[發明專利]實現高動態CMOS圖像傳感器的方法

有效

• 申請號: 201110298506.1
• 申請日: 2011-09-28
• 公開（公告）號: CN102354698A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發明（設計）人: 饒金華;巨曉華;周雪梅
• 申請（專利權）人: 上海宏力半導體制造有限公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;H04N5/374
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 駱蘇華

技術領域

本發明涉及圖像傳感器領域，尤其涉及實現高動態CMOS圖像傳感器的方法。

背景技術

圖像傳感器屬于光電產業里的光電元件類，隨著數碼技術、半導體制造技術以及網絡的迅速發展，目前市場和業界都面臨著跨越各平臺的視訊、影音、通訊大整合時代的到來，勾劃著未來人類的日常生活的美景。以其在日常生活中的應用，無疑要屬數碼相機產品，其發展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年，數碼相機就由幾十萬像素，發展到400、500萬像素甚至更高。不僅在發達的歐美國家，數碼相機已經占有很大的市場，就是在發展中的中國，數碼相機的市場也在以驚人的速度在增長，因此，其關鍵零部件一圖像傳感器產品就成為當前以及未來業界關注的對象，吸引著眾多廠商投入。以產品類別區分，圖像傳感器產品主要分為電荷耦合圖像傳感器(Charge-coupled?Device?image?sensor，簡稱CCD圖像傳感器)、互補型金屬氧化物圖像傳感器(Complementary?Metal?Oxide?Semiconductor?image?sensor，簡稱CMOS圖像傳感器)。

現有的CMOS傳感器的像素結構主要分為兩種，分別為3T結構和4T結構。3T結構的像素每一個像素包括一個復位管、一個行選通管和一個源跟隨管。4T結構的像素比3T結構的像素增加了一個傳輸管。對于4T像素結構，每一個像素總是需要一個傳輸管，傳輸管使像素的可控性更好，可以有效地降低熱噪聲和暗電流。

圖1為現有的4T結構的CMOS圖像傳感器的電路結構示意圖，參考圖1，現有的4T結構的CMOS圖像傳感器包括：傳輸晶體管M1、復位晶體管M2、源跟隨晶體管M3、行選通晶體管M4。4T結構圖像傳感器的工作原理為：傳輸晶體管M1用來將感光二極管PD的光生電荷傳輸到浮置擴散區FD，復位晶體管M2用來對浮置擴散區FD復位，源跟隨晶體管M3用來將浮置擴散區FD的電信號放大輸出。其工作過程是：復位晶體管M2開啟，將浮置擴散區FD置為高電位；然后關斷復位晶體管M2，打開傳輸晶體管M1，將感光二極管PD中的光生電荷傳輸到浮置擴散區FD，浮置擴散區FD產生壓降，這個壓降通過源跟隨晶體管M3在行選通晶體管M4的輸出端out讀出，該讀出的壓降即為輸出信號。

在圖像傳感器的實際應用中，發現外界光強會因為天氣、環境的變化而發生變化，特別是在外界環境變化比較頻繁的場合，外界光強會頻繁的發生變化。在外界光強較強時，光生電荷數量ΔQ也較多，如果浮置擴散區FD的結電容Cfd相對偏小，有可能無法容納感光二極管所有的光生電荷，使信號丟失。并且浮置擴散區FD產生的壓降ΔV_fd＝ΔQ/C_fd過大，有可能會超出電路的設計范圍。在外界光強較弱時，光生電荷數量ΔQ較少，如果浮置擴散區FD的結電容C_fd相對偏大，則浮置擴散區FD產生的壓降ΔV_fd＝ΔQ/C_fd過小，使信號無法讀出。這兩種情況都會造成圖像信號不穩定。

為了使CMOS圖像傳感器可以應用于高動態的環境，并且圖像信號可以相對穩定，目前已有的解決方法是在4T結構中增加了電容Cs和晶體管M5，參考圖2，該電容Cs與浮置擴散區FD自身的結電容Cj為并聯關系，則總的浮置擴散區FD的電容Cfd＝Cs+Cj，電容Cs的開啟通過晶體管M5控制。當外界光強較強時，可以控制M5開啟，使電容Cs工作，此時ΔVfd＝ΔQ/(Cs+Cj)；當外界光強較弱時，可以控制M5關斷，使電容Cs不工作，此時ΔVfd＝ΔQ/Cj，以此減小ΔVfd的波動范圍，從而獲得比較穩定的輸出信號，使CMOS圖像傳感器可以工作在高動態環境下。

然而，在4T結構的CMOS圖像傳感器中增加晶體管M5和電容Cs會減小像素單元的填充率(fill?factor)。現有技術中，有許多關于CMOS圖像傳感器的專利以及專利申請，例如2007年7月4日公開的公開號為CN1992305A的中國專利申請文件，然而均沒有解決以上的技術問題。

發明內容

現有的發明解決的問題是現有技術中為了實現高動態CMOS圖像傳感器，而使在CMOS圖像傳感器像素單元的填充率減小。

為解決上述問題，本發明提供一種實現高動態CMOS圖像傳感器的方法，所述CMOS圖像傳感器為4T結構的CMOS圖像傳感器，包括復位晶體管、傳輸晶體管、源跟隨晶體管和行選通晶體管，所述傳輸晶體管和復位晶體管之間為浮置擴散區，所述浮置擴散區位于阱區內；包括：