[发明专利]一种CMOS图像传感器像素电路及其控制方法

说明书

本发明公开了一种CMOS图像传感器像素电路，包括：一包括正面和背面的衬底，多个设置于所述衬底正面的像素，一背部沟槽隔离结构及一多次曝光信号反馈组合电路；该背部沟槽隔离结构从衬底背面插入设置于每个像素之间，用于将入射光中的扩散电子反弹回像素内进行收集，以减弱像素之间的串扰；背部沟槽隔离结构包括：一沟槽和一包埋沟槽的隔离阱；多次曝光信号反馈组合电路：电连接于像素及一模数转换电路之间，用于对多次曝光产生的电荷进行累积，扩展图像传感器的动态范围。本发明还公开了一种CMOS图像传感器像素电路控制方法。

技术领域

本发明涉及图像传感领域，具体涉及低串扰宽动态背照式CMOS图像传感器识别超低照度可见光的像素结构和电路的改进及电路的控制方法。

背景技术

随着CMOS工艺水平的提高，CMOS图像传感器凭借低功耗、低成本、小体积和可随机读取等一系列优点，实现了在平板电脑、智能手机等消费类电子领域的广泛应用。背面照射技术是帮助图像传感器实现性能突破的关键因素。背照式CMOS图像传感器可大幅改善像素单元的感光能力，并对图像传感器噪声有一定的抑制作用。该传感器结构通过将正照结构中器件层与金属层整体翻转，把原本阻碍光路的金属布线层挪至光路另一侧，可大幅降低金属布线层对光子的衍射与串扰，性能的改善使得背照式像素日益成为图像传感器中的主流像素结构。

但背照式CMOS图像传感器的发展受到诸多因素的限制。当光子由背面射入硅体后，不同波长的光子会在不同深度产生相应的载流子，波长较长的红光入射较深，其产生的光生电子较N埋层的耗尽区较近，则容易被电场收集；波长较短的蓝光入射深度较浅，其产生的光电子离N埋层耗尽区电场较远，大部分电子会依靠扩散运动向耗尽区漂移，最终进入正确的感光元件内，但是还会有一部分电子以扩散电流的方式从衬底深处进入邻近像素，构成串扰。在背照式像素内，由于光路改变造成光生电子在中性区内的扩散路径拉长，导致PN结耗尽区电场对光生电子的吸引力减弱，同时背照式像素间的距离更小，更加容易形成电学串扰。

目前针对像素之间的电学串扰优化方案，主要包括保护环技术、深P阱技术、浅沟槽隔离技术与深沟槽隔离技术等。保护环主要利用环体与衬底掺杂浓度的差异，产生由内向外的内建电场，从而限制光生电子的横向扩散运动，但采用保护环电极将影响像素的填充因子。

沟槽隔离技术用二氧化硅对器件有源区进行沟槽隔离，可防止邻近像素间的电学串扰。以上方案虽然成熟，但形成的结构都是在像素器件层正面进行隔离，仅适合载流子激发较浅的传统正照式像素。在许多背照式像素中，感光元件的电荷收集区域距离光子入射的背面都存在较远的距离，若仍采用上述沟槽隔离技术，将无法起到抑制BSI像素中严重的短波串扰问题。

申请号为201210207827的中国发明专利中，公开了一种采用共形掺杂的图像传感器器件，采用沟槽隔离结构，该沟槽隔离结构从衬底正面设置于位于衬底中的第一像素与第二像素之间，但是该发明没有从衬底的背面设置沟槽隔离结构，无法降低像素之间的串扰，发挥最佳性能。

动态范围定义为最大非饱和输入信号与最小可测输入信号的比值。背照式CMOS图像传感器的光线由背面射入，避免了电极对光线的阻挡，可以获得很高的量子效率，最小可测输入信号低，在微弱光下也能有很好的响应，但是容易由于动态范围不足而导致最大非饱和输入信号不高，无法发挥出背照式CMOS图像传感器的最佳性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种CMOS图像传感器像素电路及其控制方法，以解决现有技术中存在的缺少背部沟槽设计，造成像素之间串扰高，且需要片上增加设置存储器，增加硬件消耗的问题。

为达上述目的，本发明提供一种CMOS图像传感器像素电路，所述CMOS图像传感器为背照式CMOS图像传感器，包括：一衬底，所述衬底包括正面和背面；及多个设置于所述衬底正面的像素，所述CMOS图像传感器还包括：