图像传感器
阅读：701发布：2023-01-23
专利汇可以提供图像传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型提供图像 传感器 ，包括：多个呈阵列排布的 像素 单元，像素单元包括：源跟随晶体管，源跟随晶体管的 沟道 区区域靠近栅极 氧 化层内表面设置有第一N型掺杂区域，或者源跟随晶体管的沟道区区域沿栅极氧化层向内依次设置有P型掺杂区域，第二N型掺杂区域；源跟随晶体管的栅极氧化层较像素单元其它晶体管最厚的栅极氧化层薄至少5埃，增大源跟随晶体管的跨导。，下面是图像传感器专利的具体信息内容。
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：多个呈阵列排布的像素单元，所述像素单元包括：
源跟随晶体管，所述源跟随晶体管的沟道区区域靠近栅极氧化层内表面设置有第一N型掺杂区域，或者所述源跟随晶体管的沟道区区域沿栅极氧化层向内依次设置有P型掺杂区域，第二N型掺杂区域；
所述源跟随晶体管的栅极氧化层较所述像素单元其它晶体管最厚的栅极氧化层薄至少5埃，增大所述源跟随晶体管的跨导。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述像素单元还包括：复位晶体管，所述复位晶体管的源级与复位电压连接；所述复位晶体管的漏极与浮置扩散区连接，所述复位晶体管设置有钳位浮置扩散区电位机制，防止所述浮置扩散区减去源跟随晶体管漏极的电位的绝对值高于源跟随晶体管的漏级、栅极之间的击穿电压。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述钳位浮置扩散区电位机制为：
控制所述复位晶体管的阀值电压低于0V。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，所述复位晶体管的阀值电压为大于等于-1.5V小于等于-0.5V，所述栅极电压为大于等于0V小于等于5V。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一N型掺杂区域的深度为：
-3 -3
0微米至0.2微米；掺杂浓度为：1e16 atom/cm 至3e18atom/cm 。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述P型掺杂区域的深度为0微米-3 -3
至0.05微米，掺杂浓度为1e16 atom/cm 至2e18atom/cm ；第二N型掺杂区域的深度为0-3 -3
微米至0.2微米 ，掺杂浓度为1e16 atom/cm 至3e18atom/cm 。
7.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述复位晶体管的源级电压为：
大于等于2.5V小于等于3.5V；所述源跟随晶体管的漏级电压为：大于等于2.1V小于等于
3.5V。
图像传感器
技术领域
[0001] 本实用新型涉及图像传感器领域，尤其涉及一种图像传感器及降低图像传感器噪声的方。
背景技术
[0003] 图像传感器按又可分为互补金属氧化物（CMOS）图像传感器和电荷耦合器件（CCD）图像传感器。CCD图像传感器的优点是对图像敏感度较高且噪声小，但是CCD图像传感器与其他器件的集成比较困难，而且CCD图像传感器的功耗较高。相比之下，CMOS图像传感器具有工艺简单、易与其他器件集成、体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点。因此，随着技术发展，CMOS图像传感器越来越多地取代CCD图像传感器应用于各类电子产品中。目前CMOS图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、照相手机、数码摄像机、医疗用摄像装置（例如胃镜）、车用摄像装置等。
[0005] 一直以来，一对矛盾的因素一起推动图像传感器向前发展：
[0006] 1. 经济因素：一个晶圆可产出的图像传感器芯片越多，则图像传感器芯片的成本越低，而像素单元占据整个图像传感器芯片的大部分面积，因此，为了节省成本，要求像素单元的尺寸制作得较小，也就是说，出于经济因素考虑，要求图像传感器中像素单元的尺寸缩小。
[0007] 2. 图像质量因素：为了保证图像质量，特别是为了保证光线敏感度、色彩饱和度和成像通透性等指标，需要有足够的光线入射到像素单元的光电转换元件（通常采用光电二极管）中，而较大的像素单元能够有较大的感光面积接受光线，因此，较大的像素单元原则上可以提供较好的图像质量；此外，像素单元中除了光电转换元件外，还有相当部分的开关器件，例如重置晶体管、传输晶体管和放大器件（如源跟随晶体管），这些器件同样决定着暗电流、噪声和图像缺陷等，从图像质量角度考虑，原则上大器件的电学性能更好，有助于形成质量更好的图像；为此可知，出于图像质量因素考虑，要求图像传感器中像素单元的尺寸增大。
[0008] 在图像传感器像素面积有限的前提下，图像信号强度相对限定，通过降低传感器的噪声，从而获得高的图像信号噪声比，是提高图像传感器质量的重要途径。源跟随器噪声是图像传感器噪声的重要源头，因而采用低噪声且性能稳定的源跟随器是降低图像传感器噪声的重要方法。
[0009] 现有技术中，像素单元往往采用4T或3T结构，以4T结构为例，每一像素单元包括：光电转换单元（Photodiode 或 Photodetector）、转移晶体管（Transfer Transistor）、复位晶体管(Reset Transistor)、源跟随晶体管（Source Follow Transistor）、行选通晶体管（Row Selector Transistor）；光线通过光电转换单元的电荷收集区进行收集转换为信号电荷，经转移晶体管转移至浮置扩散区（FD）转换为信号电位，浮置扩散区与源跟随晶体管的栅极相连接，现有设计中由于浮置扩散区在光生伏特效应的作用下电位易被拉低，导致源跟随晶体管的源级、栅极反向击穿，影响晶体管的性能；此外，电荷转移的过程中电荷易于依附于界面表面的缺陷导致噪声；因此，如何解决像素单元中的上述各种技术难点成为业内广泛研究的课题。实用新型内容
[0010] 本实用新型提供一种图像传感器，包括：多个呈阵列排布的像素单元，所述像素单元包括：
[0011] 源跟随晶体管，所述源跟随晶体管的沟道区区域靠近栅极氧化层内表面设置有第一N型掺杂区域，或者所述源跟随晶体管的沟道区区域沿栅极氧化层向内依次设置有P型掺杂区域，第二N型掺杂区域；
[0012] 所述源跟随晶体管的栅极氧化层较所述像素单元其它晶体管最厚的栅极氧化层薄至少5埃，增大所述源跟随晶体管的跨导。
[0013] 优选的，所述像素单元还包括：复位晶体管，所述复位晶体管的源级与复位电压连接；所述复位晶体管的漏极与浮置扩散区连接，所述复位晶体管设置有钳位浮置扩散区电位机制，防止所述浮置扩散区减去源跟随晶体管漏极的电位的绝对值高于源跟随晶体管的漏级、栅极之间的击穿电压。
[0015] 优选的，所述复位晶体管的阀值电压为大于等于-1.5V小于等于-0.5V，所述栅极电压为大于等于0V小于等于5V。
[0016] 优选的，所述第一N型掺杂区域的深度为：0微米至0.2微米；掺杂浓度为：1e16 -3 -3atom/cm 至3e18atom/cm 。
[0017] 优选的，所述P型掺杂区域的深度为0微米至0.05微米，掺杂浓度为1e16 atom/-3 -3cm 至2e18atom/cm ；第二N型掺杂区域的深度为0微米至0.2微米 ，掺杂浓度为1e16 -3 -3
atom/cm 至3e18atom/cm 。
atom/cm 至3e18atom/cm 。
[0018] 优选的，所述复位晶体管的源级电压为：大于等于2.5V小于等于3.5V；所述源跟随晶体管的漏级电压为：大于等于2.1V小于等于3.5V。
[0019] 本实用新型具有如下技术优势：
[0020] 1. 通过采用埋沟晶体管用作源跟随晶体管，降低了图像传感器的噪声。
[0021] 2. 源跟随晶体管通过采用比像素区域其它晶体管更薄的栅级氧化层，提高了源跟随晶体管的跨导，有利于降低噪声。
[0024] 图1为现有技术中图像传感器的整体功能模块图；
[0025] 图2为本实用新型一实施例的像素单元的晶体管连接示意图；
[0026] 图3为本实用新型一实施例的源跟随晶体管的结构示意图；
[0027] 图4为本实用新型另一实施例的源跟随晶体管的结构示意图；
[0028] 图5为本实用新型降低图像传感器噪声的方法的流程示意图。
具体实施方式
[0029] 如背景技术所述，现有技术中图像传感器的源跟随晶体管易发生反向击穿，并且电荷转移的过程中由于缺陷导致电荷噪声较大。
[0030] 基于上述技术缺陷，本实用新型提供一种图像传感器及降低图像传感器噪声的方法，为了对本实用新型的目的、特性、优点更为明显易懂，下面结合说明书附图对本实用新型的实施例做具体的说明。
[0031] 请参考图1，图1为现有技术中图像传感器的整体功能模块图，图像传感器包括：像素阵列10、控制模块20、读取模块30，其中像素阵列10由N行乘以M列的若干像素单元
100组成（N、M为大于等于1的自然数），控制模块20通过对行中像素单元的选通，经过读取模块30的列方向读取，读出信号。其中读取模块30还包括增益单元，模数转换单元等若干信号处理模块，将处理完成的信号传输至功能逻辑模块40进行后续的数字处理。
100组成（N、M为大于等于1的自然数），控制模块20通过对行中像素单元的选通，经过读取模块30的列方向读取，读出信号。其中读取模块30还包括增益单元，模数转换单元等若干信号处理模块，将处理完成的信号传输至功能逻辑模块40进行后续的数字处理。
[0032] 请参考图2、图3，图2为本实用新型一实施例的像素单元的晶体管连接示意图；图3为本实用新型一实施例的源跟随晶体管的结构示意图。像素单元100包括：光电二极管101、转移晶体管103、复位晶体管105、源跟随晶体管107、行选通晶体管109。光电二极管的第一级接地GND，第二级接转移晶体管103的源级；转移晶体管103的栅极接栅极控制信号Vtg，转移晶体管103的漏极接浮置扩散区111；光线照射图像传感器，通过光电二极管101转换并于光电二极管101的电荷收集区形成并收集信号电荷，信号电荷通过转移晶体管103转移于浮置扩散区111形成信号电位。复位晶体管105的栅极接复位控制信号Vrst，复位晶体管105的源级接复位电压，在一实施例中接电源电压VDD，复位晶体管105的漏极接浮置扩散区111，适于复位浮置扩散区111的信号电位。源跟随晶体管107的栅极接浮置扩散区，源跟随晶体管107的漏级接电源电压VDD，源跟随晶体管107的源极接行选通晶体管109的源级，浮置扩散区的电位用于控制源跟随晶体管107并输出一个与信号电位有关的信号；行选通晶体管109的栅极接行选通控制信号，行选通晶体管109的漏极接输出信号端。复位晶体管105设置有钳位浮置扩散区电位的机制，钳位浮置扩散区111电位的机制目的在于防止所述浮置扩散区111的电位过低，导致浮置扩散区减去源跟随晶体管漏极的电位的绝对值高于源跟随晶体管的漏级、栅极之间的击穿电压，使得源跟随晶体管107反向击穿。具体的在一实施例中控制复位晶体管的阀值电压低于0V，复位晶体管105的阀值电压具体为大于等于-1.5V小于等于-0.5V，复位晶体管105的栅极电压为大于等于0V小于等于5V。具体的，在第一状态时，复位晶体管105打开，转移晶体管103关闭，复位晶体管105的源级接复位电压复位连接于复位晶体管105漏极的浮置扩散区111，浮置扩散区111此时的电位为第一电压，第一电压的大小为2.5V至3.5V。在第二状态时，复位晶体管105关闭，此时浮置扩散区111的电位为第二电压，第二电压为2.4V至3.4V之间，第二电压较第二电压小；之后打开转移晶体管103，转移晶体管103转移经光电二极管转换的信号电荷至浮置扩散区111转换为信号电压，积分完成后再次关闭转移晶体管103此时浮置扩散区111的信号电压为第三电压，第三电压为0V至3.4V，第三电压的数值小于第二电压。
第三状态时，当第三电压Vd小于等于复位晶体管105的栅极电压Vg减去复位晶体管105的阀值电压Vth时（即对于复位晶体管：Vd≤Vg-Vth），由于此时Vg为0V，复位晶体管105的阀值电压Vth为负数（在本实施例中Vth为大于等于-1.5V小于等于-0.5V）使得复位晶体管105易于打开，复位晶体管105再次打开，通过复位电压拉高第三电压至第四电压，第四电压为0.5V至1.2V，由于浮置扩散区111连接于源跟随晶体管107的栅极，此时源跟随晶体管107的栅极电位也即为第四电压，源跟随晶体管107的漏极电压减去源跟随晶体管
107的第四电压的绝对值小于等于第五电压，第五电压为源跟随晶体管的反向击穿电压，由于此时源跟随晶体管107的栅极电位被拉高，源跟随晶体管107的漏极电压减去源跟随晶体管107的第四电压的数值绝对只会更小，更加容易防止源跟随晶体管107漏栅极的反向击穿，第五电压为大于4V。此外，复位晶体管的源级电压为：大于等于2.5V小于等于3.5V；
所述源跟随晶体管的源级电压为：大于等于2.1V小于等于3.5V。
第三状态时，当第三电压Vd小于等于复位晶体管105的栅极电压Vg减去复位晶体管105的阀值电压Vth时（即对于复位晶体管：Vd≤Vg-Vth），由于此时Vg为0V，复位晶体管105的阀值电压Vth为负数（在本实施例中Vth为大于等于-1.5V小于等于-0.5V）使得复位晶体管105易于打开，复位晶体管105再次打开，通过复位电压拉高第三电压至第四电压，第四电压为0.5V至1.2V，由于浮置扩散区111连接于源跟随晶体管107的栅极，此时源跟随晶体管107的栅极电位也即为第四电压，源跟随晶体管107的漏极电压减去源跟随晶体管
107的第四电压的绝对值小于等于第五电压，第五电压为源跟随晶体管的反向击穿电压，由于此时源跟随晶体管107的栅极电位被拉高，源跟随晶体管107的漏极电压减去源跟随晶体管107的第四电压的数值绝对只会更小，更加容易防止源跟随晶体管107漏栅极的反向击穿，第五电压为大于4V。此外，复位晶体管的源级电压为：大于等于2.5V小于等于3.5V；
所述源跟随晶体管的源级电压为：大于等于2.1V小于等于3.5V。
[0033] 本实施例中，源跟随晶体管107还采用埋沟器件的结构，请参见图3，源跟随晶体管107包括：栅极1071、栅级氧化层1072、具有N型掺杂的源级1073、具有N型掺杂的漏极1074，在源跟随晶体管107的沟道区区域靠经栅极氧化层1072内表面设置有第一N型掺杂区域1075，第一N型掺杂区域的深度为：0微米至0.2微米；掺杂浓度为：1e16 atom/cm-3至3e18atom/cm-3；源跟随晶体管107的栅极氧化层1072在工艺制作中相比较转移晶体管
103、复位晶体管105、行选通晶体管109的栅极氧化层都要薄，并且比上述晶体管中最厚的栅极氧化层至少薄5埃，这是为了增大源跟随晶体管107的跨导。在本实施例中，通过设计降低复位晶体管105的阀值电压至0V以下，在浮置扩散区111的电位由于光生伏特效应被拉低时，可提高此时在浮置扩散区111的电位进而控制源跟随晶体管109的栅极电位，防止源跟随晶体管109反向击穿，此外，通过对源跟随晶体管107埋沟器件的设计能降低缺陷的影响，减小源跟随晶体管107的栅极氧化层的厚度以便增加源跟随晶体管107的跨导，防止反向击穿。
103、复位晶体管105、行选通晶体管109的栅极氧化层都要薄，并且比上述晶体管中最厚的栅极氧化层至少薄5埃，这是为了增大源跟随晶体管107的跨导。在本实施例中，通过设计降低复位晶体管105的阀值电压至0V以下，在浮置扩散区111的电位由于光生伏特效应被拉低时，可提高此时在浮置扩散区111的电位进而控制源跟随晶体管109的栅极电位，防止源跟随晶体管109反向击穿，此外，通过对源跟随晶体管107埋沟器件的设计能降低缺陷的影响，减小源跟随晶体管107的栅极氧化层的厚度以便增加源跟随晶体管107的跨导，防止反向击穿。
[0034] 请继续参考图4，图4为本实用新型另一实施例的源跟随晶体管的结构示意图，在本实施例中，源跟随晶体管107同样采用埋沟器件的结构，请参见图4，源跟随晶体管107包括：栅极1071、栅级氧化层1072、具有N型掺杂的源级1073、具有N型掺杂的漏极1074，源跟随晶体管的沟道区区域沿栅极氧化层向内依次设置有P型掺杂区域1076，第二N型掺杂区域1077，P型掺杂区域1076的深度为0微米至0.05微米，掺杂浓度为1e16 atom/cm-3至2e18atom/cm-3；第二N型掺杂区域1077的深度为0微米至0.2微米 ，掺杂浓度为1e16 atom/cm-3至3e18atom/cm-3；源跟随晶体管107的栅极氧化层1072在工艺制作中相比较转移晶体管103、复位晶体管105、行选通晶体管109的栅极氧化层都要薄，并且比上述晶体管中最厚的栅极氧化层至少薄5埃，这是为了增大源跟随晶体管107的跨导。在本实施例中，通过设计降低复位晶体管105的阀值电压至0V以下，在浮置扩散区111的电位由于光生伏特效应被拉低时，可提高此时在浮置扩散区111的电位进而控制源跟随晶体管109的栅极电位，防止源跟随晶体管109反向击穿，此外，通过对源跟随晶体管107埋沟器件的设计能降低缺陷的影响，减小源跟随晶体管107的栅极氧化层的厚度以便增加源跟随晶体管107的跨导，防止反向击穿。请参考图5，图5为本实用新型降低图像传感器噪声的方法的流程示意图,步骤包括：S101：提供图像传感器，其包括:多个呈阵列排布的像素单元; S103：像素单元中提供源跟随晶体管，所述源跟随晶体管的沟道区区域靠近栅极氧化层内表面设置有第一N型掺杂区域，或者所述源跟随晶体管的沟道区区域沿栅极氧化层向内依次设置有P型掺杂区域，第二N型掺杂区域，以降低所述图像传感器的噪声；S105：提供源跟随晶体管的栅极氧化层，使得较所述像素单元其它晶体管最厚的栅极氧化层薄至少5埃，增大所述源跟随晶体管的跨导。所述步骤还包括：提供复位晶体管，所述复位晶体管的源级与复位电压连接；所述复位晶体管的漏极与浮置扩散区连接，所述复位晶体管设置有钳位浮置扩散区电位机制，防止所述浮置扩散区减去源跟随晶体管漏极的电位的绝对值高于源跟随晶体管的漏级、栅极之间的击穿电压。所述钳位浮置扩散区电位机制为：控制所述复位晶体管的阀值电压低于0V。所述复位晶体管的阀值电压为大于等于-1.5V小于等于-0.5V，所述栅极电压为大于等于0V小于等于5V。所述第一N型掺杂区域的深度为：
0微米至0.2微米；掺杂浓度为：1e16 atom/cm-3至3e18atom/cm-3。P型掺杂区域的深度为0微米至0.05微米，掺杂浓度为1e16 atom/cm-3至2e18atom/cm-3；第二N型掺杂区域的深度为0微米至0.2微米，掺杂浓度为1e16 atom/cm-3至3e18atom/cm-3。所述复位晶体管的源级电压为：大于等于2.5V小于等于3.5V；所述源跟随晶体管的源级电压为：大于等于2.1V小于等于3.5V。
0微米至0.2微米；掺杂浓度为：1e16 atom/cm-3至3e18atom/cm-3。P型掺杂区域的深度为0微米至0.05微米，掺杂浓度为1e16 atom/cm-3至2e18atom/cm-3；第二N型掺杂区域的深度为0微米至0.2微米，掺杂浓度为1e16 atom/cm-3至3e18atom/cm-3。所述复位晶体管的源级电压为：大于等于2.5V小于等于3.5V；所述源跟随晶体管的源级电压为：大于等于2.1V小于等于3.5V。
[0035] 所述方法包括:第一状态时,所述复位晶体管打开,所述转移晶体管关闭;所述复位晶体管的源级接复位电压复位连接于所述复位晶体管漏极的浮置扩散区,所述浮置扩散区电位为第一电压;第二状态时,所述复位晶体管关闭,所述浮置扩散区电位为第二电压，打开所述转移晶体管;所述转移晶体管转移经光电转换元件转换的信号电荷至浮置扩散区转换为信号电压,积分完成后关闭转移晶体管，所述浮置扩散区信号电压为第三电压,所述第三电压小于第二电压;第三状态时,当第三电压小于等于复位晶体管的栅极电压减去复位晶体管的阀值电压值时，所述复位晶体管再次打开,所述复位晶体管的阀值电压低于0V,通过所述复位电压拉高所述第三电压至第四电压;所述浮置扩散区连接所述源跟随晶体管的栅极，所述源跟随晶体管的栅极的电位为第四电压，第四电压减去源跟随晶体管的漏极电位的绝对值小于等于第五电压,以防止源跟随晶体管漏级、栅极的反向击穿。
[0036] 所述第一电压为2.5V至3.5V：；所述第二电压为2.4V至3.4V：所述第三电压为3.4V至0V。所述复位晶体管的阀值电压值为0.5V至1.2V。所述第四电压为：0.5V至1.2V。
所述第五电压为所述浮置扩散区的反向击穿电压，所述第五电压为大于4V。
所述第五电压为所述浮置扩散区的反向击穿电压，所述第五电压为大于4V。
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