CN219832661U - 一种基于复合介质栅的全局曝光光敏探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于复合介质栅的全局曝光光敏探测器，通过使用制作于上晶圆的复合介质栅双器件光敏探测单元进行感光，使用制作于下晶圆的存储单元进行存储，将一个探测单元和一个存储单元组合为一个像素，且在结束曝光时使用晶圆堆叠时制作的晶圆间通孔将探测单元得到的光电信号转移到对应的存储单元中，实现了全局快门的功能。本实用新型不改变复合介质栅双器件光敏探测单元的基本结构，且探测单元和存储单元均能够持续微缩至亚微米。由于快门关闭时存储的电信号位于下晶圆，不会受到寄生光信号的影响，因而该光敏探测器的PLS性能强于现有的探测器结构。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于复合介质栅的全局曝光光敏探测器，属于感光技术领域。
背景技术
目前应用的感光技术从原理区分，主要有CCD(电荷耦合元件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)两种，其中CMOS相对于CCD具有更快的成像速度和更加优良的系统集成能力，且可实现更低的功耗。但是，利用CMOS实现的图像传感器的感光阵列中每个像素通常包括至少一个感光二极管和三至六个晶体管，使得感光区的占比较小。随着技术发展，对单位面积内像素数目提升的需求更加迫切，因而单个像素的面积设计得越来越小，CMOS像素的满阱电荷量偏低，导致感光阵列面临着灵敏度下降及动态范围降低的问题。
中国专利CN102938409A和CN107658321B公开了几种基于复合介质栅MOSFET的双晶体管光敏探测单元(以下将该探测单元结构称为垂直电荷感光器件，即VPS)，每个探测单元包括主要用于收集光电子的感光晶体管和用于读取光生电荷数量的读取晶体管。所述感光晶体管的衬底(收集区)和读取晶体管的衬底(读取区)通过浅槽隔离(STI)隔开，且均包括在衬底上依次叠加形成的底层绝缘介质、光电子存储层、顶层绝缘介质和控制栅，源/漏区设置在读取晶体管一侧的衬底中。所述感光晶体管和读取晶体管之间的光电子存储层连通，通过控制读取晶体管可以读出曝光过程从读取晶体管一侧衬底进入到光电子存储层的光生电荷量。上述光敏探测单元的制作可以与集成电路制造工艺兼容，且相较CCD和CMOS，在相同像素尺寸下可实现更高的信噪比以及更高的满阱电荷，因而应用前景广阔。
利用上述的VPS像素结构形成全局快门感光阵列时，需要设计一种方法，使得感光阵列在曝光结束后能够保持像素中的光电信号在后续的读取过程中不会发生变化，即像素中的信号量不会随着读取过程中持续入射到像素中的光子而持续累积。
一种常见的做法是，将曝光结束后像素内得到的光信号储存到一个额外的存储节点中，且通过一定设计使得该存储节点中储存的信号量不会随着光子持续不断地入射到像素中而发生变化。中国专利CN201711033195.X以及CN201910965769.X所公开的方法都是改变了VPS像素的结构，在像素中增加了存储节点而实现了全局快门的功能。但这两种方法都会使VPS像素的结构变得复杂，难以在亚微米的VPS像素中实现全局快门的功能。另外，由于直接将存储节点集成在VPS像素中，存储节点仍然会受到一定杂散光的照射进而导致快门关闭后其储存的信号随着光的持续照射而发生变化。
发明内容
发明目的：为了解决上述基于复合介质栅MOSFET的全局曝光光敏探测器中的PLS问题，同时不改变复合介质栅MOSFET的双器件光敏探测器的简单的像素结构，本实用新型提供一种基于复合介质栅的全局曝光光敏探测器。
技术方案：为实现上述目的，本实用新型提供一种基于复合介质栅的全局曝光光敏探测器，包括制作于上晶圆部分的光敏探测部分和制作于下晶圆部分的存储部分，所述上晶圆部分与下晶圆部分之间通过晶圆堆叠工艺键合为一体，且两部分之间设置有晶圆间通孔进行电学互连；
所述光敏探测部分包含横向和纵向周期性排列的若干个复合介质栅双器件光敏探测单元，所述存储部分包含横向和纵向周期性排列的若干个存储单元，每个探测单元和一个存储单元对应，共同构成一个像素，所述探测单元和对应的存储单元之间通过晶圆间通孔进行信号传递。
可选的，所述探测单元包括具有感光功能的复合介质栅MOS-C部分和具有读取功能的复合介质栅MOSFET部分，且这两部分形成在同一P型半导体衬底上；所述复合介质栅MOS-C部分和复合介质栅MOSFET部分之间通过浅槽隔离隔开，且P型半导体衬底的上方依次叠加底层介质层、电荷耦合层、顶层介质层和控制栅极，所述复合介质栅MOSFET部分还设有源极和漏极，且源极连接至所对应的晶圆间通孔。
可选的，所述存储单元包括采样MOS晶体管、存储电容、源跟随MOS晶体管和行选MOS晶体管，其中采样MOS晶体管的源极连接至所对应的晶圆间通孔，漏极连接至存储电容的一端，且与源跟随MOS晶体管的栅极相连，所述存储电容的另一端接地；所述源跟随MOS晶体管的源极连接至行选MOS晶体管的源极，所有源跟随MOS晶体管的漏极连接至同一电源电压。
可选的，各个组内同一编号的所述探测单元的控制栅极之间电学相连形成字线，字线的数目与每组内像素的个数相同；同一组内不同编号的所述探测单元的源极之间电学相连形成源线，且连接至所对应的晶圆间通孔，源线的数目与像素的组数即晶圆间通孔的个数相同；所有探测单元的漏极电学相连形成漏线，所有探测单元的衬底直接相连；不同组内同一编号的所述存储单元的采样MOS晶体管的栅极之间电学相连构成转移线。
可选的，在所述存储部分中，对于每个晶圆间通孔，还设置有一个偏置MOS晶体管(作为一个电流源)与其对应，其中，每个偏置MOS晶体管的漏极连接至所对应的晶圆间通孔，源极接地，所有偏置MOS晶体管的栅极全部相连形成偏置线。
可选的，所有行选MOS晶体管的栅极和漏极之间采用标准CMOS图像传感器像素阵列的互联架构，即同一行所述存储单元中的行选MOS晶体管的栅极之间电学连接形成行线，同一列所述存储单元中的行选MOS晶体管的漏极之间电学连接形成列线。
有益效果：
本实用新型通过使用制作于上晶圆的复合介质栅双器件光敏探测单元进行感光，使用制作于下晶圆的存储单元进行存储，将一个探测单元和一个存储单元组合为一个像素，且在结束曝光时使用晶圆堆叠时制作的晶圆间通孔将像素的探测单元得到的光电信号传递到像素的存储单元，实现了全局快门的功能。
由于本实用新型中复合介质栅双器件光敏探测单元的基本结构没有发生改变，仍然只包含感光晶体管和读取晶体管，其探测单元能够持续微缩至亚微米。而存储单元由于制作于不同的晶圆上，且全部由标准的MOS晶体管和电容组成，在使用先进的制造工艺后同样具有持续微缩的能力。由于快门关闭时存储的电信号位于下晶圆，不会受到寄生光信号的影响，因而该光敏探测器的PLS性能强于现有的探测器结构。
附图说明
图1是本实用新型实施例中光敏探测器的组成结构示意图；
图2A和图2B分别是本实用新型实施例中探测单元以及探测单元互联方式的结构示意图；
图3A和图3B分别是本实用新型实施例中存储单元以及存储单元互联方式的结构示意图；
图4是本实用新型实施例中光敏探测器的工作时序图。
具体实施方式
以下结合附图和具体的实施例对本实用新型作进一步详细说明。根据下面的说明，本实用新型的优点和特征将更清楚。
需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型的实施例，本实用新型的实施例不应该被认为仅限于图中所示区域的特定形状。为了清楚起见，在用于辅助说明本实用新型实施例的全部附图中，对相同部件原则上标记相同的标号，而省略对其重复的说明。文中“行”和“列”用于表示成一定夹角的两个方向，在一些实施例中，二者可以互换。
本实施例中的光敏探测器采用了中国专利CN102938409A和CN107658321B公开的基于复合介质栅的双器件光敏探测单元(以下将该探测单元结构称为垂直电荷感光器件，即VPS)。
VPS像素结构的特征是每个单元探测器都是由两部分构成，即具有感光功能的复合介质栅MOS-C部分和具有读取功能的复合介质栅MOSFET部分。这两部分形成在同一P型半导体衬底上，两部分之间通过STI浅槽隔离隔开，P型半导体衬底的上方依次叠加底层介质层、电荷耦合层、顶层介质层和控制栅极，且复合介质栅MOSFET部分设有源漏极，用以读取信号。
本实施例涉及一种光敏探测器，包括具有感光和读取功能的复合介质栅双器件光敏探测部分和具有存储功能的存储部分。其中，复合介质栅双器件光敏探测部分(简称探测部分)制作于上晶圆部分，存储部分制作于下晶圆部分，上晶圆部分与下晶圆部分之间通过晶圆堆叠工艺键合为一体，且两部分之间设置有晶圆间通孔进行电学互连。以下对两个部分的组成进行说明。
1、对探测部分、存储部分与晶圆间通孔的关系进行说明。
探测部分由横向和纵向周期性排列的探测单元组成，其中探测单元为前述的VPS像素结构。存储部分包含横向和纵向周期性排列的若干个存储单元，每个存储单元由若干个MOS晶体管以及电容组成。每个探测单元和一个存储单元对应，共同构成一个像素。若干个像素组成一组像素，同一组像素共同使用同一个晶圆间通孔。每一组像素具有相同的个数N，对每个组内的像素分别进行编号，编号从1遍历到N，且每个编号均对应各个组内的一个像素。
如图1所示显示了一个每组像素包含四个像素的实施例示意图，其中每个晶圆间通孔分别与四个探测单元以及四个存储单元连接，图中显示了三组共12个像素。
2、分别对探测部分和存储部分的单元组成以及单元互联方式进行说明。
探测部分的探测单元即为前述的VPS像素结构，一个VPS像素结构的互联端口包括控制栅极、源极和漏极，如图2A所示。所有VPS像素的衬底直接相连。
在使用探测单元即VPS像素结构组成本实施例中的探测部分时，不同组内同一编号的探测单元的控制栅极之间电学相连形成字线，字线的数目与每组内像素的个数相同。同一组内不同编号的探测单元的源极之间电学相连形成源线，且电学连接至该组像素所使用的晶圆间通孔，源线的数目与像素的组数即晶圆间通孔的个数相同。所有探测单元的漏极电学相连形成漏线，所有探测单元的衬底直接相连。
如图2B所示显示了一个每组像素包含四个像素的实施例示意图，其中每组四个探测单元的源极互相连接构成源线1～3，不同组内对应编号的探测单元的控制栅极之间电学相连形成字线1～4，所有探测单元的漏极之间电学相连形成漏线。图中显示了三组共12个探测单元、三个源线和四个字线、一个漏线。
存储部分的存储单元由采样MOS晶体管、存储电容、源跟随MOS晶体管和行选MOS晶体管组成。其中采样MOS晶体管的源极连接至该存储单元所在组使用的晶圆间通孔，漏极连接至存储电容的一端，且与源跟随MOS晶体管的栅极相连。存储电容不与采样MOS晶体管的源极相连的一端接地。源跟随MOS晶体管的源极连接至行选MOS晶体管的源极，源跟随MOS晶体管的漏极连接至电源电压。
如图3A所示，一个存储单元的互联端口包括采样MOS晶体管的栅极1、采样MOS晶体管的源极2、行选MOS晶体管的栅极3、行选MOS晶体管的漏极4。
在使用上述存储单元组成本实施例中的存储部分时，不同组内同一编号的存储单元的采样MOS晶体管的栅极1之间电学相连形成转移线。
如图3B所示显示了一个每组像素包含四个像素的实施例示意图，其中每组四个存储单元的采样MOS晶体管的源极2共同连接到对应的晶圆间通孔即源线，不同组内同一编号的存储单元的采样MOS晶体管的栅极1之间电学相连构成转移线1～4。图中显示了三组共12个探测单元、三个源线和四个转移线。
对于每个晶圆间通孔，存储部分中还设置有一个偏置MOS晶体管与其对应。其中，每个偏置MOS晶体管的漏极连接至所对应的晶圆间通孔，源极接地，所有偏置MOS晶体管的栅极全部相连形成偏置线，如图3B所示。
存储单元中的所有行选MOS晶体管的栅极3和源极4之间采用标准CMOS图像传感器像素阵列的互联架构，即同一行存储单元中的行选MOS晶体管的栅极3之间电学连接形成行线，同一列存储单元中的行选MOS晶体管的漏极4之间电学连接形成列线。
本实施例的具体实施方式如下：
在开始曝光前，将探测部分的衬底和漏线接地，而后通过在所有字线上加一负偏压(如-1V)，完成所有探测单元的复位。将存储部分的偏置线施加正偏压(如1.2V)使所有偏置晶体管打开，并且将所有采样MOS晶体管关断，即给所有转移线接地。
在开始曝光时，给所有字线加一正偏压(如3V)，即为曝光电压，此时探测单元开始收集光电荷，光敏探测器进入全局快门打开状态。
在结束曝光时，将所有采样MOS晶体管打开一段时间再关闭，即给所有转移线加一个正压脉冲信号(如高度3.3V，时间10us的脉冲信号)，完成所有存储单元的复位，此时所有存储电容的电压为0。然后给探测部分的漏线加一正偏压(如3V)。
然后开始转移阶段：对于每一组像素，按照像素的编号顺序依次将每个探测单元中的信号通过该像素所在组的晶圆间通孔即源线转移至对应的存储单元中。
从开始曝光到完成信号转移，其加压时序如图4所示。
当所有像素完成信号转移时，依次将所有存储单元中的信息读出至外围电路。在读出过程中，所有转移线接地。
在光敏探测器以视频模式持续工作时，在当前帧结束曝光并且所有像素完成信号转移后，可以在将存储单元中的信息读出至外围电路的过程中开始下一帧的曝光。在这一过程中，存储部分的偏置线始终施加正偏压(如1.2V)。
其中，按照编号顺序进行信号转移的过程具体包括：
1)给编号为1的像素所对应的字线加上一个大于曝光电压的正偏压，该正压为读取电压(如6V)。此时编号为1的探测单元中的读取晶体管也处于饱和区，其余编号的探测单元中的读取晶体管处于关断状态。根据源跟随的工作原理，此时每组像素的源线即晶圆间通孔的电位反映了当前编号为1的探测单元中的电荷耦合层电位。
2)打开编号为1的存储单元中的采样MOS晶体管，即给编号为1的像素所对应的转移线加一正偏压(如3.3V)，使所有的源线电位传递至该源线所在组的编号为1的存储单元的存储电容中。
3)完成信号传递后，关闭编号为1的像素对应的转移线，将编号为1的像素对应的字线从读取电压降回曝光电压，完成编号为1的像素信号转移。
按照上述相同的方法依次将编号为2、3、4直至所有编号的探测单元中的信号通过该像素所在组的晶圆间通孔即源线转移至该像素的存储单元中。
此外，将存储单元中的信息读出至外围电路的方法与标准CMOS图像传感器中像素阵列的读出方法相同：依次选中每一个行线进行逐行的读出，在选中一个行线时，在该行线上加正压(如3.3V)使该行线所连接的行选MOS晶体管打开，此时每个列线的电位与该列中与所选行线所对应的存储单元的源跟随MOS晶体管的源极相同，根据源跟随的工作原理，每个列线的电位反映了该列中与所选行线所对应的存储单元的存储电容的电位，将列线的电位经过放大和模数转换完成信号的读出。
上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于复合介质栅的全局曝光光敏探测器，其特征在于，包括制作于上晶圆部分的光敏探测部分和制作于下晶圆部分的存储部分，所述上晶圆部分与下晶圆部分之间通过晶圆堆叠工艺键合为一体，且两部分之间设置有晶圆间通孔进行电学互连；
所述光敏探测部分包含横向和纵向周期性排列的若干个复合介质栅双器件光敏探测单元，所述存储部分包含横向和纵向周期性排列的若干个存储单元，每个探测单元和一个存储单元对应，共同构成一个像素，所述探测单元和对应的存储单元之间通过晶圆间通孔进行信号传递。
2.根据权利要求1所述的全局曝光光敏探测器，其特征在于，所述探测单元包括具有感光功能的复合介质栅MOS-C部分和具有读取功能的复合介质栅MOSFET部分，且这两部分形成在同一P型半导体衬底上；所述复合介质栅MOS-C部分和复合介质栅MOSFET部分之间通过浅槽隔离隔开，且P型半导体衬底的上方依次叠加底层介质层、电荷耦合层、顶层介质层和控制栅极，所述复合介质栅MOSFET部分还设有源极和漏极，且源极连接至所对应的晶圆间通孔。
3.根据权利要求2所述的全局曝光光敏探测器，其特征在于，所述存储单元包括采样MOS晶体管、存储电容、源跟随MOS晶体管和行选MOS晶体管，其中采样MOS晶体管的源极连接至所对应的晶圆间通孔，漏极连接至存储电容的一端，且与源跟随MOS晶体管的栅极相连，所述存储电容的另一端接地；所述源跟随MOS晶体管的源极连接至行选MOS晶体管的源极，漏极连接至电源电压。
4.根据权利要求3所述的全局曝光光敏探测器，其特征在于，若干个像素组成一组像素，同一组像素共同使用同一个晶圆间通孔；每一组像素具有相同的个数，对每个组内的像素分别进行编号，每个编号均对应各个组内的一个像素。
5.根据权利要求4所述的全局曝光光敏探测器，其特征在于，不同组内同一编号的所述探测单元的控制栅极之间电学相连形成字线；同一组内不同编号的所述探测单元的源极之间电学相连形成源线，且连接至所对应的晶圆间通孔；所有探测单元的漏极电学相连形成漏线，所有探测单元的衬底直接相连；不同组内同一编号的所述存储单元的采样MOS晶体管的栅极之间电学相连构成转移线。
6.根据权利要求3所述的全局曝光光敏探测器，其特征在于，在所述存储部分中，对于每个晶圆间通孔，还设置有一个偏置MOS晶体管与其对应，其中，每个偏置MOS晶体管的漏极连接至对应的晶圆间通孔，源极接地，所有偏置MOS晶体管的栅极全部相连形成偏置线。
7.根据权利要求3所述的全局曝光光敏探测器，其特征在于，同一行所述存储单元中的行选MOS晶体管的栅极之间电学连接形成行线，同一列所述存储单元中的行选MOS晶体管的漏极之间电学连接形成列线。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |