專利名稱：混成電荷耦合的cmos圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器，更具體地講，本發(fā)明涉及采用電荷耦合技術(shù)來實(shí)現(xiàn)幀存儲器的CMOS圖像傳感器，。
背景技術(shù)：
圖象傳感器技術(shù)分為兩大類電荷耦合器件(CCD)和CMOS圖像傳感器。每一類的優(yōu)點(diǎn)都在文獻(xiàn)中有詳細(xì)的描述。例如，CMOS圖像傳感器在能量消耗、制造成本和電路集成方面具有優(yōu)勢，而CCD則在某些高端應(yīng)用上具有一定的優(yōu)勢。
一直以來人們都想把兩種技術(shù)結(jié)合起來，從而使圖像傳感器具有兩者的優(yōu)勢。例如，美國專利U.S.P.5,625,210試圖將CCD圖像傳感器常用的插入式光電二極管(pinned photodiode，也可稱作銷接式光電二極管或PIN光電二極管)工藝與CMOS控制電路結(jié)合起來。
本發(fā)明的目的就是將CCD技術(shù)的某些特征融入到CMOS圖像傳感器中。

發(fā)明內(nèi)容
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種有源像素，其包括
形成在半導(dǎo)體襯底上的感光元件；與該感光元件相鄰的傳輸門，以將該感光元件的信號傳輸出；與該傳輸門相鄰的存儲門；與該存儲門相鄰的控制門，以將上述信號傳輸?shù)絺鞲泄?jié)點(diǎn)；以及由該傳感節(jié)點(diǎn)所控制的放大晶體管。
其中，感光元件可以選自于光電二極管、插入式光電二極管、部分插入式光電二極管或光電門；存儲門被激活時可在該存儲門下面的襯底中形成存儲阱，該存儲阱能夠存儲來自感光元件的信號；放大晶體管將放大的信號輸出到列位線。
上述的有源像素還可進(jìn)一步包括復(fù)位晶體管，該復(fù)位晶體管可控地將上述傳感節(jié)點(diǎn)復(fù)位到參考電壓。
上述的有源像素中，可以包括兩個存儲門。
上述的有源像素中，可以包括形成在存儲門下面的半導(dǎo)體襯底表面上的p層。該p層下面可以進(jìn)一步形成n溝道(n-channel)。
另一方面，本發(fā)明也提供了一種設(shè)備，該設(shè)備包括第一像素，該第一像素又包括形成在半導(dǎo)體襯底上的第一感光元件；與該第一感光元件相鄰的第一傳輸門，以將該第一感光元件的第一信號傳輸出；與該第一傳輸門相鄰的第一存儲門；與該第一存儲門相鄰的第一控制門，以將第一信號傳輸?shù)絺鞲泄?jié)點(diǎn)上；
第二像素，該第二像素又包括形成在半導(dǎo)體襯底上的第二感光元件；與該第二感光元件相鄰的第二傳輸門，以將該第二感光元件的第二信號傳輸出；與該第二傳輸門相鄰的第二存儲門；與該第二存儲門相鄰的第二控制門，以將第二信號傳輸?shù)絺鞲泄?jié)點(diǎn)上；與上述輸出節(jié)點(diǎn)耦合的復(fù)位晶體管，其將輸出節(jié)點(diǎn)復(fù)位到參考電壓；以及與傳感節(jié)點(diǎn)耦合的輸出晶體管。
本發(fā)明的CMOS圖像傳感器融入了CCD的技術(shù)某些特征，因而具有這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
下面，結(jié)合附圖來詳細(xì)地說明本發(fā)明。
附圖簡介

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中用于CMOS圖像傳感器的三晶體管有源像素的示意圖。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)中用于CMOS圖像傳感器的四晶體管有源像素的示意圖。
圖3是本發(fā)明中有源像素的示意圖。
圖4是圖3中所示有源像素的部分剖面圖。
圖5是使用了共享晶體管的本發(fā)明另一實(shí)施方案的示意圖。
圖6是使用了附加存儲門的本發(fā)明又一實(shí)施方案的示意圖及剖面圖。
圖7是使用了存儲門之下的P型襯底和一個附加控制門的本發(fā)明再一實(shí)施方案的示意圖及剖面圖。
具體內(nèi)容在下面的說明中，通過對本發(fā)明具體實(shí)施方式
的描述，來了解本發(fā)明的諸多具體細(xì)節(jié)。但所屬領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可以認(rèn)識到，在沒有這些具體細(xì)節(jié)中的一個或多個的情況下仍能實(shí)施本發(fā)明，或者采用其它方法、元件等的情況下仍能實(shí)施本發(fā)明。另外，為了清楚地描述本發(fā)明的各種實(shí)施方案，因而對眾所周知的結(jié)構(gòu)和操作沒有示出或進(jìn)行詳細(xì)地描述。
在本發(fā)明的說明書中，提及“一實(shí)施方案”或“某一實(shí)施方案”時是指該實(shí)施方案所述的特定特征、結(jié)構(gòu)或者特性至少包含在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中。因而，在說明書各處所出現(xiàn)的“在一實(shí)施方案中”或“在某一實(shí)施方案中”并不一定指的是全部屬于同一個實(shí)施方案；而且，特定的特征、結(jié)構(gòu)或者特性可能以合適的方式結(jié)合到一個或多個的具體實(shí)施方案中。
本發(fā)明將CCD技術(shù)的某些特征融人了CMOS工藝技術(shù)。圖1是現(xiàn)有技術(shù)中使用三個晶體管的CMOS有源像素。感光元件101輸出用于調(diào)制放大晶體管105的信號。該放大晶體管也就是大家熟知的源跟隨晶體管(source follower transistor)。感光元件101可以是各種器件中的一種，包括但不限于光電門、光電二極管、插入式光電二極管、部分插入式光電二極管等等。
在積分周期中，感光元件101獲取光，并根據(jù)照射到感光元件101上的光信號的總量輸出信號。該信號用于調(diào)制放大晶體管105。在積分周期之后，復(fù)位晶體管103將感光元件輸出節(jié)點(diǎn)的水平復(fù)位到參考水平。最后，行選擇晶體管107用于像素尋址，并選擇性地將像素中的的信號讀出到列位線109。
圖2在許多方面與圖1中的三晶體管有源像素相似，只是多了一個傳輸晶體管201，用于將感光元件101輸出的信號傳輸?shù)礁庸?jié)點(diǎn)A。雖然四晶體管有源像素因?yàn)閭鬏旈T201在尺寸上有些變大，但仍比圖1中三晶體管有源像素具有優(yōu)勢。
圖3是本發(fā)明中所形成的有源像素。在該有源像素中，感光元件101通過三個門即傳輸門301、存儲門303和控制門305將信號傳輸?shù)絺鞲泄?jié)點(diǎn)A。其中，感光元件101包括但不限于光電門、光電二極管、插入式光電二極管(光電二極管的亞類)、部分插入式光電二極管(光電二極管的亞類)和諸如此類的元件。
一旦來自于感光元件101的信號在傳感節(jié)點(diǎn)A上，其電路與現(xiàn)有技術(shù)相似，包括一個復(fù)位晶體管307、一個放大晶體管309和一個行選擇晶體管311。傳感節(jié)點(diǎn)A上的信號用于調(diào)制放大晶體管309，使放大的信號適合加到列位線313上。在該實(shí)施方案中行選擇晶體管311用來選擇性地為有源像素尋址。
通過包括存儲門303和控制門305，每個有源像素可以以類似于CCD圖像傳感器的方式包括有存儲器。特別地，一旦感光元件101完成積分過程，傳輸門301和存儲門303就被激活。具體地講，電壓(Von)加到傳輸門301和存儲門303上。注意，對于p型襯底來說，電壓(Von)是正壓，而對n型襯底來說，Von是負(fù)壓；而且，Von的精確度是由像素的各種設(shè)計(jì)參數(shù)所決定的電壓，但通常可從Vdd或者Vcc推算出來。
Von施加到傳輸門301和存儲門303上，將在存儲門303之下形成一個勢阱(存儲阱401)。而且，通過在傳輸門301上施加電壓，由感光元件101所產(chǎn)生的電荷(信號)將會流向存儲門之下的存儲阱401。
當(dāng)傳輸門301返回到靜態(tài)電壓(0電壓或者其他一些固定偏壓)存儲門303則能保持在Von。這將導(dǎo)致來自感光元件101的信號保持在存儲阱401。為了將電荷從存儲阱401傳遞到傳感節(jié)點(diǎn)A，當(dāng)存儲門303返回到靜態(tài)時，將控制門305激活。而這將導(dǎo)致信號從存儲阱401傳輸?shù)絺鞲泄?jié)點(diǎn)A。這同樣是在控制門305和存儲門303的控制之下。
一旦來自感光元件101的信號被加到傳感節(jié)點(diǎn)A上，有源像素的操作類似于圖1和2中的現(xiàn)有技術(shù)。也就是說，在傳感節(jié)點(diǎn)A上的信號由復(fù)位晶體管307定期復(fù)位。而且，該傳感節(jié)點(diǎn)上的信號用于調(diào)制放大晶體管309，將放大信號輸出到列位線313。行選擇晶體管311用來選擇性地為像素尋址。
圖4是感光元件(在此為光電二極管)101、傳輸門301、存儲門303、控制門305和存儲阱401的半導(dǎo)體襯底剖面圖。傳輸門301、存儲門303和控制門305，被絕緣介質(zhì)如薄層門極氧化層從半導(dǎo)體襯底分離開來。傳感節(jié)點(diǎn)A也在圖中有所描述。傳輸門301與感光元件101相鄰。這里所用的術(shù)語2“相鄰”包括無覆蓋的、覆蓋的或校準(zhǔn)的情況，而且可能隨不同的設(shè)計(jì)參數(shù)而改變。在任何情況下，傳輸門301應(yīng)位于便于使感光元件101的電荷進(jìn)行傳輸?shù)奈恢谩?br> 可以理解，圖3-4所示的是圖像傳感器像素陣列中只有一個像素的情況。在許多具體的實(shí)施方案中，圖像傳感器像素陣列中的像素?cái)?shù)量可在幾百到幾百萬個之間。通常，圖像傳感器像素陣列具有許多按行和列排列的像素。但是，本發(fā)明只是針對單一像素的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而這種像素可以用于各種結(jié)構(gòu)中。
如圖4所示，感光元件101所產(chǎn)生的信號(電子)，可以通過激活傳輸門301和存儲門303而進(jìn)行傳輸。這種傳輸使信號從包括感光元件101的光電二極管的N阱中，傳輸?shù)酱鎯?01?？刂拼鎯﹂T303和控制門305，使得該信號要么存儲在存儲阱401中，要么傳輸?shù)絺鞲泄?jié)點(diǎn)A。例如，控制晶體管305可在所需時被激活，使該信號從存儲阱401中讀出到傳感節(jié)點(diǎn)A。
本發(fā)明像素的結(jié)構(gòu)以及其所包括的存儲阱401，使其具有“幀曝光”的能力。也就是說，使用本發(fā)明的有源像素的圖像傳感器，可以用入射光對整個陣列進(jìn)行曝光，并將整個圖像(幀)存儲在存儲阱401中。這個與現(xiàn)有技術(shù)中圖像傳感器常用的光柵掃描讀出技術(shù)完全相反，而且，采用合適的工藝設(shè)計(jì)，存儲阱401可將感光元件101獲取的信號存儲相當(dāng)長的一段時間，這樣就具有了較長的存儲持續(xù)時間。
盡管每個有源像素的門數(shù)增加，但可通過使用共享晶體管技術(shù)來緩和門數(shù)總量的增加。從圖5中可以看出來，兩個或更多個的相鄰像素可以共用一個復(fù)位晶體管和一個放大晶體管。因此，通過合適的讀出過程的時間分配，兩個或更多個的像素可以共用晶體管，從而減少在圖像陣列中所要求的晶體管的總量。有關(guān)這類共享晶體管結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)可參閱2004年2月4日申請的、發(fā)明名稱為“CMOS IMAGESENSOR USING SHARED TRANSISTORS BETWEEN PIXELS”的美國第10/771,839號專利申請，此處作為本發(fā)明的參考文獻(xiàn)。
而且，圖6和圖7中描述了另外的具體實(shí)施方案。盡管圖3和圖4中的具體實(shí)施方案描述了本發(fā)明的基本概念，但在該實(shí)施方案中，當(dāng)信號電荷保持時，存儲門303下的硅表面耗盡。這種耗盡會導(dǎo)致硅表面有相當(dāng)大的漏電流。而下面描述的具體實(shí)施方案則可減少硅表面漏電流的量。
圖6描述了本發(fā)明的另一具體實(shí)施方案的示意圖和剖面圖。與前面的實(shí)施方案相似，傳輸門與光電二極管相鄰。但是，除了存儲門1和控制門，增加了一個存儲門2，該存儲門2位于傳輸門和傳感節(jié)點(diǎn)A之間。而且，為了制造上更加方便，第一和第二存儲門、傳輸門和控制門都在多晶硅的同一層上制造。
在操作時，存儲門1、存儲門2和控制門起初都被打開，使這些門下的區(qū)域復(fù)位。然后，存儲門1、存儲門2和控制門被順序關(guān)閉。通過打開傳輸門和存儲門，入射光在光電二極管中產(chǎn)生的信號，經(jīng)由傳輸門被傳輸?shù)酱鎯﹂T1的下面。此時，存儲門2處于關(guān)閉狀態(tài)。然后，傳輸門被關(guān)閉。這個結(jié)果導(dǎo)致信號被保持在存儲門1之下。
下一步，當(dāng)存儲門1關(guān)閉時打開存儲門2。同時，信號被保持在存儲門2之下。
接著，當(dāng)存儲門2關(guān)閉時打開存儲門1。信號被傳輸回存儲門1之下。因此，信號在存儲門1和2之間來回傳輸。在某一具體的實(shí)施方案中，來回傳輸?shù)念l率在1000赫茲以上。這種來回傳輸不斷進(jìn)行，直到信號電荷被源跟隨器讀出到列位線。
圖6中的具體實(shí)施方案可減少硅表面的漏電流。硅表面的漏電流被認(rèn)為與硅表面的慢表面態(tài)有關(guān)。慢表面態(tài)通常不能對1000赫茲以上的驅(qū)動作出反應(yīng)。因此，當(dāng)存儲門1和2以高于1000赫茲的頻率下轉(zhuǎn)換開和關(guān)時，不會增加硅表面的漏電流。但本發(fā)明并非限制在1000赫茲以上的變換頻率，采用其它的一些機(jī)制，可以使本發(fā)明在1000赫茲以下的變換頻率時，仍具有優(yōu)勢。
圖7是本發(fā)明的第三種實(shí)施方案的示意圖和剖面圖。該實(shí)施方案包括一個存儲門以及在傳輸門和傳感節(jié)點(diǎn)A之間的第一控制門和第二控制門。
在這一具體實(shí)施方案中，存儲門下的硅表面覆蓋了一層p型層，以減少硅表面的漏電流。通過傳統(tǒng)的掩模和植入可以形成p型層。在存儲門和控制門下，在比p型層更深的區(qū)域形成n溝道(n-channel)。
在運(yùn)行時，通過打開存儲門、控制門1和控制門2使n溝道復(fù)位。然后，控制門2關(guān)閉，存儲門和控制門1打開。接著，存儲門被設(shè)定到靜態(tài)電壓(0或者負(fù)壓)或者浮動。n溝道勢壘由控制門1下的勢壘設(shè)定。然后，通過傳輸門的開和關(guān)，使來自光電二極管的信號電荷傳輸?shù)酱鎯﹂T和控制門1。然后，控制門1被關(guān)閉。此時，信號電荷被保持在存儲門下的n溝道。
注意，在又一具體實(shí)施方案中，控制門2可被省略。在這樣的具體實(shí)施方案中，其結(jié)構(gòu)與圖3所示的結(jié)構(gòu)相似，只是增加了p型層和n溝道。
當(dāng)信號電荷要被讀出時，控制門2下的勢壘被設(shè)定到某一勢壘。然后，通過在控制門1上施加電壓，使控制門1下的勢壘被設(shè)定到比控制門2的勢壘更淺的勢壘。接著，存儲門1被關(guān)閉。信號電荷隨后通過控制門1和2傳輸?shù)絺鞲泄?jié)點(diǎn)A。這個結(jié)構(gòu)也可減少硅表面的漏電流。由于存儲門下的硅表面不被p型層耗盡，因而硅表面的漏電流也就很小。
以上對本發(fā)明的描述僅是本發(fā)明最佳實(shí)施方式，并非是對本發(fā)明范圍的限制。所屬領(lǐng)域一般技術(shù)人員完全可以根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行各種改變或改進(jìn)，但其仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。此外，各種摻雜類型可倒轉(zhuǎn)，例如，上述n溝道晶體管可替換成p溝道晶體管。這類改變或改進(jìn)以及其它的一些改變或改進(jìn)，仍然沒有偏離本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種有源像素，其包括形成在半導(dǎo)體襯底上的感光元件；與所述感光元件相鄰的傳輸門，以將所述感光元件的信號傳輸出；與所述傳輸門相鄰的存儲門；與所述存儲門相鄰的控制門，以將所述信號傳輸?shù)絺鞲泄?jié)點(diǎn)；以及由所述傳感節(jié)點(diǎn)控制的放大晶體管。
2.如權(quán)利要求1所述的有源像素，其中，所述的感光元件選自于光電二極管、插入式光電二極管、部分插入式光電二極管或光電門。
3.如權(quán)利要求1所述的有源像素，其中，所述的存儲門被激活時在該存儲門下面的襯底中形成存儲阱，該存儲阱能夠存儲來自所述感光元件的信號。
4.如權(quán)利要求1所述的有源像素，其中，所述的放大晶體管將放大的所述信號輸出到列位線。
5.如權(quán)利要求1所述的有源像素，其進(jìn)一步包括一個復(fù)位晶體管，該復(fù)位晶體管可控地將所述傳感節(jié)點(diǎn)復(fù)位到參考電壓。
6.一種有源像素，其包括形成在半導(dǎo)體襯底上的感光元件；與所述感光元件相鄰的傳輸門，以將所述感光元件的信號傳輸出；與所述傳輸門相鄰的存儲門；與所述存儲門相鄰的控制門，以將所述信號傳輸?shù)絺鞲泄?jié)點(diǎn)；由所述傳感節(jié)點(diǎn)控制的放大晶體管，其中，所述的放大晶體管將放大的所述信號輸出到列位線；以及復(fù)位晶體管，其可控地將所述傳感節(jié)點(diǎn)復(fù)位到參考電壓。
7.一種設(shè)備，其包括第一像素，該第一像素又包括形成在半導(dǎo)體襯底上的第一感光元件；與所述第一感光元件相鄰的第一傳輸門，以將所述第一感光元件的第一信號傳輸出；與所述第一傳輸門相鄰的第一存儲門；與所述的第一存儲門相鄰的第一控制門，以將所述第一信號傳輸?shù)絺鞲泄?jié)點(diǎn)上；第二像素，該第二像素又包括形成在半導(dǎo)體襯底上的第二感光元件；與所述第二感光元件相鄰的第二傳輸門，以將所述第二感光元件的第二信號傳輸出；與所述第二傳輸門相鄰的第二存儲門；與所述第二存儲門相鄰的第二控制門，以將所述的第二信號傳輸?shù)絺鞲泄?jié)點(diǎn)上；與所述輸出節(jié)點(diǎn)耦合的復(fù)位晶體管，其將所述輸出節(jié)點(diǎn)復(fù)位到參考電壓；以及與所述傳感節(jié)點(diǎn)耦合的輸出晶體管。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述的第一像素是在圖象陣列的第一行中，所述的第二像素是在圖像陣列中臨近第一行的第二行中。
9.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述的輸出晶體管連接到一個列位線，而且沒有使用行選擇晶體管。
10.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述的輸出晶體管具有與所述輸出節(jié)點(diǎn)耦合的門極。
11.一種有源像素，其包括形成在半導(dǎo)體襯底上的感光元件與所述感光元件相鄰的傳輸門，以將所述感光元件的信號傳輸出；與所述傳輸門相鄰的第一存儲門；與所述的第一存儲門相鄰的第二存儲門；與所述的第二存儲門相鄰的控制門，以將所述的信號傳輸?shù)絺鞲泄?jié)點(diǎn)上；以及由所述傳感節(jié)點(diǎn)控制的放大晶體管。
12.如權(quán)利要求11所述的有源像素，其中，所述的感光元件選自于光電二極管、插入式光電二極管、部分插入式光電二極管或光電門。
13.如權(quán)利要求11所述的有源像素，其中，當(dāng)所述的兩個存儲門中任何一個被激活時，在該相應(yīng)的存儲門下面的襯底上，形成一個存儲阱，該存儲阱能夠存儲來自所述感光元件的信號。
14.如權(quán)利要求11所述的有源像素，其中，所述的第一和第二存儲門被選擇性地激活，以交替地存儲來自于所述感光元件的信號。
15.如權(quán)利要求11所述的有源像素，其中，所述的第一和第二存儲門在高于1000赫茲的頻率下運(yùn)行。
16.如權(quán)利要求11所述的有源像素，其中，所述的第一和第二存儲門、所述的傳輸門和所述的控制門都在多晶硅的同一層中形成。
17.如權(quán)利要求11所述的有源像素，其進(jìn)一步包括一個復(fù)位晶體管，該復(fù)位晶體管可控地將所述傳感節(jié)點(diǎn)復(fù)位到參考電壓。
18.一種有源像素，其包括形成在半導(dǎo)體襯底上的感光元件；與所述感光元件相鄰的傳輸門，以將所述感光元件的信號傳輸出；與所述傳輸門相鄰的存儲門；形成在所述存儲門下面的半導(dǎo)體襯底表面的p層；與所述存儲門相鄰的控制門，以將所述信號傳輸?shù)絺鞲泄?jié)點(diǎn)上；以及由所述傳感節(jié)點(diǎn)控制的放大晶體管。
19.如權(quán)利要求18所述的有源像素，其中，所述的感光元件選自于光電二極管、插入式光電二極管、部分插入式光電二極管或者光電門。
20.如權(quán)利要求18所述的有源像素，其中，所述的存儲門被激活時，在該存儲門下面的襯底上形成一個存儲阱，該存儲阱能夠存儲來自于所述感光元件的信號。
21.如權(quán)利要求18所述的有源像素，其進(jìn)一步包括一個形成在所述半導(dǎo)體襯底中并在所述p層下的n溝道。
22.如權(quán)利要求18所述的有源像素，其進(jìn)一步包括在所述控制門和所述傳感節(jié)點(diǎn)之間的第二控制門。
23.如權(quán)利要求18所述的有源像素，其進(jìn)一步包括一個復(fù)位晶體管，該復(fù)位晶體管將所述傳感節(jié)點(diǎn)復(fù)位到參考電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種將CCD技術(shù)融入到CMOS圖像傳感器中的有源像素。每個像素包括一個用來將傳感節(jié)點(diǎn)復(fù)位的復(fù)位晶體管；該有源像素包括一個在傳感節(jié)點(diǎn)上被信號調(diào)制的放大晶體管。感光元件，如光電二極管，其信號被傳輸門有選擇地讀出，并選擇性地存儲在存儲門，而且最終被控制門讀出到傳感節(jié)點(diǎn)上。在存儲門下面是一個存儲阱，其可用來存儲像素，并可將感光元件輸出的信號存儲下來。
文檔編號H04N5/335GK1716623SQ200510063618
公開日2006年1月4日 申請日期2005年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月30日
發(fā)明者真鍋素平, 野崎英駿 申請人:豪威科技有限公司