[發明專利]一種4T有源像素結構及其工作方法

在審

• 申請號: 202310046392.4
• 申請日: 2023-01-31
• 公開（公告）號: CN115799289A
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 高志遠
• 申請（專利權）人: 天津海芯微電子技術有限公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;H04N25/76
• 代理公司: 天津企興智財知識產權代理有限公司 12226
• 代理人: 劉影

本發明提供了一種4T有源像素結構及其工作方法，包括P型襯底、SiO₂層、鉗位光電二極管PPD、傳輸晶體管柵極TG、浮動擴散電容FD、復位晶體管柵極RG、復位晶體管漏極RD、源極跟隨器M_sf、選通晶體管M_rs和列總線col_line。本發明有益效果：本發明在傳統4T有源像素的基礎上，通過增加FD節點與復位柵極（RG）之間間距，消除了FD跟復位柵極（RG）的交疊電容，降低了FD節點總電容，提升了轉換增益；FD與RG之間沒有交疊，在工藝中FD區域的長度不會受到FD上方接觸孔與RG之間距離要求的限制，FD可以實現更小的尺寸，進一步提升了轉換增益，最終實現高靈敏度感光。

技術領域

本發明屬于4T像素結構領域，尤其是涉及一種4T有源像素結構及其工作方法。

背景技術

隨著攝像機對靈敏度的要求不斷提高，高靈敏度CMOS圖像傳感器應用場景越來越多，其中像素是高靈敏度CMOS圖像傳感器核心組成部分，負責完成光信號到電信號的轉換。主流的像素通常采用4T有源像素的結構，高靈敏度像素是對4T有源像素的改進，通常采用單光子雪崩二極管（SPAD）器件或者采用低浮動擴散（Floating Diffuison, FD）電容的高轉換增益器件實現。主流高靈敏度像素設計考慮功耗、面積等因素，通常使用提高轉換增益的結構。在噪聲性能和靈敏度需求越來越高的趨勢下，減小FD電容，提升轉換增益是當前高靈敏度像素的技術難點。

傳統的4T有源像素結構如圖1，FD節點的電容包括FD的p-n結電容C1，FD跟傳輸門（TG）的交疊電容C2，FD跟復位柵極（RG）的交疊電容C3，源跟隨器（Msf）的柵極電容C4以及金屬線間的電容C5。

現有的高靈敏度像素通常在4T有源像素的基礎上對FD節點進行改進，降低或消除一個或幾個電容分量，降低FD節點的電容，提高轉換增益，從而提高靈敏度，但其FD與RG之間有交疊，在工藝中FD區域的長度會受到FD上方接觸孔與RG之間距離要求的限制，FD無法實現更小的尺寸，無法進一步提升了轉換增益；

本發明提出了一種將增加FD節點與復位柵極（RG）之間間距的結構，RG與FD之間存在距離L（本發明中典型值0.3μm），從而消除FD跟復位柵極（RG）的交疊電容C3，提升了轉換增益；FD與RG之間沒有交疊，在工藝中FD區域的長度不會受到FD上方接觸孔與RG之間距離要求的限制，FD可以實現更小的尺寸，進一步提升了轉換增益。本發明這一結構也可以用于其他的像素電路結構，適用范圍廣，對于采用有源像素的圖像傳感器來說是其實現高靈敏的有效解決方案。

發明內容

有鑒于此，本發明旨在提出一種4T有源像素結構及其工作方法，以解決現有技術中的FD與RG之間有交疊，在工藝中FD區域的長度會受到FD上方接觸孔與RG之間距離要求的限制，FD無法實現更小的尺寸，無法進一步提升了轉換增益的問題。

為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

一種4T有源像素結構，包括P型襯底、SiO₂層、鉗位光電二極管PPD、傳輸晶體管柵極TG、浮動擴散電容FD、復位晶體管柵極RG、復位晶體管漏極RD、源極跟隨器M_sf、選通晶體管M_rs和列總線col_line；

所述鉗位光電二極管PPD、浮動擴散電容FD、復位晶體管漏極RD均設置于P型襯底上的擴散區域，所述P型襯底上層覆蓋有SiO₂層，所述傳輸晶體管柵極TG、復位晶體管柵極RG設置于SiO₂層的多晶硅柵極區域；所述鉗位光電二極管PPD為傳輸晶體管的源極，所述浮動擴散電容FD為傳輸晶體管的漏極，所述浮動擴散電容FD為復位晶體管的源極；所述浮動擴散電容FD節點通過金屬導線連接到源極跟隨器M_sf的柵極，所述源極跟隨器M_sf的源極與選通晶體管M_rs的漏極相連，所述源極跟隨器M_sf的漏極接電源VDD，所述選通晶體管M_rs的源極與列總線col_line相連；