專利名稱：具有非對稱柵極的矩陣電荷轉(zhuǎn)移圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器，更具體地但不僅限于采用信號(hào)積分的掃描傳感器(或TDI傳感器，“時(shí)間延遲積分線性傳感器”)，在該掃描傳感器中，通過當(dāng)場景垂直于行在傳感器的前方通過時(shí)相繼觀察該場景的同一條線的若干感光行所拍攝的連續(xù)圖像的相加來重構(gòu)所觀察的場景的一行點(diǎn)的圖像。
背景技術(shù)：
例如，這些傳感器用在用于通過衛(wèi)星觀察地球的系統(tǒng)中。它們包括若干感光像素的平行行；相對于場景和傳感器的相對位移來同步控制各個(gè)行的電路的排序(控制曝光時(shí)間，然后控制讀取光生電荷)，以此方式傳感器的所有行看見所觀察的場景的單條線。然后，針對所觀察的線的每一點(diǎn)逐點(diǎn)地將所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起?！?br> 以傳感器的行數(shù)N的平方根的比提高理論上的信噪比。該行數(shù)取決于應(yīng)用(工業(yè)控制、地面觀察、全景牙科放射照相或乳房放射照相)而可以從數(shù)行至一百行左右不等。另外，由于來自各個(gè)行的信號(hào)的相加所得到的平均值，降低了同一行像素的靈敏度的非均勻性和像素的暗電流的非均勻性。在CXD圖像傳感器((XD 電荷耦合器件”)中，與場景和傳感器的相對位移同步，通過將前一行像素中產(chǎn)生和累加的電荷轉(zhuǎn)移至像素行中，自然地出現(xiàn)了逐點(diǎn)的信號(hào)相加且沒有讀取噪聲?？梢宰x取具有由所觀察的圖像線所產(chǎn)生的累加N次的電荷的最后一行像素。通常的CXD圖像傳感器技術(shù)使用高電源電壓，并具有高功耗；這種技術(shù)是基于相鄰的、相互重置的多晶娃棚極的使用。圖像傳感器技術(shù)已經(jīng)向使用具有晶體管的有源像素的傳感器發(fā)展，為了簡單起見，在下文中將這種傳感器稱為CMOS傳感器，這是因?yàn)樗鼈兺ǔＪ鞘褂肅MOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)制造的；在這些CMOS傳感器中不再有任何逐行至讀取電路或寄存器的電荷轉(zhuǎn)移，但是存在具有收集光生電荷并將該光生電荷直接轉(zhuǎn)換成電壓或電流的晶體管的有源像素。因此，傳感器的各個(gè)行相繼地提供表示由行所接收到的照明的電壓或電流。這些結(jié)構(gòu)不允許在沒有噪聲的情況下進(jìn)行這些電流或電壓的求和；因此，難以制造采用電荷積分的掃描傳感器。但是，制造技術(shù)較為簡單，具有低功耗，且在低電壓下工作。但是，已經(jīng)對制造采用電荷積分的CMOS掃描傳感器作出了嘗試。具體而言，已經(jīng)嘗試了使用開關(guān)電容器，在該開關(guān)電容器中對所接收到的連續(xù)電流進(jìn)行積分，從而在相同的電容器上累加從一列中的若干像素接收到的電荷(US6906749，W00126382)。所提供的另一解決方案是將來自一行像素的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，對對應(yīng)于第j個(gè)累加器寄存器中的該行的第j個(gè)像素的數(shù)字值進(jìn)行求和，該第j個(gè)累加器寄存器累加對應(yīng)于N個(gè)連續(xù)行的同一第j列的像素的數(shù)字值(專利FR2906080)。在專利FR2906081中，解決方案是向一行像素的光電二極管施加前一行的像素的輸出電壓，以便在隔離該光電二極管并對由光所致的新的電荷進(jìn)行積分之前，將來自前一行像素的電荷復(fù)制到該行像素中，以使得在積分時(shí)間結(jié)束時(shí)，該光電二極管包括對應(yīng)于前一行的電荷和新的積分電荷的總和。然而，該操作導(dǎo)致了使信噪比惡化的轉(zhuǎn)移噪聲。最后，例如在專利公開US2008/0217661中提供了使用像素內(nèi)部的電荷的累加的解決方案。這種解決方案使用比采用CMOS技術(shù)制造圖像傳感器所嚴(yán)格需要的技術(shù)更復(fù)雜的技術(shù)，否則在電荷轉(zhuǎn)移過程中這種解決方案會(huì)呈現(xiàn)出損耗。使用比通常的CCD技術(shù)更簡單的技術(shù)來制造采用電荷積分的線性掃描傳感器的嘗試不是非常令人滿意。特別是在使用采用電荷轉(zhuǎn)移的傳感器時(shí)，這對于良好地控制從一個(gè)像素到下一個(gè)像素的電荷轉(zhuǎn)移、避免部分電荷在錯(cuò)誤的方向上移動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)來說非常重要。這可以通過使用具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的像素(即，由具有三或四個(gè)控制相位的三或四個(gè)電極控制的像素)來實(shí) 現(xiàn)。理想的是能夠使用簡單結(jié)構(gòu)且僅具有對所有像素都相同的兩個(gè)控制相位的像素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制造根據(jù)電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的原理工作的傳感器的簡單解決方案，其僅使用兩個(gè)控制相位并且使用與CMOS技術(shù)電路兼容的技術(shù)，尤其是對存儲(chǔ)柵極或電荷轉(zhuǎn)移柵極僅使用單層多晶硅柵極的技術(shù)，而不是如傳統(tǒng)CCD技術(shù)的情況下的兩層相
互重疊的柵極。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種電荷轉(zhuǎn)移圖像傳感器，所述傳感器包括N個(gè)相鄰的行，每行具有P個(gè)像素，屬于兩個(gè)連續(xù)行的同一列的相鄰像素均包括至少一個(gè)光電二極管和一個(gè)與所述光電二極管相鄰的存儲(chǔ)柵極的交替，所述柵極覆蓋第一導(dǎo)電類型(在實(shí)踐中為P型)的有源層區(qū)域，所述光電二極管由第二導(dǎo)電類型(η型)的單獨(dú)區(qū)域形成在所述有源層內(nèi)，所述單獨(dú)區(qū)域由第一類型(P型)的單獨(dú)表面區(qū)域所覆蓋，所述單獨(dú)表面區(qū)域連接至所述有源層的基準(zhǔn)電勢，其特征在于所述柵極包括主體和一系列窄指狀物(20)，所述一系列窄指狀物(20 )在電荷轉(zhuǎn)移方向上的上游側(cè)上而不在下游側(cè)上且從所述主體向所述上游側(cè)延伸，在所述上游側(cè)上的所述指狀物的末端與位于所述柵極的上游的光電二極管相鄰，所述窄指狀物通過第一導(dǎo)電類型的摻雜絕緣區(qū)域而彼此分離，所述摻雜絕緣區(qū)域比所述表面區(qū)域具有更高的摻雜(并且優(yōu)選地更深的深度)，所述摻雜絕緣區(qū)域與所述表面區(qū)域一樣被連接至所述有源層的所述基準(zhǔn)電勢，這些所述絕緣區(qū)域插置在所述柵極的所述主體與所述光電二極管之間，以使得所述主體除了在所述指狀物的末端以外不與所述光電二極管相鄰。指狀物足夠窄，以使這些指狀物下方的有源層的電勢受所述指狀物的任一側(cè)上的摻雜絕緣區(qū)域的存在的影響，以此方式所述指狀物下的電勢局部地低于柵極的主體下的電勢，盡管事實(shí)上所述指狀物與所述柵極的所述主體處于相同電勢。較低電勢理解為是指相對于主體下的電勢，勢壘形成在指狀物下的有源層內(nèi)。由較低電勢形成的勢壘的概念適用于所存儲(chǔ)的電荷是電子的事實(shí)。事實(shí)上，為了簡化的目的(因?yàn)樵趯?shí)踐中通常是這種情況)，將假定有源層為P型，光電生成的且存儲(chǔ)在柵極下的電荷是電子而非空穴，因此，較低電勢相對于較高電勢構(gòu)成了對于電子的勢壘。在以下描述部分中，將會(huì)認(rèn)為傳感器形成有P型有源層，光電二極管在η型的單獨(dú)區(qū)域中存儲(chǔ)電子，并且使窄指狀物分離的表面區(qū)域和摻雜區(qū)域是P型的。
借助于僅在上游側(cè)上具有指狀物的這種柵極配置，存儲(chǔ)在像素的柵極下方的電荷不能流向位于上游的光電二極管，由于絕緣區(qū)域的存在也不能在該柵極的指狀物之間流動(dòng)，由于由這些區(qū)域在指狀物下方所感應(yīng)的電勢也不能在這些指狀物下流動(dòng)；它們僅能夠經(jīng)由不包括任何指狀物的柵極的一側(cè)流向存儲(chǔ)柵極的下游的光電二極管；在這一側(cè)上，柵極直接與下游光電二極管的P型表面區(qū)域相鄰。與之相反，柵極可以通過末端直接與光電二極管相鄰的指狀物接收來自位于緊鄰上游的光電二極管的電荷(只要上文所指示的勢壘不是夸張地高)。在第一實(shí)施例中，從所述柵極的所述主體開始，所述指狀物完全彼此分離。在第二實(shí)施例中，所述上游側(cè)上的所述指狀物的末端通過用作對準(zhǔn)掩模的柵極的 窄條部而彼此連接，所述對準(zhǔn)掩模用于形成所述光電二極管的摻雜區(qū)域(和使所述指狀物分離的所述絕緣區(qū)域)的注入。在此情況下，幾乎所有的所述絕緣區(qū)域由兩個(gè)鄰近的指狀物的橫向邊緣、所述柵極的所述主體的一部分以及所述柵極的窄條部所界定。所述絕緣區(qū)域優(yōu)選地是與晶體管源極和漏極區(qū)域的同時(shí)注入的區(qū)域，所述晶體管源極和漏極區(qū)域可以形成在與像素矩陣自身相同的集成電路上；因此所述絕緣區(qū)域與這些源極和漏極區(qū)域具有相同的雜質(zhì)濃度和相同的注入深度。因此簡化了制造方法。所述圖像傳感器優(yōu)選地是采用電荷積分的多線性掃描傳感器，但是它也可以是給圖像提供NXP個(gè)點(diǎn)的矩陣傳感器。在后者的情況下，在每一積分周期之后必須迅速地將電荷從NXP個(gè)像素中提取出來，并且優(yōu)選地在該轉(zhuǎn)移期間中斷傳感器的照明。


通過閱讀以下參照附圖作出的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，在附圖中-圖I示出了采用電荷轉(zhuǎn)移的矩陣圖像傳感器的大體結(jié)構(gòu)；-圖2示出了由存儲(chǔ)柵極和光電二極管的交替所組成的一列中的相鄰像素的結(jié)構(gòu)；-圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的像素的頂視圖；-圖4和圖5示出了沿圖3中的線IV-IV和V-V截取的垂直截面圖；-圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的像素下方的襯底的外延層中的電勢圖；-圖7示出了像素的柵極的一個(gè)變型實(shí)施例的頂視圖；-圖8示出的指狀物的一個(gè)特定配置。
具體實(shí)施例方式在圖I中，可以看到電荷轉(zhuǎn)移圖像傳感器的大體架構(gòu)。該傳感器包括具有N行的矩陣MT，每行具有P個(gè)對光敏感的像素。由第i行第j列的像素Pu的照明產(chǎn)生的電荷在積分時(shí)間T期間在像素中積分；然后將電荷轉(zhuǎn)移至下一第i+Ι行同一第j列的像素中；在列方向上(圖中的垂直方向)的相鄰像素布置為采用電荷轉(zhuǎn)移的垂直移位寄存器。該傳感器可以是提供NXP個(gè)圖像點(diǎn)的連續(xù)圖像的矩陣傳感器，或者是給線性圖像提供由N行像素所看見或累加的P個(gè)點(diǎn)的多重線性傳感器。在這兩種情況下，一列中的像素表現(xiàn)為垂直移位寄存器，但僅在第二種情況下在每一像素中累加來自前一像素的電荷以及在積分時(shí)間T期間光電產(chǎn)生的電荷。如果傳感器是設(shè)計(jì)為提供在積分時(shí)間T期間產(chǎn)生的NXP個(gè)像素的圖像的矩陣傳感器，則在時(shí)間T之后轉(zhuǎn)移NXP個(gè)像素的電荷；出現(xiàn)了 N個(gè)步驟的逐像素地至水平讀取寄存器RL或至臨時(shí)存儲(chǔ)矩陣(未示出)的轉(zhuǎn)移，或者是再次至用于電荷/電壓轉(zhuǎn)換的電路的轉(zhuǎn)移，每一該電路均被分配至一列像素；讀取寄存器RL可以是具有P個(gè)單元的水平電荷轉(zhuǎn)移寄存器。對于每一新的行，讀取寄存器RL將電荷從P個(gè)單元引導(dǎo)向?qū)㈦姾赊D(zhuǎn)換成電壓的讀取電路CL。如果傳感器是采用電荷積分的線性掃描傳感器，則在每一積分時(shí)間T之后未讀取包含在NXP個(gè)像素中的電荷，但是與傳感器前的圖像的掃描同步，在N個(gè)連續(xù)積分時(shí)間期間累加由一列的N個(gè)像素所讀取的電荷。在圖像相對于傳感器的掃描期間，N行像素中的每一行相繼看見同一圖像線；將在對應(yīng)于所觀察的圖像線的在第i行內(nèi)積分的電荷在該行像素中與先前在前一積分時(shí)間期間已經(jīng)看見同一圖像線的前一第i_l行所讀取的電荷相加。在N個(gè)積分時(shí)間結(jié)束時(shí)，最后一行的像素包含已經(jīng)看見同一圖像線的所有行所收集的電荷 的總和。在每一時(shí)間T結(jié)束時(shí)，由寄存器RL和讀取電路CL來讀取該行。圖2中的截面圖示出了以由柵極和光電二極管的簡單交替所組成的像素配置的矩陣的一列像素的大體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是原理上基于隨后將會(huì)更完整解釋的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。像素形成在半導(dǎo)體襯底10內(nèi)，半導(dǎo)體襯底10的上部采用輕摻雜的有源外延半導(dǎo)體層12。在這個(gè)示例中，襯底是高度摻雜的p++型，有源外延層是P-型的。如果外延層是η型的，則必須反轉(zhuǎn)所有的導(dǎo)電類型以及施加至光電二極管和柵極的電勢的符號(hào)。在原理上，襯底的導(dǎo)電類型與外延層的導(dǎo)電類型相同，但它也可以是相反的類型。該列包括光電二極管和電荷存儲(chǔ)柵極的規(guī)則交替。按照約定，可以將其視為光電二極管和相鄰的存儲(chǔ)柵極的組構(gòu)成一半像素，或完整像素。在第一約定中，像素包括兩個(gè)光電二極管和兩個(gè)存儲(chǔ)柵極，矩陣的所有像素都采用相同的相位從一個(gè)像素到另一像素來控制；在第二約定中，像素包括單個(gè)光電二極管和單個(gè)存儲(chǔ)柵極，但是同一列的兩個(gè)相鄰像素以相反相位系統(tǒng)地控制。在下文中，將會(huì)采用第一約定，因此將會(huì)認(rèn)為光電二極管和相鄰的柵極構(gòu)成半個(gè)像素，傳感器的所有像素接收相同的控制信號(hào)。示出了兩個(gè)相鄰像素Pi, j和
P
ri+l，j°因此，每一像素包括兩個(gè)光電二極管PHI、PH2和與光電二極管交替的兩個(gè)電荷存儲(chǔ)柵極G1、G2。對于像素PyjP Pi+1,j，在圖2中光電二極管和柵極分別被分配下標(biāo)i和i+1。柵極由多晶硅制成，且通過薄絕緣層13 (氧化硅或氮化硅)與外延層12絕緣。光電二極管由疊層形成，該疊層包括P型外延層12 (所有像素的所有光電二極管的共用有源層)、擴(kuò)散至兩個(gè)轉(zhuǎn)移柵極之間的外延層中的η型單獨(dú)區(qū)域14、以及覆蓋單個(gè)區(qū)域14且摻雜比外延層更多的P型單獨(dú)表面區(qū)域16。將會(huì)能夠在勢阱中累加由照明產(chǎn)生的電子，該勢阱形成在η型區(qū)域和P型外延層之間的結(jié)處。像素Pj,」的第二光電二極管ΡΗ2μ緊接著(在左到右的電荷轉(zhuǎn)移的方向上)下一像素Pi+1, j的第一存儲(chǔ)柵極Gli+1,j，類似地，像素Pm的第一轉(zhuǎn)移柵極Gli緊接在前一像素
j的第二光電二極管之前。為了使以柵極和光電二極管的交替的簡單方式形成的像素連續(xù)工作，光電二極管PHl和PH2的電勢以及柵極Gl和G2的電勢應(yīng)當(dāng)是單獨(dú)可控的，以便-在柵極下方或光電二極管下方、在像素內(nèi)形成勢阱，以接收新產(chǎn)生的電荷和先前累加的電荷，-在積分周期結(jié)束時(shí)提高勢阱的底部，以便將勢阱中所含有的電荷轉(zhuǎn)移至下一像素，-在轉(zhuǎn)移時(shí)在勢阱的一側(cè)上而不在另一側(cè)上形成勢壘，以便使轉(zhuǎn)移只在一個(gè)方向上出現(xiàn)。容易控制柵極下的電勢并將處于相反相位的交變電勢(高電勢和低電勢)施加至柵極Gl和G2 ;但是難以改變光電二極管的電勢，特別是由于在電荷積分期間P型表面區(qū)域16的電勢必須保持在有源層12的基準(zhǔn)電勢。由于這個(gè)困難，在圖2中的結(jié)構(gòu)的情況下，難以將轉(zhuǎn)移方向強(qiáng)加在光生電荷上。 出于這個(gè)原因，本發(fā)明提供的像素具有特定的配置，該特定的配置確保轉(zhuǎn)移的方向性而無需在轉(zhuǎn)移期間對P型表面區(qū)域16的電勢產(chǎn)生作用，并且無需像素中的額外電極和額外控制相位。圖3 (像素Piij的頂視圖)、圖4 (沿圖3中的線IV-IV的截面圖)和圖5 (沿圖3中的線V-V的截面圖)中示出了這種配置。像素再次包括與圖2中的那些像素處于相同條件下的存儲(chǔ)柵極和光電二極管的交替。每個(gè)像素中存在至少一個(gè)存儲(chǔ)柵極和一個(gè)光電二極管，將會(huì)采用與先前相同的約定，即像素包括兩個(gè)半個(gè)像素，每一半個(gè)像素均具有與光電二極管相鄰的存儲(chǔ)柵極。從頂視圖來看，根據(jù)本發(fā)明的像素的柵極是非對稱的，該柵極面向電荷轉(zhuǎn)移方向下游的一側(cè)不同于面向上游的一側(cè)。在圖3中，上游方向位于左側(cè)，下游方向朝向右側(cè)。在上游側(cè)上，每一柵極Gli、G2i均包括一系列窄指狀物20，該窄指狀物從柵極的主矩形表面或主體開始向上游延伸。在下游側(cè)上，柵極不包括任何窄指狀物。在沒有指狀物的地方作出圖4中的截面圖，在有指狀物的地方作出圖5中的截面圖。光電二極管由覆蓋有處于有源層12 (和襯底10)的電勢的P型表面區(qū)域16的N型摻雜區(qū)域14定義；在柵極的指狀物20的末端處，光電二極管與位于該光電二極管的下游的柵極相鄰；但是，它們不與該柵極的主表面相鄰；遠(yuǎn)離窄指狀物的末端，光電二極管不與柵極相鄰，并且它們由P+型摻雜的絕緣區(qū)域18與柵極分離，絕緣區(qū)域18比覆蓋光電二極管的表面區(qū)域16摻雜的更多。如果表面區(qū)域16的深度非常有限(由于其期望改善藍(lán)色的靈敏度)，則區(qū)域18優(yōu)選地比區(qū)域16更深。在柵極的下游側(cè)上，光電二極管與柵極的主表面相鄰。柵極相對于光電二極管的這種布置適用于屬于同一像素的相鄰的柵極和光電二極管以及屬于兩個(gè)鄰近像素的相鄰的柵極和光電二極管這兩者。摻雜的絕緣區(qū)域18緊靠在指狀物的任一側(cè)上。在有源層12里面絕緣區(qū)域18處于基準(zhǔn)電勢，也就是說(如果襯底與有源層的類型相同)處于襯底10的電勢，其為整個(gè)像素矩陣基準(zhǔn)電勢。由于區(qū)域18是擴(kuò)散至自身與襯底P+接觸的有源層P中的P+區(qū)域，所以在這里完美自然地出現(xiàn)了區(qū)域18至襯底的電勢的這種連接。在實(shí)踐中，如果傳感器包括具有在像素矩陣外部的PMOS晶體管的電路，則可以在制造這些晶體管的P+型源極和漏極區(qū)域的同時(shí)制造絕緣區(qū)域P+18。因此，它們具有相同的深度和相同的濃度(兩者均大于表面區(qū)域的深度和濃度)。但是，如果優(yōu)選為獨(dú)立于制造晶體管的源極和漏極區(qū)域的選擇來調(diào)節(jié)區(qū)域18的深度和濃度，則可以提供特定的注入。如圖3中所示，也可以在制造其它P+區(qū)域的同時(shí)制造這些區(qū)域18，特別是用于使屬于不同列的像素彼此橫向絕緣的那些區(qū)域18。在垂直于從光電二極管至存儲(chǔ)柵極的電荷轉(zhuǎn)移方向上，窄指狀物20的寬度足夠窄且區(qū)域18的摻雜足夠高，以使得指狀物20下方的有源外延層12的上部的電勢受指狀物任一側(cè)上的區(qū)域18的存在的影響。也就是說，在柵極主要部分的下方，有源層中的電勢當(dāng)然會(huì)受到施加至柵極的電勢的影響，但是在指狀物下方則是不同的，這是因?yàn)槲挥谥笭钗锏娜我粋?cè)上的區(qū)域18的存在以及指狀物的狹窄所致，即使指狀物與柵極主體的電勢相同。在圖4中，由于橫截面不穿過指狀物，所以可以看到區(qū)域18，但不能看到指狀物20 ;在圖5中，由于在沿截面線的光電二極管與柵極之間不存在區(qū)域18，所以可以看到指狀物但不能看到區(qū)域18?！?br> 圖6示出了在存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移所位于的深度處(即略微低于有源層的頂表面)的有源層內(nèi)的電勢圖。圖6是在與圖5相同的橫截面中作出的，即在存在指狀物的位置處。由于處于襯底的基準(zhǔn)電勢的P+區(qū)域18產(chǎn)生了阻止從光電二極管至柵極(或反之亦然)的任何電荷轉(zhuǎn)移的勢壘，所以電荷轉(zhuǎn)移僅出現(xiàn)在指狀物下。傳感器僅以兩個(gè)相位工作。在同一時(shí)間連接所有的柵極G1，并且所有的柵極Gl交替地接收低電勢(原則上基準(zhǔn)電勢O)和高電勢(原則上像素矩陣的電源電勢Vdd)。Vdd可以是5伏。將所有的柵極G2連接在一起，以便交替地接收該低電勢和該高電勢，但是相位與柵極Gl相反。圖6中不出了電勢的兩條軌跡；一條軌跡對應(yīng)于第一相位(柵極Gl處于低電勢，柵極G2處于高電勢)；另一條軌跡對應(yīng)于第二相位(柵極Gl處于高電勢,柵極G2處于低電勢)。這兩個(gè)相位中的每一個(gè)的持續(xù)時(shí)間為對應(yīng)于一行像素對圖像線的觀察的積分周期T
的一半。根據(jù)通常的約定，向下引導(dǎo)增大的電勢，以確保產(chǎn)生對于電子的勢阱和勢壘。在持續(xù)時(shí)間T的第一相位中，在處于Vdd的柵極G2所感應(yīng)的電勢高于相鄰的光電二極管的電勢，且高于柵極Gl所感應(yīng)的電勢；由于柵極Gli變?yōu)?V，在新積分周期開始時(shí)，將在前一積分周期結(jié)束時(shí)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)柵極Gli下方的電荷通過光電二極管PHli和柵極G2i的指狀物轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)柵極G2i下方；電荷不通過絕緣區(qū)域18。由于靠近指狀物的任一側(cè)上的區(qū)域18所致，柵極Gli的指狀物20下方的電勢略微下降，形成了柵極Gli的上游的勢壘BPli ;該勢壘BPli阻止了位于柵極GliT方的電荷在該相位的開始時(shí)向左側(cè)離開。在第一相位的開始時(shí)，出現(xiàn)了向右側(cè)的總體電荷轉(zhuǎn)移(從柵極Gl至柵極G2)。于是，由于通過將電勢Vdd施加至柵極G2i上而形成在兩個(gè)光電二極管之間的勢阱所致，由光電二極管PHli中的光所產(chǎn)生的電荷以及光電二極管Pffii中所產(chǎn)生的那些電荷被轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)柵極G2i下方；轉(zhuǎn)移由位于柵極G2i的上游的光電二極管PHli所產(chǎn)生的電荷，使之通過柵極G2i的窄指狀物，在柵極G2i的指狀物所局部感應(yīng)的勢壘設(shè)計(jì)為不降至光電二極管的電勢以下；假定表面部分16保持為基準(zhǔn)電勢零，則光電二極管的電勢由光電二極管中的摻雜輪廓來定義。在第二相位中，在柵極G2變?yōu)镺之前，柵極Gl變?yōu)閂dd。柵極Gl所感應(yīng)的電勢變得低于光電二極管的電勢，且低于柵極G2所感應(yīng)的電勢；在新積分周期開始時(shí)，將在第一相位結(jié)束時(shí)柵極G2i下方的電荷通過處于中間電勢的光電二極管PiEi和柵極Gli+1的指狀物轉(zhuǎn)移至下一像素的存儲(chǔ)柵極Gli+1下方。由于緊鄰柵極G2i的指狀物的任一側(cè)上的區(qū)域18所致，指狀物20所感應(yīng)的電勢略微下降，形成了柵極G2i的上游的勢壘BP2i ;該勢壘BP2i阻止了位于柵極G2i下方的電荷在該相位的開始時(shí)向左側(cè)離開。在這里再次出現(xiàn)了向右側(cè)的總體電荷轉(zhuǎn)移(從柵極G2向柵極G1)。于是,將由光電二極管PHli中的光所產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)柵極Gli下方；將由其它光電二極管Pffii在第二相位期間所產(chǎn)生的電荷通過下一像素的第一柵極的指狀物轉(zhuǎn)移至下一像素的第一柵極中。因此，存在向右的單向電荷轉(zhuǎn)移以及在先前像素中所累加的電荷與當(dāng)前像素中所產(chǎn)生的電荷的求和這兩者。所進(jìn)行的模擬顯示出勢壘BPli、BP2i的高度隨窄指狀物20寬度而強(qiáng)烈變化；通常對于在O. 7微米至O. 3微米之間變化的指狀物的寬度而言(這些寬度易于實(shí)現(xiàn))，勢壘可以在O. 5伏至2. 5伏之間變化；因?yàn)檫@些值取決于蝕刻技術(shù)和所采用的注入水平，所以這些值·是指示性的。但是，為了不阻止在積分周期期間從光電二極管向位于下游的柵極的電荷轉(zhuǎn)移，勢壘的高度必須不能太高；這是因?yàn)楫?dāng)柵極處于電勢Vdd時(shí)還存在形成在位于柵極主體下方的區(qū)域與位于指狀物下方的區(qū)域之間的勢壘，并且該勢壘不應(yīng)當(dāng)超過光電二極管的基準(zhǔn)電勢電平。小于或等于O. 4微米的指狀物的寬度是非常適合的。在作為頂視圖的圖7中所示的一個(gè)變型實(shí)施例中，在柵極的上游側(cè)上的指狀物的末端通過用作對準(zhǔn)掩模的多晶硅22的柵極的窄條部22而彼此連接，該對準(zhǔn)掩模用于光電二極管的摻雜區(qū)域和絕緣區(qū)域18的注入。于是，區(qū)域18由兩個(gè)指狀物、柵極的主體的一部分以及柵極的窄條的一部分所界定。于是，更好地控制了光電二極管的表面區(qū)域，這對于矩陣的像素的響應(yīng)的更好的均勻性而言非常重要。窄條部22的寬度優(yōu)選地小于指狀物的寬度，以使得在該條下也施加區(qū)域18對有源層中的電勢的影響。如圖8中所示，在窄條接觸指狀物的點(diǎn)處，指狀物的末端的形狀可以包括缺口，以避免在指狀物下形成不期望的電勢口袋(pocket)的風(fēng)險(xiǎn)，其中在轉(zhuǎn)移期間口袋電荷可以保持被俘獲。在轉(zhuǎn)移方向上，指狀物的長度可以基本上等于它們的寬度。將會(huì)注意到，在兩個(gè)存儲(chǔ)柵極之間具有光電二極管的像素的結(jié)構(gòu)可以對藍(lán)色波長實(shí)現(xiàn)好的響應(yīng)，光電二極管沒有被吸收藍(lán)光的柵極所掩蓋。傳感器可以是經(jīng)由背面照明的減薄的傳感器，于是可以在不降低對藍(lán)色的靈敏度的情況下增大光電二極管的表面區(qū)域的注入深度。在此情況下，注入至絕緣區(qū)域18中的深度不一定大于表面區(qū)域16的深度。此外，對于設(shè)計(jì)為拍攝紅色圖像的傳感器而言，即使傳感器未被減薄，表面區(qū)域16也可以與絕緣區(qū)域18—樣深，這是因?yàn)樗鼈兊纳疃扰c傳感器的靈敏度沒有過多因果關(guān)系。在上文中，已經(jīng)認(rèn)為電荷在列的末端被轉(zhuǎn)移至采用水平電荷轉(zhuǎn)移的讀取寄存器中(圖I中的寄存器RL)。該寄存器也可以由一系列的電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和電荷-電壓轉(zhuǎn)換電路(一個(gè)電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)與矩陣的每一列相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)換電路)來代替。轉(zhuǎn)換電路包括若干個(gè)晶體管，類似于CMOS技術(shù)傳感器的有源像素的晶體管，在其中是跟隨器晶體管和復(fù)位晶體管。于是，轉(zhuǎn)換電路優(yōu)選地與相關(guān)雙采樣電路相關(guān)聯(lián)，該相關(guān)雙采樣電路首先對在所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電勢復(fù)位時(shí)的復(fù)位電平進(jìn)行采樣，然后對在將來自所述矩陣的最后一行的電荷轉(zhuǎn)移至所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之后的有用信號(hào)電平進(jìn)行采樣。由模數(shù)轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)換這兩個(gè)采樣的差?？梢詫γ恳涣邢袼靥峁┗巨D(zhuǎn)換器，或者提供全局轉(zhuǎn)換器來順序?qū)γ恳涣羞M(jìn)行轉(zhuǎn) 換。
權(quán)利要求
1.一種電荷轉(zhuǎn)移圖像傳感器，所述傳感器包括N個(gè)相鄰的行，每行具有P個(gè)像素，屬于兩個(gè)連續(xù)行的同一列的相鄰像素均包括至少一個(gè)光電二極管(PHli, PH2,)和一個(gè)與所述光電二極管相鄰的存儲(chǔ)柵極(Gli, G2J的交替，所述柵極覆蓋第一導(dǎo)電類型的有源層區(qū)域(12)，所述光電二極管由第二導(dǎo)電類型的單獨(dú)區(qū)域(14)形成在所述有源層內(nèi)，所述單獨(dú)區(qū)域(14)由第一類型的單獨(dú)表面區(qū)域(16)所覆蓋，所述單獨(dú)表面區(qū)域(16)連接至所述有源層的基準(zhǔn)電勢，其特征在于所述柵極包括主體和一系列窄指狀物(20)，所述一系列窄指狀物(20)在電荷轉(zhuǎn)移方向上的上游側(cè)上而不在下游側(cè)上且從所述主體向所述上游側(cè)延伸，在所述上游側(cè)上的所述指狀物的末端與位于所述柵極的上游的光電二極管相鄰，所述窄指狀物通過第一導(dǎo)電類型的摻雜絕緣區(qū)域(18)而彼此分離，所述摻雜絕緣區(qū)域(18)的摻雜比所述表面區(qū)域的摻雜更高，所述摻雜絕緣區(qū)域與所述表面區(qū)域一樣被連接至所述有源層的所述基準(zhǔn)電勢，這些所述絕緣區(qū)域插置在所述柵極的所述主體與所述光電二極管之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的圖像傳感器，其特征在于所述絕緣區(qū)域(18)比所述光電二極管的所述表面區(qū)域(16)更深。
3.根據(jù)權(quán)利要求I和2中任一項(xiàng)所述的圖像傳感器，其特征在于從所述柵極的所述主體開始，所述指狀物完全彼此分離。
4.根據(jù)權(quán)利要求I和2中任一項(xiàng)所述的圖像傳感器，其特征在于所述上游側(cè)上的所述指狀物的末端通過用作對準(zhǔn)掩模的柵極的窄條部(22)而彼此連接，所述對準(zhǔn)掩模用于形成所述光電二極管的摻雜區(qū)域和所述絕緣區(qū)域(18)的注入。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其特征在于所述絕緣區(qū)域由兩個(gè)所述指狀物、所述柵極的所述主體的一部分以及所述柵極的窄條部所界定。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于使所述指狀物分離的第一導(dǎo)電類型的所述絕緣區(qū)域是采用與晶體管源極和漏極區(qū)域相同的濃度和相同的深度而注入的區(qū)域，所述晶體管源極和漏極區(qū)域形成在與像素矩陣相同的集成電路上。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項(xiàng)所述的圖像傳感器，其特征在于所述圖像傳感器是采用電荷積分的掃描傳感器，鑒于采用由各個(gè)行的同一列的像素中的圖像點(diǎn)所產(chǎn)生的電荷的總和來由若干像素的行相繼觀察同一圖像線，將在積分時(shí)間期間由第i行像素的照明所產(chǎn)生的電荷與在周期開始時(shí)從先前行的像素接收到的電荷相加。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7中任一項(xiàng)所述的圖像傳感器，其特征在于所述圖像傳感器包括一系列電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和電荷-電壓轉(zhuǎn)換電路，每一轉(zhuǎn)換電路均包括若干個(gè)晶體管，所述若干個(gè)晶體管包括跟隨器晶體管和復(fù)位晶體管。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像傳感器，其特征在于所述轉(zhuǎn)換電路與相關(guān)雙采樣電路相關(guān)聯(lián)，所述相關(guān)雙采樣電路首先對在所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電勢復(fù)位時(shí)的復(fù)位電平進(jìn)行采樣，然后對在將來自所述矩陣的最后一行的電荷轉(zhuǎn)移至所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之后的有用信號(hào)電平進(jìn)行采樣。
全文摘要
本發(fā)明涉及圖像傳感器，更具體地但不僅限于能夠信號(hào)積分的掃描傳感器(或TDI傳感器，“時(shí)間延遲積分線性傳感器”)。根據(jù)本發(fā)明，沿一列的相鄰像素均包括至少一個(gè)光電二極管(PH1i，PH2i)和一個(gè)與所述光電二極管相鄰的存儲(chǔ)柵極(G1i，G2i)的交替。所述柵極包括主體和一系列窄指狀物(20)，所述一系列窄指狀物(20)在電荷轉(zhuǎn)移方向上的上游側(cè)上而不在下游側(cè)上且從所述主體向所述上游側(cè)延伸，在所述上游側(cè)上的所述指狀物的末端與位于所述柵極的上游的光電二極管相鄰，所述窄指狀物通過第一導(dǎo)電類型的摻雜絕緣區(qū)域(18)而彼此分離，所述摻雜絕緣區(qū)域(18)的摻雜比所述表面區(qū)域的摻雜更高且所述摻雜絕緣區(qū)域優(yōu)選地比所述表面區(qū)域更深，所述摻雜絕緣區(qū)域與所述表面區(qū)域一樣被連接至所述有源層的所述基準(zhǔn)電勢，這些所述絕緣區(qū)域插置在所述柵極的所述主體與所述光電二極管之間。這些指狀物感應(yīng)所述電荷轉(zhuǎn)移的方向性。
文檔編號(hào)H01L27/148GK102971852SQ201180024387
公開日2013年3月13日 申請日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者F·馬耶爾, R·貝爾 申請人:E2V半導(dǎo)體公司