專利名稱：N－型襯底上的圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及CMOS圖像傳感器，具體地講，本發(fā)明涉及一種在N-型襯底上形成的、具有低漏電流和高電容的CMOS傳感器。
背景技術(shù)：
集成電路工藝的發(fā)展革新了許多不同的領(lǐng)域，包括計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)、電信和圖像領(lǐng)域。由于電荷耦合器件(CCD)的性能特性，使它已經(jīng)在圖像領(lǐng)域中深受歡迎。但是，圖像領(lǐng)域所需的固態(tài)CCD集成電路相對來說難于制造，因而成本昂貴。另外，因?yàn)楹蚆OS有關(guān)的CCD集成電路和圖像傳感器的信號處理部分的工藝過程不同，使它們需要在不同的集成電路芯片上制造。因此，CCD圖像器件至少包含兩個集成電路一個是CCD傳感器集成電路，另一個是信號處理邏輯電路。
另外一種的圖像傳感器是CMOS有源像素(active pixel)傳感器。正如Lee等在U.S.P.5,625,210中所指出的那樣，有源像素傳感器是一種有源器件電子圖像傳感器，如晶體管，其與每個像素都相關(guān)。由于CMOS的制造工藝，有源像素傳感器具有一定的優(yōu)勢，它能使信號處理電路和傳感電路集成在同一個芯片上。
一種常見的有源像素傳感器的結(jié)構(gòu)包括四個晶體管和一個銷接光電二極管(pinned photodiode)。該銷接光電二極管由于它對藍(lán)光有較好的敏感度，以及在暗電流密度和圖像滯后方面具有一定優(yōu)勢，使它深受歡迎。通過P+區(qū)將二極管表面勢能栓接(“Pinning”)到P阱或P襯底(GND)，可以減少暗電流。
一般說來，人們希望能在光電二極管中收集盡可能多的電荷，以提高信號水平。這樣就要求在像素單元有較大的電容。但是，如果結(jié)分布(junction profile)沒有為電荷轉(zhuǎn)移達(dá)到最優(yōu)化，那么，隨著信號水平的提高(累集電荷增加的結(jié)果)，由于運(yùn)動電荷沒有完全從二極管傳輸?shù)狡戚敵龉?jié)點(diǎn)，可能使圖像滯后。這個也可能與銷接光電二極管的N阱的不完全復(fù)位和耗盡有關(guān)。這一現(xiàn)象在Ramaswami等所著的“CMOS傳感器的像素反應(yīng)時(shí)間和圖像滯后的特點(diǎn)”(Characterization of Response Time and Image Lag in CMOSSensors)中有所描述。在低電壓(如2.5伏或更低的電壓)情況下，N阱的不完全耗盡狀態(tài)更加顯而易見。而隨著集成電路越來越密集和柵極氧化層越來越薄，低電壓的操作越來越流行。
因此，希望有源像素采用銷接光電二極管(pinned photodiode)，它有高的電荷累積能力，在低壓下也能使光電二極管完全復(fù)位。另外一個主要考慮的因素是有源像素具有低的漏電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種減少漏電流、在低壓下也能使光電二極管完全復(fù)位的像素傳感器。
本發(fā)明的上述目的可通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種像素傳感器單元，其包括(1)在P阱中形成的銷接光電二極管，該P(yáng)阱又是在N-型半導(dǎo)體襯底上形成的；(2)設(shè)置在該銷接光電二極管和輸出節(jié)點(diǎn)之間的傳輸晶體管；(3)通過高電壓軌Vdd和該輸出節(jié)點(diǎn)耦合的復(fù)位晶體管；(4)以及輸出晶體管，該輸出晶體管的柵極耦合到該輸出節(jié)點(diǎn)。
其中，傳輸晶體管可以是一個耗盡型的MOSFET；輸出節(jié)點(diǎn)可以是傳輸晶體管的源極，銷接光電二極管可以是傳輸晶體管的漏極。
上述的像素傳感器單元，還可以進(jìn)一步包括負(fù)電壓產(chǎn)生器，該負(fù)電壓產(chǎn)生器產(chǎn)生一個足以關(guān)閉所述耗盡型傳輸晶體管的負(fù)電壓。
上述的像素傳感器單元，若采用耗盡型傳輸晶體管，其閾值電壓可接近Vdd，或者更進(jìn)一步地，其閾值電壓基本上為-0.9伏或者更低。
本發(fā)明的另一目的是提供一種在N-型襯底上形成的、具有低漏電流和高電容的CMOS圖像傳感器，該CMOS圖像傳感器包括(1)多個排列成行和列的有源像素，該有源像素形成在N-型半導(dǎo)體襯底中，而且至少一個所述的有源像素包括(a)銷接光電二極管；(b)設(shè)置在該銷接光電二極管和輸出節(jié)點(diǎn)間的傳輸晶體管；(c)通過高壓軌Vdd和該輸出節(jié)點(diǎn)耦合的復(fù)位晶體管；以及(d)輸出晶體管，該輸出晶體管的柵極耦合到該輸出節(jié)點(diǎn)；(2)用來產(chǎn)生負(fù)電壓的負(fù)電荷泵，該負(fù)電荷泵是在上述N-型半導(dǎo)體襯底中形成的；
(3)用來接收上述有源像素的輸出的處理電路，該處理電路是在上述N-型半導(dǎo)體襯底中形成的；以及(4)在上述N-型半導(dǎo)體襯底中形成的I/O電路，該I/O電路用來輸出CMOS圖像傳感器的有源像素的輸出。
在上述CMOS圖像傳感器中，其傳輸晶體管可以是一個耗盡型的MOSFET，其輸出節(jié)點(diǎn)可以是傳輸晶體管的源極，其銷接光電二極管可以是傳輸晶體管的漏極。
在上述CMOS圖像傳感器中，若采用耗盡型傳輸晶體管，則其閾值電壓可接近Vdd，或者更進(jìn)一步地，其閾值電壓基本上為-0.9伏或者更低。
本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)是漏電流低，電荷累積能力高，即使在低壓下也能使光電二極管完全復(fù)位。
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明進(jìn)行更具體、詳細(xì)的描述，以便更清楚、更好地理解本發(fā)明上述的特點(diǎn)以及其它相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中有源像素的示意圖。
圖2是圖1中現(xiàn)有技術(shù)有源像素示意圖的剖面圖。
圖3是本發(fā)明的有源像素的示意圖。
圖4是圖3中有源像素的剖面圖。
圖5是本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及低漏電流和大電容的CMOS圖像傳感器的設(shè)計(jì)。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(shí)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。
圖1和2是一個具有銷接光電二極管103的現(xiàn)有技術(shù)有源像素101。銷接光電二極管103是在P-型襯底上形成的N阱，并在N阱頂部形成一個P+區(qū)。一個傳輸門(transfer gate，也叫傳輸晶體管)控制信號從銷接光電二極管103到輸出節(jié)點(diǎn)107的傳輸。輸出節(jié)點(diǎn)107連接到源極隨耦器晶體管109(也叫驅(qū)動或輸出晶體管)。這使得輸出節(jié)點(diǎn)107的信號被放大，而且被加到列輸出111。行選擇晶體管(SEL)被用來選擇列輸出線111上讀出的像素。行選擇晶體管由行選擇數(shù)據(jù)線控制，而且復(fù)位晶體管113被用來耗盡銷接光電二極管上的信號。當(dāng)銷接光電二極管113具有如圖1和圖2所示的特定結(jié)構(gòu)時(shí)，可以認(rèn)為所有現(xiàn)有技術(shù)的銷接光電二極管CMOS圖像傳感器都是在P-型襯底上形成的。
本發(fā)明更改了圖1和2中現(xiàn)有技術(shù)的銷接光電二極管，使它們能在低壓下運(yùn)行，并同時(shí)具有好的耗盡特性。本發(fā)明的銷接光電二極管用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝制作。在下面的描述中，N-型植入的摻雜物是磷P，P-型植入的摻雜物是硼B(yǎng)。
在典型的運(yùn)行過程中，傳輸門105(現(xiàn)有技術(shù))在0伏和Vdd間搖擺。對于軌(rail)電壓Vdd為5.0V和3.3V的圖像傳感器，這會導(dǎo)致5伏或3.3伏的電壓變化。在過去，這種電壓變化對于耗盡光電二極管103來說是允許的。
但是，對新的集成電路工藝，Vdd電壓可能是1.8伏、1.3伏或者更低。在這樣的情況下，傳輸門柵極的電壓變化經(jīng)常不足以耗盡光電二極管。
本發(fā)明中的銷接光電二極管的結(jié)構(gòu)(和CMOS圖像傳感器)在許多方面與圖1和2中所示的相似。但是，根據(jù)本發(fā)明，CMOS圖像傳感器和銷接光電二極管是在N-型半導(dǎo)體襯底上形成的。
為了減少硅表面的漏電流和kTC噪聲，光電二極管通常在硅表面有一P+型的表面層屏蔽層，而且處于完全耗盡狀態(tài)。這被稱作是銷接光電二極管。讀出門的電壓需要足夠大，以使光電二極管處于耗盡狀態(tài)。但是，讀出門的電壓受到讀出門氧化層厚度的限制。因此，讀出門氧化層厚度限定的正向電壓應(yīng)用于CMOS圖像傳感器的讀出門。該電壓太低，不能達(dá)到使大電容的光電二極管處于耗盡態(tài)。因此，光電二極管的電容應(yīng)該設(shè)計(jì)得相對較小，以實(shí)現(xiàn)完全耗盡。但是具有P+表面屏蔽層的N-型光電二極管，即使當(dāng)小電壓施加到讀出門時(shí)，也具有大的電容；而且，這種類型的光電二極管具有相對大的kTC噪聲。
根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方案，讀出門施加了從負(fù)電壓到正電壓的電壓擺動。這意味著讀出門有一個大的電壓擺動。這個大的電壓擺動施加到光電二極管，形成了大的光電二極管電容。而且，由于空穴聚集在讀出門的硅表面附近，從而使硅表面的漏電流相對較小。
另一方面，本發(fā)明中的CMOS圖像傳感器包括在光電二極管和擴(kuò)散區(qū)間提供了讀出電路的四晶體管像素，形成的CMOS圖像傳感器在N-型襯底上形成像素。讀出門由電壓控制，該電壓能在負(fù)電壓和正電壓之間變化。負(fù)電壓產(chǎn)生電路，例如負(fù)電荷泵，可在同一個集成芯片上形成。N-型襯底保持正電壓或者接地。而且，讀出晶體管可能是增強(qiáng)型或者耗盡型的晶體管。
從圖3中可以看出，光電二極管103在N-型襯底403上的P阱401上形成。P阱401的硼濃度可在0-3×1017/cm3之間。N-型襯底403的磷濃度可在1×1014原子/cm3到5×1015原子/cm3之間。使用N-型晶片403的話，很容易達(dá)到所需的負(fù)壓而且也易集成在同一個集成電路上。光電二極管103上有一個P+層來形成銷接光電二極管。而且，在一實(shí)施方案中，除了光電二極管，光屏蔽層覆蓋每一像素。一般來說，在漂移擴(kuò)散區(qū)域一側(cè)的讀出電路的隧道寬度比光電二極管一側(cè)的要小。
圖4是本發(fā)明中的有源像素301的示意圖。有源像素301在許多方面與圖1中所示的相似。但是，有源像素301中使用了耗盡型的傳輸門305。耗盡型的傳輸門305(假設(shè)是NMOS晶體管)通常由在其柵極中植入N-型摻雜物而形成。植入的N-型摻雜物如圖3中附圖標(biāo)記401所示。
因?yàn)槭褂煤谋M型傳輸門305，傳輸門電路即使在0電壓下也能進(jìn)行傳導(dǎo)。因此為了運(yùn)行有源像素301，在積分(光收集)期間，傳輸門305保持它的柵電壓為負(fù)壓。在一實(shí)施方案中，負(fù)壓為-Vdd。但是負(fù)壓的準(zhǔn)確度可能會變化，不過負(fù)壓的大小應(yīng)該比耗盡型傳輸門305的負(fù)閾值電壓要大。
在一實(shí)施方案中，如果耗盡型傳輸門305的閾值電壓為-0.9伏，而且單片軌(on-chip rail)電壓Vdd為1.8伏，耗盡型傳輸門305的柵極可能保持在-1.8伏和-0.9伏之間。因?yàn)槿?Vdd電壓更容易在集成電路上使用，因而，使用全-Vdd電壓變得更為方便，如通過在N-型襯底上集成一個負(fù)電荷泵。此外，在下面的具體描述中，耗盡型傳輸門305的閾值電壓設(shè)定在-Vdd附近。
因?yàn)樾枰褂秘?fù)壓，使傳輸門305周期性地處于關(guān)閉狀態(tài)，在集成電路上提供了負(fù)壓-Vdd生成器307。在像素運(yùn)行的積分期間和復(fù)位相位，負(fù)壓-Vdd生成器307的信號選擇性地施加到耗盡型傳輸門305的柵極。負(fù)壓-Vdd生成器307也被認(rèn)為是一個負(fù)電荷泵。因?yàn)樾枰?fù)電荷泵，在N-型襯底上更容易形成CMOS圖像傳感器。
在耗盡型傳輸門305的正常運(yùn)行期間，它的柵極在-Vdd和Vdd之間變化。它是圖1中現(xiàn)有技術(shù)傳輸門105的電壓變化的兩倍，圖1中傳輸門為增強(qiáng)型的傳輸門105?？梢钥吹?，在保持低壓運(yùn)行的情況下，仍有電壓變化。
與增強(qiáng)型的傳輸門相比，使用耗盡型的傳輸門305，具有相對大的電壓變化，這是其優(yōu)勢。首先，大的電壓變化使銷接光電二極管103更容易在復(fù)位狀態(tài)處于耗盡狀態(tài)。第二，使用耗盡型的傳輸門305可在傳輸門305附近表面累集空穴，從而減少漏電流。
上述的有源像素可用于CMOS圖像傳感器1101的傳感器陣列。圖5是本發(fā)明所形成的CMOS圖像傳感器。CMOS圖像傳感器包括傳感器陣列1103、處理電路1105、輸入/輸出(I/O)1107、存儲器1109和總線1111。優(yōu)選地，這些元件的每一個都是在單個的N-型半導(dǎo)體硅襯底上形成的，而且通過標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝集成在單個的芯片上。
例如，除了像素由這里描述的有源像素代替以外，傳感器陣列1103可能與本發(fā)明的申請人(加州，Sunnyvale，OmniVisionTechnologies，Inc.)制造的圖像傳感器陣列相似，如其模型OV7630、OV7920、OV7930、OV9620、OV9630、OV6910或OV7640。此外，與現(xiàn)有技術(shù)的圖像傳感器不同，本發(fā)明中CMOS圖像傳感器是在N-型半導(dǎo)體襯底上形成的。
更具體地說，傳感器陣列1103包括多個排列成二維空間陣列的單個像素。在運(yùn)行過程中，當(dāng)圖像被聚焦在傳感器陣列1103時(shí)，傳感器陣列1103可收集原始的圖像數(shù)據(jù)。
處理電路1105通過總線1111接受原始圖像數(shù)據(jù)，并開始信號處理。處理電路1105能執(zhí)行一系列的預(yù)設(shè)定的程序指令(可存儲在存儲器1107中)，這些指令對于實(shí)現(xiàn)集成電路110的作用是必需的。處理電路1105可能是一個常規(guī)微處理器、DSP、FPGA或神經(jīng)元電路。
盡管在此描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，但可以注意到，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，本發(fā)明可以有諸多變化。
除了采用上述的四晶體管有源像素傳感器外，同樣也可使用其他的一些有源像素傳感器的設(shè)計(jì)，如二晶體管、四晶體管或者對數(shù)標(biāo)度(log scale)。像先前所提到的一樣，一些有關(guān)于其他一些實(shí)現(xiàn)方法的現(xiàn)有技術(shù)在U.S.P.5,587,596、5,926,214和5,933,190中有所描述。
本發(fā)明用一個優(yōu)選的實(shí)施方案和幾個變化的實(shí)施方案進(jìn)行了描述。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀了上述的說明書后，在沒有偏離上述基本概念的前提下，完全可以進(jìn)行一些適當(dāng)?shù)母淖儭⒏倪M(jìn)和等同物的替換。因此，本申請授權(quán)后的保護(hù)范圍只由其權(quán)利要求書和其等同物所限定，而不受此處具體實(shí)施方案的限制。
權(quán)利要求
1.一種像素傳感器單元，其包括在P阱中形成的銷接光電二極管，該P(yáng)阱又是在N-型半導(dǎo)體襯底上形成的；設(shè)置在該銷接光電二極管和輸出節(jié)點(diǎn)之間的傳輸晶體管；通過高電壓軌Vdd和該輸出節(jié)點(diǎn)耦合的復(fù)位晶體管；以及輸出晶體管，該輸出晶體管的柵極耦合到該輸出節(jié)點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求1中所述的像素傳感器單元，其中，所述的傳輸晶體管是一個耗盡型的MOSFET。
3.如權(quán)利要求1中所述的像素傳感器單元，其中，所述的輸出節(jié)點(diǎn)是所述傳輸晶體管的源極，所述銷接光電二極管是所述傳輸晶體管的漏極。
4.如權(quán)利要求2中所述的像素傳感器單元，其還進(jìn)一步包括負(fù)電壓產(chǎn)生器，該負(fù)電壓產(chǎn)生器產(chǎn)生一個足以關(guān)閉所述耗盡型傳輸晶體管的負(fù)電壓。
5.如權(quán)利要求2中所述的像素傳感器單元，其中，所述的耗盡型傳輸晶體管的閾值電壓接近Vdd。
6.如權(quán)利要求2中所述的像素傳感器單元，其中，所述的耗盡型傳輸晶體管的閾值電壓基本上為-0.9伏或者更低。
7.一種CMOS圖像傳感器，其包括多個排列成行和列的有源像素，該有源像素形成在N-型半導(dǎo)體襯底中，而且至少一個所述的有源像素包括(a)銷接光電二極管；(b)設(shè)置在該銷接光電二極管和輸出節(jié)點(diǎn)間的傳輸晶體管，該傳輸晶體管是耗盡型的MOSFET；(c)通過高壓軌Vdd和該輸出節(jié)點(diǎn)耦合的復(fù)位晶體管；以及(d)輸出晶體管，該輸出晶體管的柵極耦合到該輸出節(jié)點(diǎn)；用來產(chǎn)生負(fù)電壓的負(fù)電荷泵，該負(fù)電荷泵是在所述的N-型半導(dǎo)體襯底中形成的；用來接收所述有源像素的輸出的處理電路，該處理電路是在所述N-型半導(dǎo)體襯底中形成的；以及在所述N-型半導(dǎo)體襯底中形成的I/O電路，該I/O電路用來輸出所述的CMOS圖像傳感器的有源像素的輸出。
8.如權(quán)利要求7中所述的圖像傳感器，其中，所述的輸出節(jié)點(diǎn)是所述傳輸晶體管的源極，所述的銷接光電二極管是所述傳輸晶體管的漏極。
9.如權(quán)利要求7中所述的圖像傳感器，其中，所述的耗盡型傳輸晶體管的閾值電壓接近Vdd。
10.如權(quán)利要求7中所述的圖像傳感器，其中，所述的耗盡型傳輸晶體管的閾值電壓基本上為-0.9伏或者更低。
11.一種CMOS圖像傳感器，其包括多個排列成行和列的有源像素，該有源像素形成在N-型半導(dǎo)體襯底中，而且至少一個所述的有源像素包括(a)銷接光電二極管；(b)設(shè)置在該銷接光電二極管和輸出節(jié)點(diǎn)間的傳輸晶體管；(c)通過高壓軌Vdd和該輸出節(jié)點(diǎn)耦合的復(fù)位晶體管；以及(d)輸出晶體管，該輸出晶體管的柵極耦合到該輸出節(jié)點(diǎn)；用來產(chǎn)生負(fù)電壓的負(fù)電荷泵，該負(fù)電荷泵是在所述的N-型半導(dǎo)體襯底中形成的；用來接收所述有源像素的輸出的處理電路，該處理電路是在所述N-型半導(dǎo)體襯底中形成的；以及在所述N-型半導(dǎo)體襯底中形成的I/O電路，該I/O電路用來輸出所述的CMOS圖像傳感器的有源像素的輸出。
12.如權(quán)利要求11的中所述的圖像傳感器，其中，所述的傳輸晶體管是一個耗盡型的MOSFET。
13.如權(quán)利要求11的中所述的圖像傳感器，其中，所述的輸出節(jié)點(diǎn)是所述傳輸晶體管的源極，所述的銷接光電二極管是所述傳輸晶體管的漏極。
14.如權(quán)利要求12的中所述的圖像傳感器，其中，所述的耗盡型傳輸晶體管的閾值電壓接近Vdd。
15.如權(quán)利要求12的中所述的圖像傳感器，其中，所述的耗盡型傳輸晶體管的閾值電壓基本上為-0.9伏或者更低。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于CMOS圖像傳感器的像素傳感器單元。該單元包括一個在P阱中形成的銷接光電二極管，而該P(yáng)阱又是在N－型半導(dǎo)體襯底中形成的。在該銷接光電二極管和輸出節(jié)點(diǎn)間設(shè)置一個傳輸晶體管。復(fù)位晶體管則用來耦合高壓軌V
文檔編號H01L27/148GK1652344SQ20051005230
公開日2005年8月10日 申請日期2005年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月4日
發(fā)明者真鍋素平, 野崎英駿 申請人:豪威科技有限公司