全局曝光方式的图像传感器像素结构及其控制方法技术

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控制方法，包括置于半导体基体中的光电二极管区，电荷传输晶体管，复位晶体管，源跟随晶体管，选择晶体管，还包括设于光电二极管区外围的多晶硅环和薄氧化层环、晶体管电容器件、N型离子区。多晶硅环为高电平时在光电二极管区感应出电场，为低电平时不感应出电场，光电二极管区的积分时间为多晶硅环高电平时间；晶体管电容器件位于N型离子区中，晶体管电容用来存储光电二极管区收集到的光电电荷，适用于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控制方法
本专利技术涉及一种图像传感器领域，特别涉及一种全局曝光方式的图像传感器像素结构及其控制方法。
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：光电二极管区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。光电二极管区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，将光电二极管区101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区采集到的光电电荷至漂浮有源区FD区，然后再逐个读取。但现有技术中的漂浮有源区FD区，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区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全局曝光方式的图像传感器像素结构及其控制方法。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区，电荷传输晶体管，复位晶体管，源跟随晶体管，选择晶体管，还包括设于光电二极管区外围的多晶硅环和薄氧化层环、晶体管电容器件、N型离子区；所述多晶硅环位于光电二极管区侧壁，所述多晶硅环与光电二极管区之间设置有薄氧化层环，多晶硅环用来控制光电二极管区有无电场；所述晶体管电容器件位于所述N型离子区中，用来存储光电二极管区收集到的光电电荷。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控制方法，包括步骤：a、N型离子区复位操作，晶体管电容器件栅极、多晶硅环处于低电平，低电平电压为0V，开启复位晶体管、电荷传输晶体管，时间持续1us～10us，清除N型离子区电荷后，关闭复位晶体管、电荷传输晶体管；b、光电二极管区积分操作，在N型离子区复位操作后，复位晶体管、电荷传输晶体管处于关闭状态，将晶体管电容器件的栅极和多晶硅环从低电平置为高电平，高电平电压为1V～电源电压，持续积分周期时间后，将多晶硅环电势从高电平置为低电平，光电二极管区积分完毕；c、等待像素进一步操作，等待时间为0s～1s，等待时间为读取其它像素信号操作时间；d、漂浮有源区复位操作，多晶硅环处于低电平，晶体管电容器件栅极处于高电平，电荷传输晶体管处于关闭状态，开启复位晶体管，持续时间为1us～10us，漂浮有源区的电荷清除完毕后，关闭复位晶体管；e、读取复位信号操作，漂浮有源区复位操作完毕后，读取漂浮有源区的复位信号；f、光电电荷转移操作，多晶硅环处于低电平，复位晶体管处于关闭状态，开启电荷传输晶体管，然后将晶体管电容器件的栅极从高电平置为低电平，光电电荷转移完毕后，关闭电荷传输晶体管；g、读取光电信号操作，光电电荷转移操作完毕后，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控制方法，由于像素中多晶硅环位于光电二极管区侧壁，并且两者之间设置有薄氧化层，多晶硅环为高电平时在光电二极管区感应出电场，为低电平时不感应出电场，光电二极管区的积分时间为多晶硅环高电平时间；所述晶体管电容器件位于N型离子区中，晶体管电容用来存储光电二极管区收集到的光电电荷，适用于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中的图像传感器的像素结构示意图。图3是本专利技术实施例中的图像传感器像素中图2所示切线1位置的切面示意图。图4是本专利技术实施例中的图像传感器像素中图2所示切线2位置的切面示意图。图5是本专利技术实施例中的图像传感器像素工作的时序控制示意图。图6是本专利技术实施例中的图像传感器像素工作时，光电二极管区开始积分前进行N型离子区复位操作的势阱示意图。图7是本专利技术实施例中的图像传感器像素工作时，光电二极管区积分过程的势阱示意图。图8是本专利技术实施例中的图像传感器像素工作时，等待像素进一步操作时的势阱示意图。图9是本专利技术实施例中的图像传感器像素工作时，进行光电电荷转移操作的势阱示意图。图10是本专利技术实施例中的图像传感器像素工作时，进行读取光电信号操作时的势阱示意图。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区，电荷传输晶体管，复位晶体管，源跟随晶体管，选择晶体管，还包括设于光电二极管区外围的多晶硅环和薄氧化层环、晶体管电容器件、N型离子区；所述多晶硅环位于光电二极管区侧壁，所述多晶硅环与光电二极管区之间设置有薄氧化层环，多晶硅环用来控制光电二极管区有无电场；所述晶体管电容器件位于所述N型离子区中，用来存储光电二极管区收集到的光电电荷。所述多晶硅环在所述N型离子区区域开口，所述N型离子区与所述光电二极管区接触，所述N型离子区为所述电荷传输晶体管的源极；所述多晶硅环的外围为浅槽隔离区。所述多晶硅环在半导体基体中的深度大于等于0.5um、宽度大于等于0.1um；所述晶体管电容器件的栅极与所述N型离子区的边缘的距离大于等于0.1um，所述晶体管电容器件的栅极面积大于等于0.01um2；所述多晶硅环与所述光电二极管区之间的薄氧化层环的厚度为3nm～15nm；所述N型离子区与浅槽隔离区的距离大于等于0.1um，其深度小于等于0.5um。所述光电二极管区硅表面设置有P+型Pin层，所述晶体管电容器件的源漏有源区区域的硅表面设置有P+型Pin层，所述P+型Pi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区，电荷传输晶体管，复位晶体管，源跟随晶体管，选择晶体管，其特征在于，还包括设于光电二极管区外围的多晶硅环和薄氧化层环、晶体管电容器件、N型离子区；所述多晶硅环位于光电二极管区侧壁，所述多晶硅环与光电二极管区之间设置有薄氧化层环，多晶硅环用来控制光电二极管区有无电场；所述晶体管电容器件位于所述N型离子区中，用来存储光电二极管区收集到的光电电荷。

【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区，电荷传输晶体管，复位晶体管，源跟随晶体管，选择晶体管，其特征在于，还包括设于光电二极管区外围的多晶硅环和薄氧化层环、晶体管电容器件、N型离子区；所述多晶硅环位于光电二极管区侧壁，所述多晶硅环与光电二极管区之间设置有薄氧化层环，多晶硅环用来控制光电二极管区有无电场；所述晶体管电容器件位于所述N型离子区中，用来存储光电二极管区收集到的光电电荷；所述多晶硅环在所述N型离子区区域开口，所述N型离子区与所述光电二极管区接触，所述N型离子区为所述电荷传输晶体管的源极；所述多晶硅环的外围为浅槽隔离区。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，所述多晶硅环在半导体基体中的深度大于等于0.5um、宽度大于等于0.1um；所述晶体管电容器件的栅极与所述N型离子区的边缘的距离大于等于0.1um，所述晶体管电容器件的栅极面积大于等于0.01um2；所述多晶硅环与所述光电二极管区之间的薄氧化层环的厚度为3nm～15nm；所述N型离子区与浅槽隔离区的距离大于等于0.1um，其深度小于等于0.5um。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，所述光电二极管区硅表面设置有P+型Pin层，所述晶体管电容器件的源漏有源区区域的硅表面设置有P+型Pin层，所述P+型Pin层的厚度小于等于0.2um。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N型离子区、晶体管电容器件和电荷传输晶体管上方覆盖有遮光金属。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型离子区的N型离子浓度为1E15Atom...

【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