[发明专利]一种4T有源像素结构及其工作方法

说明书

本发明提供了一种4T有源像素结构及其工作方法，包括P型衬底、SiO₂层、钳位光电二极管PPD、传输晶体管栅极TG、浮动扩散电容FD、复位晶体管栅极RG、复位晶体管漏极RD、源极跟随器M_sf、选通晶体管M_rs和列总线col_line。本发明有益效果：本发明在传统4T有源像素的基础上，通过增加FD节点与复位栅极（RG）之间间距，消除了FD跟复位栅极（RG）的交叠电容，降低了FD节点总电容，提升了转换增益；FD与RG之间没有交叠，在工艺中FD区域的长度不会受到FD上方接触孔与RG之间距离要求的限制，FD可以实现更小的尺寸，进一步提升了转换增益，最终实现高灵敏度感光。

技术领域

本发明属于4T像素结构领域，尤其是涉及一种4T有源像素结构及其工作方法。

背景技术

随着摄像机对灵敏度的要求不断提高，高灵敏度CMOS图像传感器应用场景越来越多，其中像素是高灵敏度CMOS图像传感器核心组成部分，负责完成光信号到电信号的转换。主流的像素通常采用4T有源像素的结构，高灵敏度像素是对4T有源像素的改进，通常采用单光子雪崩二极管（SPAD）器件或者采用低浮动扩散（Floating Diffuison, FD）电容的高转换增益器件实现。主流高灵敏度像素设计考虑功耗、面积等因素，通常使用提高转换增益的结构。在噪声性能和灵敏度需求越来越高的趋势下，减小FD电容，提升转换增益是当前高灵敏度像素的技术难点。

传统的4T有源像素结构如图1，FD节点的电容包括FD的p-n结电容C1，FD跟传输门（TG）的交叠电容C2，FD跟复位栅极（RG）的交叠电容C3，源跟随器（Msf）的栅极电容C4以及金属线间的电容C5。

现有的高灵敏度像素通常在4T有源像素的基础上对FD节点进行改进，降低或消除一个或几个电容分量，降低FD节点的电容，提高转换增益，从而提高灵敏度，但其FD与RG之间有交叠，在工艺中FD区域的长度会受到FD上方接触孔与RG之间距离要求的限制，FD无法实现更小的尺寸，无法进一步提升了转换增益；

本发明提出了一种将增加FD节点与复位栅极（RG）之间间距的结构，RG与FD之间存在距离L（本发明中典型值0.3μm），从而消除FD跟复位栅极（RG）的交叠电容C3，提升了转换增益；FD与RG之间没有交叠，在工艺中FD区域的长度不会受到FD上方接触孔与RG之间距离要求的限制，FD可以实现更小的尺寸，进一步提升了转换增益。本发明这一结构也可以用于其他的像素电路结构，适用范围广，对于采用有源像素的图像传感器来说是其实现高灵敏的有效解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种4T有源像素结构及其工作方法，以解决现有技术中的FD与RG之间有交叠，在工艺中FD区域的长度会受到FD上方接触孔与RG之间距离要求的限制，FD无法实现更小的尺寸，无法进一步提升了转换增益的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种4T有源像素结构，包括P型衬底、SiO₂层、钳位光电二极管PPD、传输晶体管栅极TG、浮动扩散电容FD、复位晶体管栅极RG、复位晶体管漏极RD、源极跟随器M_sf、选通晶体管M_rs和列总线col_line；

所述钳位光电二极管PPD、浮动扩散电容FD、复位晶体管漏极RD均设置于P型衬底上的扩散区域，所述P型衬底上层覆盖有SiO₂层，所述传输晶体管栅极TG、复位晶体管栅极RG设置于SiO₂层的多晶硅栅极区域；所述钳位光电二极管PPD为传输晶体管的源极，所述浮动扩散电容FD为传输晶体管的漏极，所述浮动扩散电容FD为复位晶体管的源极；所述浮动扩散电容FD节点通过金属导线连接到源极跟随器M_sf的栅极，所述源极跟随器M_sf的源极与选通晶体管M_rs的漏极相连，所述源极跟随器M_sf的漏极接电源VDD，所述选通晶体管M_rs的源极与列总线col_line相连；