像素单元、CMOS图像传感器、电子设备及制备方法技术

本发明专利技术提供一种像素单元、CMOS图像传感器、电子设备及制备方法，像素单元包括感光控制单元、复位晶体管及增益控制晶体管，复位晶体管及增益晶体管中至少一者具有埋入栅结构，至少位于对应晶体管的源极和漏极之间并延伸至衬底中以形成埋入沟道。本发明专利技术通过制备埋入栅结构，可以增加增益控制电容，有效实现双转换增益控制，特别适用于高光下，提高图像传感器的动态范围。基于本发明专利技术的设计，可以结合像素单元元件的布局，使得高转换增益及低转换增益均得到有效改善。本发明专利技术在无需外置电容的情况下实现了增益电容的增大，节约器件空间，减少各元件之间的相互影响。还可以通过顶部栅极实现电性引出，工艺简便，无需增加复杂工艺步骤便可实现器件的制备。骤便可实现器件的制备。骤便可实现器件的制备。

【技术实现步骤摘要】
像素单元、CMOS图像传感器、电子设备及制备方法


[0001]本专利技术属于图像传感器制造
，特别是涉及一种CMOS图像传感器像素单元、包括上述像素单元的CMOS图像传感器、电子设备及制备方法。

技术介绍

[0002]图像传感器是利用光电器件的光电转换功能将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。根据元件的不同，可以分为CCD(电荷耦合元件)和CMOS(金属氧化物半导体元件)两大类。随着CMOS图像传感器(CIS)设计及制造工艺的不断发展，CMOS图像传感器逐渐取代CCD图像传感器已经成为主流。其中，CMOS图像传感器可以分为FSI(Front Side Illumination，前照式)和BSI(Back Side Illumination，背照式)两类。
[0003]动态范围是图像传感器成像质量的关键因素，动态范围大可输出更宽光强范围内的场景图像信息，呈现更丰富的图像细节。通常情况下，图像传感器输出的动态范围大约为60
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70db，在一般自然环境应用中，为了同时捕获高光及阴影部分的图像信息所需要的动态范围约为100db。在图像传感器设计中，通常采用读取多帧图像进行多帧合成的方式来实现图像传感器高动态范围(HDR)。另外，部分传感器会设计双转换增益模式(DCG，Dual Conversion Gain)，以在不同的应用环境中采用不同增益。比如，在低光场景下，图像传感器的像素电路工作在高转换增益模式下；在高光场景下，图像传感器的像素电路工作在低转换增益模式下。
[0004]然而，采用多帧合成的高动态范围实现方式中多帧读取过程存在时间差，最后合成的图像中会出现拖尾的现象，电路的读取噪声大。而且，现有增益控制单元的增益电容难以有效增大，较小的增益电容限制了增益控制单元作用的发挥，限制了器件的动态范围，难以继续降低低增益部分。另外，也有通过设置器件电容的方式提高增益电容的做法，但该做法引入器件电容，增加信号间影响，工艺难度大等。导致现有图像传感器动态范围难以有效提高。
[0005]因此，如何提供一种CMOS图像传感器像素单元、CMOS图像传感器、电子设备及制备方法，以解决现有技术中的上述问题实属必要。

技术实现思路

[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种像素单元、CMOS图像传感器、电子设备及制备方法，用于解决现有技术中图像传感器动态范围难以有效提高，增益电容难以有效增大以及外置器件电容容易导致信号间产生影响及工艺复杂等问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种CMOS图像传感器像素单元，所述像素单元包括：
[0008]感光控制单元，包括感光元件及传输晶体管，所述传输晶体管的分别与所述感光元件及浮动扩散点相连接，所述感光元件响应入射光产生电荷，所述传输晶体管传输所述电荷；
[0009]复位晶体管，连接至第一电压源；
[0010]增益控制晶体管，连接在所述复位晶体管与所述浮动扩散点之间；
[0011]其中，所述复位晶体管及所述增益晶体管中的至少一者具有埋入栅结构，所述埋入栅结构至少位于对应晶体管的源极和漏极之间并延伸至衬底中以形成埋入沟道。
[0012]可选地，所述埋入栅结构包括若干个间隔排布的埋入栅单元，以在所述衬底中对应形成若干个埋入沟道单元。
[0013]可选地，所述埋入栅结构包括连接部及延伸主体部，所述连接部与晶体管的源极和漏极相连接，所述延伸主体部与所述连接部相连接并向下延伸至所述衬底中。
[0014]可选地，所述埋入栅结构的横截面形状包括方形、圆形、S型、U型、田字型及环形中的至少一种。
[0015]可选地，所述埋入栅结构的深度大于对应晶体管的源极和漏极的深度；和/或，所述埋入栅结构的深度介于400
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500nm之间，与所述埋入栅结构对应的晶体管的源极和漏极的深度介于300
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400nm之间；和/或，所述埋入栅结构与两侧的源极和漏极之间的间距之和大于200nm。
[0016]可选地，所述像素单元包括具有共享结构的四个所述感光控制单元，所述传输晶体管以预设倾斜角度设置于对应所述感光元件的角部，且四个所述传输晶体管对向设置形成开口，其中，所述复位晶体管设置在所述增益控制晶体管一侧沿同一方向布置，并对应位于相邻行的所述感光元件之间。
[0017]可选地，所述像素单元还包括源极跟随晶体管和行选择晶体管中的至少一种，其中，所述源极跟随晶体管设置在所述开口的中心，且当均形成所述源极跟随晶体管及所述行选择晶体管时，所述行选择晶体管设置在所述源极跟随晶体管一侧沿同一方向布置，并对应位于相邻列的所述感光元件之间。
[0018]可选地，所述埋入栅结构包括与所述复位晶体管对应的第一埋入栅结构及与所述增益控制晶体管对应的第二埋入栅结构，所述埋入栅结构的设置包括：同一像素单元中，所述第一埋入栅结构与所述第二埋入栅结构关于列方向边缘线对称设置；以及，相邻像素单元中，所述第一埋入栅结构与靠近的所述第二埋入栅结构关于列方向轴线对称设置中的至少一种。
[0019]可选地，所述像素单元还包括顶部栅极，所述顶部栅极与所述埋入栅结构相连接且上下对应设置。
[0020]可选地，所述顶部栅极位于对应晶体管的源极和漏极之间形成MOS器件，并自所述顶部栅极实现晶体管的电性引出。
[0021]本专利技术还提供一种图像传感器，所述CMOS图像传感器包括包括若干个按行和按列布局的如上述方案中任意一项所述的CMOS图像传感器像素单元。
[0022]本专利技术还提供一种电子设备，包括如上述方案中任意一项所述的CMOS图像传感器。
[0023]本专利技术还提供一种CMOS图像传感器像素单元的制备方法，其中，本专利技术所提供的CMOS图像传感器像素单元优选基于本专利技术提供的制备方法制备得到，当然，还可以采用其他方法制备。其中，所述CMOS图像传感器像素单元的制备方法包括如下步骤：
[0024]提供衬底，所述衬底包括感光控制单元区、复位晶体管区及增益控制晶体管区；
[0025]对应所述复位晶体管区及所述增益晶体管区中的至少一者制备埋入栅结构，所述埋入栅结构至少位于对应晶体管的源极区和漏极区之间并延伸至所述衬底中以形成埋入沟道；
[0026]在所述感光控制单元区制备感光元件、传输晶体管及浮动扩散点；在所述复位晶体管区制备复位晶体管；在所述增益控制晶体管区制备增益控制晶体管；其中，所述传输晶体管的分别与所述感光元件及浮动扩散点连接，所述增益控制晶体管连接在所述浮动扩散点与所述复位晶体管之间，所述复位晶体管另一端连接第一电压源。
[0027]可选地，制备所述埋入栅结构的步骤包括：
[0028]采用刻蚀工艺在所述衬底中制备凹槽，并填充所述凹槽以形成所述埋入栅结构。
[0029]可选地，所述制备方法包括制备具有共享结构的四个所述感光控制单元以形成所述像素单元的步骤，所述传输晶体管以预设倾斜角度设置于对应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，所述像素单元包括：感光控制单元，包括感光元件及传输晶体管，所述传输晶体管分别与所述感光元件及浮动扩散点相连接，所述感光元件响应入射光产生电荷，所述传输晶体管传输所述电荷；复位晶体管，连接至第一电压源；增益控制晶体管，连接在所述复位晶体管与所述浮动扩散点之间；其中，所述复位晶体管及所述增益晶体管中的至少一者具有埋入栅结构，所述埋入栅结构至少位于对应晶体管的源极和漏极之间并延伸至衬底中以形成埋入沟道。2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，所述埋入栅结构包括若干个间隔排布的埋入栅单元，以在所述衬底中对应形成若干个埋入沟道单元。3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，所述埋入栅结构包括连接部及延伸主体部，其中，所述连接部与晶体管的源极和漏极相连接，所述延伸主体部与所述连接部相连接并向下延伸至所述衬底中。4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，所述像素单元包括具有共享结构的四个所述感光控制单元，所述传输晶体管以预设倾斜角度设置于对应所述感光元件的角部，且四个所述传输晶体管对向设置形成开口，其中，所述复位晶体管设置在所述增益控制晶体管一侧沿同一方向布置，并对应位于相邻行的所述感光元件之间。5.根据权利要求4所述的CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，所述像素单元还包括源极跟随晶体管和行选择晶体管中的至少一种，其中，所述源极跟随晶体管设置在所述开口的中心，且当均形成所述源极跟随晶体管及所述行选择晶体管时，所述行选择晶体管设置在所述源极跟随晶体管一侧沿同一方向布置，并对应位于相邻列的所述感光元件之间。6.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，所述埋入栅结构包括与所述复位晶体管对应的第一埋入栅结构及与所述增益控制晶体管对应的第二埋入栅结构，其中，所述埋入栅结构的设置方式包括：同一像素单元中，所述第一埋入栅结构与所述第二埋入栅结构关于列方向边缘线对称设置；以及，相邻像素单元中，所述第一埋入栅结构与靠近的所述第二埋入栅结构关于列方向轴线对称设置中的至少一种。7.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，所述埋入栅结构的横截面形状包括方形、圆形、S型、U型、田字型及环形中的至少一种。8.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，所述埋入栅结构的深度大于对应晶体管的源极和漏极的深度；和/或，所述埋入栅结构的深度介于400
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500nm之间，与所述埋入栅结构对应的晶体管的源极和漏极的深度介于300
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400nm之间；和/或，所述埋入栅结构与两侧的源极和漏极之间的间距之和大于200nm。9.根据权利要求1
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8中任意一项所述的CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张盛鑫，
申请(专利权)人：思特威上海电子科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：