專利名稱：電荷快速轉(zhuǎn)移的大尺寸四管有源像素傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電荷快速轉(zhuǎn)移的4T像素的結(jié)構(gòu)，具體講，涉及電荷快速轉(zhuǎn)移的大尺寸四管有源像素傳感器。
背景技術(shù)：
隨著標(biāo)準(zhǔn)CMOS邏輯エ藝的持續(xù)縮減和CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sensors,CIS)制造ェ藝的不斷改善，CMOS圖像傳感器不斷發(fā)揮其在可集成性、功耗、隨機尋址等方面對CCD圖像傳感器的相對優(yōu)勢，成為固態(tài)圖像傳感器領(lǐng)域的主流器件。基于鉗位ニ極管的四管有源像素(Pinned-Photodiode Four Transistors-Active Pixel Sensor, PPD4T-APS)具有低暗電流、可消除復(fù)位噪聲和低圖像拖尾等特點，是目前CIS采用的主要像素結(jié)構(gòu)。 PPD 4T-APS的基本結(jié)構(gòu)如圖I所示，其中I為P型襯底，2為鉗位ニ極管N區(qū)，3為表面鉗位層，1-3共同構(gòu)成鉗位ニ極管,用以收集光感生電荷；4和6分別為傳輸管TG和復(fù)位管RST的柵級，5為TG和RST共有的源級，又稱為浮空擴散區(qū)(Floating Diffusion,FD)，7為RST的漏級，與像素電源電壓VDD相連，4_7共同構(gòu)成傳輸管TG和復(fù)位管RST，用以實現(xiàn)光感應(yīng)電荷的轉(zhuǎn)移和鉗位ニ極管的復(fù)位。源級跟隨器SF的柵級與FD相連，漏極與VDD相連，源級與選通管SEL共用，SEL的漏級與列總線(Column Bus, CB)相連，SF和SEL共同構(gòu)成像素的緩沖讀出器，用以讀出光感生電荷所轉(zhuǎn)換的光生電壓信號。在上述結(jié)構(gòu)中，PD中收集的光生電荷需要經(jīng)過TG柵下的傳輸通道轉(zhuǎn)移到復(fù)位后的FD，促使FD電壓發(fā)生變化，最終形成光生電壓信號。在ro曝光之前需要將鉗位ニ極管N區(qū)(2)存儲的電荷轉(zhuǎn)移至FD節(jié)點(6)，將該區(qū)域完全耗盡。如果不能夠?qū)崿F(xiàn)電荷的完全轉(zhuǎn)移就會導(dǎo)致較大的隨機噪聲和圖像殘留。由于大尺寸像素電荷存儲區(qū)域較大，與TG柵(4)的距離較遠，容易在鉗位ニ極管N區(qū)(2)的中部出現(xiàn)電荷的殘留，尤其是在鉗位ニ極管N區(qū)(2)的中部出現(xiàn)電荷的堆積。降低鉗位ニ極管N區(qū)⑵的摻雜濃度和減小鉗位ニ極管N區(qū)⑵的深度可以改善這個問題但是會導(dǎo)致阱容量以及長波光的吸收效率的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明_在解決克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提聞電荷轉(zhuǎn)移的效率減小電荷殘留。為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，電荷快速轉(zhuǎn)移的大尺寸四管有源像素傳感器，包括鉗位ニ極管區(qū)、傳輸管TG和復(fù)位管RST、源級跟隨器SF、選通管SEL，鉗位ニ極管區(qū)和傳輸管TG柵極均為U型結(jié)構(gòu)，兩U型結(jié)構(gòu)的軸線重合、開ロ同向，傳輸管TG柵極設(shè)置在鉗位ニ極管區(qū)U型結(jié)構(gòu)的底部，傳輸管TG柵極設(shè)置與鉗位ニ極管區(qū)U型結(jié)構(gòu)的底部部分交疊；鉗位ニ極管區(qū)沿U型結(jié)構(gòu)的軸線朝向開ロ方向延長形成與U型結(jié)構(gòu)兩臂平行的延長區(qū)域，在ニ極管區(qū)U型結(jié)構(gòu)的底部軸線附近及延長區(qū)域上依次設(shè)置有浮空擴散區(qū)FD、復(fù)位管RST的柵級、RST的漏級。
鉗位ニ極管區(qū)U型結(jié)構(gòu)的兩臂朝U型結(jié)構(gòu)開ロ方向反向延長，形成H型結(jié)構(gòu)；傳輸管TG柵極U型結(jié)構(gòu)僅保留兩臂，對稱設(shè)置在H型結(jié)構(gòu)中間橫杠兩端，傳輸管TG柵極U型結(jié)構(gòu)僅保留的兩臂受控時序完全同歩。本發(fā)明的技術(shù)特點及效果減小了鉗位ニ極管區(qū)的寬度，在鉗位ニ極管N區(qū)中部不容易出現(xiàn)電荷的堆積；TG柵的長度増加，電荷由多個方向同時向FD節(jié)點進行轉(zhuǎn)移，并且由于鉗位ニ極管區(qū)與柵的平均距離變近，電場作用有所增強，電荷轉(zhuǎn)移的速度得到了提高；由于鉗位ニ極管區(qū)寬度的減小，鉗位ニ極管N區(qū)摻雜濃度和深度的范圍可以適度放寬，阱容量和長波長光的吸收效率可以得到提高。


圖I為4T有源像素原理示意圖。圖2為傳統(tǒng)像素結(jié)構(gòu)俯視圖。圖中Ltc為柵長，指的就是柵與源或漏區(qū)交線的垂直方向的長度。Ltt是交疊區(qū)長度。圖3為本發(fā)明第一實例的像素結(jié)構(gòu)俯視圖。圖4為本發(fā)明第二實例的像素結(jié)構(gòu)俯視圖。圖5為本發(fā)明第二實例的像素電路圖。
具體實施例方式本發(fā)明通過將一般大尺寸像素的矩形鉗位ニ極管區(qū)域調(diào)整為軸對稱的U型結(jié)構(gòu)或分開的兩部分，通過U型的TG柵或者兩個TG柵連接到FD節(jié)點。通過減小鉗位ニ極管區(qū)域中的電荷傳輸?shù)絋G柵的平均距離提高了電荷轉(zhuǎn)移的效率減小了電荷殘留。如圖2所示，傳統(tǒng)像素的鉗位ニ極管區(qū)域(1-3) —般設(shè)計為矩形。當(dāng)像素的尺寸增大時，電荷存儲區(qū)域和柵的距離就相對變遠，容易在矩形鉗位ニ極管區(qū)的中部出現(xiàn)電荷的堆積。本發(fā)明通過調(diào)整像素的鉗位ニ極管區(qū)(1-3)的形狀，縮短電荷傳輸?shù)脚cTG柵(4)的平均距離，使大尺寸像素能夠?qū)崿F(xiàn)接近小尺寸像素的電荷轉(zhuǎn)移效果。本發(fā)明實施例I :像素結(jié)上下部分完全對稱，像素的尺寸一般在5iimX5iim lSymXlSym之間。該像素的鉗位ニ極管區(qū)域(1-3)和TG柵都為U型結(jié)構(gòu)，TG柵(4)的長度一般在0. 5 ii m 2 ii m之間，與鉗位ニ極管區(qū)(1-3)的交疊區(qū)域在0 y m 0. 5 y m之間。FD節(jié)點，復(fù)位管RST，源跟隨器，行選擇管位于像素的中間，被U型的鉗位ニ極管區(qū)(1-3)所包圍。本發(fā)明實施例2 :像素結(jié)構(gòu)上下部分完全對稱，像素的尺寸一般在5 iimX 5 iim 15iimX15iim之間。該像素的鉗位ニ極管區(qū)域(1_3)分開為對稱的兩個部分，位于FD節(jié)點(5)，復(fù)位管RST(6)，源跟隨器(9)，行選擇管SEL(II)的兩側(cè)，分別由TG柵(4a)和TG柵(4b)連接至FD節(jié)點(5)。TG柵⑷的長度一般在0. 5 ii m 2 ii m之間，與鉗位ニ極管區(qū)(1-3)的交疊區(qū)域在0 ii m 0. 5 ii m之間。其中TG柵4a和4b用相同的時序進行控制。本發(fā)明實施例I :像素結(jié)構(gòu)俯視圖如圖3所示，像素的尺寸為IOiimXlOiim ;像素的鉗位ニ極管區(qū)域(1-3)為U形結(jié)構(gòu)，形狀對稱。TG柵(4)位于U形鉗位ニ極管區(qū)(1-3)的內(nèi)偵彳，TG柵⑷同樣為U型結(jié)構(gòu)，TG柵⑷的長度為0.7 ym，與鉗位ニ極管區(qū)(1_3)的交疊區(qū)域為0.1 ym。FD節(jié)點(5)，復(fù)位管RST (6)，源跟隨器(9)，行選擇管SEL(Il)位于U型的鉗位ニ極管區(qū)域(1-3)的開ロ之內(nèi)。
本發(fā)明實施例2 :像素結(jié)構(gòu)俯視圖如圖4所示，像素的尺寸為IOiimXlOiim ;像素的鉗位ニ極管區(qū)域(1-3)分為完全対稱的(l_3a)和(l-3b)兩個部分；鉗位ニ極管區(qū)域(l-3a)和(l-3b)分別由兩個獨立的TG柵4a和4b連接至FD節(jié)點(5) ;TG柵(4)的長度為0. 7iim，與鉗位ニ極管區(qū)(1-3)的交疊區(qū)域為0. Iiim之間。FD節(jié)點(5)，復(fù)位管RST (6)，源跟隨器(9)，行選擇管SEL(II)都位于像素鉗位ニ極管區(qū)域(l_3a)和(l_3b)之間。該像素的電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，TG柵(4a)和TG柵(4b)連接到一起，由同一個控制信號控制電荷的轉(zhuǎn)移。
權(quán)利要求
1.一種電荷快速轉(zhuǎn)移的大尺寸四管有源像素傳感器，包括鉗位ニ極管區(qū)、傳輸管TG和復(fù)位管RST、源級跟隨器SF、選通管SEL，其特征是，鉗位ニ極管區(qū)和傳輸管TG柵極均為U型結(jié)構(gòu)，兩U型結(jié)構(gòu)的軸線重合、開ロ同向，傳輸管TG柵極設(shè)置在鉗位ニ極管區(qū)U型結(jié)構(gòu)的底部，傳輸管TG柵極設(shè)置與鉗位ニ極管區(qū)U型結(jié)構(gòu)的底部部分交疊；鉗位ニ極管區(qū)沿U型結(jié)構(gòu)的軸線朝向開ロ方向延長形成與U型結(jié)構(gòu)兩臂平行的延長區(qū)域，在ニ極管區(qū)U型結(jié)構(gòu)的底部軸線附近及延長區(qū)域上依次設(shè)置有浮空擴散區(qū)FD、復(fù)位管RST的柵級、RST的漏級。
2.如權(quán)利要求I所述的電荷快速轉(zhuǎn)移的大尺寸四管有源像素傳感器，其特征是，鉗位 ニ極管區(qū)U型結(jié)構(gòu)的兩臂朝U型結(jié)構(gòu)開ロ方向反向延長，形成H型結(jié)構(gòu)；傳輸管TG柵極U型結(jié)構(gòu)僅保留兩臂，對稱設(shè)置在H型結(jié)構(gòu)中間橫杠兩端，傳輸管TG柵極U型結(jié)構(gòu)僅保留的兩臂受控時序完全同歩。
全文摘要
本發(fā)明涉及電荷快速轉(zhuǎn)移像素傳感器。為提高電荷轉(zhuǎn)移的效率減小電荷殘留，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，電荷快速轉(zhuǎn)移的大尺寸四管有源像素傳感器，包括鉗位二極管區(qū)、傳輸管TG和復(fù)位管RST、源級跟隨器SF、選通管SEL，鉗位二極管區(qū)和傳輸管TG柵極均為U型結(jié)構(gòu)，兩U型結(jié)構(gòu)的軸線重合、開口同向，傳輸管TG柵極設(shè)置在鉗位二極管區(qū)U型結(jié)構(gòu)的底部，傳輸管TG柵極設(shè)置與鉗位二極管區(qū)U型結(jié)構(gòu)的底部部分交疊；鉗位二極管區(qū)沿U型結(jié)構(gòu)的軸線朝向開口方向延長形成與U型結(jié)構(gòu)兩臂平行的延長區(qū)域，在二極管區(qū)U型結(jié)構(gòu)的底部軸線附近及延長區(qū)域上依次設(shè)置有浮空擴散區(qū)FD、復(fù)位管RST的柵級、RST的漏級。本發(fā)明主要用于像素傳感器設(shè)計制造。
文檔編號H04N5/374GK102856332SQ201210103368
公開日2013年1月2日 申請日期2012年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月10日
發(fā)明者徐江濤, 李偉平, 高靜, 姚素英, 史再峰, 高志遠, 徐超 申請人:天津大學(xué)