[發明專利]一種CMOS圖像傳感器像素結構及其制作方法

有效

• 申請號: 201910816107.6
• 申請日: 2019-08-30
• 公開（公告）號: CN110534537B
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發明（設計）人: 楊翠;彭國良;陳育良;毛維;張建奇
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華

本發明公開了一種CMOS圖像傳感器像素結構及其制作方法，主要解決現有技術信號采集速度慢、信號電荷回流和電荷轉移效率低的問題，其包括:襯底(1)、外延層(2)、淺溝槽隔離層(3)、柵氧化層(4)、多晶硅柵(5)和鈍化層(6)，襯底的下面淀積有漏極(11)，外延層的右上角淀積有源極(10)，多晶硅柵的上面淀積有泵柵電極(8)和傳輸柵電極(9)，且設有電荷存儲區(21)、光電響應區域(22)和閾值電壓調整區(23)，泵柵電極和傳輸柵電極的上面淀積有像素互聯金屬(7)。本發明提升了光電信號電荷的采集速度和電荷轉移效率，改善了三維深度成像雷達系統的探測精度，可用于虛擬現實、無人機和自動駕駛雷達系統。

技術領域

本發明屬于光電子技術領域，特別涉及一種CMOS圖像傳感器像素結構，可用于虛擬現實、無人機和自動駕駛所需的三維成像雷達系統。

背景技術

CMOS圖像傳感器以其低功耗、高集成度、低成本等優勢占據了大部分商用級和工業級圖像傳感器市場，且具備高質量成像能力的CMOS圖像傳感器也逐步擴展到科研實驗、醫療等應用領域。隨著物聯網的快速發展，CMOS圖像傳感器已經成為當今應用最廣泛的光電探測芯片。隨著三維探測理論的發展，三維成像圖像傳感器在移動終端等設備開始應用。時間飛行TOF技術作為三維深度視覺領域的結構光、TOF、立體視覺這三大主流方案之一，TOF技術除了應用在手機終端之外，也可應用在VR/AR手勢交互、環境測量、汽車電子ADAS、安防監控以及新零售等多個領域，應用前景十分廣闊。對于汽車、工業此類的專業級場景來講，TOF傳感系統的設計不僅需要在精度、范圍、響應時間、分辨率、成本、功耗以及封裝要求平衡設計。而且在實際不同環境中的應用對傳感器的響應速度、靈敏度和抗干擾性能要求極高。為了實現TOF技術的低成本并擴大其應用市場，低成本、高集成度并兼容模擬集成電路的硅基CMOS圖像傳感器成為TOF三維成像系統的首選。提高TOF技術對激光脈沖波的解析精度是提高TOF三維成像雷達系統探測精度的必要條件。因此，需要提高CMOS圖像傳感器中光電信號電荷的轉移速度，使得CMOS圖像傳感器獲取更高的光電信號脈沖調制解調對比度。尤其是應用在汽車自動駕駛雷達和無人機雷達等遠距離三維圖像探測芯片的大尺寸高速電荷轉移CMOS圖像傳感器像素一直是國內外研究和應用的熱點、焦點。

然而，在傳統的CMOS圖像傳感器中，較低的信號電荷轉移速度極大地延長了信號采樣電路對傳感器像素內光電信號的讀取時間，嚴重地降低了相機的拍攝幀頻。使用低幀頻相機拍攝高速運動中的物體會出現圖像拖尾現象，即當前幀的圖像包含上一幀的圖像信號，造成鬼影成像。拍攝超高速運動中的物體時，嚴重情況下會造成圖像變形，即圖像失真，因此傳統的CMOS圖像傳感器芯片無法滿足應用前景十分廣闊的TOF三維圖像系統的要求。由于沒有符合要求的高速圖像傳感像素，在TOF三維深度相機中無法實現信號脈沖的高解調對比度即嚴重降低三維相機的深度探測精度，使得目前的TOF三維深度視覺技術無法達到高深度分辨率，這些缺點嚴重制約著三維深度視覺技術的應用領域，即抑制了諸如TOF一類的三維深度視覺技術在無人機、汽車或工業機器人的應用。

為了解決上述問題，國內外研究者們提出了一些解決方案：

SANG-MAN HAN等人在2014年9月提出橫向電場調制LEFM技術借助四個多晶硅柵組合調整光電二極管上的電勢分布梯度。為了提高多晶硅柵對光電二極管中光電子的調制能力，需要每個多晶硅與光電二極管進行交疊，大面積的多晶硅柵與光電二極管進行交疊嚴重降低了像素的填充因子，即降低了單位像素的量子效率和探測靈敏度，參見ATime-of-Flight Range Image Sensor With Background Canceling Lock-in Pixels Based onLateral Electric Field Charge Modulation,IEEE Journal of the Electron DevicesSociety,pp.267-275,VOLUME 3,NO.3,MAY2015。