CN104716151B - 背照式tdi图像传感器及其电子快门控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种背照式TDI图像传感器及其电子快门控制方法，该传感器包括衬底，制备于衬底上的沟道，以及制备于沟道上的呈行列排布的栅极；所述衬底内包含沿栅极列向间隔排布的阻隔层；阻隔层与衬底的接触面形成PN结；阻隔层上方为存储栅极区，相邻阻隔层间隔处上方为积分栅极区，存储栅极区与积分栅极区之间为隔离栅极区。通过时序控制，使得积分时间内收集并累加的电荷作为有效电荷被读出，而在存储时间内，阻隔层之下产生的电荷通过漂移或扩散效应进入栅极之下的相邻电荷收集区内，不会被积累成为有效的信号电荷。本发明通过在衬底内间隔排布阻隔层的方法减小积分时间，能够有效降低运动模糊效应。

Description

背照式TDI图像传感器及其电子快门控制方法

技术领域

本发明属于TDI图像传感器技术领域，涉及一种背照式(BSI，BacksideIlluminated)TDI(Time Delay Integration，时间延时积分)图像传感器及其电子快门控制方法。

发明背景

在CCD图像传感器应用中，电子快门技术可以减少运动模糊效应，因此被广泛应用。但是目前为止，这种技术还没有被应用于TDI图像传感器中。运动模糊是由于在曝光时间内，景物的运动造成的。在TDI图像传感器中，正在曝光积分的行随着景物的运动而“运动”。但是由于这种“运动”是随着TDI像素或者其栅极板而步进的，属于不连续运动，因此同样会发生运动模糊效应。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够有效降低运动模糊效应的背照式TDI图像传感器及其电子快门控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明的背照式TDI图像传感器包括衬底，制备于衬底上的沟道，以及制备于沟道上的呈行列排布的栅极；其特征在于所述衬底内包含沿栅极列向间隔排布的阻隔层；阻隔层与衬底的接触面形成PN结，且阻隔层中心区域掺杂浓度η_b≥1000η_s，η_s为衬底掺杂浓度；阻隔层上方的栅极区为存储栅极区，相邻阻隔层间隔处上方的栅极区为积分栅极区，存储栅极区与积分栅极区之间的栅极区为隔离栅极区；存储栅极区、积分栅极区、隔离栅极区均至少包含一行栅极。

存储栅极区和积分栅极区包含的栅极行数可以相等也可以不相等。

进一步，本发明的背照式TDI图像传感器还包括抗晕光漏极和抗晕光栅极；抗晕光漏极105制作于相邻列栅极之间的沟道上并沿栅极列向延伸；各抗晕光栅极104制作于对应积分栅极区一侧的衬底101上，并且各抗晕光栅极104与抗晕光漏极105相接。

所述隔离栅极区优选包含一行栅极。

所述阻隔层中心区域至边缘掺杂浓度呈对数分布逐渐减小。

上述背照式TDI图像传感器电子快门控制方法，包括下述步骤：

步骤一、

在积分时间内，通过时序控制存储栅极区S_2n、积分栅极区I_2n-1、隔离栅极区G_m中的各栅极电压，使曝光时衬底中产生的电荷在积分栅极区I_2n-1下的沟道中被收集形成有效信号电荷包,隔离栅极区G_m在相邻积分栅极区I_2n-1与存储栅极区S_2n下方的沟道之间产生一个势垒，防止两边的电荷包混合；然后通过时序控制隔离栅极区G_m电压使积分栅极区I_2n-1下方有效信号电荷包转移到相邻存储栅极区S_2n下方沟道中；其中n＝1,2，.....N/2，N为积分栅极区和存储栅极区总数，m＝1,2，.....M，M为隔离栅极区个数；

在存储时间内，通过时序控制存储栅极区、积分栅极区、隔离栅极区中的各栅极电压使隔离栅极区G_m在相邻积分栅极区I_2n-1与存储栅极区S_2n下方沟道之间产生一个势垒，有效信号电荷包留存在存储栅极区S_2n下的沟道中，此时衬底中产生的电子漂移或扩散至积分栅极区I_n下的沟道中形成非有效信号电荷包；然后，通过时序控制隔离栅极区G_m电压使积分栅极区I_2n-1下的非有效信号电荷包转移到相邻存储栅极区S_2n下方沟道中或被清空，同时存储栅极区S_2n下方沟道中的有效信号电荷包转移到相邻积分栅极区I_2n+1下的沟道中，最末一个存储栅极区S_N下的有效信号电荷包被读出；

步骤二、

在积分时间内，通过时序控制存储栅极区、积分栅极区、隔离栅极区中的各栅极电压使曝光时衬底中产生的电荷在积分栅极区I_2n-1下的沟道中被收集并与该处有效信号电荷包累积在一起,隔离栅极区G_m在相邻积分栅极区I_2n-1与存储栅极区S_2n下方沟道之间产生一个势垒，防止两边的电荷包混合；然后通过时序控制隔离栅极区G_m电压使积分栅极区I_2n-1下方有效信号电荷包转移到相邻存储栅极区S_2n下方沟道中；

在存储时间内，通过时序控制存储栅极区、积分栅极区、隔离栅极区中的各栅极电压使隔离栅极区G_m在相邻积分栅极区I_2n-1与存储栅极区S_2n下方沟道之间产生一个势垒，有效信号电荷包留存在存储栅极区S_2n下的沟道中，此时衬底中产生的电子漂移或扩散至积分栅极区I_n下的沟道中形成非有效信号电荷包；然后，通过时序控制隔离栅极区G_m电压使积分栅极区I_2n-1下的非有效信号电荷包转移到相邻存储栅极区S_2n下方沟道中或被清空，同时存储栅极区S_2n下方沟道中的有效信号电荷包转移到积分栅极区I_2n+1下的沟道中，最末一个存储栅极区下的电荷包被读出；

重复步骤二，直至完成景物推扫成像；

所述存储时间内衬底中产生并漂移或扩散至积分栅极区下沟道中的非有效信号电荷包通过抗晕光栅极和抗晕光漏极被清空。

设积分时间为T_i，存储时间为T_s，优选地T_i：T_s＝1：2～4。

本发明在TDI图像传感器内部采用一个阻隔层(Blocking Layer)，在存储时间内，阻隔层之下产生的电荷由于被阻隔而无法进入有效信号电荷包中，将会通过漂移或扩散效应进入栅极之下的相邻电荷收集区内。这些电荷可以被清空也可以在信号读出时被忽略，因而不会被积累成为有效的信号电荷；在积分时间内收集并累加的电荷作为有效电荷被读出。本发明通过在衬底内沿栅极列向间隔排布阻隔层的方法减小积分时间，能够有效降低运动模糊效应。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的背照式TDI图像传感器结构示意图。

图2是本发明的背照式TDI图像传感器局部俯视图。

图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、图3f、图3g、图3h是本发明的背照式TDI图像传感器电子快门控制过程示意图。

图4是阻隔层注入浓度分布仿真剖面图。

图5是600纳米波长光照之后光生电子浓度分布仿真剖面图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明的背照式TDI图像传感器包括衬底101，制备于衬底101上的沟道102，以及制备于沟道102上的呈行列排布的栅极，抗晕光漏极105和抗晕光栅极104；衬底101内包含沿栅极列向间隔排布的阻隔层103；阻隔层103与衬底101的接触面形成PN结，且阻隔层103掺杂浓度η_b≥1000η_s，η_s为衬底掺杂浓度；阻隔层103上方的栅极区S₂、......S_2n、......S_N为存储栅极区，相邻阻隔层103间隔处上方的栅极区I₁、......I_2n-1、......为积分栅极区，存储栅极区与积分栅极区之间的栅极区G₁、......G_m......为隔离栅极区；积分栅极区下的沟道区域为电荷收集区，存储栅极区下的沟道区域为电荷存储区；抗晕光漏极105制作于相邻列栅极之间的衬底101上并沿栅极列向延伸；各抗晕光栅极104制作于对应积分栅极区一侧的衬底101上，并且各抗晕光栅极104与抗晕光漏极105相接。

每个存储栅极区、积分栅极区均可以各包含一行栅极或多行栅极，一般各包含1～ 4行栅极；存储栅极区与积分栅极区包含的栅极行数可以相等也可以不等。隔离栅极区可以包含多行栅极，最好包含一行栅极。

当TDI图像传感器的衬底101为N型掺杂时，阻隔层103为P型掺杂；当TDI图像传感器的衬底101为P型掺杂时，阻隔层103为N型掺杂。

下面以衬底101为N型掺杂、阻隔层103为P型掺杂为例，说明背照式TDI图像传感器电子快门控制方法。

所述阻隔层中心区域掺杂浓度η_b≥1000η_s，且由阻隔层中心区域至边缘掺杂浓度呈对数分布逐渐减小。

本发明的背照式TDI图像传感器电子快门控制方法具体如下：

步骤一、

如图3a所示，在积分时间内，通过时序控制存储栅极区S_2n、积分栅极区I_2n-1为高电平，隔离栅极区G_m为低电平，使曝光时衬底101中产生的电荷在积分栅极区I_2n-1下的沟道中被收集形成有效信号电荷包,隔离栅极区G_m在相邻积分栅极区I_2n-1与存储栅极区S_2n下方的沟道之间产生一个势垒，防止两边的电荷包混合；然后如图3b所示，通过时序控制隔离栅极区G_m为高电平使积分栅极区I_2n-1下方有效信号电荷包转移到相邻存储栅极区S_2n下方沟道中；其中n＝1,2，.....N/2，N为积分栅极区和存储栅极区总数，m＝1,2，.....M，M为隔离栅极区个数；

如图3c所示，在存储时间内，通过时序控制存储栅极区S_2n、积分栅极区I_2n-1为高电平，隔离栅极区G_m为低电平，使隔离栅极区G_m在相邻积分栅极区I_2n-1与存储栅极区S_2n下方沟道之间产生一个势垒，有效信号电荷包留存在存储栅极区S_2n下的沟道中，此时衬底中产生的电子漂移或扩散至积分栅极区I_2n-1下的沟道中形成非有效信号电荷包；然后如图3d所示，通过时序控制隔离栅极区G_m为高电平使积分栅极区I_2n-1下的非有效信号电荷包转移到相邻存储栅极区S_2n下方沟道中，或通过控制抗晕光栅极为高电平使积分栅极区I_2n-1下沟道中的非有效信号电荷包被清空(如图3d所示中显示的是非有效信号电荷包被清空的情况)，同时存储栅极区S_2n下方沟道中的有效信号电荷包转移到相邻积分栅极区I_2n+1下的沟道中，最末一个存储栅极区S_N下的有效信号电荷包被读出；

步骤二、

如图3e所示，在积分时间内，通过时序控制存储栅极区S_2n、积分栅极区I_2n-1为高电平，隔离栅极区G_m为低电平，使曝光时衬底101中产生的电荷在积分栅极区I_2n-1下的沟道中被收集并与该处有效信号电荷包累积在一起,隔离栅极区G_m在相邻积分栅极区I_2n-1与存储栅极区S_2n下方沟道之间产生一个势垒，防止两边的电荷包混合；然后如图3f所示，通过时序控制隔离栅极区G_m为高电平使积分栅极区I_2n-1下方有效信号电荷包转移到相邻存储栅极区S_2n下方沟道中；在上一存储时间后积分栅极区I_2n-1下的非有效信号电荷包转移到相邻存储栅极区S_2n下方沟道中而不是被清空的情况下，最末一个存储栅极区下的非有效信号电荷包不作为有效信号读出；

如图3g所示，在存储时间内，通过时序控制存储栅极区S_2n、积分栅极区I_2n-1为高电平，隔离栅极区G_m为低电平，使隔离栅极区G_m在相邻积分栅极区I_2n-1与存储栅极区S_2n下方沟道之间产生一个势垒，有效信号电荷包留存在存储栅极区S_2n下的沟道中，此时衬底101中产生的电子漂移或扩散至积分栅极区I_2n-1下的沟道中形成非有效信号电荷包；然后图3h所示，通过时序控制隔离栅极区G_m为高电平使积分栅极区I_2n-1下的非有效信号电荷包转移到相邻存储栅极区S_2n下方沟道中或被清空，同时存储栅极区S_2n下方沟道中的有效信号电荷包转移到积分栅极区I_2n+1下的沟道中，最末一个存储栅极区S_N下的电荷包被读出；

重复步骤二，直至完成景物推扫成像；

基于以上所述，该TDI图像传感器电子快门操作可以由每个像素或栅极的积分时间和存储时间的比率来表征。通过为积分时间和存储时间选取一个合适的比率，TDI图像传感器的成像可以被优化以降低运动模糊效应。设积分时间为T_i，存储时间为T_s，积分时间和存储时间比率可以选取T_i：T_s＝1：2、T_i：T_s＝1：3、T_i：T_s＝1：4。

在存储时间内，阻隔层之下产生的电荷由于被阻隔而无法进入信号电荷包中，将会通过漂移或扩散效应进入栅极之下的相邻电荷收集区内。这些区域仅用来暂时存储收集而来的电荷，可以被清空。因而在该区域收集的电荷不会被积累成为有效的信号电荷。

本发明在TDI图像传感器内部采用一个阻隔层(Blocking Layer)，使在阻隔层之下的电荷产生区域中产生的电荷流入该阻隔层之上的区域的通路被阻隔，以实现背照式TDI图像传感器的电子快门操作过程。

本发明所提出的阻隔层是一个深注入层，该层不需要具有明显的边界，但是该层需要足够宽，以保证在存储时间内可以有效阻隔其他区域产生的电荷进入阻隔层之上的电荷存储区。

上述的发明内容中，收集的电荷是电子，在实际应用中也可以收集空穴。相应的电荷存储区可以是n型沟道或者p型沟道。深注入的阻隔层也可以是p型或者n型，只要保证可以阻隔相应电荷进入存储区域即可。

实际应用中，除二相时钟时序之外，本发明也可以采用其他时序控制方法。在存储时间内和积分时间内只要保证存储栅极区、积分栅极区整体呈高电平状态即可。

理想情况下，认为电荷存储区(存储栅极区下的沟道)和感光表面的间距足够大，光照无法抵达该存储区，直接在该区域产生电荷。实际情况下，具有一定波长的光照可以穿透阻隔层直接抵达存储区，因此该方法的实际应用限制了光照的波长，具体限制范围与电荷存储区和感光表面的间距有关。

为说明本发明的电子快门技术对光照波长的限制，设计人员针对50微米厚度的背照式TDI图像传感器进行了光迹仿真。仿真器件的剖面图如图4所示，图中标示了注入浓度的分布，以对数分度进行区分。从图中可以看到，阻隔层103中心距离器件正面约为2微米，阻隔层103上方的存储栅极区S_2n为高电位，用来存储被阻隔的电子；相邻阻隔层之间的积分栅极区I_2n-1也为高电位，用来存储衬底101产生的光生电荷。两个高电位栅极区之间的两个栅极板(隔离栅极区G_m)为低电位，用来产生势垒，防止两边高电位栅极区下的电荷包混合。该仿真实际上为一个三维结构仿真，积分区域达到满阱之后，多余的电荷会从器件里侧的抗晕光栅极104与抗晕光漏极105流走。图4为二维器件图，抗晕光栅极与漏极并未在图中标出。

图5所示为采用600纳米波长光线进行仿真产生的光生电子浓度。该波长下的典型光线吸收深度为2微米，因此在电荷存储区不会直接产生光生电荷，仿真结果显示最终在电荷存储区产生的光生电荷低于没有阻隔层的50微米厚度背照式TDI图像传感器的0.01％。然而若使用900纳米波长光线进行仿真，其典型光线吸收深度为25微米，与没有阻隔层的50微米厚度背照式TDI图像传感器相比，约有0.4％的光生电荷在存储区域直接产生。

可以看到，光照波长越长，存储区域中直接产生的光生电荷越多，阻隔层的阻隔作用越弱，则本发明利用电子快门技术降低TDI图像传感器运动模糊效应的效果越差。可以通过两种方法解决该技术问题，分别是使入射光线经过红外滤波片，滤除红外波长光线；或者增加衬底厚度，例如增加至200微米。

Claims (8)

1.一种背照式TDI图像传感器，包括衬底(101)，制备于衬底(101)上的沟道(102)，以及制备于沟道(102)上的呈行列排布的栅极；其特征在于所述衬底(101)内包含沿栅极列向间隔排布的阻隔层(103)；阻隔层(103)与衬底(101)的接触面形成PN结，且阻隔层(103)中心区域掺杂浓度η_b≥1000η_s，η_s为衬底掺杂浓度；阻隔层(103)上方的栅极区为存储栅极区，相邻阻隔层间隔处上方的栅极区为积分栅极区，存储栅极区与积分栅极区之间的栅极区为隔离栅极区；存储栅极区、积分栅极区、隔离栅极区均至少包含一行栅极。

2.根据权利要求1所述的背照式TDI图像传感器，其特征在于所述存储栅极区和积分栅极区包含的栅极行数相等或者不相等。

3.根据权利要求1所述的背照式TDI图像传感器，其特征在于还包括抗晕光漏极(105)和抗晕光栅极(104)；抗晕光漏极(105)制作于相邻列栅极之间的沟道上并沿栅极列向延伸；各抗晕光栅极(104)制作于对应积分栅极区一侧的衬底(101)上，并且各抗晕光栅极(104)与抗晕光漏极(105)相接。

4.根据权利要求1所述的背照式TDI图像传感器，其特征在于所述隔离栅极区包含一行栅极。

5.根据权利要求1所述的背照式TDI图像传感器，其特征在于所述阻隔层(103)中心区域至边缘掺杂浓度呈对数分布逐渐减小。

6.一种如权利要求1所述背照式TDI图像传感器的电子快门控制方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一、

在积分时间内，通过时序控制存储栅极区S_2n、积分栅极区I_2n-1、隔离栅极区G_m中的各栅极电压，使曝光时衬底中产生的电荷在积分栅极区I_2n-1下的沟道中被收集形成有效信号电荷包,隔离栅极区G_m在相邻积分栅极区I_2n-1与存储栅极区S_2n下方的沟道之间产生一个势垒，防止两边的电荷包混合；然后通过时序控制隔离栅极区G_m电压使积分栅极区I_2n-1下方有效信号电荷包转移到相邻存储栅极区S_2n下方沟道中；其中n＝1,2，.....N/2，N为积分栅极区和存 储栅极区总数，m＝1,2，.....M，M为隔离栅极区个数；

在存储时间内，通过时序控制存储栅极区、积分栅极区、隔离栅极区中的各栅极电压使隔离栅极区G_m在相邻积分栅极区I_2n-1与存储栅极区S_2n下方沟道之间产生一个势垒，有效信号电荷包留存在存储栅极区S_2n下的沟道中，此时衬底中产生的电子漂移或扩散至积分栅极区I_n下的沟道中形成非有效信号电荷包；然后，通过时序控制隔离栅极区G_m电压使积分栅极区I_2n-1下的非有效信号电荷包转移到相邻存储栅极区S_2n下方沟道中或被清空，同时存储栅极区S_2n下方沟道中的有效信号电荷包转移到相邻积分栅极区I_2n+1下的沟道中，最末一个存储栅极区S_N下的有效信号电荷包被读出；

步骤二、

在积分时间内，通过时序控制存储栅极区、积分栅极区、隔离栅极区中的各栅极电压使曝光时衬底中产生的电荷在积分栅极区I_2n-1下的沟道中被收集并与该处有效信号电荷包累积在一起,隔离栅极区G_m在相邻积分栅极区I_2n-1与存储栅极区S_2n下方沟道之间产生一个势垒，防止两边的电荷包混合；然后通过时序控制隔离栅极区G_m电压使积分栅极区I_2n-1下方有效信号电荷包转移到相邻存储栅极区S_2n下方沟道中；

在存储时间内，通过时序控制存储栅极区、积分栅极区、隔离栅极区中的各栅极电压使隔离栅极区G_m在相邻积分栅极区I_2n-1与存储栅极区S_2n下方沟道之间产生一个势垒，有效信号电荷包留存在存储栅极区S_2n下的沟道中，此时衬底中产生的电子漂移或扩散至积分栅极区I_n下的沟道中形成非有效信号电荷包；然后，通过时序控制隔离栅极区G_m电压使积分栅极区I_2n-1下的非有效信号电荷包转移到相邻存储栅极区S_2n下方沟道中或被清空，同时存储栅极区S_2n下方沟道中的有效信号电荷包转移到积分栅极区I_2n+1下的沟道中，最末一个存储栅极区下的电荷包被读出；

重复步骤二，直至完成景物推扫成像。

7.根据权利要求6所述背照式TDI图像传感器的电子快门控制方法，其特征在于所述存储时间内衬底中产生并漂移或扩散至积分栅极区下沟道中的非有效信号电荷包通过抗晕光栅极和抗晕光漏极被清空。

8.根据权利要求6所述背照式TDI图像传感器的电子快门控制方法，其特征在于设积分时间为T_i，存储时间为T_s，T_i：T_s＝1：2～4。