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随着微电子技术的不断发展，固体图像传感器已经逐渐代替了传统的胶片相机。而近年来CMOS图像传感器的性能不断进步，其低成本、低功耗、高集成度、可以与CMOS集成电路兼容等等优点，使其正在逐渐代替CCD图像传感器的霸主地位，广泛应用于数码照相机、数字摄像机、工业控制、安防监控、科学研究、医药、智能手机等领域，而四管（4T）像素依然是当前CMOS图像传感器的主流像素类型。时间延迟积分型（Time DelayIntegration, TDI）CMOS图像传感器，具有高信噪比，高灵敏度的特点，适合应用于深海、外太空等暗光条件下。本文基于GSMC0.18μm CMOS工艺，结合二维与三维软件仿真，详细阐述了TDI CMOS图像传感器4T像素的基本工艺流程。由于TDI型CMOS4T像素需要使用大尺寸设计来获得较高的填充因子与灵敏度，其设计的关键在于如何获得较高的电荷转移效率。电荷转移效率取决于自钳位光电二极管（Pinned photodiode, PPD）延伸至浮空节点（Floatingdiffusion, FD）的电荷转移路径内的电势分布，包括PPD内部、传输沟道、传输沟道与PPD结合区域这三部分的电势分布。本文通过使用非均匀掺杂传输沟道，获得了传输沟道内部的梯度电势分布；通过对非均匀掺杂传输沟道与防穿通注入（Anti-PunchThrough,APT）的精细调整，减小了传输沟道与PPD结合区域的电子势垒和电子势阱。经过软件仿真验证，优化之后的像素剩余电荷占总电荷的比例由1/104降至1/107，电荷转移时间由500ns降低至110ns，电荷转移效率得到了很大的提高。本文结合GSMC0.18μmCMOS工艺，详细阐述了像素流片工艺条件的确定过程，包括PPD中N埋层注入方式的选择，防穿通注入对满阱容量的影响，以及工艺鲁棒性仿真。介绍了流片所使用像素版图设计，以及像素测试环境与部分关键指标的测试结果，包括像素满阱容量、暗电流特性。流片测试结果表明，采用本文的设计方案顺利实现了TDI型CMOS图像传感器4T像素的功能，但其暗电流特性仍有待加强。综上所述，本文给出的像素设计方法提高了大尺寸像素的电荷转移效率，经过流片验证，顺利实现了像素功能。本文对TDI型CMOS图像传感器像素以及其他大尺寸4T像素的设计有一定的指导意义。