CN1881600A - 互补金属氧化物半导体图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有埋入沟道金属氧化物半导体(MOS)晶体管的CMOS图像传感器。该CMOS图像传感器具有光转换装置和源输出晶体管。光转换装置响应于入射光的能量产生电流信号和改变浮置节点的电压。源输出晶体管具有掺杂有第一导电类型材料的源极区域、掺杂有第一导电类型材料的漏极区域、掺杂有与第一导电类型材料互补的第二导电类型材料的栅极区域以及具有第一导电类型材料的埋入沟道。所述埋入沟道形成在所述源极区和漏极区之间且在所述栅极区之下。此外，所述源输出晶体管放大所述浮置节点的电压以产生第一信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，更特别地，涉及一种具有埋入沟道金属氧化物半导体(MOS)晶体管的CMOS图像传感器。
背景技术
因为与电荷耦合器件(CCD)不同，CMOS图像传感器可以在低电压下工作，比CCD消耗更小的功率并具有更低的制造成本，所以CMOS已经逐渐地应用在采用电池的便携应用设备中，比如膝上计算机、手持扫描仪和视频蜂窝电话等。
图1是示出通常的CMOS有源像素传感器电路的框图。参考图1，该CMOS有源像素传感器电路包括控制电路400、行解码器100、行驱动器200、像素阵列300、列解码器600和列驱动器500。
像素阵列300包括以预定数目的行和列布置的多个像素。在像素阵列300中的每行像素由行选择线同时接通，而每列像素则由列选择线选择性地输出。
像素阵列300中设置了多条行选择线和列选择线。行选择线选择性地由行驱动器200响应于行解码器100的输出信号而启动，而列选择线则由列驱动器500响应于列解码器600的输出信号而启动。控制电路400控制解码器100和600以选择适当的行线和列线。因此，对于像素阵列300中的每个像素，由解码器100和600提供行地址和列地址。
图2是示出了CMOS图像传感器的示例，其用于构建图1的CMOS有源像素传感器电路中的像素阵列。参考图2，该CMOS图像传感器包括光电二极管11、传递晶体管13、复位晶体管15、源输出晶体管17和行选择晶体管18。此外，该CMOS图像传感器包括负载晶体管19，用于将输出线LO电连接到低电源电压VSS。每个晶体管13、15、17、18和19都是基础NMOS晶体管。
如图2所示，当光施加到光电二极管11上时，流经光电二极管11的电流响应于光的强度而变化。当流经光电二极管11的电流变化时，浮动节点NF的电压和传递到输出线LO的输出信号PO变化了。输出信号PO是图像数据。
在图2的CMOS图像传感器中，因为晶体管13、15、17、18和19都是基础NMOS晶体管，所以晶体管13、15、17、18和19可能产生闪烁噪声。
在美国专利No.6,630,701中，公开了使用埋入沟道NMOS晶体管来构建CMOS图像传感器。例如，美国专利No.6,630,701公开了一种技术，其通过使用在它们的源极区域和漏极区域所存在的相同杂质来轻掺杂NMOS晶体管的沟道区域，以减少对NMOS晶体管下的衬底的电荷损耗。
但是，该技术没有减少足够的由NMOS晶体管所产生的闪烁噪声。此外，在美国专利No.6,630,701中的CMOS图像传感器可以具有低的阈值电压和大的开路电流。所以，可能从CMOS图像传感器输出错误的信号。
图3A和3B是在美国专利No.6,621,125中公开的埋入沟道NMOS晶体管和埋入沟道PMOS晶体管的横截面视图。图3A和3B的埋入沟道NMOS和PMOS晶体管同静电放电保护电路一起使用，该静电放电保护电路能够最小化在该静电放电保护电路上的栅极氧化层附近流过的电流的效应。
参考图3A，埋入沟道NMOS晶体管包括P型衬底30、P+离子掺杂区32、第一N+掺杂区34、第二N+掺杂区36和N掺杂区38。P+离子掺杂区32形成在P型衬底30上，并且作为栅极端子。第一N+掺杂区34形成在P型衬底30中，并且作为源极区，第二N+掺杂区36形成在P型衬底30中，并且作为漏极区。N掺杂区38形成在P型衬底30中的第一N+掺杂区34和第二N+掺杂区36之间且在P+离子掺杂区32之下。
参考图3B，埋入沟道PMOS晶体管包括N型衬底40、N+离子掺杂区42、第一P+掺杂区44、第二P+掺杂区46和N掺杂区48。N+离子掺杂区42形成在N型衬底40上，并且作为栅极端子。第一P+掺杂区44形成在N型衬底40中，并且作为源极区，第二P+掺杂区46形成在N型衬底40中，并且作为漏极区。P掺杂区48形成在N型衬底40中的第一P+掺杂区44和第二P+掺杂区46之间且在N+离子掺杂区42之下。
在美国专利No.6,245,607中公开了一种可以减少闪烁噪声的埋入沟道MOS晶体管。如美国专利No.6,245,607所公开的那样，该埋入沟道MOS晶体管是这样形成的，通过在源极区和漏极区之间的体区中而非在与栅极绝缘体层相邻的衬底表面上注入沟道层，将栅氧化物设置在沟道层的紧上方，以及使用与沉积在沟道区域上方的栅极氧化物层上的源极/漏极的导电性相反的材料来对栅电极的导电材料进行掺杂。
虽然已经开发了各种技术以减少CMOS图像传感器中的闪烁噪声，但是存在对于减少闪烁噪声和增强从其输出的图像数据的准确性的CMOS图像传感器的需求。
发明内容
在本发明的实施例中，CMOS图像传感器具有光转换装置和源输出晶体管。光转换装置响应于入射光的能量产生电流信号和改变浮置节点的电压。源输出晶体管具有掺杂有第一导电类型材料的源极区域、掺杂有第一导电类型材料的漏极区域、掺杂有与第一导电类型材料互补的第二导电类型材料的栅极区域以及具有第一导电类型材料的埋入沟道。所述埋入沟道形成在所述源极区和漏极区之间且在所述栅极区之下。此外，所述源输出晶体管放大所述浮置节点的电压以产生第一信号。
所述埋入沟道掺杂有第一导电类型材料，其中，所述埋入沟道的掺杂浓度小于所述源极区或漏极区的掺杂浓度。所述埋入沟道可以通过离子注入技术形成。
所述第一导电类型材料可以是N型材料，第二导电类型材料可以是P型材料。所述第一导电类型材料可以是P型材料，第二导电类型材料可以是N型材料。所述第一导电类型材料可以是属于元素周期表第V族的元素，所述第二导电类型材料可以是属于元素周期表第III族的元素。
在本发明的另一个实施例中，CMOS图像传感器包括光转换装置和第一至第五晶体管。光转换装置响应于入射光的能量产生电流信号和改变浮置节点的电压。第一至第五晶体管每个具有掺杂有第一导电类型材料的源极区域、掺杂有第一导电类型材料的漏极区域、掺杂有与第一导电类型材料互补的第二导电类型材料的栅极区域以及具有第一导电类型材料的埋入沟道，所述埋入沟道形成在所述源极区和漏极区之间且在所述栅极区之下。
所述第一晶体管放大所述浮置节点的电压以产生第一信号，所述第二晶体管响应于行选择信号将所述第一信号输出到输出端子，所述第三晶体管响应于传递信号将所述光转换装置的输出信号传递到所述浮置节点，所述第四晶体管响应于复位信号复位所述浮置节点，且所述第五晶体管将输出线电连接到低电源电压。
附图说明
根据对附图中所图示的发明的示范性实施例的说明，本发明的前述以及其它优点将变得更加清楚。附图并非按比例绘制，相反强调对本发明原理的图示说明。整个附图中，类似的参考标号表示类似的元件。
图1是示出通常的CMOS有源像素传感器电路的框图；
图2是示出了CMOS图像传感器的示例，其用于构建图1的CMOS有源像素传感器电路中的像素阵列；
图3A和3B分别是通常的埋入沟道NMOS晶体管和通常的埋入沟道PMOS晶体管的横截面视图；
图4是示出了根据本发明实施例的CMOS图像传感器的电路图；
图5是图4的CMOS图像传感器用在半导体集成电路中时的横截面视图；
图6是图5所示CMOS图像传感器的两个晶体管的横截面视图；
图7是示出了CMOS图像传感器中包括根据本发明示范性实施例的埋入沟道MOS晶体管的源输出晶体管的电势分布和CMOS图像传感器中包括基础NMOS晶体管的源输出晶体管的电势分布的曲线图；
图8是图示包括根据本发明示范性实施例的埋入沟道MOS晶体管的源CMOS图像传感器的输出晶体管的闪烁噪声和包括基础NMOS晶体管的CMOS图像传感器中的源输出晶体管的闪烁噪声的模拟示意图。
具体实施方式
这里将对本发明的示范性实施例进行详细的说明。但是，这里所公开的特定结构和功能的细节仅出于描述本发明的示范性实施例的目的。
应该理解，虽然这里使用第一、第二等术语来描述各种元件，但是这些元件并不限制于这些术语。这些术语用于使一个元件与另一个元件相区别。例如，第一元件可以被称为第二元件，同样地，第二元件也可以被称为第一元件，而不会脱离本发明的范围。如本文所使用的，术语“和/或”包括所列项的一个或多个的任意和所有组合。
应该理解，当提及元件“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到其它元件上，或可以有中间元件存在。比较而言，当提及“直接连接”或“直接耦合”到另外的元件时，则没有中间元件存在。用于描述元件之间的关系的其它措词也应该以类似的方式解释(例如，“在...之间”和“直接在...之间”，“相邻”和“直接相邻”等)。
这里所使用的术语是出于描述具体实施例的目的，而非意于限制本发明。如本文所使用的，单数形式也应包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。还应该理解，术语“包括”、“包含”和/或“含有”在本文使用时，表明存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是并不排出还存在其它的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，及其组合。
除非另外定义，本文所使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。还应该理解，比如由通常使用的字典所定义的那些术语的含义应当解释为与它们在相关领域的环境中所具有的含义相一致，而不应该以理想化或过度正式的意味进行解释，除非本文这样明确定义过。
图4是示出了根据本发明实施例的CMOS图像传感器的电路图。参考图4，该CMOS图像传感器包括光电二极管121、传递晶体管123、复位晶体管125、源输出晶体管127和行选择晶体管128。此外，该CMOS图像传感器包括负载晶体管129，用于将输出线LO电连接到低电源电压VSS。
源输出晶体管127是埋入沟道CMOS晶体管BCMT。源输出晶体管127具有掺杂了第一导电类型材料的源极区和掺杂了第一导电类型材料的漏极区。此外，源输出晶体管127具有掺杂有第二导电类型材料的栅极区，以及形成在源极区和漏极区域之间和栅极区之下的具有第一导电类型材料的埋入沟道，该第二导电类型材料与第一导电类型材料互补。源输出晶体管127放大浮动节点NF的电压。除源输出晶体管127之外，每个晶体管123、125、127、128和129也可以是埋入沟道CMOS晶体管BCMT。
现在将描述图4的CMOS图像传感器的操作。
如图4所示，当光施加到光电二极管121上时，流经光电二极管121的电流将响应于光的强度而变化。当流经光电二极管11的电流变化时，浮动节点NF的电压和传递到输出线LO的输出信号PO变化了。输出信号PO是图像数据。
当复位信号RST具有逻辑低状态和传递信号TX具有逻辑高状态时，当光施加到光电二极管121上时，电流流经光电二极管121。因为复位信号RST处于逻辑低状态和传递信号TX处于逻辑高状态，复位晶体管125关断，而传递晶体管123接通。所以浮动节点NF的电压减少了。此时，如果行选择信号ROW处于逻辑高状态，那么行选择晶体管128接通，而源输出晶体管127的栅极端子的电压VP输出到输出线LO。在检测下一图像之前，浮动节点NF由复位晶体管125复位。当施加到光电二极管121的光的强度变强时，源输出晶体管127的栅极端子的电压VP减少，并且输出信号PO减少。
还是如图4所示，负载晶体管129响应于电压负载信号VLN而接通。
图5是图4的CMOS图像传感器用在半导体集成电路中时的横截面视图，图6是图5所示的两个晶体管的横截面视图。
参考图5，CMOS图像传感器形成在P阱241上。P阱241可以是衬底或是形成在衬底上的阱。场氧化层232形成在P阱241上以隔离位于它们之间的单元，比如像素单元。三个区域236、237和238在P阱241中掺杂有N型材料。掺杂区域236将光电二极管221电连接到传递晶体管231。
绝缘层231形成在光栅极233和埋入沟道230之间。此外，绝缘层231形成在传递晶体管223的栅极234和埋入沟道230之间。此外，绝缘层231形成复位晶体管225的栅极234和埋入沟道230之间。传递晶体管223和复位晶体管225的栅极234形成为P+多晶硅，该P+多晶硅掺杂有高浓度的P型材料。
还是如图5所示，埋入沟道区域230是N型掺杂区，并且形成在P阱241中及在光电二极管221的光栅极233、传递晶体管223和复位晶体管225以下。光电二极管221、传递晶体管223和复位晶体管225中每个具有形成在它们的栅极233和234侧面上的间隔物。掺杂有N型材料的三个区域236、237和238用掺杂有高浓度的N型材料的N+硅形成，并且作为连接线和源极区及漏极区。掺杂有N型材料的埋入沟道区域230具有较区域236、237和238的掺杂浓度要低的掺杂浓度。源输出晶体管227和行选择晶体管228通过扩散接触线240耦合到作为浮置扩散区的区237。
N型材料可以由属于元素周期表中第V族的元素构成，并且P型材料可以由属于元素周期表中第III族的元素构成。埋入沟道可以通过使用离子注入技术完成。
参考图6，源输出晶体管227和行选择晶体管228每个都可以是埋入CMOS晶体管。此外，源输出晶体管227和行选择晶体管228可以与图5所示的传递晶体管223或复位晶体管225相似的方式形成。
图7是示出了CMOS图像传感器中包括根据本发明示范性实施例的埋入沟道MOS晶体管的源输出晶体管的电势分布和CMOS图像传感器中包括基础NMOS晶体管的源输出晶体管的电势分布的曲线图。
在图7中，BCN_POTENIAL_1.5V表示当1.5V施加到埋入沟道MOS晶体管的栅极时的电势分布，而SCN_POTENIAL_1.5V表示当1.5V施加到基础NMOS晶体管的栅极时的电势分布。BCN_POTENIAL_2.0V表示当2.0V施加到埋入沟道MOS晶体管的栅极时的电势分布，而SCN_POTENIAL_2.0V表示当2.0V施加到基础NMOS晶体管的栅极时的电势分布。BCN_POTENIAL_2.5V表示当2.5V施加到埋入沟道MOS晶体管的栅极时的电势分布，而SCN_POTENIAL_2.5V表示当2.5V施加到基础NMOS晶体管的栅极时的电势分布。
参考图7，与由基础MOS晶体管组成的源输出晶体管相反，作为埋入沟道MOS晶体管的源输出晶体管在距它形成于其上的衬底的表面的预定距离处具有最大的分布。因此，当作为电流路径的沟道形成得远离栅极绝缘体时，流经源输出晶体管的电流受到表面状态的影响较少。换句话说，根据本发明示范性实施例的埋入沟道MOS晶体管可以具有低的闪烁噪声。
图8是图示包括根据本发明示范性实施例的埋入沟道MOS晶体管的源CMOS图像传感器的输出晶体管的闪烁噪声和包括基础NMOS晶体管的CMOS图像传感器中的源输出晶体管的闪烁噪声的模拟示意图。
参考图8，可以注意到，使用埋入沟道MOS晶体管BCNMOS的CMOS图像传感器的输出晶体管具有比使用基础NMOS晶体管BCNMOS的CMOS图像传感器中的源输出晶体管要低的闪烁噪声。
因此，通过实施使用埋入沟道MOS晶体管的CMOS图像传感器，CMOS图像传感器的闪烁噪声可以降低，而从CMOS图像传感器输出的图像数据的准确性也得以增强。
本领域的普通技术人员可以理解，虽然上述CMOS图像传感器包括埋入沟道NMOS晶体管，但是埋入沟道PMOS晶体管也可以用于替代埋入沟道NMOS晶体管或与NMOS晶体管结合。
尽管已经详细地示出了本发明的示范性实施例，但是应该理解，可以对进行各种修改、替换和变化而不会脱离权利要求所确定的本发明的范围。
本申请要求于2004年11月25日递交的韩国专利申请第2004-97671号的优先权，其内容以引用方式结合于此。
Claims (23)
1、一种互补金属氧化物半导体图像传感器，包括：
光转换装置，配置来响应于入射光的能量产生电流信号和改变浮置节点的电压；以及
源输出晶体管，具有掺杂有第一导电类型材料的源极区域、掺杂有所述第一导电类型材料的漏极区域、掺杂有与所述第一导电类型材料互补的第二导电类型材料的栅极区域、以及具有所述第一导电类型材料的埋入沟道，所述埋入沟道形成在所述源极区和漏极区之间且在所述栅极区之下，其中，所述源输出晶体管放大所述浮置节点的电压以产生第一信号。
2、根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述埋入沟道掺杂有第一导电类型材料，其中，所述埋入沟道的掺杂浓度小于所述源极区或漏极区的掺杂浓度。
3、根据权利要求2所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述第一导电类型材料是N型材料，第二导电类型材料是P型材料，或所述第一导电类型材料是P型材料，第二导电类型材料是N型材料。
4、根据权利要求3所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述第一导电类型材料由属于元素周期表第V族的元素构成，所述第二导电类型材料由属于元素周期表第III族的元素构成。
5、根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，还包括：
行选择晶体管，配置来响应于行选择信号将所述第一信号输出到输出端子。
6、根据权利要求5所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述行选择晶体管具有掺杂有所述第一导电类型材料的源极区域、掺杂有所述第一导电类型材料的漏极区域、掺杂有所述第二导电类型材料的栅极区域、以及形成在所述源极区和所述漏极区之间并具有所述第一导电类型材料的埋入沟道。
7、根据权利要求6所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述埋入沟道掺杂有所述第一导电类型材料，其中，所述埋入沟道的掺杂浓度小于所述源极区或漏极区的掺杂浓度。
8、根据权利要求7所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述第一导电类型材料是N型材料，所述第二导电类型材料是P型材料，或所述第一导电类型材料是P型材料，所述第二导电类型材料是N型材料。
9、根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，还包括：
传递晶体管，配置来响应于传递信号将所述光转换装置的输出信号传递到所述浮置节点。
10、根据权利要求9所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述传递晶体管具有掺杂有所述第一导电类型材料的源极区域、掺杂有所述第一导电类型材料的漏极区域、掺杂有所述第二导电类型材料的栅极区域、以及形成在所述源极区和所述漏极区之间并具有所述第一导电类型材料的埋入沟道。
11、根据权利要求10所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述埋入沟道掺杂有所述第一导电类型材料，其中，所述埋入沟道的掺杂浓度小于所述源极区或漏极区的掺杂浓度。
12、根据权利要求11所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述第一导电类型材料是N型材料，所述第二导电类型材料是P型材料，或所述第一导电类型材料是P型材料，所述第二导电类型材料是N型材料。
13、根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，还包括：
复位晶体管，配置来响应于复位信号复位所述浮置节点。
14、根据权利要求13所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述复位晶体管具有掺杂有所述第一导电类型材料的源极区域、掺杂有所述第一导电类型材料的漏极区域、掺杂有所述第二导电类型材料的栅极区域、以及形成在所述源极区和所述漏极区之间并具有所述第一导电类型材料的埋入沟道。
15、根据权利要求14所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述埋入沟道掺杂有所述第一导电类型材料，其中，所述埋入沟道的掺杂浓度小于所述源极区或漏极区的掺杂浓度。
16、根据权利要求15所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述第一导电类型材料是N型材料，所述第二导电类型材料是P型材料，或所述第一导电类型材料是P型材料，所述第二导电类型材料是N型材料。
17、根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述光电转换装置是光电二极管。
18、一种互补金属氧化物半导体图像传感器，包括：
光转换装置，配置来响应于入射光的能量产生电流信号和改变浮置节点的电压；以及
第一至第五晶体管，每个都具有掺杂有所述第一导电类型材料的源极区域、掺杂有所述第一导电类型材料的漏极区域、掺杂有与所述第一导电类型材料互补的第二导电类型材料的栅极区域以及具有所述第一导电类型材料的埋入沟道，所述埋入沟道形成在所述源极区和漏极区之间且在所述栅极区之下。
19、根据权利要求18所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述第一晶体管放大所述浮置节点的电压以产生第一信号，所述第二晶体管响应于行选择信号将所述第一信号输出到输出端子，所述第三晶体管响应于传递信号将所述光转换装置的输出信号传递到所述浮置节点，所述第四晶体管响应于复位信号复位所述浮置节点，且所述第五晶体管将输出线电连接到低电源电压。
20、根据权利要求19所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述埋入沟道掺杂有所述第一导电类型材料，其中，所述埋入沟道的掺杂浓度小于所述源极区或漏极区的掺杂浓度。
21、根据权利要求20所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述埋入沟道是通过使用离子注入技术形成的。
22、根据权利要求18所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述第一导电类型材料是N型材料，所述第二导电类型材料是P型材料，或所述第一导电类型材料是P型材料，所述第二导电类型材料是N型材料。
23、根据权利要求18所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述第一导电类型材料由属于元素周期表第V族的元素构成，所述第二导电类型材料由属于元素周期表第III族的元素构成。
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