高信号摆幅的图像传感器像素及其操作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高信号摆幅的图像传感器像素及其操作方法，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，还包括第一N型离子区和第二N型离子区；第一N型离子区的一侧位于复位晶体管的沟道中，另一侧与漂浮有源区的N+区相连；第二N型离子区的一侧位于复位晶体管的沟道中并与第一N型离子区相连，另一侧与复位晶体管漏极有源区的N+区相连。在复位晶体管漏极N+区与复位晶体管沟道之间形成势垒，有效提高了像素的信号摆幅，解决了像素信号摆幅受到复位电势限制的问题，进而提升了图像传感器输出的图像品质。
【专利说明】高信号摆幅的图像传感器像素及其操作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种图像传感器，尤其涉及一种高信号摆幅的图像传感器像素及其操 作方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 在现有技术中，CMOS图像传感器一般采用四晶体管像素（4T)结构。如图1所示， 是采用CMOS图像传感器4T有源像素结构的示意图，包括虚线框内的切面示意图和虚线框 外的电路示意图两部分。4T有源像素的元器件包括：光电二极管区域101，电荷传输晶体管 102,复位晶体管103,漂浮有源区FD，源跟随晶体管104,选择晶体管105,列位线106 ;其中 101置于半导体基体中，STI为浅槽隔离区，N+区为晶体管源漏有源区；Vtx为102的栅极 端，Vrst为103的栅极端，Vsx为105的栅极端，Vdd为电源电压。光电二极管101接收外 界入射的光线，产生光电信号；开启晶体管102,将光电二极管中的光电信号转移至漂浮有 源区FD区后，由晶体管104所探测到的FD势阱内电势变化信号经106读取并保存。
[0004] 图2示出了图1虚线框内器件部分，在进行漂浮有源区复位操作时的势阱示意图。 图2所示，201为光电二极管101势阱，202为FD区势阱，203为103的漏极端势阱，其中 Vpinl为201的完全耗尽电势，Vrstl为FD的复位电势，Vdd为电源电压。现有技术中的图 像传感器像素复位操作时FD的复位电势Vrstl，小于等于Vdd，FD区电压信号摆幅Vfdl = Vrstl-Vpinl，即最高信号摆幅为Vdd-Vpinl ;若Vdd固定不变，可以降低Vpinl来增大信号 摆幅，但降低Vpinl会减少光电二极管的电荷饱和容量，因此不可以轻易降低Vpinl参数。
[0005] 由此可见，现有技术中的图像传感器像素的信号摆幅Vfdl受到Vrstl的限制。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种图像传感器采集图像的质量高的高信号摆幅的图像传 感器像素及其操作方法。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008] 本发明的高信号摆幅的图像传感器像素，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，还包 括第一 N型离子区和第二N型离子区；
[0009] 所述第一 N型离子区的一侧位于所述复位晶体管的沟道中，另一侧与所述漂浮有 源区的N+区相连；
[0010] 所述第二N型离子区的一侧位于所述复位晶体管的沟道中并与所述第一 N型离子 区相连，另一侧与所述复位晶体管漏极有源区的N+区相连。
[0011] 本发明的上述的高信号摆幅的图像传感器像素的漂浮有源区的复位操作方法，包 括步骤：
[0012] a、开启复位晶体管，即将复位晶体管的栅极端从低电平置为高电平，高电平持续 时间为〇. lus?10us，此高电平大于等于电源电压；
[0013] b、关闭复位晶体管，即将复位晶体管的栅极端从高电平置为低电平，此低电平小 于等于0V，此低电平持续时间为Ins?lus ;
[0014] c、重复步骤a?步骤b，次数大于等于1次。
[0015] 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高信号摆幅的图像 传感器像素及其操作方法，由于在复位晶体管沟道中设置了第一 N型离子区和第二N型离 子区，在复位晶体管漏极N+区与复位晶体管沟道之间形成势垒，有效提高了像素的信号摆 幅，解决了像素信号摆幅受到复位电势限制的问题，进而提升了图像传感器输出的图像品 质。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是现有技术的图像传感器的像素结构示意图。
[0017] 图2是现有技术的图像传感器像素在进行漂浮有源区复位操作时的势阱示意图。
[0018] 图3是本发明的图像传感器的像素结构示意图。
[0019] 图4是本发明的图像传感器像素进行漂浮有源区复位操作的时序控制示意图。
[0020] 图5是本发明的图像传感器像素在进行漂浮有源区复位操作时，复位晶体管置为 关闭状态时的势阱示意图。
[0021] 图6是本发明的图像传感器像素在进行漂浮有源区复位操作时，复位晶体管置为 开启状态时的势阱示意图。
[0022] 图7是本发明的图像传感器像素在进行漂浮有源区复位操作时，复位晶体管未完 全关闭时的势阱示意图。
[0023] 图8是本发明的图像传感器像素在进行漂浮有源区复位操作时，复位晶体管完全 关闭时的势阱示意图。
[0024] 图9是本发明的图像传感器像素在进行漂浮有源区复位操作时，复位操作完毕时 的势阱示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
[0026] 本发明的高信号摆幅的图像传感器像素，其较佳的【具体实施方式】是：
[0027] 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，还包括第一 N型离子区和第二N型离子区；
[0028] 所述第一 N型离子区的一侧位于所述复位晶体管的沟道中，另一侧与所述漂浮有 源区的N+区相连；
[0029] 所述第二N型离子区的一侧位于所述复位晶体管的沟道中并与所述第一 N型离子 区相连，另一侧与所述复位晶体管漏极有源区的N+区相连。
[0030] 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。
[0031] 所述第一 N型离子区在复位晶体管沟道中的长度大于等于0. lum，深度小于等于 0· 2um ;
[0032] 所述第二N型离子区在复位晶体管沟道中的长度大于等于0. lum，在复位晶体管 漏极有源区的长度大于等于〇· lum，所述第二N型离子区的深度小于等于0· 2um。
[0033] 所述第一 N型离子区N型离子浓度小于第二N型离子区N型离子浓度。
[0034] 所述第一 N型离子区的N型离子浓度为lE+15Atom/cm3?5E+16Atom/cm3 ;
[0035] 所述第二N型离子区的N型离子浓度为5E+15Atom/cm3?lE+17Atom/cm 3。
[0036] 所述N型离子是磷离子或砷离子。
[0037] 所述漂浮有源区的复位电势大于等于电源电压。
[0038] 本发明的上述的高信号摆幅的图像传感器像素的漂浮有源区的复位操作方法，其 较佳的【具体实施方式】是：
[0039] 包括步骤：
[0040] a、开启复位晶体管，即将复位晶体管的栅极端从低电平置为高电平，高电平持续 时间为〇. lus?10us，此高电平大于等于电源电压；
[0041] b、关闭复位晶体管，即将复位晶体管的栅极端从高电平置为低电平，此低电平小 于等于0V，此低电平持续时间为Ins?lus ;
[0042] c、重复步骤a?步骤b，次数大于等于1次。
[0043] 所述复位晶体管栅极的工作电压有两种：
[0044] 一种是：低电平，小于等于0V ;
[0045] 另一种是：高电平，大于等于电源电压。
[0046] 本发明的高信号摆幅的图像传感器像素及其操作方法，由于在复位晶体管沟道中 设置了第一 N型离子区和第二N型离子区，复位晶体管的漏极端设置有第二N型离子区，并 且与其N+区相连，第一 N型离子区N型离子浓度小于第二N型离子区N型离子浓度。所以 在复位晶体管漏极N+区与复位晶体管沟道之间形成势垒，配合本发明的像素漂浮有源区 的复位操作方法，漂浮有源区的复位电势大于等于电源电压。因此本发明有效提高了像素 的信号摆幅，解决了像素信号摆幅受到复位电势限制的问题，进而提升了图像传感器输出 的图像品质。
[0047] 具体实施例：
[0048] 实施例一：
[0049] 本发明的图像传感器像素结构如图3所示，包含虚线框内的切面部分和虚线框外 的电路部分示意图。图3中，301为光电二极管，302为电荷传输晶体管，303为复位晶体管， FD为漂浮有源区，304为源跟随晶体管，305为选择晶体管，306为列位线，307为第一 N型离 子区，308为第二N型离子区；其中，STI为浅槽隔离区，N+区为晶体管源漏有源区，Vdd为 电源电压；Vtx为302的栅极端，Vrst为303的栅极端，Vsx为305的栅极端；301、307、308 及N+区置于半导体基体中。如图3所示，307位于303沟道中，其一侧与FD区的N+区相 连，另一侧在303沟道中与308相连，307在303沟道中的长度大于等于0. lum，其深度小于 等于0· 2um，其N型离子浓度为lE+15Atom/cm3?5E+16Atom/cm3 ;308区的一部分位于303 沟道中，一部分位于303的漏极端有源区，308区的一侧在303沟道中与307相连，另一侧在 303的漏极有源区与N+区相连，308在303沟道中的长度大于等于0. lum，在303漏极有源 区的长度大于等于〇· lum，308在半导体基体中的深度小于等于0· 2um，308区N型离子浓度 为5E+15Atom/cm3?lE+17Atom/cm3。所述307区的N型离子浓度小于308区的N型离子 浓度，由于308区的一部分位于303漏极有源区，其N型离子浓度较低，因此303的漏极N+ 区与303的沟道之间存在势垒，其势垒值与308区N型离子浓度相关。上述中的N型离子 可以是磷离子，也可以是砷离子。所述303的栅极端Vrst有两种工作电压：低电平，小于等 于0V ;高电平，大于等于电源电压；所述Vrst的两种工作电压，可以使用电荷泵电路实现， 此电荷泵电路不属于本发明阐述范围。
[0050] 实施例二：
[0051] 本发明的图像传感器像素工作在漂浮有源区复位操作时的时序控制示意图，如图 4所示。图4仅示出了与本发明相关的时序控制图，其它时序未示出，其中，Vrst时序为303 栅极端的时序。图4中，a线表示Vrst的高电平值线，a线的高电平电压值大于等于电源电 压；0V线，指的是GND电位；b线表示Vrst的低电平值线，b线的低电平电压值小于等于0V ; Vrst为高电平时，晶体管303开启，Vrst为低电平时，晶体管303关闭。图4所示，Vrst的 高电平脉冲，1、2.....η个脉冲，表示晶体管303开启并关闭了 η次，中η大于等于1 ;Vrst 每个脉冲的高电平时间持续〇. lus?10us，相邻高电平脉冲之间的时间持续Ins?lus。
[0052] 下面，结合示意图5?图9,详细地阐述本发明像素漂浮有源区的复位操作操作方 法的原理。
[0053] 本发明的图像传感器像素复位晶体管303的工作原理，如下所述：
[0054] 漂浮有源区FD在复位操作之前，FD区存有大量电荷，此时的势阱关系，如图5所 示。图5中，501为光电二极管301的势阱，502为FD区势阱，503为303的漏极有源区N+ 区势阱，504为307区势阱，505为308区在303沟道中的势阱；其中，Vtx为电平，Vrst为 低电平，Vdd为电源电压，Vpin2为501的完全耗尽电势，所述低电平小于等于0V，303处于 关闭状态。因为，所述307区的N型离子浓度小于308区的N型离子浓度，所述505区势阱 低于504区。
[0055] 进一步，开启晶体管303,即将Vrst由低电平置为高电平，所述高电平大于等于 Vdd，此时的势阱示意图，如图6所示。图6中，303处于关闭时的FD区电荷，在303开启后， 重新分配到502、504和505势阱区；因为Vrst由低电平置为高电平，所以504和505的势 阱被推向了高电势区。303处于开启状态，504区的最高电势为Vrst2, Vrst2大于等于Vdd， Vrst2与504区N型离子浓度和Vrst高电平值相关；505区的最高电势大于Vrst2,其差值 与307和308区的N型离子浓度差值相关；505区与503区之间存在一势垒，此势垒区由位 于303漏极有源区的308区产生。303晶体管开启的时间持续0. lus?10us。
[0056] 进一步，关闭晶体管303,即将Vrst从高电平置为低电平。
[0057] 图7示出了 303未完全关闭时的势阱示意图，从图7中可知504电势高于FD区502 的电势，505区存有电荷，此部分电荷为原502区的电荷；S卩，图7中的502和505区电荷量 之和等于图5中的502区电荷量。由此可见，图7中的502电荷量少于图5中的502电荷 量。
[0058] 图8示出了 303完全关闭时的势阱示意图，从图8中可知，位于505势阱区中的电 荷被转移到503势阱区中，进而被电源Vdd吸收。
[0059] 由此可见，晶体管303开启关闭的过程，清除了部分502势阱区中的电荷。如此往 复操作303的开启和关闭操作，直至502势阱区电荷不再减少，502势阱区的电势被复位到 Vrst2,如图9所示。
[0060] 由上所述像素的漂浮有源区复位操作，FD区的电压摆幅为Vrst2 - Vpin2,其中 Vrst2可以高于Vdd。因此，本发明的像素及其复位操作操作方法，突破了像素信号摆幅 Vdd-Vpin的限制，将像素信号摆幅由Vdd - Vpin提高到了 Vrst2 - Vpin，信号摆幅提高量 与Vrst2与Vdd的差值相关，例如Vrst2可以高于Vdd 0. 5V。因此，本发明有效提高了像素 的信号摆幅，提升了图像传感器输出的图像品质。
[0061] 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。
【权利要求】
1. 一种高信号摆幅的图像传感器像素，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，还包括第一 N 型离子区和第二N型离子区； 所述第一 N型离子区的一侧位于所述复位晶体管的沟道中，另一侧与所述漂浮有源区 的N+区相连； 所述第二N型离子区的一侧位于所述复位晶体管的沟道中并与所述第一N型离子区相 连，另一侧与所述复位晶体管漏极有源区的N+区相连。
2. 根据权利要求1所述的高信号摆幅的图像传感器像素，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。
3. 根据权利要求2所述的高信号摆幅的图像传感器像素，其特征在于，所述第一 N型离 子区在复位晶体管沟道中的长度大于等于〇· lum，深度小于等于0· 2um ; 所述第二N型离子区在复位晶体管沟道中的长度大于等于0. lum，在复位晶体管漏极 有源区的长度大于等于〇· lum，所述第二N型离子区的深度小于等于0· 2um。
4. 根据权利要求3所述的高信号摆幅的图像传感器像素，其特征在于，所述第一N型离 子区N型离子浓度小于第二N型离子区N型离子浓度。
5. 根据权利要求4所述的高信号摆幅的图像传感器像素，其特征在于，所述第一N型离 子区的N型离子浓度为lE+15Atom/cm 3?5E+16Atom/cm3 ; 所述第二N型离子区的N型离子浓度为5E+15Atom/cm3?lE+17Atom/cm3。
6. 根据权利要求5所述的高信号摆幅的图像传感器像素，其特征在于，所述N型离子是 磷离子或砷离子。
7. 根据权利要求6所述的高信号摆幅的图像传感器像素，其特征在于，所述漂浮有源 区的复位电势大于等于电源电压。
8. -种权利要求1至7任一项所述的高信号摆幅的图像传感器像素的漂浮有源区的复 位操作方法，其特征在于，包括步骤： a、 开启复位晶体管，即将复位晶体管的栅极端从低电平置为高电平，高电平持续时间 为0. lus?10us，此高电平大于等于电源电压； b、 关闭复位晶体管，即将复位晶体管的栅极端从高电平置为低电平，此低电平小于等 于0V，此低电平持续时间为Ins?lus ; c、 重复步骤a?步骤b，次数大于等于1次。
9. 根据权利要求8所述的高信号摆幅的图像传感器像素的漂浮有源区的复位操作方 法，其特征在于，所述复位晶体管栅极的工作电压有两种 ： 一种是：低电平，小于等于0V; 另一种是：高电平，大于等于电源电压。
【文档编号】H01L29/10GK104218073SQ201410488361
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】郭同辉, 旷章曲 申请人:北京思比科微电子技术股份有限公司