CN104269423A

CN104269423A - 一种cmos图像传感器像素结构

Info

Publication number: CN104269423A
Application number: CN201410594140.6A
Authority: CN
Inventors: 郭同辉; 旷章曲
Original assignee: Beijing Superpix Micro Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Superpix Micro Technology Co Ltd
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2015-01-07

Abstract

本发明公开了一种CMOS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、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，电荷传输晶体管的栅极制作在所述半导体基体内部，电荷传输晶体管的栅极与所述光电二极管之间设置有P型离子隔离区。电荷传输晶体管工作时，其沟道附近的电场方向由电荷传输晶体管栅极指向光电二极管，沿着电场线方向的电势逐渐降低；电荷传输晶体管从开启状态转换到关闭状态过程中，P型离子隔离区和电荷传输晶体管沟道中的电子只能沿着电场线的反方向移动，而不会流入光电二极管中，电荷传输晶体管不会产生噪声。

Description

一种CMOS图像传感器像素结构

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种CMOS图像传感器像素结构。

背景技术

图像传感器已经被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是制造CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。制造图像传感器器件的基体材料是半导体硅，但是硅不是完美的器件材料，在器件工作时会伴随有噪声，器件噪声影响了图像传感器采集图像的质量。

在现有技术中，CMOS图像传感器的像素结构，如图1所示，包括电路示意图和虚线框中的平面示意图两部分。图1中，所示像素的元器件包括：光电二极管101、电荷传输晶体管102、复位晶体管103、源跟随晶体管104和选择晶体管105、漂浮有源区106；VTX为电荷传输晶体管102的栅极端，VRX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，Output为信号输出端，STI为浅槽隔离区。光电二极管101接收外界入射的光线，产生光电信号；开启电荷晶体管102，将光电二极管101中的光电信号转移至漂浮有源区106区，由源跟随晶体管104所探测到的漂浮有源区106区势阱内电势变化信号经Output输出端读取并保存。

现有技术中的电荷传输晶体管102在处于开启工作状态时，其沟道中汇聚电荷电子以形成导电通道；而电荷传输晶体管102在关闭的过程中，其沟道电子会同时流入光电二极管101和漂浮有源区106区中，如图1所示；但电荷传输晶体管102多次开启并关闭的操作中，每次沟道电子流入到光电二极管101中的数量不会相等，流入到漂浮有源区106区的数量也不会相等，此不相等的电子数量形成了电荷传输晶体管102的器件噪声。像素中的器件噪声混淆在图像信号中，使采集到的图像信号不能反映实物真实信息，特别是暗光环境下的实物图像变得模糊不清。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效的、降低器件噪声的CMOS图像传感器像素结构。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的CMOS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、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，所述电荷传输晶体管的栅极制作在所述半导体基体内部，所述电荷传输晶体管的栅极与所述光电二极管之间设置有P型离子隔离区。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的CMOS图像传感器像素结构，由于像素中的电荷传输晶体管的栅极制作在半导体基体内部，并且在电荷传输晶体管栅极与光电二极管之间设置了P型离子隔离区，所述电荷传输晶体管工作时，其沟道附近的电场方向由电荷传输晶体管栅极指向光电二极管，沿着电场线方向的电势逐渐降低；电荷传输晶体管从开启状态转换到关闭状态过程中，P型离子隔离区和电荷传输晶体管沟道中的电子只能沿着电场线的反方向移动，而不会流入光电二极管中，因此本发明的像素结构中的电荷传输晶体管不会产生噪声。

附图说明

图1是现有技术的CMOS图像传感器像素结构示意图。

图2是本发明的CMOS图像传感器的像素结构示意图。

图3是本发明的CMOS图像传感器像素结构中图2所示切线1位置的切面示意图。

图4是本发明的CMOS图像传感器像素结构中图2所示切线2位置的切面示意图。

图5是本发明的CMOS图像传感器像素结构进行电荷转移操作时，图2所示切线1位置的切面示意图。

图6是本发明的CMOS图像传感器像素结构进行电荷转移操作时，光电二极管和电荷传输晶体管的平面部分示意图。

图7是本发明的CMOS图像传感器像素结构进行电荷转移操作时，图6所示切线3位置的势阱示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的CMOS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、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，所述电荷传输晶体管的栅极制作在所述半导体基体内部，所述电荷传输晶体管的栅极与所述光电二极管之间设置有P型离子隔离区。

所述电荷传输晶体管的栅极与光电二极管之间的距离大于等于0.2um，所述电荷传输晶体管的栅极与光电二极管之间的平行交叠区大于等于0.3um，所述电荷传输晶体管的栅极在半导体基体中的深度大于等于0.3um。

所述电荷传输晶体管栅极的多晶硅侧壁和底部设置有薄氧化层，所述薄氧化层的厚度为3nm～15nm。

所述P型离子隔离区的一侧与所述光电二极管相接触，另一侧与所述电荷传输晶体管的栅极交叠0um～0.2um，所述P型离子隔离区的深度大于所述电荷传输晶体管栅极深度至少0.1um。

所述漂浮有源区与光电二极管之间设置有P型离子隔离区,所述漂浮有源区与光电二极管的距离大于等于0.2um。

所述电荷传输晶体管的栅极和漂浮有源区制作有P阱区，所述P阱区与P型离子隔离区相接触。

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

所述P型离子隔离区的P型离子浓度为1E15Atom/cm³～1E17Atom/cm³。

本发明的CMOS图像传感器像素结构，由于像素中的电荷传输晶体管的栅极制作在半导体基体内部，并且在电荷传输晶体管栅极与光电二极管之间设置了P型离子隔离区，所述电荷传输晶体管工作时，其沟道附近的电场方向由电荷传输晶体管栅极指向光电二极管，沿着电场线方向的电势逐渐降低；电荷传输晶体管从开启状态转换到关闭状态过程中，P型离子隔离区和电荷传输晶体管沟道中的电子只能沿着电场线的反方向移动，而不会流入光电二极管中，因此本发明的像素结构中的电荷传输晶体管不会产生噪声。

具体实施例：

如图2所示，包含虚线框内的平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为电荷传输晶体管，203为复位晶体管，204为源跟随晶体管，205为选择晶体管，Output为信号输出端，206为漂浮有源区，207为P型离子隔离区，208为薄氧化层；STI为浅槽隔离区，P阱区为逻辑工艺的P型阱离子区，接触孔为金属线与有源区或与晶体管栅极的连接点，Vdd为电源电压，切线1和切线2表征两个切面位置。图2所示，Vtx为电荷传输晶体管202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。所述电荷传输晶体管202的栅极与光电二极管201之间设置有P型离子隔离区，所述电荷传输晶体管202的栅极与光电二极管201之间的距离大于等于0.2um，所述电荷传输晶体管202的栅极与光电二极管201之间的平行交叠区大于等于0.3um，所述电荷传输晶体管202的栅极和漂浮有源区206制作做P阱区，所述P阱区与P型离子隔离区相接触。所述光电二极管201为N型光电二极管，所述电荷传输晶体管202、复位晶体管203、源跟随晶体管204、选择晶体管205为N型晶体管。

图2所示切线1位置的切面示意图，如图3所示，其中光电二极管201、P型离子隔离区207、电荷传输晶体管202的栅极、薄氧化层208、P阱区制作在半导体基体内部。图3所示，所述P型离子隔离区207的左侧与光电二极管相接触，其右侧与电荷传输晶体管的栅极交叠0um～0.2um，所述P型离子隔离区207的P型离子浓度为1E15Atom/cm3～1E17Atom/cm3；所述电荷传输晶体管202的栅极在半导体基体中的深度大于等于0.3um；所述P型离子隔离区207的深度大于等于电荷传输晶体管202栅极深度至少0.1um；所述薄氧化层208位于电荷传输晶体管202栅极的侧壁和底壁，其厚度为3nm～15nm；浅槽隔离区STI位于电荷传输晶体管202的右侧；所述P阱区与P型离子隔离区207相接。

图2所示切线2位置的切面示意图，如图4所示，P型离子隔离区207的左侧为光电二极管201，其右侧为漂浮有源区206，并且漂浮有源区206制作在P阱区，所述漂浮有源区206的右侧为浅槽隔离区STI，所述P阱区左侧与P型离子隔离区207相接。所述漂浮有源区206与电荷传输晶体管201的距离至少0.2um。

下面结合附图5～附图7进一步详细阐述本发明的像素工作特征。本发明的CMOS图像传感器像素进行电荷转移操作时，图2所示切线1位置的切面示意图如5所示。图5所示，电荷传输晶体管202的栅极端Vtx为高电势Vdd，电荷传输晶体管202的栅极在其沟道附近、P型离子隔离区207及靠近P型离子隔离区207的光电二极管201区感应出电场，其电场方向从电荷传输晶体管202的栅极指向光电二极管201,根据电磁学理论，沿着电场线的方向其电势逐渐降低，因此光电二极管201中的电子沿着电场线的反方向从光电二级管201移动到薄氧化层208附近的硅表面。

本发明的CMOS图像传感器像素进行电荷转移操作时，光电二极管201和电荷传输晶体管202的平面部分示意图，如图6所示，电荷传输晶体管202的栅极端Vtx的电势为高电势Vdd，切线3表征位置。光电二极管201中的电子沿着电场线的方向从光电二极管201中，跨过P型离子隔离区207，移动到薄氧化层208附近的硅表面，由于漂浮有源区206的电势最高，薄氧化层208附近的硅表面的电子会继续流入漂浮有源区206区，如图6所示。

本发明的CMOS图像传感器像素进行电荷转移操作时，图6所示切线3位置的势阱示意图如图7所示，其中，701为光电二极管201的势阱区，702为P型离子隔离区207的势阱区，703为漂浮有源区206的势阱区，电势线1为电荷传输晶体管202处于开启状态时的电势图，电势线2为电荷传输晶体管202从开启状态置为关闭状态过程中的电势图，电势线3为电荷传输晶体管202处于关闭状态时的电势图。图7所示，电荷传输晶体管202处于开启状态时，即电势线1状态，701势阱区的电子流入较高电势的702势阱区，进而流入更高电势的703势阱区，电子最终在703势阱区被收集；702势阱区，电势线1和电势线2的电势随着远离701势阱区逐渐升高，在电荷传输晶体管202的沟道处电势达到最高值。由此可见，702势阱区的电子，不会流入到701势阱区，只能流入高电势的703势阱区。所以，本发明的像素结构中的电荷传输晶体管202不会产生噪声，有效降低了图像传感器的像素噪声，采用本发明像素的图像传感器采集到了更多暗光环境下的实物细节信息，进而有效提升了图像传感器采集的图像品质。

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

Claims

1.一种CMOS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、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，所述电荷传输晶体管的栅极制作在所述半导体基体内部，所述电荷传输晶体管的栅极与所述光电二极管之间设置有P型离子隔离区。

2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，所述电荷传输晶体管的栅极与光电二极管之间的距离大于等于0.2um，所述电荷传输晶体管的栅极与光电二极管之间的平行交叠区大于等于0.3um，所述电荷传输晶体管的栅极在半导体基体中的深度大于等于0.3um。

3.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，所述电荷传输晶体管栅极的多晶硅侧壁和底部设置有薄氧化层，所述薄氧化层的厚度为3nm～15nm。

4.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，所述P型离子隔离区的一侧与所述光电二极管相接触，另一侧与所述电荷传输晶体管的栅极交叠0um～0.2um，所述P型离子隔离区的深度大于所述电荷传输晶体管栅极深度至少0.1um。

5.根据权利要求4所述的CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，所述漂浮有源区与光电二极管之间设置有P型离子隔离区,所述漂浮有源区与光电二极管的距离大于等于0.2um。

6.根据权利要求5所述的CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，所述电荷传输晶体管的栅极和漂浮有源区制作有P阱区，所述P阱区与P型离子隔离区相接触。

7.根据权利要求6所述的CMOS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，所述电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管为N型晶体管。

8.根据权利要求1至7任一项所述的CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，所述P型离子隔离区的P型离子浓度为1E15Atom/cm³～1E17Atom/cm³。