CN101884105A - 防止灵敏度降低的分离的单位像素和使用该单位像素的驱动方法 - Google Patents
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Abstract
提供了用于防止灵敏度降低以防止耗尽区减小的分离型单位像素和驱动该单位像素的方法。用于防止灵敏度降低的分离型单位像素包括：衬底；光电二极管，由在衬底的表面下方以垂直方向形成的P型扩散区和N型扩散区的结构成；栅极电极导体，布置在衬底的表面的上部，靠近所述N型或者P型扩散区；浮置扩散区，靠近所述栅极电极导体的另一个表面形成；防止灵敏度降低导体，布置在所述光电二极管区的上部，以覆盖所述光电二极管区。
Description
技术领域
本发明涉及分离型单位像素，更具体地，涉及用于防止灵敏度降低的分离型单位像素和驱动该单位像素的方法。
背景技术
通常，每个单位像素包括用于产生对应于入射图像信号的电荷的光电二极管和用于将由光电二极管产生的电荷转换成相应的电信号的图像信号转换电路。
图1是单位像素的电路图。
参考图1，单位像素包括光电二极管PD、传输晶体管M1、复位晶体管M2、转换晶体管M3和选择晶体管M4。这里，图像信号转换电路通常包括：传输晶体管M1，用于响应于传输控制信号Tx将由光电二极管PD产生的电荷传输到浮置扩散区FD；复位晶体管M2，用于响应于复位控制信号Rx将浮置扩散区FD复位；转换晶体管M3，用于产生对应于聚积进浮置扩散区FD的电荷的电信号；选择晶体管M4，用于响应于选择控制信号Sx输出由转换晶体管M3转换的电信号。
传统地，单位像素形成于同一晶片内。但是，为了增加包含在单位像素内的光电二极管的面积，将单位像素分割成两部分，以便形成于不同的晶片内。如上面描述，提出了分离型单位像素。分离型单位像素被实现为使得分离的、将形成于两块不同晶片内的像素芯片电连接以便使用。在这种情况下，光电二极管和传输晶体管形成在一块晶片上，图像信号转换电路中包括的除了传输晶体管以外的剩余晶体管形成在另一块晶片上。
参见图1，虚线的左侧所示的光电二极管PD和传输晶体管M1可形成于一块晶片上，虚线右侧所示的剩余的复位晶体管M2、转换晶体管M3和选择晶体管M4可形成于另一块晶片上。
图2是分离型单位像素中形成有光电二极管和传输晶体管的单位像素的截面视图。
参见图2，单位像素200形成在通过在P++衬底20上执行外延生长形成的P-外延层21上。这里，意味着P++具有比P-更高的杂质浓度。
通过浅沟槽隔离体(STI)22将单位像素彼此隔离。光电二极管分别用N型结25、28和P型结28、29构成，以产生对应于入射光能量的电荷。由响应于分别施加到栅极端23-1和23-2的传输控制信号T/G1和T/G2工作的传输晶体管将产生的电荷传输到浮置扩散区27和30。在栅极区23-1和23-2的两侧提供有隔离器24。
因为两个单位像素的结构和操作是相同的，所以，在下文中，仅描述在左侧示出的单位像素。光电二极管的N型区25和P型外延衬底21的结是PN结，因此，在两个区21和25彼此接触的PN结部分，自然地形成了具有预定宽度的耗尽区(由外部虚线覆盖)。通常，因为注入N型区25的杂质浓度大于注入P型外延衬底21的杂质浓度，所以，在没有向PN结施加任何偏压的情况下，耗尽区可在从N型区25到P型外延衬底21的方向上延伸变宽。
通常，将具有低电压电平的直流(DC)偏压施加到P型外延衬底21上。因此，由于施加到外延衬底21的DC偏压，耗尽区和P型外延衬底21的宽度进一步增加。在不存在电荷的耗尽区，存在的电场包括由固定的电离电荷导致的预定电场和由于DC偏压导致的电场。
当使具有预定能量的光从图2中说明的传统单位像素的下部入射进光电二极管时，光电二极管产生相应的电子-空穴对。电子-空穴对可以重新组合。但是，通过扩散和漂移，电子-空穴对可以移动到P型区26或者N型区25。
当将传输晶体管23-1断开时，将光电二极管的电压轮廓示为虚线的轮廓图。最靠近轮廓图的中央的虚线圈具有最高的电压电平，越往外的虚线圈具有越低的电压电平。因此，与从单位像素的下部入射的图像信号(光)相一致，在衬底21和光电二级管内产生的电荷聚积进同心圆的中央部分。
当将传输晶体管23-1导通时，聚积进同心圆的中央部分的电荷沿着传输晶体管23-1的表面(表示为粗线的双向箭头)被传输到浮置扩散区。这里，因为同心圆的中央部分远离形成沟道的表面，因此延长了将聚积进同心圆的电荷传输到浮置扩散区的路径。因此，存在的问题在于，降低了单位像素的图像灵敏度，也就是，图像传感器的灵敏度。
发明内容
技术问题
本发明提供了通过使得用于将与入射图像信号一致产生的电荷沿着传输晶体管的表面传输到浮置扩散区的电荷传输路径最小化以防止灵敏度降低的分离型单位像素。
本发明还提供了驱动分离型单位像素的方法，所述分离型单位像素通过使得用于将与所述入射图像信号一致产生的电荷沿着所述传输晶体管的表面传输到浮置扩散区的电荷传输路径最小化以防止灵敏度降低。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供了用于防止灵敏度降低的分离型单位像素，包括：衬底；光电二极管，用由在垂直方向上所述衬底的表面下方以面垂直方向形成的P型扩散区和N型扩散区所形成的结构成建造；栅极电极导体，布置在所述衬底的所述表面的上部，靠近所述N型扩散区或者P型扩散区；浮置扩散区，靠近所述栅极电极导体的另一个表面形成；和防止灵敏度降低导体，布置在所述光电二极管区的上部，以覆盖所述光电二极管区。
根据本发明的另一个方面，提供了驱动所述分离型单位像素的方法，其中，所述分离型单位像素包括：衬底；光电二极管，用由在垂直方向上所述衬底的表面下方以垂直方向面形成的P型扩散区和N型扩散区所形成的结构成建造；栅极电极导体，布置在所述衬底的所述表面的上部，靠近所述N型扩散区或者P型扩散区；浮置扩散区，靠近所述栅极电极导体的另一个表面形成；和防止灵敏度降低导体，布置在所述光电二极管区的上部，以覆盖所述光电二极管区。其中，所述栅极电极导体被施加有传输控制信号，并且所述防止灵敏度降低导体被施加有防止灵敏度降低信号，其中，当所述传输控制信号处于禁用状态时，启用所述防止灵敏度降低信号；，在启用所述传输控制信号被启用之后并且经过了预定的延迟时间之后，禁用所述防止灵敏度降低信号，；在启用所述传输控制信号被禁用并且经过了预定的延迟时间之后，再次启用所述防止灵敏度降低信号。
有益效果
用于防止灵敏度降低的分离型单位像素和驱动所述分离型单位像素的方法具有用于将与入射图像信号一致产生的电荷沿着所述传输晶体管的所述表面传输到所述浮置扩散区的最小电荷传输路径，由此使灵敏度降低最小化。
附图说明
图1是单位像素的电路图；
图2是分离型单位像素的单位像素的截面视图，其上形成有光电二极管和晶体管；
图3是根据本发明的一个实施方式用于防止灵敏度降低的分离型单位像素的截面视图；
图4是根据本发明的另一个实施方式用于防止灵敏度降低的分离型单位像素的截面视图；
图5是根据本发明的用于驱动防止灵敏度降低的分离型单位像素的信号的波形图。
具体实施方式
现在参照附图将详细描述本发明的示例性实施方式。
图3是根据本发明的一个实施方式用于防止灵敏度降低的分离型单位像素的截面视图。
参照图3，分离型单位像素300形成于通过在基础衬底20的上部上执行外延生长而形成的外延衬底21内，分离型单位像素300通过浅沟槽隔离体(STI)22与其它单位像素隔离，并且包括光电二极管和传输晶体管。
这里，当假设外延衬底21为P型时，光电二极管用在衬底的表面处形成的P型扩散区26和在P型扩散区26的下面形成的N型扩散区25的结构成。传输晶体管包括作为一个端子的N型扩散区，作为另一个端子的浮置扩散区和施加有传输控制信号Tx1的栅极端子23-1。作为传输晶体管的栅极端子23-1的材料，可以使用多晶硅。光电二极管区域25和26的上部由施加有防止灵敏度降低信号Tx1-P的防止灵敏度降低导体29覆盖。作为防止灵敏度降低导体29的材料，可以使用与传输晶体管的栅极端子23-1类似的多晶硅或例如金属的导体材料。
光电二极管的N型扩散区25比P型扩散区26宽出传输晶体管的隔离器24的区域，N型扩散区25用作光电二极管和传输晶体管的公共端。这可以通过首先形成没有隔离器24的N型扩散区25，然后形成隔离器24，再然后在N型扩散区25内形成P型扩散区26来容易地实现。半导体制造技术领域内的技术人员容易地理解产生具有前述构造的光电二极管的操作，因此略去对其的详细描述。
此外，虽然图中没有示出，但是，绝缘材料可以形成在外延衬底21的表面和传输晶体管的栅极端子23-1之间、和形成在外延衬底21的表面和防止灵敏度降低导体29之间。
图4是根据本发明的另一个实施方式用于防止灵敏度降低的分离型单位像素的截面视图。
参见图4，分离型单位像素400的防止灵敏度降低导体30与图3中说明的分离型单位像素的防止灵敏度降低导体29不同之处在于：防止灵敏度降低导体30覆盖传输晶体管的栅极端子23-1上部的一部分或者全部。
图5是根据本发明的用于驱动防止灵敏度降低的分离型单位像素的信号的波形图。
参见图5，在禁用传输控制信号Tx1(称为“逻辑低位”)的时间周期内，光电二极管接收图像信号并产生电荷。这里，启用了防止灵敏度降低信号Tx1-P(称为“逻辑高位”)以防止耗尽区缩小。在启用了传输控制信号Tx1的时间周期(逻辑高位)中，光电二极管产生的电荷被传输到浮置扩散区27。这里，在传输控制信号Tx1从禁用状态(逻辑低位)过渡到启用阶段(逻辑高位)并经过了预定时间D1之后，防止灵敏度降低信号Tx1-P从启用状态(逻辑高位)过渡到禁用阶段(逻辑低位)。此后，在传输控制信号Tx1过渡到禁用状态(逻辑低位)并且过去了预定时间D2之后，防止灵敏度降低信号Tx1-P过渡到启用状态(逻辑高位)。这里，根据实验或者试验将预定时间D1和D2设置为最优时间，或者可以将其设置为零。在一些情况中，可以先于传输控制信号Tx1对防止灵敏度降低信号Tx1-P进行设置设置。
现在，参照图3到图5描述根据本发明的用于防止灵敏度降低的分离单位像素的操作和原理。
首先，施加到防止灵敏度降低导体29和30的防止灵敏度降低信号Tx1-P具有预定的电压电平。在位于N型扩散区25和P型衬底21之间的耗尽区内，形成从N型扩散区25到P型衬底21的方向的电场。例如，当假设用于操作图像传感器的工作电源是更高电压的电源时，由于施加于防止灵敏度降低导体29和30的防止灵敏度降低信号Tx1-P的电压电平，电场强度会增加到更大，并且电压轮廓会改变。
参见图3和图4，在将防止灵敏度降低信号Tx1-P施加到防止灵敏度降低导体29和30的情况下，光电二极管的电压轮廓表示为虚线。具有最高电压电平的虚线圈比图2所示的具有最高电压电平虚线圈的位置更靠近衬底的表面。此外，图2中所示的电压轮廓具有电压降低的形状，使得在虚线圈的径向方向上的电压差相对地均匀。另一方面，图3中示出的电压轮廓具有的形状是电压差在径向方向上朝着衬底的表面快速地增加，朝着衬底的下部方向降低。因此，可以预计，衬底或者光电二极管产生的电荷趋于朝着衬底的表面而不是衬底的下部移动。
因此，可以使衬底的表面周围聚积的电荷沿着衬底的表面移动到浮置扩散区的距离最小。
可以根据实验或者一系列试验将防止灵敏度降低信号Tx1-P的电压电平设置到光电压电平。在交换N型和P型扩散区25和26的位置的情况下，将防止灵敏度降低信号Tx1-P的电压电平控制为相反，以解决前述的问题。
尽管已经结合示例性实施方式示出和描述了本发明，但本领域的技术人员将明白，在没有背离如权利要求定义的本发明的精神和保护范围的条件下，可以进行修改和变形。
Claims (6)
1.一种用于防止灵敏度降低的分离型单位像素，包括：
衬底；
光电二极管，由在所述衬底的表面下方以垂直方向形成的P型扩散区和N型扩散区所形成的结构成；
栅极电极导体，布置在所述衬底的所述表面的上部，靠近所述N型扩散区或者P型扩散区；
浮置扩散区，靠近所述栅极电极导体的另一个表面形成；和
防止灵敏度降低导体，布置在所述光电二极管区的上部，以覆盖所述光电二极管区。
2.根据权利要求1所述的分离型单位像素，其中，所述防止灵敏度降低导体进一步覆盖所述栅极电极导体的一部分。
3.根据权利要求1所述的分离型单位像素，其中，绝缘材料形成在所述衬底的所述表面和所述栅极电极导体之间、以及所述衬底的所述表面和所述防止灵敏度降低导体之间。
4.根据权利要求1所述的分离型单位像素，
其中，所述栅极电极导体是多晶硅，并且
其中，所述防止灵敏度降低导体是金属或者多晶硅。
5.根据权利要求1所述的分离型单位像素，
其中，所述衬底为P型，
其中，在所述栅极电极导体的一侧表面处形成隔离器，
其中，在所述P型衬底的所述表面上形成所述P型扩散区，和
其中，在所述P型扩散区的下方形成所述N型扩散区，所述N型扩散区比所述P型扩散区宽出所述隔离器的厚度。
6.一种驱动分离型单位像素的方法，其中，所述分离型单位像素包括：
衬底；
光电二极管，由在所述衬底的表面下方以垂直方向形成的P型扩散区和N型扩散区所形成的结构成；
栅极电极导体，布置在所述衬底的所述表面的上部，靠近所述N型扩散区或者P型扩散区；
浮置扩散区，靠近所述栅极电极导体的另一个表面形成；和
防止灵敏度降低导体，布置在所述光电二极管区的上部，以覆盖所述光电二极管区，
其中，所述栅极电极导体被施加有传输控制信号，并且所述防止灵敏度降低导体被施加有防止灵敏度降低信号，
其中，当所述传输控制信号处于禁用状态时，启用所述防止灵敏度降低信号；在所述传输控制信号被启用并且经过了预定的延迟时间之后，禁用所述防止灵敏度降低信号；在所述传输控制信号被禁用并且经过了预定的延迟时间之后，再次启用所述防止灵敏度降低信号。
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