使用负向到正向电压摆动转换晶体管的主动式像素单元的制作方法

文档序号:6831664阅读:182来源:国知局
专利名称:使用负向到正向电压摆动转换晶体管的主动式像素单元的制作方法
技术领域
本发明关于一种应用于互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器中的主动像素,更具体是关于一种低电压针插光电二极管。
背景技术
集成电路技术已经使各种领域包括计算机、控制系统、无线电通信和成像的领域发生了巨大的变化。在成像领域中,电荷耦合装置(CCD)由于制造和性能特点,包括相对低的价格和小尺寸,而被普遍使用。然而,成像所需的固态的CCD集成电路难以制造并因此价格昂贵。另外,由于CCD集成电路的制造所涉及的不同的处理与MOS集成电路有关,因而图像传感器的信号处理部分通常设置一个单独的集成芯片上。这样,一个CCD成像装置包括至少两个集成电路一个用于CCD传感器,而一个用于信号处理逻辑。
另一种图像传感器是CMOS主动像素传感器。如授权给Lee等人的美国专利NO.5,625,210(210专利)中所述,主动像素传感器指的是具有例如晶体管的主动装置的电子图像传感器,它与每一像素关联。鉴于CMOS的制造技术,主动像素传感器具有能够在相同的集成电路上将信号处理和传感电路结合在一起的优点。
一个普及的主动像素传感器结构包括四个晶体管和一个针插光电二极管。针插光电二极管优点在于它对蓝色的光具有可靠的良好颜色响应,并且在暗电流密度和图像滞后方面也有利。通过将二极管表面电压经过P+区牵引到P井或P衬底(GND)来实现减少暗电流。
通常,希望在光电二极管中尽可能地积累电荷,以提高信号电平。然而,具有增强的信号电平(由过多地积累电荷引起),如果对于电荷迁移来说接合面不是最佳的话,这导致图像滞后,图像滞后是由从二极管迁移到悬置输出节点的移动电荷的不完全迁移而引起的。这也被称为针插光电二极管N井的非完全复位或非完全耗尽。可在由Ramaswami等人发表的“Characterization of Pixel Response Timeand Image Lag in CMOS Sensor”中找到关于这种现象的讨论。N井的非完全耗尽状态在低电压操作(例如2.5伏特或更低)时特别明显。由于集成电路装置缩小和栅极氧化物变得更薄,低电压操作变得越来越普遍。
因此,希望具有一种使用一个针插光电二极管的主动像素,该针插光电二极管具有高电荷积累的能力,甚至在低电压操作也能使光电二极管完全复位。

发明内容
本发明揭示了一种像素传感器单元,该单元包括一个针插光电二极管;一个设置在该针插光电二极管和一个输出节点之间的传输晶体管,该传输晶体管是一个耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管;一个耦合在一个高电压轨道Vdd和该输出节点之间的复位晶体管;以及一个输出晶体管,该输出晶体管的栅极被耦合至该输出节点。
本发明还关于一种CMOS图像传感器,其包括多个设置成行和列的主动像素,所述主动像素中至少一个包括一个针插光电二极管;一个设置在该针插光电二极管和一个输出节点之间的传输晶体管,该传输晶体管是一个耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管;一个耦合在一个高电压轨道Vdd和该输出节点之间的复位晶体管;以及一个输出晶体管,该输出晶体管的栅极被耦合至该输出节点。该图像传感器还包括一个用于接收所述主动像素的输出的处理电路以及一个用于将所述CMOS图像传感器的所述主动像素的输出信号输出的输入/输出电路。
本发明还关于一种用于CMOS图像传感器中的主动像素,该主动像素包括一个针插光电二极管、一个选择性地将电荷从该针插光电二极管传输至一个输出节点的耗尽型传输晶体管、和一个耦合至该输出节点、以便在一个复位周期过程中将该输出节点复位为一个复位电压的复位晶体管。


当结合附图时,本发明的前述方面和许多附加优点将变得更容易了解,同时通过参考下列详细的说明将变得更好理解,其中图1是背景技术的主动像素的示意图;图2是图1所述的背景技术的主动像素的横截面图;图3是根据本发明形成的主动像素的示意图;图4是图3所述主动像素的横截面图;图5是CMOS图像传感器的方框图;具体实施方式
本发明关于一种为使用图像传感器而设计的主动像素。为了提供本发明实施例的彻底的理解,在下面的描述中将给出大量特殊的细节说明。相关领域的技术人员将认识到本发明可在不使用这些特殊的细节或使用其他方式和组件等的情况下实现。换言之,为了避免本发明各个实施例的方面不明显,而未将公知的结构或操作示出或未公知的结构或操作进行详细的说明。
说明书中始终参考的“一个实施例”或“实施例”意味着一个结合实施例进行说明的特殊的构造、结构或特征包含在本发明的至少一个实施例中。这样,在整个说明书中多处出现的措辞“在一个实施例中”或“在实施例中”并不总是指相同的实施例。而且,这些特殊的构造、结构或特征可以与一个或多个实施例中的任何合适的方式结合。
图1和2示出了一个具有针插光电二极管103的主动像素101的背景技术。针插光电二极管103是一个形成在P型衬底上的N井。在N井的顶上形成一个P+区。一个传输电栅(也被称为传输晶体管)控制信号从针插光电二极管103到一个输出节点107的传输。输出节点107与一个源极跟随晶体管109(也被称为驱动或输出晶体管)的栅极相连。因此,输出节点107上的信号被放大并送至列线性输出111。利用一个行选择晶体管(SEL)来选出将在列线性输出111上读取的特殊像素。通过一个行选择线来控制行选择晶体管。并且使用一个复位晶体管113来耗尽针插光电二极管中的信号。
为了允许在低电压操作的情况下具有良好的耗尽特性,本发明对图1和2中所述的背景技术中的针插光电二极管进行了修改。本发明的针插光电二极管是利用标准CMOS制造程序来形成的。在下面的描述中,N型掺杂较佳的掺杂物是磷,而P型掺杂的较佳掺杂物是硼。
本发明的针插光电二极管结构的许多方面与图1和2所示的类似。在通常的操作中,传输电栅105(用于背景技术)从零伏特摆动到Vdd。图像传感器使用5.0伏特或3.3伏特Vdd的“轨道”,这导致一个5或3.3伏特的摆动。用于耗尽光电二极管103的这个电压摆动数已经被接受。
然而,对于新的集成电路处理,Vdd电压可为1.8伏特、1.3伏特或更低。此时,传输电栅的栅极上的电压摆动不足以耗尽光电二极管。
参考图3,示出了根据本发明形成的一个主动像素301的示意图。图4示出了一个部分截面图。主动像素301在许多方面中与图1所示的主动像素类似。然而,可看出,在主动像素301中使用了一个耗尽型传输电栅305。耗尽型传输电栅305(假如是一个NMOS晶体管)通常是在耗尽型晶体管305的门的下面掺入N型杂质来形成的。在图4中用参考符号401来表示掺入的N型杂质。另外,可理解在此讨论的掺杂物的极性是可以反向的。
由于使用了耗尽型传输电栅305,即使在0伏特,传输电栅也是导电的。因此,为了操作主动像素301,在集成(聚光)期间,传输电栅305的栅极保持在某一负向电压上。在一个实施例中,该负向电压是-Vdd。然而,可理解负向电压的准确的大小可能是变化的,但是负向大小应当大于耗尽型传输电栅305的负向阈值电压。
在一个实施例中,如果耗尽型传输电栅305具有一个-0.9伏特的阈值电压,另外具有一个1.8伏特Vdd的片上轨道,那么耗尽型传输电栅305可以从任何地方保持在-1.8伏特至-0.9伏特之间。由于在集成电路上很容易获得全-Vdd电压,例如通过电荷泵方式,因此不管用何种方法来利用全-V电压都是很方便的。并且,可在下面更详细的细节中看出,在一些实施例中,耗尽型传输电栅305的阈值电压被设计成接近-Vdd的值。
由于需要使用一个负向电压以便使耗尽型传输电栅305周期地保持在关闭的状态,因此在集成电路上提供一个-Vdd产生器307。在像素操作的集成或复位阶段的过程中,-Vdd产生器307的信号被选择性地供给耗尽型传输电栅305的栅极。
这样,在耗尽型传输电栅305的标准操作过程中,耗尽型传输电栅305的栅极可从-Vdd摆动到Vdd。这是图1所示的背景技术传输电栅所获得的电压摆动数的两倍,图1的传输电栅使用的是一个增强型传输电栅105。可看到,保持低电压操作的期间提供了电压摆动。
与增强型传输电栅相比,通过使用耗尽型传输电栅305得到相对大的电压摆动是有益的。首先,在复位期间,大电压摆动使得针插光电二极管103更容易耗尽。第二,可相信耗尽型传输电栅305的使用,使得在传输电栅305附近的表面上产生空穴积累,由此减少漏电流。
上述的主动像素可被用于CMOS图像传感器1101的传感器阵列。图5特别地示出了一个根据本发明形成的CMOS图像传感器。CMOS图像传感器包括一个传感器阵列1103、一个处理器电路1105、一个输入/输出(I/O)1107、存储器1109和总线1111。这些组件中的每一个最好形成在单个硅衬底上,并制造成将利用标准CMOS处理把这些组件集成到单个芯片上。
传感器阵列1103部分可以是例如大体上与本发明的受让人一OmniVision Technologies,Inc.of sunnybale,CA制造的例如型号为OV7630、OV7920、OV7930、VO9620、OV9630、OV9610或OV7640的图像传感器的传感器阵列部分类似,除了像素被在此揭露的主动像素代替外。
更特别地,传感器阵列1103包括多个独立的被设置成二维阵列的像素。在操作中,当将一个图像聚焦到传感器阵列1103上时,传感器阵列1103可获得原始图像数据。
然后,处理器电路1105通过总线1111接收原始图像数据,以便开始信号处理。处理器电路1105能够执行一组实现集成电路1101的功能所必需的预编程指令(也许被存储在存储器1107中)。处理器电路1105可以是一个传统的微处理器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或一个类神经元电路。
虽然已经显示并描述了本发明的优选实施例,但是应理解可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。例如,虽然可理解,通常示出的装置使用了不同类型的P或N型材料,但是可以转换成其他类型的材料以便产生类似的效果。例如,与其形成P+/N井/P衬底针插光电二极管,不如使用代替类型的材料来形成一个N+/P井/N衬底光电二极管。
而且,与其在一个四晶体管主动像素传感器中实现,不如使用例如一个双晶体管、一个四晶体管或一个对数标尺的其他类型的主动像素传感器实现。如前所述,在美国专利Nos.5,587,596、5,926,214、和5,933,190中示出了普通背景技术中这些其他类型的设计方法的一些示例。
这样,结合一个优选实施例和几个代替实施例对本发明进行了说明。在阅读上述说明书后,本领域的普通技术人员将能够在不脱离所揭露的主要的概念的情况下,作出各种改变、变更和同等替换。因此,意味着专利证书授予的范围仅限于附加权利要求书和其等同物所包含的定义,而不限于在此描述的实施例。
权利要求
1.一种像素传感器单元包括一个针插光电二极管;一个设置在该针插光电二极管和一个输出节点之间的传输晶体管,该传输晶体管是一个耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管;一个耦合在一个高电压轨道Vdd和该输出节点之间的复位晶体管;以及一个输出晶体管,该输出晶体管的栅极被耦合至该输出节点。
2.如权利要求1所述的像素传感器单元,进一步包括一个行选择晶体管,该行选择晶体管的栅极被耦合至一个行选择线,该行选择晶体管的输入被耦合至该输出晶体管的输出,并且该行选择晶体管的输出为该像素传感器单元提供输出。
3.如权利要求1所述的像素传感器单元,其中,该输出节点是该传输晶体管的源极,而所述针插光电二极管是所述传输晶体管的漏极。
4.如权利要求1所述的像素传感器单元,进一步包括一个负向电压产生器,该产生器产生一个足以开启所述耗尽型传输晶体管的负向电压。
5.如权利要求1所述的像素传感器单元,其中所述的耗尽型传输晶体管具有一个接近Vdd的阈值电压。
6.如权利要求1所述的像素传感器单元,其中所述的耗尽型传输晶体管具有一个大体上为-0.9伏特或更低的阈值电压。
7.如权利要求1所述的像素传感器单元,其中该针插光电二极管是一个P+/N井/P衬底结构,并且所述传输晶体管是一个N型金属氧化物半导体场效应晶体管。
8.如权利要求1所述的像素传感器单元,其中该针插光电二极管是一个N+/P井/N衬底结构,并且所述传输晶体管是一个P型金属氧化物半导体场效应晶体管。
9.一种CMOS图像传感器包括多个设置成行和列的主动像素,所述主动像素中至少一个包括a)一个针插光电二极管;b)一个设置在该针插光电二极管和一个输出节点之间的传输晶体管,该传输晶体管是一个耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管;以及c)一个耦合在一个高电压轨道Vdd和该输出节点之间的复位晶体管;以及d)一个输出晶体管,该输出晶体管的栅极被耦合至该输出节点;一个用于接收所述主动像素的输出的处理电路;以及一个用于将所述CMOS图像传感器的所述主动像素的输出信号输出的输入/输出电路。
10.如权利要求9所述的图像传感器,其中所示主动像素包括一个行选择晶体管,该行选择晶体管的栅极被耦合至一个行选择线,该行选择晶体管的输入被耦合至该输出晶体管的输出端,并且该行选择晶体管的输出端给该像素传感器单元提供输出。
11.如权利要求9所述的图像传感器,其中该输出节点是该传输晶体管的源极,而所述的针插光电二极管是所述传输晶体管的漏极。
12.如权利要求9所述的图像传感器,进一步包括一个方向电压产生器,该产生器产生一个足以关闭所述耗尽型传输晶体管的反向电压。
13.如权利要求9所述的图像传感器,其中所述耗尽型传输晶体管具有一个接近Vdd的阈值电压。
14.如权利要求9所述的图像传感器,其中所述耗尽型传输晶体管具有一个大体上为-0.9伏特或更低的阈值电压。
15.如权利要求9所述的图像传感器,其中该针插光电二极管是P+/N井/P衬底的结构,而所述传输晶体管是一个P型N金属氧化物半导体场效应晶体管。
16.如权利要求9所述的图像传感器,其中该针插光电二极管是N+/P井/N衬底的结构,而所述传输晶体管是一个P型金属氧化物半导体场效应晶体管。
17.一种用于CMOS图像传感器中的主动像素,该主动像素包括一个针插光电二极管、一个选择性地将电荷从该针插光电二极管传输至一个输出节点的耗尽型传输晶体管、和一个耦合至该输出节点、以便在一个复位周期过程中将该输出节点复位为一个复位电压的复位晶体管。
18.如权利要求17所述的主动像素,进一步包括一个负向电压产生器,该产生器产生一个足以关闭所述耗尽型传输晶体管的负向电压。
19.如权利要求17所述的主动像素,其中所述的耗尽型传输晶体管具有一个接近Vdd的阈值电压。
20.如权利要求17所述的主动像素,其中该针插光电二极管是一个P+/N井/P衬底的结构,而所述传输晶体管是一个N型金属氧化物半导体场效应晶体管。
全文摘要
本发明揭露了一种包括一个针插光电二极管的主动像素传感器单元。一个设置在该针插光电二极管和一个输出节点之间的传输晶体管,该传输晶体管是一个耗尽型N型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。一个被耦合在一个高电压轨道V
文档编号H01L27/146GK1595656SQ20041005465
公开日2005年3月16日 申请日期2004年7月22日 优先权日2003年7月22日
发明者宗平真锅, 秀利野崎 申请人:全视技术有限公司
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