專利名稱：電荷存儲單元以及圖像傳感器像素電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電荷存儲單元以及圖像傳感器像素電路。
背景技術(shù)：
CMOS圖像傳感器是一種使用CMOS制造工藝制造的、將圖像的光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號以供傳輸和處理的半導(dǎo)體器件。CMOS圖像傳感器一般由感光區(qū)域和信號處理電路構(gòu)成。目前常見的CMOS圖像傳感器是有源像素型圖像傳感器(APS)，其中又分為三管圖像傳感器(3T)和四管圖像傳感器(4T)兩大類。對于傳統(tǒng)的3T型像素電路，為了提高傳感器的動態(tài)范圍，會采用分長短兩次曝光時(shí)間的模式，分別采集暗光信號和亮光信號，最后通過后端信號處理得到更大的動態(tài)范圍。附圖1所示是現(xiàn)有技術(shù)中二次曝光的3T型圖像傳感器的像素電路結(jié)構(gòu)，包括感光二極管D0，復(fù)位晶體管Ml、放大晶體管M2、行選擇晶體管M3、曝光控制晶體管M4和電容C。 感光二極管DO的正極接地，負(fù)極接復(fù)位晶體管Ml的源極，復(fù)位晶體管Ml的漏極接工作電壓Vdd，柵極接復(fù)位控制信號；放大晶體管M2的柵極接感光二極管的正極與復(fù)位晶體管Ml 的源極的共連接端，漏極接工作電壓Vdd，源極接行選擇晶體管M3的漏極；行選擇晶體管M3 的源極為輸出端，柵極接行選控制信號。曝光控制晶體管M4的漏極接感光二極管DO的正極與復(fù)位晶體管Ml的源極的共連接端，源極接電容C的第一端，電容C的第二端接地，曝光控制晶體管M4的柵極接曝光控制信號。這種結(jié)構(gòu)的像素比起傳統(tǒng)的3T型圖像傳感器，多了一個(gè)電荷儲存單元，由曝光控制晶體管M4和電容C組成。在第一曝光結(jié)束后，打開曝光控制晶體管M4，將信號保存在電容C上，第二次曝光則直接通過放大管讀出，并結(jié)合第一次曝光保存在電容C上的電荷，這樣就能將前后兩次曝光后的信號讀出，提高其動態(tài)范圍。但是附圖1所示的結(jié)構(gòu)會存在電容C中的電荷泄露的問題，不能長時(shí)間保存圖像，同時(shí)對于外界的干擾會比較敏感，特別是在輻照情況下，數(shù)據(jù)很容易發(fā)生錯(cuò)誤。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種電荷存儲單元以及圖像傳感器像素電路，保證像素電路掉電之后仍能保持像素的電信號不丟失，并在恢復(fù)供電之后能夠讀出掉電前的像素信號。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種電荷儲存單元，具有一輸入端和一輸出端， 所述電荷儲存單元包括曝光控制晶體管、輸出晶體管和相變電阻所述曝光控制晶體管的漏/源極為所述電荷儲存單元的輸入端，源/漏極連接至所述相變電阻的第一端；所述相變電阻的第二端接地；所述輸出晶體管的漏/源極連接至曝光控制晶體管的漏/源極與感光二極管的負(fù)極的共連接端，源/漏極為所述電荷存儲單元的輸出端，柵極接輸出控制信號?？蛇x的，所述相變電阻包括相變材料層，可編程體、絕緣體以及加熱體，所述可編程體嵌入在相變材料層的表面，所述加熱體設(shè)置在可編程體的暴露表面，所述絕緣體包裹所述加熱體。可選的，所述相變電阻設(shè)置在形成晶體管的半導(dǎo)體襯底表面的布線層中。本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種圖像傳感器像素電路，包括一感光二極管，進(jìn)一步包括上述的電荷儲存單元，所述電荷存儲單元的輸入端連接至感光二極管的負(fù)極，輸出端連接至信號線。可選的，進(jìn)一步包括復(fù)位晶體管、放大晶體管、和行選擇晶體管，感光二極管的正極接地，負(fù)極接復(fù)位晶體管的源極，復(fù)位晶體管的漏極接工作電壓，柵極接復(fù)位控制信號； 放大晶體管的柵極接感光二極管的正極與復(fù)位晶體管的源極的共連接端，漏極接工作電壓，源極接行選擇晶體管的漏極；行選擇晶體管的源極為輸出端，柵極接行選控制信號。可選的，進(jìn)一步包括傳輸晶體管，所述感光二極管進(jìn)一步是通過傳輸晶體管的源極和漏極連接至復(fù)位晶體管的源極，以及連接至電荷存儲單元的輸入端?？蛇x的，所述相變電阻包括相變材料層，可編程體、絕緣體以及加熱體，所述可編程體嵌入在相變材料層的表面，所述加熱體設(shè)置在可編程體的暴露表面，所述絕緣體包裹所述加熱體?？蛇x的，所述相變電阻設(shè)置在形成晶體管的半導(dǎo)體襯底表面的布線層中。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，相變電阻會在非晶狀態(tài)和晶體狀態(tài)間切換，隨著感光二極管提供的光電壓的形成不同的阻值，電壓越大，阻值越小，因此能夠儲存光信號，最后通過外加的驅(qū)動電流讀出電壓信號。因?yàn)殡娮柚荡_定之后，相變材料的狀態(tài)不會隨外界溫度或者輻照產(chǎn)生變化，并且相變材料本身具有不揮發(fā)性、功耗低、讀寫速度快的優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)一步地，將相變電阻設(shè)置于半導(dǎo)體襯底的表面的布線層中，因此在輻射環(huán)境中不會受到由于輻射所致的襯底硅中載流子積累而對器件電學(xué)性能造成的影響，故能應(yīng)用于宇宙空間等場合。


附圖1所示是現(xiàn)有技術(shù)中二次曝光的3T型圖像傳感器的像素電路結(jié)構(gòu)； 附圖2是本發(fā)明第一具體實(shí)施方式
所述圖像傳感器像素電路的電路附圖3是附圖2所示相變電阻與形成晶體管的半導(dǎo)體襯底之間的位置關(guān)系示意圖，以及相變電阻的結(jié)構(gòu)示意附圖4是本發(fā)明第二具體實(shí)施方式
所述圖像傳感器像素電路的電路圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的電荷存儲單元以及圖像傳感器像素電路的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)說明。如無特殊說明，本具體實(shí)施方式
所稱“接”和“連接”均指電學(xué)連接，意指前后兩端口在電學(xué)上是導(dǎo)通的。首先結(jié)合附圖介紹本發(fā)明所述電荷存儲單元以及圖像傳感器像素電路的第一具體實(shí)施方式
。 附圖2所示是本具體實(shí)施方式
所述像素電路的電路圖，包括感光二極管DO、復(fù)位晶體管Ml、放大晶體管M2、行選擇晶體管M3以及電荷儲存單元U1。所述電荷存儲單元Ul 的輸入端連接至感光二極管的負(fù)極D0，輸出端連接至信號線。電荷儲存單元Ul具有一輸入端和一輸出端，所述電荷儲存單元Ul包括曝光控制晶體管M4、輸出晶體管M5和相變電阻 R0。所述曝光控制晶體管M4的漏極為所述電荷儲存單元Ul的輸入端，源極連接至所述相變電阻RO的第一端；所述相變電阻RO的第二端接地；所述輸出晶體管M5的漏極連接至曝光控制晶體管M4的漏極與感光二極管DO的負(fù)極的共連接端，源極為所述電荷存儲單元Ul 的輸出端，柵極接輸出控制信號。附圖2所示的電路圖是在傳統(tǒng)的3T型像素電路基礎(chǔ)上添加的電荷存儲單元U1。 復(fù)位晶體管Ml、放大晶體管M2和行選擇晶體管M3構(gòu)成典型的3T型像素電路。感光二極管 DO的正極接地，負(fù)極接復(fù)位晶體管Ml的源極，復(fù)位晶體管Ml的漏極接工作電壓Vdd，柵極接復(fù)位控制信號；放大晶體管M2的柵極接感光二極管的正極與復(fù)位晶體管Ml的源極的共連接端，漏極接工作電壓Vdd，源極接行選擇晶體管M3的漏極；行選擇晶體管M3的源極為輸出端，柵極接行選控制信號。工作時(shí)，先打開復(fù)位晶體管M1，復(fù)位感光二極管D0，然后打開曝光控制晶體管M4， 復(fù)位相變電阻R0。第一次曝光后打開曝光控制晶體管M4，將信號寫入相變電阻R0，使相變電阻RO中的相變材料由非晶轉(zhuǎn)化為多晶，阻值降低。然后繼續(xù)進(jìn)行第二次曝光，感光二極管DO第二次曝光的信號通過放大晶體管M2和行選擇晶體管M3直接讀出到信號線，而第二次曝光同時(shí)關(guān)閉曝光控制晶體管M4并打開輸出晶體管M5，使相變電阻RO第一端的電壓信號通過TX3讀出到信號線。讀出完畢后需要對相變電阻RO進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位操作是通過控制復(fù)位晶體管Ml在工作電壓Vdd處得到一個(gè)短而強(qiáng)的電壓脈沖，將相變電阻RO重置為高阻態(tài)。在本具體實(shí)施方式
中，所述相變電阻RO設(shè)置在形成晶體管的半導(dǎo)體襯底表面的布線層中，附圖3是附圖2所述相變電阻RO與形成晶體管的半導(dǎo)體襯底300之間的位置關(guān)系示意圖，以及相變電阻RO的結(jié)構(gòu)示意圖。所述相變電阻RO包括相變材料層311，可編程體312、絕緣體313以及加熱體314，所述可編程體312嵌入在相變材料層311的表面，所述加熱體314設(shè)置在可編程體312的暴露表面，所述絕緣體313包裹所述加熱體314。不同強(qiáng)度的電流經(jīng)過加熱體314到達(dá)可編程體312后，利用電流的局部焦耳熱效應(yīng)，改變周圍的可寫入容量。在經(jīng)過強(qiáng)電流和快速冷卻后，相變材料層311被冷卻成非晶體狀態(tài)，導(dǎo)致電阻率增大。若恢復(fù)相變材料層311的晶體狀態(tài)，使材料的電阻率變小，只需要施加中等強(qiáng)度的電流，脈沖時(shí)間較長。所述相變電阻RO還包括上電極331和下電極332，分別與相變材料層311和加熱體314接觸，以形成和外界的電學(xué)連接。上述三層堆疊結(jié)構(gòu)以及上下電極均設(shè)置在半導(dǎo)體襯底300表面的布線層中，并通過金屬引線351與曝光控制晶體管M4和形成電學(xué)連接，通過金屬引線352接地(詳細(xì)的連接關(guān)系請參考附圖2所示的電路圖)。需要指出的是，附圖3的目的僅在于表明三者之間的位置關(guān)系，故對曝光控制晶體管M4僅繪制出結(jié)構(gòu)輪廓，并未作詳細(xì)繪示。上述設(shè)置方式的優(yōu)點(diǎn)在于，將相變電阻RO設(shè)置于半導(dǎo)體襯底 300的表面的布線層中，因此在輻射環(huán)境中不會受到由于輻射所致的襯底硅中載流子積累而對器件電學(xué)性能造成的影響，故能應(yīng)用于宇宙空間等場合。本具體實(shí)施方式
的相變電阻RO是制作在硅上的電介質(zhì)中，分別采用兩層金屬作為相變電阻RO的上下電極。在室溫環(huán)境中，基于第六族元素的某些金屬(硫族化合物)的晶態(tài)和非晶態(tài)的穩(wěn)定性非常好，其中GeSbTe是較佳的相變材料層311的選擇。寫操作時(shí)，感光二極管DO上產(chǎn)生的光電壓使相變存儲器變成相應(yīng)的阻值。讀取時(shí)則通過打開輸出晶體管M5，通過信號線的驅(qū)動電流讀出相變電阻RO第一端的電壓值。復(fù)位時(shí)，電流經(jīng)過加熱體314到達(dá)硫化物的可編程體312，利用局部焦耳熱效應(yīng)， 改變接觸區(qū)周圍的可寫入容量。在經(jīng)過強(qiáng)電流和快速冷卻后，材料被冷卻成非晶體狀態(tài)，使得電阻率增大。切換到非晶體狀態(tài)通常用時(shí)不足100ns，單元的熱時(shí)間常量通常僅為幾納秒。采用相變材料的存儲單元中，可編程體312會在非晶狀態(tài)和晶體狀態(tài)間切換。隨著感光二極管DO提供的光電壓的形成不同的阻值，電壓越大，阻值越小，因此能夠儲存光信號，最后通過外加的驅(qū)動電流讀出電壓信號。因?yàn)殡娮柚荡_定之后，相變材料的狀態(tài)不會隨外界溫度或者輻照產(chǎn)生變化，并且相變材料本身具有不揮發(fā)性、功耗低、讀寫速度快的優(yōu)
點(diǎn)ο接下來結(jié)合附圖介紹本發(fā)明所述電荷存儲單元以及圖像傳感器像素電路的第二具體實(shí)施方式
。附圖4所示是本具體實(shí)施方式
所述像素電路的電路圖，與前一具體實(shí)施方式
不同的，本具體實(shí)施方式
進(jìn)一步包括傳輸晶體管M6，所述感光二極管DO進(jìn)一步是通過傳輸晶體管M6的源極和漏極連接至復(fù)位晶體管Ml的源極，以及連接至電荷存儲單元Ul的輸入端。 附圖4所示的電路圖是在傳統(tǒng)的4T型像素電路基礎(chǔ)上添加的電荷存儲單元U1，在第一和第二曝光階段需要打開傳輸晶體管M6以提高曝光效率。關(guān)于本具體實(shí)施方式
所示電路的原理以及優(yōu)點(diǎn)，請參考前一具體實(shí)施方式
的內(nèi)容以上有關(guān)晶體管的連接關(guān)系中，源極和漏極均可對調(diào)，原則上并不影響到正常的信號邏輯。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種電荷儲存單元，其特征在于，具有一輸入端和一輸出端，所述電荷儲存單元包括曝光控制晶體管、輸出晶體管和相變電阻所述曝光控制晶體管的漏/源極為所述電荷儲存單元的輸入端，源/漏極連接至所述相變電阻的第一端；所述相變電阻的第二端接地； 所述輸出晶體管的漏/源極連接至曝光控制晶體管的漏/源極與感光二極管的負(fù)極的共連接端，源/漏極為所述電荷存儲單元的輸出端，柵極接輸出控制信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷儲存單元，其特征在于，所述相變電阻包括相變材料層， 可編程體、絕緣體以及加熱體，所述可編程體嵌入在相變材料層的表面，所述加熱體設(shè)置在可編程體的暴露表面，所述絕緣體包裹所述加熱體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷儲存單元，其特征在于，所述相變電阻設(shè)置在形成晶體管的半導(dǎo)體襯底表面的布線層中。
4.一種圖像傳感器像素電路，包括一感光二極管，其特征在于，進(jìn)一步包括權(quán)利要求1 所述的電荷儲存單元，所述電荷存儲單元的輸入端連接至感光二極管的負(fù)極，輸出端連接至信號線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器像素電路，其特征在于，進(jìn)一步包括復(fù)位晶體管、 放大晶體管、和行選擇晶體管，感光二極管的正極接地，負(fù)極接復(fù)位晶體管的源極，復(fù)位晶體管的漏極接工作電壓，柵極接復(fù)位控制信號；放大晶體管的柵極接感光二極管的正極與復(fù)位晶體管的源極的共連接端，漏極接工作電壓，源極接行選擇晶體管的漏極；行選擇晶體管的源極為輸出端，柵極接行選控制信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的圖像傳感器像素電路，其特征在于，進(jìn)一步包括傳輸晶體管， 所述感光二極管進(jìn)一步是通過傳輸晶體管的源極和漏極連接至復(fù)位晶體管的源極，以及連接至電荷存儲單元的輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器像素電路，其特征在于，所述相變電阻包括相變材料層，可編程體、絕緣體以及加熱體，所述可編程體嵌入在相變材料層的表面，所述加熱體設(shè)置在可編程體的暴露表面，所述絕緣體包裹所述加熱體。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器像素電路，其特征在于，所述相變電阻設(shè)置在形成晶體管的半導(dǎo)體襯底表面的布線層中。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電荷儲存單元，具有一輸入端和一輸出端，所述電荷儲存單元包括曝光控制晶體管、輸出晶體管和相變電阻所述曝光控制晶體管的漏/源極為所述電荷儲存單元的輸入端，源/漏極連接至所述相變電阻的第一端；所述相變電阻的第二端接地；所述輸出晶體管的漏/源極連接至曝光控制晶體管的漏/源極與感光二極管的負(fù)極的共連接端，源/漏極為所述電荷存儲單元的輸出端，柵極接輸出控制信號。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，相變電阻會在非晶狀態(tài)和晶體狀態(tài)間切換，因此能夠儲存光信號，最后通過外加的驅(qū)動電流讀出電壓信號。并且相變材料的狀態(tài)不會隨外界溫度或者輻照產(chǎn)生變化，并且相變材料本身具有不揮發(fā)性、功耗低、讀寫速度快的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G11C19/28GK102544050SQ20111044497
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者丁毅嶺, 方娜, 汪輝, 田犁, 陳杰 申請人:上海中科高等研究院