具有抗模糊栅极的图像传感器的制造方法
【专利说明】具有抗模糊栅极的图像传感器
[0001 ] 本发明涉及有源像素电子图像传感器。
[0002]这些传感器利用在行和列上的像素阵列，在每个像素中具有光敏元件和若干晶体管。
[0003]—个有利的像素设计为诸如图1中所示的设计，其具有:
[0004]-钉扎光电二极管PH，
[0005]-电荷存储节点ND，其相当于电容，
[0006]-转移晶体管Tl，其用于将光电二极管与存储节点隔离，或者相反地，允许将光电二极管的电荷转移至存储节点，以在这个转移之后测量存储节点的电位，
[0007]-电荷读取晶体管T2，其配置为电压跟随器，其栅极连接至存储节点，以使得存储节点的电位能够转移至晶体管的源极，
[0008]-存储节点重设晶体管T3，其使得存储节点的电位能够被设定至参考值，以测量这个参考电位，以测量在存在由光电二极管输出的电荷的情况下与不存在由光电二极管输出的电荷的情况下存储节点的电位之间的差；
[0009]-像素选择晶体管T4，其由逐行寻址导体SEL来控制，使得读取晶体管T2的源极的电位被转移至列导体COL ;行导体SEL对于同一行像素中的全部像素是公共的；列导体COL对于同一列像素中的全部像素是公共的，
[0010]_最后为附加晶体管T5，其可以具有以下两种功能中的一种和/或另一种:在过强光的情况下，排空光电二极管中的过量电荷，或者通过完全清空累积的电荷来重设光电二极管的电位，以使得光电二极管在开始新的积累时段之前返回至无负载电位。
[0011]将注意的是，术语“晶体管”用于便于电路图的理解，例如图1中的图。然而，在像素的物理设计中，这些晶体管不必以如下的现有方式来设计:独立于像素的其它元件，具有源极区、漏极区、沟道区以及沟道之上的绝缘栅，所述沟道区将源极与漏极分开。在像素的实际物理设计中，实际上一些晶体管被设计为本质上具有能够施加控制电位的绝缘栅。因而，例如，转移晶体管Tl被设计为具有转移栅G1，所述转移栅Gl与衬底隔离，位于光电二极管PH与组成电荷存储节点的队型扩散区之间的区域之上；晶体管Tl的源极为光电二极管；晶体管的漏极为电荷存储节点。
[0012]因而，图2示出了在半导体衬底10 (例如，具有P+型)中形成的像素的物理设计的截面图。衬底包括在其上部的P型半导体有源层12 (其中存储并传输电子)。
[0013]光电二极管PH被设计为具有扩散在有源层中的N型区14。优选地为，N型区14被小深度的P+型表面区16覆盖，比有源层更多地掺杂，以及被设定为衬底的电位(下文将被视为零电位参考值)。
[0014]电荷存储节点ND被设计为在有源层中具有N+型扩散区18。在电荷存储节点ND的上部具有连接至读取晶体管T2的栅极的接触部，在图2中以象征的形式示出。
[0015]转移晶体管Tl被设计为具有绝缘转移栅Gl，其布置在有源层12的部分(在光电二极管区14与组成存储节点的扩散区18之间)之上。
[0016]存储节点重设晶体管T3被设计为具有绝缘栅G3，其位于有源层12 (在扩散区18与组成漏极(被设定至参考电位Vref)的另一个N+型扩散区20之间)之上。
[0017]光电二极管重设晶体管T5被设计为具有绝缘栅G5，其位于光电二极管PH (扩散区14，16)与组成漏极(其设定为可能与扩散区20的电位Vref相同或者不相同的参考电位)的N+型扩散区22之间的有源层之上。这里，为了简化起见，认为包括相同的电位Vref。
[0018]最后，在图2中未示出读取晶体管T2和选择晶体管T4的物理设计。晶体管T2被设计为具有源极区、漏极区以及在它们之间的绝缘栅；源极区为队型扩散区(其也用作选择晶体管T4的源极区);晶体管T2的漏极区为N+型扩散区(其被设定为也可能为电位Vref的供给电压)；栅极由导体连接至存储节点ND。除了源极之外，晶体管T4还包括漏极和栅极，所述漏极为连接至列导体COL的N+型扩散区，所述栅极连接至行导体SEL。
[0019]在这个像素中，栅极Gl和G3能够同时地将存储节点的电位和光电二极管的电位重设；为此，这些栅极设定至充足的正电位，以使得存储节点或者光电二极管中存储的全部电子流至由区域20和22组成的漏极。或者，可以分别地由栅极G5来重设光电二极管和由栅极G3来重设存储节点。
[0020]但是，对于栅极G5，给出了另一个功能，S卩，在由于光电二极管的发光而引起的电荷积累时间期间的抗模糊功能。已知由发光产生的电子积累在光电二极管中，并且填充在光电二极管的区域中产生的势阱，逐步地降低势阱的阴极电位。这个阱的层级由光电二极管的设计(掺杂值，深度等)来确定。势阱的边缘的高度由包围光电二极管的势皇的高度来确定；这些势皇由在电荷积累时段期间施加至栅极Gl和G5的低电位，以及光电二极管的物理边缘(在这些边缘上由于P或者P+注入通常是O伏的势皇)来建立。直到降低势皇并且允许来自光电二极管的电荷向着存储节点转移的脉冲施加至栅极Gl为止，积累在阱中的电荷一直保持。
[0021]然而，如果发光强和/或如果对于给定的发光积累时间太长，则可能发生电荷在被转移的时刻之前完全地填充势阱；如果发生，则阴极电位降低，以低于其阳极电位。光电二极管停止被反向偏置，并且仍由发光产生的电荷直接涌流至有源层。其由相邻像素的光电二极管来收集，并且破坏由这些像素测量的发光信号。
[0022]为了补救这种情况，不是将栅极G5设定至电路的最低电位，而是将其设定为稍微高的电位(建立在栅极G5之下的势皇降低了少量)。因而，在光电二极管之下的势阱充满时，多余的电荷在这个势皇之上穿过，并且向着漏极区22涌流，向着至电位Vref的连接部排出。在光电二极管之下的电位可能永远达不到这个低值(光电二极管被正向偏置)。多余的电荷向着处于电位Vref的漏极离开，而不向着衬底离开。
[0023]形成在栅极G5之下的势皇对于势阱应当足够高，以能够收集用于发光测量的充足量的电荷，但是不能太高以避免光电二极管被正向偏置。将回想一下，在电荷为电子的情况(这是最经常的情况)下，电位越高，形成在半导体有源层内部的势阱全部越深，且在半导体中的电位越低，包围势阱的势皇全部越高。通常，为了在栅极G5之下建立势阱，可以将栅极电位电平选择在衬底电位之上，大致上等于晶体管T5的阈值电压，例如，大约0.6伏至1.1伏(其依赖于掺杂、栅绝缘层的厚度等)。
[0024]然而，注意到利用这种器件有缺点，现在将要解释该缺点并且本发明要去除或者至少很大程度地降低该缺点。
[0025]如果施加至栅极G5的电位为0.6至1.1伏，则在栅极G5之下的有源层12中的电位将是正的，例如等于大约0.2伏。那么，在栅极之下，向着光电二极管的边缘(其通过表面区域16而保持在O伏)的硅的表面存在强的局部电场。这个电场通过降低半导体的禁带，且因而增加电子穿过导电带的可能性来起作用。这是带带隧穿的物理效应，其产生泄漏电流。在栅极之下产生电子，而不是发光引起的；它们将存储在具有最高电位的光电二极管中。这个电流可能类似于暗电流，因为其与发光独立地存在。这个暗电流，具体地是由于栅极之下的电位与光电二极管的表面电位之间的差的存在而引起的，在期望检测弱发光的情况下是特别麻烦的。其比在栅极之下的电位为零的情况高几百倍。
[0026]施加至栅极G5的电压从零起增加越大，这种现象就越严重，但是栅极电压是通过技术给定、期望的抗模糊电平强加的。如果该技术给出晶体管T5的栅极电压为0.6至0.9伏，则暗电流可能非常高。一种方案将产生几乎具有零阈值电压的晶体管T5，但是可能需要使得电路的全部晶体管几乎具有零阈值电压或者提供用于制造晶体管T5的具体制造步骤。
[0027]为了避免这个暗电流现象，并且仍具有以良好状态实现其抗模糊功能的栅极，本发明提出了在一系列短脉冲期间，而不是在积累的整个持续时间期间，将提供抗模糊功能的正电位施加至抗模糊栅极，所述栅极在这些脉冲的外部和光