可用于多种工作模式的CMOS图像传感器制造技术

为解决现有技术CMOS图像传感器存在的不能同时兼顾多光谱输出和大量子效率等问题，本发明专利技术提出一种可用于多种工作模式的CMOS图像传感器，基于表面嵌位的4T像素构建，包括三个传输栅、一个光电二极管、一个浮空节点、一个复位管复位栅、一个源跟随器和一个选择管；所述光电二极管采用三层N埋层垂直堆叠结构，每层N埋层感应不同波段的光照并对应连接一个传输栅，且三层N埋层共用一个浮空节点；可通过三个传输栅以及复位管复位栅和选择管的不同时序使传感器处于不同的工作模式。本发明专利技术的有益技术效果是可以实现单个像素的多光谱选择输出，也可实现像素的高量子效率输出。

【技术实现步骤摘要】
可用于多种工作模式的CMOS图像传感器专利
本专利技术涉及CMOS图像传感器设计技术，尤其涉及一种可用于多种工作模式的CMOS图像传感器。
技术介绍
CMOS图像传感器以其低成本、高集成度，以及越来越高的成像质量得到了突飞猛进的发展，广泛应用于机器视觉、安防监控、便携式应用、医疗、军事等领域。现有技术CMOS图像传感器主要为有源像素图像传感器APS，包括3T、4T、5T像素。由于3T像素、5T像素的CMOS图像传感器存在着不能进行相关双采样等缺点，因此，4T像素的CMOS图像传感器成为主流产品。像素的量子效率是指光电二极管收集到的光生电荷与射入像素的光子之间的比率，量子效率越高，相同入射的光子能够产生更多的光生电子空穴对，被光电二极管收集到的光生电子就越多，从而同时增大像素满阱容量，扩大像素动态范围。在暗光条件下，高量子效率的像素能够提供更高的响应，捕捉更多的细节。另一方面，现有技术CMOS图像传感器在检测彩色可见光时，多以红、绿、蓝三种颜色的滤光片过滤光线，使得不同滤光片下的像素感应不同颜色的光，之后经过图像处理形成彩色图像。但是，众所周知，经过滤光片获取的彩色图像也有缺点，包括源于插值得到其他颜色的内插算法，本质上为一种低通滤波器，必然导致图像高频细节的损失，降低图像品质。另外，对于一定规律重复出现的图像区域，则很容易出现低频彩色条纹，即所谓的彩色摩尔条纹。而对于硅可感应的近紫外光、可见光、近红外光等波段，现有技术CMOS图像传感器都是分别进行的，还没有同时可以检测几种不同波段光的图像传感器。Foveon公司的X3传感器，采用CMOS技术，利用多层垂直堆叠、不同深度的PN结来检测色彩，由于不同波长的光穿透到衬底中的不同深度，可以直接在一个像素内感应色彩而不再需要滤光片。如附图1中所示为典型的垂直堆叠像素结构，其以3T像素为基础，采用堆叠结构，用三层不同深度的PN结感应三种不同颜色光的光生电荷，通过三层感光层对应的三组不同的源跟随器、复位管和行选管进行三路输出，即蓝色、绿色、红色输出，从而实现可见光彩色输出。专利CN101421847B，则主要改进了垂直堆叠结构，例如N型非均匀掺杂光电二极管、垂直沟槽晶体管等，通过这些技术能够更有效的提高堆叠型像素的性能。专利CN102623475A中，与X3技术相似，以4T像素为基础，对堆叠结构中的每层感光层均配置了传输栅、浮空节点与源跟随器，即包含了三个传输栅，三个浮空节点与三个源跟随器。然而，上述CMOS图像传感器能够较好的处理彩色图像的成像，却不能较好的处理暗光或时间延迟积分TDI等特殊应用条件下的成像。显然，现有技术CMOS图像传感器存在着不能同时兼顾多光谱输出和大量子效率等问题。
技术实现思路
为解决现有技术CMOS图像传感器存在的不能同时兼顾多光谱输出和大量子效率等问题，本专利技术提出一种可用于多种工作模式的CMOS图像传感器。本专利技术可用于多种工作模式的CMOS图像传感器基于表面嵌位的4T像素构建，包括三个传输栅、一个光电二极管、一个浮空节点、一个复位管复位栅、一个源跟随器和一个选择管；所述光电二极管采用三层N埋层垂直堆叠结构，每层N埋层感应不同波段的光照并对应连接一个传输栅，且三层N埋层共用一个浮空节点；浮空节点中的一个边连接复位管复位栅并通过金属引线连接至复位管一侧的源跟随器和选择管，并且，可通过三个传输栅以及复位管复位栅和选择管的不同时序使传感器处于不同的工作模式，使得三层N埋层中的光生电荷通过其对应的传输栅分别或组合转移并读出。进一步的，本专利技术可用于多种工作模式的CMOS图像传感器光电二极管采用三层N埋层垂直堆叠结构，包括，每层堆叠结构为其上的N埋层与周围的P+掺杂层构成，表面的P+掺杂层为嵌位层，连同最底层的P-sub结构，最终形成P+NP+/NP+/NPsub的复合三层垂直堆叠结构；所述N埋层与P+掺杂层采用多次N型/P+型注入方式产生，且三层N埋层区域处于不同注入深度区，使得三层N埋层能够感应不同波段的光照，产生对应波段的光生电荷。进一步的，本专利技术可用于多种工作模式的CMOS图像传感器在每层N埋层与其传输栅的接口处增加P+型注入层，形成对其他N埋层中的光生电荷的势垒，使得每层N埋层中的光生电荷只能通过与其对应的传输栅的控制转移至浮空节点。进一步的，本专利技术可用于多种工作模式的CMOS图像传感器在三层N埋层与浮空节点之间设置防穿通注入层，以防止三层N埋层向浮空节点之间的漏电。进一步的，本专利技术可用于多种工作模式的CMOS图像传感器在电荷转移路径采用多次注入形成非均匀掺杂N埋层结构，以提高电荷转移路径的电势梯度，增加电荷转移效率。进一步的，本专利技术可用于多种工作模式的CMOS图像传感器可通过三个传输栅以及复位管和选择管的不同时序使像素工作于不同的工作模式，使得三层N埋层中的光生电荷通过其对应的传输栅分别或组合转移光生电荷并读出，包括，多光谱模式，即三层N埋层中的光生电荷分别依次通过其对应的传输栅转移光生电荷并读出，具体步骤为：S101、对复位管加高压将浮空节点复位；S102、对第一个传输栅加接高压，将与其对应连接的N埋层中的光生电荷导入浮空节点中；S103、通过源跟随器与选择管将浮空节点中的光生电荷读出；S104、通过对复位管与第一个传输栅加高压，将浮空节点与此层N埋层复位；S105、对第二个传输栅加高压，重复步骤S102至S104；S106、对第三个传输栅加高压，重复步骤S102至S104；S107、完成一帧图像的多光谱模式应用；另外，在多光谱模式下，通过选择各传输栅的加高压顺序，实现一帧图像不同N埋层光生电荷，即不同波段的优先读出模式；或者省略步骤S105和/或S106，实现一帧图像一层或两层N埋层光生电荷，即一个或二个波段的选择读出模式；高量子效率模式，即三层N埋层中的光生电荷叠加后一并读出，具体步骤包括：S201、对复位管加高压将浮空节点复位；S202、依次对三个传输栅加高压，将三个传输栅对应连接N埋层中的光生电荷导入浮空节点中；S203、三次转移的光生电荷在浮空节点中形成叠加；S204、通过源跟随器与选择管进行读出；S205、对复位管和三个传输栅加高压，对三层N埋层和浮空节点进行复位；S206、完成一帧图像的像素高量子效率模式应用；另外，在高量子效率模式下，通过选择步骤S202中加高压的传输栅顺序，实现不同N埋层光生电荷组合顺序，即不同波段组合顺序的读出模式；或者通过选择步骤S202中加高压的传输栅数量，实现一帧图像任意二层N埋层光生电荷，即任意两个波段的读出模式。本专利技术可用于多种工作模式的CMOS图像传感器的有益技术效果是可以实现单个像素的多光谱选择输出，也可实现像素的高量子效率输出，从而使像素适应于不同的工作模式。附图说明附图1是现有技术CMOS图像传感器垂直堆叠像素结构的示意图；附图2是本专利技术可用于多种工作模式的CMOS图像传感器三层堆叠结构像素的俯视示意图；附图3是附图2中沿b-a切线的剖视示意图；附图4是附图2中沿b-c切线的剖视示意图；附图5是本专利技术多光谱模式应用工作时序示意图；附图6是本专利技术高量子效率模式应用工作时序示意图；附图7是本专利技术高量子效率模式电势能变化曲线示意图。下面结合附图及具体实施例对可用于多种工作模式的CMOS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可用于多种工作模式的CMOS图像传感器，其特征在于，该CMOS图像传感器基于表面嵌位的4T像素构建，包括三个传输栅、一个光电二极管、一个浮空节点、一个复位管复位栅、一个源跟随器和一个选择管；所述光电二极管采用三层N埋层垂直堆叠结构，每层N埋层感应不同波段的光照并对应连接一个传输栅，且三层N埋层共用一个浮空节点；浮空节点中的一个边连接复位管复位栅并通过金属引线连接至复位管一侧的源跟随器和选择管，并且，可通过三个传输栅以及复位管复位栅和选择管的不同时序使传感器处于不同的工作模式，使得三层N埋层中的光生电荷通过其对应的传输栅分别或组合转移并读出。

【技术特征摘要】
1.一种可用于多种工作模式的CMOS图像传感器，其特征在于，该CMOS图像传感器基于表面嵌位的4T像素构建，包括三个传输栅、一个光电二极管、一个浮空节点、一个复位管复位栅、一个源跟随器和一个选择管；所述光电二极管采用三层N埋层垂直堆叠结构，每层N埋层感应不同波段的光照并对应连接一个传输栅，且三层N埋层共用一个浮空节点；浮空节点中的一个边连接复位管复位栅并通过金属引线连接至复位管一侧的源跟随器和选择管，并且，可通过三个传输栅以及复位管复位栅和选择管的不同时序使传感器处于不同的工作模式，使得三层N埋层中的光生电荷通过其对应的传输栅分别或组合转移并读出；并且，在每层N埋层与其传输栅的接口处增加P+型注入层，形成对其他N埋层中的光生电荷的势垒，使得每层N埋层中的光生电荷只能通过与其对应的传输栅的控制转移至浮空节点。2.根据权利要求1所述可用于多种工作模式的CMOS图像传感器，其特征在于，光电二极管采用三层N埋层垂直堆叠结构，包括，每层堆叠结构为其上的N埋层与周围的P+掺杂层构成，表面的P+掺杂层为嵌位层，连同最底层的P-sub结构，最终形成P+NP+/NP+/NPsub的复合三层垂直堆叠结构；所述N埋层与P+掺杂层采用多次N型/P+型注入方式产生，且三层N埋层区域处于不同注入深度区，使得三层N埋层能够感应不同波段的光照，产生对应波段的光生电荷。3.根据权利要求1所述可用于多种工作模式的CMOS图像传感器，其特征在于，在三层N埋层与浮空节点之间设置防穿通注入层，以防止三层N埋层向浮空节点之间的漏电。4.根据权利要求1所述可用于多种工作模式的CMOS图像传感器，其特征在于，在电荷转移路径采用多次注入形成非均匀掺杂N埋层结构，以提高电荷转移路径的电势梯度，增加电荷转移效率。5.根据权利要求1所述可用于多种工作模式的CMOS图像...

【专利技术属性】
技术研发人员：李毅强，吴治军，刘昌举，李明，邓光平，李梦萄，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十四研究所，
类型：发明
国别省市：重庆;85