專利名稱：檢測光信號的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在視頻攝象機、電子攝象機、圖象輸入攝象機、掃描儀和傳真中使用的閾值調(diào)制MOS型固態(tài)成象器件，及使用該器件檢測光信號的方法。
背景技術(shù)：
因為使用精密的構(gòu)圖技術(shù)可以大規(guī)模地生產(chǎn)，所以半導(dǎo)體圖象傳感器已經(jīng)廣泛用于大部分圖象輸入器件中。特別是，電荷耦合器件(以下稱為CCD)在例如視頻攝象機和傳真等各種成象裝置中被使用，這是由于它們具有高的感光性和低噪聲電平。
但是，眾所周知，CCD是有缺陷的，例如(1)它們需要大功耗和高的工作電壓；(2)它們需要較復(fù)雜的制造工藝，并且與CMOS型器件相比成本也高；(3)與CMOS器件不一樣，它們之中不易結(jié)合有復(fù)雜的外圍電路。
基于要解決的CCD的這些問題，因為近來市場上廣泛需要固態(tài)成象器件，所以MOS型固態(tài)成象器件已經(jīng)引起人們注意。另外，亞微米CMOS技術(shù)的新優(yōu)點已經(jīng)證明了制造亞微米成象器件的可行性。
但是，應(yīng)該注意，常規(guī)MOS型圖象傳感器在運行特性上是不如CCD圖象傳感器的。例如，MOS型圖象傳感器具有隨機噪聲和固定圖形噪聲的問題。這樣，為了使MOS型圖象傳感器可使用，就必須克服這些主要的問題。
另一方面，顯微透鏡技術(shù)可以按比例減小感光面積。幾種精密的制造技術(shù)(微型技術(shù))可以構(gòu)成用于每個象素的包含兩個或三個晶體管的集成晶體管放大器，從而增強MOS器件的靈敏度。這樣，使用這種集成電路技術(shù)，現(xiàn)在可以減少由于器件元件的結(jié)構(gòu)非均勻性而在X或Y MOS開關(guān)中產(chǎn)生的熱噪聲(kTC噪聲)和固定圖形噪聲。
因此，配備有使用微型技術(shù)制造在光檢測部分的每個象素中的晶體管放大器的一類有源CMOS圖象傳感器已經(jīng)引起人們很大的注意。
有源CMOS圖象傳感器不需要特殊的技術(shù)。即，它們能夠通過普通的CMOS技術(shù)容易地集成外圍CMOS電路和單個芯片上的光敏元件，因此它們可以以低成本制造。另外，它們具有可以在低工作電壓下工作和功耗小的優(yōu)點。
這樣，有源CMOS圖象傳感器在不久的將來會預(yù)先使用以在配備有改進的信號處理電路的單片攝象機中擔(dān)任重要角色。
下面討論現(xiàn)有技術(shù)有源CMOS圖象傳感器的發(fā)展。
(1)日本專利早期公開60-140752，60-206063，和6-120473公開了電荷調(diào)制器件(CMD)。CMD使用了感光面積轉(zhuǎn)換器，其具有類似CCD的特征。MOS晶體管的柵極具有光電柵極(photo-gate electrode)結(jié)構(gòu)，以提高它的填充因子，該因子是光傳輸面積與由光傳輸面積和光屏蔽面積構(gòu)成的總面積的比率。該器件適用于通過在MOS晶體管光電柵極下面的Si層表面中儲存光生電荷來控制通過MOS晶體管的電流。
(2)日本專利早期公開64-149959公開了體電荷調(diào)制器件(BCMD)，如圖1所示。在這種器件中，為了提高填充因子，MOS晶體管的柵極7也具有光電柵極結(jié)構(gòu)并結(jié)合有用于儲存光生電荷的一層(以下稱為電荷儲存層)。電荷儲存層形成在n型層2上并在光電柵極7下面的p型阱層3中，如圖1A所示。注意，在這個例子中，電荷儲存層形成在溝道區(qū)域9下面的p型阱層3中，以便抑制光生電荷捕獲到n型層8和與層9接觸的柵氧化膜6之間的界面部分中的表面陷阱能級中。結(jié)果，可以抑制由被捕獲到表面陷阱能級中的光生電荷引起的噪聲。圖1A所示MOS晶體管也包括其上形成n型層2的p+型襯底1，在柵極7兩側(cè)在p型阱層3中形成的源擴散區(qū)4和漏擴散區(qū)5，和恒定電流源8。
(3)日本專利早期公開2-304973公開了具有環(huán)形柵極結(jié)構(gòu)的閾值電壓調(diào)制型固態(tài)成象器件，其中源擴散區(qū)形成在由環(huán)形柵極圍繞的中心部分，漏擴散區(qū)形成為包圍源擴散區(qū)和環(huán)形柵極。漏擴散區(qū)還延伸到光檢測部分，并且它作為用于掩埋光電二極管的重摻雜掩埋層。這個例子的特征在于，光敏器件提供在晶體管的外面，并且提供用于信號電荷的電勢最小區(qū)域，其位于溝道下面的阱區(qū)內(nèi)并沿著溝道區(qū)域的整個長度延伸，但是僅占據(jù)整個溝道寬度的一部分。
在這種固態(tài)成象器件中，光生電荷，即通過用光照射掩埋光電二極管產(chǎn)生的電子-空穴對，并且這些電子-空穴對中一種類型的電荷儲存在光電二極管中，結(jié)果導(dǎo)致襯底偏置或襯底電勢的改變。該偏置用在控制MOS晶體管的閾值電壓中。此成象器件特別在光的強度弱而通過光僅產(chǎn)生少量的電荷時有用。光生電荷被收集在電勢最小區(qū)域中，以抑制成象器件靈敏度的非均勻性和抑制相關(guān)的固定圖形噪聲。
但是，在CMD型固態(tài)成象器件中仍然存在隨機噪聲的問題。隨機噪聲是通過在半導(dǎo)體的表面區(qū)域中光生電荷的捕獲或散射引起的，這不可能通過上述改型完全除去，這是由于使用了半導(dǎo)體表面附近的電荷在CMD固態(tài)成象器件中進行光電轉(zhuǎn)換。
圖1A所示的BCMD型固態(tài)成象器件用在源跟隨器連接(sourcefollower connection)中。在這種情況下，由于電荷儲存層3位于光電柵極7下面的整個溝道區(qū)域中，所以很難在足夠飽和條件下驅(qū)動晶體管。因此，晶體管工作在如圖1B所示的三極管區(qū)域電流-電壓特性下，這樣BCMD成象器件就有這樣的問題光生電荷不能通過到MOS晶體管的源跟隨器連接被線性轉(zhuǎn)換為電壓。
注意，由于電荷儲存層3中的載流子通過整個光電柵極7下的溝道區(qū)域分布和由于溝道區(qū)域作為一個整體對通過它的電流起調(diào)制作用，所以電勢變化不是光生電荷的線性函數(shù)。除此之外，由于基于電荷儲存層3上面的柵氧化膜得到的電容值相對大，從而它的轉(zhuǎn)換效率較低。
另外，每個都具有光電柵極結(jié)構(gòu)的CMD型和BCMD型固態(tài)成象器件都有由入射光的多重干涉引起的對光的靈敏度下降的問題，這對具有MOS結(jié)構(gòu)的光敏器件是恰當(dāng)?shù)摹?br> 光電柵極結(jié)構(gòu)還存在另一個問題，即在形成薄透明光電柵極中需要特殊的、復(fù)雜的工藝。
在具有形成在阱區(qū)內(nèi)并部分沿著溝道區(qū)域的寬度延伸和沿著溝道區(qū)域的整個長度延伸的最小電勢區(qū)域的固態(tài)成象器件中，晶體管表現(xiàn)為三極管式的電流-電壓特性，這通過源跟隨器連接不足以滿足光生電荷到MOS晶體管的線性電荷-電壓轉(zhuǎn)換的條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供固態(tài)成象器件，其幾乎沒有由器件半導(dǎo)體表面中光生載流子的捕獲和散射所引起的噪聲。
本發(fā)明的另一個目的是提供對光具有改進的光譜靈敏度的固態(tài)成象器件。
本發(fā)明又一目的是提供對光生電荷具有線性電荷-電壓轉(zhuǎn)換特性的固態(tài)成象器件。
本發(fā)明又一目的是提供其中能通過普通的CMOS工藝制造的光敏器件的固態(tài)成象器件。
本發(fā)明又一目的是提供使用上述固態(tài)成象器件的光檢測方法。
在本發(fā)明的構(gòu)形中，固態(tài)成象器件配備有多個單元象素，其每個包括光電二極管和絕緣柵場效應(yīng)晶體管，所述光電二極管包括第一導(dǎo)電類型的襯底，形成在所述襯底上并具有第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層，形成在所述半導(dǎo)體層上并具有第一導(dǎo)電類型的阱區(qū)，形成在所述阱區(qū)的表面上并具有第二導(dǎo)電類型的雜質(zhì)區(qū)，所述絕緣柵場效應(yīng)晶體管包括形成在所述阱區(qū)的表面上、延伸到所述雜質(zhì)區(qū)并具有第二導(dǎo)電類型的漏區(qū)，形成在所述阱區(qū)的表面上、與所述漏區(qū)隔開并具有第二導(dǎo)電類型的源區(qū)，形成在柵絕緣層上的柵極，其中柵絕緣層形成在所述阱區(qū)上并在所述漏區(qū)和所述源區(qū)之間；形成在所述柵極下面的所述源區(qū)附近的所述阱區(qū)中的重摻雜掩埋層，所述重摻雜掩埋層是用第一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)以高于所述阱區(qū)的濃度摻雜的。
作為載流子袋(carrier-pocket)的重摻雜區(qū)與注入載流子的漏區(qū)分開，以對MOS晶體管調(diào)制的有效閾值電壓起作用。
當(dāng)使用例如環(huán)形柵極時，源擴散區(qū)形成在被環(huán)形柵極包圍的中心區(qū)中的阱區(qū)的表面層中，漏擴散區(qū)形成在包圍環(huán)形柵極的阱區(qū)的表面層中，重摻雜掩埋層形成在柵極下面的阱區(qū)中，以便圍繞源擴散區(qū)。
在這種配置中，如果p型的重摻雜掩埋層形成在p型阱區(qū)中，則重摻雜掩埋層對于通過阱區(qū)的空穴具有最低電勢。另一方面，如果n型的重摻雜掩埋層形成在n型阱區(qū)中，則重摻雜掩埋層對于通過阱區(qū)的電子具有最高電勢。
光電二極管的雜質(zhì)擴散區(qū)結(jié)合有場效應(yīng)晶體管(FET)的漏擴散區(qū)，從而光電二極管和FET可以共用同樣的阱區(qū)。重摻雜掩埋層形成在源擴散區(qū)附近。
由于重摻雜掩埋層設(shè)置在源擴散區(qū)附近，所以在光電二極管的阱區(qū)中產(chǎn)生的電荷將很容易地收集在重摻雜掩埋層中。
換言之，當(dāng)阱區(qū)是p型并且n-溝道MOS晶體管用作光信號檢測晶體管時，則使用了空穴，并且源擴散區(qū)設(shè)置為低于漏擴散區(qū)的電勢?；蛘?，當(dāng)阱區(qū)是n型并且信號檢測晶體管是p-溝道MOS晶體管時，則光生電荷是電子，并且源擴散區(qū)設(shè)置為高于漏擴散區(qū)的電勢。這樣，如果漏擴散區(qū)輸送正的或負的工作電壓VDD且柵極輸送低電壓，那么在阱層中產(chǎn)生電場，以便使光生電荷的空穴或電子加速，從FET的漏擴散區(qū)，即光電二極管的雜質(zhì)區(qū)運動到源擴散區(qū)。
成象器件的初始化把在讀操作后保留的光生電荷和保留在其它半導(dǎo)體層和阱區(qū)中的受主雜質(zhì)或施主雜質(zhì)中的空穴或電子射出離開半導(dǎo)體層和襯底以中和受主雜質(zhì)或施主雜質(zhì)。該新的電荷光生于光電二極管的阱區(qū)。接著施加于電極和上述區(qū)域的電壓將引起新的光生電荷被轉(zhuǎn)移到重摻雜掩埋層中并儲存在其中。一旦被收集在重摻雜掩埋層中，這些電荷就不容易從重摻雜掩埋層中出去或擴散出，因為其電勢低。這樣，光生電荷被有效地儲存在重摻雜掩埋層中。
儲存在重摻雜掩埋層中的光生電荷可以通過給柵極、漏擴散區(qū)和源擴散區(qū)施加高于工作電壓的電壓而從中除去，由此增強通過阱區(qū)的電場。
在光生電荷儲存在重摻雜掩埋層中時，重摻雜掩埋層中的費米能級改變了，并且與儲存電荷的量對應(yīng)，其中的空間電荷減少了，從而晶體管的閾值電壓降低了。同時，在重摻雜掩埋層中的儲存電荷增加時，根據(jù)電荷轉(zhuǎn)換規(guī)則在溝道區(qū)域中產(chǎn)生具有相對于重摻雜掩埋層中的儲存電荷相反的導(dǎo)電類型的載流子，由此部分地產(chǎn)生恰位于重摻雜掩埋層上的反型區(qū)域，從而溝道的導(dǎo)電率增加了。
既然光生電荷只儲存在重摻雜掩埋層中而沒有儲存在其它區(qū)域中，這是由于重摻雜掩埋層外邊是高電勢的原因，所以沒有在柵極下面的阱區(qū)表面中而不是恰在重摻雜掩埋層上形成另外的反型區(qū)域，但是其中產(chǎn)生了強電場(該區(qū)域稱之為強電場區(qū)域)。
由于反型區(qū)域和強電場區(qū)域形成在相同的溝道區(qū)域中，所以晶體管可在飽和條件下工作。這樣，如果給用在源跟隨器連接中的晶體管的源輸送恒定電流和如果給柵極施加合適的柵電壓，則晶體管將跟隨晶體管的閾值電壓的變化而變化，并相應(yīng)地改變源擴散區(qū)中的電勢。
另外，由于晶體管可在飽和條件下工作，則穿過它的電流僅取決于柵極和源擴散區(qū)之間的電壓差。因而，源電勢的變化僅取決于光生電荷所儲存的電荷量。
通過輸出該源電勢作為視頻信號，可以得到有利的線性光電電荷-電壓轉(zhuǎn)換。
由于儲存在重摻雜掩埋層中的電荷量通過在反型區(qū)域中感應(yīng)的電荷平衡，所以儲存在重摻雜掩埋層中的電荷量與輸送給柵絕緣膜(作為電容器)的電荷量相同。因此，晶體管的輸出對應(yīng)于閾值電壓的變化。
注入的載流子被分布到每個晶體管結(jié)(node)的電容共用，并與其它的電容分量對應(yīng)，例如引起閾值調(diào)制靈敏度損失的到漏和襯底的電容。因此，重摻雜區(qū)應(yīng)該位于柵極附近并與漏邊緣分離，以提高調(diào)制靈敏度。
將光生電荷儲存到柵絕緣膜的電容器受到位于作為載流子袋的重摻雜掩埋層正上方的柵絕緣膜的電容值的限制。因此，圖象傳感器的檢測靈敏度是從柵絕緣膜的厚度、重摻雜掩埋層的面積和深度決定的。而且，電容量可以看作是常數(shù)，從而使圖象傳感器能夠以優(yōu)異的線性電荷-電壓轉(zhuǎn)換特性為基礎(chǔ)對光進行靈敏的檢測。
一般情況下，如果半導(dǎo)體層的表面被耗盡，則耗盡區(qū)域作為對空穴的阻擋層。
如果晶體管具有普通的光電柵極，則用光生電荷填充的半導(dǎo)體層的表面將達到靜電平衡狀態(tài)。傳感器將面臨例如由于熱激勵引起暗流的產(chǎn)生和由于寄生空穴的積累引起的電勢調(diào)制等的嚴重問題。
另一方面，本發(fā)明的晶體管的溝道區(qū)域適于在晶體管的初始化之后保持其中的耗盡條件，用于清除剩余的電荷。另外，由于晶體管對光是屏蔽的，所以其中不會明顯形成載流子。如果某些載流子被捕獲在晶體管半導(dǎo)體層的表面上，則它們不可能越過該勢壘以成為該表面上的暗電流或噪聲。
簡言之，本發(fā)明使控制通過檢測晶體管電流的光生電荷儲存在位于溝道區(qū)域下的阱區(qū)中的隔離區(qū)中，從而使電荷不與MOS晶體管的表面層相互作用。
通過在源擴散區(qū)的附近收集光生電荷，可以控制晶體管的閾值電壓，由此可以實現(xiàn)具有線性特性和高檢測靈敏度且不產(chǎn)生明顯噪聲的理想閾值電壓調(diào)制CMOS圖象傳感器。


下面結(jié)合

本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中圖1A是具有BCMD結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)成象器件的主要部分的截面圖；圖1B是表示圖1A的固態(tài)成象器件的電流-電壓特性的曲線；圖2是表示根據(jù)本發(fā)明用于固態(tài)成象器件的單元象素的布局的平面示意圖；圖3是表示沿著圖2的A-A線截取的圖2的固態(tài)成象器件的單元象素結(jié)構(gòu)的截面圖；圖4A是表示載流子袋的結(jié)構(gòu)及其在圖2所示的固態(tài)成象器件的單元象素中周圍區(qū)域的細節(jié)截面圖；圖4B是表示在包括載流子袋區(qū)的柵區(qū)周圍的等效電路的截面圖；圖5是沿著圖2的B-B線截取的截面圖，表示圖2的單元象素內(nèi)的光電二極管的結(jié)構(gòu)；圖6是沿著圖2的C-C線截取的截面圖，表示在圖2的單元象素內(nèi)用于感光的CMOS晶體管的結(jié)構(gòu)；圖7A是圖2的固態(tài)成象器件的電路圖；圖7B是用于圖7A所示的電路工作的時序曲線；圖8A是在初始化操作期間沿著圖5的D-D線截取的截面的電勢分布圖；圖8B是在初始化操作期間沿著圖5的E-E線截取的截面的電勢分布圖；圖9A是在充電操作期間沿著圖5的D-D線截取的截面的電勢分布圖；圖9B是在充電操作期間沿著圖5的E-E線截取的截面的電勢分布圖；圖10A是在讀操作期間沿著圖5的D-D線截取的截面的電勢分布圖；
圖10B是在讀操作期間沿著圖5的E-E線截取的截面的電勢分布圖；圖11是表示在圖2所示的固態(tài)成象器件的單元象素內(nèi)的光信號檢測MOS晶體管的電流-電壓特性的曲線；圖12A是在初始化之后圖2所示的固態(tài)成象器件的溝道區(qū)域中的表面電勢分布圖；圖12B是在光被屏蔽時圖2所示的固態(tài)成象器件的溝道區(qū)域中的表面電勢分布圖；圖12C是在照射光之后現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)成象器件的溝道區(qū)域中的表面電勢分布圖；圖13A是在充電和讀操作過程中圖2中所示的固態(tài)成象器件中的電荷分布；圖13B是在解釋圖13A時使用的、在載流子袋附近圖6所示的部分MOS晶體管的截面圖；圖14是表示固態(tài)成象器件的單元象素的另一結(jié)構(gòu)的截面圖。
具體實施例方式
下面參照附圖詳細說明本發(fā)明的實施例。
圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的實施例CMOS圖象傳感器的單元象素的布局的平面圖。
如圖2所示，單元象素101包括光電二極管111和用于檢測光信號的光電檢測器112，其中該光電檢測器112是鄰近光電二極管111設(shè)置的MOS晶體管。光電二極管111和MOS晶體管112共用阱區(qū)15，從而阱區(qū)15一方面在它用光照射時為光電二極管起產(chǎn)生電荷的區(qū)域的作用，另一方面起MOS晶體管112的柵區(qū)的作用。
光電二極管111具有與阱區(qū)15上的MOS晶體管112的漏擴散區(qū)17a成一體形成的雜質(zhì)擴散區(qū)17。所形成的漏擴散區(qū)17a圍繞環(huán)形柵19。形成在被環(huán)形柵19包圍的中心區(qū)中的是源擴散區(qū)16。形成在環(huán)形柵19下面并包圍源擴散區(qū)16的阱區(qū)15內(nèi)的是載流子袋(重摻雜掩埋層)25。
應(yīng)該明白，在MOS晶體管112的溝道區(qū)域中形成n型雜質(zhì)層(相反導(dǎo)電類型雜質(zhì)層)，從而使溝道區(qū)被耗盡，或被反型，同時MOS晶體管112處于工作狀態(tài)中。
漏擴散區(qū)17a與漏電壓(VDD)輸送線22連接，柵極19與垂直掃描信號(VSCAN)輸送線21連接，源擴散區(qū)16與垂直輸出線20連接。
在光電二極管111的感光窗口24以外的區(qū)域中，光信號被金屬光屏蔽膜23屏蔽。
下面參照

本發(fā)明的CMOS圖象傳感器的器件結(jié)構(gòu)。
圖3的上部分圖是表示根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖象傳感器的結(jié)構(gòu)截面圖，其對應(yīng)于沿著圖2的A-A線截取的截面圖。圖3的下部分圖表示沿著半導(dǎo)體襯底的表面的電勢分布圖。
圖4A的上部分圖是被溝道區(qū)域之下的阱區(qū)15中的載流子袋25環(huán)繞于中心的區(qū)域的細節(jié)截面圖。圖4A的下部分圖表示在光生空穴被儲存在載流子袋25中時，沿著對應(yīng)圖4A的上部分圖的F-F線的平面的電勢分布圖，其中該平面平行于半導(dǎo)體襯底的表面。
實際上，注入的載流子被電容分量平分給單獨的晶體管結(jié)，它們是到源的電容(Csp)，到襯底的電容(Cbp)，到漏的電容(Cdp)和到柵的電容(Cgp)，如圖4B所示。在這些因素中，Cgp是除了Csp外的重要因素，其中Csp是輸出結(jié)，以增加對注入載流子的電勢特性。因此，注入載流子通過減小Cbp和Cdp而被急劇地分布在重摻雜掩埋區(qū)域，這可以通過把重摻雜掩埋層與漏邊緣和襯底分離開來實現(xiàn)。同時，由于檢測電容(Cgp)也是由重摻雜區(qū)域的面積決定的，所以在重摻雜區(qū)域的較小面積上也可以提高靈敏度。
圖5和6是分別沿著圖2的B-B線和C-C線截取的截面圖。
如圖3的上部分所示，在p型硅襯底11上外延生長n型硅層12，形成本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底。
在n型層12上形成p型阱區(qū)15。在兩相鄰象素之間形成場絕緣膜14和位于場絕緣膜14之下的元件隔離擴散區(qū)13。
下面參照圖3和5詳細說明光電二極管111。
光電二極管111主要包括阱區(qū)15和形成在n型硅層12的表面上以覆蓋大部分阱區(qū)15的雜質(zhì)擴散區(qū)17。也就是，光電二極管111具有用于空穴的掩埋結(jié)構(gòu)，其中空穴主要在雜質(zhì)擴散區(qū)17下面的阱區(qū)15中產(chǎn)生。
雜質(zhì)擴散區(qū)17與漏電壓(VDD)輸送線22連接并偏置到正電勢，這有利于由入射光產(chǎn)生的空穴收集到雜質(zhì)擴散區(qū)17下面的阱區(qū)15中，由此通過不與其中存在許多表面陷阱能級的半導(dǎo)體表面相互作用而減少噪聲。
下面參照圖3和6詳細說明光信號檢測n-MOS晶體管112。MOS晶體管112具有這樣的結(jié)構(gòu)環(huán)形柵極19被與n+型雜質(zhì)擴散區(qū)17一體形成的n+型漏擴散區(qū)17a包圍。n+型源擴散區(qū)16形成在被柵極19包圍的中心區(qū)域中。柵極19形成在柵絕緣層18上，柵絕緣層18淀積在在漏擴散區(qū)17a和源擴散區(qū)16之間延伸的阱區(qū)15上。位于柵極19之下的阱區(qū)15的表面層起溝道區(qū)域的作用。
P+型載流子袋25形成在阱區(qū)15中且載流子袋25包圍源擴散區(qū)16并僅部分地沿著溝道區(qū)域的長度延伸。P+型載流子袋25可以通過例如離子注入方法形成。應(yīng)該注意，載流子袋25形成在阱區(qū)15中以位于溝道區(qū)域之下而不是在溝道區(qū)域本身表面中。所形成的載流子袋25必須不疊加在溝道區(qū)域上。另外，為了保持溝道區(qū)域在正常工作電壓下反型或耗盡，需要通過在溝道區(qū)域中引入適當(dāng)濃度的n型雜質(zhì)而形成雜質(zhì)層15。
上述P+型載流子袋25對于光生空穴的電勢比對于電子的電勢低，從而在給漏擴散區(qū)17a施加高電壓時，光生空穴被收集在載流子袋25中。附圖中展示了光生空穴被積累在載流子袋25中的方式。
圖3的下部分表示的是在光生空穴被積累在載流子袋25中從而在溝道區(qū)域中感應(yīng)電子，即其中形成反型區(qū)域時的電勢分布圖。在溝道區(qū)域下面的阱區(qū)15中的載流子袋25附近元件的配置和相關(guān)的電勢分布圖如圖4所示。
接下來，參照圖7A和7B說明利用上述單元象素的CMOS圖象傳感器。圖7A表示根據(jù)本發(fā)明用于CMOS圖象傳感器的電路圖。CMOS圖象傳感器具有以矩陣形式，即按照行和列排列的二維陣列，如圖7A所示。在圖7A所示的例子中，圖象傳感器包括簡單的2×2矩陣。
提供在象素矩陣一側(cè)上的是用于提供帶有垂直掃描信號(VSCAN)的矩陣的垂直掃描驅(qū)動器電路102，在矩陣的另一側(cè)上的是用于提供帶有漏電壓VDD的VDD掃描驅(qū)動器電路103。
在每行的單元象素101中的MOS晶體管112的漏經(jīng)過與該行相關(guān)的電壓輸送線22a和22b與VDD掃描驅(qū)動器電路103相連，以接收漏電壓VDD。在每行的單元象素101中的MOS晶體管112的柵經(jīng)過與該行相關(guān)的垂直掃描信號線21a和21b與垂直掃描驅(qū)動器電路102相連，以接收垂直掃描信號VSCAN。
在每列的單元象素101中的MOS晶體管112的源連接到與該列相關(guān)的垂直輸出線20a和20b。
垂直輸出線20a和20b分別與MOS晶體管的對應(yīng)漏(光檢測信號輸出端)28a和29a相連，作為用于每個列的列開關(guān)105a和105b。開關(guān)105a和105b的柵(水平掃描信號輸入端)與用于水平掃描信號(HSCAN)的水平掃描驅(qū)動器電路104相連。
開關(guān)105a和105b的源(光檢測信號輸出端)28c和29c經(jīng)過公共恒定電流輸送源106與視頻信號輸出端107相連。換言之，每個單元象素101中的MOS晶體管112的源與恒定電流輸送源106連接，以形成源跟隨器電路。這樣，晶體管的源-柵電壓和體-源電壓由恒定電流輸送源(負載電路)106確定。
單元象素中的MOS晶體管112連續(xù)地被垂直掃描信號(VSCAN)和水平掃描信號(HSCAN)激活，產(chǎn)生一系列表示各象素中二極管111所接收的光量的視頻信號(Vout)。
如上所述，由于每個單元象素101由光電二極管111和MOS晶體管112構(gòu)成，因此成象器件的象素可以沿著掃描驅(qū)動器電路102-104和包括恒定電流輸送源106的其它外圍電路被CMOS工藝一起集成在同一半導(dǎo)體襯底上。
圖7B是用于本發(fā)明的CMOS圖象傳感器工作所要求的各種輸入/輸出信號的時序圖。該時序圖施加于具有p型阱區(qū)15和n-MOS型光檢測晶體管112的圖象傳感器。
成象器件具有由清除(初始化)、光電載流子產(chǎn)生、電荷儲存和讀階段組成的周期。
在該周期過程中，在單元象素101中的每個阱區(qū)15中的電勢的變化將在下面參照圖8、9和10詳細說明。參照圖11可以理解每個單元象素101中的光檢測MOS晶體管112的電流-電壓特性。
在每個圖8-10中，縱坐標表示電勢，而橫坐標表示從襯底表面的深度。圖8A、9A和10A表示分別在該周期的清除(初始化)、電荷儲存、和讀階段、沿著圖5的D-D線截取的電勢分布。同樣，圖8B、9B和10B表示分別在該周期的清除(初始化)、電荷儲存、和讀階段、沿著圖6的E-E線截取的電勢分布。
在清除期間，在讀之后保留在半導(dǎo)體中的電荷、平衡受主雜質(zhì)和施主雜質(zhì)的空穴和電子、和被捕獲在表面狀態(tài)中的空穴和電子射出半導(dǎo)體。對每一行進行稱之為初始化的操作。
清除操作的重要方面是清理載流子袋25，用于使下面的光生電荷儲存在其中。換言之，應(yīng)該趨于只檢測光生電荷，避免拾起由于保留電荷引起的噪聲。
在此操作中，把高于正常工作電壓的電壓施加給漏擴散區(qū)17a、柵極19和源擴散區(qū)16。這是通過把大約+5伏的VDD通過VDD輸送線22a施加給漏擴散區(qū)17a，把大約+5伏的電壓通過VSCAN輸送線21a和21b施加給柵極19進行的。由于溝道區(qū)域通過柵電壓而表現(xiàn)為導(dǎo)電，因此源擴散區(qū)16也被施加與漏擴散區(qū)17a相同的電壓(+5伏)。
如圖8A和8B所示，此電壓作為反向偏置穿過pn結(jié)，從而阱區(qū)15中的電場通過n和p區(qū)指向p+襯底11，由此保持在阱區(qū)15和半導(dǎo)體其它部分中的空穴通過p+襯底11清除，同時保持在半導(dǎo)體中的電子通過源擴散區(qū)16和漏擴散區(qū)17被清除。應(yīng)該承認，特別是儲存在載流子袋25中的光生電荷通過標準柵和漏電壓不能從中射出以使晶體管飽和，但是電荷可以通過施加高于標準電壓的柵電壓和漏電壓而從載流子袋25射出，例如5伏。
在剩余電荷被清除后，阱區(qū)5被耗盡。
如上所述，由于沒有留下在載流子密度中能夠?qū)е聼嵩肼?kTC噪聲)或熱波動的電荷，所以為得到成象信號上述初始化操作在清除電荷上是理想的。
應(yīng)該明白，由于在初始化中不包含電流通路，所以初始化可以借助于在襯底中提供的片上升壓電路來進行。
儲存階段需要通過光照射產(chǎn)生電荷并將電荷儲存在載流子袋25中。在儲存期間，在通常進行的水平掃描中可以使用行式快門(row-wiseshutter)只激活象素的相關(guān)行。
這種情況下，大約2到3伏的電壓施加于所有單元象素101中的MOS晶體管112的每個漏擴散區(qū)17，以便在光照射之前通過VDD輸送線22a和22b激活MOS晶體管。同時，低但足夠的電壓通過VSCAN輸送線21a和21b施加于每列中的MOS晶體管的每個柵，以便使MOS晶體管截止。這樣，為與各個水平掃描信號線耦合的所有傳感器進行電荷儲存操作。
通過施加電壓的漏擴散區(qū)17a，p型阱區(qū)15中的多數(shù)載流子(空穴)被清除到P+型襯底11，使阱區(qū)15耗盡，只剩下受主的負充電的空間電荷層。
如果象素被光照射，則在與該象素相關(guān)的光電二極管111的阱區(qū)15中產(chǎn)生電子-空穴對。
在MOS晶體管的柵設(shè)置為低電勢的條件下，光生電子被漏電壓從漏擴散區(qū)17中驅(qū)除，同時光生空穴被源擴散區(qū)16中的低電勢吸引到源擴散區(qū)16中，直到它們被捕獲或儲存在最小電勢的載流子袋25中，如圖9A和9B所示。
由于在儲存期間光生電荷的電荷轉(zhuǎn)移只在p型阱區(qū)15中進行，所以電荷轉(zhuǎn)移不受半導(dǎo)體的表面條件影響，因此不會產(chǎn)生噪聲。
注意，如果晶體管的表面被耗盡，則其變?yōu)榭昭ǖ淖钃鯇印?br> 在圖12C所示的現(xiàn)有技術(shù)光電柵極結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體的表面用光生電荷填滿，這是處于靜電平衡，并且可能是暗流和寄生空穴的源，這將引起電勢調(diào)制問題。
相反，在這里所示的例子中，晶體管的溝道區(qū)域被耗盡并在初始化之后保留，如圖12A所示。而且，由于柵和附近區(qū)域?qū)馄帘危圆粫a(chǎn)生過量的載流子層。因此，如果載流子被捕獲在晶體管的表面中，如圖12B所示，不會越過阻擋層，變?yōu)橥ㄟ^表面的暗流或噪聲。
讀期間需要讀出與儲存在相應(yīng)象素中的光生電荷有關(guān)的視頻信號(Vout)。視頻信號Vout可以通過激活作為源跟隨器連接的光信號檢測MOS晶體管112而被讀出。
在每行中的MOS晶體管112的每個漏通過VDD輸送線22a和22b提供有大約2到3伏的電壓情況下，每行中的MOS晶體管112的每個柵通過VSCAN輸送線21a和21b提供有大約2到3伏的電壓，從而MOS晶體管112在飽和條件下工作。與恒定電流輸送線106連接的光檢測MOS晶體管112的源輸送以恒定電流。
在讀期間之前的期間內(nèi)光生載流子被儲存在載流子袋25中。
當(dāng)光生載流子被儲存在載流子袋25中時，阱區(qū)15中的費米能級相對于儲存在其中的電荷量而改變。然后空間電荷減少，晶體管的閾值電壓降低。同時，根據(jù)電荷轉(zhuǎn)換規(guī)則，在載流子袋25上形成反型區(qū)域，其中與儲存在載流子袋25中的空穴相同數(shù)量的電子增加了，結(jié)果使溝道導(dǎo)電率提高。在這種情況下，恰在載流子袋25上的表面電勢在溝道長度方向近似于常數(shù)，電子載流子以均勻密度分布。
另一方面，由于空間電荷密度在阱區(qū)15的漏擴散區(qū)17a一側(cè)中足夠低，所以在溝道區(qū)域的漏擴散區(qū)17a一側(cè)中沒有產(chǎn)生反型區(qū)域，而代替的是，在其中產(chǎn)生強電場區(qū)域。
由于在溝道區(qū)域的一部分中產(chǎn)生反型區(qū)域和在其另一部分上產(chǎn)生強電場區(qū)域，因此現(xiàn)在光信號檢測MOS晶體管112可以在飽和條件下工作，如圖11所示。
因此，如果給光信號檢測MOS晶體管112的各個電極施加一組標準工作電壓，則處于飽和條件下的晶體管被激活。與恒定電流源連接的晶體管112作為源跟隨器工作通過其負反饋降低柵和源電勢之間差值，以便使恒定電流流過晶體管，由此升高源電勢，如圖10A和10B所示。源電勢的變化從輸出端107讀出，作為它的視頻信號。
下面說明上述的讀操作。由于光信號檢測MOS晶體管112在飽和區(qū)域工作，如圖11所示，所以漏-源電勢差由柵極19下面的阱區(qū)15中的電勢確定。該電勢差導(dǎo)致在p型阱區(qū)15中產(chǎn)生指向源擴散區(qū)16的電場。
雖然光生空穴升高了源擴散區(qū)16附近區(qū)域中的費米能級，但是由于電流由恒定電流源106確定，所以保存了勢壘的高度。因而，對應(yīng)于與被注入的光生空穴中和的空間電荷相關(guān)的電壓差的源電勢Vs發(fā)生變化，如圖10A和10B所示。換言之，可以通過光生空穴改變半導(dǎo)體的體電勢，以便改變源跟隨器的輸出。
用這種方式，可以得到與照射光量成正比的視頻信號(Vout)。由于在這種情況下出現(xiàn)在反型區(qū)域中的光生空穴和電子數(shù)量平衡，所以光生電荷量與柵絕緣膜18(作為電容器)中感應(yīng)的電荷量相同，并且可以檢測閾值電壓的變化。如圖13A和13B所示，光生電荷的充電限制到載流子袋25上的柵絕緣膜18，從而光電傳感器的檢測靈敏度可以由柵絕緣膜18厚度和載流子袋25的面積和深度決定。由于光生電荷儲存在載流子袋25的有限的區(qū)域中，因此光電傳感器電荷-電壓轉(zhuǎn)換的線性很好。
另外，由于檢測電容可以看作常數(shù)，因此可以得到在極度線性的電荷-電壓轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上的光載流子的非常靈敏的檢測。
下面參照圖7A和7B說明與光檢測相關(guān)的固態(tài)成象器件的工作。
在光檢測中，保留在阱區(qū)和半導(dǎo)體的其它區(qū)域中的電荷被其初始化清除掉，如前所述。
然后給晶體管的柵極19施加低電壓；大約2到3伏范圍的電壓VDD施加于漏擴散區(qū)17a，用于激活晶體管，使阱區(qū)15被耗盡并且產(chǎn)生從漏擴散區(qū)17a指向源擴散區(qū)16的電場。
在光照之后，產(chǎn)生電子-空穴對，其中空穴被注入到柵區(qū)并儲存在載流子袋25中。儲存的空穴限制從溝道區(qū)域向襯底16延伸的耗盡層的寬度，從而MOS晶體管112的閾值電壓被袋25中的載流子改變。
當(dāng)柵極19輸送以大約2-3伏的電壓和漏擴散區(qū)17a輸送以大約2-3伏的電壓VDD以使MOS晶體管112在飽和條件下工作時，在溝道區(qū)域的反型區(qū)域中形成弱電場，并且在溝道區(qū)域的剩余區(qū)域中形成高電場。
在該階段，如果MOS晶體管112的源擴散區(qū)16與恒定電流源106連接，則MOS晶體管112形成源跟隨器電路，由此改變它的源電勢，并因此改變跟隨由光生空穴引起的MOS晶體管的閾值電壓的變化而變化的輸出電壓。因而得到對應(yīng)于光照射量的視頻信號。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以提供理想的CMOS晶體管成象器件，其中光生電荷可以被清除(初始化)、儲存和讀，而不受溝道區(qū)域和半導(dǎo)體表面中噪聲源影響。
應(yīng)該記得，載流子袋25形成在溝道區(qū)域下面，反型區(qū)域形成在溝道區(qū)域的部分區(qū)域中，溝道區(qū)域的剩余部分中存在強電場，從而晶體管可以被激活以在飽和條件下工作。而且，MOS晶體管連接在源跟隨器中，它的源電壓隨著對應(yīng)于儲存的光生電荷的閾值電壓的變化而變化。這樣，通過讀取源電壓可以得到很好的線性電荷-電壓轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明的這個特征在與常規(guī)BCMD型固態(tài)成象器件相比時更加明顯，該常規(guī)BCMD型固態(tài)成象器件具有三極管式電流-電壓特性，并因此很難在飽和條件下工作或達到線性光電轉(zhuǎn)換。
在本發(fā)明中，光電傳感器具有分離的光電二極管111和光信號檢測MOS晶體管112。因而，可以防止由發(fā)生在光電柵極上的入射光的多重干涉引起的光譜靈敏度的變壞。
通過光電二極管111和光信號檢測MOS晶體管112的簡單結(jié)合，光電傳感器的填充因子提高了。
也可以通過如上所述改變源跟隨器的柵電壓抑制固定圖形噪聲，以便調(diào)整源跟隨器的增益和源電容。
在前述例子中，光信號是通過在n-MOS晶體管(光信號檢測MOS晶體管)112中形成p+型載流子袋25以儲存光生空穴而得到的。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，光信號的檢測同樣可以通過在p-MOS晶體管(光信號檢測MOS晶體管)中形成n+型載流子袋以儲存光生電子而很好地檢測。
在圖7A所示的例子中，固態(tài)成象器件適于在清除過程中給柵極19輸送以大約+5伏的柵電壓，其使溝道區(qū)域?qū)щ?，由此在源擴散區(qū)16上施加與施加給漏擴散區(qū)17a相同的大約+5伏的電壓?；蛘?，源擴散區(qū)16可以經(jīng)過開關(guān)裝置連接到電源上，以使電源只在清除期間給源擴散區(qū)16提供大約+5伏的電壓。
參見圖7A，所示的恒定電流源將是負載電路。負載可以使用電容器而由容性負載代替。在那種情況下，在源電壓被收集在載流子袋中的光生電荷改變時，電容器被充電。穿過電容器的電壓可以作為視頻信號被讀出。另外，代替這種容性負載，也可以使用高阻抗負載以形成源跟隨器。
可以看出，本發(fā)明提供了一種新的和有用的閾值電壓調(diào)制固態(tài)成象器件，其包括被光電二極管和絕緣柵型FET共用的公共阱區(qū)，和形成在溝道區(qū)域下面和FET的源擴散區(qū)附近的阱區(qū)中的重摻雜掩埋層(載流子袋)。
因而，在光電二極管中產(chǎn)生的光生電荷通過大部分半導(dǎo)體層被轉(zhuǎn)移到晶體管的載流子袋中并隨后儲存在載流子袋中，由此改變晶體管的閾值。
這種配置有利于在由前述步驟清除(初始化)；光電轉(zhuǎn)換；在載流子袋中儲存光生電荷；和電壓讀出構(gòu)成的整個光信號檢測中抑制熱噪聲(kTC)和半導(dǎo)體表面上的電荷捕獲產(chǎn)生的噪聲。
這樣，本發(fā)明提供了配備具有超過常規(guī)CCD圖象傳感器的運行特性的MOS型圖象傳感器低噪聲固態(tài)成象器件。
還應(yīng)該理解，在本發(fā)明中MOS晶體管的載流子袋提供在晶體管的溝道區(qū)域下面，載流子袋可以使反型區(qū)域和圍繞反型區(qū)域的強電場區(qū)域在溝道區(qū)域中共享形成，從而晶體管可在飽和條件下工作。
另外，晶體管被包括在源跟隨器電路中，其源連接到例如恒定電流源的高阻抗負載電路，從而光生電荷的數(shù)量有利地線性轉(zhuǎn)換成晶體管的閾值電壓的變化，這可以作為源電壓而被檢測?？梢缘玫絻?yōu)異的線性光-電壓轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明可以通過光電二極管和光信號檢測MOS晶體管的簡單結(jié)合來實現(xiàn)。這樣，本發(fā)明就能夠提供提高了的填充因子。
本發(fā)明的特點，即源跟隨器的增益和源電容可以容易地調(diào)整，有利于抑制固定圖形噪聲。
本發(fā)明的固態(tài)成象器件可以以低成本方便地制造，這是因為它可以通過常規(guī)CMOS制造技術(shù)與同一襯底上的外圍電路成一體制造。
除此之外，雖然在上述優(yōu)選實施例中說明了本發(fā)明的詳細例子，但是也可以考慮如圖14所示的其它調(diào)制例子。
在圖14中，與圖2-6不同的地方是，提供有使信號光通過柵極19a直接進入柵區(qū)15的結(jié)構(gòu)。換言之，沒有提供光電二極管，而在柵極19a上面部分提供感光窗口24a，在其它區(qū)域中信號光被光屏蔽膜23a屏蔽。
由于圖14的光電傳感器在柵極19下面的源區(qū)16附近的阱區(qū)15內(nèi)具有載流子袋25，因此從圖14所示的結(jié)構(gòu)可以得到與上述實施例相同的優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種檢測光信號的方法，包括以下步驟通過信號光在p型阱區(qū)中產(chǎn)生電子和空穴；將所述光生電子和空穴中的空穴轉(zhuǎn)移到p型重摻雜掩埋層，該重摻雜掩埋層被掩埋在形成在所述p型阱區(qū)中的絕緣柵場效應(yīng)晶體管的n型源區(qū)附近并被以高于所述p型阱區(qū)的濃度摻雜，以在所述重摻雜掩埋層中積累所述轉(zhuǎn)移空穴，由此根據(jù)所述積累的空穴量改變所述絕緣柵場效應(yīng)晶體管的閾值電壓；讀出所述閾值電壓的變化，作為被接收的所述信號光的量。
2.一種檢測光信號的方法，包括以下步驟通過信號光在n型阱區(qū)中產(chǎn)生電子和空穴；將所述光生電子和空穴中的電子轉(zhuǎn)移到n型重摻雜掩埋層，該重摻雜掩埋層被掩埋在形成在所述n型阱區(qū)中的絕緣柵場效應(yīng)晶體管的p型源區(qū)附近并被以高于所述n型阱區(qū)的濃度摻雜，以在所述重摻雜掩埋層中積累所述轉(zhuǎn)移電子，由此根據(jù)所述積累的電子量改變所述絕緣柵場效應(yīng)晶體管的閾值電壓；讀出所述閾值電壓的變化，作為被接收的所述信號光的量。
全文摘要
本發(fā)明是使用成象器件檢測光信號的方法，該方法包括以下步驟通過信號光在光電二極管的阱區(qū)(15)中產(chǎn)生光生空穴，通過大部分阱區(qū)(15)把光生空穴轉(zhuǎn)移到形成在源區(qū)(16)附近的阱區(qū)(15)中的重摻雜掩埋層(25)中，重摻雜掩埋層(25)用比絕緣柵FET的阱區(qū)(15)重的雜質(zhì)摻雜，在重摻雜掩埋層(25)中儲存光生空穴，由此與光生電荷的量相對應(yīng)改變FET的閾值電壓，讀取閾值電壓的變化，作為被光傳感器接收的信號光的量。
文檔編號H04N5/355GK1495873SQ0314273
公開日2004年5月12日 申請日期1998年12月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月1日
發(fā)明者三井田高 申請人:伊諾太科株式會社