專利名稱：有源線性傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及固態(tài)成像器，尤其涉及具有更小、更高性能像素的CMOS成像器。
背景技術(shù)：
有源像素是能夠?qū)⒐鈭D像轉(zhuǎn)換成電信號的半導(dǎo)體器件。有源像素可以被排列成矩陣和用于為攝像機(jī)以及照相機(jī)生成視頻信號，或任何需要將入射輻射量化的地方。當(dāng)入射輻射與光點(diǎn)交互作用時(shí)，電荷載流子被釋放，并可以被收集用于檢測。在光點(diǎn)中收集的載流子數(shù)目表示在給定時(shí)間段中撞擊該點(diǎn)的入射光的量。
存在兩種用于收集和檢測光點(diǎn)中電荷載流子的基本器件，并具有多種變型。這兩種基本設(shè)備是光電二極管和光控門。光電二極管的變型包括但不僅限于針形、正-本征-負(fù)、金屬半導(dǎo)體、異質(zhì)結(jié)和雪崩光電二極管。光控門結(jié)構(gòu)包括電荷耦合器件(CCD)、電荷注入器件(CID)和它們的變型，包括虛擬相位、掩埋溝道，和使用選擇摻雜劑的其它變型。選擇摻雜劑用于控制電荷的收集和在光控門和檢測節(jié)點(diǎn)之間和下面的傳輸。
因?yàn)榕c光電二極管和CID相比噪聲較低，到目前為止CCD在固態(tài)成像器的使用中占主導(dǎo)地位。CCD成像器的低噪聲優(yōu)點(diǎn)的原因在于在像素位置上收集光子產(chǎn)生的電荷，然后將實(shí)際電荷耦合或轉(zhuǎn)移到陣列外圍上的放大器。這消除了對長多晶硅和金屬總線的需要，它們的相關(guān)阻抗和電容將降低信號的質(zhì)量。然而，CCD的低噪聲要求以固定格式讀取成像器，并且一旦電荷被讀取其即被破壞。將所收集的來自像素的光子電荷耦合到外圍的放大器(也稱為CTE)的需要要求與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CMOS或BiCMOS處理不兼容的專門處理步驟。
固態(tài)成像器件已經(jīng)與CMOS技術(shù)并行發(fā)展，因此所有的成像器制造商開發(fā)了它們自己的專門處理步驟以使成像器性能特征和晶片產(chǎn)量最大。專門的硅晶片處理使成像器的價(jià)格保持相對較高。自1985年以來已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)線性有源像素傳感器。從九十年代早期開始專門處理向工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CMOS處理的轉(zhuǎn)變在繼續(xù)。使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)處理的優(yōu)點(diǎn)包括有競爭力的晶片處理價(jià)格和提供片上定時(shí)、控制和處理電路的能力。在1992年末，制造了512×512 CMOS兼容的每列帶有前置放大器和CDS的CID成像器。該成像器可以被操作為隨機(jī)存取512×512 CID，或者可以將所有列相加，并作為線性有源像素傳感器使用。
在專利US5，471，515中公開了一種使用有源像素傳感器的面陣列，其中光電二極管或光控門被耦合到輸出源跟隨器放大器，該輸出源跟隨器放大器又驅(qū)動相關(guān)雙抽樣(CDS)電路，其中CDS單元的兩個輸出又驅(qū)動兩個以上的源跟隨器電路，再被反饋到差分放大器中。其使用源跟隨器電路，它們一般具有小于一的增益，并且各個源跟隨器彼此不同。源跟隨器增益的變化取決于FET閾值的變化。源跟隨器增益的變化導(dǎo)致像素與像素增益的失配。而且，當(dāng)CDS使用源跟隨器對驅(qū)動它的輸出時(shí)，有源像素傳感器受每列CDS電路所導(dǎo)致增益變化的影響。最終的CDS信號和它的相應(yīng)偏移可能具有不能用差分放大器校正的不同增益。而且，有源像素的源跟隨器結(jié)構(gòu)并不允許像素的裝倉。
現(xiàn)有技術(shù)操作的電壓模式并不允許裝倉，這是對兩個或更多像素信號的同時(shí)求和。
所需要的是具有CCD的低噪聲水平、CID的隨機(jī)存取和裝倉、相同增益和來自所有像素響應(yīng)的一種成像器件。
附圖簡要說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的雙多晶硅有源像素傳感器；圖2是根據(jù)本發(fā)明的有源列傳感器；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個像素的實(shí)現(xiàn)；圖4是連接以與構(gòu)成一個有源列傳感器的每個像素的完整運(yùn)算放大器合并的一個像素矩陣的示意圖。
發(fā)明的詳細(xì)說明在討論本發(fā)明圖2的有源列傳感器(ACS)電路和結(jié)合下面ACS的討論描述之前，討論如圖1所示現(xiàn)有技術(shù)的典型雙多晶硅有源像素傳感器的結(jié)構(gòu)是有用的。
在圖1中，每個像素50具有一個光點(diǎn)60，該光點(diǎn)60具有被配置為源跟隨器的輸出FET53。源跟隨器53用于驅(qū)動隨后的信號調(diào)整電路，例如相關(guān)雙抽樣電路(CDS)55。通過源跟隨器53的增益小于一。如果位于像素點(diǎn)50上的源跟隨器具有一個給定增益，在同一列中的其它像素和它們的相應(yīng)源跟隨器可以具有相同的增益，也可以具有不同的增益。該技術(shù)依賴于陣列中所有FET的晶片處理具有相同的閾值。對于一個線性有源像素陣列，F(xiàn)ET閾值在操作過程中變化100毫伏是正常的。
現(xiàn)有技術(shù)的有源像素50包括光控門60和傳輸門62，傳輸門62用于將光子生成的電荷耦合到與源跟隨器53的柵極56相連的浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)52上。輸出FET53的漏極被直接連接到電源VDD。源跟隨器輸出FET又連接到行存取FET58的源極56。當(dāng)選擇讀取行存取FET58時(shí)，F(xiàn)ET58導(dǎo)通，允許輸出FET53連接到負(fù)載18并直接驅(qū)動CDS電路55。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的像素12的示意圖，其中消除了現(xiàn)有技術(shù)中像素之間的閾值變化。列或行中的所有像素12都是平行的，為了簡化只圖示一個?？捎扇魏胃泄馄骷?0構(gòu)成的像素12被耦合到FET15以使像素與讀取電路隔離。FET 15是運(yùn)算放大器30差動輸入對的FET之一，該運(yùn)算放大器30包括FET 24。為了簡化，在圖2中放大器電路30被配置為正反饋單位增益放大器。反饋路徑32將放大器30的輸出連接到輸入17，在這種情況下，輸入17是FET 24的柵極。放大器30可被配置以具有增益、完全差動輸入或如應(yīng)用所需的任何運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)。放大器30的固定增益消除了現(xiàn)有技術(shù)中增益的易變性。單位增益放大器的輸出被連接到相關(guān)雙抽樣器(CDS)，它用于消除視頻中的所有固定模式噪聲。
電流源20包括一個FET 22，其源極連接到電源VDD，其漏極連接到差動輸入FET 15和24的源極。
輸入FET 15和24的漏極連接到由FET 26和28組成的電流鏡。FET 26和28的柵極共同連接到輸入FET 15的源極18。FET 26和28的源極連接到負(fù)電源VCC。
FET 24的源極30是差動對的輸出并連接到CDS 34。
輸入FET 15可以是如應(yīng)用所需的N溝道或P溝道FET。像素#80可以是光控門或光電二極管。
圖3是圖2所示的有源列傳感器的像素12的詳細(xì)示意圖。在該實(shí)施中使用光控門76。檢測節(jié)點(diǎn)#72的選擇和重置由FET 76控制。該有源列傳感器像素省去了現(xiàn)有技術(shù)中的分開的選擇／存儲FET 58。從像素陣列的外圍提供所有的偏置和控制信號。
可以以下述方式操作像素。使用一個N型襯底，并且襯底被偏置到最大正電勢，例如5．0V。最好是一層多晶硅的光控門#70被偏置到集中電平(例如0．0V)。光控門#70之下的區(qū)域80被耗空，并且當(dāng)光撞擊附近區(qū)域時(shí)，它將收集(集中)光子生成載流子。光控門72被偏置到5．0V，在集中過程中將不收集光生成載流子，因?yàn)樗黄玫脚c襯底相同的電勢。通過用重置／選擇控制信號選擇控制FET 76來偏置光控門72。在該結(jié)構(gòu)中，控制FET 76是P溝道FET，它由相對于襯底的負(fù)信號，例如0．0V來選擇。在集中過程中選擇FET76，通過最好是5．0V的重置／選擇偏壓來偏置光控門。在預(yù)定的集中時(shí)間周期之后該像素被讀取。
最好以下述方式實(shí)現(xiàn)像素的讀取。重置／選擇控制被改變到2．5V，導(dǎo)致光控門#72之下的區(qū)域被耗空，并讀取背景電平。通過將重置／選擇控制設(shè)置為5．0V關(guān)閉重置／選擇FET 76。光控門70消除其電位，在這個例子中為5．00V。當(dāng)所收集的光子生成電荷從光控門70之下的區(qū)域轉(zhuǎn)移到光控門72之下的區(qū)域時(shí)，出現(xiàn)讀取信號。根據(jù)收集量，轉(zhuǎn)移的光子生成電荷調(diào)整輸入FET 15的柵極。
通過使用CDS電路34可以將固定模式噪聲(FPN)從視頻信息中消除。應(yīng)用于CDS電路的第一抽樣是背景電平。然后信號信息被應(yīng)用于CDS。兩個信號的差值提供沒有固定模式噪聲的信號。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的像素陣列的示意圖。多個像素90a、90b、90c形成陣列的第一列，相同的列92a-c和94a-c構(gòu)成整個陣列。在每一列中，像素用它們的輸出FET并行連接，該組合構(gòu)成運(yùn)算放大器30的第一個差動輸入對。在所有其它方面，放大器30a、30b、30c與圖2相同。每個放大器30分別連接到CDS 34a、34b和34c。CDS 34a、b、c的輸出通過列選擇開關(guān)96a、96b和96c被連接，其公共端被連接到輸出緩沖器98，該輸出緩沖器98可以是一個源跟隨器，或者由具體應(yīng)用所需的一個更復(fù)雜的信號調(diào)節(jié)器。
雖然已經(jīng)結(jié)合當(dāng)前的優(yōu)選實(shí)施例描述本發(fā)明，在不脫離本發(fā)明實(shí)際精神和范圍的情況下，多種修改和變化對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯然的，本發(fā)明的精神和范圍將僅由權(quán)利要求書來定義。
權(quán)利要求
1．一種成像器件，包括一個單片半導(dǎo)體集成電路襯底；具有行軸和列軸的像素單元焦平面陣列，每個所述單元包括位于每個像素點(diǎn)上的沿所述陣列的一個軸(行或者列)帶有反饋的運(yùn)算放大器的至少一個輸入FET，每個像素的所述運(yùn)算放大器的其余部分位于成像矩陣的一個軸的外圍，所述像素包括從由光電二極管和光控門組成的組中選擇的一個元件，以便累積電荷調(diào)整差動對輸入FET的檢測節(jié)點(diǎn)。
2．權(quán)利要求1的成像器件，其中通過施加來自陣列外圍的控制信號來選擇讀取像素。
3．權(quán)利要求1的成像器件，包括通過向檢測節(jié)點(diǎn)并行傳送信號來選擇讀取一個或多個像素的裝置。
4．權(quán)利要求1的成像器件，其中所述運(yùn)算放大器被配置為單位增益。
5．一種成像器件，包括一個單片半導(dǎo)體襯底；在襯底上形成的一個像素單元陣列，每個單元包括一個位置，在該像素上形成的電荷將被傳送到該位置中，和一個檢測節(jié)點(diǎn)，在其上可以檢測電荷總量；差動放大器具有在鄰近檢測節(jié)點(diǎn)的襯底中形成的第一輸入晶體管和在陣列外圍的襯底中形成的第二輸入晶體管。
6．權(quán)利要求5的成像器件，包括連接到第一和第二輸入晶體管的一個電流源。
7．權(quán)利要求6的成像器件，包括連接到第一和第二輸入晶體管的電流鏡。
8．權(quán)利要求5的成像器件，包括連接在差動放大器輸出和第二晶體管輸入之間的一條反饋路徑。
9．權(quán)利要求5的成像器件，包括連接到差動放大器輸出的一個信號處理器。
10．權(quán)利要求9的成像器件，其中信號處理器包括一個相關(guān)雙抽樣器。
11．權(quán)利要求5的成像器件，其中像素單元包括一個光控門和鄰近光控門的一個檢測節(jié)點(diǎn)。
12．權(quán)利要求11的成像器件，其中光控門和檢測節(jié)點(diǎn)包括多晶硅層。
13．權(quán)利要求12的成像器件，其中光控門和檢測節(jié)點(diǎn)至少是完全可傳送光的。
14．權(quán)利要求11的成像器件，包括連接到檢測節(jié)點(diǎn)的一個控制晶體管，用于控制電荷的收集和檢測。
15．權(quán)利要求5的成像器件，其中一列中像素的多個第一輸入晶體管被并行連接。
全文摘要
一個CMOS成像器包括一個諸如光電二極管或光控門的光敏元件,該光敏元件包括與位于光敏區(qū)域附近的一個FET相連接的檢測節(jié)點(diǎn)。構(gòu)成運(yùn)算放大器差動輸入對的另一個FET位于像素陣列的外圍。運(yùn)算放大器被配置為單位增益,輸入FET的列或者行被并行連接。一個相關(guān)雙抽樣器被連接到運(yùn)算放大器的輸出以提供沒有固定模式噪聲的信號。
文檔編號H04N5/335GK1293863SQ99804073
公開日2001年5月2日 申請日期1999年3月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月16日
發(fā)明者詹弗瑞·J·扎爾諾斯基, 馬修·A·培斯 申請人:光子圖像系統(tǒng)股份有限公司