[发明专利]提高图像传感器转移速率和降低随机噪声的传输栅装置

说明书

本发明涉及图像传感器领域，为实现提升像素电荷转移速率并从像素层面降低像素噪声，减少界面缺陷对光生电荷的影响而导致的随机噪声，同时有效避免电荷传输路径上产生势阱势垒，避免产生图像拖尾，从而提高像素的电荷传输性能。本发明，提高图像传感器转移速率和降低随机噪声的传输栅装置，传输栅设置于钳位光电二极管PPD和浮空扩散节点FD之间，光电二极管PPD作为源极，FD节点作为漏极，传输栅靠近PPD一侧的栅长较靠近FD节点一侧的栅长缩短，形成传输栅的传输通道由窄变宽的梯形传输栅结构。本发明主要应用于图像传感器设计制造场合。

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，针对像素的随机噪声以及光生电荷传输性能提出一种提高图像传感器转移速率和降低随机噪声的传输栅结构。

背景技术

CMOS图像传感器技术是现代工业智能化、可视化和自动化的重要技术，被广泛应用于数码相机、移动手机、安全监控、军事国防、生物技术和医学等领域。像素是图像传感器的核心部件，典型的4晶体管像素中包含钳位光电二极管(PPD，pinned photodiode)、传输晶体管、复位晶体管、源极跟随晶体管以及行选择晶体管。其中，PPD是像素的核心感光区域，负责接收外界入射的光线产生光电子，再由传输晶体管负责将光电二极管中的光电子传输到浮空扩散节点(FD，floating diffusion)处，FD节点实现电荷-电压的转换之后，源极跟随晶体管将电压信号放大并通过行选择晶体管输出，此处的传输晶体管是指光电二极管和FD节点之间的栅极结构，又称“传输栅”。像素中使用的晶体管通常都是NMOS晶体管，复位阶段所有晶体管接高电位处于导通状态，对PPD和FD节点进行复位。复位完成之后，传输栅接低电位，像素进入曝光期间。曝光完成之后，复位晶体管接低电位断开，传输栅接高电位导通，将PPD中的光生电荷转移到FD节点中输出。

像素的主要噪声来源之一是由于器件表面缺陷随机捕获和释放电子而导致的随机噪声，针对该噪声，传统4晶体管像素使用了钳位光电二极管和埋沟型源极跟随器以减少表面缺陷导致的噪声。但其实所有晶体管都会存在表面缺陷，都会产生一定的随机噪声，尤其是在光生电子的转移和输出的过程中，由于传输栅的表面缺陷会随机捕获和释放光电子，会直接影响像素每一次输出的光电荷数量，从而降低图像传感器的成像质量水平。当外界光信号较强时，光生电荷的浓度较高，传输栅的表面缺陷捕捉和释放的光电荷数量只占极小部分，则传输栅的表面缺陷对图像传感器成像质量的影响较小。但是当外界光信号较弱时，光生电荷数量较少时，传输栅表面缺陷随机捕获和释放的电子数量占比较高，会严重影响图像传感器在低照度环境下的成像质量。

人们对低照度环境下作业的需求越来越大，对图像传感器低照度环境下的成像质量提出了较高的要求，因此像素的噪声性能需要进行最大化的优化。传输栅是控制完成电荷传输的关键器件，研究和优化传输栅处的噪声能有效提高图像传感器于低照度环境下的成像质量，有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

为了实现提升像素电荷转移速率并从像素层面降低像素噪声，本发明提出了一种提高转移速率和降低随机噪声传输栅结构，即提出一种梯形的埋沟型传输栅结构，减少界面缺陷对光生电荷的影响而导致的随机噪声，同时使光生电荷传输通道更靠近PPD内电势最高的区域，有效避免电荷传输路径上产生势阱势垒，避免产生图像拖尾，从而提高像素的电荷传输性能。常规像素中传输栅一般都是矩形的，且传输通道直接接触Si-SiO2界面，本发明，提高图像传感器转移速率和降低随机噪声的传输栅装置，传输栅设置于钳位光电二极管PPD和浮空扩散节点FD之间，光电二极管PPD作为源极，FD节点作为漏极，传输栅靠近PPD一侧的栅长较靠近FD节点一侧的栅长缩短，形成传输栅的传输通道由窄变宽的梯形传输栅结构。

传输栅装置为传输晶体管，该栅极结构位于光电二极管和FD节点之间，光电二极管PPD作为该晶体管的源极，FD节点作为其漏极。

传输栅中的传输通道与PPD区域内电势最高处相接。

梯形长底边两侧与FD间的夹角进行钝化处理。