CN100361309C - Cmos图像传感器中具有减弱的暗电流的有源像素 - Google Patents

Cmos图像传感器中具有减弱的暗电流的有源像素 Download PDF

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Abstract

一个有源像素，包括一个光电二极管、一个传输门和一个复位晶体管。该光电二极管基本上被一个覆盖层结构所覆盖，因此该光电二极管的整个表面可以得到保护而不至损坏，这基本上消除了可导致暗电流的潜在漏电流源。在一种实施例中，一个FOX区与传输门共同覆盖该光电二极管。

Description

CMOS图像传感器中具有减弱的暗电流的有源像素
技术领域
本发明涉及图像传感器件，更特别地，涉及一个具有减弱的暗电流的像素单元。
发明背景
CMOS图像传感器已成为主导的固态成像技术，这主要是由于相对于电荷耦合器件(CCD)成像器件，它们的成本较低。此外，对某些应用来说，CMOS器件的性能更加优异。MOS器件中的像素元可以做得比较小，因此可以提供比CCD图像传感器高的分辨率。此外，信号处理逻辑电路可以与成像电路并排集成，这样就可用单个的集成芯片形成一个完整的独立成像器件。
有源像素传感器是指在每个像素内都具有有源器件如晶体管的电子图像传感器。常规的有源像素传感器典型地采用光电二极管作为该图像传感元件。最常见的有源图像传感器结构包括三个晶体管和一个N+/P-阱(N+/P-well)光电二极管，该结构与标准的CMOS制造过程兼容。但是，这种设计具有相对大的暗电流(即：在暗环境中从像素输出的电流)的缺点。
有源像素具有弱的暗电流是所需要的。由于没有足够的能力辨别亮和暗的条件，因此过大的暗电流会降低该CMOS图像传感器的动态范围。此外，暗电流还可造成CMOS图像传感器中的“白像素”缺陷，即：一个像素总是输出一个大的信号。
如美国第5,625,210号专利所示，另一种不使用标准CMOS制作过程制作的有源像素传感器的设计为钉扎型(pinned)光电二极管。该钉扎型光电二极管的优点在于它对于蓝光有良好的色彩响应能力，以及在暗电流密度方面有优点。暗电流的减少是通过将二极管表面势经由P+区钉扎到P-阱或P衬底(GND)来达到的。由于连接了P+区，因此需要一个传输门将光电二极管的电荷输出到N+输出区。美国第5，880,495号专利示出了‘210专利的一种改进型，该专利转让给本发明的受让人。
然而，该‘210专利提出的钉扎型光电二极管配置依然存在暗电流效应。另外，由于埋设的沟道晶体管，用于这样一种配置的制造过程需要对标准的CMOS制造过程进行重大修改。如果结的分布未能最优化以用于电荷传输，则该钉扎型光电二极管配置可能由于不能完全地将电荷从二极管传输到浮动节点而导致图像滞后。
对CCD图像传感器另一种途径是利用氢退火过程通过钝化悬挂硅键来减少暗电流。例如，美国第6,271,054号专利公开了利用这样方法的内容。然而，由于硅-氢结构的热稳定性差，后续的热过程可以轻易地破坏氢钝化的效果。
还有另一种途径，公开于我们提交的共同未决的专利申请中，提交于2001年11月2日，标题为《表面钝化以减少互补金属氧化物半导体图像传感器中的暗电流》(SURFACE PASSIVATION TO REDUCE DARKCURRENT IN A CMOS IMAGE SENSOR)，发明人为Wu某等人，其转让给本发明的受让人，并引入作为参考，该方法讲授了在CMOS兼容过程中利用氮、硅、氢或氧来钝化悬挂硅键。
附图简述
参考下列详述，并结合附图，本发明的上述方面和许多附带的优点能更容易评估，并能更好地理解，其中：
图1为一种现有技术的有源像素；
图2和3为其它现有技术的有源像素；
图4和5为依照本发明所形成的有源像素；
图6为依照本发明另一实施例所形成的有源像素；
图7和8为依照本发明所形成的有源像素示意图；
图9为本发明的有源像素的俯视布局图；
图10为利用本发明的有源像素所形成的图像传感器。
优选实施例详述
为了提供一个对本发明实施例的全面理解，在下面的说明中，将提供大量具体的细节，如各种系统元件的识别。但是，本领域的普通技术人员将认识到，不用一个或多个该具体的细节，或采用其它方法，元件，材料，等，本发明也可实现。此外，在其它的例子中，为了避免混淆本发明各种实施例的特征，下文中没有示出和详细描述众所周知的结构、材料或操作方法。
整个说明书所涉及到“一种实施例”或“实施例”是指；联系该实施例所描述的特定的特征、结构或特性包括在本发明的至少一种实施例中。因此，遍及这个说明书各个地方所出现的短语“在一种实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例。此外，特定的特征、结构或特性可通过任何适当的方式合并于一个或多个实施例中。
本发明是一种可按照标准CMOS制造过程形成的有源像素传感器，同时也具有弱的暗电流的可取特性。有源像素传感器包括排列在二维阵列上的多个有源像素。该有源像素具有基本上被栅结构或场氧化物(FOX)所覆盖的光电二极管的整个表面，因此该光电二极管的表面损坏量可减至最小。
首先参考图1，它显示了一种现有技术的常规有源像素101。有源像素101包括一个光电二极管，光电二极管具有一个形成p-n结的高掺杂的N+区103和P-阱105，该p-n结被环绕着绝缘氧化物区，典型地是一个利用硅的局部氧化(LOCOS)技术形成的FOX。另外，该FOX也可以是一个浅沟槽隔离(STI)。
光电二极管是基于这样的原理工作的：反向偏置p-n结二极管来形成耗尽区。然后，光电二极管被置于入射光下，其穿过透明的氧化层进入到硅层。半导体的特性是，相应于可见光光子的入射，耗尽区的内和外都生成电子-空穴对。随后，光子所生成的电子-空穴对通过扩散和漂移机理被清走，并被收集在耗尽区内，从而感应一个代表所需图像一部分(一个“像素”)的光电流。
如现有技术中的通常采用的，由光电二极管生成的电流用来调整以源跟随器配置的像素输出晶体管。此外，应注意到N+区103，复位栅107和第二N+区109形成了一个场效应晶体管。复位栅107通常由栅氧化物和多晶硅层叠形成。第二N+区109典型地连接到一个高电压，如VREF。当复位栅107开启时，光电二极管被复位到该复位电压(VREF)，正如在现有技术中也普遍使用的一样。与钉扎型光电二极管像素不同，在这种现有技术像素设计中没有传输门。
如先前所注意，已经发现图1所示的有源像素101对暗电流敏感，暗电流在图像中可显现为白像素。暗电流的一个来源是由于该光电二极管表面的损坏，这种表面的损坏其表现形式为悬挂硅键，它通常是由制造过程中的相关缺陷，包括栅和隔离物蚀刻应力，所引起的。暗电流的另一来源是FOX边缘，它可导致机械应力或在边缘集中的电场。
图2和3显示的是一种企图减少暗电流的现有技术。注意到除了图2示出LOCOS隔离和图3示出一种STI之外，图2和3基本上相同。在这种现有技术中，该光电二极管形成于隔离之下，以期待能够保护光电二极管使其表面不被损坏，并使漏电流减至最小。但是，用来连接到输出电路的N+区201仍然是潜在的泄漏源，它极易因制造过程而导致损坏。本发明的有源像素包括一个传输门，以及一个复位晶体管。但是，与现有技术不同，该整个光电二极管基本上被一个覆盖结构(Overlying Structure)所覆盖，因而光电二极管的整个表面都得到了保护而不受到损坏。该方法基本上消除了潜在的泄漏源。在一种实施例中，FOX区与传输门结合对光电二极管覆盖。图4-5所示的发明既可大大减少表面损坏，也可减轻FOX边缘的机械应力。从而减少暗电流，因此将白像素的数量降至最低。
具体地，参考图4和5，显示了一个依照本发明所形成的有源像素401。除了图4示出LOCOS隔离和图5示出STI结构之外，图4和5基本上相似。此外，图9为有源像素401的俯视布局图，图7和8是有源像素401的示意图。如下面将进一步的说明的，图6是有源像素401的另一实施例。图4和5是沿着图9的线1-1’所作的剖面图。
如图4-9所示，传输门108形成于输出节点A(由N+区110形成)和延伸到至少FOX区之间。传输门108是由栅氧化物与多晶硅层叠的一种实施例，但是，应当理解，传输门108也可由其它种材料的组合形成，或仅由一种材料形成。传输门受信号HD的控制。
此外，所做传输门108的尺寸和外形要基本上覆盖光电二极管112的所有未被FOX区覆盖的部分。注意在图9中，该FOX区基本上覆盖了除了扩散区(DIF)之外的所有区域。与图2和3所示的有源像素相似，光电二极管112的大部分都形成于该FOX区之下，这使该光电二极管112的表面损坏的几率降至最低。
但是，与现有技术不同，覆盖结构用来覆盖光电二极管112剩余部分。因此，传输门108被延伸以覆盖有源区域的剩余部分(在FOX区与N+区110之间)。虽然传输门108被示出在FOX区上充分延伸，但应当理解，覆盖层(如果有的话)的范围是可变的，并取决于制造过程的限制和设计规则。实际上，在一种实施例中，传输门108刚刚延伸到FOX区的边缘。
注意到在某些实施例中，光电二极管112和P-阱之间存在间隔，该间隔在图4中表示为尺寸A和图5中表示为尺寸B。在另一些实施例中，间隔可为零。为了收集光子生成的电荷，必须有效地分开生成的电子-空穴(e-h)对，以最大限度地减少复合。此外需要使载流子到达一个收集触点。上述这两个目标可利用内建电场(如一个p-n结)或一个外部的施加场来实现。使e-h对生成与电场出现在同一位置是理想的，以便生成和收集可以更有效地发生，例如，提高量子效率(QE)，这就是本像素的工作原理。
注意P-衬底区中的掺杂浓度明显低于P-阱区的掺杂浓度。N-阱112与P-阱之间的间隔(A或B)可增大耗尽区，从而提高量子效率。但是，该间隙的大小取决于制造过程和设计规则，并且在某些情况下，间隙可能并不存在。
节点A也可作为光电二极管112的输出。当传输门108被信号HD激励时，光电二极管112产生的电荷与节点A共享。该电荷随后用于调整以源跟随器配置的像素输出晶体管的输出(图7和8中显示为M2)。
此外，在图6所显示的另一实施例中，表面N+区201也可形成在光电二极管112与P-阱之间。表面N+区201用于协助来自光电二极管的电荷传输。
如图9的俯视布局图所示，有源像素401还包括一个复位晶体管M1(受RST信号控制)、一个行选择晶体管M3(受RS信号控制)，以及像素输出晶体管(受节点A上的信号控制)M2。注意在图7和8中，传输门108被标示为受信号HD的控制的类似晶体管的器件M4。
图8是另一实施例，由于M4的存在而删去了行选择晶体管M3(受RS控制)。这个实施例中，设想是：当像素未被选定时(此时RST信号应为高，此时M1开启)，施加不同的较低电压(VREF-LOW)到复位晶体管M1。该电压(VREF-LOW)应足够低以使输出晶体管M2关断。换言之，当像素被选定且此时M2开启时，M2被作为电压缓冲器(源跟随器)使用。当该像素未被选定时，M2关闭，并作为行选择晶体管。
因此，本发明的要点是基本上覆盖和保护光电二极管的所有表面区域。在一种实施例中，由FOX区或传输门108覆盖光电二极管112。因此，由制造过程造成的表面损坏或FOX边缘的机械应力所导致的暗电流的数量可明显减少。
注意本发明还讲授了在光电二极管112和复位晶体管M1之间传输门108(M4)的使用。它在读出之前使任何的暗电流复位，从而进一步减少暗电流。
这样，输出节点A在来自光电二极管的信号电荷被传输之前复位。这可以通过将一个电压持续施加于节点A(更适用于图8中的电路)来实现，或在信号电荷传输之前采用复位操作(通过激活复位晶体管M1)来实现(更适用于图7中的电路)。本发明将大多数暗电流“推”向输出节点A，为此，必须在传输来自光电二极管的信号电荷之前，复位暗电流。
上述的有源像素可用于CMOS图像传感器1101的传感器阵列。具体地，图10为依照本发明所形成的一个CMOS图像传感器。该CMOS图像传感器包括一个传感器阵列1103，一个处理器电路1105，一个输入/输出端(I/O)1107，存储器1109和总线1111。优选地，这些元件的每一个形成在单一的硅衬底上并采用标准CMOS制造过程集成在单一芯片上来生产。
例如，除了在此公开的有源像素替代了原有像素之外，传感器阵列1103部分与本发明的受让人，OmniVision Technologies，Inc.，ofSunnyvale，CA，所生产的型号为OV7630、OV7920、OV7930、OV9620、OV9630、OV6910，或OV7640的图像传感器的传感器阵列部分基本上类似。
更具体地说，传感器阵列1103包括多个排列在一个二维阵列上的单独像素。在操作中，当一个图像聚焦于传感器阵列1103时，传感器阵列1103可获取原始图像数据。
随后，处理器电路1105通过总线1111接收到原始图像数据，并开始信号处理。处理器电路1105能够执行一组实现集成电路1101功能所需的预编程序指令(可能存储于存储器1107中)。处理器电路1105可以是常规的微处理器、DSP、FPGA或神经元电路。
虽然本发明的优选实施例已经图示出并加以说明，但是应当理解，在不脱离本发明之精神和范围内，其中当可作各种改动。也应当了解，在本说明中利用不同类型的P或N型材料的器件已被一般地示出，该材料的类型也可被转换以产生类似的结果。例如：除了已经形成的N-阱/P-衬底光电二极管，也可采用其它类型的材料形成P-阱/N-衬底光电二极管。因而，也可使用N+/P-阱、N+/P-衬底、N-阱/P-衬底、P+/N-阱、P-阱/N-衬底等等类型的光电二极管。因此，该术语“PN光电二极管”可定义为包括所有类型的光电二极管。此外，还可通过附加的插入来调节传输或复位晶体管的阈电压(Vt)，从而优化来自光电二极管的电荷传输。
至此，本发明已经对有关的一个优选实施例和数个替代实施例进行了说明。阅读以上说明之后，不脱离公开的广义概念，具备一般技术者将可作等价的各种变化、变更、及替换。因此，在这里本专利保护的范围仅限于包含在后附权利要求中的限定及其等价的权利要求，而不受在此描述的该实施例的限制。

Claims (24)

1.一种形成在半导体衬底内的有源像素，包括：
场氧化物区，形成在限定一有源区域的所述衬底上；
光电二极管，形成在所述半导体衬底内，所述光电二极管的第一部分形成于所述场氧化物区的下方；
输出节点，它形成于所述有源区域内，并临近于所述光电二极管；以及
传输门，形成在所述衬底上，并在所述输出节点与所述光电二极管之间，另外其中所述的传输门还形成于所述光电二极管其余部分的顶部，由此该光电二极管的整个表面被该传输门或该场氧化物区覆盖。
2.权利要求1的有源像素，进一步包括一个形成于所述有源区域内的复位晶体管，所述的复位晶体管具有一个形成于所述输出节点和一个参考电压(VREF)之间的栅。
3.权利要求1的有源像素，其中所述场氧化物区由硅的局部氧化形成。
4.权利要求1的有源像素，其中所述场氧化物区由浅沟槽隔离形成。
5.权利要求1的有源像素，其中所述衬底为P型衬底，并且所述输出节点为N+区。
6.权利要求1的有源像素，其中所述输出节点形成于在所述P型衬底内所形成的P-阱内。
7.权利要求6的有源像素，其中所述P-阱与所述光电二极管之间存在一个间隙。
8.权利要求6的有源像素，其中所述光电二极管由形成在所述P型衬底内的N-阱形成。
9.权利要求1的有源像素，进一步包括一个位于所述传输门之下并且相邻于所述光电二极管的表面N+区。
10.权利要求1的有源像素，进一步包括一个形成于所述有源区域内并且其栅与所述输出节点相连的像素输出晶体管。
11.权利要求10的有源像素，进一步包括一个形成于所述的有源区域内并且与所述像素输出晶体管的漏相连的行选择晶体管。
12.一种形成于衬底内用于CMOS图像传感器的像素，包括：
光电二极管，该光电二极管由具有第一导电类型的所述衬底的第一顶部和具有第二导电类型的所述衬底的第二底部的结所形成，所述第一顶部基本上被场氧化物区覆盖；
形成于所述衬底内的输出节点；
传输门，形成于所述衬底之上并在所述输出节点与所述光电二极管之间，所述传输门与所述场氧化物区结合覆盖了所有所述的第一顶部；
耦合在所述输出节点和一个参考电压(VREF)之间的复位晶体管，用于复位该输出节点；以及
像素输出晶体管，其栅与所述输出节点耦合。
13.权利要求12的像素，其中所述场氧化物区由硅的局部氧化形成。
14.权利要求12的像素，其中所述场氧化物区由浅沟槽隔离形成。
15.一种CMOS图像传感器，包括：
多个有源像素，其按行和列排列，至少所述有源像素之一包括：
(a)场氧化物区，它形成于限定了有源区域所述衬底上；
(b)光电二极管，形成于所述半导体衬底内，所述光电二极管的第一部分形成于所述场氧化物区的下方；
(c)输出节点，形成于所述有源区域内并与所述光电二极管相邻；以及
(d)传输门，形成于所述衬底之上，并且在所述输出节点与所述光电二极管之间，另外其中所述传输门还形成于所述光电二极管的其余部分的顶部，因此光电二极管的整个表面被传输门或场氧化物区覆盖；
处理电路，用于接收所述有源像素的输出；以及
输入/输出电路，用于输出所述CMOS图像传感器的所述有源像素输出。
16.权利要求15的图像传感器，进一步所述的有源像素还包括一个形成于所述有源区域内的复位晶体管，所述复位晶体管具有一个形成于所述输出节点和一个参考电压(VREF)之间的栅。
17.权利要求15的图像传感器，其中所述场氧化物区由硅的局部氧化形成。
18.权利要求15的图像传感器，其中所述场氧化物区由浅沟槽隔离形成。
19.权利要求15的图像传感器，其中所述衬底为P型衬底，并且所述输出节点为N+区。
20.权利要求15的图像传感器，其中所述输出节点形成在所述P型衬底内所形成的P-阱内。
21.权利要求20的图像传感器，其中所述光电二极管由在所述P型衬底内所形成的N-阱形成。
22.权利要求15的图像传感器，其中所述有源像素进一步包括一个位于所述传输门之下并且与所述光电二极管相邻的表面N+区。
23.权利要求15的图像传感器，其中所述有源像素进一步包括一个形成于所述有源区域内并且其栅与所述输出节点相连的像素输出晶体管。
24.权利要求23的图像传感器，其中所述有源像素进一步包括一个形成于所述的有源区域内，并且与所述像素输出晶体管的漏相连的行选择晶体管。
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