本发明专利技术属于CMOS图像传感器领域，具体涉及一种基于辐射环境应用的快速电荷转移像素结构。为了解决现有的无法对像素起到抗辐射加固效果，并不适用于辐射环境的问题，本发明专利技术包括P型外延层上设置有闭合环形的电荷传输管TG多晶硅栅极，P型外延层内设置有N埋层，N埋层上设置有P+钳位层，P+钳位层、N埋层和P型外延层组成钳位二极管PPD，电荷传输管TG多晶硅栅极外部设置一周浮空扩散节点FD，浮空扩散节点FD上设置若干接触孔，并连接有复位管的漏极和源跟随器的栅极，浮空扩散节点FD外部为STI隔离，本发明专利技术抑制了电荷传输管TG多晶硅栅极边缘及钳位二极管PPD边界这两个辐射严重敏感节点产生的暗电流，并形成发散转移模式，提高了电荷转移效率。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术属于CMOS图像传感器领域，具体涉及一种基于辐射环境应用的快速电荷转移像素结构。为了解决现有的无法对像素起到抗辐射加固效果，并不适用于辐射环境的问题，本专利技术包括P型外延层上设置有闭合环形的电荷传输管TG多晶硅栅极，P型外延层内设置有N埋层，N埋层上设置有P+钳位层，P+钳位层、N埋层和P型外延层组成钳位二极管PPD，电荷传输管TG多晶硅栅极外部设置一周浮空扩散节点FD，浮空扩散节点FD上设置若干接触孔，并连接有复位管的漏极和源跟随器的栅极，浮空扩散节点FD外部为STI隔离，本专利技术抑制了电荷传输管TG多晶硅栅极边缘及钳位二极管PPD边界这两个辐射严重敏感节点产生的暗电流，并形成发散转移模式，提高了电荷转移效率。【专利说明】基于辐射环境应用的快速电荷转移像素结构
本专利技术属于CMOS图像传感器领域，具体涉及一种基于辐射环境应用的快速电荷转移像素结构。
技术介绍
CMOS图像传感器以其低功耗、低成本、高集成密度等优点逐渐取代电荷耦合器件(CCD)成为主流图像传感器。随着其在空间探测及医学成像等多个辐射环境领域中的广泛应用，传感器像素的抗辐射性能成为关注的焦点，特别是对总剂量效应的防护。 目前较为普遍的像素结构为四管有源像素结构,它由一个钳位二极管PPD,浮空扩散节点，传输管，复位管，源跟随器，行选开关共同组成，钳位二极管pro是由在P型外延层上注入的N埋层，表面P+钳位层和P型外延层组成。 虽然表面P+层的引入隔离了 N埋层与Si表面，使四管有源像素具备一定抗辐射能力，但仍然存在两个严重的辐射敏感点:其一，在辐射环境下，位于传输管边缘的STI界面陷阱俘获因辐射电离的正电荷，使靠近STI表面的P型外延反型形成漏电通道，造成晶体管边缘产生漏电流，被浮空扩散区吸收形成暗电流，类似LOCOS工艺中的“鸟嘴”效应；其二，与pro边缘交叠处的STI由于正电荷的累积引起底部P外延耗尽，并与N埋层与底部P外延层形成的耗尽区结合，又因为辐射使得该耗尽区内的载流子复合中心面密度大幅增力口，在热激发作用下，通过复合中心产生的电子空穴对来不及复合就被耗尽区的内强电场驱向N埋层，存在载流子净产生率，从而形成反向电流，这部分暗电流与PPD的周长紧密相关。上述两个辐射敏感点影响着CMOS图像传感器在辐射环境中的成像质量。 在像素工作过程中，传输管TG控制光生载流子由存储节点pro转移至浮空扩散节点FD，然后经源跟随器SF与行选开关SEL输出成为光信号电压。如果光生载流子不能完全、快速地转移至浮空扩散节点FD，会造成部分光信号电荷残留至pro中，等待下一帧操作时输出，这将导致图像出现拖尾现象。可见，光生载流子的转移效率同样关系到传感器成像质量的好坏。 因此，如何优化设计像素结构，使其既具备良好的抗辐射能力又能有高的电荷转移效率，从而保证CMOS图像传感器在辐射环境应用时的成像质量，是亟待解决的重要问题。 目前针对四管有源像素抗辐射加固设计，普遍方法是采用pro包围浮空扩散节点FD形成环形传输管TG结构，或者在版图上拉开pro边缘至STI的距离形成NTA(N to Activearea)结构。这两种加固措施各自仅能抑制前述两个敏感节点之一所产生的福射暗电流分量，只有同时采用才能起到彻底加固效果，这会增加像素设计难度及工艺制造步骤，也不利于电荷转移效率特性的改善。而针对提高电荷转移效率设计，业界采取优化TG栅下电荷传输沟道电势的方法，使光生载流子在转移过程中不会遇到势阱或势垒，该方法无法对像素起到抗辐射加固效果，并不适用于辐射环境。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种基于辐射环境应用的快速电荷转移像素结构，针对四管有源像素进行优化设计，同时对像素中两个辐射严重敏感节点进行加固，大幅抑制像素内部因辐射产生的暗电流分量，并且还能够实现光生电荷的快速转移，提高图像传感器性能。 为了达到上述目的，本专利技术包括P型衬底，以及淀积在P型衬底上的P型外延层，P型外延层上设置有闭合环形的电荷传输管TG多晶硅栅极，P型外延层内设置有N埋层，N埋层上设置有P+钳位层，P+钳位层、N埋层和P型外延层组成钳位二极管PPD，电荷传输管TG多晶硅栅极外部设置一周浮空扩散节点FD，浮空扩散节点FD上设置若干接触孔，并连接有复位管的漏极和源跟随器的栅极，浮空扩散节点FD外部为STI隔离，复位管的源极连接电源VDD，源跟随器的源极连接电源VDD，漏极连接行选开关的源极，行选开关的漏极连接输出OUT。 所述的接触孔与复位管的漏极和源跟随器的栅极通过金属导线相连。 所述复位管的宽长比为工艺设计规则所规定的晶体管最小宽长比的N倍，N > 2。 所述浮空扩散节点FD的宽度为工艺设计规则所规定的接触孔最小宽度再加2倍的有源区覆盖接触孔边缘的最小距离。 所述工艺设计规则所规定的接触孔最小宽度为0.6 μ m，有源区覆盖接触孔边缘的最小距离为0.5 μ m。 所述浮空扩散节点FD上设置的接触孔共为16个，对称分布在浮空扩散节点FD的四条边上。 所述电荷传输管TG多晶硅栅极为正方闭合环形，栅长为0.35 μ m，像素尺寸为10 μ mX 10 μ m。 与现有技术相比，本专利技术通过将电荷传输管TG多晶硅栅设置成闭合环状结构，使P+钳位层和浮空扩散节点FD分别位于环状电荷传输管TG多晶硅栅极的内部和外部，抑制了电荷传输管TG多晶硅栅极边缘及钳位二极管PH)边界这两个辐射严重敏感节点产生的暗电流，通过将浮空扩散节点FD四周设置接触孔引出，连接至复位管RST漏极和源跟随器SF栅极，等效拓宽了光生载流子由钳位二极管PPD向浮空扩散节点FD的转移通道，形成发散转移模式，提高了电荷转移效率，本专利技术并未对感光区进行改造，也无需引入附加的光刻及离子注入工艺步骤，仅对像素内电荷传输晶体管结构做一优化设计，便可在提高抗辐射能力的同时实现快速的电荷转移，设计简单，效率极高。 进一步的，本专利技术的复位管的宽长比为工艺设计规则所规定的晶体管最小宽长比的N倍，N彡2，这样更有利于驱动FD负载节点。 进一步的，本专利技术的浮空扩散节点FD的宽度为工艺设计规则所规定的接触孔最小宽度再加2倍的有源区覆盖接触孔边缘的最小距离，以便减小浮空扩散节点FD寄生电容，增加光信号转换增益，补偿因环状浮空扩散节点FD结构带来的信号摆幅降低。 【专利附图】【附图说明】 图1为现有四管有源像素结构示意图； 图2为现有传输管TG边缘漏电俯视图； 图3为现有PPD周围耗尽区延伸及复合中心产生漏电流剖面图； 图4为本专利技术涉及的四管有源像素结构示意图； 图5为本专利技术涉及的环状电荷传输管TG版图示意图； 图6为本专利技术的等效电路图。 【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术做进一步说明。 参见图4和图5，本专利技术包括P型衬底e，以及淀积在P型衬底e上的P型外延层d,P型外延层d上设置有正方闭合环形的电荷传输管TG多晶娃栅极,栅长为0.35 μ m,像素尺寸为10 μ mX 10 μ m，P型外延层d内设置有N埋层b，N埋层b上设置有P+钳位层a，P+钳位层a、N埋层b和P型外延层d组成钳位二极管PPD，电荷传输管TG多晶硅栅极外部设置本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于辐射环境应用的快速电荷转移像素结构，其特征在于：包括P型衬底(e)，以及淀积在P型衬底(e)上的P型外延层(d)，P型外延层(d)上设置有闭合环形的电荷传输管TG多晶硅栅极(f)，P型外延层(d)内设置有N埋层(b)，N埋层(b)上设置有P+钳位层(a)，P+钳位层(a)、N埋层(b)和P型外延层(d)组成钳位二极管PPD，电荷传输管TG多晶硅栅极(f)外部设置一周浮空扩散节点FD(c)，浮空扩散节点FD(c)上设置若干接触孔(q)，并连接复位管(g)的漏极和源跟随器(h)的栅极，浮空扩散节点FD(c)外部为STI隔离，复位管(g)的源极连接电源VDD，源跟随器(h)的源极连接电源VDD，漏极连接行选开关(i)的源极，行选开关(i)的漏极连接输出OUT。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：曹琛，张冰，吴龙胜，王俊峰，
申请(专利权)人：中国航天科技集团公司第九研究院第七七一研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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