CN100508219C - 光电转换器和图像传感器ic - Google Patents
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Abstract
为了减少降低光电转换器图像质量的辐射噪声的影响，以低成本且不牺牲光接收元件的开口部分。一种光电转换器包括：形成于像素区内的第一导电类型的第一半导体区；形成于所述第一半导体区内的第二导电类型的第二半导体区，且其中可积累光生载流子的；和穿过所述第二半导体区上的绝缘体形成的、保持在预定电位的导体。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于接收来自光所辐照的原始目标的反射光、并转换成电信号的光电转换器，还涉及一种图像传感器IC，其中的光电转换器以线或矩阵形状排列。本发明尤其涉及一种该像素结构的改进。
背景技术
图14示出用于现有图像传感器的光电转换器中的光接收元件的平面视图，并且图15示出沿图14的A-A’的剖面视图(参见JP 2000-311997 A)。
本发明中，为了保护图像质量不受到例如电源噪声等从光电转换器外部辐射的低频噪声的影响而下降，作为屏蔽的导体6’形成于光接收元件的输出布线5上。
然而，在上述光电转换器中，输出布线5是AL布线。因此，其上的导体需要由第二层的AL构成，或者需要额外形成另一导电膜。这样，由于这种构成不能只通过典型的AL单层工艺来实现，这导致造价昂贵的问题。同样，光电二极管扩散区2小于开口部分1。因此，在扩散区2中，开口部分1中产生的光载流子不能被充分捕获，这导致灵敏度效率低的问题。因此，如果将扩散区2制得更大，由于扩散区上没有任何屏蔽层，因此外部噪声致使扩散区的电位变化，其导致图像质量下降的问题。
发明内容
为了解决上述现有的问题，根据本发明的一方面，提供一种光电转换器，包括：形成在像素区内的第一导电类型的第一半导体区；形成在第一半导体区内的第二导电类型的第二半导体区，且其中可积累光生载流子；和穿过所述第二半导体区上的绝缘体形成的、并被保持在预定电位的导体。此外，在光电转换器中，导体由多晶硅制成。
根据本发明的另一方面，提供一种光电转换器，包括：形成在像素区内的第一导电类型的第一半导体区；形成在第一半导体区内的第二导电类型的第二半导体区，且其中可积累光生载流子；用于电连接第二半导体区和配置在所述像素区外部的电路元件的布线；以及穿过布线上的绝缘体形成的、并保持在预定电位的导体。此外，在光电转换器中，布线由多晶硅制成。
根据光电转换器，由于光接收元件在光电二极管扩散区上的部分被恒定电位的多晶硅屏蔽，因此外部噪声的影响可被抑制。同样，由于多晶硅对可见光具有一定程度的透射率，因此可以减少灵敏度的降低。同样，光电二极管的输出布线由多晶硅制成，其上的部分被恒定电位的AL所屏蔽。因此，可以抑制外部噪声的影响。
由于上述结构可由典型CMOS的AL单层工艺制成，因此可抑制成本。
附图说明
在附图中：
图1是根据本发明实施例的光电转换器的光接收元件的平面视图；
图2是沿图1的A-A’线的剖面视图；
图3是根据本发明实施例的图像传感器IC的示意图；
图4是根据本发明实施例的紧密接触型图像传感器的示意图；
图5是根据本发明实施例的光电转换器的电路原理图；
图6是根据本发明实施例的信号处理电路和光电转换器的时序图；
图7是根据本发明实施例的光电转换器的整体结构视图；
图8是根据本发明实施例的信号处理电路的框图；
图9是根据本发明实施例的采样保持电路的电路图；
图10是根据本发明实施例的缓冲电路的电路图；
图11是根据本发明实施例的放大电路的电路图；
图12是根据本发明实施例的减法器的电路图；
图13是根据本发明实施例的钳位电路的电路图；
图14是现有的光电转换器的光接收元件的平面视图；以及
图15是沿图14的A-A’线的剖面视图。
具体实施方式
图1是本发明中光电转换器的光接收元件的平面视图，图2是沿图1的A-A’线的剖面视图。
本发明的光接收元件具有：P型半导体衬底区60，为像素区51内的第一导电类型的第一半导体区；N型半导体区52，设置在P型半导体衬底区60内，作为其中积累了光生载流子的第二导电类型的第二半导体区；和用作导体的多晶硅56，其形成在N型半导体区52上，并保持在预定电位，用作绝缘体的LOCOS氧化膜59位于多晶硅56和N型半导体区52之间。多晶硅56通过接触63与AL55电连接，其作为VSS电位的光屏蔽器件。作为光电二极管扩散区的N型半导体区52可由N阱构成。光电二极管的输出通过构成电极的N+区54、通过AL布线53和多晶硅布线62，输入到电路58以复位光电二极管，并输入到源极跟随器电路57。电路58由NMOS晶体管等组成。电路57由PMOS晶体管等组成。
光电二极管的输出布线通过接触61从AL连接到多晶硅。VSS电位的AL55位于多晶硅布线62上。
光接收元件的半导体区52在积累的情况下处于浮置状态。因此，当所述区接收到外部辐射噪声时，其电位改变。
然而，如上所述，恒定电位的导电膜56位于光电二极管半导体区52上。因此，来自上述光电二极管的辐射噪声可被屏蔽。根据图1，尽管导电膜56没有完全地覆盖在光电二极管扩散区52上，也能充分地获得对噪声的屏蔽效果。
同样，当光电二极管的输出布线接收外部辐射噪声时，其电位也会改变，这类似于光接收元件的扩散区52。然而，如图1所示，作为恒定电位的导电膜的AL55位于光电二极管输出布线62上。因此，屏蔽来自上述光电二极管的辐射噪声是可能的。由于恒定电位的导电膜并不存在于光电二极管输出端53上，因此接收到辐射噪声的影响。然而，将输出端53做得尽可能短可以减小这种影响。
下面将参照图2描述这种制造方法。作为PMOS晶体管衬底的N阱形成于P型衬底上，和此形成同时地，形成光电二极管的N型半导体区52。该扩散区可以远离N阱形成。接着，形成LOCOS氧化膜59。紧接着，多晶硅导电膜56和多晶硅布线62与晶体管的栅极区同时形成。接下来，光电二极管的电极54与NMOS的源漏区同时形成。接着，形成中间绝缘膜64，并形成接触孔。接着，在形成AL布线的同时，形成AL55。然后，形成钝化膜65。
在上述说明中，P型衬底可被N型衬底代替，而且扩散区52和光电二极管电极54可被P型半导体代替。
如上所述，根据该实施例，可以不对典型AL单层CMOS工艺增加任何步骤来制造。
同样，导电膜56也可以不是多晶硅，可以是具有透射率的不同导电膜。例如，ITO等类似的导电膜可以形成于钝化膜65之上或之下。同样，导电膜56的电位也可以不是VSS，它可以固定在恒定电位。
图3是该实施例中的图像传感器IC的示意图。该图像传感器IC41设置有信号处理电路42，光电转换器43，参考电压电路44和信号输出端47。光电转换器43的公共信号线输入到信号处理电路42，并且信号处理电路42的输出连接到信号输出端47。
图4是设置有图3的图像传感器IC41的紧密接触型图像传感器的示意图。该紧密接触型图像传感器由3个图像传感器IC41组成。所有图像传感器IC41的信号输出端47外部地连接，并从VOUT2端输出到外部。
图8是根据本发明实施例的信号处理电路42的框图。输入到输入端VIN的信号被输入到采样保持电路21和缓冲放大器23。采样保持电路21的输出被输入到缓冲放大器22。缓冲放大器22的输出和缓冲放大器23的输出被输入到减法器24，而减法器24的输出被输入到钳位电路25。减法器24和钳位电路25的参考电压可以是公共的，并连接到VREF端。钳位电路25的输出被输入到缓冲放大器26。顺便提一下，缓冲放大器26可以被放大电路代替。并且，该放大电路的参考电压可以与VREF端是公共的。缓冲放大器26的输出被输入到采样保持电路27。采样保持电路27的输出被输入到缓冲放大器28。缓冲放大器28的输出被输入到传输门29。传输门29的输出被输入到输出端VOUT2。顺便提一下，传输门29可以不必依赖使用领域。
图9是根据本发明实施例的采样保持电路的电路图，它可用于采样保持电路21和采样保持电路27。采样保持电路由传输门30，虚设开关31和电容器C1组成。在该采样保持电路中，为了消除ΦSH脉冲和与其反向的ΦSHX脉冲的噪声，传输门30的NMOS和PMOS晶体管的尺寸被设定为相等，并且虚设开关31的NMOS和PMOS晶体管的栅极面积被设定为传输门的晶体管栅极面积的一半。
图10是根据本发明实施例的缓冲放大器的电路图，它由运算放大器32构成。该电路可以用于缓冲放大器22，23，26和28。顺便提一下，所述缓冲放大器可以是源极跟随器放大器。
图11是根据本发明实施例的放大电路的电路图，它由运算放大器32和电阻组成。如果使用该电路代替缓冲放大器26，信号处理电路的放大系数可以增大。同样，该放大电路的参考电压VREF与图1中的VREF端可以是公共的。
图12是根据本发明实施例的减法器的电路图，它由运算放大器32和电阻组成。该电路将电压乘以由电阻间的比例决定的增益倍数，其中电压INP减去电压INM，并以电压VREF为参考将其输出。如果输入到INP和INM的端被颠倒，则输出可相对于参考电压VREF颠倒。
图13是根据本发明实施例的钳位电路的电路图，它可用于钳位电路25。所述钳位电路由传输门30，虚设开关31和电容器33组成。在钳位电路中，为了消除ΦCLAMP脉冲和与其反向的ΦCLAMPX脉冲的噪声，传输门30的NMOS和PMOS晶体管的尺寸被设定为相等，并且虚设开关31的NMOS和PMOS晶体管的栅极面积被设定为传输门的晶体管栅极面积的一半。
图5是根据本发明实施例的光电转换器43的电路原理图。如图5所示的在光电转换模块的框架之内的部件根据像素的数目相应地安装，每个模块的通道选择开关107连接到公共信号线111。注意光电转换模块An表示第n位的光电转换模块。图7示出光电转换器43的整体结构视图。
该电路设置有：作为光电转换单元的光电二极管101；作为电荷传送单元114，115，116和117的传送开关；作为复位单元的复位开关102；放大单元103；保持光学信号的电容器113；保持作为光电转换单元参考的参考信号的电容器112；构成作为信号读出单元的MOS源极跟随器的MOS晶体管106；作为通道选择单元的通道选择开关107；公共信号线111；和电流源108。
顺便提一下，图1示出的平面图显示了图5中的光电二极管101，复位开关102，和放大单元103的一部分。图1中的扩散区52对应于图5中的光电二极管101，分别地，电路58对应于复位开关102，以及电路57对应于放大单元103的一部分。
复位开关102的一端连接到Vreset端，所有光电转换器101的Vreset端是公共的，如图3所示。放大单元103由MOS源极跟随器、电压跟随器放大器等组成，并且可以安装放大器使能端110来选择工作状态。
该光电转换器的输出端VOUT被输入到信号处理电路42的输入端VIN。光电转换器和信号处理电路可以形成于半导体衬底上。图6是根据本发明实施例的光电转换器43和信号处理电路42的时序图。光电转换器43的工作将参照该时序图描述如下。图6中的符号ΦR，ΦRIN，ΦSIN和ΦSEL在所有位中同时工作。符号ΦSO，ΦRO和ΦSCH以(n)一起表示，因为它们的工作时序根据位而不同。
首先，解释第n位的光电转换模块的工作过程。通过ΦSIN在位置S1的脉冲而开启传送开关15，进入光电二极管1的光产生的电荷积累之后所得到的光学信号被读出到电容器13。接着，当复位开关2通过ΦR在位置R2的脉冲而被开启时，光电二极管1的输出端Vdi固定在参考电压Vreset。然后，当复位开关2关断后，Vdi的电压是其中关断噪声加到Vreset上的值。
随后，紧接在复位开关2被关断后，通过ΦRIN在位置R2的脉冲将传送开关14开启，光电二极管1复位以后的参考电压被读出到电容器12。之后，光电荷积累到光电二极管1，电位Vdi相应于光电荷的数目而变化。这一积累周期是从ΦR的周期R2的结束到下一个循环的ΦSIN的周期S2的结束。因此，积累周期成为图6中的周期TS2，且对于所有的位，都是相同的周期。如果光电二极管在该周期中来自外部的辐射噪声，则光电二极管的电位改变。然而，由于本发明的结构，辐射噪声被屏蔽了，这使辐射噪声引起的光电二极管的电位变化很小。
读出参考信号和光学信号的工作过程描述如下。在图6中的积累周期TS2中，当通道选择开关7通过脉冲ΦSCH(n)被开启，且传送开关17通过脉冲ΦSO(n)同时被开启时，保持在电容器13中的光学信号被读出到公共信号线11。这一周期是ΦSCH(n)的部分S1。该光学信号是在周期TS1中积累的信号，且通过ΦR在位置R1的脉冲而复位的复位电压被定义为参考值。
接下来，当传送开关16通过ΦRO(n)的脉冲被开启时，保持在电容器12中的参考信号被读出到公共信号线11。该参考信号是被ΦR在位置R2的脉冲复位的信号。当信号处理电路在后一阶段提取光学信号和参考信号之间的差异时，就可提取到由光产生的电压差。
接下来，在ΦSCH(n)被关断后，当下一位的通道选择开关7通过ΦSCH(n+1)被开启，且下一位的传送开关17通过ΦSO(n+1)的脉冲被打开时，读出下一位光学信号的工作开始。第(n+1)位的其它脉冲从第n位的脉冲均被延迟ΦSCH的导通周期。
如上所述，VOUT端的输出是按所述顺序的第n位光学信号、第n位参考信号、第(n+1)位光学信号和第(n+1)位参考信号。下文中，为了方便起见，将光学信号的输出周期称为前一周期，参考信号的输出周期称为后一周期。
信号处理电路42的工作过程将描述如下。前述OUT端的输出被输入到VIN端。采样保持脉冲ΦSH1在光学信号开始输出后被开启，且它在光学信号结束之前被关断。因此，光学信号被采样保持。VIN信号和被采样保持后的信号被输入到减法器。在前一周期中，相同的光学信号被输入到减法器。在后一周期中，采样保持光学信号和参考信号被输入到减法器。因此，在前一周期中，减法器的输出变成VREF电平，而在后一周期中，它变成在光学信号和参考信号之间的差乘以增益倍数时的电平加上VREF电平后得到的电平。同样，在前一周期中，缓冲放大器22和23的偏移量和减法器24在输出上重叠，而在后一周期中，缓冲放大器22和23的偏移量和减法器24以及采样保持电路21的偏移量在输出上重叠。
clank脉冲ΦCLAMP增加，以致于在ΦSH1开启之前被开启，并且在ΦSH1关断之前被关断。因此，在前一周期中，clanking电路25的输出被钳位在VREF电平，且在后一周期中，它变成减法器的后一输出减去前一输出的电平加上VREF电平后得到的电平。结果，在钳位电路的后一周期中，缓冲放大器22和23的偏移量和减法器24在输出上不重叠。同样，采样保持电路21的偏移量很小，因为电路中ΦSH脉冲和与其反向的ΦSHX脉冲的噪声被消除。从上述描述看出，钳位电路在后一周期中的输出变成以VREF电平作为参考，加上在光学信号和参考信号之间的差异乘以增益倍数时的电平后得到的电平。
采样保持脉冲ΦSH2在参考信号开始被输出之前和之后被开启，并且它在参考信号结束之前被关断。因此，在输出被钳位后的后一周期中的输出被采样，并且在下一位的前一周期中保持。因而，输出电平可以长时间维持。
在上述实施例中，当光电二极管在周期TS2中执行积累操作时，读出在前一积累周期TS1的周期内积累的光学信号是可能的。因而，通过顺次接通RGB三色的LED来读入颜色图像数据是可能的。例如，在周期TS1中通过接通红色的LED来读入红色分量，在周期TS2中通过接通绿色的LED来读入绿色分量，在TS2的下一周期中通过接通蓝色的LED来读入蓝色分量，这些都是可能的。在这种情况下，红色光学信号在周期TS2内被读出。
在如上所述的本发明的图像传感器的说明中，信号处理电路42可以不内建在IC中。
虽然上述说明主要是针对线性图像传感器IC实施的，但图1和3的配置也可以适用于面型图像传感器IC。
在上述说明中，本发明不限于上述各实施例，在不偏离本发明精神的情况下，可以进行各种修改和实施。
本发明可用于线性图像传感器IC，其可应用于图像读取装置，例如传真和图像扫描仪，和其中安装了多个图像传感器IC的紧密接触型图像传感器。同样，本发明也可以应用于面型图像传感器IC。
Claims (3)
1.一种光电转换器，包括：
形成于像素区内的第一导电类型的第一半导体区；
形成于第一半导体区内的第二导电类型的第二半导体区，且其中可积累光生载流子；和
形成在所述第二半导体区上、并保持在预定电位的导体，在该导体和所述第二半导体区之间有第一绝缘体，在所述导体之上设有第二绝缘体；
其中设置了这样一种结构，使得电极区形成在所述第二半导体区中，通过接触连接到所述电极区的导体布线形成在所述第二绝缘体上，并且所述导体和所述导体布线在所述像素区内彼此不重叠。
2.根据权利要求1所述的光电转换器，其中所述导体包括多晶硅。
3.一种图像传感器IC，包括根据权利要求1至2中任一项所述的光电转换器。
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