[发明专利]大感光面积电荷快速转移的CMOS图像传感器像素结构

说明书

大感光面积电荷快速转移的CMOS图像传感器像素结构，通过在光电二极管区域形成掺杂浓度的梯度变化，从而在电荷转移过程中形成自靠近传输管端至远离传输管端的电场，加速光生电子的转移，并且可以实现完全转移，消除拖尾现象，提高CMOS图像传感器的性能；浓度呈梯度变化的工艺条件缩短了光生电荷在光电二极管区域的横向扩散距离，使得可以通过在横向电场的作用下，有效的降低光生电荷的转移时间。

技术领域

本发明属于CMOS图像传感器领域，尤其是大感光面积电荷快速转移的CMOS图像传感器像素结构。

背景技术

近些年来，随着CMOS制造工艺的快速发展，CMOS图像传感器的低功耗、低成本、高集成以及高灵活度等特点，使得CMOS图像传感器的市场份额已经超越CCD图像传感器，尤其是在中低端的消费类电子行业。

CMOS图像传感器的像素部分现在多采用4管的PPD结构，即由光电二极管、传输管、浮空扩散节点、复位管、源级跟随器以及选择管组成。图1所示为4T像素的结构图。当光入射到半导体表面时，其中一部分入射光被反射，而其余则被半导体吸收。当进入半导体内部的光子能量不低于半导体材料禁带宽度时，那么半导体材料便有一定概率吸收这份能量，从而产生电子-空穴对，即光生载流子。光照积分完成后，传输管传输导通，光生电荷在电场的作用下由光电二极管区域转移至浮空扩散节点，即完成电荷-电压信息的转换过程，最后通过行选通管以及列级读出电路，逐行读出存储在浮空扩散节点的光信号。

在消费类电子产品中，便携性是产品不断升级的目标之一，故为了缩小产品的体积，同时保证产品的性能，图像传感器的像素尺寸越来越小，但是大感光面积的像素在特定领域也有着尤为重要的应用。在微弱光照下的夜晚、深海区域，为了增加图像传感器的感光量，则多采用具有大像素的图像传感器，可以增加满阱容量，从而提高灵敏度和信噪比。但是随着感光面积的增加，会导致光生电荷的非完全转移以及转移速度慢的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种大感光面积电荷快速转移的CMOS图像传感器像素结构，通过在光电二极管区域形成掺杂浓度梯度变化，从而在电荷转移过程中形成自靠近传输管端至远离传输管的电场，加速光生电子的转移，并且可以实现完全转移，消除拖尾现象，提高CMOS图像传感器的性能。

大感光面积电荷快速转移的CMOS图像传感器像素结构，其结构如图2所示。当积分完成后，传输管导通，则光生电荷从光电二极管区域转移至浮空扩散节点，其运动形式包括两种，一是通过电场的作用，由电势低的区域转移至电势较高区域的漂移运动；二是扩散运动，速度很慢且具有不确定性。当像素感光面积很大时，就会出现电势平坦区域，造成电荷在光电二极管区域较长的扩散距离，会增加电荷转移时间，故可采用本专利中的光电二极管区域横向浓度梯度工艺，如图2。通过对光电二极管区域N型掺杂的2次不同浓度的离子注入，同样适用于n次浓度梯度变化的离子注入，视具体的感光区域尺寸大小而定，即随着离传输管距离的减小，N型离子注入浓度越来越大，如图3所示，当传输管导通时，从光电二极管区域到浮空扩散节点的电势分布。从左往右，由于光电二极管内部存在横向上的N型掺杂浓度梯度增加趋势，故电势从左往右逐渐增加，形成自右向左的电场，加速光生电子的转移，消除光电二极管内部的势垒和势阱，从而实现光生电子的快速完全转移。

大感光面积电荷快速转移的CMOS图像传感器像素结构，避免了在光电二极管内部形成势垒势阱问题，使得即使在大感光面积条件下，在电荷转移过程中电荷的完全转移，保证拖尾现象的消除，提高有效满阱容量，从而提高图像传感器的信噪比；浓度呈梯度变化的工艺条件缩短了光生电荷在光电二极管区域的横向扩散距离，使得可以通过在横向电场的作用下，有效的降低光生电荷的转移时间。

附图说明

图1是4T像素结构图；

图2是光电二极管区横向浓度梯度变化的像素单元剖面图；

图3是传输管导通状态下的电势分布图；