，减小了图像拖尾。
Claims (5)
1.一种提高电荷转移效率减小暗电流的像素结构，包括复位晶体管RST，传输晶体管TX、选择晶体管SEL、源跟随晶体管SF、光电二极管PD和浮扩散区FD，其中，所述的光电二极管PD的N端连接传输晶体管TX的源极，光电二极管PD的P端接地，传输晶体管TX的漏极、复位晶体管RST的源极、源跟随晶体管SF的栅极以及浮扩散区FD的一端相连接，所述的浮扩散区FD的另一端接地，所述的复位晶体管RST的漏极和源跟随晶体管SF的漏极连接电源VDD，源跟随晶体管SF的源极连接选择晶体管SEL的漏极，选择晶体管SEL的源极为输出端连接到列输出信号线上，其特征在于，所述的传输晶体管TX的栅极分为第一栅极TX1和第二栅极TX2两部分。
2.根据权利要求1所述的提高电荷转移效率减小暗电流的像素结构，其特征在于，所述的传输晶体管TX的第一栅极TX1和第二栅极TX2的栅长由采用的工艺标准决定。
3.根据权利要求1所述的提高电荷转移效率减小暗电流的像素结构，其特征在于，所述的传输晶体管TX的第一栅极TX1和栅长大于第二栅极TX2的栅长。
4.一种权利要求1所述的提高电荷转移效率减小暗电流的像素结构的工作方法，其特征在于，首先复位晶体管RST打开，对浮扩散区FD复位，并作为相关双采样的第一个信号输出；然后传输晶体管TX的打开，传输晶体管TX的第一栅极TX1和第二栅极TX2采用两条信号线控制，将光电二极管PD中光电效应产生的信号电子转移到浮扩散区FD处，并转换成电压信号，浮扩散区FD的电压信号由源跟随晶体管SF读出，最后通过行选择管读出到外部处理电路中。
5.根据权利要求4所述的提高电荷转移效率减小暗电流的像素结构的工作方法，其特征在于，传输晶体管TX的第一栅极TX1在电荷积分期间加的电压低于GND，为负电压，而在电荷转移期间加的电压低于电源电压VDD。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130612 |