CN1722457A - 采用不对称传输晶体管的有源像素单元 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种采用不对称传输晶体管的有源像素单元，如固体成像装置、CMOS图像传感器以及形成在半导体衬底上的有源像素等，该有源像素单元采用一种可以减小CMOS图像传感器中浮动扩散节点电容的方法，以改善图像传感器的灵敏度。当减小寄生电容如传输门和浮动节点之间的电容时，所得到的器件的设计要求是检测区域的沟道宽度不同于光电转换元件的沟道宽度，但制备这种器件的要求并不高于制备传统器件时的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体成像器件(solid-state imaging device)，更具体地讲，本发明涉及一种CMOS图像传感器。
背景技术
CMOS成像器件最初发展于70年代初期和后期，然而因为性能并不好而没有受到关注，直至90年代初，CMOS设计生产出的芯片具有更小像素尺寸、更小噪音、更多可能的图像处理法则和更大的成像阵列。CMOS传感器的主要优点是低能耗、主时钟(时钟脉冲，masterclock)和单一电压电源，这与电荷耦合器件(CCD)形成明显对比，电荷耦合器件在不同的时钟速率下常需要五个或更多个的电压，从而导致了显著的高能耗。
CMOS和CCD成像器件都是通过光电效应进行感光；光电效应发生在光子与晶体硅相互作用、从而促使电子从价带(valence band)能级跃迁到导带(conduction band)能级。光电二极管是典型的像素感光元件。CMOS图像传感器比相应的CCD优越的一个主要方面是：它可以将一系列的处理和控制功能直接整合到传感器集成电路上，而这些功能均超越光子收集的这一初步工作。
像素是数字图像传感器的主要元件，其包括不同的放大器件、读取器件和感光器件(如光电二极管)。当可见光的宽波带入射到特定的掺杂硅半导体材料上时，相当数量的电子就会释放，该数量与入射到光电二极管表面的光通量密度成比例。电子会被收集到势阱直至收集时间(照明期)完成，然后，这些电子会被转换成电压或电流(CMOS处理器中)，或被传输至计量记录器(CCD传感器)。
灵敏度取决于光电二极管可累积的最大电荷量、入射光子转换成电子的转换率以及该器件将电荷无泄漏、无溢出地累积在某一狭窄区间的能力。这些因素通常决定于像素的物理尺寸和孔径以及其在阵列中与相邻元件的空间关系和电子关系。像素通常形成正交栅格。组成阵列的每一行每一列的所有像素信号必须准确地进行检测和测量(读出)，以便根据光电二极管的电荷累积数据合成图像。
最常用的CMOS设计是内置环绕式有源像素传感器(built round activepixel sensor，APS)技术，其中光电二极管和读取放大器结合到每一像素中。该技术可使得光电二极管中累积的电荷转换成像素中的放大电压并顺序地按行和列传输到芯片中模拟信号处理部分。因此，每一像素(或成像元件)除光电二极管外，还包括很多将累积电荷转换成可测量的电压、对光电二极管进行复位以及将该电压传输至纵列数据总线的晶体管。
CMOS图像传感器的一个重要优点是：数字逻辑电路、时钟驱动器、计数器和模数转换器都可以同时放置在与像素阵列相同的硅衬底上。然而，为了保证高性能低噪音，标准的CMOS制造方法经常要进行改进，以便适配特定的图像传感器。例如，采用标准的CMOS技术得到的逻辑芯片中的晶体管接合处，在应用到成像器件时可能会产生较高的暗电流和较低的蓝色响应。而优化图像传感器制备工艺时常常会使得制备常规CMOS器件的工艺方案不稳定不可靠。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低噪音、高饱和度、高性能，解决图像延迟问题的成像器件。
一方面，本发明提供了一种固体成像装置，其包括：
具有第一导电类型的半导体衬底；
形成在该半导体衬底、定义有源区域的器件隔离区；
放置在器件区域中被器件隔离区包围的光电转换元件；
放置在上述器件区域中具有第二导电类型的检测区；以及
在上述器件区域中的传输门，用以将上述光电转换元件所产生的电荷传输至上述检测区；其中，上述检测区的沟道宽度不同于上述光电转换元件的沟道宽度。即检测区的沟道宽度可以小于光电转换元件的沟道宽度，也可以大于所述的光电转换元件的沟道宽度。
本发明中，检测区可以是任意的几何形状。优选地，该检测区相对于通过光电区长度方向的直线是不对称的，而该光电区则相对于该直线是对称的；或者该检测区相对于通过光电区长度方向且将该光电区平分的直线是不对称的。
上述固体成像装置中，传输门可以覆盖如此一个区域，在该区域中，检测区的沟道宽度不同于光电转换元件的沟道宽度。
上述固体成像装置中，器件隔离区可以是STI，或者是Locos(硅的局部氧化区)。而光电元件可以是光电二极管。
另一方面，本发明还提供了一种CMOS图像传感器，其包括：
具有第一导电类型的半导体衬底；
形成在该半导体衬底、定义有源区域的器件隔离区；
放置在该有源区域中、被上述器件隔离区包围的光电转换元件；
放置在上述有源区域中、具有掺杂区域的第二导电类型的检测区；以及
在器件区域中的传输门，用以将上述光电转换元件所产生的电荷传输至上述检测区；其中，检测区的沟道宽度不同于光电转换元件的沟道宽度。
再一方面，本发明还提供了一种形成在半导体衬底上的有源像素，其包括：
形成在该半导体衬底上、定义有源区域的隔离区；
形成在上述有源区域的光电转换元件；
形成在上述有源区域的输出节点；
形成在上述输出节点和上述光电转换元件之间的传输门，其中，输出节点的沟道宽度不同于光电转换元件的沟道宽度。
本发明所提供的成像器件低噪音、高饱和度、高性能，解决了图像延迟问题，当减小如传输门和浮动节点之间的电容的这些寄生电容时，所提出的装置设计所要求是检测区域的沟道宽度不同于光电转换元件的沟道宽度，比传统设计的要求更为简单。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
附图说明
图1是现有技术中像素及其支持电路的布局设计示意图。
图2是现有技术中像素的更详细的布局设计示意图。
图3是本发明一实施方案中像素的布局设计示意图。
图4是本发明另一实施方案中像素的布局设计示意图。
图5是本发明一像素的布局设计示意图，其中，在传输门的长度方向上，定义浮动扩散区(the floating diffusion region)的器件隔离区(device isolationregion)与传输门之间没有重叠。
图6A和6B是传输后浮动扩散节点宽度与信号转换增益以及像素电压的函数关系的模拟结果示图。
图7A和7B是图3所示器件的两种可能的剖面视图。
图8是本发明实施方式中像素的另一布局设计的示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施方案，详细地描述减小CMOS图像传感器的浮动扩散节点的电容从而改善图像传感器的灵敏度的方法。这些方案中所提及的布局设计，尽管其减小了寄生电容，如传输门与浮动节点之间的寄生电容，但其相关制备工艺的要求并不比制备传统布局设计的工艺要求高，。
在下面的说明中，某些具体细节如电路组成的实例数值，仅作为本发明的具体实施方案以助于理解。但所属领域的熟练技术人员可以认识到，在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下仍能实施本发明，或者采用其它方法、元件等的情况下仍能实施本发明。另外，为了清楚地描述本发明的各种实施方案，因而对众所周知的结构、材料和操作方法没有示出或进行详细地描述。
在本发明的说明书中，提及“一实施方案”或“某一实施方案”时是指该实施方案所述的特定特征、结构或者特性至少包含在本发明的一个实施方案中。因而，在说明书各处所出现的“在一实施方案中”或“在某一实施方案中”并不一定指的是全部属于同一个实施方案；而且，特定的特征、结构或者特性可能以合适的方式结合到一个或多个的具体实施方案中。
图1是现有技术中像素及其支持电路的布局设计示意图。支持电路可在二维像素阵列中选择出一个单一像素，读取其内容然后清除。该像素也具有器件隔离区、形成信号存储区的n型沟道或p型沟道(channel)的光电二极管、传输门以及n型或p型浮动扩散节点(floating diffusion node)。
图2是现有技术中像素的更详尽的布局设计示意图。图中显示该结构在浮动扩散节点两侧均有相当大范围的损耗区。这些大范围损耗区与传输门连接，会造成浮动扩散节点的巨大寄生电容，引起相当严重的性能降低。
在现有技术中，有两种方法可以减小浮动扩散节点的寄生电容，一种方法是缩小传输门的沟道宽度，另一种方法是减小浮动扩散节点的长度。然而，当传输门沟道宽度减小时，从光电二极管传输到浮动扩散节点的信号电子的读取通路会变狭窄，且信号电荷传输速率被干扰，导致图像延迟、低信号饱和水平以及低灵敏度。而当浮动扩散节点的长度缩减时，单个浮动扩散节点的电容扩散变得太大而不能被忽略，从而导致了灵敏度的不均匀。因此，现有技术难以有效地减小浮动扩散节点的电容而不引起图像延迟、低信号饱和水平、低灵敏度以及灵敏度不均匀等问题。
图3是本发明一实施方案中像素的布局设计示意图。图3中浮动扩散节点区域包括器件隔离区，如Locos(硅的局部氧化区)或STI。此外，该传输晶体管是非对称的，其包括作为源极的光电二极管、传输门以及作为漏极的浮动扩散节点。在该实施方案中，在浮动扩散节点上的沟道宽度Wfd小于光电二极管上的沟道宽度Wpd。
图4也是本发明一实施方案中像素的布局设计示意图。图4中布局设计与图3中的相似并具有类似的元件，其主要区别在于浮动扩散节点的位置，然而，这种不同不会影响图4中电路的性能。
本发明的浮动扩散节点可放置在任意位置，这不影响器件的性能。图3所示实施方案中浮动扩散节点放置在左边或右边，而图4中所示浮动扩散节点放置在中间。另外，本发明中的浮动扩散节点可以是沟道宽度Wfd小于Wpd的任何形态。本发明也可应用于所谓的共享单元结构，其中浮动扩散节点被两个或更多个光电二极管所共享。
在图3和图4的实施方案中，浮动扩散节点被器件隔离区如Locos或STI所包围，损耗区没有超越隔离区，特别是在传输门的宽度方向上。因此，在传输门和浮动扩散节点之间的寄生电容被有效地减少。此外，减小Wfd，使得浮动节点电容会随其面积的减小而减小，从而使其自身的灵敏度更高。
界定浮动扩散区域的器件隔离区必须在传输门长度方向上与传输门重叠，但重叠长度Lovl小于传输门长度Lgate。如果没有重叠，如图5所示，该损耗区沿着传输门扩展，传输门与浮动节点之间的寄生电容就会增加。
图6A和6B是传输后浮动扩散节点宽度Wfd与信号转换增益以及像素电压的函数关系的模拟结果示图。信号转换增益是当电子从光电二极管传输到浮动扩散节点时浮动扩散节点上电压的变化。该电压变化乘以传输电子总数，与信号电压相对应。粗略估算，该转换增益与浮动扩散节点的电容量成反比。在这些模拟中，与源极跟随晶体管(source follower transistor)连接相关的寄生电容被假定为0(如图1所示)，该模拟采用图3所示结构完成。
如图6A中所示，转换增益几乎与Wfd成反比。另一方面，光电二极管的电压在传输后几乎不变，尽管其与Wfd不相同。这就是说，噪音(kTC噪音)和信号饱和度水平并没有受到Wfd值减小的影响。所以，本发明中所得到的高灵敏度并没有破坏如低信噪比和低饱和度等性能标准。
图7A和7B是图3装置的两种可能的A-A′剖面视图，其中STI被采用作器件隔离区。图7A中所示的信号电荷是电子。该光电二极管包括n型电荷累计层、p型表面屏蔽层和p型衬底，形成管脚光电二极管。该管脚光电二极管具有低黑暗电流和低噪音的优点。当然，无表面屏蔽层典型光电二极管也可用于本发明。图7B所示本发明实施方案中的信号电荷是空穴。
图8是本发明像素实施方案的另一布局设计示意图。其中Wpd＜Wfd，0＜Lovl＜Lgate。当电荷转移时如果光电二极管的完全耗尽势能远大于光电二极管的势能，也即传输门的电压高，那么除正常的信号电荷外，与kTC噪音和图像延迟相关的一些噪音电荷会累积在浮动扩散节点。在图8中，浮动扩散节点一侧的Wfd比光电二极管一侧的Wpd宽。这种结构在电荷从光电二极管传输到浮动扩散节点的方向上可以得到逐步拓宽的电流路径，这样可以有效地降低了kTC噪音和图像延迟。利用检验晶片测得信噪比S/N的改进超过20％，而没有发现如高的暗电流和高噪音等副作用。
上述对本发明实施方式的描述，包括说明书摘要中的描述，并非是穷举式的，也不是要将本发明严格局限在所描述的方式中。尽管此处为了进行说明而给出了一些具体的实施方式，但相关领域的熟练人员可以意识到，在本发明的范围内，完全可能有各种等同的改进方案。
例如，此处所举的各种数值和电压值仅仅是便于说明和解释；本发明的其它实施方案可采用与上述数值不同的数值。
参照上述的说明，可以进行这些改动。下面权利要求中所使用的术语不应当解释为将本发明局限为说明书和权利要求书中所给出的具体实施方式。相反，本发明的保护范围完全取决于权利要求书。
上述对本发明的实施方案进行了详细地描述以便理解；然而，本领域的一般技术人员完全可以在不偏离本发明的精神和保护范围的前提下，进行其它的改变或改进。因而，除权利要求书之外，本发明的保护范围不受其它限制。
Claims (30)
1、一种固体成像装置，其包括：
具有第一导电类型的半导体衬底；
形成在该半导体衬底、定义有源区域的器件隔离区；
放置在器件区域中、被器件隔离区包围的光电转换元件；
放置在所述器件区域中具有第二导电类型的检测区；以及
在所述器件区域中的传输门，用以将光电转换元件所产生的电荷传输至检测区；
其中，所述检测区的沟道宽度不同于所述光电转换元件的沟道宽度。
2、如权利要求1所述的固体成像装置，其特征在于，所述的检测区的沟道宽度小于所述的光电转换元件的沟道宽度。
3、如权利要求1所述的固体成像装置，其特征在于，所述的检测区的沟道宽度大于所述的光电转换元件的沟道宽度。
4、如权利要求1所述的固体成像装置，其特征在于，所述的检测区具有任意的几何形状。
5、如权利要求1所述的固体成像装置，其特征在于，所述的检测区相对于通过所述光电区长度方向的直线是不对称的，而该光电区相对于该直线是对称的。
6、如权利要求1所述的固体成像装置，其特征在于，所述的检测区相对于通过所述光电区长度方向且将该光电区平分的直线是不对称的。
7、如权利要求1所述的固体成像装置，其特征在于，所述的传输门覆盖一个区域，在该区域中，所述检测区的沟道宽度不同于所述光电转换元件的沟道宽度。
8、如权利要求1所述的固体成像装置，其特征在于，所述的器件隔离区是STI。
9、如权利要求1所述的固体成像装置，其特征在于，所述的器件隔离区是Locos(硅的局部氧化区)。
10、如权利要求1所述的固体成像装置，其特征在于，所述的光电转换元件是光电二极管。
11、一种CMOS图像传感器，其包括：
具有第一导电类型的半导体衬底；
形成在该半导体衬底、定义有源区域的器件隔离区；
放置在该有源区域中、被所述器件隔离区包围的光电转换元件；
放置在所述有源区域中、具有掺杂区域的第二导电类型的检测区；以及
在器件区域中的传输门，用以将所述光电转换元件所产生的电荷传输至所述检测区；
其中，所述检测区的沟道宽度不同于所述光电转换元件的沟道宽度。
12、如权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述的检测区的沟道宽度小于所述的光电转换元件的沟道宽度。
13、如权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述的检测区的沟道宽度大于所述的光电转换元件的沟道宽度。
14、如权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述的检测区具有任意的几何形状。
15、如权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述的检测区相对于通过所述光电区长度方向的直线是不对称的，而该光电区相对于该直线是对称的。
16、如权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述的检测区相对于通过所述光电区长度方向且将该光电区平分的直线是不对称的。
17、如权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述的传输门覆盖一个区域，在该区域中，所述检测区的沟道宽度不同于所述光电转换元件的沟道宽度。
18、如权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述的器件隔离区是STI。
19、如权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述的器件隔离区是Locos。
20、如权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述的光电转换元件是光电二极管。
21、一种形成在半导体衬底上的有源像素，其包括：
形成在该半导体衬底上、定义有源区域的隔离区；
形成在所述有源区域的光电转换元件；
形成在所述有源区域的输出节点；
形成在所述输出节点和所述光电转换元件之间的传输门，其中，该输出节点的沟道宽度不同于所述的光电转换元件的沟道宽度。
22、如权利要求21所述的有源像素，其特征在于，所述的检测区的沟道宽度小于所述的光电转换元件的沟道宽度。
23、如权利要求21所述的有源像素，其特征在于，所述的检测区的沟道宽度大于所述的光电转换元件的沟道宽度。
24、如权利要求21所述的有源像素，其特征在于，所述的检测区具有任意的几何形状。
25、如权利要求21所述的有源像素，其特征在于，所述的检测区相对于通过所述光电区长度方向的直线是不对称的，而该光电区相对于该直线是对称的。
26、如权利要求21所述的有源像素，其特征在于，所述的检测区相对于通过所述光电区长度方向且将该光电区平分的直线是不对称的。
27、如权利要求21所述的有源像素，其特征在于，所述的传输门覆盖一个区域，在该区域中，所述检测区的沟道宽度不同于所述光电转换元件的沟道宽度。
28、如权利要求21所述的有源像素，其特征在于，所述的器件隔离区是STI。
29、如权利要求21所述的有源像素，其特征在于，所述的器件隔离区是Locos。
30、如权利要求21所述的有源像素，其特征在于，所述的光电转换元件是光电二极管。
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