一种图像传感器像素单元晶体管的建模方法与流程

本发明涉及集成电路图像传感器技术领域，特别涉及一种图像传感器像素单元晶体管的建模方法。

背景技术：

图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，其包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片。

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。目前，CMOS图像传感器不仅已应用于消费电子领域，例如，微型数码相机(DSC)、手机摄像头、摄像机和数码单反(DSLR)中，且在汽车电子、监控、生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。

CMOS图像传感器包括由众多像素单元构成的像素阵列，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(4Transistors)像素单元中通常包含由一个光电二极管(Photo Diode，简称PD)和4个晶体管组成的有源像素结构，并进而构成具有4T结构的CMOS图像传感器。

请参阅图1，图1所示为现有技术中的一种4T CMOS图像传感器像素单元的电路原理示意图。如图1所示，该4T像素单元包括一个光电二极管PD以及连接到光电二极管的4个MOS晶体管。该4个MOS晶体管分别是传输(Transition Gate，简称TX)晶体管M4、复位(Reset，简称RX)晶体管M3、源跟随器(Source Follower，简称SF)M2以及行选择(Row Select，简称RS)晶体管M1。

在图1所示的电路原理图中，行选择晶体管M1、源跟随器M2和复位晶体管M3均为标准的MOS晶体管，然而，光电二极管PD和与其相连的传输晶体管M4虽然看似两个独立的电子器件，但在实际工艺制备中，这两种器件其实在结构上是集成在一起的。

请参阅图2，图2所示为光电二极管PD和与其相连的传输晶体管M4两种器件集成在一起的截面示意图。如图2所示，光电二极管PD形成于P型衬底上，光电二极管PD的其中一端正好作为传输晶体管TX的源极，从而保证了光电二极管PD和传输晶体管TX两个器件在物理上连接在一起，实现图1虚线框所示的电路原理图。

从图2的器件截面图可以看出，传输晶体管TX并不是一个标准的MOS晶体管，其源漏两端的器件结构设计为非对称性，一方面是其注入类型不同，另一方面其尺寸大小也不同，因此，对于传输晶体管TX的模型开发，并不能沿用标准的MOS晶体管的模型开发方法，而需要针对其特殊的器件结构单独进行器件模型开发，以保证图像传感器芯片设计的准确性。

技术实现要素：

针对图像传感器像素单元中的传输晶体管的特殊模型需求，本发明提出一种图像传感器像素单元晶体管的建模方法，通过构建由标准二极管和标准MOS晶体管组成的子电路模型架构，并设计相应的测试结构，然后，根据测试数据对模型参数进行拟合和优化，从而最终形成图像传感器像素单元中的传输晶体管的器件模型。

为达成上述目的，本发明提供一种图像传感器像素单元晶体管的建模方法，其大致步骤如下：

步骤S1：设计传输晶体管的测试结构、标准二极管的测试结构以及标准MOS晶体管的测试结构；

步骤S2：对所述传输晶体管的测试结构、标准二极管的测试结构以及标准MOS晶体管的测试结构进行版图出版、工艺流片以及数据测试；

步骤S3：基于所述标准二极管和标准MOS晶体管的器件模型构建传输晶体管的子电路模型架构；

步骤S4：拟合并优化所述子电路模型参数，形成传输晶体管的器件模型。

优选地，所述传输晶体管测试结构的源极通过串联的光电二极管引出，所述传输晶体管测试结构的漏极、栅极和体引出与标准MOS晶体管相同。

优选地，所述标准二极管测试结构的版图层次信息与所述光电二极管的版图层次信息相同。

优选地，所述标准二极管测试结构和光电二极管都包含N型注入层和P+注入层，所述标准二极管测试结构的设计尺寸包含不同面积和周长的组合。

优选地，所述标准MOS晶体管测试结构为源漏对称结构，所述标准MOS晶体管测试结构的源/漏极、栅极和体引出的版图层次信息与所述传输晶体管的漏极、栅极和体引出的版图层次信息相同。

优选地，所述标准MOS晶体管包含和传输晶体管相同的P阱注入层、栅介质层和栅电极层，且标准MOS晶体管的源/漏注入层和传输晶体管的漏极注入层同为N+注入层，所述标准MOS晶体管测试结构的设计尺寸包含不同沟道长度和沟道宽度的组合。

优选地，所述测试结构的版图出版和工艺流片与CMOS图像传感器芯片出版和工艺制备的标准流程相同。

优选地，所述测试结构的数据测试包含模型参数提取所必需的C-V和I-V数据测试。

优选地，所述提取标准二极管的器件模型参数采用常用的二极管Level3模型，所述提取标准MOS晶体管的器件模型参数采用MOS器件常用的BSIM模型或PSP模型。

优选地，所述传输晶体管的子电路模型架构如下，其中，AREA和PJ为与传输晶体管源极串联的光电二极管的面积和周长，PARA1、PARA2、PARA3、PARA4…为需要拟合和优化的子电路模型参数；即

.SUBCKT NMOS_TX D G S B W＝1U L＝1U…

MX D G S0B NMOS W＝W L＝L…

DX S0S DIODE AREA＝XX PJ＝XX

.MODEL NMOS NMOS

+PARA1＝XX

+PARA2＝XX

…

.MODEL DIODE D

+PARA3＝XX

+PARA4＝XX

…。

从上述技术方案可以看出，本发明通过将图像传感器像素单元中的传输晶体管等效为标准MOS晶体管和标准二极管的串联结构，以此为基础构建传输晶体管的子电路模型，并进一步设计相应的测试结构，通过测试数据拟合和优化子电路模型参数，最终形成像素单元的传输晶体管模型；此外，利用该方法所提取的传输晶体管器件模型可真实反映实际工艺所制备的传输晶体管的器件特性，可为CMOS图像传感器的芯片设计提供更为可靠的模型支持，具有非常重要的应用价值。

附图说明

图1为现有技术中4T CMOS图像传感器像素单元的电路原理示意图

图2为4T CMOS图像传感器像素单元中的传输晶体管和光电二极管的器件结构示意图

图3为本发明所提出的图像传感器像素单元晶体管的建模方法流程示意图

图4为本发明所提出的传输晶体管测试结构示意图

图5为本发明图像传感器像素单元晶体管的建模方法一优选实施例所示的模型拟合结果示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当做说明之用，而非用以限制本发明。

需要说明的是，本发明所提出的图像传感器像素单元晶体管的建模方法适用于2T、3T、4T和8T像素单元。下面的实施例是以图1中所示的4T CMOS图像传感器像素单元的电路原理图为例进行说明的，其它的2T、3T、4T和8T像素单元原理相同，因此，不再赘述。

也就是说，在本发明实施例中，4T CMOS图像传感器像素单元的基本架构和电路原理示意图如图1所示。该4T像素单元包括一个光电二极管PD以及连接到光电二极管PD的4个MOS晶体管，这4个MOS晶体管分别是传输(Transition Gate，TX)晶体管M4、复位(Reset，RX)晶体管M3、源跟随器(Source Follower，SF)M2以及行选择(Row Select，RS)晶体管M1。在图1所示的电路原理图中，行选择晶体管M1、源跟随器M2和复位晶体管M3均为标准的MOS晶体管，然而光电二极管PD和与其相连的传输晶体管M4虽然看似两个独立的电子器件，但在实际工艺制备中，这两种器件其实在结构上是集成在一起的。

再请参阅图2，光电二极管PD形成于P型衬底上，光电二极管PD的其中一端正好作为传输晶体管TX的源极，从而保证了光电二极管PD和传输晶体管TX两个器件在物理上连接在一起，由此可见，传输晶体管TX并不是一个标准的MOS晶体管，其源漏两端的器件结构设计为非对称性，一方面是其注入类型不同，另一方面其尺寸大小也不同，因此，对于传输晶体管TX的模型开发，并不能沿用标准的MOS晶体管的模型开发方法。

下面详细介绍一下本发明针对传输晶体管的特殊器件结构单独进行器件模型开发的方法，以保证图像传感器芯片设计的准确性。

请参阅图3，图3为本发明所提出的图像传感器像素单元晶体管的建模方法流程示意图。该图像传感器像素单元晶体管的建模方法大致步骤如下：

步骤S1：设计传输晶体管的测试结构、标准二极管的测试结构以及标准MOS晶体管的测试结构。在本发明的实施例中，具体地，请参阅图4，图4为本发明所提出的传输晶体管测试结构示意图。如图4所示，该传输晶体管测试结构的器件结构与图1所提出的图像传感器像素单元中的传输晶体管的器件结构完全相同。即该传输晶体管的源极通过与其相串联的光电二极管引出，漏极、栅极和体引出则与标准MOS晶体管相同。

标准二极管测试结构的版图层次信息与图1所提出的图像传感器像素单元中的光电二极管的版图层次信息相同，例如，对于图4中的光电二极管，标准二极管测试结构和光电二极管都包含N型注入层和P+注入层，而标准二极管测试结构的设计尺寸则包含不同面积和周长的组合，这里所说的不同面积和周长的组合是针对标准二极管器件建模而进行测试结构尺寸设计的常用方法，也是本领域的技术人员所熟知的一般方法，在此不作赘述。

标准MOS晶体管测试结构采用MOS晶体管常见的源漏对称结构，且其源/漏极、栅极和体引出的版图层次信息与上述传输晶体管的漏极、栅极和体引出的版图层次信息相同。例如，对于图4中的传输晶体管，标准MOS晶体管包含和传输晶体管相同的P阱注入层、栅介质层和栅电极层，且标准MOS晶体管的源/漏注入层和传输晶体管的漏极注入层同为N+注入层，标准MOS晶体管测试结构的设计尺寸包含不同沟道长度和沟道宽度的组合，这里所说的不同沟道长度和沟道宽度的组合是针对标准MOS晶体管器件建模而进行测试结构尺寸设计的常用方法，也是本领域的技术人员所熟知的一般方法，在此不作赘述。

步骤S2：对所述传输晶体管的测试结构、标准二极管的测试结构以及标准MOS晶体管的测试结构进行版图出版、工艺流片以及数据测试。

具体地，在设计好测试结构后，接着可以对所设计的测试结构进行版图出版、工艺流片以及数据测试，这里所说的测试结构的版图出版和工艺流片与CMOS图像传感器芯片出版和工艺制备的标准流程相同，而测试结构的数据测试包含模型参数提取所必需的C-V和I-V数据测试。

步骤S3：基于所述标准二极管和标准MOS晶体管的器件模型构建传输晶体管的子电路模型架构。

具体地，在取得测试结构的测试数据后，然后开始提取标准二极管和标准MOS晶体管的器件模型参数，提取标准二极管的器件模型参数通常采用二极管Level3模型，而提取标准MOS晶体管的器件模型参数则采用MOS器件常用的BSIM模型或PSP模型，标准二极管和标准MOS晶体管器件模型参数的提取流程是本领域的技术人员所熟知的一般知识，在此不作赘述。

接下来基于标准二极管和标准MOS晶体管的器件模型构建传输晶体管的子电路模型架构，根据图4所示的传输晶体管的测试结构示意图，虽然传输晶体管同样包含标准MOS晶体管的栅极G、源极S、漏极D和体引出B，但其源极是通过一个串联的光电二极管进行引出，通过引入光电二极管和传输晶体管的中间连接端S0(图未示)，即图4示意图中的N型注入层，即可构建如下本发明实施例中的传输晶体管子电路模型架构，其中，AREA和PJ为与传输晶体管源极串联的光电二极管的面积和周长，PARA1/2/3/4…为需要拟合和优化的子电路模型参数。

步骤S4：拟合并优化子电路模型参数，形成传输晶体管的器件模型。

最后通过传输晶体管测试结构的测试数据拟合并优化上述子电路模型参数，即可最终形成图像传感器像素单元中的传输晶体管的器件模型。

.SUBCKT NMOS_TX D G S B W＝1U L＝1U…

MX D G S0B NMOS W＝W L＝L…

DX S0S DIODE AREA＝XX PJ＝XX

.MODEL NMOS NMOS

+PARA1＝XX

+PARA2＝XX

…

.MODEL DIODE D

+PARA3＝XX

+PARA4＝XX

…

请参阅图5，作为本发明的一优选实施例，图5给出了采用本发明所提出的建模方法对55nm工艺流片的像素单元晶体管的测试数据的拟合结果，可以看出，采用本发明的建模方法所提取的像素单元晶体管的器件模型非常准确地拟合了实测数据，即该模型真实反映了实际工艺的器件性能。

综上所述，本发明所提出的图像传感器像素单元晶体管的建模方法，充分考虑了像素单元中传输晶体管特殊的器件结构，将图像传感器像素单元中的传输晶体管等效为标准MOS晶体管和标准二极管的串联结构，以此为基础构建子电路模型，并设计相应的测试结构，通过测试数据拟合和优化子电路模型参数，最终形成像素单元的传输晶体管模型。

也就是说，该方法所提取的传输晶体管器件模型可真实反映实际工艺所制备的传输晶体管的器件特性，从而为CMOS图像传感器的芯片设计提供了切实可靠的模型支持，具有非常重要的应用价值。

以上的仅为本发明的实施例，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。