專(zhuān)利名稱(chēng)：固態(tài)成象器件和使用該器件檢測(cè)光信號(hào)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在視頻攝象機(jī)、電子攝象機(jī)、圖象輸入攝象機(jī)、掃描儀和傳真中使用的閾值調(diào)制MOS型固態(tài)成象器件，及使用該器件檢測(cè)光信號(hào)的方法。
因?yàn)槭褂镁艿臉?gòu)圖技術(shù)可以大規(guī)模地生產(chǎn)，所以半導(dǎo)體圖象傳感器已經(jīng)廣泛用于大部分圖象輸入器件中。特別是，電荷耦合器件(以下稱(chēng)為CCD)在例如視頻攝象機(jī)和傳真等各種成象裝置中被使用，這是由于它們具有高的感光性和低噪聲電平。
但是，眾所周知，CCD是有缺陷的，例如(1)它們需要大功耗和高的工作電壓；(2)它們需要較復(fù)雜的制造工藝，并且與CMOS型器件相比成本也高；(3)與CMOS器件不一樣，它們之中不易結(jié)合有復(fù)雜的外圍電路。
基于要解決的CCD的這些問(wèn)題，因?yàn)榻鼇?lái)市場(chǎng)上廣泛需要固態(tài)成象器件，所以MOS型固態(tài)成象器件已經(jīng)引起人們注意。另外，亞微米CMOS技術(shù)的新優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)證明了制造亞微米成象器件的可行性。
但是，應(yīng)該注意，常規(guī)MOS型圖象傳感器在運(yùn)行特性上是不如CCD圖象傳感器的。例如，MOS型圖象傳感器具有隨機(jī)噪聲和固定圖形噪聲的問(wèn)題。這樣，為了使MOS型圖象傳感器可使用，就必須克服這些主要的問(wèn)題。
另一方面，顯微透鏡技術(shù)可以按比例減小感光面積。幾種精密的制造技術(shù)(微型技術(shù))可以構(gòu)成用于每個(gè)象素的包含兩個(gè)或三個(gè)晶體管的集成晶體管放大器，從而增強(qiáng)MOS器件的靈敏度。這樣，使用這種集成電路技術(shù)，現(xiàn)在可以減少由于器件元件的結(jié)構(gòu)非均勻性而在X或Y MOS開(kāi)關(guān)中產(chǎn)生的熱噪聲(kTC噪聲)和固定圖形噪聲。
因此，配備有使用微型技術(shù)制造在光檢測(cè)部分的每個(gè)象素中的晶體管放大器的一類(lèi)有源CMOS圖象傳感器已經(jīng)引起人們很大的注意。
有源CMOS圖象傳感器不需要特殊的技術(shù)。即，它們能夠通過(guò)普通的CMOS技術(shù)容易地集成外圍CMOS電路和單個(gè)芯片上的光敏元件，因此它們可以以低成本制造。另外，它們具有可以在低工作電壓下工作和功耗小的優(yōu)點(diǎn)。
這樣，有源CMOS圖象傳感器在不久的將來(lái)會(huì)預(yù)先使用以在配備有改進(jìn)的信號(hào)處理電路的單片攝象機(jī)中擔(dān)任重要角色。
下面討論現(xiàn)有技術(shù)有源CMOS圖象傳感器的發(fā)展。
(1)日本專(zhuān)利早期公開(kāi)60-140752，60-206063，和6-120473公開(kāi)了電荷調(diào)制器件(CMD)。CMD使用了感光面積轉(zhuǎn)換器，其具有類(lèi)似CCD的特征。MOS晶體管的柵極具有光電柵極(photo-gate electrode)結(jié)構(gòu)，以提高它的填充因子，該因子是光傳輸面積與由光傳輸面積和光屏蔽面積構(gòu)成的總面積的比率。該器件適用于通過(guò)在MOS晶體管光電柵極下面的Si層表面中儲(chǔ)存光生電荷來(lái)控制通過(guò)MOS晶體管的電流。
(2)日本專(zhuān)利早期公開(kāi)64-149959公開(kāi)了體電荷調(diào)制器件(BCMD)，如圖1所示。在這種器件中，為了提高填充因子，MOS晶體管的柵極7也具有光電柵極結(jié)構(gòu)并結(jié)合有用于儲(chǔ)存光生電荷的一層(以下稱(chēng)為電荷儲(chǔ)存層)。電荷儲(chǔ)存層形成在n型層2上并在光電柵極7下面的p型阱層3中，如圖1A所示。注意，在這個(gè)例子中，電荷儲(chǔ)存層形成在溝道區(qū)域9下面的p型阱層3中，以便抑制光生電荷捕獲到n型層8和與層9接觸的柵氧化膜6之間的界面部分中的表面陷阱能級(jí)中。結(jié)果，可以抑制由被捕獲到表面陷阱能級(jí)中的光生電荷引起的噪聲。圖1A所示MOS晶體管也包括其上形成n型層2的p+型襯底1，在柵極7兩側(cè)在p型阱層3中形成的源擴(kuò)散區(qū)4和漏擴(kuò)散區(qū)5，和恒定電流源8。
(3)日本專(zhuān)利早期公開(kāi)2-304973公開(kāi)了具有環(huán)形柵極結(jié)構(gòu)的閾值電壓調(diào)制型固態(tài)成象器件，其中源擴(kuò)散區(qū)形成在由環(huán)形柵極圍繞的中心部分，漏擴(kuò)散區(qū)形成為包圍源擴(kuò)散區(qū)和環(huán)形柵極。漏擴(kuò)散區(qū)還延伸到光檢測(cè)部分，并且它作為用于掩埋光電二極管的重?fù)诫s掩埋層。這個(gè)例子的特征在于，光敏器件提供在晶體管的外面，并且提供用于信號(hào)電荷的電勢(shì)最小區(qū)域，其位于溝道下面的阱區(qū)內(nèi)并沿著溝道區(qū)域的整個(gè)長(zhǎng)度延伸，但是僅占據(jù)整個(gè)溝道寬度的一部分。
在這種固態(tài)成象器件中，光生電荷，即通過(guò)用光照射掩埋光電二極管產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)，并且這些電子-空穴對(duì)中一種類(lèi)型的電荷儲(chǔ)存在光電二極管中，結(jié)果導(dǎo)致襯底偏置或襯底電勢(shì)的改變。該偏置用在控制MOS晶體管的閾值電壓中。此成象器件特別在光的強(qiáng)度弱而通過(guò)光僅產(chǎn)生少量的電荷時(shí)有用。光生電荷被收集在電勢(shì)最小區(qū)域中，以抑制成象器件靈敏度的非均勻性和抑制相關(guān)的固定圖形噪聲。
但是，在CMD型固態(tài)成象器件中仍然存在隨機(jī)噪聲的問(wèn)題。隨機(jī)噪聲是通過(guò)在半導(dǎo)體的表面區(qū)域中光生電荷的捕獲或散射引起的，這不可能通過(guò)上述改型完全除去，這是由于使用了半導(dǎo)體表面附近的電荷在CMD固態(tài)成象器件中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。
圖1A所示的BCMD型固態(tài)成象器件用在源跟隨器連接(sourcefollower connection)中。在這種情況下，由于電荷儲(chǔ)存層3位于光電柵極7下面的整個(gè)溝道區(qū)域中，所以很難在足夠飽和條件下驅(qū)動(dòng)晶體管。因此，晶體管工作在如圖1B所示的三極管區(qū)域電流-電壓特性下，這樣BCMD成象器件就有這樣的問(wèn)題光生電荷不能通過(guò)到MOS晶體管的源跟隨器連接被線(xiàn)性轉(zhuǎn)換為電壓。
注意，由于電荷儲(chǔ)存層3中的載流子通過(guò)整個(gè)光電柵極7下的溝道區(qū)域分布和由于溝道區(qū)域作為一個(gè)整體對(duì)通過(guò)它的電流起調(diào)制作用，所以電勢(shì)變化不是光生電荷的線(xiàn)性函數(shù)。除此之外，由于基于電荷儲(chǔ)存層3上面的柵氧化膜得到的電容值相對(duì)大，從而它的轉(zhuǎn)換效率較低。
另外，每個(gè)都具有光電柵極結(jié)構(gòu)的CMD型和BCMD型固態(tài)成象器件都有由入射光的多重干涉引起的對(duì)光的靈敏度下降的問(wèn)題，這對(duì)具有MOS結(jié)構(gòu)的光敏器件是恰當(dāng)?shù)摹?br> 光電柵極結(jié)構(gòu)還存在另一個(gè)問(wèn)題，即在形成薄透明光電柵極中需要特殊的、復(fù)雜的工藝。
在具有形成在阱區(qū)內(nèi)并部分沿著溝道區(qū)域的寬度延伸和沿著溝道區(qū)域的整個(gè)長(zhǎng)度延伸的最小電勢(shì)區(qū)域的固態(tài)成象器件中，晶體管表現(xiàn)為三極管式的電流-電壓特性，這通過(guò)源跟隨器連接不足以滿(mǎn)足光生電荷到MOS晶體管的線(xiàn)性電荷-電壓轉(zhuǎn)換的條件。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供固態(tài)成象器件，其幾乎沒(méi)有由器件半導(dǎo)體表面中光生載流子的捕獲和散射所引起的噪聲。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供對(duì)光具有改進(jìn)的光譜靈敏度的固態(tài)成象器件。
本發(fā)明又一目的是提供對(duì)光生電荷具有線(xiàn)性電荷-電壓轉(zhuǎn)換特性的固態(tài)成象器件。
本發(fā)明又一目的是提供其中能通過(guò)普通的CMOS工藝制造的光敏器件的固態(tài)成象器件。
本發(fā)明又一目的是提供使用上述固態(tài)成象器件的光檢測(cè)方法。
在本發(fā)明的構(gòu)形中，固態(tài)成象器件配備有多個(gè)單元象素，其每個(gè)包括光電二極管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述光電二極管包括第一導(dǎo)電類(lèi)型的襯底，形成在所述襯底上并具有第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層，形成在所述半導(dǎo)體層上并具有第一導(dǎo)電類(lèi)型的阱區(qū)，形成在所述阱區(qū)的表面上并具有第二導(dǎo)電類(lèi)型的雜質(zhì)區(qū)，所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括形成在所述阱區(qū)的表面上、延伸到所述雜質(zhì)區(qū)并具有第二導(dǎo)電類(lèi)型的漏區(qū)，形成在所述阱區(qū)的表面上、與所述漏區(qū)隔開(kāi)并具有第二導(dǎo)電類(lèi)型的源區(qū)，形成在柵絕緣層上的柵極，其中柵絕緣層形成在所述阱區(qū)上并在所述漏區(qū)和所述源區(qū)之間；形成在所述柵極下面的所述源區(qū)附近的所述阱區(qū)中的重?fù)诫s掩埋層，所述重?fù)诫s掩埋層是用第一導(dǎo)電類(lèi)型的雜質(zhì)以高于所述阱區(qū)的濃度摻雜的。
作為載流子袋(carrier-pocket)的重?fù)诫s區(qū)與注入載流子的漏區(qū)分開(kāi)，以對(duì)MOS晶體管調(diào)制的有效閾值電壓起作用。
當(dāng)使用例如環(huán)形柵極時(shí)，源擴(kuò)散區(qū)形成在被環(huán)形柵極包圍的中心區(qū)中的阱區(qū)的表面層中，漏擴(kuò)散區(qū)形成在包圍環(huán)形柵極的阱區(qū)的表面層中，重?fù)诫s掩埋層形成在柵極下面的阱區(qū)中，以便圍繞源擴(kuò)散區(qū)。
在這種配置中，如果p型的重?fù)诫s掩埋層形成在p型阱區(qū)中，則重?fù)诫s掩埋層對(duì)于通過(guò)阱區(qū)的空穴具有最低電勢(shì)。另一方面，如果n型的重?fù)诫s掩埋層形成在n型阱區(qū)中，則重?fù)诫s掩埋層對(duì)于通過(guò)阱區(qū)的電子具有最高電勢(shì)。
光電二極管的雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)結(jié)合有場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的漏擴(kuò)散區(qū)，從而光電二極管和FET可以共用同樣的阱區(qū)。重?fù)诫s掩埋層形成在源擴(kuò)散區(qū)附近。
由于重?fù)诫s掩埋層設(shè)置在源擴(kuò)散區(qū)附近，所以在光電二極管的阱區(qū)中產(chǎn)生的電荷將很容易地收集在重?fù)诫s掩埋層中。
換言之，當(dāng)阱區(qū)是p型并且n-溝道MOS晶體管用作光信號(hào)檢測(cè)晶體管時(shí)，則使用了空穴，并且源擴(kuò)散區(qū)設(shè)置為低于漏擴(kuò)散區(qū)的電勢(shì)?；蛘?，當(dāng)阱區(qū)是n型并且信號(hào)檢測(cè)晶體管是p-溝道MOS晶體管時(shí)，則光生電荷是電子，并且源擴(kuò)散區(qū)設(shè)置為高于漏擴(kuò)散區(qū)的電勢(shì)。這樣，如果漏擴(kuò)散區(qū)輸送正的或負(fù)的工作電壓VDD且柵極輸送低電壓，那么在阱層中產(chǎn)生電場(chǎng)，以便使光生電荷的空穴或電子加速，從FET的漏擴(kuò)散區(qū)，即光電二極管的雜質(zhì)區(qū)運(yùn)動(dòng)到源擴(kuò)散區(qū)。
成象器件的初始化把在讀操作后保留的光生電荷和保留在其它半導(dǎo)體層和阱區(qū)中的受主雜質(zhì)或施主雜質(zhì)中的空穴或電子射出離開(kāi)半導(dǎo)體層和襯底以中和受主雜質(zhì)或施主雜質(zhì)。該新的電荷光生于光電二極管的阱區(qū)。接著施加于電極和上述區(qū)域的電壓將引起新的光生電荷被轉(zhuǎn)移到重?fù)诫s掩埋層中并儲(chǔ)存在其中。一旦被收集在重?fù)诫s掩埋層中，這些電荷就不容易從重?fù)诫s掩埋層中出去或擴(kuò)散出，因?yàn)槠潆妱?shì)低。這樣，光生電荷被有效地儲(chǔ)存在重?fù)诫s掩埋層中。
儲(chǔ)存在重?fù)诫s掩埋層中的光生電荷可以通過(guò)給柵極、漏擴(kuò)散區(qū)和源擴(kuò)散區(qū)施加高于工作電壓的電壓而從中除去，由此增強(qiáng)通過(guò)阱區(qū)的電場(chǎng)。
在光生電荷儲(chǔ)存在重?fù)诫s掩埋層中時(shí)，重?fù)诫s掩埋層中的費(fèi)米能級(jí)改變了，并且與儲(chǔ)存電荷的量對(duì)應(yīng)，其中的空間電荷減少了，從而晶體管的閾值電壓降低了。同時(shí)，在重?fù)诫s掩埋層中的儲(chǔ)存電荷增加時(shí)，根據(jù)電荷轉(zhuǎn)換規(guī)則在溝道區(qū)域中產(chǎn)生具有相對(duì)于重?fù)诫s掩埋層中的儲(chǔ)存電荷相反的導(dǎo)電類(lèi)型的載流子，由此部分地產(chǎn)生恰位于重?fù)诫s掩埋層上的反型區(qū)域，從而溝道的導(dǎo)電率增加了。
既然光生電荷只儲(chǔ)存在重?fù)诫s掩埋層中而沒(méi)有儲(chǔ)存在其它區(qū)域中，這是由于重?fù)诫s掩埋層外邊是高電勢(shì)的原因，所以沒(méi)有在柵極下面的阱區(qū)表面中而不是恰在重?fù)诫s掩埋層上形成另外的反型區(qū)域，但是其中產(chǎn)生了強(qiáng)電場(chǎng)(該區(qū)域稱(chēng)之為強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域)。
由于反型區(qū)域和強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域形成在相同的溝道區(qū)域中，所以晶體管可在飽和條件下工作。這樣，如果給用在源跟隨器連接中的晶體管的源輸送恒定電流和如果給柵極施加合適的柵電壓，則晶體管將跟隨晶體管的閾值電壓的變化而變化，并相應(yīng)地改變?cè)磾U(kuò)散區(qū)中的電勢(shì)。
另外，由于晶體管可在飽和條件下工作，則穿過(guò)它的電流僅取決于柵極和源擴(kuò)散區(qū)之間的電壓差。因而，源電勢(shì)的變化僅取決于光生電荷所儲(chǔ)存的電荷量。
通過(guò)輸出該源電勢(shì)作為視頻信號(hào)，可以得到有利的線(xiàn)性光電電荷-電壓轉(zhuǎn)換。
由于儲(chǔ)存在重?fù)诫s掩埋層中的電荷量通過(guò)在反型區(qū)域中感應(yīng)的電荷平衡，所以?xún)?chǔ)存在重?fù)诫s掩埋層中的電荷量與輸送給柵絕緣膜(作為電容器)的電荷量相同。因此，晶體管的輸出對(duì)應(yīng)于閾值電壓的變化。
注入的載流子被分布到每個(gè)晶體管結(jié)(node)的電容共用，并與其它的電容分量對(duì)應(yīng)，例如引起閾值調(diào)制靈敏度損失的到漏和襯底的電容。因此，重?fù)诫s區(qū)應(yīng)該位于柵極附近并與漏邊緣分離，以提高調(diào)制靈敏度。
將光生電荷儲(chǔ)存到柵絕緣膜的電容器受到位于作為載流子袋的重?fù)诫s掩埋層正上方的柵絕緣膜的電容值的限制。因此，圖象傳感器的檢測(cè)靈敏度是從柵絕緣膜的厚度、重?fù)诫s掩埋層的面積和深度決定的。而且，電容量可以看作是常數(shù)，從而使圖象傳感器能夠以?xún)?yōu)異的線(xiàn)性電荷-電壓轉(zhuǎn)換特性為基礎(chǔ)對(duì)光進(jìn)行靈敏的檢測(cè)。
一般情況下，如果半導(dǎo)體層的表面被耗盡，則耗盡區(qū)域作為對(duì)空穴的阻擋層。
如果晶體管具有普通的光電柵極，則用光生電荷填充的半導(dǎo)體層的表面將達(dá)到靜電平衡狀態(tài)。傳感器將面臨例如由于熱激勵(lì)引起暗流的產(chǎn)生和由于寄生空穴的積累引起的電勢(shì)調(diào)制等的嚴(yán)重問(wèn)題。
另一方面，本發(fā)明的晶體管的溝道區(qū)域適于在晶體管的初始化之后保持其中的耗盡條件，用于清除剩余的電荷。另外，由于晶體管對(duì)光是屏蔽的，所以其中不會(huì)明顯形成載流子。如果某些載流子被捕獲在晶體管半導(dǎo)體層的表面上，則它們不可能越過(guò)該勢(shì)壘以成為該表面上的暗電流或噪聲。
簡(jiǎn)言之，本發(fā)明使控制通過(guò)檢測(cè)晶體管電流的光生電荷儲(chǔ)存在位于溝道區(qū)域下的阱區(qū)中的隔離區(qū)中，從而使電荷不與MOS晶體管的表面層相互作用。
通過(guò)在源擴(kuò)散區(qū)的附近收集光生電荷，可以控制晶體管的閾值電壓，由此可以實(shí)現(xiàn)具有線(xiàn)性特性和高檢測(cè)靈敏度且不產(chǎn)生明顯噪聲的理想閾值電壓調(diào)制CMOS圖象傳感器。
下面結(jié)合


本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中圖1A是具有BCMD結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)成象器件的主要部分的截面圖；圖1B是表示圖1A的固態(tài)成象器件的電流-電壓特性的曲線(xiàn)；圖2是表示根據(jù)本發(fā)明用于固態(tài)成象器件的單元象素的布局的平面示意圖；圖3是表示沿著圖2的A-A線(xiàn)截取的圖2的固態(tài)成象器件的單元象素結(jié)構(gòu)的截面圖；圖4A是表示載流子袋的結(jié)構(gòu)及其在圖2所示的固態(tài)成象器件的單元象素中周?chē)鷧^(qū)域的細(xì)節(jié)截面圖；圖4B是表示在包括載流子袋區(qū)的柵區(qū)周?chē)牡刃щ娐返慕孛鎴D；圖5是沿著圖2的B-B線(xiàn)截取的截面圖，表示圖2的單元象素內(nèi)的光電二極管的結(jié)構(gòu)；圖6是沿著圖2的C-C線(xiàn)截取的截面圖，表示在圖2的單元象素內(nèi)用于感光的CMOS晶體管的結(jié)構(gòu)；圖7A是圖2的固態(tài)成象器件的電路圖；圖7B是用于圖7A所示的電路工作的時(shí)序曲線(xiàn)；圖8A是在初始化操作期間沿著圖5的D-D線(xiàn)截取的截面的電勢(shì)分布圖；圖8B是在初始化操作期間沿著圖5的E-E線(xiàn)截取的截面的電勢(shì)分布圖；圖9A是在充電操作期間沿著圖5的D-D線(xiàn)截取的截面的電勢(shì)分布圖；圖9B是在充電操作期間沿著圖5的E-E線(xiàn)截取的截面的電勢(shì)分布圖；圖10A是在讀操作期間沿著圖5的D-D線(xiàn)截取的截面的電勢(shì)分布圖10B是在讀操作期間沿著圖5的E-E線(xiàn)截取的截面的電勢(shì)分布圖；圖11是表示在圖2所示的固態(tài)成象器件的單元象素內(nèi)的光信號(hào)檢測(cè)MOS晶體管的電流-電壓特性的曲線(xiàn)；圖12A是在初始化之后圖2所示的固態(tài)成象器件的溝道區(qū)域中的表面電勢(shì)分布圖；圖12B是在光被屏蔽時(shí)圖2所示的固態(tài)成象器件的溝道區(qū)域中的表面電勢(shì)分布圖；圖12C是在照射光之后現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)成象器件的溝道區(qū)域中的表面電勢(shì)分布圖；圖13A是在充電和讀操作過(guò)程中圖2中所示的固態(tài)成象器件中的電荷分布；圖13B是在解釋圖13A時(shí)使用的、在載流子袋附近圖6所示的部分MOS晶體管的截面圖；圖14是表示固態(tài)成象器件的單元象素的另一結(jié)構(gòu)的截面圖。
下面參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。
圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例CMOS圖象傳感器的單元象素的布局的平面圖。
如圖2所示，單元象素101包括光電二極管111和用于檢測(cè)光信號(hào)的光電檢測(cè)器112，其中該光電檢測(cè)器112是鄰近光電二板管111設(shè)置的MOS晶體管。光電二極管111和MOS晶體管112共用阱區(qū)15，從而阱區(qū)15一方面在它用光照射時(shí)為光電二極管起產(chǎn)生電荷的區(qū)域的作用，另一方面起MOS晶體管112的柵區(qū)的作用。
光電二極管111具有與阱區(qū)15上的MOS晶體管112的漏擴(kuò)散區(qū)17a成一體形成的雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)17。所形成的漏擴(kuò)散區(qū)17a圍繞環(huán)形柵19。形成在被環(huán)形柵19包圍的中心區(qū)中的是源擴(kuò)散區(qū)16。形成在環(huán)形柵19下面并包圍源擴(kuò)散區(qū)16的阱區(qū)15內(nèi)的是載流子袋(重?fù)诫s掩埋層)25。
應(yīng)該明白，在MOS晶體管112的溝道區(qū)域中形成n型雜質(zhì)層(相反導(dǎo)電類(lèi)型雜質(zhì)層)，從而使溝道區(qū)被耗盡，或被反型，同時(shí)MOS晶體管112處于工作狀態(tài)中。
漏擴(kuò)散區(qū)17a與漏電壓(VDD)輸送線(xiàn)22連接，柵極19與垂直掃描信號(hào)(VSCAN)輸送線(xiàn)21連接，源擴(kuò)散區(qū)16與垂直輸出線(xiàn)20連接。
在光電二極管111的感光窗口24以外的區(qū)域中，光信號(hào)被金屬光屏蔽膜23屏蔽。
下面參照

本發(fā)明的CMOS圖象傳感器的器件結(jié)構(gòu)。
圖3的上部分圖是表示根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖象傳感器的結(jié)構(gòu)截面圖，其對(duì)應(yīng)于沿著圖2的A-A線(xiàn)截取的截面圖。圖3的下部分圖表示沿著半導(dǎo)體襯底的表面的電勢(shì)分布圖。
圖4A的上部分圖是被溝道區(qū)域之下的阱區(qū)15中的載流子袋25環(huán)繞于中心的區(qū)域的細(xì)節(jié)截面圖。圖4A的下部分圖表示在光生空穴被儲(chǔ)存在載流子袋25中時(shí)，沿著對(duì)應(yīng)圖4A的上部分圖的F-F線(xiàn)的平面的電勢(shì)分布圖，其中該平面平行于半導(dǎo)體襯底的表面。
實(shí)際上，注入的載流子被電容分量平分給單獨(dú)的晶體管結(jié)，它們是到源的電容(Csp)，到襯底的電容(Cbp)，到漏的電容(Cdp)和到柵的電容(Cgp)，如圖4B所示。在這些因素中，Cgp是除了Csp外的重要因素，其中Csp是輸出結(jié)，以增加對(duì)注入載流子的電勢(shì)特性。因此，注入載流子通過(guò)減小Cbp和Cdp而被急劇地分布在重?fù)诫s掩埋區(qū)域，這可以通過(guò)把重?fù)诫s掩埋層與漏邊緣和襯底分離開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，由于檢測(cè)電容(Cgp)也是由重?fù)诫s區(qū)域的面積決定的，所以在重?fù)诫s區(qū)域的較小面積上也可以提高靈敏度。
圖5和6是分別沿著圖2的B-B線(xiàn)和C-C線(xiàn)截取的截面圖。
如圖3的上部分所示，在p型硅襯底11上外延生長(zhǎng)n型硅層12，形成本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底。
在n型層12上形成p型阱區(qū)15。在兩相鄰象素之間形成場(chǎng)絕緣膜14和位于場(chǎng)絕緣膜14之下的元件隔離擴(kuò)散區(qū)13。
下面參照?qǐng)D3和5詳細(xì)說(shuō)明光電二極管111。
光電二極管111主要包括阱區(qū)15和形成在n型硅層12的表面上以覆蓋大部分阱區(qū)15的雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)17。也就是，光電二極管111具有用于空穴的掩埋結(jié)構(gòu)，其中空穴主要在雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)17下面的阱區(qū)15中產(chǎn)生。
雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)17與漏電壓(VDD)輸送線(xiàn)22連接并偏置到正電勢(shì)，這有利于由入射光產(chǎn)生的空穴收集到雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)17下面的阱區(qū)15中，由此通過(guò)不與其中存在許多表面陷阱能級(jí)的半導(dǎo)體表面相互作用而減少噪聲。
下面參照?qǐng)D3和6詳細(xì)說(shuō)明光信號(hào)檢測(cè)n-MOS晶體管112。MOS晶體管112具有這樣的結(jié)構(gòu)環(huán)形柵極19被與n+型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)17一體形成的n+型漏擴(kuò)散區(qū)17a包圍。n+型源擴(kuò)散區(qū)16形成在被柵極19包圍的中心區(qū)域中。柵極19形成在柵絕緣層18上，柵絕緣層18淀積在在漏擴(kuò)散區(qū)17a和源擴(kuò)散區(qū)16之間延伸的阱區(qū)15上。位于柵極19之下的阱區(qū)15的表面層起溝道區(qū)域的作用。
P+型載流子袋25形成在阱區(qū)15中且載流子袋25包圍源擴(kuò)散區(qū)16并僅部分地沿著溝道區(qū)域的長(zhǎng)度延伸。P+型載流子袋25可以通過(guò)例如離子注入方法形成。應(yīng)該注意，載流子袋25形成在阱區(qū)15中以位于溝道區(qū)域之下而不是在溝道區(qū)域本身表面中。所形成的載流子袋25必須不疊加在溝道區(qū)域上。另外，為了保持溝道區(qū)域在正常工作電壓下反型或耗盡，需要通過(guò)在溝道區(qū)域中引入適當(dāng)濃度的n型雜質(zhì)而形成雜質(zhì)層15。
上述P+型載流子袋25對(duì)于光生空穴的電勢(shì)比對(duì)于電子的電勢(shì)低，從而在給漏擴(kuò)散區(qū)17a施加高電壓時(shí)，光生空穴被收集在載流子袋25中。附圖中展示了光生空穴被積累在載流子袋25中的方式。
圖3的下部分表示的是在光生空穴被積累在載流子袋25中從而在溝道區(qū)域中感應(yīng)電子，即其中形成反型區(qū)域時(shí)的電勢(shì)分布圖。在溝道區(qū)域下面的阱區(qū)15中的載流子袋25附近元件的配置和相關(guān)的電勢(shì)分布圖如圖4所示。
接下來(lái)，參照?qǐng)D7A和7B說(shuō)明利用上述單元象素的CMOS圖象傳感器。圖7A表示根據(jù)本發(fā)明用于CMOS圖象傳感器的電路圖。CMOS圖象傳感器具有以矩陣形式，即按照行和列排列的二維陣列，如圖7A所示。在圖7A所示的例子中，圖象傳感器包括簡(jiǎn)單的2×2矩陣。
提供在象素矩陣一側(cè)上的是用于提供帶有垂直掃描信號(hào)(VSCAN)的矩陣的垂直掃描驅(qū)動(dòng)器電路102，在矩陣的另一側(cè)上的是用于提供帶有漏電壓VDD的VDD掃描驅(qū)動(dòng)器電路103。
在每行的單元象素101中的MOS晶體管112的漏經(jīng)過(guò)與該行相關(guān)的電壓輸送線(xiàn)22a和22b與VDD掃描驅(qū)動(dòng)器電路103相連，以接收漏電壓VDD。在每行的單元象素101中的MOS晶體管112的柵經(jīng)過(guò)與該行相關(guān)的垂直掃描信號(hào)線(xiàn)21a和21b與垂直掃描驅(qū)動(dòng)器電路102相連，以接收垂直掃描信號(hào)VSCAN。
在每列的單元象素101中的MOS晶體管112的源連接到與該列相關(guān)的垂直輸出線(xiàn)20a和20b。
垂直輸出線(xiàn)20a和20b分別與MOS晶體管的對(duì)應(yīng)漏(光檢測(cè)信號(hào)輸出端)28a和29a相連，作為用于每個(gè)列的列開(kāi)關(guān)105a和105b。開(kāi)關(guān)105a和105b的柵(水平掃描信號(hào)輸入端)與用于水平掃描信號(hào)(HSCAN)的水平掃描驅(qū)動(dòng)器電路104相連。
開(kāi)關(guān)105a和105b的源(光檢測(cè)信號(hào)輸出端)28c和29c經(jīng)過(guò)公共恒定電流輸送源106與視頻信號(hào)輸出端107相連。換言之，每個(gè)單元象素101中的MOS晶體管112的源與恒定電流輸送源106連接，以形成源跟隨器電路。這樣，晶體管的源-柵電壓和體-源電壓由恒定電流輸送源(負(fù)載電路)106確定。
單元象素中的MOS晶體管112連續(xù)地被垂直掃描信號(hào)(VSCAN)和水平掃描信號(hào)(HSCAN)激活，產(chǎn)生一系列表示各象素中二極管111所接收的光量的視頻信號(hào)(Vout)。
如上所述，由于每個(gè)單元象素101由光電二極管111和MOS晶體管112構(gòu)成，因此成象器件的象素可以沿著掃描驅(qū)動(dòng)器電路102-104和包括恒定電流輸送源106的其它外圍電路被CMOS工藝一起集成在同一半導(dǎo)體襯底上。
圖7B是用于本發(fā)明的CMOS圖象傳感器工作所要求的各種輸入/輸出信號(hào)的時(shí)序圖。該時(shí)序圖施加于具有p型阱區(qū)15和n-MOS型光檢測(cè)晶體管112的圖象傳感器。
成象器件具有由清除(初始化)、光電載流子產(chǎn)生、電荷儲(chǔ)存和讀階段組成的周期。
在該周期過(guò)程中，在單元象素101中的每個(gè)阱區(qū)15中的電勢(shì)的變化將在下面參照?qǐng)D8、9和10詳細(xì)說(shuō)明。參照?qǐng)D11可以理解每個(gè)單元象素101中的光檢測(cè)MOS晶體管112的電流-電壓特性。
在每個(gè)圖8-10中，縱坐標(biāo)表示電勢(shì)，而橫坐標(biāo)表示從襯底表面的深度。圖8A、9A和10A表示分別在該周期的清除(初始化)、電荷儲(chǔ)存、和讀階段、沿著圖5的D-D線(xiàn)截取的電勢(shì)分布。同樣，圖8B、9B和10B表示分別在該周期的清除(初始化)、電荷儲(chǔ)存、和讀階段、沿著圖6的E-E線(xiàn)截取的電勢(shì)分布。
在清除期間，在讀之后保留在半導(dǎo)體中的電荷、平衡受主雜質(zhì)和施主雜質(zhì)的空穴和電子、和被捕獲在表面狀態(tài)中的空穴和電子射出半導(dǎo)體。對(duì)每一行進(jìn)行稱(chēng)之為初始化的操作。
清除操作的重要方面是清理載流子袋25，用于使下面的光生電荷儲(chǔ)存在其中。換言之，應(yīng)該趨于只檢測(cè)光生電荷，避免拾起由于保留電荷引起的噪聲。
在此操作中，把高于正常工作電壓的電壓施加給漏擴(kuò)散區(qū)17a、柵極19和源擴(kuò)散區(qū)16。這是通過(guò)把大約+5伏的VDD通過(guò)VDD輸送線(xiàn)22a施加給漏擴(kuò)散區(qū)17a，把大約+5伏的電壓通過(guò)VSCAN輸送線(xiàn)21a和21b施加給柵極19進(jìn)行的。由于溝道區(qū)域通過(guò)柵電壓而表現(xiàn)為導(dǎo)電，因此源擴(kuò)散區(qū)16也被施加與漏擴(kuò)散區(qū)17a相同的電壓(+5伏)。
如圖8A和8B所示，此電壓作為反向偏置穿過(guò)pn結(jié)，從而阱區(qū)15中的電場(chǎng)通過(guò)n和p區(qū)指向p+襯底11，由此保持在阱區(qū)15和半導(dǎo)體其它部分中的空穴通過(guò)p+襯底11清除，同時(shí)保持在半導(dǎo)體中的電子通過(guò)源擴(kuò)散區(qū)16和漏擴(kuò)散區(qū)17被清除。應(yīng)該承認(rèn)，特別是儲(chǔ)存在載流子袋25中的光生電荷通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)柵和漏電壓不能從中射出以使晶體管飽和，但是電荷可以通過(guò)施加高于標(biāo)準(zhǔn)電壓的柵電壓和漏電壓而從載流子袋25射出，例如5伏。
在剩余電荷被清除后，阱區(qū)5被耗盡。
如上所述，由于沒(méi)有留下在載流子密度中能夠?qū)е聼嵩肼?kTC噪聲)或熱波動(dòng)的電荷，所以為得到成象信號(hào)上述初始化操作在清除電荷上是理想的。
應(yīng)該明白，由于在初始化中不包含電流通路，所以初始化可以借助于在襯底中提供的片上升壓電路來(lái)進(jìn)行。
儲(chǔ)存階段需要通過(guò)光照射產(chǎn)生電荷并將電荷儲(chǔ)存在載流子袋25中。在儲(chǔ)存期間，在通常進(jìn)行的水平掃描中可以使用行式快門(mén)(row-wiseshutter)只激活象素的相關(guān)行。
這種情況下，大約2到3伏的電壓施加于所有單元象素101中的MOS晶體管112的每個(gè)漏擴(kuò)散區(qū)17，以便在光照射之前通過(guò)VDD輸送線(xiàn)22a和22b激活MOS晶體管。同時(shí)，低但足夠的電壓通過(guò)VSCAN輸送線(xiàn)21a和21b施加于每列中的MOS晶體管的每個(gè)柵，以便使MOS晶體管截止。這樣，為與各個(gè)水平掃描信號(hào)線(xiàn)耦合的所有傳感器進(jìn)行電荷儲(chǔ)存操作。
通過(guò)施加電壓的漏擴(kuò)散區(qū)17a，p型阱區(qū)15中的多數(shù)載流子(空穴)被清除到P+型襯底11，使阱區(qū)15耗盡，只剩下受主的負(fù)充電的空間電荷層。
如果象素被光照射，則在與該象素相關(guān)的光電二極管111的阱區(qū)15中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。
在MOS晶體管的柵設(shè)置為低電勢(shì)的條件下，光生電子被漏電壓從漏擴(kuò)散區(qū)17中驅(qū)除，同時(shí)光生空穴被源擴(kuò)散區(qū)16中的低電勢(shì)吸引到源擴(kuò)散區(qū)16中，直到它們被捕獲或儲(chǔ)存在最小電勢(shì)的載流子袋25中，如圖9A和9B所示。
由于在儲(chǔ)存期間光生電荷的電荷轉(zhuǎn)移只在p型阱區(qū)15中進(jìn)行，所以電荷轉(zhuǎn)移不受半導(dǎo)體的表面條件影響，因此不會(huì)產(chǎn)生噪聲。
注意，如果晶體管的表面被耗盡，則其變?yōu)榭昭ǖ淖钃鯇印?br> 在圖12C所示的現(xiàn)有技術(shù)光電柵極結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體的表面用光生電荷填滿(mǎn)，這是處于靜電平衡，并且可能是暗流和寄生空穴的源，這將引起電勢(shì)調(diào)制問(wèn)題。
相反，在這里所示的例子中，晶體管的溝道區(qū)域被耗盡并在初始化之后保留，如圖12A所示。而且，由于柵和附近區(qū)域?qū)馄帘?，所以不?huì)產(chǎn)生過(guò)量的載流子層。因此，如果載流子被捕獲在晶體管的表面中，如圖12B所示，不會(huì)越過(guò)阻擋層，變?yōu)橥ㄟ^(guò)表面的暗流或噪聲。
讀期間需要讀出與儲(chǔ)存在相應(yīng)象素中的光生電荷有關(guān)的視頻信號(hào)(Vout)。視頻信號(hào)Vout可以通過(guò)激活作為源跟隨器連接的光信號(hào)檢測(cè)MOS晶體管112而被讀出。
在每行中的MOS晶體管112的每個(gè)漏通過(guò)VDD輸送線(xiàn)22a和22b提供有大約2到3伏的電壓情況下，每行中的MOS晶體管112的每個(gè)柵通過(guò)VSCAN輸送線(xiàn)21a和21b提供有大約2到3伏的電壓，從而MOS晶體管112在飽和條件下工作。與恒定電流輸送線(xiàn)106連接的光檢測(cè)MOS晶體管112的源輸送以恒定電流。
在讀期間之前的期間內(nèi)光生載流子被儲(chǔ)存在載流子袋25中。
當(dāng)光生載流子被儲(chǔ)存在載流子袋25中時(shí)，阱區(qū)15中的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于儲(chǔ)存在其中的電荷量而改變。然后空間電荷減少，晶體管的閾值電壓降低。同時(shí)，根據(jù)電荷轉(zhuǎn)換規(guī)則，在載流子袋25上形成反型區(qū)域，其中與儲(chǔ)存在載流子袋25中的空穴相同數(shù)量的電子增加了，結(jié)果使溝道導(dǎo)電率提高。在這種情況下，恰在載流子袋25上的表面電勢(shì)在溝道長(zhǎng)度方向近似于常數(shù)，電子載流子以均勻密度分布。
另一方面，由于空間電荷密度在阱區(qū)15的漏擴(kuò)散區(qū)17a一側(cè)中足夠低，所以在溝道區(qū)域的漏擴(kuò)散區(qū)17a一側(cè)中沒(méi)有產(chǎn)生反型區(qū)域，而代替的是，在其中產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域。
由于在溝道區(qū)域的一部分中產(chǎn)生反型區(qū)域和在其另一部分上產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，因此現(xiàn)在光信號(hào)檢測(cè)MOS晶體管112可以在飽和條件下工作，如圖11所示。
因此，如果給光信號(hào)檢測(cè)MOS晶體管112的各個(gè)電極施加一組標(biāo)準(zhǔn)工作電壓，則處于飽和條件下的晶體管被激活。與恒定電流源連接的晶體管112作為源跟隨器工作通過(guò)其負(fù)反饋降低柵和源電勢(shì)之間差值，以便使恒定電流流過(guò)晶體管，由此升高源電勢(shì)，如圖10A和10B所示。源電勢(shì)的變化從輸出端107讀出，作為它的視頻信號(hào)。
下面說(shuō)明上述的讀操作。由于光信號(hào)檢測(cè)MOS晶體管112在飽和區(qū)域工作，如圖11所示，所以漏-源電勢(shì)差由柵極19下面的阱區(qū)15中的電勢(shì)確定。該電勢(shì)差導(dǎo)致在p型阱區(qū)15中產(chǎn)生指向源擴(kuò)散區(qū)16的電場(chǎng)。
雖然光生空穴升高了源擴(kuò)散區(qū)16附近區(qū)域中的費(fèi)米能級(jí)，但是由于電流由恒定電流源106確定，所以保存了勢(shì)壘的高度。因而，對(duì)應(yīng)于與被注入的光生空穴中和的空間電荷相關(guān)的電壓差的源電勢(shì)Vs發(fā)生變化，如圖10A和10B所示。換言之，可以通過(guò)光生空穴改變半導(dǎo)體的體電勢(shì)，以便改變?cè)锤S器的輸出。
用這種方式，可以得到與照射光量成正比的視頻信號(hào)(Vout)。由于在這種情況下出現(xiàn)在反型區(qū)域中的光生空穴和電子數(shù)量平衡，所以光生電荷量與柵絕緣膜18(作為電容器)中感應(yīng)的電荷量相同，并且可以檢測(cè)閾值電壓的變化。如圖13A和13B所示，光生電荷的充電限制到載流子袋25上的柵絕緣膜18，從而光電傳感器的檢測(cè)靈敏度可以由柵絕緣膜18厚度和載流子袋25的面積和深度決定。由于光生電荷儲(chǔ)存在載流子袋25的有限的區(qū)域中，因此光電傳感器電荷-電壓轉(zhuǎn)換的線(xiàn)性很好。
另外，由于檢測(cè)電容可以看作常數(shù)，因此可以得到在極度線(xiàn)性的電荷-電壓轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上的光載流子的非常靈敏的檢測(cè)。
下面參照?qǐng)D7A和7B說(shuō)明與光檢測(cè)相關(guān)的固態(tài)成象器件的工作。
在光檢測(cè)中，保留在阱區(qū)和半導(dǎo)體的其它區(qū)域中的電荷被其初始化清除掉，如前所述。
然后給晶體管的柵極19施加低電壓；大約2到3伏范圍的電壓VDD施加于漏擴(kuò)散區(qū)17a，用于激活晶體管，使阱區(qū)15被耗盡并且產(chǎn)生從漏擴(kuò)散區(qū)17a指向源擴(kuò)散區(qū)16的電場(chǎng)。
在光照之后，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，其中空穴被注入到柵區(qū)并儲(chǔ)存在載流子袋25中。儲(chǔ)存的空穴限制從溝道區(qū)域向襯底16延伸的耗盡層的寬度，從而MOS晶體管112的閾值電壓被袋25中的載流子改變。
當(dāng)柵極19輸送以大約2-3伏的電壓和漏擴(kuò)散區(qū)17a輸送以大約2-3伏的電壓VDD以使MOS晶體管112在飽和條件下工作時(shí)，在溝道區(qū)域的反型區(qū)域中形成弱電場(chǎng)，并且在溝道區(qū)域的剩余區(qū)域中形成高電場(chǎng)。
在該階段，如果MOS晶體管112的源擴(kuò)散區(qū)16與恒定電流源106連接，則MOS晶體管112形成源跟隨器電路，由此改變它的源電勢(shì)，并因此改變跟隨由光生空穴引起的MOS晶體管的閾值電壓的變化而變化的輸出電壓。因而得到對(duì)應(yīng)于光照射量的視頻信號(hào)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以提供理想的CMOS晶體管成象器件，其中光生電荷可以被清除(初始化)、儲(chǔ)存和讀，而不受溝道區(qū)域和半導(dǎo)體表面中噪聲源影響。
應(yīng)該記得，載流子袋25形成在溝道區(qū)域下面，反型區(qū)域形成在溝道區(qū)域的部分區(qū)域中，溝道區(qū)域的剩余部分中存在強(qiáng)電場(chǎng)，從而晶體管可以被激活以在飽和條件下工作。而且，MOS晶體管連接在源跟隨器中，它的源電壓隨著對(duì)應(yīng)于儲(chǔ)存的光生電荷的閾值電壓的變化而變化。這樣，通過(guò)讀取源電壓可以得到很好的線(xiàn)性電荷-電壓轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明的這個(gè)特征在與常規(guī)BCMD型固態(tài)成象器件相比時(shí)更加明顯，該常規(guī)BCMD型固態(tài)成象器件具有三極管式電流-電壓特性，并因此很難在飽和條件下工作或達(dá)到線(xiàn)性光電轉(zhuǎn)換。
在本發(fā)明中，光電傳感器具有分離的光電二極管111和光信號(hào)檢測(cè)MOS晶體管112。因而，可以防止由發(fā)生在光電柵極上的入射光的多重干涉引起的光譜靈敏度的變壞。
通過(guò)光電二極管111和光信號(hào)檢測(cè)MOS晶體管112的簡(jiǎn)單結(jié)合，光電傳感器的填充因子提高了。
也可以通過(guò)如上所述改變?cè)锤S器的柵電壓抑制固定圖形噪聲，以便調(diào)整源跟隨器的增益和源電容。
在前述例子中，光信號(hào)是通過(guò)在n-MOS晶體管(光信號(hào)檢測(cè)MOS晶體管)112中形成p+型載流子袋25以?xún)?chǔ)存光生空穴而得到的。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，光信號(hào)的檢測(cè)同樣可以通過(guò)在p-MOS晶體管(光信號(hào)檢測(cè)MOS晶體管)中形成n+型載流子袋以?xún)?chǔ)存光生電子而很好地檢測(cè)。
在圖7A所示的例子中，固態(tài)成象器件適于在清除過(guò)程中給柵極19輸送以大約+5伏的柵電壓，其使溝道區(qū)域?qū)щ?，由此在源擴(kuò)散區(qū)16上施加與施加給漏擴(kuò)散區(qū)17a相同的大約+5伏的電壓。或者，源擴(kuò)散區(qū)16可以經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)裝置連接到電源上，以使電源只在清除期間給源擴(kuò)散區(qū)16提供大約+5伏的電壓。
參見(jiàn)圖7A，所示的恒定電流源將是負(fù)載電路。負(fù)載可以使用電容器而由容性負(fù)載代替。在那種情況下，在源電壓被收集在載流子袋中的光生電荷改變時(shí)，電容器被充電。穿過(guò)電容器的電壓可以作為視頻信號(hào)被讀出。另外，代替這種容性負(fù)載，也可以使用高阻抗負(fù)載以形成源跟隨器。
可以看出，本發(fā)明提供了一種新的和有用的閾值電壓調(diào)制固態(tài)成象器件，其包括被光電二極管和絕緣柵型FET共用的公共阱區(qū)，和形成在溝道區(qū)域下面和FET的源擴(kuò)散區(qū)附近的阱區(qū)中的重?fù)诫s掩埋層(載流子袋)。
因而，在光電二極管中產(chǎn)生的光生電荷通過(guò)大部分半導(dǎo)體層被轉(zhuǎn)移到晶體管的載流子袋中并隨后儲(chǔ)存在載流子袋中，由此改變晶體管的閾值。
這種配置有利于在由前述步驟清除(初始化)；光電轉(zhuǎn)換；在載流子袋中儲(chǔ)存光生電荷；和電壓讀出構(gòu)成的整個(gè)光信號(hào)檢測(cè)中抑制熱噪聲(kTC)和半導(dǎo)體表面上的電荷捕獲產(chǎn)生的噪聲。
這樣，本發(fā)明提供了配備具有超過(guò)常規(guī)CCD圖象傳感器的運(yùn)行特性的MOS型圖象傳感器低噪聲固態(tài)成象器件。
還應(yīng)該理解，在本發(fā)明中MOS晶體管的載流子袋提供在晶體管的溝道區(qū)域下面，載流子袋可以使反型區(qū)域和圍繞反型區(qū)域的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域在溝道區(qū)域中共享形成，從而晶體管可在飽和條件下工作。
另外，晶體管被包括在源跟隨器電路中，其源連接到例如恒定電流源的高阻抗負(fù)載電路，從而光生電荷的數(shù)量有利地線(xiàn)性轉(zhuǎn)換成晶體管的閾值電壓的變化，這可以作為源電壓而被檢測(cè)?？梢缘玫絻?yōu)異的線(xiàn)性光-電壓轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明可以通過(guò)光電二極管和光信號(hào)檢測(cè)MOS晶體管的簡(jiǎn)單結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，本發(fā)明就能夠提供提高了的填充因子。
本發(fā)明的特點(diǎn)，即源跟隨器的增益和源電容可以容易地調(diào)整，有利于抑制固定圖形噪聲。
本發(fā)明的固態(tài)成象器件可以以低成本方便地制造，這是因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)常規(guī)CMOS制造技術(shù)與同一襯底上的外圍電路成一體制造。
除此之外，雖然在上述優(yōu)選實(shí)施例中說(shuō)明了本發(fā)明的詳細(xì)例子，但是也可以考慮如圖14所示的其它調(diào)制例子。
在圖14中，與圖2-6不同的地方是，提供有使信號(hào)光通過(guò)柵極19a直接進(jìn)入柵區(qū)15的結(jié)構(gòu)。換言之，沒(méi)有提供光電二極管，而在柵極19a上面部分提供感光窗口24a，在其它區(qū)域中信號(hào)光被光屏蔽膜23a屏蔽。
由于圖14的光電傳感器在柵極19下面的源區(qū)16附近的阱區(qū)15內(nèi)具有載流子袋25，因此從圖14所示的結(jié)構(gòu)可以得到與上述實(shí)施例相同的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)成象器件，其配備有多個(gè)單元象素，每個(gè)單元象素包括光電二極管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述光電二極管包括具有第一導(dǎo)電類(lèi)型的襯底；形成在所述襯底上并具有第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層；形成在所述半導(dǎo)體層上并具有第一導(dǎo)電類(lèi)型的阱區(qū)；形成在所述阱區(qū)的表面上并具有第二導(dǎo)電類(lèi)型的雜質(zhì)區(qū)，和所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括形成在所述阱區(qū)的表面上的漏區(qū)，延伸到所述雜質(zhì)區(qū)，并具有第二導(dǎo)電類(lèi)型；形成在所述阱區(qū)的表面上的源區(qū)，與所述漏區(qū)隔開(kāi)，并具有第二導(dǎo)電類(lèi)型；形成在柵絕緣層上的柵極，其中柵絕緣層形成在柵區(qū)上，柵區(qū)是所述漏區(qū)和所述源區(qū)之間的所述阱區(qū)；和形成在所述柵極下面的所述源區(qū)附近的所述阱區(qū)中的重?fù)诫s掩埋層，所述重?fù)诫s掩埋層用高于所述阱區(qū)的濃度的第一導(dǎo)電類(lèi)型的雜質(zhì)摻雜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成象器件，其中所述重?fù)诫s掩埋層形成在所述源區(qū)和所述漏區(qū)之間延伸的溝道區(qū)域的整個(gè)寬度上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成象器件，其中所述柵極是環(huán)形；所述源區(qū)形成在所述阱區(qū)的表面上且位于被所述環(huán)形柵極包圍的中心部分之下；所述漏區(qū)形成在包圍所述柵極的所述阱區(qū)的表面上；和所述重?fù)诫s掩埋層形成在包圍所述源區(qū)的所述阱區(qū)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成象器件，其中所述柵極及其最接近區(qū)域?qū)馐瞧帘蔚摹?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成象器件，其中所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管被使用在源跟隨器連接中，該晶體管的所述源區(qū)與負(fù)載電路相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固態(tài)成象器件，其中所述源跟隨器連接中的所述源區(qū)連接到視頻信號(hào)輸出端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成象器件，其中所述多個(gè)象素排列成矩陣。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固態(tài)成象器件，其中每個(gè)都具有光檢測(cè)信號(hào)輸入端的多個(gè)開(kāi)關(guān)與多個(gè)垂直輸出線(xiàn)、光檢測(cè)信號(hào)輸出端和水平掃描信號(hào)輸入端連接，每個(gè)垂直輸出線(xiàn)與屬于該矩陣的一列的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述源區(qū)相連；用于選擇給矩陣的每行輸送漏電壓的漏電壓掃描電路與多個(gè)漏電壓輸送線(xiàn)連接，每個(gè)漏電壓輸送線(xiàn)與屬于矩陣的一行的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述漏區(qū)連接，以給所述漏區(qū)傳送漏電壓；用于選擇給矩陣的所述每行輸送垂直掃描信號(hào)的垂直掃描信號(hào)驅(qū)動(dòng)器電路與多個(gè)垂直掃描信號(hào)輸送線(xiàn)連接，所述垂直掃描信號(hào)輸送線(xiàn)與屬于矩陣的一行的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述柵極連接，以給所述柵極傳送垂直掃描信號(hào)；用于選擇給矩陣的所述每列輸送水平掃描信號(hào)的水平掃描信號(hào)驅(qū)動(dòng)器電路與多個(gè)水平掃描信號(hào)輸送線(xiàn)連接，每個(gè)水平掃描信號(hào)輸送線(xiàn)把水平掃描信號(hào)傳輸給所述開(kāi)關(guān)的所述水平掃描信號(hào)輸入端，用于選擇一條垂直輸出線(xiàn)；和在與用所述垂直和水平掃描信號(hào)驅(qū)動(dòng)器電路選擇的一個(gè)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管耦合時(shí)用于形成源跟隨器電路的負(fù)載電路，與公共水平輸出線(xiàn)連接，該輸出線(xiàn)與所述開(kāi)關(guān)的所述光檢測(cè)信號(hào)輸出端連接，其中所述源跟隨器電路的源端適用于提供視頻信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的固態(tài)成象器件，其中所述固態(tài)成象器件是單片式集成電路。
10.一種檢測(cè)光信號(hào)的方法，包括以下步驟通過(guò)信號(hào)光在p型阱區(qū)中產(chǎn)生電子和空穴；將所述光生電子和空穴中的空穴轉(zhuǎn)移到p型重?fù)诫s掩埋層，該重?fù)诫s掩埋層被掩埋在形成在所述p型阱區(qū)中的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的n型源區(qū)附近并被以高于所述p型阱區(qū)的濃度摻雜，以在所述重?fù)诫s掩埋層中積累所述轉(zhuǎn)移空穴，由此根據(jù)所述積累的空穴量改變所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓；讀出所述閾值電壓的變化，作為被接收的所述信號(hào)光的量。
11.一種檢測(cè)光信號(hào)的方法，包括以下步驟通過(guò)信號(hào)光在n型阱區(qū)中產(chǎn)生電子和空穴；將所述光生電子和空穴中的電子轉(zhuǎn)移到n型重?fù)诫s掩埋層，該重?fù)诫s掩埋層被掩埋在形成在所述n型阱區(qū)中的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的p型源區(qū)附近并被以高于所述n型阱區(qū)的濃度摻雜，以在所述重?fù)诫s掩埋層中積累所述轉(zhuǎn)移電子，由此根據(jù)所述積累的電子量改變所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓；讀出所述閾值電壓的變化，作為被接收的所述信號(hào)光的量。
12.使用根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成象器件檢測(cè)光信號(hào)的方法，其中每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述襯底，所述阱區(qū)，和所述重?fù)诫s掩埋層是p型的，所述半導(dǎo)體層具有第二導(dǎo)電類(lèi)型，所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述雜質(zhì)區(qū)，所述漏區(qū)，和所述源區(qū)是n型的，所述方法包括以下步驟為了給所述阱區(qū)和所述重?fù)诫s掩埋層初始化，給所述雜質(zhì)區(qū)、所述漏區(qū)、所述柵極和所述源區(qū)施加高于所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作電壓的電壓，空穴從所述阱區(qū)和所述重?fù)诫s掩埋層通過(guò)所述半導(dǎo)體襯底射出，電子從所述阱區(qū)通過(guò)所述雜質(zhì)區(qū)、所述漏區(qū)和所述源區(qū)射出，由此耗盡所述阱區(qū)和所述重?fù)诫s掩埋層；通過(guò)照射所述光電二極管在所述阱區(qū)中產(chǎn)生空穴和電子；給所述雜質(zhì)區(qū)和所述漏區(qū)施加工作電壓，給所述柵極施加電壓，以使絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述柵區(qū)的電勢(shì)低于所述光電二極管的電勢(shì)，由此通過(guò)大部分所述阱區(qū)轉(zhuǎn)移所述光生空穴并把它們積累在所述重?fù)诫s掩埋層中；給所述漏區(qū)和所述柵極施加工作電壓，由此形成沿著所述漏區(qū)和用所述光生空穴充電的所述重?fù)诫s掩埋層上的所述源區(qū)之間的溝道區(qū)域的長(zhǎng)度具有弱電場(chǎng)的反型區(qū)域，沿著除了所述反型區(qū)域以外的所述溝道區(qū)域的長(zhǎng)度方向建立強(qiáng)電場(chǎng)；給所述漏區(qū)和所述柵極施加工作電壓，以使所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管在飽和條件下可工作；和再現(xiàn)所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管以形成源跟隨器連接，由此把由于積累在所述重?fù)诫s掩埋層中的所述光生空穴引起的所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓的變化轉(zhuǎn)換為所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述源區(qū)的電勢(shì)的變化，所述源區(qū)的所述電勢(shì)表示所述光生電荷的量和代表所檢測(cè)到的光量。
13.使用根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成象器件檢測(cè)光信號(hào)的方法，其中每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述襯底、所述阱區(qū)、和所述重?fù)诫s掩埋層是n型的，所述半導(dǎo)體具有第二導(dǎo)電類(lèi)型，所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述雜質(zhì)區(qū)、所述漏區(qū)、和所述源區(qū)是p型的，所述方法包括以下步驟為了給所述阱區(qū)和所述重?fù)诫s掩埋層初始化，給所述雜質(zhì)區(qū)、所述漏區(qū)、所述柵極、和所述源區(qū)施加高于所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作電壓的電壓，由此電子從所述阱區(qū)和所述重?fù)诫s掩埋層通過(guò)所述半導(dǎo)體襯底射出，空穴從所述阱區(qū)通過(guò)所述雜質(zhì)區(qū)、所述漏區(qū)和所述源區(qū)射出，由此耗盡所述阱區(qū)和所述重?fù)诫s掩埋層；通過(guò)照射所述光電二極管在所述阱區(qū)中產(chǎn)生空穴和電子；給所述雜質(zhì)區(qū)和所述漏區(qū)，所述柵極、和所述源區(qū)施加幅度大于工作電壓的負(fù)電壓，以使所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述柵區(qū)的電勢(shì)高于所述光電二極管的電勢(shì)，由此將光生電子通過(guò)所述阱區(qū)轉(zhuǎn)移并將它們積累在所述重?fù)诫s掩埋層中；給所述漏區(qū)和所述柵極施加工作電壓，由此形成沿著所述漏區(qū)和用所述光生電子充電的所述重?fù)诫s掩埋層上的所述源區(qū)之間的溝道區(qū)域的長(zhǎng)度具有弱電場(chǎng)的反型區(qū)域，沿著除了所述反型區(qū)域以外的所述溝道區(qū)域的長(zhǎng)度方向建立強(qiáng)電場(chǎng)；給所述漏區(qū)和所述柵極施加工作電壓，以使所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管在飽和條件下可工作；再現(xiàn)所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管以形成源跟隨器連接，由此將由于積累在所述重?fù)诫s掩埋層中的光生電子引起的所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓的變化轉(zhuǎn)換為所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述源區(qū)的電勢(shì)的變化，所述源區(qū)的電勢(shì)表示所述光生電荷的量并代表所檢測(cè)到的光量。
全文摘要
本發(fā)明是使用成象器件檢測(cè)光信號(hào)的方法,該方法包括以下步驟:通過(guò)信號(hào)光在光電二極管的阱區(qū)15中產(chǎn)生光生空穴,通過(guò)大部分阱區(qū)15把光生空穴轉(zhuǎn)移到形成在源區(qū)16附近的阱區(qū)15中的重?fù)诫s掩埋層25中,重?fù)诫s掩埋層25用比絕緣柵FET的阱區(qū)15重的雜質(zhì)摻雜,在重?fù)诫s掩埋層25中儲(chǔ)存光生空穴,由此與光生電荷的量相對(duì)應(yīng)改變FET的閾值電壓,讀取閾值電壓的變化,作為被光傳感器接收的信號(hào)光的量。
文檔編號(hào)H04N5/355GK1241037SQ98125340
公開(kāi)日2000年1月12日 申請(qǐng)日期1998年12月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月1日
發(fā)明者三井田高 申請(qǐng)人:高揚(yáng)科技公司