漂浮節(jié)點具有可變電容的源像像素及圖像傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種漂浮節(jié)點具有可變電容的源像像素及圖像傳感器，有源像素包括置于半導體基體中的感光元件、位于感光元件與漂浮節(jié)點之間的傳輸晶體管、連接漂浮節(jié)點的復位晶體管、連接漂浮節(jié)點的源跟隨晶體管及開關晶體管和列位線，漂浮節(jié)點的有源區(qū)包括N型重摻雜有源區(qū)和N型輕摻雜有源區(qū)，N型重摻雜有源區(qū)和N型輕摻雜有源區(qū)均位于P阱內，并且N型輕摻雜有源區(qū)的一側面與N型重摻雜有源區(qū)相接觸，提高了圖像傳感器的動態(tài)范圍，同時也增大了信噪比。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種圖像傳感器像素，尤其涉及一種漂浮節(jié)點具有可變電容的源 像像素及圖像傳感器。 漂淳節(jié)點具有可變電容的源像像素及圖像傳感器

【背景技術】
[0002] 圖像傳感器已經被廣泛地應用于數碼相機、移動手機、醫(yī)療器械、汽車和其他應用 場合。特別是制造 CMOS (互補型金屬氧化物半導體）圖像傳感器技術的快速發(fā)展，使人們 對圖像傳感器的輸出圖像品質有了更高的要求。
[0003] 在現有技術中，CMOS圖像傳感器像素的漂浮節(jié)點處一般都采用固定電容，如圖1 所示，是采用CMOS圖像傳感器四晶體管的有源像素，在本領域中也稱為4T有源像素。4T有 源像素的元器件包括：光電二極管101、傳輸晶體管102、復位晶體管103、源跟隨晶體管104 和開關晶體管105。光電二極管101接收外界入射的光線，產生光電信號，開啟晶體管102， 將光電信號傳輸至漂浮節(jié)點FD(Floating Diffusing)后關閉晶體管102,此光電信號被源 跟隨晶體管104探測到，同時開啟開關晶體管105,通過列位線106將信號讀出。其中，在光 電二極管101中產生的光電信號量與入射光照量成正比，則晶體管104在FD處所探測到的 信號也與光照量成正比關系。
[0004] 該類圖像傳感器的光電響應是線性的，在本領域內被稱為線性傳感器。線性傳感 器所探測到的光照量范圍小，特別是高照明環(huán)境下無法辨認出實物信息，不能夠采集從暗 光線環(huán)境變化到強光線環(huán)境下的全部信號，在業(yè)內稱為動態(tài)范圍小，從而降低了傳感器的 輸出圖像品質。 實用新型內容
[0005] 本實用新型的目的是提供一種較高的像素動態(tài)范圍和信噪比，并且漂浮節(jié)點具有 可變電容的源像像素及圖像傳感器。
[0006] 本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的：
[0007] 本實用新型的有源像素，包括置于半導體基體中的感光元件、位于感光元件與漂 浮節(jié)點之間的傳輸晶體管、連接漂浮節(jié)點的復位晶體管、連接漂浮節(jié)點的源跟隨晶體管及 開關晶體管和列位線，所述漂浮節(jié)點的有源區(qū)包括N型重摻雜有源區(qū)和N型輕摻雜有源區(qū)， 所述N型重摻雜有源區(qū)和N型輕摻雜有源區(qū)均位于P阱內，并且所述N型輕摻雜有源區(qū)的 一側面與所述N型重摻雜有源區(qū)相接觸。
[0008] 本實用新型的圖像傳感器，該圖像傳感器包含上述的有源像素。
[0009] 由上述本實用新型提供的技術方案可以看出，本實用新型實施例提供的漂浮節(jié)點 具有可變電容的源像像素及圖像傳感器，由于有源像素漂浮節(jié)點的有源區(qū)包括N型重摻雜 有源區(qū)和N型輕摻雜有源區(qū)，N型重摻雜有源區(qū)和N型輕摻雜有源區(qū)均位于P阱內，并且N 型輕摻雜有源區(qū)的一側面與N型重摻雜有源區(qū)相接觸，提高了圖像傳感器的動態(tài)范圍，同 時也增大了信噪比。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1是現有技術中CMOS圖像傳感器的四晶體管（4T)有源像素的示意圖。
[0011] 圖2是本實用新型實施例的CMOS圖像傳感器的四晶體管（4T)有源像素的示意 圖。
[0012] 圖3是本實用新型實施例的有源像素的漂浮節(jié)點有源區(qū)橫截面示意圖。
[0013] 圖4是本實用新型實施例在低照明環(huán)境下傳輸光電電荷前后勢阱示意圖。
[0014] 圖5是本實用新型實施例在高照明環(huán)境下傳輸光電電荷前后勢阱示意圖。
[0015] 圖6是本實用新型實施例的有源像素的漂浮節(jié)點總電容與電荷量的關系示意圖。

【具體實施方式】
[0016] 下面將對本實用新型實施例作進一步地詳細描述。
[0017] 本實用新型的有源像素，其較佳的【具體實施方式】是：
[0018] 包括置于半導體基體中的感光元件、位于感光元件與漂浮節(jié)點之間的傳輸晶體 管、連接漂浮節(jié)點的復位晶體管、連接漂浮節(jié)點的源跟隨晶體管及開關晶體管和列位線，所 述漂浮節(jié)點的有源區(qū)包括N型重摻雜有源區(qū)和N型輕摻雜有源區(qū)，所述N型重摻雜有源區(qū) 和N型輕摻雜有源區(qū)均位于P阱內，并且所述N型輕摻雜有源區(qū)的一側面與所述N型重摻 雜有源區(qū)相接觸。
[0019] 所述N型輕摻雜有源區(qū)包括設于表面的P型硅，所述P型硅為重摻雜區(qū)，所述P型 硅下方為N型輕摻雜區(qū)，所述N型輕摻雜區(qū)的完全耗盡電勢高于所述感光元件的完全耗盡 電勢，并且低于所述N型重摻雜有源區(qū)的復位電勢。
[0020] 所述P型硅的厚度為0. 08 - 0. 14um。
[0021] 所述P型硅的雜質濃度為5E19 - 2E20/cm_3。
[0022] 所述N型輕摻雜區(qū)的雜質濃度為6E16-lE17/cm_3。
[0023] 所述N型重摻雜有源區(qū)雜質濃度為lE19-lE20/cm_3。
[0024] 本實用新型的圖像傳感器，其較佳的【具體實施方式】是：
[0025] 該圖像傳感器包含上述的有源像素。
[0026] 該圖像傳感器為CMOS圖像傳感器。
[0027] 本實用新型的圖像傳感器像素，解決了現有技術不能采集從暗光線環(huán)境變化到強 光線環(huán)境下的全部信號的問題，以便擴大圖像傳感器像素的動態(tài)范圍。在本實用新型的像 素中，如果光照強度高于某一閾值，則輕摻雜有源區(qū)部分電容才會加入到漂浮節(jié)點。與低照 明環(huán)境比較，在高照明環(huán)境下，漂浮節(jié)點處的電容增大從而使得漂浮節(jié)點的信號飽和容量 增加，則提高了圖像傳感器的動態(tài)范圍，同時也增大了信噪比。
[0028] 具體實施例：
[0029] 在CMOS圖像傳感器中，為了獲得高品質的圖像，本實用新型從改善4T像素的光電 響應性質入手，壓縮高照明環(huán)境時的光電響應靈敏度曲線，增大像素的漂浮節(jié)點FD處的光 電電荷飽和容量,推遲像素的飽和時間，擴大傳感器的動態(tài)范圍。例如，在低照明環(huán)境時， FD的電容為1. 2fF，FD的電壓擺幅為IV，那么電荷飽和容量為7491，恰好飽和時對應的光 照量為％ ;若在高照明環(huán)境時，FD的電容增大為2fF，則電荷飽和容量增大為12484,恰好飽 和時對應的光照量為Q2 ;從而傳感器像素所能探測到照明范圍增大到原來的1. 67 (Q2/Qi = 12484/7491 = 1. 67)倍，即動態(tài)范圍擴大到原來的1. 67倍。以此方式工作的圖像傳感器像 素探測到了高照明環(huán)境下的更多實物細節(jié)信息，從而提升了傳感器輸出的圖像品質。
[0030] 為了實現上述擴大傳感器動態(tài)范圍的技術目的，本實用新型在四晶體管像素的基 礎上對FD有源區(qū)引入了特殊的工藝，如圖2所示：
[0031] 101為光電二極管，TX連接傳輸晶體管102的柵極，RX連接復位晶體管103的柵 極，晶體管103的漏極使用接觸孔203與電源Vdd相連，SX與開關晶體管105的柵極相連， 列位線106為信號通道讀出線。本實用新型的像素 FD有源區(qū)由兩部分組成：N型重摻雜有 源區(qū)FD1和N型輕摻雜有源區(qū)FD2 ;其中，接觸孔201位于有源區(qū)FD1內，此接觸孔通過金 屬線202與源跟隨晶體管104的柵極相連。
[0032] 圖3示出了本實用新型的有源區(qū)FD在圖2中標有CC'橫截面的結構示意圖。有源 區(qū)FD的兩部分FD1和FD2都制作在P阱304內，301為N型重摻雜有源區(qū)，此區(qū)工藝與傳統(tǒng) 晶體管源漏工藝相同。在有源區(qū)FD2內，半導體硅表面的302為P型重摻雜區(qū)（雜質濃度為 5E19 - 2E20/cnT3)，厚度為 0.08 - 0· 14um，此區(qū)在靠近 STI (Shallow Trench Isolation) 一側（右側）與P阱相接觸；在302區(qū)下面的303為N型輕摻雜區(qū)，其中此區(qū)的一側（左 偵?與上述N型重摻雜有源區(qū)301相接觸。輕摻雜區(qū)303的N型離子濃度比光電二極管中 Ν型離子濃度稍高（最高雜質濃度可達6Ε16 - lE17/cnT3)，晶體管103開啟進行復位操作 時，輕摻雜區(qū)303可被完全耗盡。
[0033] 圖4示出了在低照明環(huán)境下傳輸光電電荷前后的勢阱關系圖。低照明環(huán)境下，像 素曝光結束時光電二極管101收集到少量電荷，并且完成了 FD復位操作，如圖4左圖所示； 其中Vpinl為光電二極管完全耗盡電勢，Vpin2為輕摻雜區(qū)303完全耗盡電勢，V FD為復位后的 一參考電勢，Vdd為電源，上述電勢的高低符合Vdd>VFD>V pin2>Vpinl的關系，CFD1為重摻雜區(qū)寄 生總電容，C FD2為輕摻雜區(qū)303寄生總電容；FD復位操作完成后，將光電二極管101中的電 荷傳輸至漂浮節(jié)點ro，如圖4右圖所示。在低照明環(huán)境下，光電二極管101所收集的少量電 荷全部傳輸到漂浮節(jié)點的FD1部分，FD2部分電容電勢低沒有占有到電荷，像素的光到電的 轉換增益為CGI = q/CFD1(q為一個電子的電量），光電響應線性斜率正比于CG1。
[0034] 高照明環(huán)境下，像素曝光結束時光電二極管101收集到大量電荷，并且FD完成了 復位操作，如圖5左圖所示；FD復位操作完成后，傳輸晶體管102將101勢阱中的電荷全部 傳輸至漂浮節(jié)點FD，電荷同時被FD1和FD2勢阱所容納；此時FD總電容量為C FD1與CFD2的 和，因此像素的光到電的轉換增益為CG2 = qACFD1+CFD2)，光電響應線性斜率正比于CG2。從 圖5中可知，FD1部分電容加入到FD總電容中需要的最少電荷量為
[0035] Qc - CFD1 (VFD_Vpin2)
[0036] 由于FD2部分電容的加入，FD所容納的電荷最大量可增加
[0037] Qa - CFD2 (Vpin2_Vpinl)
[0038] 圖6為漂浮節(jié)點FD總電容與其電荷量的關系示意圖。在低照明區(qū)，FD總電容為 Cmin = CFD1 ;在高照明區(qū)，FD總電容為Cmax = CFD1+CFD2 ;Qc為CFD2加入到FD總電容的臨界電 荷量，QF為FD可以容納的最大電荷量。
[0039] 因此，如上面所述，低照明環(huán)境和高照明環(huán)境下的像素光電響應度分別正比于CG1 和CG2,在高照明環(huán)境下由于CFD2加入到了漂浮節(jié)點，增加了 FD的電荷飽和容量，推遲了像 素的飽和時間，因此擴大了像素的動態(tài)范圍。
[0040] 以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本實用新型披露的技術范圍內，可輕易想到 的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應該 以權利要求書的保護范圍為準。
【權利要求】
1. 一種有源像素，包括置于半導體基體中的感光元件、位于感光元件與漂浮節(jié)點之間 的傳輸晶體管、連接漂浮節(jié)點的復位晶體管、連接漂浮節(jié)點的源跟隨晶體管及開關晶體管 和列位線，其特征在于，所述漂浮節(jié)點的有源區(qū)包括N型重摻雜有源區(qū)和N型輕摻雜有源 區(qū)，所述N型重摻雜有源區(qū)和N型輕摻雜有源區(qū)均位于P阱內，并且所述N型輕摻雜有源區(qū) 的一側面與所述N型重摻雜有源區(qū)相接觸。
2. 根據權利要求1所述的有源像素，其特征在于，所述N型輕摻雜有源區(qū)包括設于表面 的P型硅，所述P型硅為重摻雜區(qū)，所述P型硅下方為N型輕摻雜區(qū)。
3. 根據權利要求2所述的有源像素，其特征在于，所述P型硅的厚度為0. 08 - 0. 14um。
4. 一種圖像傳感器，其特征在于，該圖像傳感器包含權利要求1、2或3所述的有源像 素。
5. 根據權利要求4所述的圖像傳感器，其特征在于，該圖像傳感器為CMOS圖像傳感器。
【文檔編號】H01L27/146GK203910802SQ201420307796
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月10日 優(yōu)先權日:2014年6月10日
【發(fā)明者】郭同輝, 曠章曲, 唐冕 申請人:北京思比科微電子技術股份有限公司