全局曝光方式的图像传感器像素结构及其工作方法技术

本发明专利技术公开了一种全局曝光方式的图像传感器像素结构及其工作方法，包括置于半导体基体中的光电二极管、第一电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区还包括第二电荷传输晶体管，第一电荷传输晶体管与第二电荷传输晶体管之间设有晶体管电容；晶体管电容的沟道位于N型离子区中，晶体管电容的源漏有源区的硅表面设置有P+型保护层，所述P+型保护层的下方为N型离子区。适合用于存储光电电荷较长时间、采用全局曝光方式的图像传感器。

【技术实现步骤摘要】
全局曝光方式的图像传感器像素结构及其工作方法
本专利技术涉及一种图像传感器像素，尤其涉及一种全局曝光方式的图像传感器像素结构及其工作方法。
技术介绍
图像传感器采用感光像素阵列采集图像信号，然后进行后续信号处理得以保存图像或将图像输出到电子屏幕上。图像传感器采集图像信号的方式有两种：滚动曝光方式和全局曝光方式。现有技术中的图像传感器一般采用滚动曝光方式采集图像信息，像素阵列中的第一行像素开始曝光，然后是第二行、第三行、...，直至最后一行，然后再逐行读取像素采集到的光电信号；滚动曝光方式的图像传感器，适用于采集静态环境下的图像。滚动曝光方式的图像传感器采集动态的实物时，由于每行像素的曝光时间段都不相同，第一行像素采集图像信号时的实物位置与最后一行像素采集图像信号时的实物位置可能会相差很大，例如拍照快速运动的风扇、汽车等，会发现采集的图像发生了扭曲、畸变。全局曝光方式的图像传感器采集图像时，像素阵列中的每个像素都同时曝光，曝光完毕后，再逐个读取像素采集到的图像信号，由此可见，全局曝光方式的图像传感器，像素阵列中的每个像素采集图像信号时，运动的实物可看作是静止不动的。所以全局曝光方式的图像传感器，适合采集运动实物的图像。在现有技术中，CMOS图像传感器一般采用四晶体管像素(4T)结构。如图1所示，是采用CMOS图像传感器4T有源像素结构的示意图，包括虚线框内的切面示意图和虚线框外的电路示意图两部分。4T有源像素的元器件包括：光电二极管101、电荷传输晶体管102、复位晶体管103、漂浮有源区FD、源跟随晶体管104、选择晶体管105、列位线106；其中光电二极管区域101置于半导体基体中，STI为浅槽隔离区，N+区为晶体管源漏有源区；Vtx为电荷传输晶体管102的栅极端，Vrst为复位晶体管103的栅极端，Vsx为选择晶体管105的栅极端，Vdd为电源电压。光电二极管101接收外界入射的光线，产生光电信号；开启电荷传输晶体管102，将光电二极管中的光电信号转移至漂浮有源区FD区后，由源跟随晶体管104所探测到的漂浮有源区FD势阱内电势变化信号经列位线106读取并保存。若全局曝光方式的图像传感器使用4T像素结构，可以将像素阵列中的每个像素光电二极管采集到的光电电荷至漂浮有源区FD，然后再逐个读取。但现有技术中的漂浮有源区FD设置有接触孔，并且N+区硅表面因缺陷和应力引起较大的漏电，致使漂浮有源区FD不适合存储光电电荷太长时间，否则会使后读取的像素信号失真。因此，现有技术中的像素不适合用于全局曝光方式的图像传感器。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种适合用于存储光电电荷较长时间的全局曝光方式的图像传感器像素结构及其工作方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术的全局曝光方式的图像传感器像素结构，包括置于半导体基体中的光电二极管、第一电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区还包括第二电荷传输晶体管，所述第一电荷传输晶体管与第二电荷传输晶体管之间设有晶体管电容；所述晶体管电容的沟道位于N型离子区中，所述晶体管电容的源漏有源区的硅表面设置有P+型保护层，所述P+型保护层的下方为N型离子区。本专利技术的上述的全局曝光方式的图像传感器像素结构的工作方法，包括步骤：a、光电二极管复位操作，开启复位晶体管、第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管，同时晶体管电容的栅极处于低电平，时间持续1us～10us后，关闭复位晶体管、第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管，像素开始曝光；b、晶体管电容复位操作，像素曝光结束前，开启复位晶体管、第二电荷传输晶体管，同时第一电荷传输晶体管处于关闭状态，晶体管电容的栅极处于低电平，时间持续1us～10us后，关闭复位晶体管、第二电荷传输晶体管；c、转移光电电荷操作，复位晶体管和第二电荷传输晶体管处于关闭状态，将晶体管电容的栅极从低电平置为高电平，开启第一电荷传输晶体管，时间持续1us～10us，将光电二极管中的光电电荷转移至晶体管电容后，关闭第一电荷传输晶体管，晶体管电容的栅极保持高电平，等待进一步操作，等待时间为0s～1s；d、漂浮有源区的复位操作，第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管处于关闭状态，晶体管电容的栅极处于高电平，开启复位晶体管，时间持续1us～10us，关闭复位晶体管，然后读取漂浮有源区的复位信号；e、光电电荷转移操作，复位晶体管、第一电荷传输晶体管处于关闭状态，开启第二电荷传输晶体管后，将晶体管电容的栅极端从高电平置为低电平，时间持续1us～10us，将晶体管电容中的光电电荷转移至漂浮有源区，关闭第二电荷传输晶体管，然后读取漂浮有源区的光电信号。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例提供的全局曝光方式的图像传感器像素结构及其工作方法，由于像素结构中设置有晶体管电容器件，其源漏有源区设置有P+型保护层，并且不设置接触孔，因此漏电小，适合用于存储光电电荷较长时间、采用全局曝光方式的图像传感器。附图说明图1是现有技术的图像传感器的像素结构示意图。图2是本专利技术实施例提供的全局曝光方式的图像传感器像素结构示意图。图3a是本专利技术实施例中图像传感器像素中的第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管、晶体管电容的平面示意图。图3b是本专利技术实施例中图像传感器像素中的N型离子区的平面示意图。图3c是本专利技术实施例中图像传感器像素中的P+型保护层的平面示意图。图4是本专利技术实施例中图像传感器像素工作的时序控制示意图。图5是本专利技术实施例中图像传感器像素中的光电二极管在进行复位操作时的势阱示意图。图6是本专利技术实施例中图像传感器像素工作时，光电电荷从光电二极管转移至晶体管电容区操作的势阱示意图。图7是本专利技术实施例中图像传感器像素工作时，光电电荷被保存在晶体管电容中的势阱示意图。图8是本专利技术实施例中图像传感器像素工作时，光电电荷从晶体管电容区转移至漂浮有源区操作的势阱示意图。图9是本专利技术实施例中图像传感器像素工作时，光电电荷被转移至漂浮有源区完毕时的势阱示意图。具体实施方式下面将对本专利技术实施例作进一步地详细描述。本专利技术的全局曝光方式的图像传感器像素结构，其较佳的具体实施方式是：包括置于半导体基体中的光电二极管、第一电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，还包括第二电荷传输晶体管，所述第一电荷传输晶体管与第二电荷传输晶体管之间设有晶体管电容；所述晶体管电容的沟道位于N型离子区中，所述晶体管电容的源漏有源区的硅表面设置有P+型保护层，所述P+型保护层的下方为N型离子区。所述第一电荷传输晶体管与所述光电二极管相连，所述第二电荷传输晶体管与所述漂浮有源区相连，所述晶体管电容的上方设有遮光金属。所述光电二极管为N型光电二极管，所述第一电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、第二电荷传输晶体管为N型晶体管。所述晶体管电容的栅极多晶硅位于有源区的内部，且与浅槽隔离区隔开，所述栅极多晶硅与所述浅槽隔离区的距离大于等于0.1um，所述栅极多晶硅的面积大于等于0.01um2。所述N型离子区为第一电荷传输晶体管的漏极、第二电荷传输晶体管的源极，所述N型离子区与所述浅槽隔离区隔开，两者距离为0.05um～0.2um，所述N型离子区的深度小于等于0.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全局曝光方式的图像传感器像素结构，包括置于半导体基体中的光电二极管、第一电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，其特征在于，还包括第二电荷传输晶体管，所述第一电荷传输晶体管与第二电荷传输晶体管之间设有晶体管电容；所述晶体管电容的沟道位于N型离子区中，所述晶体管电容的源漏有源区的硅表面设置有P+型保护层，所述P+型保护层的下方为N型离子区。

【技术特征摘要】
1.一种全局曝光方式的图像传感器像素结构，包括置于半导体基体中的光电二极管、第一电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，其特征在于，还包括第二电荷传输晶体管，所述第一电荷传输晶体管与第二电荷传输晶体管之间设有晶体管电容；所述晶体管电容的沟道位于N型离子区中，所述晶体管电容的源漏有源区的硅表面设置有P+型保护层，所述P+型保护层的下方为N型离子区。2.根据权利要求1所述的全局曝光方式的图像传感器像素结构，其特征在于，所述第一电荷传输晶体管与所述光电二极管相连，所述第二电荷传输晶体管与所述漂浮有源区相连，所述晶体管电容的上方设有遮光金属。3.根据权利要求2所述的全局曝光方式的图像传感器像素结构，其特征在于，所述光电二极管为N型光电二极管，所述第一电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、第二电荷传输晶体管为N型晶体管。4.根据权利要求3所述的全局曝光方式的图像传感器像素结构，其特征在于，所述晶体管电容的栅极多晶硅位于有源区的内部，且与浅槽隔离区隔开，所述栅极多晶硅与所述浅槽隔离区的距离大于等于0.1um，所述栅极多晶硅的面积大于等于0.01um2。5.根据权利要求4所述的全局曝光方式的图像传感器像素结构，其特征在于，所述N型离子区为第一电荷传输晶体管的漏极、第二电荷传输晶体管的源极，所述N型离子区与所述浅槽隔离区隔开，两者距离为0.05um～0.2um，所述N型离子区的深度小于等于0.5um；所述P+型保护层覆盖所述晶体管电容的沟道之外的N型离子区，并且与所述浅槽隔离区接触，其厚度为0um～0.3um。6.根据权利要求5所述的全局曝光方式的图像传感器像素结构，其特征在于，所述N型离子区的N型离子浓度为5E15Atom/cm3～5E17Atom/cm3；所述P+型保护层的P型离子浓度大于等于5E17Atom/cm3。7.根据权利要求6所述的全局曝光方式的图像传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭同辉，旷章曲，
申请(专利权)人：北京思比科微电子技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11