專利名稱：Cmos圖像傳感器的制作方法
CMOS圖像傳感器
背景技術(shù)：
一般而言，圖像傳感器是將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的半導(dǎo)體裝置。圖 像傳感器可被分類成電荷耦合器件(CCD )圖像傳感器和CMOS圖像傳感器 在電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器中，各個(gè)金屬氧化物硅(MOS)電容器 被彼此緊密地放置使得電荷載體被存儲(chǔ)在電容器中或從電容器排出；CMOS 圖像傳感器采用開關(guān)模式(switching mode)通過向各像素提供預(yù)定數(shù)量 的MOS晶體管來順序檢測(cè)像素輸出，該CMOS圖像傳感器使用CMOS技術(shù) 以及使用如控制電路和信號(hào)處理電路的外圍裝置來制造。將有關(guān)對(duì)象的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的CMOS圖〗象傳感器包括信號(hào)處理芯 片，該信號(hào)處理芯片在一個(gè)芯片上具有光電二極管、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、 內(nèi)部電壓發(fā)生器、定時(shí)發(fā)生器以及數(shù)字邏輯。因此，該CMOS圖像傳感器 在空間、功率以及成本降低方面特別有優(yōu)勢(shì)。CCD是通過專門的處理來制 造的。然而，該CM0S圖像傳感器通it^廉價(jià)的硅片上使用CM0S處理可被 大量制造，并且在集成度方面有優(yōu)勢(shì)。在CMOS圖像傳感器中，光通過存儲(chǔ)在光電二統(tǒng)管中的電荷被轉(zhuǎn)換成 電信號(hào)。當(dāng)由于黑暗入射光量不足時(shí)，減少的電荷量被存儲(chǔ)在光電二極管 中，所以輸出信號(hào)可能不能從噪聲中辨別出。

發(fā)明內(nèi)容
示例性CM0S圖像傳感器可包括在半導(dǎo)體襯底上的光電二極管；包括 連接到光電二級(jí)管的柵極、第一接地電極以及連接到電流檢測(cè)器的第二電 極的驅(qū)動(dòng)晶體管；連接在光電二統(tǒng)管和柵極之間的轉(zhuǎn)移晶體管，被配置成 將在光電二極管中生成的電壓或電荷施加到柵極；在第二電極和電流檢測(cè) 器之間的可選的選擇晶體管；以及連接到電力線的被配置成復(fù)位光電二極 管的可選的復(fù)位晶體管。


圖1是示出具有四個(gè)晶體管的電壓檢測(cè)型CMOS圖像傳感器的單元像 素的電路圖；以及圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電$; 測(cè)型CMOS圖像傳感器的單元 像素的等效電路圖。圖3是CMOS圖像傳感器的部分電路的示意圖。圖4是CMOS圖像傳感器的部分電路的示意圖。
具體實(shí)施方式
圖1是示出根據(jù)實(shí)施例的具有四個(gè)晶體管的電壓檢測(cè)型CMOS圖像傳 感器的單元像素的電路圖。如圖1所示，電壓檢測(cè)型CMOS圖像傳感器包括光電檢測(cè)器100、轉(zhuǎn) 移晶體管101、復(fù)位晶體管103、驅(qū)動(dòng)晶體管104以及選擇晶體管105。 光電檢測(cè)器100包括從光能(例如，光)生成電荷的光電二極管，且轉(zhuǎn)移 晶體管Tx 101在其^t極接收使能或讀信號(hào)并且當(dāng)該使能或讀信號(hào)有效時(shí)， 將在光電檢測(cè)器100中收集的電荷運(yùn)送到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD 102。復(fù)位晶體 管103通過在其柵極接收復(fù)位信號(hào)、設(shè)置FD區(qū)102的電壓到期望的電平 (例如，VDD)以及排出FD區(qū)102的電荷來復(fù)位FD區(qū)102。驅(qū)動(dòng)晶體管 104在其初t極接收FD區(qū)102的電壓，并因此用作源極跟隨器(以及可選 地，緩沖放大器)，且選擇晶體管105響應(yīng)尋址函數(shù)(其可在CMOS圖像傳 感器的其它地方生成和/或執(zhí)行)輸出來自驅(qū)動(dòng)晶體管Dxl04的電壓。當(dāng)要被讀取的單元像素的選擇晶體管105和轉(zhuǎn)移晶體管101接通時(shí)， 電壓檢測(cè)型CMOS圖像傳感器可讀取光電檢測(cè)器100的電壓。在這種狀態(tài) 下，當(dāng)復(fù)位晶體管103接通時(shí)，光電檢測(cè)器100的電壓被初始化。然后， 如^光電檢測(cè)器100的電壓減去該初始化的電壓(或從初始化的電壓減 去光電檢測(cè)器100的電壓)，作為結(jié)果的值變?yōu)榕c上次復(fù)位后在光電檢測(cè) 器100中累積的光量成比例的電壓值。這種讀取和比較復(fù)位前和復(fù)位后的 電壓的方案可有效消除在圖像傳感器的單元像素中由裝置變化所引起的 不利影響。由于驅(qū)動(dòng)晶體管104用作源極跟隨器，該驅(qū)動(dòng)晶體管104的漏極電壓 隨光電檢測(cè)器100的輸出電壓增加而增加(或隨光電檢測(cè)器100的電荷量 的減少而減少)。因?yàn)樵擈?qū)動(dòng)晶體管104的本體(body)被固定到地GND， 體效應(yīng)隨該驅(qū)動(dòng)晶體管104的源電壓增加而增加，所以該驅(qū)動(dòng)晶體管104
的門限電壓增加。因此，光電檢測(cè)器IOO中的電壓變化，特別是光電檢測(cè) 器100中的小電壓可能不會(huì)被直接轉(zhuǎn)移到驅(qū)動(dòng)晶體管104的漏極。本發(fā)明的實(shí)施例可通過將光電檢測(cè)器的電壓轉(zhuǎn)換成電流并輸出該電 流來提供具有改進(jìn)的靈敏度的CMOS圖像傳感器。在下文中，將結(jié)合附圖詳細(xì)說明根據(jù)其它實(shí)施例的CMOS圖像傳感器。圖2是示出根據(jù)其它實(shí)施例的電流檢測(cè)型CMOS圖像傳感器的單元像 素的等效電路圖。如圖2所示，該電流檢測(cè)型CMOS圖像傳感器包括光電檢測(cè)器200、 轉(zhuǎn)移晶體管201、復(fù)位晶體管203、驅(qū)動(dòng)晶體管204、以;5Ut擇晶體管205。 該光電檢測(cè)器200包括由光能生成電荷的光電二極管，且轉(zhuǎn)移晶體管201 在其柵極接收信號(hào)并將在光電檢測(cè)器200中收集的電荷轉(zhuǎn)移到FD區(qū)202。 復(fù)位晶體管203通過在其柵極接收復(fù)位信號(hào)、設(shè)置FD區(qū)202的電壓到期 望的電平(例如，VDD或地)以及排出FD區(qū)202的電荷來復(fù)位FD區(qū)202。 可替選地，復(fù)位晶體管203的與FD區(qū)202相對(duì)的端子可被耦合到不同的 功率軌(power rail)(例如，VCC)或基準(zhǔn)電壓，諸如VCC/2 (使驅(qū)動(dòng)晶 體管204處于相對(duì)線性響應(yīng)范圍的電壓)。驅(qū)動(dòng)晶體管204在其柵極從FD 區(qū)202接收信號(hào)并用作源極跟隨器(以及可選地，緩沖放大器)，且選擇 晶體管205響應(yīng)尋址函數(shù)(其可在CMOS圖像傳感器的其它地方生成和/ 或^C行)輸出來自驅(qū)動(dòng)晶體管Dx 204的電壓。為了提高CMOS圖像傳感器的靈敏度，驅(qū)動(dòng)晶體管204的源極接地， 且電流檢測(cè)器206連接到驅(qū)動(dòng)晶體管204的漏極以測(cè)量單元像素的電流輸 出，使得當(dāng)讀取光電檢測(cè)器200的輸出電壓時(shí)可減少、避免或防止體效應(yīng)。由于CMOS圖像傳感器具有上述結(jié)構(gòu)，來自單元像素的輸出信號(hào)以電 流形式，而不是電壓的形式發(fā)送。因此，與輸出信號(hào)是電壓的形式的情況 相比，該輸出信號(hào)相對(duì)于芯片中的噪聲具有強(qiáng)的特性，所以該輸出信號(hào)可 在放大器中以高比率放大，從而可相對(duì)容易地檢測(cè)存儲(chǔ)在光電檢測(cè)器200 中(甚至在低電平情況下)的光電荷的微小的差別。此外，因?yàn)榕c以電壓的形式讀取輸出信號(hào)的情況相比，在電流檢測(cè)的 情況下，通過加或減預(yù)定的值容易實(shí)現(xiàn)DC電平調(diào)整，所以可容易地實(shí)現(xiàn) 模擬電路設(shè)計(jì)。例如，該電流檢測(cè)器可以是傳統(tǒng)模擬或數(shù)字電流檢測(cè)器(在 后者情況，該檢測(cè)器還可包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器[ADC])。在上述驅(qū)動(dòng)晶體管204的情況下，與柵極電壓的平方成比例的電流流
過在飽和狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)晶體管204，因此在黑暗的狀態(tài)下(例如，在光電檢 測(cè)器200的高壓狀態(tài))可容易讀取微小的值。才艮據(jù)相關(guān)的電壓檢測(cè)型CMOS圖像傳感器，由于恒定電流在驅(qū)動(dòng)晶體 管204的源極中流動(dòng)，光電檢測(cè)器200的電壓必須高于該驅(qū)動(dòng)晶體管204 的門限電壓以確保電流源(current source)的操作。然而，根據(jù)電流檢 測(cè)型CMOS圖像傳感器(例如，如圖2所示)，由于即使當(dāng)驅(qū)動(dòng)晶體管204 的4t極電壓低于該驅(qū)動(dòng)晶體管204的門限電壓時(shí)仍然有漏極電流流過，光 電檢測(cè)器200的輸出值可被讀取。結(jié)果，基本上光電檢測(cè)器200的所有輸 出電壓可被讀取，并且像素的噪聲門限比電壓檢測(cè)型圖像傳感器小得多。為了將輸出值從電流轉(zhuǎn)換成電壓，如圖3所示，CMOS圖像傳感器可 包括電流-電壓轉(zhuǎn)換器208以及用于輸出檢測(cè)電壓(例如，作為單比特或 多比特?cái)?shù)字信號(hào))的電壓檢測(cè)器210。在可替代實(shí)施例中，傳統(tǒng)的#轉(zhuǎn) 換器可代替輸出框206'(參見圖3)。如圖4所述，具有(例如，與驅(qū)動(dòng)晶 體管204 )相同的電流-電壓特性的MOSFET以二極管(例如，其柵極與 漏^目連的晶體管208')的形式構(gòu)造，并且電流Vout被提供給二極管208'， 使得可(例如，在電壓檢測(cè)器210中)獲得該光電檢測(cè)器的電壓。還可通 過CMOS圖像傳感器中的信號(hào)處理邏輯對(duì)電壓檢測(cè)器210的輸出進(jìn)行處理 以生成圖傳Jt據(jù)文件，用于隨后在圖像查看終端(例如，計(jì)算機(jī)監(jiān)視器、 便攜式電話或PDA顯示屏、機(jī)動(dòng)車輛中的查看屏等)上顯示。當(dāng)要讀取的單元像素的選擇晶體管205和轉(zhuǎn)移晶體管201接通時(shí)，該 電流-電壓檢測(cè)型CMOS圖像傳感器可讀取光電檢測(cè)器200的輸出。在這 種狀態(tài)，當(dāng)復(fù)位晶體管203接通時(shí)，該光電檢測(cè)器200的輸出被初始化。 然后，如果從光電檢測(cè)器200的電壓減去該初始化的電壓(或反過來，這 取決于在復(fù)位晶體管203的漏極的電壓)，作為結(jié)果的值變成與上次復(fù)位 后在光電檢測(cè)器200所累積的光量成比例的電壓。讀取并比較復(fù)位前和復(fù)位后的輸出信號(hào)，使得可有效消除在單元像素 中的由裝置變化所引起的不利影響。也就是說，才艮據(jù)該電流-電壓檢測(cè)型 CMOS圖像傳感器，光電檢測(cè)器200的輸出可被無衰減地讀取，并以電流 的形式發(fā)送，因此該輸出信號(hào)相對(duì)于芯片中的噪聲具有強(qiáng)的特性。此外，由于噪聲分量相對(duì)小，當(dāng)輸出信號(hào)小時(shí)，可以以高比率放大該 輸出信號(hào)。另外，由于該輸出信號(hào)以電流的形式發(fā)送，隨后級(jí)的模擬電路 設(shè)計(jì)相對(duì)容易。
此外，基本上光電檢測(cè)器200的所有值都可無衰減地發(fā)送，并且在低 亮度時(shí)可精確讀取光電檢測(cè)器200的輸出。本發(fā)明的實(shí)施例可具有以下優(yōu)點(diǎn)。第一，該CMOS圖《象傳感器可無衰 減地讀取光電檢測(cè)器的輸出，且以電流的形式發(fā)送該光電檢測(cè)器的輸出， 因此該輸出信號(hào)相對(duì)于芯片中的噪聲具有強(qiáng)的特性。此外，由于噪聲分量 相對(duì)小，當(dāng)該輸出信號(hào)小時(shí)，可以以高比率放大該輸出信號(hào)。另外，由于 該輸出信號(hào)以電流的形式發(fā)送，隨后級(jí)的模擬電路設(shè)計(jì)相對(duì)容易。第二，基本上該光電檢測(cè)器的所有值都能無明顯衰減地發(fā)送，并且在 低亮度時(shí)可精確讀取該光電檢測(cè)器的輸出。第三，該CM0S圖像傳感器以電流的形式輸出光電檢測(cè)器電荷，從而 改進(jìn)了該傳感器的靈敏度及其動(dòng)態(tài)范圍。在該說明書中任何提及"一個(gè)實(shí)施例"、"實(shí)施例"、"示例性實(shí)施例" 等意味著結(jié)合該實(shí)施例說明的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在本發(fā)明的至少 一個(gè)實(shí)施例中。這些短語在該"^兌明書中的不同地方的出現(xiàn)不一定都指同一 個(gè)實(shí)施例。此外，當(dāng)結(jié)合任何實(shí)施例對(duì)特定特征、結(jié)構(gòu)或特性進(jìn)^i兌明時(shí)， 認(rèn)為結(jié)合其它實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)該特征、結(jié)構(gòu)或特性在本領(lǐng)域技術(shù)人員的范圍 內(nèi)。雖然參照其許多示例性實(shí)施例i兌明了實(shí)施例，但是應(yīng)理解本領(lǐng)域技術(shù) 人員可設(shè)計(jì)落入說明書的原理的精神及范圍內(nèi)的許多其它修改和實(shí)施例。 更特別地，在說明書、附圖及所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)可對(duì)部件和/或?qū)ο?組合排列的布置進(jìn)行變形以及修改。除了對(duì)組件和/或配置的變形以及修 改之外，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說替選使用也是清楚的。
權(quán)利要求
1.一種CMOS圖像傳感器，包括在半導(dǎo)體襯底上的光電二極管；驅(qū)動(dòng)晶體管，包括連接到所述光電二極管的輸出的柵極，第一接地電極，以及連接到電流檢測(cè)器的第二電極；以及在所述光電二極管和所述柵極之間的轉(zhuǎn)移晶體管，將在所述光電二極管中生成的電壓或電荷施加到所述柵極。
2. 如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，還包括在所述第二電極和 所述電流檢測(cè)器之間的選擇晶體管。
3. 如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，還包括復(fù)位晶體管，其連 接到電力線并被配置成復(fù)位所述光電二極管。
4. 如權(quán)利要求2所述的CMOS圖像傳感器，還包括復(fù)位晶體管，其連 接到電力線并被配置成復(fù)位所述光電二極管。
5. 如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述光電二極管的輸 出是浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。
6. 如權(quán)利要求5所述的CMOS圖像傳感器，還包括復(fù)位晶體管，其連 接到功率軌并被配置成復(fù)位所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。
7. 如權(quán)利要求5所述的CMOS圖像傳感器，其中所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)也是 在所述轉(zhuǎn)移晶體管的輸出與所述柵極之間的節(jié)點(diǎn)。
8. 如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述驅(qū)動(dòng)晶體管的第 二電極連接到二極管。
9. 如權(quán)利要求8所述的CMOS圖像傳感器，其中所述二極管包括晶體 管，在該晶體管中柵極與漏^U目互連接。
10. 如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述光電二極管的 輸出通過所述驅(qū)動(dòng)晶體管被轉(zhuǎn)換成電流。
11. 如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中當(dāng)所述驅(qū)動(dòng)晶體管 的柵極電壓小于所述驅(qū)動(dòng)晶體管的門限電壓時(shí)，漏極電流流動(dòng)。
12. 如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中與柵極電壓的平方 成比例的電流在飽和狀態(tài)的所述驅(qū)動(dòng)晶體管中流動(dòng)。
13. 如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述轉(zhuǎn)移晶體管將 來自所述光電二極管的電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。
14. 如權(quán)利要求13所述的CMOS圖像傳感器，其中所述復(fù)位晶體管通 過排出來自所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的電荷來復(fù)位所述光電二極管。
15. 如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述驅(qū)動(dòng)晶體管用 作源極跟隨器。
16. 如權(quán)利要求15所述的CMOS圖像傳感器，其中所述驅(qū)動(dòng)晶體管還 用作緩沖放大器。
17. 如權(quán)利要求8所述的CMOS圖像傳感器，其中所述二極管將所述 驅(qū)動(dòng)晶體管的輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施例涉及CMOS圖像傳感器。詳細(xì)地，CMOS圖像傳感器可具有改進(jìn)的靈敏度。該CMOS圖像傳感器包括在半導(dǎo)體襯底上的光電二極管，包括連接到光電二極管的柵極、第一接地電極以及連接到電流檢測(cè)器的第二電極的驅(qū)動(dòng)晶體管，連接在光電二極管和柵極之間以將光電二極管中生成的電壓或電荷施加到柵極的轉(zhuǎn)移晶體管，在第二電極和電流檢測(cè)器之間的可選的選擇晶體管，以及連接到電力線的、被配置成復(fù)位光電二極管的可選的復(fù)位晶體管。因此，該CMOS圖像傳感器可無實(shí)質(zhì)性衰減地讀取光電檢測(cè)器的輸出。
文檔編號(hào)H01L27/146GK101212580SQ200710161098
公開日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2007年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日
發(fā)明者張炳琸 申請(qǐng)人:東部高科股份有限公司