CN1828915A - 固态成像器件 - Google Patents

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Abstract

一种固态成像器件所包括的像素具有光电二极管1；传送栅极电极2，用于传送累积于光电二极管1中的电荷；浮动扩散部分3，用于累积由传送栅极电极2传送的电荷；放大晶体管15，其中栅极电极与浮动扩散部分3连接；以及复位晶体管14，用于复位浮动扩散部分3的电势。放大器晶体管15的栅极长度短于构成外围电路的晶体管中的晶体管的栅极长度，该构成外围电路的晶体管的栅极绝缘膜厚度与放大晶体管15的栅极绝缘膜厚度相同，且具有最小栅极长度。

Description

固态成像器件
发明领域
本发明涉及固态成像器件，其中设置有多个光电转换元件，并且更具体地，涉及用于通过降低噪声提高灵敏度并用于小型化像素尺寸的技术。
技术背景
近年来，已经利用放大型MOS图像传感器，用于应对高压操作或类似操作。图7示出在例如日本公开专利申请No.2003-46865中公开的常规放大型MOS图像传感器中的像素的电路结构。
常规MOS图像传感器包括光电二极管21、用于将电荷从光电二极管21传送到浮动扩散(floating-diffusion)部分23(下文中，称为FD 23)的传送晶体管22、用于复位FD 23的电势的复位晶体管24、以及用于电流放大FD 23的电势的放大晶体管25。尽管这里没有示出，但是具有用于选择行(或列)的选择晶体管的结构也是公知的。
在这些像素结构元件中，对于图像传感器特别重要的就是放大晶体管25。因为源级跟随器输出电路由放大晶体管25和置于像素区之外的负载晶体管26组成，如果放大晶体管25的增益波动，像素的灵敏度就会波动，引起噪声并从而恶化图像质量。
在晶体管中，通常地，如果实际栅极长度较短，由于短沟道效应，有效栅极长度将会波动。在放大晶体管25上，有效栅极长度的波动直接导致增益的波动。因此，在例如日本公开专利申请No.10-150182中公开的常规MOS图像传感器中，放大晶体管25的实际(physical)栅极长度通常被设计为其加工准则(设计准则)中的最小栅极长度或更大。下文中，实际栅极长度被简化称为栅极长度。
将要如下给出具体描述。首先，确定像素中模拟特性的放大晶体管25的栅极长度，被设计为外围电路中晶体管的栅极长度或更大。例如，当利用多栅极处理，为像素区之外的外围电路配置栅极氧化层厚度不同的多个晶体管时，放大晶体管25的栅极长度被设计为下面这样的晶体管的栅极长度或更大，其中该晶体管的栅极氧化层厚度与放大晶体管25的栅极氧化层厚度相同。
并且当与像素中其他晶体管的栅极长度比较时，放大晶体管25的栅极长度被设计为：等于不同于放大晶体管25的晶体管、即复位晶体管24和选择晶体管的栅极长度或更大。这里，尽管放大晶体管25直接影响MOS图像传感器的模拟特性，但复位晶体管24和选择晶体管则不影响，因为复位晶体管24和选择晶体管主要作为开关而工作。因而即使当以加工准则中的最小栅极长度设计复位晶体管和选择晶体管时，也不会有特殊问题发生。
传送晶体管22的栅极长度通常设计为长于像素单元中其他晶体管(复位晶体管24、选择晶体管、以及放大晶体管25)的栅极长度。为了收集光致电子，对应于传送晶体管的源级的光电二极管21的杂质扩散区，设计为使其比其他晶体管的源级和漏级的这些区域放置得更深。
另一方面，为了减小芯片尺寸，以加工准则中的最小长度设计置于外围电路中的晶体管的栅极长度，其中该外围电路为逻辑电路，例如用于驱动像素的脉冲发生电路。
然而，因为上述限制，缩短放大晶体管25的栅极长度阻碍放大晶体管25的小型化，并从而阻碍像素的小型化。
发明内容
因此，为了解决常规放大型MOS图像传感器中的上述问题，本发明的一个目标是提供固态成像器件，其中限定放大晶体管的栅极长度和其他晶体管的栅极长度之间的关系，并控制增益的波动，而同时实现像素小型化。
为了解决以上问题，根据本发明的固态成像器件包括其中排列多个像素的像素区和用于驱动或扫描像素的外围电路，像素至少包括：光电二极管；传送栅极电极，用于传送累积于光电二极管中的电荷；浮动扩散部分，用于累积由传送栅极电极传送的电荷；放大晶体管，其中栅极电极与浮动扩散部分连接；以及复位晶体管，用于复位浮动扩散部分的电势，放大器晶体管的栅极长度短于构成外围电路的晶体管中的晶体管的栅极长度，构成外围电路的晶体管的栅极绝缘膜厚度与放大晶体管的栅极绝缘膜厚度相同，且构成外围电路的晶体管具有最小栅极长度。
根据本发明的另一个固态成像器件包括其中排列有多个像素的像素区和用于驱动或扫描像素的外围电路，该像素至少具有：光电二极管；传送栅极电极，用于传送累积于光电二极管中的电荷；浮动扩散部分，用于累积由传送栅极电极传送的电荷；放大晶体管，其中栅极电极与浮动扩散部分连接；以及复位晶体管，用于复位浮动扩散部分的电势，放大器晶体管的栅极长度短于像素中其他晶体管的栅极长度。
在多个像素中，至少两个邻近像素优选为至少共享放大晶体管和复位晶体管。
可以进一步提供用于从两个相邻像素中的每个选择输出信号的选择晶体管。
当结合附图通过本发明的以下详细描述，本发明的这些和其他目标、特征、方面和优点将会变得更加显而易见。
附图简述
图1为根据本发明第一实施例，阐明固态成像器件中的像素布局的平面示图；
图2为阐明本发明的效应和绘制增益波动的曲线图，其中当改变放大晶体管的栅极长度时，发生增益波动；
图3为阐明本发明的效应和依赖放大晶体管的栅极长度绘制增益的曲线图；
图4为阐明本发明的效应，并阐明放大晶体管的增益与栅极长度的依存关系机制的示图；
图5为根据本发明第二实施例，阐明固态成像器件中的像素布局的平面示图；
图6为阐明本发明第二实施例中改进的像素布局的一个实例的平面示图；以及
图7为阐明常规放大型MOS图像传感器中像素的电路结构的示图。
发明详述
(第一实施例)
图1为根据本发明的第一实施例，阐明固态成像器件(MOS图像传感器)中的像素布局的平面示图。更具体地，图1示出激活区、栅极、和触点的布局，并主要阐明传送晶体管12的光电二极管1、传送栅极2、复位晶体管14的浮动扩散部分3(下文中称为FD部分3)、复位栅极4、以及放大晶体管15的放大栅极5的布局。这里，传送栅极2向FD部分3传送由光电二极管1累积的电荷。放大栅极5与FD部分3电连接。复位晶体管14复位FD部分3的电势。
如图1所示，传送栅极2的实际栅极长度(下文中，简称为栅极长度)和复位栅极4的栅极长度分别为，例如，0.55μm和0.4μm，而放大栅极5的栅极长度为，例如，0.33μm。因而根据本实施例的固态成像器件的特征在于：放大栅极5的栅极长度短于传送栅极2和复位栅极4的栅极长度。
参考图2和图3，将给出以上特性的具体描述。图2和图3为阐明本发明的效应的曲线图，图2绘制依赖放大晶体管15的栅极长度L的增益波动，图3绘制依赖放大晶体管15的栅极长度L的增益。
放大晶体管15为驱动电压为3V，栅极氧化膜厚度为9nm的晶体管。该加工准则中的最小栅极长度设计为0.4μm。
为了估量图2和图3所示的特性，放大晶体管15的漏级电压被设定为2.9V，而源级与电流值被设定为5μA的电流源连接。对应于像素中的实际工作，放大晶体管15的栅极电压在2.9V至2.1V的范围内变化，因为当传感器导通时，FD电势在2.9V至2.1V的范围内变化。放大晶体管15的增益来自于用放大晶体管15的变化的源级电势除以变化的FD电势，其中同时估量放大晶体管15的源级电势。
通过在相同尺寸的晶体管上的8英寸晶片中的60个点获得数据，而获得图2和图3中的增益和各自栅极长度的波动值。通过用平均值除每组数据的标准误差，获得波动增益值。
如图2所示，发现当栅极长度位于0.3μm至0.35μm的范围中时，放大晶体管15的增益波动为最小。当栅极长度短于0.3μm时，增益较大地波动，这是由于短沟道效应(short channel effect)。另一方面，如图3所示，这个范围内的增益更低，由于所谓的逆短沟道效应(reverse short channel effect)。
本发明人此时发现，当栅极长度长于0.35μm时，波动也更大。具体地，当栅极长度位于0.3μm至0.35μm的范围中时，增益为最大，而且进一步地，增益波动为最小。
将要参考图4描述这样的原因。图4为阐明对放大晶体管15的栅极长度的依存机制的示图。如图4(a)所示，放大晶体管15的增益依赖于晶体管的栅极和沟道之间的电容Cox以及沟道和背栅(Pwell)之间的电容Csub。换句话说，增益可以近似为Cox/(Cox+Csub)。这里电容Cox依赖于栅极氧化层的厚度。
如图4(a)所示，当栅极长度长于0.35μm时，确定增益的各个电容Cox和Csub不受源级和漏级的影响。另一方面，当栅极长度短于0.35μm时，如图4(b)所示，源级和漏级位于彼此接近的位置，增大沟道下的耗尽层，并因此电容Csub变小。因而当栅极长度位于0.3μm至0.35μm的范围中时，增益接近1，降低增益波动。
当栅极长度小于0.3μm时，由于短沟道效应，可能发生穿通，而在制造半导体的过程期间引起的栅极长度的波动主要地影响增益波动。
通常，当栅极长度短于加工准则中的最小栅极长度时，由于短沟道效应，特性波动较大。然而，用在MOS图像传感器中的放大晶体管15在1V至2V的源级电势的范围内工作，因为源级与VSS(地电势)连接。换句话说，在最大值处，源级和漏级之间的电压大约为2V，且低于VDD-VSS电势差(本实施例中为2.9V)。因此即使当栅极长度为加工准则中的最小栅极长度(本实施例中为0.4μm)或更短时，由于短沟道效应，不会发生穿通。
作为检查结果，本发明人确定当栅极长度为0.3μm或更大时，不会施加穿通效应。因而在栅极长度为0.3μm至0.35μm的晶体管中，增益波动为最小。
另一方面，如果栅极长度为0.3μm至0.5μm的晶体管被用于像素的外围电路区的逻辑电路中，源级和漏级之间的电势差(VSS-VDD)将会升高，导致由流动电流(flowing current)引起的热载流子。这可能造成晶体管阈值电压的波动，并因此造成晶体管的故障，导致固态成像器件可靠性的问题。
在本实施例中，像素区中，不同于放大晶体管15的晶体管的栅极长度设计为加工准则中的最小栅极长度或更大。如图1所示，复位晶体管14的栅极4的长度为0.4μm，为加工准则中的最小栅极长度。另一方面，放大晶体管15的栅极长度设计为0.33μm，短于加工准则中的最小栅极长度。正如图3的描述中已经陈述的那样，放大晶体管15的优选栅极长度为0.3μm至0.35μm。
类似地，同样在外围电路区中，尽管其他晶体管的栅极长度设计为0.4μm或更大，其中0.4μm为加工准则中的最小栅极长度，而上述的其他晶体管具有与放大晶体管15的栅极氧化层厚度(9nm)相同的栅极氧化层，放大晶体管15的栅极长度也设计为小于加工准则中的最小栅极长度。
如上所述，根据固态成像器件的本实施例，放大晶体管的栅极长度设计为短于其他晶体管的栅极长度，因而实现高灵敏度的MOS图像传感器，在像素灵敏度中具有很小波动以及降低的噪声。并且可以设定较短栅极长度，能够得到像素的小型化，并实现高清晰度的MOS图像传感器。
在外围电路区中的晶体管中，选择与放大晶体管15比较栅极氧化层厚度相同的晶体管的原因如下。
当要求的能力和晶体管的驱动电压在像素区和外围电路区之间有较大不同时，晶体管趋于形成有每个匹配的栅极氧化层厚度。这就是所谓的多栅极处理。
然而，更薄的栅极氧化层增大电容，并因此不太可能产生短沟道效应。因此当外围电路区中的晶体管的栅极氧化层厚度设定为薄于像素区中的晶体管的栅极氧化层厚度时，就抑制短沟道效应，因此能够使外围电路区中的晶体管的栅极长度缩短。在此情况下，像素中的放大晶体管的栅极长度可能长于外围电路区中的晶体管的栅极长度。由于这个原因，选择比较栅极氧化层厚度与放大晶体管15相同的晶体管。
(第二实施例)
图5根据本发明第二实施例，示出固态成像器件(MOS图像传感器)中的像素布局的平面示图。根据本实施例的固态成像器件的结构，与根据第一实施例的固态成像器件的结构的区别在于，对于两个传送晶体管12a和12b，只设置一个FD部分3，而上下相邻的两个像素共享放大晶体管15、选择晶体管16、和复位晶体管14。
当电压分别施加于各个传送栅极2-a和2-b时，累积于两个光电二极管1-a和1-b中的电荷被传送到FD部分3。FD部分3与用于复位FD电势的复位晶体管14连接。FD部分3与放大晶体管15的放大栅极5连接。选择晶体管16与放大晶体管15的漏级端连接。
在本实施例中，同样应用与第一实施例中相同的加工准则，而且当栅极氧化层厚度为9nm时，最小栅极长度为0.4μm。
与第一实施例类似，图5所示的选择晶体管16和复位晶体管14的栅极长度设计为0.4μm，而放大晶体管15的栅极长度设计为0.33μm。
根据固态成像器件的本实施例，抑制了增益波动，降低噪声，而且不仅实现像素小型化，而且因为两个像素共享晶体管，可以减少每像素的晶体管数量，因而使像素能够进一步小型化。
图6根据本实施例，示出改进的像素布局的一个实例。在该实例中，像素结构与图4所示的像素结构的区别在于不存在选择晶体管。在此情况下，通过增加FD部分3的电势，实施像素选择。
尽管详细描述了发明，但是前述描述在所有方面是说明性的而不是限制性的。可以理解，不背离发明的范围，可以设计许多其他的改进和变化。

Claims (4)

1、一种固态成像器件，包括排列有多个像素的像素区和用于驱动或扫描该像素的外围电路，
该像素至少包括：
光电二极管；
用于传送在该光电二极管中累积的电荷的传送栅极电极；
用于累积由该传送栅极电极传送的电荷的浮动扩散部分；
放大晶体管，其中栅极电极与该浮动扩散部分连接；以及
用于复位该浮动扩散部分的电势的复位晶体管，其中
该放大晶体管的栅极长度短于构成该外围电路的晶体管中的晶体管的栅极长度，构成该外围电路的晶体管的栅极绝缘膜厚度与该放大晶体管的栅极绝缘膜厚度相同，且构成该外围电路的晶体管具有最小栅极长度。
2、一种固态成像器件，包括排列有多个像素的像素区和用于驱动或扫描该像素的外围电路，
该像素至少包括：
光电二极管；
用于传送在该光电二极管中累积的电荷的传送栅极电极；
用于累积由该传送栅极电极传送的电荷的浮动扩散部分；
放大晶体管，其中栅极电极与该浮动扩散部分连接；以及
用于复位该浮动扩散部分的电势的复位晶体管，其中
该放大晶体管的栅极长度短于该像素中其他晶体管的栅极长度。
3、根据权利要求1和2之一所述的固态成像器件，其中在该多个像素中，至少两个邻近像素共享至少该放大晶体管和该复位晶体管。
4、根据权利要求3所述的固态成像器件，其中进一步设置有用于从该两个相邻像素中的每一个选择一个输出的选择晶体管。
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