[发明专利]带有微光模式的图像传感器像素结构及其制作方法

说明书

本发明涉及模拟集成电路领域，为提出一种兼容正常光照和微光光照两种工作模式的像素结构。在正常光照工作模式下，该像素结构具有较宽的动态范围；在微光光照工作模式下，该像素结构具有较高的灵敏度。本发明采取的技术方案是，带有微光模式的图像传感器像素结构，包括钳位光电二极管PPD、浮空扩散节点FD、传输管TG、复位管RST、源跟随器SF、行选通管SEL、HDR管、电容器型STI结构，像素结构基于p型硅衬底；p型硅衬底接地GND；p型硅衬底上覆盖一层氧化层；氧化层位于多晶硅与硅两种材料之间。本发明主要应用于模拟集成电路器件的设计制造场合。

技术领域

本发明涉及模拟集成电路领域，尤其涉及图像传感器像素结构设计。

背景技术

随着图像传感器技术的迅速发展，其在汽车电子、消费电子、安防监控、机器视觉、医疗影像、航空航天等领域的工程应用日渐广泛。像素作为图像传感器的核心部分，将直接影响整个图像传感器芯片的量子效率、动态范围、灵敏度、信噪比等关键参数。因此，以四管有源像素为代表的像素结构在科学研究和工程应用领域得到了广泛的关注。

目前，兼容正常光照和微光光照两种工作模式的像素结构的主要设计思路是，通过引入一个MOS管作为开关(即HDR管)，将像素浮空扩散节点(即FD节点)与一个电容相连。在正常光照工作模式下，HDR管开启，该电容与FD节点连通，FD节点的总电容值增大，像素的转换增益减小，像素具有更宽的动态范围。在微光光照工作模式下，HDR管关断，该电容与FD节点隔断，FD节点的总电容值保持较小值，像素的转换增益增大，像素具有更高的灵敏度。这种像素结构一般在四管有源像素的基础上，在像素内额外集成一个HDR管和一个MIM电容或MOM电容，在实现基本功能的同时降低了填充因子。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种兼容正常光照和微光光照两种工作模式的像素结构。在正常光照工作模式下，该像素结构具有较宽的动态范围；在微光光照工作模式下，该像素结构具有较高的灵敏度。该像素结构在四管有源像素的基础上引入电容器型浅沟槽隔离(shallow trench isolation,STI)结构(即电容器型STI结构)和集成在列电路中的HDR管，在实现基本功能的同时避免了像素填充因子的降低。为此，本发明采取的技术方案是，带有微光模式的图像传感器像素结构，包括钳位光电二极管PPD、浮空扩散节点FD、传输管TG、复位管RST、源跟随器SF、行选通管SEL、HDR管、电容器型STI结构，像素结构基于p型硅衬底；p型硅衬底接地GND；p型硅衬底上覆盖一层氧化层；氧化层位于多晶硅与硅两种材料之间；浅沟槽隔离结构SIT位于像素右侧边缘，对相邻两个像素进行电学隔离；普通型浅沟槽隔离结构(即普通型STI结构)位于p阱之中；p阱下方为深层p型隔离层；高掺杂p+型层和较低掺杂n型区共同组成PPD区；多晶硅传输栅TG与PPD区右侧相连；n型FD节点区与多晶硅传输栅TG右侧相连；多晶硅复位栅RST与n型FD节点区右侧相连；电源VDD区与多晶硅复位栅RST右侧相连；第二个p型隔离层位于多晶硅传输栅TG下方，在PPD区和n型FD节点区之间；n型FD节点区和电源VDD区位于第二个p阱之中；所述第二个p阱右侧以一定间隔与前述p阱相连；n型FD节点区通过金属线与源跟随器SF栅端相连；源跟随器SF源端连接行选通管SEL漏端；源跟随器SF漏端连接电源VDD；行选通管SEL栅端由金属线引出像素结构外；行选通管SEL源端连接列总线；n型FD节点区同时通过金属线与HDR管漏端相连；HDR管栅端由金属线引出像素结构外；HDR管源端连接电容器型STI结构外电极；电容器型STI结构内电极接地GND；电容器型STI结构位于较高掺杂p阱之中；较高掺杂p阱下方为深层p型隔离层。