專利名稱：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)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明一般涉及成像器件，更具體地說，涉及具有串聯(lián)陣列電容器的互補金屬氧化物半導體(CMOS)像素單元。
背景技術(shù)：
成像器件，包括電荷耦合器件(CCD)和互補金屬氧化物半導體(CMOS)傳感器，已廣泛使用在光電成像應用中。
示范CMOS成像電路，其工藝步驟以及成像電路中各種CMOS元件功能的詳細說明在以下專利中進行了描述，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以及美國專利申請公布No.2002/0117690。上述每個專利的公開內(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，每個單元包括光敏器件，例如光門(photogate)、光電導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。每個像素單元配有一個讀出電路，該電路包括至少一個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浮動擴散節(jié)點，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擴散節(jié)點。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)移到浮動擴散節(jié)點；以及復位晶體管，用于在電荷轉(zhuǎn)移前將浮動擴散節(jié)點復位到預定的電荷電平。
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、在更重摻雜的p型阱20中形成的浮動擴散區(qū)18以及具有關(guān)聯(lián)柵極22的復位晶體管。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。當轉(zhuǎn)移柵極16導通時，因光電二極管12和浮動擴散區(qū)18之間存在的電位差，n型區(qū)12b中的光生電子就轉(zhuǎn)移到浮動擴散區(qū)18。浮動擴散區(qū)18連接到源跟隨器晶體管24的柵極，其接收由浮動擴散區(qū)18暫時存儲的電荷，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。當行選擇信號RS走高時，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)移到浮動擴散區(qū)18。當光電二極管12中累積的電荷達到預定電平時，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)移到浮動擴散區(qū)18。
與圖1的像素單元10相關(guān)聯(lián)的一個問題是，浮動擴散區(qū)18吸收電荷僅能達到其飽和電平。一旦浮動擴散區(qū)18已達到其飽和電平，它對來自光電二極管12的電子就不再有任何反應。光電二極管12中不再能轉(zhuǎn)移到飽和的浮動擴散區(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中浮動擴散區(qū)18的存儲容量的一個方法是形成電容器34(稱為陣列電容器)，將其電連接到浮動擴散區(qū)18。示范CMOS成像電路、其工藝步驟以及具有連接到浮動擴散區(qū)的電容器的CMOS成像器的功能詳細說明在授予Rhodes的美國專利申請公布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增加了浮動擴散區(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。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，并用來存儲基準(全信號)和每個像素單元10的關(guān)聯(lián)光電二極管12的輸出信號。外圍電容器通常形成為具有比連接到浮動擴散區(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應具有低于外圍電容器的電容。
但有一些缺點和降低像素單元10中陣列電容器34的電容相關(guān)聯(lián)。例如，降低電容的常規(guī)方法包括增加電容器介電層的厚度。但增加介電層厚度也降低了外圍電容器中的電容，因為陣列電容器(例如34)和外圍電容器是同時形成的。所以，必須采取附加的工藝步驟確保外圍電容器的介電層厚度小于陣列電容器34的介電層厚度。
降低陣列電容器34電容的另一方法是定標電容器34。通過減小電容器34的尺寸，電容器的面積(以及電容)也將減小。但尺寸的減小增加了一個陣列電容器與另一陣列電容器(例如另一像素單元的)之間電容的總體變化量，因為在光刻工藝中要保持臨界尺寸(CD)控制很難。所以，隨著電容器物理尺寸的減小，因光刻和蝕刻工藝造成的CD誤差百分比就會增加。結(jié)果，所得陣列電容器的電容就各不相同，不能作成相互一致。所以，需要開發(fā)一種陣列電容器，用于存儲來自浮動擴散區(qū)的附加電荷，且與外圍電容器相比具有減小的電容。而且，這種陣列電容器應易于制造成具有一致的結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了上述問題，并公開了一種像素單元，其陣列電容小于外圍電容器，易于結(jié)合到現(xiàn)有制造技術(shù)中，并具有一致的結(jié)果。


從參閱附圖所作的以下詳細說明，會更清楚地理解本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點，附圖包括圖1示出常規(guī)像素單元；圖2示出第二種常規(guī)像素單元；圖3示出按照本發(fā)明示范實施例構(gòu)建的像素單元示意圖；圖4示出圖3像素單元的部分截面圖；圖5示出圖3像素單元的自上而下的視圖；圖6示出圖3像素單元的部分截面視圖；圖7示出包括按照圖3構(gòu)建的像素單元的CMOS成像器的方框圖；以及圖8示出按照本發(fā)明示范實施例包括圖7的CMOS成像器的處理器系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式
本文所用的術(shù)語“半導體襯底”和“襯底”應理解為包括任何基于半導體的結(jié)構(gòu)。半導體結(jié)構(gòu)應理解為包括硅、硅-絕緣體(SOI)、硅-藍寶石(SOS)、硅-鍺、摻雜和未摻雜半導體、由基半導體底座支持的硅外延層以及其它半導體結(jié)構(gòu)。半導體不必是基于硅的。半導體可以是鍺或砷化鎵。在以下說明中提到半導體襯底時，可能已使用了之前工藝步驟在基半導體或底座中或其上形成了區(qū)或結(jié)。
在本文中所用的術(shù)語“像素單元”是指包含光敏器件的光電元件單元，用于將光子轉(zhuǎn)換為電信號。為說明起見，在本文附圖和說明書中僅示出了單一代表性像素及其形成方式，但通常多個相同像素是同時制造的。所以，以下詳細說明不應認為是限制性的。
在以下說明中，為方便起見，針對CMOS成像器對本發(fā)明作說明，但本發(fā)明廣泛適用于任何成像器單元的任何光敏器件，包括電荷耦合器件(CCD)。參閱圖3，圖中示出了按照本發(fā)明示范實施例構(gòu)建的像素單元100的示意圖。
像素單元100有兩個陣列電容器34、36，二者電串聯(lián)。按以下公式，串聯(lián)有效降低了總體陣列電容(1)---Carray=C34*C36C34+C36]]>式中C34表示第一電容器34的電容，C36表示第二電容器36的電容。陣列電容器34、36和浮動擴散區(qū)18與Vdd端子和晶體管24柵極之間的源跟隨器晶體管24電并聯(lián)。應指出，公式(1)適用于每個電容器的電容小于1F的陣列電容器34、36。
按照本發(fā)明的示范實施例，外圍(采樣/保持)和陣列電容器(例如34、36)可以同時形成，無需任何附加步驟。就是說，串聯(lián)的陣列電容器34、36可以具有和外圍電容器基本類似的電容值。
應指出，雖然在圖3的示范像素單元100中僅示出兩個陣列電容器34、36，但像素單元100可包括不止兩個電串聯(lián)的電容器。而且，雖然像素單元100示為4晶體管(4T)結(jié)構(gòu)，但本發(fā)明也可用3晶體管(3T)結(jié)構(gòu)(例如沒有轉(zhuǎn)移晶體管16)實現(xiàn)，或在具有更多或更少晶體管的其它像素單元結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)。應指出，兩個陣列電容器34、36可以是平板電容器、溝道式電容器、柱式電容器或其組合，或者已知在業(yè)界使用的任何其它類型的電容器。
圖4示出了圖3像素單元100的部分截面圖。像素單元100類似于圖1的像素單元10，不同的是，圖4的像素單元100有兩個串聯(lián)的陣列電容器34、36電連接到浮動擴散區(qū)18。由轉(zhuǎn)移晶體管柵極16從光電二極管12轉(zhuǎn)移到浮動擴散區(qū)18的電荷被浮動擴散區(qū)18和串聯(lián)的陣列電容器34、36共用。這樣，浮動擴散區(qū)18的飽和電平增加。但串聯(lián)的陣列電容器34、36和浮動擴散區(qū)的電容并不像外圍電容器那么高，如以上結(jié)合圖3所述。
圖5示出按照本發(fā)明示范實施例構(gòu)建的圖3-4像素單元100的自上而下的視圖。浮動擴散區(qū)18通過第一連接線38電連接到電容器34下電極34a的觸點42。電容器34的上電極34b有觸點44，觸點44連接到電容器36的上電極36b的觸點46。電容器36也有一個下電極36a，它有一個觸點連接到Vdd。觸點44、46由導線48電連接，由此使陣列電容器34、36相互串聯(lián)。源跟隨器晶體管24的柵極形成第一陣列電容器34的下電極34a。
像素單元100還有帶關(guān)聯(lián)柵極22的復位晶體管。在電荷轉(zhuǎn)移之前，通過導通帶有柵極22的復位晶體管而將浮動擴散區(qū)18設定為預定的低電荷狀態(tài)，這使區(qū)18中的電子流入連接到源/漏30的電壓源。此外，像素單元100具有帶關(guān)聯(lián)柵極26的行選擇晶體管。從源跟隨器晶體管24的柵極出來的電荷被傳導到行選擇晶體管的柵極，該柵極又將電荷傳導到與讀出電路(未示出)相連的列線28(圖4)。
圖6示出了按照本發(fā)明示范實施例的像素單元100的形成。圖示像素單元100具有絕緣層50，它形成在半導體襯底14上的像素單元上。絕緣層50可由硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)、硼硅酸鹽玻璃(BSG)、磷硅酸鹽玻璃(PSG)、未摻雜硅酸鹽玻璃(USG)或任何其它適合材料制成。
將部分絕緣層50蝕刻掉，形成一個管道，其中充填上導電材料，形成觸點38。觸點38將浮動擴散區(qū)18連接到電容器34的下電極34a。觸點38還通過第一連接線40將浮動擴散區(qū)18連接到源跟隨器晶體管柵極24，如圖所示。還示出電容器36的下電極36a形成在鄰近下電極34a處。還示出陣列電容器34、36的上電極層54形成在下電極34a、36a之上。介電層56將上電極層54和下電極34a、36a分隔開。雖然陣列電容器34、36示為形成在轉(zhuǎn)移柵極16和復位柵極22之上，但應指出，陣列電容器34、36可以形成在淺溝槽隔離區(qū)32之上。還應指出，雖然陣列電容器34、36示為形成在絕緣層50上，但陣列電容器34、36可以形成在其它地方，例如在襯底14中，或在隨后形成的層中或?qū)由?。常?guī)的導體層和絕緣層也可用來使結(jié)構(gòu)互連，以及將像素單元連接到外圍電路。然而，這些細節(jié)對于描述本發(fā)明是不必要的。
在這個階段，圖6的像素單元100已基本完成。像素單元100可與外圍電路組合，以形成成像器裝置。例如，圖7示出具有像素陣列300的CMOS成像器裝置308的框圖。像素陣列300包括多個像素，排列成預定數(shù)量的行和列。圖示像素陣列300包含至少一個按照本發(fā)明示范實施例構(gòu)建的像素單元100，如以上結(jié)合圖3-6所述。陣列300中每行的像素100都由行選擇線同時接通，而每列的像素則由各個列選擇線選擇性地輸出。整個陣列300配有多條行線和列線。行線由行驅(qū)動器310響應于行地址解碼器320依次選擇性地激活，而列選擇線由列驅(qū)動器360響應于列地址解碼器370對于每次行激活依次選擇性地激活。這樣，就對每個像素100提供了行和列地址。CMOS成像器由控制電路350操作，控制電路350控制地址解碼器320、370，以選擇適當?shù)男芯€和列線進行像素讀出，并控制行和列驅(qū)動器電路310、360，其將驅(qū)動電壓加到所選行線和列線的驅(qū)動晶體管上。
像素輸出信號通常包括像素復位信號Vrst，其在浮動擴散節(jié)點復位時從浮動擴散節(jié)點(例如圖6的18)取出；以及像素圖像信號Vsig，其在圖像所產(chǎn)生的電荷被轉(zhuǎn)移到浮動擴散節(jié)點后從浮動擴散節(jié)點(例如圖6的18)取出。如結(jié)合圖6所述，當從光電二極管12轉(zhuǎn)移到浮動擴散區(qū)18的電荷達到浮動擴散區(qū)18的飽和電平時，陣列電容器34、36用于存儲“剩余”電荷。Vrst和Vsig信號與陣列電容器34、36(圖6)存儲的任何電荷一起由采樣和保持電路361讀出，并由差分放大器362減去，得到每個像素100的差分信號(Vrst-Vsig)，該信號表示打到像素上的光量。這個信號差由模數(shù)轉(zhuǎn)換器375數(shù)字化。數(shù)字化的像素差分信號然后被饋送到圖像處理器380，以形成數(shù)字圖像。此外，如圖7所示，CMOS成像器裝置308可包含在半導體芯片(例如晶片700)上。
圖8示出系統(tǒng)400，這是一個典型的基于處理器的系統(tǒng)，修改為包括如圖7所示的成像器裝置308?；谔幚砥鞯南到y(tǒng)是可包括成像器裝置308的數(shù)字電路系統(tǒng)的示范實例?；谔幚砥鞯南到y(tǒng)的實例可包括但不限于計算機系統(tǒng)、攝像機系統(tǒng)、掃描器、機器視覺系統(tǒng)、車輛導航系統(tǒng)、可視電話、監(jiān)視系統(tǒng)、自動聚焦系統(tǒng)、星體跟蹤系統(tǒng)、運動檢測系統(tǒng)、圖像穩(wěn)定系統(tǒng)以及用于高清晰度電視的數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)，以上任何一項都可利用本發(fā)明。
系統(tǒng)400包括成像器裝置308，其具有示于圖7的總體配置，其中陣列300的像素按照本發(fā)明的任一實施例構(gòu)建。系統(tǒng)400包括處理器402，它的中央處理單元(CPU)通過總線404與各種裝置通信。連接到總線404的一些裝置提供入/出系統(tǒng)400的通信；輸入/輸出(I/O)裝置406和成像器裝置308就是這種通信裝置的實例。連接到總線404的其它裝置提供存儲器，圖示包括隨機存取存儲器(RAM)410、硬盤驅(qū)動器412以及一個或多個外圍存儲裝置，例如軟盤驅(qū)動器414和光盤(CD)驅(qū)動器416。成像器裝置308可接收來自CPU 402或系統(tǒng)400其它組件的控制或其它數(shù)據(jù)。成像器裝置308可再將定義圖像的信號提供到處理器402，作圖像處理或其它圖像處理操作。
應再指出，雖然已具體參閱具有兩個串聯(lián)陣列電容器(例如圖6的34、36)的CMOS像素單元對本發(fā)明作了說明，但本發(fā)明具有更廣泛的適用性，并可用在任何成像裝置中。例如，本發(fā)明可以和電荷耦合器件(CCD)成像器一起使用。上述說明和附圖示出了實現(xiàn)本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點的優(yōu)選實施例。雖然以上已說明了某些優(yōu)點和優(yōu)選實施例，但業(yè)界技術(shù)人員應認識到，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以進行各種替代、添加、刪除、改動和/或其它改變。所以，本發(fā)明不限于上述說明，僅受所附權(quán)利要求書范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種像素單元，包括光敏器件；電荷收集區(qū)，連接到所述光敏器件，用于接收由所述光敏器件產(chǎn)生的電荷；以及至少兩個存儲電容器，其相互串聯(lián)，所述串聯(lián)電容器還與所述電荷收集區(qū)串聯(lián)，用于接收來自所述電荷收集區(qū)的電荷。
2.如權(quán)利要求1所述的像素單元，其中所述至少兩個存儲電容器中至少一個是平板電容器。
3.如權(quán)利要求1所述的像素單元，其中所述至少兩個存儲電容器中至少一個是溝道式電容器。
4.如權(quán)利要求1所述的像素單元，其中所述至少兩個存儲電容器中至少一個是柱式電容器。
5.如權(quán)利要求1所述的像素單元，其中所述光敏器件是光電二極管。
6.如權(quán)利要求1所述的像素單元，其中所述光敏器件是光門。
7.如權(quán)利要求1所述的像素單元，其中所述電荷收集區(qū)是浮動擴散區(qū)。
8.如權(quán)利要求1所述的像素單元，還包括在所述光敏器件和所述電荷收集區(qū)之間形成的轉(zhuǎn)移晶體管柵極。
9.一種像素單元，包括光敏器件；電荷收集區(qū)，連接到所述光敏器件，用于接收由所述光敏器件產(chǎn)生的電荷；以及陣列電容，由連接到所述電荷收集區(qū)的至少兩個串聯(lián)存儲電容器形成，所述陣列電容的電容值低于可變換地連接到所述像素單元的外圍電容的電容值。
10.如權(quán)利要求9所述的像素單元，其中所述至少兩個串聯(lián)存儲電容器連接在所述電荷收集區(qū)和電壓源端子之間。
11.如權(quán)利要求10所述的像素單元，其中所述電壓源端子是Vdd端子。
12.如權(quán)利要求9所述的像素單元，其中所述至少兩個存儲電容器相互鄰近地形成在所述電荷收集區(qū)上的基本同一水平面。
13.如權(quán)利要求9所述的像素單元，其中所述電荷收集區(qū)是浮動擴散區(qū)。
14.如權(quán)利要求9所述的像素單元，還包括在所述光敏器件和所述電荷收集區(qū)之間形成的轉(zhuǎn)移晶體管。
15.一種包含CMOS成像器的半導體芯片，所述成像器包括像素陣列，所述陣列的每個像素單元包括光敏器件；電荷收集區(qū)，連接到所述光敏器件，用于接收由所述光敏器件產(chǎn)生的電荷；以及陣列電容，由連接到所述電荷收集區(qū)的至少兩個串聯(lián)存儲電容器形成，所述陣列電容的電容值低于位于所述像素陣列外的外圍電容的電容值。
16.一種成像器集成電路，包括像素單元陣列，其形成在半導體襯底中，其中所述陣列的每個像素單元包括光敏器件；電荷收集區(qū)，連接到所述光敏器件，用于接收由所述光敏器件產(chǎn)生的電荷；至少兩個存儲電容器，其相互串聯(lián)，所述串聯(lián)電容器還與所述電荷收集區(qū)串聯(lián)，用于接收來自所述電荷收集區(qū)的電荷；以及信號處理電路，其形成在所述襯底中并電連接到所述陣列，用于接收和處理表示所述陣列獲取的圖像的像素信號，并提供表示所述圖像的輸出數(shù)據(jù)。
17.一種處理系統(tǒng)，包括處理器；成像裝置，其連接到所述處理器，所述成像裝置具有多個像素單元，所述像素單元中至少一個包括光敏器件；電荷收集區(qū)，連接到所述光敏器件，用于接收由所述光敏器件產(chǎn)生的電荷；以及至少兩個存儲電容器，其相互串聯(lián)，所述串聯(lián)電容器還與所述電荷收集區(qū)串聯(lián)，用于接收來自所述電荷收集區(qū)的電荷。
18.一種形成像素單元的方法，所述方法包括形成光敏器件，形成連接到所述光敏器件的電荷收集區(qū)；以及形成相互串聯(lián)的至少兩個存儲電容器，所述串聯(lián)電容器還與所述電荷收集區(qū)串聯(lián)，用于接收來自所述電荷收集區(qū)的電荷。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述形成至少兩個存儲電容器的動作包括形成至少一個平板電容器。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述形成至少兩個存儲電容器的動作包括形成至少一個溝道式電容器。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述形成至少兩個存儲電容器的動作包括形成至少一個柱式電容器。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述形成光敏器件的動作包括形成光電二極管。
23.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述形成光敏器件的動作包括形成光門。
24.如權(quán)利要求18所述的方法，還包括在所述光敏器件和所述第一電荷收集區(qū)之間形成轉(zhuǎn)移晶體管。
25.一種形成包含像素陣列的CMOS成像器的方法，所述陣列中至少一個像素單元通過如下方式形成在襯底中形成電荷收集區(qū)；形成連接到所述像素單元的至少一個外圍電容器；以及在所述形成所述至少一個外圍電容器的動作的基本同時，在所述像素單元中形成至少兩個串聯(lián)存儲電容器。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述形成所述至少兩個串聯(lián)存儲電容器的動作包括在所述電荷收集區(qū)之上形成所述至少兩個串聯(lián)存儲電容器。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述形成電荷收集區(qū)的動作包括形成浮動擴散區(qū)。
28.如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述形成至少兩個串聯(lián)電容器的動作包括在所述電荷收集區(qū)上的基本同一水平面形成所述至少兩個電容器。
全文摘要
像素單元具有兩個串聯(lián)電容器，其中每個電容器的電容接近外圍電容器的電容，以使串聯(lián)電容器的有效電容小于每個外圍電容器的電容。串聯(lián)電容器連接到浮動擴散(FD)區(qū)，用于在飽和狀態(tài)期間接收來自FD區(qū)的“剩余”電荷。
文檔編號H01L21/00GK1864240SQ200480028774
公開日2006年11月15日 申請日期2004年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月7日
發(fā)明者B·A·麥克盧爾 申請人:微米技術(shù)有限公司