CN1849816A - 设有浮置扩散栅电容的四晶体管cmos图像传感器 - Google Patents
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Abstract
提供了一些像素单元，这些像素单元采用了与浮置扩散结点接合的栅电容，以有选择地增加浮置扩散结点的存储电容量。可以用相同的工艺步骤在形成所述像素单元的其他栅电路时，同时形成所述栅电容。在较弱的光照条件下，所述存储结点的固有容量便已足够满足需要。而在较强的光照条件则导致有选择地让所述栅电容起作用，从而利用栅电容提供的额外容量增加所述存储结点的电荷容量。本发明在没有电荷共用(输出信号滞后)的条件下产生高动态范围和强输出信号。形成此类像素单元的方法可应用于CMOS和CCD图像装置、CMOS和CCD图像装置中的图像像素阵列以及CMOS和CCD图像系统中。
Description
发明领域
本发明涉及一种设有结合存储电容器的图像传感器的像素电路。
发明背景
一种图像传感器电路包括一个像素单元的焦平面阵列，各像素或者包含一个光闸、光电导体，或者包含一个衬底覆盖在用于蓄积光生电荷的某衬底内的电荷蓄积区上的光电二极管。在传统的四晶体管CMOS成像器中，像素单元的有源元件执行：(1)光子到电荷的转换；(2)图像电荷的蓄积；(3)将电荷转移至浮置扩散结点，此过程伴随电荷放大；(4)在将电荷转移至浮置放大结点之前，将后者重设为已知状态；(5)选择用于读出的像素；(6)输出并放大代表像素电荷的信号。在三晶体管像素单元中，像素单元的有源元件执行：(1)光子到电荷的转换；(2)通过光电转换装置蓄积图像电荷；(3)在蓄积电荷之前，将所述光电转换装置重设成已知状态；(4)选择用于读出的像素；以及(5)输出并放大代表像素电荷的信号。
参阅图1A和1B，其中示出了传统的CMOS图像传感器四晶体管(4T)像素10的半导体晶圆片断。图1B示出了沿图1A中的线1B-1B得到的所述传统CMOS图像传感器的剖面图。像素10一般包含用于将在钉扎光电二极管(pinned photodiode)21中产生的光电电荷传输到作为传感结点的浮置扩散区25的转移栅50。所述浮置扩散区25连接到具有用于复位所述传感结点的栅极40的复位晶体管。而具有栅极60的源极跟随器晶体管连接到具有栅极80的行选择晶体管。在栅极40、60、80周围设置了掺杂的源/漏区22。沿栅极40、50、60、80的两侧形成了隔层92。
如图1B所示，光电二极管21是处于衬底20的表面15下方的位置较浅的钉扎光电二极管。通常，所述钉扎光电二极管21具有光敏的p-n-p结区域，该区域包括p-型的表面区24和p-型的衬底20中的n-型的光电二极管区26。在衬底20中形成了槽隔离区28，以隔离像素阵列中的像素。在像素10上可形成半透明或透明的隔离层30。在隔离层30中可形成接触件32(图1A)，以提供到源/漏极区22、浮置扩散区25和其他接线的电连接，来连接像素10中的栅导线和其他连接。
图2描述了一种传统的四晶体管(4T)CMOS图像传感器像素，该像素任选地采用了多晶硅电容器(Cpoly)100。光子112在钉扎光电二极管21区域内的衬底20的表面15之下被吸收。于是产生了电子-空穴对，且只要转移栅50处于“关断”状态，钉扎光电二极管21的n-区26中便收集电子。钉扎光电二极管21的特征在于钉扎电势(pinpotential)(Vpin)，它是施加到所述p-n-p光电二极管上的最高电压。只要转移栅50启动(即“导通”)，光子产生的电子便可从n-区26流动到浮置扩散区25。经过特定的时间后，转移栅50又将转为“关断”状态。
图3是传统的4T CMOS传感器像素在光积累时间段内的电势图。所述像素的满阱容量是光电二极管21中能产生和储存的电子的最大数目。传输到光电二极管21的光子在区域21中产生了电子。用阴影面积120表示光电二极管21容纳电子的电荷容量。由光电二极管21的钉扎电势(Vpin)和光电二极管电容量(CPD)近似确定了区域120。当产生的电子数目达到最大的电荷电容量时，光电二极管21发生饱和，因而不能继续对入射的光子作出响应。当过剩电荷通过衬底20进入到周围像素中时，过剩电荷引发了周围像素的散焦效应。当栅极50导通而将电子从光电二极管21传送至浮置扩散结点25时，由浮置扩散结点25的电容量和电容器100的电容量确定了存储电子的“容量”。
图4描述了在传统的四晶体管(4T)CMOS传感器像素单元中进行的示范性的电荷传输动作。当光电二极管21的满阱容量大于浮置扩散结点25的电荷容量时，在光电二极管21和浮置扩散结点25之间存在电荷共用。在这种情况下，当转移栅50转回至“关断“状态时，光电二极管21将保留信号电荷，所述电荷与产生的下一个帧的信号电荷混合，导致了图像的滞后。浮置扩散结点25的这种饱和限制了传统的四晶体管(4T)像素的动态范围。
当将像素的尺寸按比例缩小时，浮置扩散结点的电容量更小，而这进一步降低了像素的动态范围。因此，希望改善所述动态范围，以便在将像素按比例缩小时也能提供良好的对较弱和较强光信号状态的输出响应。为此，建议将存储电容器，如图2中的电容器100与所述浮置扩散结点一起使用，以增加电荷存储容量。参见Rhodes的美国专利6,429,470和6,204,524。然而，尽管这样的电容器增加了所述浮置扩散结点的电容，但由于它们一直与所述浮置扩散结点处于电路中，因而是相对不灵活的。而且，需要额外的工艺步骤来形成耦合到所述浮置扩散结点的电容器。
发明内容
本发明的各实施例提供了具有与所述浮置扩散结点结合的栅电容的四晶体管(4T)图像传感器像素单元，可以有选择地操作该栅电容来增加所述浮置扩散结点的存储容量。所述栅电容采用与形成所述像素单元的晶体管的其他栅极相同的的工艺步骤以经济的方式其他栅极同时形成。
在一些情况下，希望仅依赖于存储结点的固有容量，而在另一些情况下，希望依赖于存储结点的固有容量和额外电容器提供的额外容量。在需要或希望时，可以有选择地操作所述栅电容来将增加所述存储结点的电容。从参照附图和本发明的图示实施例的以下详细说明中，可以更清楚地了解本发明的上述的及其他的特点与优点。
附图的简单说明
参阅附图，从以下给出的示范性实施例的详细说明中，可以更清楚地了解本发明的上述的及其他的优点与特点。
图1A是传统的四晶体管(4T)CMOS图像传感器像素片断的顶视图。
图1B是沿图1A中的图像传感器像素片断的线1B-1B得到的侧面剖视图。
图2描绘了传统的4T CMOS图像传感器。
图3是传统的4T CMOS图像传感器在光积累期间的电势图。
图4是传统的4T CMOS传感器中的电荷转移的示图。
图5是本发明一实施例的4T CMOS像素的顶视图。
图6是沿图5中的线A-A’得到的图5中示出的像素的横截面图。
图7示出了说明根据本发明一实施例构造的像素的动作的简单能带图。
图8示出了说明根据本发明构造的像素的动作的时间图。
图9示出了具有本发明一示范性实施例的像素阵列的CMOS成像器集成电路的方框图。
图10是采用图9中所示的CMOS成像器的图像处理器系统的示图。
图11示出了本发明一示范性实施例的用于CCD成像器的简化电路。
具体实施方式
在以下的详细说明中，引用了各种实施本发明的具体实施例。对这些实施例作了足够详尽的说明，以使本领域技术人员能实施本发明，并且应当明白：也可以采用其他实施例，而且可对这些实施例进行结构或逻辑上的修改而不背离本发明的精神和范围。
在下面的说明中，术语“衬底”和“晶片”可以互换使用，它们可以包括在其表面内或表面上可形成电路任何半导体结构。所述结构可以包含硅、绝缘体上的硅(SOI)、蓝宝石上的硅(SOS)、掺有杂质或未掺杂质的半导体、由半导体基础支撑的硅的外延层以及其他半导体结构。所述半导体元件不必是硅质的。所述半导体元件可以是硅锗、锗或砷化镓。当在以下说明中提及衬底时，可以利用之前的工艺步骤在所述的基底半导体或基础之中或之上形成一些层、区或结。
术语“像素”是指包含光传感器和装置的图像元素单元，如用于将电磁辐射转化成电信号的晶体管。为说明的目的，此处在图和说明中说明了一种代表性的像素，且一般以类似的方式同时制造成像器中的所有像素。上述加有相同附图标记的元件指与图5-8中描绘的相同元件。
应当懂得，本发明可用于以任何配置和取向与半导体装置中的其他器件集成的像素单元。本发明可任选地包括光闸、光电导体或其他将图像转化为电荷的装置，来代替光电二极管进行产生光的电荷的初始蓄积。
此处，以通常的方式使用在本发明的说明中使用的名称“n”和“p”，如在“n-型”和“p-型”中一样，来指明施主和受主类型的杂质，而这两种杂质分别使电子和空穴类型的载流子成为主载流子。当将“+”符号用作杂质类型的后缀时，应当将此解释成该杂质的掺杂密度比与仅指明杂质种类的字母而无“+”后缀结合的掺杂密度大。相反地，当将“-”符号用于杂质类型的后缀时，应当将此解释成该杂质的掺杂密度比与仅指明杂质种类的字母而无“-”后缀结合的掺杂密度小。
图5示出了根据本发明构造的像素的第一实施例的顶视图。图5描绘了一种四晶体管像素210，该像素包含：晶体管栅极50、复位晶体管栅极40、源极跟随器栅极60和读出晶体管栅极80。图中还示出了光电二极管21和浮置扩散结点25。所述晶体管，结合栅极50、40、60和80，光电二极管21，以及浮置扩散结点25与图1中用相同附图标记的结构功能相同。此外，图5中示出的像素包含浮置扩散电容器82，该电容器包括一块耦合到浮置扩散结点25的电容器下极板和一块连接到接触件83的电容器上极板。以上说明的与图1A、图1B及图2相结合的、采用相同附图标记的元件的结构和运行也适用于图5中的相同结构。
如图5所示，在浮置扩散结点25的一部分上形成了浮置扩散电容器82，该电容器处于转移栅极50和复位栅极40之间。电容器82覆盖包含浮置扩散结点25的有效面积。与传统像素上的晶体管栅相比，电容器82可以占据更大的面积。因为不需要漏极端子，电容器82仅需要源极端子，因为电容器82的下电极是浮置扩散结点25。金属线可制造得与接触件83相连，而后者与电容器82的上电极电耦合。图5也示出了源极跟随器栅极60和行选择栅极80(以上参照图1作了说明)。
可以以与形成像素的晶体管的多晶硅栅极，包括转移栅极50的方式类似的方式形成电容器82，同时，可以使用与之相同的工艺步骤来形成像素单元晶体管的其他栅极。例如，可以在衬底上形成作为栅氧化层的绝缘覆盖层，然后，形成多晶硅的覆盖层，随后，再形成绝缘覆盖层。然后，对这些层进行光刻而形成图案，以形成电容器82和其他的晶体管栅极。从而，可以同时进行所有用以形成栅电容82、转移栅50、源极跟随器栅极60、行选择栅80和复位栅40以及包含像素阵列的芯片上的其他晶体管栅极结构的掩模和蚀刻步骤。在某区域中形成电容器82，在该区域中所述电容器不遮挡所述光敏区，例如所述成像器的光电二极管21。
图6示出了沿图5中的线A-A’得到的图5中的像素的横截面图。如图6所示，电容器82覆盖槽隔离区28的至少一部分；然而，应当懂得，可以使用与形成转移栅50、复位栅40、源极跟随器栅60、行选择栅80和包含像素阵列的芯片上的其他晶体管栅极的工艺步骤相同的步骤在衬底20的任何其他部分上形成电容器82。可以用化学汽相沉积(CVD)或另一种沉积技术在所述栅极上任选地形成TEOS(原硅酸四乙酯)的保护层或其他涂层化合物。
图6中示出了沿转移栅50和电容器82两侧形成的任选的侧壁隔层92。上述采用相同附图标记的元件与图6中示出的元件相同。图中也示出，在电容器82的上表面形成了任选的接触件83。可通过STI工艺、硅的局部氧化(LOCOS)工艺，或其他合适的工艺来形成槽隔离区28。
在所述像素的元件上可任选地形成半透明或透明的绝缘层(未示出)。这些层可能包括SiO2、BPSU、PSG、BSG、SOB、BPSG或TEOS之类的材料，任何上述材料可以适当地平面化。可用传统的工艺方法来形成所述绝缘层中的接触件(未示出)，提供到源/漏区、浮置扩散区25和其他接线的电连接，以连接像素210中的栅线和其他连接。之后，对接触孔进行金属化处理，以提供到所述光闸、复位栅、转移栅和扩散区的电接触。
通常，对特定的工艺流程而言，工艺步骤可根据需要或便利进行改变。以上对制造方法的叙述仅仅是说明性的。可用范围广泛的不同制造技术来实施以上所述的技术。
参阅图5-8，与浮置扩散结点25结合的栅电容可有选择地增加浮置扩散结点25的存储容量。在某些情况下，如在光照较弱的情况下，仅依赖于浮置扩散结点25的固有容量可能是理想的。在这样的光照较弱的场合，电容器82保持在“断开”或非激活状态，从而，没有启动电容器，且接触件82浮接或接地。在其他情况下，包括光强度较高的情况，最好依赖于浮置扩散结点25的固有容量和电容器82提供的额外电容量。在这样的“强光照”条件下，可通过将电压施加到接触件83来有选择地启动栅电容82，以提供额外的电荷存储容量。这种有选择地选通电容器82的方法为存储从光电二极管21传输到结点25的电荷提供额外的电容。
现在参照图7和图8，说明一种本发明的像素210的示范性操作方法。当电容器82处于“断开”状态时，浮置扩散电容仅来自于浮置扩散结点25的p+/n结。如果电容器82处于“接通”状态，则电容器82的电容加到浮置扩散结点25的电容上。结果，增加了浮置扩散结点25的总的电容量。
如图7a所示，栅电容82和转移栅50处于“断开”状态。在电荷积累时间的末期，之前由在复位栅40周围形成的复位晶体管复位的浮置扩散结点25准备接收来自光电二极管21的电子电荷120。在“开通”转移栅50之前“接通”了电容器82。如图7b所示，一旦“接通”了电容器82和转移栅50，电子电荷120便得到释放，并从光电二极管21移动到浮置扩散结点25。由于电容器82的接通，现在浮置扩散结点25的总的电容量已经足够大，从而在光电二极管21中没有剩余电荷。与光电二极管21之间不存在电荷共用，因此没有滞后信号。
如图7c所示，下一步像素动作包括在完成电荷到浮置扩散结点25的传输之后将转移栅50和电容器82“断开”。电子电荷120处于浮置扩散结点25中，并由源极跟随器晶体管读出，且后者的栅极与结点25相连。源极跟随器晶体管将存储的电荷转化成输出电压。
参阅以上图7a-7c的说明，图8示出了一例复位栅40、栅电容82和转移栅50动作的时间图。如图8所示，启动复位晶体管40后，在“接通”转移栅50之前“接通”电容器82，以将电子电荷120从光电二极管21转移到浮置扩散结点25。
图9示出了一种CMOS成像器集成电路(IC)808的方框图，所述电路具有包含多个配置成行和列的像素的像素阵列800。通过行选择线同时接通阵列800每行的像素，而通过各自的列选择线有选择地输出每列的像素。
行驱动器810响应行地址解码器820有选择地启动所述行选择线。列选择器响应列地址解码器870有选择地启动所述列选择线。像素阵列800由定时与控制电路850操作，该电路控制地址解码器820、870来选择合适的行和列选择线进行像素信号读出。定时与控制电路850用来产生定时信号，以有选择地操作栅电容82。
通过与列选择器860相结合的采样与保持电路861读出通常包括像素复位信号(Vrst)、像素图像信号(Vsig)的所述像素列信号。通过差动放大器862为每个像素产生差动信号(Vrst-Vsig)，并通过模-数转换器875(ADC)将该信号进行放大和数字化。所述模-数转换器875将经数字化的像素信号提供给图像处理器880，后者可进行图像处理，在所述的图像处理过程中，将从蓝色像素读出的信号作为蓝光的强度电平，将从绿色像素读出的信号作为绿光的强度电平，并将从红色像素读出的信号作为红光的强度电平。由此得到的红、绿、蓝像素值可提供给其他器件，以确定RGB输出图像。
现在来看图10，其中说明了示范性的基于处理器的系统880，该系统包括成像器装置808，所述装置设有按以上的图5-8所说明的方式配置的像素单元。基于处理器的系统880是设有可包括CMOS成像器装置的数字电路的系统的示范例。
基于处理器的系统880包含中央处理单元(CPU)1286，如微处理器，所述处理器通过总线1289与输入/输出(I/O)装置1282进行通信。从像素阵列中产生图像输出的成像器808也通过总线1289与CPU1286通信。基于处理器的系统808还包括随机存取存储器(RAM)1283，并可包括外围设备，如软盘驱动器1285和光盘(CD)ROM驱动器1284，这些外围设备也通过总线1289与CPU1286通信。成像器808可以与处理器，如CPU、数字信号处理器或微处理器组合在一起，在单个集成电路上或不同于所述处理器的芯片带有或不带有存储装置。
当本发明的上述实施例涉及包括浮置扩散栅电容的像素单元时，在特定情况下，可通过对所述电容器的选择性启动控制所述像素单元的电容，例如，在强光照条件下，可使所述电容器起作用来增加电容，或者，在较弱的光照条件下，通过维持“不起作用”的电容器(“断开”的)来控制电容，本领域技术人员将认识到，本发明的广阔范围包括各种其他类型的像素单元和成像器装置，它们或是独立设置，或是与半导体装置上的一个或多个处理元件集成。通过有选择地让本发明的所述电容器起作用，使得图像装置在任何类型的光照条件下均能实现较高的动态范围、较强的输出信号、较高的信噪比和优化的电荷存储容量，以及不存在电荷共用(滞后输出信号)的较高的转换增益。
尽管在以上的描述中，本发明用于CMOS图像传感器的四晶体管像素单元，但是，本发明的范围并不以此为限，实际上本发明也可应用于三晶体管像素单元和具有多于四个晶体管的像素单元。也可以把所述栅电容与任何合适的图像传感器结合使用，例如，可将所述电容器与CCD图像传感器结合使用。此外，尽管在图5-8中示出和说明了一个栅电容，应当懂得，可以将多于一个栅电容接合到所述浮置扩散结点。
图11示出了设有栅电容482的示范性CCD成像器的简化电路400。栅电容482电连接到浮置扩散结点425和电压源VDD。CCD图像传感器的输出级提供了作为输出信号的顺序像素信号，并以与在CMOS成像器的像素中类似的方式使用浮置扩散结点425、具有栅460的源极跟随器460和复位栅440。与CMOS成像器不同，寄存器486用于光生电荷的输入和输出。
可以按不同尺寸形成上述的成像器装置，例如，具有约1.3兆像素到约4兆像素阵列的成像器。此外，本发明的上述实施例包括设有浅埋式光电二极管的CMOS像素。本发明的范围还包括其他配置中的其他类型的光敏元件。
以上的描述和附图说明了实现本发明目标的一些实施例。尽管上面已经说明了一些特定的优点和实施例，本领域技术人员仍将认识到，可对所述实施例进行替代、添加、删减、修改和/或其他变化而不背离本发明的范围或精神。因此，本发明不限于之前的说明，而仅限于所附权利要求规定的范围。
Claims (27)
1.一种操作成像器的方法，包括：
用光传感器产生电荷；
将电荷从所述光传感器转移到存储结点；
有选择地增加所述结点的电荷存储容量；以及
根据转移到所述结点的电荷产生电信号。
2.权利要求1中所述的方法，其中，所述有选择地增加所述结点的电荷存储容量的动作包括有选择地让接合到所述结点的栅电容起作用。
3.权利要求2中所述的方法，其中，在所述转移过程中让所述栅电容起作用，以消除所述光传感器中基本上全部的电荷。
4.权利要求1中所述的方法，其中，所述有选择地增加所述结点的电荷存储容量的动作在所述电荷转移前发生。
5.权利要求1中所述的方法，其中，所述成像器是CMOS成像器。
6.权利要求1中所述的方法，其中，所述成像器是CCD成像器。
7.一种集成电路，其中包括：
衬底；以及
像素阵列，所述像素阵列中的各像素包括：
可用来接收光子能量并将所述光子能量转化成光电电荷的光传感器；
用于接收所述光电电荷的浮置扩散区；以及
连接到所述浮置扩散区的至少一个栅电容，各栅电容用来增加所述浮置扩散区的电荷存储容量。
8.权利要求7中所述的集成电路，其中，所述光传感器从由光电二极管、光闸和光电导体构成的组中选出。
9.权利要求7中所述的集成电路，其中，至少一个栅电容包括电连接到所述浮置扩散区的电容器下极板和连接到接触件的电容器上极板。
10.权利要求7中所述的集成电路，其中，所述至少一个栅电容处于转移栅和复位栅之间。
11.权利要求7中所述的集成电路，其中，所述至少一个栅电容形成在所述浮置扩散区的一部分上。
12.权利要求7中所述的集成电路，其中，所述像素阵列是CMOS像素阵列。
13.权利要求7中所述的集成电路，其中，所述像素阵列由定时与控制电路操作。
14.权利要求13中所述的集成电路，其中，所述定时与控制电路产生定时信号来有选择地操作所述至少一个栅电容。
15.一种形成像素的方法，包括：
在衬底上形成光传感器，所述光传感器检测并存储光子能量；
在所述衬底上形成转移栅；
在所述衬底上形成浮置扩散区；以及
在所述衬底上形成栅电容，所述栅电容连接到所述浮置扩散区。
16.权利要求15中所述的方法，其中，所述栅电容形成在所述浮置扩散区的一部分上。
17.一种成像器的像素，所述像素包括：
接收入射光并产生光电电荷的感光区；
用于从所述感光区接收光生电荷的扩散区；以及
至少一个可切换地用来增加所述扩散区的电容量的电容器。
18.权利要求17中所述的像素，其中，各电容器是栅电容。
19.一种在图像传感器中实现高转换增益的方法，所述方法包括：
启动在衬底表面处或该表面以下的至少一个光传感器，其中，各传感器用于检测光子能量，并将所述光子能量转化成光电电荷；
让栅电容起作用，以增加存储结点的电荷存储容量；
将在各光传感器中产生的所述光电电荷转移到所述存储结点；以及
将所述存储结点处的所述光电电荷转化成电信号。
20.一种成像装置中的图像像素阵列，所述像素阵列中的各像素包括：
可用来接收光子能量并将所述光子能量转化成光电电荷的光传感器；
用以接收所述光电电荷的浮置扩散区；以及
至少一个连接到所述浮置扩散区的栅电容，各栅电容可有选择地用来增加所述浮置扩散区的电荷存储容量。
21.权利要求20中所述的图像像素阵列，其中，各光传感器在由光电二极管、光闸和光电导体构成的组中选出。
22.一种CMOS成像器系统，包括：
处理器；以及
接合到所述处理器的成像装置，所述成像装置包括：
像素阵列，所述像素阵列中的各像素包括：
可用来接收光子能量并将光子能量转化成光电电荷的光传感
器；
用以接收所述光电电荷的浮置扩散区；以及
至少一个连接到所述浮置扩散区的栅电容，各栅电容可有
选择地用来增加所述浮置扩散区的电荷存储容量。
23.权利要求22中所述的成像器系统，还包括用于操作所述像素阵列的定时与控制电路。
24.权利要求23中所述的成像器系统，其中，所述定时与控制电路产生定时信号，以有选择地操作所述至少一个栅电容。
25.权利要求22中所述的成像器系统，其中，所述至少一个栅电容增加了总的电荷容量，使得所述成像器系统增加了对弱光照和强光照信号状态的响应性。
26.一种CCD成像器，其中包括：
用于输入和输出光生电荷的寄存器；
至少一个连接到所述存储结点的栅电容，各栅电容可有选择地用来增加所述存储结点的电荷存储容量。
27.一种CCD成像器系统，其中包括：
处理器；以及
接合到所述处理器的CCD成像器，所述CCD成像器包括：
用于输入和输出光生电荷的寄存器；
被连接而从所述寄存器接收所述光生电荷的存储结点；以及
至少一个连接到所述存储结点的栅电容，各栅电容可有选择地用来增加所述存储结点的电荷存储容量。
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