[发明专利]电荷快速转移的大尺寸四管有源像素传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种电荷快速转移的4T像素的结构，具体讲，涉及电荷快速转移的大尺寸四管有源像素传感器。

背景技术

随着标准CMOS逻辑工艺的持续缩减和CMOS图像传感器(CMOS Image Sensors，CIS)制造工艺的不断改善，CMOS图像传感器不断发挥其在可集成性、功耗、随机寻址等方面对CCD图像传感器的相对优势，成为固态图像传感器领域的主流器件。基于钳位二极管的四管有源像素(Pinned-Photodiode Four Transistors-Active Pixel Sensor，PPD 4T-APS)具有低暗电流、可消除复位噪声和低图像拖尾等特点，是目前CIS采用的主要像素结构。

PPD 4T-APS的基本结构如图1所示，其中1为P型衬底，2为钳位二极管N区，3为表面钳位层，1-3共同构成钳位二极管，用以收集光感生电荷；4和6分别为传输管TG和复位管RST的栅级，5为TG和RST共有的源级，又称为浮空扩散区(Floating Diffusion，FD)，7为RST的漏级，与像素电源电压VDD相连，4-7共同构成传输管TG和复位管RST，用以实现光感应电荷的转移和钳位二极管的复位。源级跟随器SF的栅级与FD相连，漏极与VDD相连，源级与选通管SEL共用，SEL的漏级与列总线(Column Bus，CB)相连，SF和SEL共同构成像素的缓冲读出器，用以读出光感生电荷所转换的光生电压信号。在上述结构中，PD中收集的光生电荷需要经过TG栅下的传输通道转移到复位后的FD，促使FD电压发生变化，最终形成光生电压信号。

在PD曝光之前需要将钳位二极管N区(2)存储的电荷转移至FD节点(6)，将该区域完全耗尽。如果不能够实现电荷的完全转移就会导致较大的随机噪声和图像残留。由于大尺寸像素电荷存储区域较大，与TG栅(4)的距离较远，容易在钳位二极管N区(2)的中部出现电荷的残留，尤其是在钳位二极管N区(2)的中部出现电荷的堆积。降低钳位二极管N区(2)的掺杂浓度和减小钳位二极管N区(2)的深度可以改善这个问题但是会导致阱容量以及长波光的吸收效率的降低。

发明内容

本发明旨在解决克服现有技术的不足，提高电荷转移的效率减小电荷残留。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，电荷快速转移的大尺寸四管有源像素传感器，包括钳位二极管区、传输管TG和复位管RST、源级跟随器SF、选通管SEL，钳位二极管区和传输管TG栅极均为U型结构，两U型结构的轴线重合、开口同向，传输管TG栅极设置在钳位二极管区U型结构的底部，传输管TG栅极设置与钳位二极管区U型结构的底部部分交叠；钳位二极管区沿U型结构的轴线朝向开口方向延长形成与U型结构两臂平行的延长区域，在二极管区U型结构的底部轴线附近及延长区域上依次设置有浮空扩散区FD、复位管RST的栅级、RST的漏级。

钳位二极管区U型结构的两臂朝U型结构开口方向反向延长，形成H型结构；传输管TG栅极U型结构仅保留两臂，对称设置在H型结构中间横杠两端，传输管TG栅极U型结构仅保留的两臂受控时序完全同步。

本发明的技术特点及效果：

减小了钳位二极管区的宽度，在钳位二极管N区中部不容易出现电荷的堆积；

TG栅的长度增加，电荷由多个方向同时向FD节点进行转移，并且由于钳位二极管区与栅的平均距离变近，电场作用有所增强，电荷转移的速度得到了提高；

由于钳位二极管区宽度的减小，钳位二极管N区掺杂浓度和深度的范围可以适度放宽，阱容量和长波长光的吸收效率可以得到提高。

附图说明

图1为4T有源像素原理示意图。

图2为传统像素结构俯视图。图中L_TG为栅长，指的就是栅与源或漏区交线的垂直方向的长度。L_OL是交叠区长度。

图3为本发明第一实例的像素结构俯视图。

图4为本发明第二实例的像素结构俯视图。

图5为本发明第二实例的像素电路图。

具体实施方式

本发明通过将一般大尺寸像素的矩形钳位二极管区域调整为轴对称的U型结构或分开的两部分，通过U型的TG栅或者两个TG栅连接到FD节点。通过减小钳位二极管区域中的电荷传输到TG栅的平均距离提高了电荷转移的效率减小了电荷残留。