CN112864183B - 一种改善传输迟滞的像元结构 - Google Patents

Abstract

一种改善传输迟滞的像元结构，包括一个用于收集入射光线并进行光电转换产生载流子的光电二极管、包括传输晶体管的多个场效应晶体管以及一个浮置扩散区；其中，在光电二极管的上方介质层中，设置多个金属块，并在金属块上施加不同的电压，或在光电二极管侧边浅槽隔离区，设置单个金属块，并在金属块上施加电压，或两种方式的结合，使得在光电二极管中形成具有方向性的电场分布。因此，本发明通过这种方式，可以实现在较短的传输晶体管开启时间内，将光电二极管中的所有载流子全部传输到浮置扩散区，从而提高了光电二极管中载流子的传输效率，改善了传输迟滞问题。

Description

一种改善传输迟滞的像元结构

技术领域

本发明属于集成电路图像传感器技术领域，尤其涉及一种改善传输迟滞的像元结构。

背景技术

图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。图像传感器单元类别主要有电荷耦合器件（Charge-coupled Device，CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS image sensor）器件。

CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比，具有低功耗、低成本以及可与CMOS工艺相兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用，包括消费电子、汽车电子、安防监控、工业监控、生物技术和医学等领域。

CMOS图像传感器包括由众多像素单元构成的像素阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等模块单元。像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。

在现有技术中，最常见的4T（4 Transistors）像素单元中通常包含由一个光电二极管（Photo Diode）、4个场效应晶体管和一个浮置扩散区（Floating Diffusion）组成的有源像素结构，4个晶体管分别是复位（Reset，RST）晶体管、传输（Transition Gate，TX）晶体管、源极跟随器（Source Follower，SF）以及选择（Select，SEL）晶体管。在上述器件中，光电二极管是感光单元，基于入射光产生载流子，实现对光线的收集和光电转换；传输晶体管通过其栅极控制将光电二极管产生的载流子转移到浮置扩散区，再通过后续读出电路将电子转换为电压信号读出。

请参阅图1，图1是基于传统技术方案的图像传感器像元结构的截面示意图。如图1所示，在P型衬底101上形成光电二极管侧边浅槽隔离区102和光电二极管103，光电二极管103与光电二极管侧边浅槽隔离区102之间有P型隔离区106，光电二极管表面P+型隔离区107用于隔离硅表面缺陷的影响。光电二极管103中产生的电子通过传输晶体管105传输到浮置扩散区104。

在暗光环境下，为了改善图像效果，往往需要高灵敏度的像元指标，从而提升信噪比。由于将像元的光电二极管面积做大是比较简单的，故一般会采用提高单个像元面积的办法，来提高灵敏度，从而提升信噪比。但是当像元的光电二极管面积增加后，在传输晶体管开启时间内，难以将光电二极管中的所有载流子全部传输到浮置扩散区。如果在这一时间内有载流子残存在光电二极管中，就会形成图像迟滞。

对于小像元来说，光电二极管周围的隔离区（如图1中所示P型隔离区106和P+型隔离区107）会影响光电二极管中的电场分布，容易形成具有方向性的电场，方便载流子传输。对于大像元来说，当光电二极管面积增加后，光电二极管周围的隔离区的影响基本可以忽略，光电二极管中的电场分布变的平坦，不再具有方向性，不利于载流子传输，从而使得载流子残存在光电二极管中，形成图像迟滞。

本领域技术人员清楚，光电二极管中的电场分布可以利用多次分区域掺杂来调整，使得大像元的光电二极管中形成具有方向性的电场分布，但这种方法需要额外的光刻和注入等工艺步骤，工艺复杂。因此，针对大像元结构，需要有一种简单的提高载流子传输效率的方法。

发明内容

针对现有技术能力的不足，本发明提出了一种改善传输迟滞的像元结构，通过在光电二极管上方的介质层或侧边的浅槽隔离区中设置金属块，并在金属块上施加合适电压，从而在光电二极管中形成具有方向性的电场分布，提高光电二极管中的载流子传输能力，改善图像迟滞问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种改善传输迟滞的像元结构，包括：

一个光电二极管，用于收集入射光线并进行光电转换产生电子；

多个场效应晶体管，其包括传输晶体管；

一个浮置扩散区；

在所述光电二极管的上方介质层中，设置多个金属块，并在所述金属块上施加不同的电压，或在所述光电二极管侧边浅槽隔离区，设置单个金属块，并在所述金属块上施加电压，或两种方式的结合，使得在所述光电二极管中形成具有方向性的电场分布。

进一步地，所述多个金属块由多个仅能在单一介质层设置的单层金属块组成或由多个能跨越多层介质层的多层金属块组成或由至少一个所述单层金属块和至少一个所述多层金属块组成，其中，所述单层金属块和所述多层金属块均有部分暴露在所述光电二极管表面。

进一步地，所述单层金属块全部设置于所述光电二极管上方同一介质层中，或部分设置于所述光电二极管上方同一介质层中，或全部设置于所述光电二极管上方不同介质层中。

进一步地，多个金属块全部设置于所述光电二极管上方不同介质层中，每一个所述金属块水平方向的长度不同，所述金属块长度最短的位于离所述光电二极管最近的介质层中，所述金属块长度最长的位于离所述光电二极管最远的介质层中，且所述多个金属块的一端在投影方向对齐。

进一步地，所述多个金属块为3个，第一个所述金属块设置于所述光电二极管上方的第一介质层中，第二个所述金属块分为三段，第一段和第二段分别设置于所述光电二极管上方的第一介质层和第二介质层中，第三段穿过第一介质层和第二介质层之间的界面，分别与第二个所述金属块的第一段和第二段相连；第三个所述金属块分为三段，第一段和第二段分别设置于所述光电二极管上方的第一介质层和第三介质层中，第三段穿过第一介质层、第二介质层和第三介质层之间的界面，分别与第三个所述金属块的第一段和第二段相连；其中，所述第一介质层、所述第二介质层、所述第三介质层与所述光电二极管之间的距离依次增大

进一步地，所述多个金属块的数量等于2且在所述光电二极管侧边浅槽隔离区未设置所述单个金属块时，远离传输晶体管的所述金属块上施加的电压为V1，靠近传输晶体管的所述金属块上施加的电压为Vn，且|V1|>|Vn|。

进一步地，V1<0V，Vn=0V。

进一步地，所述多个金属块的数量大于2且在所述光电二极管侧边浅槽隔离区未设置所述单个金属块时，在至少2个所述金属块上施加电压，施加的电压按照距离所述传输晶体管最远至最近分别为V1、V2、V3……Vn，且|V1|>|V2|>|V3|>……>|Vn|。

进一步地，所述多个金属块的数量大于或等于2且在所述光电二极管侧边浅槽隔离区设置所述单个金属块时，在所述单个金属块上施加电压V1，在所述多个金属块中的至少1个所述金属块上施加电压，施加的电压按照距离所述传输晶体管最远至最近分别为V2、V3……Vn，且|V1|>|V2|>|V3|>……>|Vn|。

进一步地，所述V1、V2、V3……Vn的值小于等于0V，使得在所述光电二极管中形成背离所述传输晶体管方向的电场分布。

从上述技术方案可以看出，本发明的技术方案中，通过在光电二极管的上方或侧边设置金属块，并通过在金属块上施加合适电压，使得在光电二极管中形成具有方向性的电场分布。对于载流子而言，得到了一个从光电二极管远处指向传输晶体管方向的力，从而有助于在读出阶段将光电二极管中载流子漂移到传输晶体管附近，并进一步通过传输晶体管传输到浮置扩散区中。通过这种方式，可以实现在传输晶体管开启时间内，将光电二极管中的所有载流子全部传输到浮置扩散区，从而提高了光电二极管中载流子的传输效率，改善了传输迟滞问题。

附图说明

图1为基于传统技术方案的图像传感器像元结构的截面示意图

图2为本发明实施例中图像传感器像元结构的示意图

图3为本发明实施例中图像传感器像元结构的示意图

图4为本发明实施例中图像传感器像元结构的示意图

图5为本发明实施例中图像传感器像元结构的示意图

图6为本发明实施例中图像传感器像元结构的示意图

图7为本发明实施例中图像传感器像元结构的示意图

图8为本发明实施例中图像传感器像元结构的示意图

图9为本发明实施例中图像传感器像元结构的示意图

具体实施方式

下面结合附图2-9，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，本发明的改善传输迟滞的像元结构可以引用到所有像元结构，例如，3T像元结构、4T像元结构、5T像元结构、6T像元结构和8T像元结构等。在这些像元结构中，均具有传输晶体管，本发明就是通过在常规像元结构的光电二极管上方，设置多个金属块，并在金属块上施加不同的电压，使得在光电二极管中形成具有方向性的电场分布。

在本发明的下述实施例中，与现有技术相同的是，该改善传输迟滞的像元结构包括一个光电二极管、包含传输晶体管的多个场效应晶体管和一个浮置扩散区，该光电二极管用于收集入射光线并进行光电转换产生载流子。与现有技术不同的是，本发明通过在光电二极管的上方或侧边设置金属块，并通过在金属块上施加合适电压，使得在光电二极管中形成具有方向性的电场分布，因此光电二极管中的载流子得到了一个从光电二极管远处指向传输晶体管方向的力，从而有助于在读出阶段将光电二极管中载流子漂移到传输晶体管附近，并进一步通过传输晶体管传输到浮置扩散区中。

实施例1

请参阅图2，图2为本发明实施例中图像传感器像元结构的示意图。如图所示，该改善传输迟滞的像元结构在N型光电二极管的上方介质层中设置有金属块，通常金属块的数量应该不少于2，并可以在至少2个金属块上施加不同的电压，使得在光电二极管中形成背离传输晶体管方向的电场分布。

在本实施例中，4个金属块设置于所述N型光电二极管上方同一介质层中。在离传输晶体管最远的金属块上施加电压V1，离传输晶体管最近的金属块上施加电压Vn。其中，V1<Vn。比如V1=-1V，Vn=0V。这样，在金属块下方的光电二极管中就会形成电场，电场线的方向如图2所示（电场线未全部画出），从电压高的金属块指向电压低的金属块，即形成一个背离传输晶体管方向的电场分布。

也就是说，对于负电荷的电子而言，得到了一个从光电二极管远处指向传输晶体管方向的力，从而有助于在读出阶段将光电二极管中电子漂移到传输晶体管附近，并进一步通过传输晶体管传输到浮置扩散区中。

实施例2

请参阅图3，图3为本发明实施例中图像传感器像元结构的示意图。如图3所示，在该本发明的实施例中，可以设置与实施例1类似的多个金属块，所不同的是，按照离传输晶体管的距离由远至近，在每个金属块上依次施加电压V1、V2、V3……Vn，且V1<V2<V3<……<Vn≤0V。比如，当金属块数量为4时，金属块上施加的电压分别为V1=-3V，V2=-2V，V3=-1V，V4=0V。与实施例1的目的一样，也是在光电二极管中产生有助于电子漂移到传输晶体管的电场分布。

相比于实施例1中只施加了2个电压，实施例2中每个金属块上都施加电压，可以将光电二极管中的电场分布调整到更加优化的程度，提高本实施例的改善传输迟滞的效果。但是，实施例2需要给像元提供更多的电压配置，对控制设计成本和降低设计复杂度提出了更高的要求。

实施例3

请参阅图4，图4为本发明实施例中图像传感器像元结构的示意图。在该本发明的实施例中，在N型光电二极管的上方介质层中设置多个金属块，金属块的数量不少于2。如图4所示，该3个金属块分别设置在三个介质层中，具体地，所述金属块长度最短的位于离所述光电二极管最近的介质层中，所述金属块长度最长的位于离所述光电二极管最远的介质层中，且所述多个金属块的一端在投影方向对齐。

在使用时，可以在其中2个金属块上施加不同的电压，使得在光电二极管中形成背离传输晶体管方向的电场分布。在本实施例中，对于该3个位于不同介质层中的金属块，可以在离传输晶体管最远的金属块上施加电压V1，离传输晶体管最近的金属块上施加电压Vn；其中，V1<Vn≤0V。比如V1=-1V，Vn=0V。

实施例4

请参阅图5，图5为本发明实施例中图像传感器像元结构的示意图。如图5所示，在本发明的实施例中，与实施例3不同的是，对设置于不同介质层的金属块，按照离传输晶体管的距离由远至近，在每个金属块上依次施加电压V1、V2、V3……Vn，且V1<V2<V3<……<Vn≤0V。

比如，当金属块数量为3时，金属块上施加的电压分别为V1=-3V，V2=-2V，V3=-1V。通过这种方式，相比于实施例3，实施例4中的电场分布更加优化。

实施例5和实施例6

请参阅图6和图7，图6和图7分别为本发明实施例中图像传感器像元结构的示意图。实施例5和实施例6的原理与实施例1-4一致。所不同的是，实施例5和实施例6的金属块是属于单层金属块和多层金属块的一种组合。当然，组合方式也可以是其他的未在本发明中阐述的，但本领域的技术人员可以根据本发明的原理得到。

如图6和图7所示，所述多个金属块为3个，第一个所述金属块设置于所述光电二极管上方的第一介质层中，第二个所述金属块分为三段，第一段和第二段分别设置于所述光电二极管上方的第一介质层和第二介质层中，第三段穿过第一介质层和第二介质层之间的界面，分别与第二个所述金属块的第一段和第二段相连；第三个所述金属块分为三段，第一段和第二段分别设置于所述光电二极管上方的第一介质层和第三介质层中，第三段穿过第一介质层、第二介质层和第三介质层之间的界面，分别与第三个所述金属块的第一段和第二段相连；其中，所述第一介质层、所述第二介质层、所述第三介质层与所述光电二极管之间的距离依次增大。

如图6所示，3个金属块仅第一个金属块和第三个金属块分别施加电压V3和V1，第二个金属块没有施加电压。按照离传输晶体管的距离，第一个金属块和第三个金属块施加电压V3和V1满足：V1<V3≤0V。比如，金属块上施加的电压分别为V1=-3V， V3=-1V。

如图7所示，按照离传输晶体管的距离，3个金属块依次施加电压V3、V2和V1，且V1<V2<V3≤0V。比如，3个金属块上施加的电压分别为V1=-3V，V2=-2V，V3=-1V。与实施例1的目的一样，也是在光电二极管中形成有助于电子漂移到传输晶体管的电场分布。

相比于实施例6中只施加了2个电压，实施例7中每个金属块上都施加电压，可以将光电二极管中的电场分布调整到更加优化的程度，提高本实施例的改善传输迟滞的效果。但是，实施例7需要给像元提供更多的电压配置，对控制设计成本和降低设计复杂度提出了更高的要求。

实施例8

请参阅图8，图8为本发明实施例中图像传感器像元结构的示意图。如图8所示，在光电二极管侧边浅槽隔离区中，设置单个金属块，并在所述单个金属块上施加电压V1<0V，使得在光电二极管中形成背离传输晶体管方向的电场分布。

实施例9

请参阅图9，图9为本发明实施例中图像传感器像元结构的示意图。如图9所示，该光电二极管上方共设置4个金属块，第一个金属块和第二个金属块设置于所述光电二极管上方第一介质层中，第三个金属块设置于所述光电二极管上方第二介质层中，第四个金属块设置于所述光电二极管上方第三介质层中，其中，所述第一介质层、所述第二介质层、所述第三介质层与所述光电二极管之间的距离依次增大。同样可以按照前面各实施例提及的方式施加电压以形成合适的电场分布。

上述9个实施例中的金属块设置均遵循同一设置规则，即设置于离光电二极管较远的介质层中的金属块不能被设置于离光电二极管较近的介质层中的金属块完全遮蔽。因为设置在较远介质层中的金属块若被完全遮蔽，则其对电场分布的影响会被屏蔽掉，相当于没有在相应位置设置金属块。

综上所述，上述实施例中的金属块设置非常灵活，可以设置于光电二极管上方的介质层中，或者光电二极管侧边浅槽隔离区中，金属块可以是单层金属块，也可以是多层金属块，各种组合方式均可以实现本发明的原理效果。金属块设置的越多，施加的电压越多，则控制越精细，效果越好，但设计成本和设计复杂度都将提升。

需要说明的是，第一，本领域技术人员很容易理解在附图上方空白区域存在有至少一层介质层（附图中未标示），金属块是设置在介质层中而非悬空设置。第二，本发明中金属块与传输晶体管之间的距离远近是根据对形成电场造成的影响程度来判断的，而并非是金属块的几何中心，如多层金属块影响较强的地方可能是在两段的连接处，那么那是以此连接处至传输晶体管的距离作为金属块至传输晶体管的距离。第三，本发明只用修改版图设计，在现有的互连工艺中将金属块设置在合适的位置，不增加额外的工艺步骤，可以很方便的进行实施。

此外，本发明实施例中所有的电压均为负电压或0V，这是由于实施例中光电二极管均是N型，若在一些工艺中光电二极管是P型，容易理解的是所有的电压均应该为正电压或0V。

因此，本发明通过在光电二极管的上方或侧边设置金属块，并通过在金属块上施加合适电压，使得在光电二极管中形成具有方向性的电场分布。本发明通过这种方式，可以实现在传输晶体管开启时间内，将光电二极管中的所有载流子全部传输到浮置扩散区，从而提高了光电二极管的传输效率，改善了传输迟滞问题。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种改善传输迟滞的像元结构，包括：

一个光电二极管，用于收集入射光线并进行光电转换产生载流子；

多个场效应晶体管，其包括传输晶体管；

一个浮置扩散区；其特征在于，

在所述光电二极管的上方介质层中，设置多个金属块，在所述光电二极管侧边浅槽隔离区，设置单个金属块，并在所述多个金属块和单个金属块上施加不同的电压，使得在所述光电二极管中形成具有方向性的电场分布；

在所述光电二极管侧边浅槽隔离区设置所述单个金属块时，在所述单个金属块上施加电压为V1，所述多个金属块中最靠近传输晶体管的金属块上施加的电压为Vn；

V1<0V，Vn=0V；

多个金属块设置在浅槽隔离区的单个金属块与传输晶体管之间，单个金属块的一部分位于光电二极管上方的介质层中；

对所述多个金属块施加的电压按照距离所述传输晶体管最远至最近分别为V2、V3……Vn，且|V1|>|V2|>|V3|>……>|Vn|，所述光电二极管的类型为N型，V2、V3……Vn-1<0V；

所述多个金属块由多个仅能在单一介质层设置的单层金属块组成或由多个能跨越多层介质层的多层金属块组成或由至少一个所述单层金属块和至少一个所述多层金属块组成，其中，所述单层金属块和所述多层金属块均有部分暴露在所述光电二极管表面；

所述多个金属块全部设置于所述光电二极管上方不同介质层中，所述多个金属块中的每一个金属块水平方向的长度不同，长度最短的金属块位于离所述光电二极管最近的介质层中，长度最长的金属块位于离所述光电二极管最远的介质层中，且所述多个金属块的一端在投影方向对齐。

2.一种改善传输迟滞的像元结构，包括：

一个光电二极管，用于收集入射光线并进行光电转换产生载流子；

多个场效应晶体管，其包括传输晶体管；

一个浮置扩散区；其特征在于，

在所述光电二极管的上方介质层中，设置多个金属块，在所述光电二极管侧边浅槽隔离区，设置单个金属块，并在所述多个金属块和单个金属块上施加不同的电压，使得在所述光电二极管中形成具有方向性的电场分布；

V1<0V，Vn=0V；

在所述光电二极管侧边浅槽隔离区设置所述单个金属块时，在所述单个金属块上施加电压为V1，所述多个金属块中最靠近传输晶体管的金属块上施加的电压为Vn；

多个金属块设置在浅槽隔离区的单个金属块与传输晶体管之间，单个金属块的一部分位于光电二极管上方的介质层中；

对所述多个金属块施加的电压按照距离所述传输晶体管最远至最近分别为V2、V3……Vn，且|V1|>|V2|>|V3|>……>|Vn|，所述光电二极管的类型为N型，V2、V3……Vn-1<0V；

所述多个金属块由多个仅能在单一介质层设置的单层金属块组成或由多个能跨越多层介质层的多层金属块组成或由至少一个所述单层金属块和至少一个所述多层金属块组成，其中，所述单层金属块和所述多层金属块均有部分暴露在所述光电二极管表面；

所述多个金属块为3个，第一个金属块设置于所述光电二极管上方的第一介质层中，第二个金属块分为三段，第一段和第二段分别设置于所述光电二极管上方的第一介质层和第二介质层中，第三段穿过第一介质层和第二介质层之间的界面，分别与第二个所述金属块的第一段和第二段相连；第三个金属块分为三段，第一段和第二段分别设置于所述光电二极管上方的第一介质层和第三介质层中，第三段穿过第一介质层、第二介质层和第三介质层之间的界面，分别与第三个所述金属块的第一段和第二段相连；其中，所述第一介质层、所述第二介质层、所述第三介质层与所述光电二极管之间的距离依次增大。

3.根据权利要求1或2所述的改善传输迟滞的像元结构，其特征在于，当所述多个金属块由多个仅能在单一介质层设置的单层金属块组成或由至少一个所述单层金属块和至少一个所述多层金属块组成时，所述单层金属块全部设置于所述光电二极管上方同一介质层中。

4.根据权利要求1或2所述的改善传输迟滞的像元结构，其特征在于，所述多个金属块的数量大于或等于2且在所述光电二极管侧边浅槽隔离区设置所述单个金属块时，在所述单个金属块上施加电压V1，在所述多个金属块中的至少1个所述金属块上施加电压，施加的电压按照距离所述传输晶体管最远至最近分别为V2、V3……Vn，且|V1|>|V2|>|V3|>……>|Vn|。

5.根据权利要求4任意一个所述的改善传输迟滞的像元结构，其特征在于，所述V2、V3……Vn-1的值小于0V，使得在所述光电二极管中形成背离所述传输晶体管方向的电场分布。