全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及其工作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及其工作方法，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、第一電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)還包括第二電荷傳輸晶體管，第一電荷傳輸晶體管與第二電荷傳輸晶體管之間設(shè)有晶體管電容；晶體管電容的溝道位于N型離子區(qū)中，晶體管電容的源漏有源區(qū)的硅表面設(shè)置有P+型保護層，所述P+型保護層的下方為N型離子區(qū)。適合用于存儲光電電荷較長時間、采用全局曝光方式的圖像傳感器。
【專利說明】全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及其工作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種圖像傳感器像素，尤其涉及一種全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及其工作方法。

【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器采用感光像素陣列采集圖像信號，然后進行后續(xù)信號處理得以保存圖像或?qū)D像輸出到電子屏幕上。圖像傳感器采集圖像信號的方式有兩種:滾動曝光方式和全局曝光方式?，F(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器一般采用滾動曝光方式采集圖像信息，像素陣列中的第一行像素開始曝光，然后是第二行、第三行、...，直至最后一行，然后再逐行讀取像素采集到的光電信號；滾動曝光方式的圖像傳感器，適用于采集靜態(tài)環(huán)境下的圖像。滾動曝光方式的圖像傳感器采集動態(tài)的實物時，由于每行像素的曝光時間段都不相同，第一行像素采集圖像信號時的實物位置與最后一行像素采集圖像信號時的實物位置可能會相差很大，例如拍照快速運動的風(fēng)扇、汽車等，會發(fā)現(xiàn)采集的圖像發(fā)生了扭曲、畸變。全局曝光方式的圖像傳感器采集圖像時，像素陣列中的每個像素都同時曝光，曝光完畢后，再逐個讀取像素采集到的圖像信號，由此可見，全局曝光方式的圖像傳感器，像素陣列中的每個像素采集圖像信號時，運動的實物可看作是靜止不動的。所以全局曝光方式的圖像傳感器，適合采集運動實物的圖像。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中，CMOS圖像傳感器一般采用四晶體管像素(4T)結(jié)構(gòu)。如圖1所示，是采用CMOS圖像傳感器4T有源像素結(jié)構(gòu)的示意圖，包括虛線框內(nèi)的切面示意圖和虛線框外的電路示意圖兩部分。4T有源像素的元器件包括:光電二極管101、電荷傳輸晶體管102、復(fù)位晶體管103、漂浮有源區(qū)FD、源跟隨晶體管104、選擇晶體管105、列位線106 ;其中光電二極管區(qū)域101置于半導(dǎo)體基體中，STI為淺槽隔離區(qū)，N+區(qū)為晶體管源漏有源區(qū);Vtx為電荷傳輸晶體管102的柵極端，Vrst為復(fù)位晶體管103的柵極端，Vsx為選擇晶體管105的柵極端，Vdd為電源電壓。光電二極管101接收外界入射的光線,產(chǎn)生光電信號；開啟電荷傳輸晶體管102，將光電二極管中的光電信號轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)FD區(qū)后，由源跟隨晶體管104所探測到的漂浮有源區(qū)FD勢阱內(nèi)電勢變化信號經(jīng)列位線106讀取并保存。
[0004]若全局曝光方式的圖像傳感器使用4T像素結(jié)構(gòu)，可以將像素陣列中的每個像素光電二極管采集到的光電電荷至漂浮有源區(qū)FD，然后再逐個讀取。但現(xiàn)有技術(shù)中的漂浮有源區(qū)FD設(shè)置有接觸孔，并且N+區(qū)硅表面因缺陷和應(yīng)力引起較大的漏電，致使漂浮有源區(qū)FD不適合存儲光電電荷太長時間，否則會使后讀取的像素信號失真。因此，現(xiàn)有技術(shù)中的像素不適合用于全局曝光方式的圖像傳感器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種適合用于存儲光電電荷較長時間的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及其工作方法。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、第一電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)還包括第二電荷傳輸晶體管，所述第一電荷傳輸晶體管與第二電荷傳輸晶體管之間設(shè)有晶體管電容；
[0008]所述晶體管電容的溝道位于N型離子區(qū)中，所述晶體管電容的源漏有源區(qū)的硅表面設(shè)置有P+型保護層，所述P+型保護層的下方為N型離子區(qū)。
[0009]本發(fā)明的上述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的工作方法，包括步驟:
[0010]a、光電二極管復(fù)位操作，開啟復(fù)位晶體管、第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管，同時晶體管電容的柵極處于低電平，時間持續(xù)Ius?1us后，關(guān)閉復(fù)位晶體管、第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管，像素開始曝光；
[0011]b、晶體管電容復(fù)位操作，像素曝光結(jié)束前，開啟復(fù)位晶體管、第二電荷傳輸晶體管，同時第一電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，晶體管電容的柵極處于低電平，時間持續(xù)Ius?1us后，關(guān)閉復(fù)位晶體管、第二電荷傳輸晶體管；
[0012]C、轉(zhuǎn)移光電電荷操作，復(fù)位晶體管和第二電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，將晶體管電容的柵極從低電平置為高電平，開啟第一電荷傳輸晶體管，時間持續(xù)Ius?10us，將光電二極管中的光電電荷轉(zhuǎn)移至晶體管電容后，關(guān)閉第一電荷傳輸晶體管，晶體管電容的柵極保持高電平，等待進一步操作，等待時間為Os?Is ;
[0013]d、漂浮有源區(qū)的復(fù)位操作，第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，晶體管電容的柵極處于高電平，開啟復(fù)位晶體管，時間持續(xù)Ius?10us，關(guān)閉復(fù)位晶體管，然后讀取漂浮有源區(qū)的復(fù)位信號；
[0014]e、光電電荷轉(zhuǎn)移操作，復(fù)位晶體管、第一電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài),開啟第二電荷傳輸晶體管后，將晶體管電容的柵極端從高電平置為低電平，時間持續(xù)Ius?10us，將晶體管電容中的光電電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)，關(guān)閉第二電荷傳輸晶體管，然后讀取漂浮有源區(qū)的光電信號。
[0015]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及其工作方法，由于像素結(jié)構(gòu)中設(shè)置有晶體管電容器件，其源漏有源區(qū)設(shè)置有P+型保護層，并且不設(shè)置接觸孔，因此漏電小，適合用于存儲光電電荷較長時間、采用全局曝光方式的圖像傳感器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明實施例提供的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3a是本發(fā)明實施例中圖像傳感器像素中的第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管、晶體管電容的平面示意圖。
[0019]圖3b是本發(fā)明實施例中圖像傳感器像素中的N型離子區(qū)的平面示意圖。
[0020]圖3c是本發(fā)明實施例中圖像傳感器像素中的P+型保護層的平面示意圖。
[0021]圖4是本發(fā)明實施例中圖像傳感器像素工作的時序控制示意圖。
[0022]圖5是本發(fā)明實施例中圖像傳感器像素中的光電二極管在進行復(fù)位操作時的勢阱示意圖。
[0023]圖6是本發(fā)明實施例中圖像傳感器像素工作時，光電電荷從光電二極管轉(zhuǎn)移至晶體管電容區(qū)操作的勢阱示意圖。
[0024]圖7是本發(fā)明實施例中圖像傳感器像素工作時，光電電荷被保存在晶體管電容中的勢阱示意圖。
[0025]圖8是本發(fā)明實施例中圖像傳感器像素工作時，光電電荷從晶體管電容區(qū)轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)操作的勢阱示意圖。
[0026]圖9是本發(fā)明實施例中圖像傳感器像素工作時，光電電荷被轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)完畢時的勢阱示意圖。

【具體實施方式】
[0027]下面將對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述。
[0028]本發(fā)明的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其較佳的【具體實施方式】是:
[0029]包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、第一電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，還包括第二電荷傳輸晶體管，所述第一電荷傳輸晶體管與第二電荷傳輸晶體管之間設(shè)有晶體管電容；
[0030]所述晶體管電容的溝道位于N型離子區(qū)中，所述晶體管電容的源漏有源區(qū)的硅表面設(shè)置有P+型保護層，所述P+型保護層的下方為N型離子區(qū)。
[0031]所述第一電荷傳輸晶體管與所述光電二極管相連，所述第二電荷傳輸晶體管與所述漂浮有源區(qū)相連，所述晶體管電容的上方設(shè)有遮光金屬。
[0032]所述光電二極管為N型光電二極管，所述第一電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、第二電荷傳輸晶體管為N型晶體管。
[0033]所述晶體管電容的柵極多晶硅位于有源區(qū)的內(nèi)部，且與淺槽隔離區(qū)隔開，所述柵極多晶硅與所述淺槽隔離區(qū)的距離大于等于0.lum，所述柵極多晶硅的面積大于等于
0.0 lum2。
[0034]所述N型離子區(qū)為第一電荷傳輸晶體管的漏極、第二電荷傳輸晶體管的源極，所述N型離子區(qū)與所述淺槽隔離區(qū)隔開，兩者距離為0.05um?0.2um，所述N型離子區(qū)的深度小于等于0.5um ；
[0035]所述P+型保護層覆蓋所述晶體管電容的溝道之外的N型離子區(qū)，并且與所述淺槽隔離區(qū)接觸，其厚度為Oum?0.3um。
[0036]所述N型離子區(qū)的N型離子濃度為5E15Atom/cm3?5E17Atom/cm3 ；
[0037]所述P+型保護層的P型離子濃度大于等于5E17Atom/cm3。
[0038]所述N型離子區(qū)能被完全耗盡，其完全耗盡電勢大于等于所述光電二極管的完全耗盡電勢。
[0039]所述N型離子為磷離子或砷離子，所述P型離子為硼離子。
[0040]本發(fā)明的上述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的工作方法，其較佳的【具體實施方式】是:
[0041]包括步驟:
[0042]a、光電二極管復(fù)位操作，開啟復(fù)位晶體管、第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管，同時晶體管電容的柵極處于低電平，時間持續(xù)Ius?1us后，關(guān)閉復(fù)位晶體管、第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管，像素開始曝光；
[0043]b、晶體管電容復(fù)位操作，像素曝光結(jié)束前，開啟復(fù)位晶體管、第二電荷傳輸晶體管，同時第一電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，晶體管電容的柵極處于低電平，時間持續(xù)Ius?1us后，關(guān)閉復(fù)位晶體管、第二電荷傳輸晶體管；
[0044]C、轉(zhuǎn)移光電電荷操作，復(fù)位晶體管和第二電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，將晶體管電容的柵極從低電平置為高電平，開啟第一電荷傳輸晶體管，時間持續(xù)Ius?10us，將光電二極管中的光電電荷轉(zhuǎn)移至晶體管電容后，關(guān)閉第一電荷傳輸晶體管，晶體管電容的柵極保持高電平，等待進一步操作，等待時間為Os?Is ;
[0045]d、漂浮有源區(qū)的復(fù)位操作，第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，晶體管電容的柵極處于高電平，開啟復(fù)位晶體管，時間持續(xù)Ius?10us，關(guān)閉復(fù)位晶體管，然后讀取漂浮有源區(qū)的復(fù)位信號；
[0046]e、光電電荷轉(zhuǎn)移操作，復(fù)位晶體管、第一電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài),開啟第二電荷傳輸晶體管后，將晶體管電容的柵極端從高電平置為低電平，時間持續(xù)Ius?10us，將晶體管電容中的光電電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)，關(guān)閉第二電荷傳輸晶體管，然后讀取漂浮有源區(qū)的光電信號。
[0047]所述低電平的電壓小于等于0V，所述高電平的電壓大于等于電源電壓。
[0048]本發(fā)明的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及其工作方法，由于像素結(jié)構(gòu)中設(shè)置有晶體管電容器件，其源漏有源區(qū)設(shè)置有P+型保護層，并且不設(shè)置接觸孔，因此漏電小，適合用于存儲光電電荷較長時間。本發(fā)明的圖像傳感器像素配合本發(fā)明的像素工作方法，適合用于采用全局曝光方式的圖像傳感器。
[0049]具體實施例:
[0050]在CMOS圖像傳感器中，為了獲得高品質(zhì)的圖像，本發(fā)明從優(yōu)化像素及其工藝結(jié)構(gòu)入手，在現(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)中，添加晶體管電容器件，此晶體管器件采用特殊的工藝結(jié)構(gòu)，其源漏區(qū)域硅表面設(shè)置有P+型保護層，其源漏和溝道設(shè)置在N型離子區(qū)中；并且晶體管電容源漏區(qū)不設(shè)置接觸孔，因此漏電小，適合用于存儲光電電荷較長時間。
[0051]實施例一:
[0052]本發(fā)明的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含虛線框內(nèi)的切面部分和虛線框外的電路部分不意圖。圖2中，201為光電二極管,202為第一電荷傳輸晶體管,203為復(fù)位晶體管，F(xiàn)D為漂浮有源區(qū)，204為源跟隨晶體管，205為選擇晶體管，206為列位線，207為晶體管電容，208為N型離子區(qū)，209為P+型保護層，210為第二電荷傳輸晶體管，211為遮光金屬。其中，光電二極管201、N型離子區(qū)208、P+型保護層209置于半導(dǎo)體基體中，STI為淺槽隔離區(qū)，Vtxl為第一電荷傳輸晶體管202的柵極端，Vct為晶體管電容207的柵極端，Vtx2為第二電荷傳輸晶體管210的柵極端，Vrst為復(fù)位晶體管203的柵極端，Vsx為選擇晶體管205的柵極端；光電二極管201為N型光電二極管,第一電荷傳輸晶體管202、復(fù)位晶體管203、源跟隨晶體管204、選擇晶體管205、第二電荷傳輸晶體管210為N型晶體管，遮光金屬211位于晶體管電容207、N型離子區(qū)208、P+型保護層209的上方用來遮光。第一電荷傳輸晶體管202的源極為光電二極管201,其漏極為P+型保護層209 ;第二電荷傳輸晶體管210的源極為P+型保護層209，其漏極為漂浮有源區(qū)FD ;晶體管電容207位于第一電荷傳輸晶體管202和第二電荷傳輸晶體管210之間；P+型保護層209為晶體管電容207源漏有源區(qū)的硅表面保護層。所述N型離子區(qū)208可以被完全耗盡，其完全耗盡電勢大于等于光電二極管201的完全耗盡電勢。
[0053]所述第一電荷傳輸晶體管202、晶體管電容207、第二電荷傳輸晶體管210的平面不意圖，如圖3a所不。圖3a中，301為第一電荷傳輸晶體管202、晶體管電容207、第二電荷傳輸晶體管210的源漏有源區(qū)，晶體管電容207的柵極多晶娃位于第一電荷傳輸晶體管202和第二電荷傳輸晶體管210之間，并且位于有源區(qū)內(nèi)部，不與淺槽隔離區(qū)相接觸。所述晶體管電容207棚極多晶娃的面積大于等于0.0lum2,晶體管電容207的棚極多晶娃與淺槽隔離區(qū)的距離大于等于0.lum。
[0054]所述N型離子區(qū)208的平面示意圖，如圖3b所示。圖3b中，N型離子區(qū)208的兩側(cè)分別接觸第一電荷傳輸晶體管202和第二電荷傳輸晶體管210的溝道，N型離子區(qū)208位于有源區(qū)301內(nèi)部，不與淺槽隔離區(qū)接觸，N型離子區(qū)208與淺槽隔離區(qū)的距離為0.05um?
0.2um。所述N型離子區(qū)208區(qū)的深度小于等于0.5um,其N型離子濃度為5E15Atom/cm3?5E17Atom/ cm3。
[0055]所述P+型保護層209區(qū)的平面示意圖，如圖3c所示。圖3c中，P+型保護層209區(qū)兩側(cè)分別接觸第一電荷傳輸晶體管202和第二電荷傳輸晶體管210的溝道,晶體管電容207溝道處不設(shè)置P+型保護層209，P+型保護層209覆蓋晶體管電容207溝道之外的第一電荷傳輸晶體管202柵極與第二電荷傳輸晶體管210柵極之間的有源區(qū)，P+型保護層209與淺槽隔離區(qū)接觸。所述P+型保護層209區(qū)厚度小于等于0.3um，其P型離子濃度為大于等于 5E17Atom/cm3。
[0056]所述N型離子可以是磷離子，也可以是砷離子，所述P型離子是硼離子。
[0057]實施例二
[0058]本發(fā)明的圖像傳感器像素工作的時序控制示意圖，如圖4所示。圖4僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的時序控制圖，其它時序未示出，其中，Vrst時序為復(fù)位晶體管203柵極端的時序，Vct時序為晶體管電容207柵極端的時序，Vtxl時序為第一電荷傳輸晶體管202柵極端的時序，Vtx2時序為第二電荷傳輸晶體管210柵極端的時序，SH時序高電平脈沖表征像素信號讀取操作。圖4所示，時間軸上401?407表示在像素時序操作中的各種操作點，401時間位置表征光電二極管201復(fù)位操作,402時間位置表征晶體管電容207復(fù)位操作,403時間位置表征從光電二極管201轉(zhuǎn)移光電電荷至207的操作,404時間位置表征FD區(qū)復(fù)位操作，405時間位置表征讀取復(fù)位信號操作,406時間位置表征從晶體管電容207轉(zhuǎn)移光電電荷至漂浮有源區(qū)FD區(qū)操作，407時間位置表征讀取光電信號操作。復(fù)位晶體管203柵極端Vrst、第一電荷傳輸晶體管202柵極端Vtxl、二電荷傳輸晶體管210柵極端Vtx2時序中的高電平分別表不復(fù)位晶體管203、第一電荷傳輸晶體管202、第二電荷傳輸晶體管210處于開啟狀態(tài)，低電平分別表不復(fù)位晶體管203、第一電荷傳輸晶體管202、第二電荷傳輸晶體管210處于關(guān)閉狀態(tài)。
[0059]圖5?圖9示出了，在進行上述401、403、404、406、407操作時，像素的勢阱示意圖。其中，501為光電二極管201的勢阱，502為晶體管電容207源漏有源區(qū)的勢阱，503為漂浮有源區(qū)FD區(qū)勢阱，504為電源有源區(qū)勢阱，601為晶體管電容207的溝道勢阱；Vpinl為501勢阱區(qū)完全耗盡電勢，Vpin2為502勢阱區(qū)完全耗盡電勢，Vreset為漂浮有源區(qū)FD區(qū)復(fù)位電勢，Vdd為電源電壓。其中Vpin2大于等于Vpinl，所示虛線表示晶體管處于關(guān)閉時的溝道電勢。
[0060]下面，結(jié)合示意圖4?圖9，詳細地闡述本發(fā)明圖像傳感器像素的工作方法步驟及其工作原理。
[0061]首先，光電二極管201復(fù)位操作，開啟復(fù)位晶體管203、第一電荷傳輸晶體管202、第二電荷傳輸晶體管210,同時晶體管電容207的柵極處于低電平，時間持續(xù)Ius?1us后，關(guān)閉復(fù)位晶體管203、第一電荷傳輸晶體管202、第二電荷傳輸晶體管210,像素開始曝光。所述光電二極管201的復(fù)位操作，如圖4中的401位置所示，將復(fù)位晶體管203、第二電荷傳輸晶體管210、第一電荷傳輸晶體管202的柵極端Vrst、Vtxl、Vtx2分別置為高電平的操作。所述進行光電二極管201復(fù)位操作時的勢阱示意圖，如圖5所示。501勢阱中的電荷經(jīng)過第一電荷傳輸晶體管202的溝道轉(zhuǎn)移到502勢阱區(qū)，然后經(jīng)過第二電荷傳輸晶體管210的溝道轉(zhuǎn)移到漂浮有源區(qū)FD區(qū)的503勢阱區(qū)，最后經(jīng)過復(fù)位晶體管203溝道到達504勢阱區(qū)，進而被電源Vdd吸收。所述低電平的電壓小于等于0V，所述高電平的電壓大于等于電源電壓。
[0062]進一步，晶體管電容207復(fù)位操作，像素曝光結(jié)束前，開啟復(fù)位晶體管203、第二電荷傳輸晶體管210,同時第一電荷傳輸晶體管202處于關(guān)閉狀態(tài),晶體管電容207的柵極處于低電平，時間持續(xù)Ius?1us后,關(guān)閉復(fù)位晶體管203、第二電荷傳輸晶體管210。所述晶體管電容207復(fù)位操作如圖4中的402位置所示，復(fù)位晶體管203、第二電荷傳輸晶體管210的柵極Vrst、Vtx2分別置為高電平操作。
[0063]進一步，轉(zhuǎn)移光電電荷操作，復(fù)位晶體管203和第二電荷傳輸晶體管210處于關(guān)閉狀態(tài)，將晶體管電容207的柵極Vct從低電平置為高電平，開啟第一電荷傳輸晶體管202，時間持續(xù)Ius?1us,將光電二極管201中的光電電荷轉(zhuǎn)移至晶體管電容207后,關(guān)閉第一電荷傳輸晶體管202，晶體管電容207的柵極Vct保持高電平，等待進一步操作，等待時間為Os?Is。所述轉(zhuǎn)移光電電荷操作,如圖4中的操作403位置所示,將晶體管電容207和第一電荷傳輸晶體管202柵極Vet、Vtxl分別置為高電平操作；圖4所示的讀取其它像素信號的時間為等待進一步操作時間。所述轉(zhuǎn)移光電電荷操作的勢阱示意圖，如圖6所示。圖6中，第一電荷傳輸晶體管202處于開啟狀態(tài),501勢講中的光電電荷被轉(zhuǎn)移到晶體管電容207的溝道勢阱601中。將光電電荷從501勢阱區(qū)轉(zhuǎn)移至601勢阱區(qū)完畢后的勢阱示意圖，如圖7所示，所有光電電荷都儲存在601勢阱區(qū)。
[0064]進一步，漂浮有源區(qū)FD的復(fù)位操作，第一電荷傳輸晶體管202、第二電荷傳輸晶體管210處于關(guān)閉狀態(tài)，晶體管電容207的柵極Vct處于高電平，開啟復(fù)位晶體管203，時間持續(xù)Ius?10us，關(guān)閉復(fù)位晶體管203，然后讀取漂浮有源區(qū)FD的復(fù)位信號。所述漂浮有源區(qū)FD的復(fù)位操作，如圖4中的404位置所示，晶體管電容207柵極端Vct處于高電平，復(fù)位晶體管203柵極端Vrst置為高電平操作。如圖4中的405操作所示，SH做高電平操作，表示讀取像素信號。
[0065]進一步，光電電荷轉(zhuǎn)移操作，復(fù)位晶體管203、第一電荷傳輸晶體管202處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟第二電荷傳輸晶體管210后,將晶體管電容207的柵極端Vct從高電平置為低電平，時間持續(xù)Ius?10us，將晶體管電容207中的光電電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)FD完畢后，關(guān)閉第二電荷傳輸晶體管210，然后讀取漂浮有源區(qū)的光電信號。所示光電電荷轉(zhuǎn)移操作如圖4中的406位置所示，第二電荷傳輸晶體管210柵極端Vtx2做一高電平脈沖操作；讀取漂浮有源區(qū)的光電信號的操作如圖4中的407位置所示，SH時序做一高電平脈沖操作表示讀取像素信號。所述光電電荷轉(zhuǎn)移操作406的勢阱示意圖，如圖8所示，第二電荷傳輸晶體管210處于開啟狀態(tài)，601勢阱區(qū)的光電電荷在晶體管電容207柵極電勢從高電平轉(zhuǎn)為低電平后被轉(zhuǎn)入502勢阱區(qū)，然后經(jīng)過第二電荷傳輸晶體管210的溝道，被轉(zhuǎn)移到503勢阱區(qū)。所述，光電電荷從502勢阱區(qū)轉(zhuǎn)至503勢阱區(qū)完畢后的勢阱示意圖，如圖9所示。
[0066]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、第一電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，其特征在于，還包括第二電荷傳輸晶體管，所述第一電荷傳輸晶體管與第二電荷傳輸晶體管之間設(shè)有晶體管電容； 所述晶體管電容的溝道位于N型離子區(qū)中，所述晶體管電容的源漏有源區(qū)的硅表面設(shè)置有P+型保護層，所述P+型保護層的下方為N型離子區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一電荷傳輸晶體管與所述光電二極管相連，所述第二電荷傳輸晶體管與所述漂浮有源區(qū)相連，所述晶體管電容的上方設(shè)有遮光金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光電二極管為N型光電二極管，所述第一電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、第二電荷傳輸晶體管為N型晶體管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述晶體管電容的柵極多晶硅位于有源區(qū)的內(nèi)部，且與淺槽隔離區(qū)隔開，所述柵極多晶硅與所述淺槽隔離區(qū)的距離大于等于0.lum，所述柵極多晶硅的面積大于等于0.0lum2。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述N型離子區(qū)為第一電荷傳輸晶體管的漏極、第二電荷傳輸晶體管的源極，所述N型離子區(qū)與所述淺槽隔離區(qū)隔開，兩者距離為0.05um?0.2um，所述N型離子區(qū)的深度小于等于0.5um ； 所述P+型保護層覆蓋所述晶體管電容的溝道之外的N型離子區(qū)，并且與所述淺槽隔離區(qū)接觸，其厚度為Oum?0.3um。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述N型離子區(qū)的N型離子濃度為5E15Atom/cm3?5E17Atom/cm3 ； 所述P+型保護層的P型離子濃度大于等于5E17Atom/cm3。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述N型離子區(qū)能被完全耗盡，其完全耗盡電勢大于等于所述光電二極管的完全耗盡電勢。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述N型離子為磷離子或砷離子，所述P型離子為硼離子。
9.一種權(quán)利要求1至8任一項所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的工作方法，其特征在于，包括步驟: a、光電二極管復(fù)位操作，開啟復(fù)位晶體管、第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管，同時晶體管電容的柵極處于低電平，時間持續(xù)Ius?1us后,關(guān)閉復(fù)位晶體管、第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管，像素開始曝光； b、晶體管電容復(fù)位操作，像素曝光結(jié)束前，開啟復(fù)位晶體管、第二電荷傳輸晶體管，同時第一電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，晶體管電容的柵極處于低電平，時間持續(xù)Ius?1us后，關(guān)閉復(fù)位晶體管、第二電荷傳輸晶體管； C、轉(zhuǎn)移光電電荷操作，復(fù)位晶體管和第二電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，將晶體管電容的柵極從低電平置為高電平，開啟第一電荷傳輸晶體管，時間持續(xù)Ius?10us，將光電二極管中的光電電荷轉(zhuǎn)移至晶體管電容后，關(guān)閉第一電荷傳輸晶體管，晶體管電容的柵極保持高電平，等待進一步操作，等待時間為Os?Is ; d、漂浮有源區(qū)的復(fù)位操作，第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，晶體管電容的柵極處于高電平，開啟復(fù)位晶體管，時間持續(xù)Ius?1us,關(guān)閉復(fù)位晶體管，然后讀取漂浮有源區(qū)的復(fù)位信號； e、光電電荷轉(zhuǎn)移操作，復(fù)位晶體管、第一電荷傳輸晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟第二電荷傳輸晶體管后，將晶體管電容的柵極端從高電平置為低電平，時間持續(xù)Ius?10us，將晶體管電容中的光電電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)，關(guān)閉第二電荷傳輸晶體管，然后讀取漂浮有源區(qū)的光電信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的工作方法，其特征在于，所述低電平的電壓小于等于0V，所述高電平的電壓大于等于電源電壓。
【文檔編號】H01L27/146GK104269422SQ201410554303
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月17日
【發(fā)明者】郭同輝, 曠章曲 申請人:北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司