CN101171828B - 4t cmos成像器像素中的暗电流和溢出抑制方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于操作成像器像素的方法和设备，其包含以下动作：在电荷汇集周期期间在转移晶体管的栅极上施加相对较小的第一极性电压和多个第二极性电压的脉冲。

Description

4T CMOS成像器像素中的暗电流和溢出抑制方法和设备

技术领域

本发明大体上涉及半导体装置，且更确切地说，涉及成像器像素中的暗电流和溢出抑制。

背景技术

CMOS图像传感器正越来越多地被用作成本相对较低的成像装置。CMOS图像传感器电路包含像素单元的焦平面阵列，其中每个像素单元包含光电转换装置，例如光电门、光电导体或光电二极管，光电二极管在用于积累光产生的电荷的衬底内具有相关联的电荷积累区。每个像素单元可包含用于将电荷从电荷积累区转移到感测节点的晶体管，和用于在电荷转移之前将感测节点重设成预定电荷电平的晶体管。像素单元还可包含：源极跟随器晶体管，用于接收并放大来自感测节点的电荷；以及接入晶体管，用于控制从所述源极跟随器晶体管读出单元内含物。

在CMOS图像传感器中，像素单元的有源元件执行以下必要功能：(1)光子到电荷的转换；(2)积累图像电荷；(3)将电荷转移到读出节点；(4)将感测节点重设成已知状态；(5)选择像素以供读出；和(6)输出并放大来自感测节点的表示像素电荷的信号。

上述类型的CMOS图像传感器一般参见以下文献：Nixon等人所著的“256x256CMOS Active Pixel Sensor Camera-on-a-Chip，”(IEEE Journal of Solid-State Circuits，Vol.31(12)，第2046页到2050页(1996))；和Mendis等人所著的“CMOS Active Pixel ImageSensors，”(IEEE Transactions on Electron Devices，Vol.41(3)，第452页到453页(1994))。参看转让给Micron Technology，Inc.的第6,140,630号、第6,177,333号、第6,204,524号、第6,310,366号、第6,326,652号和第6,333,205号美国专利，所述专利的内容以引用的形式并入本文中。

图1A中展示典型的四晶体管(4T)CMOS成像器像素150。像素150包含光电转换装置100(其可实施为带引脚的光电二极管)、转移晶体管110、浮动扩散区FD、重设晶体管120、源极跟随器晶体管130和行选择晶体管180。当通过转移栅极控制信号TX激活转移晶体管110时，光电转换装置100通过转移晶体管110连接到浮动扩散区FD。

重设晶体管120连接在浮动扩散区FD与像素电源电压Vpix之间。用重设控制信号RST激活重设晶体管120，如此项技术已知，所述重设晶体管120将浮动扩散区FD重设成像素电源电压Vpix电平。

源极跟随器晶体管130的栅极连接到浮动扩散区FD，且源极跟随器晶体管130连接在阵列电源电压Vaa与行选择晶体管180之间。源极跟随器晶体管130将存储在浮动扩散区FD处的电荷转换成电输出电压信号PIX OUT。行选择晶体管可受行选择信号SEL控制，用以将源极跟随器晶体管130及其输出电压信号PIX OUT选择性地连接到像素阵列的列线190。

图1B说明图1A中所说明的像素150的读出和光电荷汇集操作的简化时序图。图1B说明第一读出周期181，其中读出像素150的先前存储的光电荷。在这个第一读出周期181期间，脉冲重设控制信号RST以激活重设晶体管120，所述重设晶体管120将浮动扩散区FD重设成像素电源电压Vpix电平。当SEL信号为高时，脉冲采样与保持重设信号SHR，以便在采样与保持电路(图1A或1B中未图示)的采样与保持电容器上存储重设信号Vrst(对应于重设浮动扩散区FD)。接着，将转移控制信号TX激活，以便允许将来自光电转换装置100的光电荷转移到浮动扩散区FD。当SEL信号保持高时，脉冲采样与保持像素信号SHS，以便将来自像素150的像素信号Vsig存储在采样与保持电路的另一采样与保持电容器上。

在汇集周期191期间，将重设控制信号RST、转移控制信号TX和采样与保持信号SHR、SHS设置成接地电位GRND。在汇集周期191期间，光电转换装置基于入射在光电转换装置上的光积累光电荷。在汇集周期191之后，开始第二读出周期171。在第二读出周期171期间，读出像素150的在汇集周期191中积累的光电荷(如上文针对周期181所描述的)。

与常规成像器像素单元(例如，像素单元150)相关联的一个常见问题是暗电流，即在没有光的情况下作为光电转换装置信号而产生的电流。如图1C的电位图所示，暗电流161可能是由许多不同的因素导致的，其中包含：光电传感器结泄漏、沿着隔离边缘的泄漏、晶体管亚阈值泄漏、漏极引起的障壁低泄漏、栅极引起的漏极泄漏、捕获辅助式隧穿，和像素制造缺陷。缺陷的一个实例是电荷载体耗尽区中出现空隙状态。这个缺陷导致电子-空穴对产生更多热量，所述热量可能会在光电转换装置100(图1A)中积聚并显著降低总体图像质量。

相应地，需要一种具有减少的暗电流且不具有不良的溢出效应的像素。还需要一种制造和操作此种像素的简单方法。

发明内容

本发明提供一种操作成像器像素以便减少暗电流和会在成像器中导致暗电路流的因素的方法。本发明允许减少暗电流，却不会减少像素容量，且不会导致溢出。

在本发明的示范性实施例中通过一种操作成像器像素的方法实现以上和其它特征和优点，所述方法包含在电荷汇集周期期间在转移晶体管的栅极上施加相对较小的第一电压和第二电压的多个脉冲的动作。第一电压是较小的负电压，且第二电压是较小的正电压。当向转移栅极施加较小的负电压时，通常将产生暗电流问题的电子与空穴重新组合，进而实质上减少暗电流。当施加较小的正电压脉冲时，在转移晶体管门下形成耗尽区，这样便形成将暗电流电子转移到像素浮动扩散区的路径。

附图说明

根据下文参看附图对示范性实施例提供的详细描述将更容易明白本发明的以上和其它优点和特征，其中：

图1A说明常规的四晶体管(4T)像素单元电路；

图1B说明用常规方式操作图1A的像素电路的时序图；

图1C说明图1A的像素电路在根据图1B时序图操作时的电压电位图；

图2说明用于根据本发明的示范性实施例操作图1A的像素电路的时序图；

图3A说明图1A的像素单元在根据图2时序图操作时的横截面视图；

图3B说明图1A的像素电路在根据图2时序图操作时的电压电位图；

图4A-4B是对负电压和正电压分别如何减少实验用像素中的暗电流进行比较的直方图；

图5展示根据本发明实施例构造的成像器；和

图6展示并入有根据本发明实施例构造的至少一个成像器的处理器系统。

具体实施方式

在以下详细描述中参看附图，附图形成本文的一部分且说明可实践本发明的具体实施例。在图式中，相同的元件符号在若干视图中始终描述大致相似的组件。充分详细地描述这些实施例，以便使得所属领域的技术人员能够实践本发明，且应了解，也可利用其它实施例，并且在不偏离本发明的精神和范围的情况下可作出结构性、逻辑和电气方面的改变。

应将术语“晶片”和“衬底”理解为包含硅、绝缘体上硅(SOI)、蓝宝石上硅(SOS)和无基底硅(SON)技术、掺杂和未掺杂半导体、由基础半导体底座支撑的外延硅层及其它半导体结构。此外，当在以下描述内容中参考“晶片”或“衬底”时，可能已利用先前处理步骤在基底半导体结构或底座中形成区或结。此外，半导体不需要是基于硅，而是可基于硅-锗、锗或镓-砷化物。

术语“像素”或“像素单元”是指含有光电转换装置和有源装置的像元单位单元，所述装置例如为用于将电磁辐射转换成电信号的晶体管。出于说明目的，在图和本文的描述内容中说明代表性像素单元的一部分，通常图像传感器中的所有像素单元的制造将同时且以相似方式进行。

减少转移晶体管栅极堆栈下方的暗电流的产生的一种可能的解决方案是在转移晶体管的栅极上施加负电压。负电压将电子-空穴对吸引到表面上，从而减少此处的耗尽区，并有效地覆盖空隙状态。因此，通过向转移晶体管栅极施加负电压，热产生的电子-空穴对将可能在被光电转换装置收集它们之前重新组合。然而，这种方法倾向于恶化另一个问题，其称为溢出。当光电转换装置的存储容量已满且在光电转换装置已满的情况下仍在产生电子时，则会发生溢出。多余的电子可能会溢出到若干位置。多余的电子可能会通过跳过隔离阻障进入邻近像素而试图扩散，从而破坏其信号。或者，电子可能会穿过衬底，并聚集在像素的其它区域或外围电路装置中。浮动扩散区是聚集多余电子的既定和最理想的地方。浮动扩散区具有相当大的容量，从而足以在成像器操作期间存储这些杂散电子，并在实际上读取像素信号之前清除或重设浮动扩散区上的信号。

对转移晶体管栅极进行正偏置可使得多余电子更有可能从转移晶体管溢出到浮动扩散区。但是，向转移晶体管栅极施加负偏压虽然适合用于防止暗电流穿透，但却导致多余电子更难溢出到浮动扩散区，因此导致其溢出到像素中的其它不理想区域或邻近像素中。此外，正如上文所提出，正偏置的转移晶体管栅极会因转移晶体管栅极下的较大耗尽区而增加暗电流。

发明人已经确定，通过在汇集周期期间向转移晶体管的栅极施加相对较小的负电压，随后也在同一汇集周期期间向转移晶体管的栅极施加正电压脉冲，借此可实质上减少转移晶体管下方产生的暗电流所导致的暗电荷积累。

图2说明用于根据本发明的示范性实施例操作图1A的像素电路的时序图。图2说明两个读出周期220、221和汇集周期320。所述两个读出周期与上文相对于图1B描述的常规读出周期相同。也就是说，在这个第一读出周期220期间，(例如)脉冲重设控制信号RST，以便激活重设晶体管，这样便将浮动扩散区FD重设成像素电源电压Vpix电平。当SEL信号为高时，脉冲采样与保持重设信号SHR，以便在采样与保持电路(例如图7的采样与保持电路761)的采样与保持电容器上存储重设信号Vrst(对应于重设浮动扩散区FD)。将转移控制信号TX激活，以允许来自光电转换装置100的光电荷转移到浮动扩散区FD。当SEL信号仍为高时，脉冲采样与保持信号SHS，以便将来自像素的像素信号Vsig存储在采样与保持电路中的另一采样与保持电容器上。

现在参看图2、图3A和图3B，在靠近带引脚的光电二极管光电传感器100的区域350中的转移晶体管110的栅极下方产生暗电子。发明人已经确定，通过在汇集周期320期间向转移晶体管110的栅极施加相对较小的负电压，会增加空穴360在转移晶体管栅极下方的区域中的集中度(如图3A所示)。当发生这种情况时，从转移晶体管110下的表面状态和/或从像素的块状衬底产生的暗电子迅速重新组合，从而使得电子被光电转换装置捕获的几率相对较小。因此，实质上减少了暗电流和引起暗电流的因素。

小负电压值取决于转移晶体管的阈值电压，但电压的理想范围是从略小于0V到绝对值不高于转移晶体管的阈值电压绝对值的负值。对于常规的CMOS成像器工艺，阈值电压和电压范围的下限对应于约(-0.8)V。在实际的CMOS成像器设计中，最小负电压可能受到电静态放电(ESD)电路的限制。在这个实例和其它所有实例中，将转移晶体管110(图3A)栅极上的电压称为衬底电压。图3B说明不同的电压VTX如何影响转移晶体管栅极下方的耗尽区。也就是说，当将电压VTX设置成0V时，转移晶体管下方的区域与图1C 中针对常规像素操作描绘的区域相似。当将电压VTX设置成-0.3V时，在转移晶体管下方存在具有第一斜度的耗尽区380。当将电压VTX设置成-0.5V时，在转移晶体管下方存在具有第二斜度的耗尽区390。下文参看图4B描述不同的正转移栅极电压VTX以何种方式实现暗电流的减少。

发明人还已确定，通过在汇集周期320期间向转移晶体管110的栅极施加多个正电压脉冲可实质上减少暗电荷300的积累。在转移晶体管110的栅极上施加正电压脉冲会在转移晶体管(TX)栅极下方形成耗尽区330。耗尽区330充当暗电子300到达浮动扩散区FD的路径，如图3A所示。由于光电二极管光电转换装置100与浮动扩散区FD之间存在电位差，所以暗载流子300流动到浮动扩散区FD，且在随后的重设操作期间被耗尽，而不是被光电转换装置100捕获。

正电压脉冲的值取决于转移晶体管110的阈值电压，但电压的理想范围是从略大于0V到不高于转移晶体管110的阈值电压的电压。对于常规的CMOS成像器工艺，阈值电压和电压范围的上限对应于约0.8V。在实际的CMOS成像器设计中，最大正电压可受ESD电路限制。以下描述说明了不同的电压VTX如何影响转移晶体管110栅极下方的耗尽区。也就是说，当将电压VTX设置成0V时，转移晶体管下方的区域与图1C中针对常规的像素操作描绘的区域相似。当将电压VTX设置成0.3V时，在转移晶体管110下方存在具有第一斜度的耗尽区。当将电压VTX设置成0.5V时，在转移晶体管110下方存在具有第二斜度的耗尽区。

图4A-4B是说明在实验中本发明如何减少暗电流的直方图。图4A是展示当不向转移晶体管栅极施加任何电压或施加较小的负电压时测试像素阵列上的暗电流的直方图。曲线410表示当不向转移晶体管栅极施加电压时的暗电流，曲线420、430、440和450分别表示当向转移晶体管栅极施加-0.1、-0.2、-0.3、-0.5伏时的暗电流。

图4B是展示当不向转移晶体管栅极施加任何电压或施加较小的正电压时测试像素阵列上的暗电流的直方图。曲线445表示当不向转移晶体管栅极施加电压时的暗电流，曲线455、465、475、485和495分别表示当向转移晶体管栅极施加0.1、0.2、0.3、0.4、0.5伏时的暗电流。

图5说明可利用本发明的任何实施例的示范性成像器700。成像器700具有像素阵列705，其包括如上文相对于图1A所述而构造的像素，或者使用其它像素结构。行驱动器710响应于行地址解码器720而选择性地激活行线。成像器700中还包含列驱动器760和列地址解码器770。通过时序和控制电路750来操作成像器700，所述时序和控制电路控制地址解码器720、770。控制电路750在汇集周期期间向控制栅极施加负极电压和多个正极电压脉冲。控制电路750还根据本发明的实施例(即，图2)控制行驱动器电路710和列驱动器电路760。

与列驱动器760相关联的采样与保持电路761针对选定像素读取像素重设信号Vrst和像素图像信号Vsig。针对每个像素通过差分放大器762放大差分信号(Vrst-Vsig)，并通过模拟-数字转换器775(ADC)将所述差分信号数字化。模拟-数字转换器775向图像处理器780供应数字化的像素信号，所述图像处理器780形成数字图像。

图6展示系统1000，其是经过修改而包含本发明的成像装置1008(例如图5中说明的成像装置700)的典型处理器系统。处理器系统1000是具有数字电路(其中可包含图像传感器装置)的示范性系统。这种系统可包含(但不限于)计算机系统、相机系统、扫描仪、机器视觉、车辆导航、视频电话、监视系统、自动对焦系统、星象跟踪仪系统、运动检测系统、图像稳定系统和数据压缩系统及其它采用成像器的系统。

系统1000(例如相机系统)大体上包括中央处理单元(CPU)1002(例如微处理器)，其通过总线1020与输入/输出(I/O)装置1006通信。成像装置1008还通过总线1020与CPU 1002通信。基于处理器的系统1000还包含随机存取存储器(RAM)1004，且可包含可移除存储器1014(例如快闪存储器)，其也通过总线1020与CPU 1002通信。成像装置1008可与处理器组合，所述处理器例如为CPU、数字信号处理器或微处理器，其具有或不具有与处理器同在一个集成电路上或在不同芯片上的存储器存储设备。

应注意，虽然参照光电转换装置描述了本发明，但应了解，本发明可与成像像素电路中使用的任何类型的光电传感器一起使用，例如(但不限于)光电门、光电导体、光电二极管和带引脚的光电二极管，以及光电二极管与带引脚的光电二极管的各种配置。

还应了解，不需要在整个汇集周期期间施加小电压。也就是说，可以只在电荷汇集周期的一部分中施加小电压。此外，应了解，不需要在整个汇集周期期间施加多个电压脉冲。也就是说，可以只在电荷汇集周期的一部分中施加多个电压脉冲。还应了解，本发明的成像器可设计为包含本发明的全部实施例，其中可由用户选择或应用特定的可选选项来确定在成像器操作期间执行哪个实施例。

上述处理和装置说明许多可使用和制造的方法和装置中的优选方法和典型装置。以上描述和图式说明可实现本发明的目标、特征和优点的实施例。但是，并不希望本发明严格限于以上描述和说明的实施例。应当将对本发明的任何属于所附权利要求书的精神和范围内的修改(即使当前无法预见)视为本发明的一部分。

Claims (31)

1.一种像素单元，其包括：

光电传感器；

存储区；和

晶体管，其用于将光电荷从所述光电传感器转移到所述存储区；以及

控制电路，其用于在所述光电传感器的汇集周期期间向所述晶体管的控制栅极施加第一极性电压，并在同一汇集周期期间向所述控制栅极施加多个第二极性电压的脉冲，其中所述第一极性电压是负电压，且所述第二极性电压是正电压。

2.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述像素单元是4T CMOS成像器像素单元。

3.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述存储区是所述转移晶体管的源极或漏极区。

4.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述存储区是浮动扩散区。

5.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述光电传感器是光电二极管。

6.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述光电传感器是光电门。

7.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述第二极性电压略大于0.0伏，但不大于所述晶体管的阈值电压。

8.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述第二极性电压小于0.8伏。

9.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述第一极性电压略小于0.0伏，但其绝对值不大于所述晶体管的阈值电压。

10.根据权利要求9所述的像素单元，其中所述第一极性电压略小于0伏且大于一0.6伏。

11.根据权利要求1所述的像素单元，其中在所述汇集周期的部分期间施加所述第一极性电压。

12.根据权利要求1所述的像素单元，其中在所述汇集周期的部分期间施加所述第二极性电压。

13.一种像素单元阵列，其包括：

形成在衬底中的像素传感器单元阵列，每个像素传感器单元包括：

积累区，其形成在所述衬底中，用于积累光产生的电荷；和

转移晶体管，其具有由电路控制的栅极，所述电路在电荷汇集周期期间施加负电压及多个正电压脉冲，所述转移晶体管用于在所述电荷汇集周期之后将所述积累的电荷转移到浮动扩散区。

14.一种成像器电路，其包括：

形成在衬底中的像素传感器单元阵列，每个单元包括：

光电传感器；

存储区；以及

晶体管，其具有用于将光电荷从所述像素单元的所述光电传感器转移到所述存储区的栅极；以及

控制电路，其连接到所述阵列，用于在电荷汇集周期期间向所述栅极施加第一极性电压，并在同一汇集周期期间向所述栅极施加多个第二极性电压的脉冲，其中所述第一极性电压是负电压，且所述第二极性电压是正电压。

15.根据权利要求14所述的成像器电路，其中所述第二极性电压略大于0.0伏，但不大于所述晶体管的阈值电压。

16.根据权利要求14所述的成像器电路，其中所述第二极性电压小于0.8伏。

17.根据权利要求14所述的成像器电路，其中所述第一极性电压略小于0.0伏，但其绝对值不大于所述晶体管的阈值电压。

18.根据权利要求17所述的成像器电路，其中所述第一极性电压略小于0伏且大于-0.6伏。

19.根据权利要求14所述的成像器电路，其中所述存储区是浮动扩散区。

20.根据权利要求14所述的成像器电路，其中所述光电传感器是光电二极管。

21.一种处理系统，其包括：

处理器；以及

成像装置，其耦合到所述处理器，所述成像装置包含阵列，所述阵列包括多个像素传感器单元，每个单元包括：

感光元件，其用于响应于所施加的光而产生并积累光产生的电荷；

浮动扩散区；

转移晶体管，其具有用于将所述积累的电荷转移到所述浮动扩散区的栅极；以及

控制电路，其连接到所述阵列，用于起初在汇集周期期间向所述转移晶体管的控制栅极施加第一极性电压，并在同一汇集周期期间向所述栅极施加多个第二极性电压的脉冲，其中所述第一极性电压是负电压，且所述第二极性电压是正电压。

22.根据权利要求21所述的处理系统，其中所述第二极性电压略大于0.0伏，但不大于所述晶体管的阈值电压。

23.根据权利要求21所述的处理系统，其中所述第二极性电压小于0.8伏。

24.根据权利要求21所述的处理系统，其中所述第一极性电压略小于0.0伏，但其绝对值不大于所述晶体管的阈值电压。

25.根据权利要求24所述的处理系统，其中所述第一极性电压略小于0伏且大于-0.6伏。

26.一种操作像素单元的方法，其包括：

在电荷汇集周期期间使光电传感器暴露于光；

在所述电荷汇集周期期间向所述光电传感器与电荷存储区之间提供的转移晶体管的栅极电极施加第一极性电压；以及

在所述电荷汇集周期期间向所述栅极电极施加多个第二极性电压的脉冲，

其中所述第一极性电压是负电压，且所述第二极性电压是正电压。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述第二极性电压略大于0.0伏，但不大于所述晶体管的阈值电压。。

28.根据权利要求26所述的方法，其中所述第二极性电压小于0.8伏。

29.根据权利要求26所述的方法，其中所述第一极性电压略小于0.0伏，但其绝对值不大于所述晶体管的阈值电压。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述第一极性电压略小于0伏且大于-0.6伏。

31.一种操作像素单元的方法，其包括：

在电荷汇集周期期间向在衬底中邻近光电传感器的转移晶体管的栅极施加第一极性电压，以从所述衬底的顶表面降低与所述光电传感器相关联的耗尽区；以及在所述电荷汇集周期期间向所述转移晶体管的栅极施加多个第二极性电压的脉冲，以有助于使电子移动到浮动扩散区，

其中所述第一极性电压是负电压，且所述第二极性电压是正电压。

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