CN100468756C - N-型衬底上的图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于CMOS图像传感器的像素传感器单元。该单元包括一个在P阱中形成的销接光电二极管，而该P阱又是在N-型半导体衬底中形成的。在该销接光电二极管和输出节点间设置一个传输晶体管。复位晶体管则用来耦合高压轨Vdd和该输出节点。最后，该单元还包括一个其栅极耦合到上述输出节点上的输出晶体管。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器，具体地讲，本发明涉及一种在N-型衬底上形成的、具有低漏电流和高电容的CMOS传感器。
背景技术
集成电路工艺的发展革新了许多不同的领域，包括计算机、控制系统、电信和图像领域。由于电荷耦合器件(CCD)的性能特性，使它已经在图像领域中深受欢迎。但是，图像领域所需的固态CCD集成电路相对来说难于制造，因而成本昂贵。另外，因为和MOS有关的CCD集成电路和图像传感器的信号处理部分的工艺过程不同，使它们需要在不同的集成电路芯片上制造。因此，CCD图像器件至少包含两个集成电路:一个是CCD传感器集成电路，另一个是信号处理逻辑电路。
另外一种的图像传感器是CMOS有源像素(active pixel)传感器。正如Lee等在U.S.P.5,625,210中所指出的那样，有源像素传感器是一种有源器件电子图像传感器，如晶体管，其与每个像素都相关。由于CMOS的制造工艺，有源像素传感器具有一定的优势，它能使信号处理电路和传感电路集成在同一个芯片上。
一种常见的有源像素传感器的结构包括四个晶体管和一个销接光电二极管(pinned photodiode)。该销接光电二极管由于它对蓝光有较好的敏感度，以及在暗电流密度和图像滞后方面具有一定优势，使它深受欢迎。通过P+区将二极管表面势能栓接(“Pinning”)到P阱或P衬底(GND)，可以减少暗电流。
一般说来，人们希望能在光电二极管中收集尽可能多的电荷，以提高信号水平。这样就要求在像素单元有较大的电容。但是，如果结分布(junction profile)没有为电荷转移达到最优化，那么，随着信号水平的提高(累集电荷增加的结果)，由于运动电荷没有完全从二极管传输到漂移输出节点，可能使图像滞后。这个也可能与销接光电二极管的N阱的不完全复位和耗尽有关。这一现象在Rama swami等所著的“CMOS传感器的像素反应时间和图像滞后的特点”(Characterization of Response Time and Image Lagin CMOSSensors)中有所描述。在低电压(如2.5伏或更低的电压)情况下，N阱的不完全耗尽状态更加显而易见。而随着集成电路越来越密集和栅极氧化层越来越薄，低电压的操作越来越流行。
因此，希望有源像素采用销接光电二极管(pinned photodiode)，它有高的电荷累积能力，在低压下也能使光电二极管完全复位另外一个主要考虑的因素是有源像素具有低的漏电流。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种减少漏电流、在低压下也能使光电二极管完全复位的像素传感器。
本发明的上述目的可通过以下技术方案来实现:
一种像素传感器单元，其包括:(1)在P阱中形成的销接光电二极管，该P阱又是在N-型半导体衬底上形成的；(2)设置在该销接光电二极管和输出节点之间的传输晶体管；(3)通过高电压轨Vdd和该输出节点耦合的复位晶体管；(4)以及输出晶体管，该输出晶体管的栅极耦合到该输出节点。
其中，传输晶体管可以是一个耗尽型的MOSFET；输出节点可以是传输晶体管的源极，销接光电二极管可以是传输晶体管的漏极。
上述的像素传感器单元，还可以进一步包括负电压产生器，该负电压产生器产生一个足以关闭所述耗尽型传输晶体管的负电压
上述的像素传感器单元，若采用耗尽型传输晶体管，其阈值电压可接近Vdd，或者更进一步地，其阈值电压基本上为-0.9伏或者更低。
本发明的另一目的是提供一种在N-型衬底上形成的、具有低漏电流和高电容的CMOS图像传感器，该CMOS图像传感器包括:
(1)多个排列成行和列的有源像素，该有源像素形成在N-型半导体衬底中，而且至少一个所述的有源像素包括:(a)销接光电二极管；(b)设置在该销接光电二极管和输出节点间的传输晶体管；(c)通过高压轨Vdd和该输出节点耦合的复位晶体管；以及(d)输出晶体管，该输出晶体管的栅极耦合到该输出节点；
(2)用来产生负电压的负电荷泵，该负电荷泵是在上述N-型半导体衬底中形成的；
(3)用来接收上述有源像素的输出的处理电路，该处理电路是在上述N-型半导体衬底中形成的；以及
(4)在上述N-型半导体衬底中形成的I/O电路，该I/O电路用来输出CMOS图像传感器的有源像素的输出。
在上述CMOS图像传感器中，其传输晶体管可以是一个耗尽型的MOSFET，其输出节点可以是传输晶体管的源极，其销接光电二极管可以是传输晶体管的漏极。
在上述CMOS图像传感器中，若采用耗尽型传输晶体管，则其阈值电压可接近Vdd，或者更进一步地，其阈值电压基本上为-0.9伏或者更低。
本发明的CMOS图像传感器的优点是漏电流低，电荷累积能力高，即使在低压下也能使光电二极管完全复位。
下面结合附图，对本发明进行更具体、详细的描述，以便更清楚、更好地理解本发明上述的特点以及其它相关的优点。
附图说明
图1是现有技术中有源像素的示意图。
图2是图1中现有技术有源像素示意图的剖面图。
图3是本发明的有源像素的示意图。
图4是图3中有源像素的剖面图。
图5是本发明的CMOS图像传感器的结构示意图。
具体实施方式
本发明涉及低漏电流和大电容的CMOS图像传感器的设计。在下面的说明中，通过对本发明具体实施方式的描述，来了解本发明的诸多具体细节。但所属领域的熟练技术人员可以认识到，在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下仍能实施本发明，或者采用其它方法、元件等的情况下仍能实施本发明。另外，为了清楚地描述本发明的各种实施方案，因而对众所周知的结构和操作没有示出或进行详细地描述。
在本发明的说明书中，提及“一实施方案”或“某一实施方案”时是指该实施方案所述的特定特征、结构或者特性至少包含在本发明的一个实施方案中。因而，在说明书各处所出现的“在一实施方案中”或“在某一实施方案中”并不一定指的是全部属于同一个实施方案；而且，特定的特征、结构或者特性可能以合适的方式结合到一个或多个的具体实施方案中。
图1和2是一个具有销接光电二极管103的现有技术有源像素101。销接光电二极管103是在P-型衬底上形成的N阱，并在N阱顶部形成一个P+区。一个传输门(transfer gate，也叫传输晶体管)控制信号从销接光电二极管103到输出节点107的传输。输出节点107连接到源极随耦器晶体管109(也叫驱动或输出晶体管)。这使得输出节点107的信号被放大，而且被加到列输出111。行选择晶体管(SEL)被用来选择列输出线111上读出的像素。行选择晶体管由行选择数据线控制，而且复位晶体管113被用来耗尽销接光电二极管上的信号。当销接光电二极管113具有如图1和图2所示的特定结构时，可以认为所有现有技术的销接光电二极管CMOS图像传感器都是在P-型衬底上形成的。
本发明更改了图1和2中现有技术的销接光电二极管，使它们能在低压下运行，并同时具有好的耗尽特性。本发明的销接光电二极管用标准的CMOS工艺制作。在下面的描述中，N-型植入的掺杂物是磷P，P-型植入的掺杂物是硼B。
在典型的运行过程中，传输门105(现有技术)在0伏和Vdd间摇摆。对于轨(rail)电压Vdd为5.0V和3.3V的图像传感器，这会导致5伏或3.3伏的电压变化。在过去，这种电压变化对于耗尽光电二极管103来说是允许的。
但是，对新的集成电路工艺，Vdd电压可能是1.8伏、1.3伏或者更低。在这样的情况下，传输门栅极的电压变化经常不足以耗尽光电二极管。
本发明中的销接光电二极管的结构(和CMOS图像传感器)在许多方面与图1和2中所示的相似。但是，根据本发明，CMOS图像传感器和销接光电二极管是在N-型半导体衬底上形成的。
为了减少硅表面的漏电流和kTC嗓声，光电二极管通常在硅表面有一P型的表面层屏蔽层，而且处于完全耗尽状态。这被称作是销接光电二极管。读出门的电压需要足够大，以使光电二极管处于耗尽状态。但是，读出门的电压受到读出门氧化层厚度的限制。因此，读出门氧化层厚度限定的正向电压应用于CMOS图像传感器的读出门。该电压太低，不能达到使大电容的光电二极管处于耗尽态。因此，光电二极管的电容应该设计得相对较小，以实现完全耗尽。但是具有P+表面屏蔽层的N-型光电二极管，即使当小电压施加到读出门时，也具有大的电容；而且，这种类型的光电二极管具有相对大的kTC噪声。
根据本发明的一实施方案，读出门施加了从负电压到正电压的电压摆动。这意味着读出门有一个大的电压摆动。这个大的电压摆动施加到光电二极管，形成了大的光电二极管电容。而且，由于空穴聚集在读出门的硅表面附近，从而使硅表面的漏电流相对较小。
另一方面，本发明中的CMOS图像传感器包括在光电二极管和扩散区间提供了读出电路的四晶体管像素，形成的CMOS图像传感器在N-型衬底上形成像素。读出门由电压控制，该电压能在负电压和正电压之间变化。负电压产生电路，例如负电荷泵，可在同一个集成芯片上形成。N-型衬底保持正电压或者接地。而且，读出晶体管可能是增强型或者耗尽型的晶体管。
从图3中可以看出，光电二极管103在N-型衬底403上的P阱401上形成。P阱401的硼浓度可在0-3×1017/cm3之间。N-型衬底403的磷浓度可在1×1014原子/cm3到5×1015原子/cm3之间。使用N-型晶片403的话，很容易达到所需的负压而且也易集成在同一个集成电路上。光电二极管103上有一个P+层来形成销接光电二极管。而且，在一实施方案中，除了光电二极管，光屏蔽层覆盖每一像素。一般来说，在漂移扩散区域一侧的读出电路的隧道宽度比光电二极管一侧的要小。
图4是本发明中的有源像素301的示意图。有源像素301在许多方面与图1中所示的相似。但是，有源像素301中使用了耗尽型的传输门305。耗尽型的传输门305(假设是NMOS晶体管)通常由在其栅极中植入N-型掺杂物而形成。植入的N-型掺杂物如图3中附图标记401所示。
因为使用耗尽型传输门305，传输门电路即使在0电压下也能进行传导。因此为了运行有源像素301，在积分(光收集)期间，传输门305保持它的栅电压为负压。在一实施方案中，负压为-Vdd。但是负压的准确度可能会变化，不过负压的大小应该比耗尽型传输门305的负阈值电压要大。
在一实施方案中，如果耗尽型传输门305的阈值电压为-0.9伏，而且单片轨(on-chip rail)电压Vdd为1.8伏，耗尽型传输门305的栅极可能保持在-1.8伏和-0.9伏之间。因为全-Vdd电压更容易在集成电路上使用，因而，使用全-Vdd电压变得更为方便，如通过在N-型衬底上集成一个负电荷泵。此外，在下面的具体描述中，耗尽型传输门305的阈值电压设定在-Vdd附近。
因为需要使用负压，使传输门305周期性地处于关闭状态，在集成电路上提供了负压-Vdd生成器307。在像素运行的积分期间和复位相位，负压-Vdd生成器307的信号选择性地施加到耗尽型传输门305的栅极。负压-Vdd生成器307也被认为是一个负电荷泵。因为需要负电荷泵，在N-型衬底上更容易形成CMOS图像传感器。
在耗尽型传输门305的正常运行期间，它的栅极在-Vdd和Vdd之间变化。它是图1中现有技术传输门105的电压变化的两倍，图1中传输门为增强型的传输门105。可以看到，在保持低压运行的情况下，仍有电压变化。
与增强型的传输门相比，使用耗尽型的传输门305，具有相对大的电压变化，这是其优势。首先，大的电压变化使销接光电二极管103更容易在复位状态处于耗尽状态。第二，使用耗尽型的传输门305可在传输门305附近表面累集空穴，从而减少漏电流。
上述的有源像素可用于CMOS图像传感器1101的传感器阵列。图5是本发明所形成的CMOS图像传感器。CMOS图像传感器包括传感器阵列1103、处理电路1105、输入/输出(I/O)1107、存储器1109和总线1111。优选地，这些元件的每一个都是在单个的N-型半导体硅衬底上形成的，而且通过标准的CMOS工艺集成在单个的芯片上。
例如，除了像素由这里描述的有源像素代替以外，传感器阵列1103可能与本发明的申请人(加州，Sunnyvale，OmniVisionTechnologies，Inc.)制造的图像传感器阵列相似，如其模型OV7630、OV7920、OV7930、OV9620、OV9630、OV6910或OV7640。此外，与现有技术的图像传感器不同，本发明中CMOS图像传感器是在N-型半导体衬底上形成的。
更具体地说，传感器阵列1103包括多个排列成二维空间阵列的单个像素。在运行过程中，当图像被聚焦在传感器阵列1103时，传感器阵列1103可收集原始的图像数据。
处理电路1105通过总线1111接受原始图像数据，并开始信号处理。处理电路1105能执行一系列的预设定的程序指令(可存储在存储器1107中)，这些指令对于实现集成电路110的作用是必需的。处理电路1105可能是一个常规微处理器、DSP、FPGA或神经元电路。
尽管在此描述了本发明的优选实施方案，但可以注意到，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，本发明可以有诸多变化。
除了采用上述的四晶体管有源像素传感器外，同样也可使用其他的一些有源像素传感器的设计，如二晶体管、四晶体管或者对数标度(log scale)。像先前所提到的一样，一些有关于其他一些实现方法的现有技术在U.S.P.5,587,596、5,926,214和5,933,190中有所描述。
本发明用一个优选的实施方案和几个变化的实施方案进行了描述。本领域的普通技术人员在阅读了上述的说明书后，在没有偏离上述基本概念的前提下，完全可以进行一些适当的改变、改进和等同物的替换。因此，本申请授权后的保护范围只由其权利要求书和其等同物所限定，而不受此处具体实施方案的限制。
Claims (15)
1、一种像素传感器单元，其包括:
在P阱中形成的销接光电二极管，该P阱又是在N-型半导体衬底上形成的；
设置在该销接光电二极管和输出节点之间的耗尽型传输晶体管；
耦合在高电压轨Vdd和该输出节点之间的复位晶体管；以及
输出晶体管，该输出晶体管的栅极耦合到该输出节点。
2、如权利要求1中所述的像素传感器单元，其中，所述的传输晶体管是一个耗尽型的MOSFET。
3、如权利要求1中所述的像素传感器单元，其中，所述的输出节点是所述传输晶体管的源极，所述销接光电二极管是所述传输晶体管的漏极。
4、如权利要求2中所述的像素传感器单元，其进一步包括负电压产生器，该负电压产生器产生一个足以关闭所述耗尽型传输晶体管的负电压。
5、如权利要求2中所述的像素传感器单元，其中，所述的耗尽型传输晶体管的阈值电压接近-Vdd。
6、如权利要求2中所述的像素传感器单元，其中，所述的耗尽型传输晶体管的阈值电压为-0.9伏或者更低。
7、一种CMOS图像传感器，其包括:
多个排列成行和列的有源像素，该有源像素形成在N-型半导体衬底中，而且至少一个所述的有源像素包括:
(a)销接光电二极管；
(b)设置在该销接光电二极管和输出节点间的耗尽型传输晶体管，该传输晶体管是耗尽型的MOSFET；
(c)耦合在高压轨Vdd和该输出节点之间的复位晶体管；以及
(d)输出晶体管，该输出晶体管的栅极耦合到该输出节点；
用来产生负电压的负电荷泵，该负电荷泵是在所述的N-型半导体衬底中形成的；
用来接收所述有源像素的输出的处理电路，该处理电路是在所述N-型半导体衬底中形成的；以及
在所述N-型半导体衬底中形成的I/O电路，该I/O电路用来输出所述的CMOS图像传感器的有源像素的输出。
8、如权利要求7中所述的图像传感器，其中，所述的输出节点是所述传输晶体管的源极，所述的销接光电二极管是所述传输晶体管的漏极。
9、如权利要求7中所述的图像传感器，其中，所述的耗尽型传输晶体管的阈值电压接近-Vdd。
10、如权利要求7中所述的图像传感器，其中，所述的耗尽型传输晶体管的阈值电压为-0.9伏或者更低。
11、一种CMOS图像传感器，其包括:
多个排列成行和列的有源像素，该有源像素形成在N-型半导体衬底中，而且至少一个所述的有源像素包括:
(a)销接光电二极管；
(b)设置在该销接光电二极管和输出节点间的耗尽型传输晶体管；
(c)耦合在高压轨Vdd和该输出节点之间的复位晶体管；以及
(d)输出晶体管，该输出晶体管的栅极耦合到该输出节点；
用来产生负电压的负电荷泵，该负电荷泵是在所述的N-型半导体衬底中形成的；
用来接收所述有源像素的输出的处理电路，该处理电路是在所述N-型半导体衬底中形成的；以及
在所述N-型半导体衬底中形成的I/O电路，该I/O电路用来输出所述的CMOS图像传感器的有源像素的输出。
12、如权利要求11的中所述的图像传感器，其中，所述的传输晶体管是一个耗尽型的MOSFET。
13、如权利要求11的中所述的图像传感器，其中，所述的输出节点是所述传输晶体管的源极，所述的销接光电二极管是所述传输晶体管的漏极。
14、如权利要求12的中所述的图像传感器，其中，所述的耗尽型传输晶体管的阈值电压接近-Vdd。
15、如权利要求12的中所述的图像传感器，其中，所述的耗尽型传输晶体管的阈值电压为-0.9伏或者更低。
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