[发明专利]图像传感器的像素单元及其形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种图像传感器的像素单元及其形成方法。

背景技术

图像传感器属于光电产业里的光电元件类，随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，目前市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾划着未来人类日常生活的美景。图像传感器在日常生活中的应用，无疑要属数码相机产品，其发展速度可以用日新月异来形容。短短的几年，数码相机就由几十万像素，发展到400、500万像素甚至更高。以图像传感器作为关键零部件的产品成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为电荷耦合图像传感器(Charge-coupled Device image sensor，简称CCD图像传感器)、互补型金属氧化物图像传感器(Complementary Metal Oxide Semiconductor image sensor，简称CMOS传感器)。

请参考图1，图1是现有的4T结构的CMOS图像传感器的电路结构示意图，包括：传输晶体管M1、复位晶体管M2、源跟随晶体管M3、行选通晶体管M4。所述4T结构图像传感器的工作原理为：传输晶体管M1用来将感光二极管PD的光生电荷传输到浮置扩散区FD，复位晶体管M2用来对浮置扩散区FD复位，源跟随晶体管M3用来将浮置扩散区FD的电信号放大输出。其工作过程包括：由复位信号R控制复位晶体管M2开启，将浮置扩散区FD置为高电位；然后关断复位晶体管M2，并由传输信号T控制打开传输晶体管M1，将感光二极管PD中的光生电荷传输到浮置扩散区FD，使浮置扩散区FD产生压降，这个压降通过源跟随晶体管M3在行选通晶体管M4的输出端out输出，该输出的压降即为输出信号。

在应用上述4T结构的CMOS图像传感器时发现，外界光强会因为天气或环境的变化而发生变化。当外界光强较强时，光生电荷数量ΔQ也较多，若浮置扩散区FD的结电容Cfd相对偏小，则无法容纳感光二极管产生的所有光生电荷，继而致使信号丢失，而且浮置扩散区FD的压降ΔVfd＝ΔQ/Cfd过大，并超出电路的设计范围。相对的，当外界光强较弱时，光生电荷数量ΔQ较少，若浮置扩散区FD的结电容Cfd相对偏大，则浮置扩散区FD的压降ΔVfd＝ΔQ/Cfd过小，并容易导致信号无法读出。

为了解决上述问题，一种高动态范围的图像传感器被提出。然而，所述高动态分图形传感器的结构较为复杂，结构尺寸较大，不利于器件的微型化和集成化。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种高动态范围图像传感器的像素单元及其形成方法，简化图像传感器像素单元的电路结构布图，提高像素填充率（Fill factor）。

为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器的像素单元，包括：衬底；位于衬底内的光电二极管、第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，所述光电二极管、第一浮置扩散区和第二浮置扩散区相互分立；位于衬底表面的第一栅极结构，所述第一栅极结构具有第一端和第二端，所述第一栅极结构的第一端位于光电二极管和第一浮置扩散区之间，用于构成传输晶体管，所述第一栅极结构的第二端位于第一浮置扩散区和第二浮置扩散区之间，用于构成控制晶体管，所述传输晶体管的阈值电压低于控制晶体管的阈值电压，所述传输晶体管和控制晶体管共用栅极信号；位于衬底表面的复位晶体管，用于使第一浮置扩散区和第二浮置扩散区复位。

可选的，所述传输晶体管和控制晶体管为NMOS晶体管；所述传输晶体管的源极与光电二极管连接，所述传输晶体管的漏极与第一浮置扩散区连接；所述控制晶体管的源极与第一浮置扩散区连接，所述控制晶体管的漏极与第二浮置扩散区连接。

可选的，所述第一栅极结构包括：位于衬底表面的第一栅介质层、以及位于第一栅介质层表面的第一栅极，所述第一栅极与传输信号连接。

可选的，所述复位晶体管包括第一复位晶体管和第二复位晶体管，所述第一复位晶体管用于复位第一浮置扩散区，所述第二复位晶体管用于复位第二浮置扩散区。

可选的，所述衬底表面具有第二栅极结构，所述第二栅极结构具有第一端和第二端，所述第二栅极结构的第一端用于构成第一复位晶体管，所述第二栅极结构的第二端用于构成第二复位晶体管。

可选的，所述第二栅极结构包括：位于衬底表面的第二栅介质层、以及位于第二栅介质层表面的第二栅极，所述第二栅极与复位信号连接。