CN104269421B - 灵敏度自适应的图像传感器像素结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种灵敏度自适应的图像传感器像素结构，包括置于半导体基体中的光电二极管、电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管，还包括设置于所述光电二极管侧面的晶体管电容和电荷存储区；晶体管电容的栅极多晶硅深入到半导体硅基体中，晶体管电容的沟道为光电二极管区，电荷存储区与所述晶体管电容的栅极多晶硅相接触，并且与光电二极管区相连，电荷存储区为所述电荷传输晶体管的源极端。本发明像素压缩了强光环境下的感光灵敏度，拓展了像素的感光动态范围，像素采集到了更多高照明时的实物信息。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器，特别涉及一种灵敏度自适应的图像传感器像素结构。
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，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、电荷传输晶体管102、复位晶体管103、源跟随晶体管104和选择晶体管105；VTX为电荷传输晶体管102的栅极端，VRX为复位晶体管103的栅极端，VSX为选择晶体管105的栅极端，FD为漂浮有源区，Vdd为电源电压，Output为信号输出端。光电二极管101接收外界入射的光线，产生光电信号；开启电荷传输晶体管102，将光电二极管中的光电信号转移至漂浮有源区FD后，由源跟随晶体管104所探测到的漂浮有源区FD势阱内电势变化信号经Output输出端读取并保存。其中，在漂浮有源区FD区内的光电电荷量与入射光照量成正比，漂浮有源区FD势阱内光电电荷量的变化被源跟随晶体管104探测到并转换为电势变化，此电势变化量，即信号量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。
线性图像传感器像素的光电二极管的感光灵敏度，在弱光和强光环境下保持不变，即光电二级管中收集到的光电电荷多或少时的电场范围不变。在自然界中，人的眼睛对弱光敏感，即感知弱光时灵敏度高；而对强光不敏感，即感知强光时灵敏度低。由此可见，上述线性图像传感器采集图像的能力显然不佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效的、灵敏度自适应的图像传感器像素结构。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的灵敏度自适应的图像传感器像素结构，包括置于半导体基体中的光电二极管、电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管，其特征在于，还包括设置于所述光电二极管侧面的晶体管电容和电荷存储区；
所述晶体管电容的栅极多晶硅深入到半导体硅基体中，所述晶体管电容的沟道为光电二极管区，所述电荷存储区与所述晶体管电容的栅极多晶硅相接触，并且与所述光电二极管区相连，所述电荷存储区为所述电荷传输晶体管的源极端。
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灵敏度自适应的图像传感器像素结构，由于在光电二极管侧面设置有晶体管电容器件，并且设置有电荷存储区，光电二极管开始曝光时，电荷存储区的电势高，晶体管电容栅极在光电二极管区感应的电场区域范围大，灵敏度高；电荷存储区，收集到大量光电电荷时，其电势下降，晶体管电容的栅极在光电二极管区感应的电场区域范围变小，灵敏度降低。因此，本发明像素，压缩了强光环境下的感光灵敏度，拓展了像素的感光动态范围，像素采集到了更多高照明时的实物信息。
附图说明
图1是现有技术的图像传感器像素的电路示意图。
图2是本发明的图像传感器的像素结构示意图。
图3是本发明的图像传感器像素中图2所示切线1位置的切面示意图。
图4是本发明的图像传感器像素中图2所示切线2位置的切面示意图。
图5是本发明的图像传感器像素工作时，图2所示切线2位置的势阱示意图。
图6是本发明的图像传感器像素工作时，弱光照射像素时的光电二极管区电场分布平面示意图。
图7是本发明的图像传感器像素工作时，弱光照射像素时，图2所示切线1位置的电场分布示意图。
图8是本发明的图像传感器像素工作时，强光照射像素时的光电二极管区电场分布平面示意图。
图9是本发明的图像传感器像素工作时，强光照射像素时，图2所示切线1位置的电场分布示意图。
图10是本发明的图像传感器像素工作时，光电二极管的光电相应曲线示意图。
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。
本发明的灵敏度自适应的图像传感器像素结构，其较佳的具体实施方式是：
包括置于半导体基体中的光电二极管、电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管，其特征在于，还包括设置于所述光电二极管侧面的晶体管电容和电荷存储区；
所述晶体管电容的栅极多晶硅深入到半导体硅基体中，所述晶体管电容的沟道为光电二极管区，所述电荷存储区与所述晶体管电容的栅极多晶硅相接触，并且与所述光电二极管区相连，所述电荷存储区为所述电荷传输晶体管的源极端。
所述晶体管电容位于光电二极管四个侧面中的一面或多面。
所述晶体管电容的栅极多晶硅在半导体基体中的深度大于等于0.3um，宽度大于等于0.1um。
所述晶体管电容的栅极多晶硅与光电二极管区之间的设有薄氧化层，其厚度为4nm～15um。
所述晶体管电容的栅极多晶硅的外侧为浅槽隔离区。
所述电荷存储区为N型离子区，其深度小于等于0.8um；
所述光电二极管外围无晶体管电容的侧面设置有P型离子隔离区，将光电二极管区与浅槽隔离区隔开，所述P型离子隔离区的宽度小于等于0.3um，深度大于等于0.5um；
所述半导体基体为P型外延硅体，所述光电二极管区的深度大于等于0.3um。
所述电荷存储区的N型离子浓度为5E15Atom/cm3～7E17Atom/cm3，此电荷存储区能被完全耗尽；
所述P型离子隔离区的P型离子浓度为5E16Atom/cm3～1E18Atom/cm3；
所述P型外延硅体的P型离子浓度为1E12Atom/cm3～1E15Atom/cm3；
所述光电二极管区的N型离子浓度为0Atom/cm3～1E16Atom/cm3。
所述N型离子为砷离子或磷离子，所述P型离子为硼离子。
在CMOS图像传感器中，为了获得高品质的图像，本发明从优化像素及其工艺结构入手，在现有技术中的图像传感器像素结构中，光电二极管区侧面添加晶体管电容器件，同时在光电二极管区域边缘设置电荷存储区，此电荷存储区为N型离子区，并且与晶体管电容器件的栅极多晶硅相接触，所述电荷存储区的电势与晶体管电容器件的栅极多晶硅的电势相等；电荷存储区因收集到较多电荷时电势会降低，因此电容器件的栅极多晶硅电势也会降低，反馈到光电二极管区的感应电场范围缩小，所以降低了像素的感光灵敏度，进而拓展了像素的感光动态范围。
具体实施例：
图像传感器像素结构如图2所示，包含虚线框内的平面部分和虚线框外的电路部分示意图。图2中，201为光电二极管区、202为电荷传输晶体管、203为复位晶体管、FD为漂浮有源区、204为源跟随晶体管、205为选择晶体管、206为信号输出端、207为P型离子隔离区、208为晶体管电容器件的栅极多晶硅、209为晶体管电容器件的薄氧化层、210为电荷存储区、211为浅槽隔离区；
其中Vtx为电荷传输晶体管202的栅极端，Vrst为复位晶体管203的栅极端，Vsx为选择晶体管205的栅极端，FD为漂浮有源区，Vdd为电源电压，切线1和切线2分别表示位置。所述207位于201的左侧和下侧，207的宽度小于等于0.3um；所述208位于201的上侧和右侧；所述209作为栅氧层位于201和208之间，其厚度为3nm～15nm；上述201的四个侧面，分别两个侧面设置晶体管电容，另外两个侧面设置P型离子隔离区，此设置方式也可以换作一个侧面设置晶体管电容，另外三个侧面设置P型离子隔离区，也可以是其它设置方式，本发明的光电二极管四个侧面至少有一个侧面设置有晶体管电容器件。所述208与210在硅体中相互接触连接，其接触区域不设置209，如图2所示；所述210区为202的源极有源区，210区为N型离子区，其N型离子浓度为5E15Atom/cm3～7E17Atom/cm3。
图2所示切线1的切面示意图，如图3所示，图3所示的301区为P型阱离子区，晶体管器件203、204、205都制作在此P型中；所述201为光电二极管区，其深度大于等于0.3um，201为N型光电二极管，其N型离子浓度为0Atom/cm3～1E16Atom/cm3；所述半导体基体为P型外延硅体，其P型离子浓度为1E12Atom/cm3～1E15Atom/cm3，属于高阻基体。图3所示，208的深度大于等于0.3um，宽度大于等于0.1um；所述208的一侧为209，另一侧为211，208的下方为211区。图3所示，207的宽度小于等于0.3um，深度大于等于0.5um，其P型离子浓度为5E16Atom/cm3～1E18Atom/cm3。
图2所示切线2的切面示意图，如图4所示。图4中，201与210相互接触，201为202的源极端，其中210的深度小于等于0.8um；图4所示的N+区为FD有源区，并且是202的漏极端，FD有源区位于P型阱301区中。其中，210区在像素工作时，可以被完全耗尽。所述N型离子可以是砷离子，也可以是磷离子；所述P型离子，是硼离子。
下面结合附图5～附图10进一步详细阐述本发明的像素工作特征。本发明的图像传感器像素工作时，图2所示切线2位置切面的势阱示意图如图5所示；图5中，501为晶体管电容器件沟道附近的光电二极管201区的势阱，502为电荷存储区210区的势阱，503为漂浮有源区的势阱，Vr为501区最高电势，Vpin为502区的最高电势，即Vpin为电荷存储区的完全耗尽电势，因为电荷存储区的N型离子浓度高于光电二极管区的N型离子浓度，所以Vpin高于Vr；图5所示，a线为501和502区的最高电势线，b线为502存储电荷后的501和502区的电势线，b线电势在501区低于502区。
本发明的像素，在开始曝光时，502势阱区的电荷被清除，208电势为210区的完全耗尽电势Vpin，208在光电二极管区域感应出的电场范围最大，电场布满整个光电二极管区域；208在光电二极管区感应出电场，在光电二极管区域其电场线方向从209硅表面指向远处，随着远离209电势逐渐降低，直至到207区消失；在光电二极管区域产生的光电电荷在电场的作用下，移动到209的硅表面附近，由于501势阱区的电势始终低于502势阱区的电势，501势阱区产生光电电荷后最终会流向502势阱区。
像素受到弱光照射，像素曝光结束时，势阱502仅收集到了少量光电电荷，208电势仍然较高接近Vpin，即在整个曝光周期内，电场几乎布满整个光电二极管区域，则在整个光电二极管区域接受到光子后会产生电荷，即弱光环境下，像素的感光灵敏度高，如图6和图7所示。在弱光照射下，光电二极管区域产生电荷，光电电荷在电场的作用下，移动到209附近的硅表面区，由于210区的电势最高，光电电荷最终移动到210区，被210区收集。
像素受到强光照射，像素曝光结束时，势阱502区收集到了大量光电电荷，208电势降低，如图5中的b线电势线所示。即，在整个曝光周期内，电场由曝光开始时的布满整个光电二极管，逐渐缩小范围；曝光结束时，较低电势的208在光电二极管210区仅感应出了较少区域的电场，仅在209附近的光电二极管区域感应出电场，如图8和图9所示。像素受到强光照射时，像素曝光周期内的光电二极管区域的电场范围在逐渐缩小，仅在有电场的区域光电电荷才能被收集，进而像素的感光灵敏度逐渐降低。因此，本发明的像素压缩了强光环境下的感光灵敏度。
现有技术中的和本发明的像素的光电相应曲线关系，如图10所示。图10中，水平轴为像素曝光量，竖直轴为信号量，即光电电荷量，现有技术的像素在曝光量E1处饱和，本发明的像素在曝光量E2处饱和。由此可见，本发明的像素，弱光照射时，灵敏度高；强光照射时，灵敏度低。本发明像素的动态范围拓展区域为曝光量E1～E2范围，所以，像素采集到了更多的实物细节信号，提升了图像传感器采集图像的品质。
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 (8)
1.一种灵敏度自适应的图像传感器像素结构，包括置于半导体基体中的光电二极管、电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管，其特征在于，还包括设置于所述光电二极管侧面的晶体管电容和电荷存储区；
所述晶体管电容的栅极多晶硅深入到半导体基体中，所述晶体管电容的沟道为光电二极管区，所述电荷存储区与所述晶体管电容的栅极多晶硅相接触，并且与所述光电二极管区相连，所述电荷存储区为所述电荷传输晶体管的源极端。
2.根据权利要求1所述的灵敏度自适应的图像传感器像素结构，其特征在于，所述晶体管电容位于光电二极管四个侧面中的一面或多面。
3.根据权利要求2所述的灵敏度自适应的图像传感器像素结构，其特征在于，所述晶体管电容的栅极多晶硅在半导体基体中的深度大于等于0.3um，宽度大于等于0.1um。
4.根据权利要求3所述的灵敏度自适应的图像传感器像素结构，其特征在于，所述晶体管电容的栅极多晶硅与光电二极管区之间设有薄氧化层，其厚度为4nm～15um。
5.根据权利要求4所述的灵敏度自适应的图像传感器像素结构，其特征在于，所述晶体管电容的栅极多晶硅的外侧为浅槽隔离区。
6.根据权利要求5所述的灵敏度自适应的图像传感器像素结构，其特征在于，所述电荷存储区为N型离子区，其深度小于等于0.8um；
所述光电二极管外围无晶体管电容的侧面设置有P型离子隔离区，将光电二极管区与浅槽隔离区隔开，所述P型离子隔离区的宽度小于等于0.3um，深度大于等于0.5um；
所述半导体基体为P型外延硅体，所述光电二极管区的深度大于等于0.3um。
7.根据权利要求6所述的灵敏度自适应的图像传感器像素结构，其特征在于，所述电荷存储区的N型离子浓度为5E15Atom/cm3～7E17Atom/cm3，此电荷存储区能被完全耗尽；
所述P型离子隔离区的P型离子浓度为5E16Atom/cm3～1E18Atom/cm3；
所述P型外延硅体的P型离子浓度为1E12Atom/cm3～1E15Atom/cm3；
所述光电二极管区的N型离子浓度为0Atom/cm3～1E16Atom/cm3。
8.根据权利要求6或7所述的灵敏度自适应的图像传感器像素结构，其特征在于，所述N型离子为砷离子或磷离子，所述P型离子为硼离子。
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