[發明專利]提高圖像靈敏度和動態范圍的單位像素

有效

• 申請號: 200880102369.6
• 申請日: 2008-08-04
• 公開（公告）號: CN101796642A
• 公開（公告）日: 2010-08-04
• 發明（設計）人: 李道永
• 申請（專利權）人: (株)賽麗康
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識產權代理有限責任公司 11204
• 代理人: 余朦;王艷春

技術領域

本發明涉及單位像素，更具體地，涉及用于在低照明度條件下提 高靈敏度和增加動態范圍的單位像素。

背景技術

圖1是包含在圖像傳感器中的單位像素的電路圖。

參見圖1，單位像素包括光電二極管PD和圖像信號轉換電路。圖 像信號轉換電路包括傳輸晶體管M1、復位晶體管M2、轉換晶體管 M3和選擇晶體管M4。

光電二極管PD產生對應于圖像信號的圖像電荷。通過響應于傳 輸控制信號Tx接通或者斷開的傳輸晶體管M1，將圖像電荷傳輸到浮 置擴散區FD。復位晶體管M2對浮置擴散區FD進行復位。轉換晶體 管M3產生與聚積進浮置擴散區FD的電荷相對應的轉換電壓。通過 響應于選擇控制信號Sx接通或者斷開的選擇晶體管M4輸出轉換電 壓。

作為建模，浮置擴散區FD可以實現為電容器。浮置擴散區FD的 總電容值C_T可以是以下電容值的和：

1.浮置擴散區FD和襯底之間的結電容；

2.柵極電容；和

3.重疊電容。

因為在假設襯底為P型的情況下，浮置擴散區FD為N型，所以 在浮置擴散區FD和襯底之間形成了PN結結構。浮置擴散區和襯底之 間的結電容是指由充當兩個電極的浮置擴散區和襯底以及在這兩個電 極之間形成的耗盡區所產生的結電容。

后面描述的結電容包括浮置擴散區FD和側壁之間的電容。

柵極電容是指由浮置擴散區FD、轉換晶體管M3的柵極氧化層和 大部分轉換晶體管M3形成的柵極電容。重疊電容表示由兩個晶體管 M1和M2的柵極端和浮置擴散區FD彼此重疊、且傳輸晶體管M1和 復位晶體管M2的柵極氧化層插入在其間的部分產生的電容。

這里，在完成制造過程時，柵極電容和重疊電容可以具有固定值。 但是，根據浮置擴散區FD中下降的電壓電平，結電容具有可變值。

電容器的電容C可以簡單地表示為等式1。

[等式1]

C=ϵoxAd]]>

這里，ε_ox表示形成電容器的介電材料的介電常數。A表示介電 材料的面積，d表示兩個電極之間的距離或者介電材料的厚度。

在結電容器的情況中，當完成制造過程時，介電材料的介電常數 和面積是固定的。但是，因為變成介電材料的耗盡區的寬度根據施加 到結電容器的兩個電極的電壓而改變，所以結電容也改變。例如，如 果施加到襯底的電壓是固定的，在施加到具有N型材料的浮置擴散區 FD的電壓正向增加的情況下，反向偏壓被施加到由P型材料制成的P 型襯底和由N型材料制成的浮置擴散區之間的耗盡區上，使得耗盡區 的寬度增加。這導致了等式1中的介電材料的厚度d增加，使得結電 容降低。

為了產生浮置擴散區，

1.通過使用掩模來限定浮置擴散區，

2.將雜質離子注入浮置擴散區限定的部分內，和

3.執行退火，以均勻地擴散所注入的雜質。

這里，重疊電容器的電容根據注入浮置擴散區內的雜質離子的濃 度而改變。具體地，如果提供了足夠的退火時間，因為增加了注入浮 置擴散區的雜質離子的濃度，因此會增加垂直方向和水平方向上擴散 雜質離子的寬度，最后，浮置擴散區FD與傳輸晶體管M1和復位晶 體管M2的柵極氧化層重疊的面積增加，使得重疊電容增加。因此， 當完成制造過程時，固定了重疊電容器的電容。但是，總電容根據注 入浮置擴散區FD內的雜質的濃度而改變。

這里，當注入擴散區內的雜質離子的濃度超過預定限度時，通常 會發生重疊電容器的電容值固定的現象。因此，在濃度沒有達到預定 限度的情況下，重疊電容器的電容根據施加到重疊電容器的兩個電極 的電壓而改變。這將在后面描述。