[发明专利]一种高速CMOS图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种图像传感器，尤其涉及一种高速互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

背景技术

近年来，随着CMOS集成电路制造工艺特别是CMOS图像传感器设计及制造工艺的不断发展，CMOS图像传感器已经逐渐取代CCD图像传感器成为主流。CMOS图像传感器与CCD图像传感器相比，具有工艺集成度更高、功耗更低、价格更低等优点。

传统的CMOS图像传感器像素结构示意图如图1所示，它包括钳位光电二极管(PPD)101、浮空扩散节点(FD)2、电荷传输晶体管3、复位晶体管4、源跟随晶体管5和行选择晶体管6。图2为图1的A-A’剖视图，钳位光电二极管101包括P型衬底107、N型埋层109和P型重掺杂钳位层108。复位晶体管4和源跟随晶体管5的漏极分别与电源电压Vdd相连，源跟随晶体管的源极与行选择晶体管的漏极相连，行选择晶体管的源极接输出列总线，复位晶体管的源极和源跟随晶体管的栅极分别经浮空扩散节点、电荷传输晶体管与钳位光电二极管相连，钳位光电二极管包括P型杂质衬底、P型重掺杂钳位层和N型埋层，P型杂质衬底内从上至下依次设有P型重掺杂钳位层和呈方形的N型埋层。

其工作步骤如下：第一步为复位，电荷传输晶体管3和复位晶体管4同时开启，使得N型埋层109内部电子被耗尽，这时N型埋层109将处于空阱状态，而浮空扩散节点2也将处于高电位Vrst，此时浮空扩散节点2的电位通过源跟随晶体管5和行选择晶体管6读出，作为相关双采样(CDS)的第一个信号被输出至总线；第二步为曝光，电荷传输晶体管3和复位晶体管4都关断，钳位光电二极管101在光的照射下将产生光生电荷，经过一定的曝光时间，积累足够多的光生电荷；第三步为转移光生电荷，电荷传输晶体管3开启，钳位光电二极管101中积累的光生电荷转移到浮空扩散节点2中，使得浮空扩散节点2的电位下降，此时浮空扩散节点2的电位Vsig，通过源跟随晶体管5和行选择晶体管6读出，作为相关双采样(CDS)的第二个信号被输出至总线。

现有技术的CMOS图像传感器像素中，光生电荷仅在钳位光电二极管101与浮空扩散节点2的电压差作用下发生转移，随着光生电荷的转移两者的电压差越来越小，光生电荷的转移速度也越来越慢。对于像素而言，钳位光电二极管101中的光生电荷能否快速的、完全的转移到浮空扩散节点2，是一个很重要的问题。如果光生电荷不能在给定的转移时间内完全转移，那么残留在钳位光电二极管101内部的电荷将会留在下一帧的时候输出，将图像信息延迟到下一幅图像，严重影响着成像质量，尤其在机器视觉、交通监控、手势识别等要求捕捉高速移动目标的应用中，将会变得异常突出。因此，提高光生电荷的转移效率是高速CMOS图像传感器设计中需要解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有CMOS图像传感器的不足，提供一种能提高光生电荷转移效率，实现光生电荷快速、完全转移的高速CMOS图像传感器。

本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：包括钳位光电二极管、浮空扩散节点、电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管和行选择晶体管；复位晶体管和源跟随晶体管的漏极分别与电源电压相连，所述源跟随晶体管的源极与行选择晶体管的漏极相连，所述行选择晶体管的源极接输出列总线，所述复位晶体管的源极和源跟随晶体管的栅极分别经浮空扩散节点、电荷传输晶体管与钳位光电二极管相连，所述钳位光电二极管包括P型杂质衬底、P型重掺杂钳位层和N型埋层，所述P型杂质衬底内从上至下依次设有P型重掺杂钳位层和N型埋层，其特征在于，所述N型埋层的宽度从靠近所述电荷传输晶体管一侧向另一侧逐渐变窄，所述P型重掺杂钳位层覆盖住N型埋层，并直接与P型杂质衬底相连。

所述N型埋层呈喇叭形、扇形、三角齿形、三角形或梯形。

所述P型重掺杂钳位层至少覆盖所述N型埋层0.2-0.5μm。

所述P型重掺杂钳位层为结深在100nm内的浅结。

所述电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、行选择晶体管为N型晶体管。