CN1400665A - 互补金属氧化物半导体图像传感器 - Google Patents

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Abstract

公开一种CMOS图像传感器，其中电荷存储栅极在光电二极管区域一侧形成以增加每个单元的电荷容量，由此改善器件的特性。CMOS图像传感器包括通过将光的图像信号转变为电信号而产生图像信号电荷的光电二极管区域，和靠近该光电二极管区域形成的电荷存储栅，其中当电荷被产生时，光电二极管区域的电荷被部分地或者全部地转换到在电荷存储栅下面的部分，以及当电荷被读出时存储的电荷被转换到读出节点。

Description

互补金属氧化物半导体图像传感器
技术领域
本申请涉及图像传感器，尤其涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，其中电荷存储栅(charge storage gate)在光电二极管区域的一侧形成，以增加每个单元的电荷容量，由此改善器件特性。
背景技术
开发和用作为图像拾取器件(image pickup device)的大多数电荷耦合器件(CCD)是使用比CMOS电路电压更高的+15V～-9V的电压来驱动的。由于制造CCD工艺类似于制造双极晶体管的工艺，CCD的工艺成本高于CMOS的成本。为解决这种问题，已经提供了CMOS图像传感器，它能够将图像传感器和具有各种功能的周围芯片集成到一个芯片并且能够进行低电压操作，低功率消耗和较便宜的加工成本。而且，CMOS图像传感器具有的优点在于：其能够被用于能进行超精细工艺的制造CMOS晶体管工艺。但是，尽管有这种优点，CMOS图像传感器在图像质量上具有问题。由于在波长带(wavelength bands)之间电荷效率(charge efficiency)的差别，新近提出的光栅结构CMOS图像传感器在改善图像质量上仍然具有限制。
根据上述原因，需要研究和开发新像素结构的CMOS图像传感器。
现在将参考附图说明现有技术CMOS图像传感器。
图1是现有技术CMOS图像传感器像素的电路示意图，图2是现有技术CMOS图像传感器像素的剖面图。
图1的CMOS图像传感器具有4-TR结构。参考图1，CMOS图像传感器包括具有施加复位信号RX之栅极(gate)的复位晶体管1，连接浮动节点2的一个电极，和连接到VDD端的另一个电极，具有连接浮动节点2之栅极和连接VDD端之一个电极的源极跟随器(source-follower)晶体管3，具有被输入行选择信号之栅极和串联连接到源极跟随器晶体管3以连接到输出端Vout的一个电极的选择晶体管4，具有连接浮动节点2的一个电极和被输入转换信号TX以当读存储电荷时转换存储电荷的栅极的转换晶体管5，和在转换晶体管5和地之间提供的光电二极管6。
除了前述4-TR结构的图像传感器之外，CMOS图像传感器的例子包括3-TR结构和1-TR结构。3-TR结构没有转换晶体管，1-TR结构仅仅具有一个选择晶体管。
现有技术CMOS图像传感器的剖面结构将参考图2说明。
如图2表示，p型外延层22在p型半导体基片21上形成。
n型光电二极管区域23和p型光电二极管表面区域24在p型外延层22的表面之内形成。只有n型光电二极管区域23可以根据情况形成。
用作为传感图像电荷之浮动扩散区域的n+型区域27在p型外延层22中形成，并从光电二极管区域23和24分开。
转换栅25在光电二极管区域23和24与n+型区域27之间的P型外延层22上形成。
复位栅26在n+型区域27一侧的P型外延层22上形成。
前述现有技术CMOS图像传感器的电荷传感操作将参考图3A到3D说明。
图3A到3D说明产生和读出现有技术CMOS图像传感器电荷的操作。
如图3A所示，信号电荷通过外部入射光被存储在光电二极管中。
如图3B所示，读出节点(浮动节点)被复位，然后，如图3C中所示，如果转换信号VTX被输入到转变晶体管栅极以打开转变晶体管，那么所存储电荷的信号电平被转换到浮动栅。
在该状态下，如图3D所示，复位晶体管被关闭，作为复位晶体管源极端的浮动节点的电势是通过所存储的信号电荷改变的。由于这个原因，源极跟随器晶体管的栅极电势被改变。
源极跟随器晶体管的栅极电势的变化改变了源极跟随器晶体管源极端或选择晶体管漏极节点的偏置。
在读出节点(浮动节点)被复位之前，一旦低的选择信号VROW被输入选择晶体管的栅极，选择晶体管就将复位读出节点(浮动节点)的参考电势和光电二极管中产生的信号电荷之间的电势差输出到输出端。
通过产生光电二极管电荷，在检测信号电平之后，复位晶体管通过复位信号打开。因此，信号电荷都被复位。
重复上述操作，使得参考电势和信号电平被读出。
但是，现有技术CMOS图像传感器具有几个问题。
光电二极管的电荷容量是由光电二极管的面积，n型光电二极管的掺杂浓度(doping concentration)，基片的杂质浓度，和p型光电二极管表面的掺杂浓度决定的。光电二极管的电荷容量是重要的因素，其影响光信号的特性。光电二极管的面积是随着像素尺寸的减小而减小，以增强相同芯片面积的分辨率并获得价格竞争力。
在这种情况下，在通过控制杂质密度获得电荷容量中有极限。
发明内容
因此，本发明涉及CMOS图像传感器，其基本上消除因现有技术的极限和缺点导致的一个或多个问题。
本发明的目的是提供CMOS图像传感器，其中电荷存储栅在光电二极管区域的一侧形成以增加每个单元的电荷容量，由此改善器件的特性。
通过下面的审查或者可以从本发明实践中知道，本发明的附加优点，目的和特性将在随后的说明书中部分地提出，并且对本领域一般技术人员来说，其将部分地变得清楚。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书和其权利要求以及附图中特别指出的结构来实现和获得。
为了实现本发明的目的和其它优点，并根据本发明的目的，本发明作为实施例和这里的广义说明，CMOS图像传感器包括通过将光的图像信号转换为电信号产生图像信号电荷的光电二极管区域，和靠近该光电二极管区域形成的电荷存储栅，其中当电荷被产生时，光电二极管区域的电荷被部分地或者全部地转移到在电荷存储栅下面的部分，以及当电荷被读出时存储的电荷被转移到读出节点。
应当理解，本发明前面的概述和后面的详细说明均是示例性和解释性的，是对权利要求限定的本发明的进一步说明。
附图说明
用来提供本发明进一步理解和构成为本申请一部分的附图说明了本发明的实施例，并且与说明书一起用作解释本发明的原理。附图中：
图1是现有技术CMOS图像传感器像素的电路示意图；
图2是现有技术CMOS图像传感器像素的剖面图；
图3A到3D说明现有技术CMOS图像传感器产生和读出电荷的操作；
图4A是根据本发明具有4-TR结构的CMOS图像传感器像素的电路示意图；
图4B是根据本发明具有3-TR结构的CMOS图像传感器像素的电路示意图；
图5是根据本发明CMOS图像传感器像素的布图(layout)；
图6是根据本发明CMOS图像传感器像素的剖面图；以及
图7A到7D说明根据本发明CMOS图像传感器产生和读出电荷的操作。
具体实施方式
现在详细地说明本发明的优选实施例，其例子在附图中说明。在可能的情况下，在整个附图中，相同的标记将用于指相同或同类的部分。
图4A是根据本发明具有4-TR结构的CMOS图像传感器像素的电路示意图，图4B是根据本发明具有3-TR结构的CMOS图像传感器像素的电路示意图。
参考图4A，根据本发明的CMOS图像传感器包括复位晶体管41，其具有施加复位信号RX的栅极，连接到浮动节点42的一个电极，和连接到VDD端的另一个电极；源极跟随器晶体管43，其具有连接到浮动节点42的栅极和与VDD端相连接的一个电极；选择晶体管44，其具有输入列选择信号的栅极和串联连接到源极跟随器晶体管43以连接到输出端Vout的一个电极；和转换晶体管45，其具有连接到浮动节点42的一个电极和输入转换信号TX使得当读出存储电荷时转换存储电荷的栅极。CMOS图像传感器还包括在转换晶体管45和接地端之间提供的光电二极管46，以及在光电二极管46一侧形成的电荷存储栅极47，具有被施加电荷存储/释放信号PX的栅极。电荷存储栅极47存储当施加了具有与所产生电荷极性相反极性的电压时在栅极下侧的所产生的电荷，同时当施加了具有与所产生电荷极性相同极性的电压或者地电压时将所存储电荷转换到转换栅极45。
应当理解，除了前述4-TR结构的CMOS图像传感器之外，本发明的电荷存储栅极47能够被用于具有无转换晶体管之3-TR结构和仅仅具有选择晶体管之1-TR结构的CMOS图像传感器。
本发明的电荷存储栅极将按下述被用于3-TR结构的CMOS图像传感器。
如图4B所示，具有3-TR结构的CMOS图像传感器包括复位晶体管41，其具有施加了复位信号RX的栅极，连接到浮动节点42的一个电极，和连接到VDD端的另一个电极；源极跟随器晶体管43，其具有连接到浮动节点42的栅极和与VDD端相连接的一个电极；和选择晶体管44，其具有输入列选择信号的栅极和串联连接到源极跟随器晶体管43以连接到输出端Vout的一个电极。CMOS图像传感器还包括在浮动节点42和接地端之间提供的光电二极管46，以及在光电二极管46一侧形成的电荷存储栅极47，具有施加电荷存储/释放信号PX的栅极。电荷存储栅极4 7存储当施加了具有与所产生电荷极性相反极性的电压时在栅极下侧的所产生电荷，同时当施加了具有与所产生电荷极性相同极性的电压或者地电压时将所存储电荷转换到浮动节点45。
根据本发明的前述CMOS图像传感器的布图和剖面结构将参考图5和6说明。
图5是根据本发明的CMOS图像传感器像素的布图。
参考图5，转换栅极52在光电二极管区域51一侧和浮动节点之间形成。复位栅极53在VDD端和浮动节点之间形成。源极跟随器栅极54和选择栅极55在输出端和VDD端之间形成。
形成区域56a，56b，56c，56d，56e和56f的电荷存储栅极在靠近光电二极管区域51形成。电荷存储栅极可以在整个区域或者某些区域上形成。另外，电荷存储栅极可以在相互分割开的区域上形成。电荷存储栅极可以具有各种形状和可以在各种方向形成。
换言之，电荷存储栅极可以在任何地方形成，在这里在光电二极管区域中产生的电荷能够根据布图的设计余量(design margin)被存储。
下面说明根据本发明的CMOS图像传感器的剖面结构。
如图6表示，p型外延层62在p型半导体基片61上形成。n型光电二极管区域63和p型光电二极管表面区域64在p型外延层62的表面之内形成。p型光电二极管表面区域64将抑制暗电流。在不形成p型光电二极管表面区域64情况下，根据情况可以仅仅形成n型光电二极管区域23。
电荷存储栅极68被形成在光电二极管区域63和64的一侧或者附近。电荷存储栅极68存储在光电二极管区域63和64中产生的电荷。
用作为传感图像电荷之浮动扩散区域的n+型区域67在p型外延层62中形成，并与光电二极管区域63和64的另一侧空间分开。
转换栅极65在光电二极管区域63和64与n+型区域67之间的p型外延层62上形成。
复位栅极66在n+型区域67一侧的p型外延层62上形成。
根据本发明的前述CMOS图像传感器的电荷传感操作将参考图7A到7D进行说明。
图7A到7D说明根据本发明CMOS图像传感器产生和读出电荷的操作。
如图7A所示，电荷被通过外部入射光存储在光电二极管中。在这种情况下，用于存储电荷的区域不局限于光电二极管。电荷也被存储在施加了电荷存储/释放信号VPX之电荷存储栅极下面的部分中。
换言之，通过在产生电荷时将具有与电荷极性相反极性的电压施加到电荷存储栅极，在光电二极管区域中存储的电荷被部分或者全部地转换到电荷存储栅极下面的部分。
在光电二极管中存储的电荷可以小于在电荷存储栅极下面部分中存储的电荷。
如图7B中表示，读出节点(浮动节点)是通过将复位信号Vreset施加到复位栅极被复位的，并且然后，如图7C中表示，如果转换信号VTX被输入到转换晶体管栅极以接通转换晶体管，所存储电荷的信号电平被转换到浮动节点。
在这种情况下，通过将具有与电荷极性相同极性的电压或者地电压施加到电荷存储栅极，在电荷存储栅极下面的电荷被转换到浮动节点。
在该状态下，如图7D中所示，复位晶体管被关闭，并且作为复位晶体管源极端的浮动节点的电势是通过浮动节点中存储的信号电荷改变的。由于这个原因，源极跟随器晶体管的栅极电势被改变。
源极跟随器晶体管栅极电势的改变改变了源极跟随器晶体管源极端或者选择晶体管漏极节点的偏置。
一旦在复位读出节点(浮动节点)之前低选择信号VROW被输入到选择晶体管的栅极，选择晶体管就将在复位读出节点(浮动节点)的参考电势和在光电二极管中产生的信号电荷之间的电势差输出到输出端。
在通过产生光电二极管电荷检测信号电平之后，复位晶体管是通过复位信号被打开的。因此，信号电荷被全部复位。
上述操作被重复，使得读出参考电势和信号电平。
根据本发明的电荷存储栅极增强了光电二极管区域的电荷容量。由于电荷存储栅极的电荷容量可以大于光电二极管区域，电荷容量甚至能够通过小面积的栅极得到足够的增强。
如前述，根据本发明的CMOS图像传感器具有下面的优点。
由于光电二极管的电荷容量对于每个单元都是通过在光电二极管区域一侧形成电荷存储栅极而不依赖于控制杂质的浓度被增强的，因此有可能降低光电二极管的面积和因此便于分辨率的增加。另外，由于器件的光学特性能够被改善，器件的可靠性和产品的竞争力能够改善。
对本领域技术人员显而易见的是，对本发明能够进行各种改进和变化。因此，希望本发明覆盖本发明的这些改进和变化，其落在所附权利要求的范围之内。
本申请要求2001年7月18日申请的申请号P2001-43140的韩国申请为优先权，在此作为参考引用。

Claims (7)

1一种CMOS图像传感器，包括：
通过将光的图像信号转变为电信号产生图像信号电荷的光电二极管区域，和
靠近该光电二极管区域形成的电荷存储栅，
其中当电荷被产生时，光电二极管区域的电荷被部分地或者全部地转换到在电荷存储栅下面的部分，以及当电荷被读出时存储的电荷被转换到读出节点。
2权利要求1的CMOS图像传感器，其中当电荷被存储时，具有与电荷极性相反极性的电压被施加到电荷存储栅极。
3权利要求1的CMOS图像传感器，其中当电荷被读出时，具有与电荷极性相同极性的电压或者地电压被施加到电荷存储栅极。
4一种CMOS图像传感器，包括：
复位晶体管，其具有施加复位信号RX的栅极，连接到浮动节点的一个电极，和连接到VDD端的另一个电极；
源极跟随器晶体管，其具有连接到浮动节点的栅极和与VDD端相连接的一个电极；
选择晶体管，其具有输入列选择信号的栅极和串联连接到源极跟随器晶体管以连接到输出端Vout的一个电极；
转换晶体管，其具有连接到浮动节点的一个电极和输入转换信号TX使得当读出存储电荷时转换存储电荷的栅极；
在转换晶体管和接地端之间提供的光电二极管；以及
在光电二极管一侧形成的电荷存储栅极，具有施加电荷存储/释放信号PX的栅极，和将所产生电荷存储或释放于其中和其下面的部分中。
5权利要求4的CMOS图像传感器，其中当施加了具有与所产生电荷极性相反极性的电压时所产生电荷被存储在电荷存储栅极下面的部分中，同时当施加了具有与所产生电荷极性相同极性的电压或者地电压时，将所存储电荷转换到转换栅极。
6权利要求4的CMOS图像传感器，其中在光电二极管中存储的电荷小于在电荷存储栅极下面的部分中存储的电荷。
7一种CMOS图像传感器，包括：
复位晶体管，其具有施加复位信号RX的栅极，连接到浮动节点的一个电极，和连接到VDD端的另一个电极；
源极跟随器晶体管，其具有连接到浮动节点的栅极和与VDD端相连接的一个电极；
选择晶体管，其具有输入列选择信号的栅极和串联连接到源极跟随器晶体管以连接到输出端Vout的一个电极；
在浮动节点和接地端之间提供的光电二极管；以及
在光电二极管一侧形成的电荷存储栅极，其通过施加电荷存储/释放信号PX或者将电荷转换到浮动节点，而将电荷存储在下面的部分中。
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