CN111564462A - 双列并行ccd传感器及使用传感器的检验系统 - Google Patents

双列并行ccd传感器及使用传感器的检验系统 Download PDF

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Abstract

本申请实施例涉及双列并行CCD传感器及使用传感器的检验系统。一种双列并行图像CCD传感器利用双列并行读出电路，所述双列并行读出电路包含两对交叉连接的转移门以在高速度下以低噪声将像素数据(电荷)从一对邻近像素列交替地转移到共享输出电路。沿着所述两个邻近像素列以线时钟速率转移的电荷通过所述转移门交替地传递到求和门，所述求和门以所述线时钟速率的两倍的速率操作以将所述图像电荷传递到所述共享输出电路。在一个实施例中，利用对称Y形扩散部来合并来自所述两个像素列的所述图像电荷。本发明也描述一种用线时钟同步来驱动所述双列并行CCD传感器的方法。本发明也描述一种使用所述双列并行CCD传感器来检验样本的方法。

Description

双列并行CCD传感器及使用传感器的检验系统
本申请是申请日为2017年04月05日，申请号为“201780021422.9”，而发明名称为“双列并行CCD传感器及使用传感器的检验系统”的申请的分案申请。
优先权申请案
本申请案主张庄(Chuang)等人于2016年4月6日提出申请的标题为“双列并行CCD传感器及使用传感器的检验系统(A DUAL-COLUMN-PARALLEL CCD SENSOR AND INSPECTIONSYSTEMS USING A SENSOR)”的美国临时专利申请案62/319,130的优先权。
技术领域
本申请案涉及适合用于感测在可见光、UV、深UV(DUV)、真空UV(VUV)、极端UV(EUV)及X射线波长下的辐射且适合用于感测电子或其它带电粒子的图像传感器及相关联电子电路，且涉及用于操作此些图像传感器的方法。所述传感器及电路尤其适合用于检验系统(包含用于检验光掩模、光罩及半导体晶片的那些检验系统)中。
背景技术
集成电路工业需要提供愈来愈高灵敏度以检验较小缺陷及粒子同时针对较低购置成本维持高吞吐量的检验工具。半导体工业当前制造具有大约20nm及更小的特征尺寸的半导体装置。在几年内，所述工业将制造具有大约5nm的特征尺寸的装置。大小为仅仅几纳米的粒子及缺陷可能降低晶片合格率且必须经捕获以确保高合格率生产。此外，已付出努力来加速检验以处理从现今的300mm晶片转变到不久的将来的450mm晶片。因此，半导体工业受对可在高速度下实现高灵敏度的检验工具的甚至更大需求驱动。
图像传感器是半导体检验工具的关键组件。其在确定缺陷检测灵敏度及检验速度中扮演着重要角色。考虑其图像质量、光灵敏度及读出噪声性能，CCD广泛地用作用于半导体检验应用的图像传感器。存在改善CCD图像传感器的灵敏度的两种基本方式。第一种方式是增加信号的振幅，且第二种方式是降低噪声电平。在过去几十年，许多努力已致力于两种方式。由于已开发了例如背侧照射、抗反射涂层、全耗尽及微透镜等各种技术，因此CCD图像传感器的灵敏度已随着量子效率的进展及因此信号强度的改善而增加。
CCD图像传感器遭受三个主要类型的噪声，即散粒噪声、暗电流噪声及读取噪声。入射于图像传感器上的光子带有光子通量中的时间相依波动。所述图像传感器在其使用像素分格(binning)及/或帧平均化时展现较低散粒噪声、入射光子通量的统计变化，因为然后每输出像素将存在更多所收集光子。暗电流是通过将电荷载子热激发到图像传感器的硅内的传导带中而产生。CCD冷却、多针扎相(MPP)及/或暗图像相减技术已将暗电流噪声抑制到使得其贡献在高速检验中所使用的短曝光时间(通常为几毫秒到数百毫秒)内是可以忽略的电平。读取噪声从芯片上电子器件产生且可通过用心设计的电子器件及图像处理技术而减少。
随着读出速度增加，读取噪声成为限制CCD图像传感器的灵敏度的主导噪声因素。CCD芯片上放大器需要高带宽以在高像素时钟速率下测量每一像素中的信号(图像)电荷。读取噪声由于高带宽而增加。常规全帧CCD图像传感器采用串行读出架构，因此要求高像素时钟速率(例如20MHz或更高)及高读出速度。在此些高速度下减少读取噪声是困难的或不可能的。由于关于所检验的物件的像素大小经减小以便检测更小缺陷(举例来说，通过增加图像的光学放大率)，因此需要经增加读出速度来维持总体检验速度(例如，以在图像像素大小减小时保持每小时所检验的晶片数目大致恒定)。此意味读取噪声将趋于增加而非减小。
列并行CCD(CPCCD)图像传感器在此项技术中是已知的。CPCCD像素的每一列配备有促进每一图像电荷的并行读出的放大器。举例来说，参见J.R.简西克(J.R.Janesick)的“科学电荷耦合装置(Scientific charge-coupled devices)”(2001年，SPIE，第60页)。列并行读出放松对像素时钟速率的要求且可帮助在高读出速度下减少读取噪声。然而，仅实施用于大像素CCD设计(例如多于30μm的像素宽度)的列并行读出架构是实际的。在具有小列间距(例如介于大约10μm与大约25μm之间的间距，其最适合于高速半导体检验应用)的CCD传感器的情形中，由于空间约束而无法实施每列一个放大器布局。此外，列并行设计需要同时对所有输出计时。这产生高切换电流及高读取噪声。
因此，需要提供一种促进检验系统的高灵敏度及高速操作且克服以上缺点中的一些或所有缺点的CCD图像传感器。
发明内容
本发明针对于双列并行CCD图像传感器及借助于以下方式促进高灵敏度及高速读出操作两者的相关联读出方法：利用新颖读出电路来协调在相关联的若干对邻近像素列中产生的电荷高速转移到单个(共享)浮动扩散部以用于由单个(共享)放大器读出。此每两列一个放大器布置借助于以下方式促进适合用于高速半导体检验应用的具有小列间距(例如，介于大约10μm与大约25μm之间)的CCD传感器的产生：避免与每列一个放大器CPCCD传感器相关联的高切换电流、高读取噪声及放大器空间问题。此外，使用是线时钟速率速度的两倍的输出时钟速率实施每两列一个放大器布置，借此避免与常规CPCCD传感器相关联的高像素时钟速率问题且也避免与串行读出方法相关联的高读取噪声问题两者。
根据本发明的实施例，双列并行CCD图像传感器包含布置成偶数数目个列的像素阵列，且新颖读出电路包含分别耦合到所述对相关联列中的每一者中的至少一个像素的多个读出结构。每一读出结构包含：两行转移门，其可操作地耦合以从所述对相关联列接收图像电荷；共享求和门，其经耦合以交替地接收从所述转移门传递的图像电荷；及输出电路，其包含经配置以基于从所述对相关联列转移的所述图像电荷而产生输出电压信号的单个放大器。根据本发明的一方面，每一对相关联列中的所述两行转移门有效地交叉耦合使得施加到一个列中的第一行(第一)转移门的(第一)转移门控制信号基本上同时施加到所述相关联第二列中的第二行(第四)转移门，且使得施加到所述第二列中的所述第一行(第二)转移门的第二转移门控制信号基本上同时施加到所述第一列中的所述第二行(第三)转移门。根据另一方面，每一读出结构的所述求和门经配置以在不同时间周期期间从所述两个第二行(第三及第四)转移门接收图像电荷，且经配置以根据求和门控制信号将每一所接收图像电荷传递到输出电路(例如，耦合到放大器的浮动扩散部)。使邻近列中的所述转移门交叉耦合且以此方式利用共享求和门会促进以低噪声且以合理时钟速率(即，线时钟速率的两倍)将图像电荷从两列像素高效且可靠转移到一个共享输出电路，借此促进尤其适合用于检验系统(包含用于检验光掩模、光罩及半导体晶片的那些检验系统)中的图像传感器的产生。
根据另一实施例，在其中形成有多个对称Y形埋入扩散部的半导体衬底(例如，单晶硅)上制作图像传感器，每一对称Y形埋入扩散部具有：平行的上游(第一及第二)伸长部分；下游(第三)伸长部分，其中形成感测节点(即，浮动扩散部)；及介入(第四)V形合并区段，其将所述两个上游伸长部分连接到所述下游伸长部分。所述上游伸长部分分别界定上文提及的相关联列。多晶硅像素栅极结构形成于所述上游伸长部分上方，借此形成用于产生图像电荷且将所述图像电荷沿着两个相关联沟道朝向所述V形合并区段转移的像素。两行转移门由形成于所述上游(第一及第二)伸长部分的部分上方的多晶硅转移门结构产生，其中两个(第一及第三)转移门经配置以将图像电荷从一个沟道转移到所述V形合并区段，且两个(第二及第四)转移门经配置以将图像电荷从相关联第二沟道传递到所述V形合并区段。求和门借助于安置于所述V形合并区段上方的多晶硅栅极结构形成且经配置以借助于所述两个上游(第一及第二)伸长部分从所述两个相关联沟道中的任一者接收图像电荷，且经配置以将所述所接收图像电荷传递到所述下游伸长区段。如在上文所描述的实施例中，所述两行转移门中的所述转移门电极有效地交叉耦合以促进图像电荷从所述两个相关联列高效且可靠转移到所述求和门，且所述求和门由求和门控制信号控制从而以低噪声且以合理时钟速率(即，所述线时钟速率的两倍)将所述图像电荷从所述两个相关联列传递到所述共享输出电路(感测节点)。通过与所述交叉耦合的转移门及求和门组合利用对称Y形埋入扩散部以将图像电荷转移到感测节点(例如，安置于所述下游伸长扩散部分中的共享浮动扩散部)，本发明促进来自两列像素的图像电荷的高度高效、高速且低噪声转移以用于使用经控制或以其它方式可操作地耦合到所述浮动扩散部的单个放大器来输出。由于邻近列的所述转移门交替地切换，因此到所述转移门的所述时钟信号是大致平衡的且产生最少衬底电流，因此允许高速计时同时维持低噪声电平。由于每一输出连接到仅两列(与每输出可能具有12、16或更多列的常规高速CCD相比较)，因此图像传感器中的像素时钟速率是线时钟速率的仅两倍而非线时钟速率的12倍、16倍或更多倍。由于噪声随更高带宽而增加，因此具有较低像素时钟速率的图像传感器可比具有较高像素时钟速率的图像传感器噪声少。
根据特定实施例，安置于两个不同行中的相关联多晶硅转移门结构的交叉耦合通过连接于两个相关联转移门结构之间的导电(例如，金属或经掺杂多晶硅)链接结构实现。即，安置于一个列的第一行中的(第一)转移门结构借助于(第一)导电链接结构电连接到安置于相关联第二列的第二行中的(第四)转移门结构。此布置通过以下操作而促进对两个相关联转移门结构的可靠控制：将相关联转移门控制信号施加到所述(第一)转移门结构，借此所述转移门控制信号基本上同时施加到所述(第四)转移门结构(即，借助于经由所述(第一)导电链接结构的传输)。在一个实施例中，使用多晶硅实施所述导电链接结构，其中所述两个相关联转移门结构及所述导电链接结构经制作为整体“Z”形复合多晶硅结构。此实施例避免与使用两个金属互连层相关联的额外复杂度、成本及可能减少合格率，或替代地允许第二金属层用于减少时钟信号的串联电阻从而实现更高速度操作。
根据另一特定实施例，使用锥形多晶硅结构实施所述求和门，所述锥形多晶硅结构具有比其下游边缘(即，面对所述下游伸长扩散部分的边缘)长的上游边缘(即，面对所述上游伸长扩散部分的边缘)。所述锥形求和门结构促进图像电荷从两个上游伸长扩散部分高效转移到所述下游伸长扩散部分。在优选实施例中，类似地渐缩的输出门结构安置于所述V形合并区段的下游部分上方(即，在所述求和门结构与所述下游伸长扩散部分之间)，且用于阻止电荷从所述感测节点溢回到所述求和门。
根据另一特定实施例，每一相关联列对的所述共享输出电路包含形成于所述下游(第三)伸长扩散部分中的浮动扩散部及借助于导电(金属或多晶硅)结构可操作地耦合到所述浮动扩散部的芯片上预放大器。在一个实施例中，使用多晶硅结构实施所述导电结构，所述多晶硅结构经形成且图案化使得下部/垂直多晶硅部分穿过触点孔延伸到所述浮动扩散部，且上部/水平多晶硅部分从所述下部/垂直多晶硅部分水平延伸且形成所述芯片上预放大器的第一级增益晶体管的栅极结构。此布置促进所述浮动扩散部与所述多晶硅栅极结构的自对准，且促进在不需要金属互连件的情况下连接到所述预放大器，借此进一步减少噪声及浮动扩散部电容且增加电荷转换效率，因此改善传感器的信噪比。
利用本发明的所述双列并行CCD传感器的检验方法包含：将辐射引导且聚焦到样本上；及从所述样本接收辐射；及将所接收辐射引导到CCD图像传感器。所述所接收辐射可包含所散射辐射或所反射辐射。所述CCD传感器并入有双列并行读出结构，所述双列并行读出结构包括两对转移门、一共同求和门、一浮动扩散部(也称为感测节点)及每两列一放大器。以使得所有列具有完全相同电荷转移及信号读出路径的方式实施所述双列并行读出结构。在一个实施例中，所述双列并行CCD可与连接到所述放大器的多晶硅触点一起使用自对准浮动扩散部。在另一实施例中，所述双列并行CCD可包括所述读出结构中具有经均衡沟道响应及最小化串扰的金属互连件。
所述检验方法可进一步包含产生时钟电压波形且控制芯片上双列并行读出及芯片外信号处理电路的时序以用于传感器读出的适当同步及输出信号的数字化。描述用以驱动所述芯片上双列并行读出及所述芯片外信号处理电路的时钟电压波形及时序配置的三个示范性实施例。这些仅仅是以实例的方式以解释用于传感器输出的同步的可能方法中的一些方法。以上时钟驱动方案可由设备实施，所述设备包含模/数转换器(ADC)、数字信号处理器、时钟驱动器以及外部处理、存储及控制电路。
也描述用于检验样本的系统。此系统包含：照射源；光检测装置；光学器件，其经配置以将光从所述照射源引导到所述样本且将光输出或反射从所述样本引导到所述装置；及驱动电路。在一个实施例中，所述光检测装置可包括CCD阵列传感器，例如时间延迟积分(TDI)传感器。在另一实施例中，所述装置可包括CCD线传感器。所述CCD传感器并入有双列并行读出结构，所述双列并行读出结构每对邻近列包括两对转移门、一共同求和门、一浮动扩散部及一放大器。CCD像素的每一列由一对转移门端接。每一对邻近列组合成共同求和门，且所述共同求和门朝向小浮动扩散部渐缩，其中放大器将每一图像电荷转换为对应输出电压信号。以使得所有列具有基本上完全相同电荷转移及信号读出路径特性的方式实施所述双列并行读出结构。所述驱动电路将偏置电压及时钟信号供应到芯片上双列并行读出结构及芯片外信号处理电路以便以所要时序读取传感器输出。
在一个实施例中，所述CCD传感器可进一步包括半导体薄膜。在另一实施例中，所述半导体薄膜可包含形成于所述半导体薄膜的第一表面上的电路元件及沉积于所述半导体薄膜的第二表面上的纯硼层。在再一实施例中，所述系统可包含多个CCD传感器。
样本可由载台支撑，所述载台在检验期间相对于光学器件移动。可与载台的运动同步地从所述传感器读出电荷。
示范性检验系统可包含从不同入射角及/或不同方位角及/或以不同波长及/或偏光状态照射所述样本的一或多个照射路径。示范性检验系统可包含收集由所述样本在不同方向上反射或散射的光及/或对不同波长及/或对不同偏光状态灵敏的一或多个收集路径。
附图说明
图1图解说明示范性检验系统。
图2A及2B图解说明具有线照射及一或多个收集沟道的示范性检验系统。
图3图解说明具有法向及倾斜照射的示范性检验系统。
图4图解说明示范性双列并行CCD传感器。
图4A、4B、4C、4D、4E及4F图解说明在操作期间图4的示范性双列并行CCD传感器的一部分。
图5图解说明根据本发明的另一示范性实施例制作的包含读出结构的部分双列并行CCD传感器。
图5A、5B、5C、5D、5E、5F及5G是图解说明图5的示范性双列并行CCD传感器的制作的部分分解透视图。
图6是展示根据本发明的一个实施例的具有多晶硅转移门结构的自对准浮动扩散部的示范性布局的简化平面图。
图7是展示根据本发明的替代实施例的芯片上放大器的金属互连件的示范性布局的简化平面图。
图8A、8B及8C图解说明根据本发明的实施例的用以驱动芯片上双列并行读出及芯片外信号处理电路的时钟信号的示范性电压波形及时序配置。
图9图解说明用于与图像传感器读出同步地驱动双列并行CCD图像传感器及芯片外信号处理电路的示范性设备。
具体实施方式
本发明涉及用于半导体检验系统的传感器的改善。呈现以下说明以使所属领域的技术人员能够制成且使用本发明，如在特定应用及其要求的上下文中所提供。如本文中所使用，例如“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”、“下面”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”及“向下”等方向性术语打算出于说明目的提供相对位置且并不打算指定绝对参考系。所属领域的技术人员将明了对所描述实施例的各种修改，且本文中所定义的一般原理可适用于其它实施例。因此，本发明不打算受限于所展示及所描述的特定实施例，而是欲被赋予与本文中所揭示的原理及新颖特征一致的最宽广范围。
图1图解说明经配置以检验例如晶片、光罩或光掩模的样本108的示范性检验系统100。样本108放置于载台112上以促进样本108在光学器件下面移动到不同区域。载台112可包括X-Y载台或R-θ载台。在一些实施例中，载台112可在检验期间调整样本108的高度以维持聚焦。在其它实施例中，可调整物镜105以维持聚焦。
照射源102可包括一或多个激光器及/或宽带光源。照射源102可发射DUV及/或VUV辐射。包含物镜105的光学器件103引导所述辐射朝向样本108且将其聚焦于所述样本上。光学器件103也可包括镜、透镜、偏光镜及/或分束器(为了简单而未展示)。光学器件103将从样本108反射或散射的光收集、引导且聚焦到在检测器组合件104内的传感器106上。
检测器组合件104包含本文中所描述的传感器中的至少一者。在一个实施例中，将传感器106的输出提供到计算系统114，计算系统114分析所述输出。通过可存储于载体媒体116上的程序指令118配置计算系统114。在一个实施例中，计算系统114控制检验系统100及传感器106以根据本文中所揭示的方法检验样本108上的结构且读出所述传感器。
在一个实施例中，照射源102可是连续源，例如弧光灯、激光泵激等离子体光源或CW激光器。在另一实施例中，照射源102可是脉冲源，例如模式锁定激光器、Q切换激光器或由Q切换激光器泵激的等离子体光源。在并入有Q切换激光器的检验系统100的一个实施例中，使检测器组合件104内的一或若干传感器与激光脉冲同步。
检验系统100的一个实施例照射样本108上的线，且将所散射及/或所反射光收集于一或多个暗场及/或亮场收集沟道中。在此实施例中，检测器组合件104可包含线传感器或电子轰击线传感器。检验系统100的另一实施例照射样本108上的区，且将所散射及/或所反射光收集于一或多个暗场及/或亮场收集沟道中。在此实施例中，检测器组合件104可包含阵列传感器或电子轰击阵列传感器。
在以下各项中描述检验系统100的各种实施例的额外细节：罗马诺夫斯基(Romanovsky)等人的于2016年3月8日发布的标题为“晶片检验系统(Wafer inspectionsystem)”的第9,279,774号美国专利、阿姆斯特朗(Armstrong)等人的标题为“使用小反射折射物镜的分裂场检验系统(Split field inspection system using smallcatadioptric objectives)”的第7,957,066号美国专利、庄(Chuang)等人的标题为“反射折射光学系统中用于激光暗场照射的光束递送系统(Beam delivery system for laserdark-field illumination in a catadioptric optical system)”的第7,345,825号美国专利、1999年12月7日发布的标题为“具有宽范围变焦能力的超宽带UV显微镜成像系统(Ultra-broadband UV microscope imaging system with wide range zoomcapability)”的第5,999,310号美国专利、2009年4月28日发布的标题为“与二维成像一起使用激光线照射的表面检验系统(Surface inspection system using laser lineillumination with two dimensional imaging)”的第7,515,649号美国专利。所有这些专利以引用方式并入本文中。
图2A及2B图解说明根据本发明的其它示范性实施例的并入有本文中所描述的传感器及/或方法的暗场检验系统的方面。在图2A中，照射光学器件201包括激光系统220，激光系统220产生由镜或透镜203聚焦到所检验的晶片或光掩模(样本)211的表面上的线205中的光202。所检验的样本可是图案化或未图案化的。收集光学器件210使用透镜及/或镜212及213将从线205散射的光引导到传感器215。收集光学器件210的光轴214不在线205的照射平面中。在一些实施例中，光轴214大致垂直于线205。传感器215包括阵列传感器，例如线性阵列传感器。传感器215可包括如本文中所描述的传感器，及/或本文中所描述的方法中的一者可用于读出所述传感器。
图2B图解说明多个暗场收集系统231、232及233的一个实施例，每一收集系统基本上类似于图2A的收集光学器件210。收集系统231、232及233可与基本上类似于图2A的照射光学器件201的照射光学器件组合使用。每一收集系统231、232及233并入有本文中所描述的传感器中的一或多者。样本211支撑于载台221上，载台221使待检验的区在光学器件下面移动。载台221可包括X-Y载台或R-θ载台，其优选地在检验期间基本上连续地移动以用最少停滞时间检验样本的大区。
在以下各项中描述根据图2A及2B中所图解说明的实施例的检验系统的更多细节：2016年5月12日提出申请的标题为“用于检验及计量系统的具有可电控制孔径的传感器(Sensor With Electrically Controllable Aperture For Inspection And MetrologySystems)”的美国专利申请案15/153,542；2009年4月28日发布的标题为“与二维成像一起使用激光线照射的表面检验系统(Surface inspection system using laser lineillumination with two dimensional imaging)”的美国专利7,515,649；及2003年8月19日发布的标题为“用于检测表面的异常及/或特征的系统(System for detectinganomalies and/or features of a surface)”的美国专利6,608,676。所有这些专利及专利申请案以引用方式并入本文中。
图3图解说明经配置以使用法向及倾斜照射光束两者检测例如未图案化晶片的样本上的粒子或缺陷的检验系统300。在此配置中，激光系统330提供激光光束301。透镜302通过空间滤波器303聚焦光束301。透镜304准直所述光束且将其传送到偏光分束器305。分束器305将第一偏光分量传递到法向照射沟道且将第二偏光分量传递到倾斜照射沟道，其中所述第一分量与所述第二分量正交。在法向照射沟道306中，第一偏光分量是由光学器件307聚焦且由镜308朝向样本309的表面反射。由样本309(例如晶片或光掩模)散射的辐射由抛物面镜310收集且聚焦到传感器311。
在倾斜照射沟道312中，第二偏光分量由分束器305反射到镜313(其通过半波板314反射此光束)且由光学器件315聚焦到样本309。源自倾斜沟道312中的倾斜照射束且由样本309散射的辐射由抛物面镜310收集且聚焦到传感器311。传感器311及经照射区(来自样本309上的法向及倾斜照射沟道)优选地在抛物面镜310的焦点处。
抛物面镜310将来自样本309的所散射辐射准直成经准直光束316。经准直光束316然后由物镜317聚焦且穿过分析器318到达传感器311。应注意，也可使用具有除抛物面形状之外的形状的曲面镜表面。仪器320可提供光束与样本309之间的相对运动，使得跨越样本309的表面扫描光点。传感器311可包括本文中所描述的传感器中的一或多者。威兹-伊洛瓦尼(Vaez-Iravani)等人于2001年3月13日发布的标题为“样本检验系统(Sampleinspection system)”的美国专利6,201,601、罗马诺夫斯基等人于2016年3月8日发布的标题为“晶片检验(Wafer Inspection)”的美国专利9,279,774及威泽帕拉比尔(Vazhaeparambil)等人于2016年4月7日公开的标题为“暗场系统中的TDI传感器(TDISensor in a Darkfield System)”的美国公开申请案2016-0097727描述检验系统300的额外方面及细节。这些文件以引用方式并入本文中。
图4图解说明根据本发明的特定实施例的示范性双列并行CCD传感器400。传感器400包括偶数数目个列401-1到401-8。在优选实施例中，传感器400包括介于大约50个与大约10,000个之间的列。每一列401-1到401-8包括相等数目个正方形或矩形像素(例如，列401-1包含八个像素4011-11到4011-18且列401-8包含八个像素4011-81到4011-88)。在优选实施例中，传感器400是阵列双列并行CCD，其中每一列包括介于大约50个与大约10,000个之间的像素。阵列的每一列中的像素数目可等于或可不等于列数目。在替代实施例(未展示)中，传感器可是线双列并行CCD，其中每一列包括单个像素。线传感器可并入有电阻栅极，所述电阻栅极类似于2011年3月31日公开且由阿姆斯特朗等人提出申请的标题为“使用背侧照射式线性传感器的检验系统(Inspection System Using Back Side IlluminatedLinear Sensor)”的美国公开申请案2011-0073982中所描述的电阻栅极，或类似于上文引用的美国专利申请案15/153,543中所描述的电阻栅极，所述申请案以引用方式并入本文中。光、辐射或带电粒子入射于传感器400上，从而引起每一像素中的图像电荷的产生。图像电荷借助于以下文所描述的方式施加到像素的三相线控制(时钟)信号PV1、PV2及PV3沿像素列向下移动(PV1、PV2及PV3也可称为垂直时钟信号)。举例来说，在像素4011-81中产生的图像电荷响应于控制信号PV1到PV3而向下移动到像素4011-82，且随后从像素到像素地沿着列401-8向下移动直至其到达像素4011-88为止。在替代实施例中，可使用两相线控制信号来代替三相线控制信号。配置有三相线控制信号的传感器的优点是：可通过施加到PV1到PV3的适当驱动信号使电荷在任一方向上移动，然而两相线控制信号可仅使电荷在一个方向上移动。使用三相线控制信号的传感器可在像素阵列的顶部及底部两者处配置有读出电路以使得能够在任一方向上读出信号(图4中仅展示在阵列的底部处的读出电路402)。取决于需要单向还是双向转移，传感器400可使用两相或三相线控制信号。
参考图4的下部部分，双列并行CCD传感器400也包含用于将沿着列401-1到401-8转移的图像电荷转换成输出电压信号VOUT1到VOUT4的读出(输出)电路402。读出电路402包含分别从相关联的一对邻近列401-1到401-8接收图像电荷的多个读出结构402-1到402-4，借此由与邻近相关联列共享的读出结构将沿着每一列传递的图像电荷转换为输出电压信号。举例来说，由读出结构402-1将沿着列401-1及相关联列401-2传递的图像电荷转换为输出电压信号VOUT1。类似地，读出结构402-2转换从相关联列401-3及401-4接收的图像电荷以产生输出电压信号VOUT2，读出结构402-3转换从相关联列401-5及401-6接收的图像电荷以产生输出电压信号VOUT3，且读出结构402-4转换从相关联列401-7及401-8接收的图像电荷以产生输出电压信号VOUT4。
每一读出结构402-1到402-4包含经配置以根据转移门控制信号C1及C2将相应图像信号转移到共享求和门的两对转移门，所述共享求和门又根据求和门控制信号SG将所述图像信号传递到相关联感测节点。举例来说，读出结构402-1包含安置于列401-1中的第一转移门对403-1及安置于列401-2中的第二转移门对403-2，其中控制转移门对403-1及403-2以将相应图像信号从列401-1及401-2传递到共享求和门404-1，且求和门404-1经配置以将所述图像信号传递到输出电路407-1，在一个实例中，输出电路407-1包含浮动扩散部(感测节点)405-1及放大器406-1。类似地，读出结构402-4包含经安置以将相应图像信号从列401-7及401-8传递到共享求和门404-4以用于从输出电路407-4(例如，浮动扩散部405-4及放大器406-4)传输的转移门对403-7及403-8。当图像电荷沿列401-7向下移动时，转移门对403-7控制图像电荷从像素4011-78转移到共同求和门404-4中，且阻止图像电荷溢回到像素4011-78中。转移门对403-8针对列401-8及所述列中的最后像素4011-88执行类似功能。求和门404-4在电荷转移期间累积图像电荷而不添加噪声。在共同求和门404-4的底部处，形成小浮动扩散部405-4以收集且存储从共同求和门转移的图像电荷。通过时钟/控制信号C1、C2及SG控制转移门对403-7及403-8以及共同求和门404-5，使得将来自两个邻近列的图像电荷顺序地计时输出到浮动扩散部405-4中。图8A、8B及8C中描绘以上时钟信号的电压波形及时序配置。浮动扩散部405-4附接到共享放大器406-4，共享放大器406-4将图像电荷转换为电压且将经缓冲电压传输到芯片外ADC(未展示)。下文解释放大器406-4的细节。
图4A到4F描绘双列并行CCD传感器400的一部分从而更加详细地展示读出结构402-4，且也描绘在传感器400的示范性简化操作期间两个图像电荷C11及C12从列401-7及401-8转移到读出结构402-4。在这些图中，在六个顺序时间周期t0到t5处描绘传感器400的操作状态，在每一图的顶部处的括号中指示所述顺序时间周期(例如，图4A展示在由“400(t0)”指示的初始时间周期t0期间的传感器400)。为简化以下说明，在图4A到4F中仅描绘图像电荷C11及C12的位置，且为了清晰起见忽略在时间t0到t5期间正由电路元件同时处理的其它图像电荷。读出结构402-1到402-3(图4)的操作被理解为基本上完全相同于下文所描述的操作。
图4A展示当(第一及第二)图像电荷在传递到读出结构402-4中之前分别存储于像素4011-78及4011-88中时的传感器400(t0)。像素4011-78及4011-88分别经配置以产生(即，收集及/或临时存储)图像电荷C11及C12，且随后根据一或多个线控制信号PVX(例如，图4中所展示的三相信号PV1、PV2及PV3)将图像电荷C11及C12传递到读出结构402-4。读出结构402-4包含经配置以分别从像素4011-78及4011-88接收(即，直接或借助于一或多个介入缓冲门，未展示)图像电荷C11及C12的第一行转移门403-71及403-81、经配置以分别从转移门403-71及403-81接收图像电荷C11及C12的第二行转移门403-72及403-82、耦合到转移门403-72及403-82的求和门404-4及耦合到求和门404-4的输出电路(例如，浮动扩散部405-4及放大器406-4)。应注意，第一转移门403-71及第三转移门403-72形成转移门对403-7(参见图4)，且第二转移门403-81及第四转移门403-82形成转移门对403-8(图4)，且每一对的转移门之间的信号路径经配置使得将图像电荷C11及C12约束为分别仅在列401-7(即，从转移门403-71到403-72)及列401-8(即，从转移门403-81到403-82)中行进。
如图4A中所指示，根据本发明的一方面，第一行转移门403-71及403-81与第二行转移门403-72及403-82有效地交叉耦合(例如，如由连接于转移门403-71与转移门403-82之间的导体408-1且由连接于转移门403-72与转移门403-81之间的导体408-2所指示)。在此布置的情况下，施加到(第一)转移门403-71的(第一)转移门控制信号C1也基本上同时施加到(第四)转移门403-82，且施加到(第二)转移门403-81的(第二)转移门控制信号C2基本上同时施加到(第三)转移门403-72。如下文所解释，以此方式使邻近列中的转移门有效地交叉耦合会促进在交替时间周期期间图像电荷可靠转移到单个输出电路(例如，借助于求和门404-4)，借此促进在两个列401-7及401-8中产生的图像电荷借助于单个放大器406-4输出。
根据本发明的另一方面，求和门404-4经配置以在不同时间周期期间从第二行(第三及第四)转移门403-72及403-82接收图像电荷，且经配置以根据求和门控制信号SG将每一所接收图像电荷传递到浮动扩散部405-4。如下文所描述，转移门403-71与转移门403-82的交叉耦合及转移门403-72与转移门403-81的交叉耦合可靠地保证一次仅一个图像电荷转移到求和门404-4，借此促进图像电荷从两个列401-7及401-8到单个浮动扩散部405-4的简化可靠转移，浮动扩散部405-4可操作地耦合以借助于放大器406-4产生相关联输出信号。为促进从两个列401-7及401-8输出图像电荷，以是线控制信号PVX的线时钟速率的两倍的时钟速率提供求和门控制信号SG。
图4B及4C描绘根据简化示范性实施例的在图像电荷C11及C12从像素4011-78及4011-88交替(顺序)转移到转移门中期间在时间周期t1及t2处的传感器400。在时间周期t1(图4B)期间，线控制信号PVX及转移门控制信号C1经致动/双态切换以致使图像电荷C11从像素4011-78转移到第一转移门403-71中，且图像电荷C12从像素4011-88转移到第二转移门403-81中。在时间周期t2(图4C)期间，转移门控制信号C1及C2经致动以致使图像电荷C11从第一转移门403-71转移到第三转移门403-72中。
图4D及4E描绘在图像电荷C11及C12从第二行转移门403-72及403-82到求和门404-4中的后续顺序转移期间在时间周期t3及t4期间的传感器400。在(第一)时间周期t3(图4D)期间，(第一)转移门控制信号C1、(第二)转移门控制信号C2及求和门控制信号SG经致动/双态切换以致使图像电荷C11从第二行转移门403-72转移到求和门404-4中，且同时致使图像电荷C12从第一行转移门403-81转移到第二行(第四)转移门403-82中。应注意，响应于转移门控制信号C1及C2的致动/双态切换而可操作地有益地协调图4D中所描绘的两个电荷转移，此归因于转移门403-71与转移门403-82及转移门403-81与转移门403-72的有效交叉耦合。在(第二)时间周期t4(图4E)期间，(第一)转移门控制信号C1及求和门控制信号SG经致动/双态切换以致使图像电荷C12从第二行转移门403-82转移到求和门404-4中。
图4E及4F描绘在图像电荷C11及C12从求和门404-4顺序转移到浮动扩散部405-4中期间在时间周期t4及t5期间的传感器400。如图4E中所指示，在(第二)时间周期t4期间，借助于求和门控制信号SG控制求和门404-4以将图像电荷C11转移到浮动扩散部405-4，借此存储于浮动扩散部405-4上的相关联电荷致使放大器406-4产生对应于图像电荷C11的输出电压信号VOUT-C11。在后续时间周期t5(图4F)期间，通过求和门控制信号SG控制求和门404-4以将图像电荷C11转移到浮动栅极405-4中，借此存储于浮动扩散部405-4上的相关联电荷致使放大器406-4产生对应于图像电荷C12的输出电压信号VOUT-C12。应注意，浮动扩散部405-4可在每一电荷转移之间(即，在C11的转移之后在C12的转移之前)复位，或可仅在C11的转移之前复位。在图4、4A到F中未描绘复位晶体管及复位信号，以便简化各图并更清晰地解释电荷转移操作。
如由图4A到4F中所展示的实例所确立，传感器400提供每两列一个放大器布置，所述每两列一个放大器布置借助于以下方式促进具有小列间距(例如，介于大约10μm与大约25μm之间)的CCD传感器的产生：避免与每列一个放大器方法相关联的高切换电流、高读取噪声及放大器空间问题，同时仅最低限度地增加输出时钟速率(即，求和门控制信号SG具有是线控制信号PVX的线时钟速率的仅两倍的时钟速率)。
图5图解说明根据本发明的示范性优选实施例的部分双列并行CCD图像传感器500。
根据本发明的一方面，传感器500包含用于促进图像电荷从两个列511及512转移到一个共享输出电路的对称Y形埋入扩散部502。Y形埋入扩散部502包括形成于半导体衬底501中的连续n掺杂区域且包含借助于V形合并区段502-4连接到下游(第三)伸长部分502-3的平行的上游(第一及第二)伸长部分502-1及502-2。使用已知技术形成所述连续n掺杂区域，使得由像素520-1及520-2累积的图像电荷(包括电子)被约束为沿着上游伸长部分502-1及502-2行进，且分别由V形合并区段502-4引导到下游伸长部分502-3中。
像素520-1及520-2借助于分别形成于上游伸长部分502-1及502-2上方的多晶硅像素栅极结构515-1、515-2及515-3形成于相应相关联列511及512中。额外像素可形成于每一列511及512中(例如，在图中的像素520-1及520-2上面)。由像素520-1及520-2产生的图像电荷根据以下文所描述的方式产生的三相像素控制信号PV1、PV2及PV3被约束为沿列511及512向下移动(即，通过上游伸长扩散部分502-1及502-2)。
类似于先前实施例，传感器500包含两行转移门523-1到523-4，包含第一行(第一及第二)转移门523-1及523-2以及第二行(第三及第四)转移门523-3及523-4。第一行转移门523-1及523-2由多晶硅转移门结构504-11及504-12形成，多晶硅转移门结构504-11及504-12分别可操作地安置于上游(第一及第二)伸长扩散部分502-1及502-2上方在像素520-1及520-2与第二行转移门之间。第二行转移门523-3及523-4由多晶硅转移门结构504-21及504-22形成，多晶硅转移门结构504-21及504-22分别可操作地安置于伸长扩散部分502-1及502-2上方在第一行转移门与V形合并区段502-4之间。在此布置的情况下，(第一及第三)转移门523-1及523-3经配置以将沿着沟道511传递的图像电荷朝向V形合并区段502-4转移，且(第二及第四)转移门523-2及523-4经配置以将沿着相关联第二沟道512传递的图像电荷朝向V形合并区段502-4转移。
如上文所陈述，形成转移门523-1到523-4的转移门结构有效地交叉耦合以促进图像电荷从列511及512高效且可靠转移到求和门524。具体来说，(第一)转移门523-1及(第四)转移门523-4经耦合以接收在信号线562-1上传输的转移门控制信号C1，且(第二)转移门523-2及(第三)转移门523-3经耦合以接收在信号线562-2上传输的转移门控制信号C2。此布置在本文中称为有效交叉耦合，因为第一转移门523-1及第四转移门523-4有效地耦合使得当(第一)转移门控制信号C1施加于第一转移门结构504-11上时，其基本上同时施加到(第四)转移门结构504-22，且第二转移门523-2及第三转移门523-3有效地耦合使得当(第二)转移门控制信号C2施加到第二转移门结构504-12时，其基本上同时施加到第三转移门结构504-21。
根据所描绘实施例，使用连接于两个相关联转移门结构之间的一或多个导电(例如，金属或经掺杂多晶硅)链接结构至少部分地实现有效交叉耦合。参考图5中的两个列之间的区域，第一行、第一列转移门结构504-11实施为在分开列511及512的区域上方延伸到右侧的水平定向的伸长多晶硅栅极结构，且第二行、第二列转移门结构504-22实施为在分开列511及512的区域上方延伸到左侧的水平定向的伸长多晶硅栅极结构。通过使转移门结构504-11及504-22的部分在水平方向上重叠，这两个结构借助于平行于列(垂直)方向而延伸的导电链接结构532来电连接。此链接布置促进对相关联转移门结构504-11及504-22的可靠交叉耦合控制，因为当转移门控制信号C1施加到转移门结构504-11时，其也基本上同时施加到转移门结构504-22(即，借助于经由导电链接结构532的传输)。
求和门524形成于V形合并区域502-4上方，使得求和门524用于将图像电荷从任一列511或512转移到下游伸长扩散部分502-3。在一个实施例中，求和门524实施为具有上游边缘505A的锥形多晶硅结构，上游边缘505A具有比求和门524的下游边缘505B的宽度W2长的宽度W1(即，在垂直于列511及512的方向上所测量)。此锥形求和门结构促进图像电荷从上游伸长扩散部分502-1及502-2高效转移到下游伸长扩散部分502-3。求和门505由求和门控制信号SG控制以依类似于上文参考求和门404-4所描述的方式的方式起作用，其中求和门控制信号SG的时钟速率比像素控制信号PV1、PV2及PV3的线时钟速率快两倍。在一个实施例中，额外锥形输出门结构(参见结构506，图5C)安置于V形合并区段502-4的下游部分上方(即，在求和门结构505与下游伸长扩散部分502-3之间)，且用于阻止电荷从感测节点溢回到求和门505。
在操作期间，在像素520-1及520-2中产生的图像电荷沿着列511及512以由线时钟信号PV1、PV2及PV3确定的时钟速率转移。在图8A、8B及8C中展示各种控制信号的波形的实例。以下简要解释例如在图8A、8B及8C中展示的那些波形的波形可如何在传感器500中转移电荷。应注意，图8A、8B及8C包含在一些实施例中呈现但图5中未描绘的用于缓冲门的控制信号VB。当转移门控制信号C1在信号线562-1产生高电压(即，比低电压更正的电压)时，在转移门结构504-11及504-22下方形成电位阱。类似地，当转移门控制信号C2在信号线562-2上产生高电压时，在转移门结构504-12及504-21下方形成电位阱。当线时钟信号PV3被驱动到低电压时，图像电荷从像素520-1及520-2下方转移(或替代地，当例如图5G及8A中的缓冲门上的控制信号VB被驱动到低电压时，图像电荷从列511及512中的下方介入缓冲门转移，未图示)到转移门结构504-11及504-12下方。当控制信号C1及C2处于大致相等电位时，在沟道502-1及502-2中适合位置处的经植入势垒防止电荷在门504-21及504-22下方转移。使用经植入势垒来实现CCD中的两相计时是众所周知的。接下来，转移门控制信号C1双态切换使得信号线562-1上的电压从高切换到低而转移门控制信号C2仍为高，借此转移门504-11及504-22下方的电位阱崩溃。因此，转移门504-11下方的图像电荷移动到转移门504-21下方，且转移门504-22下方的图像电荷移动到求和门505下方。当转移门控制信号C2从高切换到低时，转移门504-21下方的图像电荷移动到求和门结构505下方而转移门504-12下方的图像电荷移动到转移门504-22下方。通过实例方式而非作为限制，高电压可意指大致+5V的电压，然而低电压可意指大致-5V的电压(相对于衬底的电位)。所属领域的技术人员理解，将使用的适当电压取决于许多因素，包含埋入沟道中的掺杂水平、多晶硅栅极电极的掺杂水平、介电层的厚度及介电常数以及像素及栅极结构的尺寸及全阱容量。
通过重复上文所描述的操作，由两个列(即，列511及512)中的像素产生的图像电荷借助于共享(共同)求和门505顺序地转移到单个输出电路。同时，其它对列对为那些对列提供的对应共同求和门下方的其电荷顺序地计时。图8A、8B及8C中更加详细地描绘以上时钟信号的示范性电压波形及时序配置。在图5中所展示的优选实施例中，每一列利用一个转移门对来将图像电荷计时到共同求和门。在其它实施例中，每列两个或多于两个转移门对可用于实施其它电荷转移方案。应注意，传感器500也可经操作以通过以与线时钟相同的速率而非以线时钟频率的两倍读出求和门505而在求和门505中对来自两个列的电荷求和。这允许并入有传感器500的仪器具有折衷空间分辨率以实现经改善信噪比的不同操作模式。
参考图5的下部部分，输出电路由以下各项实施：浮动扩散部507，其形成于下游伸长扩散部分502-3中；及芯片上预放大器电路509，其借助于适合(金属或多晶硅)导电结构535可操作地耦合到浮动扩散部507。芯片上预放大器509用于将存储于浮动扩散部507上的图像电荷转换为电压信号，且将经缓冲电压信号VOUT递送到输出端子510。预放大器广泛地用于CCD传感器中以放大及/或缓冲信号且使所述信号准备用于进一步处理。此项技术中已知的多个预放大器及缓冲器配置适合用于双列并行CCD图像传感器500中。预放大器509可包括多个晶体管、电阻器及电容器。通过实例的方式，放大器509可包括源极随耦器的两个级。第一级源极随耦器包含增益晶体管M1及电流槽晶体管M2；第二级源极随耦器包含增益晶体管M3，借此放大器509的输出端子510由晶体管M3的源极端子形成。提供复位晶体管508，复位晶体管508包含连接到浮动扩散部507的源极端子、由复位时钟信号RG控制的栅极端子及连接到复位电压RD的漏极端子。典型操作(积分及读出)循环通过以下操作开始：借助于双态切换复位晶体管508将浮动扩散部507复位到电压RD；等待预定积分周期；然后对输出端子510处的输出电压进行取样。在积分周期期间，输出端子510处的电压电平改变(变得更负)与汇集到浮动扩散部507的图像电荷成比例的量。在读出周期期间，ADC(未展示)测量模拟电压电平且将其转换为数字以用于进一步信号处理。所述ADC可位于芯片上或芯片外。
图5A到5G图解说明与传感器500的生产相关联的关键制作特征，且包含图5中未图解说明的额外特征。例如，图5A到5G展示五个列而非仅两个列，且还展示例如缓冲门的任选元件。应注意，为了简洁而仅展示预放大器的一部分，且下文参考图7描述预放大器的额外特征。
图5A展示在使用已知(例如，CMOS)半导体处理技术使适合掺杂剂扩散之后且在于衬底的上表面上方形成最下部介电层540之前的衬底501。如上文所描述，传感器500包含三个Y形埋入扩散部(沟道)502-0、502-1及502-2，其中出于说明性目的而仅展示扩散部502-0的一部分。每一Y形埋入扩散部包含形成五个沟道的上游细长部分：扩散部502-1的上游细长扩散部分502-11及502-12形成第一及第二沟道；扩散部502-2的上游细长扩散部分502-21及502-22形成第三及第四沟道；且扩散部502-0的上游细长扩散部分502-02形成第五沟道。在一个实施例中，埋入沟道扩散部502-0、502-1及502-2使用已知技术由n型掺杂剂形成，所述n型掺杂剂扩散到形成于p型单晶硅衬底501A上的外延硅层501B中。在替代实施例中，埋入沟道可通过p型掺杂而形成于其中累积且转移图像电荷(包括电洞)的n型半导体衬底上方。V形埋入沟道部分的宽度逐渐渐缩到下游埋入扩散部分502-03、502-13及502-23。下游埋入扩散部分的最小宽度(例如，埋入部分502-13的宽度W3)经设定使得随后形成的求和门能够容纳从两个相关联上游埋入扩散部分(例如，埋入部分502-11及502-12)的两者传递的图像电荷。
浮动扩散部507-0、507-1及507-2以及复位扩散部508-01、508-11及508-21分别由扩散到埋入沟道502-0、502-1及502-2的窄端中的n+掺杂剂形成。优选地，浮动扩散部507以与全阱信号电平一致的最小可能大小形成以便减小浮动扩散部的电容。浮动扩散部电容的减小导致电荷转换效率(CCE)的增加及因此输出端子510处的经改善信噪比。
图5A中也展示扩散部509-0M1D、509-1M1D、509-2M1D，其形成预放大器509-0、509-1及509-2的第一级晶体管的源极、漏极及沟道区域。下文参考连接到浮动扩散部507-0、507-1及507-2的多晶硅结构的形成论述这些扩散部的相关性。
图5B描绘第一多晶硅过程，在所述第一多晶硅过程期间第一组多晶硅结构(称作“第一多晶硅结构”)形成于介电层540上。这些第一多晶硅结构包含第一像素栅极结构515-1、第一行转移门结构504-1、求和门结构505、互连结构535A及复位门结构508-2。参考图5B的左侧，所描绘第一多晶硅结构包含与两行像素520-1A及520-1B对应的两个像素栅极结构515-11及515-12。五个第一行转移门结构504-02、504-11、504-12、504-21及504-22形成为安置于对应上游伸长扩散部分上方的单独结构(例如，第一行转移门结构504-02在上游伸长扩散部分502-02上方延伸)。三个求和门结构505-0、505-1及505-2形成于相应V形扩散部分上方(例如，求和门结构505-0安置于V形扩散部分502-04上方)。三个导电结构535A-0、535A-1及535A-2形成于相应浮动扩散部上方(例如，导电结构535A-0安置于浮动扩散部507-0上方)。最终，三个复位门结构508-01、508-11及508-21形成于相应下游扩散部分上方(例如，复位门结构508-01安置于下游扩散部分502-03上方)。
如由位于图5B的右下部分中的部分横截面所指示，在一个实施例中，每一导电结构535A-0、535A-1及535A-2经形成使得其包含穿过介电层540延伸到对应浮动扩散部的下部/垂直多晶硅部分及水平延伸以形成第一级增益晶体管栅极结构的上部/水平多晶硅部分。举例来说，参考所述横截面，多晶硅部分535A-0包含：下部/垂直多晶硅部分535A-01，其延伸穿过形成于介电层540中的相关联触点孔541且接触浮动扩散部507-0；及上部/水平多晶硅部分535A-02，其从下部/垂直多晶硅部分535A-01的上部端水平延伸跨越介电层540的上表面，且在扩散部509-0M1D上方延伸以为预放大器509-0的第一级晶体管提供栅极结构。此布置促进在不需要金属互连件的情况下每一感测节点与相关联预放大器之间的可操作连接，借此减小浮动扩散部电容且增加电荷转换效率，因此改善传感器的信噪比。此外，在一个实施例中，借助于穿过与用于形成连接多晶硅部分的开口相同的开口形成浮动扩散部而使浮动扩散部自对准到导电结构535A-0、535A-1及535A-2。在常规CCD传感器中，在触点孔蚀刻及多晶硅(polysilicon)(即，多晶硅(polycrystalline silicon))沉积之前形成浮动扩散部，且浮动扩散部、触点孔及多晶硅之间的任一不对准引入寄生电容。在优选实施例中，首先将触点孔541蚀刻穿过介电层540，后续接着掺杂浮动扩散部507-0，且然后沉积第一多晶硅材料，借此导电结构535A-0自对准到浮动扩散部507-0。因此，自对准浮动扩散部经形成且在不具有金属互连件的情况下直接连接到第一级晶体管M1的多晶硅栅极。此技术可进一步减小浮动扩散部电容，增加电荷转换效率，且因此改善本文中所描述的CCD传感器中的信噪比。维达斯(Vadasz)的于1972年10月24日发布的标题为“集成电路结构及用于制成集成电路结构的方法(Integrated circuit structure and method for makingintegrated circuit structure)”且以引用方式并入本文中的美国专利3,699,646描述埋入触点及自对准扩散部的额外方面及细节。
浮动扩散部507-0是图5及其相关联说明中详细描述的重掺杂区域。复位晶体管MR邻近于浮动扩散部的另一侧，所述浮动扩散部也用作复位晶体管的源极端子。在借助于双态切换复位晶体管MR将浮动扩散部复位到复位电压RD之后，图像电荷由输出门OG转移到浮动扩散部且由芯片上放大器读出。
图5C描绘第二多晶硅过程，在所述第二多晶硅过程期间第二多晶硅结构形成于介电层540上。所述第二多晶硅结构包含第二像素栅极结构515-2、第二行转移门结构504-2及输出门结构506。第二像素栅极结构515-2包含部分地形成于介电层540的上表面上的像素栅极结构515-21及515-22，且包含在邻近第一多晶硅结构上方延伸的凸起部分(例如，第二多晶硅栅极结构515-21与第一像素栅极结构515-12部分地重叠)。类似地，缓冲门结构503包含：平面中央部分503A，其部分地形成于介电层540的上表面上；凸起第一边缘部分503B，其经形成使得其在第一像素栅极结构515-11的一个边缘上方延伸；及凸起第二边缘部分503C，其经形成使得其在第一行转移门结构的第一(左侧)边缘上方(例如，在转移门结构504-012上方)延伸。缓冲门503用于短暂地存储从像素列移出的图像电荷，且将所述图像电荷转移到转移门。尽管针对每一列展示一个缓冲门503，但可使用零个、两个或多于两个缓冲门。在一个优选实施例中，使用缓冲门的偶数数目个行，例如两行，使得驱动奇数行的时钟信号与驱动偶数行的时钟异相基本上180°且因此产生最少衬底电流且将最小噪声添加到输出。五个单独第二行转移门结构504-022、504-121、504-122、504-221、504-222以类似于缓冲门结构503的方式形成，使得每一第二行转移门结构包含平面中央部分、在第一行转移门结构的第二(右侧)边缘上方延伸的凸起第一边缘部分及在求和门结构505的左侧边缘上方延伸的凸起第二边缘。举例来说，第二行转移门结构504-022包含在第一行转移门结构504-012的右侧边缘上方延伸的凸起第一边缘部分及在求和门结构505-0的第一(左侧边缘)上方延伸的凸起第二边缘。三个输出门结构506-0、506-1及506-2以类似方式形成，使得每一输出门结构包含平面部分及分别在求和门结构505-0、506-1及506-2的第二(右侧)边缘上方延伸的一个凸起边缘部分。第二多晶硅结构在第一多晶硅结构上方的所描绘重叠使用已知技术来实现，且用于通过减少栅极之间的埋入扩散沟道中的电位势垒而阻止图像电荷的不完整转移。也可使用其它已知技术，例如垂直地布置安置于不同介电栅极绝缘体上的栅极结构。取决于传感器应用及电荷转移要求，以上栅极中的每一者可由一或多个多晶硅或非晶硅栅极结构实施。
适当高度的所植入势垒放置于在缓冲门及转移门下方的埋入沟道中的适当位置处，使得在每一栅极的一侧附近实现低于另一侧的埋入沟道电位。当一个栅极处于高电位且邻近栅极处于低电位时，此较低埋入沟道电位产生确保图像电荷仅在所要方向上转移的楼梯状电位。当两个邻近栅极处于相等电位时，此较低埋入沟道电位产生阻止电荷从一个栅极漂移到另一栅极的势垒。
输出门结构506-0、506-1及506-2分别安置于Y形埋入扩散部502-0、502-1及502-2的V形合并区段的下游部分上方(即，在求和门结构与下游伸长扩散部分之间)，且用于阻止电荷从感测节点溢回到求和门505-0、505-1及505-2。每一输出门506-0到506-2包含安置于介电(栅极绝缘体)层140上的多晶(或非晶)硅栅极结构，且由使得在输出门下方实现适当电位的电压偏置。在电荷从相关联求和门505-0到505-2转移到浮动扩散部507-0到507-2期间，输出门结构506-0到506-2下方的电位高于共同求和门区域下方的电位且低于浮动扩散部区域下方的电位；图像电荷沿电位“楼梯”向上移动且从求和门平滑地转移到浮动扩散部。在转移图像电荷包之后，求和门505-0到505-2上的电压从低切换到高，每一求和门下方的电位变得高于邻近输出门下方的电位；图像电荷由于输出门下方的电位势垒而无法溢回到求和门。以类似于求和门505-0到505-2的方式，输出门结构506-0到506-2布局有分别朝向浮动扩散部507-0到507-2逐渐渐缩的宽度。
图5D描绘第三多晶硅过程，在所述第三多晶硅过程期间第三多晶硅结构形成于介电层540上。第三多晶硅过程通常用于形成第三像素栅极结构515-3，在本发明实例中，第三像素栅极结构515-3包含部分地形成于介电层540的上表面上的像素栅极结构515-13及515-23，且包含在邻近第一多晶硅结构及第二多晶硅结构上方延伸的凸起部分。举例来说，第三多晶硅栅极结构515-13与第一像素栅极结构515-11的左侧边缘部分地重叠，且也与第二像素栅极结构515-21的一部分部分地重叠。类似地，第三多晶硅栅极结构515-23与第一像素栅极结构515-12的左侧边缘部分地重叠，且也与第二像素栅极结构515-22的一部分部分地重叠。也使用已知技术形成这些第三多晶硅结构。
典型CCD制造技术使用三个不同多晶硅沉积来形成需要用于三相线(垂直)时钟的三个像素栅极结构。图5A到5D中描绘的第一、第二及第三多晶结构图解说明制作传感器500的一种方式。可使用第一、第二及第三多晶结构的替代组合来制作传感器。举例来说，缓冲门、转移门、求和门及输出门可由第二及第三多晶结构而非由第一及第二多晶结构制作。在另一实例中，个别栅极可由两个不同多晶层的组合制作。
图5E描绘第一金属化(第一金属)过程，在所述第一金属化过程期间第一金属互连件结构层形成于多晶硅结构上方。在下部介电层540上方形成且任选地根据已知技术平面化预金属介电层550。然后穿过预金属介电层550的上表面形成通往下伏结构的触点开口(通孔)，然后在通孔开口中形成金属通孔结构，并且然后沉积且图案化金属层以形成第一金属结构。
根据示范性实施例，利用所述第一金属过程来形成金属导电链接结构532A，使得每一第一行转移门结构以满足上文所描述的同时栅极控制技术的方式电连接到相关联第二行转移门结构。具体来说，一个列中的每一第一行转移门结构借助于相关联金属导电链接结构532A及对应金属通孔连接到邻近列中的第二行转移门结构。举例来说，列512-0中的第一行转移门结构504-012借助于金属导电链接结构532A-01连接到邻近列511-1中的第二行转移门结构504-121，且如由图5E的左上部分中所提供的部分横截面所指示，通过穿过预金属介电层550的金属通孔555-1及555-2促进所述连接。类似地，安置于列511-1、512-1及511-2中的第一行转移门结构分别借助于金属导电链接结构532A-11、532A-12及532A-22分别连接到列512-1、511-2及512-2中的第二行转移门结构。
图5F及5G描绘第二金属化(第二金属)过程，在所述第二金属化过程期间第二金属互连件结构层形成于多晶硅结构及第一金属结构上方。所述第二金属过程通过以下操作开始：在预金属介电层550及第一金属结构上方沉积且任选地平面化金属间介电材料以形成金属间介电层560。然后穿过金属间介电层560的上表面形成通往下伏结构的触点开口(通孔)，然后在通孔开口中形成金属通孔结构，并且然后沉积且图案化第二金属层以形成第二金属结构。在示范性实施例中，利用第二金属过程来形成用于将适当偏置电压及时钟/控制信号传导到各种多晶硅栅极结构的金属信号线，所述适当偏置电压及时钟/控制信号由外部控制电路(未展示)产生且根据已知技术借助于焊料凸块或线接合施加到第二金属信号线上。为了清晰，图5F仅展示用于将转移门控制信号C1及C2传输到金属导电链接结构532A-01、532A-11、532A-12及532A-22的第二金属(信号线)结构562-1及562-2，且图5G中描绘在第二金属过程期间形成的剩余第二金属结构；应理解，同时形成所有这些第二金属结构。
参考图5F，为促进上文所描述的转移门功能性，第二金属(信号线)结构562-1及562-2以交替布置连接到金属导电链接结构532A-01、532A-11、532A-12及532A-22。即，信号线结构562-1借助于金属通孔结构565-1连接到导电链接结构532A-01，金属通孔结构565-1延伸穿过界定于金属间介电层560中(即，蚀刻到金属间介电层560中)的通孔开口561-1。根据所述交替布置，信号线结构562-2借助于延伸穿过界定于金属间介电层560中的通孔开口561-2的金属通孔结构565-2连接到下一个导电链接结构532A-11，信号线结构562-1连接到下一个导电链接结构532A-12，且信号线结构562-2连接到下一个导电链接结构532A-22。应注意，信号线562-1及562-2垂直于(即，在Y轴方向上)金属导电链接结构532A-01、532A-11、532A-12及532A-22(在示范性实施例中，其在X轴方向上延伸)延伸。
图5G展示剩余第二金属(信号线)结构562及形成于金属间电介质560上且用于将控制及偏置信号传输到传感器500的对应栅极结构及扩散部的示范性通孔触点结构。具体来说，利用六个像素信号线562P来将线时钟信号P1V、P2V及P3V传输到像素栅极结构515，利用缓冲信号线562-3来将缓冲控制(时钟)信号VB传输到缓冲门结构503，利用信号线562-4及562-5来将求和门控制信号SG传输到求和门结构505及输出门506，利用复位门信号线562-3来将复位门控制信号RG传输到复位门结构508-2，且利用复位偏置信号线562-3来将复位偏置信号RD传输到复位扩散部508-1。应注意，为了简单而将像素信号线562P指示为笔直金属线，但实际上这些线通常布置成V形图案以便满足用于制作传感器500的半导体过程的最少特征(例如，线宽度及空间)要求。也应注意，上文参考图5F展示且描述转移门信号线562-1及562-2与相关联转移门结构504-1及504-2之间的连接。
图6图解说明根据本发明的另一示范性优选实施例的部分双列并行CCD图像传感器600。类似于传感器500(上文所描述)，传感器600利用Y形埋入扩散部602-0、602-1及602-2来促进图像电荷从安置于相关联列611-0到612-2中的像素(未展示)转移，其中每一对相关联列(例如，列611-1及611-2)共享以上文所描述的方式形成的单个感测节点。类似于先前实施例，传感器600包含由多晶硅缓冲门结构603控制的一行缓冲门、由多晶硅转移门结构(下文所描述)、锥形多晶硅求和门结构605-0到605-2及锥形多晶硅输出门结构606-0到606-2形成的两行转移门。图像传感器600基本上如上文参考传感器500所描述而操作。
传感器600与传感器500的不同之处在于：使用整体“Z”形复合多晶硅结构实施由传感器600利用的两行转移门。如图6的中心中所指示，一个此类“Z”形复合多晶硅结构604-11包含形成第一行(第一)转移门结构604-111的第一水平部分、形成第二行(第四)转移门结构604-122的第二水平部分及整体地连接转移门结构604-111及604-122的对角线(第一)多晶硅结构导电链接结构632-11。额外“Z”形复合多晶硅结构(例如，结构604-01及604-12)以虚线经指示以便更清晰地描绘转移门结构604-111的特征，但被理解为在结构上基本上完全相同。类似于传感器500，“Z”形复合多晶硅结构借助于以交替图案将转移控制信号C1及C2施加到“Z”形复合多晶硅结构而提供相关联第一行转移门与第二行转移门之间的有效交叉耦合。具体来说，相关联第一行(第一)转移门结构604-111及第二行(第四)转移门604-122通过由多晶硅结构604-11形成的整体连接来耦合，使得施加到转移门结构604-111的第一控制信号C1借助于导电链接结构632-11传输到转移门604-122。第二行转移门604-121由“Z”形复合多晶硅结构604-01的下部水平部分形成，且相关联第一行转移门604-112由“Z”形复合多晶硅结构604-12的上部水平部分形成。多晶硅结构604-01及604-12安置于多晶硅结构604-11的相对侧上，且因此经连接以接收控制信号C2，因此建立相关联转移门结构604-121与604-112之间的有效耦合，使得当控制信号C2施加到转移门结构604-121(例如，借助于第一行转移门结构604-011及导电链接结构632-01)时，其也基本上同时施加到相关联第一行转移门结构604-112(其借助于导电链接结构632-12将控制信号传递到第二行转移门604-221)。
在图6的底部处提供的横截面指示用于制作传感器600的一种可能方法。借助于以下操作形成第一多晶硅结构：沉积第一多晶硅层；图案化所述层；蚀刻所述层；及然后以制作CCD中所利用的正常方式氧化剩余多晶硅结构。在所述横截面中，这些第一多晶硅结构包含像素结构615及复合多晶硅结构的第一多晶硅部分(例如，形成第一行转移门604-112及第二行转移门604-122的“Z”形复合多晶硅结构604-01及604-11的部分604-01A及604-11A)。然后使用额外掩模来暴露第一多晶硅部分604-01A及604-11A的上表面，且使用适合蚀刻剂来移除氧化物以便促进从这些第一多晶硅结构到随后形成的第二多晶硅结构的电连接。然后执行第二多晶硅过程，在所述第二多晶硅过程期间第二多晶硅部分604-01B及604-11B形成于所述第一多晶硅部分上方以完成复合多晶硅结构。为提供邻近结构的优选重叠，也使用类似复合多晶硅结构形成缓冲门结构603及求和门结构605-1，且仅由第二多晶硅结构形成输出门结构606-1。
图7图解说明芯片上放大器的金属互连件的示范性布局，其中以经均衡响应及最小化串扰优化传感器输出。尽管可在CCD图像传感器中使用各种类型的放大器来将图像电荷转换为电压且驱动每一沟道的输出电路处的外部负载，但出于说明性目的而展示包括源极随耦器的两个级的放大器。在优选实施例中，传感器输出701的一个块包括双级源极随耦器放大器的四个沟道，借此图7中为了简洁而未展示第一级702(第一级702靠近于浮动扩散部定位，如上文所描述)。金属互连件703-1、703-2、703-3及703-4分别将第一级702-1、702-2、702-3及702-4的输出端子连接到第二级晶体管M3-1、M3-2、M3-3及M3-4的对应栅极端子。第二级晶体管的源极端子连接到金属垫OS，即，M3-1连接到OS1，M3-2连接到OS2，M3-3连接到OS3，且M3-4连接到OS4。在一个实施例中，CCD图像传感器借助一或多个ADC及其它信号处理电路倒装接合到第二半导体(例如，硅)衬底。ADC通过焊料球读取金属垫处的传感器输出信号。
针对每一双级放大器，第一级晶体管保持为小以最小化浮动扩散部上的负载。这产生第一级702的低跨导及低驱动能力。出于所述原因，第二级包括较大晶体管M3以驱动可具有与数微微法拉一样大的输入电容的外部电路。由于大部分热耗散发生在第二级中，因此铺开大晶体管M3-1、M3-2、M3-3及M3-4是重要的。此外，在优选实施例中，具有大约50μm至100μm的直径的金属垫OS1、OS2、OS3及OS4用于为倒装接合提供良好机械强度。当典型CCD像素的横向宽度在优选实施例中介于大约10μm与大约25μm之间时，传感器输出的四个沟道可分组于块701中以便容纳大晶体管及金属垫。取决于像素大小、输出晶体管大小及金属垫大小，更少或更多沟道可分组于传感器输出的一个块中。然而，一个块中的沟道数目应是尽可能地少以便使金属互连件保持足够短以用于高带宽操作，同时维持高晶体管及金属垫密度。在优选实施例中，一个块中的输出沟道数目介于2与8之间。
在一个实施例中，晶体管M3-1、M3-2、M3-3及M3-4分别靠近于金属垫OS1、OS2、OS3及OS4放置。放大器的第一级与第二级之间的金属互连件703-1、703-2、703-3及703-4具有不同长度以在块内铺开晶体管M3-1、M3-2、M3-3及M3-4。为了沟道驱动最靠近于放大器的第一级的金属垫OS1，金属互连件703-1是最短的且将在不存在金属件704-1的情况下将最小负载添加到第一级702-1。为了沟道驱动最远金属垫OS4，金属互连件703-4是最长的，且其电容成为第一级702-4上的总负载的主导贡献者。具有连续变小区的金属件704-1、704-2、704-3及704-4分别添加到金属互连件703-1、703-2、703-3及703-4以平衡不同沟道之间的互连电容。在经均衡总负载电容跨越所有四个沟道的情况下，传感器输出以均匀沟道响应及最小化串扰为特征。应注意，在一个实施例中，可省略704-4，因为相关联互连件703-4具有最大电容。也应注意，尽管迹线703-1、703-2等的区通常是确定输出的带宽的最大因素，但其它因素(包含在迹线703-1、703-2等下面掺杂硅、任何多晶硅互连件的电阻及例如图5中所展示的M3的晶体管的跨导)可在不存在金属件704-1、704-2等的情况下产生具有不同带宽的不同输出。金属件704-1、704-2等的区可经选择以便补偿这些及其它因素。在替代实施例中，第二级晶体管可靠近于第一级晶体管放置，其中不同长度迹线将那些晶体管连接到例如OS1、OS2、OS3及OS4等金属垫。
图8A图解说明根据本发明的一个实施例的用以驱动芯片上双列并行读出结构的时钟信号的示范性电压波形及时序配置。以任意单位标绘电压及时间。未必按相同比例标绘不同时钟信号的电压。
尽管在图8A中所图解说明的特定实施例中利用三相CCD阵列传感器，但目前时钟驱动方案也可适用于其它CCD区传感器及线传感器。三相CCD传感器的每一像素包括分别由连续相位时钟P1V、P2V及P3V驱动的三个多晶硅栅极。所述相位时钟同步到线时钟(未展示)，所述线时钟控制电荷从一行像素转移到读出结构。三个时钟信号中的每一者的相位相对于另外两个时钟信号移位120度，从而使得电荷能够沿如图4中简略描述的列向下转移。2009年10月27日发布的标题为“TDI传感器的连续计时(Continuous clocking of TDIsensors)”的美国专利7,609,309及2011年5月31日发布的标题为“用于TDI传感器的连续计时的设备(Apparatus for continuous clocking of TDI sensors)”的美国专利7,952,633描述连续时钟驱动方案的额外方面及细节。两个专利均以引用方式并入本文中。
参考图5中所描绘的双列并行读出结构及图8A中所图解说明的其时钟驱动方案，时钟信号VB驱动缓冲门503的行，时钟信号C1及C2驱动两行成对的转移门504，时钟信号SG驱动共同求和门505的行，且时钟信号RG驱动例如508的复位晶体管的栅极。这些时钟同步到芯片外信号处理电路中的ADC的自由运行内部时钟ADC-C。在时钟循环期间，时钟信号VB从低到高逐渐增加且在其达到峰值之后急剧下降。在常规CCD中，图像电荷以恒定速率从像素转移到水平输出寄存器(或转移到类似于503的缓冲门)，因为类似于P1V、P2V、P3V及VB的时钟信号以恒定频率运行。在包含两行缓冲门的一个实施例中，与VB异相大致180°的第二缓冲门时钟信号(未展示)驱动所述第二行。在具有多于两行缓冲门的另一实施例中，奇数行(以邻近于最后像素行的缓冲门行开始)由时钟信号VB驱动，且偶数行由与VB异相大致180°的时钟信号驱动。使用偶数行缓冲门的优点是：彼此异相大致180°的两个缓冲门时钟信号使得来自这些时钟信号的电流大致抵消，从而最小化在传感器中流动的噪声电流。在本发明的一个实施例中，互补时钟信号C1及C2使图像电荷从奇数及偶数列顺序地移动到共同求和门505中，同时时钟信号SG以相位时钟P1V、P2V及P3V的频率的两倍的频率将图像电荷传输到浮动扩散部。时钟信号RG复位浮动扩散部处的电压以为下一时钟循环处的图像电荷做准备。时钟信号ST由时序产生器产生且同步到ADC-C。在时钟信号RG复位浮动扩散部处的电压之后，时钟信号ST触发相关双重取样(CDS)，在所述相关双重取样期间传感器输出经取样且准备用于数字化。
在检验系统中，图像获取需要与样本的运动同步。在此系统中，图像传感器以时钟抖动或线时钟与ADC时钟ADC-C之间的变化相位不匹配操作。这可导致是不合意且可使检验的灵敏度降级的图像模糊及图像滞后。在图8A中所图解说明的一个优选实施例中，时钟信号VB、C1及C2连续地改变其频率以跟踪图像，同时芯片上放大器及芯片外信号处理电路以恒定频率操作。出于说明性目的而考虑标称10MHz线时钟频率。相位时钟P1V、P2V及P3V的频率设定为10MHz。在此实例中，时钟信号SG及RG的频率设定为22MHz，其比线时钟频率的两倍高10％。为了保持与线时钟频率同步，时钟信号VB针对每五个线时钟循环跳过半个时钟循环，如在时间801附近所展示。互补时钟信号C1及C2因此也跳过半个时钟循环。由于复位时钟RG运行比线时钟频率的两倍高10％，因此针对每五个线时钟循环存在一个冗余RG时钟循环。复位时钟频率与线时钟频率的其它比率是可能的，只要复位时钟频率大于最高线时钟频率的两倍。此方案可通过复位时钟频率的适当选择而适应由于(举例来说)同步到以稍微变化速度移动的样本的运动而稍微变化的线时钟频率。时钟抖动由冗余RG时钟循环补偿，其中图像电荷不转移到浮动扩散部。因此，此线时钟同步方法可使时钟相位不匹配保持在所要极限内且缓解图像模糊及图像滞后。对应于冗余RG时钟循环的数据不需要数字化，或可经数字化及丢弃(无论哪个更方便)。
图8B图解说明根据本发明的另一实施例的用以驱动芯片上双列并行读出结构及芯片外信号处理电路的时钟信号的示范性电压波形及时序配置。以任意单位标绘电压及时间。未必按相同比例标绘时钟信号的电压。尽管在图8B中所图解说明的特定实施例中利用三相CCD阵列传感器，但目前时钟驱动方案也可适用于其它CCD区传感器及线传感器。个别时钟信号类似于图8A而标记且执行基本上类似功能，但其相对时序是不同的，如下文所解释。
出于说明性目的，图8B中展示自由运行标称10MHz线时钟及200MHz ADC时钟ADC-C。展示具有50％的放大频率扫掠的线时钟的效应以清晰地图解说明本发明。在典型检验系统中，线时钟频率变化可是百分之几或更小。时钟信号P1V、P2V及P3V同步到线时钟，而时钟信号VB、C1、C2、SG及RG同步到ADC时钟ADC-C。所述时钟信号如图8B中所描绘而操作。时钟信号ST从20MHz扫掠到10MHz以匹配从10MHz扫掠到5MHz的改变的线时钟。因此，时钟信号VB、C1及C2从10MHz扫掠到5MHz，且时钟信号SG及RG从20MHz扫掠到10MHz。当线时钟频率减少时，芯片外信号处理电路校正线时钟与ADC时钟之间的相位不匹配且同时读取传感器输出。在此说明性实施例中，ADC时钟ADC-C以200MHz的恒定频率操作。在此实施例中，不需要冗余RG时钟循环。
图8A及8B中所图解说明的实施例利用ADC时钟ADC-C的恒定频率、复位门RG的恒定脉冲宽度及复位门RG与触发数据取样的ST的上升边缘之间的恒定延迟。此组合产生复位脉冲到输出信号的馈通及输出信号的稳定时间(即使线时钟速率变化也不显著改变)。由于馈通是恒定的，因此可(举例来说)从暗像素或暗图像测量馈通，且从图像信号减去馈通，从而产生更准确图像。
图8C图解说明根据本发明的再一实施例的用以驱动芯片上双列并行读出结构及芯片外信号处理电路的时钟信号的示范性电压波形及时序配置。以任意单位标绘电压及时间。未必按相同比例标绘时钟信号的电压。尽管在图8C中所图解说明的特定实施例中利用三相CCD阵列传感器，但目前时钟驱动方案也可适用于其它CCD区传感器及线传感器。个别时钟信号类似于图8A及8B经标记且执行基本上类似功能，但其相对时序是不同的，如下文所解释。
出于说明性目的，展示具有自由运行标称10MHz线时钟及200MHz ADC时钟的系统的时钟信号。以50％的放大频率扫掠展示所述线时钟以清晰地图解说明本发明。在典型检验系统中，线时钟频率变化可是百分之几或更小。时钟信号P1V、P2V及P3V同步到线时钟，而时钟信号VB、C1、C2、SG及RG同步到ADC时钟ADC-C。所述时钟信号如图8C中所描绘而操作。ADC时钟ADC-C从200MHz扫掠到100MHz以跟踪改变的线时钟频率。因此，时钟信号VB、C1及C2从10MHz扫掠到5MHz，且时钟信号SG及RG从20MHz扫掠到10MHz。类似于图8B中所描述的实施例，像素数据速率跟踪线时钟频率，使得传感器输出的读出保持同步到线时钟。与图8B中所展示的实施例(其中CCD时钟频率扫掠，但ADC时钟ADC-C保持恒定)相比较，图8C描绘其中CCD及ADC时钟的时钟频率全部扫掠的实施例。
在图8A、8B及8C中所描绘的说明性实例中，驱动转移门的时钟C1及C2经展示为矩形脉冲。在优选实施例中，这些时钟经塑形以便减少噪声同时确保高效高速信号转移。其它时钟信号的上升及下降时间也受控制以便确保高效电荷转移且最小化噪声。在一个实施例中，时钟C1及C2具有类似于针对缓冲时钟VB所图解说明的那些形状但频率为两倍的大致半正弦波形状。由于时钟C1及C2彼此异相基本上180°，因此由这些时钟产生的电流大致彼此抵消，从而减少可能使图像的信噪比降级的噪声。
图8A、8B及8C图解说明用于读出图像传感器的每一个别像素作为单独信号的时钟波形及时序。只要求和门及输出门的全阱容量与信号电平相比较是足够大的，也可能通过每线时钟一次而非每线时钟两次地将每一求和门下方的信号转移到对应输出门及浮动扩散部而对邻近像素对求和。可通过(举例来说)在将缓冲门下方的信号转移到第一行转移门之前将两个线转移到缓冲门中而对图像行一起求和。庄等人的于2016年7月14日提供申请的标题为“使用低噪声传感器的暗场检验(Dark-Field Inspection Using a Low-NoiseSensor)”的美国专利申请案15/210,056中所描述的系统及方法可与本文中所描述的传感器组合使用。此专利申请案以引用方式并入本文中。
图9是可实施本文中所描述的特征及方法的设备900的简化图式。所述设备包含：CCD图像传感器901，其包括本文中所揭示的双列并行CCD传感器中的一者；芯片外信号处理电路902；及外部存储、处理及控制电路903。CCD传感器901检测入射辐射，将光生电子转换为电压，且将电压信号输出到芯片外信号处理电路902。为了简洁，仅在芯片外信号处理电路902中描绘对于解释本发明必要的功能块。这些功能块包含ADC 9021、数字信号处理器9022及时钟驱动器9023。ADC 9021包括CDS及ADC电路且将CCD模拟输出信号数字化。将ADC9021的数字输出发送到数字信号处理器9022以用于后期处理及任选地数据压缩。并入于数字信号处理器9022中的时序产生器90221产生时钟信号，所述时钟信号由时钟驱动器9023缓冲以控制CCD传感器901及ADC 9021。举例来说，时钟驱动器9023可提供如上文所描述且图8A、8B及8C中所图解说明的时钟信号P1V、P2V、P3V、VB、C1、C2、SG、RG、ST及ADC-C。数字信号处理器9022与外部存储、处理及控制电路903介接以用于进一步信号处理、控制及数据转移，例如时钟同步。
应注意，图9中所描绘的设备可并入有布朗(Brown)等人的标题为“低噪声传感器及使用低噪声传感器的检验系统(A Low-Noise Sensor and an Inspection SystemUsing a Low-Noise Sensor)”的美国专利9,347,890中所描述的波形产生器，及/或所述设备可实施所述申请案中所描述的方法。‘890专利以引用方式并入本文中。
CCD图像传感器中众所周知且本文中将不更详细地描述缓冲门、转移门、求和门、输出门、读出门、浮动扩散部及输出放大器。图4、5、6及7中所展示的配置仅仅是通过实例的方式以解释双列并行CCD传感器的操作。读出结构的不同配置在不背离本发明的范围的情况下是可能的。在一个示范性实施例中，可使用具有一或多个缓冲门的一或多个转移门对。在另一示范性实施例中，三个转移门可连接到一个求和门。在此示范性实施例中，每一列将包括三个转移门，且三相时钟可用于将信号从每一列顺序地计时输入到求和门。这些三相时钟相对于彼此将异相基本上120°。此传感器可经描述为三列并行CCD传感器，但其将以基本上类似于本文中所描述的双列并行CCD传感器的方式操作且在本发明的范围内。
在另一示范性实施例中，可使用具有连接到芯片上放大器的多晶硅触点的自对准浮动扩散部。在再一示范性实施例中，芯片上放大器的金属互连件可经优化以均衡沟道响应且最小化串扰。不包含不直接相关于本发明的常用半导体制造过程的细节以便避免使说明复杂。
上文所描述的本发明的结构及方法的各种实施例仅是对本发明的原理的说明且不打算将本发明的范围限于所描述的特定实施例。举例来说，可在检验系统中利用一或多个CCD阵列传感器(包含三相传感器或其它多相传感器及/或CCD线传感器)来检验样本。
本文中所描述的图像传感器可并入到例如布朗等人的于2014年6月17日发布的标题为“用于高速成像应用的集成式多沟道模拟前端及数字化器(Integrated multi-channel analog front end and digitizer for high speed imaging applications)”的美国专利8,754,972中所描述的模块或系统的模块或系统中。此专利以引用方式并入本文中。
也将理解，虽然将传感器或方法描述为检测光，但这些说明也可适用于检测包含红外线、可见光、超紫外线、极端UV及X射线的不同波长的电磁辐射，且适用于检测例如电子等带电粒子。
因此，本发明仅由所附权利要求书及其等效内容限制。

Claims (36)

1.一种图像传感器，其包括：
第一像素及第二像素，其分别经配置以根据一或多个像素控制信号产生第一图像电荷及第二图像电荷；及
读出电路，其包括：
第一转移门及第二转移门，其分别经配置以从所述第一像素及所述第二像素接收所述第一图像电荷及所述第二图像电荷；
第三转移门及第四转移门，其分别经配置以从所述第一转移门及所述第二转移门接收所述第一图像电荷及所述第二图像电荷；
求和门，其耦合到所述第三转移门及所述第四转移门；及
输出电路，其耦合到所述求和门，
其中所述第一转移门及所述第四转移门被耦合且所述第二转移门及所述第三转移门被耦合，以使得施加到所述第一转移门的第一转移门控制信号基本上同时施加到所述第四转移门，并使得施加到所述第二转移门的第二转移门控制信号基本上同时施加到所述第三转移门，及
其中所述求和门经配置以在第一时间周期期间从所述第三转移门接收所述第一图像电荷，并随后根据求和门控制信号将所述第一图像电荷传递到所述输出电路，并且所述求和门进一步经配置以在第二时间周期期间从所述第四转移门接收所述第二图像电荷，并随后根据所述求和门控制信号将所述第二图像电荷传递到所述输出电路。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述输出电路包括经配置以接收和存储所述第一图像电荷和所述第二图像电荷的浮动扩散部，以及耦合到所述浮动扩散部的放大器，所述放大器经配置以当所述第一图像电荷存储在所述浮动扩散部上时产生第一输出电压信号，并经配置以当所述第二图像电荷存储在所述浮动扩散部上时产生第二输出电压信号。
3.根据权利要求1所述的传感器，其进一步包括布置成偶数个列的像素阵列，其中所述读出电路包括多个读出结构，所述读出结构中的每一者连接到相关联的一对所述列，并且包括四个转移门、求和门和放大器。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中所述读出结构中的每一者的所述放大器包括金属互连件，其中不同放大器的所述金属互连件的电容基本相似。
5.根据权利要求3所述的传感器，其中所述放大器中的每一者包括金属互连件，其中不同放大器的所述金属互连件的面积基本相似。
6.根据权利要求3所述的传感器，其中所述像素阵列由一或多个像素行组成。
7.一种图像传感器，其包括：
半导体衬底；
Y形埋入扩散部，其形成在所述衬底中且包括平行的第一伸长部分及第二伸长部分，所述第一伸长部分及所述第二伸长部分通过V形合并区段连接到第三伸长部分；
多个像素门结构，其分别形成于所述第一伸长部分及所述第二伸长部分上方；
第一转移门结构及第二转移门结构，其分别形成于所述第一伸长部分及所述第二伸长部分上方并布置在所述像素门结构及所述V形合并区段之间；
第三转移门结构及第四转移门结构，其分别形成于所述第一伸长部分及所述第二伸长部分上方并分别布置在所述第一转移门结构与所述V形合并区段之间及所述第二转移门结构与所述V形合并区段之间；
求和门结构，其形成于所述V形合并区段上方；及
输出电路，其耦合到所述第三伸长部分，
其中所述第一转移门结构及所述第四转移门结构被耦合，以使得施加到所述第一转移门结构的第一控制信号基本上同时施加到所述第四转移门结构，并且
其中所述第二转移门结构及所述第三转移门结构被耦合，以使得施加到所述第二转移门结构的第二控制信号基本上同时施加到所述第三转移门结构。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述第一转移门结构和第四转移门结构通过第一导电链接结构连接，使得施加到所述第一转移门结构的所述第一控制信号通过所述第一导电链接结构传递到所述第四转移门结构。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述第一导电链接结构包括金属和多晶硅中的一者。
10.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述第一转移门结构、所述第四转移门结构及所述第一导电链接结构包括整体复合多晶硅结构。
11.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述求和门结构经配置以在第一时间周期期间从所述第一伸长部分接收第一图像电荷，并随后根据求和门控制信号将所述第一图像电荷传递到所述第三伸长部分，且所述求和门结构进一步经配置以在第二时间周期期间从所述第二伸长部分接收第二图像电荷，并随后根据所述求和门控制信号将所述第二图像电荷传递到所述第三伸长部分。
12.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述求和门结构包括锥形多晶硅结构，所述锥形多晶硅结构具有面向所述第一伸长部分和所述第二伸长部分的上游边缘及面向所述第三伸长部分的下游边缘，其中所述上游边缘的长度大于所述下游边缘的长度。
13.根据权利要求7所述的图像传感器，其进一步包括布置在所述求和门结构及所述第三伸长部分之间的锥形输出门结构。
14.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述输出电路进一步包括：
浮动扩散部，其形成在所述第三伸长部分中；及
放大器，其设置在所述衬底上并通过导电结构可操作地耦合到所述浮动扩散部。
15.根据权利要求14所述的图像传感器，
其中所述放大器包括第一级增益晶体管；及
其中所述导电结构包括多晶硅结构，所述多晶硅结构包括穿过触点孔延伸到所述浮动扩散部的下部多晶硅部分以及从所述下部多晶硅部分延伸的水平多晶硅部分，其中所述水平多晶硅部分的一部分形成用于所述第一级增益晶体管的门结构。
16.一种每通道多列的电荷耦合器件CCD图像传感器，其包括：
像素阵列，其包括经布置成多个列和多个像素行的多个像素，所述像素阵列经配置以响应于多个像素控制信号而产生图像电荷并经配置以在相应的所述列中设置的相关联的像素之间顺序地传递所述图像电荷中的每一者，从而在所述多个像素控制信号的每个周期期间，将设置在第一像素行中的一组图像电荷同时传递到相邻的第二像素行中；
读出电路，其包括：
多个缓冲单元，其经设置成响应于一或多个缓冲控制信号而同时从边缘像素行接收图像电荷，以使得一旦断定出所述一或多个缓冲控制信号时，所述缓冲单元中的每一者从所述边缘像素行的相关联的像素接收对应的图像电荷；
多个转移门，其设置在所述多个列中并布置在多个转移门行中，所述多个转移门行包括经设置以从相关联的所述缓冲单元接收对应的图像电荷的第一转移门行，所述多个转移门中的每一者都由相关联的转移时钟信号可操作地控制；
求和门，其耦合到最后一个转移门行；及
输出电路，其耦合到所述求和门，
其中所述多个转移门经配置并经耦合以使得在第一时间周期期间断定第一转移时钟信号而致使第一图像电荷从第一缓冲单元传递到第一转移门，并致使第二图像电荷从第二转移门传递到第三转移门，
其中所述第一缓冲单元及所述第一转移门设置在第一列中，并且所述第二转移门及所述第三转移门设置在第二列中，及
其中所述求和门经配置以根据求和门控制信号在所述第一时间周期随后的第二时间周期期间从所述第二列接收所述第二图像电荷，并且所述求和门进一步经配置以根据所述求和门控制信号在所述第二时间周期随后的第三时间周期期间从所述第一列接收所述第一图像电荷，以及
其中所述求和门控制信号的时钟速率比所述多个像素控制信号的线时钟速率快至少两倍。
17.根据权利要求16所述的传感器，
其中所述多个转移门进一步经配置以使得在所述第一时间周期期间断定所述第一转移时钟信号而致使第三图像电荷从第四转移门传递到第五转移门，
其中所述第四转移门及所述第五转移门设置在第三列中，且
其中所述第一转移门及所述第四转移门设置在所述第一转移门行中，所述第二转移门及所述第五转移门设置在所述第一转移门行下方的第二转移门行中，且所述第三转移门设置在所述第二转移门行下方的第三转移门行中。
18.根据权利要求16所述的传感器，其中所述输出电路包括经配置以接收和存储所述图像电荷的浮动扩散部，以及耦合到所述浮动扩散部的放大器，所述放大器经配置以根据存储所述浮动扩散部上的所述图像电荷中的每一者产生对应的输出电压信号。
19.根据权利要求16所述的传感器，其中所述读出电路包括多个读出结构，所述读出结构中的每一者连接到所述列的相关联的组并包括对应的所述多个转移门、对应的所述求和门和对应的所述输出电路。
20.根据权利要求19所述的传感器，其中所述读出结构中的每一者的所述放大器包括金属互连件，其中不同放大器的所述金属互连件的电容基本相似。
21.根据权利要求19所述的传感器，其中所述放大器中的每一者包括金属互连件，其中不同放大器的所述金属互连件的面积基本相似。
22.根据权利要求19所述的传感器，其中所述像素阵列由一或多个像素行组成。
23.根据权利要求17所述的传感器，其中所述传感器进一步包括经配置以可操作地控制所述求和门的输出控制电路，以使得在所述第一时间周期期间第四图像电荷从第六转移门传递到所述求和门，其中所述第六转移门设置在所述第一列中并设置在所述第三转移门行中。
24.根据权利要求23所述的传感器，
其中所述多个转移门进一步经配置以使得在第二时间周期期间断定第二转移时钟信号而致使所述第四图像电荷从第二缓冲单元传递到第七转移门，致使所述第一图像电荷从所述第一转移门传递到第八转移门，并致使所述第三图像电荷从所述第五转移门传递到第九转移门，
其中所述第二缓冲单元设置在所述第三列中，
其中所述第七转移门设置在所述第二列及所述第一转移门行中，
其中所述第八转移门设置在所述第一列及所述第二转移门行中，且
其中所述第九转移门设置在所述第三列及所述第三转移门行中。
25.根据权利要求24所述的传感器，其中所述输出控制电路进一步经配置以可操作地控制所述输出电路及所述求和门，以使得在所述第二时间周期期间所述第四图像电荷从所述求和门传递到浮动扩散部，且所述第二图像电荷从所述第三转移门传递到所述求和门。
26.根据权利要求25所述的传感器，其中所述多个转移门进一步经配置以使得在第三时间周期期间断定第三转移时钟信号而致使第六图像电荷从第三缓冲单元传递到所述第四转移门，致使所述第一图像电荷从所述第八转移门传递到所述第六转移门，并致使所述第四图像电荷从所述第七转移门传递到所述第二转移门。
27.根据权利要求26所述的传感器，其中所述输出控制电路进一步经配置以可操作地控制所述输出电路及所述求和门，以使得在所述第三时间周期期间所述第二图像电荷从所述求和门传递到所述浮动扩散部，且所述第三图像电荷从所述第九转移门传递到所述求和门。
28.根据权利要求27所述的传感器，其进一步包括经配置以控制所述第一缓冲单元、所述第二缓冲单元及所述第三缓冲单元的缓冲控制电路，从而在所述第三时间周期期间并在所述第六图像电荷从所述第三缓冲单元传递到所述第四转移门之后，同时分别从所述边缘像素行接收第七图像电荷、第八图像电荷及第九图像电荷。
29.一种检验样本的方法，所述方法包括：
在将样品相对于辐射源移动的同时，将辐射引导且聚焦到所述样本上；
将从所述样本接收的辐射引导到图像传感器，所述传感器包括每通道多列的电荷耦合器件CCD，所述每通道多列的电荷耦合器件CCD包括布置成多个行和多个相邻列的相关联的组的像素阵列，所述相关联的组中的每一者包括第一列、第二列及第三列；
用同步到所述样本相对于所述辐射源的运动的线时钟信号驱动所述图像传感器，所述线时钟信号致使第一电荷及第二电荷分别沿着所述第一列、所述第二列及所述第三列从一个像素行转移到邻近的像素行；
用缓冲时钟信号驱动所述图像传感器的一缓冲单元行，所述缓冲时钟信号致使所述第一电荷及所述第二电荷分别从列的相关联的组中的每一者中的所述第一列、所述第二列及所述第三列中像素的边缘像素行传递到所述缓冲单元行的第一缓冲单元、第二缓冲单元及第三缓冲单元；
在第一时间周期期间用第一转移时钟信号同时驱动第一转移门、第三转移门及第五转移门，所述第一转移门设置在所述转移门的第一行及第一列中，所述第三转移门设置在所述转移门的第三行及第二列中，且所述第五转移门设置在所述转移门的第二行及第三列中，
在第二时间周期期间用第二转移时钟信号同时驱动第七转移门、第八转移门及第九转移门，所述第七转移门设置在所述转移门的所述第一行及所述第二列中，所述第八转移门设置在所述转移门的所述第二行及所述第一列中，且所述第九转移门设置在所述转移门的所述第三行及所述第三列中，
在第三时间周期期间用第三转移时钟信号同时驱动第四转移门、第二转移门及第六转移门，所述第四转移门设置在所述转移门的所述第一行及所述第三列中，所述第二转移门设置在所述转移门的所述第二行及所述第二列中，且所述第六转移门设置在所述转移门的所述第三行及所述第一列中，
利用输出电路及模/数转换器ADC电路将沿所述第一列、所述第二列及所述第三列传递的图像电荷按照顺序转换为数字，
其中利用所述模/数转换器ADC电路包括用比所述线时钟信号的频率的至少大三倍的时钟频率驱动所述模/数转换器ADC电路。
30.根据权利要求29所述的方法，其中用所述第一转移时钟信号同时驱动包括：断定所述第一转移时钟信号以使得在所述第一时间周期期间，第一图像电荷从所述第一缓冲单元传递到所述第一转移门，致使第二图像电荷从所述第二转移门传递到所述第三转移门，并致使第三图像电荷从所述第四转移门传递到所述第五转移门。
31.根据权利要求30所述的方法，其中利用所述输出电路包括：控制求和门以使得在所述第一时间周期期间，第四图像电荷从所述第六转移门传递到所述求和门。
32.根据权利要求31所述的方法，其中用所述第二转移时钟信号同时驱动包括：断定所述第二转移时钟信号以使得在所述第二时间周期期间，第四图像电荷从所述第二缓冲单元传递到所述第七转移门，所述第一图像电荷从所述第一转移门传递到所述第八转移门，且所述第三图像电荷从所述第五转移门传递到所述第九转移门。
33.根据权利要求32所述的方法，其中利用所述输出电路进一步包括：控制所述求和门及感测节点以使得在所述第二时间周期期间，所述第四图像电荷从所述求和门传递到浮动扩散部，且所述第二图像电荷从所述第三转移门传递到所述求和门。
34.根据权利要求33所述的方法，其中用所述第三转移时钟信号同时驱动包括：断定所述第三转移时钟信号以使得在所述第三时间周期期间，第六图像电荷从所述第三缓冲单元传递到所述第四转移门，所述第一图像电荷从所述第八转移门传递到所述第六转移门，并且所述第四图像电荷从所述第七转移门传递到所述第二转移门。
35.根据权利要求34所述的方法，其中利用所述输出电路进一步包括：控制所述求和门及所述感测节点以使得在所述第三时间周期期间，所述第二图像电荷从所述求和门传递到所述浮动扩散部，且所述第三图像电荷从所述第九转移门传递到所述求和门。
36.根据权利要求35所述的方法，其进一步包括：在所述第三时间周期期间并在所述第六图像电荷从所述第三缓冲单元传递到所述第四转移门之后，驱动所述缓冲单元行以使得所述第一缓冲单元、所述第二缓冲单元及所述第三缓冲单元同时分别从所述边缘像素行接收第七图像电荷、第八图像电荷及第九图像电荷。
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