CN104022133B - 漂浮节点具有可变电容的源像像素及图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种漂浮节点具有可变电容的源像像素及图像传感器，有源像素包括置于半导体基体中的感光元件、位于感光元件与漂浮节点之间的传输晶体管、连接漂浮节点的复位晶体管、连接漂浮节点的源跟随晶体管及开关晶体管和列位线，漂浮节点的有源区包括N型重掺杂有源区和N型轻掺杂有源区，N型重掺杂有源区和N型轻掺杂有源区均位于P阱内，并且N型轻掺杂有源区的一侧面与N型重掺杂有源区相接触，提高了图像传感器的动态范围，同时也增大了信噪比。

Description

漂浮节点具有可变电容的源像像素及图像传感器
技术领域
本发明涉及一种图像传感器像素，尤其涉及一种漂浮节点具有可变电容的源像像素及图像传感器。
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图像传感器像素的漂浮节点处一般都采用固定电容，如图1所示，是采用CMOS图像传感器四晶体管的有源像素，在本领域中也称为4T有源像素。4T有源像素的元器件包括：光电二极管101、传输晶体管102、复位晶体管103、源跟随晶体管104和开关晶体管105。光电二极管101接收外界入射的光线，产生光电信号，开启晶体管102，将光电信号传输至漂浮节点FD(Floating Diffusing)后关闭晶体管102，此光电信号被源跟随晶体管104探测到，同时开启开关晶体管105，通过列位线106将信号读出。其中，在光电二极管101中产生的光电信号量与入射光照量成正比，则晶体管104在FD处所探测到的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。线性传感器所探测到的光照量范围小，特别是高照明环境下无法辨认出实物信息，不能够采集从暗光线环境变化到强光线环境下的全部信号，在业内称为动态范围小，从而降低了传感器的输出图像品质。
发明内容
本发明的目的是提供一种较高的像素动态范围和信噪比，并且漂浮节点具有可变电容的源像像素及图像传感器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的有源像素，包括置于半导体基体中的感光元件、位于感光元件与漂浮节点之间的传输晶体管、连接漂浮节点的复位晶体管、连接漂浮节点的源跟随晶体管及开关晶体管和列位线，所述漂浮节点的有源区包括N型重掺杂有源区和N型轻掺杂有源区，所述N型重掺杂有源区和N型轻掺杂有源区均位于P阱内，并且所述N型轻掺杂有源区的一侧面与所述N型重掺杂有源区相接触。
本发明的图像传感器，该图像传感器包含上述的有源像素。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的漂浮节点具有可变电容的源像像素及图像传感器，由于有源像素漂浮节点的有源区包括N型重掺杂有源区和N型轻掺杂有源区，N型重掺杂有源区和N型轻掺杂有源区均位于P阱内，并且N型轻掺杂有源区的一侧面与N型重掺杂有源区相接触，提高了图像传感器的动态范围，同时也增大了信噪比。
附图说明
图1是现有技术中CMOS图像传感器的四晶体管(4T)有源像素的示意图。
图2是本发明实施例的CMOS图像传感器的四晶体管(4T)有源像素的示意图。
图3是本发明实施例的有源像素的漂浮节点有源区横截面示意图。
图4是本发明实施例在低照明环境下传输光电电荷前后势阱示意图。
图5是本发明实施例在高照明环境下传输光电电荷前后势阱示意图。
图6是本发明实施例的有源像素的漂浮节点总电容与电荷量的关系示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
本发明的有源像素，其较佳的具体实施方式是：
包括置于半导体基体中的感光元件、位于感光元件与漂浮节点之间的传输晶体管、连接漂浮节点的复位晶体管、连接漂浮节点的源跟随晶体管及开关晶体管和列位线，所述漂浮节点的有源区包括N型重掺杂有源区和N型轻掺杂有源区，所述N型重掺杂有源区和N型轻掺杂有源区均位于P阱内，并且所述N型轻掺杂有源区的一侧面与所述N型重掺杂有源区相接触。
所述N型轻掺杂有源区包括设于表面的P型硅，所述P型硅为重掺杂区，所述P型硅下方为N型轻掺杂区，所述N型轻掺杂区的完全耗尽电势高于所述感光元件的完全耗尽电势，并且低于所述N型重掺杂有源区的复位电势。
所述P型硅的厚度为0.08–0.14um。
所述P型硅的杂质浓度为5E19－2E20/cm-3。
所述N型轻掺杂区的杂质浓度为6E16-1E17/cm-3。
所述N型重掺杂有源区杂质浓度为1E19-1E20/cm-3。
本发明的图像传感器，其较佳的具体实施方式是：
该图像传感器包含上述的有源像素。
该图像传感器为CMOS图像传感器。
本发明的图像传感器像素，解决了现有技术不能采集从暗光线环境变化到强光线环境下的全部信号的问题，以便扩大图像传感器像素的动态范围。在本发明的像素中，如果光照强度高于某一阈值，则轻掺杂有源区部分电容才会加入到漂浮节点。与低照明环境比较，在高照明环境下，漂浮节点处的电容增大从而使得漂浮节点的信号饱和容量增加，则提高了图像传感器的动态范围，同时也增大了信噪比。
具体实施例：
在CMOS图像传感器中，为了获得高品质的图像，本发明从改善4T像素的光电响应性质入手，压缩高照明环境时的光电响应灵敏度曲线，增大像素的漂浮节点FD处的光电电荷饱和容量，推迟像素的饱和时间，扩大传感器的动态范围。例如，在低照明环境时，FD的电容为1.2fF，FD的电压摆幅为1V，那么电荷饱和容量为7491，恰好饱和时对应的光照量为Q1；若在高照明环境时，FD的电容增大为2fF，则电荷饱和容量增大为12484，恰好饱和时对应的光照量为Q2；从而传感器像素所能探测到照明范围增大到原来的1.67(Q2/Q1＝12484/7491＝1.67)倍，即动态范围扩大到原来的1.67倍。以此方式工作的图像传感器像素探测到了高照明环境下的更多实物细节信息，从而提升了传感器输出的图像品质。
为了实现上述扩大传感器动态范围的技术目的，本发明在四晶体管像素的基础上对FD有源区引入了特殊的工艺，如图2所示：
101为光电二极管，TX连接传输晶体管102的栅极，RX连接复位晶体管103的栅极，晶体管103的漏极使用接触孔203与电源Vdd相连，SX与开关晶体管105的栅极相连，列位线106为信号通道读出线。本发明的像素FD有源区由两部分组成：N型重掺杂有源区FD1和N型轻掺杂有源区FD2；其中，接触孔201位于有源区FD1内，此接触孔通过金属线202与源跟随晶体管104的栅极相连。
图3示出了本发明的有源区FD在图2中标有CC’横截面的结构示意图。有源区FD的两部分FD1和FD2都制作在P阱304内，301为N型重掺杂有源区，此区工艺与传统晶体管源漏工艺相同。在有源区FD2内，半导体硅表面的302为P型重掺杂区(杂质浓度为5E19－2E20/cm-3)，厚度为0.08－0.14um，此区在靠近STI(Shallow Trench Isolation)一侧(右侧)与P阱相接触；在302区下面的303为N型轻掺杂区，其中此区的一侧(左侧)与上述N型重掺杂有源区301相接触。轻掺杂区303的N型离子浓度比光电二极管中N型离子浓度稍高(最高杂质浓度可达6E16－1E17/cm-3)，晶体管103开启进行复位操作时，轻掺杂区303可被完全耗尽。
图4示出了在低照明环境下传输光电电荷前后的势阱关系图。低照明环境下，像素曝光结束时光电二极管101收集到少量电荷，并且完成了FD复位操作，如图4左图所示；其中Vpin1为光电二极管完全耗尽电势，Vpin2为轻掺杂区303完全耗尽电势，VFD为复位后的一参考电势，Vdd为电源，上述电势的高低符合Vdd>VFD>Vpin2>Vpin1的关系，CFD1为重掺杂区寄生总电容，CFD2为轻掺杂区303寄生总电容；FD复位操作完成后，将光电二极管101中的电荷传输至漂浮节点FD，如图4右图所示。在低照明环境下，光电二极管101所收集的少量电荷全部传输到漂浮节点的FD1部分，FD2部分电容电势低没有占有到电荷，像素的光到电的转换增益为CG1＝q/CFD1(q为一个电子的电量)，光电响应线性斜率正比于CG1。
高照明环境下，像素曝光结束时光电二极管101收集到大量电荷，并且FD完成了复位操作，如图5左图所示；FD复位操作完成后，传输晶体管102将101势阱中的电荷全部传输至漂浮节点FD，电荷同时被FD1和FD2势阱所容纳；此时FD总电容量为CFD1与CFD2的和，因此像素的光到电的转换增益为CG2＝q/(CFD1+CFD2),光电响应线性斜率正比于CG2。从图5中可知，FD1部分电容加入到FD总电容中需要的最少电荷量为
QC＝CFD1(VFD-Vpin2)
由于FD2部分电容的加入，FD所容纳的电荷最大量可增加
Qa＝CFD2(Vpin2-Vpin1)
图6为漂浮节点FD总电容与其电荷量的关系示意图。在低照明区，FD总电容为Cmin＝CFD1；在高照明区，FD总电容为Cmax＝CFD1+CFD2；Qc为CFD2加入到FD总电容的临界电荷量，QF为FD可以容纳的最大电荷量。
因此，如上面所述，低照明环境和高照明环境下的像素光电响应度分别正比于CG1和CG2，在高照明环境下由于CFD2加入到了漂浮节点，增加了FD的电荷饱和容量，推迟了像素的饱和时间，因此扩大了像素的动态范围。
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 (7)

1.一种有源像素，包括置于半导体基体中的感光元件、位于感光元件与漂浮节点之间的传输晶体管、连接漂浮节点的复位晶体管、连接漂浮节点的源跟随晶体管及开关晶体管和列位线，其特征在于，所述漂浮节点的有源区包括N型重掺杂有源区和N型轻掺杂有源区，所述N型重掺杂有源区和N型轻掺杂有源区均位于P阱内，并且所述N型轻掺杂有源区的一侧面与所述N型重掺杂有源区相接触；
所述N型轻掺杂有源区包括设于表面的P型硅，所述P型硅为重掺杂区，所述P型硅下方为N型轻掺杂区，所述N型轻掺杂区的完全耗尽电势高于所述感光元件的完全耗尽电势，并且低于所述N型重掺杂有源区的复位电势。
2.根据权利要求1所述的有源像素，其特征在于，所述P型硅的厚度为0.08–0.14um。
3.根据权利要求2所述的有源像素，其特征在于，所述P型硅的杂质浓度为5E19－2E20/cm-3。
4.根据权利要求3所述的有源像素，其特征在于，所述N型轻掺杂区的杂质浓度为6E16-1E17/cm-3。
5.根据权利要求1所述的有源像素，其特征在于，所述N型重掺杂有源区杂质浓度为1E19-1E20/cm-3。
6.一种图像传感器，其特征在于，该图像传感器包含权利要求1至5任一项所述的有源像素。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，该图像传感器为CMOS图像传感器。
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