專(zhuān)利名稱(chēng)：電荷積分多線(xiàn)性圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及時(shí)延和信號(hào)積分線(xiàn)性圖像傳感器(或者代表“時(shí)延積分線(xiàn)性傳感器”的TDI傳感器)，其中，通過(guò)在場(chǎng)景移動(dòng)到傳感器之前時(shí)將相繼地觀察場(chǎng)景的同一線(xiàn)的數(shù)個(gè)光敏線(xiàn)拍攝的相繼圖像逐步相加來(lái)重建所觀察的場(chǎng)景的點(diǎn)構(gòu)成的線(xiàn)的圖像。
背景技術(shù)：
這些傳感器用于例如掃描儀中。它們包括數(shù)條平行的光敏像素線(xiàn)構(gòu)成的條(bar)；各條線(xiàn)的控制電路(曝光時(shí)間的控制以及隨后的光生電荷的讀取的控制)的先后順序相對(duì)于場(chǎng)景和傳感器之間的相對(duì)移動(dòng)同步，以使得傳感器的所有線(xiàn)相繼看到所觀察的場(chǎng)景的相同線(xiàn)。然后針對(duì)所觀察的線(xiàn)的每一點(diǎn)，將每條線(xiàn)生成的信號(hào)逐點(diǎn)相加。在恒定的曝光時(shí)間，傳感器的靈敏度以線(xiàn)的數(shù)量N的比率提高，或者在恒定的靈敏度，曝光時(shí)間能夠被N除。此數(shù)量N可以例如是用于工業(yè)控制應(yīng)用的或者用于從太空進(jìn)行地球觀察的應(yīng)用的16或者32，或甚至是用于醫(yī)療應(yīng)用的60至100線(xiàn)(牙科、乳房X線(xiàn)照相術(shù)等)。信噪比以傳感器的線(xiàn)的數(shù)量N的平方根的比率提高。此外，由各線(xiàn)的信號(hào)的相加所導(dǎo)致的平均，減小了同一條的像素的靈敏度不均勻性以及像素的暗電流的不均勻性。在電荷轉(zhuǎn)移圖像傳感器((XD傳感器)中，通過(guò)與場(chǎng)景和傳感器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)同步地從像素線(xiàn)清空在先像素線(xiàn)中生成和累積的電荷來(lái)簡(jiǎn)單地執(zhí)行逐點(diǎn)信號(hào)的相加。能夠讀取最后的像素線(xiàn)，最后的像素線(xiàn)累積了N倍的由所觀察的圖像線(xiàn)所生成的電荷。CCD圖像傳感器的應(yīng)用具有使用高電源電壓的缺點(diǎn)，并消耗相當(dāng)大的功率；此技術(shù)是基于相鄰和相互交疊的多晶娃柵極的使用；集成(integration)密度不是非常高。圖像傳感器技術(shù)隨后向具有晶體管的有源像素傳感器發(fā)展，為簡(jiǎn)化，該具有晶體管的有源像素傳感器以下稱(chēng)為CMOS傳感器，因?yàn)樗鼈兺ǔＪ褂肅OMS (互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體)技術(shù)來(lái)制造；在這些COMS傳感器中，沒(méi)有至讀取電路或者寄存器的線(xiàn)至線(xiàn)的電荷轉(zhuǎn)移，但是存在具有晶體管的有源像素，其收集光生電荷并將它們直接轉(zhuǎn)化為電壓或者電流。因此，傳感器的各線(xiàn)相繼地供應(yīng)表示由線(xiàn)接收的照明的電壓或者電流。這些結(jié)構(gòu)不使得執(zhí)行這些電流或電壓的無(wú)噪聲累積變?yōu)榭赡?；因此，生產(chǎn)一個(gè)時(shí)延積分傳感器是困難的。但是制造技術(shù)簡(jiǎn)單，它不會(huì)消耗很多功率，并以低電壓操作。然而已經(jīng)嘗試了生產(chǎn)CMOS時(shí)延積分傳感器。特別地，已經(jīng)嘗試使用開(kāi)關(guān)電容，在該電容中對(duì)相繼接收到的電流進(jìn)行積分，從而在同一電容上累積列中的數(shù)個(gè)像素的接收到的電荷(US6906749，W00126382)。也已經(jīng)提出了將源自像素線(xiàn)的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字值，來(lái)在線(xiàn)的行j的累積寄存器中累積對(duì)應(yīng)于行j的像素的數(shù)字值，該行j的累積寄存器累積對(duì)應(yīng)于N個(gè)相繼線(xiàn)的同一行j的像素的數(shù)字值(專(zhuān)利FR290680)。在專(zhuān)利FR290681中，提出將在先線(xiàn)的像素的輸出電壓施加至線(xiàn)的像素構(gòu)成的光.電二極管，以在隔離光電二極管并對(duì)歸因于光的新電荷進(jìn)行積分之前將在先像素的電荷復(fù)制到光電二極管中，使得在積分時(shí)間的盡頭，光電二極管包括對(duì)應(yīng)于在先線(xiàn)的電荷與新的積分電荷的和。然而，此操作引起了惡化信噪比的轉(zhuǎn)移噪聲。例如在專(zhuān)利公開(kāi)US2008/0217661中，已經(jīng)提出了使用像素內(nèi)部的電荷的累積的解決方案。它們使用比使用COMS技術(shù)來(lái)生產(chǎn)圖像傳感器所嚴(yán)格需要的技術(shù)更復(fù)雜的技術(shù)，否則它們?cè)陔姾赊D(zhuǎn)移期間有損耗。最后，在本申請(qǐng)人較早的未公開(kāi)申請(qǐng)中，已經(jīng)提出了用交替的寬柵極和狹窄光電二極管組成像素，該狹窄光電二極管通過(guò)處于基底的電勢(shì)的區(qū)域P++與該柵極分離，并在除與光電二極管相鄰的非常狹窄的柵極指下方之外形成防止電荷轉(zhuǎn)移的勢(shì)壘。通過(guò)與柵極指接觸的P++區(qū)域的影響，柵極指的狹窄僅在柵極處于低電勢(shì)的時(shí)候產(chǎn)生勢(shì)壘。當(dāng)柵極處于高電勢(shì)時(shí)，該勢(shì)壘充分降低。從而確保了轉(zhuǎn)移的方向性，但代價(jià)是更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且代價(jià)是電荷轉(zhuǎn)移的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
使用比通常的CXD技術(shù)簡(jiǎn)單的技術(shù)生產(chǎn)時(shí)延積分線(xiàn)性傳感器的嘗試因此并沒(méi)有讓人完全滿(mǎn)意，本發(fā)明的一個(gè)目的就是提出對(duì)這些問(wèn)題的另一解決方案。因此本發(fā)明的目的是提出一種更有利的技術(shù)方案，來(lái)生產(chǎn)根據(jù)電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)原理操作的傳感器，但是使用與CMOS技術(shù)電路相兼容的技術(shù)，并且特別是在多晶硅中僅使用一個(gè)柵極層(gate level)的技術(shù)，而不是如常規(guī)CCD技術(shù)中的使用兩層相互交疊的柵極的情況。根據(jù)本發(fā)明，提出了一種以時(shí)延和電荷積分進(jìn)行操作的電荷轉(zhuǎn)移圖像傳感器，所述傳感器包括N個(gè)相鄰的像素線(xiàn)，每個(gè)像素線(xiàn)有P個(gè)像素，用于通過(guò)由數(shù)個(gè)像素線(xiàn)相繼觀察同一圖像線(xiàn)并累積由各個(gè)線(xiàn)中的給定排列的像素中的圖像點(diǎn)所生成的電荷，所述像素形成在第一類(lèi)型導(dǎo)電性的半導(dǎo)電層中，所述半導(dǎo)電層由對(duì)光透明的絕緣柵極覆蓋；以及被設(shè)置用于向所述柵極施加交替的高和低電勢(shì)，以容許存儲(chǔ)電荷并且然后從一個(gè)柵極向下一個(gè)柵極定向轉(zhuǎn)移所述電荷的構(gòu)件，其特征在于像素包括所述半導(dǎo)電層以上的一連串?dāng)?shù)個(gè)絕緣柵極，一個(gè)像素的所述柵極通過(guò)位于第二類(lèi)型導(dǎo)電性的摻雜區(qū)域以上的狹窄未覆蓋的間隙彼此分離并且與另一線(xiàn)的相鄰像素的所述柵極分離，所述第二類(lèi)型導(dǎo)電性的摻雜區(qū)域由所述第一類(lèi)型的摻雜表面區(qū)域覆蓋，所述表面區(qū)域保持在同一參考電勢(shì)，相鄰柵極之間的所述狹窄間隙的寬度使得當(dāng)與所述間隙相鄰的柵極接收交替的高和低電勢(shì)時(shí)，所述第二類(lèi)型的所述摻雜區(qū)域的內(nèi)部電勢(shì)在所述狹窄間隙的整個(gè)寬度中被更改。其結(jié)果特別在于當(dāng)在狹窄間隙的任一邊的兩個(gè)柵極都處于比參考電勢(shì)高或低的同一電勢(shì)時(shí)，在狹窄間隙中的第二類(lèi)型的區(qū)域的內(nèi)部電勢(shì)受柵極的電勢(shì)的影響，并且不管達(dá)到參考電勢(shì)的表面區(qū)域的存在，往往跟隨該電勢(shì)而分別向上或向下。該參考電勢(shì)優(yōu)選地是第一類(lèi)型的半導(dǎo)電層的公共電勢(shì)。第一導(dǎo)電性類(lèi)型的表面區(qū)域優(yōu)選地均與毗連該半導(dǎo)電層的相同類(lèi)型的深擴(kuò)散部相鄰。從而，能夠以此方式，將位于柵極之間的狹窄間隙中的第一類(lèi)型的表面區(qū)域均直接設(shè)定為該半導(dǎo)電層的參考電勢(shì)。因?yàn)闁艠O之間的狹窄間隙未由第二柵極層覆蓋，所以該新結(jié)構(gòu)僅使用一個(gè)柵極層；因此它能夠使用非常簡(jiǎn)單并且與COMS技術(shù)兼容的技術(shù)來(lái)生產(chǎn)。它容許以大的自由度來(lái)選擇用于位于柵極之間的半導(dǎo)電區(qū)域的摻雜水平。因?yàn)檫@些摻雜確定了在向柵極施加電壓期間在半導(dǎo)電層中產(chǎn)生的勢(shì)壘和勢(shì)阱的電平，所以通過(guò)選擇摻雜，本發(fā)明使得優(yōu)化電荷的定向轉(zhuǎn)移而無(wú)損耗成為可能。這點(diǎn)我們之后還會(huì)講到。
所述像素優(yōu)選地包括通過(guò)狹窄間隙分離的四個(gè)相鄰的柵極，并且通過(guò)四個(gè)相位來(lái)控制，即，各像素中的同一行的所有的所述柵極接收取自所述四個(gè)相位的同一相位。這些相位彼此相繼以漸進(jìn)地在期望的轉(zhuǎn)移方向上推動(dòng)電荷。本發(fā)明還適用于具有通過(guò)狹窄間隙分離的三個(gè)相鄰的柵極并由三個(gè)相繼相位控制的像素。


在閱讀參考附圖作出的以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)勢(shì)將呈現(xiàn)，在附圖中圖I表示根據(jù)本發(fā)明的多線(xiàn)性光敏傳感器的結(jié)構(gòu)在垂直于線(xiàn)的方向的截面視圖；圖2表示在柵極以寬間隙分隔開(kāi)的情況下在積分和轉(zhuǎn)移的各階段中在具有勢(shì)阱和勢(shì)壘的半導(dǎo)體中產(chǎn)生的電勢(shì)的圖；圖3表示在表示列的方向上的半像素上的電荷的轉(zhuǎn)移的四級(jí)轉(zhuǎn)移期間，在根據(jù)本發(fā)明的傳感器的情況下，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的電勢(shì)的圖；圖4表示從第二步到第三步的轉(zhuǎn)變的細(xì)節(jié)。
具體實(shí)施例方式圖I的截面視圖表示了像素Pi，像素Pi在相同像素列中在一側(cè)與位于上游的像素Pm相鄰，而在另一側(cè)與位于下游的像素Pi+1相鄰。這些像素形成圖像傳感器條的部分，該圖像傳感器條包括N個(gè)相鄰的像素線(xiàn)，每條像素線(xiàn)有P個(gè)像素，該條設(shè)計(jì)為以TDI模式操作。在圖像在垂直于線(xiàn)的方向的方向上相對(duì)于條同步移動(dòng)期間，每一行i(i = I到N)線(xiàn)相繼讀取同一圖像線(xiàn)；在各線(xiàn)中由同一行j (j = O到P)的像素收集的電荷對(duì)應(yīng)于同一圖像點(diǎn)的觀察結(jié)果并且被累積以獲得比在單一線(xiàn)看到圖像時(shí)大的信號(hào)(對(duì)于給定的每個(gè)像素線(xiàn)的曝光時(shí)間)；通過(guò)對(duì)同一圖像點(diǎn)的多次讀取，改善了信噪比。與所示列的相鄰的列通過(guò)防止電荷從一列的像素移動(dòng)到另一列的像素的絕緣區(qū)域彼此分離，由于視圖是在列方向的截面中的事實(shí)，所以與所示列相鄰的列不可見(jiàn)。這些絕緣區(qū)域可以是重?fù)诫s半導(dǎo)電(semiconducting)區(qū)域,該重?fù)诫s半導(dǎo)電區(qū)域達(dá)到在這些像素之間產(chǎn)生自然勢(shì)壘的參考電勢(shì)。這些像素形成在半導(dǎo)電基底10中，半導(dǎo)電基底10的上部是輕摻雜外延半導(dǎo)電層12。在此范例中，基底是重?fù)诫sp++型，并且外延層是P型(第一導(dǎo)電性類(lèi)型)。如果外延層是η型，則需要顛倒現(xiàn)在將限定的所有導(dǎo)電類(lèi)型，以及施加到光電二極管和柵極的電勢(shì)的符號(hào)?；?0原則上與外延層12的導(dǎo)電性類(lèi)型相同，但是同樣能夠是相反類(lèi)型。在列方向上，像素Pi包括一系列的數(shù)個(gè)柵極，在此范例中是4個(gè)相鄰的柵極Gli到Gl，它們與外延層絕緣，并且通過(guò)未由柵極覆蓋的狹窄間隙彼此分離。間隙優(yōu)選地均具有相同寬度。行i的像素的最后一個(gè)柵極Gl通過(guò)狹窄間隙與下一個(gè)像素Pi+1的第一柵極Gli+1分離，該狹窄間隙優(yōu)選地與其它狹窄間隙相同。
當(dāng)柵極是由單層沉積層制造時(shí)，狹窄間隙的寬度在用于在工業(yè)生產(chǎn)中限定柵極的技術(shù)所容許的極限或者幾乎在該極限。沉積來(lái)形成柵極的層優(yōu)選地由多晶硅制造。該層位于優(yōu)選由氧化硅制造的薄絕緣層上。對(duì)于所謂的O. 18微米技術(shù)，狹窄間隔的寬度的幅度的典型量級(jí)是O. 25微米，O. 18微米技術(shù)容許限定O. 18微米寬的線(xiàn)的極限。在狹窄間隙中，形成η型(第二類(lèi)型導(dǎo)電性，第一類(lèi)型是外延層12的導(dǎo)電性)區(qū)域14。在每個(gè)這樣形成在兩個(gè)相鄰柵極之間的η型區(qū)域14的頂部，形成第一類(lèi)型導(dǎo)電性的沒(méi)有區(qū)域14深的相應(yīng)(ρ+，比外延層摻雜重)的表面區(qū)域16。因此，像素的絕緣柵極通過(guò)由ρ型表面擴(kuò)散區(qū)域16覆蓋的η型狹窄區(qū)域14彼此分離。η型區(qū)域14是浮置的，也就是說(shuō)，它們未連接至對(duì)其施加強(qiáng)制電勢(shì)的電導(dǎo)體。ρ型區(qū)域16均達(dá)到同一參考電勢(shì)，并且該電勢(shì)優(yōu)選是基底10的電勢(shì)，當(dāng)外延層12與基底的類(lèi)型相同時(shí)，該電勢(shì)也通常是外延層12的電勢(shì)。將要考慮的是這個(gè)電勢(shì)是零參考電勢(shì)。為了使區(qū)域P達(dá)到零電勢(shì)，實(shí)際上，規(guī)定這些區(qū)域16與ρ型的重?fù)诫s擴(kuò)散部相鄰，而該重?fù)诫s擴(kuò)散部毗連外延層并調(diào)整為其零電勢(shì)。在圖I中不可見(jiàn)的這些擴(kuò)散部可以是用來(lái)使像素列彼此絕緣的擴(kuò)散部。區(qū)域14中的電勢(shì)的深度分布，首先取決于區(qū)域14的摻雜和深度以及外延層的摻雜。此外，如果電荷存儲(chǔ)在這些區(qū)域中，則電勢(shì)取決于存儲(chǔ)的電荷量。如果區(qū)域14是寬的，也就是說(shuō)，如果它們的中心部分不維持施加至相鄰柵極的電勢(shì)的影響，則區(qū)域14中的電勢(shì)分布作為深度的函數(shù)將自然地對(duì)于某個(gè)深度(在區(qū)域η和外延層P之間的結(jié)附近)出現(xiàn)最小值。此最小值具有將稱(chēng)之為內(nèi)建電勢(shì)Vbi的值；此值Vbi取決于摻雜區(qū)域摻雜的值并取決于深度。典型地，作為范例，對(duì)于常規(guī)地用于光電二極管的摻雜，包括覆蓋有保持在零參考電勢(shì)的表面區(qū)域P的區(qū)域η的光電二極管的內(nèi)建電勢(shì)可以是大約I. 5伏特。將覆蓋有表面擴(kuò)散部ρ 16的區(qū)域η 14構(gòu)建為光電二極管，并且這就是為什么這里對(duì)光電二極管參考內(nèi)建電勢(shì)是可能的。然而，在根據(jù)本發(fā)明的傳感器中，柵極之間的間隙如此的狹窄，使得區(qū)域η的電勢(shì)極大地受相鄰柵極的存在的影響；因此這與常規(guī)光電二極管的操作不同，在常規(guī)光電二極管中，因?yàn)楸砻鎱^(qū)域保持在參考電位，所以假定沒(méi)有電荷的區(qū)域η中的電勢(shì)將保持固定；在根據(jù)本發(fā)明的傳感器中，因?yàn)殚g隙狹窄，所以相鄰柵極的影響在間隙的整個(gè)寬度下延伸。穿過(guò)柵極執(zhí)行光子對(duì)像素的照明。柵極對(duì)可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍中的光是透明的(對(duì)藍(lán)色稍微不透明但對(duì)紅色非常透明)。因此像素是光m0S(ph0t0m0S)類(lèi)型。在更小的程度上(因?yàn)闁艠O之間的間隔比柵極狹窄得多)，也存在對(duì)區(qū)域η 14的直接照明，盡管該照明對(duì)總的電荷產(chǎn)量貢獻(xiàn)不大。區(qū)域η 14因此有點(diǎn)像釘扎光電二極管那樣運(yùn)作(“釘扎”是指這些區(qū)域的表面電勢(shì)是固定的)。PHliJffirProiJMi是行i的像素的相鄰柵極之間的狹窄間隙；在圖I中，應(yīng)當(dāng)理解ΡΗ4η是像素Pp1的最后一個(gè)柵極和像素？1的第一個(gè)柵極之間的間隙。對(duì)在柵極下方和在柵極之間的外延層12的照明生成電荷，并且在積分時(shí)段期間，這些電荷在形成在柵極下方的勢(shì)阱中累積。在下文中，將以此方式收集的電荷視為電子。為了在柵極下方產(chǎn)生勢(shì)阱，將對(duì)這些柵極施加相對(duì)于外延層電勢(shì)而言的正電勢(shì)；為了在柵極下方產(chǎn)生勢(shì)壘，將對(duì)柵極施加相對(duì)于外延層參考電勢(shì)而言的零電勢(shì)。為了更好地理解根據(jù)本發(fā)明的傳感器如何操作，將會(huì)首先示出，如果區(qū)域14的寬度更大，也就是說(shuō)使得柵極電勢(shì)在區(qū)域14的整個(gè)寬度上不影響區(qū)域14的電勢(shì)，則在各積分和轉(zhuǎn)移階段期間在半導(dǎo)電層12中的電勢(shì)圖會(huì)是什么。圖2示出了此 狀況，并且假設(shè)像素是具有以分別施加于所有線(xiàn)的柵極Gl、G2、G3、G4的四個(gè)控制相位(ρ!^θ)Φ1、Φ2、Φ3、Φ4操作的四個(gè)柵極的像素。這些相位使得柵極交替地處于O電勢(shì)和Vdd電勢(shì)，其在柵極下方建立交替地為\和Vh的電勢(shì)(在柵極下方?jīng)]有累積的電荷的情況下)。當(dāng)累積的電荷是電子時(shí)，根據(jù)通常的表示方式，朝向圖的底部，電勢(shì)增大。假設(shè)已經(jīng)選擇摻雜η和ρ，使得區(qū)域14的內(nèi)建電勢(shì)Vbi大約位于\和Vh之間的間隙的中間。在第一步期間(圖中的線(xiàn)A ; Φ I和Φ 4處于0，Φ 2和Φ 3處于Vdd)，使柵極Gl和G4達(dá)到低電勢(shì)，并且使柵極G2和G3達(dá)到高電勢(shì)。在柵極G2和G3下方產(chǎn)生勢(shì)阱。在柵極Gl和G4下方產(chǎn)生勢(shì)壘。此外，勢(shì)壘處于分離G2和G3的區(qū)域ΡΗ2中，并且在位于柵極Gl和在柵極Gl之前的柵極G4之間的區(qū)域14中產(chǎn)生(冗余的)勢(shì)講。在柵極G2和G3下方以及在區(qū)域PHI、ΡΗ2和ΡΗ3下方光生的電荷在柵極G2和G3下方的阱中累積。在柵極Gl和G4下方生成的電荷在上游(向左)和下游(向右)共享，并且被增加到討論中的像素的柵極G2和G3下方直接生成的電荷或者上游和下游像素的電荷。但是明顯的是，電荷已俘獲在位于柵極Gl的上游的區(qū)域ΡΗ4下方存在的勢(shì)阱中，以及俘獲在位于柵極G4的下游的區(qū)域ΡΗ4下方存在的勢(shì)阱中。由于處于零電勢(shì)的表面區(qū)域16強(qiáng)加了比區(qū)域ΡΗ4中的\高的等于Vbi的電勢(shì)，所以事實(shí)上產(chǎn)生了這些阱。在第二步中(圖中的線(xiàn)B ;Φ1處于0，Φ2和Φ3處于Vdd，只有第四相位Φ4改變狀態(tài)為Vdd)。因此，只有柵極G4改變至高電平。勢(shì)阱現(xiàn)在存在于G2、G3、G4下方，并且勢(shì)壘處于區(qū)域PH2和PH3中。在柵極G2和G3下方以及區(qū)域PHl到PH4下方的光生的電荷在柵極G2、G3和G4下方累積。在像素P的區(qū)域PH4下方俘獲的電荷向位于上游的柵極G4溢出。在第三步中(圖中的線(xiàn)C ;Φ1處于0，只有第二相位Φ2變?yōu)?，Φ3、Φ4處于Vdd);柵極G2改變回低電平。其將其正存儲(chǔ)的電荷推開(kāi)至處于低電平的柵極G3下方的勢(shì)阱。但是這些電荷的部分俘獲于隨后在柵極Gl和G2之間的區(qū)域PHl中產(chǎn)生的深度為Vbi的勢(shì)阱中。在第四步中(圖中的線(xiàn)D ;Φ1變?yōu)閂dd，Φ2處于0，Φ3、Φ4處于Vdd)，只有柵極Gl改變?yōu)楦唠娖?。在此轉(zhuǎn)變中，俘獲在區(qū)域PHl中的電荷在上游方向溢出，然而期望的是先前存儲(chǔ)在柵極G2和G3下方的所有電荷在下游方向的定向轉(zhuǎn)移。因此，在步驟A和C中俘獲小部分(fraction)存儲(chǔ)的電荷，并且在步驟B和D中將該小部分存儲(chǔ)的電荷發(fā)送回上游。在未示出的第五步中，柵極G3回到低電平。因?yàn)槔鄯e的電荷現(xiàn)在位于柵極G4的下方和下游下一個(gè)像素的柵極Gl的下方，所以累積的電荷相對(duì)于線(xiàn)A的配置前進(jìn)了半個(gè)像素。通過(guò)現(xiàn)在使G3和G4(即Φ3和Φ4)扮演先前由Gl和62(Φ1和Φ2)扮演的角色并且因而使Gl和G2扮演先前由G3和G4扮演的角色，從步驟一到四推導(dǎo)出未示出的步驟五到八-相位Φ3減小至O，
-然后，相位Φ2升高至Vdd，-然后，相位Φ4減小至0，-并且最后，相位ΦI根據(jù)線(xiàn)A的配置減至O。于是進(jìn)行了完整的循環(huán)，并且電荷前進(jìn)了一個(gè)完整的像素并處在下一像素的柵極G2和G3下方。對(duì)于TDI類(lèi)型的操作， 該前進(jìn)與傳感器前方的圖像的移動(dòng)同步發(fā)生的，使得存儲(chǔ)在下游像素Pi+1的柵極下方的電荷是由對(duì)該像素的照明所累積的電荷以及由當(dāng)先前行的像素察看到相同圖像點(diǎn)的時(shí)刻該先前行的像素所累積的電荷的總和。因此，能夠看到在電荷前進(jìn)的每個(gè)循環(huán)中，由于處于分離同時(shí)處于低電勢(shì)的兩個(gè)柵極的區(qū)域PH下方的深度為Vbi的勢(shì)阱，電荷被發(fā)送回。圖3現(xiàn)在表示在根據(jù)本發(fā)明的傳感器的情況下所發(fā)生的事情。將只描述如圖2中的對(duì)應(yīng)于前進(jìn)半個(gè)像素的首先四個(gè)步驟，這些步驟后面跟隨另外四個(gè)相同的步驟，使得電荷前進(jìn)一個(gè)完整的像素。將會(huì)看到勢(shì)阱仍然處于分離同時(shí)達(dá)到(bring to)低電勢(shì)的兩個(gè)柵極的區(qū)域PH下方。但是，一方面，它非常狹窄并且非常淺，并且另一方面，將示出的是，因?yàn)閷?shí)際上該勢(shì)阱保持電荷為空并且從而在第二步或第四步時(shí)它不向上游發(fā)送電荷，所以出乎意料地該勢(shì)阱不是問(wèn)題。由于處于O伏或Vdd的柵極電勢(shì)的強(qiáng)烈影響，如果Vbi是光電二極管區(qū)域PHl到PH4的直接由所使用的摻雜水平導(dǎo)致的內(nèi)建電勢(shì)，則存在于這些區(qū)域中的真實(shí)電勢(shì)在這些區(qū)域的整個(gè)寬度上極大地不同于電平Vbi。因此，圖3將不示出圖2中的區(qū)域PH的固定電勢(shì)的電平。從而，如果與同一區(qū)域14相鄰的兩個(gè)柵極處于O伏，則區(qū)域14的電勢(shì)變?yōu)轱@著低于VbiWVbiP如果兩個(gè)柵極處于Vdd，則區(qū)域14的電勢(shì)變?yōu)轱@著高于Vbi的VbiH。如果一個(gè)柵極處于Vdd，而另一個(gè)柵極處于0，則區(qū)域14中的電勢(shì)從存在于第一柵極下方的電勢(shì)Vh到存在于另一柵極下方的電勢(shì)\連續(xù)變化而沒(méi)有穩(wěn)態(tài)。由于這些區(qū)域狹窄，在分離柵極的區(qū)域14的整個(gè)寬度上都能感知柵極的電勢(shì)對(duì)區(qū)域14的影響?，F(xiàn)在，這里給出了一種配置，在該配置中在某種程度上，區(qū)域14中有兩個(gè)非常不同的內(nèi)建電勢(shì)Vba和Vmh，該內(nèi)建電勢(shì)取決于與區(qū)域14相鄰的兩個(gè)柵極是都處于低電勢(shì)還是都處于高電勢(shì)。由此，在處于低電勢(shì)的兩個(gè)柵極之間產(chǎn)生淺勢(shì)阱；類(lèi)似地，在處于高電勢(shì)的兩個(gè)柵極之間產(chǎn)生低勢(shì)壘。施加于這些柵極的相位與圖2中的完全相同，并且用于從上游到下游轉(zhuǎn)移半個(gè)像素的彼此相繼的四個(gè)步驟的順序是-圖中的線(xiàn)Α;Φ1、Φ4 為 0，Φ2、Φ3 為 Vdd，-圖中的線(xiàn)B;Φ4變?yōu)閂dd,-圖中的線(xiàn)C;Φ2變?yōu)?，-圖中的線(xiàn)D;Φ I變?yōu)閂dd。然后為了在接下來(lái)的四個(gè)階段完成另一半個(gè)像素的轉(zhuǎn)移，使Gl和G2扮演先前由G3和G4扮演的角色,反之亦然。由于深度為Vba的勢(shì)阱狹窄且淺，所以在步驟A和C中在區(qū)域14中俘獲的電荷是少量的。但是此外，如果我們仔細(xì)觀察從步驟B到步驟C(以及從步驟D到隨后的步驟A)的轉(zhuǎn)變期間發(fā)生了什么，能夠看到實(shí)際上在這些淺勢(shì)阱中沒(méi)有俘獲電荷，并且從而在接下來(lái)的步驟中沒(méi)有電荷發(fā)送回上游。具體地，由于柵極對(duì)區(qū)域14中的電勢(shì)的強(qiáng)烈影響，發(fā)生以下事件，例如在從步驟B到步驟C的轉(zhuǎn)變的情況下當(dāng)G2的電勢(shì)下降以將存在于柵極G2下方的電荷驅(qū)逐至柵極G3時(shí)，區(qū)域PHl的由于已經(jīng)處于低電勢(shì)的柵極Gl的存在而向下移動(dòng)的電勢(shì)通過(guò)柵極的影響同時(shí)下降。其結(jié)果是，在區(qū)域PHl中適當(dāng)?shù)匦纬蓜?shì)阱之前，步驟C中由柵極G2向柵極G3驅(qū)趕的電荷有時(shí)間完全向柵極G3溢出。因?yàn)檫@些電荷已經(jīng)有時(shí)間向柵極G3下方溢出，所以當(dāng)該阱在柵極G2的電勢(shì)的下降的末端真正形成的時(shí)候，它不再收集先前在柵極G2下方累積的電荷的任何小部分。為了更容易理解從步驟B和C之間的轉(zhuǎn)變的此過(guò)程，圖4在四個(gè)相繼的圖像中示出了在步驟B和C之間的轉(zhuǎn)變期間，即柵極G2的電勢(shì)從Vdd下降到O期間，電勢(shì)的分布的細(xì)分(breakdown)。線(xiàn)B是起始步驟，與圖3的線(xiàn)B相同。在線(xiàn)BCl中，柵極G2下方的電勢(shì)開(kāi)始下降，并且存儲(chǔ)在該柵極下方的電荷開(kāi)始越過(guò)區(qū)域PH2的低勢(shì)壘向柵極G3下方溢出。在線(xiàn)BC2中，電勢(shì)繼續(xù)下降；電荷結(jié)束向G3下方溢出。在線(xiàn)BC3中，電勢(shì)幾乎達(dá)到它的低電平\，并且開(kāi)始在區(qū)域PHl下方形成勢(shì)阱，但是在柵極G2下方不再有任何電荷，并且因此區(qū)域PHl中沒(méi)有俘獲電荷。因此，當(dāng)在給定時(shí)刻，柵極G2下方的電勢(shì)低于位于柵極G2的下游的區(qū)域PH2下方所產(chǎn)生的電勢(shì)，同時(shí)柵極G2下方的電勢(shì)保持高于位于上游的區(qū)域PHl下方的電勢(shì)時(shí)，電荷能夠完全向柵極G3溢出。這在圖2中所示的結(jié)構(gòu)中(柵極之間的寬間隙)是不可能的，因?yàn)橛捎趨^(qū)域PH2中的電勢(shì)與區(qū)域PHl中的電勢(shì)是相同的，柵極G2下方的電勢(shì)不可能同時(shí)低于區(qū)域PH2中的電勢(shì)且高于區(qū)域PHl中的電勢(shì)。對(duì)從步驟B到步驟C的轉(zhuǎn)變期間，柵極G2下方以及區(qū)域PHl (上游)和區(qū)域PH2(下游)中的電勢(shì)的模擬示出了，其是一旦柵極G2充分影響柵極之間的以將柵極彼此分開(kāi)的間隙中的電勢(shì)，就對(duì)柵極G2的電勢(shì)下降的轉(zhuǎn)變階段進(jìn)行觀察時(shí)，遍及柵極，電勢(shì)Vba和電勢(shì)Vmh，之間的整個(gè)間隙發(fā)生的事情。區(qū)域14的摻雜將選擇為既不太低(能夠在下游側(cè)保持勢(shì)壘)，也不太高的(在上游將會(huì)太快產(chǎn)生勢(shì)阱)。已經(jīng)描述的裝置包括用于每個(gè)像素的四個(gè)柵極；每個(gè)柵極由四個(gè)相位中的一個(gè)相應(yīng)相位控制；電荷存儲(chǔ)在兩個(gè)相鄰的柵極下方，并且需要八個(gè)步驟來(lái)將電荷從一個(gè)像素轉(zhuǎn)移到下一個(gè)像素。本發(fā)明也能夠用于具有由三個(gè)相位控制的三個(gè)相鄰的柵極的像素；電荷存儲(chǔ)在一個(gè)柵極下方，并且需要六個(gè)步驟將電荷從一個(gè)像素轉(zhuǎn)移到下一個(gè)像素。相繼的步驟是-Φ2處于Vdd，Φ1和Φ3處于0，在第二柵極下方存儲(chǔ)電荷；-Φ3變?yōu)閂dd，電荷在G2和G3下方散布；
-Φ2變?yōu)?，電荷集中在G3下方；它們已經(jīng)從柵極G2前進(jìn)到柵極G3 ；-Φ I變?yōu)閂dd，電荷在G3和下一像素的柵極Gl之間擴(kuò)散；
-Φ3變?yōu)?，電荷集中在下一像素的柵極Gl下方等等，通過(guò)相位的循環(huán)變更，電荷在兩個(gè)步驟中前進(jìn)一個(gè)柵極，并且在六個(gè)步驟中前進(jìn)一個(gè)完整的像素。最后，當(dāng)沿著像素的列轉(zhuǎn)移電荷后，電荷從最后一個(gè)像素向電荷讀取電路溢出。讀取電路優(yōu)選地包括類(lèi)似于區(qū)域N 14但未覆蓋有表面區(qū)域P+的N型的浮置擴(kuò)散部；讀取晶體管；由達(dá)到(brought to)正參考電勢(shì)的漏極N+構(gòu)成的復(fù)位晶體管；以及將浮置擴(kuò)散部與漏極分離的絕緣轉(zhuǎn)移柵極。浮置擴(kuò)散部電連接到讀取晶體管的柵極。在行線(xiàn)N中的最后的電荷積分步驟之后，包含在像素Pn的第二光電二極管中的電荷通過(guò)最后的柵極溢出到讀取電路的浮置擴(kuò)散部中，最后的柵極可以由電勢(shì)Φ1控制，就好像在像素Pn之后有第N+1個(gè)像素一樣。在對(duì)轉(zhuǎn)移柵極的復(fù)位命令使復(fù)位晶體管導(dǎo)通之后，執(zhí)行溢出。讀取晶體管安裝為電壓跟蹤器以將其柵極的電勢(shì)轉(zhuǎn)移到其源極，其柵極的電勢(shì)表示復(fù)位后溢出到浮置擴(kuò)散部中的電荷量。
權(quán)利要求
1.一種以時(shí)延和電荷積分進(jìn)行操作的電荷轉(zhuǎn)移圖像傳感器，所述傳感器包括N個(gè)相鄰的像素線(xiàn)，每個(gè)像素線(xiàn)有P個(gè)像素，用于通過(guò)由數(shù)個(gè)像素線(xiàn)相繼觀察同一圖像線(xiàn)并累積由各個(gè)線(xiàn)中的給定排列的像素中的圖像點(diǎn)所生成的電荷，所述像素形成在第一類(lèi)型導(dǎo)電性的半導(dǎo)電層中，所述第一類(lèi)型導(dǎo)電性的半導(dǎo)電層由對(duì)光透明的絕緣柵極覆蓋；以及被設(shè)置用于向所述柵極施加交替的電勢(shì)，以容許存儲(chǔ)電荷并且然后從一個(gè)柵極向下一個(gè)柵極定向轉(zhuǎn)移所述電荷的構(gòu)件，其特征在于像素包括所述半導(dǎo)電層以上的一連串?dāng)?shù)個(gè)絕緣柵極，一個(gè)像素的所述柵極通過(guò)位于第二類(lèi)型導(dǎo)電性的摻雜區(qū)域以上的狹窄未覆蓋的間隙彼此分離并且與另一線(xiàn)的相鄰像素的所述柵極分離，所述第二類(lèi)型導(dǎo)電性的摻雜區(qū)域由所述第一類(lèi)型的摻雜表面區(qū)域覆蓋，所述表面區(qū)域保持在同一參考電勢(shì)，相鄰柵極之間的所述狹窄間隙的寬度使得當(dāng)與所述間隙相鄰的柵極接收交替的高和低電勢(shì)時(shí)，所述第二類(lèi)型的所述摻雜區(qū)域的內(nèi)部電勢(shì)在所述狹窄間隙的整個(gè)寬度中被更改。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的圖像傳感器，其特征在于所述參考電勢(shì)是所述第一類(lèi)型的所述半導(dǎo)電層的公共電勢(shì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其特征在于所述第一類(lèi)型導(dǎo)電性的所述表面區(qū)域均與毗連所述半導(dǎo)電層的相同類(lèi)型的深擴(kuò)散部相鄰。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的一項(xiàng)所述的圖像傳感器，其特征在于所述像素包括通過(guò)狹窄間隙分離的四個(gè)相鄰的柵極，并且其特征在于通過(guò)四個(gè)相位來(lái)控制所述像素，即，各像素中的同一行的所有的所述柵極接收取自所述四個(gè)相位的同一相位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的一項(xiàng)所述的圖像傳感器，其特征在于所述像素包括通過(guò)狹窄間隙分離的三個(gè)相鄰的柵極，并且其特征在于通過(guò)三個(gè)相位來(lái)控制所述像素，即，各像素中的同一行的所有的所述柵極接收取自所述三個(gè)相位的同一相位。
全文摘要
本發(fā)明涉及時(shí)延和信號(hào)積分線(xiàn)性圖像傳感器(或TDI傳感器)。根據(jù)本發(fā)明，像素包括覆蓋半導(dǎo)電層(12)的一連串?dāng)?shù)個(gè)絕緣柵極G1i、G2i、G3i、G4i，一個(gè)像素的柵極通過(guò)柵極的狹窄的未覆蓋的間隙彼此分離并與另一線(xiàn)的相鄰像素的柵極分離，并且該所述一個(gè)像素的柵極包括由第一類(lèi)型(p)的摻雜表面區(qū)域(16)覆蓋的第二類(lèi)型導(dǎo)電性的摻雜區(qū)域(14，n型)；表面區(qū)域保持在同一參考電勢(shì)；相鄰柵極之間的狹窄間隙的寬度使得當(dāng)柵極維持將電荷從一個(gè)像素轉(zhuǎn)移到下一個(gè)像素所必需的交替的電勢(shì)時(shí)，第二類(lèi)型的區(qū)域的內(nèi)部電勢(shì)在狹窄間隙的整個(gè)寬度上被更改。
文檔編號(hào)H01L27/148GK102623479SQ20121005689
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者F·邁耶爾 申請(qǐng)人:E2V半導(dǎo)體公司