專利名稱：設(shè)有浮置擴散柵電容的四晶體管cmos圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種設(shè)有結(jié)合存儲電容器的圖像傳感器的像素電路。
背景技術(shù)：
一種圖像傳感器電路包括一個像素單元的焦平面陣列，各像素或者包含一個光閘、光電導體，或者包含一個襯底覆蓋在用于蓄積光生電荷的某襯底內(nèi)的電荷蓄積區(qū)上的光電二極管。在傳統(tǒng)的四晶體管CMOS成像器中，像素單元的有源元件執(zhí)行(1)光子到電荷的轉(zhuǎn)換；(2)圖像電荷的蓄積；(3)將電荷轉(zhuǎn)移至浮置擴散結(jié)點，此過程伴隨電荷放大；(4)在將電荷轉(zhuǎn)移至浮置放大結(jié)點之前，將后者重設(shè)為已知狀態(tài)；(5)選擇用于讀出的像素；(6)輸出并放大代表像素電荷的信號。在三晶體管像素單元中，像素單元的有源元件執(zhí)行(1)光子到電荷的轉(zhuǎn)換；(2)通過光電轉(zhuǎn)換裝置蓄積圖像電荷；(3)在蓄積電荷之前，將所述光電轉(zhuǎn)換裝置重設(shè)成已知狀態(tài)；(4)選擇用于讀出的像素；以及(5)輸出并放大代表像素電荷的信號。
參閱圖1A和1B，其中示出了傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器四晶體管(4T)像素10的半導體晶圓片斷。圖1B示出了沿圖1A中的線1B-1B得到的所述傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的剖面圖。像素10一般包含用于將在釘扎光電二極管(pinned photodiode)21中產(chǎn)生的光電電荷傳輸?shù)阶鳛閭鞲薪Y(jié)點的浮置擴散區(qū)25的轉(zhuǎn)移柵50。所述浮置擴散區(qū)25連接到具有用于復位所述傳感結(jié)點的柵極40的復位晶體管。而具有柵極60的源極跟隨器晶體管連接到具有柵極80的行選擇晶體管。在柵極40、60、80周圍設(shè)置了摻雜的源/漏區(qū)22。沿柵極40、50、60、80的兩側(cè)形成了隔層92。
如圖1B所示，光電二極管21是處于襯底20的表面15下方的位置較淺的釘扎光電二極管。通常，所述釘扎光電二極管21具有光敏的p-n-p結(jié)區(qū)域，該區(qū)域包括p-型的表面區(qū)24和p-型的襯底20中的n-型的光電二極管區(qū)26。在襯底20中形成了槽隔離區(qū)28，以隔離像素陣列中的像素。在像素10上可形成半透明或透明的隔離層30。在隔離層30中可形成接觸件32(圖1A)，以提供到源/漏極區(qū)22、浮置擴散區(qū)25和其他接線的電連接，來連接像素10中的柵導線和其他連接。
圖2描述了一種傳統(tǒng)的四晶體管(4T)CMOS圖像傳感器像素，該像素任選地采用了多晶硅電容器(Cpoly)100。光子112在釘扎光電二極管21區(qū)域內(nèi)的襯底20的表面15之下被吸收。于是產(chǎn)生了電子-空穴對，且只要轉(zhuǎn)移柵50處于“關(guān)斷”狀態(tài)，釘扎光電二極管21的n-區(qū)26中便收集電子。釘扎光電二極管21的特征在于釘扎電勢(pinpotential)(Vpin)，它是施加到所述p-n-p光電二極管上的最高電壓。只要轉(zhuǎn)移柵50啟動(即“導通”)，光子產(chǎn)生的電子便可從n-區(qū)26流動到浮置擴散區(qū)25。經(jīng)過特定的時間后，轉(zhuǎn)移柵50又將轉(zhuǎn)為“關(guān)斷”狀態(tài)。
圖3是傳統(tǒng)的4T CMOS傳感器像素在光積累時間段內(nèi)的電勢圖。所述像素的滿阱容量是光電二極管21中能產(chǎn)生和儲存的電子的最大數(shù)目。傳輸?shù)焦怆姸O管21的光子在區(qū)域21中產(chǎn)生了電子。用陰影面積120表示光電二極管21容納電子的電荷容量。由光電二極管21的釘扎電勢(Vpin)和光電二極管電容量(CPD)近似確定了區(qū)域120。當產(chǎn)生的電子數(shù)目達到最大的電荷電容量時，光電二極管21發(fā)生飽和，因而不能繼續(xù)對入射的光子作出響應(yīng)。當過剩電荷通過襯底20進入到周圍像素中時，過剩電荷引發(fā)了周圍像素的散焦效應(yīng)。當柵極50導通而將電子從光電二極管21傳送至浮置擴散結(jié)點25時，由浮置擴散結(jié)點25的電容量和電容器100的電容量確定了存儲電子的“容量”。
圖4描述了在傳統(tǒng)的四晶體管(4T)CMOS傳感器像素單元中進行的示范性的電荷傳輸動作。當光電二極管21的滿阱容量大于浮置擴散結(jié)點25的電荷容量時，在光電二極管21和浮置擴散結(jié)點25之間存在電荷共用。在這種情況下，當轉(zhuǎn)移柵50轉(zhuǎn)回至“關(guān)斷“狀態(tài)時，光電二極管21將保留信號電荷，所述電荷與產(chǎn)生的下一個幀的信號電荷混合，導致了圖像的滯后。浮置擴散結(jié)點25的這種飽和限制了傳統(tǒng)的四晶體管(4T)像素的動態(tài)范圍。
當將像素的尺寸按比例縮小時，浮置擴散結(jié)點的電容量更小，而這進一步降低了像素的動態(tài)范圍。因此，希望改善所述動態(tài)范圍，以便在將像素按比例縮小時也能提供良好的對較弱和較強光信號狀態(tài)的輸出響應(yīng)。為此，建議將存儲電容器，如圖2中的電容器100與所述浮置擴散結(jié)點一起使用，以增加電荷存儲容量。參見Rhodes的美國專利6,429,470和6,204,524。然而，盡管這樣的電容器增加了所述浮置擴散結(jié)點的電容，但由于它們一直與所述浮置擴散結(jié)點處于電路中，因而是相對不靈活的。而且，需要額外的工藝步驟來形成耦合到所述浮置擴散結(jié)點的電容器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各實施例提供了具有與所述浮置擴散結(jié)點結(jié)合的柵電容的四晶體管(4T)圖像傳感器像素單元，可以有選擇地操作該柵電容來增加所述浮置擴散結(jié)點的存儲容量。所述柵電容采用與形成所述像素單元的晶體管的其他柵極相同的的工藝步驟以經(jīng)濟的方式其他柵極同時形成。
在一些情況下，希望僅依賴于存儲結(jié)點的固有容量，而在另一些情況下，希望依賴于存儲結(jié)點的固有容量和額外電容器提供的額外容量。在需要或希望時，可以有選擇地操作所述柵電容來將增加所述存儲結(jié)點的電容。從參照附圖和本發(fā)明的圖示實施例的以下詳細說明中，可以更清楚地了解本發(fā)明的上述的及其他的特點與優(yōu)點。
附圖的簡單說明參閱附圖，從以下給出的示范性實施例的詳細說明中，可以更清楚地了解本發(fā)明的上述的及其他的優(yōu)點與特點。
圖1A是傳統(tǒng)的四晶體管(4T)CMOS圖像傳感器像素片斷的頂視圖。
圖1B是沿圖1A中的圖像傳感器像素片斷的線1B-1B得到的側(cè)面剖視圖。
圖2描繪了傳統(tǒng)的4T CMOS圖像傳感器。
圖3是傳統(tǒng)的4T CMOS圖像傳感器在光積累期間的電勢圖。
圖4是傳統(tǒng)的4T CMOS傳感器中的電荷轉(zhuǎn)移的示圖。
圖5是本發(fā)明一實施例的4T CMOS像素的頂視圖。
圖6是沿圖5中的線A-A’得到的圖5中示出的像素的橫截面圖。
圖7示出了說明根據(jù)本發(fā)明一實施例構(gòu)造的像素的動作的簡單能帶圖。
圖8示出了說明根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的像素的動作的時間圖。
圖9示出了具有本發(fā)明一示范性實施例的像素陣列的CMOS成像器集成電路的方框圖。
圖10是采用圖9中所示的CMOS成像器的圖像處理器系統(tǒng)的示圖。
圖11示出了本發(fā)明一示范性實施例的用于CCD成像器的簡化電路。
具體實施例方式
在以下的詳細說明中，引用了各種實施本發(fā)明的具體實施例。對這些實施例作了足夠詳盡的說明，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能實施本發(fā)明，并且應(yīng)當明白也可以采用其他實施例，而且可對這些實施例進行結(jié)構(gòu)或邏輯上的修改而不背離本發(fā)明的精神和范圍。
在下面的說明中，術(shù)語“襯底”和“晶片”可以互換使用，它們可以包括在其表面內(nèi)或表面上可形成電路任何半導體結(jié)構(gòu)。所述結(jié)構(gòu)可以包含硅、絕緣體上的硅(SOI)、藍寶石上的硅(SOS)、摻有雜質(zhì)或未摻雜質(zhì)的半導體、由半導體基礎(chǔ)支撐的硅的外延層以及其他半導體結(jié)構(gòu)。所述半導體元件不必是硅質(zhì)的。所述半導體元件可以是硅鍺、鍺或砷化鎵。當在以下說明中提及襯底時，可以利用之前的工藝步驟在所述的基底半導體或基礎(chǔ)之中或之上形成一些層、區(qū)或結(jié)。
術(shù)語“像素”是指包含光傳感器和裝置的圖像元素單元，如用于將電磁輻射轉(zhuǎn)化成電信號的晶體管。為說明的目的，此處在圖和說明中說明了一種代表性的像素，且一般以類似的方式同時制造成像器中的所有像素。上述加有相同附圖標記的元件指與圖5-8中描繪的相同元件。
應(yīng)當懂得，本發(fā)明可用于以任何配置和取向與半導體裝置中的其他器件集成的像素單元。本發(fā)明可任選地包括光閘、光電導體或其他將圖像轉(zhuǎn)化為電荷的裝置，來代替光電二極管進行產(chǎn)生光的電荷的初始蓄積。
此處，以通常的方式使用在本發(fā)明的說明中使用的名稱“n”和“p”，如在“n-型”和“p-型”中一樣，來指明施主和受主類型的雜質(zhì)，而這兩種雜質(zhì)分別使電子和空穴類型的載流子成為主載流子。當將“+”符號用作雜質(zhì)類型的后綴時，應(yīng)當將此解釋成該雜質(zhì)的摻雜密度比與僅指明雜質(zhì)種類的字母而無“+”后綴結(jié)合的摻雜密度大。相反地，當將“-”符號用于雜質(zhì)類型的后綴時，應(yīng)當將此解釋成該雜質(zhì)的摻雜密度比與僅指明雜質(zhì)種類的字母而無“-”后綴結(jié)合的摻雜密度小。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的像素的第一實施例的頂視圖。圖5描繪了一種四晶體管像素210，該像素包含晶體管柵極50、復位晶體管柵極40、源極跟隨器柵極60和讀出晶體管柵極80。圖中還示出了光電二極管21和浮置擴散結(jié)點25。所述晶體管，結(jié)合柵極50、40、60和80，光電二極管21，以及浮置擴散結(jié)點25與圖1中用相同附圖標記的結(jié)構(gòu)功能相同。此外，圖5中示出的像素包含浮置擴散電容器82，該電容器包括一塊耦合到浮置擴散結(jié)點25的電容器下極板和一塊連接到接觸件83的電容器上極板。以上說明的與圖1A、圖1B及圖2相結(jié)合的、采用相同附圖標記的元件的結(jié)構(gòu)和運行也適用于圖5中的相同結(jié)構(gòu)。
如圖5所示，在浮置擴散結(jié)點25的一部分上形成了浮置擴散電容器82，該電容器處于轉(zhuǎn)移柵極50和復位柵極40之間。電容器82覆蓋包含浮置擴散結(jié)點25的有效面積。與傳統(tǒng)像素上的晶體管柵相比，電容器82可以占據(jù)更大的面積。因為不需要漏極端子，電容器82僅需要源極端子，因為電容器82的下電極是浮置擴散結(jié)點25。金屬線可制造得與接觸件83相連，而后者與電容器82的上電極電耦合。圖5也示出了源極跟隨器柵極60和行選擇柵極80(以上參照圖1作了說明)。
可以以與形成像素的晶體管的多晶硅柵極，包括轉(zhuǎn)移柵極50的方式類似的方式形成電容器82，同時，可以使用與之相同的工藝步驟來形成像素單元晶體管的其他柵極。例如，可以在襯底上形成作為柵氧化層的絕緣覆蓋層，然后，形成多晶硅的覆蓋層，隨后，再形成絕緣覆蓋層。然后，對這些層進行光刻而形成圖案，以形成電容器82和其他的晶體管柵極。從而，可以同時進行所有用以形成柵電容82、轉(zhuǎn)移柵50、源極跟隨器柵極60、行選擇柵80和復位柵40以及包含像素陣列的芯片上的其他晶體管柵極結(jié)構(gòu)的掩模和蝕刻步驟。在某區(qū)域中形成電容器82，在該區(qū)域中所述電容器不遮擋所述光敏區(qū)，例如所述成像器的光電二極管21。
圖6示出了沿圖5中的線A-A’得到的圖5中的像素的橫截面圖。如圖6所示，電容器82覆蓋槽隔離區(qū)28的至少一部分；然而，應(yīng)當懂得，可以使用與形成轉(zhuǎn)移柵50、復位柵40、源極跟隨器柵60、行選擇柵80和包含像素陣列的芯片上的其他晶體管柵極的工藝步驟相同的步驟在襯底20的任何其他部分上形成電容器82。可以用化學汽相沉積(CVD)或另一種沉積技術(shù)在所述柵極上任選地形成TEOS(原硅酸四乙酯)的保護層或其他涂層化合物。
圖6中示出了沿轉(zhuǎn)移柵50和電容器82兩側(cè)形成的任選的側(cè)壁隔層92。上述采用相同附圖標記的元件與圖6中示出的元件相同。圖中也示出，在電容器82的上表面形成了任選的接觸件83。可通過STI工藝、硅的局部氧化(LOCOS)工藝，或其他合適的工藝來形成槽隔離區(qū)28。
在所述像素的元件上可任選地形成半透明或透明的絕緣層(未示出)。這些層可能包括SiO2、BPSU、PSG、BSG、SOB、BPSG或TEOS之類的材料，任何上述材料可以適當?shù)仄矫婊？捎脗鹘y(tǒng)的工藝方法來形成所述絕緣層中的接觸件(未示出)，提供到源/漏區(qū)、浮置擴散區(qū)25和其他接線的電連接，以連接像素210中的柵線和其他連接。之后，對接觸孔進行金屬化處理，以提供到所述光閘、復位柵、轉(zhuǎn)移柵和擴散區(qū)的電接觸。
通常，對特定的工藝流程而言，工藝步驟可根據(jù)需要或便利進行改變。以上對制造方法的敘述僅僅是說明性的?？捎梅秶鷱V泛的不同制造技術(shù)來實施以上所述的技術(shù)。
參閱圖5-8，與浮置擴散結(jié)點25結(jié)合的柵電容可有選擇地增加浮置擴散結(jié)點25的存儲容量。在某些情況下，如在光照較弱的情況下，僅依賴于浮置擴散結(jié)點25的固有容量可能是理想的。在這樣的光照較弱的場合，電容器82保持在“斷開”或非激活狀態(tài)，從而，沒有啟動電容器，且接觸件82浮接或接地。在其他情況下，包括光強度較高的情況，最好依賴于浮置擴散結(jié)點25的固有容量和電容器82提供的額外電容量。在這樣的“強光照”條件下，可通過將電壓施加到接觸件83來有選擇地啟動柵電容82，以提供額外的電荷存儲容量。這種有選擇地選通電容器82的方法為存儲從光電二極管21傳輸?shù)浇Y(jié)點25的電荷提供額外的電容。
現(xiàn)在參照圖7和圖8，說明一種本發(fā)明的像素210的示范性操作方法。當電容器82處于“斷開”狀態(tài)時，浮置擴散電容僅來自于浮置擴散結(jié)點25的p+/n結(jié)。如果電容器82處于“接通”狀態(tài)，則電容器82的電容加到浮置擴散結(jié)點25的電容上。結(jié)果，增加了浮置擴散結(jié)點25的總的電容量。
如圖7a所示，柵電容82和轉(zhuǎn)移柵50處于“斷開”狀態(tài)。在電荷積累時間的末期，之前由在復位柵40周圍形成的復位晶體管復位的浮置擴散結(jié)點25準備接收來自光電二極管21的電子電荷120。在“開通”轉(zhuǎn)移柵50之前“接通”了電容器82。如圖7b所示，一旦“接通”了電容器82和轉(zhuǎn)移柵50，電子電荷120便得到釋放，并從光電二極管21移動到浮置擴散結(jié)點25。由于電容器82的接通，現(xiàn)在浮置擴散結(jié)點25的總的電容量已經(jīng)足夠大，從而在光電二極管21中沒有剩余電荷。與光電二極管21之間不存在電荷共用，因此沒有滯后信號。
如圖7c所示，下一步像素動作包括在完成電荷到浮置擴散結(jié)點25的傳輸之后將轉(zhuǎn)移柵50和電容器82“斷開”。電子電荷120處于浮置擴散結(jié)點25中，并由源極跟隨器晶體管讀出，且后者的柵極與結(jié)點25相連。源極跟隨器晶體管將存儲的電荷轉(zhuǎn)化成輸出電壓。
參閱以上圖7a-7c的說明，圖8示出了一例復位柵40、柵電容82和轉(zhuǎn)移柵50動作的時間圖。如圖8所示，啟動復位晶體管40后，在“接通”轉(zhuǎn)移柵50之前“接通”電容器82，以將電子電荷120從光電二極管21轉(zhuǎn)移到浮置擴散結(jié)點25。
圖9示出了一種CMOS成像器集成電路(IC)808的方框圖，所述電路具有包含多個配置成行和列的像素的像素陣列800。通過行選擇線同時接通陣列800每行的像素，而通過各自的列選擇線有選擇地輸出每列的像素。
行驅(qū)動器810響應(yīng)行地址解碼器820有選擇地啟動所述行選擇線。列選擇器響應(yīng)列地址解碼器870有選擇地啟動所述列選擇線。像素陣列800由定時與控制電路850操作，該電路控制地址解碼器820、870來選擇合適的行和列選擇線進行像素信號讀出。定時與控制電路850用來產(chǎn)生定時信號，以有選擇地操作柵電容82。
通過與列選擇器860相結(jié)合的采樣與保持電路861讀出通常包括像素復位信號(Vrst)、像素圖像信號(Vsig)的所述像素列信號。通過差動放大器862為每個像素產(chǎn)生差動信號(Vrst-Vsig)，并通過模-數(shù)轉(zhuǎn)換器875(ADC)將該信號進行放大和數(shù)字化。所述模-數(shù)轉(zhuǎn)換器875將經(jīng)數(shù)字化的像素信號提供給圖像處理器880，后者可進行圖像處理，在所述的圖像處理過程中，將從藍色像素讀出的信號作為藍光的強度電平，將從綠色像素讀出的信號作為綠光的強度電平，并將從紅色像素讀出的信號作為紅光的強度電平。由此得到的紅、綠、藍像素值可提供給其他器件，以確定RGB輸出圖像。
現(xiàn)在來看圖10，其中說明了示范性的基于處理器的系統(tǒng)880，該系統(tǒng)包括成像器裝置808，所述裝置設(shè)有按以上的圖5-8所說明的方式配置的像素單元?；谔幚砥鞯南到y(tǒng)880是設(shè)有可包括CMOS成像器裝置的數(shù)字電路的系統(tǒng)的示范例。
基于處理器的系統(tǒng)880包含中央處理單元(CPU)1286，如微處理器，所述處理器通過總線1289與輸入/輸出(I/O)裝置1282進行通信。從像素陣列中產(chǎn)生圖像輸出的成像器808也通過總線1289與CPU1286通信。基于處理器的系統(tǒng)808還包括隨機存取存儲器(RAM)1283，并可包括外圍設(shè)備，如軟盤驅(qū)動器1285和光盤(CD)ROM驅(qū)動器1284，這些外圍設(shè)備也通過總線1289與CPU1286通信。成像器808可以與處理器，如CPU、數(shù)字信號處理器或微處理器組合在一起，在單個集成電路上或不同于所述處理器的芯片帶有或不帶有存儲裝置。
當本發(fā)明的上述實施例涉及包括浮置擴散柵電容的像素單元時，在特定情況下，可通過對所述電容器的選擇性啟動控制所述像素單元的電容，例如，在強光照條件下，可使所述電容器起作用來增加電容，或者，在較弱的光照條件下，通過維持“不起作用”的電容器(“斷開”的)來控制電容，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，本發(fā)明的廣闊范圍包括各種其他類型的像素單元和成像器裝置，它們或是獨立設(shè)置，或是與半導體裝置上的一個或多個處理元件集成。通過有選擇地讓本發(fā)明的所述電容器起作用，使得圖像裝置在任何類型的光照條件下均能實現(xiàn)較高的動態(tài)范圍、較強的輸出信號、較高的信噪比和優(yōu)化的電荷存儲容量，以及不存在電荷共用(滯后輸出信號)的較高的轉(zhuǎn)換增益。
盡管在以上的描述中，本發(fā)明用于CMOS圖像傳感器的四晶體管像素單元，但是，本發(fā)明的范圍并不以此為限，實際上本發(fā)明也可應(yīng)用于三晶體管像素單元和具有多于四個晶體管的像素單元。也可以把所述柵電容與任何合適的圖像傳感器結(jié)合使用，例如，可將所述電容器與CCD圖像傳感器結(jié)合使用。此外，盡管在圖5-8中示出和說明了一個柵電容，應(yīng)當懂得，可以將多于一個柵電容接合到所述浮置擴散結(jié)點。
圖11示出了設(shè)有柵電容482的示范性CCD成像器的簡化電路400。柵電容482電連接到浮置擴散結(jié)點425和電壓源VDD。CCD圖像傳感器的輸出級提供了作為輸出信號的順序像素信號，并以與在CMOS成像器的像素中類似的方式使用浮置擴散結(jié)點425、具有柵460的源極跟隨器460和復位柵440。與CMOS成像器不同，寄存器486用于光生電荷的輸入和輸出。
可以按不同尺寸形成上述的成像器裝置，例如，具有約1.3兆像素到約4兆像素陣列的成像器。此外，本發(fā)明的上述實施例包括設(shè)有淺埋式光電二極管的CMOS像素。本發(fā)明的范圍還包括其他配置中的其他類型的光敏元件。
以上的描述和


了實現(xiàn)本發(fā)明目標的一些實施例。盡管上面已經(jīng)說明了一些特定的優(yōu)點和實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員仍將認識到，可對所述實施例進行替代、添加、刪減、修改和/或其他變化而不背離本發(fā)明的范圍或精神。因此，本發(fā)明不限于之前的說明，而僅限于所附權(quán)利要求規(guī)定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種操作成像器的方法，包括用光傳感器產(chǎn)生電荷；將電荷從所述光傳感器轉(zhuǎn)移到存儲結(jié)點；有選擇地增加所述結(jié)點的電荷存儲容量；以及根據(jù)轉(zhuǎn)移到所述結(jié)點的電荷產(chǎn)生電信號。
2.權(quán)利要求1中所述的方法，其中，所述有選擇地增加所述結(jié)點的電荷存儲容量的動作包括有選擇地讓接合到所述結(jié)點的柵電容起作用。
3.權(quán)利要求2中所述的方法，其中，在所述轉(zhuǎn)移過程中讓所述柵電容起作用，以消除所述光傳感器中基本上全部的電荷。
4.權(quán)利要求1中所述的方法，其中，所述有選擇地增加所述結(jié)點的電荷存儲容量的動作在所述電荷轉(zhuǎn)移前發(fā)生。
5.權(quán)利要求1中所述的方法，其中，所述成像器是CMOS成像器。
6.權(quán)利要求1中所述的方法，其中，所述成像器是CCD成像器。
7.一種集成電路，其中包括襯底；以及像素陣列，所述像素陣列中的各像素包括可用來接收光子能量并將所述光子能量轉(zhuǎn)化成光電電荷的光傳感器；用于接收所述光電電荷的浮置擴散區(qū)；以及連接到所述浮置擴散區(qū)的至少一個柵電容，各柵電容用來增加所述浮置擴散區(qū)的電荷存儲容量。
8.權(quán)利要求7中所述的集成電路，其中，所述光傳感器從由光電二極管、光閘和光電導體構(gòu)成的組中選出。
9.權(quán)利要求7中所述的集成電路，其中，至少一個柵電容包括電連接到所述浮置擴散區(qū)的電容器下極板和連接到接觸件的電容器上極板。
10.權(quán)利要求7中所述的集成電路，其中，所述至少一個柵電容處于轉(zhuǎn)移柵和復位柵之間。
11.權(quán)利要求7中所述的集成電路，其中，所述至少一個柵電容形成在所述浮置擴散區(qū)的一部分上。
12.權(quán)利要求7中所述的集成電路，其中，所述像素陣列是CMOS像素陣列。
13.權(quán)利要求7中所述的集成電路，其中，所述像素陣列由定時與控制電路操作。
14.權(quán)利要求13中所述的集成電路，其中，所述定時與控制電路產(chǎn)生定時信號來有選擇地操作所述至少一個柵電容。
15.一種形成像素的方法，包括在襯底上形成光傳感器，所述光傳感器檢測并存儲光子能量；在所述襯底上形成轉(zhuǎn)移柵；在所述襯底上形成浮置擴散區(qū)；以及在所述襯底上形成柵電容，所述柵電容連接到所述浮置擴散區(qū)。
16.權(quán)利要求15中所述的方法，其中，所述柵電容形成在所述浮置擴散區(qū)的一部分上。
17.一種成像器的像素，所述像素包括接收入射光并產(chǎn)生光電電荷的感光區(qū)；用于從所述感光區(qū)接收光生電荷的擴散區(qū)；以及至少一個可切換地用來增加所述擴散區(qū)的電容量的電容器。
18.權(quán)利要求17中所述的像素，其中，各電容器是柵電容。
19.一種在圖像傳感器中實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換增益的方法，所述方法包括啟動在襯底表面處或該表面以下的至少一個光傳感器，其中，各傳感器用于檢測光子能量，并將所述光子能量轉(zhuǎn)化成光電電荷；讓柵電容起作用，以增加存儲結(jié)點的電荷存儲容量；將在各光傳感器中產(chǎn)生的所述光電電荷轉(zhuǎn)移到所述存儲結(jié)點；以及將所述存儲結(jié)點處的所述光電電荷轉(zhuǎn)化成電信號。
20.一種成像裝置中的圖像像素陣列，所述像素陣列中的各像素包括可用來接收光子能量并將所述光子能量轉(zhuǎn)化成光電電荷的光傳感器；用以接收所述光電電荷的浮置擴散區(qū)；以及至少一個連接到所述浮置擴散區(qū)的柵電容，各柵電容可有選擇地用來增加所述浮置擴散區(qū)的電荷存儲容量。
21.權(quán)利要求20中所述的圖像像素陣列，其中，各光傳感器在由光電二極管、光閘和光電導體構(gòu)成的組中選出。
22.一種CMOS成像器系統(tǒng)，包括處理器；以及接合到所述處理器的成像裝置，所述成像裝置包括像素陣列，所述像素陣列中的各像素包括可用來接收光子能量并將光子能量轉(zhuǎn)化成光電電荷的光傳感器；用以接收所述光電電荷的浮置擴散區(qū)；以及至少一個連接到所述浮置擴散區(qū)的柵電容，各柵電容可有選擇地用來增加所述浮置擴散區(qū)的電荷存儲容量。
23.權(quán)利要求22中所述的成像器系統(tǒng)，還包括用于操作所述像素陣列的定時與控制電路。
24.權(quán)利要求23中所述的成像器系統(tǒng)，其中，所述定時與控制電路產(chǎn)生定時信號，以有選擇地操作所述至少一個柵電容。
25.權(quán)利要求22中所述的成像器系統(tǒng)，其中，所述至少一個柵電容增加了總的電荷容量，使得所述成像器系統(tǒng)增加了對弱光照和強光照信號狀態(tài)的響應(yīng)性。
26.一種CCD成像器，其中包括用于輸入和輸出光生電荷的寄存器；至少一個連接到所述存儲結(jié)點的柵電容，各柵電容可有選擇地用來增加所述存儲結(jié)點的電荷存儲容量。
27.一種CCD成像器系統(tǒng)，其中包括處理器；以及接合到所述處理器的CCD成像器，所述CCD成像器包括用于輸入和輸出光生電荷的寄存器；被連接而從所述寄存器接收所述光生電荷的存儲結(jié)點；以及至少一個連接到所述存儲結(jié)點的柵電容，各柵電容可有選擇地用來增加所述存儲結(jié)點的電荷存儲容量。
全文摘要
提供了一些像素單元，這些像素單元采用了與浮置擴散結(jié)點接合的柵電容，以有選擇地增加浮置擴散結(jié)點的存儲電容量?？梢杂孟嗤墓に嚥襟E在形成所述像素單元的其他柵電路時，同時形成所述柵電容。在較弱的光照條件下，所述存儲結(jié)點的固有容量便已足夠滿足需要。而在較強的光照條件則導致有選擇地讓所述柵電容起作用，從而利用柵電容提供的額外容量增加所述存儲結(jié)點的電荷容量。本發(fā)明在沒有電荷共用(輸出信號滯后)的條件下產(chǎn)生高動態(tài)范圍和強輸出信號。形成此類像素單元的方法可應(yīng)用于CMOS和CCD圖像裝置、CMOS和CCD圖像裝置中的圖像像素陣列以及CMOS和CCD圖像系統(tǒng)中。
文檔編號H04N5/355GK1849816SQ200480025757
公開日2006年10月18日 申請日期2004年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月15日
發(fā)明者S·C·洪 申請人:微米技術(shù)有限公司