圖像傳感器及降低圖像傳感器噪聲的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種圖像傳感器及降低圖像傳感器噪聲的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，圖像傳感器具有光電轉(zhuǎn)換元件。
[0003]圖像傳感器按又可分為互補(bǔ)金屬氧化物(CMOS)圖像傳感器和電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器。CCD圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)圖像敏感度較高且噪聲小，但是CCD圖像傳感器與其他器件的集成比較困難，而且CXD圖像傳感器的功耗較高。相比之下，CMOS圖像傳感器具有工藝簡(jiǎn)單、易與其他器件集成、體積小、重量輕、功耗小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此，隨著技術(shù)發(fā)展，CMOS圖像傳感器越來越多地取代CCD圖像傳感器應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中。目前CMOS圖像傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于靜態(tài)數(shù)碼相機(jī)、照相手機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、醫(yī)療用攝像裝置(例如胃鏡)、車用攝像裝置等。
[0004]圖像傳感器的核心元件是像素單元(Pixel)，像素單元直接影響圖像傳感器的尺寸大小、暗電流水平、噪聲水平、成像通透性、圖像色彩飽和度和圖像缺陷等等因素。
[0005]—直以來，一對(duì)矛盾的因素一起推動(dòng)圖像傳感器向前發(fā)展:
1.經(jīng)濟(jì)因素:一個(gè)晶圓可產(chǎn)出的圖像傳感器芯片越多，則圖像傳感器芯片的成本越低，而像素單元占據(jù)整個(gè)圖像傳感器芯片的大部分面積，因此，為了節(jié)省成本，要求像素單元的尺寸制作得較小，也就是說，出于經(jīng)濟(jì)因素考慮，要求圖像傳感器中像素單元的尺寸縮小。
[0006]2.圖像質(zhì)量因素:為了保證圖像質(zhì)量，特別是為了保證光線敏感度、色彩飽和度和成像通透性等指標(biāo)，需要有足夠的光線入射到像素單元的光電轉(zhuǎn)換元件(通常采用光電二極管)中，而較大的像素單元能夠有較大的感光面積接受光線，因此，較大的像素單元原則上可以提供較好的圖像質(zhì)量；此外，像素單元中除了光電轉(zhuǎn)換元件外，還有相當(dāng)部分的開關(guān)器件，例如重置晶體管、傳輸晶體管和放大器件(如源跟隨晶體管)，這些器件同樣決定著暗電流、噪聲和圖像缺陷等，從圖像質(zhì)量角度考慮，原則上大器件的電學(xué)性能更好，有助于形成質(zhì)量更好的圖像；為此可知，出于圖像質(zhì)量因素考慮，要求圖像傳感器中像素單元的尺寸增大。
[0007]在圖像傳感器像素面積有限的前提下，圖像信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)限定，通過降低傳感器的噪聲，從而獲得高的圖像信號(hào)噪聲比，是提高圖像傳感器質(zhì)量的重要途徑。源跟隨器噪聲是圖像傳感器噪聲的重要源頭，因而采用低噪聲且性能穩(wěn)定的源跟隨器是降低圖像傳感器噪聲的重要方法。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)中，像素單元往往采用4T或3T結(jié)構(gòu)，以4T結(jié)構(gòu)為例，每一像素單元包括:光電轉(zhuǎn)換單元(Photod1de 或 Photodetector)、轉(zhuǎn)移晶體管(Transfer Transistor)、復(fù)位晶體管(Reset Transistor)、源跟隨晶體管(Source Follow Transistor)、行選通晶體管(Row Selector Transistor);光線通過光電轉(zhuǎn)換單元的電荷收集區(qū)進(jìn)行收集轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷，經(jīng)轉(zhuǎn)移晶體管轉(zhuǎn)移至浮置擴(kuò)散區(qū)(FD)轉(zhuǎn)換為信號(hào)電位，浮置擴(kuò)散區(qū)與源跟隨晶體管的柵極相連接，現(xiàn)有設(shè)計(jì)中由于浮置擴(kuò)散區(qū)在光生伏特效應(yīng)的作用下電位易被拉低，導(dǎo)致源跟隨晶體管的源級(jí)、柵極反向擊穿，影響晶體管的性能；此外，電荷轉(zhuǎn)移的過程中電荷易于依附于界面表面的缺陷導(dǎo)致噪聲；因此，如何解決像素單元中的上述各種技術(shù)難點(diǎn)成為業(yè)內(nèi)廣泛研究的課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供一種圖像傳感器，包括:多個(gè)呈陣列排布的像素單元，所述像素單元包括:
源跟隨晶體管，所述源跟隨晶體管的溝道區(qū)區(qū)域靠近柵極氧化層內(nèi)表面設(shè)置有第一 N型摻雜區(qū)域，或者所述源跟隨晶體管的溝道區(qū)區(qū)域沿柵極氧化層向內(nèi)依次設(shè)置有P型摻雜區(qū)域，第二N型摻雜區(qū)域；
所述源跟隨晶體管的柵極氧化層較所述像素單元其它晶體管最厚的柵極氧化層薄至少5埃，增大所述源跟隨晶體管的跨導(dǎo)。
[0010]優(yōu)選的，所述像素單元還包括:復(fù)位晶體管，所述復(fù)位晶體管的源級(jí)與復(fù)位電壓連接；所述復(fù)位晶體管的漏極與浮置擴(kuò)散區(qū)連接，所述復(fù)位晶體管設(shè)置有鉗位浮置擴(kuò)散區(qū)電位機(jī)制，防止所述浮置擴(kuò)散區(qū)減去源跟隨晶體管漏極的電位的絕對(duì)值高于源跟隨晶體管的漏級(jí)、柵極之間的擊穿電壓。
[0011]優(yōu)選的，所述鉗位浮置擴(kuò)散區(qū)電位機(jī)制為:控制所述復(fù)位晶體管的閥值電壓低于OVo
[0012]優(yōu)選的，所述復(fù)位晶體管的閥值電壓為大于等于-1.5V小于等于-0.5V，所述柵極電壓為大于等于OV小于等于5V。
[0013]優(yōu)選的，所述第一 N型摻雜區(qū)域的深度為:0微米至0.2微米；摻雜濃度為:lel6atom/cm 3至 3el8atom/cm 3。
[0014]優(yōu)選的，所述P型摻雜區(qū)域的深度為O微米至0.05微米，摻雜濃度為lel6 atom/cm 3至2el8atom/cm 3;第二 N型摻雜區(qū)域的深度為O微米至0.2微米，摻雜濃度為lel6atom/cm 至 3el8atom/cm 。
[0015]優(yōu)選的，所述復(fù)位晶體管的源級(jí)電壓為:大于等于2.5V小于等于3.5V ;所述源跟隨晶體管的漏級(jí)電壓為:大于等于2.1V小于等于3.5V。
[0016]本發(fā)明還提供一種降低圖像傳感器噪聲的方法，其特征在于，
提供圖像傳感器，其包括:多個(gè)呈陣列排布的像素單元；
于像素單元中，提供源跟隨晶體管，所述源跟隨晶體管的溝道區(qū)區(qū)域靠近柵極氧化層內(nèi)表面設(shè)置有第一 N型摻雜區(qū)域，或者所述源跟隨晶體管的溝道區(qū)區(qū)域沿柵極氧化層向內(nèi)依次設(shè)置有P型摻雜區(qū)域，第二 N型摻雜區(qū)域，以降低所述圖像傳感器的噪聲；
提供源跟隨晶體管的柵極氧化層，使得較所述像素單元其它晶體管最厚的柵極氧化層薄至少5埃，增大所述源跟隨晶體管的跨導(dǎo)。
[0017]優(yōu)選的，提供復(fù)位晶體管，所述復(fù)位晶體管的源級(jí)與復(fù)位電壓連接；所述復(fù)位晶體管的漏極與浮置擴(kuò)散區(qū)連接，所述復(fù)位晶體管設(shè)置有鉗位浮置擴(kuò)散區(qū)電位機(jī)制，防止所述浮置擴(kuò)散區(qū)減去源跟隨晶體管漏極的電位的絕對(duì)值高于源跟隨晶體管的漏級(jí)、柵極之間的擊穿電壓。
[0018]優(yōu)選的，所述鉗位浮置擴(kuò)散區(qū)電位機(jī)制為:控制所述復(fù)位晶體管的閥值電壓低于OVo
[0019]優(yōu)選的，所述復(fù)位晶體管的閥值電壓為大于等于-1.5V小于等于-0.5V，所述柵極電壓為大于等于OV小于等于5V。
[0020]優(yōu)選的，所述第一 N型摻雜區(qū)域的深度為:0微米至0.2微米；摻雜濃度為:lel6atom/cm 3至 3el8atom/cm 3。
[0021]優(yōu)選的，P型摻雜區(qū)域的深度為O微米至0.05微米，摻雜濃度為lel6 atom/cm 3至2el8atom/cm 3;第二 N型摻雜區(qū)域的深度為O微米至0.2微米，摻雜濃度為lel6 atom/cm 3至 3el8atom/cm 3。
[0022]優(yōu)選的，所述復(fù)位晶體管的源級(jí)電壓為:大于等于2.5V小于等于3.5V ;所述源跟隨晶體管的源級(jí)電壓為:大于等于2.1V小于等于3.5V。
[0023]優(yōu)選的，所述方法包括:
第一狀態(tài)時(shí)，所述復(fù)位晶體管打開，所述轉(zhuǎn)移晶體管關(guān)閉；所述復(fù)位晶體管的源級(jí)接復(fù)位電壓復(fù)位連接于所述復(fù)位晶體管漏極的浮置擴(kuò)散區(qū)，所述浮置擴(kuò)散區(qū)電位為第一電壓；
第二狀態(tài)時(shí)，所述復(fù)位晶體管關(guān)閉，所述浮置擴(kuò)散區(qū)電位為第二電壓，打開所述轉(zhuǎn)移晶體管；所述轉(zhuǎn)移晶體管轉(zhuǎn)移經(jīng)光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換的信號(hào)電荷至浮置擴(kuò)散區(qū)轉(zhuǎn)換為信號(hào)電壓，關(guān)閉轉(zhuǎn)移晶體管，所述浮置擴(kuò)散區(qū)信號(hào)電壓為第三電壓，所述第三電壓小于第二電壓；
第三狀態(tài)時(shí)，當(dāng)?shù)谌妷盒∮诘扔趶?fù)位晶體管的柵極電壓減去閥值電壓值時(shí)，所述復(fù)位晶體管再次打開，所述復(fù)位晶體管的閥值電壓值低于0V，通過所述復(fù)位電壓拉高所述第三電壓至第四電壓；所述浮置擴(kuò)散區(qū)連接所述源跟隨晶體管的柵極，所述源跟隨晶體管的柵極的電位為第四電壓，第四電壓減去源跟隨晶體管的漏極電位的絕對(duì)值小于第五電壓，以防止源跟隨晶體管漏級(jí)、柵極的反向擊穿。
[0024]優(yōu)選的，所述第一電壓為2.5V至3.5V ;所述第二電壓為2.4V至3.4V:所述第三電壓為OV至3.4Vo
[0025]優(yōu)選的，所述閥值電壓值為為大于等于-1.5V小于等于-0.5V。
[0026]優(yōu)選的，所述第四電壓為:0.5V至L 2V。
[0027]優(yōu)選的，所述第五電壓為所述源跟隨晶體管漏級(jí)、柵極的反向擊穿電壓。
[0028]本發(fā)明具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì):
1.通過采用埋溝晶體管用作源跟隨晶體管，降低了