[發明專利]一種高速CMOS圖像傳感器

在審

• 申請號: 201510217404.0
• 申請日: 2015-04-30
• 公開（公告）號: CN104835825A
• 公開（公告）日: 2015-08-12
• 發明（設計）人: 金湘亮;劉維輝
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;H04N5/374
• 代理公司: 湘潭市匯智專利事務所(普通合伙) 43108
• 代理人: 顏昌偉

技術領域

本發明涉及一種圖像傳感器，尤其涉及一種高速互補型金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器。

背景技術

近年來，隨著CMOS集成電路制造工藝特別是CMOS圖像傳感器設計及制造工藝的不斷發展，CMOS圖像傳感器已經逐漸取代CCD圖像傳感器成為主流。CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器相比，具有工藝集成度更高、功耗更低、價格更低等優點。

傳統的CMOS圖像傳感器像素結構示意圖如圖1所示，它包括鉗位光電二極管(PPD)101、浮空擴散節點(FD)2、電荷傳輸晶體管3、復位晶體管4、源跟隨晶體管5和行選擇晶體管6。圖2為圖1的A-A’剖視圖，鉗位光電二極管101包括P型襯底107、N型埋層109和P型重摻雜鉗位層108。復位晶體管4和源跟隨晶體管5的漏極分別與電源電壓Vdd相連，源跟隨晶體管的源極與行選擇晶體管的漏極相連，行選擇晶體管的源極接輸出列總線，復位晶體管的源極和源跟隨晶體管的柵極分別經浮空擴散節點、電荷傳輸晶體管與鉗位光電二極管相連，鉗位光電二極管包括P型雜質襯底、P型重摻雜鉗位層和N型埋層，P型雜質襯底內從上至下依次設有P型重摻雜鉗位層和呈方形的N型埋層。

其工作步驟如下：第一步為復位，電荷傳輸晶體管3和復位晶體管4同時開啟，使得N型埋層109內部電子被耗盡，這時N型埋層109將處于空阱狀態，而浮空擴散節點2也將處于高電位Vrst，此時浮空擴散節點2的電位通過源跟隨晶體管5和行選擇晶體管6讀出，作為相關雙采樣(CDS)的第一個信號被輸出至總線；第二步為曝光，電荷傳輸晶體管3和復位晶體管4都關斷，鉗位光電二極管101在光的照射下將產生光生電荷，經過一定的曝光時間，積累足夠多的光生電荷；第三步為轉移光生電荷，電荷傳輸晶體管3開啟，鉗位光電二極管101中積累的光生電荷轉移到浮空擴散節點2中，使得浮空擴散節點2的電位下降，此時浮空擴散節點2的電位Vsig，通過源跟隨晶體管5和行選擇晶體管6讀出，作為相關雙采樣(CDS)的第二個信號被輸出至總線。

現有技術的CMOS圖像傳感器像素中，光生電荷僅在鉗位光電二極管101與浮空擴散節點2的電壓差作用下發生轉移，隨著光生電荷的轉移兩者的電壓差越來越小，光生電荷的轉移速度也越來越慢。對于像素而言，鉗位光電二極管101中的光生電荷能否快速的、完全的轉移到浮空擴散節點2，是一個很重要的問題。如果光生電荷不能在給定的轉移時間內完全轉移，那么殘留在鉗位光電二極管101內部的電荷將會留在下一幀的時候輸出，將圖像信息延遲到下一幅圖像，嚴重影響著成像質量，尤其在機器視覺、交通監控、手勢識別等要求捕捉高速移動目標的應用中，將會變得異常突出。因此，提高光生電荷的轉移效率是高速CMOS圖像傳感器設計中需要解決的重要問題。

發明內容

本發明的目的在于克服現有CMOS圖像傳感器的不足，提供一種能提高光生電荷轉移效率，實現光生電荷快速、完全轉移的高速CMOS圖像傳感器。

本發明的目的是通過如下的技術方案來實現的：包括鉗位光電二極管、浮空擴散節點、電荷傳輸晶體管、復位晶體管、源跟隨晶體管和行選擇晶體管；復位晶體管和源跟隨晶體管的漏極分別與電源電壓相連，所述源跟隨晶體管的源極與行選擇晶體管的漏極相連，所述行選擇晶體管的源極接輸出列總線，所述復位晶體管的源極和源跟隨晶體管的柵極分別經浮空擴散節點、電荷傳輸晶體管與鉗位光電二極管相連，所述鉗位光電二極管包括P型雜質襯底、P型重摻雜鉗位層和N型埋層，所述P型雜質襯底內從上至下依次設有P型重摻雜鉗位層和N型埋層，其特征在于，所述N型埋層的寬度從靠近所述電荷傳輸晶體管一側向另一側逐漸變窄，所述P型重摻雜鉗位層覆蓋住N型埋層，并直接與P型雜質襯底相連。

所述N型埋層呈喇叭形、扇形、三角齒形、三角形或梯形。

所述P型重摻雜鉗位層至少覆蓋所述N型埋層0.2-0.5μm。

所述P型重摻雜鉗位層為結深在100nm內的淺結。

所述電荷傳輸晶體管、復位晶體管、源跟隨晶體管、行選擇晶體管為N型晶體管。