專利名稱：Cmos圖像傳感器及cmos圖像傳感電路系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，特別是涉及一種CMOS圖像傳感器及信號讀出電路。
背景技術(shù)：
圖像傳感器是一種廣泛應(yīng)用于數(shù)碼成像、航空航天以及醫(yī)療影像領(lǐng)域的電子元器件，其中，電荷耦合器件(charge coupled deviCe，CCD)圖像傳感器和互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)圖像傳感器是常見的兩種圖像傳感器。由于CCD圖像傳感器具有低的讀出噪音和暗電流噪音、及高光子轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點，所以其信噪比及靈敏度都較高，即便很低光照強度的入射光也能被其偵測到，而且信號也不會被掩蓋。此外，CCD圖像傳感器還具有高動態(tài)范圍，使得系統(tǒng)環(huán)境的使用范圍高，不會因亮度差異大而造成信號反差現(xiàn)象，但其缺點在于功耗比較大，供給電壓不一致，與傳統(tǒng)的 CMOS工藝不匹配，集成度不高，成本偏高等。CMOS圖像傳感器在過去幾十年中取得了顯著的發(fā)展。至今，CMOS圖像傳感器已研制出三大類，即CMOS無源像素傳感器(CMOS-PPS)、CMOS有源像素傳感器(CMOS-APS)和 CMOS數(shù)字像素傳感器(CMOS-DPS)。有源像素結(jié)構(gòu)相對無源像素傳感器結(jié)構(gòu)在像素單元里增加了有源放大管，由此減小了讀出噪聲并且提高了讀出速度；另外由于有源放大管僅僅在讀出狀態(tài)下才工作，因此其功耗也較??；但是有源像素傳感器在提高性能的同時也付出了增加像素單元面積和減小“填充系數(shù)(Fill Factor)”的代價。近年來，美國斯坦福大學(xué)最早提出了一種新的CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)一數(shù)字像素傳感器(DPQ，即在像素單元里集成了 ADC 等。然而，現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍較低，且敏感性也較差，故需要改進。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種高動態(tài)范圍及高靈敏性的CMOS圖像傳感器。本發(fā)明的另一目的在于提供一種CMOS圖像傳感電路系統(tǒng)。為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供的CMOS圖像傳感器，其至少包括形成于半導(dǎo)體襯底的第一光電區(qū)及第二光電區(qū)，分別用于基于所感測的光信號來產(chǎn)生相應(yīng)電荷；形成于所述半導(dǎo)體襯底的浮置擴散區(qū)，用于收集來自所述第一光電區(qū)或第二光電區(qū)的電荷；形成于所述半導(dǎo)體襯底的存儲區(qū)，用于存儲所述第一光電區(qū)所產(chǎn)生的電荷；形成于所述半導(dǎo)體襯底的復(fù)位晶體管區(qū)，其包含柵電極，用于基于所接入的復(fù)位信號使所述浮置擴散區(qū)復(fù)位；連接所述第一光電區(qū)及存儲區(qū)的第一電極，用于接入第一控制信號，以便所述第一光電區(qū)的電荷基于第一控制信號運動至所述存儲區(qū)與所述浮置擴散區(qū)；
連接所述第二光電區(qū)及浮置擴散區(qū)的第二電極，用于接入第二控制信號，以便所述第二光電區(qū)的電荷基于第二控制信號運動至所述浮置擴散區(qū)；以及連接所述存儲區(qū)與浮置擴散區(qū)的第三電極，用于接入第三控制信號，以便使所述第一光電區(qū)的電荷基于第三控制信號運動至所述浮置擴散區(qū)。優(yōu)選地，所述第二光電區(qū)的結(jié)構(gòu)為PIN結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供的CMOS圖像傳感電路系統(tǒng)，其至少包括前述的CMOS圖像傳感器；信號讀取單元，用于讀取所述CMOS圖像傳感器輸出的因第一光電區(qū)所感測的光信號所生成的第一電信號、或讀取所述CMOS圖像傳感器輸出的因第二光電區(qū)所感測的光信號所生成的第二電信號；以及輸出單元，用于基于第二電信號來判斷所讀取的所述第二光電區(qū)的光電二極管是否處于飽和區(qū)，并當(dāng)所述第二光電區(qū)的光電二極管未處于飽和區(qū)時，將所讀取的第二電信號作為所述CMOS圖像傳感器的輸出信號予以輸出；否則將所讀取的第一電信號作為所述 CMOS圖像傳感器的輸出信號予以輸出。如上所述，本發(fā)明具有以下有益效果具有高的動態(tài)范圍及光敏感性。


圖1顯示為本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2顯示為圖1所示的AA’方向的剖視圖。圖3顯示為本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的第二光電區(qū)的優(yōu)選結(jié)構(gòu)示意圖。圖4顯示為本發(fā)明的CMOS圖像傳感電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。元件標(biāo)號說明1CMOS圖像傳感器
11第一光電區(qū)
12第二光電區(qū)
13浮置擴散區(qū)
14存儲區(qū)
15復(fù)位晶體管區(qū)
151柵電極
16第一電極
17第二電極
18第三電極
2CMOS圖像傳感電路系統(tǒng)
21CMOS圖像傳感器
22信號讀取單元
23輸出單元
具體實施例方式
以下由特定的具體實施例說明本發(fā)明的實施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點及功效。請參閱圖1至圖4。須知，本說明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本發(fā)明可實施的限定條件，故不具技術(shù)上的實質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本發(fā)明所能產(chǎn)生的功效及所能達成的目的下，均應(yīng)仍落在本發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容得能涵蓋的范圍內(nèi)。同時，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及 “一”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發(fā)明可實施的范圍，其相對關(guān)系的改變或調(diào)整，在無實質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當(dāng)亦視為本發(fā)明可實施的范疇。如圖所示，本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器。所述CMOS圖像傳感器1包括第一光電區(qū)11、第二光電區(qū)12、浮置擴散區(qū)13、存儲區(qū)14、復(fù)位晶體管區(qū)15、第一電極16、第二電極17及第三電極18。所述第一光電區(qū)11(即PDl)形成于半導(dǎo)體襯底10，用于基于所感測的光信號來產(chǎn)生相應(yīng)電荷，其可采用PN結(jié)光電二極管、PIN光電二極管、光門(Wiotogate)等任意一種能基于所感測的光信號來產(chǎn)生相應(yīng)光生電荷的結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地，其可采用釘扎光電二極管 (Pinned photodiode)結(jié)構(gòu)。所述第二光電區(qū)12(即PD2)形成于半導(dǎo)體襯底10，用于基于所感測的光信號來產(chǎn)生相應(yīng)光生電荷，優(yōu)選地，其可采用任意一種基于所感測的弱光信號來產(chǎn)生相應(yīng)電荷的結(jié)構(gòu)，更為優(yōu)選地，可采用PIN結(jié)構(gòu)。例如，如圖3所示的P型子區(qū)與N型子區(qū)相互間隔成叉指狀的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可先通過對半導(dǎo)體襯底10的刻蝕產(chǎn)生叉指結(jié)構(gòu)溝槽，其中，溝槽之間的間隔寬度不大于半導(dǎo)體襯底10中少子的擴散長度，優(yōu)選地，溝槽寬度在10nm-500nm之間，然后每隔一個溝槽填入P型多晶硅，剩下的溝槽填入N型多晶硅，由此來獲得該PIN結(jié)構(gòu)的第二光電區(qū)12。所述浮置擴散區(qū)13(即FD)形成于所述半導(dǎo)體襯底10，用于收集來自所述第一光電區(qū)11和/或第二光電區(qū)12的電荷，其可通過在半導(dǎo)體襯底10的局部區(qū)域摻雜來形成， 例如，在硅襯底的局部區(qū)摻雜形成的N型區(qū)域作為浮置擴散區(qū)。優(yōu)選地，所述浮置擴散區(qū)13 處于所述存儲區(qū)14與第二光電區(qū)12之間，如圖2所示。所述存儲區(qū)14(即SD)形成于所述半導(dǎo)體襯底10，用于存儲所述第一光電區(qū)11所產(chǎn)生的電荷，其也可通過在半導(dǎo)體襯底10的局部區(qū)域摻雜來形成，例如，在硅襯底的局部區(qū)摻雜形成的N型區(qū)域作為存儲區(qū)。所述復(fù)位晶體管區(qū)15形成于所述半導(dǎo)體襯底，其包含柵電極151，用于基于所接入的復(fù)位信號使所述浮置擴散區(qū)13復(fù)位。第一電極16連接所述第一光電區(qū)11及存儲區(qū)14，用于接入第一控制信號，以便所述第一光電區(qū)11的電荷基于所述第一控制信號運動至所述存儲區(qū)14，優(yōu)選地，第一電極16 包括連接所述第一光電區(qū)11與存儲區(qū)14的柵電極，如圖2所示。所述第二電極17連接所述第二光電區(qū)12及浮置擴散區(qū)13，用于接入第二控制信號，以便所述第二光電區(qū)12的電荷基于所述第二控制信號運動至所述浮置擴散區(qū)13，優(yōu)選地，所述第二電極17為連接所述第二光電區(qū)12及浮置擴散區(qū)13的柵電極，如圖2所示。所述第三電極18連接所述存儲區(qū)14與浮置擴散區(qū)13，用于接入第三控制信號，以便使所述第一光電區(qū)11的電荷基于第三控制信號通過所述存儲區(qū)14運動至所述浮置擴散區(qū)13，優(yōu)選地，所述第三電極18包括連接所述浮置擴散區(qū)13與存儲區(qū)14的柵電極，如圖2 所示。需要說明的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員基于前述描述，應(yīng)該理解所述CMOS圖像傳感器的制備過程，優(yōu)選地，在制備時，先制作第二光電區(qū)12，即通過刻蝕產(chǎn)生PIN叉指結(jié)構(gòu)溝槽， 且溝槽間隔不大于所述半導(dǎo)體襯底的中少子擴散長度，優(yōu)選地，溝槽寬度在10nm-500nm之間，然后每隔一個溝槽填入P型多晶硅，剩下的溝槽填入N型多晶硅；隨后再通過標(biāo)準工藝來制備第一光電區(qū)11、浮置擴散區(qū)13、存儲區(qū)14以及第一柵電極151、第一電極16、第二電極17、第三電極18。此外，還需要說明的是，作為一種優(yōu)選方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，所述CMOS 圖像傳感器1還可包括源跟隨晶體管區(qū)、及地址選擇晶體管區(qū)等等，在此不再詳述。上述CMOS圖像傳感器1的工作過程如下先基于復(fù)位晶體管區(qū)15的柵電極151接入的復(fù)位信號使所述浮置擴散區(qū)13復(fù)位，隨后，使第一電極16接入第一控制信號，當(dāng)光線入射至第一光電區(qū)11及第二光電區(qū)12 時，第一光電區(qū)11及第二光電區(qū)12各自產(chǎn)生相應(yīng)的光生電子-空穴對，同時在第一控制信號的作用下，第一光電區(qū)11所產(chǎn)生的光生電荷向所述存儲區(qū)14運動，并存儲在所述存儲區(qū) 14;曝光完成后，首先第二電極18接入第二控制信號，此時，第二光電區(qū)12產(chǎn)生的電荷向所述浮置擴散區(qū)13運動，隨后基于所述浮置擴散區(qū)13所收集的電荷所產(chǎn)生的電勢來輸出相應(yīng)的第二電信號，并基于該第二電信號來獲得相應(yīng)圖像信息；而當(dāng)基于該第二電信號判斷第二光電區(qū)12包含的光電二極管處于飽和區(qū)時，則先使復(fù)位晶體管區(qū)15的柵電極再次接入復(fù)位信號，以便所述浮置擴散區(qū)13復(fù)位后，再使第三電極19接入第三控制信號，第一光電區(qū)11產(chǎn)生的電荷通過所述存儲區(qū)14向所述浮置擴散區(qū)13運動，隨后基于所述浮置擴散區(qū)13所收集的電荷所產(chǎn)生的電勢來輸出相應(yīng)的第一電信號，并基于該第一電信號來獲得相應(yīng)圖像信息。再請參見圖4，其為本發(fā)明提供的CMOS圖像傳感電路系統(tǒng)2示意圖。其中，所述 CMOS圖像傳感電路系統(tǒng)2包括CM0S圖像傳感器21、信號讀取單元22及輸出單元23。所述CMOS圖像傳感器21與前述圖1至圖3所示的CMOS圖像傳感器相同或相似， 并以引用的方式包含于此，不再詳述。所述信號讀取單元22用于讀取所述CMOS圖像傳感器21輸出的因第一光電區(qū)所感測的光信號所生成的第一電信號、及讀取所述CMOS圖像傳感器21輸出的因第二光電區(qū)所感測的光信號所生成的第二電信號。其中，所述CMOS圖像傳感器21先輸出第二電信號后，再輸出第一電信號。優(yōu)選地，所述信號讀取單元22可采用源跟隨器及信號放大電路等來實現(xiàn)，更優(yōu)地，所述信號讀取單元22可采用3T或4T型像素讀出電路實現(xiàn)。所述輸出單元23用于基于第二電信號來判斷所讀取的所述第二光電區(qū)的光電二極管是否處于飽和區(qū)，并當(dāng)所述第二光電區(qū)的光電二極管未處于飽和區(qū)時，將所讀取的第二電信號作為所述CMOS圖像傳感器21的輸出信號予以輸出；否則將所讀取的第一電信號作為所述CMOS圖像傳感器21的輸出信號予以輸出。優(yōu)選地，所述輸出單元23可采用比較器及選擇器等來實現(xiàn)。綜上所述，本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的第二光電區(qū)采用能感測微弱光的叉指結(jié)構(gòu)，能提高CMOS圖像傳感器的敏感性；此外，存儲區(qū)與第一光電區(qū)通過柵電極連接，使得第一光電區(qū)因感測光信號而產(chǎn)生的電荷能存儲在存儲區(qū)，由此可提高CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍；所以，本發(fā)明有效解決了 CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍和敏感性不高的問題，具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。 上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述CMOS圖像傳感器至少包括形成于半導(dǎo)體襯底的第一光電區(qū)及第二光電區(qū)，分別用于基于所感測的光信號來產(chǎn)生相應(yīng)電荷；形成于所述半導(dǎo)體襯底的浮置擴散區(qū)，用于收集來自所述第一光電區(qū)或第二光電區(qū)的電荷；形成于所述半導(dǎo)體襯底的存儲區(qū)，用于存儲所述第一光電區(qū)所產(chǎn)生的電荷；形成于所述半導(dǎo)體襯底的復(fù)位晶體管區(qū)，其包含柵電極，用于基于所接入的復(fù)位信號使所述浮置擴散區(qū)復(fù)位；連接所述第一光電區(qū)與存儲區(qū)的第一電極，用于接入第一控制信號，以便所述第一光電區(qū)的電荷基于第一控制信號運動至所述存儲區(qū)；連接所述第二光電區(qū)及浮置擴散區(qū)的第二電極，用于接入第二控制信號，以便所述第二光電區(qū)的電荷基于第二控制信號運動至所述浮置擴散區(qū)；以及連接所述存儲區(qū)與浮置擴散區(qū)的第三電極，用于接入第三控制信號，以便使所述第一光電區(qū)的電荷基于第三控制信號運動至所述浮置擴散區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于所述第二光電區(qū)的結(jié)構(gòu)包括基于所感測的弱光信號來產(chǎn)生相應(yīng)電荷的結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于所述第二光電區(qū)的結(jié)構(gòu)為PIN結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于所述PIN結(jié)構(gòu)中的相鄰P型子區(qū)和N型子區(qū)之間的間隔距離不大于所述半導(dǎo)體襯底的少子擴散長度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于每一P型子區(qū)的寬度在 10nm-500nmo
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于每一N型子區(qū)的寬度在 10nm-500nmo
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于所述第一光電區(qū)包括釘扎光電二極管的結(jié)構(gòu)。
8.一種CMOS圖像傳感電路系統(tǒng)，其特征在于所述CMOS圖像傳感電路系統(tǒng)至少包括基于權(quán)利要求1至7任一項所述的CMOS圖像傳感器；信號讀取單元，用于讀取所述CMOS圖像傳感器輸出的因第一光電區(qū)所感測的光信號所生成的第一電信號、或讀取所述CMOS圖像傳感器輸出的因第二光電區(qū)所感測的光信號所生成的第二電信號；輸出單元，用于基于第二電信號來判斷所讀取的所述第二光電區(qū)的光電二極管是否處于飽和區(qū)，并當(dāng)所述第二光電區(qū)的光電二極管未處于飽和區(qū)時，將所讀取的第二電信號作為所述CMOS圖像傳感器的輸出信號予以輸出；否則將所讀取的第一電信號作為所述CMOS 圖像傳感器的輸出信號予以輸出。
全文摘要
本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器及CMOS圖像傳感電路系統(tǒng)。其中，CMOS圖像傳感器包括分別用于基于所感測的光信號來產(chǎn)生相應(yīng)電荷的第一光電區(qū)及第二光電區(qū)；用于收集來自第一光電區(qū)或第二光電區(qū)的電荷的浮置擴散區(qū)；用于存儲第一光電區(qū)所產(chǎn)生的電荷的存儲區(qū)；用于使浮置擴散區(qū)復(fù)位的復(fù)位晶體管區(qū)；用于接入第一控制信號以便使第一光電區(qū)的電荷運動至存儲區(qū)的第一電極；用于接入第二控制信號以便使第二光電區(qū)的電荷運動至浮置擴散區(qū)的第二電極；以及用于接入第三控制信號以便使第一光電區(qū)的電荷運動至浮置擴散區(qū)的第三電極。本發(fā)明的優(yōu)點包括具有高的動態(tài)范圍及光敏感性。
文檔編號H04N5/374GK102544044SQ20121002255
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月1日
發(fā)明者方娜, 汪輝, 田犁, 苗田樂, 陳杰 申請人:上海中科高等研究院