可用于多种工作模式的cmos图像传感器的制造方法
【专利摘要】为解决现有技术CMOS图像传感器存在的不能同时兼顾多光谱输出和大量子效率等问题，本发明提出一种可用于多种工作模式的CMOS图像传感器，基于表面嵌位的4T像素构建，包括三个传输栅、一个光电二极管、一个浮空节点、一个复位管复位栅、一个源跟随器和一个选择管；所述光电二极管采用三层N埋层垂直堆叠结构，每层N埋层感应不同波段的光照并对应连接一个传输栅，且三层N埋层共用一个浮空节点；可通过三个传输栅以及复位管复位栅和选择管的不同时序使传感器处于不同的工作模式。本发明的有益技术效果是可以实现单个像素的多光谱选择输出，也可实现像素的高量子效率输出。
【专利说明】可用于多种工作模式的CMOS图像传感器
[0001]
发明领域
[0002]本发明涉及CMOS图像传感器设计技术，尤其涉及一种可用于多种工作模式的CMOS图像传感器。
【背景技术】
[0003]CMOS图像传感器以其低成本、高集成度，以及越来越高的成像质量得到了突飞猛进的发展，广泛应用于机器视觉、安防监控、便携式应用、医疗、军事等领域。现有技术CMOS图像传感器主要为有源像素图像传感器APS，包括3T、4T、5T像素。由于3Τ像素、5Τ像素的CMOS图像传感器存在着不能进行相关双采样等缺点，因此，4T像素的CMOS图像传感器成为主流产品。
[0004]像素的量子效率是指光电二极管收集到的光生电荷与射入像素的光子之间的比率，量子效率越高，相同入射的光子能够产生更多的光生电子空穴对，被光电二极管收集到的光生电子就越多，从而同时增大像素满阱容量，扩大像素动态范围。在暗光条件下，高量子效率的像素能够提供更高的响应，捕捉更多的细节。
[0005]另一方面，现有技术CMOS图像传感器在检测彩色可见光时，多以红、绿、蓝三种颜色的滤光片过滤光线，使得不同滤光片下的像素感应不同颜色的光，之后经过图像处理形成彩色图像。但是，众所周知，经过滤光片获取的彩色图像也有缺点，包括源于插值得到其他颜色的内插算法，本质上为一种低通滤波器，必然导致图像高频细节的损失，降低图像品质。另外，对于一定规律重复出现的图像区域，则很容易出现低频彩色条纹，即所谓的彩色摩尔条纹。而对于硅可感应的近紫外光、可见光、近红外光等波段，现有技术CMOS图像传感器都是分别进行的，还没有同时可以检测几种不同波段光的图像传感器。
[0006]Foveon公司的X3传感器，采用CMOS技术，利用多层垂直堆叠、不同深度的PN结来检测色彩，由于不同波长的光穿透到衬底中的不同深度，可以直接在一个像素内感应色彩而不再需要滤光片。如附图1中所示为典型的垂直堆叠像素结构，其以3T像素为基础，采用堆叠结构，用三层不同深度的PN结感应三种不同颜色光的光生电荷，通过三层感光层对应的三组不同的源跟随器、复位管和行选管进行三路输出，即蓝色、绿色、红色输出，从而实现可见光彩色输出。专利CN 101421847 B，则主要改进了垂直堆叠结构，例如N型非均匀掺杂光电二极管、垂直沟槽晶体管等，通过这些技术能够更有效的提高堆叠型像素的性能。专利CN 102623475 A中，与X3技术相似，以4T像素为基础，对堆叠结构中的每层感光层均配置了传输栅、浮空节点与源跟随器，即包含了三个传输栅，三个浮空节点与三个源跟随器。然而，上述CMOS图像传感器能够较好的处理彩色图像的成像，却不能较好的处理暗光或时间延迟积分TDI等特殊应用条件下的成像。显然，现有技术CMOS图像传感器存在着不能同时兼顾多光谱输出和大量子效率等问题。
【发明内容】
[0007]为解决现有技术CMOS图像传感器存在的不能同时兼顾多光谱输出和大量子效率等问题，本发明提出一种可用于多种工作模式的CMOS图像传感器。本发明可用于多种工作模式的CMOS图像传感器基于表面嵌位的4T像素构建,包括三个传输栅、一个光电二极管、一个浮空节点、一个复位管复位栅、一个源跟随器和一个选择管；所述光电二极管采用三层N埋层垂直堆叠结构，每层N埋层感应不同波段的光照并对应连接一个传输栅，且三层N埋层共用一个浮空节点；浮空节点中的一个边连接复位管复位栅并通过金属引线连接至复位管一侧的源跟随器和选择管，并且，可通过三个传输栅以及复位管复位栅和选择管的不同时序使传感器处于不同的工作模式，使得三层N埋层中的光生电荷通过其对应的传输栅分别或组合转移并读出。
[0008]进一步的，本发明可用于多种工作模式的CMOS图像传感器光电二极管采用三层N埋层垂直堆叠结构，包括，每层堆叠结构为其上的N埋层与周围的P+掺杂层构成，表面的P+掺杂层为嵌位层，连同最底层的P-sub结构，最终形成P+NP+/NP+/NPsub的复合三层垂直堆叠结构；所述N埋层与P+掺杂层采用多次N型/P+型注入方式产生，且三层N埋层区域处于不同注入深度区，使得三层N埋层能够感应不同波段的光照，产生对应波段的光生电荷。
[0009]进一步的，本发明可用于多种工作模式的CMOS图像传感器在每层N埋层与其传输栅的接口处增加P+型注入层，形成对其他N埋层中的光生电荷的势垒，使得每层N埋层中的光生电荷只能通过与其对应的传输栅的控制转移至浮空节点。
[0010]进一步的，本发明可用于多种工作模式的CMOS图像传感器在三层N埋层与浮空节点之间设置防穿通注入层，以防止三层N埋层向浮空节点之间的漏电。
[0011]进一步的，本发明可用于多种工作模式的CMOS图像传感器在电荷转移路径采用多次注入形成非均匀掺杂N埋层结构，以提高电荷转移路径的电势梯度，增加电荷转移效率。
[0012]进一步的，本发明可用于多种工作模式的CMOS图像传感器可通过三个传输栅以及复位管和选择管的不同时序使像素工作于不同的工作模式，使得三层N埋层中的光生电荷通过其对应的传输栅分别或组合转移光生电荷并读出，包括，
多光谱模式，即三层N埋层中的光生电荷分别依次通过其对应的传输栅转移光生电荷并读出，具体步骤为:
5101、对复位管加高压将浮空节点复位；
5102、对第一个传输栅加接高压，将与其对应连接的N埋层中的光生电荷导入浮空节占中.5103、通过源跟随器与选择管将浮空节点中的光生电荷读出；
5104、通过对复位管与第一个传输栅加高压，将浮空节点与此层N埋层复位；
5105、对第二个传输栅加高压，重复步骤S102至S104；
5106、对第三个传输栅加高压，重复步骤S102至S104；
5107、完成一帧图像的多光谱模式应用；
另外，在多光谱模式下，通过选择各传输栅的加高压顺序，实现一帧图像不同N埋层光生电荷，即不同波段的优先读出模式；或者省略步骤S105和/或S106，实现一帧图像一层或两层N埋层光生电荷，即一个或二个波段的选择读出模式； 高量子效率模式，即三层N埋层中的光生电荷叠加后一并读出，具体步骤包括:
5201、对复位管加高压将浮空节点复位；
5202、依次对三个传输栅加高压，将三个传输栅对应连接N埋层中的光生电荷导入浮空节点中；
5203、三次转移的光生电荷在浮空节点中形成叠加；
5204、通过源跟随器与选择管进行读出；
5205、对复位管和三个传输栅加高压，对三层N埋层和浮空节点进行复位；
5206、完成一帧图像的像素高量子效率模式应用；
另外，在高量子效率模式下，通过选择步骤S202中加高压的传输栅顺序，实现不同N埋层光生电荷组合顺序，即不同波段组合顺序的读出模式；或者通过选择步骤S202中加高压的传输栅数量，实现一帧图像任意二层N埋层光生电荷，即任意两个波段的读出模式。
[0013]本发明可用于多种工作模式的CMOS图像传感器的有益技术效果是可以实现单个像素的多光谱选择输出，也可实现像素的高量子效率输出，从而使像素适应于不同的工作模式。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]附图1是现有技术CMOS图像传感器垂直堆叠像素结构的示意图；
附图2是本发明可用于多种工作模式的CMOS图像传感器三层堆叠结构像素的俯视示意图；
附图3是附图2中沿b-a切线的剖视示意图；
附图4是附图2中沿b-c切线的剖视示意图；
附图5是本发明多光谱模式应用工作时序示意图；
附图6是本发明高量子效率模式应用工作时序示意图；
附图7是本发明高量子效率模式电势能变化曲线示意图。
[0015]下面结合附图及具体实施例对可用于多种工作模式的CMOS图像传感器作进一步的说明。
【具体实施方式】
[0016]附图1是现有技术CMOS图像传感器垂直堆叠像素结构的示意图，由图可知，现有技术垂直堆叠像素结构，以3T像素为基础，采用堆叠结构，用三层不同深度的PN结感应三种不同颜色光的光生电荷，通过三层感光层对应的三组不同的源跟随器、复位管和行选管进行三路输出，即蓝色、绿色、红色输出，从而实现可见光彩色输出。
[0017]附图2是本发明可用于多种工作模式的CMOS图像传感器三层堆叠结构像素的俯视示意图，附图3是附图2中沿b-a切线的剖视示意图，附图4是附图2中沿b-c切线的剖视示意图，图中，1、2、3为传输栅，4为光电二极管，5为浮空节点，6为复位管复位栅，7为源跟随器，8为选择管，9、10、11为N埋层周围的P+掺杂层，12、13、14为N埋层，15为防穿通注入层，16为N埋层与其传输栅的接口处增加的P+型注入层。由图可知，本发明可用于多种工作模式的CMOS图像传感器基于表面嵌位的4T像素构建,包括三个传输栅(I, 2, 3)、一个光电二极管4、一个浮空节点5、一个复位管复位栅6、一个源跟随器7和一个选择管8 ;所述光电二极管4采用三层N埋层(12，13，14)的垂直堆叠结构，每层N埋层(12，13，14)感应不同波段的光照并对应连接一个传输栅(1，2，3)，且三层N埋层(12，13，14)共用一个浮空节点5 ;浮空节点5中的一个边连接复位管复位栅6并通过金属引线连接至复位管一侧的源跟随器7和选择管8，并且，可通过三个传输栅(1，2，3)以及复位管复位栅6和选择管8的不同时序使传感器处于不同的工作模式，使得三层N埋层(12，13，14)中的光生电荷通过其对应的传输栅(1，2，3)分别或组合转移并读出。
[0018]本发明所述光电二极管采用三层N埋层(I，2，3 )垂直堆叠结构，包括，每层堆叠结构为其上的N埋层(12，13，14 )与周围的P+掺杂层(9、1、11)构成，表面的P+掺杂层为嵌位层，连同最底层的P-sub结构，最终形成P+NP+/NP+/NPsub的复合三层垂直堆叠结构；所述N埋层与P+掺杂层采用多次N型/P+型注入方式产生，且三层N埋层区域处于不同注入深度区，使得三层N埋层能够感应不同波段的光照，产生对应波段的光生电荷。三层N埋层区域与周围的P型区域之间形成的耗尽区用来收集光生电荷。由于三层N埋层区域处于不同的注入深度，因此，能够感应不同波长的光信号。
[0019]为防止其中的光生电荷通过不对应的传输栅进入浮空节点，本发明在每层N埋层与其传输栅的接口处增加P+型注入层，形成对其他N埋层中的光生电荷的势垒，使得每层N埋层中的光生电荷只能通过与其对应的传输栅的控制转移至浮空节点。有效的隔离不同N型区域之间的耗尽区，防止不同波段之间光生电荷的串扰。
[0020]为防止三层N埋层向浮空节点之间的漏电，本发明在三层N埋层与浮空节点之间设置防穿通注入层，以防止三层N埋层向浮空节点之间的漏电。
[0021]为提高电荷转移效率，本发明可用于多种工作模式的CMOS图像传感器在电荷转移路径采用多次注入形成非均匀掺杂N埋层结构，以提高电荷转移路径的电势梯度，增加电荷转移效率。
[0022]本发明可用于多种工作模式的CMOS图像传感器可通过三个传输栅以及复位管和选择管的不同时序使像素工作于不同的工作模式，使得三层N埋层中的光生电荷通过其对应的传输栅分别或组合转移光生电荷并读出，其中，最常见的为多光谱模式和高量子效率模式。
[0023]多光谱，包括可见光的蓝光、绿光、红光；以及近紫外、可见光、近红外等硅可以感应的波段。不同波段的光入射深度不同，因此，需要不同深度的层叠结构。同理，不同的注入深度的N埋层能够感应不同波长的光信号，产生相应的光生电荷。附图5是本发明多光谱模式应用工作时序示意图，结合附图5可知，本发明可用于多种工作模式的CMOS图像传感器处于多光谱模式工作时，即三层N埋层中的光生电荷分别依次通过其对应的传输栅转移光生电荷并读出，具体步骤为:
5101、对复位管加高压将浮空节点复位；图示中复位管6加高压复位浮空节点5；
5102、对第一个传输栅加接高压，将与其对应连接的N埋层中的光生电荷导入浮空节点中；图示中传输栅I接高压，将N埋层12中的光生电荷导入浮空节点5中；
5103、通过源跟随器与选择管将浮空节点中的光生电荷读出；
5104、通过对复位管与第一个传输栅加高压，将浮空节点与此层N埋层复位；图示中复位管6与传输栅I加高压，浮空节点5与N埋层12被复位；
5105、对第二个传输栅加高压，重复步骤SlOl至S104；图示中传输栅2和N埋层13重复步骤SlOl至S104 ；
5106、对第三个传输栅加高压，重复步骤SlOl至S104；图示中传输栅3和N埋层14重复步骤SlOl至S104 ；
5107、完成一帧图像的多光谱模式应用。
[0024]显然，本发明可用于多种工作模式的CMOS图像传感器完全可以由用户依据具体实际应用条件进行调整，可实现不同波段的优先读出。并且，并不局限于三层N埋层中光生电荷的读出，同样可以选择并仅读出其中的任意两层或一层N埋层中的光生电荷的读出，其层数与各层之间的读出顺序由用户通过时序调整。用户也可依据实际条件，选择每帧读出其中的一层或两层的光生电荷，下一帧读出另外不同层中的光生电荷，通过后端电路处理，完成特定的成像。总而言之，在多光谱模式下，通过选择各传输栅的加高压顺序，实现一帧图像不同N埋层光生电荷，即不同波段的优先读出模式；或者省略步骤S105和/或S106，实现一帧图像一层或两层N埋层光生电荷，即一个或二个波段的选择读出模式。
[0025]量子效率是光电二极管收集到的光生电荷与射入像素的光子之间的比率，光生电荷是通过光电二极管的耗尽区来收集的，因此，更宽的耗尽区范围能够更有效的收集光生电荷。现有的像素结构通常为单层N埋层，由于光照通常均包含不同的波段，例如可见光可分解为蓝光、绿光、红光，三种不同光具有不同的波长，在硅中的感应深度不同，单层N埋层将会损失其耗尽区接触不到的波长的光子，量子效率低。而堆叠结构的N埋层可以响应不同波段的光子，光子利用效率变高，量子效率高，动态范围大。附图6是本发明高量子效率模式应用工作时序示意图，附图7是本发明高量子效率模式电势能变化曲线示意图。结合附图6、7可知，本发明可用于多种工作模式的CMOS图像传感器能够以高量子效率模式工作，即三层N埋层中的光生电荷叠加后一并读出，具体步骤包括:
5201、对复位管加高压将浮空节点复位；
5202、依次对三个传输栅加高压，将三个传输栅对应连接N埋层中的光生电荷导入浮空节点中；图示中传输栅1、2、3分别依次打开，对应的N埋层12、13、14中的光生电荷被依次转移至浮空节点5中；
5203、三次转移的光生电荷在浮空节点5中形成叠加；
5204、通过源跟随器与选择管进行读出；
5205、对复位管和三个传输栅加高压，对三层N埋层和浮空节点进行复位；
5206、完成一帧图像的像素高量子效率模式应用。
[0026]显然，在高量子效率模式应用下，三个堆叠N埋层12、13、14中光生电荷转移的顺序可由用户通过传输栅1、2、3加以调整，从而实现不同的组合。另一方面，并不局限于三层堆叠N埋层中光生电荷的累加，可以仅仅累加并读出其中任意两层的光生电荷，层数与顺序由用户调整。也可依据应用条件，调整每帧不同的累加层数与顺序，实现不同应用条件下的最优化读出。总而言之，用户可以通过传输栅1、2、3以及复位管复位栅6、行选管8的时序调整，来实现不同N埋层光生电荷的累加读出组合，实现不同的高量子效率组合，以满足不同条件下的应用需求。即，在高量子效率模式下，通过选择步骤S202中加高压的传输栅顺序，实现不同N埋层光生电荷组合顺序，即不同波段组合顺序的读出模式；或者通过选择步骤S202中加高压的传输栅数量，实现一帧图像任意二层N埋层光生电荷，即任意两个波段的读出模式。
[0027]显然，本发明可用于多种工作模式的CMOS图像传感器的有益技术效果是可以实现单个像素的多光谱选择输出，也可实现像素的高量子效率输出，从而使像素适应于不同的工作模式。
[0028]虽然，本发明已以较佳实施例披露如上，但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上述公开的具体实施例的限制，任何采用本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或者未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种可用于多种工作模式的CMOS图像传感器，其特征在于，该CMOS图像传感器基于表面嵌位的4T像素构建，包括三个传输栅、一个光电二极管、一个浮空节点、一个复位管复位栅、一个源跟随器和一个选择管；所述光电二极管采用三层N埋层垂直堆叠结构，每层N埋层感应不同波段的光照并对应连接一个传输栅，且三层N埋层共用一个浮空节点；浮空节点中的一个边连接复位管复位栅并通过金属引线连接至复位管一侧的源跟随器和选择管，并且，可通过三个传输栅以及复位管复位栅和选择管的不同时序使传感器处于不同的工作模式，使得三层N埋层中的光生电荷通过其对应的传输栅分别或组合转移并读出。
2.根据权利要求1所述可用于多种工作模式的CMOS图像传感器，其特征在于，光电二极管采用三层N埋层垂直堆叠结构，包括，每层堆叠结构为其上的N埋层与周围的P+掺杂层构成，表面的P+掺杂层为嵌位层，连同最底层的P-sub结构，最终形成P+NP+/NP+/NPsub的复合三层垂直堆叠结构；所述N埋层与P+掺杂层采用多次N型/P+型注入方式产生，且三层N埋层区域处于不同注入深度区，使得三层N埋层能够感应不同波段的光照，产生对应波段的光生电荷。
3.根据权利要求1所述可用于多种工作模式的CMOS图像传感器，其特征在于，在每层N埋层与其传输栅的接口处增加P+型注入层，形成对其他N埋层中的光生电荷的势垒，使得每层N埋层中的光生电荷只能通过与其对应的传输栅的控制转移至浮空节点。
4.根据权利要求1所述可用于多种工作模式的CMOS图像传感器，其特征在于，在三层N埋层与浮空节点之间设置防穿通注入层，以防止三层N埋层向浮空节点之间的漏电。
5.根据权利要求1所述可用于多种工作模式的CMOS图像传感器，其特征在于，在电荷转移路径采用多次注入形成非均匀掺杂N埋层结构，以提高电荷转移路径的电势梯度，增加电荷转移效率。
6.根据权利要求1所述可用于多种工作模式的CMOS图像传感器，其特征在于，可通过三个传输栅以及复位管和选择管的不同时序使像素工作于不同的工作模式，使得三层N埋层中的光生电荷通过其对应的传输栅分别或组合转移光生电荷并读出，包括， 多光谱模式，即三层N埋层中的光生电荷分别依次通过其对应的传输栅转移光生电荷并读出，具体步骤为: . 5101、对复位管加高压将浮空节点复位； . 5102、对第一个传输栅加接高压，将与其对应连接的N埋层中的光生电荷导入浮空节占中.5103、通过源跟随器与选择管将浮空节点中的光生电荷读出； . 5104、通过对复位管与第一个传输栅加高压，将浮空节点与此层N埋层复位； .5105、对第二个传输栅加高压，重复步骤S102至S104； . 5106、对第三个传输栅加高压，重复步骤S102至S104； . 5107、完成一帧图像的多光谱模式应用； 另外，在多光谱模式下，通过选择各传输栅的加高压顺序，实现一帧图像不同N埋层光生电荷，即不同波段的优先读出模式；或者省略步骤S105和/或S106，实现一帧图像一层或两层N埋层光生电荷，即一个或二个波段的选择读出模式； 高量子效率模式，即三层N埋层中的光生电荷叠加后一并读出，具体步骤包括: S201、对复位管加高压将浮空节点复位； . 5202、依次对三个传输栅加高压，将三个传输栅对应连接N埋层中的光生电荷导入浮空节点中； . 5203、三次转移的光生电荷在浮空节点中形成叠加； . 5204、通过源跟随器与选择管进行读出； . 5205、对复位管和三个传输栅加高压，对三层N埋层和浮空节点进行复位； . 5206、完成一帧图像的像素高量子效率模式应用； 另外，在高量子效率模式下，通过选择步骤S202中加高压的传输栅顺序，实现不同N埋层光生电荷组合顺序，即不同波段组合顺序的读出模式；或者通过选择步骤S202中加高压的传输栅数量，实现一帧图像任意二层N埋层光生电荷，即任意两个波段的读出模式。
【文档编号】H01L27/146GK104241311SQ201410540008
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年10月14日 优先权日:2014年10月14日
【发明者】李毅强, 吴治军, 刘昌举, 李明, 邓光平, 李梦萄 申请人:中国电子科技集团公司第四十四研究所