專利名稱：使用與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的肖特基和歐姆接觸的雙轉(zhuǎn)換增益成像器像素和其制造及操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及成像裝置，且更明確地說涉及雙轉(zhuǎn)換增益成像裝置。
技術(shù)背景成像裝置，包含電荷耦合裝置(CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)成像器， 普遍用于光成像應(yīng)用中。CMOS成像器電路包含像素的焦平面陣列，所述像素的每一者包含光傳感器(例如， 光柵、光電導(dǎo)體或光電二極管)，用于聚積襯底的一部分上的光產(chǎn)生的電荷。每一像素具 有形成在襯底上或襯底中的電荷存儲(chǔ)區(qū)，其連接到作為讀出電路的一部分的輸出晶體管 的柵極。電荷存儲(chǔ)區(qū)可構(gòu)造為浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。在一些成像器電路中，每一像素可包含用于 將來自光傳感器的電荷轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)的至少一個(gè)電子裝置(例如，晶體管)，以及一個(gè)用 于在電荷轉(zhuǎn)移之前將存儲(chǔ)區(qū)復(fù)位為預(yù)定電荷電平的裝置(通常也是晶體管)。在CMOS成像器中，像素的有源元件執(zhí)行必要的功能(l)光子向電荷的轉(zhuǎn)換；(2) 影像電荷的聚積；(3)將存儲(chǔ)區(qū)復(fù)位為已知狀態(tài)；(4)伴隨著電荷放大將電荷轉(zhuǎn)移到存 儲(chǔ)區(qū)；(5)選擇供讀出的像素；和(6)輸出并放大表示復(fù)位電平和像素電荷的信號(hào)。光 電荷當(dāng)從初始電荷聚積區(qū)移動(dòng)到存儲(chǔ)區(qū)時(shí)可被放大。存儲(chǔ)區(qū)處的電荷通常由源極跟隨器 輸出晶體管轉(zhuǎn)換為像素輸出電壓。通常已知上文論述的類型的CMOS成像器，例如轉(zhuǎn)讓給Micron Technology公司的第 6,140,630號(hào)美國專利、第6,376,868號(hào)美國專利、第6,310,366號(hào)美國專利、第6,326,652 號(hào)美國專利、第6,204,524號(hào)美國專利和第6,333,205號(hào)美國專利中所論述，所述專利全 文以引用的方式并入本文。圖i中展示典型的四晶體管(4T) CMOS圖像像素10。像素10包含光傳感器12 (例 如，光電二極管、光柵等)、轉(zhuǎn)移晶體管14、浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD、復(fù)位晶體管16、源極跟隨 器晶體管18和行選擇晶體管20。當(dāng)轉(zhuǎn)移晶體管14由轉(zhuǎn)移柵極控制信號(hào)TX啟動(dòng)時(shí)，光 傳感器12通過轉(zhuǎn)移晶體管14連接到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。
復(fù)位晶體管16連接在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD與陣列像素電源電壓Vaa—pix之間。復(fù)位控制 信號(hào)RST用于啟動(dòng)復(fù)位晶體管16，所述復(fù)位晶體管16將浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD復(fù)位為陣列像 素電源電壓Vaa_pix電平。源極跟隨器晶體管18的柵極連接到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD，且源極跟隨器晶體管18連接在 陣列像素電源電壓Vaa—pix與行選擇晶體管20之間。源極跟隨器晶體管18將存儲(chǔ)在浮 動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD處的電荷轉(zhuǎn)換成電輸出電壓信號(hào)Vrst (其在復(fù)位浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD時(shí)產(chǎn)生)和 Vsig (其在晶體管14將電荷從光傳感器12轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD之后產(chǎn)生)。行選擇晶 體管20可由行選擇信號(hào)SEL控制，以便將源極跟隨器晶體管18及其輸出電壓信號(hào)Vout 選擇性地連接到像素陣列的列線22。任何成像器的一個(gè)重要性能特性是其動(dòng)態(tài)范圍。在用于感測弱光信號(hào)并捕捉照明度 或亮度具有較大變化的圖像的應(yīng)用中需要較大動(dòng)態(tài)范圍。明確地說，成像器的動(dòng)態(tài)范圍 可界定為成像器在未飽和時(shí)檢測到的最小照明度與成像器在信噪比(SNR)等于1時(shí)檢 測到的照明度的比率。場景的動(dòng)態(tài)范圍也可表達(dá)為其最高照明度水平與其最低照明度水 平的比率。場景內(nèi)動(dòng)態(tài)范圍是指成像器可在單一的圖像數(shù)據(jù)幀中容納的入射信號(hào)的范圍。產(chǎn)生 高動(dòng)態(tài)范圍入射信號(hào)的場景的實(shí)例包含具有室外窗戶的室內(nèi)房間、混合了陰影和明亮陽 光的室外、將人工照明與陰影組合的夜間場景，且在汽車情境中，在明朗的天氣正進(jìn)入 或即將離開隧道或陰影區(qū)域的汽車。圖2說明具有像素陣列240的CMOS成像器裝置308的方框圖，其中每一像素如上 文所述或根據(jù)其它己知的像素結(jié)構(gòu)而構(gòu)造。像素陣列240包括排列成預(yù)定數(shù)目的列和行 的多個(gè)像素。陣列240中每一行的像素全部由行選擇線同時(shí)接通，且每一列的像素由各 自列選擇線選擇性地輸出。為整個(gè)陣列240提供多個(gè)行和列線。行線由行驅(qū)動(dòng)器245響 應(yīng)于行地址解碼器255而選擇性地啟動(dòng)，且列選擇線由列驅(qū)動(dòng)器260響應(yīng)于列地址解碼 器270而選擇性地啟動(dòng)。因此，為每一像素提供行和列地址。成像器308由控制電路250操作，所述控制電路250控制地址解碼器255、 270以便 選擇適當(dāng)?shù)男泻土芯€以用于像素讀出，并控制行和列驅(qū)動(dòng)器電路245、 260,所述行和列 驅(qū)動(dòng)器電路245、 260將驅(qū)動(dòng)電壓施加到選定的行和列線的驅(qū)動(dòng)晶體管。通常包含像素復(fù) 位信號(hào)Vrst和像素圖像信號(hào)Vsig的像素列信號(hào)由與列裝置260相關(guān)聯(lián)的取樣保持電路 261讀取。微分放大器262產(chǎn)生并放大微分信號(hào)Vrst-Vsig。微分信號(hào)由模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器 275數(shù)字化。模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器275將模擬微分信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，所述數(shù)字信號(hào)被饋 送到圖像處理器280以形成并輸出數(shù)字圖像。常規(guī)像素10 (圖1)的光電荷轉(zhuǎn)換而成的信號(hào)Vsig的照明度-電壓曲線如圖3所示通 常為線性的，圖3說明現(xiàn)有技術(shù)像素10的照明度與電壓曲線圖?？稍谙鄬?duì)較低水平的照 明度Imax時(shí)達(dá)到像素10的最大電壓Vmax，這促使像素IO容易飽和。當(dāng)由光傳感器12捕 捉并轉(zhuǎn)換成電荷的光大于光傳感器12的容量時(shí)，多余電荷可能溢出并轉(zhuǎn)移到襯底中且到 達(dá)鄰近的像素，這不合乎需要。因此，希望且需要成像器像素10和大體上成像器308的 飽和響應(yīng)的改進(jìn)。改進(jìn)的飽和響應(yīng)將改進(jìn)成像器的動(dòng)態(tài)范圍。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明在示范性實(shí)施例中提供一種具有雙轉(zhuǎn)換增益電荷存儲(chǔ)且因此具有改進(jìn)的動(dòng)態(tài) 范圍的成像器。雙轉(zhuǎn)換增益元件(例如，肖特基二極管)耦合在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)與各自電容 器之間。所述雙轉(zhuǎn)換增益元件響應(yīng)于存儲(chǔ)在所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)處的電荷而切換所述電容器 的電容，以將所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的轉(zhuǎn)換增益從第一轉(zhuǎn)換增益改變?yōu)榈诙D(zhuǎn)換增益。在另一方面，本發(fā)明在示范性實(shí)施例中提供一種歐姆接觸，其在源極跟隨器晶體管 的柵極與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)之間，幫助讀出像素的雙轉(zhuǎn)換增益輸出信號(hào)。


從結(jié)合附圖提供的以下具體實(shí)施方式
中將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征及優(yōu)點(diǎn)，附圖中圖1是四晶體管(4T)像素的示意圖； 圖2是成像裝置的方框圖；圖3說明圖1的像素的示范性發(fā)光度與電壓曲線圖；圖4說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示范性浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；圖5說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示范性照明度與電壓曲線圖；圖6是說明圖4像素的操作的電位圖；圖7說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示范性電路圖；圖8說明根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的4向共享像素實(shí)施方案的示范性自頂向下視圖；以及圖9說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的并入有至少一個(gè)成像器裝置的處理器系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
在以下具體實(shí)施方式
中將參看附圖，附圖形成本文的一部分且附圖中以說明的方式 展示可實(shí)踐本發(fā)明的特定實(shí)施例。充分詳細(xì)地描述這些實(shí)施例以使所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員 能夠?qū)嵺`本發(fā)明，且應(yīng)了解，可在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下利用其它實(shí)施例 且可作出結(jié)構(gòu)、邏輯和電方面的變化。術(shù)語"襯底"應(yīng)理解為包含硅、絕緣體上硅(SOI)或藍(lán)寶石上硅(SOS)技術(shù)的基于半導(dǎo)體的材料、摻雜和未摻雜的半導(dǎo)體、由基礎(chǔ)半導(dǎo)體基底支撐的硅的外延層，以及 其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。此外，當(dāng)在以下描述中引用"襯底"時(shí)，可能已利用先前工藝步驟在 基礎(chǔ)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或基底中形成了區(qū)或結(jié)。另外，半導(dǎo)體不需要基于硅，而是可基于硅-鍺、 鍺，或砷化鎵。術(shù)語"像素"是指含有用于將光輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光傳感器和晶體管的像元格子 單元。出于說明的目的，圖中以及本文描述內(nèi)容中說明了代表性像素，且通常，成像器 陣列中所有像素的制造將以類似方式同時(shí)進(jìn)行。如下文所論述，本發(fā)明增加像素的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的存儲(chǔ)容量，藉此增加像素的動(dòng)態(tài)范圍。圖4說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例而構(gòu)造的示范性像素110的一部分的橫截面。像素110 含有浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30，其通過轉(zhuǎn)移晶體管14從光傳感器(圖4中說明為p-n-p二極管)接 收電荷。像素110的雙轉(zhuǎn)換增益開關(guān)元件形成在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30與電容器C1之間。優(yōu)選 地，雙轉(zhuǎn)換增益開關(guān)元件是形成肖特基二極管的肖特基接觸32。歐姆接觸34形成在浮 動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30與源極跟隨器晶體管柵極18之間。歐姆接觸34由n-摻雜浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的 n+摻雜區(qū)34形成。肖特基接觸32形成在與p型層26接觸的n-摻雜浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30上。 接觸件32允許實(shí)現(xiàn)雙轉(zhuǎn)換增益像素。也就是說，如下文更詳細(xì)解釋，像素110的第一轉(zhuǎn) 換增益在由相對(duì)較低水平的入射光引起的轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30的較低電荷電平以下，且 其第二轉(zhuǎn)換增益在由相對(duì)較高水平的入射光引起的轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30的較高電荷電 平以下。肖特基接觸32使照明度響應(yīng)中出現(xiàn)"拐點(diǎn)"(見圖5)，其中所述響應(yīng)和拐點(diǎn)由 肖特基接觸32的勢壘高度決定。像素110的其余部分與圖1中說明的像素的部分類似。圖7說明圖4的像素110的 等效電路圖。也就是說，像素110包含連接到轉(zhuǎn)移晶體管14的光傳感器12。轉(zhuǎn)移晶體管 14將電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30。復(fù)位晶體管16連接在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30與陣列像素電源電 壓Vaa—pix之間。復(fù)位控制信號(hào)RST用于啟動(dòng)復(fù)位晶體管16，所述復(fù)位晶體管16將浮 動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30復(fù)位為陣列像素電源電壓Vaa一pix電平。 源極跟隨器晶體管18的柵極連接到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30，且源極跟隨器晶體管18連接在 陣列像素電源電壓Vaa—pix與行選擇晶體管20之間。源極跟隨器晶體管18將存儲(chǔ)在浮 動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30處的電荷轉(zhuǎn)換成電輸出電壓信號(hào)Vrst (其在復(fù)位浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30時(shí)產(chǎn)生)和 Vsig (其在晶體管14將電荷從光傳感器12轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30之后產(chǎn)生)。行選擇晶 體管20可由行選擇信號(hào)SEL控制，以便將源極跟隨器晶體管18及其輸出電壓信號(hào)Vout 選擇性地連接到像素陣列的列線22。形成肖特基二極管的肖特基接觸32連接到浮動(dòng)擴(kuò) 散區(qū)30。 一旦預(yù)定電平的電荷收集在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30中，肖特基二極管32就將電容器Cl 自動(dòng)連接到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30，藉此增加浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30的轉(zhuǎn)換增益。如上所述，低電阻歐姆接觸34由浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30形成，如圖4中所說明。為了形成 接觸件34，在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30 (其在其它地方為n-摻雜)中形成小的n+區(qū)。歐姆接觸34 在源極跟隨器晶體管18的柵極與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30之間形成緩沖區(qū)。歐姆接觸34的示范性 摻雜水平在每cm3 lex 10"-4ex 1015個(gè)原子之間，且優(yōu)選地為每cm3 2e x 1015個(gè)原子。 低電阻歐姆接觸34降低了源極跟隨器晶體管的柵極勢壘，并允許在源極跟隨器晶體管 18的輸出處觀察到肖特基二極管32的影響。肖特基二極管32 (也稱為勢壘或接觸件)形成在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30之上。然而，盡管 圖4說明肖特基二極管32形成在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30之上，但二極管32或者可形成在浮動(dòng)擴(kuò) 散區(qū)30內(nèi)。二極管32可由純金屬或金屬硅化物層32 (當(dāng)接觸n-硅層30時(shí))形成?？?用于肖特基二極管的示范性金屬硅化物材料包含鎢(W6)、硅化鈷(CoSi2)、硅化鉑(PtSi) 和硅化鈦(TaSi2)。這些硅化物中的每一者的勢壘為0.55-0.93V,為了使二極管開關(guān)啟動(dòng)， 電壓必須超過所述勢壘。針對(duì)特定應(yīng)用選擇的材料取決于基于所選的特定材料的二極管 的再現(xiàn)性和溫度穩(wěn)定性。另外，也可使用純金屬，銀(Ag)、鋁(AI)、金(Au)、鉻(Cr)、 鉿(Hf)、鎂(Mg)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、鈦(Ti)和鎢(W)而在 n型硅上形成肖特基二極管。這些金屬的勢壘為約0.5-0.9V。當(dāng)金屬與硅反應(yīng)時(shí)，所述純 金屬中的若干者也可形成硅化物，如上所述。盡管這些材料均能夠形成肖特基二極管32， 但已知這些金屬中的若干種(包含Au和Cu)在CMOS技術(shù)中是污染物且因此用于CMOS 實(shí)施方案中可能并不理想。本文描述的本發(fā)明不需要非常低的勢壘來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的雙轉(zhuǎn) 換增益方面。通常，在形成接觸件32 (例如，形成肖特基二極管)期間將導(dǎo)電金屬氮化物層(例 如，TiN)用作薄勢壘層38，如圖4所示。舉例來說，已知基于Pt的肖特基二極管導(dǎo)致 非常低的勢壘，且因此是容易再現(xiàn)的二極管。Ti將在n型硅上導(dǎo)致非常低的勢壘，然而，
在常規(guī)硅加工過程中使用的低溫下形成TiSi會(huì)使此勢壘升高。因此，可使用許多材料中 的任一種實(shí)施到n型硅的極低肖特基二極管，然而，本文描述的本發(fā)明不要求相對(duì)于n 型硅的極低勢壘?？赏ㄟ^材料選擇或通過調(diào)節(jié)n-摻雜濃度以產(chǎn)生轉(zhuǎn)換增益的所需"拐點(diǎn)" 來調(diào)節(jié)勢壘高度。一旦浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30的電荷電位達(dá)到預(yù)定閾值電位，電荷就自動(dòng)流動(dòng)穿過二極管32 并存儲(chǔ)在電容器C1中。肖特基二極管32的優(yōu)點(diǎn)為，啟動(dòng)晶體管以將浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30連接 到電容器Cl的步驟是不必要的。預(yù)定閾值電位取決于二極管32勢壘高度。流動(dòng)穿過二 極管32的電荷存儲(chǔ)在連接的電容器Cl中。電容器Cl還連接到陣列像素電源電壓 Vaa一pix。肖特基二極管32與電容器C1的組合允許像素110的存儲(chǔ)容量增加。當(dāng)滿足二 極管32的閾值電位且電荷流動(dòng)到電容器C1中時(shí)，形成照明度響應(yīng)中的拐點(diǎn)(見圖5)。因此，肖特基接觸32電性上允許實(shí)現(xiàn)自動(dòng)雙轉(zhuǎn)換增益像素。源極跟隨器晶體管18 將浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30處的電荷轉(zhuǎn)換成電輸出電壓。將源極跟隨器晶體管18的柵極連接到浮 動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30的歐姆接觸34降低源極跟隨器晶體管處的勢壘電位，并允許源極跟隨器晶 體管18捕捉由存儲(chǔ)在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30處以及當(dāng)肖特基二極管32將電容器Cl耦合到浮動(dòng) 擴(kuò)散區(qū)30時(shí)存儲(chǔ)在電容器C1中的電荷所產(chǎn)生的全范圍的電壓擺動(dòng)。因此，如圖5所示， 照明度與由肖特基接觸32產(chǎn)生的輸出電壓中的拐點(diǎn)由于歐姆接觸34的緣故可在源極跟 隨器晶體管18的輸出電壓中特意地反映出來。圖5說明根據(jù)本發(fā)明的示范性像素照明度與輸出電壓曲線圖。術(shù)語拐點(diǎn)反映以下事 實(shí)曲線圖在照明度-電壓曲線中形成一角度，使得在大于現(xiàn)有技術(shù)像素的照明度水平(點(diǎn) A)(如圖3中所說明)的照明度水平(點(diǎn)b)處達(dá)到最大飽和電壓。舉例來說，圖5中， 照明度-電壓曲線以一角度延伸直到滿足二極管32的閾值電壓為止。 一旦滿足二極管的 閾值電壓，就形成拐點(diǎn)(點(diǎn)C),且形成新的照明度-電壓曲線角度。如圖所示，圖表上 的點(diǎn)b是當(dāng)實(shí)現(xiàn)雙轉(zhuǎn)換增益的情況下發(fā)生飽和時(shí)的照明度-電壓點(diǎn)，而對(duì)于不實(shí)現(xiàn)本發(fā)明 的雙轉(zhuǎn)換增益方面的實(shí)施方案，飽和點(diǎn)將在點(diǎn)A處?；谔囟☉?yīng)用確定拐點(diǎn)響應(yīng)為最佳，基于這一情況來選擇肖特基二極管32的目標(biāo)勢 壘高度。拐點(diǎn)是所提議的雙轉(zhuǎn)換增益像素的雙轉(zhuǎn)換從高轉(zhuǎn)換增益(低信號(hào)電平所需)變 為低轉(zhuǎn)換增益(高信號(hào)電平所需)的點(diǎn)。舉例來說，如果浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30上飽和點(diǎn)為1.0 V, 且拐點(diǎn)需要在0.4V，那么肖特基二極管勢壘高度目標(biāo)定為0.4 V。拐點(diǎn)可表達(dá)為飽和信 號(hào)的分?jǐn)?shù)。從成本效益的觀點(diǎn)來看，可使用當(dāng)前的W/TiN/Ti接觸工藝，且可通過植入來調(diào)節(jié)本征肖特基二極管32。舉例來說，圖4中，肖特基二極管32可由與n-浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30直接 接觸的Ti層36形成，TiN勢壘層38形成在Ti層36頂部上且W層40形成在TiN勢壘 層38頂部上。本征肖特基二極管32勢壘高度歸因于功函數(shù)的差，且可通過向接觸區(qū)中 的硅添加n型或p型摻雜物來進(jìn)一步調(diào)節(jié)。因此，最終的二極管32勢壘高度將取決于材 料選擇和退火及植入條件。圖6說明圖4的像素110的示范性電位能量與電容曲線圖。隨著電荷收集在光電二 極管PD中，其在銷住電壓(pinning voltage) Vpin處達(dá)到其最大收集點(diǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)移晶體管 被啟動(dòng)時(shí)，電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30。區(qū)域2說明單單浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30可保持的電荷量。 當(dāng)添加了肖特基二極管32和電容器Cl時(shí)，如區(qū)域1所說明可收集額外電荷。上述肖特基二極管32和歐姆接觸也可實(shí)施在共享像素配置中，如圖8中所說明。圖 8說明4向共享像素實(shí)施方案的自頂向下視圖。光傳感器12a、 12b、 12c、 12d各具有相 應(yīng)的轉(zhuǎn)移晶體管14a、 14b、 14c、 14d，其將電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)30。光傳感器12a、 12b、 12c、 12d共享復(fù)位晶體管16、源極跟隨器晶體管18、行選擇晶體管20、浮動(dòng)擴(kuò)散 區(qū)30和電容器C1。盡管圖8說明4向共享實(shí)施方案，但上述肖特基二極管32和歐姆接 觸34可與其它共享像素或非共享像素配置一起實(shí)施。圖9展示系統(tǒng)300，其是經(jīng)修改以包含含有本發(fā)明的像素110的成像裝置200的典型 處理器系統(tǒng)。成像裝置200類似于裝置308 (圖2),不同之處在于陣列240包括根據(jù)本 發(fā)明而構(gòu)造的像素110。基于處理器的系統(tǒng)300例示了具有可包含圖像傳感器裝置的數(shù)字 電路的系統(tǒng)。此系統(tǒng)可包含(不限于)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、相機(jī)系統(tǒng)、掃描儀、機(jī)器視覺、車 輛導(dǎo)航、視頻電話、監(jiān)視系統(tǒng)、自動(dòng)聚焦系統(tǒng)、星象跟蹤儀系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)檢測系統(tǒng)、圖像 穩(wěn)定化系統(tǒng)和數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)。系統(tǒng)300 (例如，相機(jī)系統(tǒng))通常包括中央處理單元(CPU) 302 (例如，微處理器)， 其通過總線304與輸入/輸出(I/O)裝置306通信。成像裝置200也通過總線304與CPU 302通信。基于處理器的系統(tǒng)300還包含隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM) 310，且可包含可移除 存儲(chǔ)器315 (例如，快閃存儲(chǔ)器)，其也通過總線304與CPU 302通信。成像裝置200可 與處理器(例如，CPU、數(shù)字信號(hào)處理器或微處理器)組合，其中存儲(chǔ)器處于或不處于 單一集成電路上或與處理器不同的芯片上。上述實(shí)施例可以類似于圖2中說明的成像器裝置的方式來實(shí)施。圖2的像素陣列240 可包括上述具有肖特基二極管32和歐姆接觸34的像素110。應(yīng)了解，本發(fā)明的其它實(shí)施例包含一種制造如圖4中所說明的本發(fā)明的電路的方法。
舉例來說，在一個(gè)示范性實(shí)施例中， 一種制造雙轉(zhuǎn)換增益像素的方法包括以下動(dòng)作在 襯底內(nèi)制造光敏區(qū)；在襯底內(nèi)形成用于復(fù)位像素的第一晶體管；在所述襯底內(nèi)提供浮動(dòng) 擴(kuò)散區(qū)，所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)具有第一電容；在光敏區(qū)與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)之間提供第二晶體管， 所述第二晶體管可受控而將電荷從光敏區(qū)轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；在襯底上形成電容性元件; 以及在襯底內(nèi)和襯底之上形成肖特基二極管，其中二極管連接在擴(kuò)散區(qū)與電容性元件之 間使得當(dāng)二極管被啟動(dòng)時(shí)，電容性元件的電容被加到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的第一電容。上述過程和裝置說明可使用和生產(chǎn)的許多方法和裝置中的優(yōu)選方法和典型裝置。以 上描述和圖式說明實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施例。然而，不希望本發(fā)明嚴(yán)格 限于上文描述和說明的實(shí)施例。在所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的本發(fā)明的任何修改 (盡管當(dāng)前不可預(yù)見)均應(yīng)被認(rèn)為是本發(fā)明的一部分。
權(quán)利要求
1.一種成像器裝置，其包括光傳感器；具有第一電容的擴(kuò)散區(qū)，其經(jīng)連接以從所述光傳感器接收存儲(chǔ)的電荷；以及具有用于存儲(chǔ)電荷的電容的電路，其通過肖特基接觸連接到所述擴(kuò)散區(qū)，所述電路當(dāng)被所述肖特基接觸啟動(dòng)以將所述電路耦合到所述擴(kuò)散區(qū)時(shí)，向所述擴(kuò)散區(qū)提供第二電容。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的成像器裝置，其中所述擴(kuò)散區(qū)是n-區(qū)，且所述肖特基接觸包 含與所述n-擴(kuò)散區(qū)接觸的至少一個(gè)導(dǎo)電層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像器裝置，其進(jìn)一步包括輸出晶體管，所述輸出晶體管的 柵極經(jīng)由歐姆接觸連接到所述擴(kuò)散區(qū)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像器裝置，其中當(dāng)收集在所述擴(kuò)散區(qū)中的電荷的量超過預(yù) 定閾值時(shí)，所述肖特基接觸將所述電路耦合到所述擴(kuò)散區(qū)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的成像器裝置，其中所述預(yù)定電荷閾值與所述肖特基接觸的勢 壘高度相關(guān)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的成像器裝置，其中所述電路的所述電容由電容器提供。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像器裝置，其中所述歐姆接觸在所述擴(kuò)散區(qū)內(nèi)形成為n+ 擴(kuò)散區(qū)。
8. —種成像器像素，其包括光傳感器，其用于聚積電荷；擴(kuò)散區(qū)，其經(jīng)連接以從所述光傳感器接收所述電荷，所述擴(kuò)散區(qū)具有相關(guān)聯(lián)的第 一轉(zhuǎn)換增益；以及肖特基二極管，其用于將電容性元件可切換地連接到所述擴(kuò)散區(qū)以向所述擴(kuò)散區(qū) 提供不同于所述相關(guān)聯(lián)的第一轉(zhuǎn)換增益的第二相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)換增益。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的成像器像素，其進(jìn)一步包括將輸出晶體管的柵極連接到所述 擴(kuò)散區(qū)的歐姆接觸，其中所述晶體管將所存儲(chǔ)的電荷轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的成像器像素，其中所述擴(kuò)散區(qū)是n-區(qū)，且所述肖特基接觸包 含與所述n-擴(kuò)散區(qū)接觸的至少一個(gè)導(dǎo)電層。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的成像器像素，其中所述電容性元件由電容器提供。
12. —種成像器像素，其包括光傳感器，其用于聚積電荷；第一晶體管，其用于復(fù)位所述像素；第二晶體管，其用于從所述光傳感器轉(zhuǎn)移所述電荷；擴(kuò)散區(qū)，其用于通過所述第二晶體管從所述光傳感器接收所述電荷，所述擴(kuò)散區(qū) 具有第一相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)換增益； 電容性元件；以及肖特基接觸，其耦合在所述擴(kuò)散區(qū)與所述電容性元件之間，所述肖特基接觸可切 換地控制將所述電容性元件連接到所述擴(kuò)散區(qū)，使得當(dāng)所述電容性元件連接到所述 擴(kuò)散區(qū)時(shí)，所述擴(kuò)散區(qū)獲得第二相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)換增益。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的成像器像素，其進(jìn)一步包括第三輸出晶體管，所述第三輸 出晶體管的柵極通過歐姆接觸連接到所述擴(kuò)散區(qū)。
14. 一種成像器，其包括像素單元陣列，其由多個(gè)像素單元形成，每一像素包括 光傳感器，其用于聚積電荷；第一晶體管，其用于復(fù)位所述像素；第二晶體管，其用于從所述光傳感器轉(zhuǎn)移所述電荷；擴(kuò)散區(qū)，其用于通過所述第二晶體管從所述光傳感器接收所述電荷，所述擴(kuò)散區(qū)具有第一相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)換增益； 電容性元件；以及肖特基接觸，其耦合在所述擴(kuò)散區(qū)與所述電容性元件之間，所述肖特基接觸可切 換地控制將所述電容性元件連接到所述擴(kuò)散區(qū)，使得當(dāng)所述電容性元件連接到所述 擴(kuò)散區(qū)時(shí)，所述擴(kuò)散區(qū)獲得第二轉(zhuǎn)換增益。
15. —種成像器系統(tǒng)，其包括處理器；以及成像裝置，其電耦合到所述處理器，所述成像裝置包括像素陣列，所述陣列的至 少一個(gè)像素包括光傳感器，其用于聚積電荷；擴(kuò)散區(qū)，其經(jīng)連接以從所述光傳感器接收所述電荷，所述擴(kuò)散區(qū)具有第一相關(guān) 聯(lián)的轉(zhuǎn)換增益，以及轉(zhuǎn)換增益改變電路，其包含連接到所述擴(kuò)散區(qū)的接觸件，所述轉(zhuǎn)換增益改變電 路響應(yīng)于所述擴(kuò)散區(qū)中的電荷量而將所述第一相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)換增益改變?yōu)榈诙嚓P(guān) 聯(lián)的轉(zhuǎn)換增益。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)換增益改變電路包括電容性元件；且其中所述接觸件是肖特基二極管，其控制在何時(shí)將電荷收集在所述電容性元件 中。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述擴(kuò)散區(qū)具有與所述第一相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)換增益 相關(guān)聯(lián)的第一電容，所述電容性元件具有第二電容，且所述第一與第二電容的組合 與所述第二相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)換增益相關(guān)聯(lián)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述光傳感器的電容大于所述第一電容且小于 所述第一與第二電容的組合。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述電容性元件是電容器。
20. —種操作成像器裝置的方法，所述方法包括以下動(dòng)作將光產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移到擴(kuò)散區(qū)；當(dāng)所轉(zhuǎn)移電荷的量超過閾值時(shí)，啟動(dòng)肖特基二極管以改變所述擴(kuò)散區(qū)的轉(zhuǎn)換增 益；以及輸出指示所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中的電荷的信號(hào)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其進(jìn)一步包括以下動(dòng)作將轉(zhuǎn)移到所述擴(kuò)散區(qū)的電 荷收集在連接到所述啟動(dòng)的二極管的存儲(chǔ)元件中。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其進(jìn)一步包括以下動(dòng)作通過經(jīng)由歐姆接觸連接到 所述擴(kuò)散區(qū)的電路將來自所述擴(kuò)散區(qū)的電荷轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)。
23. —種操作成像器裝置的方法，所述方法包括-提供光傳感器；提供具有第一電荷存儲(chǔ)電容的擴(kuò)散區(qū)；將來自所述光傳感器的光產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在所述擴(kuò)散區(qū)中；以及 響應(yīng)于所述存儲(chǔ)在所述擴(kuò)散區(qū)中的電荷達(dá)到預(yù)定值而改變所述擴(kuò)散區(qū)的存儲(chǔ)電谷。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述改變動(dòng)作致使電荷流動(dòng)穿過肖特基二極管 到達(dá)電容性元件。
25. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述改變動(dòng)作由肖特基二極管執(zhí)行。
26. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其進(jìn)一步包括以下動(dòng)作通過具有經(jīng)由歐姆接觸連 接到所述擴(kuò)散區(qū)的柵極的晶體管將來自所述擴(kuò)散區(qū)的電荷轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)。
27. —種制造雙轉(zhuǎn)換增益像素的方法，所述方法包括以下步驟-制造光敏區(qū)；在襯底內(nèi)形成用于復(fù)位所述像素的第一晶體管； 提供擴(kuò)散區(qū)，所述擴(kuò)散區(qū)具有第一相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)換增益；在所述光敏區(qū)與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)之間提供第二晶體管，所述第二晶體管用于將收集在所述光敏區(qū)中的電荷轉(zhuǎn)移到所述擴(kuò)散區(qū)；以及形成肖特基器件，其用于將所述擴(kuò)散區(qū)可切換地與電容性元件連接以向所述擴(kuò)散 提供第二相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)換增益。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述擴(kuò)散區(qū)是n-區(qū)，且所述肖特基接觸包含與 所述n-擴(kuò)散區(qū)接觸的至少一個(gè)導(dǎo)電層。
全文摘要
一種具有雙轉(zhuǎn)換增益電荷存儲(chǔ)且因此具有改進(jìn)的動(dòng)態(tài)范圍的成像器包括耦合在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)與各自電容器之間的雙轉(zhuǎn)換增益元件(例如，肖特基二極管)。所述雙轉(zhuǎn)換增益元件響應(yīng)于存儲(chǔ)在所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)處的電荷而切換所述電容器的電容，以將所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的轉(zhuǎn)換增益從第一轉(zhuǎn)換增益改變?yōu)榈诙D(zhuǎn)換增益。源極跟隨器晶體管的柵極與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)之間的歐姆接觸幫助讀出像素的雙轉(zhuǎn)換增益輸出信號(hào)。
文檔編號(hào)H01L27/146GK101160662SQ200680012373
公開日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2006年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月15日
發(fā)明者因納·帕特里克, 杰弗里·A·麥基, 洪圣元 申請(qǐng)人:美光科技公司