[發明專利]一種CMOS圖像傳感器的像素單元和陣列及其制作方法

有效

• 申請號: 201310393572.6
• 申請日: 2013-09-02
• 公開（公告）號: CN103491323B
• 公開（公告）日: 2018-10-16
• 發明（設計）人: 顧學強;周偉;肖慧敏
• 申請（專利權）人: 上海集成電路研發中心有限公司
• 主分類號: H04N5/374
• 分類號: H04N5/374;H01L27/146
• 代理公司: 上海天辰知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31275
• 代理人: 吳世華;林彥之

本發明公開了一種CMOS圖像傳感器的像素單元及其制造方法，屬于半導體技術領域。像素單元包括：感光二極管和傳輸管組，所述傳輸管組包括若干個分別在源極端和漏極端進行并聯的傳輸管，每個所述傳輸管的柵極與所述感光二極管的注入區形成大小不同的重疊區，以具備不同的傳輸效率；所述感光二極管用于進行光電轉換以將光子轉換為電子；所述傳輸管組用于根據入射光的照度有選擇的啟動對應傳輸效率的傳輸管進行所述電子的傳輸，從而將所述電子從所述傳輸管組的源極端傳輸到漏極端并轉換為電壓信號。本發明中，根據入射光的照度有選擇的啟動傳輸管組對應傳輸效率的傳輸管進行所述電子的傳輸，實現高靈敏度和高動態這兩個指標。

技術領域

本發明屬于集成電路領域，具體地說，涉及一種CMOS圖像傳感器的像素單元。

背景技術

圖像傳感器是指將光信號轉換為電信號的裝置。圖像傳感器包括電荷耦合器件((Charge-coupled Device，以下簡稱CCD圖像傳感器)和互補金屬氧化物半導體圖像傳感器(CMOS IMAGE SENSOR，以下簡稱CIS圖像傳感器)。

CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器相比，具有的低功耗、低成本、與 CMOS工藝兼容等特點，因此得到越來越廣泛的應用。CMOS圖像傳感器不僅用于消費電子領域，例如微型數碼相機(DSC)、手機攝像頭、攝像機和數碼單反(DSLR)中，而且也用在汽車電子、視頻監控、生物技術和醫學等領域。

CMOS圖像傳感器的像素單元是圖像傳感器實現感光的核心器件?，F有技術中，常用的像素單元為包含一個感光二極管和四個晶體管的有源像素結構。其中，感光二極管作為感光單元，用于收集光線并進行光電轉換，其它四個晶體管作為控制單元，用于選中感光二極管的、復位、信號放大和讀出等控制。

為了評價圖像傳感器芯片的性能，靈敏度和動態范圍是常用的兩個相互矛盾的評價指標。在一定的輸出擺幅下，靈敏度高則意味著動態范圍變小，而如果動態范圍大則靈敏度低。

如圖1所示，為現有技術中常規的CMOS圖像傳感器的像素單元電路結構，其通常包括感光二極管101，傳輸管(TX)102、復位管(RX)103、源極跟隨管(DX)104和行選管(SX)105。感光二極管101用于將光子轉換為電子，傳輸管102用于將感光二極管中產生的電子傳輸到懸浮漏極112，并轉換為電壓信號輸出。需要說明的是，在像素單元的結構中最關鍵的是傳輸管102對電子從感光二極管101到懸浮漏極112傳輸的控制，因此，傳輸管 102的傳輸效率對像素單元的性能有著重要影響。

如圖2所示為圖1中的傳輸管的版圖結構，其中包括用于形成感光二極管的有源區111和注入區121、傳輸管的柵極122和懸浮漏極112。由圖2可見，感光二極管的注入區121和傳輸管的柵極122有一定的重疊區A，而重疊區A的大小影響傳輸管102的傳輸效率。

如圖3所示，為圖1中常規像素單元的光響應特性曲線。橫軸代表入射光的照度，縱軸代表輸出信號，其隨照度的增加而增加。當入射光的照度達到一定的量時輸出信號飽和，即入射光的照度繼續增加而輸出信號不變。輸出信號能達到的最大值代表輸出擺幅。輸出擺幅取決于像素單元的工作電壓和像素單元各個晶體管的閾值電壓，當器件選型確定后，該輸出擺幅一般是一個固定的值。圖3中，輸出信號的斜率代表像素單元的靈敏度，而像素單元能夠響應的最大照度和最小照度之比則代表像素單元的動態范圍。由圖3可見，在輸出擺幅一定的條件下，如果靈敏度上升，即響應曲線斜率變大，會造成動態范圍變小，反之如果動態范圍增加，則會造成斜率變小，即靈敏度下降。

因此，在實際應用過程中，如果希望圖像在低照度時能夠有靈敏的響應，則需要高靈敏度的像素單元；同時如果希望圖像在高照度的情況下像素單元不飽和，則需要高動態范圍的像素單元。但是現有技術中的像素單元只能滿足高靈敏度和高動態范圍中的某一個指標，而不能同時實現高靈敏度和高動態這兩個指標。

發明內容