CN100559599C - 有源像素上具有光电导体的图像传感器 - Google Patents

Abstract

一种具有金属氧化物半导体(MOS)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)光电导体的有源像素图像传感器。掺杂为PIN或NIP光电导层的薄半导体材料层位于MOS和/或CMOS像素电路上产生分层的光电二极管阵列。分层的光电二极管内产生的正、负电荷被收集并作为电子电荷储存于MOS和/或CMOS像素电路。本发明同时提供了附加的MOS或CMOS电路，用以读取该电荷并将其转换成图像。每个像素的分层光电二极管被制成位于MOS或CMOS像素电路顶部的连续的电荷产生材料层，因此其几乎可达到100%的装填系数的极小像素。MOS或CMOS的制造技术使传感器制造的成本可以非常低。于优选实施例中，所有的传感器电路与传感器像素电路一起整合于一单结晶基板内或上。同时亦揭示了设计传感器的频谱响应以适用特殊应用的技术。

Description

有源像素上具有光电导体的图像传感器

技术领域

本发明为美国专利申请号10/072,637(申请于2/5/2002)、10/229,953(申请于8/27/2002)、10/229,954(申请于8/27/2002)、10/229,955(申请于8/27/2002)、10/229,956(申请于8/27/2002)及10/371,618(申请于2/22/2003)的部份接续案(Continuation In Part，CIP)。本发明是关于一图像传感器，特别是关于基于MOS与CMOS的图像传感器。

背景技术

一典型的电子图像传感器是由大量的微小光检测器阵列组成，总称为一“像素阵列”。该传感器通常产生代表每个像素点的电信号，该电信号的振幅与阵列中每个检测器接收到的光强度成正比。电子照相机中的图像组件产生一场景的光图像且投影至像素阵列上，然后该电子图像传感器将该光图像转换成一系列电子信号。该电子照相机一般包含调整和处理该电子信号的组件，以将该图像转换成数字格式。这样一来，图像即可由数字处理器进行处理，以进行储存、数字传输或显示。多种半导体组件可以用来获取该图像，其包括电荷耦合组件(Charge Coupled Device，CCD)、光电二极管阵列和电荷注入式组件。最普遍的电子图像传感器是使用CCD检测器阵列将光转换成电子信号。CCD检测器已存在多年，且其技术已成熟并有良好发展。CCD的一最大缺点在于其与其它集成电路技术如金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor，MOS)或互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)技术不兼容，因此CCD阵列的处理电路必须设置于CCD组件外的芯片中。

现有另一类型的图像传感器是基于MOS或CMOS技术。该传感器通常在每个像素内具有多个晶体管。最常见的CMOS传感器设计是在每个像素单元(pixelcell)内设有光敏电路(photo-sensing circuitry)和有源电路(activecircuitry)，其称为有源像素传感器(Active Pixel Sensor，APS)。该有源电路由多个通过金属线(metal line)内部互联的晶体管组成。如此一来，对可见光不透光的电路所占据的区域不能作为光感测用。因此，每个像素单元一般包含光感测和非光感测电路。除与每个像素单元结合的电路外，CMOS传感器亦具有其它数字信号和模拟信号处理电路，例如取样和保持放大器(sample-and-hold amplifier)、模拟数字转换器和数字信号处理逻辑电路，其都被整合成一单片电路(monolithic)组件。像素阵列和其它数字和模拟电路均使用相同的基本制作流程加以制造。

使用CCD传感器的小型照相机一般需要消耗大量的能量(相较于具有CMOS传感器的照相机)，且需要高满摆幅(rail-to-rail)电压摆动以操作CCD。这会引起目前移动式电子装置的问题，如手机和个人数字助理(Personal DigitalAssistant，PDA)。另一方面，使用CMOS传感器的小型照相机可提供能量消耗的解决方案，然而因硅基板的浅接合(shallow junction)深度与其有源晶体管电路占据了宝贵的光感测所需面积，传统使用CMOS的小型照相机受限于上述CMOS有源像素传感器的固有特性，使得其光感测性不佳。

美国专利第5,528,043、5,886,353、5,998,794和6,163,030号是例示使用CMOS电路成像的现有技术。该专利已授权予申请者的雇主。第5,528,043号专利描述了在单芯片上使用CMOS阵列的具有读取电路的X射线检测器。在该例中，使用一单独的处理器处理图像。第5,886,353号专利描述一使用一氢化非晶硅层的一般像素结构，如p-i-n或p-n或者其它衍生物并结合CMOS电路用于该像素阵列。第5,998,794和6,163,030号专利描述了与一个像素底部的CMOS电路作电气连接的各种方法。所有上述美国专利将以引用的方式并入本文中。

将CMOS或MOS传感器与外部处理器进行整合会增加复杂性和导致生产成本的提高，故需要一种改良的图像感测技术，其相较于先前的传感器能够提供低成本、高品质、高性能和较小尺寸的图像传感器。

发明内容

本发明提供了一种设有MOS或CMOS光电导体的有源像素图像传感器。掺杂至PIN或NIP光电导层，且位于MOS或CMOS像素电路上的薄半导体材料层产生分层的光电二极管阵列。该分层的光电二极管内产生的正、负电荷被收集并储存于MOS或CMOS像素电路。其中决定与控制电路包含一处理器，其编程有一用于分析像素数据的一控制算法，且基于该数据控制自该传感器的信号输出。本发明亦提供了附加的MOS或CMOS电路以读取该电荷并将其转换成图像。通过每个像素的分层光电二极管加工为在MOS和/或CMOS像素电路顶部的电荷产生材料的连续层，极小的像素可能具有几乎100％的装填系数(packing factor)。利用MOS或CMOS的制造技术可使得传感器的制造成本非常低。在优选实施例中，所有传感器电路与传感器像素电路一起整合在单一结晶基板内或上。本发明亦揭示适用于特殊应用的传感器的频谱响应设计技术。例如，在优选实施例中，传感器的频谱范围能够调整为覆盖紫外线和近红外线以及可见光范围或者该广大范围的任意部分。本发明的一些优选实施例包括将像素间的串扰(cross talk)最小化的附加特征。该附加特征包括每个像素点中有一栅极偏压晶体管(gatebias transistor)，以维持每个像素的电荷收集单元于大致相同的电位(electrical potential)。在另外的实施例中，为增加其电阻，于围绕于电荷收集单元周围的半导体材料中掺杂碳。该实施例提供了高于50％的量子效率以及等于甚至低于几百微秒(microsecond)的极快响应时间。

在特定的优选实施例中，传感器是一具有5微米方形像素的30万像素阵列(3.2毫米×2.4毫米，640×480)，其与1/4.5英寸光学格式的镜头兼容。在该优选实施例中，传感器和聚焦光学组件集成于手机式照相机中，以允许在语音通信同时传输视频图像。结果造成低成本的照相机大批量生产，且可以做得非常小(例如，比人眼小)。高于30万像素的照相机大批量生产的成本计划将低于每台10美元。优选实施例亦包括具有高量子效率、快速响应时间，且具有大像素阵列的紫外线和红外线照相机，例如200万像素的高清晰度电视(highdefinition television)格式传感器。

附图说明

图1A和1B显示装配有照相机的手机，且该照相机使用本发明的CMOS传感器阵列；

图1C显示该照相机的部分详细数据；

图2显示使用本发明原理的CMOS集成电路的部分详细数据；

图3A是一具有使用本发明原理的一传感器阵列内的五像素的像素单元结构的局部截面示意图；

图3B显示一单像素的CMOS像素电路；

图3C显示一彩色滤光片的网栅图案；

图4是一具有光电二极管阵列的传感器的剖视图，该光电二极管阵列由CMOS电路组件的有源像素阵列上的光电导层组成；

图5是本发明的POAP传感器的第一实施例的一剖视图，以及一些相关的像素单元电路，其可用以支持一个PIN光电二极管结构；

图6例示一电路图，其可用于具有PIN光电二极管结构的单个像素单元；

图7例示一电路图，其可用于具有NIP二极管结构的单个像素单元；

图8与图8A是本发明的POAP传感器的一可选实施例的剖视图，其使用非连续光电导层设计；

图9是本发明的POAP传感器的另一可选实施例的剖视图，其使用沟道式光电导层设计；

图10是本发明的POAP传感器的另一可选实施例的剖视图，其使用图案型光电导层设计；

图11例示一六晶体管结构的电路图，其可用于具有PIN二极管结构的单个像素单元；

图12例示一六晶体管结构的电路图，其可用于具有NIP二极管结构的单个像素单元；

图13是本发明的POAP传感器的一可选实施例的剖视图，以及一些可用于支持NIP二极管结构的相关像素单元电路；

图14是一具有势垒层的传感器的第一实施例的截面示意图；

图15例示像素单元结构的局部剖视图，其可用于本发明的任何POAP传感器的实施例中；

图16A是一使用一金属垫的PBIN传感器的剖视图；

图16B是一PBIN传感器的一可选实施例的截面示意图；

图17A是本发明的POAP传感器的俯视图，显示一实施例的像素单元阵列与单传感器电路区域间的相互关系；

图17B是本发明的POAP传感器的俯视图，显示另一实施例的像素单元阵列与多传感器电路区域间的相互关系；

图17C是本发明的POAP传感器的俯视图，显示另一实施例的像素单元阵列与一四面传感器电路区域间的相互关系；

图18A是本发明的NIBP传感器的一实施例的剖视图；

图18B是一使用金属焊垫的NIBP传感器的一可选实施例的剖视图；

图18C是一NIBP传感器的另一可选实施例的剖视图；

图19是本发明利用非连续光电导层设计的POAP传感器的一可选实施例的剖视图；

图20是本发明利用沟道式光电导层设计的POAP传感器的另一可选实施例的剖视图；

图21是本发明利用图案式光电导层设计的POAP传感器的另一可选实施例的剖视图；

图22是本发明的PBIN传感器的一实施例的剖视图，以及一些可用于支持PBIN二极管结构的相关像素单元电路；

图23是本发明的一NIBP传感器的剖视图，以及一些可用于支持NIBP二极管结构的相关像素单元电路；

图24例示一六晶体管结构的电路图，其可用于具有PBIN二极管结构的单个像素单元；

图25例示一六晶体管结构的电路图，其可用于具有NIBP二极管结构的单个像素单元；

图26例示一电路图，其可用于具有PBIN二极管结构的单个像素单元，而不需使用栅极偏压晶体管；

图27例示一电路图，其可用于具有NIBP二极管结构的单个像素单元，而不需使用栅极偏压晶体管；

图28例示一五晶体管结构的电路图，其可用于具有PBIN二极管结构的单个像素单元；

图29例示一五晶体管结构的电路图，其可用于具有NIBP二极管结构的单个像素单元；

图30例示一操作流程图，其可用于制造本发明所示的一实施例的POAP传感器；

图31A至31F是显示制造步骤的局部剖视图，可用于制造本发明所示的一实施例的POAP传感器。

图中符号说明：

2A、2B手机

4镜头              8照相机护盖

4B、6照相机        10连接器

100、300、400、500、600、700、800、900、950、1000传感器像素阵列

102、802像素阵列

104、804读取和定时/控制电路

106滤光层          108电极层

110、112、114、340、350、345、860、865、870层

118像素电路        116电极

12镜头座           120电荷收集节点

122光感测结构      335导孔

14图像芯片         140数据分析电路

142图像处理电路    144决定和控制电路

146通信协议电路         148输入和输出接口电路

16电路板                246电容

250、248、260、360、410、411晶体管

256COL(输出)            262节点

310、810传感器基板

315、320、325、337、352、815互连结构

336金属线              342、344沟道

355透明传导层          370光电二极管

605、610、615、620、625、630操作

804、850电路区域       820中介电层

825、840导孔           830扩散区

835辐射吸收结构        836势垒层

845传导层              875金属化区域

876金属垫              885辐射吸收层

具体实施方式

第一优选实施例

具有有源像素传感器上的光电导体的单芯片照相机

本发明的一优选实施例是一具有由光电二极管阵列组成的传感器的单芯片照相机，该光电二极管阵列是由位于CMOS电路的一有源阵列顶部的光电导层构成。(申请者称该传感器为“POAP传感器”，POAP是Photoconductor On ActivePixel的缩写，即有源像素上的光电导体)。在该特定POAP传感器中，307,200个像素点排列成640×480的像素阵列，同时在光电导层上有一透明电极。该像素点是5微米×5微米大小，且其装填率几乎为100％。传感器的有源部份尺寸为3.2毫米×2.4毫米，较佳的镜头单元是一具有1/4.5英寸光学格式的标准镜头。该照相机的一较佳应用是作为图1A和图1B中的手机组件。在图1A中，该照相机是手机2A的一整体部分，而镜头则显示于图4A中。图1B中，相机6与手机2B分开并通过3针式连接器10相连接。该照相机的镜头显示在图4B中，图中标号8显示了相机的护盖。图1C是一方块图，其包含镜头4、镜头座12、图像芯片14、传感器像素阵列100、电路板16以及针式连接器10，用以显示图1B中照相机4B的主要功能。

CMOS传感器

该传感器像素阵列通过一有源像素阵列上的光电导体、读取电路、读取时序/控制电路、传感器时序/控制电路和模拟数字转换电路加以实现。该传感器包括：

1.一基于CMOS的像素阵列，包括640×480的电荷收集器与640×480的CMOS像素电路；及

2.一CMOS读取电路，包括模拟数字(A to D)转换和时序控制电路。

该传感器阵列与美国5,886,353号专利在技术背景中描述的可见光传感器阵列类似(特别见于文字第19至21栏及图27)，其将以引用的方式并入本文中。各种传感器阵列的详细说明亦描述于本说明书的第六页所列的专利，其亦将以引用的方式并入本文中。图2、3A、3B和3C描述该手机式照相机的较佳传感器阵列的特征。该传感器的一般布局是显示于图2中的标号100。该传感器包括像素阵列102及读取和时序/控制电路104。图3A显示了该像素阵列的一五像素部分的分层结构。

该传感器阵列覆盖有彩色滤光片(color filter)，每个像素只涂覆一种彩色滤光片以限制只有彩色频谱中的一成分能够传输通过。较佳彩色滤光片套件由三种宽带(broadband)的彩色滤光片组成，其传输峰值分别在450纳米(蓝光)、550纳米(绿光)和630纳米(红光)。对蓝光和绿光滤光片而言，该彩色滤光片的半高全宽(full width at half maximum)约为50纳米。红光滤光片一般允许近红外线的所有光线的传输。对于可见图像的应用，需要红外线截止(cut-off)滤光片用以调整红光响应的峰值在630纳米，且其半高全宽为50纳米。该滤光片用于可见光感测应用。如图3C所示，四个像素形成一四件式套组。四像素中的二个覆盖上传输峰值在550纳米的彩色滤光片，其称为「绿光像素」。一像素覆盖上传输峰值在450纳米(蓝光像素)的彩色滤光片，另一像素覆盖上传输峰值在630纳米(红光像素)的彩色滤光片。该二个绿光像素放置在该四件式套组的右上方和左下方。该红光像素置于该四件式套组的左上方，该蓝光像素则置于该四件式套组的右下方。该覆盖有彩色滤光片的四件式套组重复放置在整个640×480阵列。图3A显示了一顶部滤光层106，其中绿光和蓝光滤光片交替穿插于一列像素。

于滤光层下是一透明表面电极层108，其由大约0.06微米厚的铟锡氧化物(Indium Tin Oxide，ITO)层组成，其具导电性，且可见光在该层可进行传输。

光电导层

在图3A中，于传导表面电极层之下是一由三个子层组成的光电导层。最上面的子层为大约0.005微米厚的n型掺杂氢化非晶硅层110，其下方是大约0.5微米厚的非掺杂氢化非晶硅层112。该112层称为“本征(intrinsic)”层。除非光子照射，该本征层表现为具有高电阻率。在非掺杂层112下面是大约0.01微米厚，且具有高电阻率的p型掺杂氢化非晶硅层114。对N型掺杂而言，较佳的磷掺杂浓度大约在10²⁰原子/立方厘米范围内。对P型掺杂而言，较佳的硼掺杂浓度大约在10²⁰原子/立方厘米范围内。该三层氢化非晶硅层在每个像素电路上产生二极管效应。申请者称该层为N-I-P或P-I-N光电导层。

PIN和NIP层

本发明的一非常重要的要素是有源MOS或CMOS电路上的光导材料的本征层和掺杂层的布局。读者应该明白，上述层的放置顺序可以颠倒。即邻近透明上电极层108者可以为p型掺杂层，且该情况邻近下像素电极者可以为n型层。一本征层则位于p型层和n型层之间。大多数电荷对(charge pairs)是在本征层内产生。申请者于该说明书和权利要求中将以降序顺序进行引用，即p型层靠近该透明上电极层而n型层靠近像素电极，光电(photoelectric)层可为PIN光电层(或者PIN层)；在相反情况下，该配置将为NIP光电层(或者称为NIP层)。例如，图3A的实施例中所示光电层为NIP层，图4所示的实施例中则为PIN层。在下面一些实施例的详细说明中，申请者于p型层和本征层之间增加了一势垒层(与本征层相似，但更薄并且稍微掺杂了碳)，该光电层称为PBIN层或NIBP层。以下将详细描述布置该层的技术。

于该说明书详细描述的优选实施例中，所有光电层均是施以反向偏压，因此对于如图3A的实施例的典型NIP配置，于每个电荷储存(电荷累积)阶段前的重置操作期间，一如+3.3V的正偏压电荷加于透明上导电层，而像素电容则通过一重置晶体管接地。在电荷累积过程中，光电导层产生的正电荷流到电容246以提高其电位。快速反应晶体管读取该增高的电位。充电后或读取电容后，该电容通过一重置晶体管接地。该重置操作将像素电容(图3B中所示246)上的电压降低到大约0.7V的晶体管门限电压。

对于如图5和6中描述的PIN配置，在每次重置操作过程中，透明电极355接地而像素电容正向充电至大约2.7V。在该情况下的累积过程中，由PIN光电二极管层产生电荷所形成的负电荷电流将流向像素电容以进行部份放电。正电荷流向透明电极355后接地。在该情况下，像素电容上电压的降低是累积过程中像素所监测光照的测量值。当读取该电荷的降低电压后，该像素电容在重置步骤中再次被充电到2.7伏左右。

增加大约10²²原子/立方厘米的碳原子或分子至图3A中的层114以增加其电阻。这将像素点和其对应的空间分辨率损失之间的横向串扰减少到最小。该PIN光电导层不是利用光刻(lithography)进行图案化，而是均匀的薄膜结构(在水平面内)，这样简化了制造工艺。在该子层114内为307,200个4.6×4.6微米的电极116，其定义了较佳传感器阵列中的307,200个像素。电极116是由氮化钛(TiN)制成。电极116的正下方是CMOS像素电路118。在本文中，申请者称该电极116为“像素电极”或“收集电极(collecting electrode)”。该像素收集电极结合上层透明电极用于供给光电导层内的压降，使得光产生的电荷流至储存电容。图3B说明像素电路118中的组件。该CMOS像素电路118使用三个晶体管250、248和260。美国专利5,886,353详细描述一类似三晶体管像素电路的运作。该实施例中使用的电路是尽可能减少芯片面积。说明书第六页提到的申请专利详细描述了其它更精细的读取电路，且在本说明书后叙部分详细说明了其它实施例。如图3A所示，亦由氮化钛组成的像素收集电极116连接到图3B所示的电荷收集节点120。像素电路118包括收集电极116、收集电容246、源跟随缓冲晶体管(source follower buffer transistor)248、选择晶体管260及重置晶体管250。像素电路118以p型沟道晶体管作为重置晶体管250，以n型沟道晶体管作为源跟随晶体管248和选择晶体管260。COL(输出)256上的电压正比于收集电容246储存的电荷Q(输入)。通过二次读取该节点，其中一次是光照射后，另一次是重置后，其电压差正比于该光敏结构122监测到的光量。像素电路118的节点262处是正电压Vcc(典型值为2.5到5V)。′353号专利详细描述了该阵列的像素电路。’353号专利及本说明书的后续章节中的其它实施例详细描述了各种可能用于制造图3B传感器中组件的集成电路光刻技术。

照相机的其它功能

如图2所示的本优选实施例中，额外MOS或CMOS电路设置在用来收集电荷的相同结晶基板上，用于将电荷转化成电信号、放大该信号、将模拟信号转化为数字信号及数字信号处理。该传感器部分100输出的数据为数字形式并具有连续像素流。该传感器芯片区域包括一标准时脉产生功能(这里没有显示，但在背景部分中提到的’353号专利有详细描述)。从其中可知，信号代表帧(frame)的起始、线的开始、帧的结束，线的结束，且像素是分布于图像芯片的所有部分以同步化数据流。

环境分析电路(environmental analyzer circuit)：

传感器部分输出的数据输入到一数据分析电路140，在此进行图像的统计。该传感器区域以分割成孤立的子区域较佳，该区域内的均值信号与该区域内的单个信号进行比较以鉴别图像数据的特征。例如，光照环境的下述特性是进行测量：

1.图像平面中的光源亮度

2.白平衡(white balance)所需的光源频谱组成

3.成像目标的反射率

4.成像目标的反射频谱

5.成像目标的反射均匀性

将该测量的图像特征提供至决定与控制电路(decision and controlcircuit)144，且以不对数据分析电路140中通过的图像数据进行任何修改为佳。在本实施例中，被测量的图像特征包括所有像素中第一基本色信号的均值、第二基本色信号的均值、第三基本色彩信号的均值以及亮度信号的均值。该电路不会对数据进行任何修改，但将计算数据的统计值并将原始数据传递到图像处理电路(image manipulation circuit)142。同时也统计如最大值和最小值等其它统计信息。这些数值对于判定目标的反射率范围和光照情况非常有用。对于色彩信息的统计以在整个图像范围的基础上较佳，但是光照信号的统计在各个子图像区域的基础上较佳。执行上其允许使用加权平均以强调某一选定子图像区域的重要性，例如中心区域。

决定与控制电路：

决定与控制电路144使用从数据分析仪140接收的图像参数信号进行自动曝光和自动白平衡(auto-white-balance)控制，并评估所检测的图像的品质。基于该评估，控制组件为传感器100提供反馈信号以更改传感器所提供的图像数据的某些可调整方面。且控制组件为图像处理电路142提供控制信号和参数。该变化可基于子图像亦可基于整个图像。自控制电路144至传感器100的反馈信号为传感器元素提供有源控制(基板、图像吸收层以及读取电路)以将图像数据的特征进行最佳化。特别地，该反馈控制提供编程传感器的能力，以改变传感器元素的运作(或控制参数)。在相机输出数据之前，提供至该图像处理电路142的控制信号和参数可包括对图像数据的特定修正性改变。

图像处理电路：

图像处理电路142从数据分析仪接收图像数据，并考虑从控制模块接收的控制信号，从而提供一输出图像数据信号，其中的信号数据是基于一控制算法针对其参数进行最佳化。于该电路中，根据该算法图像数据是逐个像素进行处理，以使每个像素是由三个色彩要素所表示。色彩饱和度(color saturation)、色调(color hue)、对比度(contrast)、亮度(brightness)都可以进行调整以获得预期的图像品质。图像处理电路为每个像素，以及同种彩色滤光片的相邻像素提供色彩插值(interpolation)，以使每个像素能够由三个色彩成分所表示。这对于每个像素而言已经提供了足够的信息，因此传感器能够为每个像素产生人们能够感知的色彩。同时其也能够进行色彩调整，因而传感器的色彩响应间的任何预期差异和人类视角都可以得到最佳化。

通信协议电路：

通信协议电路146将从图像处理电路接收的图像数据重新组织，使其下行(down-stream)设备符合通信协议，如工业标准或专用标准。该协议可为串行位(bit-serial)或并行位(bit-parallel)格式。较佳地，通信协议电路146将图像处理数据转换成亮度和色度成分，如ITU-R BT.601-4标准所述。通过该数据协议，该图像芯片的输出可方便地使用于市场上的其它组件上。其它协议也可以用于特定应用中。

输入和输出接口电路：

输入和输出接口电路148接收来自通信协议电路146的数据，并将其转化成下行设备可以监测和认知的电信号。在该优选实施例中，输入和输出接口电路148提供电路以使得外部设备可以从图像芯片获得数据，并从图像芯片的可编程参数部分读写信息。

芯片封装：

该图像芯片是封装于一具有玻璃罩的8毫米×8毫米的塑料芯片载体(chipcarrier)。根据经济性和应用要求，其它型式和尺寸的芯片载体亦可加以使用。该玻璃罩可由其它型式的透明物代替。该玻璃罩可以涂有一抗反射层(anti-reflectance coating)或红外线截止滤光片(infrared cut-off filter)。在另一实施例中，如果该模块是由一安装图像芯片的基板所密封，且与镜头座组合于高洁净度的洁净室作为遮盖，则可不需该玻璃罩。

照相机

图1C中所示的镜头4是基于1/4.5″F/2.8的光学格式，并具有聚焦范围为3至5米的固定焦距。因为该芯片的尺寸较小，因此整个照相机模块可以小于10毫米(长)×10毫米(宽)×10毫米(高)，其实际上比人眼球还要小！如此小巧的模块非常适合于便携式电子装置，如手机。镜头座12由黑色塑料制成以防止光泄漏和内部反射。该图像芯片插入四面具有单向凹痕的镜头座，且当图像芯片插入并牢靠地拴紧时即提供一独立单元。该模块在8毫米×8毫米芯片载体上具有金属引线，其可焊接到典型的电路板上。

反馈和控制例

照相机曝光控制：

传感器100可以作为光检测器用以测定照明条件。因为传感器信号与每个像素检测到的光成正比，所以相机可以进行校正以产生一预设光位准(lightinglevel)下的“标称”信号。当信号低于该“标称”值时，意味着周围的“光位准”低于预期。为使电信号恢复到“标称”位准，像素的曝光时间和/或传感器或者图像处理模块中的信号放大系数可以自动调整。该相机可以编程为将整个图像划分成几个子区域，以确保操作的变化能够基于一子区域或者使在意的区域占有较大的权值。

照相机的白平衡控制：

该相机能够在任何“光源”下使用。每个光源可能有不同的频谱分布，结果导致在不同的光源下传感器的信号输出可能不同。然而用户可能希望在不同的显示设备上显示图像时，例如当打印于纸上或显示于阴极射线管(Cathode RayTube，CRT)显示器上时能够显示同样的图像。这意味着不同的光源(日光、闪光、钨丝灯泡等)都应该视为一白色物体。因为传感器具有主要彩色滤光片覆盖的像素，因此相机能够编程以测定由图像数据来的光源的相对强度。环境分析仪用以接收图像的统计数据并测定频谱成分，且在传感器操作或图像处理时进行必要的参数调整以产生一信号，其能够显示和人们在白光下感觉一样的图像。

其它POAP传感器像素单元阵列

具有减低串扰的POAP阵列

图4是具有减低串扰的POAP传感器300的优选实施例的剖视图。如图所示，传感器300包含一基板310和PIN层350、345及340，与图3A所示传感器相似(除了图3A中传感器的层顺序是相反以提供一NIP层外)。该图4中的传感器另包含连续形成于基板310之上且PIN层之下的底层、中间层和上层的互连结构315、320和325。在该实施例中，金属导孔(via)335是作为像素电极的用，其是通过多重互连结构而连接至下方的像素电路。传感器像素阵列的每个像素包括设置于基板310上的导孔335、互连结构315、320和金属线336。如将要在这里详细说明者，基板310包含像素单元电路。该实施例中的电路包括减低串扰的附加功能。

n型层340形成在与上层互连结构325相邻的位置。一i型层345形成于与n型层340相邻的位置，而p型层350形成于与i型层345相邻的位置。该p型层350、i型层345和n层340形成一PIN层，其与下面描述的其它元素一起构成PIN光电二极管传感器阵列，其在此亦称为像素传感器。PIN层区域通过导孔335以及金属化区域336电气连接到像素电路(图中没有显示)。一半透明的传导层355设置在p型层350的相邻位置。

底层和中间层互连结构315和320为标准的CMOS互连结构，其由非常薄的绝缘材料(如SiO2)组成并具有穿过绝缘材料的传导结构为佳。该CMOS互连结构包含图4所示的导孔335和金属化区域336并包含传导结构(没有显示在图中)，提供与图5中标号337所示互连结构下的像素晶体管的电气连接。上层互连结构325与315层和320层类似，但以厚一些较佳，以提供更高的可靠性和结构支撑。读者应该明白上述的层皆是通过众所周知的集成电路制造技术制造，而这些图(如图4)并不是要说明详细的工艺，例如金属化区域及导孔制造技术(例如导孔一般不放置于其它导孔的顶部)。然而，该图确实显示传感器的各种组件的一般互连型态。

PIN层350、345和340用感旋光性材料制造较佳，如氢化非晶硅。其它可能制造PIN层的材料包括非结晶碳、非晶硅碳化物、非晶锗和非晶硅锗。于优选实施例中，透明传导层355亦可以铟锡氧化物为材料。然而，其它传导性材料亦可使用以形成透明传导层355，包括锡氧化物、氮化钛、薄硅化物及其类似材料。保护层(没有显示于图中)亦可形成于该透明传导层355上。

传感器制造

可使用任何现有的CMOS(或MOS)制造技术制造本发明的传感器。例如，可以使用众所周知的0.25微米光刻技术。通过该0.25微米技术，可以制造4微米×4微米的像素单元，且具有几乎100％的填充系数。可使用该标准的光刻技术于硅晶圆上制造图3A标号118及图3B标号118所示的CMOS像素电路。

互连结构亦优先使用标准的集成电路技术。当图5所示的晶体管制成以后，于硅晶圆上设置厚度大约0.25微米的层以形成上述结构。例如，可通过溅镀(sputtering)一大约0.2微米厚的金属层，后接一光刻与刻蚀工序来制造该电极116。当利用蚀刻步骤将多余的金属除去后，该二氧化硅层315是通过CVD技术形成。通过使用光阻和蚀刻技术，可以产生导孔335所需的圆孔，然后使用溅镀技术将该圆孔填充传导材料，如钨。然后，使用化学研磨(chemicalmechanical polishing)技术对第一层315表面进行平坦化。然后，使用同样或者相同技术在第一层315上形成另一互连层320。类似地，第三层325形成于第二层上，每层大约为0.5微米厚。然后，通过PECVD技术增加光电导层并通过溅镀法增加顶部传导层。

本发明的POAP传感器可包含具有各式各样单独像素单元的像素单元阵列。例如，像素单元阵列的行、列都可以扩展或压缩以获得预期的阵列尺寸和配置(例如：120×160、256×256、512×512、1024×1024、2048×2048和4096×4096等)。然而，本发明并不限于特定尺寸或几何形状，而任何阵列配置可应用CMOS制造工艺以达到并包含最大像素密度的即可加以使用。本发明进一步考虑修改单个像素单元的尺寸，以及修改像素单元阵列的尺寸和几何形状，以适应任何可能存在的成本限制。

四晶体管POAP传感器电路

图5和图6显示使用四晶体管像素的POAP图像传感器的功能。特别地，每个像素单元包含第一优选实施例中描述的三个晶体管：一重置晶体管250、一个源跟随晶体管248和一个列选择晶体管260。在本实施例中，提供了一额外晶体管，即一栅极偏压晶体管360。晶体管360的栅极被一栅极电压Vcgb施以偏压。该晶体管360设置于像素电极116和电荷检测节点120之间。图6中，光电二极管370的入射光照于光电导层中产生正电荷和负电荷，其产生一有效电流Ipd。该有效电流Ipd部分地将电容346放电，而不会显著地改变像素电极116的电位。因此，栅极晶体管360在累积过程中有效地将像素电极330与电荷检测节点CS隔离开(即电荷聚集阶段)。然而，任何像素电路中流过的电流使电容246放电至与图3B电路相同的程度。

如图3B所示的传感器，其使用传统三晶体管像素单元配置，并不结合一栅极晶体管360，其将会感应与其各自接收光能量相关的电位差。结果导致与具有受限三晶体管配置的像素单元的相邻电极116可能感应大约100微伏特至1000微伏特的电位差(假设供电电压约3伏特)。该电位差的存在可能导致不希望的像素串扰，且可能增加像素模糊。因此，如果没有提供该栅极晶体管，可以考虑采用其它技术，如增加层114(图3A所示)或层340(图4所示)的电阻。如前述说明的，这可通过在该层增加碳来实现。

如图5和图6所示，晶体管250作为一重置晶体管，其栅极连接至列重置RST(图5)，其源极连接至栅极晶体管360。一源跟随晶体管248包含一连接至晶体管Mcgb的栅极。选择晶体管260包含一连接至列选择RSL(图5)的栅极，以及一连接至源跟随晶体管248的源极的汲极。在电荷累积过程中，入射光有效地打击光电二极管370，并产生一从电容246流向晶体管360的光电流。因此，该光电流将电容246放电到与光电二极管上入射光强度相关的程度。然而，如上所述，因为晶体管360上恒定的栅极电压，电极116上的电位并不会因为电容246的放电而显著地改变。

如前所述，本发明既可制作一PIN二极管亦可制作一NIP二极管结构。因此，任何具有一般技术者都会意识到使用图6所示一PIN二极管结构的单个像素单元电路能够调整以容纳一NIP二极管结构。该结构的例子如图7所示。图7例示一电路图，其可用于具有所示NIP二极管结构的单个像素单元。电路中所示的各种电子组件实质上与图5所示的PIN二极管结构相似，但其被调整以容纳NIP二极管结构。例如，如图所示的光电二极管370与图6中的相反。同时，重置晶体管250的栅极接收一表示为RST的反向重置信号，其通过重置晶体管250将电容246接地。藉此，在每次重置操作中，电容的电压下降至晶体管250的门限电压(大约0.7伏特)。在图7电路中，半透明电极层355上的电压VITO是维持一恒定供应电压，如3.3伏特。

本发明描述为具有一平面，或者实质上平整的光电导层(例如n型层340)。然而，本发明亦可能有其它的配置，且在本发明的考虑中。例如，传感器可修改成包括非平面光电导层。以下将通过图解方式描述本发明使用非连续、具沟道、具图案的光电导层配置的其它实施例。

非连续光电导层

参考图8，是本发明的POAP传感器的一实施例的剖视图，其以400为标示。传感器400在很多方面与传感器100和300相似，其可包含一基板310和形成于基板310(具有其像素电路)上的多层互连结构352。另外，传感器400另包含传导层355、p型层350、i型层345和n型层340。此外，基板310可包含像素单元电路，其是用以减少或消除像素串扰。传感器300和传感器400最下方的光电导层(例如PIN二极管中的n型层，或NIP二极管中的p型层)有一显著区别，其是关于与传导导孔335电气连接。特别地，传感器400显示为具有一非连续n型层340，其是由相邻像素电极335间的沟道342形成。典型地，因为本征层345的材料具有比n型层340更高的电阻率，该沟道配置提供相邻像素间额外程度的电气隔离。然而，因为传感器400的非连续n型层340可与前面描述的像素单元电路一起使用，该传感器在不实质降低填充因子的情况下能够将像素串扰减至更低。图8A显示了图8实施例的变体。与使用沟道相反，申请者使用一凸起的SiO₂壁垒以产生一非连续的n型层。该SiO₂壁垒能够像其它内部金属介电层一样沉积和蚀刻。

沟道层

参考图9，显示本发明POAP传感器的另一实施例的剖视图，其标示为500。传感器500在很多方面与传感器400类似。与在传感器400中使用的沟道设计一样，传感器500也包含一相邻像素电极335间的沟道344。然而，该沟道344并不同于沟道342(传感器400中)。传感器500中的n型层340为连续，这与传感器400中使用的非连续n型层不同。图9所示的沟道配置典型地通过增加n型层关联的相邻像素间的电阻来提供像素单元之间一定的隔离度。

图案层

参考图10，其显示本发明的POAP传感器的另一实施例的剖视图，其标示为600。传感器600在很多方面与传感器500类似，如包含一基板310和形成于基板310上的多层互连结构352。与上述其它传感器类似，传感器600另包含传导层355、p型层350和i型层345。然而，相对于其它传感器，该传感器600亦包含一图案化的n型层340，但其与传感器400和500所用的沟道设计不同。图10所示图案配置典型地于相邻像素单元之间提供一定程度的电气隔离。然而在某些应用中，单靠n型层340图案化提供的电气隔离可能不够。如果这样，那该传感器600可配置有上述包含栅极偏压晶体管(如图5中所示晶体管360)的像素单元电路，以获得所期望的像素单元隔离度。

可选结构

本发明使用的单个像素单元描述为一使用三晶体管或四晶体管的像素单元结构。然而，在本发明的考虑中亦可选用其它可替选结构。例如，应用于本发明的传感器的像素单元电路可包含二到六个晶体管，或者更多。以下通过图解方式说明可使用其它像素单元结构以维持像素电极阵列上更高的电位均匀性。

六晶体管像素单元

图11例示一六晶体管像素单元的电路图，其可用于具有PIN二极管结构的单个像素单元。图11所示电路在很多方面与图6所示相似。然而，与图6设计相比，图11中的电路包含二个额外的晶体管(即Mpg和Mtf晶体管)。于图11中，晶体管Mcgb由一恒定的栅极电压Vcgb产生偏压，故像素电极阵列的每个电极116能够维持于大致相同的电位。该重置晶体管Mrst、源跟随晶体管Msf、列选择晶体管Mrsl以与门极偏压晶体管Mcgb与上述的四晶体管像素单元(图6)功能相似。一第五晶体管Mpg 410，即光栅(photogate)晶体管，可能作为一MOS电容以储存光子产生的电荷载子(例如电子)。一第六晶体管Mtf 411，即该传输晶体管，可用以把晶体管Mpg下储存的电荷传送至电荷检测节点CS。相对于较少个数的晶体管配置(如四晶体管像素单元)，使用一六晶体管像素单元的一优点在于该六晶体像素单元结构允许进行一关联的双取样(double sampling)，而显著降低了像素读取噪声。

为降低于CMOS传感器读取电路中像素点之间的固定图案噪声，使用一种称为双取样的通用技术。在该技术中，每个像素的重置参考电压可被读取，且被从该光信号电压中减去，用以消除由于设备不匹配而引起的偏移电压，其于每个像素点间可能不同。然而每次重置操作常会引入一瞬时噪声，一般称为KTC噪声。例如，在四晶体管像素单元中，电荷储存节点(储存光子产生的电荷载子的节点)和电荷检测节点(将电荷转化为电压输出的节点)通常为同一节点。如此一来，每个像素单元的电荷检测节点上的重置参考电压只能在光信号电压被读取后才能读取(否则储存的光电荷将会被清除)。因此，重置参考电压与光信号电压无关。因此，与信号电压关联的KTC噪声不能够在四晶体管设计中得到消除。这样执行的双取样一般称为非关联双取样。虽然非关联双取样可能降低像素点间的固定图案噪声，但一般不能降低KTC噪声，且在很多情况下其反而会增加KTC噪声。另一方面，就一六晶体管像素单元来说，传输晶体管Mtf有效地将电荷储存节点(Mpg的栅极下的MOS电容)和电荷检测节点CS隔离。在电荷累积过程中，光栅极晶体管Mpg可能以深耗(deep depletion)模式产生偏压(对NMOS来说即Vpg＝Vdd)并且断开传输晶体管。在电荷累积结束时，一来自晶体管250的重置脉冲可将电荷检测节点CS重置。然后，先使用晶体管248和260读取电荷检测节点上的重置参考电压，接着可接通传输晶体管411且Mpg410的栅极电压脉冲进入累积模式(对NMOS来说，Vpg＝0)以将储存的光电荷转储到电荷检测节点，从而能够读取光信号电压。因为该重置参考电压包含与光信号电压中同样的KTC噪声，重置参考电压从光信号电压中外部减去即一般能够完全消除KTC噪声。该操作称为关联双取样。由于额外的二个晶体管，该六晶体像素单元配置一般需要比四晶体管像素单元更大的像素单元面积。然而，即使需要更大的像素单元，该六晶体管像素单元配置在需要降低像素间固定图案噪声且同时需要实质摆脱KTC噪声的应用中非常有用。

图12例示一六晶体管像素单元的电路图，可用于具有NIP二极管结构的单个像素单元。该电路所示的各种电子组件与图11所示PIN二极管结构基本上相同，其变化是可容纳一NIP二极管结构。例如，图11显示一能与一PIN POAP传感器结构一起使用的六晶体管像素单元，该电容器246在累积过程中通过光电二极管370放电，且将电荷的降低测量为读取电压。相反地，图12显示一能与一NIP POAP传感器结构一起使用的六晶体管像素单元，该电容器246在累积过程中通过光电二极管370充电，且将电荷的增加测量为读取电压。另外，图12所示的六晶体管像素单元包含反向PG、TF和RST信号，与图11所示的PIN二极管结构使用的非反向PG、TF和RST信号相反。

四晶体管NIP结构

图13是本发明一实施例的一剖视图，其标示为700。传感器700包括的结构在很多方面与使用于例如传感器300(图5)的类似。特别地，传感器700包含一多层互连结构，该多层互连结构包含于基板310上形成的层315、320和325。然而，传感器700包含一NIP二极管结构，与图5中传感器300所示PIN二极管配置相反。传感器700及其它任何传感器实施例可能配置有另外的晶体管，以满足上述的特殊设计需要。

势垒层和内层介电层(Interlayer Dielectric，ILD)

图14是一传感器800的剖视图，该传感器800包含一位于上述PIN光电二极管结构内的势垒层836以产生一PBIN光电二极管结构。该传感器亦包含一在互连结构下的特殊内层介电层820。如图所示，该传感器800包含一基板810(包含上述像素电路)及一形成于该基板810(包含上述像素电路)上且位于互连结构815下的内层介电层820。该实施例亦包含一制作于基板中的扩散区830，其为导孔825提供电气接触位置。该扩散区是以P或N型掺杂材料向硅基板区域扩散为佳，以使得该区域具有传导性。p型层和i型层间的额外势垒层836提高了通过光电导电路的电流传导性。其厚度以小于50埃较佳，且可由与i型层相似的材料组成，但具有小比例碳。申请者的实验显示于势垒层中加入非常少量的P型掺杂或可提高光电导电路的性能。额外的内层介电层820是与层815类似的非常薄的绝缘层。然，在优选实施例中，在制成该晶体管之前是先应用一热工艺于硅晶圆(以产生非常薄的高品质SiO₂层)。层815的SiO₂材料是由CVD技术进行披覆较佳。提醒读者，层820、815、825和830的生产是跟随业界标准集成电路制造工艺。

图15显示了一可被本发明的任何传感器实施例应用的像素单元结构的更详细视图。特别地，图15显示具有一透明传导层845的单个像素单元的上面部分。该透明传导层845邻近于PBIN辐射吸收结构835形成，该PBIN辐射吸收结构835的另一面紧邻于该多层互连结构815的上表面。该多层互连结构815显示具有三个不同层860、865和870。该互连结构815的每个层都可包含介电材料(如氧化硅、氮化硅或替他类似材料)作为绝缘材料以隔绝各种层内金属导体、金属化区域873、导孔840、825以及其它金属晶体管的连接(未显示于图中)。该导孔和金属化区域提供至扩散区域830的电气连接，且其与光电导层接触以作像素电极用。

金属垫

图16A是一使用像素单元结构的传感器的截面示意图，其以标号900表示。相对于图15中的传感器，该传感器900包含与导孔840电气连接的金属垫876。该金属垫876可结合导孔840一起用于提供辐射吸收结构835(例如，PBIN配置中的底部n型层，或NIBP分层设计中的底部p型层)和扩散区域830之间的更好电气连接。该金属垫876可由一合适的传导材料，如氮化钛或钨形成。

可选金属垫设计

图16B是一使用像素单元结构的传感器的截面示意图，其以标号950表示。该传感器950并不使用一互连结构815，也不使用一内层介电(ILD)层820，其是应用于本发明的其它很多传感器设计中。在说明的PBIN配置中，通过一扩散区域830阵列和一金属垫876阵列可定义一电荷收集像素电极阵列。

附加电路

图17A显示根据本发明的一些优选实施例的像素单元阵列802和电路区域804间的相互关系。于该图中，传感器800显示具有一单个像素的像素单元阵列(N×M)。特别地，电路区域804被隔离至该区域只占有传感器800一个单侧的程度。电路区域804包含用于支持和传感器800关联的像素单元阵列的读取和控制电路。例如，电路区域804亦可制成包含模拟数字转换器(ADC)、数字信号处理器(DSP)、时序和控制电路以及提供图像处理支持的电路。电路区域804另可包含RF电路以满足无线图像器中的图像数据传送和接收要求。本发明的POAP传感器可包含一像素单元阵列，其具有大范围的单个像素单元。例如，(N×M)像素单元阵列的列、行都可以各自扩展或者压缩以达到所预期的阵列尺寸和配置(例如，120×160、256×256、512×512、1024×1024、2048×2048、4096×4096等)。然而，必须明白本发明并不局限于特定的阵列尺寸或者几何形状，而任何阵列配置可应用CMOS制造工艺以达到并包含最大像素密度者即可加以使用。且本发明可进一步考虑修改单个像素单元的尺寸，以及修改像素单元阵列的尺寸和几何形状，以容纳可能存在的任何镜头成本限制。

图17B至C显示了可使用于本发明POAP传感器中的附加配置。图17B显示于二个电路区域850之间布置有一(N×M)像素单元阵列的传感器800，而图17C显示了具有一(N×M)像素单元阵列的传感器800，其由电路区域804围绕整个像素单元阵列制造。图17A至C中所示像素单元阵列和电路区域的安排提供了能用于各种不同应用的传感器。例如，传感器模块可通过缩放使用图标的一个或多个传感器配置的若干个单个传感器制造。可以了解的是，图17A至C中所示的电路区域配置可由此说明的任何传感器设计所使用。

NIBP POAP传感器

图18A是本发明的一可选实施例的传感器的剖视图，其是由标号1000表示。传感器1000包含在许多方面和可能使用的传感器相似的结构，例如，传感器100(图14)，除了本例，辐射吸收层885为一NIBP结构而非一PBIN结构。图18B和图18C是使用具有金属垫的像素单元结构的传感器的截面示意图。除了辐射吸收层为PBIN外，该传感器在许多方面和图16A和图16B所示的传感器和像素单元阵列相似。

其它传感器结构

本发明其它的优选实施例如图19至29所示。图19是本发明利用非连续光电导层设计的POAP传感器的一可选实施例的剖视图。图20是本发明利用沟道式光电导层设计的POAP传感器的另一可选实施例的剖视图。图21是本发明利用图案式光电导层设计的POAP传感器的另一可选实施例的剖视图。图22是本发明的PBIN传感器的一实施例的剖视图，以及一些可用于支持PBIN二极管结构的相关像素单元电路。图23是本发明的一NIBP传感器的剖视图，以及一些可用于支持NIBP二极管结构的相关像素单元电路。图24例示一六晶体管结构的电路图，其可用于具有PBIN二极管结构的单个像素单元。图25例示一六晶体管结构的电路图，其可用于具有NIBP二极管结构的单个像素单元。图26例示一电路图，其可用于具有PBIN二极管结构的单个像素单元，而不需使用栅极偏压晶体管。图27例示一电路图，其可用于具有NIBP二极管结构的单个像素单元，而不需使用栅极偏压晶体管。图28例示一五晶体管结构的电路图，其可用于具有PBIN二极管结构的单个像素单元。图29例示一五晶体管结构的电路图，其可用于具有NIBP二极管结构的单个像素单元。

POAP传感器制造

图30例示一用于制造POAP传感器的操作流程图。本发明实施例的POAP传感器的形成请参考图30所示的操作，以及图31A至F所示的传感器制造阶段进行说明。在图30中，第一操作605是提供一具有电气传导扩散区830(图31A)阵列的基板810。在该优选实施例中，像素电路单元包含放置于基板上并连接至扩散区830的至少二个晶体管。接着，于操作610中，形成一内层介电层820(ILD)，其是具有由接触沟道(contact)825所形成的阵列。该接触沟道825与扩散区830(图31B)所形成的阵列中的一扩散区830相连。于操作615中，一多层互连结构815形成于ILD层820(图31C)之上。多层互连结构815内的传导导孔840可由一合适的电导材料形成，如钨、铜、铝、或者其它使用于众所周知的集成电路制造技术中以生成导孔的类似材料。一般的传导导孔840由CVD工艺形成，然亦可使用其它技术(如溅镀)。连接像素电路元素的金属导体亦可能包含于该多层互连结构的中。于可选的操作中，一金属垫876可图案化制作而相邻于互连结构815。这样传导导孔840和光电导层835(图31D)之间的电气连接将得到改善。于下一操作中，各单独的PBIN层连续地沉积于互连结构815上，以形成该辐射吸收结构835(图31E)。或者，在需要一NIBP二极管结构的情况下(如图18A所示的传感器1000)，各个单独的NIBP光电二极管层连续地沉积于互连结构815上以形成辐射吸收结构。一般而言，辐射吸收结构835中各层的沉积是利用PECVD工艺完成。再者，可了解的是，根据一个实施例，因为并不需要将一个或者多个层加以图案化(如PBIN二极管结构中的底部N层)，辐射吸收结构835能够于一连续沉积过程中形成。一透明传导层845可能沉积于辐射吸收结构835(图31F)的顶层上。该透明传导层845为辐射吸收结构835的顶层(如PBIN二极管结构的p型层，或者NIBP二极管结构的n型层)提供接地或者至一电压源的电气连接。该透明传导层845可能通过反应溅镀法沉积。透明传导层845可通过蒸镀形成。然而，如果透明传导层845是由氮化钛形成，此时一般使用CVD或溅镀技术。

应用、其它特点和变异

此处所显示者均被认为是本发明的优选实施例，然，显然熟知本项技术者可以进行各种修改和变化，而不偏离本发明的范围和精髓。

应用

一使用该POAP传感器结构的具有适当配置的传感器单元能够使用于各种应用中，包括照相机、机器视觉系统、车辆导航系统、视频电话、计算机输入设备、监视系统、自动对焦系统、星是追踪、动作监测系统、图像稳定系统、扫描仪及其它类似设备。

使用该种设备能够受益的人包括：法律施行、医疗、火警部门、紧急服务和搜救行动，以及军事和情报团体。另外的应用包括：非破坏性检测、预防性维护操作、商务安全应用以及汽车业，例如，为司机提供低亮度视觉增强设备。

掺杂

本发明的传感器的各层的掺杂可通过众所周知的半导体制造工艺加以实施。该工艺可用于形成具有掺杂梯度的层，例如，掺杂浓度将随层深度的变化，或者具有突然变化的掺杂浓度。该掺杂梯度或者掺杂剖面可为某一特殊传感器设计进行最佳化。虽然已说明若干个用于制造辐射吸收结构835的合适材料的例子，然本发明并不限于此。

于优选实施例中，申请者使用等离子增强型化学汽相沉积(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，PECVD)技术以产生NIP光电二极管层，该技术在业界是众所周知者。我们首先成长一p型层，该p型层与像素垫接触，其薄膜使用的p型杂质是硼。为增加电阻率，我们亦可于p型层掺杂碳原子/分子。硼掺杂浓度是10²⁰-10²¹原子/立方厘米的数量级。而碳原子/分子是10²¹-10²²原子/立方厘米的数量级。本征层最好仅含有硅原子和氢原子，氢原子的浓度最好为10²¹-10²²原子/立方厘米的数量级。当然，在薄膜中亦可能有一些非预期的杂质。与ITO接触的n型层应仅含有n型杂质和氢原子。于本例中，该n型杂质为浓度10²⁰-10²¹原子/立方厘米数量级的磷。于p型层和n型层中，氢原子的目标浓度是10²¹-10²²原子/立方厘米的数量级。

保护层

透明传导层845(图31F所示)可由铟锡氧化物(ITO)、氧化锡、氮化钛、薄硅化物或其它类似材料制成。一保护层(没有显示于图中)可于透明传导层845上形成。该保护层可提供机械保护、电气隔离，以及提供抗反射特性。

缺陷校正电路

缺陷校正电路可加以使用。该电路的目的是消除视频流(video stream)中的「单个像素缺陷」或「小集组缺陷」，而不需事先确定缺陷位置。该电路的工作原理是将传感器编程为检查某个像素以及其最邻近的像素，且将该像素点的值与该区域的标准值比较。如果该像素点的值比经验判定的标准门限值高或低，则该像素点将被认为「有缺陷」，而该像素点的值将由标准值取代。该技术可消除缺陷点，然而如信息为仅一个像素的宽度(虽然此状况非常不可能发生于正常的照相机应用)，则真实的信息亦会被消除。该电路可潜在地实质改进传感器的合格率(yield)，因现在和可预见的将来的制造工艺的合格率损失是「单像素缺陷」引起。

微晶硅

于优选实施例中，制造辐射吸收层(即PIN、NIP、PBIN或者NIBP层)的基本材料是微晶硅(mc-Si)和微晶硅(锗)而不是非晶硅。结果将频谱响应宽度从非晶硅的350纳米至750纳米提高至微晶硅的300纳米至1000纳米和微晶硅(锗)的300纳米至1200纳米。采用微晶硅或微晶硅(锗)的另一优点是提高至少10倍的反应时间，这样能于KHz帧速率的传感器中取得领先。

高清晰度电视(HDTV)传感器

针对一2百万像素的高清晰度电视的传感器，申请者集合二独特的电路，一是「列模拟数字转换器(column ADC)」，另一个是「双差异取样(delta-doublesampling，DDS)」电路。在一较佳传感器中，每列(该较佳传感器具有1920行(column)×1280列(row))是提供一模拟数字转换器。该列模拟数字转换器的用途是缓解模拟数字转换器的取样速率。一2.1百万像素的阵列以30赫兹、10位执行即表示单个模拟数字转换器需每秒执行60M的10位样本。这会使模拟数字转换器处于最尖端的设计和制造技术。通过使用「列模拟数字转换器」，申请者能以列数目降低取样速率，本例中为1920。因此申请者可缓解模拟数字转换器的取样速率要求，且在其它电路上使用相同的CMOS技术。而DDS电路连续转换二信号，一个是真正的信号，另一是每个像素的参考输出。申请者的电路将该二信号转换成数字值并用该二信号的差值代表真正的视频信号。该电路是为了将像素中的电荷储存电容和列模拟数字转换器输入之间的任何偏移量(由于电路或工艺的不均匀性)减小至最小。该DDS电路能提高均匀性并缓解对制造技术的均匀性要求。

小相机的应用

本发明的实施例提供了一种潜在的相机，具有非常小的尺寸、非常低的制造成本和非常高的品质。一般而言，于尺寸、品质和成本之间会有一些牵制，然随着在几美元成本范围内的大量生产、毫米大小的尺寸和以百万像素或十万像素者衡量的图像品质，本发明可应用的范围非常广泛。除手机外，其它潜在的应用列举如下：

-模拟摄录相机

-数字摄录相机

-安全照相机

-数字照相机

-个人计算机照相机

-玩具

-内视镜

-军用无人飞机、炸弹和飞弹

-体育器材

-高清晰度电视传感器

因相机可做得比人的眼球小，本发明的一实施例是做成人眼形状的照相机。因其成本很低，该眼球相机可并入到许多玩具和新产品当中。可附加一电缆作为光学神经以从一监视器(如个人计算机监视器)获取图像数据。该眼球相机可并入玩具娃娃或人体模型中，且甚至装上转动组件以及一反馈电路，因此该眼球能够于其视觉范围内移动。如果不用电缆，图像数据亦可通过手机技术进行无线传输。该小尺寸的照相机允许和一手机式传送器一起装在职业足球运动员的头盔中，这样，电视迷们可以像运动员一样观看职业运动员们的动作。事实上，具有一传送器的相机甚至可装在足球上，这样能够提供一些非常有意思的动作视图。上述仅是该微小、廉价、高品质相机的成千上万种潜在应用的例子。该小型相机可在没有镜头情况下用以监控光强度轮廓，以及输出其强度和轮廓的变化，这一点在光通信应用中至关紧要。因为这需要检测光束轮廓以获得最高的传输效率。当用其它光传感材料代替非晶硅时，该相机能用于将光传感(light sensing)扩展至可见光外。例如，人们可使用微晶硅(锗)将光传感扩展至近红外光范围，其相机非常适合夜视。我们在优选实施例中使用这样一种封装，传感器是安装于一芯片载体上面，并按合于一镜头外壳。人们亦可改变装配顺序，首先将该传感器焊接至一传感器底板上，然后将具有镜头的镜头支架覆盖该传感器并机械式地固定至PCB板上以生产照相机。对熟悉此项技术者来说，其仅是本发明的一自然改变。

本发明的其它应用

除上述说明的应用外，一使用POAP传感器结构并合理配置的传感器单元亦可使用于许多应用当中，如机器视觉系统、车辆导航系统、视频电话、计算机输入设备、监视系统、自动对焦系统、星是追踪器、动作监测系统、图像稳定系统、扫描仪以及其它类似设备。受益于使用该设备的包括法律施行、医疗、消防部门、紧急服务和搜救行动，以及军事和情报机关。另外的应用包括非破坏性检测、预防性维护操作、商务安全应用，以及汽车业，例如为司机提供低亮度视觉增强设备。

其它变化

该透明层可由非常薄的导体组成的网栅代替。图2所示的读取电路和照相机电路140至148可部分或者整个位于CMOS像素阵列下，以制造非常微小的照相机。该CMOS电路可部分或者完全由MOS电路所取代。图2所示的一些电路140至148可位于一块或者多块芯片上，而非位于具有传感器阵列的芯片上。例如，如同时将电路144和146分开为制作于一单独的芯片上或者一单独的处理器内将具有成本优势。像素的数目可从0.3兆像素点增加或减少而几乎可以不受限制。

因此，本发明的保护范围应由以下的权利要求及其法律上的等同所决定。

Claims (34)

1.一种有源金属氧化物半导体(MOS)或互补式金属氧化物半导体(CMOS)传感器，其特征在于包含：

A)一结晶基板；

B)一电荷产生光电导层，包含至少二电荷产生材料层，用于将光转换为电荷；

C)若干个MOS或CMOS像素电路，其定义若干个像素，且制造于该电荷产生光电导层之下的结晶基板中，该各像素电路定义一像素且包含：一电荷收集电极、一电容及至少二晶体管，该像素电路用以收集与读出该电荷产生材料层产生的电荷；

D)一表面电极，其为透明层或网栅型式，且位于该电荷产生材料层上；

E)一电源，用于提供一跨越该电荷产生光电导层的压降。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于该若干个MOS或CMOS像素电路是若干个CMOS像素电路。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于一金属垫是作为各像素的电荷收集电极用。

4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于该若干个像素是至少十万像素。

5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于进一步包含与该有源传感器相同的结晶基板内或之上的附加MOS或CMOS电路，用以将该像素电路读出的电荷转换为图像。

6.如权利要求1所述的传感器，其特征在于该电荷产生材料层包含一p型掺杂层、一本征层及一n型层。

7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于该表面电极由铟锡氧化物(ITO)组成。

8.如权利要求6所述的传感器，其特征在于该n型层是相邻该表面电极，而该p型层是相邻该电荷收集电极。

9.如权利要求6所述的传感器，其特征在于进一步包含一介于该p型层与本征层间的势垒层。

10.如权利要求8所述的传感器，其特征在于该p型层包含碳原子或分子。

11.如权利要求1所述的传感器，其特征在于该若干个像素电路的各像素电路包含一栅极偏压晶体管，用以将该电荷收集电极自该电容分离。

12.如权利要求6所述的传感器，其特征在于该若干个像素电路的各像素电路包含一栅极偏压晶体管，其将该电荷收集电极自该电容分离。

13.如权利要求12所述的传感器，其特征在于该栅极偏压晶体管保持一恒定电压。

14.如权利要求1所述的传感器，其特征在于进一步包含一互连结构，形成于该结晶基板之上及该电荷产生光电导层之下。

15.如权利要求14所述的传感器，其特征在于该互连结构包含至少二子层，各子层包含导电导孔，用于电气连接该若干个像素电路与该电荷产生光电导层。

16.如权利要求1所述的传感器，其特征在于亦包含制造于该结晶基板上的数据分析电路。

17.如权利要求16所述的传感器，其特征在于亦包含制造于该结晶基板上的图像处理电路。

18.如权利要求17所述的传感器，其特征在于亦包含制造于该结晶基板上的决定与控制电路。

19.如权利要求18所述的传感器，其特征在于亦包含制造于该结晶基板上的通讯电路。

20.如权利要求1所述的传感器，其特征在于该传感器是一照相机的整体部分，该照相机通过一缆线连接于一手机。

21.如权利要求1所述的传感器，其特征在于该表面电极是由一铟锡氧化物层组成。

22.如权利要求1所述的传感器，其特征在于该至少二电荷产生层主要包含氢化非晶硅层。

23.如权利要求1所述的传感器，其特征在于该至少二电荷产生材料层是由微晶硅或微晶硅锗组成。

24.如权利要求1所述的传感器，其特征在于另包含一保护层。

25.如权利要求1所述的传感器，其特征在于另包含用于定位缺陷像素，及为该缺陷像素替换正常数据的电路。

26.如权利要求1所述的传感器，其特征在于该传感器位于一手机内的照相机的一整体部分。

27.如权利要求1所述的传感器，其特征在于另包含一位于该表面电极顶部的一彩色滤光片的阵列。

28.如权利要求27所述的传感器，其特征在于该彩色滤光片是由红、绿及蓝滤光片组成，该滤光片依二绿色、一红色及一蓝色的四件式套组配置。

29.如权利要求1所述的传感器，其特征在于该传感器是一制作成一人眼球形状的照相机的一部分。

30.如权利要求18所述的传感器，其特征在于该决定与控制电路包含一处理器，其编程有一用于分析像素数据的一控制算法，且基于该数据控制自该传感器的信号输出。

31.如权利要求30所述的传感器，其特征在于该处理器通过调整像素照明时间控制信号输出。

32.如权利要求30所述的传感器，其特征在于该处理器通过调整信号放大以控制信号输出。

33.如权利要求1所述的传感器，其特征在于该传感器是一结合至一设备的照相机的一部分，该设备选自下列群组：

-模拟摄录相机；

-数字摄录相机；

-安全照相机；

-数字相机；

-个人计算机照相机；

-玩具；

-内视镜；

-军事无人飞机、炸弹、飞弹；

-运动器材；及

-高清晰度电视传感器。

34.一具有MOS或CMOS有源传感器阵列的照相机，利用由光产生的电荷产生电子图像，其特征在于该照相机包含：

A)一结晶基板；

B)一电荷产生光电导层，包含至少二电荷产生材料层，用于将光转换为电荷；

C)若干个MOS或CMOS像素电路，制造于该电荷产生光电导层之下的结晶基板中，该各像素电路包含：一电荷收集电极、一电容及至少三晶体管；该像素电路用以收集与读出该电荷产生光电导层产生的电荷；

D)一表面电极，其为透明层或网栅型式，且位于该电荷产生层之上；

E)一电源，用于提供一跨越该电荷产生光电导层的反相偏压；

F)在具有所述有源传感器阵列的相同结晶基板内和/或上的附加MOS或CMOS电路用以将该电荷转换为图像；

G)在具有所述有源传感器阵列的相同结晶基板内和/或上的附加MOS或CMOS电路用以进行时序和信号同步化；以及

H)聚焦光学组件，用以将光聚焦至该有源传感器阵列产生电子空穴对。

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