專利名稱：象素式圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本發(fā)明涉及固態(tài)圖像傳感器。
背景技術(shù)：
0002圖像傳感器具有廣泛的應(yīng)用，例如用于靜態(tài)的數(shù)碼照相機(jī)中、計(jì)算機(jī)攝像頭中、便攜式數(shù)碼攝像機(jī)中和個(gè)人通訊系統(tǒng)(PCS)中，還可用于模擬和數(shù)字電視以及視頻系統(tǒng)中、視頻游戲機(jī)中、保安攝像頭和醫(yī)療用微型照相機(jī)中。隨著電信和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)圖像傳感器的需求會(huì)大量的增加。
0003一個(gè)圖像傳感器的象素中通常包括一個(gè)光電二極管，這個(gè)光電二極管能夠把光(例如可見(jiàn)光，紅外光和紫外光)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。當(dāng)光子被吸收時(shí)，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換生成了電子空穴對(duì)。光電二極管在反偏時(shí)會(huì)形成一個(gè)耗盡區(qū)。耗盡區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)把光電轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)分離開(kāi)來(lái)。
0004通過(guò)直接測(cè)量光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電流可以確定光的強(qiáng)度。然而用這種直接測(cè)量光電轉(zhuǎn)換電流的方法所獲得信號(hào)的信噪比(S/N)較差。因此，典型的做法是圖像傳感器在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)收集光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷，然后通過(guò)測(cè)量累積的電荷量來(lái)確定光的強(qiáng)度。
0005為了測(cè)量累積的光生電荷，在CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)有源象素傳感器(APS)中包含有用于測(cè)量光生電荷的信號(hào)的有源電路元件(例如晶體管)，也可以將累積的電荷移出圖像傳感器元件后再進(jìn)行測(cè)量(例如CMOS無(wú)源象素傳感器(PPS)或者電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器)。為了減少噪聲，在CCD圖像傳感器中采用了一種復(fù)雜的方法將累積的電荷從傳感器元件中轉(zhuǎn)移到放大器中用于測(cè)量。CCD器件由于采用大電壓擺度的復(fù)雜驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所以能耗很大。雖然CMOS PPS可以用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝來(lái)制造，但是CMOS PPS的信噪比較差。具有代表性的CCD制造工藝可以針對(duì)其電荷傳輸進(jìn)行優(yōu)化，但是這種工藝不兼容標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝。因此，在CCD圖像傳感器中集成信號(hào)處理電路是很困難的，因?yàn)樾盘?hào)處理電路是用CMOS電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以CCD圖像傳感器很難應(yīng)用于更廣闊的領(lǐng)域。
0006在CMOS APS中，由于在傳感器象素中對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)(或放大)，所以顯著減少了信號(hào)檢測(cè)中的噪聲。然而由于實(shí)現(xiàn)此功能的電路在CMOS APS傳感器象素中占用了一定的面積，結(jié)果導(dǎo)致填充因數(shù)減小，靈敏度降低。CMOS APS傳感器的另一個(gè)典型缺點(diǎn)是復(fù)位噪聲較高。在CCD傳感器中，由于放大器和檢測(cè)電路不在圖像傳感器象素中，所以可以采用雙重采樣電路，分配很大的面積用于感光元件。因此，CCD傳感器一般具有很大的填充因數(shù)和較高的靈敏度。而由于相關(guān)的雙重采樣電路中的晶體管使得CMOS APS中的傳感器的填充因數(shù)進(jìn)一步降低，因此很多CMOS APS傳感器中不使用(相關(guān))雙重采樣電路，以便在大的填充因數(shù)和小的復(fù)位噪聲之間取得平衡。
0007和CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，功耗較低，而且單一電源供電和能夠片上系統(tǒng)集成，但是它的低靈敏度和高噪聲，使之在圖像獲取領(lǐng)域沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
0008本發(fā)明公開(kāi)了一種具有橫向光電二極管元件和縱向溢出系統(tǒng)的象素式圖像傳感器。
0009根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例，一個(gè)圖像傳感器的象素包括一個(gè)橫向光電二極管元件和一個(gè)縱向溢出系統(tǒng)。這個(gè)溢出系統(tǒng)可以將橫向光電二極管的電荷收集區(qū)累積的多余電荷排出去，并對(duì)橫向光電二極管的電荷收集區(qū)進(jìn)行復(fù)位。
0010在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，這種橫向光電二極管中有一個(gè)N型區(qū)和一個(gè)P型區(qū)，并被一個(gè)本征(或者P型或者N型)半導(dǎo)體材料隔開(kāi)；這個(gè)N型區(qū)被本征半導(dǎo)體材料包圍；而P型區(qū)則充分地包圍住N型區(qū)以形成一個(gè)P-I-N型的橫向光電二極管元件。用一層本征(或者P型或者N型)半導(dǎo)體材料將這個(gè)橫向光電二極管和一個(gè)N型襯底分隔開(kāi)就組成了縱向溢出系統(tǒng)。橫向光電二極管在反偏狀態(tài)下，其中由光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷會(huì)被N型區(qū)收集起來(lái)。當(dāng)滿足以下條件時(shí)(1)P型區(qū)處在第一電勢(shì)水平(例如0V)，(2)N型區(qū)處在第二電勢(shì)水平(例如1V)，(3)襯底處在第三個(gè)電勢(shì)水平(例如2V)，在縱向溢出系統(tǒng)中便會(huì)形成一個(gè)勢(shì)壘，這個(gè)勢(shì)壘可以防止N型區(qū)中積累的電荷經(jīng)過(guò)本征層流入襯底中，除非N型區(qū)達(dá)到溢出電勢(shì)水平(例如0.2V)。當(dāng)N型區(qū)被迫達(dá)到了溢出電勢(shì)的水平，其中的電荷就有能力通過(guò)本征層流入襯底中。因此，可以迫使電荷收集區(qū)(N型區(qū))的電勢(shì)達(dá)到溢出電勢(shì)以使之復(fù)位。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)N型區(qū)被設(shè)置到溢出電勢(shì)水平而P型區(qū)仍保持第一個(gè)電勢(shì)水平時(shí)，橫向光電二極管也不會(huì)被正偏。
0011依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在一個(gè)圖像傳感器象素中，除了橫向光電二極管元件和縱向溢出系統(tǒng)之外，還包括一個(gè)用來(lái)施加控制信號(hào)的電容和一個(gè)用來(lái)讀出信號(hào)的晶體管。晶體管的柵極接到電荷收集區(qū)(例如N型區(qū))；電容的一個(gè)表面接到電荷收集區(qū)，另一個(gè)表面被接到控制信號(hào)線。在一個(gè)實(shí)施例中，電容的另一個(gè)表面被接到晶體管的源極區(qū)。在一個(gè)實(shí)施例中，P型區(qū)保持在一個(gè)電勢(shì)水平(例如0V)；襯底保持在另一個(gè)電勢(shì)水平(例如2V)。在復(fù)位時(shí)，控制信號(hào)線電勢(shì)被設(shè)置為0V。在電容的耦合作用下N型區(qū)的電勢(shì)隨著控制信號(hào)變化。然而，N型區(qū)的電勢(shì)水平不會(huì)超過(guò)溢出點(diǎn)(例如0.2V)。當(dāng)N型區(qū)的電勢(shì)達(dá)到了溢出水平，其中累積的電荷就會(huì)流向襯底；而N型區(qū)的電勢(shì)一直保持在溢出水平。復(fù)位之后，控制信號(hào)線電壓被設(shè)為2V以便累積光電電荷。由于電容的耦合作用，N型區(qū)的電勢(shì)會(huì)降到溢出點(diǎn)之下(例如1V)，所以在縱向溢出系統(tǒng)中形成一個(gè)勢(shì)壘。這個(gè)勢(shì)壘會(huì)防止N型區(qū)中累積的光生電子流到襯底中；這個(gè)勢(shì)壘也同樣會(huì)阻止襯底中的電子流向N型區(qū)。因此，在橫向光電二極管中由于光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電子就在N型區(qū)中被收集并且累積起來(lái)。當(dāng)控制信號(hào)線的電勢(shì)被維持在電荷累積的水平時(shí)(例如2V)，晶體管不會(huì)被激活(沒(méi)有導(dǎo)通)以產(chǎn)生輸出信號(hào)；而且，只有在N型區(qū)累積了足夠的電子使得N型區(qū)電勢(shì)達(dá)到溢出的水平，才會(huì)導(dǎo)致縱向溢出系統(tǒng)發(fā)生溢出。在讀出狀態(tài)下控制信號(hào)線的電勢(shì)被切換到讀出電平(例如5V)，通過(guò)電容的耦合作用N型區(qū)和晶體管柵極上的電勢(shì)隨著控制信號(hào)變化(例如變到2V)。因此，晶體管被激活(導(dǎo)通)，輸出一個(gè)用于測(cè)量N型區(qū)中累積的電子數(shù)量的信號(hào)。此時(shí)N型區(qū)和襯底之間的勢(shì)壘仍然高于襯底的電勢(shì)，防止襯底中的電荷流向N型區(qū)。當(dāng)控制信號(hào)線的電勢(shì)被維持在復(fù)位電平(例如0V)，晶體管不會(huì)被激活，不產(chǎn)生輸出信號(hào)。
0012在一個(gè)實(shí)施例中，N型區(qū)在橫向上比位于N型區(qū)和P型區(qū)之間的本征區(qū)小。在一個(gè)實(shí)施例中，襯底包括一層P型半導(dǎo)體材料，它處于本征層和N型襯底之間，并且位于N型區(qū)的下方。在一個(gè)實(shí)施例中，在橫向光電二極管上面做出(例如用典型的CMOS工藝)一個(gè)具有第二半導(dǎo)體類型的釘扎層，用來(lái)減少表面態(tài)引起的噪聲；并且，這個(gè)釘扎層至少部分地和N型區(qū)、P型區(qū)還有它們之間的本征區(qū)相連。
0013根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例，一種制造一個(gè)圖像傳感器象素的方法包括采用第一半導(dǎo)體類型的材料(例如N型)作為襯底，在襯底上采用本征(或者P型或者N型)半導(dǎo)體材料形成本征層，在本征層上形成具有第一半導(dǎo)體類型的第一區(qū)域；并且，在本征層上形成具有第二半導(dǎo)體類型(例如P型)的第二區(qū)域。該第一區(qū)域被充分地包圍在第二區(qū)域中；且第一區(qū)域和第二區(qū)域被本征半導(dǎo)體材料形成的本征區(qū)域隔開(kāi)。第一區(qū)域、第二區(qū)域和它們之間的本征區(qū)域形成了橫向光電二極管元件。在該光電二極管被反偏時(shí)，第一區(qū)域收集其中由于光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷。當(dāng)?shù)诙^(qū)域處在第二電勢(shì)而襯底處在第三電勢(shì)時(shí)，在縱向溢出系統(tǒng)中會(huì)形成一個(gè)勢(shì)壘，它可以防止電荷通過(guò)本征層在第一區(qū)域和襯底之間流動(dòng)，除非第一區(qū)域達(dá)到第一電勢(shì)水平。在一個(gè)實(shí)施例中，在本征層中摻雜第二半導(dǎo)體類型的雜質(zhì)(例如硼)進(jìn)行晶體生長(zhǎng)(例如用外延生長(zhǎng)工藝)，摻雜的濃度范圍是1E13atoms/cm3到1E16atoms/cm3，摻雜的厚度在2μm和10μm之間；而在襯底中摻雜第一半導(dǎo)體類型(例如磷)的雜質(zhì)，摻雜的濃度范圍在1E15atoms/cm3和1E18atoms/cm3之間。在一個(gè)實(shí)施例中，形成第一和第二區(qū)域包括利用2MeV或者更高的能量進(jìn)行離子注入，達(dá)到1E12atoms/cm2至1E14atoms/cm2之間的雜質(zhì)含量，最大注入深度在2μm左右。在一個(gè)實(shí)施例中，被本征半導(dǎo)體材料隔開(kāi)的第一和第二區(qū)域的平均距離在0.5μm到10μm之間。
0014本發(fā)明的其他特點(diǎn)將隨插圖進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
插圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明0015下面舉例說(shuō)明本發(fā)明，所使用的插圖中的結(jié)構(gòu)作為參考表達(dá)本發(fā)明的相似結(jié)構(gòu)，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。
0016

圖1所示為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中一個(gè)象素式圖像傳感器的橫截面。
0017圖2所示為圖1中的象素式圖像傳感器的頂視圖。
0018圖3所示為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中象素式圖像傳感器的橫截面。
0019圖4所示為圖3中的象素式圖像傳感器的頂視圖。
0020圖5所示為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)象素式圖像傳感器在積累電荷過(guò)程中的電場(chǎng)分布圖。
0021圖6所示為圖5中沿x軸方向的電勢(shì)分布圖。
0022圖7所示為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)象素式圖像傳感器在復(fù)位時(shí)的電場(chǎng)分布圖。
0023圖8所示為圖7中沿x軸方向在不同操作狀態(tài)時(shí)的電勢(shì)分布圖。
0024圖9所示為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中一種象素式圖像傳感器陣列的電路框圖。
0025圖10所示為圖9中一個(gè)象素式圖像傳感器的工作信號(hào)波形圖。
0026圖11所示為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中有源象素式圖像傳感器的頂視圖。
0027圖12和圖13所示為圖11中有源象素式圖像傳感器的橫截面圖。
0028圖14所示為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中一種測(cè)量光照強(qiáng)度的方法的流程圖。
詳細(xì)描述0029以下描述和插圖是用于闡述本發(fā)明，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。描述本發(fā)明的大量的具體細(xì)節(jié)，可以增進(jìn)對(duì)本發(fā)明的詳盡理解。然而，在某些例子中也省略了那些眾所周知的細(xì)節(jié)，以避免使本發(fā)明的描述模糊不清。
0030在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中，一種象素式圖像傳感器由一個(gè)橫向光電二極管元件和一個(gè)緊密相伴的縱向溢出系統(tǒng)組成，這種象素式圖像傳感器具有很大的填充因數(shù)和動(dòng)態(tài)范圍。
0031圖1所示為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中一個(gè)象素式圖像傳感器的橫截面。在圖1中，象素式圖像傳感器做在N型襯底115上(例如摻雜濃度為1E15atoms/cm3到1E18atoms/cm3范圍內(nèi)的磷)。N型區(qū)101和107被P型外延半導(dǎo)體材料(例如摻雜濃度在1E13atoms/cm3到1E16atoms/cm3范圍內(nèi)的硼)所包圍。P型區(qū)103、105、109和111封閉了N型區(qū)101、107和它們周圍的P型外延半導(dǎo)體材料，形成一個(gè)橫向光電二極管?？梢岳斫釶型區(qū)103和109滲透在P型外延層中的平均深度應(yīng)該大于N/N+區(qū)101。P型外延層113中的一層P型外延半導(dǎo)體材料將橫向光電二極管和襯底115分隔開(kāi)來(lái)，形成了縱向溢出系統(tǒng)。
0032在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在P型外延層中利用深度離子注入進(jìn)行摻雜，做出101、103和109區(qū)。例如，深層的N型區(qū)101就是利用高能(例如2MeV的能量)小劑量(例如5E12atoms/cm2)的深度N型離子(例如磷)注入生成的；相似的，深層的P型區(qū)103和109也是利用深度P型離子注入生成的(例如利用2MeV的能量注入劑量為5E12atoms/cm2的硼)。
0033在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，103和109區(qū)的深度d1大約是3μm；101區(qū)的深度d2大約是2μm；在橫向光電二極管和襯底115之間的P型外延層半導(dǎo)體的深度d3大約是3μm。襯底115中磷的摻雜濃度為1E16atoms/cm3，它的電阻率在60Ωcm左右。P型外延層113中硼的摻雜濃度為2E14atoms/cm3。P型外延層113的總體厚度d2+d3一般超過(guò)了3μm(例如在5μm左右)。隔離層117位于橫向光電二極管之上。有源電路可以利用CMOS工藝在P型阱上制作，這會(huì)在下面加以詳細(xì)描述。
0034圖2所示為圖1中象素式圖像傳感器的頂視圖。圖2中，與圖1中的N阱107和深層N型區(qū)101對(duì)應(yīng)的N型區(qū)135位于圖像傳感器的中心位置。133區(qū)(135區(qū)和131區(qū)中間沒(méi)有陰影的區(qū)域)中的P型外延半導(dǎo)體材料將N型區(qū)135包圍。P型區(qū)131將N型區(qū)135和P型外延區(qū)133包圍。N型區(qū)135中的N+區(qū)137是用于連接N型區(qū)和測(cè)試電路的導(dǎo)電接觸區(qū)。圖2中沿線AA’的橫截面如圖1所示。
0035雖然圖2中所示的P型區(qū)131完全包圍了N型區(qū)135，但是很明顯，一個(gè)橫向光電二極管也可以由不完全包圍N型區(qū)的、足夠大的P型區(qū)來(lái)形成。
0036圖3所示為本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例中象素式圖像傳感器的橫截面圖。和圖1中的象素式圖像傳感器類似，103、105、109、111、101、107和它們之間的P外延區(qū)形成了一個(gè)光電二極管元件。另外，在橫向光電二極管的近表面形成(例如用大劑量低能量的離子注入)一個(gè)釘扎層(例如127和125區(qū))，用來(lái)減小界面態(tài)產(chǎn)生的噪聲。
0037圖4所示為圖3中象素式圖像傳感器的頂視圖。同圖2相似，圖4所示為橫向光電二極管的N型區(qū)135被P型外延層133所環(huán)繞并被P型區(qū)131所封閉。此外，釘扎層將橫向光電二極管充分覆蓋。在圖4中，釘扎層將139區(qū)以外的區(qū)域蓋住，包括N型區(qū)135的一部分，P型外延區(qū)133的一部分和P型區(qū)131。圖4中沿線BB’的橫截面如圖3所示。很顯然，圖4僅僅顯示了光電二極管元件，而沒(méi)有顯示出有源晶體管。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，有源器件(例如晶體管)可以在P型區(qū)的特定區(qū)域形成(例如用CMOS工藝)。其細(xì)節(jié)隨后會(huì)加以描述。顯然，釘扎層不能覆蓋這些區(qū)域用來(lái)制作有源器件。
0038圖5所示為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中收集電荷時(shí)象素式圖像傳感器的電場(chǎng)分布。如圖5所示，當(dāng)橫向光電二極管反偏時(shí)，耗盡區(qū)211中的電場(chǎng)會(huì)迫使光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電子流向N型區(qū)203(例如橫向的221方向所示)。在周圍的P型區(qū)205和207電勢(shì)的影響下，N型區(qū)203和襯底201之間的P型外延層會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電位(例如電勢(shì)線213附近)。這個(gè)低電位區(qū)起到一個(gè)勢(shì)壘的作用，防止203區(qū)中積累的電子流向襯底201。
0039圖6所示為沿圖5中x軸的電勢(shì)分布。圖6中，曲線235所示為N型區(qū)和襯底間的P型外延層中的電勢(shì)分布。交叉點(diǎn)237附近的低電位區(qū)作為一個(gè)勢(shì)壘，處于擁有電勢(shì)233的N型區(qū)和擁有電勢(shì)231的襯底之間。隨著N型區(qū)不斷積累光電轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的電子，N型區(qū)的電子電勢(shì)能逐漸升高(電勢(shì)降低)。例如，當(dāng)N型區(qū)的電子電勢(shì)能升到243的水平時(shí)，P外延區(qū)的電勢(shì)分布就變成了曲線245。一旦電子越過(guò)了勢(shì)壘就會(huì)被吸引到襯底當(dāng)中。所以襯底和橫向光電二極管下面的P型外延層也起到了一個(gè)縱向溢出系統(tǒng)的作用。當(dāng)橫向光電二極管受到了過(guò)多的光照，光電二極管會(huì)變得飽和，N型區(qū)中多余的電子就會(huì)經(jīng)過(guò)P型外延層溢出到襯底中。這樣就會(huì)防止亮斑和增大傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。
0040圖7所示為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中在復(fù)位的條件下象素式圖像傳感器中電場(chǎng)的分布。在圖7中，N型區(qū)203的電勢(shì)達(dá)到了一個(gè)高于N型區(qū)203和襯底201間勢(shì)壘的臨界值。因此，N型區(qū)203中的電子流向襯底201(例如順著227方向)。然而，即使N型區(qū)203的電勢(shì)處在臨界值，橫向光電二極管依然處于反偏狀態(tài)，所以光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電子仍舊流向N型區(qū)203(例如沿橫向225的方向)。
0041圖8所示為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中沿圖7的x軸方向?qū)τ诓煌牟僮鞯碾妱?shì)分布。當(dāng)N型區(qū)的電勢(shì)處于233時(shí)，曲線235所示P型外延層中的勢(shì)壘防止N型區(qū)中的電子流向襯底。當(dāng)N型區(qū)的電勢(shì)升高而達(dá)到臨界值253時(shí)，P型外延層中的電勢(shì)分布變成如曲線255的單調(diào)曲線，使得N型區(qū)中積累的電子流向襯底。因此，N型區(qū)可以通過(guò)將它的電勢(shì)設(shè)置到臨界值來(lái)進(jìn)行復(fù)位。
0042當(dāng)N型區(qū)開(kāi)始積累電荷時(shí)(例如在復(fù)位之后)，耗盡區(qū)很大；因此光電二極管感光的靈敏度較高。而且縱向溢出系統(tǒng)中的勢(shì)壘比較高。因此，只有很少的電子可以獲得能量穿透勢(shì)壘進(jìn)入到襯底當(dāng)中，而絕大部分的電子被收集到N型區(qū)。隨著N型區(qū)積累越來(lái)越多的電子，耗盡區(qū)不斷減小。另外，對(duì)于N型區(qū)中的電子來(lái)說(shuō)，勢(shì)壘變得較低。這樣隨著積累的電子數(shù)量增多，流到襯底的漏電荷增多，光電二極管的感光靈敏度也會(huì)下降。因此，這個(gè)光敏傳感器的轉(zhuǎn)化曲線是非線性的；靈敏度對(duì)于弱光高，對(duì)于強(qiáng)光低。所以，本發(fā)明的象素式圖像傳感器具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。
0043在讀出信號(hào)時(shí)，N型區(qū)的電勢(shì)被設(shè)置到263的水平。當(dāng)N型區(qū)的電勢(shì)處于263時(shí)，P型外延層中的勢(shì)壘265會(huì)防止襯底中的電子流入N型區(qū)，而N型區(qū)的高電壓會(huì)導(dǎo)致讀出晶體管輸出一個(gè)檢測(cè)信號(hào)，細(xì)節(jié)如下。
0044圖9所示為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的象素式圖像傳感器陣列的電路圖。如圖所示，本發(fā)明的圖像傳感器象素包括一個(gè)尋址電容311、讀出晶體管313、縱向溢出系統(tǒng)315和橫向光電二極管317。據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例所示，橫向光電二極管的P型區(qū)(例如圖2中的131區(qū))與地307相連；縱向溢出系統(tǒng)315與襯底相連?？刂菩盘?hào)Vc通過(guò)導(dǎo)線301施加到尋址電容311的一個(gè)電極上和晶體管313的漏極(源極)上；輸出信號(hào)Vout通過(guò)導(dǎo)線303從晶體管313的源極(漏極)收集起來(lái)。象素式圖像傳感器的陣列每次產(chǎn)生一行的輸出信號(hào)；每列都有一個(gè)測(cè)試電路通過(guò)測(cè)試讀出晶體管輸出的信號(hào)來(lái)確定光的強(qiáng)度。在圖9中，點(diǎn)309對(duì)應(yīng)于電荷收集區(qū)，也就是橫向光電二極管的N型區(qū)(如圖2的135區(qū))。
0045圖10所示為圖9中的象素式圖像傳感器工作時(shí)的信號(hào)波形圖。信號(hào)Vc施加到如圖9中的導(dǎo)線301上，來(lái)控制圖像傳感器象素陣列的最上面一行的工作。信號(hào)Vout所示為圖9中的導(dǎo)線303輸出的典型信號(hào)。當(dāng)時(shí)間t＜t1，信號(hào)Vc保持在v1341的電壓水平(例如2V)，所以讀出晶體管(圖9中的313)柵極上的電壓水平(例如1V)處于閾值之下，讀出晶體管沒(méi)有被激活(沒(méi)有開(kāi)啟)，也就沒(méi)有輸出信號(hào)。因此，信號(hào)Vout在時(shí)間t＜t1時(shí)為v0(例如0.5V)，說(shuō)明沒(méi)有產(chǎn)生輸出信號(hào)。
0046當(dāng)時(shí)間t處于t1和t2之間，信號(hào)Vc增加到v2343(例如5V)，所以讀出晶體管柵極上的電壓水平(例如2V)處于閾值之上，讀出晶體管被激活(開(kāi)啟)，生成與電荷收集區(qū)積累的電荷數(shù)量相當(dāng)?shù)妮敵鲂盘?hào)。在時(shí)間t2時(shí)，信號(hào)Vout達(dá)到了vx353。
0047當(dāng)時(shí)間t處于t2和t3之間時(shí)，信號(hào)Vc降到v3345(例如0V)，所以讀出晶體管柵極上的電壓水平處于閾值之下，讀出晶體管沒(méi)有被激活。因此，信號(hào)Vout恢復(fù)到v0。然而，在t3附近的時(shí)刻t的低電壓導(dǎo)致縱向溢出系統(tǒng)，如圖9中的315，提高了電荷收集區(qū)的電子電勢(shì)能水平。因此，在電荷收集區(qū)積累的電荷在t3時(shí)刻涌入襯底當(dāng)中。
0048當(dāng)時(shí)間t處于t3和t4之間時(shí)，信號(hào)Vc增加到v2343(例如5V)，所以讀出晶體管在t4產(chǎn)生一個(gè)與復(fù)位電壓vr355相應(yīng)的參考信號(hào)。信號(hào)vx和復(fù)位電壓vr之間的差值vy代表了在電荷收集區(qū)積累的電荷數(shù)量，可以用來(lái)確定光的強(qiáng)度。
0049在時(shí)間t4之后，信號(hào)Vc恢復(fù)到v1，使得圖像傳感器的行象素中的電荷收集區(qū)又開(kāi)始積累電荷準(zhǔn)備下一次測(cè)試。
0050根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例所示，由于圖像傳感器的電荷收集區(qū)能夠通過(guò)縱向溢出系統(tǒng)在埋溝模式(buried mode)下進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)復(fù)位MOS晶體管的復(fù)位噪聲。
0051圖11所示為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中有源象素傳感器的頂視圖。如圖2(或者圖4)所示，P型區(qū)401充分把N型區(qū)403和其周圍的P外延區(qū)402包圍，形成一個(gè)橫向光電二極管。另外，標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝用來(lái)在P阱的401區(qū)域上形成象素的尋址電容和讀出晶體管。N+擴(kuò)散區(qū)423、425和427在P阱中形成。區(qū)域423作為尋址電容的一個(gè)傳導(dǎo)表面；區(qū)域425和427作為讀出晶體管的源極和漏極。多晶層405形成于處在N+擴(kuò)散區(qū)上面的隔離層之上。多晶層的區(qū)域429作為讀出晶體管的柵極；多晶層的區(qū)域421作為尋址電容的另一個(gè)傳導(dǎo)表面。柵極區(qū)429和傳導(dǎo)表面421通過(guò)多晶層相連；區(qū)域425和423在N+擴(kuò)散區(qū)內(nèi)相連。金屬線433通過(guò)接觸孔417和N+擴(kuò)散區(qū)425相連，這樣就可以將控制信號(hào)Vc施加到尋址電容的一個(gè)電極上。金屬線407通過(guò)N+接觸孔411和多晶接觸孔413將N型區(qū)403，即電荷收集區(qū)，和讀出晶體管的柵極相連。讀出晶體管的源極/漏極區(qū)427連接到金屬線431上以便輸出測(cè)試信號(hào)。
0052沿線CC’和DD’的橫截面圖由圖12、圖13所示。圖12所示為讀出晶體管和尋址電容的結(jié)構(gòu)。圖12中的N+擴(kuò)散區(qū)505對(duì)應(yīng)于圖11中的區(qū)域427；圖12中的擴(kuò)散區(qū)501對(duì)應(yīng)于圖11中的區(qū)域425和423。圖12中的柵結(jié)構(gòu)511對(duì)應(yīng)于圖11中的多晶區(qū)域429；圖12中的電容表面513對(duì)應(yīng)于圖11中的多晶區(qū)域421。因此，圖12中讀出晶體管的源極(或漏極)在N+擴(kuò)散區(qū)501中直接耦合到尋址電容的一個(gè)電極上；而在圖11中，讀出晶體管的柵極在多晶區(qū)405中直接耦合到尋址電容的另一個(gè)電極上。接觸孔521將尋址電容和讀出晶體管的漏極(或源極)連接到金屬線433上。
0053與圖1和圖3相似，圖13所示為橫向光電二極管和縱向溢出系統(tǒng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。N+接觸孔553通過(guò)一條金屬線將電荷收集區(qū)547和541連接到讀出晶體管的柵極上。這條金屬線如線537所示，它對(duì)應(yīng)于圖11中的金屬線407。P型區(qū)543、545、549和551將N型區(qū)547和541還有它們周圍P型外延層533中的P外延區(qū)包圍起來(lái)，形成橫向光電二極管。襯底531和P型外延層533中在橫向光電二極管下面的P外延區(qū)形成縱向溢出系統(tǒng)。
0054圖14所示為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中測(cè)量光強(qiáng)的一個(gè)流程圖。操作601首先在有源象素式圖像傳感器的尋址電容上施加一個(gè)電壓，使橫向光電二極管的電荷收集區(qū)在一定時(shí)間內(nèi)積累光電子。操作603在尋址電容上施加第二個(gè)電壓，使讀出晶體管激活輸出一個(gè)信號(hào)用來(lái)測(cè)試電荷收集區(qū)的第一個(gè)電勢(shì)。操作605在尋址電容上施加第三個(gè)電壓，通過(guò)有源象素式圖像傳感器的縱向溢出系統(tǒng)來(lái)復(fù)位電荷收集區(qū)。操作607在尋址電容上施加第二個(gè)電壓，以激活讀出晶體管來(lái)輸出一個(gè)信號(hào)，測(cè)量電荷收集區(qū)的第二個(gè)電勢(shì)。操作609從第一個(gè)和第二個(gè)電勢(shì)來(lái)確定有源象素探測(cè)到的光強(qiáng)(例如用相關(guān)雙重采樣的方法)。
0055因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，具有低成本和高系統(tǒng)集成自由度的象素式圖像傳感器可以利用改進(jìn)過(guò)的CMOS工藝來(lái)制造。象素式圖像傳感器利用一個(gè)橫向的PN結(jié)作為光電二極管，這樣更有利于小尺寸象素的設(shè)計(jì)。象素式圖像傳感器有一個(gè)縱向溢出系統(tǒng)，它用來(lái)復(fù)位象素。與傳統(tǒng)的CMOS有源象素傳感器利用復(fù)位管相比，利用縱向溢出系統(tǒng)復(fù)位可以大大降低復(fù)位噪聲。由于本象素式圖像傳感器沒(méi)有復(fù)位管，傳感器的版圖可以得到優(yōu)化；而且，填充因數(shù)和靈敏度可以得到提高。
0056雖然很多用來(lái)說(shuō)明的實(shí)施例中都利用中心為N型區(qū)的橫向光電二極管作為電荷收集區(qū)，但是很顯然，在本技術(shù)中，橫向光電二極管也可以由中心為P型區(qū)作為電荷收集區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)而也可以使用P型襯底。而且，縱向溢出系統(tǒng)可以具有不止一個(gè)的P型外延層(或者N外延層)半導(dǎo)體材料，包括一個(gè)或多個(gè)的N型或者P型層。
0057在前面的說(shuō)明中，本發(fā)明通過(guò)與其有關(guān)的特殊實(shí)施例來(lái)進(jìn)行描述。很顯然，正如下面的權(quán)利要求中所述，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種各樣的修改而不脫離本發(fā)明的廣闊含義和范疇。因此，這些事例和插圖應(yīng)該被看作是說(shuō)明性的而不是限制性的。
權(quán)利要求
1.一種圖像傳感器的象素包括一個(gè)橫向光電二極管，這個(gè)橫向光電二極管擁有第一種半導(dǎo)體類型的第一個(gè)區(qū)域，第一種半導(dǎo)體材料的第三個(gè)區(qū)域和第二種半導(dǎo)體類型的第二個(gè)區(qū)域，第三個(gè)區(qū)域在橫向上圍住第一個(gè)區(qū)域，第二個(gè)區(qū)域?qū)⒌谌齻€(gè)區(qū)域充分包圍從而包圍了第一個(gè)區(qū)域，第一種半導(dǎo)體材料的摻雜濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于第一個(gè)和第二個(gè)區(qū)域的摻雜濃度；以及一個(gè)縱向溢出系統(tǒng)與橫向光電二極管元件耦合在一起，這個(gè)縱向溢出系統(tǒng)有一個(gè)第二種半導(dǎo)體材料的第一層和一個(gè)第二層，這個(gè)第一層將橫向光電二極管元件和第二層分隔開(kāi)，這個(gè)第二種半導(dǎo)體材料的摻雜濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于第二層和第一個(gè)區(qū)域的平均水平。
2.權(quán)利要求1中的圖像傳感器的象素中的第一種半導(dǎo)體材料是下面之一a)第一種半導(dǎo)體類型；b)第二種半導(dǎo)體類型；c)本征類型。
3.權(quán)利要求2中的圖像傳感器的象素中第一種半導(dǎo)體材料和第二種半導(dǎo)體材料是同一類型；而且第一種半導(dǎo)體材料的摻雜濃度和第二種半導(dǎo)體材料的摻雜濃度基本相同。
4.權(quán)利要求1中的圖像傳感器的象素中的第一種半導(dǎo)體類型為N型；第二種半導(dǎo)體類型為P型；第二個(gè)層包含一個(gè)N型襯底；當(dāng)橫向光電二極管反偏時(shí)，其中由于光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電子被第一個(gè)區(qū)域收集起來(lái)。
5.權(quán)利要求1中的圖像傳感器的象素的第一種半導(dǎo)體類型是P型；第二種半導(dǎo)體類型是N型；第二層包括一個(gè)P型襯底；當(dāng)橫向光電二極管反偏時(shí)，其中由于光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電子被第一個(gè)區(qū)域收集起來(lái)。
6.權(quán)利要求1中的圖像傳感器的象素中，當(dāng)橫向光電二極管反偏時(shí)，其中由于光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷被第一個(gè)區(qū)域收集起來(lái)，當(dāng)?shù)诙€(gè)區(qū)域處于第二個(gè)電勢(shì)而且第二層處于第三個(gè)電勢(shì)的時(shí)候，縱向溢出系統(tǒng)產(chǎn)生的勢(shì)壘會(huì)防止第一個(gè)區(qū)域中的電荷經(jīng)過(guò)第一層流入第二層，直到第一個(gè)區(qū)域達(dá)到第一個(gè)電勢(shì)水平。
7.權(quán)利要求6中的圖像傳感器的象素中的勢(shì)壘防止第二層中的電荷經(jīng)過(guò)第一層流入第一個(gè)區(qū)域。
8.權(quán)利要求6中的圖像傳感器的象素中，當(dāng)?shù)诙€(gè)區(qū)域處于第二個(gè)電勢(shì)而第二層處于第三個(gè)電勢(shì)時(shí)，如果第一個(gè)區(qū)域達(dá)到了第一個(gè)電勢(shì)水平，第一個(gè)區(qū)域中的電荷就能夠穿過(guò)第一層流入第二層。
9.權(quán)利要求8中的圖像傳感器的象素中，當(dāng)?shù)诙€(gè)區(qū)域處于第二個(gè)電勢(shì)而第一個(gè)區(qū)域達(dá)到第一個(gè)電勢(shì)的水平，橫向光電二極管不會(huì)正偏。
10.權(quán)利要求1中的圖像傳感器的象素還包括一個(gè)具有柵結(jié)構(gòu)，源極和漏極的晶體管；這個(gè)柵結(jié)構(gòu)與第一個(gè)區(qū)域在電學(xué)關(guān)系上相連；一個(gè)具有第一個(gè)傳導(dǎo)表面和第二個(gè)傳導(dǎo)表面的電容，這個(gè)第一個(gè)傳導(dǎo)表面在電學(xué)上與第二個(gè)傳導(dǎo)表面隔離，而在電學(xué)上與第一個(gè)區(qū)域相連。
11.在權(quán)利要求10的圖像傳感器的象素中，當(dāng)橫向光電二極管反偏時(shí)，其中光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷被第一個(gè)區(qū)域收集起來(lái)；當(dāng)?shù)诙€(gè)區(qū)域處于第二個(gè)電勢(shì)而第二層處于第三個(gè)電勢(shì)時(shí)，縱向溢出系統(tǒng)中形成的勢(shì)壘會(huì)防止電荷經(jīng)過(guò)第一層在第二層和第一個(gè)區(qū)域之間流動(dòng)，直到第一個(gè)區(qū)域達(dá)到了第一個(gè)電勢(shì)水平。
12.在權(quán)利要求11的圖像傳感器的象素中a)當(dāng)電容的第二個(gè)傳導(dǎo)表面處于第四個(gè)電勢(shì)水平時(shí)，晶體管沒(méi)有被激活，從而不能產(chǎn)生輸出信號(hào)；第一個(gè)區(qū)域中除非積累了足夠多的電荷，否則它不會(huì)達(dá)到第一個(gè)電勢(shì)水平；b)當(dāng)電容的第二個(gè)傳導(dǎo)表面保持在第五個(gè)電勢(shì)水平，晶體管被激活而產(chǎn)生輸出信號(hào)，用來(lái)測(cè)量在第一個(gè)區(qū)域中積累的電荷；第一個(gè)區(qū)域不會(huì)達(dá)到第一個(gè)電勢(shì)水平，直到它積累了足夠多的電荷使它達(dá)到第一個(gè)電勢(shì)水平；c)當(dāng)電容的第二個(gè)傳導(dǎo)表面保持在第六個(gè)電勢(shì)水平，晶體管不會(huì)被激活也就不能產(chǎn)生輸出信號(hào)；第一個(gè)區(qū)域被設(shè)置到第一個(gè)電勢(shì)水平使得其積累的電荷經(jīng)過(guò)第一層流入第二層。
13.在權(quán)利要求12的圖像傳感器的象素中的第一種半導(dǎo)體類型是N型；第二個(gè)半導(dǎo)體類型是P型；第二層包含一個(gè)N型襯底。
14.在權(quán)利要求13的圖像傳感器的象素中的第六個(gè)電勢(shì)水平比第四個(gè)電勢(shì)高；第四個(gè)電勢(shì)又比第五個(gè)電勢(shì)高。
15.在權(quán)利要求11的圖像傳感器的象素中，第二個(gè)傳導(dǎo)表面在電學(xué)上與源極和漏極之一相連，在權(quán)利要求1的圖像傳感器的象素中，第一個(gè)區(qū)域橫向上比夾在第一個(gè)區(qū)域和第二個(gè)區(qū)域間的第三個(gè)區(qū)域小。
16.在權(quán)利要求1的圖像傳感器的象素中，第一個(gè)區(qū)域在橫向上小于第一個(gè)區(qū)域和第二個(gè)區(qū)域之間的第三個(gè)區(qū)域。
17.在權(quán)利要求1的圖像傳感器的象素中，第二層包括一個(gè)第一種半導(dǎo)體類型的襯底和處于第一層和襯底之間的擁有第二種半導(dǎo)體類型的層。
18.在權(quán)利要求1的圖像傳感器的象素中還包括一個(gè)第二種半導(dǎo)體類型的釘扎層，它處于和第一層相對(duì)的另一面的橫向光電二極管之上；這個(gè)釘扎層至少部分的與第一個(gè)區(qū)域、第二個(gè)區(qū)域和第三個(gè)區(qū)域相連。
19.制作圖像傳感器象素的方法包括在第一種半導(dǎo)體材料的第一個(gè)層上形成第一種半導(dǎo)體類型的第一個(gè)區(qū)域。第一個(gè)層放在第一種半導(dǎo)體類型的襯底之上；在第一個(gè)層上形成第二種半導(dǎo)體類型的第二個(gè)區(qū)域，第一個(gè)區(qū)域被第二個(gè)區(qū)域充分包圍，第一個(gè)區(qū)域和第二個(gè)區(qū)域被第一個(gè)半導(dǎo)體材料的第三個(gè)區(qū)域隔開(kāi)；第一種半導(dǎo)體材料的摻雜濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于第一個(gè)區(qū)域和第二個(gè)區(qū)域的摻雜濃度；當(dāng)在反偏時(shí)，第一個(gè)區(qū)域、第三個(gè)區(qū)域和第二個(gè)區(qū)域形成橫向光電二極管。
20.在權(quán)利要求1的圖像傳感器的象素中第一個(gè)(種)半導(dǎo)體材料是下列之一a)第一種半導(dǎo)體類型b)第二種半導(dǎo)體類型c)本征類型
21.權(quán)利要求19中的方法還包括生長(zhǎng)第一個(gè)層用的雜質(zhì)為第二種半導(dǎo)體類型，其摻雜濃度在1E13 atoms/cm3和1E16atoms/cm3范圍內(nèi)，其厚度大于2μm；襯底的摻雜類型為第一種半導(dǎo)體類型，摻雜濃度在1E15atoms/cm3和1E18 atoms/cm3范圍內(nèi)。
22.權(quán)利要求19中所提到的形成第一個(gè)區(qū)域和形成第二個(gè)區(qū)域的方法包括利用高于1MeV的能量和介于1E12 atoms/cm2與1E14 atoms/cm2的劑量以使得最大注入深度大于2μm；第一個(gè)和第二個(gè)區(qū)域被第一種半導(dǎo)體材料分開(kāi)，平均距離為0.5μm到10μm。
23.在權(quán)利要求19中，當(dāng)橫向光電二極管反偏時(shí)，其中光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷被第一個(gè)區(qū)域收集起來(lái)；當(dāng)?shù)诙€(gè)區(qū)域處于第二個(gè)電勢(shì)而襯底處于第三個(gè)電勢(shì)時(shí)，縱向溢出系統(tǒng)中形成的勢(shì)壘會(huì)防止電荷經(jīng)過(guò)第一層在第一個(gè)區(qū)域和襯底之間流動(dòng)，直到第一個(gè)區(qū)域達(dá)到了第一個(gè)電勢(shì)水平。
24.權(quán)利要求23中的方法還包括在與第一層相對(duì)的另一面的橫向光電二極管之上，形成一個(gè)第二種半導(dǎo)體類型的釘扎層，這個(gè)釘扎層至少部分的與第一個(gè)區(qū)域、第二個(gè)區(qū)域和第三個(gè)區(qū)域相連。
全文摘要
象素式圖像傳感器包括橫向光電二極管和縱向溢出系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例，一個(gè)圖像傳感器的象素包括一個(gè)橫向光電二極管和一個(gè)縱向溢出系統(tǒng)。這個(gè)縱向溢出系統(tǒng)將橫向光電二極管的電荷收集區(qū)積累的多余電荷排出，而且對(duì)橫向光電二極管的電荷收集區(qū)進(jìn)行復(fù)位。
文檔編號(hào)H01L27/146GK1685527SQ03823440
公開(kāi)日2005年10月19日 申請(qǐng)日期2003年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月7日
發(fā)明者趙立新 申請(qǐng)人:趙立新