CN202549844U

CN202549844U - 图像传感器及源跟随器

Info

Publication number: CN202549844U
Application number: CN2012200110474U
Authority: CN
Inventors: 霍介光; 赵立新; 李�杰
Original assignee: Galaxycore Shanghai Ltd Corp
Current assignee: Galaxycore Shanghai Ltd Corp
Priority date: 2012-01-11
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2022-01-11

Abstract

本实用新型公开了一种图像传感器与源跟随器。该图像传感器包括：光电二极管，用于感应光强变化而生成相应的图像电荷信号；转移晶体管，用于转移图像电荷信号；源跟随晶体管，用于基于所转移的图像电荷信号生成电压信号，其中，该源跟随晶体管是埋沟PMOS晶体管。相比于现有技术的图像传感器，由于采用了埋沟PMOS晶体管作为源跟随晶体管，这使得源跟随晶体管的导电沟道能够远离栅氧化层-衬底的界面，该界面位置的界面态随机俘获或释放载流子的几率大大降低，从而有效减少了输出的电压信号中的闪烁噪声，进而提高了图像传感器的成像质量。

Description

图像传感器及源跟随器

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，更具体地，本实用新型涉及一种图像传感器及源跟随器。

背景技术

传统的图像传感器通常可以分为两类：电荷耦合器件(ChargeCoupled Device，CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。其中，CMOS图像传感器具有体积小、功耗低、生产成本低等优点，因此，CMOS图像传感器易于集成在例如手机、笔记本电脑、平板电脑等便携电子设备中，作为提供数字成像功能的摄像模组使用。

CMOS图像传感器通常采用3T或4T的像素结构。图1即示出了一种传统CMOS图像传感器的4T像素结构，包括光电二极管11、转移晶体管12、复位晶体管13、源跟随晶体管14以及行选择晶体管15。其中，光电二极管11用于感应光强变化而形成相应的图像电荷信号。转移晶体管12用于接收转移控制信号TX，在转移控制信号TX的控制下，转移晶体管12相应导通或关断，从而使得光电二极管11所感应的图像电荷信号被读出到与该转移晶体管12的漏极耦接的浮动扩散区(floating diffusion)，进而由该浮动扩散区存储图像电荷信号。复位晶体管13用于接收复位控制信号RST，在该复位控制信号RST的控制下，复位晶体管13相应导通或关断，从而向源跟随晶体管14的栅极提供复位信号。源跟随晶体管14用于将转移晶体管12获得的图像电荷信号转换为电压信号，并且该电压信号可以通过行选择晶体管15输出到位线BL上。

然而，传统CMOS图像传感器输出的电压信号中往往具有较大的闪烁噪声，特别在光线较弱时，这种闪烁噪声更为明显。电压信号中的闪烁噪声会显著地降低图像质量。

实用新型内容

因此，需要提供一种具有较低闪烁噪声的图像传感器。

发明人经过研究发现，传统的CMOS图像传感器往往采用表面沟道晶体管来作为源跟随晶体管。在这种源跟随晶体管中，导电沟道位于衬底表面，并靠近衬底上的栅氧化层。然而，衬底靠近栅氧化层的区域容易形成界面态，该界面态会随机地俘获或释放载流子，从而引起沟道电流的变化，进而在源跟随晶体管输出的电压信号中引入闪烁噪声。

为了解决上述问题，根据本实用新型的一个方面，提供了一种图像传感器，包括：光电二极管，用于感应光强变化而生成相应的图像电荷信号；转移晶体管，用于转移图像电荷信号；源跟随晶体管，用于基于所转移的图像电荷信号生成电压信号，其中，该源跟随晶体管是埋沟(Buried Channel)PMOS晶体管。

相比于现有技术的图像传感器，由于采用了埋沟PMOS晶体管作为源跟随晶体管，这使得源跟随晶体管的导电沟道能够远离栅氧化层-衬底的界面，该界面位置的界面态随机俘获或释放载流子的几率大大降低，从而有效减少了输出的电压信号中的闪烁噪声，进而提高了图像传感器的成像质量。

在一个实施例中，该源跟随晶体管包括：P型衬底；N型阱，其位于P型衬底中；栅极，其位于N型阱上；源区与漏区，其分别位于栅极两侧，其中源区位于N型阱中，而漏区至少部分地位于N型阱中；P型掺杂层与N型掺杂层，其自上而下依次位于源区与漏区之间的栅极下方的N型阱中。

在一个实施例中，该源跟随晶体管的漏区至少部分地位于N型阱外。这使得图像传感器的每个像素单元的接地可以通过P型衬底直接连接，在不增加芯片面积的情况下提高了接地的效果，避免不同像素单元接地电位不一致。

在一个实施例中，源跟随晶体管还包括N型重掺杂区，其位于N型阱中以将N型阱从P型衬底中电引出。优选地，N型重掺杂区与源区电连接。相互电连接的源跟随晶体管的源区与体区具有相等的电位，这可以避免衬偏调制效应，使得源跟随晶体管具有较高的输入输出增益，电压跟随特性也更好。

在一个实施例中，N型重掺杂区与源区相邻。优选地，源跟随晶体管还包括金属硅化物层，其位于N型重掺杂区与源区上以电连接N型重掺杂区与源区。该金属硅化物层适于电连接相邻的源区与体区，而不需要通过金属互连结构来连接，从而简化了图像传感器的结构，降低了制作成本。

在一个实施例中，源跟随晶体管的栅极耦接至转移晶体管的漏极，即浮动扩散区，源跟随晶体管的漏区耦接至参考电位线，而源跟随晶体管的源区用于输出电压信号。

根据本实用新型的另一方面，还提供了一种源跟随器，包括：源跟随晶体管以及偏置电流源，其中，该源跟随晶体管是埋沟PMOS晶体管，其栅极用于接收输入信号；其漏区耦接至参考电位线；其源区耦接至偏置电流源以获取偏置电流，并用于输出电压信号。

相比于现有技术的源跟随器，由于采用了埋沟PMOS晶体管作为源跟随晶体管，这使得源跟随晶体管的导电沟道能够远离栅氧化层-衬底的界面，该界面位置的界面态随机俘获或释放载流子的几率大大降低，从而有效减少了输出的电压信号中的闪烁噪声。

本实用新型的以上特性及其他特性将在下文中的实施例部分进行明确地阐述。

附图说明

通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，能够更容易地理解本实用新型的特征、目的和优点。其中，相同或相似的附图标记代表相同或相似的装置。

图1示出了一种传统CMOS图像传感器的4T像素结构；

图2a示出了根据本实用新型一个实施例的图像传感器200；

图2b示出了图2a的图像传感器200及其信号处理电路210；

图2c示出了用于图2b的图像传感器200及其信号处理电路210的控制信号的时序图；

图3示出了图2a中图像传感器200的源跟随晶体管的一个例子；

图4示出了图2a中图像传感器200的源跟随晶体管的另一例子；

图5示出了根据本实用新型一个实施例的源跟随器500。

具体实施方式

下面详细讨论实施例的实施和使用。然而，应当理解，所讨论的具体实施例仅仅示范性地说明实施和使用本实用新型的特定方式，而非限制本实用新型的范围。

参考图2a，示出了根据本实用新型一个实施例的图像传感器200，包括：

光电二极管201，用于感应光强变化而生成相应的图像电荷信号；

转移晶体管202，用于转移图像电荷信号；

源跟随晶体管204，用于基于所转移的图像电荷信号生成电压信号，其中，该源跟随晶体管204是埋沟PMOS晶体管。

具体地，光电二极管201耦接于参考电位线VSS，例如地或负电源电位，与转移晶体管202的源极之间，用于感应光强变化而形成相应的图像电荷信号。转移晶体管202的漏极与源跟随晶体管204的栅极相连，该转移晶体管202的栅极用于接收转移控制信号TX，在转移控制信号TX的控制下，转移晶体管202相应导通或关断，从而使得光电二极管201所感应的图像电荷信号被读出到耦接在该转移晶体管202的漏极的浮动扩散区，并由该浮动扩散区存储图像电荷信号。

源跟随晶体管204耦接在参考电位线VSS与偏置电流源205之间，其漏极耦接至参考电位线VSS，其源极耦接至该偏置电流源205并用于输出电压信号，其栅极耦接至转移晶体管202的漏极，即耦接到浮动扩散区，以获取转移晶体管202所转移的图像电荷信号。在偏置电流源205的偏置下，源跟随晶体管204源极的电压跟随着其栅极所获取的图像电荷信号变化而变化，其电压增益接近于1。在一个实施例中，源跟随晶体管204的源极进一步通过行选择晶体管(图中未示出)耦接到位线(图中未示出)，并将该电压信号提供给图像传感器的信号处理电路。

在一个实施例中，该图像传感器还包括复位晶体管203，该复位晶体管203的漏极用于接收复位信号RSG，其源极耦接到转移晶体管202的漏极与源跟随晶体管204的栅极。该复位晶体管203的栅极用于接收复位控制信号RST，在该复位控制信号RST的控制下，复位晶体管203相应导通或关断，从而向源跟随晶体管204的栅极提供复位信号。在该实施例中，转移晶体管202与复位晶体管203均为NMOS晶体管，可以理解，在其他的实施例中，转移晶体管202与复位晶体管203亦可采用其他类型的晶体管，例如PMOS晶体管或结型场效应管。

由于采用了埋沟PMOS晶体管作为源跟随晶体管204，这使得源跟随晶体管204的导电沟道能够远离其栅氧化层-衬底的界面，该因而该源跟随晶体管204中的界面态随机俘获或释放载流子的几率大大降低，从而有效减少了输出的电压信号中的闪烁噪声，进而提高了图像传感器200的成像质量。

图2b示出了图2a的图像传感器200及其信号处理电路210。

如图2b所示，该图像传感器200通过行选择晶体管206耦接到位线BL，其中该行选择晶体管206的栅极用于接收行选择信号RS。该信号处理电路210包括：

图像电容211，其耦接至位线BL，配置为在第一开关212的控制下获取图像传感器200提供的图像信号，即由源跟随晶体管204输出的图像电压信号；其中，该第一开关212的控制端用于接收第一控制信号SHS；

复位电容213，其耦接至位线BL，配置为在第二开关214的控制下获取图像传感器200提供的复位信号，该复位信号亦由源跟随晶体管204输出；其中，该第二开关214的控制端用于接收第二控制信号SHR；以及

放大单元215，用于放大图像信号与复位信号的差。放大单元215的输出电压可以进一步通过模数转换模块(图中未示出)转换后提供给后续处理电路。

图2c示出了用于图2b的图像传感器200及其信号处理电路210的控制信号的时序图。接下来，结合图2b与图2c，对该图像传感器的工作原理进行说明。

如图2c所示，在时刻T1到T6之间，该像素单元被选中，行选择信号RS处于高电平，行选择晶体管206导通。源跟随晶体管204的源极耦接到位线BL。

在时刻T1至T2之间，复位控制信号RST处于高电平，并且在时刻T1至T6之间，复位晶体管203的漏极上加载的复位信号始终处于高电平，因此复位晶体管203在时刻T1至T2之间导通，高电平的复位信号被提供到源跟随晶体管204的栅极并暂存在转移晶体管202的漏极。接着，在时刻T3，第二控制信号SHR由低电平转换为高电平，这使得第二开关214导通，复位电容213耦接至位线BL。由于源跟随晶体管204源极电位高于栅极电位，源跟随晶体管204导通，这使得复位信号被由源跟随晶体管204提供给复位电容213以使得复位电容213被充电，从而在复位电容213中相应地存储复位电荷，其中该复位电荷的电荷值对应于复位信号的电压值。之后，第二控制信号SHR回复低电平，复位电容213与位线BL断开。

在时刻T4，转移控制信号TX由低电平转换为高电平，转移晶体管202导通。由光电二极管201感应的电荷被转移晶体管202转移，并存储在浮动有源区。接着，在时刻T5，第一控制信号SHS由低电平转换为高电平，这使得第一开关212导通，图像电容211耦接至位线BL。由于源跟随晶体管204源极电位高于栅极电位，这使得图像电荷信号被由源跟随晶体管204提供给图像电容211以使得图像电容211被充电，从而在图像电容211中相应地存储图像电荷，其中该复位电荷的电荷值对应于图像电荷信号的电压值。之后，第一控制信号SHS回复低电平，图像电容211与位线BL断开。

在复位电容213与图像电容211分别存储对应于复位信号与图像电荷信号的电荷之后，放大单元215对这两个电容上的电压差进行放大，并将经过放大的输出电压提供给后续的处理电路。

图3示出了图2a中图像传感器200的源跟随晶体管的一个例子。如图3所示，该源跟随晶体管是埋沟PMOS晶体管，其包括：

P型衬底301；

N型阱303，其位于P型衬底301中；

栅极305，其位于N型阱303上；

源区311与漏区309，其分别位于栅极305两侧，其中源区311位于N型阱303中，而漏区309至少部分地位于N型阱303中；

P型掺杂层315与N型掺杂层313，其自上而下依次位于源区311与漏区309之间的栅极305下方的N型阱303中。

具体地，P型衬底301可以是P型掺杂的半导体晶片，或者是P型掺杂的绝缘体上硅(SOI)，或者是N型掺杂的半导体晶片中的P型阱，或者其他类似衬底或阱区。

P型掺杂的源区311完全地位于N型阱303中，该N型阱303使得该源区311与P型衬底301相互隔离。由于源区311用于输出电压信号，其可能具有较高的电位，而P型衬底301通常耦接到参考电位线，例如地。因此，源区311与P型衬底301相互隔离可以避免衬底穿通。

根据具体实施例的不同，P型掺杂的漏区309可以完全地位于N型阱303中，或者其一部分位于N型阱303中而另一部分位于P型衬底301中。在图3所述的例子中，该漏区309完全位于N型阱303中，这使得该漏区309与P型衬底301相互隔离。

P型掺杂层315位于N型阱303的表面，其与栅极305下的栅氧化层317接触。P型掺杂层315将栅氧化层317与N型掺杂层313隔离。当该源跟随晶体管导通时，导电沟道形成在N型掺杂层313中，从而远离栅氧化层317。这使得该导电沟道远离P型掺杂层315与栅氧化层317之间的界面态，从而大大降低了界面态随机地俘获或释放载流子的几率，进而有效减少了源跟随晶体管输出电压信号中的闪烁噪声。

在一个实施例中，源跟随晶体管还包括N型重掺杂区319，其位于N型阱303中以将N型阱303从所述P型衬底301中电引出。由于N型阱303是源跟随晶体管的体区，该N型重掺杂区319便于该体区引出。优选地，该N型重掺杂区319可以通过P型衬底301上的金属互连结构与源区311电连接，或者其他适合的导电连接结构与源区311电连接。相互电连接的源跟随晶体管的源区与体区具有相等的电位，这可以避免衬偏调制效应，使得源跟随晶体管具有较高的输入输出增益，电压跟随特性也更好。

图4示出了图2a中图像传感器200的源跟随晶体管的另一例子。

如图4所示，该源跟随晶体管具有与图3中的源跟随晶体管类似的结构，即亦为埋沟PMOS晶体管。但是该源跟随晶体管的漏区409的一部分位于N型阱403外，而另一部分位于P型衬底401中，这使得P型掺杂的漏区409与P型衬底401电连接。在实际应用中，该漏区409与P型衬底401均耦接至参考电位线，例如地，因此其间不具有电压差，从而不会在漏区409与P型衬底401之间形成电流。

特别地，对于图像传感器200而言，其通常具有多个像素单元，而每个像素单元均具有源跟随晶体管。由于每个像素单元的接地可以通过P型衬底401直接连接，在不增加芯片面积的情况下提高了接地的效果，避免不同像素单元接地电位不一致，从而进一步提高了图像传感器200的性能。

此外，该源跟随晶体管的源区411与N型重掺杂区419相邻，即该N型重掺杂区419与源区411位于栅极405同一侧的P型衬底401中。该P型衬底401上还形成有金属硅化物层421，其至少部分地位于N型重掺杂区419与源区411上，以电连接N型重掺杂区419与源区411。同时，该金属硅化物层421还可以在P型衬底401表面形成金属接触，从而降低源区411的接触电阻。由于N型重掺杂区419将N型阱403电引出，因此该源跟随晶体管的体区(即N型阱403)与源区411电连接，相互电连接的源跟随晶体管的源区与体区具有相等的电位，这可以避免衬偏调制效应，使得源跟随晶体管具有较高的输入输出增益，电压跟随特性也更好。并且由于不需要通过额外的金属互连结构来连接，从而简化了图像传感器的结构，降低了制作成本。

图5示出了根据本实用新型一个实施例的源跟随器500。

如图5所示，该源跟随器500包括源跟随晶体管501以及偏置电流源503，其中，该源跟随晶体管501是埋沟PMOS晶体管，其栅极505用于接收输入电压信号V_in；其漏区507耦接至参考电位线VSS，例如地；其源区509耦接至偏置电流源503以获取偏置电流，并用于输出电压信号V_out。

在实际应用中，该源跟随晶体管501可以采用图3或图4所示的埋沟PMOS晶体管结构，在此不再赘述。

尽管在附图和前述的描述中详细阐明和描述了本实用新型，应认为该阐明和描述是说明性的和示例性的，而不是限制性的；本实用新型不限于所上述实施方式。

那些本技术领域的一般技术人员可以通过研究说明书、公开的内容及附图和所附的权利要求书，理解和实施对披露的实施方式的其他改变。在权利要求中，措词“包括”不排除其他的元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。在实用新型的实际应用中，一个零件可能执行权利要求中所引用的多个技术特征的功能。权利要求中的任何附图标记不应理解为对范围的限制。

Claims

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：

光电二极管，用于感应光强变化而生成相应的图像电荷信号；

转移晶体管，用于转移所述图像电荷信号；

源跟随晶体管，用于基于所转移的图像电荷信号生成电压信号，其中，所述源跟随晶体管是埋沟PMOS晶体管。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述源跟随晶体管包括：

P型衬底；

N型阱，其位于所述P型衬底中；

栅极，其位于所述N型阱上；

源区与漏区，其分别位于所述栅极两侧，其中所述源区位于所述N型阱中，而所述漏区至少部分地位于所述N型阱中；

P型掺杂层与N型掺杂层，其自上而下依次位于所述源区与所述漏区之间的所述栅极下方的所述N型阱中。

3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述源跟随晶体管的所述漏区至少部分地位于所述N型阱外。

4.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述源跟随晶体管还包括N型重掺杂区，其位于所述N型阱中以将所述N型阱从所述P型衬底中电引出。

5.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述N型重掺杂区与所述源区电连接。

6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述N型重掺杂区与所述源区相邻。

7.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，所述源跟随晶体管还包括金属硅化物层，其位于所述N型重掺杂区与所述源区上以电连接所述N型重掺杂区与所述源区。

8.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述源跟随晶体管的栅极耦接至所述转移晶体管的漏极，所述源跟随晶体管的漏区耦接至参考电位线，而所述源跟随晶体管的源区用于输出所述电压信号。

9.一种源跟随器，其特征在于，包括源跟随晶体管与偏置电流源，其中：所述源跟随晶体管是埋沟PMOS晶体管，其栅极用于接收输入信号；其漏区耦接至参考电位线；其源区耦接至偏置电流源以获取偏置电流，并用于输出电压信号。

10.根据权利要求9所述的源跟随器，其特征在于，所述源跟随晶体管包括：

P型衬底；

N型阱，其位于所述P型衬底中；

栅极，其位于所述N型阱上；

11.根据权利要求10所述的源跟随器，其特征在于，所述源跟随晶体管的所述漏区至少部分地位于所述N型阱外。

12.根据权利要求10所述的源跟随器，其特征在于，所述源跟随晶体管还包括N型重掺杂区，其位于所述N型阱中以将所述N型阱从所述P型衬底中电引出。

13.根据权利要求12所述的源跟随器，其特征在于，所述N型重掺杂区与所述源区电连接。

14.根据权利要求13所述的源跟随器，其特征在于，所述N型重掺杂区与所述源区相邻。

15.根据权利要求14所述的源跟随器，其特征在于，所述源跟随晶体管还包括金属硅化物层，其位于所述N型重掺杂区与所述源区上以电连接所述N型重掺杂区与所述源区。