專利名稱：4t cmos成像器像素中的暗電流和溢出抑制方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及半導(dǎo)體裝置，且更確切地說(shuō)，涉及成像器像素中的暗電流和溢出 抑制。
背景技術(shù)：
CMOS圖像傳感器正越來(lái)越多地被用作成本相對(duì)較低的成像裝置。CMOS圖像傳感 器電路包含像素單元的焦平面陣列，其中每個(gè)像素單元包含光電轉(zhuǎn)換裝置，例如光電門(mén)、 光電導(dǎo)體或光電二極管，光電二極管在用于積累光產(chǎn)生的電荷的襯底內(nèi)具有相關(guān)聯(lián)的電 荷積累區(qū)。每個(gè)像素單元可包含用于將電荷從電荷積累區(qū)轉(zhuǎn)移到感測(cè)節(jié)點(diǎn)的晶體管，和 用于在電荷轉(zhuǎn)移之前將感測(cè)節(jié)點(diǎn)重設(shè)成預(yù)定電荷電平的晶體管。像素單元還可包含源 極跟隨器晶體管，用于接收并放大來(lái)自感測(cè)節(jié)點(diǎn)的電荷；以及接入晶體管，用于控制從 所述源極跟隨器晶體管讀出單元內(nèi)含物。
在CMOS圖像傳感器中，像素單元的有源元件執(zhí)行以下必要功能(1)光子到電荷 的轉(zhuǎn)換；(2)積累圖像電荷；(3)將電荷轉(zhuǎn)移到讀出節(jié)點(diǎn)；(4)將感測(cè)節(jié)點(diǎn)重設(shè)成已知 狀態(tài)；(5)選擇像素以供讀出；和(6)輸出并放大來(lái)自感測(cè)節(jié)點(diǎn)的表示像素電荷的信號(hào)。
上述類型的CMOS圖像傳感器一般參見(jiàn)以下文獻(xiàn)Nixon等人所著的"256 x 256 CMOS Active Pixel Sensor Camera-on-a-Chip，" (IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 31(12)，第2046頁(yè)到2050頁(yè)(1996));和Mendis等人所著的"CMOS Active Pixel Image Sensors," (IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 41(3)，第452頁(yè)到453頁(yè)(1994))。 參看轉(zhuǎn)讓給Micron Technology, Inc.的第6,140,630號(hào)、第6,177,333號(hào)、第6,204,524號(hào)、 第6,310,366號(hào)、第6,326,652號(hào)和第6,333,205號(hào)美國(guó)專利，所述專利的內(nèi)容以引用的形 式并入本文中。
圖1A中展示典型的四晶體管(4T) CMOS成像器像素150。像素150包含光電轉(zhuǎn)換 裝置100 (其可實(shí)施為帶引腳的光電二極管)、轉(zhuǎn)移晶體管110、浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD、重設(shè)晶 體管120、源極跟隨器晶體管130和行選擇晶體管180。當(dāng)通過(guò)轉(zhuǎn)移柵極控制信號(hào)TX激 活轉(zhuǎn)移晶體管110時(shí)，光電轉(zhuǎn)換裝置100通過(guò)轉(zhuǎn)移晶體管110連接到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。
重設(shè)晶體管120連接在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD與像素電源電壓Vpix之間。用重設(shè)控制信號(hào) RST激活重設(shè)晶體管120，如此項(xiàng)技術(shù)已知，所述重設(shè)晶體管120將浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD重設(shè)
成像素電源電壓Vpix電平。
源極跟隨器晶體管130的柵極連接到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD，且源極跟隨器晶體管130連接 在陣列電源電壓Vaa與行選擇晶體管180之間。源極跟隨器晶體管130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)PIX OUT。行選擇晶體管可受行選擇信號(hào)SEL 控制，用以將源極跟隨器晶體管130及其輸出電壓信號(hào)PIXOUT選擇性地連接到像素陣 列的列線190。
圖1B說(shuō)明圖1A中所說(shuō)明的像素150的讀出和光電荷匯集操作的簡(jiǎn)化時(shí)序圖。圖1B 說(shuō)明第一讀出周期181，其中讀出像素150的先前存儲(chǔ)的光電荷。在這個(gè)第一讀出周期 181期間，脈沖重設(shè)控制信號(hào)RST以激活重設(shè)晶體管120，所述重設(shè)晶體管120將浮動(dòng) 擴(kuò)散區(qū)FD重設(shè)成像素電源電壓Vpix電平。當(dāng)SEL信號(hào)為高時(shí)，脈沖采樣與保持重設(shè)信 號(hào)SHR,以便在采樣與保持電路(圖1A或1B中未圖示)的采樣與保持電容器上存儲(chǔ)重 設(shè)信號(hào)Vrst (對(duì)應(yīng)于重設(shè)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD)。接著，將轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX激活，以便允許 將來(lái)自光電轉(zhuǎn)換裝置100的光電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD。當(dāng)SEL信號(hào)保持高時(shí)，脈沖 采樣與保持像素信號(hào)SHS，以便將來(lái)自像素150的像素信號(hào)Vsig存儲(chǔ)在采樣與保持電路 的另一采樣與保持電容器上。
在匯集周期191期間，將重設(shè)控制信號(hào)RST、轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX和采樣與保持信號(hào) SHR、 SHS設(shè)置成接地電位GRND。在匯集周期191期間，光電轉(zhuǎn)換裝置基于入射在光 電轉(zhuǎn)換裝置上的光積累光電荷。在匯集周期191之后，開(kāi)始第二讀出周期171。在第二 讀出周期171期間，讀出像素150的在匯集周期191中積累的光電荷(如上文針對(duì)周期 181所描述的)。
與常規(guī)成像器像素單元(例如，像素單元150)相關(guān)聯(lián)的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是暗電流， 即在沒(méi)有光的情況下作為光電轉(zhuǎn)換裝置信號(hào)而產(chǎn)生的電流。如圖1C的電位圖所示，暗電 流161可能是由許多不同的因素導(dǎo)致的，其中包含光電傳感器結(jié)泄漏、沿著隔離邊緣 的泄漏、晶體管亞閾值泄漏、漏極引起的障壁低泄漏、柵極引起的漏極泄漏、捕獲輔助 式隧穿，和像素制造缺陷。缺陷的一個(gè)實(shí)例是電荷載體耗盡區(qū)中出現(xiàn)空隙狀態(tài)。這個(gè)缺 陷導(dǎo)致電子-空穴對(duì)產(chǎn)生更多熱量，所述熱量可能會(huì)在光電轉(zhuǎn)換裝置100 (圖1A)中積聚 并顯著降低總體圖像質(zhì)量。
相應(yīng)地，需要一種具有減少的暗電流且不具有不良的溢出效應(yīng)的像素。還需要一種 制造和操作此種像素的簡(jiǎn)單方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種操作成像器像素以便減少暗電流和會(huì)在成像器中導(dǎo)致暗電路流的因 素的方法。本發(fā)明允許減少暗電流，卻不會(huì)減少像素容量，且不會(huì)導(dǎo)致溢出。
在本發(fā)明的示范性實(shí)施例中通過(guò)一種操作成像器像素的方法實(shí)現(xiàn)以上和其它特征和 優(yōu)點(diǎn)，所述方法包含在電荷匯集周期期間在轉(zhuǎn)移晶體管的柵極上施加相對(duì)較小的第一電 壓和第二電壓的多個(gè)脈沖的動(dòng)作。第一電壓是較小的負(fù)電壓，且第二電壓是較小的正電 壓。當(dāng)向轉(zhuǎn)移柵極施加較小的負(fù)電壓時(shí)，通常將產(chǎn)生暗電流問(wèn)題的電子與空穴重新組合， 進(jìn)而實(shí)質(zhì)上減少暗電流。當(dāng)施加較小的正電壓脈沖時(shí)，在轉(zhuǎn)移晶體管門(mén)下形成耗盡區(qū)， 這樣便形成將暗電流電子轉(zhuǎn)移到像素浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的路徑。


根據(jù)下文參看附圖對(duì)示范性實(shí)施例提供的詳細(xì)描述將更容易明白本發(fā)明的以上和其 它優(yōu)點(diǎn)和特征，其中
圖1A說(shuō)明常規(guī)的四晶體管(4T)像素單元電路；
圖1B說(shuō)明用常規(guī)方式操作圖1A的像素電路的時(shí)序圖1C說(shuō)明圖1A的像素電路在根據(jù)圖1B時(shí)序圖操作時(shí)的電壓電位圖2說(shuō)明用于根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例操作圖1A的像素電路的時(shí)序圖3A說(shuō)明圖1A的像素單元在根據(jù)圖2時(shí)序圖操作時(shí)的橫截面視圖3B說(shuō)明圖1A的像素電路在根據(jù)圖2時(shí)序圖操作時(shí)的電壓電位圖4A-4B是對(duì)負(fù)電壓和正電壓分別如何減少實(shí)驗(yàn)用像素中的暗電流進(jìn)行比較的直方
圖5展示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例構(gòu)造的成像器；和
圖6展示并入有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例構(gòu)造的至少一個(gè)成像器的處理器系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
在以下詳細(xì)描述中參看附圖，附圖形成本文的一部分且說(shuō)明可實(shí)踐本發(fā)明的具體實(shí) 施例。在圖式中，相同的元件符號(hào)在若干視圖中始終描述大致相似的組件。充分詳細(xì)地 描述這些實(shí)施例，以便使得所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，且應(yīng)了解，也可利用 其它實(shí)施例，并且在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可作出結(jié)構(gòu)性、邏輯和電氣方 面的改變。
應(yīng)將術(shù)語(yǔ)"晶片"和"襯底"理解為包含硅、絕緣體上硅(SOI)、藍(lán)寶石上硅(SOS) 和無(wú)基底硅(SON)技術(shù)、摻雜和未摻雜半導(dǎo)體、由基礎(chǔ)半導(dǎo)體底座支撐的外延硅層及 其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。此外，當(dāng)在以下描述內(nèi)容中參考"晶片"或"襯底"時(shí)，可能已利用
先前處理步驟在基底半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或底座中形成區(qū)或結(jié)。此外，半導(dǎo)體不需要是基于硅， 而是可基于硅-鍺、鍺或鎵-砷化物。
術(shù)語(yǔ)"像素"或"像素單元"是指含有光電轉(zhuǎn)換裝置和有源裝置的像元單位單元， 所述裝置例如為用于將電磁輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的晶體管。出于說(shuō)明目的，在圖和本文的 描述內(nèi)容中說(shuō)明代表性像素單元的一部分，通常圖像傳感器中的所有像素單元的制造將 同時(shí)且以相似方式進(jìn)行。
減少轉(zhuǎn)移晶體管柵極堆棧下方的暗電流的產(chǎn)生的一種可能的解決方案是在轉(zhuǎn)移晶體 管的柵極上施加負(fù)電壓。負(fù)電壓將電子-空穴對(duì)吸引到表面上，從而減少此處的耗盡區(qū)， 并有效地覆蓋空隙狀態(tài)。因此，通過(guò)向轉(zhuǎn)移晶體管柵極施加負(fù)電壓，熱產(chǎn)生的電子-空穴 對(duì)將可能在被光電轉(zhuǎn)換裝置收集它們之前重新組合。然而，這種方法傾向于惡化另一個(gè) 問(wèn)題，其稱為溢出。當(dāng)光電轉(zhuǎn)換裝置的存儲(chǔ)容量已滿且在光電轉(zhuǎn)換裝置已滿的情況下仍 在產(chǎn)生電子時(shí)，則會(huì)發(fā)生溢出。多余的電子可能會(huì)溢出到若干位置。多余的電子可能會(huì) 通過(guò)跳過(guò)隔離阻障進(jìn)入鄰近像素而試圖擴(kuò)散，從而破壞其信號(hào)。或者，電子可能會(huì)穿過(guò) 襯底，并聚集在像素的其它區(qū)域或外圍電路裝置中。浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)是聚集多余電子的既定 和最理想的地方。浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)具有相當(dāng)大的容量，從而足以在成像器操作期間存儲(chǔ)這些 雜散電子，并在實(shí)際上讀取像素信號(hào)之前清除或重設(shè)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)上的信號(hào)。
對(duì)轉(zhuǎn)移晶體管柵極進(jìn)行正偏置可使得多余電子更有可能從轉(zhuǎn)移晶體管溢出到浮動(dòng)擴(kuò) 散區(qū)。但是，向轉(zhuǎn)移晶體管柵極施加負(fù)偏壓雖然適合用于防止暗電流穿透，但卻導(dǎo)致多 余電子更難溢出到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，因此導(dǎo)致其溢出到像素中的其它不理想?yún)^(qū)域或鄰近像素 中。此外，正如上文所提出，正偏置的轉(zhuǎn)移晶體管柵極會(huì)因轉(zhuǎn)移晶體管柵極下的較大耗 盡區(qū)而增加暗電流。
發(fā)明人已經(jīng)確定，通過(guò)在匯集周期期間向轉(zhuǎn)移晶體管的柵極施加相對(duì)較小的負(fù)電壓，
隨后也在同一匯集周期期間向轉(zhuǎn)移晶體管的柵極施加正電壓脈沖，借此可實(shí)質(zhì)上減少轉(zhuǎn) 移晶體管下方產(chǎn)生的暗電流所導(dǎo)致的暗電荷積累。
圖2說(shuō)明用于根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例操作圖1A的像素電路的時(shí)序圖。圖2說(shuō)明 兩個(gè)讀出周期220、 221和匯集周期320。所述兩個(gè)讀出周期與上文相對(duì)于圖1B描述的 常規(guī)讀出周期相同。也就是說(shuō)，在這個(gè)第一讀出周期220期間，(例如)脈沖重設(shè)控制信 號(hào)RST,以便激活重設(shè)晶體管，這樣便將浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD重設(shè)成像素電源電壓Vpix電平。 當(dāng)SEL信號(hào)為高時(shí)，脈沖采樣與保持重設(shè)信號(hào)SHR，以便在采樣與保持電路(例如圖7 的采樣與保持電路761)的采樣與保持電容器上存儲(chǔ)重設(shè)信號(hào)Vrst(對(duì)應(yīng)于重設(shè)浮動(dòng)擴(kuò)散
區(qū)FD)。將轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX激活，以允許來(lái)自光電轉(zhuǎn)換裝置100的光電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng) 擴(kuò)散區(qū)FD。當(dāng)SEL信號(hào)仍為高時(shí)，脈沖采樣與保持信號(hào)SHS，以便將來(lái)自像素的像素 信號(hào)Vsig存儲(chǔ)在采樣與保持電路中的另一采樣與保持電容器上。
現(xiàn)在參看圖2、圖3A和圖3B，在靠近帶引腳的光電二極管光電傳感器100的區(qū)域 350中的轉(zhuǎn)移晶體管110的柵極下方產(chǎn)生暗電子。發(fā)明人已經(jīng)確定，通過(guò)在匯集周期320 期間向轉(zhuǎn)移晶體管110的柵極施加相對(duì)較小的負(fù)電壓，會(huì)增加空穴360在轉(zhuǎn)移晶體管柵 極下方的區(qū)域中的集中度(如圖3A所示)。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，從轉(zhuǎn)移晶體管I10下的 表面狀態(tài)和/或從像素的塊狀襯底產(chǎn)生的暗電子迅速重新組合，從而使得電子被光電轉(zhuǎn)換 裝置捕獲的幾率相對(duì)較小。因此，實(shí)質(zhì)上減少了暗電流和引起暗電流的因素。
小負(fù)電壓值取決于轉(zhuǎn)移晶體管的閾值電壓，但電壓的理想范圍是從略小于OV到絕對(duì) 值高于轉(zhuǎn)移晶體管的閾值電壓絕對(duì)值的負(fù)值。對(duì)于常規(guī)的CMOS成像器工藝，閾值電壓 的絕對(duì)值和電壓范圍的下限對(duì)應(yīng)于約(一O.S) V。在實(shí)際的CMOS成像器設(shè)計(jì)中，最小 負(fù)電壓可能受到電靜態(tài)放電(ESD)電路的限制。在這個(gè)實(shí)例和其它所有實(shí)例中，將轉(zhuǎn) 移晶體管110(圖3A)柵極上的電壓稱為襯底電壓。圖3B說(shuō)明不同的電壓VTX如何影 響轉(zhuǎn)移晶體管柵極下方的耗盡區(qū)。也就是說(shuō)，當(dāng)將電壓VTX設(shè)置成OV時(shí)，轉(zhuǎn)移晶體管 下方的區(qū)域與圖1C中針對(duì)常規(guī)像素操作描繪的區(qū)域相似。當(dāng)將電壓VTX設(shè)置成一0.3V 時(shí)，在轉(zhuǎn)移晶體管下方存在具有第一斜度的耗盡區(qū)380。當(dāng)將電壓VTX設(shè)置成一0.5V時(shí)， 在轉(zhuǎn)移晶體管下方存在具有第二斜度的耗盡區(qū)390。下文參看圖4B描述不同的正轉(zhuǎn)移柵 極電壓VTX以何種方式實(shí)現(xiàn)暗電流的減少。
發(fā)明人還已確定，通過(guò)在匯集周期320期間向轉(zhuǎn)移晶體管110的柵極施加多個(gè)正電 壓脈沖可實(shí)質(zhì)上減少暗電荷300的積累。在轉(zhuǎn)移晶體管110的柵極上施加正電壓脈沖會(huì) 在轉(zhuǎn)移晶體管(TX)柵極下方形成耗盡區(qū)330。耗盡區(qū)330充當(dāng)暗電子300到達(dá)浮動(dòng)擴(kuò) 散區(qū)FD的路徑，如圖3A所示。由于光電二極管光電轉(zhuǎn)換裝置100與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD之 間存在電位差，所以暗載流子300流動(dòng)到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)FD，且在隨后的重設(shè)操作期間被耗 盡，而不是被光電轉(zhuǎn)換裝置IOO捕獲。
正電壓脈沖的值取決于轉(zhuǎn)移晶體管110的閾值電壓，但電壓的理想范圍是從略大于 OV到高于轉(zhuǎn)移晶體管110的閾值電壓的電壓。對(duì)于常規(guī)的CMOS成像器工藝，閾值電壓 和電壓范圍的上限對(duì)應(yīng)于約0.8V。在實(shí)際的CMOS成像器設(shè)計(jì)中，最大正電壓可受ESD 電路限制。圖4B說(shuō)明不同的電壓VTX如何影響轉(zhuǎn)移晶體管IIO柵極下方的耗盡區(qū)。也 就是說(shuō)，當(dāng)將電壓VTX設(shè)置成OV時(shí)，轉(zhuǎn)移晶體管下方的區(qū)域與圖1C中針對(duì)常規(guī)的像
素操作描繪的區(qū)域相似。當(dāng)將電壓VTX設(shè)置成0.3V時(shí)，在轉(zhuǎn)移晶體管IIO下方存在具 有第一斜度的耗盡區(qū)330。當(dāng)將電壓VTX設(shè)置成0.5V時(shí)，在轉(zhuǎn)移晶體管110下方存在具 有第二斜度的耗盡區(qū)330。
圖4A-4B是說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)中本發(fā)明如何減少暗電流的直方圖。圖4A是展示當(dāng)不向轉(zhuǎn) 移晶體管柵極施加任何電壓或施加較小的負(fù)電壓時(shí)測(cè)試像素陣列上的暗電流的直方圖。
曲線410表示當(dāng)不向轉(zhuǎn)移晶體管柵極施加電壓時(shí)的暗電流，曲線420、 430、 440和450 分別表示當(dāng)向轉(zhuǎn)移晶體管柵極施加一O.l、 一0.2、 一0.3、 一0.5伏時(shí)的暗電流。
圖4B是展示當(dāng)不向轉(zhuǎn)移晶體管柵極施加任何電壓或施加較小的正電壓時(shí)測(cè)試像素 陣列上的暗電流的直方圖。曲線445表示當(dāng)不向轉(zhuǎn)移晶體管柵極施加電壓時(shí)的暗電流， 曲線455、 465、 475、 485和495分別表示當(dāng)向轉(zhuǎn)移晶體管柵極施加0.1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5伏時(shí)的暗電流。
圖5說(shuō)明可利用本發(fā)明的任何實(shí)施例的示范性成像器700。成像器700具有像素陣 列705，其包括如上文相對(duì)于圖1A所述而構(gòu)造的像素，或者使用其它像素結(jié)構(gòu)。行驅(qū)動(dòng) 器710響應(yīng)于行地址解碼器720而選擇性地激活行線。成像器700中還包含列驅(qū)動(dòng)器760 和列地址解碼器770。通過(guò)時(shí)序和控制電路750來(lái)操作成像器700,所述時(shí)序和控制電路 控制地址解碼器720、 770。控制電路750在匯集周期期間向控制柵極施加負(fù)極電壓和多 個(gè)正極電壓脈沖?？刂齐娐?50還根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例(即，圖2)控制行驅(qū)動(dòng)器電路 710和列驅(qū)動(dòng)器電路760。
與列驅(qū)動(dòng)器760相關(guān)聯(lián)的采樣與保持電路761針對(duì)選定像素讀取像素重設(shè)信號(hào)Vrst 和像素圖像信號(hào)Vsig。針對(duì)每個(gè)像素通過(guò)差分放大器762放大差分信號(hào)(Vrst-Vsig)，并 通過(guò)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器775 (ADC)將所述差分信號(hào)數(shù)字化。模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器775向圖像 處理器780供應(yīng)數(shù)字化的像素信號(hào)，所述圖像處理器780形成數(shù)字圖像。
圖6展示系統(tǒng)1000，其是經(jīng)過(guò)修改而包含本發(fā)明的成像裝置1008 (例如圖7中說(shuō)明 的成像裝置700)的典型處理器系統(tǒng)。處理器系統(tǒng)IOOO是具有數(shù)字電路(其中可包含圖 像傳感器裝置)的示范性系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可包含(但不限于)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、相機(jī)系統(tǒng)、 掃描儀、機(jī)器視覺(jué)、車輛導(dǎo)航、視頻電話、監(jiān)視系統(tǒng)、自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)、星象跟蹤儀系統(tǒng)、 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、圖像穩(wěn)定系統(tǒng)和數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)及其它采用成像器的系統(tǒng)。
系統(tǒng)1000 (例如相機(jī)系統(tǒng))大體上包括中央處理單元(CPU) 1002 (例如微處理器)， 其通過(guò)總線1020與輸入/輸出(I/O)裝置1006通信。成像裝置1008還通過(guò)總線1020 與CPU 1002通信?；谔幚砥鞯南到y(tǒng)IOOO還包含隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM) 1004，且可
包含可移除存儲(chǔ)器1014 (例如快閃存儲(chǔ)器)，其也通過(guò)總線1020與CPU 1002通信。成 像裝置1008可與處理器組合，所述處理器例如為CPU、數(shù)字信號(hào)處理器或微處理器，其 具有或不具有與處理器同在一個(gè)集成電路上或在不同芯片上的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)設(shè)備。
應(yīng)注意，雖然參照光電轉(zhuǎn)換裝置描述了本發(fā)明，但應(yīng)了解，本發(fā)明可與成像像素電 路中使用的任何類型的光電傳感器一起使用，例如(但不限于)光電門(mén)、光電導(dǎo)體、光 電二極管和帶引腳的光電二極管，以及光電二極管與帶引腳的光電二極管的各種配置。
還應(yīng)了解，不需要在整個(gè)匯集周期期間施加小電壓。也就是說(shuō)，可以只在電荷匯集 周期的一部分中施加小電壓。此外，應(yīng)了解，不需要在整個(gè)匯集周期期間施加多個(gè)電壓 脈沖。也就是說(shuō)，可以只在電荷匯集周期的一部分中施加多個(gè)電壓脈沖。還應(yīng)了解，本 發(fā)明的成像器可設(shè)計(jì)為包含本發(fā)明的全部實(shí)施例，其中可由用戶選擇或應(yīng)用特定的可選 選項(xiàng)來(lái)確定在成像器操作期間執(zhí)行哪個(gè)實(shí)施例。
上述處理和裝置說(shuō)明許多可使用和制造的方法和裝置中的優(yōu)選方法和典型裝置。以 上描述和圖式說(shuō)明可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施例。但是，并不希望本發(fā)明 嚴(yán)格限于以上描述和說(shuō)明的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)將對(duì)本發(fā)明的任何屬于所附權(quán)利要求書(shū)的精神 和范圍內(nèi)的修改(即使當(dāng)前無(wú)法預(yù)見(jiàn))視為本發(fā)明的一部分。
權(quán)利要求
1.一種像素單元，其包括光電傳感器；存儲(chǔ)區(qū)；和晶體管，其用于將光電荷從所述光電傳感器轉(zhuǎn)移到所述存儲(chǔ)區(qū)；以及控制電路，其用于在所述光電傳感器的匯集周期期間向所述晶體管的控制柵極施加第一極性電壓，并在所述匯集周期期間向所述控制柵極施加多個(gè)第二極性電壓的脈沖。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的像素單元，其中所述第一極性電壓是負(fù)電壓，且所述第二極 性電壓是正電壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素,元，其中所述像素單元是4T CMOS成像器像素單元。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素單元，其中所述存儲(chǔ)區(qū)是所述轉(zhuǎn)移晶體管的源極/漏極 區(qū)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素單元，其中所述存儲(chǔ)區(qū)是浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素單元，其中所述光電傳感器是光電二極管。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的像素單元，其中所述光電傳感器是光電門(mén)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素單元，其中所述第二極性電壓大于約0.0伏，但不大于 約所述晶體管的閾值電壓。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素單元，其中所述第二極性電壓小于0.8伏。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素單元，其中所述第一極性電壓小于約O.O伏，但其絕對(duì) 值不大于所述晶體管的閾值電壓。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的像素單元，其中所述第一極性電壓小于0伏且大于約一0.6 伏。
12. —種像素單元陣列，其包括形成在襯底中的像素傳感器單元陣列，每個(gè)像素傳感器單元包括 積累區(qū)，其形成在所述襯底中，用于積累光產(chǎn)生的電荷；和 轉(zhuǎn)移晶體管，其用于在所述積累區(qū)的電荷匯集周期之后將所述積累的電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，并且具有柵極電極，其中所述轉(zhuǎn)移晶體管的柵極電極在所述匯集 周期期間由負(fù)電壓控制，并接著由多個(gè)正電壓脈沖控制。
13. —種成像器電路，其包括形成在襯底中的像素傳感器單元陣列，每個(gè)單元包括 光電傳感器； 存儲(chǔ)區(qū)；以及晶體管，其具有用于將光電荷從所述像素單元的所述光電傳感器轉(zhuǎn)移到所述存 儲(chǔ)區(qū)的柵極；以及控制電路，其連接到所述陣列，用于在電荷匯集周期期間向所述柵極施加第一 極性電壓，并在所述匯集周期期間向所述柵極施加多個(gè)第二極性電壓的脈沖。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的成像器電路，其中所述第一極性電壓是負(fù)電壓，且所述第 二極性電壓是正電壓。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的成像器電路，其中所述第二極性電壓大于約O.O伏，但不大 于約所述晶體管的閾值電壓。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的成像器電路，其中所述第二極性電壓小于0.8伏。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的成像器電路，其中所述第一極性電壓小于約O.O伏，但其絕 對(duì)值不大于所述晶體管的闊值電壓。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的成像器電路，其中所述第一極性電壓小于0伏且大于約一 0.6伏。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的成像器電路，其中所述存儲(chǔ)區(qū)是浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的成像器電路，其中所述光電傳感器是光電二極管。
21. —種處理系統(tǒng)，其包括處理器；以及成像裝置，其耦合到所述處理器，所述成像裝置包含陣列，所述陣列包括多個(gè)像 素傳感器單元，每個(gè)單元包括感光元件，其用于響應(yīng)于所施加的光而產(chǎn)生并積累光產(chǎn)生的電荷； 浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；轉(zhuǎn)移晶體管，其具有用于將所述積累的電荷轉(zhuǎn)移到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的柵極；以及控制電路，其連接到所述陣列，用于起初在匯集周期期間向所述晶體管的控制 柵極施加第一極性電壓，并在所述匯集周期期間向所述柵極施加多個(gè)第二極性電 壓的脈沖。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的處理系統(tǒng)，其中所述第一極性電壓是負(fù)電壓，且所述第二 極性電壓是正電壓。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的處理系統(tǒng)，其中所述第二極性電壓大于約O.O伏，但不大于 約所述晶體管的閾值電壓。
24. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的處理系統(tǒng)，其中所述第二極性電壓小于0.8伏。
25. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的處理系統(tǒng)，其中所述第一極性電壓小于約O.O伏，但其絕對(duì) 值不大于所述晶體管的閾值電壓。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的處理系統(tǒng)，其中所述第一極性電壓小于0伏且大于約一0.6 伏。
27. —種操作像素單元的方法，其包括在電荷匯集周期期間使光電傳感器暴露于光；在所述電荷匯集周期期間向所述光電傳感器與電荷存儲(chǔ)區(qū)之間提供的轉(zhuǎn)移晶體 管的柵極電極施加第一極性電壓；以及在所述電荷匯集周期期間向所述柵極電極施加多個(gè)第二極性電壓的脈沖。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的處理系統(tǒng)，其中所述第二極性電壓大于約O.O伏，但不大于 約所述晶體管的閾值電壓。。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的處理系統(tǒng)，其中所述第二極性電壓小于0.8伏。
30. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的處理系統(tǒng)，其中所述第一極性電壓小于約O.O伏，但其絕對(duì) 值不大于所述晶體管的閾值電壓。
31. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的處理系統(tǒng)，其中所述第一極性電壓小于0伏且大于約一0.6 伏。
32. —種操作像素單元的方法，其包括在電荷匯集周期期間向在襯底中鄰近光電傳感器的轉(zhuǎn)移晶體管施加第一極性電 壓，以從所述襯底的頂表面降低與所述光電傳感器相關(guān)聯(lián)的耗盡區(qū)；以及在所述電荷匯集周期期間向所述轉(zhuǎn)移晶體管施加多個(gè)第二極性電壓的脈沖，以有 助于使電子移動(dòng)到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中施加所述第一極性電壓的動(dòng)作包括施加負(fù)電壓， 且施加所述第二極性電壓的動(dòng)作包括施加正電壓。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于操作成像器像素的方法和設(shè)備，其包含以下動(dòng)作在電荷匯集周期期間在轉(zhuǎn)移晶體管的柵極上施加相對(duì)較小的第一極性電壓和多個(gè)第二極性電壓的脈沖。
文檔編號(hào)H04N3/15GK101171828SQ200680015171
公開(kāi)日2008年4月30日 申請(qǐng)日期2006年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月4日
發(fā)明者約翰·拉德 申請(qǐng)人:美光科技公司