具有不對稱柵極的提供雙向電荷轉(zhuǎn)移的矩陣圖像傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種圖像傳感器，尤其是時間延遲和累積(TDI)傳感器。根據(jù)本發(fā)明，該傳感器包括成行的光電二極管，成行的光電二極管與鄰近光電二極管的成行的柵極交替。柵極是不對稱的，在一側(cè)鄰近光電二極管并且在另一側(cè)包括向另一個光電二極管延伸的窄柵極突指(20)。由于其非常窄的寬度，突指賦予電荷的轉(zhuǎn)移方向性。在兩個連續(xù)的光電二極管(PH1i、PH2i)之間有兩個柵極(G2Bi、G2Ai)，兩個柵極鄰近兩個光電二極管，第一柵極的窄突指向第一光電二極管伸出，第二柵極的窄突指向第二光電二極管伸出?？梢酝ㄟ^中性化第一柵極或第二柵極而在傳感器中選擇電荷轉(zhuǎn)移的方向，另一個柵極接收使得電荷能夠從一個光電二極管向另一個轉(zhuǎn)移的交替電勢。
【專利說明】具有不對稱柵極的提供雙向電荷轉(zhuǎn)移的矩陣圖像傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像傳感器，尤其是基于時間延遲并且累積的傳感器(或者TDI傳感器:時間延遲累積線性傳感器)，其中正在觀察的景象的點的線的圖像通過連續(xù)圖像的累加而得到重構(gòu)，其中隨著景象垂直于數(shù)個感光行地逐步經(jīng)過傳感器的前方，所述連續(xù)圖像由連續(xù)觀察景象的相同的線的數(shù)個感光行獲取。

【背景技術(shù)】
[0002]這些傳感器用于例如通過衛(wèi)星觀察地球的系統(tǒng)。其包括數(shù)個平行的感光像素行；對于各個行的控制電路的序列(曝光時間控制然后光生電荷的讀取)對于景象與傳感器的相對前進而同步，使得傳感器的全部的行見到正在觀察的景象的單一的線。接下來，所產(chǎn)生的信號對于正在觀察的線的每個點而得到逐點累加。
[0003]理論信號/噪聲比通過傳感器的行的數(shù)量N的平方根的比得到改進。依據(jù)應(yīng)用(工業(yè)測試、地球觀察、全景牙科X光或者乳房攝影術(shù))，該數(shù)量可以為從幾行到約幾百行。
[0004]另外，相同的行條的像素的靈敏度的不一致性以及像素的暗電流的不一致性由于平均而得到減小，該平均由來自各個行的信號的累加造成。
[0005]在使用電荷轉(zhuǎn)移的圖像傳感器(電荷耦合設(shè)備或CCD傳感器)中，通過將在之前像素行中所產(chǎn)生和積累的電荷清空至一個像素行(與景象和傳感器的相對位移同步)，信號的逐點累加自然發(fā)生并且沒有讀取噪聲。像素的最后的行(具有N次積累的由正在觀察的圖像線所產(chǎn)生的電荷)可以被讀取。
[0006]CCD圖像傳感器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)使用高電源電壓并且消耗大量的電能；該技術(shù)基于使用鄰近并且互相重疊的多晶硅柵極。
[0007]圖像傳感器的技術(shù)接下來向著使用晶體管的具有有源像素的傳感器演進，為簡單起見該傳感器在下文中將被稱為CMOS傳感器，因為其一般是使用CMOS (互補金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)制造的；在這些CMOS傳感器中，不再存在電荷向著讀取電路或寄存器從行到行的轉(zhuǎn)移，但是存在具有晶體管的有源像素，該晶體管收集光生電荷并且將光生電荷直接轉(zhuǎn)化為電壓或電流的。因此，傳感器的各個行連續(xù)提供表示由行所接收的照度的電壓或電流。這些結(jié)構(gòu)不能夠使得這些電流或電壓的求和無噪聲地進行；因此，難以生產(chǎn)時間延遲電荷累積線性傳感器。然而該制造技術(shù)是簡單的，其具有低功耗而且其在低電壓下工作。
[0008]然而，已經(jīng)做出了制造CMOS時間延遲電荷累積線性傳感器的嘗試。
[0009]具體而言，已經(jīng)嘗試了使用開關(guān)電容器，其中連續(xù)接收的電流得到累積，從而將從在列中的數(shù)個像素接收的電荷積累到相同的電容器上(US6906749、W00126382)。
[0010]另一個提供的解決方案是將來自像素行的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字值，以便在標(biāo)號j的積累寄存器中將對應(yīng)于行的標(biāo)號j的像素的數(shù)字值求和，其中標(biāo)號j的積累寄存器從N個連續(xù)的行中積累對應(yīng)于相同標(biāo)號j的像素的數(shù)字值(專利FR2906080)。
[0011]還已經(jīng)提供了使用電荷在像素的內(nèi)部的積累的解決方案，例如在專利公布US2008/0217661中。其使用比對于在CMOS技術(shù)中的制造圖像傳感器來說嚴(yán)格必需的技術(shù)更復(fù)雜的技術(shù)，或者其在電荷的轉(zhuǎn)移期間遭受損失。
[0012]在專利公布FR2960341中，所提供的傳感器使用具有多晶硅的單一柵極水平的CMOS技術(shù)、使用柵極與光電二極管的交替。該結(jié)構(gòu)依賴柵極的不對稱性，以便施加對于全部電荷共同的轉(zhuǎn)移方向，從而避免電荷在一個方向上或在相反的方向上隨機移動。由于該故意的不對稱性，其不能夠?qū)㈦姾赊D(zhuǎn)移方向選擇為與不對稱性所施加的方向相對的方向。然而，在一些應(yīng)用中，使用者會希望能夠反轉(zhuǎn)電荷積累的方向。例如在TDI模式下的掃描操作就是這種情況，其需要在掃描的兩個相對方向上都能夠工作而不反轉(zhuǎn)傳感器相對于圖像的朝向。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的是提供一種生產(chǎn)根據(jù)使用電荷轉(zhuǎn)移的結(jié)構(gòu)原理進行操作的傳感器的簡單解決方案，其使用與CMOS技術(shù)電路相容的技術(shù)(尤其是僅使用多晶硅的單一柵極水平以用于存儲或電荷轉(zhuǎn)移柵極的技術(shù))，然而其能夠選擇電荷轉(zhuǎn)移的方向。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種使用電荷轉(zhuǎn)移的圖像傳感器，該傳感器包括成行的光電二極管，成行的光電二極管與鄰近于光電二極管的成行的柵極交替，柵極覆蓋第一導(dǎo)電類型的有源層區(qū)域，光電二極管通過第二導(dǎo)電類型的個體區(qū)域形成在有源層中，所述光電二極管自身由連接至用于有源層的參考電勢的第一類型的個體表面區(qū)域覆蓋，柵極是不對稱的，在一側(cè)鄰近光電二極管并且在另一側(cè)具有向另一個光電二極管延伸的窄柵極突指，窄突指通過第一導(dǎo)電類型摻雜的絕緣區(qū)域彼此分開，絕緣區(qū)域比表面區(qū)域更多地摻雜并且也連接至有源層的參考電勢，該傳感器的特征在于，所述傳感器包括至少兩個獨立的柵極，兩個獨立的柵極鄰近屬于第一光電二極管行的第一光電二極管并且鄰近屬于第二光電二極管行的第二光電二極管，兩個柵極中的第一窄突指向第一光電二極管延伸，第二柵極的窄突指向第二光電二極管延伸，兩個柵極是能夠彼此分開地控制的。
[0015]術(shù)語“不對稱”柵極理解為，在上游側(cè)(接受電荷的側(cè))與下游側(cè)(供應(yīng)電荷的側(cè))之間存在不對稱性?？梢源嬖陉P(guān)于平行于電荷位移方向的軸的對稱。
[0016]突指足夠窄，使得在這些突指下面的有源層的電勢被在突指的任意一側(cè)的摻雜絕緣區(qū)域的存在所影響，其方式使得，盡管向突指和柵極的主體施加了相同的電勢，但是在突指下面的電勢低于在柵極的主體下面的電勢。
[0017]較低的電勢理解為，在突指下面的有源層內(nèi)生成了對于主體下面的電勢的勢壘。由較低電勢生成的勢阱的概念涉及所存儲的電荷是電子的事實。為簡單起見(并且因為實踐中一般如此)，實際上將假設(shè)有源層是P型的，光生電荷是電子而不是空穴，并因此，對于電子來說較低電勢構(gòu)成對于較高電勢的勢阱。
[0018]下面的部分中，將考慮傳感器使用P型有源層制造，光電二極管在η型的個體區(qū)域中存儲電子，分開窄突指的表面區(qū)域和摻雜區(qū)域是P型。
[0019]在時間中的給定時刻在施加了低電勢的給定柵極，存在的電荷不能向位于上游的光電二極管流動，上游側(cè)是柵極包括突指的側(cè)；實際上，這些電子由于絕緣區(qū)域的存在而不能在柵極的突指之間流動，還由于由這些區(qū)域在突指下面引起的電勢而不能在這些突指下面流動；電子只能通過不包括任何突指的柵極的側(cè)向存儲柵極的下游的光電二極管流動；在該側(cè)，柵極直接鄰近下游光電二極管的表面P區(qū)域。相反，當(dāng)向其施加高電勢時，柵極通過端部直接鄰近光電二極管的突指可以接收來自位于緊鄰上游的光電二極管的電荷。上游側(cè)和下游側(cè)對于第一柵極和第二柵極反轉(zhuǎn)。
[0020]該傳感器優(yōu)選包括用于向第一柵極施加使得電荷能夠在第一柵極下面存儲和轉(zhuǎn)移的電勢序列，同時在一個電荷累積周期期間保持第二柵極的電勢為固定值，防止電荷在第二柵極下面存儲和轉(zhuǎn)移的裝置，還包括用于反轉(zhuǎn)第一和第二柵極的作用的裝置，換句話說，向第二柵極施加電勢序列同時維持第一柵極的電勢為固定值的裝置。
[0021 ] 傳感器可以根據(jù)兩個主要模式操作。
[0022]在第一模式，在累積周期期間，柵極(而不是光電二極管)用于存儲電荷。在以兩個階段轉(zhuǎn)移電荷的情況下，在一個累積半周期期間在像素列的方向(即電荷轉(zhuǎn)移的方向)上的每隔一個的柵極則保持處于高電勢，另一個柵極保持處于低電勢；然后在第二累積半周期期間作用反轉(zhuǎn)。然而，僅窄突指向上游方向伸出的柵極服從此序列。窄突指向下游方向伸出的柵極保持低電勢，防止其接收電荷或允許電荷經(jīng)過。
[0023]在第二實施方式中，在累積周期期間使用光電二極管存儲電荷；在累積周期期間柵極保持低電勢并且不能存儲電荷或允許電荷經(jīng)過。在每個累積半周期的結(jié)束時(在以兩個階段轉(zhuǎn)移電荷的情況下)，存儲在光電二極管中的電荷通過施加到特定柵極行的短正脈沖得到轉(zhuǎn)移。該脈沖施加到列方向(電荷轉(zhuǎn)移方向)上的每隔一個的柵極，并且柵極的作用在每個累積半周期反轉(zhuǎn)。然而，再次，僅窄突指向上游方向伸出的柵極接收此電勢序列。窄突指向下游方向伸出的柵極保持低電勢，防止其接收電荷或允許電荷經(jīng)過。
[0024]兩個不對稱柵極優(yōu)選在行方向上并排放置，其方式使得光電二極管在該方向上在兩個柵極的整個長度上延伸。
[0025]第二柵極可以分為兩個部分，該兩個部分在幾何上在第一柵極的兩側(cè)放置，并且電連接在一起以便同時受到控制。
[0026]或者，也可以設(shè)置為，兩個柵極中的每一個分為至少兩個部分，該至少兩個部分與另一個柵極的各部分交替，每個部分包括至少一個窄突指并且相同的柵極各部分電連接在一起。
[0027]優(yōu)選地，鄰近柵極行的光電二極管行的光電二極管的表面面積大于鄰近光電二極管的該行的兩個柵極的表面面積。在該情況下，光電二極管在累積周期期間存儲電荷，而且在柵極下面的存儲僅在施加到柵極的短轉(zhuǎn)移脈沖期間發(fā)生。
[0028]該傳感器可以優(yōu)選包括以每個光電二極管為中心并且將在鄰近光電二極管的柵極的部分的頂部接收的光導(dǎo)引至光電二極管的各自的矩形微透鏡(或兩個或數(shù)個方形微透鏡)。
[0029]該圖像傳感器是時間延遲電荷累積多線性傳感器(TDI傳感器)，其目的為使用由在各個行的相同標(biāo)號的像素中的圖像點產(chǎn)生的電荷的求和，通過數(shù)個像素行連續(xù)觀察相同的圖像線，在一個累積周期期間由標(biāo)號i的像素的照明產(chǎn)生的電荷加入到在該周期開始時從在前或在后標(biāo)號的像素接收的電荷。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]閱讀參考所附附圖展現(xiàn)的隨后的具體描述之后，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將變得清楚，在附圖中:
[0031]-圖1顯示使用電荷轉(zhuǎn)移的矩陣圖像傳感器的一般結(jié)構(gòu)；
[0032]-圖2以俯視圖的方式顯示根據(jù)本發(fā)明的像素列的構(gòu)成，其具有柵極與鄰近柵極的光電二極管的交替的形式；
[0033]-圖3和圖4顯示沿著圖2中的線II1-1II和IV-1V的豎直橫截面；
[0034]-圖5顯示在半導(dǎo)體中的連續(xù)電勢圖；
[0035]-圖6和圖7顯示柵極的變化實施方式；
[0036]-圖8和圖9顯示具有設(shè)置在每個光電二極管之上的微型透鏡的像素列。

【具體實施方式】
[0037]在圖1中，可以見到使用電荷轉(zhuǎn)移的圖像傳感器的一般架構(gòu)。該傳感器包括對光敏感的P個像素的N行矩陣MT。由行標(biāo)號i并且列標(biāo)號j的像素Pm的照明引起電荷在累積周期Tint期間被累積到像素中；然后這些電荷轉(zhuǎn)移到行標(biāo)號i+Ι并且相同列標(biāo)號j的下一行的像素；在列方向(圖中的豎直方向)上的鄰近像素布置為隨著電荷轉(zhuǎn)移的豎直移位寄存器。
[0038]由N個像素行見到并且積累，傳感器可以是供應(yīng)NxP個圖像點的連續(xù)圖像的矩陣傳感器，或者是供應(yīng)P個點的線圖像的多線性TDI傳感器。
[0039]在這兩種情況下，列像素相當(dāng)于豎直移位寄存器，但是僅在第二種情況下，一方面在累積周期Tint期間在該像素中電荷由光產(chǎn)生，另一方面來自在前像素的電荷在每個像素內(nèi)積累。
[0040]如果傳感器是時間延遲電荷累積線性傳感器，則包含在NxP個像素中的電荷在每個累積周期Tint之后沒有被讀取，而是與圖像在傳感器之前的逐步通過相同步地，在N個連續(xù)的累積周期期間由N個列像素讀取的電荷得到積累。在圖像對于傳感器的逐步通過的過程中，N個像素行中的每一個連續(xù)見到相同的圖像線；在標(biāo)號i的行中積累的電荷(對應(yīng)于正在觀察的圖像線)在該行的像素中加入到之前由i_l在前的行讀取的電荷，而i_l在前的行在之前的累積期間見到了相同的圖像線。在N個累積周期結(jié)束時，最后的像素行包含由見到相同的圖像線的全部的行所收集的電荷的和。該行由讀取電路CL在每個周期Tint的結(jié)束時讀取，讀取電路CL包括在每列的末尾的采樣電路，其后是一個或多個數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(使用CMOS技術(shù))。
[0041]圖2中的俯視圖顯示根據(jù)本發(fā)明的像素列的結(jié)構(gòu)。所顯示的是兩個鄰近的像素Pi,j和Pi+1,j。在電荷在兩個階段進行轉(zhuǎn)移的配置中，每個像素包括
[0042]-兩個光電二極管，
[0043]-位于兩個光電二極管之間并且鄰近兩個光電二極管的柵極，
[0044]-以及位于一個光電二極管與最接近在前或在后像素的光電二極管之間的柵極，這些柵極鄰近這兩個光電二極管。
[0045]電荷的轉(zhuǎn)移也可以在三個或者四個階段中進行，在該情況下每個像素將分別存在三個或四個光電二極管:對于每個階段，為一個光電二極管以及鄰近該光電二極管的一側(cè)的柵極。
[0046]本發(fā)明將在兩階段轉(zhuǎn)移的情況下進行更詳細的描述，而對于在三個或四個階段中的轉(zhuǎn)移原理是相同的。
[0047]在圖2所示的實例中，相應(yīng)地認為，像素Pq包括第一光電二極管PHlp第二光電二極管Pffi1、位于兩個光電二極管之間的柵極G2AjPG2Bi以及位于該像素的第一光電二極管PHli與標(biāo)號1-Ι的在前像素的第二光電二極管ΡΗ2^之間的柵極GlAi和GlBp
[0048]第二光電二極管Pffii而且鄰近兩個柵極GlAi+1和GlBi+1，柵極GlAi+1和GlBi+1組成下一個像素的一部分并且也鄰近該下一個像素的第一光電二極管PHli+1。最后，對于像素Pi+1,j，存在另一個光電二極管PH2i+1以及鄰近光電二極管PHli+1以及光電二極管PH2i+1的柵極 G2Ai+1 和 G2Bi+1。
[0049]像素矩陣從而由光電二極管的行與位于兩個光電二極管的行之間的柵極的行交替構(gòu)成。柵極鄰近兩行的光電二極管；在相同的柵極的行中，對于每個光電二極管，兩個分開的柵極(例如GlAi和GlBi)受到彼此獨立的控制。如果行包括P個像素，則每個柵極的行中有2P個柵極。
[0050]如同在圖2的俯視圖中可見的，柵極的形狀是不對稱的?？紤]例如柵極G2Bi，該柵極的一側(cè)沿著其完整長度鄰近第一光電二極管(PHli)。另一側(cè)鄰近第二光電二極管(PH2J，但是僅通過向第二光電二極管延伸的端部窄柵極突指20鄰近第二光電二極管。柵極的剩余部分通過P型高摻雜(通過命名法P+象征的強摻雜)的半導(dǎo)體區(qū)域18與第二光電二極管分開。
[0051]這里，表達法“窄突指”意味著該突指的寬度足夠小，從而在這些突指下面的半導(dǎo)體內(nèi)的電勢被區(qū)域18的電勢影響，而不僅被施加到柵極的電勢影響。在窄突指之外的在柵極下面的電勢不受區(qū)域18的電勢影響而是僅由施加到柵極的電勢限定。
[0052]根據(jù)本發(fā)明，位于第一光電二極管(例如PHli)與第二光電二極管(例如Pffii)之間的兩個柵極中的一個具有向第一光電二極管伸出的窄突指，但是另一個柵極具有向第二光電二極管伸出的窄突指。這里，G2Bi的窄突指向第一光電二極管伸出，G2Ai的窄突指向第二光電二極管伸出。
[0053]其操作如下:根據(jù)使得電荷轉(zhuǎn)移的序列，如果需要從突指的頂部向突指的底部(從而從第一二極管向第二二極管轉(zhuǎn)移電荷，則全部左手側(cè)柵極
通過維持其電勢處于低值而被禁用，并且右手側(cè)柵極被啟用。該序列由柵極電勢在低值(電源的低電勢O伏特)與高值(電源的高電勢Vdd)之間交替構(gòu)成。該序列將在下文中更詳細地進行描述。
[0054]全部柵極GlB連接在一起，以便在第一累積半周期的結(jié)束時交替地接收該低值和該高值。類似地，全部柵極G2B連接在一起，以便在第二累積半周期的結(jié)束時接收轉(zhuǎn)移脈沖。
[0055]為了在另一個方向轉(zhuǎn)移電荷，在左手側(cè)柵極(GA)使用電勢的交替，而右手側(cè)柵極(GB)通過維持其電勢處于低值而被中性化。柵極GlA連接在一起，但是獨立于柵極G1B。類似地，柵極G2A連接在一起，但是獨立于柵極G2B。
[0056]因此，通過突指在上游朝向上轉(zhuǎn)向的柵極，電荷的轉(zhuǎn)移從上游方向向下游方向發(fā)生。如果選擇了給出的轉(zhuǎn)移方向，則必須因此使用突指在上游朝向上轉(zhuǎn)向的柵極，而突指在下游朝向上轉(zhuǎn)向的柵極中性化。
[0057]圖3和圖4顯示該傳感器的結(jié)構(gòu)的橫截面視圖。圖3中的視圖是通過窄突指20的沿著圖2中的線II1-1II的橫截面。圖4中的視圖是沿著圖2中的線IV-1V的橫截面，其中沒有突指但是有在柵極與光電二極管之間的P+區(qū)域18。
[0058]像素形成在半導(dǎo)體襯底10中，半導(dǎo)體襯底10上部的是有源、輕摻雜、外延半導(dǎo)體層12。在該實例中，襯底是高摻雜的p++型，有源外延層是P-型。如果外延層是η型，則需要顛倒全部的導(dǎo)電類型，以及施加到光電二極管和柵極的電勢的符號。理論上，襯底是與外延層相同的導(dǎo)電類型，但是其也可以是相反的類型。
[0059]柵極是通過薄絕緣層13 (氧化或氮化硅)與外延層12絕緣的多晶硅柵極。光電二極管是“針”型光電二極管，換句話說這些光電二極管由多層形成，所述多層包括:P型的外延層12(對于全部像素的全部光電二極管共有的有源層)、擴散到在兩個轉(zhuǎn)移柵極之間的外延層中的η型的個體區(qū)域14以及覆蓋個體區(qū)域14并且保持固定電勢的比外延層更多摻雜的P型的表面?zhèn)€體區(qū)域16。由照明產(chǎn)生的電子將能夠在η區(qū)域與外延P層之間的結(jié)形成的勢阱中積累。
[0060]僅在圖4中可見的P+型摻雜的區(qū)域18比表面區(qū)域16更多地摻雜。施加到區(qū)域18的是參考低電勢(有源層12的電勢)。區(qū)域18鄰近表面區(qū)域并且將表面區(qū)域的電勢帶到該電勢。
[0061]如果表面區(qū)域16非常淺(為了提升在藍色中的敏感性所需的)，則區(qū)域18優(yōu)選比區(qū)域16更深。
[0062]像素列由絕緣區(qū)域STI (硅的氧化物或者其他絕緣體)分開，絕緣區(qū)域STI防止電荷在不同列的像素之間的任何轉(zhuǎn)移。
[0063]圖5顯示有源層的內(nèi)部的在電荷的存儲和轉(zhuǎn)移的深度(換句話說，在有源層的頂部表面的稍下面)的電勢圖。
[0064]電勢在操作的各個階段期間被顯示并且考慮到了在窄突指下面的電勢(對于給定的施加到柵極的電勢)與在柵極的剩余部分下面的電勢不相同(實際上是由于突指的狹窄性)。更具體而言，對于給定的施加到柵極并且從而也施加到柵極的窄突指的電勢，P+區(qū)域18(圍繞窄突指)的低電勢發(fā)揮的影響傾向于將在窄突指下面的半導(dǎo)體中的電勢相對于在柵極的剩余部分下面的半導(dǎo)體中的電勢減小，但是不會將其減少得與在P+區(qū)域中減少得一樣多。根據(jù)通常的慣例，增加電勢指向向下，以便使得勢阱以及勢壘對于電子來說顯而易見。
[0065]所顯示的電勢圖對應(yīng)于沿著在圖2中的橫截面線V-V的電勢變化，橫截面V-V顯示在這些圖的上面以便于理解。
[0066]兩種操作模式是可能的:
[0067]-電荷在累積周期期間在柵極下面積累的模式；在該情況下，在第一累積半周期期間，高電勢施加到在列方向(電荷轉(zhuǎn)移的方向)上的每隔一個的柵極，該高電勢在正在考慮的柵極下面生成勢阱；其他柵極接收低電勢；在第一累積半周期結(jié)束時，柵極的角色反轉(zhuǎn):原來具有高電勢的柵極接收低電勢，原來具有低電勢的柵極接收高電勢。該順序僅考慮窄突指向上游朝向的柵極。其他的則接收固定的低電勢并且既不能接收電荷也不能允許電荷經(jīng)過；
[0068]-電荷在累積期間在光電二極管中而不是在柵極下面積累的模式；柵極僅僅在短暫的轉(zhuǎn)移操作期間存儲電荷。
[0069]圖5對應(yīng)于第二模式，其對應(yīng)于兩個階段的操作，這意味著具有大致正方形的形狀的每個像素包括兩個光電二極管，而且累積周期分解為具有在每個半周期之后的電荷部分轉(zhuǎn)移的兩個累積半周期。應(yīng)當(dāng)牢記，隨著像素具有包括三個或四個光電二極管的大致正方形的形狀，該傳感器可以在三個或四個階段中操作。
[0070]圖5對應(yīng)于電荷從圖2中的頂部到底部的轉(zhuǎn)移，換句話說，有源地使用右手側(cè)的柵極G1B、G2B以通過這些柵極進行轉(zhuǎn)移，而左手側(cè)的柵極G1A、G2A中性化。
[0071]對于圖的每一個步驟，顯示了有源溝道的電勢Vart，但也顯示了中性化溝道的電勢Vmut (其不隨時間變化但是起到阻止電荷在中性化柵極下面經(jīng)過的作用)。
[0072]中性化的柵極G1A、G2A在全部的累積和電荷轉(zhuǎn)移周期期間保持低電勢。電荷的存儲和轉(zhuǎn)移不能在這些柵極下面發(fā)生。
[0073]光電二極管(假設(shè)全無電荷)中的半導(dǎo)體電勢具有通過下述事實而固定的值:P型的表面層保持在有源層的參考電勢?？展怆姸O管的基礎(chǔ)電勢表不為虛線；其取決于在光電二極管中的區(qū)域12、14、16的摻雜分布。
[0074]電勢在一個累積周期Tint (分解為時長為Tint/2的兩個階段)中變化。
[0075]圖5的圖中的兩行的第一組表不有源層在第一累積半周期(從初始時間O到時間Tint/2)期間的內(nèi)部電勢。全部的柵極G1B、G2B處于低電勢(如同柵極G1A、G2A)并且電荷在光的影響下在形成在光電二極管下面的勢阱中逐漸積累。這些阱由施加到有源柵極以及中性化柵極的低電勢關(guān)閉。其也由P+區(qū)域18關(guān)閉，p+區(qū)域18形成的勢壘甚至高于形成在柵極下面的勢壘。最后，其也由絕緣區(qū)域STI關(guān)閉，絕緣區(qū)域STI將像素列彼此分開。
[0076]圖的行的第二組表示在時間Tint/2-ε的內(nèi)部電勢，換句話說，就在第一累積半周期Tint/2結(jié)束之前的內(nèi)部電勢。在此時間周期期間光電二極管獲取了照明產(chǎn)生的全部電荷。
[0077]行的第三組表示將短轉(zhuǎn)移脈沖施加到每隔一個的有源柵極的時刻。這里，柵極GlB(GlB1、GlBi+1等)全部接收該轉(zhuǎn)移脈沖但是柵極G2B (G2Bp G2Bi+1)不接收該轉(zhuǎn)移脈沖。
[0078]轉(zhuǎn)移脈沖處于高電勢，其在接收其的柵極下面生成勢阱。在光電二極管中積累的電荷變?yōu)榇鎯υ谂c其鄰近的柵極下面。這意味著，柵極GlBi接收來自光電二極管PHli的電荷但也(通過其窄突指)接收來自位于緊鄰上游的像素的光電二極管ΡΗ2η的電荷。相似地，柵極GlBi+1接收來自光電二極管PiEi的電荷但也接收來自位于緊鄰下游的像素的光電二極管PHli+1的電荷。
[0079]行的第四組表示在時間Tint+ε的電勢狀態(tài)，換句話說，在短轉(zhuǎn)移脈沖結(jié)束之后的電勢狀態(tài)。在柵極GlB下面的電勢回到其開始的低電勢。存儲于柵極GlB的電荷排放到下游側(cè)的鄰近光電二極管中。其不會向上游光電二極管移動，因為其僅能夠在窄突指下面經(jīng)過(ρ+區(qū)域18形成壘)，但是在窄突指下面的電勢低于在柵極下面的剩余的電勢，而且電荷自然在下游方向上朝向。因此只有光電二極管PHl(PHlpPhlw)接收電荷，光電二極管ΡΗ2保持電荷全無。
[0080]行的第五組表示第二累積半周期的結(jié)束，緊鄰地在新的轉(zhuǎn)移脈沖之前的時間Tint-ε。光電二極管Pffii充滿了在第二累積半周期期間該光電二極管的照明所產(chǎn)生的電荷，但是同時光電二極管PHli充滿了在該半周期期間由像素的照明所產(chǎn)生的電荷以及在在前的轉(zhuǎn)移脈沖期間轉(zhuǎn)移的源自光電二極管PHli和ΡΗ2η的電荷。
[0081]行的第六組表示在時間Tint的在第二短轉(zhuǎn)移脈沖期間的電勢狀態(tài)。柵極G2B的電勢上升至高水平以便在這些柵極下面生成勢阱。柵極GlB的電勢不改變。來自鄰近柵極G2Bi的光電二極管PHli和Pffii的電荷在柵極G2Bi下面移動。
[0082]最后，行的第七組表示在時間Tint+ε的最后電勢狀態(tài)，在短轉(zhuǎn)移脈沖結(jié)束時的最后電勢狀態(tài)。柵極G2B的電勢被帶回到低狀態(tài)。電荷回到光電二極管中，但是是以在從上游向下游的方向上的單側(cè)方式，因為勢壘在窄突指下面較高而在柵極的剩余部分下面較低。光電二極管ΡΗ2充滿暫時存儲在柵極G2B下面的電荷。光電二極管PHl保持電荷全無。
[0083]該最后狀態(tài)構(gòu)成新的累積周期的初始狀態(tài)。包含于光電二極管PiEi中的電荷是之前包含(在時間O)在光電二極管ΡΗ2η中的電荷、在第一累積半周期中由光電二極管ΡΗ2η和PHli產(chǎn)生的電荷以及在第二累積半周期期間由光電二極管PHlJPPffii產(chǎn)生的電荷的和。在該初始狀態(tài)，光電二極管PHl (PHli和PHli+1)電荷全無。
[0084]整體的電荷轉(zhuǎn)移方向從左走到右，換句話說，在累積周期Tint的開始時在上游像素的第二光電二極管ΡΗ2η中積累的電荷在后累積周期的開始時與在周期Tint期間產(chǎn)生的電荷一起處于下一個像素的第二光電二極管PiEi中。因此而具有:電荷向右的單向轉(zhuǎn)移以及在前像素積累的電荷與在當(dāng)前像素產(chǎn)生的電荷的求和，其全部給出了 TDI型的操作。
[0085]通過反轉(zhuǎn)柵極GA和GB的角色并且通過保留相同的信號時間表，轉(zhuǎn)移方向得到反轉(zhuǎn)。
[0086]進行的模擬顯示，勢壘BPli和BP2i的高度隨著窄突指20的寬度強變化；一般而言，其對于從0.7微米到0.1微米變化的突指寬度可以從0.5伏特到2.5伏特變化；這些值只是指示性的，因為其取決于所用的刻蝕技術(shù)和注入水平。突指的寬度小于或等于0.4微米是優(yōu)秀的選擇。在轉(zhuǎn)移方向上的突指的長度可以是約0.4微米。
[0087]應(yīng)當(dāng)注意，相同柵極的突指的端部可以通過柵極的窄帶連接在一起。
[0088]電荷優(yōu)選在列的端部排放到一系列的電荷存儲結(jié)點和電荷-電壓轉(zhuǎn)換電路(與矩陣的每列相聯(lián)系的一個電荷存儲結(jié)點和一個電荷-電壓轉(zhuǎn)換電路)。轉(zhuǎn)換電路包括幾個晶體管，類似于使用CMOS技術(shù)的傳感器有源像素的晶體管，其中是跟隨晶體管和復(fù)位晶體管。轉(zhuǎn)換電路然后優(yōu)選與相關(guān)雙采樣電路相聯(lián)系，相關(guān)雙采樣電路首先在電荷存儲結(jié)點的電勢復(fù)位的時刻采樣復(fù)位電勢水平，然后在將電荷從矩陣的最后行排放到電荷存儲結(jié)點中之后采樣有用信號的水平。兩次采樣的差別被模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換?？梢詾槊總€像素列提供單元轉(zhuǎn)換器或者全局轉(zhuǎn)換器為每個列按序列地進行轉(zhuǎn)換。
[0089]圖6顯示柵極的一種變化實施方式:在與像素相聯(lián)系并且構(gòu)成相同的柵極行的一部分的兩個柵極中，設(shè)置為柵極中的一個(GlB)分成由未顯示的導(dǎo)體電連接在一起的兩個部分，這兩個部分設(shè)置在另一個柵極(GlA)的任意一側(cè)。
[0090]圖7顯示另一個變化，其中兩個柵極GlA和GlB分為至少兩個部分，而且柵極中的一個的各部分與另一個柵極的各部分幾何上交替。每個部分包括至少一個窄突指，該窄突指依據(jù)其是柵極GA的部分或是柵極GB的部分而向一個或另一個光電二極管伸出。
[0091]無論柵極的構(gòu)造如何，都存在幾何調(diào)制轉(zhuǎn)移功能劣化的風(fēng)險，這是因為在柵極(柵極是透明的)下面的半導(dǎo)體中產(chǎn)生的電子將自然導(dǎo)引到鄰近柵極的一個或另一個光電二極管。依據(jù)該捕捉發(fā)生在累積半周期中的一個或另一個期間，其具有或不具有對于MTF的負面結(jié)果。
[0092]從而，例如:
[0093]-在第二累積半周期期間在柵極G2Bi下面產(chǎn)生的電子通常導(dǎo)引向光電二極管PHi2 ;在之后的轉(zhuǎn)移脈沖期間，其向柵極G2Bi然后向光電二極管PiEi導(dǎo)引；
[0094]-在相同時刻在柵極G2Ai下面產(chǎn)生的電子通常導(dǎo)引向光電二極管PHli;在之后的轉(zhuǎn)移脈沖期間，其也向柵極G2Bi然后向光電二極管Pffii導(dǎo)引。
[0095]在該情況下，對于電子的處理不存在依據(jù)電子產(chǎn)生在柵極G2Ai或柵極G2Bi下面的差別，而這是有益的。
[0096]然而:
[0097]-在第一累積半周期期間在柵極G2Bi下面產(chǎn)生的電子通常導(dǎo)引向光電二極管PHi2 ;在之后的轉(zhuǎn)移脈沖期間，其向柵極GlBi+1然后向光電二極管PHli+1導(dǎo)引；
[0098]-相反，在相同時刻在柵極G2Ai下面產(chǎn)生的電子通常導(dǎo)引向光電二極管PHli;在之后的轉(zhuǎn)移脈沖期間，其向柵極GlBi然后向光電二極管PHli反向移動。
[0099]因此，存在著依據(jù)電子產(chǎn)生在柵極G2Bi下面或柵極G2Ai下面的處理上的區(qū)別；通過將來自一個像素的電子與來自另一個像素的電子混合，該區(qū)別對調(diào)制轉(zhuǎn)移功能有害。
[0100]為了避免此劣化，提供的解決方案是使用聚焦微透鏡覆蓋每個半像素，聚焦微透鏡將在半像素的表面的頂部接收的光匯聚到光電二極管。從而，電子將在系統(tǒng)上產(chǎn)生于光電二極管而不是在柵極下面。
[0101]在圖8的實施方式中，微透鏡ML具有矩形的形狀并且以光電二極管為中心。其覆蓋整個光電二極管，以及位于光電二極管的任意一側(cè)的柵極的表面區(qū)域的一半。覆蓋兩個各自的半像素的兩個鄰近的微透鏡覆蓋對應(yīng)于整個像素的大約為方形的形狀。
[0102]在圖9的實施方式中，解決方案為提供成行的兩個鄰近的方形微透鏡MLa和MLb而不是矩形微透鏡。每個微透鏡以光電二極管的一半為中心，并且覆蓋該光電二極管的一半以及鄰近該光電二極管的一半的柵極的一半。四個鄰近的方形微透鏡覆蓋對應(yīng)于整個像素的大約為方形的表面區(qū)域。
【權(quán)利要求】
1.一種使用電荷轉(zhuǎn)移的圖像傳感器，所述傳感器包括成行的光電二極管，成行的光電二極管與鄰近于光電二極管的成行的柵極交替，柵極覆蓋第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體有源層區(qū)域(12),所述光電二極管通過第二導(dǎo)電類型的個體區(qū)域(14)形成在有源層中，所述光電二極管自身由連接至用于有源層的參考電勢的第一類型的個體表面區(qū)域(16)覆蓋，所述柵極展現(xiàn)出在上游側(cè)與下游側(cè)之間的不對稱性，在一側(cè)鄰近光電二極管并且在另一側(cè)具有向另一個光電二極管延伸的窄柵極突指(20),窄突指通過第一導(dǎo)電類型摻雜的絕緣區(qū)域(18)彼此分開，所述絕緣區(qū)域(18)比表面區(qū)域更多地摻雜并且也連接至有源層的參考電勢，所述傳感器的特征在于，所述傳感器包括至少兩個獨立的柵極，所述兩個獨立的柵極(624428]鄰近屬于第一光電二極管行的第一光電二極管并且鄰近屬于第二光電二極管行的第二光電二極管⑴取》，兩個柵極中的第一個柵極的窄突指向所述第一光電二極管延伸，第二柵極的窄突指向所述第二光電二極管延伸，兩個柵極是能夠彼此分開地控制的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器包括用于向第一柵極施加使得電荷能夠在所述第一柵極下面存儲和轉(zhuǎn)移的電勢序列，同時在一個電荷累積周期期間保持第二柵極的電勢為固定值，防止電荷在所述第二柵極下面存儲和轉(zhuǎn)移的裝置，并且包括用于反轉(zhuǎn)所述第一柵極和所述第二柵極的作用的裝置，換句話說，向所述第二柵極施加電勢序列同時維持所述第一柵極的電勢為固定值的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，施加到所述第一柵極或所述第二柵極的電勢序列包括在第一累積周期(1-/2)期間施加阻止電荷在柵極下面存儲的電勢，然后對特定的柵極行施加短脈沖以在這些柵極下面生成勢阱，所述勢阱能夠使得電荷從鄰近柵極的光電二極管排放遠至柵極下面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的一項所述的傳感器，其特征在于，兩個不對稱柵極在行的方向上并排放置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的一項所述的傳感器，其特征在于，所述第二柵極分為兩個部分，所述兩個部分在幾何上在所述第一柵極的任意一側(cè)放置，并且電連接在一起以便同時受到控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，其特征在于，兩個柵極中的每一個分為至少兩個部分，所述至少兩個部分與另一個柵極的部分交替，一個柵極的部分電連接在一起，每個部分包括至少一個窄突指。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的一項所述的圖像傳感器，其特征在于所述圖像傳感器是時間延遲電荷累積傳感器，其目的為使用由在各個行的相同標(biāo)號的像素中的圖像點產(chǎn)生的電荷的求和，通過數(shù)個像素行連續(xù)觀察相同的圖像線，在一個累積周期期間由標(biāo)號1的像素的照明產(chǎn)生的電荷加入到在該周期開始時從在前或在后標(biāo)號的像素接收的電荷。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的一項所述的圖像傳感器，其特征在于，所述圖像傳感器包括各自的矩形微透鏡，所述矩形微透鏡以每個光電二極管為中心并且將在鄰近光電二極管的柵極的部分的頂部接收的光導(dǎo)引至所述光電二極管。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的一項所述的圖像傳感器，其特征在于，所述圖像傳感器在每個光電二極管的頂部包括至少兩個并列方形微透鏡，所述兩個方形微透鏡形成以所述光電二極管的上方為中心的組合，并且將在所述光電二極管的頂部和鄰近所述光電二極管的柵極的部分的頂部接收的光導(dǎo)引至所述光電二極管。
【文檔編號】H01L27/148GK104303306SQ201380023055
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月3日
【發(fā)明者】F·邁耶 申請人:E2V半導(dǎo)體公司