專利名稱：四晶體管cmos圖像傳感器及其設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種接觸式圖像傳感器，具體地說涉及一種四晶體管CMOS圖像傳感 器；并且，本發(fā)明還涉及該四晶體管CMOS圖像傳感器的相應設計方法。
背景技術：
當今，金屬氧化物半導體元件(CMOS)圖像傳感器在在可見光成像領域得到了廣 泛應用。傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器采用三晶體管(3T)像素結構，但由于自身結構的關系，整 體性能難以滿足較高的要求，四晶體管(4T)像素結構應運而生，它比3T像素有更小的噪 聲，更好的性能。四晶體管(4T)CM0S圖像傳感器的每個像素由光敏二極管、復位晶體管T2、轉移晶 體管Tl、源跟隨晶體器T3和行選通開關晶體管T4組成。轉移晶體管Tl被用來將光敏二極管連接至源跟隨晶體器T3，并通過復位晶體管 T2與VDD相連。源跟隨晶體器T3的作用是實現(xiàn)對信號的放大和緩沖，改善成像系統(tǒng)的噪聲 問題。行選通開關晶體管T4是用來將信號與列總線相連。電路的工作過程是電路首先進 入“復位狀態(tài)”，復位晶體管T2打開，對光敏二極管復位；然后電路進入“取樣狀態(tài)”，復位晶 體管T2關閉，光照射到光敏二極管上產(chǎn)生光生載流子，并通過源跟隨晶體器T3放大輸出； 最后進入“讀出狀態(tài)”，這時行選通晶體管T4打開，信號通過列總線輸出。但是，傳統(tǒng)的四晶體管CMOS圖像傳感器中存在圖像殘余現(xiàn)象。圖像殘余現(xiàn)象是， 光強度突然改變的情況下，殘留圖像仍存留在隨后的圖像中的現(xiàn)象。圖像殘余通常是由于 當復位晶體管T2的柵極接通時，累積信號電荷向懸浮擴散的轉移不足而造成的。而且，還 存在其它一些造成圖像殘余現(xiàn)象的原因，例如不適當?shù)亩〞r設定以及不適當?shù)碾娐吩O計。因此，希望提供一種能夠有效地消除圖像殘余現(xiàn)象的新的四晶體管CMOS圖像傳 感器。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供一種能夠有效地消除圖像殘余現(xiàn)象的新的四晶體管 CMOS圖像傳感器以及相應的設計方法。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種四晶體管CMOS圖像傳感器，包括光敏二極 管、復位晶體管、轉移晶體管、源跟隨晶體器和行選通開關晶體管，所述轉移晶體管具有埋 入式溝道。在上述四晶體管CMOS圖像傳感器中，所述轉移晶體管的埋入式溝道的深度可以 調節(jié)。在上述四晶體管CMOS圖像傳感器中，所述光敏二極管的輸入端接地，所述光敏二 極管的輸出端連接至轉移晶體管的源極；所述轉移晶體管的柵極連接至轉移控制信號，所 述轉移晶體管的漏極連接至所述復位晶體管的漏極，所述復位晶體管的柵極連接至所述復 位控制信號，所述復位晶體管的源極連接至電源電壓；所述源跟隨晶體器的源極連接至電源電壓，所述源跟隨晶體器的柵極連接至所述轉移晶體管的漏極以及所述復位晶體管的漏 極，所述源跟隨晶體器的漏極連接至所述行選通開關晶體管的源極；所述行選通開關晶體 管的柵極連接至所述行選通控制信號，并且所述行選通開關晶體管的漏極連接至列總線。在上述四晶體管CMOS圖像傳感器中，所述復位晶體管、所述轉移晶體管、所述源 跟隨晶體器、和所述行選通開關晶體管均為NMOS晶體管。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種四晶體管CMOS圖像傳感器設計方法，所述四 晶體管CMOS圖像傳感器包括光敏二極管、復位晶體管、轉移晶體管、源跟隨晶體器和行選 通開關晶體管，其中，所述四晶體管CMOS圖像傳感器設計方法包括將所述轉移晶體管設計 成具有埋入式溝道。在上述四晶體管CMOS圖像傳感器設計方法中，將所述轉移晶體管的埋入式溝道 的深度設計為可以調節(jié)。在上述四晶體管CMOS圖像傳感器設計方法中，將所述光敏二極管的輸入端接地， 將 所述光敏二極管的輸出端連接至轉移晶體管的源極；將所述轉移晶體管的柵極連接至轉 移控制信號，將所述轉移晶體管的漏極連接至所述復位晶體管的漏極，將所述復位晶體管 的柵極連接至所述復位控制信號，將所述復位晶體管的源極連接至電源電壓；將所述源跟 隨晶體器的源極連接至電源電壓，將所述源跟隨晶體器的柵極連接至所述轉移晶體管的漏 極以及所述復位晶體管的漏極，將所述源跟隨晶體器的漏極連接至所述行選通開關晶體管 的源極；將所述行選通開關晶體管的柵極連接至所述行選通控制信號，并且將所述行選通 開關晶體管的漏極連接至列總線。在上述四晶體管CMOS圖像傳感器設計方法中，將所述復位晶體管、所述轉移晶體 管、所述源跟隨晶體器、和所述行選通開關晶體管設計為NMOS晶體管。


圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的四晶體管CMOS圖像傳感器的電路結構 圖。圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的四晶體管CMOS圖像傳感器所采用的轉 移晶體管的器件結構。圖3示意性地示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的四晶體管CMOS圖像傳感器的柵極接通時的 能帶示4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的四晶體管CMOS圖像傳感器的柵極接通 時的能帶示圖。需要說明的是，附圖用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的內容更加清楚和易懂，下面結合具體實施例和附圖對本發(fā)明的內 容進行詳細描述。現(xiàn)在將參考圖1至圖4來描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的四晶體管CMOS圖像傳感器的電路結構 圖，該具體的電路結構與現(xiàn)有技術的電路結構總體上類似。
圖1所示的四晶體管CMOS圖像傳感器由光敏二極管、復位晶體管T2、轉移晶體管 Tl、源跟隨晶體器T3和行選通開關晶體管T4組成。其中，復位晶體管T2、轉移晶體管Tl、 源跟隨晶體器T3和行選通開關晶體管T4均為NMOS晶體管。在圖1所示的四晶體管CMOS圖像傳感器中，光敏二極管的輸入端接地，光敏二極 管的輸出端接轉移晶體管Tl的源極；轉移晶體管Tl的柵極接轉移控制信號T，轉移晶體管 Tl的漏極接復位晶體管T2的漏極，復位晶體管T2的柵極接復位控制信號R，復位晶體管T2 的源極接電源電壓VDD ；源跟隨晶體器T3的源極接電源電壓VDD，源跟隨晶體器T3的柵極 接轉移晶體管Tl的漏極以及復位晶體管T2的漏極，源跟隨晶體器T3的漏極接行選通開關 晶體管T4的源極；行選通開關晶體管T4的柵極接行選通控制信號S，行選通開關晶體管T4 的漏極接列總線Out。
轉移晶體管Tl被用來將光敏二極管連接至源跟隨晶體器T3，并通過復位晶體管 T2與VDD相連。源跟隨晶體器T3的作用是實現(xiàn)對信號的放大和緩沖，改善成像系統(tǒng)的噪聲 問題。行選通開關晶體管T4是用來將信號與列總線相連。所示的電路的工作過程是電路 首先進入“復位狀態(tài)”，復位晶體管T2打開，對光敏二極管復位；然后電路進入“取樣狀態(tài)”， 復位晶體管T2關閉，光照射到光敏二極管上產(chǎn)生光生載流子，并通過源跟隨晶體器T3放大 輸出；最后進入“讀出狀態(tài)”，這時行選通晶體管T4打開，信號通過列總線輸出。但是，本發(fā)明與現(xiàn)有技術不同的是，本發(fā)明實施例的四晶體管CMOS圖像傳感器所 采用的轉移晶體管Tl的器件結構與現(xiàn)有技術不同。圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的四晶體管CMOS圖像傳感器所采用的轉 移晶體管Tl的器件結構。其中，轉移晶體管Tl的器件結構采用了一種埋入式溝道，埋入式 溝道指的是在溝道區(qū)深處(非表面處)進行例如離子注入，使反型層在遠離表面處形成溝道。發(fā)明人有利地發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的四晶體管CMOS圖像傳感器中，轉移晶體管Tl通常采 用表面溝道晶體管(即，在晶體管表面形成溝道的晶體管)。從而，當柵極接通時，表面處的 能量最低，這不利于電子從部分耗盡(PD)區(qū)域向外的轉移。如果垂直于轉移晶體管Tl的 溝道截取轉移晶體管Tl的截面圖，可得到如圖3所示的能帶示圖?？梢钥闯霰砻嫣幉痪邆?最低能量，最低能量存在于部分耗盡區(qū)域的中部(完全耗盡)。當轉移晶體管Tl的柵極接 通時，部分耗盡區(qū)域的電子應該首先穿過部分耗盡溝道的勢壘，隨后流入表面溝道，然后進 入懸浮的擴散節(jié)點。這將限制晶體管的效率。本發(fā)明采用埋入式溝道轉移晶體管，其優(yōu)勢在于，電子應該首先穿過的第一個勢 壘(如圖4的橢圓形虛線圈所示)低于現(xiàn)有技術情況下的相應勢壘(如圖3的橢圓形虛線 圈所示)，所以電子更容易進入溝道。這樣，有效地改善了現(xiàn)有技術中存在的圖像殘余現(xiàn)象。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的四晶體管CMOS圖像傳感器的柵極接通時的能帶 示圖，其中降低的勢壘與埋入式溝道的深度有關。也就是說，本發(fā)明還可以通過調節(jié)埋入式 溝道的深度，來調節(jié)勢壘高度。對于本領域技術人員來說明顯的是，可在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下對本發(fā)明 進行各種改變和變形。所描述的實施例僅用于說明本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明；本發(fā)明并不 限于所述實施例，而是僅由所附權利要求限定。
權利要求
一種四晶體管CMOS圖像傳感器，包括光敏二極管、復位晶體管、轉移晶體管、源跟隨晶體器和行選通開關晶體管，其特征在于，所述轉移晶體管具有埋入式溝道。
2.根據(jù)權利要求1所示的四晶體管CMOS圖像傳感器，其特征在于，其中所述轉移晶體 管的埋入式溝道的深度可以調節(jié)。
3.根據(jù)權利要求1或2所示的四晶體管CMOS圖像傳感器，其特征在于，其中，所述光敏 二極管的輸入端接地，所述光敏二極管的輸出端連接至轉移晶體管的源極；所述轉移晶體 管的柵極連接至轉移控制信號，所述轉移晶體管的漏極連接至所述復位晶體管的漏極，所 述復位晶體管的柵極連接至所述復位控制信號，所述復位晶體管的源極連接至電源電壓； 所述源跟隨晶體器的源極連接至電源電壓，所述源跟隨晶體器的柵極連接至所述轉移晶體 管的漏極以及所述復位晶體管的漏極，所述源跟隨晶體器的漏極連接至所述行選通開關晶 體管的源極；所述行選通開關晶體管的柵極連接至所述行選通控制信號，并且所述行選通 開關晶體管的漏極連接至列總線。
4.根據(jù)權利要求1或2所示的四晶體管CMOS圖像傳感器，其特征在于，其中，所述復位 晶體管、所述轉移晶體管、所述源跟隨晶體器、和所述行選通開關晶體管均為NMOS晶體管。
5.一種四晶體管CMOS圖像傳感器設計方法，所述四晶體管CMOS圖像傳感器包括光敏 二極管、復位晶體管、轉移晶體管、源跟隨晶體器和行選通開關晶體管，其特征在于，所述四 晶體管CMOS圖像傳感器設計方法包括將所述轉移晶體管設計成具有埋入式溝道。
6.根據(jù)權利要求5所示的四晶體管CMOS圖像傳感器設計方法，其特征在于，其中將所 述轉移晶體管的埋入式溝道的深度設計為可以調節(jié)。
7.根據(jù)權利要求5或6所示的四晶體管CMOS圖像傳感器設計方法，其特征在于，其中， 將所述光敏二極管的輸入端接地，將所述光敏二極管的輸出端連接至轉移晶體管的源極； 將所述轉移晶體管的柵極連接至轉移控制信號，將所述轉移晶體管的漏極連接至所述復位 晶體管的漏極，將所述復位晶體管的柵極連接至所述復位控制信號，將所述復位晶體管的 源極連接至電源電壓；將所述源跟隨晶體器的源極連接至電源電壓，將所述源跟隨晶體器 的柵極連接至所述轉移晶體管的漏極以及所述復位晶體管的漏極，將所述源跟隨晶體器的 漏極連接至所述行選通開關晶體管的源極；將所述行選通開關晶體管的柵極連接至所述行 選通控制信號，并且將所述行選通開關晶體管的漏極連接至列總線。
8.根據(jù)權利要求5或6所示的四晶體管CMOS圖像傳感器設計方法，其特征在于，其中， 將所述復位晶體管、所述轉移晶體管、所述源跟隨晶體器、和所述行選通開關晶體管設計為 NMOS晶體管。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種四晶體管CMOS圖像傳感器及其設計方法。根據(jù)本發(fā)明的四晶體管CMOS圖像傳感器包括光敏二極管、復位晶體管、轉移晶體管、源跟隨晶體器和行選通開關晶體管，其中所述轉移晶體管具有埋入式溝道；并且所述轉移晶體管的埋入式溝道的深度可以調節(jié)。根據(jù)本發(fā)明的四晶體管CMOS圖像傳感器及其設計方法能夠有效地消除圖像殘余現(xiàn)象。
文檔編號H01L29/10GK101986431SQ20101051840
公開日2011年3月16日 申請日期2010年10月25日 優(yōu)先權日2010年10月25日
發(fā)明者劉憲周, 周雪梅, 韋敏俠 申請人:上海宏力半導體制造有限公司