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1、10申请公布号CN104134676A43申请公布日20141105CN104134676A21申请号201410353610X22申请日20140723H01L27/14620060171申请人中国航天科技集团公司第九研究院第七七一研究所地址710068陕西省西安市太白南路198号72发明人曹琛张冰吴龙胜王俊峰74专利代理机构西安通大专利代理有限责任公司61200代理人徐文权54发明名称基于辐射环境应用的快速电荷转移像素结构57摘要本发明属于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。
2、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。51INTCL权利要求书1页说明书4页附图3页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页附图3页10申请公布号CN。
3、104134676ACN104134676A1/1页21一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FDC，浮空扩散节点FDC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FDC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。
4、开关I的漏极连接输出OUT。2根据权利要求1所述的一种基于辐射环境应用的快速电荷转移像素结构，其特征在于所述的接触孔Q与复位管G的漏极和源跟随器H的栅极通过金属导线P相连。3根据权利要求1所述的一种基于辐射环境应用的快速电荷转移像素结构，其特征在于所述复位管G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，N2。4根据权利要求1所述的一种基于辐射环境应用的快速电荷转移像素结构，其特征在于所述浮空扩散节点FDC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。5根据权利要求4所述的一种基于辐射环境应用的快速电荷转移像素结构，其特征在于所述工艺设计规则所规定。
5、的接触孔最小宽度为06M，有源区覆盖接触孔边缘的最小距离为05M。6根据权利要求1所述的一种基于辐射环境应用的快速电荷转移像素结构，其特征在于所述浮空扩散节点FDC上设置的接触孔Q共为16个，对称分布在浮空扩散节点FDC的四条边上。7根据权利要求1所述的一种基于辐射环境应用的快速电荷转移像素结构，其特征在于所述电荷传输管TG多晶硅栅极F为正方闭合环形，栅长为035M，像素尺寸为10M10M。权利要求书CN104134676A1/4页3基于辐射环境应用的快速电荷转移像素结构技术领域0001本发明属于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。背景技术0002CMO。
6、S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。0003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PPD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。0004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。
7、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PPD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加，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。0005在像素工作过程中，传输管TG控制光生载流子由存储节。
8、点PPD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PPD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。0006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。0007目前针对四管有源像素抗辐射加固设计，普遍方法是采用PPD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PPD边缘至STI的距离形成NT。
9、ANTOACTIVEAREA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辐射暗电流分量，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。说明书CN104134676A2/4页4发明内容0008本发明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。
10、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。0009为了达到上述目的，本发明包括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。0010所述的接。
11、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。0011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，N2。0012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。0013所述工艺设计规则所规定的接触孔最小宽度为06M，有源区覆盖接触孔边缘的最小距离为05M。0014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。0015所述电荷传输管TG多晶硅栅极为正方闭合环形，栅长为035M，像素尺寸为10M10M。0016与现有技术相比，本发明通过将电荷传输管TG多晶硅栅设置成闭合环状结构，。
12、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PPD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，本发明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。0017进一步的，本发明的复位管的宽长比为工艺设计规则所规定的晶。
13、体管最小宽长比的N倍，N2，这样更有利于驱动FD负载节点。0018进一步的，本发明的浮空扩散节点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。附图说明0019图1为现有四管有源像素结构示意图；0020图2为现有传输管TG边缘漏电俯视图；说明书CN104134676A3/4页50021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；0022图4为本发明涉及的四管有源像素结构示意图；0023图5为本发明涉及的环状电荷传输管TG版图示意图；002。
14、4图6为本发明的等效电路图。具体实施方式0025下面结合附图对本发明做进一步说明。0026参见图4和图5，本发明包括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多晶硅栅极，栅长为035M，像素尺寸为10M10M，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一周浮空扩散节点FD，浮空扩散节点FD上设置16个接触孔Q，并通过金属导线P连接有复位管G的漏极和源跟随器H的栅极，16个接触孔Q对称分布在浮空扩散节点FD的四条边上，浮空扩散节点FD外部。
15、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；复位管G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，N2，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，工艺设计规则所规定的接触孔最小宽度为06M，有源区覆盖接触孔边缘的最小距离为05M。0027本发明涉及的像素结构抗总剂量辐射加固原理如下所述环状栅结构的设计使得电荷传输管TG多晶硅栅极形成包围式结构，没有物理边缘，从而消除了边缘漏电机制，在辐射环境下这部分暗电流不再产生；将钳位二极管PPD置于环状。
16、栅的内部，使钳位二极管PPD与浮空扩散节点FD外层的STI完全隔离，这样N埋层B与P型外延层D所形成的耗尽区不会延伸至STI底部，STI界面复合中心产生的非平衡载流子将很快被复合，无法形成暗电流。0028本发明涉及的像素结构快速电荷转移原理如下所述将环状浮空扩散节点FD四周设置多个接触孔Q引出，并用底层金属导线P连接，使得电荷传输管TG多晶硅栅极栅宽大幅增加，并覆盖整个钳位二极管PPD边缘，光生载流子可以同时向不同方向转移，而非传统结构只能往同一方向，特别对于大尺寸像素，缩短了转移路径，使电荷能够更完全、快速地转移，避免出现信号拖尾现象。0029参见图5，本发明给出一种典型的实施例，基于国内某。
17、CMOS图像传感器专用工艺，电荷传输管TG多晶硅栅极设计为正方闭合环状，栅长为035M，像素尺寸为10M10M，正方闭合环形的电荷传输管TG多晶硅栅极形成环状栅O，钳位二极管PPD的P钳位层A、N埋层B和P型外延层D位于环状栅O的内部，浮空扩散节点FD位于环形栅O的外部。P钳位层A、N埋层B和P型外延层D的区域内无接触孔引出，保留感光区形状。正方闭合环的浮空扩散节点FD的每一条边各对称分布4个接触孔Q，共16个，由第一层金属导线P互连并接至复位管RST的漏极和源跟随器SF的栅极。所述工艺规定的接触孔最小宽度为06M，有源区覆盖接触孔边缘的最小距离为05M，浮空扩散节点FD每条边的宽度为16M。。
18、复位管RST栅宽设计为最小栅宽的4倍。0030在辐射环境中，例如太空拍摄时，该四管有源像素由于缺少大气层的保护，会受到说明书CN104134676A4/4页6太阳或者宇宙深处产生的质子、中子及射线的辐射作用，在STI及其他电介质层中电离出电子空穴对，其中迁移率较低的空穴被电介质层中的陷阱俘获。由于该像素的正方闭合环状的电荷传输管TG多晶硅栅极设计使晶体管没有物理边缘，因此被陷阱俘获的空穴并不会影响到电荷传输管TG多晶硅栅极漏电特性，消除了这一辐射敏感节点产生的暗电流。另外，该像素的钳位二极管PPD位于电荷传输管TG多晶硅栅极内部，实现了与外部STI的完全隔离，耗尽区无法触及STI底部，阻止了高。
19、密度界面复合中心产生的载流子被强电场拉至N埋层产生暗电流的过程。从而使该像素能够同时从两方面达到抗辐射加固效果。0031当该像素处于工作状态时，首先通过4倍宽度的复位管对浮空扩散节点FD复位，经过第一层金属导线P连接至源跟随器SF及行选开关SEL输出复位电压，之后对像素进行曝光积分，光子在钳位二极管中激发电子空穴对产生大量光生载流子，通过将正方闭合环状栅O偏置为33V打开转移通道，光生载流子同时向不同方向转移至环状FD，并被置于FD中的16个接触孔抽走，经SF及SEL输出为信号电压。0032参见图6，为该像素的等效电路图，较传统像素结构，该像素至少增加了4倍的转移通道宽度，电荷转移时间也缩短至传统像素的四分之一，实现了快速、完全的电荷转移，避免图像拖尾发生，并且提高了图像传感器的帧频。说明书CN104134676A1/3页7图1图2图3说明书附图CN104134676A2/3页8图4图5说明书附图CN104134676A3/3页9图6说明书附图CN104134676A。