CN102569325B - 多功能图像传感器及其制作方法 - Google Patents

多功能图像传感器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及图像传感器领域，公开了一种多功能图像传感器及其制作方法。本发明中，在传统的CMOS图像传感器的基础上，增加了新的掺杂区，与感光器件表面上的一个掺杂区形成发光二极管结构，使CMOS图像传感器同时具有感光和发光的功能。在衬底上形成转移晶体管的栅极，可以进一步地提高图像传感器的集成度。第二区域为P型半导体可以提高光敏感性，消除表面态和表面缺陷引起的暗电流，从而减小热噪声。第二区域和第一区域之间的PN结构成图像传感器的感光器件，第二区域的掺杂浓度远大于第一区域的掺杂浓度，这样可以使耗尽层更厚，使光线吸收更好。驱动频率至少为24Hz，符合人体视觉暂留的时间，可以产生无停滞感的连续图像。

Description

多功能图像传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种多功能图像传感器。
背景技术
众所周知，图像传感器是一种能将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器大体上可以分为电荷耦合元件(Charge-Coupled Device，简称“CCD”)和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，简称“CMOS”)图像传感器。
现有的CMOS图像传感器由CMOS数模电路和感光像素(即感光基本单元)构成，每个感光像素，包括读出电路区域和光学感光区域。
根据其读出方式，现有的CMOS图像传感器大致可以分为无源式像素传感器(Passive Pixel Sensor，简称“PPS”)、有源式像素传感器(ActivePixel Sensor，简称“APS”)和数字像素传感器(Digital Pixel Sensor，简称“DPS”)三种类型。
根据一个像素单元电路所包含的晶体管的数目，现有的CMOS图像传感器又分为3T型结构和4T型结构，还可以有5T型结构。
目前市场上主要是有源式像素传感器，由一个感光二极管(Photo Diode，简称“PD”)和3个或4个金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor，简称“MOS”)晶体管构成，简称3T或4T类型。
如图1所示，为一种现有3T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图，包括：一个感光二极管10，用于在曝光时进行光电转换，将接收到的光信号转换成电信号，感光二极管10包括P型区和N型区，所述P型区接地。
一个复位晶体管M1，用于在曝光前对所述感光二极管10进行复位，复位由复位信号Reset信号进行控制。在图1中，所述复位晶体管M1选用一个N型金属-氧化物-半导体(N Metal-Oxide-Semiconductor，简称“NMOS”)管，所述复位晶体管M1的源极和所述感光二极管10的N型区相连，所述复位晶体管M1的源极同时也为一感应节点N1，又称为浮动扩散区(FloatingDiffusion，简称“FD”)；所述复位晶体管M1的漏极接电源Vdd，所述电源Vdd为一正电源。当所述复位信号Reset为高电平时，所述复位晶体管M1导通并将所述感光二极管10的N型区连接到电源Vdd，在所述电源Vdd的作用下，使所述感光二极管10反偏并会清除所述感光二极管10的全部累积的电荷，实现复位。所述复位晶体管M1也可以由多个NMOS管串联形成，或由多个NMOS管并联形成，也可以用PMOS管代替所述NMOS管。
一个放大晶体管M2，也为一源极跟随器，用于将所述感光二极管10产生的电信号进行放大。在图1中，所述放大晶体管M2选用一NMOS管，所述放大晶体管M2的栅极接所述感光二极管10的N型区，所述放大晶体管M2的漏极接所述电源Vdd，所述放大晶体管M2的源极为放大信号的输出端。所述放大晶体管M2也可以由多个NMOS管串联形成、或由多个NMOS管并联形成。
一个行选择晶体管M3，用于将所述放大晶体管M2的源极输出的放大信号输出。在图1中，所述行选择晶体管M3选用一NMOS管，所述行选择晶体管M3的栅极接行选择信号Rs，所述行选择晶体管M3的源极接所述放大晶体管M2的源极，所述行选择晶体管M3的漏极为输出端。
如图2所示，为一种现有4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图。相比于3T型结构，现有4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路结构图增加了一个转移晶体管M4，所述转移晶体管M4用于将所述感光二极管10产生的电信号输入到所述感应节点N1。在图2中，所述转移晶体管M4选用一NMOS管，所述转移晶体管M4的栅极接转移信号TX，所述转移晶体管M4的源极接所述感光二极管10的N型区，所述转移晶体管M4的漏极接所述复位晶体管M1的源极即所述感应节点N1。
但是本发明的发明人发现，现有的3T或4T类型的图像传感器，只能感光，不能发光，功能比较单一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多功能图像传感器及其制作方法，使CMOS图像传感器同时具有感光和发光的功能。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种多功能图像传感器，包括：
第一类型半导体的衬底，该衬底上有第二类型半导体的第一区域，在该第一区域中有第一类型半导体的第二区域和第二类型半导体的第三区域；
第一区域的掺杂浓度高于衬底的掺杂浓度，第二区域和第三区域的掺杂浓度高于第一区域的掺杂浓度；
从第二区域和第三区域分别引出与外部发光二极管驱动电路相连的电极，第二区域作为感光器件的输出端与实现图像传感器功能的其它电路连接。
本发明的实施方式还公开了一种多功能图像传感器的制作方法，用于如上文所述的多功能图像传感器，包括以下步骤：
在第一类型半导体的衬底上掺杂形成第二类型半导体的第一区域，该第一区域的掺杂浓度高于衬底的掺杂浓度；
在第一区域里掺杂形成第一类型半导体的第二区域；
在第一区域里掺杂形成第二类型半导体的第三区域，第二区域和第三区域的掺杂浓度高于第一区域的掺杂浓度，从第二区域和第三区域分别引出与外部发光二极管驱动电路相连的电极，第二区域作为感光器件的输出端与实现图像传感器功能的其它电路连接；
在衬底上形成发光二极管驱动电路。
本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：
在传统的CMOS图像传感器的基础上，增加了新的掺杂区，与感光器件表面上的一个掺杂区形成发光二极管结构，使CMOS图像传感器同时具有感光和发光的功能。
进一步地，在衬底上形成转移晶体管的栅极，可以进一步地提高图像传感器的集成度。
进一步地，第二区域为P型半导体可以提高光敏感性，消除表面态和表面缺陷引起的暗电流，从而减小热噪声。
进一步地，第二区域和第一区域之间的PN结构成图像传感器的感光器件，第二区域的掺杂浓度远大于第一区域的掺杂浓度，这样可以使耗尽层更厚，使光线吸收更好。
进一步地，驱动频率至少为24Hz，符合人体视觉暂留的时间，可以产生无停滞感的连续图像。
进一步地，发光二极管驱动电路直接做在衬底上，使图像传感器的集成度更高。
附图说明
图1是现有技术中一种3T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图；
图2是现有技术中一种4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图；
图3是本发明第一实施方式中一种多功能图像传感器的结构示意图；
图4是本发明第二实施方式中一种多功能图像传感器的制作方法的流程示意图；
图5是本发明第二实施方式中一种多功能图像传感器的结构示意图；
图6是本发明第二实施方式中一种多功能图像传感器的结构示意图；
图7是本发明第二实施方式中一种多功能图像传感器的结构示意图；
图8是本发明第二实施方式中一种多功能图像传感器的结构示意图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明第一实施方式涉及一种多功能图像传感器。图3是该多功能图像传感器的结构示意图。
具体地说，如图3所示，该多功能图像传感器包括：
第一类型半导体的衬底P-SUB，该衬底上有第二类型半导体的第一区域N-WELL，在该第一区域中有第一类型半导体的第二区域P+和第二类型半导体的第三区域N+。
在这里，第二区域为P型半导体，可以消除表面缺陷引起的暗电流。
第一区域N-WELL的掺杂浓度高于衬底P-SUB的掺杂浓度，第二区域P+和第三区域N+的掺杂浓度高于第一区域N-WELL的掺杂浓度。
从第二区域P+和第三区域N+分别引出与外部发光二极管驱动电路相连的电极，第二区域P+作为感光器件的输出端与实现图像传感器功能的其它电路连接。
实现图像传感器功能的其它电路，可以由3个MOS管构成，形成如图1所示的3T型结构的图像传感器；也可以由4个MOS管构成，形成如图2所示的4T型结构的图像传感器。
衬底P-SUB上还有第二类型半导体的第四区域N+，第四区域N+的掺杂浓度高于第一区域N-WELL的掺杂浓度，该第四区域N+与衬底P-SUB之间的PN结电容作为图像传感器的浮动扩散区电容。
优选地，各区域的掺杂浓度为：
衬底P-SUB的掺杂浓度为1014/cm2；
第一区域N-WELL的掺杂浓度为1015/cm2；
第二区域P+的掺杂浓度在1018/cm2至1020/cm2之间；
第二区域P+、第三区域N+和第四区域N+的掺杂浓度是同数量级。
从以上数据可以看出，第二区域P+的掺杂浓度远大于第一区域N-WELL的掺杂浓度。
第二区域P+和第一区域N-WELL之间的PN结构成图像传感器的感光器件，第二区域P+的掺杂浓度远大于第一区域N-WELL的掺杂浓度，这样可以使耗尽层更厚，使光线吸收更好。
在本实施方式中，优选地，第一类型半导体是P型半导体，第二类型半导体是N型半导体。
在本发明的其它某些实施方式中，第一类型半导体也可以是N型半导体，第二类型半导体也可以是P型半导体。
此外，该多功能图像传感器还包括位于浮动扩散区与第二区域P+之间的转移晶体管的栅极TG。
在衬底上形成转移晶体管的栅极，可以进一步地提高图像传感器的集成度。
在本发明的其它某些实施方式中，也可以没有转移晶体管，若无转移晶体管，则无浮动扩散区，直接从光电二极管中读出电信号。
在本实施方式中，发光二极管驱动电路做在衬底上。
发光二极管驱动电路直接做在衬底上，使图像传感器的集成度更高。
此外，可以理解，在本发明的其它某些实施方式中，发光二极管驱动电路也可以不做在衬底上，而是做在其它芯片上，与发光二极管所在芯片相连接就可以。
发光二极管驱动电路驱动发光二极管发光的频率大于或等于24Hz。
驱动电路每隔二十四分之一秒驱动发光二极管发光二十四分之一秒。在其不发光的时候，发光二极管区域将作为普通的感光器件区域使用。需要发光时，发光二极管的第三区域N+和第二区域P+分别接低电压和高电压，也可以反接。
驱动频率至少为24Hz，符合人体视觉暂留的时间，可以产生无停滞感的连续图像。
此外，在本发明的其它某些实施方式中，如果只需要显示静态的图像，或对停滞感的要求不高，发光二极管驱动电路驱动发光二极管发光的频率也可以小于24Hz。
在传统的CMOS图像传感器的基础上，增加了新的掺杂区，与感光器件表面上的一个掺杂区形成发光二极管结构，使CMOS图像传感器同时具有感光和发光的功能。
本发明第二实施方式涉及一种多功能图像传感器的制作方法。图4是该多功能图像传感器的制作方法的流程示意图。该多功能图像传感器的制作方法用于上文所述的多功能图像传感器。
具体地说，如图4所示，该多功能图像传感器的制作方法主要包括以下步骤：
在步骤401中，在第一类型半导体的衬底上，掺杂形成第二类型半导体的第一区域，该第一区域的掺杂浓度高于衬底的掺杂浓度。形成如图5所示的结构，其中P-SUB为衬底，N-WELL为第一区域。
此后进入步骤402，在第一区域里掺杂形成第一类型半导体的第二区域。形成如图6所示的结构，其中N-WELL上的P+为第二区域。
此后进入步骤403，在第一区域里掺杂形成第二类型半导体的第三区域，第二区域和第三区域并不接触，且第二区域和第三区域的掺杂浓度高于第一区域的掺杂浓度，从第二区域和第三区域分别引出与外部发光二极管驱动电路相连的电极，第二区域作为感光器件的输出端与实现图像传感器功能的其它电路连接。
此后进入步骤404，在衬底上掺杂形成第二类型半导体的第四区域，第四区域的掺杂浓度高于第一区域的掺杂浓度，该第四区域与衬底之间的PN结电容作为图像传感器的浮动扩散区电容。形成如图7所示的结构，其中N-WELL上的N+为第三区域，P-SUB上的N+为第四区域。
此后进入步骤405，在浮动扩散区与第二区域之间制作一个电极，作为转移晶体管的栅极。形成如图8所示的结构图，其中TG为转移晶体管的栅极。
此后进入步骤406，在衬底上形成发光二极管驱动电路。形成如图3所示的结构。
此后结束本流程。
在本实施方式中，优选地，第一类型半导体是P型半导体，第二类型半导体是N型半导体，第一区域、第二区域、第三区域的掺杂采用离子注入方法实现。
第二区域为P型半导体可以消除表面缺陷引起的暗电流。
此外，可以理解，在本发明的其它某些实施方式中，第一类型半导体也可以是N型半导体，第二类型半导体也可以是P型半导体，第一区域、第二区域、第三区域的掺杂也可以采用扩散等方法实现。
本实施方式是与第一实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
本发明的各方法实施方式均可以以软件、硬件、固件等方式实现。不管本发明是以软件、硬件、还是固件方式实现，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的或者可更换的介质等等)。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑(Programmable Array Logic，简称“PAL”)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称“RAM”)、可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，简称“PROM”)、只读存储器(Read-Only Memory，简称“ROM”)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable ROM，简称“EEPROM”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(Diaital Versatile Disc，简称“DVD”)等等。
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多功能图像传感器，其特征在于，包括：
第一类型半导体的衬底，该衬底上有第二类型半导体的第一区域，在该第一区域中有第一类型半导体的第二区域和第二类型半导体的第三区域；
第一区域的掺杂浓度高于衬底的掺杂浓度，第二区域和第三区域的掺杂浓度高于第一区域的掺杂浓度；
从第二区域和第三区域分别引出一个电极，该电极与外部发光二极管驱动电路相连，第二区域作为感光器件的输出端与实现图像传感器功能的其它电路连接。
2.根据权利要求1所述的多功能图像传感器，其特征在于，所述衬底上还有第二类型半导体的第四区域，第四区域的掺杂浓度高于第一区域的掺杂浓度，该第四区域与所述衬底之间的PN结电容作为图像传感器的浮动扩散区电容。
3.根据权利要求2所述的多功能图像传感器，其特征在于，还包括位于所述浮动扩散区与所述第二区域之间的转移晶体管的栅极。
4.根据权利要求3所述的多功能图像传感器，其特征在于，所述第一类型半导体是P型半导体，所述第二类型半导体是N型半导体。
5.根据权利要求4所述的多功能图像传感器，其特征在于，
所述衬底的掺杂浓度为1014cm-2；
所述第一区域的掺杂浓度为1015cm-2；
所述第二区域的掺杂浓度在1018cm-2至1020cm-2之间；
所述第二区域、第三区域和第四区域的掺杂浓度是同数量级。
6.根据权利要求5所述的多功能图像传感器，其特征在于，所述发光二极管驱动电路驱动发光二极管发光的频率大于或等于24Hz。
7.根据权利要求6所述的多功能图像传感器，其特征在于，所述发光二极管驱动电路做在所述衬底上。
8.一种多功能图像传感器的制作方法，用于如权利要求1至7中任一项所述的多功能图像传感器，其特征在于，包括以下步骤：
在第一类型半导体的衬底上掺杂形成第二类型半导体的第一区域，该第一区域的掺杂浓度高于衬底的掺杂浓度；
在所述第一区域里掺杂形成第一类型半导体的第二区域；
在所述第一区域里掺杂形成第二类型半导体的第三区域，第二区域和第三区域的掺杂浓度高于第一区域的掺杂浓度，从第二区域和第三区域分别引出与外部发光二极管驱动电路相连的电极，第二区域作为感光器件的输出端与实现图像传感器功能的其它电路连接；
在所述衬底上形成发光二极管驱动电路。
9.根据权利要求8所述的多功能图像传感器的制作方法，其特征在于，在所述第一区域里掺杂形成第二类型半导体的第三区域的步骤之后，还包括以下步骤：
在所述衬底上掺杂形成第二类型半导体的第四区域，第四区域的掺杂浓度高于第一区域的掺杂浓度，该第四区域与所述衬底之间的PN结电容作为图像传感器的浮动扩散区电容；
在该浮动扩散区与所述第二区域之间制作一个电极，作为转移晶体管的栅极。
10.根据权利要求9所述的多功能图像传感器的制作方法，其特征在于，所述第一类型半导体是P型半导体，所述第二类型半导体是N型半导体。
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