[发明专利]改善CMOS图像传感器性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器，具体涉及一种改善CMOS图像传感器性能的方法。

背景技术

CMOS图像传感器（CIS）由于其制造工艺和现有的集成电路制造工艺兼容，同时其性能上比原有的电荷耦合器件CCD相比有很多优点。CMOS图像传感器可以将驱动电路和像素集成在一起，简化了硬件设计，同时也降低了系统的功耗。CIS由于在采集光信号的同时就可以取出电信号，还能实时处理图像信息，速度比CCD图像传感器快。CMOS图像传感器还具有价格便宜，带宽较大，防模糊，访问的灵活性和较大的填充系数的优点。

传统的有源像素是运用光电二极管作为图像传感器件。通常的有源像素单元是由三个晶体管和一个N+/P-光电二极管构成，这种结构适合标准的CMOS制造工艺。在对于光电二极管的搀杂的空间分布设计中，我们还必须使空间电荷区避开晶体缺陷等复合中心集中的地区，以减小像素的暗电流。而现在像素的尺寸逐渐减小，光电二极管容纳电子的阱容量也随之变小，那么对光的捕获和光电信号有一定的影响。现在对于CMOS图像传感器有两种选择，一种是与标准CMOS工艺兼容的光电二极管和3个晶体管相结合，以此保证光电二极管的面积。另一种是不与标准CMOS工艺兼容的具有高阱容量的所谓钉扎光电二极管（包括N-层，在其上形成的P+连接层）与4个晶体管结合的具有较低暗电流的像素结构。

图1为完成背照图像传感器后端的4T像素的示意图，P型外延层有源单元区周围设置有浅隔离沟槽结构，并在有源单元区中形成有光电二极管，光电二极管的顶部有一钉扎层，在该有源单元区中还形成有一个P型的阱区107，及至少在P型阱区107的顶部形成有漂浮的第一N型区109和第二N型区108；和在第一N区109与钉扎层上方形成有栅氧化物层和栅氧化物层之上的栅极，以形成一个转移晶体管110；以及在第一N区109和第二N区108之间的P阱区的上方形成有栅氧化物层和栅氧化物层之上的栅极，以形成一个复位晶体管111，在有源单元区中还形成有一个放大晶体管和一个选择晶体管，所述第一N区109电性连接到放大晶体管的栅极，放大晶体管和选择晶体管串联，放大晶体管的一端连接电源电压VDD，另一端连接选择晶体管。

在光照时，光电二极管产生电荷，这时转移管是关闭状态。然后转移管打开，将存储在光电二极管中的电荷传输到漂浮节点，传输后，转移管关闭，并等待下一次光照的进入。在漂浮节点上的电荷信号随后用于调整放大晶体管。读出后，带有复位门的复位晶体管将漂浮点复位到一个参考电压。

当入射光抵达感光二极管的空间电荷区以外的衬底区域，并通过光电效应产生的电子空穴对时，其电子也会在衬底内通过扩散到达空间电荷区边缘而被空间电荷区所吸收。然而，由于电子扩散的无规则性，其可能在衬底内与空穴复合，也可能在衬底游走一段距离后被扫入其他像素的空间电荷区，从而引起像素间一种新的互扰，称之为电学互扰。电学互扰同样会给像素引入一些不真实的信号，使图像传感器信噪比降低，图像质量变差。在强光的照射下，这种电学互扰会非常严重，此时不仅在感光二极管空间电荷区外产生的光生电子会在衬底扩散，而且被二极管空间电荷区已收集的电子也可能会重新扩散到衬底中，并在最终的图像中引入一些缺陷，如光晕。原因在于对像素而言，其所能容纳的电子个数有限，一旦P-N结收集足够的电子后脱离反偏态而进入平衡态，其多余的电子将溢出而扩散到衬底中，并有很大部分将被邻近的像素所吸收，使周边像素亮度增加，形成光晕。

中国专利（公开号：200980104585）公开了“用于背侧照明影像感测器的电路与光感测器重迭”提出一种像素电路区域和光电二极管区域相互重叠的分布方式，将光电二极管置于像素单元电路区下，而通过一个结合扩散区将光电二极管和钉扎层相连实现将电子通过转移管传到漂浮点的功能。如图2所示，该发明扩大了光电二极管的面积，提升了像素单元的填充因数，同时大的光电二极管可以接受更多的光，提高了对倾斜光的吸收，增加了光电转换的效率。