CN109360836B - 改善自对准像素单元满阱容量的cmos图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器，包括：硅基衬底；有源区，由浅沟槽隔离定义，设置光电二极管、传输晶体管、放大晶体管、行选择晶体管、复位晶体管；N型掺杂区，设置在硅基衬底上；第一P型掺杂区，位于N型掺杂区之外边沿；第二P型掺杂区，设置在N型掺杂区之中部或近似中部；第一N型掺杂区，紧邻第一P型掺杂区之内边沿；第二N型掺杂区，与第一N型掺杂区和第二P型掺杂区紧邻，且掺杂浓度大于第一N型掺杂区之掺杂浓度。本发明不仅可提高容纳电子的能力，从而保持作为全像素自对准单元的像素单元之满阱容量能力，而且利用缓变的掺杂浓度差之势阱的变化，倾斜光产生的电子可以更有效的被收集，而不会由于较浅的位置而游离到邻近单元。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器。
背景技术
图像采集系统常用的CMOS图像传感器(CIS)由于其制造工艺和现有的集成电路制造工艺兼容，同时其性能上比原有的电荷耦合器件(Charge-coupled Device)CCD相比有很多优点，所以被业界广泛应用。而且CMOS图像传感器可以将驱动电路和像素集成在一起，较为方便的简化了硬件设计的方案，同时也降低了系统的功耗。
除此之外，CMOS图像传感器CIS由于在采集光信号的同时就可以取出电信号，还能实时处理图像信息，响应速度也比CCD图像传感器快。CMOS图像传感器还具有价格便宜，带宽较大，防模糊，访问的灵活性和较大的填充系数的优点。
传统的有源像素是运用光电二极管作为图像传感器件。通常的有源像素单元是由三个晶体管和一个P+/N+/P-光电二极管构成，这种结构适合标准的CMOS制造工艺。在对于光电二极管的掺杂的空间分布设计中，我们还必须使空间电荷区避开晶体缺陷等复合中心集中的地区，以减小像素的暗电流。
随着手机摄像的普遍应用，对其像素和拍照速度提出新的要求，为了提高拍照速度相应的提出自动对焦的需求。自动对焦分为主动式和被动式，主动式是依靠超声或是激光进行物体和摄像头之间的距离，进行调整。被动式分为对比式和相差自动对焦。目前最新的技术是利用整个像素单元实现自动对焦的全像素相差式自动对焦。在利用整个像素单元实现自动对焦的全像素相差式自动对焦的过程中，是将一个像素分为两个光电二极管，利用两个光电二极管对于光的相位的差别来实现快速自动对焦，两个光电二极管对于光的反应之和相当于一个像素单元。
为了使自动对焦的敏感性增加，要调整微透镜的尺寸，同时要保证两个光电二极管对于光的相位之差别来实现快速自动对焦。但是，实际上所述结构很难达到与同样面积像素具有相同的满阱容量。
故针对现有技术存在的问题，本案设计人凭借从事此行业多年的经验，积极研究改良，于是有了本发明一种改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器。
发明内容
本发明是针对现有技术中，现有全像素相差式自动对焦是将一个像素分为两个光电二极管，利用两个光电二极管对于光的相位的差别来实现快速自动对焦，两个光电二极管对于光的反应之和相当于一个像素单元，但是所述结构很难达到与同样面积像素具有相同的满阱容量等缺陷提供一种改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器。
为实现本发明之目的，本发明提供一种改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器，所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器，包括：硅基衬底，所述硅基衬底上用于形成各功能器件；有源区，由浅沟槽隔离定义，并在所述有源区内分别设置电连接的光电二极管、传输晶体管、放大晶体管、行选择晶体管，及复位晶体管；N型掺杂区，所述光电二极管之N型掺杂区设置在所述硅基衬底上；第一P型掺杂区，所述第一P型掺杂区设置在所述N型掺杂区内，并位于所述N型掺杂区之外边沿处；第二P型掺杂区，所述第二P型掺杂区设置在所述N型掺杂区之中部处或近似中部处；第一N型掺杂区，所述第一N型掺杂区设置在所述N型掺杂区内，并紧邻所述第一P型掺杂区之内边沿设置；第二N型掺杂区，所述第二N型掺杂区设置在所述N型掺杂区内，并位于所述第一N型掺杂区和所述第二P型掺杂区之间，且与所述第一N型掺杂区和所述第二P型掺杂区紧邻，所述第二N型掺杂区之掺杂浓度大于所述第一N型掺杂区之掺杂浓度。
可选地，所述硅基衬底为P型衬底，或者为P型外延层，亦或者为带有P型外延层的P型衬底。
可选地，所述第一P型掺杂区呈“回”字型设置在所述N型掺杂区内，并位于所述N型掺杂区之外边沿处。
可选地，所述第二P型掺杂区呈条状布置，并位于所述N型掺杂区之中部处或近似中部处。
可选地，所述中部处或近似中部处为像素单元之距离边缘的1/3～1/2处。
可选地，所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器，还包括P型掺杂钉扎层，所述P型掺杂钉扎层设置在所述N型掺杂区之异于硅基衬底的一侧。
可选地，所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器，还包括P型阱，所述P型阱与所述N型掺杂区间隔设置在所述硅基衬底上，并在所述P型阱内分别设置N型浮置重掺杂区和N+型掺杂区，且所述N+型掺杂区被钳制到具有电源电压VDD的电压水准。
可选地，所述传输晶体管设置在所述硅基衬底上，并位于所述N型掺杂区和所述P型阱之间。
可选地，所述复位晶体管设置在所述硅基衬底上，并位于所述N型浮置重掺杂区和所述N+型掺杂区之间。
综上所述，本发明所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器通过在所述像素单元之中部处或近似中部处设置作为深势阱的所述第二P型掺杂区，可提高容纳电子的能力，从而保持作为全像素自对准单元的像素单元之满阱容量能力。另一方面，本发明所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器通过在所述N型掺杂区内设置所述第一N型掺杂区和所述第二N型掺杂区，且所述第二N型掺杂区之掺杂浓度大于所述第一N型掺杂区之掺杂浓度，进而利用缓变的掺杂浓度差之势阱的变化，倾斜光产生的电子可以更有效的被收集，而不会由于较浅的位置而游离到邻近单元。
附图说明
图1所示为本发明改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器之结构示意图；
图2所示为本发明改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器之全像素自对准单元掺杂结构示意图；
图3所示为本发明垂直方向电场分布图谱；
图4所示为本发明水平方向电场分布图谱。
具体实施方式
为详细说明本发明创造的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。
图像采集系统常用的CMOS图像传感器(CIS)由于其制造工艺和现有的集成电路制造工艺兼容，同时其性能上比原有的电荷耦合器件(Charge-coupled Device)CCD相比有很多优点，所以被业界广泛应用。而且CMOS图像传感器可以将驱动电路和像素集成在一起，较为方便的简化了硬件设计的方案，同时也降低了系统的功耗。
除此之外，CMOS图像传感器CIS由于在采集光信号的同时就可以取出电信号，还能实时处理图像信息，响应速度也比CCD图像传感器快。CMOS图像传感器还具有价格便宜，带宽较大，防模糊，访问的灵活性和较大的填充系数的优点。
传统的有源像素是运用光电二极管作为图像传感器件。通常的有源像素单元是由三个晶体管和一个P+/N+/P-光电二极管构成，这种结构适合标准的CMOS制造工艺。在对于光电二极管的掺杂的空间分布设计中，我们还必须使空间电荷区避开晶体缺陷等复合中心集中的地区，以减小像素的暗电流。
随着手机摄像的普遍应用，对其像素和拍照速度提出新的要求，为了提高拍照速度相应的提出自动对焦的需求。自动对焦分为主动式和被动式，主动式是依靠超声或是激光进行物体和摄像头之间的距离，进行调整。被动式分为对比式和相差自动对焦。目前最新的技术是利用整个像素单元实现自动对焦的全像素相差式自动对焦。在利用整个像素单元实现自动对焦的全像素相差式自动对焦的过程中，是将一个像素分为两个光电二极管，利用两个光电二极管对于光的相位的差别来实现快速自动对焦，两个光电二极管对于光的反应之和相当于一个像素单元。
为了使自动对焦的敏感性增加，要调整微透镜的尺寸，同时要保证两个光电二极管对于光的相位之差别来实现快速自动对焦。但是，实际上所述结构很难达到与同样面积像素具有相同的满阱容量。
请参阅图1、图2，图1所示为本发明改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器之结构示意图。图2所示为本发明改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器之全像素自对准单元掺杂结构示意图。所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器1，包括：
硅基衬底11，所述硅基衬底11上用于形成各功能器件；
选择性地，所述硅基衬底11为P型衬底，或者为P型外延层，亦或者为带有P型外延层的P型衬底。
有源区12，由浅沟槽隔离13定义，并在所述有源区12内分别设置电连接的光电二极管14、传输晶体管15、放大晶体管16、行选择晶体管17，及复位晶体管18；
N型掺杂区141，所述光电二极管14之N型掺杂区141设置在所述硅基衬底11上；
第一P型掺杂区142，所述第一P型掺杂区142设置在所述N型掺杂区141内，并位于所述N型掺杂区141之外边沿处；
作为具体实施方式，所述第一P型掺杂区142呈“回”字型设置在所述N型掺杂区141内，并位于所述N型掺杂区141之外边沿处。
第二P型掺杂区143，所述第二P型掺杂区143设置在所述N型掺杂区141之中部处或近似中部处；
非限制性地，所述第二P型掺杂区143呈条状布置，并位于所述N型掺杂区141之中部处或近似中部处。更具体地，所述中部处或近似中部处为像素单元10之距离边缘的1/3～1/2处。
第一N型掺杂区145，所述第一N型掺杂区145设置在所述N型掺杂区141内，并紧邻所述第一P型掺杂区142之内边沿设置；
第二N型掺杂区144，所述第二N型掺杂区144设置在所述N型掺杂区141内，并位于所述第一N型掺杂区145和所述第二P型掺杂区143之间，且与所述第一N型掺杂区145和所述第二P型掺杂区143紧邻，所述第二N型掺杂区144之掺杂浓度大于所述第一N型掺杂区145之掺杂浓度。
请参阅图3、图4，图3所示为本发明垂直方向电场分布图谱。图4所示为本发明水平方向电场分布图谱。作为本领域技术人员，容易理解的，本发明所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器1通过在所述像素单元10之中部处或近似中部处设置作为深势阱的所述第二P型掺杂区143，可提高容纳电子的能力，从而保持作为全像素自对准单元的像素单元10之满阱容量能力。另一方面，本发明所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器1通过在所述N型掺杂区141内设置所述第一N型掺杂区145和所述第二N型掺杂区144，且所述第二N型掺杂区144之掺杂浓度大于所述第一N型掺杂区145之掺杂浓度，进而利用缓变的掺杂浓度差之势阱的变化，倾斜光产生的电子可以更有效的被收集，而不会由于较浅的位置而游离到邻近单元。
为了更直观的揭露本发明之技术特征，凸显本发明之有益效果，现结合具体实施方式，对本发明改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器进行整体结构、工作原理和应用阐述。在具体实施方式中，所述各功能部件之尺寸、掺杂浓度等仅为列举，不应视为对本发明技术方案的限制。
请继续参阅图1，并结合参阅图2，为了叙述和观察的便利，仅仅绘制了光电二极管14、传输晶体管15、复位晶体管18的物理结构，对放大晶体管16、行选择晶体管17采用电路图展示的方式。
在具体实施方式中，所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器1，还包括：
P型掺杂钉扎层146，所述P型掺杂钉扎层146设置在所述N型掺杂区141之异于硅基衬底11的一侧；
P型阱19，所述P型阱19与所述N型掺杂区141间隔设置在所述硅基衬底10上，并在所述P型阱19内分别设置N型浮置重掺杂区191和N+型掺杂区192，且所述N+型掺杂区192被钳制到具有电源电压VDD的电压水准；
传输晶体管15，所述传输晶体管15设置在所述硅基衬底11上，并位于所述N型掺杂区141和所述P型阱19之间；
复位晶体管18，所述复位晶体管18设置在所述硅基衬底11上，并位于所述N型浮置重掺杂区191和所述N+型掺杂区192之间。
所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器1的主要工作机制如下：在光照时，光电二极管14在N型掺杂区141处产生电荷，此时所述传输晶体管15呈关闭状态。然后所述传输晶体管15被接通，将存储在光电二极管14之N型掺杂区141处的电荷通过导通的传输晶体管15传输至所述N型浮置重掺杂区191，随即所述传输晶体管15关断，并等待下一次光照的进入。在N型浮置重掺杂区191处暂存的电荷信号随后利用放大晶体管16进行放大，所述放大晶体管16为源极跟随器，可将光电二极管14的高阻抗输出信号进行电流放大。行选择晶体管17用作选址模拟开关，当选通脉冲到来时，所述行选择晶体管17导通，使通过放大晶体管16被放大的光电信号藉由所述行选择晶体管17输送到列总线上。在读取光电信号后，带有复位门的所述复位晶体管18导通，并将所述N型浮置重掺杂区191处的电位复位到一个参考电压。
显然地，本发明所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器1通过在所述像素单元10之中部处或近似中部处设置作为深势阱的所述第二P型掺杂区143，可提高容纳电子的能力，从而保持作为全像素自对准单元的像素单元10之满阱容量能力。另一方面，本发明所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器1通过在所述N型掺杂区141内设置所述第一N型掺杂区145和所述第二N型掺杂区144，且所述第二N型掺杂区144之掺杂浓度大于所述第一N型掺杂区145之掺杂浓度，进而利用缓变的掺杂浓度差之势阱的变化，倾斜光产生的电子可以更有效的被收集，而不会由于较浅的位置而游离到邻近单元。
综上所述，本发明所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器通过在所述像素单元之中部处或近似中部处设置作为深势阱的所述第二P型掺杂区，可提高容纳电子的能力，从而保持作为全像素自对准单元的像素单元之满阱容量能力。另一方面，本发明所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器通过在所述N型掺杂区内设置所述第一N型掺杂区和所述第二N型掺杂区，且所述第二N型掺杂区之掺杂浓度大于所述第一N型掺杂区之掺杂浓度，进而利用缓变的掺杂浓度差之势阱的变化，倾斜光产生的电子可以更有效的被收集，而不会由于较浅的位置而游离到邻近单元。
本领域技术人员均应了解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。因而，如果任何修改或变型落入所附权利要求书及等同物的保护范围内时，认为本发明涵盖这些修改和变型。
Claims (8)
1.一种改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器，其特征在于，所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器，包括：
硅基衬底，所述硅基衬底上用于形成各功能器件；
有源区，由浅沟槽隔离定义，并在所述有源区内分别设置电连接的光电二极管、传输晶体管、放大晶体管、行选择晶体管，及复位晶体管；
N型掺杂区，所述光电二极管之N型掺杂区设置在所述硅基衬底上；
第一P型掺杂区，所述第一P型掺杂区设置在所述N型掺杂区内，并位于所述N型掺杂区之外边沿处；
第二P型掺杂区，所述第二P型掺杂区设置在所述N型掺杂区之中部处或近似中部处，所述中部处或近似中部处为像素单元之距离边缘的1/3～1/2处；
第一N型掺杂区，所述第一N型掺杂区设置在所述N型掺杂区内，并紧邻所述第一P型掺杂区之内边沿设置；
第二N型掺杂区，所述第二N型掺杂区设置在所述N型掺杂区内，并位于所述第一N型掺杂区和所述第二P型掺杂区之间，且与所述第一N型掺杂区和所述第二P型掺杂区紧邻，所述第二N型掺杂区之掺杂浓度大于所述第一N型掺杂区之掺杂浓度。
2.如权利要求1所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器，其特征在于，所述硅基衬底为P型衬底，或者为P型外延层，亦或者为带有P型外延层的P型衬底。
3.如权利要求1所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第一P型掺杂区呈“回”字型设置在所述N型掺杂区内，并位于所述N型掺杂区之外边沿处。
4.如权利要求1所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第二P型掺杂区呈条状布置，并位于所述N型掺杂区之中部处或近似中部处。
5.如权利要求1所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器，其特征在于，所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器，还包括P型掺杂钉扎层，所述P型掺杂钉扎层设置在所述N型掺杂区之异于硅基衬底的一侧。
6.如权利要求1所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器，其特征在于，所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器，还包括P型阱，所述P型阱与所述N型掺杂区间隔设置在所述硅基衬底上，并在所述P型阱内分别设置N型浮置重掺杂区和N+型掺杂区，且所述N+型掺杂区被钳制到具有电源电压VDD的电压水准。
7.如权利要求6所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器，其特征在于，所述传输晶体管设置在所述硅基衬底上，并位于所述N型掺杂区和所述P型阱之间。
8.如权利要求6所述改善自对准像素单元满阱容量的CMOS图像传感器，其特征在于，所述复位晶体管设置在所述硅基衬底上，并位于所述N型浮置重掺杂区和所述N+型掺杂区之间。
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