CN111341795B - 溢出电荷漏极图像传感器的实现方法 - Google Patents
溢出电荷漏极图像传感器的实现方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111341795B CN111341795B CN201811556468.3A CN201811556468A CN111341795B CN 111341795 B CN111341795 B CN 111341795B CN 201811556468 A CN201811556468 A CN 201811556468A CN 111341795 B CN111341795 B CN 111341795B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- drain
- ion implantation
- transistor
- overflow
- type
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 claims abstract description 56
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 19
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 16
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 10
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 10
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 9
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 7
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 3
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 3
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 abstract description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 24
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 20
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 5
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 4
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 4
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 4
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 4
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000005574 cross-species transmission Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000004148 unit process Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
- H01L27/1461—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements characterised by the photosensitive area
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
- H01L27/14612—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements involving a transistor
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
- H01L27/14689—MOS based technologies
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
本发明提供一种溢出电荷漏极图像传感器的实现方法，至少有一个像素单元内的晶体管的漏极，同时作为感光二极管的溢出电荷漏极，所述感光二极管溢出势垒高度是用离子注入方式来调节的，通过抽取感光二极管中的多余电荷，避免感光二极管在收集的电荷过多时，可能会发生向邻近像素单元的感光二极管迁移的浮散过程，影响相邻像素单元的图像采集及处理，从而提高成像质量，改善图像传感器性能。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，特别涉及溢出电荷漏极图像传感器的实现方法。
背景技术
根据图像传感器按照感光元件与感光原理的不同，可分为CCD图像传感器与CMOS图像传感器。CMOS图像传感器由于其兼容性较好、性价比高被广泛采用于消费电子、医疗图像采集和监控领域。
CMOS图像传感器包括：像素阵列(pixel array)，像素阵列包括若干阵列排布的像素单元(pixel cell or pixel unit)。如图1，图2所示，单个像素单元往往采用3T(3晶体管)或4T(4晶体管) 结构。近年来，图像传感器朝着更高像素、更小像素单元、更快读出速度的方向发展。CMOS图像传感器（CIS）技术越来越多的采用一个（single）或几个（2,4,8，etc.）感光二极管共用同一个复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管的方案，在图1或图2中虚线框内部所示的器件的倍增，外部晶体管不变，以扩大感光区域的面积，提高图像传感器的光电转换能力。感光二极管Photo Diode（PD）具有一定的累积电荷能力，当单个像素单元的感光二极管接收强入射光，在收集的光电子过多时，会发生向邻近像素单元的感光二极管迁移的浮散(blooming)过程，影响相邻像素单元的图像采集及处理，进而影响成像质量以及图像传感器性能。随着图像传感器尺寸缩小，像素增加，这种溢出和浮散现象的影响更加不可忽视。因此从设计上和工艺上改善这种现象一直是设计及制造图像传感器工作的重点。
如1图所示，4T像素单元的基本工作原理，以single pixel为例：单个像素单元的光电转换转元件即感光二极管（PD）110接收外部光线，将累积的光电子通过转移晶体管(TX)120转移至浮置扩散区(FD)130，复位晶体管（RST）140用于复位浮置扩散区130的电压；浮置扩散区130接源跟随晶体管(SF)150的栅极(gate terminal)，源跟随晶体管150的漏极(drain terminal)接电压源ROW_SEL，源跟随晶体管150的源极跟随浮置扩散区上的信号电压输出一个低阻的电信号。
对于读出行，通过选择晶体管（SEL）160，由控制信号控制该行SEL晶体管处于导通状态，将所述源跟随器的源极连接至位线上输出信号；而对于积分行，由SEL晶体管栅极上的控制信号控制积分行的SEL晶体管处于关闭状态，积分行的源跟随晶体管的源极与位线断开， 此时积分行的FD可以处于在高压而不会影响到位线上读出行的输出信号。
如2图所示，3T结构，单个像素单元中的其他结构与4T 结构类似，相比于4T，减少了选择晶体管（SEL）控制输出，由源跟随晶体管（SF）150直接输出信号至位线上，具有更快的读出速度，有利于缩小尺寸。但是，由于减少了一个SEL晶体管，在位线上读取信号时，读出行像素单元的FD电压被设置为高电压，而其他积分行像素单元的FD必须设置为低电压，这样积分行像素单元的SF处于关断状态，不影响读出行的信号输出。
3T结构少了一个晶体管，有利于提升感光区域的面积，但是，由于积分行像素单元FD处于低电压的状态，无法在积分时将感光单元多余电荷抽走，会导致图像传感器的性能下降。而4T像素在积分时FD可为高电位，起到溢出电荷漏极的作用，提升了图像效果。近年来的高像素设计中，3T结构越来越不被业界采用。
因此业界对于Blooming的问题，提出了诸多改善方案,例如在感光区域周边新增一个类似TX管和高电压的漏极结构，用来抽取感光区域的浮散电子，但类似的技术降低了传感器中感光区域所占面积比例, 不利于在高像素，小尺寸的像素单元中运用。
本发明提出一种新的溢出电荷漏极设计方案，可设计出更小像素，更高分辨率，更高性能的图像传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种溢出电荷漏极图像传感器的实现方法，通过共用像素单元内的晶体管漏极作为感光二极管的溢出电荷漏极，用离子注入垂直PNP管方式来调节溢出势垒高度，可以改善4T结构多余电荷溢出的性能，弥补3T结构的中无溢出电荷漏极的缺点，提高成像质量，改善图像传感器性能。
为解决上述问题，本发明提供一种溢出电荷漏极图像传感器的实现方法，至少有一个像素单元内的晶体管的漏极，同时作为感光二极管的溢出电荷漏极; 并且，所述感光二极管溢出势垒高度是通过离子注入方式来调节的。
优选的，至少有一个像素单元内的晶体管的漏极，同时作为感光二极管的溢出电荷漏极;并且，所述感光二极管溢出势垒高度是通过离子注入方式来调节的。
优选的，N型感光二极管溢出势垒高度是通过离子注入方式形成一个上层P型，中层N型，下层P型，垂直的PNP三极管来调节的。
优选的，P型感光二极管溢出势垒高度是通过离子注入方式形成一个上层N型，中层P型，下层N型，垂直的NPN三极管来调节的。
优选的，所述的垂直PNP或NPN三极管中的两层或三层离子注入可采用一次曝光多次离子注入的方式实现，提高离子注入精度；也可以在所述一次曝光，部分离子注入完成后，采用Descum工艺对所述曝光形成的光刻胶尺寸进行调节，再进行后续的离子注入，以改变后续离子注入层的尺寸。
优选的，相邻像素单元的复位晶体管和源跟随晶体管采用镜像对称的方式排布，像素单元内复位晶体管的漏极和源跟随晶体管的漏极同时作为溢出电荷漏极。
优选的，所述溢出电荷漏极的离子注入深度大于像素单元其他晶体管有源区的离子注入深度。
优选的，四个感光二极管共用一个溢出电荷漏极。
优选的，在设计布图中，所述溢出电荷漏极位于转移晶体管的对角位置。
优选的，对于无选择晶体管，由源跟随晶体管直接输出信号的像素单元结构，源跟随晶体管的漏极、复位晶体管的漏极，在对应行积分电荷时被设置成高电压，都同时起到溢出电荷漏极的作用。
优选的，复位晶体管控制浮置扩散区电压，使图像传感器在工作时，积分行浮置扩散区电压低于读出行浮置扩散区复位后的电压0.5V以上。
优选的，采用沟槽隔离的方式，避免溢出电荷漏极与感光二极管在硅的表面穿通。
本发明的溢出电荷漏极的图像传感器的实现方法，至少有一个像素单元内的晶体管的漏极，同时作为感光二极管的溢出电荷漏极，感光二极管溢出势垒高度是用离子注入方式来调节，抽取感光二极管中的多余电荷，避免光电二极管在收集的电荷过多时，可能会发生向邻近像素单元的光电二极管迁移的浮散过程，影响相邻像素单元的图像采集及处理，从而提高成像质量，改善图像传感器性能。
附图说明
通过说明书附图以及随后与说明书附图一起用于说明本发明某些原理的具体实施方式，本发明所具有的其它特征和优点将变得清楚或得以更为具体地阐明。
图1为现有技术的4T结构图像传感器的电路示意图；
图2为现有技术的3T结构图像传感器的电路示意图；
图3为本发明溢出电荷漏极的3T结构图像传感器的俯视示意图；
图4为图3中沿B-C-D-C’-B’线的三种（A，B, C）实施方案剖视示意图；
图5为图3中沿B-C-D-C’-B’线的另一种实施方案剖视示意图；
图6 （a）为基于图2中3T结构为例先前各晶体管时序；
图6（b）为3T结构本发明中各晶体管端电位时序。
具体实施方式
本发明提供一种溢出电荷漏极的图像传感器的实现方法，至少与现有晶体管共用一个漏极（一般为复位晶体管，源跟随晶体管的漏极），来抽取感光区域中的多余电荷。与之前发明专利区别的主要特征在于，用离子注入方式来调节溢出电荷的势垒高度。本发明运用在多个像素单元共享RST、SF晶体管的图像传感器结构中可以获得更多的面积优势，以下用4-share的像素设计结合具体实施方式对本发明进行说明。本发明不限定像素单元共享RST、SF的数量。
图3为本发明基于4-share的3T结构像素单元溢出电荷漏极图像传感器的俯视示意图。一个3T结构、4share的像素单元，以P2为例，包括了4个感光二极管110_a, 110_b,110_c和110_d，与之分别对应的4个转移晶体管120，一个复位晶体管140，一个源跟随晶体管150，浮置扩散区FD 130。FD 130通过金属线与复位晶体管140的源极A、以及SF的栅极150相连（未在图中示意）。复位晶体管用于复位FD的电压；源跟随晶体管150的源极跟随浮置扩散区上的信号电压输出一个低阻的电信号。图3中虚线包围C点以及C’点的哑铃形区域为用于调节溢出电荷势垒的离子注入区。该区域的结构，离子注入浓度用来调节溢出电荷从PD溢出到溢出电荷漏极142的势垒。
像素单元工作可分为积分与读出阶段。积分时，FD由复位晶体管复位为低电位，感光二极管110_a, 110_b, 110_c和110_d接收外部光线进行光电转换，累积光电子，转移晶体管TX 120关断状态。读出阶段，开启转移晶体管TX 120，感光二极管110_a, 110_b, 110_c和110_d将电荷转移至浮置扩散区FD 130，源跟随晶体管的漏极162接高压的电压源，源跟随晶体管150的源极跟随FD上的信号电压输出一个低阻的电信号。
本发明将图示中复位晶体管140的漏极142同时作为感光二极管110_c,110_e,110_f,110_g的溢出电荷漏极142，源跟随晶体管150的漏极162同时作为感光二极管110_d,110_h, 110_i,和110_j的溢出电荷漏极。
当感光二极管110_c和110_e处于积分时，接收到超出其累积电荷能力的多余光电子时，光电子可通过由离子注入调节的C区，溢出到两者共同的溢出电荷漏极142(D点)，由溢出电荷漏极142将多余光电子抽走；同理，感光二极管110_f和110_g也可在积分时，将溢出电荷通过漏极142抽走。所述漏极142是感光二极管像素单元内110_a, 110_b, 110_c,110_d共享的复位晶体管，在不作为溢出电荷漏极时，用于复位FD130中的电荷；在本发明中，也用来作为感光二极管110_c, 110_e, 110_f, 110_g的溢出电荷漏极。由图3可以看到，110_c, 110_e, 110_f, 110_g分别属于不同的像素单元，共享同一个溢出电荷漏极142。
与此类似的源跟随晶体管150的共享漏极162可用于抽取相邻四个感光二极管110_d, 110_h, 110_i, 110_g 的溢出电荷，在设计布图中，所述与复位晶体管共享漏极的溢出电荷漏极142位于浮置扩散区FD130的对角位置；类似的与源跟随晶体管共享漏极的溢出电荷漏极162也位于浮置扩散区FD130的对角位置。
请继续参考图3，在本实施例中相邻像素单元的复位晶体管140和源跟随晶体管150采用镜像对称的方式排布。复位晶体管140与源跟随晶体管150的漏极可同时或单独利用其作为感光二极管溢出电荷的漏极。感光二极管与所述两漏极之间的夹断与导通在本实施例中通过离子注入层调节。以下用剖面图介绍具体实施方案。
图4示意了三种感光区到复位晶体管漏极区域（图3中B-C-D-C’-B’）的主要结构设计方案，其主要结构特点在于通过溢出电荷漏极与感光区之间(图3哑铃形区域)形成夹层的垂直PNP结构。该PNP结构可根据工艺要求灵活调整，图4_A，图4_B,图4_C三种结构均可作为可选的结构方案。
以下先以图4_A为优先方案介绍。在图4_A中的实施例中，以N型的感光二极管为例，与先前技术类似的像素单元之间，例如图3中110_c与110_g之间，通过P型离子注入进行隔离，通常这样的P型隔离需要多道离子注入，形成由深层隔离Deep P Well到浅层P Well的P型隔离，防止光电子向相邻像素感光区移动。在感光区进行多道N型离子注入形成DeepN Well和主要用于接收光电子的N型感光区（图示Photo Diode N Well）。此外，感光二极管表面常采用P型注入(PIN)钉扎层，以降低暗电流（Dark current）。该层一般与RST漏极的N+well保持一定的距离。
与之前技术不同，垂直PNP结构中底层的P型层利用之前技术中提到的像素间隔离所用的浅层P Well，中层N型（如图4_A所示N- Well）需要在溢出电荷漏极与感光区之间（在图3中C点，C’点周围哑铃形虚线所包围区域）进行N型离子注入。 N- well尺寸大于浅层PWell，可先进行P Well 离子注入通过Descum工艺改变光刻胶，扩大离子注入面积后再进行N- Well离子注入。Descum工艺可以对所述曝光形成的光刻胶尺寸进行调节，再进行后续的离子注入，以改变后续离子注入层的尺寸。Descum工艺是半导体光刻中在曝光显影之后对光刻胶进行清洁的一道工艺，一般用以获得垂直的光刻胶轮廓和清洁表面。Descum工艺可以在较小范围内比较均匀的去掉一部分光刻胶，增大显影部分的面积。本发明用此Descum工艺对光刻胶尺寸重塑，可以扩大后续的离子注入面积，将Descum工艺运用在图像传感器像素单元工艺中用于调整离子注入尺寸，提高离子注入各层之间的对准精度。PNP结构中的表层P型注入利用之前技术中的PIN层作用于至N- well区之上。
图4_B, 图4_C示意了其他两种垂直PNP结构。
图4_B的实施例中也可通过Descum工艺一次曝光，两次离子注入形成。与图4_A不同的，N- Well离子注入面积小于底层P Well，可先曝光后用光刻胶定义出N- Well的离子注入区，进行N型注入，然后Descum均匀的去除掉一部分光刻胶定义出更大的P Well离子注入区，进行P型注入。因此，与图4_A实施例中离子注入顺序相反，先进行位于上层的N型注入，Descum之后再进行位于底层的P型离子注入。表层仍然采用PIN层钉扎层作为PNP结构的表层P型注入。
图4_C实施例中示意了PNP结构的底部两层P Well和N- Well也可以一次曝光，同样尺寸不作调节。而PNP结构的表层P型离子注入（图示P Well top）可不采用PIN层钉扎层，单独用一张mask或与下两层一样采用一次曝光，两次或三次离子注入形成提高离子注入精度，以及均匀度。该结构中PIN层可位于P Well top之上，有一定的overlap，也可以不置于PWell top之上（图中所示有一定的overlap）。
所述三层PNP结构的横向尺寸，单层厚度，离子注入深度，离子注入角度都可通过工艺进行优化。所介绍的三种结构并未包含所有工艺结构条件，但不限于所述三种。
以下介绍PNP垂直结构对溢出电荷势垒的控制。以上所述的PNP结构中的离子注入浓度以及结构都影响溢出电荷从感光二极管110溢出到本发明中的溢出端（图3中D）的势垒高度，达到调节溢出电荷的作用。比如图4_A示中N- well中的N型掺杂浓度升高，N- wellpotential增大，PDW potential不变的情况下，Barrier potential降低，溢出电子需要从photo diode Well 110的边缘区域跨越到溢出漏极的势垒越低，溢出电荷更容易溢出到本发明中的溢出端（图3，D点）。相反的，N- well中的掺杂浓度降低，N- well potential减小，PDW potential不变的情况下，Barrier potential增大，PD中的溢出电荷更难溢出，感光二极管的容纳电子能力更高。因此，N- Well的离子注入浓度部分的决定了感光二极管110中溢出电荷从感光二极管溢出到漏极所需要跨越的势垒。另一方面，N- Well的厚度也影响溢出电荷所需要跨越的势垒，N- Well越厚，溢出电荷所需要跨越的势垒越小，反之越大；另一方面，图4_A的结构相比于图4_B,图4_C更有利于溢出电荷溢出。图4_A中N-Well区域横向尺寸更大，与PD Well更容易连通，溢出电子更容易进入N- Well，进而溢出到溢出电荷漏极。图4_B结构相反，N- Well区域横向尺寸相对更小，与PD Well距离更远，溢出电子更难进入N-Well。图4_C中PNP结构上下垂直，溢出的难易介于图4_A与图4_B之间。选择图4中的具体方案可视工艺要求而定。区别于先前其他发明专利的溢出电荷漏极一般通过新增的门电极电压控制溢出电荷，本发明采用的是离子注入浓度调节势垒达到控制溢出电荷漏极的作用，节约非感光区域面积。
图3中源跟随晶体管共用的溢出电荷漏极162的实施情况也可采用图4_A,图4_B,图4_C实施例中结构方案，并且142，162两者可以同时实施。类似的，若感光区域为P型掺杂，只需要将上述离子注入的N型与P型离子注入反过来即可。
以复位晶体管共用溢出电荷漏极142为例，图5示意了另一种可选的NPN横向实施方案。图5的实施例中示意了图3中B-C-D-C’-B’的剖面图：复位晶体管140的漏极142同时作为感光二极管110的溢出电荷漏极142，溢出电荷漏极与感光二极管之间由浅沟道隔离(STI），通常100nm左右，防止溢出电荷漏极与PDW感光二极管高浓度的离子注入之间的表面穿通；STI以下由P型离子注入隔离，所述P型注入浓度不宜过高。该结构形成一个横向的NPN的结构。该溢出电荷漏极142的离子注入深度大于像素单元其他晶体管有源区的离子注入深度。采用浅沟槽隔离的方式，避免溢出电荷漏极142与感光二极管110在硅的表面穿通。
以图2中3T结构晶体管为基础，图6示意了3T结构（a）先前技术中无溢出电荷漏极（b）本发明中所设计的溢出电荷漏极工作时像素单元内各晶体管的电压状态。读出时,如图6(a)和图6(b)所示, ROW_SEL处于高压状态, RST晶体管处于导通状态, 复位FD至高电压,随后控制RST晶体管关断, FD此时floating状态，电压有所下降，此时由行采样控制信号SHR采样位线上输出的参考电压信号(sample reference),接着打开TX管,感光区PD在先前积分状态累积的感光电子传输至FD, 不同光强（图示以high light，low light举例）收集到的电荷数差异使FD电压下降程度有所差异，此时再由行采样控制信号SHS采样位线上输出的信号电压信号(sample signal), 采样的信号电压与采样的参考电压信号相减得到的就是与感光单元收集电荷相关的电压信号。此后FD在进入积分状态时被再次复位为低电压。
与先前技术不同的,如图6(b)所示在读出阶段的末尾时段,本发明中ROW_SEL在进入积分之前先接入低电压,打开RST管门电极,将此电压信号传给FD。所述由ROW_SEL传递给FD的电压需要低于读出行浮置扩散区130电压0.5V以上。所述操作对3T结构的像素单元是必须的，是为了给即将进入积分行像素单元的FD设置低电压，不影响读出行的信号读出。
积分状态时，图6（a）和图6（b）TX均处于关闭状态，感光二极管PD累积光电子。先前技术如图6（a）所示，积分状态下的ROW_SEL接低电位，RST开启，将低电位传至FD。RST管在积分阶段处于打开状态，FD一直保持稳定低电压；而由于本发明中的FD已经在读出阶段末尾完成了复位低电压的过程, ROW_SEL在积分阶段重新接入高电压作为溢出电荷漏极， RST管在积分阶段处于关闭状态，以免影响读出阶段末已经给FD写入的低电压状态，FD在积分阶段处于低电压的floating状态，电压会稍许下降。复位晶体管SF的drain端积分阶段都处于高电位（未在图中示意），也用做溢出电荷漏极。因此本发明利用ROW_SEL积分阶段接入高电压，和SF的drain端作为溢出电荷漏极，抽取溢出电子。
本发明的溢出电荷漏极图像传感器的实现方法，有别于其他发明专利，一般的溢出电荷漏极需要至少一个或多个门电极控制每一个感光二极管到溢出电荷漏极的开关。本发明共享了像素单元内的晶体管的漏极作为感光二极管的溢出电荷漏极，通过现有晶体管的时序控制与电压控制抽取感光二极管中的多余电荷，并采用垂直的PNP结构，用离子注入控制势垒从而控制溢出电荷的溢出，具有缩小晶体管面积的优势，属于行业首创。因此，本发明提出了一种全新的尽可能少新增晶体管的像素设计结构，改善blooming，crosstalk等影响成像质量的因素，改善图像传感器性能。本发明所设计的溢出电荷漏极将更有利于在更小像素，更高分辨率，更高性能的图像传感器中提高成像质量。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
Claims (9)
1.一种溢出电荷漏极图像传感器的实现方法，其特征在于，至少有一个像素单元内的晶体管的漏极，同时作为感光二极管的溢出电荷漏极；并且，N型感光二极管溢出势垒高度是通过离子注入方式形成一个上层P型，中层N型，下层P型，垂直的PNP三极管来调节的；
P型感光二极管溢出势垒高度是通过离子注入方式形成一个上层N型，中层P型，下层N型，垂直的NPN三极管来调节的。
2.根据权利要求1所述的溢出电荷漏极图像传感器的实现方法，其特征在于，所述的垂直PNP或NPN三极管中的两层或三层离子注入可采用一次曝光多次离子注入的方式实现，提高离子注入精度；
也可以在所述一次曝光，部分离子注入完成后，采用Descum工艺对所述曝光形成的光刻胶尺寸进行调节，再进行后续的离子注入，以改变后续离子注入层的尺寸。
3.根据权利要求1所述的溢出电荷漏极图像传感器的实现方法，其特征在于，相邻像素单元的复位晶体管和源跟随晶体管采用镜像对称的方式排布，像素单元内复位晶体管的漏极和源跟随晶体管的漏极同时作为溢出电荷漏极。
4.根据权利要求1所述的溢出电荷漏极图像传感器的实现方法，其特征在于，所述溢出电荷漏极的离子注入深度大于像素单元其他晶体管有源区的离子注入深度。
5.根据权利要求1所述的溢出电荷漏极图像传感器的实现方法，其特征在于，四个感光二极管共用一个溢出电荷漏极。
6.根据权利要求5所述的溢出电荷漏极图像传感器的实现方法，其特征在于，在设计布图中，所述溢出电荷漏极位于转移晶体管的对角位置。
7.根据权利要求1所述的溢出电荷漏极图像传感器的实现方法，其特征在于，对于无选择晶体管，由源跟随晶体管直接输出信号的像素单元结构，源跟随晶体管的漏极、复位晶体管的漏极，在对应行积分电荷时被设置成高电压，都同时起到溢出电荷漏极的作用。
8.根据权利要求7所述的溢出电荷漏极图像传感器的实现方法，其特征在于，复位晶体管控制浮置扩散区电压，使图像传感器在工作时，积分行浮置扩散区电压低于读出行浮置扩散区复位后的电压0.5V以上。
9.根据权利要求1所述的溢出电荷漏极图像传感器的实现方法，其特征在于，采用沟槽隔离的方式，避免溢出电荷漏极与感光二极管在硅的表面穿通。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811556468.3A CN111341795B (zh) | 2018-12-19 | 2018-12-19 | 溢出电荷漏极图像传感器的实现方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811556468.3A CN111341795B (zh) | 2018-12-19 | 2018-12-19 | 溢出电荷漏极图像传感器的实现方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111341795A CN111341795A (zh) | 2020-06-26 |
| CN111341795B true CN111341795B (zh) | 2023-07-18 |
Family
ID=71186911
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811556468.3A Active CN111341795B (zh) | 2018-12-19 | 2018-12-19 | 溢出电荷漏极图像传感器的实现方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111341795B (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW393777B (en) * | 1997-09-02 | 2000-06-11 | Nikon Corp | Photoelectric conversion devices and photoelectric conversion apparatus employing the same |
| WO2004034479A1 (en) * | 2002-10-07 | 2004-04-22 | Lixin Zhao | Pixel image sensor |
| JP2006019487A (ja) * | 2004-07-01 | 2006-01-19 | Nikon Corp | 増幅型固体撮像素子 |
| JP2007294761A (ja) * | 2006-04-26 | 2007-11-08 | Canon Inc | 撮像装置及び撮像システム |
| CN102097305A (zh) * | 2009-11-30 | 2011-06-15 | 索尼公司 | 半导体器件及其制造方法、固体摄像器件和固体摄像装置 |
| CN102544042A (zh) * | 2012-01-17 | 2012-07-04 | 中国科学院半导体研究所 | 高速cmos图像传感器的像素单元及其制作方法 |
| CN102804754A (zh) * | 2009-06-22 | 2012-11-28 | 索尼公司 | 固体摄像装置和相机 |
| KR101360849B1 (ko) * | 2012-09-10 | 2014-02-12 | 클레어픽셀 주식회사 | 씨모스 이미지 센서 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0689998A (ja) * | 1992-09-07 | 1994-03-29 | Sony Corp | 固体撮像装置 |
| JP4025208B2 (ja) * | 2003-01-20 | 2007-12-19 | 富士フイルム株式会社 | 固体撮像素子およびその製造方法 |
| US7535042B2 (en) * | 2004-07-01 | 2009-05-19 | Aptina Imaging Corporation | Pixel cell with a controlled output signal knee characteristic response |
| JP4810806B2 (ja) * | 2004-07-30 | 2011-11-09 | ソニー株式会社 | 固体撮像装置 |
| JP5089135B2 (ja) * | 2006-07-27 | 2012-12-05 | オンセミコンダクター・トレーディング・リミテッド | フレーム転送方式のｃｃｄ固体撮像素子 |
| JP2013016675A (ja) * | 2011-07-05 | 2013-01-24 | Sony Corp | 固体撮像装置、電子機器、及び、固体撮像装置の製造方法 |
| US9159753B2 (en) * | 2013-03-01 | 2015-10-13 | Semiconductor Components Industries, Llc | Image sensor pixels with self-aligned lateral anti-blooming structures |
-
2018
- 2018-12-19 CN CN201811556468.3A patent/CN111341795B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW393777B (en) * | 1997-09-02 | 2000-06-11 | Nikon Corp | Photoelectric conversion devices and photoelectric conversion apparatus employing the same |
| WO2004034479A1 (en) * | 2002-10-07 | 2004-04-22 | Lixin Zhao | Pixel image sensor |
| JP2006019487A (ja) * | 2004-07-01 | 2006-01-19 | Nikon Corp | 増幅型固体撮像素子 |
| JP2007294761A (ja) * | 2006-04-26 | 2007-11-08 | Canon Inc | 撮像装置及び撮像システム |
| CN102804754A (zh) * | 2009-06-22 | 2012-11-28 | 索尼公司 | 固体摄像装置和相机 |
| CN102097305A (zh) * | 2009-11-30 | 2011-06-15 | 索尼公司 | 半导体器件及其制造方法、固体摄像器件和固体摄像装置 |
| CN102544042A (zh) * | 2012-01-17 | 2012-07-04 | 中国科学院半导体研究所 | 高速cmos图像传感器的像素单元及其制作方法 |
| KR101360849B1 (ko) * | 2012-09-10 | 2014-02-12 | 클레어픽셀 주식회사 | 씨모스 이미지 센서 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 近年来摄象器件的发展;冯治兴;;光电子技术(第04期);全文及附图 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111341795A (zh) | 2020-06-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10971533B2 (en) | Vertical transfer gate with charge transfer and charge storage capabilities | |
| US9654713B2 (en) | Image sensors, methods, and pixels with tri-level biased transfer gates | |
| US8471315B1 (en) | CMOS image sensor having global shutter pixels built using a buried channel transfer gate with a surface channel dark current drain | |
| EP2030240B1 (en) | Pmos pixel structure with low cross talk | |
| US10103190B2 (en) | Imaging sensor having floating region of imaging device on one substrate electrically coupled to another floating region formed on a second substrate | |
| EP0854516B1 (en) | Partially pinned photodiode for solid state image sensors | |
| EP2282345B1 (en) | Imaging sensor with transfer gate having multiple channel sub-regions | |
| US7517714B2 (en) | Image sensors for reducing dark current and methods of fabricating the same | |
| US9287305B2 (en) | Global shutter bulk charge modulated device | |
| US7687302B2 (en) | Frame shutter pixel with an isolated storage node | |
| US8242546B2 (en) | Small pixel for image sensors with JFET and vertically integrated reset diode | |
| US8362532B2 (en) | Small pixel for CMOS image sensors with vertically integrated set and reset diodes | |
| US20100118173A1 (en) | Method and apparatus for controlling charge transfer in CMOS sensors with an implant by the transfer gate | |
| CN111987114B (zh) | 用于图像传感器中的全局快门的竖直转移栅极存储装置 | |
| US20100314667A1 (en) | Cmos pixel with dual-element transfer gate | |
| US20070152292A1 (en) | Method and apparatus for removing electrons from CMOS sensor photodetectors | |
| US7800145B2 (en) | Method and apparatus for controlling charge transfer in CMOS sensors with a transfer gate work function | |
| US7635880B2 (en) | Method and apparatus for proximate CMOS pixels | |
| GB2537421A (en) | A pixel having a plurality of photodiodes | |
| US6407417B1 (en) | Photoelectric conversion device and method of manufacturing the same | |
| CN111341795B (zh) | 溢出电荷漏极图像传感器的实现方法 | |
| KR101387008B1 (ko) | 씨모스 이미지 센서 | |
| US7495274B2 (en) | Method and apparatus for controlling charge transfer in CMOS sensors with a graded transfer-gate work-function |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |