CN115863371A - 衬底电压调制型图像传感器像素单元及阵列、操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种衬底电压调制型图像传感器像素单元即阵列、操作方法。该像素单元包括场效应管和三极管，场效应管衬底的掺杂类型与三极管的基极的掺杂类型相同，但与场效应管的源极和漏极的掺杂类型相反；场效应管衬底与三极管的基极相连，三极管的发射极连接场效应管的源极和漏极中的一个，作为像元源极；三极管的集电极连接场效应管的源极和漏极中的另一个，作为像元漏极；场效应管的栅极外接电压，作为像元栅极。本发明提供的图像传感器可适用于亚微米像素，具有低暗电流、低串扰、高信噪比以及像元尺寸缩至9F2等特点。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器领域，尤其涉及一种高集成密度、高线性度、高信噪比和低串扰的衬底电压调制型图像传感器像素单元和像元阵列的基本原理、操作方法和器件结构。
背景技术
光电探测器在军事、医疗、汽车、移动设备等领域均有广泛应用，并且随着诸多领域对图像传感器性能需求的增高，光电探测器的优化与迭代也基本具备“摩尔定律”的特征，即单个像素单元尺寸的缩小与单芯片像素集成度的提升。
目前主流的光电探测器为电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)和CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)。CCD的基本感光单元为多个串联的MOS电容，通过在各相邻的MOS电容的栅极施加适当的电压，实现光电荷收集、像素隔离和电荷转移的功能，并最终逐级将串联在一起的MOS电容中的信号电荷转移至读出节点，实现光生信号的量化和复位。但随着像素尺寸的缩小，CCD中MOS电容栅控能力的减弱，很难通过施加不同的电压构建MOS电容之间的势垒，无法达成信号电荷隔离的效果。并且由于CCD的读取需要各级的电荷全部转移到读出节点，转移效率的存在就限制了CCD的集成规模。因此，现今CCD技术多应用于对成像分辨率要求不高但对动态范围与信噪比有高需求的场景。CIS目前均采用了有源式像元结构(Active Pixel Sensor，APS)，像元的感光部分为光敏二极管，相较于CCD必须多级感光单元共用一组读出电路，CIS可以为每个光敏二极管提供以源跟随器(SourceFollow，SF)为核心的读出模块，从而避免了过多次数的电荷转移。2022年三星公司借助垂直转移栅技术将CIS单像元的尺寸缩小至600nm，并且采用多光敏二极管共用读出模块的方式得以实现对各像元访问。但是由CIS构成的图像传感器的结构不够规整，给内部连线与器件区的光刻均带来了很大压力，因此像元尺寸的缩小会愈发艰难。
除上述外，目前也有采用单晶体管或双晶体管结构实现必要的像素功能，具有结构简单和周期性强的特点，能够配合先进的工艺技术实现像素尺寸的进一步缩小。专利CN101807547A中公开了一种以衬底热电子注入为核心机理，以标准浮栅器件为单像素的成像方法。从版图和工艺实现的角度该成像器件的缩小最为理想，但是由于光信号的存储与读出需要借助编程机制，量子效率过低，不适用于常规光照条件下的成像。而专利CN201610592997.3中的双晶体管光敏探测器在其感光区收集光电子后，通过浮栅耦合的作用改变了其读取管的阈值实现了信号读取。该光敏探测器的成像原理与CIS较为相近，同时兼具单像素结构简单的特点，考虑到像元与像元的隔离与像元内部感光区与读取区的隔离，单像素尺寸最小能可以缩至16F2(F为工艺的特征尺寸)。此外，专利CN108493202A采用超薄体和埋氧(Ultra Thin BOX and Body，UTBB)结构作为图像传感器的方案。该技术在像素缩小方面具有优势，但是由于工作状态要受到晶体管源漏的控制，以及复位需要衬底电压的参与，以该器件为像元组成的图像传感器不仅无法实现卷帘式曝光(RollingShutter，RS)，而且复位主要依靠载流子的复合，帧率低且串扰大。
而早在1991年电荷调制器件(Charge Modulation Device，CMD)图像传感器的原理便有被提及，并在2007年实现了芯片的成像，但所用的成像器件需要借助两道阱注入分别用来实现像素间的隔离和复位。首先单纯用掺杂的方式实现隔离使得像素最小的尺寸被限制在微米级别，其次像元底部用于复位的掺杂区域会不断损失光生信号，导致该像元结构只适用于前照式(Front Side Illuminate，FSI)，感光效率很低。
发明内容
针对上述情况，本发明提供一种衬底电压调制型图像传感器像素单元及其阵列、操作方法，可以适用于亚微米像素的图像传感器。
本发明像素单元采用的技术方案如下：
衬底电压调制型图像传感器像素单元，包括场效应管和三极管，所述场效应管衬底的掺杂类型与所述三极管的基极的掺杂类型相同，但与所述场效应管的源极和漏极的掺杂类型相反；所述场效应管衬底与所述三极管的基极相连，所述三极管的发射极连接所述场效应管的源极和漏极中的一个，作为像元源极；所述三极管的集电极连接所述场效应管的源极和漏极中的另一个，作为像元漏极；所述场效应管的栅极外接电压，作为像元栅极。
进一步地，所述三极管为寄生三极管，所述场效应管衬底作为所述三极管的基极，所述场效应管的源极和漏极中的一个作为所述三极管的集电极，所述场效应管的源极和漏极中的另一个作为所述三极管的发射极。
进一步地，所述场效应管包括由选址场效应管和状态场效应管组成的串联结构，所述选址场效应管用于感应光生载流子，所述状态场效应管用于选通，两个场效应管的衬底都与所述三极管的基极相连；所述选址场效应管的源极与所述三极管的发射极和集电极中的一个相连，作为像元源极；所述状态场效应管的漏极与所述三极管的发射极和集电极中的另一个相连，作为像元漏极；所述选址场效应管的漏极与所述状态场效应管的源极相连；所述选址场效应管的栅极作为像元栅极，所述状态场效应管的栅极作为像元状态栅极。
本发明还提供一种上述衬底电压调制型图像传感器像素单元的操作方法，该操作方法由所述三极管的基极收集光生载流子，并配合所述三极管的发射极和集电极实现复位，所述场效应管通过衬底电压的调制效应实现像素信号的读出；具体步骤如下：
光生载流子的复位：所述三极管的发射极和集电极加偏压，所述三极管浮空的基极内的多子被部分排出，所述三极管的发射极和集电极恢复至接近零偏的常态，由于所述三极管中的两个二极管的单向导电性，所述被排出的基极多子无法从电极得到补充，完成光生载流子的复位；
曝光与光生载流子的收集：所述三极管的基极在完成复位操作后，处于一个非平衡态，受到光照后产生的电子空穴对中一种载流子作为基极区域的多子被存储在基极与发射极、集电极形成的PN结电容内，另一种载流子则从所述发射极和集电极流走，完成光生载流子的收集；
光信号的读出：所述三极管在收集光生载流子后，该区域的电势产生相应的变化，同时所述场效应管的衬底电压与所述三极管基极电压相等，因此，所述场效应管衬底电压与所述收集的光生载流子数目相关；在所述场效应管栅极加电压并且在场效应管的源极或漏极连接相应负载，通过所述场效应管输出端的电压或电流表征所述光生载流子数目，完成光信号读出。
进一步地，当所述场效应管包括由选址场效应管和状态场效应管组成的串联结构时，所述状态场效应管用于感应光生载流子，所述选址场效应管用于选通；在所述曝光与光生载流子收集过程中，所述选址场效应管关闭；在所述光信号的读出过程中，所述被选中像素的选址场效应管和状态场效应管均导通。
进一步地，多个所述像素单元排布成阵列，其中，同行所述像素单元的像元栅极相连构成所述阵列的选通字线；同行所述像素单元的像元源线相连构成所述阵列的复位字线；或者，同行奇数列所述像素单元的像元源极相连构成所述阵列的第一复位字线，且同行偶数列所述像素单元的像元源极相连构成所述阵列的第二复位字线；同列所述像素单元的像元漏极相连构成所述阵列的读出位线；当所述场效应管包括由选址场效应管和状态场效应管组成的串联结构时，同列所述像素单元的像元漏极相连构成所述阵列的读出位线；同行所述像素单元的像元状态栅极相连构成所述阵列的状态字线。
本发明还提供一种上述衬底电压调制型图像传感器像素单元的器件，该器件包括所述像素单元、衬底、像素全隔离结构和场效应晶体管，所述像素全隔离结构将所述衬底分割为多个独立的区域，单个独立区域为所述像素单元的衬底。
进一步地，所述场效应晶体管包括单个体硅晶体管，所述像素全隔离结构包括在垂直方向上贯穿衬底的深槽隔离结构，所述深槽隔离结构包括：氧化硅填充结构，或氧化硅/空气隙复合层填充结构，或氧化硅/氮化硅/氧化硅复合层填充结构。
进一步地，所述场效应晶体管包括环栅晶体管和垂直栅晶体管，所述环栅晶体管的源极和漏极中的一个被设置在环栅的中心位置，另一个被设置在环栅的外围且与所述像素全隔离结构接触；所述垂直栅晶体管包括所述像素全隔离结构，其中所述像素全隔离结构包括氧化硅/多晶硅复合层填充结构，或氧化硅/非晶硅复合层填充结构；所述像元源极和像元漏极同设置在衬底的正面，或者两者分别设置的衬底的正面和背面。
进一步地，所述像素单元的衬底的正面与背面分别设置第一掺杂类型材料层和第二掺杂类型材料层，所述第一掺杂材料层的掺杂类型与第二掺杂材料层的掺杂类型相同，与所述独立衬底的掺杂类型相反；所述像素全隔离结构包括氧化硅/多晶硅复合层填充结构，或氧化硅/非晶硅复合层填充结构，所述像素全隔离结构在沿所述独立衬底平面的法线方向上包括至少两层所述氧化硅/多晶硅或氧化硅/非晶硅重复的复合层填充结构。
相比现有的图像传感器，本发明的优点为：
(1)能够以单晶体管实现像素的全部功能，在暗电流、动态范围、信噪比、帧率等重要指标方面均可获得优秀性能。
(2)本发明的衬底电压调制型图像传感器采用像素全隔离技术且兼容背照式(Back Side Illuminate，BSI)方案，在串扰和量子效率上具有显著优势。
(3)更重要的是，本发明图像传感器像素单元版图结构简单，像元阵列周期性强，更利于集成度的提高，配合已有的电容式深槽隔离(Capacitor Deep Trench Isolation，CDTI)工艺，单像素尺寸可缩小至9F2。
附图说明
图1为衬底电压调制型图像传感器像素单元电路基本原理图；
图2为衬底电压调制型图像传感器双晶体管像素单元原理图；
图3为衬底电压调制型图像传感器通过扫斜坡方式读出条件下的单像素工作时序；
图4为衬底衬底电压调制型图像传感器通过扫斜坡方式读出条件下各工作状态的能带图；
图5为衬底电压调制型图像传感器以源跟随器方式读出条件下的单像素工作时序；
图6为衬底电压调制型图像传感器以源跟随器方式读出条件下各工作状态的能带图；
图7为衬底电压调制型图像传感器像元阵列的排布与连接方式；
图8为衬底电压调制型图像传感器像元阵列的卷帘曝光时序图；
图9为衬底电压调制型图像传感器像元阵列双采样模式下的卷帘曝光时序图；
图10为具有双复位字线的衬底电压调制型图像传感器像元阵列的排布与连接方式；
图11为具有双复位字线的衬底电压调制型图像传感器像元阵列的卷帘曝光时序图；
图12为衬底电压调制型图像传感器像素单元的基本器件结构；
图13为使用寄生三极管感光的衬底电压调制型图像传感器像素单元器件结构；
图14为包括寄生三极管、环栅晶体管和垂直栅极的衬底电压调制型图像传感器像素单元器件结构；
图15为包括寄生三极管、环栅晶体管、垂直栅极和背面源漏的衬底电压调制型图像传感器像素单元器件结构；
图16为包括寄生三极管、双层垂直栅极和背面源漏的极限尺寸衬底电压调制型图像传感器像素单元器件结构；
图17为图16所示器件结构在点T处的水平切面图；
图18为图16所示器件像元结构在点B处的水平切面图；
图19为图17所示器件结构沿AA’的工艺流程图；
图20为图17所示器件结构沿BB’的工艺流程图。
具体实施方式
本发明的图像传感器像素单元，原理上是由三极管与场效应管并联组成，其中三极管用于光信号的采集与复位，场效应管用于感应信号电荷进行读取。考虑到像元阵列需具备成像最基本的卷帘式曝光功能，本实施例提供了图像传感器像元阵列的两种连接方式和相应的操作方法。此外，综合衡量图像传感器的优越性和当前的工艺水平，实施例中公开了多种可选的器件结构，以适应不同工艺条件下的制备。
本实施例提供的衬底电压调制型图像传感器的像素单元基本原理如图1所示，单像素由一个源漏掺杂类型为N型的场效应晶体管(NMOS)与基极掺杂类型为P型的三极管(NPN)构成，其中NMOS的源极与NPN的发射极相连，记作像元源极；NMOS的漏极与NPN的集电极相连，记作像元漏极；NMOS的栅极外接电压，记作像元栅极。所述电压调制型图像传感器中的NMOS的衬底与NPN的基极相连，作为像元的电荷收集区。NPN的主要作用是在所述像元源极与像元漏极外加合适偏压的条件下，排出部分处于浮空状态的所述电荷收集区内的空穴，实现像素单元的复位操作。NMOS的主要作用是，当像元经历复位并曝光结束后，电荷收集区会因收集到光信号的不同对应不同的电压值，进而以衬底偏压的方式影响NMOS的阈值电压，实现像素单元的读出操作。
所述像素单元的读出方式包括两种方式，一是在像元的源漏施加一个小偏压后，在像元栅极加斜坡电压，当所述NMOS达到阈值电压后，后级比较器翻转记录此时阈值电压；二是采用常用的源跟随(Source Follow，SF)，将所述像元源极上拉到电源电压，所述像元漏极接稳定电流源，对像元漏极电压进行模数转换(ADC)量化。扫斜坡的方式对所述像素单元没有额外的要求，并且NMOS的工作状态基本处于亚阈值，电流小且功耗低。但是扫斜坡方式的读出时长与量化的比特位数呈指数关系，单次读出时间过长，影响图像传感器的输出帧率。下面将首先讨论采用扫斜坡的读出方式下，像素在各工作状态的工作电压与基本原理。再说明所述像素单元经过优化后，可以较好地兼容源跟随的读出方式，以获得高成像帧率。
图2为所述衬底电压调制型像素单元在扫斜坡读出方式下的工作时序，初始状态像元的三个端口的电压均保持0V电位。复位状态下，所述像元栅极和像元源极加电压值为-3V的复位电压VRST，目的为排出所述电荷收集区空穴的同时保持所述NMOS保持关断。复位结束后，所有端口电压回到0V，进入曝光状态。读出状态下，所述像元漏极加电压值为0.3V的漏端读出电压VDR，所述像元栅极加0～3V的斜坡电压VGR，量化像素单元的光信号。
图4的空穴能带图从半导体原理上阐述了所述像素单元的复位与曝光。三极管的基极收集光生载流子，并配合三极管的发射极和集电极实现复位，场效应管通过衬底电压的调制效应实现像素信号的读出；具体步骤如下：光生载流子的复位：三极管的发射极和集电极加偏压，三极管浮空的基极内的多子被部分排出，三极管的发射极和集电极恢复至接近零偏的常态，由于三极管中的两个二极管的单向导电性，被排出的基极多子无法从电极得到补充，完成光生载流子的复位。
图中t0～t1为像元进入复位状态，随着所述像元源极电压拉低，所述像元漏极与所述电荷收集区的耗尽区扩大，对应该部分空穴与所述像元源极的电子复合，表现为空穴的流出，实现像素单元的复位。并且，被复位的空穴电荷量QRST满足，
QRST＝-CDDVRST
其中，QRST是被复位的空穴电荷量，CDD是所述像元漏极与所述电荷收集区间的电容，VRST是所述复位电压。
t1～t2为像元从复位状态进入曝光状态，所述像元源极电压新回到0V，此时所述电荷收集区的电压也无法保持前一个状态的VRST，而是随着像元源极电压的回升，也会相应的升高。由于所述电荷收集区的空穴没有补充的来源，在这一转变的过程中满足空穴守恒的规律，在进入曝光状态后，所述电荷收集区的电压VC满足，
其中，VC是所述电荷收集区电压，QRST是被复位的空穴电荷量，CDD是所述像元漏极与所述电荷收集区间的电容，CDS是所述像元源极与所述电荷收集区间的电容，VRST是所述复位电压。
曝光与光生载流子的收集：三极管的基极在完成复位操作后，处于一个非平衡态，受到光照后产生的电子空穴对中一种载流子作为基极区域的多子被存储在基极与发射极、集电极形成的PN结电容内，另一种载流子则从所述发射极和集电极流走，完成光生载流子的收集。
图中t3～t4为像元在曝光状态下光生载流子的收集给所述电荷收集区的能带与电压带来的影响，图中的hν的含义为光子。光子进入所述电荷收集区后产生了电子空穴对，其中电子在扩散与漂移的作用下从所述像元的源极或漏极流出，空穴积累在所述电荷收集区，导致所述电荷收集区电压的变化量△VC满足，
其中△VC是所述电荷收集区电压的变化量，△Qsig是收集的光生空穴对应的电荷量，CDD是所述像元漏极与所述电荷收集区间的电容，CDS是所述像元源极与所述电荷收集区间的电容。
光信号的读出：三极管在收集光生载流子后，该区域的电势产生相应的变化，同时场效应管的衬底电压与所述三极管基极电压相等，因此，场效应管衬底电压与收集的光生载流子数目相关；在场效应管栅极加电压并且在场效应管的源极或漏极连接相应负载，通过场效应管输出端的电压或电流表征光生载流子数目，完成光信号读出。
因为反偏二极管电容的电荷量依靠耗尽区的固定电荷提供，并且考虑所述像元漏极与像元源极的掺杂浓度远大于所述电荷收集区掺杂浓度，且各部分自身的掺杂浓度均匀，则所述像元漏极与像元与源极有，
其中，QD是所述像元漏极与所述电荷收集区的耗尽区电荷量，q是单个电子或空穴的电荷量，NA是所述电荷收集区受主浓度，WDD是所述像元漏极与所述电荷收集区的耗尽宽度，AD是所述像元漏极与所述电荷收集区的接触面积，∈s是硅的介电常数，Vbi是所述像元漏极与所述电荷收集区的内建电场，VC是所述电荷收集区电压。所述像素源极的参数同理。
那么，总电荷量就是两个耗尽区的电荷量之和，
其中QC是所述电荷收集总电荷量，AT是所述电荷收集区与所述像元源漏的接触总面积。
对于所述电荷收集区电压VC有，
对于所述像素单元中的NMOS有，
其中，VT是所述NMOS阈值电压，VFB是所述NMOS平带电压，φB是所述电荷收集区费米能级Ef与禁带中心Ei间的电势差，Cox是所述NMOS栅氧电容。
并且2φB与Vbi是近似相等的小量，结合所述收集区电压VC与电荷收集区总电荷的关系，有
其中dVT是所述NMOS阈值电压的变化量，dQC是电荷收集总电荷量的变化量，dQsig是所述被收集光生空穴电荷量的变化量。
因此理想状况下，所述衬底电压调制型图像传感器像素单元的输出阈值电压与光信号呈线性关系。
以上叙述已经说明清楚所述衬底电压调制型图像传感器像素单元的工作原理与时序。但是在复位过程中，参与复位工作的主要为所述像元漏极电容CDD，而当复位完成后随着像元源极的上拉以及所述像元源极电容CDS的存在，导致所述电荷收集区的电位也做出一定的抬升。这在扫斜坡的读出方式下并不会产生问题，但是在采用源跟随作为读出的方案中，由于所述像元源极电压如图4施加更高的电源电压，使得所述电荷收集区电压超过所述像元漏极，导致所述NMOS常开。因此，需针对这一问题对所述衬底电压调制型图像传感器的参数做出相应的调整，保证所述NMOS在0栅压的非选中转态沟道关闭。依照所述像素单元的基本原理以及图4与图5的源跟随读出方式的时序与能带图，所述电荷收集区复位操作完毕后的电压VC满足，
(VCC-VC)CDS+(0-VC)CDD＝(0-VRST)CDD
其中，VCC为1.8V的电源电压，其余参数与前述参数意义相同。
这里设定CDD>>CDS，则
VC≈VRST
即复位后的所述电荷收集区浮空电压与所述复位电压相同，与复位完成后所述像元源极电压上拉值无关，保证了所述NMOS沟道的常关。
在条件CDD>>CDS的基础上，图4展示了衬底电压调制型图像传感的源跟随读出用法，初始化的条件下，所有电压端口均为0V。复位状态下，所述像元栅极和像元源极加-3V的复位电压VRST，保证所述NMOS关断。曝光状态下，所述像元栅极回到0V电压，所述像元源极上拉到1.8V电源电压VCC。读取状态下，所述像元栅极加2.5V选通电压VGR，所述像元漏极接电流源，读取像元漏极电压。
图5的所述衬底电压调制型图像传感器的源跟随读出方式下工作原理与图3的斜坡读出方式下的原理一致。只是由于CDD>>CDS条件的存在，所述电荷收集区的电压VC不会随着所述像元源极电压的抬升而明显升高，基本稳定为复位电压VRST。
另一方面，以上复位原理的解释主要只考虑到了所述NPN三极管以及相关的二极管电容，但在实际工作的过程中，所述NMOS的栅电容的影响在很多情况下也是不可以忽略的，因此，所述电荷收集区在完成复位进入曝光状态后，其浮空的电压VC为，
其中，VES是曝光状态所述像元源极电压，VEG是曝光状态所述像元栅极电压，Cox是所述像元栅极电容。
从表达式可以看出所述像元栅极电容Cox与所述像元源极电容CDS相似，对复位完成后的所述电荷收集区浮空电势VC都是负面影响，很可能导致所述NMOS沟道进入常开状态。因此，如图1所示，额外引入另一个N型的晶体管并与原有的NMOS串联工作，并且两个晶体管的衬底都与所述NPN三极管的基极相连，原有的场效应管的源极与三极管的发射极和集电极中的一个相连，作为像元源极；新加的场效应管的漏极与三极管的发射极和集电极中的另一个相连，作为像元漏极；原有的场效应管的漏极与新加的场效应管的源极相连。将原有的NMOS称为选址场效应管，用于感应光生载流子，其栅极称为像元栅极；新加的NMOS称为状态场效应管，用于选通，其栅极称为像元状态栅极。在曝光与光生载流子收集过程中，选址场效应管关闭；在光信号的读出过程中，被选中像素的选址场效应管和状态场效应管均导通。
在所述衬底电压调制型图像传感器的工作中，所述状态场效应管在其栅极外加大小为3V的偏置电压Vbias的作用下常开，所述选址场效应沟道在非读取选中状态下常关。由于所述状态场效应管常开，沟道的反型层与所述像素漏极导通，并与所述电荷收集区形成类似于二极管的耗尽电容，记作CDST。则所述电荷收集区的浮空电势VC在所述电容CDST的作用下，有
只需在所述衬底电压调制型图像传感器像元器件的设计中满足CDST>>Cox且CDST>>CDS，同样就有
VC≈VRST
即复位后的所述电荷收集区浮空电压与所述复位电压相同，与复位完成后所述像元源极电压上拉值和所述像元栅极电压值均无关，保证了所述NMOS沟道的常关。
至此，所述衬底电压调制型图像传感器单像素的原理性工作流程与优化要点均说明完毕，下一部将对由所述图像传感器像元构成的成像阵列的排布及其基本的工作方式做详细阐述。
图6是衬底电压调制型图像传感器像元阵列基本连接方式的示意图。所述像素单元包括像元栅极、像元源极和像元漏极。如果所述像素单元采用图1中具有所述状态晶体管的像元结构，像元阵列中所有所述像元状态栅极加3V的固定偏置电压Vbias，并且由于并不影响后续像元阵列的操作时序，此处并不会对改端口进行讨论，所以在图6中也未标明。在所述像元阵列中，同行像素单元的所述像元栅极相连，记作选通字线WL，同行像素单元的所述像元源极相连，记作复位字线RWL；同列像素单元的所述像元漏极相连，记作读出位线BL。
虽然本发明针对所述像素单元提供了扫斜坡和源跟随两种读出方式，但二者只是在像素单元端口施加的电压以及对像素部分参数的要求有所不同，并不会影响所述像元阵列的工作时序。因此此处仅对扫斜坡的读出方式加以说明，源跟随的读出方式下的工作时序与扫斜坡相同。
卷帘式曝光(Rolling Shutter，RS)功能是常规图像传感器的基本功能，图7为所述衬底电压调制型图像传感器像元阵列的卷帘式曝光时序图。所述像元阵列按照图2中给出的各状态加压情况，逐行进行复位——曝光——读出重复性的、周期性的操作。因为所述像素单元处于复位状态时，所述像元漏极与所述电荷收集区的耗尽区延拓，像元漏极产生向像元流入的电子电流，而像素单元的读出需要依靠像元漏端电流，所以同一列的像元只要有一个处于复位状态，剩余的像元便无法进行正常的读出。又因为所述像元阵列的复位字线RWL与读出位线BL是正交走向，所以当阵列中只要存在某一行像元处于复位状态，那么阵列剩余行的像元同样无法进行正常读出，否则读出的电流值会受到所述复位状态像元电子电流的影响。综上，所述像元阵列在一行完成读出和复位并进入曝光状态后，次行再一次进入读出和曝光状态，按照此规律进行流水线的操作，实现所述衬底电压调制型图像传感器像元阵列的卷帘式曝光功能。
此外，在半导体工艺制备的过程中，由器件非均匀性引起的固定图形噪声(FixPattern Noise，FPN)是不可避免的。因此，图像传感器领域常使用双采样的方法在前端便消除一部分FPN，以提升成像效果。图8为衬底电压调制型图像传感器像元阵列双采样模式下的卷帘曝光时序图。相比图7的复位——曝光——读出的操作，双采样模式后续新增了一次复位和读出操作，变成了复位——曝光——读出——复位——读出的重复操作。所述双采样模式包含两次读出的结果，第二次是复位后直接读出的该像素初始阈值，第一次是含有光信号的像素阈值，通过第一次读出的数值与第二次数值作差，可以减掉像素的初值，获得纯粹的光响应信号对应的阈值变化量。同样的，时序上需要注意在前一行进入曝光状态后，下一行才能依次进行读出和复位等操作流程。
鉴于本发明的图像传感的优点之一是应用于亚微米的高敏度小尺寸像元，往往由于尺寸的限制导致无法实现单位所述读出位线BL对应一套独立的外围读出电路模块，而是一套所述外围读出电路模块负责多列像素单元的读出。同时，因为所述衬底电压调制型图像传感器的特点，导致次行像元必须等待本行所有像元完成读出与复位后，才能进行自身的读出和复位操作，很大程度上占用了操作时间，降低了成像的帧率。图9和图10展示的另一种所述像元阵列连接方式和时序结合了上述条件与问题，提供了一种不同行可以同时处于读出和复位状态的方法，缩短了像元单周期操作时间，提高了成像帧率。图9将所述像元阵列中同行的奇数列的像元源极相连，称为奇数复位字线RWLo；同行的偶数列的像元源极相连，称为偶数复位字线RWLe。在该连接状态下，所述像元阵列的奇数列处于读出状态时，偶数列便可进行复位，反之亦然，如图10所示。此处只对图9中的阵列结构的卷帘式曝光流程加以展示，具备双采样功能的时序可结合图8和图10的原理获得。
依照本发明的基本原理，所述衬底电压调制型图像传感器像元具有多种结构，下文将从与电路原理图最吻合、最直观器件结构开始说明，进而利用更多的寄生效应并结合更先进的工艺制程，展示更为简洁且特征尺寸更小的像元结构。图像传感器基本的器件结构包括所述像素单元、衬底、像素全隔离结构和场效应晶体管，所述像素全隔离结构将所述衬底分割为多个独立的区域，单个独立区域为所述像素单元的衬底。图11为衬底电压调制型图像传感器像素单元的基本器件结构110。采用材料为氧化硅的全隔离深槽结构112(Fully Deep Trench Isolation，FDTI)将P型的外延硅衬底111分割为多个像素单元，像素单元内部包含一个NMOS和一个NPN三极管。其中所述像元漏极113为N型掺杂，同时作为所述NMOS的源极和NPN的发射极；所述NMOS的源极114和所述NPN的集电极117均为N型掺杂，并且相互连通，作为所述像素单元的像元源极；所述NMOS的衬底115和所述NPN基极118均为P型掺杂，并相互连通，作为所述像素单元的电荷收集区；所述NMOS的栅极116为所述像素单元的像元栅极。
进一步的，由于每个像素中都设置一个三极管和场效应晶体管会导致像素结构过于复杂，而对于一个体硅晶体管而言，自身的源漏与衬底便存在一个寄生的三极管。因此，场效应晶体管简化为单个体硅晶体管，像素全隔离结构包括在垂直方向上贯穿衬底的深槽隔离结构，深槽隔离结构包括：氧化硅填充结构，或氧化硅/空气隙复合层填充结构，或氧化硅/氮化硅/氧化硅复合层填充结构。图12为使用寄生三极管感光的衬底电压调制型图像传感器像素单元器件结构120。图中仍采用FDTI结构122将P型的外延硅衬底111分割为多个像素单元，并且但像素内独立且浮空的衬底111作为所述像素单元的电荷收集区，不仅是NMOS的衬底也是NPN三极管的基极。同理，像元漏极123既是NMOS的漏极，也是NPN的集电极；像元源极124既是NMOS的源极，也是NPN的发射极。像元栅极125控制像元源极124和像元漏极123之间沟道的导通情况。
图12的器件结构120仍采用图1中单个晶体管与三极管并联的电路原理图，但是为了提高满阱电荷量、信噪比、成像帧率等指标，衬底电压调制型图像传感器需采用如图2的包含选址场效应管和状态晶体管的电路原理图。本实施方案下文中提供的器件结构包含选址场效应管和状态场效应管，分别对应实施例中的环栅晶体管和垂直栅晶体管，所述环栅晶体管的源极和漏极中的一个被设置在环栅的中心位置，另一个被设置在环栅的外围且与所述像素全隔离结构接触；垂直栅晶体管包括所述像素全隔离结构，其中像素全隔离结构包括氧化硅/多晶硅复合层填充结构，或氧化硅/非晶硅复合层填充结构。
图13中包括寄生三极管、环栅晶体管和垂直栅极的衬底电压调制型图像传感器像素单元器件结构则是为了同时解决支持源跟随读出方式，提高满井电荷量和降低暗电流而设计的像素结构130。图中的像元源极133、像元漏极134和像元栅极135分别作为源、漏和栅构成了一个环栅NMOS。全隔离结构132中包含由多晶硅或非晶硅构成的垂直栅极(VerticalGate，VG)层132-1，与基础的全隔离结构132组成了氧化硅/硅的复合材料层，并将外延硅衬底131分割为多个像素单元。所述氧化硅/硅的复合材料层当前被称为电容式深槽隔离(Capacitor Deep Trench Isolation，CDTI)技术。所述但像素内的衬底131作为所述像素单元的电荷收集区。所述垂直栅极层132-1在使用过程中接固定3V的偏压，保证再沿所述全隔离结构132和所述电荷收集区131表面处于电子反型状态。此时所述电子反型层与所述像元漏极134导通，在不消耗平面面积的前提下，大大提高了所述像元漏极和电荷收集区间的电容CDD，使得所述像元结构130在获得支持源跟随读出优势的同时，提高了像元的满阱电容与动态范围。另一方面，由于所述隔离结构132和所述电荷收集区131的界面为高浓度的电子反型层，可以降低暗电流的产生率，进而减小了像素结构130的暗噪声。
所述像元源极和像元漏极除了可以同时设置在衬底的正面，也可以分别设置的衬底的正面和背面。图14为包括寄生三极管、环栅晶体管、垂直栅极和背面源漏的衬底电压调制型图像传感器像素单元器件结构140，是在图13中像素结构130的基础上为进一步缩小像元特征尺寸而设计的改进结构。所述像元结构140的原理图为图1中的具有像元状态晶体管的衬底电压调制型图像传感器。像元栅极145是所述选址晶体管的环栅，全隔离结构142中的由多晶硅或非晶硅构成的栅极层142-2是所述状态晶体管的垂直栅极。像元源极143位于所述像元结构140正面，像元漏极144位于所述像元140背面。在正常的工作状态下，所述像元状态栅极142-2接固定的3V电压Vbias，所述状态晶体管沟道开启，所述全隔离结构142和所述电荷收集区141表面存在电子反型状态。由于所述电子反型层与所述电荷收集区同样形成了所述类二极管耗尽电容CDST，被复位的电荷量即满井电荷量为，
ΔQmax＝VRST(CDD+CDST)
其中ΔQmax是所述像元结构140的满阱电荷量，VRST是复位状态下所述像元源极所加的电压，CDD是所述像元漏极144与所述电荷收集区间141的电容，CDST是所述反型层与所述电荷收集区141间的电容。
相比像元结构130，因为像元结构140的像元漏极表面移到了背面，在图示的方向上节省了两个特征尺寸，像元大小从像元结构130的36F2缩小到了16F2(F为工艺的特征尺寸)。
进一步的，可以将像元结构140中的平面的所述环栅结构也通过VG工艺做成竖直方向，像素单元的衬底的正面与背面分别设置第一掺杂类型材料层和第二掺杂类型材料层，第一掺杂材料层的掺杂类型与第二掺杂材料层的掺杂类型相同，与独立衬底的掺杂类型相反；像素全隔离结构包括氧化硅/多晶硅复合层填充结构，或氧化硅/非晶硅复合层填充结构，像素全隔离结构在沿所述独立衬底平面的法线方向上包括至少两层所述氧化硅/多晶硅或氧化硅/非晶硅重复的复合层填充结构。如图15所示，在像元结构150中，像元全隔离结构152同样将外延硅衬底151分割成多个独立像素，并且衬底151作为电荷收集区。所述全隔离结构152中包括两层以多晶硅或非晶硅为材料的垂直栅极，分别是像元状态栅极152-1和像元栅极152-2。像元源极143位于所述像元结构140正面，像元漏极144位于所述像元140背面。所述像元结构150的工作方法以及在满阱、暗电流、帧率等成像指标上的优势与所述像元结构140相同，但是所述像元结构150的特征尺寸最小可以降低至9F2。
图16和图17分别是所述像元结构150在点T和点B处的水平截面图。点T截面图250中，虚线框251表示单像素划分的范围，252为所述像元全隔离结构152，253为所述像元栅极152-2，254为所述像元源极153；点T截面图350中，虚线框351表示单像素划分的范围，352为所述像元全隔离结构152，353为所述像元栅极152-1，354为所述像元漏极154。同行的所述像元栅极253(152-2)相连，能够在阵列的使用中具备行选的功能；阵列中全部所述像元状态栅极353(152-1)相连，统一施加偏置电压Vbias。
实现像素结构150的关键技术是多层的的垂直栅极结构，并且针对其中一层垂直栅结构，能够实现同行像素的该层垂直栅结构的相连与不同行像素的该层垂直栅结构的电学隔离。图18和图19分别是所述像元结构150在水平和竖直方向的工艺流程图，目的是结合工艺特点说明所述像元结构150在两个方向上都能缩小至3F的特征尺寸，最终实现9F2的亚微米尺寸像元结构。在图19中，首先光刻出宽度为2F，周期为3F的浅槽结构，此时无浅槽结构的有源区宽度为1F；接着生长氧化层并沉积多晶硅，用化学机械抛光的方式形成所述像元栅极253(152-2)；然后在宽度为2F的像元栅极253(152-2)的中心位置回刻出宽度为1F浅槽隔离结构(Shallow Trench Isolation，STI)，即所述像元全隔离结构152的上半部分，实现了不同行所述像元栅极152-2的分隔，并且完成所述像元源极153的离子注入；紧接着对准宽度为2F的像元栅极253(152-2)的中心位置刻蚀出宽度为1F的深槽结构，此时深槽结构的周期也为3F，背面无深槽结构的有源区宽度为2F；最后生长并沉积出所述像元状态栅极152-1，完成所述像元漏极154的离子注入与退火。图18中的工艺过程与图19相同，只是在所述水平方向上不需要对所述像元栅极253(152-2)进行回刻，并且最终工艺实现的所述像元状态栅极152-1为网格状，即阵列中所有像素单元的像元状态栅极互联。综上，所述像元结构150在图18与图19的工艺步骤下在水平方向和竖直方向的尺寸都缩小到了3F，则单像元的面积最小可以达到9F2。结合目前国内大部分代工厂较为成熟的55nm节点的生产线，单像素的尺寸也能够到达可见光的200nm衍射极限，满足绝大多数小尺寸可见光传感器的应用需求。
Claims (10)
1.衬底电压调制型图像传感器像素单元，包括场效应管和三极管，其特征在于，所述场效应管衬底的掺杂类型与所述三极管的基极的掺杂类型相同，但与所述场效应管的源极和漏极的掺杂类型相反；所述场效应管衬底与所述三极管的基极相连，所述三极管的发射极连接所述场效应管的源极和漏极中的一个，作为像元源极；所述三极管的集电极连接所述场效应管的源极和漏极中的另一个，作为像元漏极；所述场效应管的栅极外接电压，作为像元栅极。
2.根据权利要求1所述的衬底电压调制型图像传感器像素单元，其特征在于，所述三极管为寄生三极管，所述场效应管衬底作为所述三极管的基极，所述场效应管的源极和漏极中的一个作为所述三极管的集电极，所述场效应管的源极和漏极中的另一个作为所述三极管的发射极。
3.根据权利要求1所述的衬底电压调制型图像传感器像素单元，其特征在于，所述场效应管包括由选址场效应管和状态场效应管组成的串联结构，所述选址场效应管用于感应光生载流子，所述状态场效应管用于选通，两个场效应管的衬底都与所述三极管的基极相连；所述选址场效应管的源极与所述三极管的发射极和集电极中的一个相连，作为像元源极；所述状态场效应管的漏极与所述三极管的发射极和集电极中的另一个相连，作为像元漏极；所述选址场效应管的漏极与所述状态场效应管的源极相连；所述选址场效应管的栅极作为像元栅极，所述状态场效应管的栅极作为像元状态栅极。
4.如权利要求1至3之一所述的衬底电压调制型图像传感器像素单元的操作方法，其特征在于，该操作方法由所述三极管的基极收集光生载流子，并配合所述三极管的发射极和集电极实现复位，所述场效应管通过衬底电压的调制效应实现像素信号的读出；具体步骤如下：
光生载流子的复位：所述三极管的发射极和集电极加偏压，所述三极管浮空的基极内的多子被部分排出，所述三极管的发射极和集电极恢复至接近零偏的常态，由于所述三极管中的两个二极管的单向导电性，所述被排出的基极多子无法从电极得到补充，完成光生载流子的复位；
曝光与光生载流子的收集：所述三极管的基极在完成复位操作后，处于一个非平衡态，受到光照后产生的电子空穴对中一种载流子作为基极区域的多子被存储在基极与发射极、集电极形成的PN结电容内，另一种载流子则从所述发射极和集电极流走，完成光生载流子的收集；
光信号的读出：所述三极管在收集光生载流子后，该区域的电势产生相应的变化，同时所述场效应管的衬底电压与所述三极管基极电压相等，因此，所述场效应管衬底电压与所述收集的光生载流子数目相关；在所述场效应管栅极加电压并且在场效应管的源极或漏极连接相应负载，通过所述场效应管输出端的电压或电流表征所述光生载流子数目，完成光信号读出。
5.根据权利要求4所述的操作方法，其特征在于，当所述场效应管包括由选址场效应管和状态场效应管组成的串联结构时，所述状态场效应管用于感应光生载流子，所述选址场效应管用于选通；在所述曝光与光生载流子收集过程中，所述选址场效应管关闭；在所述光信号的读出过程中，所述被选中像素的选址场效应管和状态场效应管均导通。
6.如权利要求1至3之一所述的衬底电压调制型图像传感器像素单元的阵列，其特征在于，多个所述像素单元排布成阵列，其中，同行所述像素单元的像元栅极相连构成所述阵列的选通字线；
同行所述像素单元的像元源线相连构成所述阵列的复位字线；或者，同行奇数列所述像素单元的像元源极相连构成所述阵列的第一复位字线，且同行偶数列所述像素单元的像元源极相连构成所述阵列的第二复位字线；
同列所述像素单元的像元漏极相连构成所述阵列的读出位线；
当所述场效应管包括由选址场效应管和状态场效应管组成的串联结构时，同列所述像素单元的像元漏极相连构成所述阵列的读出位线；同行所述像素单元的像元状态栅极相连构成所述阵列的状态字线。
7.如权利要求1至3之一所述衬底电压调制型图像传感器像素单元的器件，其特征在于，该器件包括所述像素单元、衬底、像素全隔离结构和场效应晶体管，所述像素全隔离结构将所述衬底分割为多个独立的区域，单个独立区域为所述像素单元的衬底。
8.根据权利要求7所述的器件，其特征在于，所述场效应晶体管包括单个体硅晶体管，所述像素全隔离结构包括在垂直方向上贯穿衬底的深槽隔离结构，所述深槽隔离结构包括：氧化硅填充结构，或氧化硅/空气隙复合层填充结构，或氧化硅/氮化硅/氧化硅复合层填充结构。
9.根据权利要求7所述的器件，其特征在于，所述场效应晶体管包括环栅晶体管和垂直栅晶体管，所述环栅晶体管的源极和漏极中的一个被设置在环栅的中心位置，另一个被设置在环栅的外围且与所述像素全隔离结构接触；所述垂直栅晶体管包括所述像素全隔离结构，其中所述像素全隔离结构包括氧化硅/多晶硅复合层填充结构，或氧化硅/非晶硅复合层填充结构；所述像元源极和像元漏极同设置在衬底的正面，或者两者分别设置的衬底的正面和背面。
10.根据权利要求7所述的器件，其特征在于，所述像素单元的衬底的正面与背面分别设置第一掺杂类型材料层和第二掺杂类型材料层，所述第一掺杂材料层的掺杂类型与第二掺杂材料层的掺杂类型相同，与所述独立衬底的掺杂类型相反；所述像素全隔离结构包括氧化硅/多晶硅复合层填充结构，或氧化硅/非晶硅复合层填充结构，所述像素全隔离结构在沿所述独立衬底平面的法线方向上包括至少两层所述氧化硅/多晶硅或氧化硅/非晶硅重复的复合层填充结构。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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