專利名稱：有源像素傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有源像素傳感器單元，特別涉及電路與半導(dǎo)體器件，用以接收光并且轉(zhuǎn)換光至一電信號(hào)以代表光的強(qiáng)度以及用以消除由過(guò)量電荷造成的圖像過(guò)亮以及由器件中的殘余電荷造成的圖像遲后問(wèn)題。
傳統(tǒng)圖像電路包括一二維的感光器陣列。每一感光器包括一圖像要素(像素)。從物體放射或反射的光能撞擊感光器的陣列。光能由感光器轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)。圖像電路掃描各個(gè)感光器以讀出電信號(hào)。圖像的電信號(hào)由外部電路處理而被顯示出來(lái)。
目前使用最普通的單芯片圖像技術(shù)是電荷耦合裝置(Charged CoupleDevice以下稱為CCD相機(jī)。CCD由累積在半導(dǎo)體襯底中的感光器阱產(chǎn)生的電荷來(lái)操作。阱的深度是由位于半導(dǎo)體襯底表面柵極電位所控制。由改變柵極電位，電荷可以在半導(dǎo)體襯底表面移動(dòng)到傳感點(diǎn)。電荷就被放大成圖像的電信號(hào)。
目前的金屬氧化物半導(dǎo)體(以下稱為MOS)工藝技術(shù)允許CCD結(jié)構(gòu)中的電荷傳送，能以近乎完美的效率用視頻完成。然而，一小部分累積的電荷在沿表面移動(dòng)時(shí)會(huì)流失掉。每個(gè)阱所累積的電荷在每一幀時(shí)會(huì)被移動(dòng)和傳感。一般這時(shí)間是每秒30-60幀的數(shù)量級(jí)。
CCD技術(shù)有缺陷。在被傳感與放大前，由光撞擊產(chǎn)生的電荷會(huì)被直接移走。因?yàn)榇诉^(guò)程沒(méi)有效率，此裝置的增益(電子輸出對(duì)光子輸入)是小于1。因此，會(huì)限制每一阱存儲(chǔ)的電荷量。可被傳感到的最小電荷量為在傳感放大器噪音之上可被傳感放大器所傳感到的量。最大的傳感電荷量則局限于實(shí)質(zhì)可產(chǎn)生且可由一阱移到另一阱中的電荷量。
要克服這些CCD動(dòng)態(tài)范圍的限制，要用晶體管來(lái)傳感入射光。在美國(guó)專利No.5,260,592(Mead人等)，美國(guó)專利No.5,324,958(Mead人等)，以及“AHigh Resolution CMOS Imager With Active Pixel Using Capacitively CoupledBiPolar Operation”,Chi人等，paper#82，以及Proceedings of InternationalConference on VLSI-technology,systens,and applications,Taipei,Taiwan,June 1997，所描述的高清晰度圖像，有一如

圖1A,1B,1C所會(huì)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。這些像素結(jié)構(gòu)采用典型CMOS邏輯技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)工藝技術(shù)。
N型雜質(zhì)注入一P型襯底5用以形成一N型阱10。場(chǎng)氧化物20在半導(dǎo)體襯底的表面成長(zhǎng)，用以限定像素的邊界。在場(chǎng)氧化物20內(nèi)P型雜質(zhì)被注入形成晶體管Q1 160的P型基極15。N型阱連接到一電源供應(yīng)器，做為晶體管Q1 160的集電極。下一步，將一柵極氧化物的薄層在P型基極15的表面成長(zhǎng)，用以形成電容器C65的電容器介電質(zhì)30。一層多晶硅35淀積在整個(gè)P型基極15上。用以形成電容器C65的第二極板。在邊緣再氧化與氧化物間隙形成之后，N型雜質(zhì)被注入做為晶體管Q1 160的發(fā)射極25。P型基極15保持浮置。它的電位由耦合電容C65電位Vrow所決定。多晶硅物質(zhì)層連接到列致能電路Vrow62。列致能電路Vrow62將使晶體管Q1160轉(zhuǎn)移晶體管Q1160所收集的電荷。
如二氧化硅的第二絕緣物淀積在半導(dǎo)體襯底的表面用以形成介電質(zhì)40。一金屬層45與雙載流子晶體管Q1160的發(fā)射極25置于接觸客窗50。該金屬層45做為連接到傳感放大器70的內(nèi)連線。上述的工藝明顯地可用來(lái)制作CMOS晶體管。例如，多晶硅物質(zhì)35可用以形成CMOS晶體管的柵極，用來(lái)做為該發(fā)射極25的N型注入物可用來(lái)作源極/漏極區(qū)。與用制造CCD的工藝方法比較，制造雙載流子像素與CMOS晶體管的相容性是一很大的優(yōu)點(diǎn)。
從外界反射或放射的光量子L1105撞擊到P型基極的有源17。光量子105在集電極-基極接合區(qū)與發(fā)射區(qū)-基極接合區(qū)的附近被吸收后形成電子-空穴對(duì)。電子-空穴對(duì)會(huì)在最近p-n接合區(qū)被收集。少量的載流子被集在集電極-基極接合區(qū)12或發(fā)射極-基極接合區(qū)做為基極電流。基極電流乘上晶體管的電流增益集電極電流。在晶體管Q1160的發(fā)射極25上的信號(hào)電流ISC為光子轉(zhuǎn)換成電子-空穴對(duì)所產(chǎn)生的基極電流與集電極電流的和。信號(hào)電流ISC100在某些條件下被傳到傳感放大器70。
現(xiàn)參照?qǐng)D1D以了解晶體管像素結(jié)構(gòu)的操作。在積分期間102，列致能電路Vrow62保持在一固定電位用以使晶體管Q1160的基極-發(fā)射極接合區(qū)22反向偏壓。在此情形下，光子105轉(zhuǎn)換成電子-空穴對(duì)所產(chǎn)生的電流會(huì)聚積在電容器C65上。
當(dāng)想讀取在積分期間107產(chǎn)生的電荷量時(shí)，列致能電路Vrow62在讀取時(shí)間104期間，其電位會(huì)達(dá)到高電位。由耦合到電容器C65至Vrow62,P型基極位能上升，并且根據(jù)發(fā)射極25變成正向偏壓。在電容器C65的電荷會(huì)流入晶體管Q1160的基極15并形成發(fā)射極電流，亦即信號(hào)電流ISC100。
其他包括光二極管和MOS晶體管的結(jié)構(gòu)可參考“Image CaptureCircuits in CMOS”E.Fossum,Paper #B1,Proceedings of InternationalConference on VLSI-Technology,Systems,and Applications,Taipei,Taiwan,June1997。一無(wú)源像素電路，包含一光二極管與一MOS傳遞晶體管，光二極管將光轉(zhuǎn)換成電荷。MOS傳遞晶體管使電荷通過(guò)到達(dá)一電荷累積放大器。一有源像素電路包含一光二極管、一MOS傳遞晶體管以及一源極隨耦器做為電荷累積放大器的暫存放大器。被復(fù)位信號(hào)所致能的一MOS晶體管被放入有源像素電路，用以復(fù)位光二極管使之做為一電子開(kāi)關(guān)。
與Chi所述的CMOS像素電路比較起來(lái)，圖1A,1B和1C所繪示的有源雙載流子像素電路具有高傳感性、簡(jiǎn)化像素布局以及降低制造成本的優(yōu)點(diǎn)。然而，雙載流子有源像素有過(guò)亮與圖像遲后的缺點(diǎn)。
參照?qǐng)D2以了解過(guò)亮的現(xiàn)象。在一像素陣列中(像素A80-像素X85)，一列像素A80會(huì)累積從光量子L1105撞擊晶體管Q160a產(chǎn)生的電荷。此時(shí)，列致能電路Vrowa達(dá)到低電位，使晶體管Q1的基極-發(fā)射極接合區(qū)反向偏壓；并且讓電荷集聚在電容器C65a上。此時(shí)，另一列像素X85會(huì)被讀取以傳感目前在電容器C65a的電荷電位。
若撞擊在像素A80上的光量子能量夠大的話，電荷開(kāi)始將晶體管Q160的基極-發(fā)射極接合區(qū)順向偏壓。這會(huì)引起一溢出電流(overflowcurrent)Iofc95流向行內(nèi)連線90。傳感放大器傳感到的總電流Itot110為溢出電流Iofc95與信號(hào)電流ISC之和。被讀取的像素(像素X85)將會(huì)比它該有的亮度還亮。這會(huì)引起圖像中亮點(diǎn)過(guò)亮。
現(xiàn)參照?qǐng)D3以了解圖像遲后的原因。在此圖中像素X，最后一幀200，在目前的幀之前的幀時(shí)被讀取。當(dāng)列致能電路Vrowx由高電位達(dá)到低電位185時(shí)，根據(jù)發(fā)射極，由電容器C165的耦合，該P(yáng)型基極為反相偏壓。
在圖像積分時(shí)間一開(kāi)始時(shí)，并非所有列的所有像素皆有相同的P型基極位能。在一讀取動(dòng)作一開(kāi)始，Vrow由高電位轉(zhuǎn)移到低電位時(shí)，即脈沖高度時(shí)，P型基極位能的下降量為ΔVB=(脈沖高度)×(偶合率)電容C165的耦合率定義為γ=CC+CBE+CBC]]>其中CBE是晶體管Q1160的基極-發(fā)射極的接合電容CBC是晶體管Qq160的基極-集電極的接合電容P型基極電位是由電位Vrow與耦合率(γ)所控制。因此，從電容器C165移走的電荷并不完全，且會(huì)在晶體管Q1160的發(fā)射極引起一部分殘余電流210。
殘余電流210的第二部分為，從在先前的讀取時(shí)間之間晶體管Q1160的順相偏壓的基極-射極接合區(qū)的注入電子遺留在p-基極的少部分載流子的殘余物。殘留在P型基極的電荷繼續(xù)與電流增益流向晶體管Q1160的發(fā)射極，并加上目前讀取時(shí)間的信號(hào)電流215。這在尾隨移動(dòng)物體或明亮物體之后會(huì)形成一鬼影。殘余的電荷最后在一段時(shí)間過(guò)后，會(huì)因重組或少數(shù)載流子離開(kāi)P型基極而消失。圖像遲后的時(shí)間大約是少數(shù)載流子的生命期(即大約100毫秒)，并且它可持續(xù)幾個(gè)幀。
雜質(zhì)可加在P型基極用來(lái)做為“生命期間殺手”(life-time killer)用以減少重組時(shí)間?！吧陂g殺手”的困難是它會(huì)增加接合區(qū)間的漏電流，減低圖像的靈敏度。
美國(guó)專利No.5,097,305(Mead人等)所提的光傳感器具有一晶體管和一耦合至晶體管基極的電容器。一傳遞晶體管放在晶體管發(fā)射極用以選擇性地耦合信號(hào)電流至傳感放大器。
美國(guó)專利No.5,288,988(Hashimo人等)描述一類似于圖1a,1b和1c所繪的光傳感器電路。該器件加入一MOS晶體管在其光轉(zhuǎn)換器件中。當(dāng)MOS晶體管致能，藉由消除從晶體管的基極的殘余電荷使得上述的殘余電流被阻絕。
因此本發(fā)明的主要目的在于提供一種有源像素傳感器用以轉(zhuǎn)換光量子能量成為一電信號(hào)，表示該光量子能量的大小。
本發(fā)明的另一主要目的是提供一種有源像素傳感器用來(lái)避免圖像過(guò)亮的問(wèn)題。
本發(fā)明的另一主要目的是在提供一種有源像素傳感器用來(lái)減少殘余電荷以減少圖像遲后的問(wèn)題。
根據(jù)本發(fā)明的目的，一種有源像素傳感器包括一光二極管，一雙載流子晶體管以及一MOS晶體管。光二極管，具有一陰極連接到一電源供應(yīng)器和一陽(yáng)極。光量子會(huì)撞擊在陽(yáng)極上并在光二極管中產(chǎn)生電荷。MOS晶體管會(huì)避免圖像過(guò)亮。MOS晶體管有一漏極連接到光二極管的陽(yáng)極，源極和柵極，柵極連接到傳感器控制電路，用以選擇性的使MOS晶體管致能與失效用來(lái)阻止或允許電荷流經(jīng)MOS晶體管。雙載流子晶體管會(huì)放大電荷產(chǎn)生電信號(hào)。雙載流子晶體管具有一集電極連接至電源供應(yīng)器，一基極連接到MOS晶體管的源極用以當(dāng)MOS晶體管被致能時(shí)接收電荷，以及一發(fā)射極連接到外部電路將電信號(hào)傳送給外部電路。
有源像素傳感器還包含一寄生MOS晶體管，此寄生的MOS晶體管具有一漏極，是光二極管的陽(yáng)極；一源極，是在一個(gè)有源像素傳感器陣列中的一列有源像素傳感器的一相鄰的有源像素傳感器的光二極管的陽(yáng)極。寄生MOS晶體管具有一柵極連接到一復(fù)位電路用以將寄生MOS晶體管導(dǎo)通，使之復(fù)位在一列有相同位能電位的光二極管的陽(yáng)極的位能，因此由不相同的陽(yáng)極電位造成的圖像遲后現(xiàn)象在復(fù)位后可在有源像素傳感器上消除。
為使本發(fā)明的上述目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉一較佳實(shí)施例，并配合附圖，作如下詳細(xì)說(shuō)明。
圖1A和1B給出傳統(tǒng)光傳感器單元的上視圖以及半導(dǎo)體襯底的剖面圖。
圖1C給出圖1A和1B中傳統(tǒng)光傳感器單元的電路圖。
圖1D給出圖1A和1B中傳統(tǒng)光傳感器單元的時(shí)序圖。
圖2給出傳統(tǒng)技術(shù)的光傳感器陣列單元的兩個(gè)單元的電路圖，用以說(shuō)明溢出電流造成圖像過(guò)亮。
圖3給出傳統(tǒng)技術(shù)的光傳感器陣列單元的電路圖，用以說(shuō)明殘余電路所引起的圖像遲后。
圖4A和4B給出依照本發(fā)明的有源像素傳感器的上視圖與半導(dǎo)體襯底的剖面圖。
圖4C給出圖4A和圖4B中本發(fā)明的有源像素傳感器單元的電路圖。
圖4D給出本發(fā)明的有源像素傳感單元的時(shí)序圖。
圖5給出本發(fā)明的有源像素傳感器陣列單元的兩個(gè)單元的電路圖，用以說(shuō)明消除溢出電流。
圖6A,6B和圖6C給出本發(fā)明的有源像素傳感器陣列單元三個(gè)單元的上視圖與剖面圖，用以說(shuō)明光二極管復(fù)位操作以減少圖像遲后。
參照?qǐng)D4A,4B和4C，其給出依照本發(fā)明一較佳實(shí)施例的一種圖。用以了解本發(fā)明的有源像素傳感器的結(jié)構(gòu)。本裝置的制造從一典型的硅圓片P型襯底305開(kāi)始。然后將P襯底305表面遮蔽并注入一N型雜質(zhì)做為N型阱310。一絕緣區(qū)或場(chǎng)氧化物315成長(zhǎng)以限定有源像素單元的區(qū)域。在有源像素傳感器單元的區(qū)域之中用掩膜限定光二極管D1420的P型陽(yáng)極330。N型阱與電源VCC接觸并做為光二極管D1420的陰極。在有源像素傳感器單元的區(qū)域之中的第二區(qū)用掩膜限定雙載流子晶體管Q1420的P型基極320的區(qū)域。注入一P型雜質(zhì)以形成P型基極320。之后，在P型基極320的區(qū)域中遮蔽第三塊區(qū)域并注入N型雜質(zhì)做為雙載流子晶體管Q1420的發(fā)射極325。雙載流子晶體管Q1420的集電極是N型阱310。
雙載流子晶體管Q1420的P型基極320與光二極管D1420的P型陽(yáng)極330分別形成MOS晶體管的源極和漏極。柵極氧化層340在源極320與漏極330間的溝道區(qū)337上方成長(zhǎng)。一多晶硅物質(zhì)335設(shè)置在柵極氧化層340上并蝕刻以形成MOS晶體管M1315的柵極。
一絕緣物淀積在半導(dǎo)體襯底的表面上用以形成介電質(zhì)350。與N+發(fā)射極325的接點(diǎn)327在介電質(zhì)350中的一開(kāi)口形成。淀積一金屬層355用以連接晶體管M1410的發(fā)射極325和傳感放大器425，為一有源像素傳感器陣列的外部電路。形成MOS晶體管M1415柵極的多晶硅物質(zhì)335連接到列致能電路Vrow416，為一傳感器控制電路。顯而易見(jiàn)地，上面描述的流程可用來(lái)做成CMOS晶體管。例如多晶硅物質(zhì)335可以作為CMOS晶體管的柵極，用來(lái)做發(fā)射極325的N型注入物以形成源極/漏極區(qū)。與用來(lái)制造CCD方法的過(guò)程比較起來(lái)，制造雙載流子像素與CMOS晶體管的相容性有非常大的優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)參照?qǐng)D4D以了解有源像素傳感器單元的操作原理。光量子L334撞擊二極管D1420的P型陽(yáng)極。光量子L334會(huì)給予足夠的能量產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，類似于在圖1A,1B和1C描述的晶體管Q1160。空穴會(huì)移往光二極管D1420的P型陽(yáng)極。電子會(huì)集聚在光二極管D1420的陰極(N型阱310)并且經(jīng)由電源VCC移走。帶正電的空穴累積在光二極管D1 420的P型陽(yáng)極，圖示是一遞增的位能。列致能電路Vrow415從一高電位變成低電位，然后導(dǎo)通P MOS晶體管M1415。由光量子L334(圖像)產(chǎn)生的電荷QS494以P型陽(yáng)極的電位Vp anode表示，會(huì)流入晶體管Q1410的P型基極320形成基極電流IB1417?；鶚O電流IB1417會(huì)被晶體管Q1410放大并形成信號(hào)電流ISC412。在傳感到信號(hào)電流后，列致能電路Vrow416會(huì)回復(fù)到低電位485，此時(shí)會(huì)有一殘余電荷Q496遺留在光二極管S1420的P型基極320。之后，光二極管D1420的P型陽(yáng)極330會(huì)以下文所描述的復(fù)位操作復(fù)位到一電位。
先參照?qǐng)D5以了解本發(fā)明的有源像素傳感器避免像素圖像過(guò)亮的操作原理。像素A430與像素X435是有源像素傳感器陣列的兩個(gè)有源像素傳感器。像素A430與像素X435一起連接到行460與共同的傳感放大器426。
該像素A430觸發(fā)控制由列致能電路Vrowa440經(jīng)由內(nèi)連線Rowa450控制，且像素X435觸發(fā)控制由列致能電路Vrowx455經(jīng)由內(nèi)連線Rowx455控制。當(dāng)列致制能電路Vrowa450達(dá)高電位422，像素A430會(huì)處于螺積時(shí)間489。此時(shí)若光量子L2470撞擊像素X435的光二極管D1420b產(chǎn)生的累積電荷被讀取，列致能電路Vrowx455會(huì)達(dá)低電位477以導(dǎo)通PMOS晶體管M1415b。信號(hào)電流ISC412b會(huì)從像素X435的晶體管Q1410b的發(fā)射極流出。
即使撞擊在光二極管D1420a的光量子非常強(qiáng)，也不會(huì)有圖2中的溢出電流Iofc95。PMOS晶體管M1415a會(huì)被無(wú)作用并且沒(méi)有電流會(huì)流過(guò)該晶體管Q1410a。在極強(qiáng)的光量子L1465作用下空穴會(huì)累積在P型陽(yáng)極上，快速地增加P型陽(yáng)極的位能直到光二極管有一點(diǎn)點(diǎn)正向偏壓，且“溢出電流”會(huì)流向接在光二極管的陰極的電源VCC。因此，總電流Itot413不會(huì)有不相干的部分并且僅由信號(hào)電流ISC所構(gòu)成。因?yàn)閭鞲蟹牌?25只會(huì)接收適當(dāng)大小的電流，所以可以防止圖4像過(guò)亮的形成。
參照?qǐng)D4A,4B,4C和4D，了解復(fù)位作用。第二多晶硅物質(zhì)360淀積在一層當(dāng)柵極氧化層成長(zhǎng)時(shí)所形成的絕緣物質(zhì)上。復(fù)位多晶硅360連接到一復(fù)位電路Vreset。復(fù)位電路Vreset會(huì)施一低電位480用以復(fù)位多晶硅360，這將使由鄰近的有源像素感器所形成的寄生PMOS晶體管導(dǎo)通并且使所有P型陽(yáng)極330復(fù)位到相同的位能。關(guān)于寄生P-MOS晶體管與復(fù)位作用的細(xì)節(jié)，在以下的圖6A,6B和6C會(huì)加以說(shuō)明。
圖6A,6B和6C展現(xiàn)出在一由行與列構(gòu)成的有源像素傳感器陣列中的一列上的三個(gè)有源像素傳感器500a,500b,500c。各該些有源像素傳感器500a,500b,500c的PMOS晶體管M1515a,515b,515c的柵極505a,505b,505c由該共同的列多晶硅物質(zhì)335連接到列致能電路Vrow。復(fù)位多晶硅360與各有源像素傳感器500a,500b,500c的復(fù)位多晶硅360互相連接，并連接到復(fù)位控制電路Vreset535。在一列有源像素傳感器的端末，一邊緣接合區(qū)520由一P型物質(zhì)注入到半導(dǎo)體襯底305所形成。該邊緣接合區(qū)連接到一偏壓電源Vp+330。當(dāng)柵極氧化層成長(zhǎng)時(shí)所形成的氧化層365，會(huì)把復(fù)位多晶硅層360與P陽(yáng)極330a,330b,330c隔絕。
各P型陽(yáng)極330a,330b,330c做為各有源像素傳感器500a,500b,500c的PMOS晶體管M1515a,515b,515c的漏極/源極。當(dāng)復(fù)位電路Vreset530偏壓至一低電位時(shí)，各有源像素傳感器500a,500b,500c的各該P(yáng)MOS晶體管M1515a,515b,515c會(huì)被導(dǎo)通并且所有的P型陽(yáng)極330a,330b,330c的電位被復(fù)位到與邊緣接合區(qū)相同的電位，偏壓電源Vp+530。
一VT注入物535選擇性地被置于寄生晶體管P1550的溝道區(qū)用以限定一寄生MOS晶體管P1550的截止電位到想要的值。該注入物可為N型雜質(zhì)或P型雜質(zhì)端取決于寄生MOS晶體管P1550是當(dāng)作增強(qiáng)或缺乏MOS晶體管。
寄生晶體管P1550動(dòng)作，藉由復(fù)位一列所有P型陽(yáng)極的電位到與邊緣接合區(qū)的偏壓電位Vp+530相同，這會(huì)部分消除圖像遲后的問(wèn)題，如在傳統(tǒng)技術(shù)所描述的。
參照?qǐng)D4C和4D。在讀取動(dòng)作期間，圖像電荷QS494會(huì)流入P型基極做為一基極電流，使晶體管Q1410的P型基極順向偏壓并且啟始雙載流子晶體管動(dòng)作。圖像電荷QS494形成的基極電流會(huì)被放大成為發(fā)射極電流ISC，其會(huì)流入傳感放大器425。傳感放大器425所集聚的總電荷，被放大的圖像電荷QS494，用來(lái)表示撞擊在光二極管D1 420的光量子L1334的強(qiáng)度。
該光二極D1420的陽(yáng)極面積設(shè)計(jì)成比雙載流子晶體管Q1410的基極還大。這會(huì)迫使雙載流子晶體管Q1410的基極具有和光二極管D1420的陽(yáng)極相同的電壓。注入的少數(shù)載流子(從發(fā)射極注入的電子)被束縛在雙載流子晶體管Q1410的基極，而且無(wú)法流經(jīng)反向P型溝道MOS晶體管而到達(dá)光二極管D1420的陽(yáng)極。
一相應(yīng)的像素，具有一PNP雙載流子晶體管與一NMOS晶體管可藉由反轉(zhuǎn)該注入的硅物質(zhì)的極性很容易地完成。操作偏壓也會(huì)適當(dāng)?shù)胤聪颉?br> 綜上所述，雖然本發(fā)明已以一較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作各種更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1．一種有源像素傳感器，用以接收光量子能量并轉(zhuǎn)換該光量子能量成電信號(hào)，包括一光二極管，具有一陰極連接到一電源供應(yīng)器以及一陽(yáng)極，其中該光量子會(huì)撞擊至該陽(yáng)極并且在該光二極管中產(chǎn)生電荷；一金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，用以防止圖像過(guò)亮，它具有一漏極連接至該光二極管的陽(yáng)極，一源極與一柵極連接到一傳感器控制電路，其中該傳感器控制電路可選擇性地使該金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管致能與使失效，用以使該電荷流經(jīng)該金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管；以及一雙載流子晶體管，用以放大這些電荷以產(chǎn)生電信號(hào)，具有一集電極連接到該電源供應(yīng)器，一基極連接至該金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管用以當(dāng)該金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管致能時(shí)接收這些電荷，一發(fā)射極連接到外部電路用以轉(zhuǎn)移該電信號(hào)到外部電路。
2．如權(quán)利要求1所述的有源像素傳感器，其中該傳感器形成在一半導(dǎo)體襯底上，具有第一導(dǎo)電型的雜質(zhì)注入在該半導(dǎo)體襯底的一表面上，第二導(dǎo)電型的雜質(zhì)的一阱注入于該半導(dǎo)體襯底的該表面中。
3．如權(quán)利要求2所述的有源像素傳感器，其中該光二極管的該陰極是注入于該半導(dǎo)體襯底的該表面中的該阱，該陽(yáng)極是由在該阱中以該第一導(dǎo)電型的該雜質(zhì)注入第一區(qū)域所形成，其中該陽(yáng)極足以大于該雙載子流子晶體管基極，使得在該基極中殘余的少數(shù)載流子得以被束縛于該基極中以減低圖像遲后的問(wèn)題。
4．如權(quán)利要求3所述的有源像素傳感器，其中該雙載流子晶體管的該集電極是注入于該半導(dǎo)體襯底中的該阱，該基極是由在該阱中以該第一導(dǎo)電型的該雜質(zhì)注入第二區(qū)域所形成，該發(fā)射極是由該基極中以該第二導(dǎo)電型的該雜質(zhì)注入第三區(qū)域所形成。
5．如權(quán)利要求4所述的有源像素傳感器，其中該金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的該漏極是具有該第一導(dǎo)電型的雜質(zhì)的該第一區(qū)域，該金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的該源極是具有該第一導(dǎo)電型的雜質(zhì)的該第二區(qū)域，以及該柵極是由一柵極氧化層的整個(gè)該源極與漏極間的一溝道區(qū)成長(zhǎng)所形成。
6．如權(quán)利要求5所述的有源像素傳感器，其中該發(fā)射極經(jīng)由一淀積在該半導(dǎo)體集成的該表面上的一絕緣層上的金屬內(nèi)連線接到該外部電路，并且與該發(fā)射集接觸。
7．如權(quán)利要求1所述的有源像素傳感器，還包括一寄生金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，具有一漏極是該光二極管的該陽(yáng)極，一源極是在有源像素傳感器陣列中之一列有源像素傳感器的鄰近的有源像素傳感器的該光二極管的該陽(yáng)極，以及一柵極連接至復(fù)位電路用以導(dǎo)通該寄生金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，藉以復(fù)位該光二極體的該陽(yáng)極的一電位，防止該有源像素傳感器上的圖像遲后問(wèn)題。
8．一種圖像陣列，用以接收從外界反射或放射的光能，轉(zhuǎn)換該光能為電信號(hào)用以表示該光能的強(qiáng)度，包括a)多個(gè)排成行列的有源像素傳感器，其中各有源像素傳感器的各有源像素傳感器，包括一光二極管，具有一陰極連接到一電源供應(yīng)器與一陽(yáng)極，其中該光能會(huì)撞擊該陽(yáng)極并在該陰極產(chǎn)生電荷；一金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，用以防止在具有一漏極連接至該光二極管的該陽(yáng)極，一源極及一柵極的極圖像陣列造成圖像過(guò)亮，以及一雙載流子電晶體管，用以放大這些電荷以產(chǎn)生該電信號(hào)，具有一集電極連接至一電源供應(yīng)器，一基極連接至該金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，當(dāng)該金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管致能時(shí)用以接收該些電荷，以及一發(fā)射極；b)一列致能電路連接到在各列上的該些金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的各該柵極用以選擇性地將在各列上的各金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管致能與使失效，以使該些電荷流經(jīng)該金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管；以及c)多個(gè)傳感放大器，其中各傳感放大器是連接到在各行上的有源像素傳感器的該些雙載流子晶體管的該些發(fā)射極，用以傳感并放大該電信號(hào)，并將該電信號(hào)傳送到外部電路。
9．如權(quán)利要求8所述的圖像陣列，其中該有源像素傳感器陣列是形成在一半導(dǎo)體襯底上，具有在該半導(dǎo)體襯底的一表面上注入第一導(dǎo)電型的雜質(zhì)，以及在該半導(dǎo)體襯底的該表面中注入第二導(dǎo)電型的雜質(zhì)的一阱。
10．如權(quán)利要求9所述的圖像陣列，其中各有源像素傳感器的該光二極管的該陰極是注入于該半導(dǎo)體襯底的該表面中的該阱，該陽(yáng)極是在該陰極中以該第一導(dǎo)電型的雜質(zhì)注入于第一區(qū)域所形成，其中該陽(yáng)極足夠大于該雙載流子晶體管的該基極，因此在該基極中的殘余少數(shù)載流子會(huì)被束縛于該基極以減低圖像遲后的現(xiàn)象。
11．如權(quán)利要求10所述的圖像陣列，其中各有源像素傳感器的該雙載流子晶體管的該集電極是在該半導(dǎo)體襯底中注入的該阱，該基極是由在該阱中以該第一導(dǎo)電型的雜質(zhì)注入第二區(qū)域所形成，以及該發(fā)射極是由在該第二區(qū)域中以該第二導(dǎo)電型的該雜質(zhì)注入第三區(qū)域所形成。
12．如權(quán)利要求11所述的圖像陣列，其中各有源像素傳感器的該金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的該漏極是有該第一導(dǎo)電型的雜質(zhì)的該第一區(qū)域，該金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的源極是有該第一導(dǎo)電型的雜質(zhì)的該第二區(qū)域，以及該柵極是由一整個(gè)柵極氧化層淀積于整個(gè)該源及與該漏極間的一溝通區(qū)所形成。
13．如權(quán)利要求12所述的圖像陣列，其中該發(fā)射極以一淀積在該半導(dǎo)體襯底的該表面上的一絕緣層上的金屬內(nèi)連線接至一傳感放大器并接觸該發(fā)射極。
14．如權(quán)利要求8所述的圖像陣列，其中各有源像素傳感器，還包括一寄生金屬氧化物導(dǎo)體晶體管，具有一漏極是該光二極管的該陽(yáng)極，一源極是在一有源像素傳感器陣列的一列有源像素傳感器的鄰近有源像素傳感器的該光二極管的該陽(yáng)極，以及一柵極。
15．如權(quán)利要求14所述的圖像陣列，還包括一復(fù)位電路連接至該寄生金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的該柵極，藉以致能該寄生金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，得以在各列有源像素傳感器中的各光二極管的該陽(yáng)極復(fù)位至一相等的電位以避免該圖像陣列上的圖像遲后的問(wèn)題。
16．一種半導(dǎo)體器件制造方法，用以在具有第一導(dǎo)電型的雜質(zhì)的半導(dǎo)體襯底上制造一有源像素傳感器，藉以接收光量子能量并轉(zhuǎn)換該光量子為電信號(hào)，其步驟包括a)藉由該半導(dǎo)體襯底的掩膜區(qū)在該半導(dǎo)體襯底中形成一阱，并且在該半導(dǎo)體襯底注入第二導(dǎo)電型的雜質(zhì)；b)由在該區(qū)域外生長(zhǎng)一場(chǎng)氧化層用以限定該有源像素傳感器的一區(qū)域；c)以該半導(dǎo)體襯底的掩膜區(qū)在該阱中形成一光二極管，并且注入第一導(dǎo)電型的雜質(zhì)用以形成該光二極管的陽(yáng)極，其中該阱為該光二極管的一陰極；d)形成一雙載流子晶體管，以對(duì)該半導(dǎo)體襯底施以掩膜，并注入第一導(dǎo)電型雜質(zhì)做為基極，對(duì)該半導(dǎo)體襯底施以掩模，并注入第二導(dǎo)電型雜質(zhì)做為發(fā)射極，其中該雙載流子晶體管有一集電極是該阱；以及e)形成一金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，以淀積一柵極氧化物在該陽(yáng)極的一溝道區(qū)中，用來(lái)做為該金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的漏極，該基極，用來(lái)做為該金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的源極；及淀積第一多晶硅，在該柵極氧化層上形成一柵極。
17．如權(quán)利要求16所述的方法，其中該柵極連接至一傳感控制電路，用以選擇性地將該金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管致能與使失效，使得該光量子撞擊在該陽(yáng)極形成的電荷流到該雙載流子晶體管的基極。
18．如權(quán)利要求16所述的方法，其中該陽(yáng)極足夠大于該雙載流子晶體管的該基極，以使在該基極的少數(shù)載流子得以被束縛在該基極中，從而減少圖像遲后。
19．如權(quán)利要求16所述的方法，還包括一步驟，用以形成一寄生金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，該步驟包含a)生長(zhǎng)一絕緣物質(zhì)用以形成該寄生金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的一寄生柵極氧化層；b)淀積第二多晶硅物質(zhì)在該寄生柵極氧化層上，做為該寄生金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的一柵極；以及c)其中該寄生金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的一漏極是該光二極管的陽(yáng)極，以及該寄生金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的一源極是在該半導(dǎo)體襯底上形成的鄰近有源像素傳感器的該光二極管的該陽(yáng)極。
20．如權(quán)利要求16所述的方法，其中該寄生金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的該柵極連接到一復(fù)位電路，得以提供一復(fù)位信號(hào)以致能該寄生金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管以使該陽(yáng)極復(fù)位在一電位，用以避免在該有源像素傳感器上的圖像遲后。
全文摘要
一種有源像素傳感器，包括光二極管，雙載流子晶體管，金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管。該光二極體，有一陰極連接到電源供應(yīng)器，及一陽(yáng)極連接到該金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管。金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，通過(guò)切斷該光二極管的陽(yáng)極與雙載流子晶體管的基極的連接以避免圖像過(guò)亮的現(xiàn)象，并將光二極管的陽(yáng)極與金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管連接使在光二極管中的電荷流過(guò)該金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管。雙載流子晶體管放大電荷以產(chǎn)生電信號(hào)。
文檔編號(hào)H01L21/70GK1237774SQ98108710
公開(kāi)日1999年12月8日 申請(qǐng)日期1998年5月29日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月29日
發(fā)明者季明華 申請(qǐng)人:世界先進(jìn)積體電路股份有限公司