專利名稱：減少不希望有的暗電流的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及圖像傳感器，具體涉及充分消除不希望有的暗電流的圖像傳感器。
背景技術(shù)：
本領(lǐng)域周知，暗電流會(huì)給圖像傳感器(尤其是CMOS圖像傳感器)的性能帶來嚴(yán)重的限制。典型的圖像傳感器包含具有光敏感區(qū)即電荷數(shù)據(jù)區(qū)的襯底及轉(zhuǎn)移柵，該轉(zhuǎn)移柵將電荷從該光敏感區(qū)轉(zhuǎn)移到電荷-電壓變換機(jī)構(gòu)(例如CMOS圖像傳感器中的浮置擴(kuò)散區(qū)，電荷耦合器件圖像傳感器中的一種轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu))或復(fù)位機(jī)構(gòu)。介質(zhì)體位于柵區(qū)和襯底之間，后兩者之間的區(qū)域業(yè)內(nèi)通常稱為半導(dǎo)體/介質(zhì)體界面。在圖像捕獲的一些階段，例如在積分(integration)階段，那些不與捕獲圖像的電子表示的感光過程(即光生電(photo-generation)過程)相關(guān)聯(lián)的電子積聚在傳感器的某些部分，例如相鄰的柵區(qū)，并本征地遷移到感光區(qū)。這些電子(其中的一部分稱為暗電流)是不希望有的，因?yàn)樗鼈儠?huì)降低所捕獲圖像的質(zhì)量。
眾所周知，釘扎光電二極管實(shí)質(zhì)上包括所有上述的器件，除了下文所述的以外。在這方面，釘扎光電二極管包含跨越感光區(qū)的釘扎層。據(jù)知，釘扎光電二極管可降低感光區(qū)的暗電流。但是，來自相鄰柵區(qū)的暗電流仍然存在。
因此，需要消除與相鄰柵區(qū)和類似結(jié)構(gòu)相關(guān)的暗電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服上述一個(gè)或多個(gè)上述問題。簡(jiǎn)言之，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明涉及降低圖像傳感器像素中暗電流的方法，該方法包括如下步驟設(shè)置用于接收被轉(zhuǎn)換成電荷的入射光的感光區(qū)；設(shè)置用于將電荷轉(zhuǎn)移出感光區(qū)的柵區(qū)；其中柵區(qū)保持于在感光區(qū)積分期間會(huì)在半導(dǎo)體-介質(zhì)體界面上積聚多數(shù)載流子的電壓上。
提出了克服上述一個(gè)或多個(gè)問題的可選方法，其中在鄰近的柵區(qū)下建立電勢(shì)曲線以使與柵區(qū)有關(guān)的暗電流從光生電擴(kuò)散區(qū)(photogeneration diffision)排出。
本發(fā)明的這些和其它方面、目標(biāo)、特征及優(yōu)點(diǎn)將從優(yōu)選實(shí)施例和所附權(quán)利要求的下面詳細(xì)描述中并且通過參照附圖來獲得更清晰的理解。
本發(fā)明的效果本發(fā)明具有充分消除鄰近柵區(qū)及類似區(qū)域的暗電流的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是典型技術(shù)的圖像傳感器像素的俯視圖；圖2是圖1的橫截面的側(cè)視圖；圖3是具有釘扎光電二極管(pinned-photodiode)的圖1的圖像傳感器像素的橫截面?zhèn)纫晥D；圖4是表示離開光生電擴(kuò)散區(qū)的電荷轉(zhuǎn)移溝道的圖像傳感器像素的橫截面?zhèn)纫晥D；圖5A是現(xiàn)有技術(shù)的在信號(hào)積分期間光生電區(qū)域中的沿電荷轉(zhuǎn)移溝道的電勢(shì)曲線；圖5B是本發(fā)明的從光生電區(qū)域轉(zhuǎn)移電荷期間沿電荷轉(zhuǎn)移溝道的電勢(shì)曲線；圖5C是在信號(hào)積分期間具有負(fù)電壓的光生電區(qū)域中的沿電荷轉(zhuǎn)移溝道的電勢(shì)曲線；圖5D是在本發(fā)明的在信號(hào)積分期間光生電區(qū)域中的沿電荷轉(zhuǎn)移溝道的電勢(shì)曲線；
圖5E是本發(fā)明可選實(shí)施例的在信號(hào)積分期間光生電區(qū)域中的沿電荷轉(zhuǎn)移溝道的電勢(shì)曲線；圖6是包括一些片上、片外電路的圖像傳感器的俯視圖；圖7是用來說明本發(fā)明圖像傳感器的典型商用實(shí)施例的攝像機(jī)。
具體實(shí)施例方式
圖1和圖2是表示本發(fā)明圖像傳感器的像素的俯視圖和側(cè)視圖。雖然僅示出像素70，但是如本領(lǐng)域周知，有多個(gè)這種像素存在于圖像傳感器上，而為了簡(jiǎn)明只示出一個(gè)。圖像傳感器包括襯底30，最好是硅層，其中有感光區(qū)或電荷收集區(qū)20；所述光生電過程發(fā)生在所述電荷收集區(qū)20。如本領(lǐng)域周知，在圖像積分期間，感光區(qū)20接收入射光并隨后將入射光轉(zhuǎn)換成電荷包(charge packets)。感光區(qū)20與像素的其它區(qū)域及其它相關(guān)電路電隔離。具有跨越到其較低部分的介質(zhì)體15的柵區(qū)10提供該隔離的一部分，為了測(cè)量電荷或復(fù)位電荷收集區(qū)20，柵區(qū)10可為被電偏置以隔絕感光區(qū)20或允許感光區(qū)20中收集的電荷流入相鄰的電荷-電壓轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)22(或也可稱為擴(kuò)散或電荷檢測(cè)節(jié)點(diǎn))。柵控電荷轉(zhuǎn)移沿著通過建立最小電勢(shì)波谷而形成的路徑50進(jìn)行。
不希望有的暗電流既在感光區(qū)20中產(chǎn)生又沿著電荷轉(zhuǎn)移溝道50產(chǎn)生。通常，由于界面狀態(tài)造成的高速率生成，高速率的暗電流生成既發(fā)生在鄰近感光區(qū)20的半導(dǎo)體/介質(zhì)體界面42處，又發(fā)生在柵區(qū)10下的半導(dǎo)體/介質(zhì)體界面40處。來自界面40和42的暗電流是流入電荷檢測(cè)節(jié)點(diǎn)22的暗電流的主要來源。注意到，電荷檢測(cè)節(jié)點(diǎn)22可由導(dǎo)致相同行為的復(fù)位節(jié)點(diǎn)代替。為使本發(fā)明的敘述簡(jiǎn)明，將就具有電荷檢測(cè)節(jié)點(diǎn)22的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行討論。
參照?qǐng)D3示出的一像素的側(cè)視圖，在該像素中，與電荷收集區(qū)20中類型相反的重?fù)诫s擴(kuò)散區(qū)32用來將電荷收集區(qū)20與所述界面42屏蔽。在本領(lǐng)域中這一般稱為釘扎光電二極管像素(pinned photodiodepixel)。如前所述，光生電和電荷轉(zhuǎn)移沿著路徑50進(jìn)行。除了其它好處，擴(kuò)散區(qū)32還具有抑制鄰近電荷收集區(qū)20的半導(dǎo)體/介質(zhì)體界面42處的暗電流產(chǎn)生的效果。
在此結(jié)構(gòu)中，暗電流的主要來源是柵區(qū)10下的半導(dǎo)體/介質(zhì)體界面或表面40處。本發(fā)明提供了這樣的手段，通過將柵區(qū)10偏置到某個(gè)電勢(shì)以使界面40處的半導(dǎo)體成為由多數(shù)摻雜類型的自由載流子積聚來抑制暗電流。暗電流生成因?yàn)槿毕萏幱诜瞧胶鈶B(tài)而發(fā)生，通過使發(fā)生最大量缺陷的區(qū)域回到局部平衡，這種積聚可抑制暗電流生成。
圖4是表示圖2所示的本發(fā)明圖像傳感器的橫截面?zhèn)纫晥D。在現(xiàn)有技術(shù)中，界面40被偏置在導(dǎo)致暗電流產(chǎn)生的非平衡狀態(tài)。由光生電產(chǎn)生的電荷(由用于捕捉圖像的入射光產(chǎn)生的希望有的電荷)和由暗電流產(chǎn)生的電荷(因本領(lǐng)域周知的其它方式產(chǎn)生的不希望有的電荷)在電荷收集區(qū)20內(nèi)被收集于電勢(shì)極值處52。該信號(hào)電荷在積分期間由一勢(shì)壘隔離，該勢(shì)壘或者在處于電勢(shì)極值處52和與柵區(qū)相關(guān)聯(lián)的電荷轉(zhuǎn)移溝道56之間的電荷轉(zhuǎn)移勢(shì)過渡區(qū)54產(chǎn)生，或者在與柵區(qū)相關(guān)聯(lián)的電荷轉(zhuǎn)移溝道56處產(chǎn)生。任一處勢(shì)壘的存在都是半導(dǎo)體30中的摻雜和柵區(qū)10上的偏置的結(jié)果。
圖5A表示現(xiàn)有技術(shù)中的與柵區(qū)相關(guān)聯(lián)的溝道中的電勢(shì)即柵區(qū)電勢(shì)56，其中，柵區(qū)10上的電勢(shì)形成隔離收集電勢(shì)52和終點(diǎn)電勢(shì)58的勢(shì)壘，且其中暗電流電荷既流過收集-轉(zhuǎn)移電勢(shì)過渡區(qū)54以在增加到信號(hào)電荷的收集電勢(shì)52中增加暗電流，又沿著電荷轉(zhuǎn)移路徑50流到終點(diǎn)電勢(shì)58。結(jié)果是，一些在柵區(qū)下的界面40中產(chǎn)生的暗電流將對(duì)終點(diǎn)電勢(shì)58處的信號(hào)電荷中的暗電流有貢獻(xiàn)。
圖5B表示本發(fā)明的電勢(shì)曲線，其中，柵區(qū)10上的電勢(shì)移除了將收集電勢(shì)52與終點(diǎn)電勢(shì)58隔離的勢(shì)壘，由此，信號(hào)電荷從電荷收集區(qū)20沿路徑50到終點(diǎn)電勢(shì)58而被讀出或復(fù)位。而在這被執(zhí)行之前且該勢(shì)壘仍然存在時(shí)，終點(diǎn)電勢(shì)58中的電荷通過本領(lǐng)域周知的方式移除，從而保持任何收集到此處的暗電流與信號(hào)電荷分離。
圖5C以本發(fā)明中的方式公開了一個(gè)機(jī)制，其中，柵區(qū)10被用于調(diào)整與柵區(qū)相關(guān)聯(lián)的溝道56中的電勢(shì)，例如通過將負(fù)電壓施加到柵區(qū)10上的電勢(shì)形成將收集電勢(shì)52與終點(diǎn)電勢(shì)58隔離的勢(shì)壘的點(diǎn)上，由此，半導(dǎo)體界面40被保持在平衡狀態(tài)。該平衡狀態(tài)抑制來自該界面40的暗電流，以使它不增加收集體52中收集的信號(hào)暗電流，并且最終不被沿著溝道向終點(diǎn)電勢(shì)58轉(zhuǎn)移。
在本發(fā)明中，除了上述偏置之外，公開了一額外的機(jī)制，該機(jī)制消除了來自柵區(qū)10下的界面和柵區(qū)56下的電荷轉(zhuǎn)移溝道的暗電流貢獻(xiàn)。參照?qǐng)D5D，如果在收集-轉(zhuǎn)移電勢(shì)過渡區(qū)54形成一個(gè)到電荷流的勢(shì)壘，該暗電荷可被指引向終點(diǎn)電勢(shì)58。所述暗電荷將流到終點(diǎn)電勢(shì)58，在該處所述暗電荷可在柵偏置改變以沿著電勢(shì)路徑50向終點(diǎn)電勢(shì)58轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷(例如圖像信號(hào))或以另外的方式被讀出之前被移除。因此，該暗電流被保持與收集于終點(diǎn)電勢(shì)58上的信號(hào)電荷分離。這種勢(shì)壘可以是半導(dǎo)體30中的摻雜和柵區(qū)10上的偏置的結(jié)果。
參照?qǐng)D5E，作為本發(fā)明的附加實(shí)施例，如果電勢(shì)梯度沿著轉(zhuǎn)移溝道電勢(shì)56而形成，可得到信號(hào)積分期間導(dǎo)致柵區(qū)10下的界面上產(chǎn)生的暗電流電荷優(yōu)先地流到終點(diǎn)電勢(shì)58的相同結(jié)果。因此，該暗電流被保持與在終點(diǎn)電勢(shì)58上收集的信號(hào)電荷或圖像信號(hào)分離。這種勢(shì)壘可為半導(dǎo)體30中的摻雜、柵區(qū)10上的偏置及終點(diǎn)電勢(shì)58上的偏置的結(jié)果。
圖6表示圖像傳感器75的俯視圖，該傳感器具有多個(gè)像素70及附加的片上電路或生成源80，該生成源包括啟動(dòng)上述操作(更具體地說是柵區(qū)10的偏置)的電路。作為可選方案，該電路也可由片外或外部電路90來實(shí)現(xiàn)。
圖7表示典型的商用實(shí)施例，圖7顯示了包含本發(fā)明的圖像傳感器75的攝像機(jī)200。
部件列表10柵區(qū)15介質(zhì)體20感光區(qū)或電荷收集區(qū)22電荷-電壓轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)(或稱為擴(kuò)散或電荷檢測(cè)節(jié)點(diǎn))30襯底/半導(dǎo)體32重?fù)诫s擴(kuò)散40半導(dǎo)體/介質(zhì)體界面42半導(dǎo)體/介質(zhì)體界面50路徑或柵控電荷轉(zhuǎn)移溝道52電勢(shì)極值處或收集電勢(shì)54電荷-轉(zhuǎn)移電勢(shì)過渡區(qū)或收集-轉(zhuǎn)移電勢(shì)過渡區(qū)56與柵區(qū)相關(guān)聯(lián)的電荷轉(zhuǎn)移溝道或柵區(qū)溝道電勢(shì)58終點(diǎn)電勢(shì)70像素75圖像傳感器80片上電路或生成源90片下或外部電路200 攝像機(jī)
權(quán)利要求
1.一種降低圖像傳感器像素中暗電流的方法，該方法包括如下步驟(a)設(shè)置用于接收入射光的感光區(qū)，該入射光被轉(zhuǎn)換成電荷；以及(b)設(shè)置用于將電荷轉(zhuǎn)移出感光區(qū)的柵區(qū)，其中所述柵區(qū)被保持在這樣的電壓上，該電壓使得在為感光區(qū)積分期間在與柵區(qū)關(guān)聯(lián)的半導(dǎo)體-介質(zhì)體界面處積聚多數(shù)載流子。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括如下步驟設(shè)置從所述感光區(qū)接收電荷的電荷-電壓轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(b)包括提供用于產(chǎn)生電壓的片上生成源。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(b)包括提供用于產(chǎn)生電壓的外部電壓源。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括如下步驟形成柵區(qū)溝道電勢(shì)，以使生成于鄰接?xùn)艆^(qū)的表面的電荷被引離感光區(qū)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括如下步驟提供一個(gè)負(fù)電壓，作為將在半導(dǎo)體-介質(zhì)體界面處積聚載流子的電壓。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括提供作為半導(dǎo)體的硅和作為介質(zhì)體的二氧化硅的步驟。
8.一種降低圖像傳感器像素中暗電流的方法，該方法包括如下步驟(a)設(shè)置襯底；(b)在所述襯底中形成用于接收入射光的感光區(qū)，該入射光被轉(zhuǎn)換成電荷；以及(c)形成用于從所述感光區(qū)轉(zhuǎn)移出電荷的柵區(qū)，其中步驟(a)包含提供充分鄰近柵區(qū)的襯底，所述襯底具有在感光區(qū)積分期間將暗電流轉(zhuǎn)移出感光區(qū)并進(jìn)入感光區(qū)相反側(cè)的擴(kuò)散區(qū)的雜質(zhì)濃度。
9.一種充分消除暗電流的圖像傳感器像素，該傳感器包括(a)用于接收入射光的感光區(qū)，該入射光被轉(zhuǎn)換成電荷；以及(b)用于將電荷轉(zhuǎn)移出感光區(qū)的柵區(qū)，其中在預(yù)定電壓下，在感光區(qū)的積分期間所述柵區(qū)會(huì)在充分位于與所述柵區(qū)關(guān)聯(lián)的半導(dǎo)體-介質(zhì)體界面處積聚多數(shù)載流子。
10.如權(quán)利要求9所述的圖像傳感器，還包括從所述感光區(qū)接收電荷的電荷-電壓轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)。
11.如權(quán)利要求9所述的圖像傳感器，還包括用于產(chǎn)生電壓的片上生成源，該電壓作為預(yù)定電壓。
12.如權(quán)利要求9所述的圖像傳感器，還包括用于產(chǎn)生電壓的外部電壓源。
13.如權(quán)利要求9所述的圖像傳感器，還包括所述預(yù)定電壓是會(huì)在半導(dǎo)體-介質(zhì)體界面處積聚載流子的負(fù)電壓。
14.如權(quán)利要求9所述的圖像傳感器，其中設(shè)有作為半導(dǎo)體的硅并設(shè)有作為介質(zhì)體的二氧化硅。
15.一種圖像傳感器像素，包括(a)襯底；(b)用于接收入射光的襯底中的感光區(qū)，該入射光被轉(zhuǎn)換成電荷；以及(c)用以將電荷轉(zhuǎn)移出感光區(qū)的柵區(qū)，其中充分接近于柵區(qū)的襯底具有在感光區(qū)積分期間將暗電流轉(zhuǎn)移出感光區(qū)并進(jìn)入感光區(qū)相反側(cè)的擴(kuò)散區(qū)的雜質(zhì)濃度。
16.一種攝像機(jī)，包括充分消除暗電流的圖像傳感器像素，該傳感器包括(a)用于接收入射光的感光區(qū)，該入射光被轉(zhuǎn)換成電荷；以及(b)將電荷轉(zhuǎn)移出感光區(qū)的柵區(qū)，其中在預(yù)定電壓下，在感光區(qū)積分期間所述柵區(qū)會(huì)在充分位于半導(dǎo)體-介質(zhì)體界面處積聚多數(shù)載流子。
17.如權(quán)利要求16所述的攝像機(jī)，還包括從感光區(qū)接收電荷的電荷-電壓轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)。
18.如權(quán)利要求16所述的攝像機(jī)，還包括產(chǎn)生電壓的片上生成源，該電壓作為預(yù)定電壓。
19.如權(quán)利要求16所述的攝像機(jī)，還包括產(chǎn)生電壓的外部電壓源。
20.如權(quán)利要求16所述的攝像機(jī)，還包括所述預(yù)定電壓是會(huì)在半導(dǎo)體-介質(zhì)體界面處積聚載流子的負(fù)電壓。
21.如權(quán)利要求16所述的攝像機(jī)，其中設(shè)有作為半導(dǎo)體的硅和作為介質(zhì)體的二氧化硅。
22.一種圖像傳感器像素，包含(a)襯底；(b)用于接收入射光襯底中的感光區(qū)，該入射光被轉(zhuǎn)換成電荷；以及(c)將電荷轉(zhuǎn)移出感光區(qū)的柵區(qū)，其中充分鄰近柵區(qū)的襯底具有在感光區(qū)積分期間將暗電流轉(zhuǎn)移出感光區(qū)并進(jìn)入感光區(qū)相反側(cè)的擴(kuò)散區(qū)的雜質(zhì)濃度。
全文摘要
用于降低圖像傳感器像素中暗電流的方法，該方法包括如下步驟設(shè)置用于接收入射光的感光區(qū)，該入射光被轉(zhuǎn)換成電荷；設(shè)置將從感光區(qū)轉(zhuǎn)移電荷的柵區(qū)；其中，柵區(qū)被保持于在感光區(qū)的積分期間在半導(dǎo)體－介電體界面處積聚多數(shù)載流子的電壓上。作為可選方案，也可形成在柵區(qū)下將暗電流從光生電擴(kuò)散區(qū)排出的電勢(shì)曲線。
文檔編號(hào)H04N5/361GK101049010SQ200580036673
公開日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2005年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月28日
發(fā)明者R·D·麥格拉思, E·T·納爾遜, R·M·圭達(dá)什, C·V·斯坦坎皮亞諾, J·P·拉文 申請(qǐng)人:伊斯曼柯達(dá)公司