CN103491323A

CN103491323A - 一种cmos图像传感器的像素单元

Info

Publication number: CN103491323A
Application number: CN201310393572.6A
Authority: CN
Inventors: 顾学强; 周伟; 肖慧敏
Original assignee: Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-09-02
Also published as: CN103491323B

Abstract

本发明公开了一种CMOS图像传感器的像素单元及其制造方法，属于半导体技术领域。像素单元包括：感光二极管和传输管组，所述传输管组包括若干个分别在源极端和漏极端进行并联的传输管，每个所述传输管的栅极与所述感光二极管的注入区形成大小不同的重叠区，以具备不同的传输效率；所述感光二极管用于进行光电转换以将光子转换为电子；所述传输管组用于根据入射光的照度有选择的启动对应传输效率的传输管进行所述电子的传输，从而将所述电子从所述传输管组的源极端传输到漏极端并转换为电压信号。本发明中，根据入射光的照度有选择的启动传输管组对应传输效率的传输管进行所述电子的传输，实现高灵敏度和高动态这两个指标。

Description

一种CMOS图像传感器的像素单元

技术领域

本发明属于集成电路领域，具体地说，涉及一种CMOS图像传感器的像素单元。

背景技术

图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。图像传感器包括电荷耦合器件（（Charge-coupled Device，以下简称CCD图像传感器）和互补金属氧化物半导体图像传感器（CMOS IMAGE SENSOR，以下简称CIS图像传感器）。

CMOS图像传感器与CCD图像传感器相比，具有的低功耗、低成本、与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。CMOS图像传感器不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机（DSC）、手机摄像头、摄像机和数码单反（DSLR）中，而且也用在汽车电子、视频监控、生物技术和医学等领域。

CMOS图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。现有技术中，常用的像素单元为包含一个感光二极管和四个晶体管的有源像素结构。其中，感光二极管作为感光单元，用于收集光线并进行光电转换，其它四个晶体管作为控制单元，用于选中感光二极管的、复位、信号放大和读出等控制。

为了评价图像传感器芯片的性能，灵敏度和动态范围是常用的两个相互矛盾的评价指标。在一定的输出摆幅下，灵敏度高则意味着动态范围变小，而如果动态范围大则灵敏度低。

如图1所示，为现有技术中常规的CMOS图像传感器的像素单元电路结构，其通常包括感光二极管101，传输管（TX）102、复位管（RX）103、源极跟随管（DX）104和行选管（SX）105。感光二极管101用于将光子转换为电子，传输管102用于将感光二极管中产生的电子传输到悬浮漏极112，并转换为电压信号输出。需要说明的是，在像素单元的结构中最关键的是传输管102对电子从感光二极管101到悬浮漏极112传输的控制，因此，传输管102的传输效率对像素单元的性能有着重要影响。

如图2所示为图1中的传输管的版图结构，其中包括用于形成感光二极管的有源区111和注入区121、传输管的栅极122和悬浮漏极112。由图2可见，感光二极管的注入区121和传输管的栅极112有一定的重叠区A，而重叠区A的大小影响传输管102的传输效率。

如图3所示，为图1中常规像素单元的光响应特性曲线。横轴代表入射光的照度，纵轴代表输出信号，其随照度的增加而增加。当入射光的照度达到一定的量时输出信号饱和，即入射光的照度继续增加而输出信号不变。输出信号能达到的最大值代表输出摆幅。输出摆幅取决于像素单元的工作电压和像素单元各个晶体管的阈值电压，当器件选型确定后，该输出摆幅一般是一个固定的值。图3中，输出信号的斜率代表像素单元的灵敏度，而像素单元能够响应的最大照度和最小照度之比则代表像素单元的动态范围。由图3可见，在输出摆幅一定的条件下，如果灵敏度上升，即响应曲线斜率变大，会造成动态范围变小，反之如果动态范围增加，则会造成斜率变小，即灵敏度下降。

因此，在实际应用过程中，如果希望图像在低照度时能够有灵敏的响应，则需要高灵敏度的像素单元；同时如果希望图像在高照度的情况下像素单元不饱和，则需要高动态范围的像素单元。但是现有技术中的像素单元只能满足高灵敏度和高动态范围中的某一个指标，而不能同时实现高灵敏度和高动态这两个指标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种CMOS图像传感器的像素单元及其制造方方法，用以部分或全部克服现有技术存在的上述技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种CMOS图像传感器的像素单元，其包括：感光二极管和传输管组，所述传输管组包括若干个分别在源极端和漏极端进行并联的传输管，每个所述传输管的栅极与所述感光二极管的注入区形成大小不同的重叠区，以具备不同的传输效率；所述感光二极管用于进行光电转换以将光子转换为电子；所述传输管组用于根据入射光的照度有选择的启动对应传输效率的传输管进行所述电子的传输，从而将所述电子从所述传输管组的源极端传输到漏极端并转换为电压信号。

优选地，所述像素单元还包括：复位管，用于控制对所述感光二极管的复位；所述复位管的漏极连接有漏极电压，所述复位管的源极与所述传输管组的漏极端相连，所述复位管的栅极连接有第一栅极控制电压。

优选地，所述像素单元还包括：源极跟随管，用于对所述电压信号进行放大处理；所述源极跟随管的漏极连接有漏极电压，所述源极跟随管的栅极与所述传输管组的漏极端连接。

优选地，所述像素单元还包括：行选管，用于控制所述感光二极管的选中；所述行选管的漏极与所述源极跟随管的源极相连，所述行选管的源极与输出电压端连接，所述行选管的栅极连接有第二栅极控制电压。

优选地，当入射光的照度为低光照时，所述传输管组中重叠区较大且具备较高的传输效率的传输管传输所述电子；反之，当入射光的照度为高光照时，所述传输管组中重叠区较小且具备较低的传输效率传输管传输所述电子。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种图像传感器像素阵列，包括上述任一所述的像素单元。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种像素单元的制造方法，其包括：

在衬底上形成传输管组中分别在源极端和漏极端进行并联的若干个传输管；

在衬底上形成感光二极管的注入区，并使所述注入区与各个传输管的栅极形成大小不同的重叠区，以使各个传输管具有不同的传输效率。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种图像传感器像素阵列的制造方法，其包括上述任意所述像素单元的制造方法。

与现有的方案相比，本发明中，根据入射光的照度有选择的启动传输管组对应传输效率的传输管进行所述电子的传输，从而将所述电子从所述传输管组的源极端传输到漏极端并转换为电压信号。

附图说明

图1为现有技术中常规的CMOS图像传感器的像素单元电路结构；

图2为图1中的传输管的版图结构；

图3为图1中常规像素单元的光响应特性曲线；

图4为本发明实施例一中CMOS图像传感器的像素单元的电路结构；

图5为本发明实施例一中CMOS图像传感器的像素单元的版图结构；

图6为本发明实施例一中CMOS图像传感器的像素单元的光响应特性曲线；

图7为本发明实施例二中CMOS图像传感器的像素单元的电路结构；

图8为本发明实施例二中CMOS图像传感器的像素单元的版图结构；

图9为本发明实施例二中CMOS图像传感器的像素单元的光响应特性曲线；

图10为本发明实施例三中CMOS图像传感器的像素单元的制造方法。

具体实施方式

以下将配合图式及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明的下述实施例中，根据入射光的照度有选择的启动传输管组对应传输效率的传输管进行所述电子的传输，从而将所述电子从所述传输管组的源极端传输到漏极端并转换为电压信号。

图4为本发明实施例一中CMOS图像传感器的像素单元的电路结构，图5为本发明实施例一中CMOS图像传感器的像素单元的版图结构。如图4和图5所示，其可以包括：感光二极管401和传输管组402，所述传输管组402包括若干个分别在源极端S和漏极D（悬浮漏极）进行并联的传输管412，每个所述传输管412的栅极G与所述感光二极管401的注入区421形成大小不同的重叠区A和B，以具备不同的传输效率；所述感光二极管401还具有源区411。所述感光二极管401用于进行光电转换以将光子转换为电子；所述传输管组402用于根据入射光的照度有选择的启动对应传输效率的传输管412进行所述电子的传输，从而将所述电子从所述传输管组402的源极端传输到漏极端并转换为电压信号。

需要说明的是，在像素单元的结构中光电二极管401的电容通常大于悬浮漏极的电容，因此光电二极管401能够容纳的电荷数大于悬浮漏极可以容纳的电荷数；进而，通常悬浮漏极先饱和，即悬浮漏极的存储电荷能量决定了像素单元的电荷存储能量。因此，当重叠区较大时，光电二极管401的电荷存储区更靠近悬浮漏极，单位时间内的传输效率更高，即有更多的电子传输到悬浮漏极，像素单元在低照度下表现出灵敏度较高；当重叠区较小时，光电二极管401的电荷存储区离悬浮漏极较远，单位时间内的传输效率较低，即传输到悬浮漏极的电子较少，悬浮漏极不易饱和，像素单元可以对高照度产生响应。

如图4所示，本实施例中，传输管组402具体包括两个传输管412。

在具体形成像素单元时，本实施例中的像素单元还可以包括一复位管403，该复位管403用于控制对所述感光二极管401的复位；所述复位管403的漏极D连接有漏极电压，所述复位管403的源极S与所述传输管组402的漏极D端相连，所述复位管403的栅极G连接有第一栅极控制电压VRX。

在具体形成像素单元时，本实施例中的像素单元还可以包括源极跟随管404，源极跟随管404用于对所述电压信号进行放大处理；所述源极跟随管404的漏极D连接有漏极电压VDD，所述源极跟随管404的栅极G与所述传输管组402的漏极D端连接。

在具体形成像素单元时，本实施例中的像素单元还可以包括行选管405，行选管405用于控制所述感光二极管401的选中；所述行选管405的漏极D与所述源极跟随管的源极S相连，所述行选管405的源极S与输出电压Vout连接，所述行选管的栅极连接有第二栅极控制电压VSX。

本实施例中，当入射光的照度为低光照时，所述传输管组402中重叠区较大且具备较高的传输效率的传输管412传输所述电子；反之，当入射光的照度为高光照时，所述传输管组402中重叠区较小具备较低的传输效率的传输管412传输所述电子。本实施例中，重叠区A对应的传输管412传输效率较高，重叠区B小于重叠区A，因此，重叠区B对应的传输管412传输效率较低。

图5为本发明实施例一中CMOS图像传感器的像素单元的版图结构。图中，实线表示重叠区A对应的传输管412，具有高灵敏度特性，可在低照度条件下使用。而虚线表示重叠区B对应的传输管412，具有高动态范围特性，可在高照度条件下的使用。换言之，在低照度条件下，重叠区A对应的传输管412工作，而在高照度条件下，重叠区B对应的传输管412工作。

图6为本发明实施例一中CMOS图像传感器的像素单元的光响应特性曲线。

图7为本发明实施例二中CMOS图像传感器的像素单元的电路结构。与上述实施例不同的是，本实施例中，传输管组402包括三个传输管412。图8为本发明实施例二中CMOS图像传感器的像素单元的版图结构。三个传输管412与感光二极管401的注入区形成三个大小不同的重叠区。这三个传输管412形成的重叠区分别为A、B、C，并且以此减小。重叠区分别为A、B、C对应的传输管412分别在低照度条件、中照度条件、高照度条件下适用，而适用的原理类似于图4，在此不再赘述。

图9为本发明实施例二中CMOS图像传感器的像素单元的光响应特性曲线。从左到右，依次对应重叠区分别为A、B、C对应的传输管412的光照特性。

需要说明的是，上述实施例中虽然罗列了传输管组包括特定个传输管，当然，对于本领域普通技术人员来说，传输管组402中也可以包括不特定的n个传输管，在此不再赘述。

本发明实施例还提供一种图像传感器像素阵列，包括上述图4-图10的任意所述像素单元组成，详细电路结构和版图设计在此不再赘述。

图10为本发明实施例三中CMOS图像传感器的像素单元的制造方法，其包括：

步骤1101、在衬底上形成传输管组中分别在源极端和漏极端进行并联的若干个传输管；

步骤1102、在衬底上形成感光二极管的注入区，并使所述注入区与各个传输管的栅极形成大小不同的重叠区，以使各个传输管具有不同的传输效率。

本实施例中，所述传输管组中，重叠区较大的传输管的具备较高的传输效率；反之，重叠区较小的传输管具备较低的传输效率。

本发明实施例还提供了一种图像传感器像素阵列的制造方法，其可以基于图10所述的像素单元制造方法，从而形成一个完整的图像传感器阵列，在此不再赘述。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种CMOS图像传感器的像素单元，其特征在于，包括：感光二极管和传输管组，所述传输管组包括若干个分别在源极端和漏极端进行并联的传输管，每个所述传输管的栅极与所述感光二极管的注入区形成大小不同的重叠区，以具备不同的传输效率；所述感光二极管用于进行光电转换以将光子转换为电子；所述传输管组用于根据入射光的照度有选择的启动对应传输效率的传输管进行所述电子的传输，从而将所述电子从所述传输管组的源极端传输到漏极端并转换为电压信号。

2.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，还包括：复位管，用于控制对所述感光二极管的复位；所述复位管的漏极连接有漏极电压，所述复位管的源极与所述传输管组的漏极端相连，所述复位管的栅极连接有第一栅极控制电压。

3.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，还包括：源极跟随管，用于对所述电压信号进行放大处理；所述源极跟随管的漏极连接有漏极电压，所述源极跟随管的栅极与所述传输管组的漏极端连接。

4.根据权利要求3所述的像素单元，其特征在于，还包括：行选管，用于控制所述感光二极管的选中；所述行选管的漏极与所述源极跟随管的源极相连，所述行选管的源极与输出电压端连接，所述行选管的栅极连接有第二栅极控制电压。

5.根据权利要求1-4任意所述的像素单元，其特征在于，当入射光的照度为低光照时，所述传输管组中重叠区较大且具备较高的传输效率的传输管传输所述电子；反之，当入射光的照度为高光照时，所述传输管组中重叠区较小且具备较低的传输效率传输管传输所述电子。

6.一种图像传感器像素阵列，其特征在于，包括权利要求1至5任意所述的像素单元。

7.一种像素单元的制造方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述传输管组中，重叠区较大的传输管的具备较高的传输效率；反之，重叠区较小的传输管具备较低的传输效率。

9.一种图像传感器像素阵列的制造方法，其特征在于，包括权利要求7至8任意所述的制造方法。