CN103066097A - 一种高灵敏度固态彩色图像传感器件 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种高灵敏度固态彩色图像传感器，尤其是利用大面积的MOS电容作为光电转换区，并将产生与收集的光电子转移到邻近的小尺寸的MOSFET存储器栅极下方的沟道区域，并进一步将转移来的光电子注入到存储器的存储层中使存储器的阈值电压发生变化，最后通过读出存储器的漏极电流来确定所探测到的光的强度。该彩色图像传感器像素单元的构成是：每个彩色图像传感器像素单元由三个结构相同的红色、绿色和蓝色像素子单元组成，每个红、绿、蓝像素子单元分别由一个MOS电容和一个MOSFET结构存储管构成；所述彩色图像传感器的制造工艺完全和CMOS工艺兼容，工艺成熟，成本低，容易实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种固态图像传感器件，尤其是基于CMOS工艺制造的高灵敏度、低成本的彩色固态图像传感器件，可应用于摄像机、数码相机、掌上电脑、手机、PDA等产品中作为成像器件。
背景技术
现在广泛应用的固态图像传感器件主要有两类：电荷耦合器件（CCD）和CMOS 有源像素传感器APS。虽然CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，但工艺复杂，成本高、器件尺寸大，集成度小、成像速度慢，功耗大且需要多种电源的缺点；而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的优点，但也存在灵敏度低、噪声较大和动态范围小等问题。由此可见CCD和CMOS APS成像器件都各有优缺点。除了CCD和CMOS APS以外，还有一种基于非挥发性存储器结构的CMOS固态图像传感器也已经被提出。该器件的工作原理是在利用MOSFET结构的存储器的沟道区或者源区形成光电转换区，当光照射到光电转换区产生光生电子和空穴对，产生的光电子在栅极电场的作用下注入到存储器的存储层中并存储起来，使图像传感器件的阈值电压增高，最后通过读出图像传感器的电流大小判定出光照的强弱。与CCD和CMOS-APS相比，存储器结构的图像传感器具有CCD和CMOS-APS的优点，但又克服了它们的很多弱点，其特点和优越性包括：器件面积小；生产工艺与CMOS工艺兼容，成本低；漏电流小，成像速度比CCD快；对工艺缺陷不敏感；动态范围大；支持多次读出。然而所发明的这些基于存储器结构的图像传感器主要都是利用栅极下方的源漏区之间的沟道区域或者源区作为光电转换区。随着器件尺寸的减小，转换区面积的减小使产生与收集的光电子也随着减小而影响了探测的灵敏度和动态范围。此外，器件的沟道区作为光电子产生和收集区，当入射光子的能量很大比如紫外光波段，器件存储层上的电荷会获得足够的能量而从存储器中逃逸，或者器件衬底或栅极的电子会直接进入存储层，改变存储层中的电荷量和电荷分布，从而降低了探测精度。
发明内容
技术问题：本发明提出一种高灵敏度固态彩色图像传感器，尤其是利用大面积的MOS电容作为光电转换区，并将产生与收集的光电子转移到邻近的小尺寸的MOSFET存储器栅极下方的沟道区域，并进一步将转移来的光电子注入到存储器的存储层中使存储器的阈值电压发生变化，最后通过读出存储器的漏极电流来确定所探测到的光的强度。
技术方案：高灵敏度固态彩色图像传感器的设置方法：每个彩色图像传感器像素单元由三个结构相同的红色、绿色和蓝色像素子单元组成。每个红、绿、蓝像素子单元分别由一个MOS电容和一个MOSFET结构存储管构成，其结构是：在P型硅衬底材料上方设有大面积的积累栅极，积累栅极和P型硅衬底之间设有绝缘介质层，积累栅极-绝缘介质层-P型半导体硅衬底形成一个MOS电容，积累栅极下方的硅衬底为光电转换区。积累栅极的旁边设有与积累栅极相垂直的控制栅极。控制栅极的正下方依次设有阻挡绝缘介质层、光电子存储层、隧穿氧化层和P型半导体硅衬底。控制栅极正下方P型硅衬底的两侧设有重掺杂的N型半导体区域，分别构成源区和漏区，漏区和源区之间的P型衬底沟道区域为光电子的转移区。控制栅极、阻挡绝缘介质层、光电子存储层、隧穿氧化层、源区和漏区构成一个MOSFET结构的存储管。存储管的源区和漏区与积累栅极相平行，积累栅极与控制栅极之间的距离由工艺允许的最小尺寸决定。源区和漏区表面被金属硅化物所覆盖，防止光照入源区和漏区。积累栅极的上方依次设有第一层隔离介质层、对红光或绿光或蓝光透光的介质层和第二层隔离介质层，积累栅极往下到衬底层有对探测光波透明的或半透明的窗口。控制栅极正上方设有光阻挡层，控制栅极往下到衬底层没有对光波透明的或半透明的窗口。
需要说明的是：
所述红、绿、蓝像素子单元共用一个长条状积累栅极，积累栅极的正上方的局部区域依次平行设有对红光、蓝光、绿光透光的介质层，红、绿、蓝像素子单元存储管的源区和漏区大小相同，每两个存储管共用一个源区。浅沟槽隔离层将彩色像素单元中的MOS电容和存储管与邻近的其他彩色像素单元隔离开。
所述彩色图像传感器像素单元的积累栅极是多晶硅，积累栅极的绝缘介质层为SiO2，厚度为4～7nm；控制栅极是多晶硅、金属或其他导电电极；光电子存储层是多晶硅、Si3N4或其它电子导体或半导体；隧穿氧化层是SiO2、Al2O3或其他高介电常数绝缘介质层，厚度为4～7nm；阻挡绝缘介质层是SiO2、SiO2/ Si3N4/SiO2复合层、Al2O3或其他高介电常数绝缘介质层，等效SiO2的厚度为8～20nm。
所述彩色图像传感器像素单元能以典型的NOR型快闪存储器阵列架构组成大规模成像阵列。彩色图像传感器像素单元中的每两个存储管共用一个源区，众多彩色像素单元中的存储管按照NOR型快闪存储器阵列架构组成一个存储管单元阵列。与存储管单元阵列的源、漏区相平行的是长条状的积累栅极。积累栅极上方局部区域依次重复设有对红光、蓝光、绿光透光的介质层，积累栅极往下到衬底层有对探测光波透明的或半透明的窗口，积累栅极正下方的P型硅衬底为图像传感器单元的光电转换区。控制栅极的正上方为光阻挡层，控制栅极往下到衬底层之间没有对光波透明的或半透明的窗口，控制栅极正下方的源、漏区之间的P型硅衬底为光电子转移区。浅沟槽隔离层将一行上彩色像素单元中的MOS电容和存储管与邻近的其他行上的彩色像素单元中的MOS电容和存储管隔离开来。
所述彩色图像传感器像素单元的工作原理与过程是：（1）光电子产生和收集：当图像传感器像素单元的积累栅极施加一个正偏电压，衬底接地，则积累栅正下方的P型衬底形成深耗尽区。当光照射到衬底深耗尽区上，有光生电子和空穴对产生。产生的空穴在正向电场作用下流向衬底，而产生的电子在积累栅极正向电场下移动到P型衬底表面，形成电荷包。（2）光电子转移、注入和存储：当光电子电荷包形成后，一个高的正电压脉冲施加在图像传感器像素单元的控制栅极和衬底之间，控制栅极正下方的衬底表面被耗尽，形成深的势阱。于是积累栅极下的光生电子向控制栅极下的耗尽区势阱内转移。电荷的转移会一直持续，直到收集的光电子全部转移到控制栅极下。随着控制栅极下转移来的电子数目增多，控制栅极下隧穿氧化层中的电场强度逐渐增加。当电场增加到足够大时，从积累栅极下转移来的光电子通过FN隧穿效应穿过隧穿氧化层到达存储管的电荷存储层，使存储管的阈值电压升高。（3）光电子读出：当存储管的控制栅极接一个较大的正偏电压，漏极接一个较小的正偏电压，源极和衬底接地，使器件工作在线性区或亚阈区，读出存储管的漏极电流，并与存储管无光工作时读出的漏极电流进行比较确定光电子数目。分别读出每个彩色像素单元中红、绿、蓝像素子单元中存储管中存储的电子数目，可以得到每个彩色像素单元的成像信息。（4）复位：在存储器的控制栅极和衬底之间或者控制栅极和源极之间施加一个负偏压脉冲，将存储管存储层上存储的电荷抽回衬底或源极上，使存储管的阈值电压恢复到初始状态。
有益效果：所述彩色图像传感器的制造工艺完全和CMOS工艺兼容，工艺成熟，成本低，容易实现；用积累栅极下的P型硅衬底作为大面积的光电转换区，产生的光电子的数目多，提高了彩色图像传感器件的灵敏度和动态范围；图像传感器像素单元的控制栅极上方设有光阻挡层，不会使存储管光存储层中的电荷受紫外光的照射发生流失而影响探测精度。
附图说明
图1是本发明彩色图像传感器像素单元的顶部示意图。
图2是图1中沿XX’方向的剖面示意图。
图3是图1中沿YY’方向的剖面示意图。
图4是图1中沿ZZ’方向的剖面示意图。
图5是本发明彩色图像传感器组成阵列时的顶部示意图。
图6 a、b、c、d、e是本发明彩色图像传感器的工作原理示意图。
具体实施方式
（一）彩色图像传感器结构
彩色图像传感器像素单元的顶部和剖面示意图分别如图1～图4所示。每个红、绿、蓝像素子单元分别由一个MOS电容和一个MOSFET结构存储管构成。在P型硅衬底材料1上方设有大面积的积累栅极2，积累栅极和P型硅衬底之间设有绝缘介质层3，积累栅极-绝缘介质层-P型半导体硅衬底形成一个MOS电容，积累栅极下方的硅衬底为光电转换区4。积累栅极的旁边设有与积累栅极相垂直的控制栅极5。控制栅极的正下方依次设有阻挡绝缘介质层6、光电子存储层7、隧穿氧化层8和P型半导体硅衬底1。控制栅极正下方P型硅衬底的两侧设有重掺杂的N型半导体区域，分别构成源区9和漏区10，漏区和源区之间的P型衬底沟道区域为光电子转移区11。控制栅极、阻挡绝缘介质层、光电子存储层、隧穿氧化层、源区和漏区构成一个MOSFET结构的存储管。存储管的源区和漏区与积累栅极相平行，积累栅极与控制栅极之间的距离由工艺允许的最小尺寸决定。源区和漏区表面被金属硅化物12所覆盖，防止光照入源区和漏区。积累栅极的上方依次设有第一层隔离介质层13、对红光或绿光或蓝光透光的介质层14和第二层隔离介质层15，积累栅极往下到衬底层有对探测光波透明的或半透明的窗口。控制栅极正上方设有光阻挡层16，控制栅极往下到衬底层没有对光波透明的或半透明的窗口。
所述红、绿、蓝像素子单元共用一个长条状积累栅极，积累栅极的正上方的局部区域依次平行设有对红光、蓝光、绿光透光的介质层，红、绿、蓝像素子单元存储管的源区和漏区大小相同，每两个存储管共用一个源区。浅沟槽隔离层17将彩色像素单元中的MOS电容和存储管与邻近的其他彩色像素单元隔离开。
所述彩色图像传感器像素单元的积累栅极是多晶硅，积累栅极的绝缘介质层为SiO2，厚度为4～7nm；控制栅极是多晶硅、金属或其他导电电极；光电子存储层是多晶硅、Si3N4或其它电子导体或半导体；隧穿氧化层是SiO2、Al2O3或其他高介电常数绝缘介质层，厚度为4～7nm；阻挡绝缘介质层是SiO2、SiO2/ Si3N4/SiO2复合层、Al2O3或其他高介电常数绝缘介质层，等效SiO2的厚度为8～20nm。
所述彩色图像传感器像素单元的一个典型的实施例是：它的隧穿氧化层是SiO2，光电子存储层是Si3N4，阻挡绝缘介质层是SiO2，控制栅极是多晶硅，控制栅极上方设有对光不透明的光阻挡层。源区和漏区表面被金属硅化物所覆盖，防止光照入漏区。积累栅极是多晶硅，积累栅极的绝缘介质层为SiO2，积累栅极的上方依次设有第一隔离介质层、对红光（蓝光或绿光）透光的介质层和第二隔离介质层，积累栅极往下到P型衬底之间有对光波透明的或半透明的窗口，而控制栅极往下到P型衬底之间没有对光波透明的或半透明的窗口。
所述彩色图像传感器像素单元另一个典型的实施例是：它的隧穿氧化层是SiO2，光电子存储层是多晶硅，阻挡绝缘介质层是SiO2/ Si3N4/SiO2复合层，控制栅极是多晶硅，控制栅极上方设有对光不透明的光阻挡层。源区和漏区表面被金属硅化物所覆盖，防止光照入漏区。积累栅极是多晶硅，积累栅极的氧化介质层为SiO2，积累栅极的上方依次设有第一隔离介质层、对红光（蓝光或绿光）透光的介质层和第二隔离介质层，积累栅极往下到P型衬底之间有对光波透明的或半透明的窗口，而控制栅极往下到P型衬底之间没有对光波透明的或半透明的窗口。
（二）像素单元组成成像阵列
所述多个彩色图像传感器像素单元以NOR型快闪存储器阵列架构组成大规模成像阵列，如图5所示。彩色图像传感器像素单元中的每两个存储管共用一个源区，众多彩色像素单元中的存储管按照NOR型快闪存储器阵列架构组成一个存储管单元阵列。与存储管单元阵列的源、漏区相平行的是长条状的积累栅极。积累栅极上方局部区域依次重复设有对红光、蓝光、绿光透光的介质层，积累栅极往下到衬底层有对探测光波透明的或半透明的窗口，积累栅极正下方的P型硅衬底为图像传感器单元的光电转换区。控制栅极的正上方为光阻挡层，控制栅极往下到衬底层之间没有对光波透明的或半透明的窗口，控制栅极正下方的源、漏区之间的P型硅衬底为光电子转移区。浅沟槽绝缘介质将一行上彩色像素单元中的MOS电容和存储管与邻近的其他行上的彩色像素单元中的MOS电容和存储管隔离开。
（三）彩色图像传感器工作原理和过程
（1）光电子产生和收集：
当图像传感器像素单元的积累栅极施加一个电压为5～10V，时间为10～100ms的正脉冲，衬底接地，则积累栅极正下方的P型衬底形成深耗尽区。当光照射到该深耗尽区上，有光生电子和空穴对产生。产生的空穴在积累栅极正向电场作用下流向衬底，而产生的电子在积累栅极正向电场下移动到P型衬底表面，形成电荷包。具体操作示意如图6(a)所示。
（2）光电子转移：
当光电子电荷包形成后，在积累栅极电压仍然有效时，一个电压为10～20V，时间为5～20us的正脉冲施加在传感器的控制栅极和衬底之间，控制栅极正下方的沟道表面被耗尽形成势阱。于是积累栅极下产生的电子向控制栅极下的耗尽区势阱中转移。电荷的转移会一致持续，直到电荷全部转移到控制栅极下。具体操作示意如图6(b)所示。
（3) 光电子注入和存储：
随着控制栅极正下方电荷转移区内的电子数目增多，控制栅极下隧穿氧化层中的电场强度逐渐增强，当电场强度增加到足够大时，从积累栅极下转移来的光电子发生FN隧穿效应穿过隧穿氧化层到达存储管的电荷存储层，并存储在电荷存储层中，存储管的阈值电压随之增高。具体操作示意图如图6(c)所示。
（4）光电子读出：
当图像传感器像素单元的控制栅极接一个3～6V正偏电压，漏极接一个0.1～1V正偏电压，源极和衬底接地，调节漏极电压使探测器工作在线性区或亚阈区，读出存储管的漏极电流，并与无光探测读出时的漏极电流进行比较，确定存储管所存储的光电子数目。具体操作如示意图6(d)所示。分别读出每个彩色像素单元中红、绿、蓝单元中存储管中存储的电子数目，可以得到每个彩色像素单元的成像信息。
（5）复位：
在图像传感器像素单元的控制栅极和衬底之间或者控制栅极和源极之间施加一个-10～-20V脉冲，将存储层上存储的电荷抽回衬底或源极上，使图像传感器单元中存储管的阈值电压恢复到初始状态，为下一次工作做准备。具体操作如图示意图6(e)所示。
Claims (3)
1.一种高灵敏度固态彩色图像传感器，其特征是该彩色图像传感器像素单元的构成是：每个彩色图像传感器像素单元由三个结构相同的红色、绿色和蓝色像素子单元组成，每个红、绿、蓝像素子单元分别由一个MOS电容和一个MOSFET结构存储管构成；在P型硅衬底（1）上方设有大面积的积累栅极（2），积累栅极（2）与P型硅衬底（1）之间设有绝缘介质层（3），积累栅极、绝缘介质层、P型硅衬底材料形成一个MOS电容，积累栅极（2）下方的P型硅衬底（1）上部设有光电转换区（4），积累栅极（2）的旁边设有与积累栅极相垂直的控制栅极（5），控制栅极（5）的正下方依次设有阻挡绝缘介质层（6）、光电子存储层（7）、隧穿氧化层（8）和P型硅衬底（1），控制栅极（5）正下方P型硅衬底（1）的两侧设有重掺杂的N型半导体区域，分别构成源区（9）和漏区（10），漏区和源区之间的P型硅衬底材料沟道区域为光电子转移区（11）控制栅极（5）、阻挡绝缘介质层（6）、光电子存储层（7）、隧穿氧化层（8）、源区（9）和漏区（10）构成一个MOSFET结构的存储管；存储管的源区和漏区与积累栅极（2）相平行，积累栅极（2）与控制栅极（5）之间的距离由工艺允许的最小尺寸决定，源区和漏区表面被金属硅化物（12）所覆盖，防止光照入源区和漏区，积累栅极（2）的上方依次设有第一层隔离介质层（13）、对红光或绿光或蓝光透光的介质层（14）和第二层隔离介质层（15），积累栅极（2）往下到P型硅衬底（1）有对探测光波透明的或半透明的窗口；控制栅极（5）正上方设有光阻挡层（16），控制栅极（5）往下到P型硅衬底（1）没有对光波透明的或半透明的窗口；所述红、绿、蓝像素子单元共用一个长条状积累栅极（2），积累栅极（2）的正上方的局部区域依次平行设有对红光、蓝光、绿光透光的介质层，红、绿、蓝像素子单元存储管的源区和漏区大小相同，每两个存储管共用一个源区；浅沟槽隔离层（17）将彩色像素单元中的MOS电容和存储管与邻近的其他彩色像素单元隔离开。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度固态彩色图像传感器，其特征是彩色图像传感器像素单元的积累栅极（2）是多晶硅，积累栅极（2）的绝缘介质层为SiO2，厚度为4～7nm；控制栅极（5）是多晶硅或金属；光电子存储层（7）是多晶硅或Si3N4；隧穿氧化层（8）是SiO2、Al2O3或其他高介电常数绝缘介质层，厚度为4～7nm；阻挡绝缘介质层（6）是SiO2、SiO2/ Si3N4/SiO2复合层、Al2O3或其他高介电常数绝缘介质层，等效SiO2的厚度为8～20nm。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度固态彩色图像传感器，其特征是所述多个彩色图像传感器像素单元以NOR型快闪存储器阵列架构组成大规模成像阵列，彩色图像传感器像素单元中的每两个存储管共用一个源区，众多彩色像素单元中的存储管按照NOR型快闪存储器阵列架构组成一个存储管单元阵列；与存储管单元阵列的源、漏区相平行的是长条状的积累栅极，积累栅极上方局部区域依次重复设有对红光、蓝光、绿光透光的介质层，积累栅极往下到P型硅衬底（1）有对探测光波透明的或半透明的窗口，积累栅极正下方的P型硅衬底为图像传感器单元的光电转换区；控制栅极的正上方为光阻挡层，控制栅极往下到P型硅衬底（1）之间没有对光波透明的或半透明的窗口，控制栅极正下方的源、漏区之间的P型硅衬底为光电子转移区，浅沟槽绝缘介质将一行上彩色像素单元中的MOS电容和存储管与邻近的其他行上的彩色像素单元中的MOS电容和存储管隔离开。
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