本發(fā)明概括而言涉及C-MOS技術(shù)的圖像傳感器。

背景技術(shù)：

C-MOS圖像傳感器提供的圖像質(zhì)量取決于多種參數(shù)，其中的兩個參數(shù)尤為重要：噪聲水平和動態(tài)工作范圍。在低光線水平下，低噪聲水平產(chǎn)生可以利用的圖像，而更大的動態(tài)范圍提高白天，尤其是晴天條件下的質(zhì)量。動態(tài)范圍還決定傳感器對于在同一場景中的光的散布以及在連續(xù)圖像之間的亮度的突然變化的寬容度。

現(xiàn)今，如圖1A所示意性地示出的CMOS電荷轉(zhuǎn)移像素(其通常稱為四晶體管像素或簡稱為4T像素)的噪聲水平幾乎已經(jīng)降低到了物理極限。這樣的優(yōu)異性能本質(zhì)上源于釘扎光電二極管(PPD)的使用，釘扎光電二極管在初始時是完全耗盡的，其關(guān)聯(lián)于通向浮動擴散結(jié)點FD的電荷轉(zhuǎn)移柵。在電荷向浮動擴散結(jié)點轉(zhuǎn)移之前和之后的兩次相關(guān)讀取使得能夠幾乎完全消除復(fù)位噪聲(與電容成比例的KTC噪聲)。

因為釘扎光電二極管在光轉(zhuǎn)換開始時以及在電荷轉(zhuǎn)移后不包含移動電荷，所以其不會產(chǎn)生KTC噪聲。而且，光電電荷在浮動擴散FD受到測量，此處的電容與光電二極管的電容無關(guān)。由此，釘扎光電二極管僅收集光電電荷，然后這些光電電荷在轉(zhuǎn)移之后在浮動擴散受到測量。

浮動擴散的低電容大幅增加了每個轉(zhuǎn)移的光電子導(dǎo)致的電壓變化，由于系統(tǒng)的噪聲維持相對穩(wěn)定，所以這提高了整體的信號-噪聲比。例如，對于160μV的系統(tǒng)背景噪聲，對于5fF的電容，每電子給出32μV的電壓變化，該噪聲系統(tǒng)相當(dāng)于浮動擴散FD上的5個電子。而對于1fF的浮動擴散FD的電容，160μV的背景噪聲僅反映為1個電子。

帶有電荷轉(zhuǎn)移的像素結(jié)構(gòu)由于低的浮動擴散FD的電容值以及有效電容轉(zhuǎn)移器件而具有優(yōu)秀的敏感度，但是因為浮動擴散區(qū)FD的低電容阻止了其接收大量電荷，所以工作動態(tài)性能下降。例如，5fF的浮動擴散區(qū)FD的電容在1V的電壓變化下給出31250個電子，而1fF在1V下僅給出6250個電子。這意味著，4T單元飽和得非?？?。所有當(dāng)前的努力都致力于提升PPD的積分電容以及浮動擴散FD的存儲電容。

一個電子在浮動擴散FD上產(chǎn)生的電壓變化被定義為轉(zhuǎn)換因數(shù)或增益。例如，5fF的浮動擴散FD的電容給出32μV/e的轉(zhuǎn)換因數(shù)。像素在其線性工作范圍上接收的電荷數(shù)量稱為“滿阱電容”(Full Well Capacity，F(xiàn)WC)。4T像素的FWC受到釘扎光電二極管的存儲電容的限制，或者受到浮動擴散FD能夠接收的最大電荷數(shù)量的限制。

圖1A的釘扎光電二極管PPD包括(如通過在P襯底中的N摻雜而本身所已知的)被以非常高劑量進行P摻雜的薄層覆蓋的N摻雜。在釘扎光電二極管的N區(qū)(陰極)在足夠高的電壓下反向偏置時，該N區(qū)完全耗盡了移動電荷(電子)。該電壓記作Vpin，被稱為“釘扎電壓”；其決定光電二極管中每單位表面的光電子存儲電容。這就解釋了強表面摻雜的使用，強表面摻雜將耗盡區(qū)盡可能遠地推向N區(qū)，從而提高對于相同的Vpin值的FWC電容值。常規(guī)像素概念中的電壓Vpin一般固定在1V左右。

如果這樣的4T像素的轉(zhuǎn)換因數(shù)由于所用刻蝕的精細而相對容易增大，則在向每個像素的尺寸變得越來越小的分辨率發(fā)展的過程中，F(xiàn)WC電容值更難以維持。顯然，F(xiàn)WC電容的終極物理極限是光電二極管中的摻雜原子的數(shù)量。C-MOS像素的低供電電壓導(dǎo)致?lián)诫s水平相對低，摻雜體積相當(dāng)受限。因此，很難實現(xiàn)超過60-70dB(因數(shù)1000)的4T像素的工作動態(tài)。例如視頻監(jiān)視、自動視覺等的應(yīng)用需要約120dB(因數(shù)1000000)的動態(tài)范圍。

為了提高該動態(tài)，已經(jīng)設(shè)想了不同的方案，如下文所總結(jié)的。

文獻US6921934B2提出了一種雙釘扎光電二極管結(jié)構(gòu)，以用于增加光電二極管的存儲電容。

文獻US6677656B2提出了一種具有P層的釘扎光電二極管結(jié)構(gòu)，以用于增加光電二極管的積分電容。

文獻US7705900B2提出了選擇性地組合多個浮動擴散，以用于增加高光照水平下的浮動擴散的電容。

文獻WO2004/112376A1提出了調(diào)制浮動擴散的電容，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換因數(shù)和電荷測量電容。

文獻WO2012/092194A1提出了通過對電壓進行編程來調(diào)制浮動擴散的電容。

文獻WO2007/021626A2提出了向浮動擴散選擇性地增加額外電容，以用于增加電荷測量電容。

還應(yīng)注意到文獻EP1354360A1，其發(fā)明人與本專利申請的發(fā)明人相同，該文獻描述了具有太陽能電池模式的光電二極管的像素，該像素根據(jù)光強度產(chǎn)生對數(shù)響應(yīng)。相同發(fā)明人的專利EP2186318A1和WO2010/103464A1致力于改善緊湊性和功耗。根據(jù)這些文獻而制造的傳感器給出了優(yōu)異的工作動態(tài)，在非常強的光照下也幾乎沒有顯示出飽和。工作動態(tài)大大超過120dB。

但是，這些已知的像素結(jié)構(gòu)的敏感度可以進一步改進，其很難能夠用于例如監(jiān)視的應(yīng)用所提出的在低水平光線下的需要。該低敏感度有兩個原因：

1)非常大的光電二極管的結(jié)電容，其給出低轉(zhuǎn)換因數(shù)；但是如果光電二極管的尺寸增加，其接受更多的光電產(chǎn)生的電荷，但是光電二極管的結(jié)電容幾乎以相同比例增大。信號的幅度仍未改善。該低轉(zhuǎn)換因數(shù)放大了系統(tǒng)中存在的噪聲的影響。

2)復(fù)位時存在的KTC噪聲：在這樣的對數(shù)像素中，復(fù)位操作引入的噪聲關(guān)聯(lián)于光電二極管的結(jié)電容的值并且不能得到補償；例如，10fF的結(jié)電容給出40個電子的KTC噪聲，所以這樣的像素中的噪聲情況非常接近于具有3個晶體管的經(jīng)典有源像素的噪聲情況。相比于KTC噪聲完全得到抑制的4T像素，在低水平光線下的差距非常大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明基于與傳統(tǒng)方案完全相反的方案，傳統(tǒng)方案旨在最大化釘扎光電二極管的積分電容以增加或保持工作動態(tài)。

本發(fā)明的方案旨在減小至最小靜態(tài)積分電容，并利用釘扎光電二極管中通過電子的光產(chǎn)生與電子的發(fā)射之間的平衡所剩下的剩余電荷。

所以本發(fā)明基于新的電荷轉(zhuǎn)移像素的工作模式，其基于電子的光子產(chǎn)生現(xiàn)象與在靜電勢壘高度非常低的勢阱中的電子的熱發(fā)射現(xiàn)象之間的平衡。

通過本發(fā)明，光電二極管中的電子的數(shù)量在對數(shù)標(biāo)度上編碼光強度，而不是像經(jīng)典像素單元一樣在線性標(biāo)度上。對于給定的經(jīng)典單元響應(yīng)于線性定律的電子總數(shù)，該對數(shù)定律生成大得多的動態(tài)范圍。

以此方式，本發(fā)明制造了能夠覆蓋超過120dB的工作范圍的動態(tài)范圍的電荷轉(zhuǎn)移像素。

更具體而言，本發(fā)明提出一種帶有電荷轉(zhuǎn)移的C-MOS類型的光電單元，其為這樣的類型的光電單元，其包括：釘扎光電二極管，其能夠曝光于光子，并由在襯底中的第一類型的摻雜區(qū)形成，所述襯底具有相反的類型；以及用于將通過光電二極管曝光于光子所產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移至浮動擴散的構(gòu)件；以及用于在浮動擴散上讀取表示已轉(zhuǎn)移的電荷的量的電壓的構(gòu)件，該單元的特征在于，光電二極管的結(jié)在零偏置電壓下的耗盡區(qū)實質(zhì)上延伸穿過第一類型的摻雜區(qū)的整個厚度，使得所述光電二極管的結(jié)電容以及電容產(chǎn)生的噪聲被最小化，并且在于，在曝光于光子期間，讀取是在通過光轉(zhuǎn)換所導(dǎo)致的電荷的產(chǎn)生與通過熱發(fā)射所導(dǎo)致的電荷的損失之間平衡的條件下完成的。

該單元的一些優(yōu)選的但為非限制性的方面如下：

*讀取構(gòu)件能夠在光電二極管的電荷的轉(zhuǎn)移之前執(zhí)行第一讀取，在所述電荷的轉(zhuǎn)移之后執(zhí)行第二讀取，光線水平通過兩次讀取之間的差來獲得。

*光電二極管的耗盡區(qū)在0與-0.1V之間的偏置電壓下在光電二極管的整個范圍上延伸。

*該單元包括用于在曝光前將光電二極管復(fù)位的構(gòu)件。

*用于轉(zhuǎn)移電荷的構(gòu)件包括在容納光電二極管的半導(dǎo)體襯底的表面上的柵極，其受到偏置以引起在所述柵極的緊接著的下方的電荷的轉(zhuǎn)移。

*用于轉(zhuǎn)移電荷的構(gòu)件包括用于通過漏極偏置來降低勢壘(DIBL)的構(gòu)件。

*該單元包括晶體管，該晶體管能夠在第一偏壓下在浮動擴散上讀取初始電壓值，在第二偏壓下導(dǎo)致勢壘降低從而使得光電二極管的電荷轉(zhuǎn)移至擴散勢壘，然后在轉(zhuǎn)移之后再次在第一偏壓下在浮動擴散上讀取電壓值。

*該單元包括與至少一個其他的單元共享的在浮動擴散上的電壓的讀取電路。

*該單元包括位于光電二極管附近的釘扎電荷存儲二極管，以及用于將釘扎光電二極管中的電荷轉(zhuǎn)移至釘扎存儲二極管的構(gòu)件。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種陣列傳感器，其特征在于其包括如上限定的單元的陣列，以及形成對于從一個單元發(fā)射的電荷擴散至相鄰單元的勢壘的構(gòu)件。

該傳感器的一些優(yōu)選的但為非限制性的方面如下：

*形成勢壘的構(gòu)件包括用于電荷的復(fù)合的注入的離子的深區(qū)，這些區(qū)布置在單元之間。

*形成勢壘的構(gòu)件包括在單元之間在襯底中挖出的深溝槽。

*形成勢壘的構(gòu)件包括布置在單元之間的、偏置的并且與襯底進行相反摻雜的深區(qū)。

*該傳感器進一步包括在深摻雜區(qū)周圍的進行與襯底的摻雜類型相同的摻雜的表面區(qū)。

*形成勢壘的構(gòu)件包括布置在單元下方的、反向偏置的釘扎半導(dǎo)體結(jié)。

本發(fā)明還涉及一種通過包括根據(jù)本發(fā)明的單元的陣列的陣列傳感器來獲取圖像的方法，其中，在釘扎光電二極管中的光轉(zhuǎn)換所導(dǎo)致的電荷的產(chǎn)生與釘扎光電二極管中的熱發(fā)射所導(dǎo)致的電荷的損失之間平衡的條件下，通過在釘扎光電二極管中的剩余電荷中的電荷的數(shù)量在對數(shù)標(biāo)度上對所述光電單元被曝光至的光強度進行編碼，所述剩余電荷為通過在釘扎光電二極管中的光轉(zhuǎn)換所導(dǎo)致的電荷的產(chǎn)生和在光電二極管中的熱發(fā)射所導(dǎo)致的電荷的損失而剩下的剩余電荷。

更精確而言，對應(yīng)于單元的圖像的像素的強度按照對數(shù)關(guān)系根據(jù)在該剩余電荷中的電荷的數(shù)量來確定。因為讀取的電壓表示已轉(zhuǎn)移的電荷的量，并且其對應(yīng)于剩余電荷，所以圖像的像素的強度從一定光線水平起通過對數(shù)關(guān)系而與所讀取的電壓關(guān)聯(lián)。

附圖說明

通過下面的本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的具體實施方式，本發(fā)明的其他方面、目標(biāo)和益處將會更加清楚地顯現(xiàn)，本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的具體實施方式是通過非限制性的示例并參考所附附圖而給出的，其中：

圖1A示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的利用具有4晶體管類型的電荷轉(zhuǎn)移的C-MOS類型的光電二極管的光電單元，

圖1B為圖1A的單元的工作時序圖，

圖2示出了光電二極管在短路復(fù)位下產(chǎn)生KTC噪聲的方式，

圖3示出了在0V的簡單的耗盡的光電二極管，

圖4示出了具有表面鈍化層的耗盡的光電二極管，

圖5示出了在這樣的光電二極管中光電產(chǎn)生的自由電子的存儲位置，

圖6示出了在不同電壓Vpin下的根據(jù)本發(fā)明的光電二極管的響應(yīng)曲線，

圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的像素單元的第一實施方案，

圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的像素單元的第二實施方案，

圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的在單元中通過DIBL現(xiàn)象進行的電荷轉(zhuǎn)移，

圖10示出了執(zhí)行這樣的轉(zhuǎn)移的根據(jù)本發(fā)明的像素單元的第三實施方案，

圖11示出了更加緊湊的該第三實施方案的變化形式，

圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的像素單元的第四實施方案，

圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的像素單元的第五實施方案，

圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的陣列傳感器的單元之間的絕緣的第一實施方案，

圖15示出了單元之間的絕緣的第二實施方案，

圖16示出了單元之間的絕緣的第三實施方案，

圖17和圖18示出了單元之間的絕緣的第四實施方案，圖18是圖17的變化形式，以及

圖19示出了單元之間的絕緣的第五實施方案。

具體實施方式

首先應(yīng)當(dāng)注意，在不同的附圖中，相同或相似的元素盡可能由相同的附圖標(biāo)記指代。

1)介紹

參照圖2，太陽能電池模式下的光電二極管由晶體管RST初始化，該晶體管連接至地GND，導(dǎo)致該光電二極管的短路。該短路清空光電二極管的PN結(jié)中積累的凈電荷，但是光電二極管的陰極在該短路期間總是包含移動電荷。

當(dāng)晶體管RST開路時，光電二極管中的這些移動電荷(其由于電子的熱運動而存在波動)導(dǎo)致了被稱作KTC的噪聲，其中K是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度，而C是光電二極管的總電容，包括讀取放大器的進入電容，該噪聲在光電二極管中建立了初始的非零且隨機的電荷水平。

如在常規(guī)中那樣，工作順序包括讀取開路的光電二極管上的電壓，然后讀取短路的光電二極管上的電壓，而圖像信號是這兩個讀取之間的差。在完成短路之后，KTC噪聲保留在光電二極管中。

在低光線水平下，該太陽能電池模式的光電二極管部分地在積分模式下工作，KTC噪聲存在于下一圖像中并且降低圖像質(zhì)量。在更強的光照(日光)下，直接受到光電流偏置的光電二極管吸收了KTC噪聲。但是，在光電二極管的結(jié)中的自由電子的移動產(chǎn)生了熱噪聲(焦耳噪聲)，其與初始KTC噪聲的大小具有相同量級。

從而產(chǎn)生了在非常大的工作范圍內(nèi)具有不變的噪聲水平的像素單元。如果焦耳噪聲在白天光照下較不關(guān)鍵，低水平光線下的KTC噪聲對于這種類型的對數(shù)像素的性能非常不利。

KTC噪聲的降低只能通過減小光電二極管的結(jié)電容來實現(xiàn)。圖3示出其中N區(qū)的體積V2比常規(guī)的體積V1更小，并且具有較小的摻雜水平的光電二極管，該方案在極限情況下在短路期間導(dǎo)致陰極的完全耗盡。在光電二極管完全耗盡時，移動電荷因此不再存在(只存在施主原子留下的固定電荷)；而且，在短路階段完成時沒有產(chǎn)生KTC噪聲。

但是一個困難是，一旦耗盡區(qū)接觸襯底表面，結(jié)的質(zhì)量由于在這種襯底中的固有的表面缺陷而大大下降。

如圖4所示，光電二極管上方的強摻雜的P++摻雜層會將耗盡區(qū)推回到N摻雜區(qū)內(nèi)部。這從而以與電荷轉(zhuǎn)移像素相同的方式產(chǎn)生了釘扎光電二極管，只是其是在零電壓、或甚至在輕微的負電壓下耗盡的。但是因為其用于積累的電容在靜態(tài)配置下減小為零，所以其不能按經(jīng)典的4T式像素工作。

這樣的在零伏完全耗盡的釘扎光電二極管不會對光電產(chǎn)生的電荷進行積分，這是因為靜電勢壘不會在N區(qū)(或P區(qū))靜態(tài)地局限電子(或空穴)。即，在黑暗中，無論積分時長為多久，釘扎光電二極管中都不存在移動電荷，從而有益地，即使在長曝光時間下暗信號也為零。

但是在光子流下，在釘扎光電二極管中出現(xiàn)了移動電荷，并且在超過一定曝光時長之后隨著這些電荷的數(shù)量穩(wěn)定化而變得穩(wěn)定，該穩(wěn)定對應(yīng)于電子的光電產(chǎn)生與能夠穿過在光電二極管周圍形成的低勢壘的電子的發(fā)射之間的平衡。

因此，在浮動擴散上的對表示已轉(zhuǎn)移的電荷量的電壓的讀取優(yōu)選在光電二極管的曝光時間足夠長以實現(xiàn)該平衡并進而實現(xiàn)剩余電荷的穩(wěn)定之后再進行。

為了能夠讀取與這些電荷關(guān)聯(lián)的電壓值，需要在釘扎光電二極管上放置導(dǎo)電接觸。但是這樣的方案會阻止光電二極管在其初始化期間完全耗盡，這是因為這樣的導(dǎo)電接觸構(gòu)成幾乎無限的電子儲備。

當(dāng)接觸不能存在時，則需要通過存儲在釘扎光電二極管中的電子電荷的轉(zhuǎn)移來進行讀取。因此，設(shè)置了用于將剩余電荷轉(zhuǎn)移至浮動擴散的構(gòu)件。存儲在光電二極管中的電荷的量沒有類似于具有經(jīng)典的電荷轉(zhuǎn)移的像素的線性關(guān)系，這是因為其靜態(tài)積分電容在理論上為零。即，電荷量并不隨時間增加。

現(xiàn)在參照圖5，陰極區(qū)域中的固定正電荷總是吸引附近存在的由光電現(xiàn)象產(chǎn)生的自由電子。

同時，位于陰極的未耗盡的Z區(qū)這些自由電子由于熱擾動和電子之間的排斥力而總是趨于離開該區(qū)。當(dāng)勢壘足夠低時，全部自由電子離開陰極，并且釘扎光電二極管變?yōu)橥耆谋M。

這兩個動態(tài)現(xiàn)象(即，光電產(chǎn)生的電荷的收集，和通過發(fā)射導(dǎo)致的電荷的損失)在0V下耗盡的釘扎光電二極管中共同存在。

這里應(yīng)當(dāng)注意，在經(jīng)典的常規(guī)4T像素的釘扎光電二極管中，發(fā)射由于Vpin所形成的勢壘的高度(大約1V，相比于在耗盡的光電二極管的情況下的0V或輕微的負值)而幾乎不發(fā)生。

這就是該類型的釘扎光電二極管因而用作給出線性響應(yīng)的純粹的電子積累器的原因。發(fā)射現(xiàn)象僅在像素完全飽和時發(fā)生，相鄰像素之間發(fā)生光暈(blooming)現(xiàn)象。在該情況下，4T像素完全失去了其提供可以利用的圖像的能力。

始終考慮電壓Vpin為0V或為負的N型釘扎耗盡光電二極管，存在于陰極區(qū)的電子的數(shù)量可以由以下微分等式表示：

其中，N₀,V_bi,V_T,G,C_PPD,q分別表示摻雜原子的數(shù)量、結(jié)的電化學(xué)勢、熱電子勢、光電產(chǎn)生率、釘扎光電二極管的電容和電子的電荷。

在解這個微分等式時，注意到光電二極管的陰極中的電子的數(shù)量與超過一定光照水平的光強度之間的實質(zhì)上對數(shù)的關(guān)系。

所以，圖6顯示了一組曲線，其表示對于不同的電壓Vpin(零和輕微的負值)的陰極中的剩余電子的數(shù)量與按勒克斯計的光照(指數(shù)標(biāo)度)之間的關(guān)系?？梢钥闯?，曲線具有相當(dāng)線性或幾乎線性的部分(由于橫坐標(biāo)的指數(shù)標(biāo)度，其反映了對數(shù)響應(yīng))，對于0V或-0.1V的Vpin值定性地獲得了最好的響應(yīng)。

在實踐中，對該電壓Vpin的選擇可以通過計算電子在優(yōu)選的曝光時間結(jié)束時從釘扎光電二極管逃逸的概率而進行。文獻“CCD Charge Injection Structure at Very Small Signal Levels”，IEEE Transactions on Electron Devices,Vol.55,No.8，2008年8月，為本領(lǐng)域技術(shù)人員給出了關(guān)于該主題的有用的細節(jié)。

總而言之，本發(fā)明基于與傳統(tǒng)方案完全相反的方案，傳統(tǒng)方案旨在最大化釘扎光電二極管的積分電容，以增加或保持工作動態(tài)。相反，在此，靜態(tài)積分電容已經(jīng)被減小至最小，并且利用了電子的光產(chǎn)生與其發(fā)射之間的平衡所剩下的在釘扎光電二極管中的剩余電荷。

以此方式，根據(jù)本發(fā)明的光電二極管中的電子的數(shù)量在對數(shù)標(biāo)度上對光強度進行編碼，而不是像在經(jīng)典像素單元中那樣在線性標(biāo)度上。對于給定的電子總數(shù)，相比于對應(yīng)于線性定律的經(jīng)典單元，該對數(shù)定律在更大的動態(tài)范圍上對光信號進行編碼。

更精確而言，由于最大可用電子數(shù)量受到摻雜原子的數(shù)量的限制，像素尺寸的減小相應(yīng)減小了摻雜原子的數(shù)量，而能夠在對數(shù)標(biāo)度上對光強度進行編碼大大擴展了動態(tài)工作范圍。例如，在摻雜水平為10¹⁶摻雜劑/cm³的1μm×1μm×0.5μm的體積中，最大自由電子數(shù)量是5000并且僅可以編碼從1到5000(或74dB)的變化。在對數(shù)模式下，如果設(shè)想一個電子編碼0.5％的相對變化(對應(yīng)于人眼分辨閾值的值)，5000個電子可以覆蓋多于200dB的范圍。

2)實施方案

a)第一實施方案

首先參照圖7，其顯示了通過C-MOS技術(shù)制造的單元，其包括摻雜襯底P Sub中的PPD(“釘扎光電二極管”)類型的釘扎光電二極管，該光電二極管在曝光開始時通過(接收RSTPD信號的)晶體管復(fù)位為零。在曝光后，浮動擴散FD首先通過處于參考電壓VRST的接收RSTFD指令的晶體管T1而復(fù)位。使用晶體管對T2、T3執(zhí)行到讀取總線(BUS)的第一讀取。轉(zhuǎn)移晶體管TX然后激活，使得釘扎光電二極管的剩余電荷轉(zhuǎn)移至浮動擴散區(qū)FD，導(dǎo)致浮動擴散FD的電壓變化。使用晶體管T2、T3執(zhí)行到讀取總線BUS的第二讀取。兩次讀取之間的差給出像素的免于KTC噪聲的圖像信號。該像素單元可以放置在與類似于為4T類型的常規(guī)像素的陣列設(shè)置的控制信號的控制信號相關(guān)聯(lián)的陣列中。

為了響應(yīng)的優(yōu)秀的一致性，必須確保在初始化晶體管RSTPD下和晶體管TX的柵極下形成的勢壘的高度高于P襯底的電勢。由此，電子發(fā)射將實質(zhì)上只出現(xiàn)在襯底上，這是因為晶體管TX下的勢壘由于柵極下緊接著的硅的表面態(tài)而總是具有強耗散(dispersion)。

更一般而言，必須避免穿過半導(dǎo)體的表面的電荷發(fā)射。為此，有益地，為了加強表面處的勢壘，設(shè)置了P型的低深度表面注入。該注入類似于標(biāo)準(zhǔn)C-MOS工藝中當(dāng)前使用的場注入。顯然，該預(yù)防措施可以應(yīng)用到本發(fā)明的全部實施方案，且本領(lǐng)域技術(shù)人員利用其一般知識可以應(yīng)用其他技術(shù)來引導(dǎo)半導(dǎo)體內(nèi)部的電子的發(fā)射。

優(yōu)選為釘扎光電二極管PPD在0V的電壓Vpin下完全耗盡。因此，輕微的負的總耗盡電壓是優(yōu)選的。在相反的情況下，釘扎光電二極管中會存在少量剩余電荷，這會產(chǎn)生KTC噪聲并使像素的性能變差。

這里應(yīng)當(dāng)注意，設(shè)置專用于將釘扎光電二極管復(fù)位的晶體管事實上在單元構(gòu)成陣列傳感器的一部分的情況下確保了更好的圖像一致性。

b)第二實施方案

應(yīng)當(dāng)理解，在第一實施方案中，在對釘扎光電二極管的讀取期間的電荷的轉(zhuǎn)移完全清空了釘扎光電二極管的移動電荷。如果釘扎光電二極管中的摻雜一致性得到控制，則不再需要復(fù)位晶體管。圖8示出了第二實施方案，其中，光電二極管沒有復(fù)位晶體管，并且其中，像素的讀取順序與圖1B所示的順序相同。

該順序開始于復(fù)位浮動擴散區(qū)FD。然后執(zhí)行到總線BUS的第一讀取，而在晶體管TX進行了電荷的轉(zhuǎn)移動作后，執(zhí)行第二讀取。這里同樣地，圖像信號包括兩次讀取的差。應(yīng)當(dāng)理解，下次曝光在TX動作完成后直接開始。應(yīng)當(dāng)注意，該實施方案更好地容忍電壓Vpin的變化，應(yīng)當(dāng)記起，電壓Vpin接近于0。所以，Vpin的正的變化不會產(chǎn)生KTC噪聲，這是因為光電二極管在曝光開始時肯定是完全耗盡的。該變化輕微地影響像素在低水平光線下的響應(yīng)的形式。

c)第三實施方案

由于在C-MOS技術(shù)中允許的刻蝕的精度，在襯底上制造兩個彼此非常接近的擴散區(qū)是在技術(shù)上可能的。

但是，當(dāng)兩個擴散區(qū)非常接近時，如果這些擴散區(qū)中的一個在高電壓下偏置，則發(fā)生勢壘的降低。該已知的現(xiàn)象被稱為“漏致勢壘降低”(Drain–Induced Barrier Lowering，DIBL)，可以有益地用于釘扎光電二極管與浮動擴散FD之間的電荷的轉(zhuǎn)移。在經(jīng)典的4T像素中，釘扎光電二極管的勢壘的高度很高(勢壘的高度是釘扎光電二極管的電壓Vpin和Vbi的和，Vbi是PN結(jié)的電化學(xué)勢)。利用該現(xiàn)象來完全轉(zhuǎn)移電荷是困難的。但是在釘扎光電二極管中，Vpin接近0V，可以在不使用非常高的電壓的情況下完全轉(zhuǎn)移電荷。

圖9示出了不再通過柵極的偏置進行、而是通過DIBL現(xiàn)象進行的電荷轉(zhuǎn)移。讀取指令VRD通過電容器C應(yīng)用至浮動擴散FD。當(dāng)信號VRD具有在足夠高的電平的脈沖的形式時，該電壓通過電容器C傳遞至浮動擴散區(qū)FD，導(dǎo)致勢壘降低從而導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移，然后能夠在浮動擴散FD上讀取電壓Vsig。

這里，同樣地，在脈沖VRD之前和之后的在浮動擴散FD上的電壓的兩次讀取之間的差給出已轉(zhuǎn)移的電荷量。

圖10示出了這樣的利用DIBL的電荷轉(zhuǎn)移單元的主圖。晶體管T1響應(yīng)于信號RST而向浮動擴散區(qū)FD施加高復(fù)位電壓Vdd，使得浮動擴散區(qū)復(fù)位。然后，信號TX上的脈沖導(dǎo)致光電二極管PPD與浮動擴散區(qū)FD之間的勢壘降低。在脈沖TX之前和之后，通過指令SEL進行兩次連續(xù)的到總線BUS的讀取，而這兩次讀取之間的差給出圖像信號，其同樣沒有電容噪聲KTC。

圖11表示經(jīng)修改的框圖，其通過省略選擇晶體管而能夠更加緊湊地實現(xiàn)。以此方式，浮動擴散區(qū)FD在低于電壓跟隨器SF的晶體管的閾值的電壓下初始化。信號TX是具有兩個電平的指令。在浮動擴散FD的復(fù)位后，信號TX上升至第一電平V_TX1以將跟隨器晶體管SF設(shè)置在導(dǎo)通狀態(tài)，并且在總線BUS上執(zhí)行第一讀取。接下來，信號TX上升至更高電壓的第二電平V_TX2，通過DIBL效應(yīng)進行光電二極管與浮動擴散FD之間的電荷轉(zhuǎn)移。然后在信號TX已返回至第一電平V_TX1后，執(zhí)行第二讀取。同樣地，通過兩次讀取之間的差，獲得了沒有KTC噪聲的圖像信號。

這里應(yīng)當(dāng)注意，在晶體管SF的閾值電壓足夠低并且電容器C能夠容忍指令線TX上的足夠高的電壓的情況下，可以去除復(fù)位晶體管T1及其指令線，使得單元更加緊湊。實際上，浮動擴散通常在曝光期間通過光而放電，使得放大晶體管T4阻斷。足夠高的V_TX1的值使該晶體管不再阻斷，以進行讀取。

d)第四實施方案

為了最小化像素的尺寸，該其它實施方案提出，對應(yīng)于不同單元的一組光電二極管共享輸出跟隨器。圖12顯示了具有兩個單元的這樣的布置。擴散區(qū)FD1和FD2在每次讀取時初始化。具有兩個轉(zhuǎn)移晶體管TX1和TX2的兩個光電二極管PPD1和PPD2分別被順序地讀取。

應(yīng)當(dāng)理解，共用的電壓跟隨器所讀取的光電二極管的數(shù)量可以增加。

e)第五實施方案

圖13示出了在像素中設(shè)置了存儲器的根據(jù)本發(fā)明的對數(shù)電荷轉(zhuǎn)移像素的實施方案。與之前一樣，釘扎光電二極管的剩余光電電荷在與之前一樣通過轉(zhuǎn)移柵極TX和浮動擴散區(qū)FD而被讀取之前首先被轉(zhuǎn)移至釘扎存儲二極管PPD_mem。該原位存儲器執(zhí)行了所謂“快照”的圖像傳感器，其中，在同一時刻對傳感器的全組釘扎光電二極管產(chǎn)生的光的值進行讀取。在由總線BUS順序地讀取之前，該圖像在同一時刻存儲在全部單元的存儲二極管PPD_mem中。存儲二極管PPD_mem可以有益地與光電二極管PPD根據(jù)相同的方法同時制造。這只需要例如通過不透明層針對光進行遮罩。

圖14示出了該實施方案的變化形式，在完成了結(jié)構(gòu)之后，其添加了用于同時復(fù)位全部釘扎光電二極管的復(fù)位晶體管，以實施電阻斷功能。

f)分辨率的改進

在根據(jù)本發(fā)明的單元中，從釘扎光電二極管發(fā)射的移動電荷被注入到襯底中。如果傳感器的陣列像素的密度很低，這些電荷可以自然復(fù)合。但是如果像素陣列很密集，則從像素發(fā)射的電荷可能擴散至相鄰的像素，并且降低像素陣列的空間分辨率。

為了避免該現(xiàn)象，根據(jù)本發(fā)明的改進方案，在像素以及一定量的配置之間設(shè)置了絕緣結(jié)構(gòu)，下面將為此目的以非限制的方式描述這些結(jié)構(gòu)。

i)通過注入的利用復(fù)合中心的絕緣

離子注入能夠在襯底中產(chǎn)生很多晶體缺陷。如果沒有進行退火或退火不足，則這些缺陷持續(xù)存在并且變?yōu)橛行У膹?fù)合中心。而且，利用合理的能量，質(zhì)子的注入可以穿透深入至襯底中(例如，在僅550KeV下得到6μm的深度)。在該絕緣方法中，質(zhì)子注入在像素周圍的中性區(qū)IP_B(其中沒有光電二極管和晶體管)中，使得發(fā)射的電荷在這些區(qū)中復(fù)合。

ii)利用深溝槽的絕緣

陣列中的像素也可以由深溝槽包圍。一般而言，在制造CMOS傳感器時，使用外延晶片EPI。這樣的晶片EPI具有在強摻雜襯底(劑量高于1.10¹⁸)上的薄的輕摻雜外延層(劑量在1.10¹⁵的量級)。在強摻雜襯底中，移動電荷的壽命由于強復(fù)合率而非常短。挖出完全穿過外延層的深溝槽T_B可以產(chǎn)生非常好的像素之間的絕緣。圖16示出了這樣的配置。

iii)利用PN結(jié)的絕緣

在另一變化形式中，在陣列中的像素之間制造N摻雜區(qū)N_B，以形成發(fā)射電子的吸收區(qū)。這在圖17中示出。這些區(qū)NB通過正壓VAB反向偏置。像素的正供電電壓Vdd可以有益地用于此目的。這些發(fā)射電子的吸收區(qū)必須優(yōu)選地具有至少等于釘扎光電二極管PPD的深度的深度。如圖18所示，用于增加表面處的靜電勢壘的高度的P摻雜的薄層P_B可以有益地注入在層EPI的表面P上，使得相對于該層P，發(fā)射電荷的吸收主要發(fā)生在半導(dǎo)體的內(nèi)部。這提高了像素陣列中的反向偏置電壓的動作的一致性，將電子的循環(huán)局限在了釘扎區(qū)中，而不是在表面處，其中在表面處缺陷形成不規(guī)則物。

iv)利用豎直PN結(jié)的絕緣

形成進行特殊外延的晶片使得能夠在外延層P EPI下放置外延層N EPI，如圖19所示。對層P EPI與層N EPI之間的結(jié)J_B施加反向偏壓。該結(jié)構(gòu)有效吸收了發(fā)射的電荷，而不需在像素中添加額外的器件。層N EPI可以是在整個像素陣列下的單個的層，或者也可以是陣列的釘扎光電二極管下的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

當(dāng)然，本發(fā)明不限于所描述和示出的實施方案，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)想很多變化形式和修改形式。

尤其是，雖然上文以P摻雜襯底描述了各個實施方案，但是本發(fā)明完全可以執(zhí)行在利用N襯底的相對配置中，其中電荷為空穴而不再是電子。