高信號擺幅的圖像傳感器像素及其操作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高信號擺幅的圖像傳感器像素及其操作方法，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，還包括第一N型離子區(qū)和第二N型離子區(qū)；第一N型離子區(qū)的一側(cè)位于復(fù)位晶體管的溝道中，另一側(cè)與漂浮有源區(qū)的N+區(qū)相連；第二N型離子區(qū)的一側(cè)位于復(fù)位晶體管的溝道中并與第一N型離子區(qū)相連，另一側(cè)與復(fù)位晶體管漏極有源區(qū)的N+區(qū)相連。在復(fù)位晶體管漏極N+區(qū)與復(fù)位晶體管溝道之間形成勢壘，有效提高了像素的信號擺幅，解決了像素信號擺幅受到復(fù)位電勢限制的問題，進而提升了圖像傳感器輸出的圖像品質(zhì)。
【專利說明】高信號擺幅的圖像傳感器像素及其操作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種圖像傳感器，尤其涉及一種高信號擺幅的圖像傳感器像素及其操 作方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 圖像傳感器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼相機、移動手機、醫(yī)療器械、汽車和其他應(yīng)用 場合。特別是制造 CMOS (互補型金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，使人們 對圖像傳感器的輸出圖像品質(zhì)有了更高的要求。
[0003] 在現(xiàn)有技術(shù)中，CMOS圖像傳感器一般采用四晶體管像素（4T)結(jié)構(gòu)。如圖1所示， 是采用CMOS圖像傳感器4T有源像素結(jié)構(gòu)的示意圖，包括虛線框內(nèi)的切面示意圖和虛線框 外的電路示意圖兩部分。4T有源像素的元器件包括：光電二極管區(qū)域101，電荷傳輸晶體管 102,復(fù)位晶體管103,漂浮有源區(qū)FD，源跟隨晶體管104,選擇晶體管105,列位線106 ;其中 101置于半導(dǎo)體基體中，STI為淺槽隔離區(qū)，N+區(qū)為晶體管源漏有源區(qū)；Vtx為102的柵極 端，Vrst為103的柵極端，Vsx為105的柵極端，Vdd為電源電壓。光電二極管101接收外 界入射的光線，產(chǎn)生光電信號；開啟晶體管102,將光電二極管中的光電信號轉(zhuǎn)移至漂浮有 源區(qū)FD區(qū)后，由晶體管104所探測到的FD勢阱內(nèi)電勢變化信號經(jīng)106讀取并保存。
[0004] 圖2示出了圖1虛線框內(nèi)器件部分，在進行漂浮有源區(qū)復(fù)位操作時的勢阱示意圖。 圖2所示，201為光電二極管101勢阱，202為FD區(qū)勢阱，203為103的漏極端勢阱，其中 Vpinl為201的完全耗盡電勢，Vrstl為FD的復(fù)位電勢，Vdd為電源電壓?，F(xiàn)有技術(shù)中的圖 像傳感器像素復(fù)位操作時FD的復(fù)位電勢Vrstl，小于等于Vdd，F(xiàn)D區(qū)電壓信號擺幅Vfdl = Vrstl-Vpinl，即最高信號擺幅為Vdd-Vpinl ;若Vdd固定不變，可以降低Vpinl來增大信號 擺幅，但降低Vpinl會減少光電二極管的電荷飽和容量，因此不可以輕易降低Vpinl參數(shù)。
[0005] 由此可見，現(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器像素的信號擺幅Vfdl受到Vrstl的限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種圖像傳感器采集圖像的質(zhì)量高的高信號擺幅的圖像傳 感器像素及其操作方法。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0008] 本發(fā)明的高信號擺幅的圖像傳感器像素，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、 電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，其特征在于，還包 括第一 N型離子區(qū)和第二N型離子區(qū)；
[0009] 所述第一 N型離子區(qū)的一側(cè)位于所述復(fù)位晶體管的溝道中，另一側(cè)與所述漂浮有 源區(qū)的N+區(qū)相連；
[0010] 所述第二N型離子區(qū)的一側(cè)位于所述復(fù)位晶體管的溝道中并與所述第一 N型離子 區(qū)相連，另一側(cè)與所述復(fù)位晶體管漏極有源區(qū)的N+區(qū)相連。
[0011] 本發(fā)明的上述的高信號擺幅的圖像傳感器像素的漂浮有源區(qū)的復(fù)位操作方法，包 括步驟：
[0012] a、開啟復(fù)位晶體管，即將復(fù)位晶體管的柵極端從低電平置為高電平，高電平持續(xù) 時間為〇. lus?10us，此高電平大于等于電源電壓；
[0013] b、關(guān)閉復(fù)位晶體管，即將復(fù)位晶體管的柵極端從高電平置為低電平，此低電平小 于等于0V，此低電平持續(xù)時間為Ins?lus ;
[0014] c、重復(fù)步驟a?步驟b，次數(shù)大于等于1次。
[0015] 由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的高信號擺幅的圖像 傳感器像素及其操作方法，由于在復(fù)位晶體管溝道中設(shè)置了第一 N型離子區(qū)和第二N型離 子區(qū)，在復(fù)位晶體管漏極N+區(qū)與復(fù)位晶體管溝道之間形成勢壘，有效提高了像素的信號擺 幅，解決了像素信號擺幅受到復(fù)位電勢限制的問題，進而提升了圖像傳感器輸出的圖像品 質(zhì)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)的圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖2是現(xiàn)有技術(shù)的圖像傳感器像素在進行漂浮有源區(qū)復(fù)位操作時的勢阱示意圖。
[0018] 圖3是本發(fā)明的圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖4是本發(fā)明的圖像傳感器像素進行漂浮有源區(qū)復(fù)位操作的時序控制示意圖。
[0020] 圖5是本發(fā)明的圖像傳感器像素在進行漂浮有源區(qū)復(fù)位操作時，復(fù)位晶體管置為 關(guān)閉狀態(tài)時的勢阱示意圖。
[0021] 圖6是本發(fā)明的圖像傳感器像素在進行漂浮有源區(qū)復(fù)位操作時，復(fù)位晶體管置為 開啟狀態(tài)時的勢阱示意圖。
[0022] 圖7是本發(fā)明的圖像傳感器像素在進行漂浮有源區(qū)復(fù)位操作時，復(fù)位晶體管未完 全關(guān)閉時的勢阱示意圖。
[0023] 圖8是本發(fā)明的圖像傳感器像素在進行漂浮有源區(qū)復(fù)位操作時，復(fù)位晶體管完全 關(guān)閉時的勢阱示意圖。
[0024] 圖9是本發(fā)明的圖像傳感器像素在進行漂浮有源區(qū)復(fù)位操作時，復(fù)位操作完畢時 的勢阱示意圖。

【具體實施方式】
[0025] 下面將對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述。
[0026] 本發(fā)明的高信號擺幅的圖像傳感器像素，其較佳的【具體實施方式】是：
[0027] 包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體 管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，其特征在于，還包括第一 N型離子區(qū)和第二N型離子區(qū)；
[0028] 所述第一 N型離子區(qū)的一側(cè)位于所述復(fù)位晶體管的溝道中，另一側(cè)與所述漂浮有 源區(qū)的N+區(qū)相連；
[0029] 所述第二N型離子區(qū)的一側(cè)位于所述復(fù)位晶體管的溝道中并與所述第一 N型離子 區(qū)相連，另一側(cè)與所述復(fù)位晶體管漏極有源區(qū)的N+區(qū)相連。
[0030] 所述光電二極管為N型光電二極管，所述電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶 體管、選擇晶體管為N型晶體管。
[0031] 所述第一 N型離子區(qū)在復(fù)位晶體管溝道中的長度大于等于0. lum，深度小于等于 0· 2um ;
[0032] 所述第二N型離子區(qū)在復(fù)位晶體管溝道中的長度大于等于0. lum，在復(fù)位晶體管 漏極有源區(qū)的長度大于等于〇· lum，所述第二N型離子區(qū)的深度小于等于0· 2um。
[0033] 所述第一 N型離子區(qū)N型離子濃度小于第二N型離子區(qū)N型離子濃度。
[0034] 所述第一 N型離子區(qū)的N型離子濃度為lE+15Atom/cm3?5E+16Atom/cm3 ;
[0035] 所述第二N型離子區(qū)的N型離子濃度為5E+15Atom/cm3?lE+17Atom/cm 3。
[0036] 所述N型離子是磷離子或砷離子。
[0037] 所述漂浮有源區(qū)的復(fù)位電勢大于等于電源電壓。
[0038] 本發(fā)明的上述的高信號擺幅的圖像傳感器像素的漂浮有源區(qū)的復(fù)位操作方法，其 較佳的【具體實施方式】是：
[0039] 包括步驟：
[0040] a、開啟復(fù)位晶體管，即將復(fù)位晶體管的柵極端從低電平置為高電平，高電平持續(xù) 時間為〇. lus?10us，此高電平大于等于電源電壓；
[0041] b、關(guān)閉復(fù)位晶體管，即將復(fù)位晶體管的柵極端從高電平置為低電平，此低電平小 于等于0V，此低電平持續(xù)時間為Ins?lus ;
[0042] c、重復(fù)步驟a?步驟b，次數(shù)大于等于1次。
[0043] 所述復(fù)位晶體管柵極的工作電壓有兩種：
[0044] 一種是：低電平，小于等于0V ;
[0045] 另一種是：高電平，大于等于電源電壓。
[0046] 本發(fā)明的高信號擺幅的圖像傳感器像素及其操作方法，由于在復(fù)位晶體管溝道中 設(shè)置了第一 N型離子區(qū)和第二N型離子區(qū)，復(fù)位晶體管的漏極端設(shè)置有第二N型離子區(qū)，并 且與其N+區(qū)相連，第一 N型離子區(qū)N型離子濃度小于第二N型離子區(qū)N型離子濃度。所以 在復(fù)位晶體管漏極N+區(qū)與復(fù)位晶體管溝道之間形成勢壘，配合本發(fā)明的像素漂浮有源區(qū) 的復(fù)位操作方法，漂浮有源區(qū)的復(fù)位電勢大于等于電源電壓。因此本發(fā)明有效提高了像素 的信號擺幅，解決了像素信號擺幅受到復(fù)位電勢限制的問題，進而提升了圖像傳感器輸出 的圖像品質(zhì)。
[0047] 具體實施例：
[0048] 實施例一：
[0049] 本發(fā)明的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)如圖3所示，包含虛線框內(nèi)的切面部分和虛線框外 的電路部分示意圖。圖3中，301為光電二極管，302為電荷傳輸晶體管，303為復(fù)位晶體管， FD為漂浮有源區(qū)，304為源跟隨晶體管，305為選擇晶體管，306為列位線，307為第一 N型離 子區(qū)，308為第二N型離子區(qū)；其中，STI為淺槽隔離區(qū)，N+區(qū)為晶體管源漏有源區(qū)，Vdd為 電源電壓；Vtx為302的柵極端，Vrst為303的柵極端，Vsx為305的柵極端；301、307、308 及N+區(qū)置于半導(dǎo)體基體中。如圖3所示，307位于303溝道中，其一側(cè)與FD區(qū)的N+區(qū)相 連，另一側(cè)在303溝道中與308相連，307在303溝道中的長度大于等于0. lum，其深度小于 等于0· 2um，其N型離子濃度為lE+15Atom/cm3?5E+16Atom/cm3 ;308區(qū)的一部分位于303 溝道中，一部分位于303的漏極端有源區(qū)，308區(qū)的一側(cè)在303溝道中與307相連，另一側(cè)在 303的漏極有源區(qū)與N+區(qū)相連，308在303溝道中的長度大于等于0. lum，在303漏極有源 區(qū)的長度大于等于〇· lum，308在半導(dǎo)體基體中的深度小于等于0· 2um，308區(qū)N型離子濃度 為5E+15Atom/cm3?lE+17Atom/cm3。所述307區(qū)的N型離子濃度小于308區(qū)的N型離子 濃度，由于308區(qū)的一部分位于303漏極有源區(qū)，其N型離子濃度較低，因此303的漏極N+ 區(qū)與303的溝道之間存在勢壘，其勢壘值與308區(qū)N型離子濃度相關(guān)。上述中的N型離子 可以是磷離子，也可以是砷離子。所述303的柵極端Vrst有兩種工作電壓：低電平，小于等 于0V ;高電平，大于等于電源電壓；所述Vrst的兩種工作電壓，可以使用電荷泵電路實現(xiàn)， 此電荷泵電路不屬于本發(fā)明闡述范圍。
[0050] 實施例二：
[0051] 本發(fā)明的圖像傳感器像素工作在漂浮有源區(qū)復(fù)位操作時的時序控制示意圖，如圖 4所示。圖4僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的時序控制圖，其它時序未示出，其中，Vrst時序為303 柵極端的時序。圖4中，a線表示Vrst的高電平值線，a線的高電平電壓值大于等于電源電 壓；0V線，指的是GND電位；b線表示Vrst的低電平值線，b線的低電平電壓值小于等于0V ; Vrst為高電平時，晶體管303開啟，Vrst為低電平時，晶體管303關(guān)閉。圖4所示，Vrst的 高電平脈沖，1、2.....η個脈沖，表示晶體管303開啟并關(guān)閉了 η次，中η大于等于1 ;Vrst 每個脈沖的高電平時間持續(xù)〇. lus?10us，相鄰高電平脈沖之間的時間持續(xù)Ins?lus。
[0052] 下面，結(jié)合示意圖5?圖9,詳細地闡述本發(fā)明像素漂浮有源區(qū)的復(fù)位操作操作方 法的原理。
[0053] 本發(fā)明的圖像傳感器像素復(fù)位晶體管303的工作原理，如下所述：
[0054] 漂浮有源區(qū)FD在復(fù)位操作之前，F(xiàn)D區(qū)存有大量電荷，此時的勢阱關(guān)系，如圖5所 示。圖5中，501為光電二極管301的勢阱，502為FD區(qū)勢阱，503為303的漏極有源區(qū)N+ 區(qū)勢阱，504為307區(qū)勢阱，505為308區(qū)在303溝道中的勢阱；其中，Vtx為電平，Vrst為 低電平，Vdd為電源電壓，Vpin2為501的完全耗盡電勢，所述低電平小于等于0V，303處于 關(guān)閉狀態(tài)。因為，所述307區(qū)的N型離子濃度小于308區(qū)的N型離子濃度，所述505區(qū)勢阱 低于504區(qū)。
[0055] 進一步，開啟晶體管303,即將Vrst由低電平置為高電平，所述高電平大于等于 Vdd，此時的勢阱示意圖，如圖6所示。圖6中，303處于關(guān)閉時的FD區(qū)電荷，在303開啟后， 重新分配到502、504和505勢阱區(qū)；因為Vrst由低電平置為高電平，所以504和505的勢 阱被推向了高電勢區(qū)。303處于開啟狀態(tài)，504區(qū)的最高電勢為Vrst2, Vrst2大于等于Vdd， Vrst2與504區(qū)N型離子濃度和Vrst高電平值相關(guān)；505區(qū)的最高電勢大于Vrst2,其差值 與307和308區(qū)的N型離子濃度差值相關(guān)；505區(qū)與503區(qū)之間存在一勢壘，此勢壘區(qū)由位 于303漏極有源區(qū)的308區(qū)產(chǎn)生。303晶體管開啟的時間持續(xù)0. lus?10us。
[0056] 進一步，關(guān)閉晶體管303,即將Vrst從高電平置為低電平。
[0057] 圖7示出了 303未完全關(guān)閉時的勢阱示意圖，從圖7中可知504電勢高于FD區(qū)502 的電勢，505區(qū)存有電荷，此部分電荷為原502區(qū)的電荷；S卩，圖7中的502和505區(qū)電荷量 之和等于圖5中的502區(qū)電荷量。由此可見，圖7中的502電荷量少于圖5中的502電荷 量。
[0058] 圖8示出了 303完全關(guān)閉時的勢阱示意圖，從圖8中可知，位于505勢阱區(qū)中的電 荷被轉(zhuǎn)移到503勢阱區(qū)中，進而被電源Vdd吸收。
[0059] 由此可見，晶體管303開啟關(guān)閉的過程，清除了部分502勢阱區(qū)中的電荷。如此往 復(fù)操作303的開啟和關(guān)閉操作，直至502勢阱區(qū)電荷不再減少，502勢阱區(qū)的電勢被復(fù)位到 Vrst2,如圖9所示。
[0060] 由上所述像素的漂浮有源區(qū)復(fù)位操作，F(xiàn)D區(qū)的電壓擺幅為Vrst2 - Vpin2,其中 Vrst2可以高于Vdd。因此，本發(fā)明的像素及其復(fù)位操作操作方法，突破了像素信號擺幅 Vdd-Vpin的限制，將像素信號擺幅由Vdd - Vpin提高到了 Vrst2 - Vpin，信號擺幅提高量 與Vrst2與Vdd的差值相關(guān)，例如Vrst2可以高于Vdd 0. 5V。因此，本發(fā)明有效提高了像素 的信號擺幅，提升了圖像傳感器輸出的圖像品質(zhì)。
[0061] 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范 圍為準。
【權(quán)利要求】
1. 一種高信號擺幅的圖像傳感器像素，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、電荷傳 輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，其特征在于，還包括第一 N 型離子區(qū)和第二N型離子區(qū)； 所述第一 N型離子區(qū)的一側(cè)位于所述復(fù)位晶體管的溝道中，另一側(cè)與所述漂浮有源區(qū) 的N+區(qū)相連； 所述第二N型離子區(qū)的一側(cè)位于所述復(fù)位晶體管的溝道中并與所述第一N型離子區(qū)相 連，另一側(cè)與所述復(fù)位晶體管漏極有源區(qū)的N+區(qū)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高信號擺幅的圖像傳感器像素，其特征在于，所述光電二極 管為N型光電二極管，所述電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管為N型 晶體管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高信號擺幅的圖像傳感器像素，其特征在于，所述第一 N型離 子區(qū)在復(fù)位晶體管溝道中的長度大于等于〇· lum，深度小于等于0· 2um ; 所述第二N型離子區(qū)在復(fù)位晶體管溝道中的長度大于等于0. lum，在復(fù)位晶體管漏極 有源區(qū)的長度大于等于〇· lum，所述第二N型離子區(qū)的深度小于等于0· 2um。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高信號擺幅的圖像傳感器像素，其特征在于，所述第一N型離 子區(qū)N型離子濃度小于第二N型離子區(qū)N型離子濃度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高信號擺幅的圖像傳感器像素，其特征在于，所述第一N型離 子區(qū)的N型離子濃度為lE+15Atom/cm 3?5E+16Atom/cm3 ; 所述第二N型離子區(qū)的N型離子濃度為5E+15Atom/cm3?lE+17Atom/cm3。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高信號擺幅的圖像傳感器像素，其特征在于，所述N型離子是 磷離子或砷離子。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高信號擺幅的圖像傳感器像素，其特征在于，所述漂浮有源 區(qū)的復(fù)位電勢大于等于電源電壓。
8. -種權(quán)利要求1至7任一項所述的高信號擺幅的圖像傳感器像素的漂浮有源區(qū)的復(fù) 位操作方法，其特征在于，包括步驟： a、 開啟復(fù)位晶體管，即將復(fù)位晶體管的柵極端從低電平置為高電平，高電平持續(xù)時間 為0. lus?10us，此高電平大于等于電源電壓； b、 關(guān)閉復(fù)位晶體管，即將復(fù)位晶體管的柵極端從高電平置為低電平，此低電平小于等 于0V，此低電平持續(xù)時間為Ins?lus ; c、 重復(fù)步驟a?步驟b，次數(shù)大于等于1次。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的高信號擺幅的圖像傳感器像素的漂浮有源區(qū)的復(fù)位操作方 法，其特征在于，所述復(fù)位晶體管柵極的工作電壓有兩種 ： 一種是：低電平，小于等于0V; 另一種是：高電平，大于等于電源電壓。
【文檔編號】H01L29/10GK104218073SQ201410488361
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月22日
【發(fā)明者】郭同輝, 曠章曲 申請人:北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司