專利名稱：使用負(fù)向到正向電壓擺動(dòng)轉(zhuǎn)換晶體管的主動(dòng)式像素單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種應(yīng)用于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器中的主動(dòng)像素，更具體是關(guān)于一種低電壓針插光電二極管。
背景技術(shù)：
集成電路技術(shù)已經(jīng)使各種領(lǐng)域包括計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)、無(wú)線電通信和成像的領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化。在成像領(lǐng)域中，電荷耦合裝置(CCD)由于制造和性能特點(diǎn)，包括相對(duì)低的價(jià)格和小尺寸，而被普遍使用。然而，成像所需的固態(tài)的CCD集成電路難以制造并因此價(jià)格昂貴。另外，由于CCD集成電路的制造所涉及的不同的處理與MOS集成電路有關(guān)，因而圖像傳感器的信號(hào)處理部分通常設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的集成芯片上。這樣，一個(gè)CCD成像裝置包括至少兩個(gè)集成電路一個(gè)用于CCD傳感器，而一個(gè)用于信號(hào)處理邏輯。
另一種圖像傳感器是CMOS主動(dòng)像素傳感器。如授權(quán)給Lee等人的美國(guó)專利NO.5,625,210(210專利)中所述，主動(dòng)像素傳感器指的是具有例如晶體管的主動(dòng)裝置的電子圖像傳感器，它與每一像素關(guān)聯(lián)。鑒于CMOS的制造技術(shù)，主動(dòng)像素傳感器具有能夠在相同的集成電路上將信號(hào)處理和傳感電路結(jié)合在一起的優(yōu)點(diǎn)。
一個(gè)普及的主動(dòng)像素傳感器結(jié)構(gòu)包括四個(gè)晶體管和一個(gè)針插光電二極管。針插光電二極管優(yōu)點(diǎn)在于它對(duì)藍(lán)色的光具有可靠的良好顏色響應(yīng)，并且在暗電流密度和圖像滯后方面也有利。通過(guò)將二極管表面電壓經(jīng)過(guò)P+區(qū)牽引到P井或P襯底(GND)來(lái)實(shí)現(xiàn)減少暗電流。
通常，希望在光電二極管中盡可能地積累電荷，以提高信號(hào)電平。然而，具有增強(qiáng)的信號(hào)電平(由過(guò)多地積累電荷引起)，如果對(duì)于電荷遷移來(lái)說(shuō)接合面不是最佳的話，這導(dǎo)致圖像滯后，圖像滯后是由從二極管遷移到懸置輸出節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)電荷的不完全遷移而引起的。這也被稱為針插光電二極管N井的非完全復(fù)位或非完全耗盡。可在由Ramaswami等人發(fā)表的“Characterization of Pixel Response Timeand Image Lag in CMOS Sensor”中找到關(guān)于這種現(xiàn)象的討論。N井的非完全耗盡狀態(tài)在低電壓操作(例如2.5伏特或更低)時(shí)特別明顯。由于集成電路裝置縮小和柵極氧化物變得更薄，低電壓操作變得越來(lái)越普遍。
因此，希望具有一種使用一個(gè)針插光電二極管的主動(dòng)像素，該針插光電二極管具有高電荷積累的能力，甚至在低電壓操作也能使光電二極管完全復(fù)位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明揭示了一種像素傳感器單元，該單元包括一個(gè)針插光電二極管；一個(gè)設(shè)置在該針插光電二極管和一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)之間的傳輸晶體管，該傳輸晶體管是一個(gè)耗盡型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管；一個(gè)耦合在一個(gè)高電壓軌道Vdd和該輸出節(jié)點(diǎn)之間的復(fù)位晶體管；以及一個(gè)輸出晶體管，該輸出晶體管的柵極被耦合至該輸出節(jié)點(diǎn)。
本發(fā)明還關(guān)于一種CMOS圖像傳感器，其包括多個(gè)設(shè)置成行和列的主動(dòng)像素，所述主動(dòng)像素中至少一個(gè)包括一個(gè)針插光電二極管；一個(gè)設(shè)置在該針插光電二極管和一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)之間的傳輸晶體管，該傳輸晶體管是一個(gè)耗盡型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管；一個(gè)耦合在一個(gè)高電壓軌道Vdd和該輸出節(jié)點(diǎn)之間的復(fù)位晶體管；以及一個(gè)輸出晶體管，該輸出晶體管的柵極被耦合至該輸出節(jié)點(diǎn)。該圖像傳感器還包括一個(gè)用于接收所述主動(dòng)像素的輸出的處理電路以及一個(gè)用于將所述CMOS圖像傳感器的所述主動(dòng)像素的輸出信號(hào)輸出的輸入/輸出電路。
本發(fā)明還關(guān)于一種用于CMOS圖像傳感器中的主動(dòng)像素，該主動(dòng)像素包括一個(gè)針插光電二極管、一個(gè)選擇性地將電荷從該針插光電二極管傳輸至一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的耗盡型傳輸晶體管、和一個(gè)耦合至該輸出節(jié)點(diǎn)、以便在一個(gè)復(fù)位周期過(guò)程中將該輸出節(jié)點(diǎn)復(fù)位為一個(gè)復(fù)位電壓的復(fù)位晶體管。


當(dāng)結(jié)合附圖時(shí)，本發(fā)明的前述方面和許多附加優(yōu)點(diǎn)將變得更容易了解，同時(shí)通過(guò)參考下列詳細(xì)的說(shuō)明將變得更好理解，其中圖1是背景技術(shù)的主動(dòng)像素的示意圖；圖2是圖1所述的背景技術(shù)的主動(dòng)像素的橫截面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明形成的主動(dòng)像素的示意圖；圖4是圖3所述主動(dòng)像素的橫截面圖；圖5是CMOS圖像傳感器的方框圖；具體實(shí)施方式
本發(fā)明關(guān)于一種為使用圖像傳感器而設(shè)計(jì)的主動(dòng)像素。為了提供本發(fā)明實(shí)施例的徹底的理解，在下面的描述中將給出大量特殊的細(xì)節(jié)說(shuō)明。相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本發(fā)明可在不使用這些特殊的細(xì)節(jié)或使用其他方式和組件等的情況下實(shí)現(xiàn)。換言之，為了避免本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例的方面不明顯，而未將公知的結(jié)構(gòu)或操作示出或未公知的結(jié)構(gòu)或操作進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
說(shuō)明書中始終參考的“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”意味著一個(gè)結(jié)合實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明的特殊的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)或特征包含在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。這樣，在整個(gè)說(shuō)明書中多處出現(xiàn)的措辭“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在實(shí)施例中”并不總是指相同的實(shí)施例。而且，這些特殊的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)或特征可以與一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中的任何合適的方式結(jié)合。
圖1和2示出了一個(gè)具有針插光電二極管103的主動(dòng)像素101的背景技術(shù)。針插光電二極管103是一個(gè)形成在P型襯底上的N井。在N井的頂上形成一個(gè)P+區(qū)。一個(gè)傳輸電柵(也被稱為傳輸晶體管)控制信號(hào)從針插光電二極管103到一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)107的傳輸。輸出節(jié)點(diǎn)107與一個(gè)源極跟隨晶體管109(也被稱為驅(qū)動(dòng)或輸出晶體管)的柵極相連。因此，輸出節(jié)點(diǎn)107上的信號(hào)被放大并送至列線性輸出111。利用一個(gè)行選擇晶體管(SEL)來(lái)選出將在列線性輸出111上讀取的特殊像素。通過(guò)一個(gè)行選擇線來(lái)控制行選擇晶體管。并且使用一個(gè)復(fù)位晶體管113來(lái)耗盡針插光電二極管中的信號(hào)。
為了允許在低電壓操作的情況下具有良好的耗盡特性，本發(fā)明對(duì)圖1和2中所述的背景技術(shù)中的針插光電二極管進(jìn)行了修改。本發(fā)明的針插光電二極管是利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造程序來(lái)形成的。在下面的描述中，N型摻雜較佳的摻雜物是磷，而P型摻雜的較佳摻雜物是硼。
本發(fā)明的針插光電二極管結(jié)構(gòu)的許多方面與圖1和2所示的類似。在通常的操作中，傳輸電柵105(用于背景技術(shù))從零伏特?cái)[動(dòng)到Vdd。圖像傳感器使用5.0伏特或3.3伏特Vdd的“軌道”，這導(dǎo)致一個(gè)5或3.3伏特的擺動(dòng)。用于耗盡光電二極管103的這個(gè)電壓擺動(dòng)數(shù)已經(jīng)被接受。
然而，對(duì)于新的集成電路處理，Vdd電壓可為1.8伏特、1.3伏特或更低。此時(shí)，傳輸電柵的柵極上的電壓擺動(dòng)不足以耗盡光電二極管。
參考圖3，示出了根據(jù)本發(fā)明形成的一個(gè)主動(dòng)像素301的示意圖。圖4示出了一個(gè)部分截面圖。主動(dòng)像素301在許多方面中與圖1所示的主動(dòng)像素類似。然而，可看出，在主動(dòng)像素301中使用了一個(gè)耗盡型傳輸電柵305。耗盡型傳輸電柵305(假如是一個(gè)NMOS晶體管)通常是在耗盡型晶體管305的門的下面摻入N型雜質(zhì)來(lái)形成的。在圖4中用參考符號(hào)401來(lái)表示摻入的N型雜質(zhì)。另外，可理解在此討論的摻雜物的極性是可以反向的。
由于使用了耗盡型傳輸電柵305，即使在0伏特，傳輸電柵也是導(dǎo)電的。因此，為了操作主動(dòng)像素301，在集成(聚光)期間，傳輸電柵305的柵極保持在某一負(fù)向電壓上。在一個(gè)實(shí)施例中，該負(fù)向電壓是-Vdd。然而，可理解負(fù)向電壓的準(zhǔn)確的大小可能是變化的，但是負(fù)向大小應(yīng)當(dāng)大于耗盡型傳輸電柵305的負(fù)向閾值電壓。
在一個(gè)實(shí)施例中，如果耗盡型傳輸電柵305具有一個(gè)-0.9伏特的閾值電壓，另外具有一個(gè)1.8伏特Vdd的片上軌道，那么耗盡型傳輸電柵305可以從任何地方保持在-1.8伏特至-0.9伏特之間。由于在集成電路上很容易獲得全-Vdd電壓，例如通過(guò)電荷泵方式，因此不管用何種方法來(lái)利用全-V電壓都是很方便的。并且，可在下面更詳細(xì)的細(xì)節(jié)中看出，在一些實(shí)施例中，耗盡型傳輸電柵305的閾值電壓被設(shè)計(jì)成接近-Vdd的值。
由于需要使用一個(gè)負(fù)向電壓以便使耗盡型傳輸電柵305周期地保持在關(guān)閉的狀態(tài)，因此在集成電路上提供一個(gè)-Vdd產(chǎn)生器307。在像素操作的集成或復(fù)位階段的過(guò)程中，-Vdd產(chǎn)生器307的信號(hào)被選擇性地供給耗盡型傳輸電柵305的柵極。
這樣，在耗盡型傳輸電柵305的標(biāo)準(zhǔn)操作過(guò)程中，耗盡型傳輸電柵305的柵極可從-Vdd擺動(dòng)到Vdd。這是圖1所示的背景技術(shù)傳輸電柵所獲得的電壓擺動(dòng)數(shù)的兩倍，圖1的傳輸電柵使用的是一個(gè)增強(qiáng)型傳輸電柵105?？煽吹?，保持低電壓操作的期間提供了電壓擺動(dòng)。
與增強(qiáng)型傳輸電柵相比，通過(guò)使用耗盡型傳輸電柵305得到相對(duì)大的電壓擺動(dòng)是有益的。首先，在復(fù)位期間，大電壓擺動(dòng)使得針插光電二極管103更容易耗盡。第二，可相信耗盡型傳輸電柵305的使用，使得在傳輸電柵305附近的表面上產(chǎn)生空穴積累，由此減少漏電流。
上述的主動(dòng)像素可被用于CMOS圖像傳感器1101的傳感器陣列。圖5特別地示出了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明形成的CMOS圖像傳感器。CMOS圖像傳感器包括一個(gè)傳感器陣列1103、一個(gè)處理器電路1105、一個(gè)輸入/輸出(I/O)1107、存儲(chǔ)器1109和總線1111。這些組件中的每一個(gè)最好形成在單個(gè)硅襯底上，并制造成將利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS處理把這些組件集成到單個(gè)芯片上。
傳感器陣列1103部分可以是例如大體上與本發(fā)明的受讓人一OmniVision Technologies，Inc.of sunnybale，CA制造的例如型號(hào)為OV7630、OV7920、OV7930、VO9620、OV9630、OV9610或OV7640的圖像傳感器的傳感器陣列部分類似，除了像素被在此揭露的主動(dòng)像素代替外。
更特別地，傳感器陣列1103包括多個(gè)獨(dú)立的被設(shè)置成二維陣列的像素。在操作中，當(dāng)將一個(gè)圖像聚焦到傳感器陣列1103上時(shí)，傳感器陣列1103可獲得原始圖像數(shù)據(jù)。
然后，處理器電路1105通過(guò)總線1111接收原始圖像數(shù)據(jù)，以便開(kāi)始信號(hào)處理。處理器電路1105能夠執(zhí)行一組實(shí)現(xiàn)集成電路1101的功能所必需的預(yù)編程指令(也許被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器1107中)。處理器電路1105可以是一個(gè)傳統(tǒng)的微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)或一個(gè)類神經(jīng)元電路。
雖然已經(jīng)顯示并描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是應(yīng)理解可在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出各種改變。例如，雖然可理解，通常示出的裝置使用了不同類型的P或N型材料，但是可以轉(zhuǎn)換成其他類型的材料以便產(chǎn)生類似的效果。例如，與其形成P+/N井/P襯底針插光電二極管，不如使用代替類型的材料來(lái)形成一個(gè)N+/P井/N襯底光電二極管。
而且，與其在一個(gè)四晶體管主動(dòng)像素傳感器中實(shí)現(xiàn)，不如使用例如一個(gè)雙晶體管、一個(gè)四晶體管或一個(gè)對(duì)數(shù)標(biāo)尺的其他類型的主動(dòng)像素傳感器實(shí)現(xiàn)。如前所述，在美國(guó)專利Nos.5,587,596、5,926,214、和5,933,190中示出了普通背景技術(shù)中這些其他類型的設(shè)計(jì)方法的一些示例。
這樣，結(jié)合一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例和幾個(gè)代替實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明。在閱讀上述說(shuō)明書后，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能夠在不脫離所揭露的主要的概念的情況下，作出各種改變、變更和同等替換。因此，意味著專利證書授予的范圍僅限于附加權(quán)利要求書和其等同物所包含的定義，而不限于在此描述的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種像素傳感器單元包括一個(gè)針插光電二極管；一個(gè)設(shè)置在該針插光電二極管和一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)之間的傳輸晶體管，該傳輸晶體管是一個(gè)耗盡型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管；一個(gè)耦合在一個(gè)高電壓軌道Vdd和該輸出節(jié)點(diǎn)之間的復(fù)位晶體管；以及一個(gè)輸出晶體管，該輸出晶體管的柵極被耦合至該輸出節(jié)點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的像素傳感器單元，進(jìn)一步包括一個(gè)行選擇晶體管，該行選擇晶體管的柵極被耦合至一個(gè)行選擇線，該行選擇晶體管的輸入被耦合至該輸出晶體管的輸出，并且該行選擇晶體管的輸出為該像素傳感器單元提供輸出。
3.如權(quán)利要求1所述的像素傳感器單元，其中，該輸出節(jié)點(diǎn)是該傳輸晶體管的源極，而所述針插光電二極管是所述傳輸晶體管的漏極。
4.如權(quán)利要求1所述的像素傳感器單元，進(jìn)一步包括一個(gè)負(fù)向電壓產(chǎn)生器，該產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)足以開(kāi)啟所述耗盡型傳輸晶體管的負(fù)向電壓。
5.如權(quán)利要求1所述的像素傳感器單元，其中所述的耗盡型傳輸晶體管具有一個(gè)接近Vdd的閾值電壓。
6.如權(quán)利要求1所述的像素傳感器單元，其中所述的耗盡型傳輸晶體管具有一個(gè)大體上為-0.9伏特或更低的閾值電壓。
7.如權(quán)利要求1所述的像素傳感器單元，其中該針插光電二極管是一個(gè)P+/N井/P襯底結(jié)構(gòu)，并且所述傳輸晶體管是一個(gè)N型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
8.如權(quán)利要求1所述的像素傳感器單元，其中該針插光電二極管是一個(gè)N+/P井/N襯底結(jié)構(gòu)，并且所述傳輸晶體管是一個(gè)P型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
9.一種CMOS圖像傳感器包括多個(gè)設(shè)置成行和列的主動(dòng)像素，所述主動(dòng)像素中至少一個(gè)包括a)一個(gè)針插光電二極管；b)一個(gè)設(shè)置在該針插光電二極管和一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)之間的傳輸晶體管，該傳輸晶體管是一個(gè)耗盡型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管；以及c)一個(gè)耦合在一個(gè)高電壓軌道Vdd和該輸出節(jié)點(diǎn)之間的復(fù)位晶體管；以及d)一個(gè)輸出晶體管，該輸出晶體管的柵極被耦合至該輸出節(jié)點(diǎn)；一個(gè)用于接收所述主動(dòng)像素的輸出的處理電路；以及一個(gè)用于將所述CMOS圖像傳感器的所述主動(dòng)像素的輸出信號(hào)輸出的輸入/輸出電路。
10.如權(quán)利要求9所述的圖像傳感器，其中所示主動(dòng)像素包括一個(gè)行選擇晶體管，該行選擇晶體管的柵極被耦合至一個(gè)行選擇線，該行選擇晶體管的輸入被耦合至該輸出晶體管的輸出端，并且該行選擇晶體管的輸出端給該像素傳感器單元提供輸出。
11.如權(quán)利要求9所述的圖像傳感器，其中該輸出節(jié)點(diǎn)是該傳輸晶體管的源極，而所述的針插光電二極管是所述傳輸晶體管的漏極。
12.如權(quán)利要求9所述的圖像傳感器，進(jìn)一步包括一個(gè)方向電壓產(chǎn)生器，該產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)足以關(guān)閉所述耗盡型傳輸晶體管的反向電壓。
13.如權(quán)利要求9所述的圖像傳感器，其中所述耗盡型傳輸晶體管具有一個(gè)接近Vdd的閾值電壓。
14.如權(quán)利要求9所述的圖像傳感器，其中所述耗盡型傳輸晶體管具有一個(gè)大體上為-0.9伏特或更低的閾值電壓。
15.如權(quán)利要求9所述的圖像傳感器，其中該針插光電二極管是P+/N井/P襯底的結(jié)構(gòu)，而所述傳輸晶體管是一個(gè)P型N金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
16.如權(quán)利要求9所述的圖像傳感器，其中該針插光電二極管是N+/P井/N襯底的結(jié)構(gòu)，而所述傳輸晶體管是一個(gè)P型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
17.一種用于CMOS圖像傳感器中的主動(dòng)像素，該主動(dòng)像素包括一個(gè)針插光電二極管、一個(gè)選擇性地將電荷從該針插光電二極管傳輸至一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的耗盡型傳輸晶體管、和一個(gè)耦合至該輸出節(jié)點(diǎn)、以便在一個(gè)復(fù)位周期過(guò)程中將該輸出節(jié)點(diǎn)復(fù)位為一個(gè)復(fù)位電壓的復(fù)位晶體管。
18.如權(quán)利要求17所述的主動(dòng)像素，進(jìn)一步包括一個(gè)負(fù)向電壓產(chǎn)生器，該產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)足以關(guān)閉所述耗盡型傳輸晶體管的負(fù)向電壓。
19.如權(quán)利要求17所述的主動(dòng)像素，其中所述的耗盡型傳輸晶體管具有一個(gè)接近Vdd的閾值電壓。
20.如權(quán)利要求17所述的主動(dòng)像素，其中該針插光電二極管是一個(gè)P+/N井/P襯底的結(jié)構(gòu)，而所述傳輸晶體管是一個(gè)N型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
全文摘要
本發(fā)明揭露了一種包括一個(gè)針插光電二極管的主動(dòng)像素傳感器單元。一個(gè)設(shè)置在該針插光電二極管和一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)之間的傳輸晶體管，該傳輸晶體管是一個(gè)耗盡型N型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。一個(gè)被耦合在一個(gè)高電壓軌道V
文檔編號(hào)H01L27/146GK1595656SQ20041005465
公開(kāi)日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2004年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月22日
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