专利名称：电荷快速转移的大尺寸四管有源像素传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电荷快速转移的4T像素的结构，具体讲，涉及电荷快速转移的大尺寸四管有源像素传感器。
背景技术：
随着标准CMOS逻辑エ艺的持续缩减和CMOS图像传感器(CMOS Image Sensors,CIS)制造ェ艺的不断改善，CMOS图像传感器不断发挥其在可集成性、功耗、随机寻址等方面对CCD图像传感器的相对优势，成为固态图像传感器领域的主流器件。基于钳位ニ极管的四管有源像素(Pinned-Photodiode Four Transistors-Active Pixel Sensor, PPD4T-APS)具有低暗电流、可消除复位噪声和低图像拖尾等特点，是目前CIS采用的主要像素结构。 PPD 4T-APS的基本结构如图I所示，其中I为P型衬底，2为钳位ニ极管N区，3为表面钳位层，1-3共同构成钳位ニ极管,用以收集光感生电荷；4和6分别为传输管TG和复位管RST的栅级，5为TG和RST共有的源级，又称为浮空扩散区(Floating Diffusion,FD)，7为RST的漏级，与像素电源电压VDD相连，4_7共同构成传输管TG和复位管RST，用以实现光感应电荷的转移和钳位ニ极管的复位。源级跟随器SF的栅级与FD相连，漏极与VDD相连，源级与选通管SEL共用，SEL的漏级与列总线(Column Bus, CB)相连，SF和SEL共同构成像素的缓冲读出器，用以读出光感生电荷所转换的光生电压信号。在上述结构中，PD中收集的光生电荷需要经过TG栅下的传输通道转移到复位后的FD，促使FD电压发生变化，最終形成光生电压信号。在ro曝光之前需要将钳位ニ极管N区(2)存储的电荷转移至FD节点(6)，将该区域完全耗尽。如果不能够实现电荷的完全转移就会导致较大的随机噪声和图像残留。由于大尺寸像素电荷存储区域较大，与TG栅(4)的距离较远，容易在钳位ニ极管N区(2)的中部出现电荷的残留，尤其是在钳位ニ极管N区(2)的中部出现电荷的堆积。降低钳位ニ极管N区⑵的掺杂浓度和减小钳位ニ极管N区⑵的深度可以改善这个问题但是会导致阱容量以及长波光的吸收效率的降低。
发明内容
本发明_在解决克服现有技术的不足，提闻电荷转移的效率减小电荷残留。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，电荷快速转移的大尺寸四管有源像素传感器，包括钳位ニ极管区、传输管TG和复位管RST、源级跟随器SF、选通管SEL，钳位ニ极管区和传输管TG栅极均为U型结构，两U型结构的轴线重合、开ロ同向，传输管TG栅极设置在钳位ニ极管区U型结构的底部，传输管TG栅极设置与钳位ニ极管区U型结构的底部部分交叠；钳位ニ极管区沿U型结构的轴线朝向开ロ方向延长形成与U型结构两臂平行的延长区域，在ニ极管区U型结构的底部轴线附近及延长区域上依次设置有浮空扩散区FD、复位管RST的栅级、RST的漏级。
钳位ニ极管区U型结构的两臂朝U型结构开ロ方向反向延长，形成H型结构；传输管TG栅极U型结构仅保留两臂，对称设置在H型结构中间横杠两端，传输管TG栅极U型结构仅保留的两臂受控时序完全同歩。本发明的技术特点及效果减小了钳位ニ极管区的宽度，在钳位ニ极管N区中部不容易出现电荷的堆积；TG栅的长度増加，电荷由多个方向同时向FD节点进行转移，并且由于钳位ニ极管区与栅的平均距离变近，电场作用有所增强，电荷转移的速度得到了提高；由于钳位ニ极管区宽度的减小，钳位ニ极管N区掺杂浓度和深度的范围可以适度放宽，阱容量和长波长光的吸收效率可以得到提高。
图I为4T有源像素原理示意图。图2为传统像素结构俯视图。图中Ltc为栅长，指的就是栅与源或漏区交线的垂直方向的长度。Ltt是交叠区长度。图3为本发明第一实例的像素结构俯视图。图4为本发明第二实例的像素结构俯视图。图5为本发明第二实例的像素电路图。
具体实施例方式本发明通过将一般大尺寸像素的矩形钳位ニ极管区域调整为轴对称的U型结构或分开的两部分，通过U型的TG栅或者两个TG栅连接到FD节点。通过减小钳位ニ极管区域中的电荷传输到TG栅的平均距离提高了电荷转移的效率减小了电荷残留。如图2所示，传统像素的钳位ニ极管区域(1-3) —般设计为矩形。当像素的尺寸增大时，电荷存储区域和栅的距离就相对变远，容易在矩形钳位ニ极管区的中部出现电荷的堆积。本发明通过调整像素的钳位ニ极管区(1-3)的形状，缩短电荷传输到与TG栅(4)的平均距离，使大尺寸像素能够实现接近小尺寸像素的电荷转移效果。本发明实施例I :像素结上下部分完全对称，像素的尺寸一般在5iimX5iim lSymXlSym之间。该像素的钳位ニ极管区域(1-3)和TG栅都为U型结构，TG栅(4)的长度一般在0. 5 ii m 2 ii m之间，与钳位ニ极管区(1-3)的交叠区域在0 y m 0. 5 y m之间。FD节点，复位管RST，源跟随器，行选择管位于像素的中间，被U型的钳位ニ极管区(1-3)所包围。本发明实施例2 :像素结构上下部分完全对称，像素的尺寸一般在5 iimX 5 iim 15iimX15iim之间。该像素的钳位ニ极管区域(1_3)分开为对称的两个部分，位于FD节点(5)，复位管RST(6)，源跟随器(9)，行选择管SEL(II)的两侧，分别由TG栅(4a)和TG栅(4b)连接至FD节点(5)。TG栅⑷的长度一般在0. 5 ii m 2 ii m之间，与钳位ニ极管区(1-3)的交叠区域在0 ii m 0. 5 ii m之间。其中TG栅4a和4b用相同的时序进行控制。本发明实施例I :像素结构俯视图如图3所示，像素的尺寸为IOiimXlOiim ;像素的钳位ニ极管区域(1-3)为U形结构，形状对称。TG栅(4)位于U形钳位ニ极管区(1-3)的内侦彳，TG栅⑷同样为U型结构，TG栅⑷的长度为0.7 ym，与钳位ニ极管区(1_3)的交叠区域为0.1 ym。FD节点(5)，复位管RST (6)，源跟随器(9)，行选择管SEL(Il)位于U型的钳位ニ极管区域(1-3)的开ロ之内。
本发明实施例2 :像素结构俯视图如图4所示，像素的尺寸为IOiimXlOiim ;像素的钳位ニ极管区域(1-3)分为完全対称的(l_3a)和(l-3b)两个部分；钳位ニ极管区域(l-3a)和(l-3b)分别由两个独立的TG栅4a和4b连接至FD节点(5) ;TG柵(4)的长度为0. 7iim，与钳位ニ极管区(1-3)的交叠区域为0. Iiim之间。FD节点(5)，复位管RST (6)，源跟随器(9)，行选择管SEL(II)都位于像素钳位ニ极管区域(l_3a)和(l_3b)之间。该像素的电路结构图如图5所示，TG栅(4a)和TG栅(4b)连接到一起，由同一个控制信号控制电荷的转移。
权利要求
1.一种电荷快速转移的大尺寸四管有源像素传感器，包括钳位ニ极管区、传输管TG和复位管RST、源级跟随器SF、选通管SEL，其特征是，钳位ニ极管区和传输管TG栅极均为U型结构，两U型结构的轴线重合、开ロ同向，传输管TG栅极设置在钳位ニ极管区U型结构的底部，传输管TG栅极设置与钳位ニ极管区U型结构的底部部分交叠；钳位ニ极管区沿U型结构的轴线朝向开ロ方向延长形成与U型结构两臂平行的延长区域，在ニ极管区U型结构的底部轴线附近及延长区域上依次设置有浮空扩散区FD、复位管RST的栅级、RST的漏级。
2.如权利要求I所述的电荷快速转移的大尺寸四管有源像素传感器，其特征是，钳位 ニ极管区U型结构的两臂朝U型结构开ロ方向反向延长，形成H型结构；传输管TG栅极U型结构仅保留两臂，对称设置在H型结构中间横杠两端，传输管TG栅极U型结构仅保留的两臂受控时序完全同歩。
全文摘要
本发明涉及电荷快速转移像素传感器。为提高电荷转移的效率减小电荷残留，本发明采取的技术方案是，电荷快速转移的大尺寸四管有源像素传感器，包括钳位二极管区、传输管TG和复位管RST、源级跟随器SF、选通管SEL，钳位二极管区和传输管TG栅极均为U型结构，两U型结构的轴线重合、开口同向，传输管TG栅极设置在钳位二极管区U型结构的底部，传输管TG栅极设置与钳位二极管区U型结构的底部部分交叠；钳位二极管区沿U型结构的轴线朝向开口方向延长形成与U型结构两臂平行的延长区域，在二极管区U型结构的底部轴线附近及延长区域上依次设置有浮空扩散区FD、复位管RST的栅级、RST的漏级。本发明主要用于像素传感器设计制造。
文档编号H04N5/374GK102856332SQ201210103368
公开日2013年1月2日 申请日期2012年4月10日 优先权日2012年4月10日
发明者徐江涛, 李伟平, 高静, 姚素英, 史再峰, 高志远, 徐超 申请人:天津大学