CN204088323U - 全局曝光方式的图像传感器像素结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全局曝光方式的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、第一电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区还包括第二电荷传输晶体管，第一电荷传输晶体管与第二电荷传输晶体管之间设有晶体管电容；晶体管电容的沟道位于N型离子区中，晶体管电容的源漏有源区的硅表面设置有P+型保护层，所述P+型保护层的下方为N型离子区。适合用于存储光电电荷较长时间、采用全局曝光方式的图像传感器。

Description

全局曝光方式的图像传感器像素结构

技术领域

本实用新型涉及一种图像传感器像素，尤其涉及一种全局曝光方式的图像传感器像素结构。

背景技术

图像传感器采用感光像素阵列采集图像信号，然后进行后续信号处理得以保存图像或将图像输出到电子屏幕上。图像传感器采集图像信号的方式有两种：滚动曝光方式和全局曝光方式。现有技术中的图像传感器一般采用滚动曝光方式采集图像信息，像素阵列中的第一行像素开始曝光，然后是第二行、第三行、...，直至最后一行，然后再逐行读取像素采集到的光电信号；滚动曝光方式的图像传感器，适用于采集静态环境下的图像。滚动曝光方式的图像传感器采集动态的实物时，由于每行像素的曝光时间段都不相同，第一行像素采集图像信号时的实物位置与最后一行像素采集图像信号时的实物位置可能会相差很大，例如拍照快速运动的风扇、汽车等，会发现采集的图像发生了扭曲、畸变。全局曝光方式的图像传感器采集图像时，像素阵列中的每个像素都同时曝光，曝光完毕后，再逐个读取像素采集到的图像信号，由此可见，全局曝光方式的图像传感器，像素阵列中的每个像素采集图像信号时，运动的实物可看作是静止不动的。所以全局曝光方式的图像传感器，适合采集运动实物的图像。

在现有技术中，CMOS图像传感器一般采用四晶体管像素(4T)结构。如图1所示，是采用CMOS图像传感器4T有源像素结构的示意图，包括虚线框内的切面示意图和虚线框外的电路示意图两部分。4T有源像素的元器件包括：光电二极管101、电荷传输晶体管102、复位晶体管103、漂浮有源区FD、源跟随晶体管104、选择晶体管105、列位线106；其中光电二极管区域101置于半导体基体中，STI为浅槽隔离区，N+区为晶体管源漏有源区；Vtx为电荷传输晶体管102的栅极端，Vrst为复位晶体管103的栅极端，Vsx为选择晶体管105的栅极端，Vdd为电源电压。光电二极管101接收外界入射的光线，产生光电信号；开启电荷传输晶体管102，将光电二极管中的光电信号转移至漂浮有源区FD区后，由源跟随晶体管104所探测到的漂浮有源区FD势阱内电势变化信号经列位线106读取并保存。

若全局曝光方式的图像传感器使用4T像素结构，可以将像素阵列中的每个像素光电二极管采集到的光电电荷至漂浮有源区FD，然后再逐个读取。但现有技术中的漂浮有源区FD设置有接触孔，并且N+区硅表面因缺陷和应力引起较大的漏电，致使漂浮有源区FD不适合存储光电电荷太长时间，否则会使后读取的像素信号失真。因此，现有技术中的像素不适合用于全局曝光方式的图像传感器。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种适合用于存储光电电荷较长时间的全局曝光方式的图像传感器像素结构。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

本实用新型的全局曝光方式的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、第一电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区还包括第二电荷传输晶体管，所述第一电荷传输晶体管与第二电荷传输晶体管之间设有晶体管电容；

所述晶体管电容的沟道位于N型离子区中，所述晶体管电容的源漏有源区的硅表面设置有P+型保护层，所述P+型保护层的下方为N型离子区。

由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的全局曝光方式的图像传感器像素结构，由于像素结构中设置有晶体管电容器件，其源漏有源区设置有P+型保护层，并且不设置接触孔，因此漏电小，适合用于存储光电电荷较长时间、采用全局曝光方式的图像传感器。

附图说明

图1是现有技术的图像传感器的像素结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的全局曝光方式的图像传感器像素结构示意图。

图3a是本实用新型实施例中图像传感器像素中的第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管、晶体管电容的平面示意图。

图3b是本实用新型实施例中图像传感器像素中的N型离子区的平面示意图。

图3c是本实用新型实施例中图像传感器像素中的P+型保护层的平面示意图。

图4是本实用新型实施例中图像传感器像素工作的时序控制示意图。

图5是本实用新型实施例中图像传感器像素中的光电二极管在进行复位操作时的势阱示意图。

图6是本实用新型实施例中图像传感器像素工作时，光电电荷从光电二极管转移至晶体管电容区操作的势阱示意图。

图7是本实用新型实施例中图像传感器像素工作时，光电电荷被保存在晶体管电容中的势阱示意图。

图8是本实用新型实施例中图像传感器像素工作时，光电电荷从晶体管电容区转移至漂浮有源区操作的势阱示意图。

图9是本实用新型实施例中图像传感器像素工作时，光电电荷被转移至漂浮有源区完毕时的势阱示意图。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例作进一步地详细描述。

本实用新型的全局曝光方式的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、第一电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，还包括第二电荷传输晶体管，所述第一电荷传输晶体管与第二电荷传输晶体管之间设有晶体管电容；

所述晶体管电容的沟道位于N型离子区中，所述晶体管电容的源漏有源区的硅表面设置有P+型保护层，所述P+型保护层的下方为N型离子区。

所述第一电荷传输晶体管与所述光电二极管相连，所述第二电荷传输晶体管与所述漂浮有源区相连，所述晶体管电容的上方设有遮光金属。

所述光电二极管为N型光电二极管，所述第一电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、第二电荷传输晶体管为N型晶体管。

所述晶体管电容的栅极多晶硅位于有源区的内部，且与浅槽隔离区隔开，所述栅极多晶硅与所述浅槽隔离区的距离大于等于0.1um，所述栅极多晶硅的面积大于等于0.01um²。

所述N型离子区为第一电荷传输晶体管的漏极、第二电荷传输晶体管的源极，所述N型离子区与所述浅槽隔离区隔开，两者距离为0.05um～0.2um，所述N型离子区的深度小于等于0.5um；

所述P+型保护层覆盖所述晶体管电容的沟道之外的N型离子区，并且与所述浅槽隔离区接触，其厚度为0um～0.3um。

所述N型离子区的N型离子浓度为5E15Atom/cm³～5E17Atom/cm³；

所述P+型保护层的P型离子浓度大于等于5E17Atom/cm³。

所述N型离子区能被完全耗尽，其完全耗尽电势大于等于所述光电二极管的完全耗尽电势。

所述N型离子为磷离子或砷离子，所述P型离子为硼离子。

本实用新型的全局曝光方式的图像传感器像素结构的工作方法，包括步骤：

a、光电二极管复位操作，开启复位晶体管、第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管，同时晶体管电容的栅极处于低电平，时间持续1us～10us后，关闭复位晶体管、第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管，像素开始曝光；

b、晶体管电容复位操作，像素曝光结束前，开启复位晶体管、第二电荷传输晶体管，同时第一电荷传输晶体管处于关闭状态，晶体管电容的栅极处于低电平，时间持续1us～10us后，关闭复位晶体管、第二电荷传输晶体管；

c、转移光电电荷操作，复位晶体管和第二电荷传输晶体管处于关闭状态，将晶体管电容的栅极从低电平置为高电平，开启第一电荷传输晶体管，时间持续1us～10us，将光电二极管中的光电电荷转移至晶体管电容后，关闭第一电荷传输晶体管，晶体管电容的栅极保持高电平，等待进一步操作，等待时间为0s～1s；

d、漂浮有源区的复位操作，第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管处于关闭状态，晶体管电容的栅极处于高电平，开启复位晶体管，时间持续1us～10us，关闭复位晶体管，然后读取漂浮有源区的复位信号；

e、光电电荷转移操作，复位晶体管、第一电荷传输晶体管处于关闭状态，开启第二电荷传输晶体管后，将晶体管电容的栅极端从高电平置为低电平，时间持续1us～10us，将晶体管电容中的光电电荷转移至漂浮有源区，关闭第二电荷传输晶体管，然后读取漂浮有源区的光电信号。

所述低电平的电压小于等于0V，所述高电平的电压大于等于电源电压。

本实用新型的全局曝光方式的图像传感器像素结构，由于像素结构中设置有晶体管电容器件，其源漏有源区设置有P+型保护层，并且不设置接触孔，因此漏电小，适合用于存储光电电荷较长时间。本实用新型的图像传感器像素配合本实用新型的像素工作方法，适合用于采用全局曝光方式的图像传感器。

具体实施例：

在CMOS图像传感器中，为了获得高品质的图像，本实用新型从优化像素及其工艺结构入手，在现有技术中的图像传感器像素结构中，添加晶体管电容器件，此晶体管器件采用特殊的工艺结构，其源漏区域硅表面设置有P+型保护层，其源漏和沟道设置在N型离子区中；并且晶体管电容源漏区不设置接触孔，因此漏电小，适合用于存储光电电荷较长时间。

实施例一：

本实用新型的图像传感器像素结构如图2所示，包含虚线框内的切面部分和虚线框外的电路部分示意图。图2中，201为光电二极管，202为第一电荷传输晶体管，203为复位晶体管，FD为漂浮有源区，204为源跟随晶体管，205为选择晶体管，206为列位线，207为晶体管电容，208为N型离子区，209为P+型保护层，210为第二电荷传输晶体管，211为遮光金属。其中，光电二极管201、N型离子区208、P+型保护层209置于半导体基体中，STI为浅槽隔离区，Vtx1为第一电荷传输晶体管202的栅极端，Vct为晶体管电容207的栅极端，Vtx2为第二电荷传输晶体管210的栅极端，Vrst为复位晶体管203的栅极端，Vsx为选择晶体管205的栅极端；光电二极管201为N型光电二极管，第一电荷传输晶体管202、复位晶体管203、源跟随晶体管204、选择晶体管205、第二电荷传输晶体管210为N型晶体管，遮光金属211位于晶体管电容207、N型离子区208、P+型保护层209的上方用来遮光。第一电荷传输晶体管202的源极为光电二极管201，其漏极为P+型保护层209；第二电荷传输晶体管210的源极为P+型保护层209，其漏极为漂浮有源区FD；晶体管电容207位于第一电荷传输晶体管202和第二电荷传输晶体管210之间；P+型保护层209为晶体管电容207源漏有源区的硅表面保护层。所述N型离子区208可以被完全耗尽，其完全耗尽电势大于等于光电二极管201的完全耗尽电势。

所述第一电荷传输晶体管202、晶体管电容207、第二电荷传输晶体管210的平面示意图，如图3a所示。图3a中，301为第一电荷传输晶体管202、晶体管电容207、第二电荷传输晶体管210的源漏有源区，晶体管电容207的栅极多晶硅位于第一电荷传输晶体管202和第二电荷传输晶体管210之间，并且位于有源区内部，不与浅槽隔离区相接触。所述晶体管电容207栅极多晶硅的面积大于等于0.01um²，晶体管电容207的栅极多晶硅与浅槽隔离区的距离大于等于0.1um。

所述N型离子区208的平面示意图，如图3b所示。图3b中，N型离子区208的两侧分别接触第一电荷传输晶体管202和第二电荷传输晶体管210的沟道，N型离子区208位于有源区301内部，不与浅槽隔离区接触，N型离子区208与浅槽隔离区的距离为0.05um～0.2um。所述N型离子区208区的深度小于等于0.5um，其N型离子浓度为5E15Atom/cm³～5E17Atom/cm³。

所述P+型保护层209区的平面示意图，如图3c所示。图3c中，P+型保护层209区两侧分别接触第一电荷传输晶体管202和第二电荷传输晶体管210的沟道，晶体管电容207沟道处不设置P+型保护层209，P+型保护层209覆盖晶体管电容207沟道之外的第一电荷传输晶体管202栅极与第二电荷传输晶体管210栅极之间的有源区，P+型保护层209与浅槽隔离区接触。所述P+型保护层209区厚度小于等于0.3um，其P型离子浓度为大于等于5E17Atom/cm³。

所述N型离子可以是磷离子，也可以是砷离子，所述P型离子是硼离子。

实施例二

本实用新型的图像传感器像素工作的时序控制示意图，如图4所示。图4仅示出了与本实用新型相关的时序控制图，其它时序未示出，其中，Vrst时序为复位晶体管203栅极端的时序，Vct时序为晶体管电容207栅极端的时序，Vtx1时序为第一电荷传输晶体管202栅极端的时序，Vtx2时序为第二电荷传输晶体管210栅极端的时序，SH时序高电平脉冲表征像素信号读取操作。图4所示，时间轴上401～407表示在像素时序操作中的各种操作点，401时间位置表征光电二极管201复位操作，402时间位置表征晶体管电容207复位操作，403时间位置表征从光电二极管201转移光电电荷至207的操作，404时间位置表征FD区复位操作，405时间位置表征读取复位信号操作，406时间位置表征从晶体管电容207转移光电电荷至漂浮有源区FD区操作，407时间位置表征读取光电信号操作。复位晶体管203栅极端Vrst、第一电荷传输晶体管202栅极端Vtx1、二电荷传输晶体管210栅极端Vtx2时序中的高电平分别表示复位晶体管203、第一电荷传输晶体管202、第二电荷传输晶体管210处于开启状态，低电平分别表示复位晶体管203、第一电荷传输晶体管202、第二电荷传输晶体管210处于关闭状态。

图5～图9示出了，在进行上述401、403、404、406、407操作时，像素的势阱示意图。其中，501为光电二极管201的势阱，502为晶体管电容207源漏有源区的势阱，503为漂浮有源区FD区势阱，504为电源有源区势阱，601为晶体管电容207的沟道势阱；Vpin1为501势阱区完全耗尽电势，Vpin2为502势阱区完全耗尽电势，Vreset为漂浮有源区FD区复位电势，Vdd为电源电压。其中Vpin2大于等于Vpin1，所示虚线表示晶体管处于关闭时的沟道电势。

下面，结合示意图4～图9，详细地阐述本实用新型图像传感器像素的工作方法步骤及其工作原理。

首先，光电二极管201复位操作，开启复位晶体管203、第一电荷传输晶体管202、第二电荷传输晶体管210，同时晶体管电容207的栅极处于低电平，时间持续1us～10us后，关闭复位晶体管203、第一电荷传输晶体管202、第二电荷传输晶体管210，像素开始曝光。所述光电二极管201的复位操作，如图4中的401位置所示，将复位晶体管203、第二电荷传输晶体管210、第一电荷传输晶体管202的栅极端Vrst、Vtx1、Vtx2分别置为高电平的操作。所述进行光电二极管201复位操作时的势阱示意图，如图5所示。501势阱中的电荷经过第一电荷传输晶体管202的沟道转移到502势阱区，然后经过第二电荷传输晶体管210的沟道转移到漂浮有源区FD区的503势阱区，最后经过复位晶体管203沟道到达504势阱区，进而被电源Vdd吸收。所述低电平的电压小于等于0V，所述高电平的电压大于等于电源电压。

进一步，晶体管电容207复位操作，像素曝光结束前，开启复位晶体管203、第二电荷传输晶体管210，同时第一电荷传输晶体管202处于关闭状态，晶体管电容207的栅极处于低电平，时间持续1us～10us后，关闭复位晶体管203、第二电荷传输晶体管210。所述晶体管电容207复位操作如图4中的402位置所示，复位晶体管203、第二电荷传输晶体管210的栅极Vrst、Vtx2分别置为高电平操作。

进一步，转移光电电荷操作，复位晶体管203和第二电荷传输晶体管210处于关闭状态，将晶体管电容207的栅极Vct从低电平置为高电平，开启第一电荷传输晶体管202，时间持续1us～10us，将光电二极管201中的光电电荷转移至晶体管电容207后，关闭第一电荷传输晶体管202，晶体管电容207的栅极Vct保持高电平，等待进一步操作，等待时间为0s～1s。所述转移光电电荷操作，如图4中的操作403位置所示，将晶体管电容207和第一电荷传输晶体管202栅极Vct、Vtx1分别置为高电平操作；图4所示的读取其它像素信号的时间为等待进一步操作时间。所述转移光电电荷操作的势阱示意图，如图6所示。图6中，第一电荷传输晶体管202处于开启状态，501势阱中的光电电荷被转移到晶体管电容207的沟道势阱601中。将光电电荷从501势阱区转移至601势阱区完毕后的势阱示意图，如图7所示，所有光电电荷都储存在601势阱区。

进一步，漂浮有源区FD的复位操作，第一电荷传输晶体管202、第二电荷传输晶体管210处于关闭状态，晶体管电容207的栅极Vct处于高电平，开启复位晶体管203，时间持续1us～10us，关闭复位晶体管203，然后读取漂浮有源区FD的复位信号。所述漂浮有源区FD的复位操作，如图4中的404位置所示，晶体管电容207栅极端Vct处于高电平，复位晶体管203栅极端Vrst置为高电平操作。如图4中的405操作所示，SH做高电平操作，表示读取像素信号。

进一步，光电电荷转移操作，复位晶体管203、第一电荷传输晶体管202处于关闭状态，开启第二电荷传输晶体管210后，将晶体管电容207的栅极端Vct从高电平置为低电平，时间持续1us～10us，将晶体管电容207中的光电电荷转移至漂浮有源区FD完毕后，关闭第二电荷传输晶体管210，然后读取漂浮有源区的光电信号。所示光电电荷转移操作如图4中的406位置所示，第二电荷传输晶体管210栅极端Vtx2做一高电平脉冲操作；读取漂浮有源区的光电信号的操作如图4中的407位置所示，SH时序做一高电平脉冲操作表示读取像素信号。所述光电电荷转移操作406的势阱示意图，如图8所示，第二电荷传输晶体管210处于开启状态，601势阱区的光电电荷在晶体管电容207栅极电势从高电平转为低电平后被转入502势阱区，然后经过第二电荷传输晶体管210的沟道，被转移到503势阱区。所述，光电电荷从502势阱区转至503势阱区完毕后的势阱示意图，如图9所示。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种全局曝光方式的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、第一电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，其特征在于，还包括第二电荷传输晶体管，所述第一电荷传输晶体管与第二电荷传输晶体管之间设有晶体管电容；

所述晶体管电容的沟道位于N型离子区中，所述晶体管电容的源漏有源区的硅表面设置有P+型保护层，所述P+型保护层的下方为N型离子区。

2.根据权利要求1所述的全局曝光方式的图像传感器像素结构，其特征在于，所述第一电荷传输晶体管与所述光电二极管相连，所述第二电荷传输晶体管与所述漂浮有源区相连，所述晶体管电容的上方设有遮光金属。

3.根据权利要求2所述的全局曝光方式的图像传感器像素结构，其特征在于，所述光电二极管为N型光电二极管，所述第一电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、第二电荷传输晶体管为N型晶体管。

4.根据权利要求3所述的全局曝光方式的图像传感器像素结构，其特征在于，所述晶体管电容的栅极多晶硅位于有源区的内部，且与浅槽隔离区隔开，所述栅极多晶硅与所述浅槽隔离区的距离大于等于0.1um，所述栅极多晶硅的面积大于等于0.01um²。

5.根据权利要求4所述的全局曝光方式的图像传感器像素结构，其特征在于，所述N型离子区为第一电荷传输晶体管的漏极、第二电荷传输晶体管的源极，所述N型离子区与所述浅槽隔离区隔开，两者距离为0.05um～0.2um，所述N型离子区的深度小于等于0.5um；

所述P+型保护层覆盖所述晶体管电容的沟道之外的N型离子区，并且与所述浅槽隔离区接触，其厚度为0um～0.3um。