Cmos有源像素结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及CMOS类型(互补金属氧化物半导体)有源像素的领域，CMOS类型有源像素使用一类具有低电耗的电子元件。具体地，本发明涉及CMOS像素结构和包含该CMOS像素结构的图像传感器阵列。
[0002]CMOS集成技术使得能够制造芯片以用于具有好的分辨率和合理的图像质量的单片相机(cam6ras monolithiques)。这些技术的使用也使得能够获得具有低能耗的传感器。由于CMOS晶体管的快速开关，所以这种传感器还提供快速的读取速度。另外，这些技术提供了将调节、处理、编码和通信功能集成的可能性。
【背景技术】
[0003]在常规的像素中，在光电二极管中产生的电子空穴对整合在电容器中，所述电容器提供电压信号或者电荷信号。
[0004]由于施加至电容的电压在像素中总是受到限制的，所以该电容器的值确定其能够接收而不饱和的最大电荷量。越大的值提供越大的积分电容，因此提供更宽的动态操作范围。然而，高的积分电容器的值对同样数量的积分电荷提供更低的电压，因此提供更低的灵敏性。在很多情况下，该积分电容仅只是光电二极管的结电容。
[0005]该配置的典型示例即如图1所示的具有三个晶体管的被称作APS的CMOS有源像素传感器。所述像素包括:
[0006]-P型半导体衬底I ;
[0007]-光电转换区域，其由N型掺杂区域NPD限定，该N型掺杂区域与衬底形成PN结，并且在暴露于光期间积累一些电荷，由光电转换区域形成的PN结和衬底形成了光电二极管的阴极和阳极；
[0008]-在衬底I的表面上二氧化硅绝缘层；
[0009]-读出电路，其读取由电荷积累引起的电压的变化，所述读出电路包括:
[0010]-复位晶体管Tl，其由在其栅极的复位信号RST控制以将光电二极管的电压复位至预充电，所述复位晶体管Tl具有一个电极连接至光电转换区域NPD，并且具有另一电极连接至电源VDD ；
[0011 ]-读出晶体管T2，其栅极连接至光电转换区域NPD，同时其电极中的一个连接至电源电压VDD ；
[0012]-选择晶体管T3，其由适用于其栅极的选择信号SEL控制，选择晶体管T3的电极中的一个与读出晶体管T2的另一电极是共用的，而选择晶体管T3的另一电极连接至读出总线COLo
[0013]因此在复位晶体管Tl的预充电动作之后，光电荷在光电二极管的结电容上自积分，并且随后通过选择晶体管T3的开关进行读取。在图2中示出了读出顺序，图2提供了图1所示的3晶体管CMOS有源像素的典型操作时序图。
[0014]在该时序图中，以下内容将根据时间以不定值示意性地显示:复位信号RST的变化21、选择信号SEL的变化22、在光电转换位置(即，光电二极管)的电压VPD的变化23，以及在读出线COL上的电压VCOL的变化24。
[0015]在时刻h，在成像之前，借助于信号RST开启复位晶体管Tl，光电二极管复位或者以初始电压预充电。在时刻t2，复位晶体管Tl关闭并且初始读出能够确定所述初始电压，以用于在读出电路中电压跟随器的补偿的后续消除。在时刻t3，选择晶体管T3通过选择信号SEL而关闭，以使光电二极管在曝光期间在光照下操作。光电荷的积累然后导致电压在光电二极管上的下降(VPD)。电压的这种变化通过晶体管T2以电压跟随器模式读取。最终在时刻t4，通过选择信号SEL，在曝光结束时发生了最终读出，以收集代表光照的电压。最终读出信号是在最终读出和初始读出之间的差。
[0016]能够确定的是，除了光电二极管的电容之外增加的电容使得饱和电平限制增加但是也使像素的灵敏性大为降低。因此，动态范围并没有很大改进。更为有益的是降低积分电容以获得良好的灵敏性。饱和电平限制能够通过曝光时间、透镜孔径等而进行控制。
[0017]积分电容的降低受到光电二极管的本征结构的限制。正是光电二极管经由其光电转换区域而收集光子，并且因此不可能减小光电二极管的表面积而不损失光子收集效率，并且因此不可能不损失灵敏性。专利US 6 531 725、US 6 051 447和US 5 903 021提出了旨在降低这种像素的光电二极管的结电容的解决方案。这些解决方案使用这样的光电二极管的PN结:其N型光电转换区域通过反向偏置而部分耗尽。
[0018]然而低的光电二极管结电容引起了关于光电二极管的复位的噪声问题，即开关噪声KTC。该复位噪声KTC扰乱了对初始电压的正确读取，并且除了例如通过设置复杂的存储系统外，不能容易地进行补偿。
[0019]为了改进灵敏性并且降低噪声，已提出电荷转移CMOS有源像素结构。如图3所示，在光电二极管和读出晶体管T2之间，将转移晶体管TX增加至三晶体管有源像素。该转移晶体管称作“传输门”，其使积累在Nro区域中的光电荷向着由非常小尺寸的PN结形成的浮动扩散节点FD转移。该浮动扩散节点FD通常具有低的电容值，因此电荷电压转换增益强烈地增加。通过该电荷转移，转换增益不再与光电二极管NPD的结电容相关。被称为四晶体管结构的所述结构使得像素的灵敏性增加，并且例如允许设想需要高灵敏性(例如夜间视力)的应用。
[0020]如图3所示的电荷转移四晶体管像素具有另一个优点，其进一步改进了像素的灵敏性。光电二极管的复位晶体管Tl在其关断时将电荷复位噪声KTC注入至光电二极管中。被称为KTC的该噪声与KTC乘积的平方根成比例，其中K是玻尔兹曼常数，T是绝对温度而C是电容值。在例如图1中的三晶体管像素中，由于噪声是在曝光开始时产生的，而图像信号是在曝光结束时读取的，所以很难对该复位噪声KTC进行补偿。这解释了由三晶体管像素形成的图像传感器的低灵敏性。
[0021]在四晶体管像素中，情形则非常不同。就在电荷转移之前，图像信号的读取在浮动扩散节点FD的复位之前进行。使用差分操作以消除该KTC噪声。
[0022]图4提供了四晶体管有源像素的时序图。在该时序图中，以不定值并且根据时间示意性地示出了:复位信号RST的变化41，施加至转移晶体管TX的栅极的信号的变化42，选择信号SEL的变化43，在浮动扩散节点FD的电压VFD的变化44和在读出线COL上的电压VCOL的变化45。
[0023]在时刻h，在成像之前，使用信号RST开启复位晶体管Tl而以初始电压复位浮动扩散节点FD，并且通过选择信号SEL而将选择晶体管T3接通。
[0024]在时刻t2，通过信号RST来关闭复位晶体管Tl，并且初始读出能够确定所述初始电压。在时刻t3，转移晶体管TX接通以将电荷从光电转换区域NPD朝向浮动扩散节点FD转移。在时刻t4，转移晶体管TX关闭，同时在读出线上进行第二读出。在时刻t5，选择晶体管T3关闭。
[0025]输出信号是在初始读出和第二读出之间的差，并且输出信号是通过由在光电转换区域NPD中积累的光电荷(其转移至浮动扩散节点FD)所引起的电压的变化而形成的。因此浮动节点FD的复位噪声通过差分读出电路而自然得到补偿。
[0026]因此，由浮动扩散节点FD的电容引入的KTC噪声的影响能够有效地通过差分读出而消除，但是由光电二极管的结电容引入的噪声则不会消除。
[0027]发明“针扎光电二极管(pinned photod1de) ”(PPD)能够克服该困难。如图3所示，针扎光电二极管是由光电转换区域(典型地为N型扩散)与衬底I共同形成PN结，并形成光电二极管而形成，该针扎光电二极管夹在典型地为P型的衬底I和掺杂区域5 (也被称作钝化区)，掺杂区域5源于通常在非常浅深度的与衬底相同类型的(典型为P型)大剂量的表面扩散，掺杂区域5使光电转换区域NB)与衬底I的表面绝缘。当向光电二极管偏置足够高的电压时，光电转换区域NPD中可移动电荷完全耗尽。光电转换区域NPD的空间电荷吸引并且积累在曝光期间由光子产生的光电子。
[0028]在曝光结束时，转移晶体管TX将这些在光电转换区域NPD中积累的光电子转移至浮动扩散节点FD，在浮动扩散节点FD处这些光电子转换成电压。如果该转移是完全的，则光电二极管PB)再次变为没有可移动电荷。在这种情况下，没有复位噪声KTC产生。
[0029]不仅是为了消除复位噪声KTC，而且也是为了防止可能的成像滞后，光电子的完全转移具有非常高的重要性。例如以FR 1251387号在法国提交的专利申请提出一种使用简单的CMOS工艺而使得转移晶体管TX良好运作的结构。
[0030]四晶体管像素的一个优点为读出部分能够容易地由数个pro光电二极管共享。图5显示了这种共享的原理。两个pro光电二极管布置在浮动扩散节点FD的两侧，所述PPD光电二极管中的每个能够通过转移晶体管TX1、TX2而连接至浮动扩散节点FD。专利US7964929和US 7989749提供了关于该主题的更多细节。通过这种可能的读出放大的共享，当前能够制造经常在移动电话的相机中使用的非常小尺寸的像素。
[0031]电荷转移的这些不同配置有助于改进像素的灵敏性限制，同时减小像素的尺寸。然而，动态操作范围一点都没有改进，并且有时甚至会变得更差。这是因为，浮动扩散节点FD的低电容值限制了积累电容。例如豪威科技(OmniVis1n Technology)的包含尺寸为6ym X 6 ym的四晶体管像素的CMOS 0V7955传感器，其提供了卓越的灵敏性(12V/lux*s)，但是在只有6000光电子时即饱和。
[0032]为了扩展动态操作范围并且延迟饱和，使用多重曝光的方法已经使用在一定数量的商用产品中。这些产品需要使用数个成像参数捕获场景，然后将这些曝光结合以获得具有更宽的动态范围的图像。这些方法需要复杂的图像处理。而且在变化的和/或复杂的环境中实时寻找最优成像参数通常也是困难的。
[0033]文献EPI 354 360 AUffO 2009/027449 Al 和 TO 2010/103464 Al 提出一种像素设计，其中，光电二极管以光伏模式操作，类似于太阳能电池，与凭借光电二极管操作为光控电流源的常规设计相反。图6显示了在专利EP I 354 360中描述的具有以光伏模式的光电二极管的像素的结构。其显示了与常规三晶