CN104505395A - 无图像拖尾的cmos图像传感器像素结构及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无图像拖尾的CMOS图像传感器像素结构及其控制方法，包括置于半导体基体中的光电二极管、电荷传输晶体管、漂浮有源区，还包括第一P型离子区、第二P型离子区、N型离子区；第一P型离子区和N型离子区位于电荷传输晶体管的沟道区，两者相互接触，并且第一P型离子区在靠近光电二极管的一侧与光电二极管上部的Pin型P+层接触，N型离子区在靠近漂浮有源区的一侧与漂浮有源区的N+区接触；第二P型离子区位于N型离子区和漂浮有源区的底部；光电二极管在电荷传输晶体管沟道处的边界为第一P型离子区与所述N型离子区的接触处。配合像素中的电荷传输晶体管栅极控制方法，进行光电电荷转移操作时，电荷传输晶体管沟道与光电二极管之间无势垒和势谷，不会产生图像拖尾现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器领域，特别涉及一种无图像拖尾的CMOS图像传感器像素结构及其控制方法。
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)图像传感器和CCD(电荷耦合型器件)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。
现有技术的图像传感器像素结构，以图1所示为例。图1中，包括置于半导体基体中的光电二极管101，Pin型P+层102，电荷传输晶体管103，漂浮有源区104；其中Vtx为电荷传输晶体管103的栅极端，d为光电二极管101外伸Pin型P+层102的距离，漂浮有源区104为N+型。现有技术中的像素结构，在转移光电二极管101中电荷至漂浮有源区104中时的势阱示意图，如图2所示；其中，201为光电二极管101的势阱区，204为漂浮有源区104的势阱区，电荷传输晶体管103处于开启状态；图2所示，图a和图b示出了现有技术的像素两种势阱关系示意图，图a中的202为光电二极管101的势阱区201与电荷传输晶体管103沟道之间的势垒，图b中的203为光电二极管101的势阱区201与电荷传输晶体管103沟道之间的势谷。图1所示，光电二极管101外伸Pin型P+层102的距离d小于0时，其势阱关系如图2中图a所示，产生势垒202；光电二极管101外伸Pin型P+层102的距离d大于0时，其势阱关系如图2中图b所示，产生势谷203。图2所示的图a和图b两种势阱关系中的势垒202和势谷203都会引起图像传感器的图像拖尾现象，如图2中图a所示的势阱区201区残留了部分电荷无法转移至势阱区204中，而图b所示的势谷区203中残留了部分电荷无法转移至势阱区204中,进而引起图像拖尾问题。图像传感器，在实际生产工艺时，由于机台控制精度有限，像素阵列中的像素单元很容易产生势垒或势谷势阱区，所引起的图像拖尾问题使图像传感器采集暗光图像模糊不清或有偏色问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效的、消除图像拖尾的无图像拖尾的CMOS图像传感器像素结构及其控制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的无图像拖尾的CMOS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、漂浮有源区，还包括第一P型离子区、第二P型离子区、N型离子区；
所述第一P型离子区和N型离子区位于所述电荷传输晶体管的沟道区，两者相互接触，并且所述第一P型离子区在靠近所述光电二极管的一侧与光电二极管上部的Pin型P+层接触，所述N型离子区在靠近所述漂浮有源区的一侧与漂浮有源区的N+区接触；
所述第二P型离子区位于所述N型离子区和漂浮有源区的底部；
所述光电二极管在电荷传输晶体管沟道处的边界为所述第一P型离子区与所述N型离子区的接触处。
本发明的上述的无图像拖尾的CMOS图像传感器像素结构的控制方法，所述电荷传输晶体管在曝光周期中，其栅极置为负电势，电势小于等于-1V；在转移光电电荷时，其栅极置为电源电压。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的无图像拖尾的CMOS图像传感器像素结构及其控制方法，由于像素结构中设置了第一P型离子区、第二P型离子区、N型离子区，并且配合像素中的电荷传输晶体管栅极控制方法，进行光电电荷转移操作时，电荷传输晶体管沟道与光电二极管之间无势垒和势谷问题，因此采用本发明像素的图像传感器不会产生图像拖尾现象。
附图说明
图1为现有技术的图像传感器像素结构切面示意图。
图2为现有技术的图像传感器像素的势阱关系示意图。
图3为本发明实施例的图像传感器像素结构切面示意图。
图4为本发明实施例的图像传感器像素工作时，电荷传输晶体管栅极端置为0V时的势阱示意图。
图5为本发明实施例的图像传感器像素工作时，光电二极管曝光时的势阱示意图。
图6为本发明实施例的图像传感器像素工作时，电荷传输晶体管在转移光电二极管中电荷至漂浮有源区中时的势阱示意图。
图7为本发明实施例的图像传感器像素工作时，电荷传输晶体管在转移光电二极管中电荷至漂浮有源区中完毕后的势阱示意图。
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。
本发明的无图像拖尾的CMOS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、漂浮有源区，还包括第一P型离子区、第二P型离子区、N型离子区；
所述第一P型离子区和N型离子区位于所述电荷传输晶体管的沟道区，两者相互接触，并且所述第一P型离子区在靠近所述光电二极管的一侧与光电二极管上部的Pin型P+层接触，所述N型离子区在靠近所述漂浮有源区的一侧与漂浮有源区的N+区接触；
所述第二P型离子区位于所述N型离子区和漂浮有源区的底部；
所述光电二极管在电荷传输晶体管沟道处的边界为所述第一P型离子区与所述N型离子区的接触处。
所述第一P型离子区在所述电荷传输晶体管沟道中的长度大于等于0.2um，深度小于等于0.15um。
所述N型离子区在所述电荷传输晶体管沟道中的长度大于等于0.2um，深度小于等于0.2um。
所述第二P型离子区的深度为0.2um～1 um。
所述第一P型离子区的P型离子浓度小于等于5E17atom/cm3，所述N型离子区的N型离子浓度小于等于8E17atom/cm3，所述第二P型离子区的P型离子浓度小于等于1 E18atom/cm3。
所述P型离子为磷离子或砷离子，所述N型离子为硼离子。
本发明的上述的无图像拖尾的CMOS图像传感器像素结构的控制方法，其较佳的具体实施方式是：
所述电荷传输晶体管在曝光周期中，其栅极置为负电势，电势小于等于-1V；在转移光电电荷时，其栅极置为电源电压。
在CMOS图像传感器中，为了提高采集到的图像品质，本发明从优化像素结构及工作方法入手，在现有技术中的图像传感器像素结构基础上，改善电荷传输晶体管沟道的工作结构，在其沟道处设置有P型和N型离子区，目的是在电荷传输晶体管转移光电电荷时，其沟道处的电势从光电二极管到漂浮有源区方向是单调增加的，进而不会产生势垒或势谷的势阱区。在控制电荷传输晶体管工作方面，光电二极管进行曝光操作时，电荷传输晶体管的栅极端置为负电势，目的是可以更有效地关断晶体管，不使光电二极管与漂浮有源区产生导电通道；电荷传输晶体管在进行转移光电二极管中电荷至漂浮有源区的操作时，电荷传输晶体管的栅极端置为电源电压，目的是可以更有效地使电荷转移完毕。因此，本发明的图像传感器像素结构中，进行光电电荷转移操作时，电荷传输晶体管沟道与光电二极管之间无势垒和势谷问题，所以采用本发明像素的图像传感器不会产生图像拖尾现象。
具体实施例：
本发明实施例的图像传感器像素结构切面示意图，如图3所示。图3中，301为光电二极管，302为Pin型P+层，303为电荷传输晶体管，304为漂浮有源区，305为第一P型离子区，306为N型离子区，307为第二P型离子区，其中，半导体基体为P型半导体基体，VTX为电荷传输晶体管303的栅极端，d1为第一P型离子区305在电荷传输晶体管303沟道处的长度，并且光电二极管301在电荷传输晶体管沟道处的边界与第一P型离子区305在电荷传输晶体管303沟道处的边界对齐，d2为N型离子区306在电荷传输晶体管303沟道处的长度，并且第二P型离子区的左侧边界在电荷传输晶体管303沟道处与N型离子区306边界对齐；所述第一P型离子区305的左侧与Pin型P+层相接，N型离子区在右侧与漂浮有源区N+区相接，所述光电二极管301的右侧边界、第一P型离子区305的右侧边界与N型离子区的左侧边界、第二P型离子区的左侧边界相互对齐。图3所示，d1大于等于0.2um，d2大于等于0.2um，第一P型离子区305在半导体基体中的深度小于等于0.15um，N型离子区306在半导体基体中的深度小于等于0.2um，第二P型离子区307在半导体基体中的深度为0.2um～1um。所述第一P型离子区305区中的P型离子浓度小于等于5E17atom/cm3，所述N型离子区306区中的N型离子浓度小于等于8E17atom/cm3，所述第二P型离子区307区中的P型离子浓度小于等于1E18atom/cm3。所述P型离子可以是磷离子，也可以是砷离子，所述N型离子是硼离子。所述电荷传输晶体管303，在曝光周期中，其栅极端VTX置为负电势，电势小于等于-1V；在转移光电电荷时，其栅极端VTX置为电源电压Vdd。
本发明实施例的图像传感器像素结构中，设置了第一P型离子区305，第二P型离子区307和N型离子区306，主要目的是在电荷传输晶体管303沟道处及其附近不会产生势垒或势谷，以便消除图像传感器采集的图像拖尾现象。图3所示的图像传感器像素工作时，电荷传输晶体管303的栅极端VTX置为0V时的势阱示意图，如图4所示；图4所示，401为光电二极管301区的势阱区，404为漂浮有源区304区的势阱区，405为第一P型离子区305的势阱区，406为N型离子区306区的势阱区。图4所示，电荷传输晶体管303的栅极端VTX等于0V，此时电荷传输晶体管303处于不完全开启状态。以下，详细阐述本发明像素工作时的电荷传输晶体管303的控制方法。
图5示出了本发明实施例的图像传感器像素工作时，光电二极管301曝光时的势阱示意图。图5所示，电荷传输晶体管303的栅极端VTX置为-2V，其沟道处电势下降，产生势垒，电荷传输晶体管303处于关闭状态，势阱区401区因入射光照射到光电二极管而收集到光电电荷，势阱区405和406区的电势值位于0V附近。
光电二极管301曝光周期结束时，转移图4所示势阱区401区中的光电电荷至势阱区404区中，如图6所示。图6所示，电荷传输晶体管303的栅极端VTX置为电源电压Vdd，势阱区405和406的电势被推到高电势处，电荷传输晶体管303处于开启状态；图6所示，势阱区401区中的光电电荷通过开启的电荷传输晶体管303沟道转移至势阱区404区中，从势阱区401、405、406、404区的方向来看，其电势单调增加，光电电荷为电子，从电势较低处的401势阱区流向电势较高处的404势阱区。图6所示的势阱示意图中，电荷传输晶体管303沟道附近的电势区，无势垒或势谷，因此不会产生光电电荷不完全转移的情况。
图7示出了本发明实施例的图像传感器像素工作时，电荷传输晶体管303在转移光电二极管301中电荷至漂浮有源区304中完毕后的势阱示意图。图7所示，电荷传输晶体管303的栅极端VTX置为-2V，势阱区405和406的电势被拉低至0V附近，从势阱区401区到势阱区404区的通道被关闭，电荷传输晶体管303处于关闭状态。势阱区401区中的光电电荷已经被完全转移到势阱区404区中，然后进行光电信号读取操作。
由此可见，本发明的图像传感器像素结构，结合本发明的像素工作时的控制方法，进行光电电荷转移操作时，电荷传输晶体管沟道与光电二极管之间无势垒和势谷问题，所以采用本发明像素的图像传感器不会产生图像拖尾现象。
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)
1.一种无图像拖尾的CMOS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、漂浮有源区，其特征在于，还包括第一P型离子区、第二P型离子区、N型离子区；
所述第一P型离子区和N型离子区位于所述电荷传输晶体管的沟道区，两者相互接触，并且所述第一P型离子区在靠近所述光电二极管的一侧与光电二极管上部的Pin型P+层接触，所述N型离子区在靠近所述漂浮有源区的一侧与漂浮有源区的N+区接触；
所述第二P型离子区位于所述N型离子区和漂浮有源区的底部；
所述光电二极管在电荷传输晶体管沟道处的边界为所述第一P型离子区与所述N型离子区的接触处。
2.根据权利要求1所述的无图像拖尾的CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，所述第一P型离子区在所述电荷传输晶体管沟道中的长度大于等于0.2um，深度小于等于0.15um。
3.根据权利要求2所述的无图像拖尾的CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，所述N型离子区在所述电荷传输晶体管沟道中的长度大于等于0.2um，深度小于等于0.2um。
4.根据权利要求3所述的无图像拖尾的CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，所述第二P型离子区的深度为0.2um～1um。
5.根据权利要求4所述的无图像拖尾的CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，所述第一P型离子区的P型离子浓度小于等于5E17atom/cm3，所述N型离子区的N型离子浓度小于等于8E17atom/cm3，所述第二P型离子区的P型离子浓度小于等于1E18atom/cm3。
6.根据权利要求5所述的无图像拖尾的CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，所述P型离子为磷离子或砷离子，所述N型离子为硼离子。
7.一种权利要求1至6任一项所述的无图像拖尾的CMOS图像传感器像素结构的控制方法，其特征在于，所述电荷传输晶体管在曝光周期中，其栅极置为负电势，电势小于等于-1V；在转移光电电荷时，其栅极置为电源电压。
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