[發明專利]圖像傳感器的像素單元及其形成方法

有效

• 申請號: 201410084191.4
• 申請日: 2014-03-07
• 公開（公告）號: CN103811510A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 饒金華;張克云
• 申請（專利權）人: 上海華虹宏力半導體制造有限公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;H01L21/8238
• 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

本發明涉及半導體制造技術領域，尤其涉及一種圖像傳感器的像素單元及其形成方法。

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，勾劃著未來人類日常生活的美景。圖像傳感器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。以圖像傳感器作為關鍵零部件的產品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傳感器)。

請參考圖1，圖1是現有的4T結構的CMOS圖像傳感器的電路結構示意圖，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。所述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。其工作過程包括：由復位信號R控制復位晶體管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，并由傳輸信號T控制打開傳輸晶體管M1，將感光二極管PD中的光生電荷傳輸到浮置擴散區FD，使浮置擴散區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輸出，該輸出的壓降即為輸出信號。

在應用上述4T結構的CMOS圖像傳感器時發現，外界光強會因為天氣或環境的變化而發生變化。當外界光強較強時，光生電荷數量ΔQ也較多，若浮置擴散區FD的結電容Cfd相對偏小，則無法容納感光二極管產生的所有光生電荷，繼而致使信號丟失，而且浮置擴散區FD的壓降ΔVfd＝ΔQ/Cfd過大，并超出電路的設計范圍。相對的，當外界光強較弱時，光生電荷數量ΔQ較少，若浮置擴散區FD的結電容Cfd相對偏大，則浮置擴散區FD的壓降ΔVfd＝ΔQ/Cfd過小，并容易導致信號無法讀出。

為了解決上述問題，一種高動態范圍的圖像傳感器被提出。然而，所述高動態分圖形傳感器的結構較為復雜，結構尺寸較大，不利于器件的微型化和集成化。

發明內容

本發明解決的問題是提供一種高動態范圍圖像傳感器的像素單元及其形成方法，簡化圖像傳感器像素單元的電路結構布圖，提高像素填充率（Fill?factor）。

為解決上述問題，本發明提供一種圖像傳感器的像素單元，包括：襯底；位于襯底內的光電二極管、第一浮置擴散區和第二浮置擴散區，所述光電二極管、第一浮置擴散區和第二浮置擴散區相互分立；位于襯底表面的第一柵極結構，所述第一柵極結構具有第一端和第二端，所述第一柵極結構的第一端位于光電二極管和第一浮置擴散區之間，用于構成傳輸晶體管，所述第一柵極結構的第二端位于第一浮置擴散區和第二浮置擴散區之間，用于構成控制晶體管，所述傳輸晶體管的閾值電壓低于控制晶體管的閾值電壓，所述傳輸晶體管和控制晶體管共用柵極信號；位于襯底表面的復位晶體管，用于使第一浮置擴散區和第二浮置擴散區復位。

可選的，所述傳輸晶體管和控制晶體管為NMOS晶體管；所述傳輸晶體管的源極與光電二極管連接，所述傳輸晶體管的漏極與第一浮置擴散區連接；所述控制晶體管的源極與第一浮置擴散區連接，所述控制晶體管的漏極與第二浮置擴散區連接。

可選的，所述第一柵極結構包括：位于襯底表面的第一柵介質層、以及位于第一柵介質層表面的第一柵極，所述第一柵極與傳輸信號連接。

可選的，所述復位晶體管包括第一復位晶體管和第二復位晶體管，所述第一復位晶體管用于復位第一浮置擴散區，所述第二復位晶體管用于復位第二浮置擴散區。

可選的，所述襯底表面具有第二柵極結構，所述第二柵極結構具有第一端和第二端，所述第二柵極結構的第一端用于構成第一復位晶體管，所述第二柵極結構的第二端用于構成第二復位晶體管。

可選的，所述第二柵極結構包括：位于襯底表面的第二柵介質層、以及位于第二柵介質層表面的第二柵極，所述第二柵極與復位信號連接。