[發(fā)明專利]具有降低工藝變化敏感度的成像器光電二極管電容器結(jié)構(gòu)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810096766.9
• 申請(qǐng)日: 2004-07-30
• 公開（公告）號(hào): CN101290945A
• 公開（公告）日: 2008-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: B·A·麥克盧爾
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 微米技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): H01L27/146
• 分類號(hào): H01L27/146;H01L27/148;H01L27/12;H01L23/522;H01L21/822;H01L21/84;H01L21/768
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 曾祥夌;王小衡

本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?00480028774X、申請(qǐng)日為2004年7月30日、發(fā)明名稱為“具有降低工藝變化敏感度的成像器光電二極管電容器結(jié)構(gòu)”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一般涉及成像器件，更具體地說，涉及具有串聯(lián)陣列電容器的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)像素單元。

背景技術(shù)

成像器件，包括電荷耦合器件(CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)傳感器，已廣泛使用在光電成像應(yīng)用中。

示范CMOS成像電路，其工藝步驟以及成像電路中各種CMOS元件功能的詳細(xì)說明在以下專利中進(jìn)行了描述，例如：授予Rhodes的美國專利No.6,140,630、授予Rhodes的美國專利No.6,376,868、授予Rhodes等人的美國專利No.6,310,366、授予Rhodes的美國專利No.6,326,652、授予Rhodes的美國專利No.6,204,524、授予Rhodes的美國專利No.6,333,205以及美國專利申請(qǐng)公布No.2002/0117690。上述每個(gè)專利的公開內(nèi)容都通過引用結(jié)合在本文中。

成像器，例如CMOS成像器，包括像素單元的焦面陣列，每個(gè)單元包括光敏器件，例如光門(photogate)、光電導(dǎo)體或疊加在襯底上的光電二極管，用于在襯底的摻雜區(qū)中產(chǎn)生光生成的電荷。每個(gè)像素單元配有一個(gè)讀出電路，該電路包括至少一個(gè)源跟隨器晶體管和行選擇晶體管，用于將源跟隨器晶體管連接到列輸出線。像素單元通常還有一個(gè)浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)，它連接到源跟隨器晶體管的柵極。光敏器件產(chǎn)生的電荷被傳送到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)。成像器還可包括：轉(zhuǎn)移晶體管，用于將電荷從光敏器件轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)；以及復(fù)位晶體管，用于在電荷轉(zhuǎn)移前將浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)復(fù)位到預(yù)定的電荷電平。

圖1示出了圖像傳感器例如CMOS成像器的常規(guī)像素單元10。像素單元10通常包括光電二極管12，它具有p型區(qū)12a和n型區(qū)12b，都在p型襯底14中。該像素還包括具有關(guān)聯(lián)柵極16的轉(zhuǎn)移晶體管、在更重?fù)诫s的p型阱20中形成的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)18以及具有關(guān)聯(lián)柵極22的復(fù)位晶體管。打到光電二極管12的p型區(qū)12a表面的光子產(chǎn)生電子，這些電子聚集在光電二極管12的n型區(qū)12b。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵極16導(dǎo)通時(shí)，因光電二極管12和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)18之間存在的電位差，n型區(qū)12b中的光生電子就轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)18。浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)18連接到源跟隨器晶體管24的柵極，其接收由浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)18暫時(shí)存儲(chǔ)的電荷，并將電荷轉(zhuǎn)移到行選擇晶體管的第一源/漏端子和關(guān)聯(lián)柵極26。當(dāng)行選擇信號(hào)RS走高時(shí)，光生電荷就轉(zhuǎn)移到列線28，在此再由采樣/保持電路和信號(hào)處理電路(未示出)處理。

在圖1所示的像素單元10的工作中，光電二極管12中累積的電荷通常由轉(zhuǎn)移晶體管柵極16轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)18。當(dāng)光電二極管12中累積的電荷達(dá)到預(yù)定電平時(shí)，轉(zhuǎn)移晶體管柵極16被激活。一旦被激活，電荷就從光電二極管12轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)18。

與圖1的像素單元10相關(guān)聯(lián)的一個(gè)問題是，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)18吸收電荷僅能達(dá)到其飽和電平。一旦浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)18已達(dá)到其飽和電平，它對(duì)來自光電二極管12的電子就不再有任何反應(yīng)。光電二極管12中不再能轉(zhuǎn)移到飽和的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)18的“剩余”電荷通常被轉(zhuǎn)移到鄰近的像素單元，以及它們的相關(guān)聯(lián)電荷收集區(qū)。剩余電荷常導(dǎo)致鄰近像素單元中的成像滯后和“散焦”。散焦是由于電荷從一個(gè)像素單元溢出到下一像素單元而引起的，并可在所得圖像中形成亮斑或條紋。

參閱圖2，增加像素單元10中浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)18的存儲(chǔ)容量的一個(gè)方法是形成電容器34(稱為陣列電容器)，將其電連接到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)18。示范CMOS成像電路、其工藝步驟以及具有連接到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的電容器的CMOS成像器的功能詳細(xì)說明在授予Rhodes的美國專利申請(qǐng)公布No.2002/0117690中描述了。上述專利的公開內(nèi)容通過引用全部結(jié)合在本文中。

雖然添加陣列電容器34增加了浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)18的容量，從而可有更高的飽和極限，但將電容器添加到像素單元上有其自身的缺點(diǎn)。例如，電容器34通常是和外圍電容器(形成在像素單元之外的那些)同時(shí)形成的。外圍電容器是像素單元10外部的采樣保持電路的一部分，并用來存儲(chǔ)基準(zhǔn)(全信號(hào))和每個(gè)像素單元10的關(guān)聯(lián)光電二極管12的輸出信號(hào)。外圍電容器通常形成為具有比連接到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)18的陣列電容器34所需電容更高的電容。具有高電容的陣列電容器34導(dǎo)致某些問題，包括成像滯后和電荷轉(zhuǎn)移效率低。所以，理想的是，像素單元10中的陣列電容器34應(yīng)具有低于外圍電容器的電容。