專利名稱：Cmos圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，特別是涉及一種CMOS圖像傳感器。
背景技術(shù)：
圖像傳感器是將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。目前，傳統(tǒng)的圖像傳感器包括電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器、互補(bǔ)金屬氧化物(CM0Q圖像傳感器。由于CMOS圖像傳感器具有低功耗和高信噪比的優(yōu)點(diǎn)，因此在圖像傳感器領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。CMOS圖像傳感器通常分為3T式圖像傳感器、4T式圖像傳感器，由于3T式圖像傳感器與4T式圖像傳感器的基本原理相同，下面以圖1所示的4T式圖像傳感器的像素單元的電路圖(同時(shí)可參照?qǐng)D2，圖2為圖1所示圖像傳感器像素單元局部結(jié)構(gòu)的剖視圖)為例，對(duì)4T式圖像傳感器的結(jié)構(gòu)及其工作原理進(jìn)行說明。如圖1所示，4T式CMOS圖像傳感器包括用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的光電二極管PD、用于將光電二極管PD內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移至浮置擴(kuò)散區(qū)FD的傳輸晶體管Ml、用于執(zhí)行復(fù)位功能的復(fù)位晶體管M2、與浮置擴(kuò)散區(qū)FD連接以將檢測(cè)到的電信號(hào)進(jìn)行放大的源跟隨晶體管M3、用于執(zhí)行尋址功能并讀取像素單元輸出信號(hào)的選擇晶體管M4。如圖2所示，傳輸晶體管Ml位于光電二極管PD與復(fù)位晶體管M2之間，傳輸晶體管Ml與復(fù)位晶體管M2之間形成有浮置擴(kuò)散區(qū)FD，浮置擴(kuò)散區(qū)FD分別用作傳輸晶體管Ml的漏極、復(fù)位晶體管M2的源極，光電二極管PD與浮置擴(kuò)散區(qū)FD之間的阱區(qū)用作傳輸晶體管Ml的溝道。4T式CMOS圖像傳感器的工作原理為首先，在光電二極管PD接受光照之前，將像素單元上次圖像處理后殘留在光電二極管PD內(nèi)部的電荷清除，以避免殘留在光電二極管PD內(nèi)部的電荷混入下一次圖像信息中，具體做法如下向復(fù)位晶體管M2輸入復(fù)位信號(hào)Reset，以控制復(fù)位晶體管 M2開啟，此時(shí)浮置擴(kuò)散區(qū)FD被置于高電位，傳輸晶體管Ml開啟，則傳輸晶體管Ml的溝道導(dǎo)通，位于高電位狀態(tài)下的浮置擴(kuò)散區(qū)FD會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，在電場(chǎng)的作用下光電二極管PD內(nèi)部積累的電荷會(huì)通過傳輸晶體管Ml的溝道運(yùn)動(dòng)至浮置擴(kuò)散區(qū)FD，以達(dá)到清除光電二極管PD 殘留電荷的目的。一段時(shí)間之后，控制復(fù)位晶體管M2關(guān)閉，此時(shí)，傳輸晶體管Ml也會(huì)關(guān)閉。 然后，使光電二極管PD開始接受光照，接受光照之后，光電二極管PD會(huì)產(chǎn)生電荷，隨著光照時(shí)間加長(zhǎng)，光電二極管PD產(chǎn)生的電荷越來越多。向傳輸晶體管Ml輸入信號(hào)Tx，控制傳輸晶體管Ml開啟，則傳輸晶體管Ml的溝道導(dǎo)通，光電二極管PD產(chǎn)生的電荷通過傳輸晶體管 Ml的溝道運(yùn)動(dòng)至浮置擴(kuò)散區(qū)FD。浮置擴(kuò)散區(qū)FD接收電荷之后其電壓值會(huì)發(fā)生變化，通過源跟隨晶體管Μ3，這個(gè)電壓變化值在選擇晶體管Μ4的輸出端out被讀取，此讀取的電壓變化值即為像素單元輸出信號(hào)。如上所述，在CMOS圖像傳感器的像素單元進(jìn)行下一次圖像處理之前需將光電轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部積累的電荷清除，以避免電荷會(huì)混入下次圖像信息中，造成圖像信息出錯(cuò)或圖像信息失真等后果。但是，上述CMOS圖像傳感器在實(shí)際工作過程中常常會(huì)出現(xiàn)這樣一種不良后果光電轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部積累的電荷不能被完全清除，以致產(chǎn)生圖像信息出錯(cuò)或圖像信息失真等缺陷。尤其是當(dāng)CMOS圖像傳感器的像素單元的結(jié)構(gòu)尺寸比較大時(shí)，這種缺陷會(huì)更為嚴(yán)重或發(fā)生頻率更為頻繁。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是CMOS圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部殘余的電荷不能完全被清除，以致造成圖像信息出錯(cuò)或圖像信息失真等后果。為解決上述問題，本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器，其包括若干像素單元，至少一個(gè)所述像素單元包括用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換元件；用于執(zhí)行復(fù)位功能且分別位于所述光電轉(zhuǎn)換元件兩側(cè)的第一復(fù)位晶體管、第二復(fù)位晶體管；用于檢測(cè)所述光電轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生的電信號(hào)的浮置擴(kuò)散區(qū)；與所述浮置擴(kuò)散區(qū)連接以將檢測(cè)到的所述電信號(hào)進(jìn)行放大的源跟隨晶體管；用于執(zhí)行尋址功能并讀取像素單元輸出信號(hào)的選擇晶體管；所述光電轉(zhuǎn)換元件的陰極與所述第一復(fù)位晶體管的源極、第二復(fù)位晶體管的源極連接；所述第一復(fù)位晶體管的源極與所述源跟隨晶體管的柵極連接；所述源跟隨晶體管的源極與所述選擇晶體管的漏極連接；所述選擇晶體管的源極作為像素單元輸出信號(hào)的輸出端。可選的，所述像素單元形成在半導(dǎo)體襯底的外延層上?？蛇x的，所述光電轉(zhuǎn)換元件為埋藏型光電二極管，其包括用作光電二極管陰極的第一摻雜區(qū)、位于所述第一摻雜區(qū)上并用作光電二極管陽(yáng)極的第二摻雜區(qū)，所述第一摻雜區(qū)的摻雜類型與所述第二摻雜區(qū)的摻雜類型相反?？蛇x的，所述第二復(fù)位晶體管包括第二復(fù)位晶體管的柵極、用作第二復(fù)位晶體管漏極的第三摻雜區(qū)，所述光電轉(zhuǎn)換元件的第一摻雜區(qū)用作第二復(fù)位晶體管源極，以實(shí)現(xiàn)所述光電轉(zhuǎn)換元件的陰極與所述第二復(fù)位晶體管的源極連接。可選的，所述浮置擴(kuò)散區(qū)設(shè)置在所述光電轉(zhuǎn)換元件與所述第一復(fù)位晶體管之間， 并與所述光電轉(zhuǎn)換元件的第一摻雜區(qū)連接，所述浮置擴(kuò)散區(qū)用作所述第一復(fù)位晶體管源極，以實(shí)現(xiàn)所述光電轉(zhuǎn)換元件的陰極與所述第一復(fù)位晶體管的源極連接。為解決上述問題，本發(fā)明還提供一種CMOS圖像傳感器，包括若干像素單元，至少一個(gè)所述像素單元包括用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換元件；用于執(zhí)行復(fù)位功能且分別位于所述光電轉(zhuǎn)換元件兩側(cè)的第一復(fù)位晶體管、第二復(fù)位晶體管；用于檢測(cè)所述光電轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生的電信號(hào)的浮置擴(kuò)散區(qū)；用于將所述光電轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移至所述浮置擴(kuò)散區(qū)的傳輸晶體管；與所述浮置擴(kuò)散區(qū)連接以將檢測(cè)到的所述電信號(hào)進(jìn)行放大的源跟隨晶體管；用于執(zhí)行尋址功能并讀取像素單元輸出信號(hào)的選擇晶體管；所述光電轉(zhuǎn)換元件的陰極與所述第二復(fù)位晶體管的源極及所述傳輸晶體管的源極連接；
所述傳輸晶體管的漏極與所述第一復(fù)位晶體管的源極連接；所述第一復(fù)位晶體管的源極與所述源跟隨晶體管的柵極連接；所述源跟隨晶體管的源極與所述選擇晶體管的漏極連接；所述選擇晶體管的源極作為像素單元輸出信號(hào)的輸出端?？蛇x的，所述像素單元形成在半導(dǎo)體襯底的外延層上。可選的，所述光電轉(zhuǎn)換元件為埋藏型光電二極管，其包括用作光電二極管陰極的第一摻雜區(qū)、位于所述第一摻雜區(qū)上并用作光電二極管陽(yáng)極的第二摻雜區(qū)，所述第一摻雜區(qū)的摻雜類型與所述第二摻雜區(qū)的摻雜類型相反?？蛇x的，所述第二復(fù)位晶體管包括第二復(fù)位晶體管的柵極、用作第二復(fù)位晶體管漏極的第三摻雜區(qū)，所述光電轉(zhuǎn)換元件的第一摻雜區(qū)用作第二復(fù)位晶體管源極，以實(shí)現(xiàn)所述光電轉(zhuǎn)換元件的陰極與所述第二復(fù)位晶體管的源極連接?？蛇x的，所述傳輸晶體管設(shè)置在所述光電轉(zhuǎn)換元件與所述第一復(fù)位晶體管之間?？蛇x的，所述光電轉(zhuǎn)換元件的第一摻雜區(qū)用作所述傳輸晶體管的源極，以實(shí)現(xiàn)所述光電轉(zhuǎn)換元件的陰極與所述傳輸晶體管的源極連接。可選的，所述浮置擴(kuò)散區(qū)設(shè)置在所述傳輸晶體管與所述第一復(fù)位晶體管之間，所述浮置擴(kuò)散區(qū)分別用作所述傳輸晶體管的漏極、所述第一復(fù)位晶體管的源極，以實(shí)現(xiàn)所述傳輸晶體管的漏極與所述第一復(fù)位晶體管的源極連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的像素單元只有一個(gè)復(fù)位晶體管，復(fù)位時(shí)無法將光電轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部殘余電荷完全清除，造成下一次圖像處理時(shí)出現(xiàn)圖像失真等缺陷。本發(fā)明中的 CMOS圖像傳感器的像素單元中增設(shè)一復(fù)位晶體管，即像素單元中有兩個(gè)復(fù)位晶體管，并使兩個(gè)復(fù)位晶體管位于光電轉(zhuǎn)換元件的兩側(cè)，這樣，圖像傳感器復(fù)位時(shí)能保證光電轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部殘余電荷能被完全清除，解決了現(xiàn)有技術(shù)中光電轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部殘余電荷無法完全清除的問題，從而能獲得較好的圖像處理效果。尤其是當(dāng)CMOS圖像傳感器的像素單元的結(jié)構(gòu)尺寸較大時(shí)這種優(yōu)勢(shì)更為明顯。


圖1是現(xiàn)有一種4T式CMOS圖像傳感器的像素單元的電路圖。圖2是圖1所示圖像傳感器的像素單元局部結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖3是本發(fā)明CMOS圖像傳感器的實(shí)施例一中CMOS圖像傳感器的像素單元的電路圖。圖4是圖3所示圖像傳感器的像素單元局部結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖5是本發(fā)明CMOS圖像傳感器的實(shí)施例二中CMOS圖像傳感器的像素單元的電路圖。圖6是圖5所示圖像傳感器的像素單元局部結(jié)構(gòu)的剖視圖。
具體實(shí)施例方式如背景技術(shù)中所述，現(xiàn)有CMOS圖像傳感器在實(shí)際工作過程中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生這樣一種不良后果光電轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部殘余的電荷不能被完全清除，以致產(chǎn)生圖像信息出錯(cuò)或圖像信息失真等缺陷。尤其是當(dāng)CMOS圖像傳感器的像素單元的結(jié)構(gòu)尺寸比較大時(shí)，這種缺陷會(huì)更為嚴(yán)重或發(fā)生頻率更為頻繁。發(fā)明人經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這種后果的原因是結(jié)合圖 1 (現(xiàn)有一種4T式CMOS圖像傳感器的像素單元的電路圖)、圖2 (現(xiàn)有一種圖像傳感器的像素單元局部結(jié)構(gòu)的剖視圖)所示，向復(fù)位晶體管M2輸入復(fù)位信號(hào)Reset以控制復(fù)位晶體管M2開啟，此時(shí)浮置擴(kuò)散區(qū)FD被置于高電位，傳輸晶體管Ml開啟，因此傳輸晶體管Ml的溝道導(dǎo)通，位于高電位狀態(tài)下的浮置擴(kuò)散區(qū)FD會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，在電場(chǎng)的作用下光電二極管PD 內(nèi)部積累的電荷會(huì)通過傳輸晶體管Ml的溝道運(yùn)動(dòng)至浮置擴(kuò)散區(qū)FD，以達(dá)到清除光電二極管PD內(nèi)部殘留電荷的目的。但是，光電二極管PD中距離浮置擴(kuò)散區(qū)FD越遠(yuǎn)位置(圖2中光電二極管PD的左側(cè))，其電勢(shì)就會(huì)越低，當(dāng)光電二極管PD中某一位置的電勢(shì)很低以致不能驅(qū)使光電二極管PD中的電荷運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)即使復(fù)位晶體管M2有執(zhí)行復(fù)位功能，光電二極管PD內(nèi)部依然會(huì)有部分電荷殘留在它的內(nèi)部，而且像素單元進(jìn)行下一次圖像處理工作時(shí)， 殘留的電荷會(huì)混入圖像信息中，以致造成圖像信息出錯(cuò)或圖像信息失真等缺陷。尤其是當(dāng) CMOS圖像傳感器的像素單元的結(jié)構(gòu)尺寸較大時(shí)，光電二極管PD與浮置擴(kuò)散區(qū)FD之間的距離就會(huì)較大，光電二極管PD中左側(cè)位置的電勢(shì)就會(huì)越低，以致不能驅(qū)使光電二極管PD中的電荷運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電荷殘留的問題。因此，當(dāng)CMOS圖像傳感器的像素單元的結(jié)構(gòu)尺寸越大時(shí)這種缺陷會(huì)更為嚴(yán)重或發(fā)生頻率更為頻繁。為能解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的大體思路是在CMOS圖像傳感器的像素單元中增設(shè)一復(fù)位晶體管，即像素單元中有兩個(gè)復(fù)位晶體管，并使兩個(gè)復(fù)位晶體管位于光電轉(zhuǎn)換元件的兩側(cè)，這樣，當(dāng)圖像傳感器復(fù)位時(shí)，能保證光電轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部殘余電荷能被完全清除 (尤其能更好的清除光電轉(zhuǎn)換元件兩側(cè)的電荷)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中光電轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部殘余電荷無法完全清除的問題，尤其是當(dāng)CMOS圖像傳感器的像素單元的結(jié)構(gòu)尺寸較大時(shí)這種優(yōu)勢(shì)更為明顯。本發(fā)明提供了兩個(gè)實(shí)施例，其中實(shí)施例一是用來說明一種3T式CMOS圖像傳感器， 實(shí)施例二是用來說明一種4T式CMOS圖像傳感器。下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的可實(shí)施方式的一部分，而不是其全部。根據(jù)這些實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在無需創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下可獲得的所有其它實(shí)施方式，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例一圖3是本發(fā)明一種3T式CMOS圖像傳感器的像素單元的電路圖，圖4是圖3所示圖像傳感器的像素單元局部結(jié)構(gòu)的剖視圖。下面將圖3與圖4結(jié)合起來對(duì)實(shí)施例一進(jìn)行詳細(xì)說明。3T式CMOS圖像傳感器由多個(gè)像素單元組成，如圖3、圖4所示，至少其中一個(gè)像素單元包括用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換元件11 ；用于執(zhí)行復(fù)位功能且分別位于光電轉(zhuǎn)換元件11兩側(cè)的第一復(fù)位晶體管12、第二復(fù)位晶體管13 ；用于檢測(cè)光電轉(zhuǎn)換元件 11產(chǎn)生的電信號(hào)的浮置擴(kuò)散區(qū)FD、與浮置擴(kuò)散區(qū)FD連接以將檢測(cè)到的電信號(hào)進(jìn)行放大的源跟隨晶體管14 ；用于執(zhí)行尋址功能并讀取像素單元輸出信號(hào)的選擇晶體管15。其中，圖3所示的CMOS圖像傳感器的像素單元的電路圖中第一復(fù)位晶體管12、第二復(fù)位晶體管13、源跟隨晶體管14、選擇晶體管15及光電轉(zhuǎn)換元件11的連接關(guān)系如下光電轉(zhuǎn)換元件11的陽(yáng)極接地，其陰極連接第一復(fù)位晶體管12、第二復(fù)位晶體管13的源極。第一復(fù)位晶體管12、第二復(fù)位晶體管13的柵極接復(fù)位信號(hào)Reset，第一復(fù)位晶體管12的源極與源跟隨晶體管14的柵極連接，第一復(fù)位晶體管12的漏極、第二復(fù)位晶體管 13的漏極及源跟隨晶體管14的漏極接高電平VDD。源跟隨晶體管14的源極與選擇晶體管 15的漏極連接，選擇晶體管15的柵極接選擇信號(hào)klect，其源極作為輸出端out。下面對(duì)上述各晶體管及光電轉(zhuǎn)換元件11的結(jié)構(gòu)及其連接關(guān)系的實(shí)施方式進(jìn)行說明。在本實(shí)施例中，如圖4所示，像素單元可形成在半導(dǎo)體襯底16的外延層17上，且外延層17進(jìn)行了 P型雜質(zhì)摻雜，以形成各晶體管的溝道。外延層具有很多優(yōu)點(diǎn)，如純度高、 晶格缺陷少等。因此，形成在外延層上的像素單元具有更好的電學(xué)性能。光電轉(zhuǎn)換元件11有多種，本實(shí)施例中優(yōu)選為常用的埋藏型光電二極管(Burried Photodiode)。它包括第一摻雜區(qū)111、位于第一摻雜區(qū)111上的第二摻雜區(qū)112。其中， 第一摻雜區(qū)111用作光電二極管11的陰極，第二摻雜區(qū)112用作光電二極管11的陽(yáng)極。第一摻雜區(qū)111的摻雜類型與第二摻雜區(qū)112的摻雜類型相反。本實(shí)施例中以包括N型雜質(zhì)的第一摻雜區(qū)111、包括P型雜質(zhì)的第二摻雜區(qū)112為例。第一復(fù)位晶體管12、第二復(fù)位晶體管13分別位于光電二極管11的兩側(cè)。其中，第二復(fù)位晶體管13位于光電二極管11的一側(cè)(圖4中左側(cè))，以使其能夠清除光電二極管 11內(nèi)部距離第一復(fù)位晶體管12較遠(yuǎn)位置的電荷。其包括第二復(fù)位晶體管13的柵極、用作第二復(fù)位晶體管漏極的第三摻雜區(qū)132。為了實(shí)現(xiàn)圖像傳感器尺寸最小化等優(yōu)點(diǎn)，可使光電二極管11的第一摻雜區(qū)111用作第二復(fù)位晶體管13的源極。并且，通過這種結(jié)構(gòu)還可實(shí)現(xiàn)光電二極管11的陰極與第二復(fù)位晶體管13的源極連接。具有這種結(jié)構(gòu)的第二復(fù)位晶體管13中，第三摻雜區(qū)132、光電二極管11分別位于第二復(fù)位晶體管13的柵極兩側(cè)。第三摻雜區(qū)132的摻雜類型與光電二極管11的第一摻雜區(qū)111的摻雜類型相同，第三摻雜區(qū)132 及第一摻雜區(qū)111之間的外延層區(qū)域作為第二復(fù)位晶體管13的溝道。當(dāng)?shù)诙?fù)位晶體管 13開啟時(shí)，其溝道導(dǎo)通，光電二極管11內(nèi)部的電荷可以通過此溝道運(yùn)動(dòng)至第三摻雜區(qū)132， 從而將內(nèi)部電荷清除?？赏ㄟ^以下方式將運(yùn)動(dòng)至第三摻雜區(qū)132的電荷導(dǎo)走第三摻雜區(qū) 132連接至金屬互連線，金屬互連線接地。第一復(fù)位晶體管12位于光電二極管11的另一側(cè)(圖4中右側(cè))，且光電二極管 11與第一復(fù)位晶體管12之間設(shè)置有浮置擴(kuò)散區(qū)FD，以使光電二極管11內(nèi)部的電荷可運(yùn)動(dòng)至浮置擴(kuò)散區(qū)FD，從而實(shí)現(xiàn)第一復(fù)位晶體管12的復(fù)位功能。并且浮置擴(kuò)散區(qū)FD與光電二極管11的第一摻雜區(qū)111連接，以使光電二極管11內(nèi)部的電荷可以運(yùn)動(dòng)至浮置擴(kuò)散區(qū)FD， 從而使浮置擴(kuò)散區(qū)FD可以檢測(cè)光電二極管11產(chǎn)生的電信號(hào)。為了將檢測(cè)到的電信號(hào)進(jìn)行放大，源跟隨晶體管14與浮置擴(kuò)散區(qū)FD需連接，具體來說，如圖4所示，是源跟隨晶體管14的柵極與浮置擴(kuò)散區(qū)FD連接。為了實(shí)現(xiàn)圖像傳感器尺寸最小化等優(yōu)點(diǎn)，可使浮置擴(kuò)散區(qū)FD用作第一復(fù)位晶體管12的源極。并且，通過這種結(jié)構(gòu)還可實(shí)現(xiàn)光電二極管11的陰極與第一復(fù)位晶體管12的源極連接，同時(shí)實(shí)現(xiàn)第一復(fù)位晶體管12的源極與源跟隨晶體管14的柵極連接。光電二極管11內(nèi)部的電荷可運(yùn)動(dòng)至浮置擴(kuò)散區(qū)FD，浮置擴(kuò)散區(qū)FD接收電荷之后其電壓值會(huì)發(fā)生變化，因此源跟隨晶體管14能檢測(cè)浮置擴(kuò)散區(qū)FD的電壓變化，選擇晶體管15通過源跟隨晶體管14能讀取此電壓變化值并從其輸出端out輸出此電壓變化值，以得到像素單元的輸出信號(hào)。
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上述3T式CMOS圖像傳感器的像素單元的工作原理如下在光電二極管11接受光照之前，將像素單元上次圖像處理后殘留在光電二極管 11內(nèi)部的電荷完全清除，以避免殘留在光電二極管11的電荷混入下一次圖像信息中，具體做法如下向第一復(fù)位晶體管12、第二復(fù)位晶體管13的柵極輸入高電平復(fù)位信號(hào)Reset，以控制第一復(fù)位晶體管12、第二復(fù)位晶體管13開啟，此時(shí)光電二極管11由于沒有接受光照反向電流很小，使第一復(fù)位晶體管12、第二復(fù)位晶體管13的源極電壓接近于高電平VDD。由于源跟隨晶體管14的柵極與第一復(fù)位晶體管12的源極連接，因此，源跟隨晶體管14也開啟。且由于源跟隨晶體管14的柵極與浮置擴(kuò)散區(qū)FD連接，因此，浮置擴(kuò)散區(qū)FD也位于高電平狀態(tài)，位于高電位狀態(tài)下的浮置擴(kuò)散區(qū)FD會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，在電場(chǎng)的作用下光電二極管11 內(nèi)部距離浮置擴(kuò)散區(qū)FD較近的電荷會(huì)運(yùn)動(dòng)至浮置擴(kuò)散區(qū)FD ；另一方面，由于第二復(fù)位晶體管13開啟且位于高電平狀態(tài)，光電二極管11內(nèi)部距離浮置擴(kuò)散區(qū)FD較遠(yuǎn)的電荷會(huì)通過第二復(fù)位晶體管13的溝道運(yùn)動(dòng)至第二復(fù)位晶體管13的第三摻雜區(qū)132，以達(dá)到完全清除光電二極管11內(nèi)部殘留電荷的目的。此時(shí)源跟隨晶體管14的源極接近于高電平VDD，選擇晶體管15的柵極接高電平選擇信號(hào)klect，從而使選擇晶體管15的源極輸出端out的電壓接近于高電平。然后，光電二極管11開始接受光照，接受光照之后，光電二極管11會(huì)產(chǎn)生電荷，隨著光照時(shí)間加長(zhǎng)，光電二極管11產(chǎn)生的電荷越來越多，其反向電流越來越大，因此其陰極電壓越來越低。此時(shí)，復(fù)位信號(hào)Reset控制第一復(fù)位晶體管12、第二復(fù)位晶體管13關(guān)閉。 因此，源跟隨晶體管14的源極電壓及選擇晶體管15的源極電壓也隨著減小，在選擇晶體管 15的源極輸出端out讀取其電壓減小值，此電壓減小值即為像素單元輸出信號(hào)。實(shí)施例二圖5是本發(fā)明一種4T式CMOS圖像傳感器的像素單元的電路圖，圖6是圖5所示圖像傳感器的像素單元局部結(jié)構(gòu)的剖視圖。下面將圖5與圖6結(jié)合起來對(duì)實(shí)施例二進(jìn)行詳細(xì)說明。4T式CMOS圖像傳感器由多個(gè)像素單元組成，如圖5、圖6所示，至少其中一個(gè)像素單元包括用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換元件11 ；用于執(zhí)行復(fù)位功能且分別位于光電轉(zhuǎn)換元件11兩側(cè)的第一復(fù)位晶體管12、第二復(fù)位晶體管13 ；用于檢測(cè)光電轉(zhuǎn)換元件 11產(chǎn)生的電信號(hào)的浮置擴(kuò)散區(qū)FD;用于將光電轉(zhuǎn)換元件11內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移至浮置擴(kuò)散區(qū)FD 的傳輸晶體管18 ；與浮置擴(kuò)散區(qū)FD連接以將檢測(cè)到的電信號(hào)進(jìn)行放大的源跟隨晶體管14 ； 用于執(zhí)行尋址功能并讀取像素單元輸出信號(hào)的選擇晶體管15。其中，圖5所示的CMOS圖像傳感器的像素單元的電路圖中第一復(fù)位晶體管12、第二復(fù)位晶體管13、源跟隨晶體管14、選擇晶體管15、傳輸晶體管18及光電轉(zhuǎn)換元件11的連接關(guān)系如下光電二極管11的陽(yáng)極接地，其陰極連接傳輸晶體管18的源極及第二復(fù)位晶體管 13的源極。傳輸晶體管18的柵極接傳輸信號(hào)Tx，傳輸晶體管18的漏極連接第一復(fù)位晶體管12的源極。第一復(fù)位晶體管12、第二復(fù)位晶體管13的柵極接復(fù)位信號(hào)Reset，第一復(fù)位晶體管12的源極與源跟隨晶體管14的柵極連接，第一復(fù)位晶體管12的漏極、第二復(fù)位晶體管13的漏極及源跟隨晶體管14的漏極接高電平VDD。源跟隨晶體管14的源極與選擇晶體管15的漏極連接，選擇晶體管15的柵極接選擇信號(hào)Select，其源極作為輸出端out。
下面對(duì)上述各晶體管及光電轉(zhuǎn)換元件11的結(jié)構(gòu)及其連接關(guān)系的實(shí)施方式進(jìn)行說明。在本實(shí)施例中，如圖6所示，像素單元可形成在半導(dǎo)體襯底16的外延層17上，且外延層17進(jìn)行了 P型雜質(zhì)摻雜，以形成各晶體管的溝道。外延層具有很多優(yōu)點(diǎn)，如純度高、 晶格缺陷少等。因此，形成在外延層上的像素單元具有更好的電學(xué)性能。光電轉(zhuǎn)換元件11有多種，本實(shí)施例中優(yōu)選為常用的埋藏型光電二極管(Burried Photodiode)。它包括第一摻雜區(qū)111、位于第一摻雜區(qū)111上的第二摻雜區(qū)112。其中， 第一摻雜區(qū)111用作光電二極管11的陰極，第二摻雜區(qū)112用作光電二極管11的陽(yáng)極。第一摻雜區(qū)111的摻雜類型與第二摻雜區(qū)112的摻雜類型相反。本實(shí)施例中以包括N型雜質(zhì)的第一摻雜區(qū)111、包括P型雜質(zhì)的第二摻雜區(qū)112為例。第一復(fù)位晶體管12、第二復(fù)位晶體管13分別位于光電二極管11的兩側(cè)。其中，第二復(fù)位晶體管13位于光電二極管11的一側(cè)(圖6中左側(cè))，以使其能夠清除光電二極管 11內(nèi)部距離第一復(fù)位晶體管12較遠(yuǎn)位置的電荷。其包括第二復(fù)位晶體管13的柵極、用作第二復(fù)位晶體管漏極的第三摻雜區(qū)132。為了實(shí)現(xiàn)圖像傳感器尺寸最小化等優(yōu)點(diǎn)，可使光電二極管11的第一摻雜區(qū)111用作第二復(fù)位晶體管13的源極。并且，通過這種結(jié)構(gòu)還可實(shí)現(xiàn)光電二極管11的陰極與第二復(fù)位晶體管13的源極連接。具有這種結(jié)構(gòu)的第二復(fù)位晶體管13中，第三摻雜區(qū)132、光電二極管11分別位于第二復(fù)位晶體管13的柵極兩側(cè)。第三摻雜區(qū)132的摻雜類型與光電二極管11的第一摻雜區(qū)111的摻雜類型相同，第三摻雜區(qū)132 及第一摻雜區(qū)111之間的外延層區(qū)域作為第二復(fù)位晶體管13的溝道。當(dāng)?shù)诙?fù)位晶體管 13開啟時(shí)，其溝道導(dǎo)通，光電二極管11內(nèi)部的電荷可以通過此溝道運(yùn)動(dòng)至第三摻雜區(qū)132， 從而將內(nèi)部電荷清除?？赏ㄟ^以下方式將運(yùn)動(dòng)至第三摻雜區(qū)132的電荷導(dǎo)走第三摻雜區(qū) 132連接至金屬互連線，金屬互連線接地。第一復(fù)位晶體管12位于光電二極管11的另一側(cè)(圖6中右側(cè))。傳輸晶體管18 設(shè)置在光電二極管11與第一復(fù)位晶體管12之間，以使光電二極管11內(nèi)部的電荷可通過傳輸晶體管18，從而實(shí)現(xiàn)第一復(fù)位晶體管12的復(fù)位功能。在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)圖像傳感器尺寸最小化等優(yōu)點(diǎn)，可使光電二極管11的第一摻雜區(qū)111用作傳輸晶體管18的源極。 并且，通過這種結(jié)構(gòu)還可實(shí)現(xiàn)電二極管11的陰極與傳輸晶體管18的源極連接。浮置擴(kuò)散區(qū)FD設(shè)置在傳輸晶體管18與第一復(fù)位晶體管12之間，以使光電二極管 11內(nèi)部的電荷可通過傳輸晶體管18運(yùn)動(dòng)至浮置擴(kuò)散區(qū)FD，從而使浮置擴(kuò)散區(qū)FD可以檢測(cè)光電二極管11產(chǎn)生的電信號(hào)。為了將檢測(cè)到的電信號(hào)進(jìn)行放大，源跟隨晶體管14與浮置擴(kuò)散區(qū)FD需連接，具體來說，如圖6所示，是源跟隨晶體管14的柵極與浮置擴(kuò)散區(qū)FD連接。 為了實(shí)現(xiàn)圖像傳感器尺寸最小化等優(yōu)點(diǎn)，可使浮置擴(kuò)散區(qū)FD分別用作傳輸晶體管18的漏極、第一復(fù)位晶體管12的源極。并且，通過這種結(jié)構(gòu)還可實(shí)現(xiàn)傳輸晶體管18的漏極與第一復(fù)位晶體管12的源極連接，同時(shí)實(shí)現(xiàn)第一復(fù)位晶體管12的源極與源跟隨晶體管14的柵極連接。即，具有上述結(jié)構(gòu)的傳輸晶體管18中，光電二極管11的第一摻雜區(qū)11、浮置擴(kuò)散區(qū)FD分別用作傳輸晶體管18的源極、漏極，第一摻雜區(qū)11、浮置擴(kuò)散區(qū)FD之間的外延層區(qū)域作為傳輸晶體管18的溝道。光電二極管11內(nèi)部的電荷可通過傳輸晶體管18的溝道運(yùn)動(dòng)至浮置擴(kuò)散區(qū)FD，浮置擴(kuò)散區(qū)FD接收電荷之后其電壓值會(huì)發(fā)生變化，因此源跟隨晶體管14能檢測(cè)浮置擴(kuò)散區(qū)FD的電壓變化，選擇晶體管15通過源跟隨晶體管14能讀取此電壓變化值并從其輸出端輸出此電壓變化值，以得到像素單元的輸出信號(hào)。上述4T式CMOS圖像傳感器的像素單元的工作原理如下在光電二極管11接受光照之前，將像素單元上次圖像處理后殘留在光電二極管 11內(nèi)部的電荷完全清除，以避免殘留在光電二極管11內(nèi)的電荷混入下一次圖像信息中，具體做法如下向第一復(fù)位晶體管12、第二復(fù)位晶體管13的柵極輸入高電平復(fù)位信號(hào)Reset， 以控制第一復(fù)位晶體管12、第二復(fù)位晶體管13開啟，此時(shí)光電二極管11由于沒有接受光照反向電流很小，使第一復(fù)位晶體管12、第二復(fù)位晶體管13的源極電壓接近于高電平VDD，浮置擴(kuò)散區(qū)FD也位于高電平狀態(tài)。由于傳輸晶體管18的漏極與第二復(fù)位晶體管13的源極連接，因此，傳輸晶體管18也開啟。位于高電位狀態(tài)下的浮置擴(kuò)散區(qū)FD會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，在電場(chǎng)的作用下光電二極管11內(nèi)部距離浮置擴(kuò)散區(qū)FD較近的電荷會(huì)通過傳輸晶體管18的溝道運(yùn)動(dòng)至浮置擴(kuò)散區(qū)FD ；另一方面，由于第二復(fù)位晶體管13開啟且位于高電平狀態(tài)，光電二極管11內(nèi)部距離浮置擴(kuò)散區(qū)FD較遠(yuǎn)的電荷會(huì)通過第二復(fù)位晶體管13的溝道運(yùn)動(dòng)至第二復(fù)位晶體管13的第三摻雜區(qū)132，以達(dá)到完全清除光電二極管11內(nèi)部殘留電荷的目的。 此時(shí)源跟隨晶體管14的源極接近于高電平VDD，選擇晶體管15的柵極接高電平選擇信號(hào) klect，從而使選擇晶體管15的源極輸出端out的電壓接近于高電平。然后，光電二極管11開始接受光照，接受光照之后，光電二極管11會(huì)產(chǎn)生電荷，隨著光照時(shí)間加長(zhǎng)，光電二極管11產(chǎn)生的電荷越來越多，其反向電流越來越大，因此其陰極電壓越來越低。復(fù)位信號(hào)Reset控制第一復(fù)位晶體管12、第二復(fù)位晶體管13關(guān)閉。此時(shí)， 傳輸晶體管18也關(guān)閉，浮置擴(kuò)散區(qū)FD依然位于高電平狀態(tài)。當(dāng)光電二極管11接受一段時(shí)間光照后，傳輸晶體管18的柵極接傳輸信號(hào)Tx以控制傳輸晶體管18開啟。光電二極管11 的內(nèi)部電荷會(huì)通過傳輸晶體管18的溝道運(yùn)動(dòng)至浮置擴(kuò)散區(qū)FD，使浮置擴(kuò)散區(qū)FD的電壓減小，因此，源跟隨晶體管14的源極電壓及選擇晶體管15的源極電壓也隨著減小，在選擇晶體管15的源極輸出端out讀取其電壓減小值，此電壓減小值即為像素單元輸出信號(hào)。需要說明的是，為了能更清楚的說明本發(fā)明，上述實(shí)施例中限定了外延層17、第一摻雜區(qū)111、第二摻雜區(qū)112的摻雜類型。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)需要對(duì)其摻雜類型作相應(yīng)調(diào)整。另外，上述兩個(gè)實(shí)施例中第一復(fù)位晶體管12、第二復(fù)位晶體管13、源跟隨晶體管14、 選擇晶體管15、傳輸晶體管18的結(jié)構(gòu)形式不應(yīng)以本實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)為限定。其它的能實(shí)現(xiàn)上述晶體管及光電轉(zhuǎn)換元件連接關(guān)系并能實(shí)現(xiàn)CMOS圖像傳感器功能的結(jié)構(gòu)也在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的像素單元只有一個(gè)復(fù)位晶體管，復(fù)位時(shí)無法將光電轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部殘余電荷完全清除，造成下一次圖像處理時(shí)出現(xiàn)圖像失真等缺陷。本發(fā)明中的 CMOS圖像傳感器的像素單元中增設(shè)一復(fù)位晶體管，即像素單元中有兩個(gè)復(fù)位晶體管，并使兩個(gè)復(fù)位晶體管位于光電轉(zhuǎn)換元件的兩側(cè)，這樣，圖像傳感器復(fù)位時(shí)能保證光電轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部殘余電荷能被完全清除，解決了現(xiàn)有技術(shù)中光電轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部殘余電荷無法完全清除的問題，從而能獲得較好的圖像處理效果。尤其是當(dāng)CMOS圖像傳感器的像素單元的結(jié)構(gòu)尺寸較大時(shí)這種優(yōu)勢(shì)更為明顯。上述通過實(shí)施例的說明，應(yīng)能使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，并能夠再現(xiàn)和使用本發(fā)明。本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員根據(jù)本文中所述的原理可以在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的情況下對(duì)上述實(shí)施例作各種變更和修改是顯而易見的。因此，本發(fā)明不應(yīng)被理解為限制于本文所示的上述實(shí)施例，其保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求書來界定。
權(quán)利要求
1.一種CMOS圖像傳感器，其特征在于，包括若干像素單元，至少一個(gè)所述像素單元包括用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換元件；用于執(zhí)行復(fù)位功能且分別位于所述光電轉(zhuǎn)換元件兩側(cè)的第一復(fù)位晶體管、第二復(fù)位晶體管；用于檢測(cè)所述光電轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生的電信號(hào)的浮置擴(kuò)散區(qū)；與所述浮置擴(kuò)散區(qū)連接以將檢測(cè)到的所述電信號(hào)進(jìn)行放大的源跟隨晶體管；用于執(zhí)行尋址功能并讀取像素單元輸出信號(hào)的選擇晶體管；所述光電轉(zhuǎn)換元件的陰極與所述第一復(fù)位晶體管的源極、第二復(fù)位晶體管的源極連接；所述第一復(fù)位晶體管的源極與所述源跟隨晶體管的柵極連接； 所述源跟隨晶體管的源極與所述選擇晶體管的漏極連接； 所述選擇晶體管的源極作為像素單元輸出信號(hào)的輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述像素單元形成在半導(dǎo)體襯底的外延層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述光電轉(zhuǎn)換元件為埋藏型光電二極管，其包括用作光電二極管陰極的第一摻雜區(qū)、位于所述第一摻雜區(qū)上并用作光電二極管陽(yáng)極的第二摻雜區(qū)，所述第一摻雜區(qū)的摻雜類型與所述第二摻雜區(qū)的摻雜類型相反。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述第二復(fù)位晶體管包括第二復(fù)位晶體管的柵極、用作第二復(fù)位晶體管漏極的第三摻雜區(qū)，所述光電轉(zhuǎn)換元件的第一摻雜區(qū)用作第二復(fù)位晶體管的源極，以實(shí)現(xiàn)所述光電轉(zhuǎn)換元件的陰極與所述第二復(fù)位晶體管的源極連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述浮置擴(kuò)散區(qū)設(shè)置在所述光電轉(zhuǎn)換元件與所述第一復(fù)位晶體管之間，并與所述光電轉(zhuǎn)換元件的第一摻雜區(qū)連接，所述浮置擴(kuò)散區(qū)用作所述第一復(fù)位晶體管的源極，以實(shí)現(xiàn)所述光電轉(zhuǎn)換元件的陰極與所述第一復(fù)位晶體管的源極連接。
6.一種CMOS圖像傳感器，其特征在于，包括若干像素單元，至少一個(gè)所述像素單元包括用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換元件；用于執(zhí)行復(fù)位功能且分別位于所述光電轉(zhuǎn)換元件兩側(cè)的第一復(fù)位晶體管、第二復(fù)位晶體管；用于檢測(cè)所述光電轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生的電信號(hào)的浮置擴(kuò)散區(qū)； 用于將所述光電轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移至所述浮置擴(kuò)散區(qū)的傳輸晶體管； 與所述浮置擴(kuò)散區(qū)連接以將檢測(cè)到的所述電信號(hào)進(jìn)行放大的源跟隨晶體管； 用于執(zhí)行尋址功能并讀取像素單元輸出信號(hào)的選擇晶體管；所述光電轉(zhuǎn)換元件的陰極與所述第二復(fù)位晶體管的源極及所述傳輸晶體管的源極連接；所述傳輸晶體管的漏極與所述第一復(fù)位晶體管的源極連接；所述第一復(fù)位晶體管的源極與所述源跟隨晶體管的柵極連接；所述源跟隨晶體管的源極與所述選擇晶體管的漏極連接；所述選擇晶體管的源極作為像素單元輸出信號(hào)的輸出端。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述像素單元形成在半導(dǎo)體襯底的外延層上。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述光電轉(zhuǎn)換元件為埋藏型光電二極管，其包括用作光電二極管陰極的第一摻雜區(qū)、位于所述第一摻雜區(qū)上并用作光電二極管陽(yáng)極的第二摻雜區(qū)，所述第一摻雜區(qū)的摻雜類型與所述第二摻雜區(qū)的摻雜類型相反。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述第二復(fù)位晶體管包括第二復(fù)位晶體管的柵極、用作第二復(fù)位晶體管漏極的第三摻雜區(qū)，所述光電轉(zhuǎn)換元件的第一摻雜區(qū)用作第二復(fù)位晶體管的源極，以實(shí)現(xiàn)所述光電轉(zhuǎn)換元件的陰極與所述第二復(fù)位晶體管的源極連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述傳輸晶體管設(shè)置在所述光電轉(zhuǎn)換元件與所述第一復(fù)位晶體管之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述光電轉(zhuǎn)換元件的第一摻雜區(qū)用作所述傳輸晶體管的源極，以實(shí)現(xiàn)所述光電轉(zhuǎn)換元件的陰極與所述傳輸晶體管的源極連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述浮置擴(kuò)散區(qū)設(shè)置在所述傳輸晶體管與所述第一復(fù)位晶體管之間，所述浮置擴(kuò)散區(qū)分別用作所述傳輸晶體管的漏極、所述第一復(fù)位晶體管的源極，以實(shí)現(xiàn)所述傳輸晶體管的漏極與所述第一復(fù)位晶體管的源極連接。
全文摘要
本發(fā)明提供3T、4T式CMOS圖像傳感器。3T式CMOS圖像傳感器的像素單元包括光電轉(zhuǎn)換元件；用于執(zhí)行復(fù)位功能且分別位于光電轉(zhuǎn)換元件兩側(cè)的第一、第二復(fù)位晶體管；用于檢測(cè)光電轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生的電信號(hào)的浮置擴(kuò)散區(qū)；與浮置擴(kuò)散區(qū)連接以將檢測(cè)到的電信號(hào)進(jìn)行放大的源跟隨晶體管；用于執(zhí)行尋址功能并讀取像素單元輸出信號(hào)的選擇晶體管。4T式CMOS圖像傳感器在3T式CMOS圖像傳感器的基礎(chǔ)上還包括用于將光電轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移至浮置擴(kuò)散區(qū)的傳輸晶體管。本發(fā)明通過增設(shè)一復(fù)位晶體管，能保證光電轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部殘余電荷能被完全清除，解決了現(xiàn)有技術(shù)中光電轉(zhuǎn)換元件內(nèi)部殘余電荷無法完全清除的問題，從而能獲得較好的圖像處理效果。
文檔編號(hào)H01L27/146GK102394239SQ20111037965
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月24日
發(fā)明者巨曉華, 張克云, 饒金華 申請(qǐng)人:上海宏力半導(dǎo)體制造有限公司