专利名称：象素式图像传感器的制作方法
技术领域：
0001本发明涉及固态图像传感器。
背景技术：
0002图像传感器具有广泛的应用，例如用于静态的数码照相机中、计算机摄像头中、便携式数码摄像机中和个人通讯系统(PCS)中，还可用于模拟和数字电视以及视频系统中、视频游戏机中、保安摄像头和医疗用微型照相机中。随着电信和计算机系统的发展，对图像传感器的需求会大量的增加。
0003一个图像传感器的象素中通常包括一个光电二极管，这个光电二极管能够把光(例如可见光，红外光和紫外光)转化为电信号。当光子被吸收时，通过光电转换生成了电子空穴对。光电二极管在反偏时会形成一个耗尽区。耗尽区内的电场把光电转换时产生的电子空穴对分离开来。
0004通过直接测量光电转换产生的电流可以确定光的强度。然而用这种直接测量光电转换电流的方法所获得信号的信噪比(S/N)较差。因此，典型的做法是图像传感器在预定时间段内收集光电转换产生的电荷，然后通过测量累积的电荷量来确定光的强度。
0005为了测量累积的光生电荷，在CMOS(互补金属氧化物半导体)有源象素传感器(APS)中包含有用于测量光生电荷的信号的有源电路元件(例如晶体管)，也可以将累积的电荷移出图像传感器元件后再进行测量(例如CMOS无源象素传感器(PPS)或者电荷耦合器件(CCD)图像传感器)。为了减少噪声，在CCD图像传感器中采用了一种复杂的方法将累积的电荷从传感器元件中转移到放大器中用于测量。CCD器件由于采用大电压摆度的复杂驱动信号，所以能耗很大。虽然CMOS PPS可以用标准的CMOS工艺来制造，但是CMOS PPS的信噪比较差。具有代表性的CCD制造工艺可以针对其电荷传输进行优化，但是这种工艺不兼容标准的CMOS工艺。因此，在CCD图像传感器中集成信号处理电路是很困难的，因为信号处理电路是用CMOS电路来实现的，所以CCD图像传感器很难应用于更广阔的领域。
0006在CMOS APS中，由于在传感器象素中对信号进行检测(或放大)，所以显著减少了信号检测中的噪声。然而由于实现此功能的电路在CMOS APS传感器象素中占用了一定的面积，结果导致填充因数减小，灵敏度降低。CMOS APS传感器的另一个典型缺点是复位噪声较高。在CCD传感器中，由于放大器和检测电路不在图像传感器象素中，所以可以采用双重采样电路，分配很大的面积用于感光元件。因此，CCD传感器一般具有很大的填充因数和较高的灵敏度。而由于相关的双重采样电路中的晶体管使得CMOS APS中的传感器的填充因数进一步降低，因此很多CMOS APS传感器中不使用(相关)双重采样电路，以便在大的填充因数和小的复位噪声之间取得平衡。
0007和CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器制造工艺相对简单，功耗较低，而且单一电源供电和能够片上系统集成，但是它的低灵敏度和高噪声，使之在图像获取领域没有得到广泛应用。
发明内容
0008本发明公开了一种具有横向光电二极管元件和纵向溢出系统的象素式图像传感器。
0009根据本发明的至少一个实施例，一个图像传感器的象素包括一个横向光电二极管元件和一个纵向溢出系统。这个溢出系统可以将横向光电二极管的电荷收集区累积的多余电荷排出去，并对横向光电二极管的电荷收集区进行复位。
0010在本发明的一个实施例中，这种横向光电二极管中有一个N型区和一个P型区，并被一个本征(或者P型或者N型)半导体材料隔开；这个N型区被本征半导体材料包围；而P型区则充分地包围住N型区以形成一个P-I-N型的横向光电二极管元件。用一层本征(或者P型或者N型)半导体材料将这个横向光电二极管和一个N型衬底分隔开就组成了纵向溢出系统。横向光电二极管在反偏状态下，其中由光电转换产生的电荷会被N型区收集起来。当满足以下条件时(1)P型区处在第一电势水平(例如0V)，(2)N型区处在第二电势水平(例如1V)，(3)衬底处在第三个电势水平(例如2V)，在纵向溢出系统中便会形成一个势垒，这个势垒可以防止N型区中积累的电荷经过本征层流入衬底中，除非N型区达到溢出电势水平(例如0.2V)。当N型区被迫达到了溢出电势的水平，其中的电荷就有能力通过本征层流入衬底中。因此，可以迫使电荷收集区(N型区)的电势达到溢出电势以使之复位。在一个实施例中，当N型区被设置到溢出电势水平而P型区仍保持第一个电势水平时，横向光电二极管也不会被正偏。
0011依据本发明的一个实施例，在一个图像传感器象素中，除了横向光电二极管元件和纵向溢出系统之外，还包括一个用来施加控制信号的电容和一个用来读出信号的晶体管。晶体管的栅极接到电荷收集区(例如N型区)；电容的一个表面接到电荷收集区，另一个表面被接到控制信号线。在一个实施例中，电容的另一个表面被接到晶体管的源极区。在一个实施例中，P型区保持在一个电势水平(例如0V)；衬底保持在另一个电势水平(例如2V)。在复位时，控制信号线电势被设置为0V。在电容的耦合作用下N型区的电势随着控制信号变化。然而，N型区的电势水平不会超过溢出点(例如0.2V)。当N型区的电势达到了溢出水平，其中累积的电荷就会流向衬底；而N型区的电势一直保持在溢出水平。复位之后，控制信号线电压被设为2V以便累积光电电荷。由于电容的耦合作用，N型区的电势会降到溢出点之下(例如1V)，所以在纵向溢出系统中形成一个势垒。这个势垒会防止N型区中累积的光生电子流到衬底中；这个势垒也同样会阻止衬底中的电子流向N型区。因此，在横向光电二极管中由于光电转换产生的电子就在N型区中被收集并且累积起来。当控制信号线的电势被维持在电荷累积的水平时(例如2V)，晶体管不会被激活(没有导通)以产生输出信号；而且，只有在N型区累积了足够的电子使得N型区电势达到溢出的水平，才会导致纵向溢出系统发生溢出。在读出状态下控制信号线的电势被切换到读出电平(例如5V)，通过电容的耦合作用N型区和晶体管栅极上的电势随着控制信号变化(例如变到2V)。因此，晶体管被激活(导通)，输出一个用于测量N型区中累积的电子数量的信号。此时N型区和衬底之间的势垒仍然高于衬底的电势，防止衬底中的电荷流向N型区。当控制信号线的电势被维持在复位电平(例如0V)，晶体管不会被激活，不产生输出信号。
0012在一个实施例中，N型区在横向上比位于N型区和P型区之间的本征区小。在一个实施例中，衬底包括一层P型半导体材料，它处于本征层和N型衬底之间，并且位于N型区的下方。在一个实施例中，在横向光电二极管上面做出(例如用典型的CMOS工艺)一个具有第二半导体类型的钉扎层，用来减少表面态引起的噪声；并且，这个钉扎层至少部分地和N型区、P型区还有它们之间的本征区相连。
0013根据本发明的至少一个实施例，一种制造一个图像传感器象素的方法包括采用第一半导体类型的材料(例如N型)作为衬底，在衬底上采用本征(或者P型或者N型)半导体材料形成本征层，在本征层上形成具有第一半导体类型的第一区域；并且，在本征层上形成具有第二半导体类型(例如P型)的第二区域。该第一区域被充分地包围在第二区域中；且第一区域和第二区域被本征半导体材料形成的本征区域隔开。第一区域、第二区域和它们之间的本征区域形成了横向光电二极管元件。在该光电二极管被反偏时，第一区域收集其中由于光电转换产生的电荷。当第二区域处在第二电势而衬底处在第三电势时，在纵向溢出系统中会形成一个势垒，它可以防止电荷通过本征层在第一区域和衬底之间流动，除非第一区域达到第一电势水平。在一个实施例中，在本征层中掺杂第二半导体类型的杂质(例如硼)进行晶体生长(例如用外延生长工艺)，掺杂的浓度范围是1E13atoms/cm3到1E16atoms/cm3，掺杂的厚度在2μm和10μm之间；而在衬底中掺杂第一半导体类型(例如磷)的杂质，掺杂的浓度范围在1E15atoms/cm3和1E18atoms/cm3之间。在一个实施例中，形成第一和第二区域包括利用2MeV或者更高的能量进行离子注入，达到1E12atoms/cm2至1E14atoms/cm2之间的杂质含量，最大注入深度在2μm左右。在一个实施例中，被本征半导体材料隔开的第一和第二区域的平均距离在0.5μm到10μm之间。
0014本发明的其他特点将随插图进一步详细说明。
插图的简要说明0015下面举例说明本发明，所使用的插图中的结构作为参考表达本发明的相似结构，不构成对本发明的限制。
0016
图1所示为本发明的一个实施例中一个象素式图像传感器的横截面。
0017图2所示为图1中的象素式图像传感器的顶视图。
0018图3所示为本发明的另一个实施例中象素式图像传感器的横截面。
0019图4所示为图3中的象素式图像传感器的顶视图。
0020图5所示为本发明的一个实施例中，一个象素式图像传感器在积累电荷过程中的电场分布图。
0021图6所示为图5中沿x轴方向的电势分布图。
0022图7所示为本发明一个实施例中，一个象素式图像传感器在复位时的电场分布图。
0023图8所示为图7中沿x轴方向在不同操作状态时的电势分布图。
0024图9所示为本发明一个实施例中一种象素式图像传感器阵列的电路框图。
0025图10所示为图9中一个象素式图像传感器的工作信号波形图。
0026图11所示为本发明一个实施例中有源象素式图像传感器的顶视图。
0027图12和图13所示为图11中有源象素式图像传感器的横截面图。
0028图14所示为本发明一个实施例中一种测量光照强度的方法的流程图。
详细描述0029以下描述和插图是用于阐述本发明，不构成对本发明的限制。描述本发明的大量的具体细节，可以增进对本发明的详尽理解。然而，在某些例子中也省略了那些众所周知的细节，以避免使本发明的描述模糊不清。
0030在本发明的至少一个实施例中，一种象素式图像传感器由一个横向光电二极管元件和一个紧密相伴的纵向溢出系统组成，这种象素式图像传感器具有很大的填充因数和动态范围。
0031图1所示为本发明的一个实施例中一个象素式图像传感器的横截面。在图1中，象素式图像传感器做在N型衬底115上(例如掺杂浓度为1E15atoms/cm3到1E18atoms/cm3范围内的磷)。N型区101和107被P型外延半导体材料(例如掺杂浓度在1E13atoms/cm3到1E16atoms/cm3范围内的硼)所包围。P型区103、105、109和111封闭了N型区101、107和它们周围的P型外延半导体材料，形成一个横向光电二极管。可以理解P型区103和109渗透在P型外延层中的平均深度应该大于N/N+区101。P型外延层113中的一层P型外延半导体材料将横向光电二极管和衬底115分隔开来，形成了纵向溢出系统。
0032在本发明的一个实施例中，在P型外延层中利用深度离子注入进行掺杂，做出101、103和109区。例如，深层的N型区101就是利用高能(例如2MeV的能量)小剂量(例如5E12atoms/cm2)的深度N型离子(例如磷)注入生成的；相似的，深层的P型区103和109也是利用深度P型离子注入生成的(例如利用2MeV的能量注入剂量为5E12atoms/cm2的硼)。
0033在本发明的一个实施例中，103和109区的深度d1大约是3μm；101区的深度d2大约是2μm；在横向光电二极管和衬底115之间的P型外延层半导体的深度d3大约是3μm。衬底115中磷的掺杂浓度为1E16atoms/cm3，它的电阻率在60Ωcm左右。P型外延层113中硼的掺杂浓度为2E14atoms/cm3。P型外延层113的总体厚度d2+d3一般超过了3μm(例如在5μm左右)。隔离层117位于横向光电二极管之上。有源电路可以利用CMOS工艺在P型阱上制作，这会在下面加以详细描述。
0034图2所示为图1中象素式图像传感器的顶视图。图2中，与图1中的N阱107和深层N型区101对应的N型区135位于图像传感器的中心位置。133区(135区和131区中间没有阴影的区域)中的P型外延半导体材料将N型区135包围。P型区131将N型区135和P型外延区133包围。N型区135中的N+区137是用于连接N型区和测试电路的导电接触区。图2中沿线AA’的横截面如图1所示。
0035虽然图2中所示的P型区131完全包围了N型区135，但是很明显，一个横向光电二极管也可以由不完全包围N型区的、足够大的P型区来形成。
0036图3所示为本发明的另外一个实施例中象素式图像传感器的横截面图。和图1中的象素式图像传感器类似，103、105、109、111、101、107和它们之间的P外延区形成了一个光电二极管元件。另外，在横向光电二极管的近表面形成(例如用大剂量低能量的离子注入)一个钉扎层(例如127和125区)，用来减小界面态产生的噪声。
0037图4所示为图3中象素式图像传感器的顶视图。同图2相似，图4所示为横向光电二极管的N型区135被P型外延层133所环绕并被P型区131所封闭。此外，钉扎层将横向光电二极管充分覆盖。在图4中，钉扎层将139区以外的区域盖住，包括N型区135的一部分，P型外延区133的一部分和P型区131。图4中沿线BB’的横截面如图3所示。很显然，图4仅仅显示了光电二极管元件，而没有显示出有源晶体管。根据本发明的一个实施例，有源器件(例如晶体管)可以在P型区的特定区域形成(例如用CMOS工艺)。其细节随后会加以描述。显然，钉扎层不能覆盖这些区域用来制作有源器件。
0038图5所示为本发明的一个实施例中收集电荷时象素式图像传感器的电场分布。如图5所示，当横向光电二极管反偏时，耗尽区211中的电场会迫使光电转换产生的电子流向N型区203(例如横向的221方向所示)。在周围的P型区205和207电势的影响下，N型区203和衬底201之间的P型外延层会产生一个低电位(例如电势线213附近)。这个低电位区起到一个势垒的作用，防止203区中积累的电子流向衬底201。
0039图6所示为沿图5中x轴的电势分布。图6中，曲线235所示为N型区和衬底间的P型外延层中的电势分布。交叉点237附近的低电位区作为一个势垒，处于拥有电势233的N型区和拥有电势231的衬底之间。随着N型区不断积累光电转换中产生的电子，N型区的电子电势能逐渐升高(电势降低)。例如，当N型区的电子电势能升到243的水平时，P外延区的电势分布就变成了曲线245。一旦电子越过了势垒就会被吸引到衬底当中。所以衬底和横向光电二极管下面的P型外延层也起到了一个纵向溢出系统的作用。当横向光电二极管受到了过多的光照，光电二极管会变得饱和，N型区中多余的电子就会经过P型外延层溢出到衬底中。这样就会防止亮斑和增大传感器的动态范围。
0040图7所示为本发明的一个实施例中在复位的条件下象素式图像传感器中电场的分布。在图7中，N型区203的电势达到了一个高于N型区203和衬底201间势垒的临界值。因此，N型区203中的电子流向衬底201(例如顺着227方向)。然而，即使N型区203的电势处在临界值，横向光电二极管依然处于反偏状态，所以光电转换产生的电子仍旧流向N型区203(例如沿横向225的方向)。
0041图8所示为本发明的一个实施例中沿图7的x轴方向对于不同的操作的电势分布。当N型区的电势处于233时，曲线235所示P型外延层中的势垒防止N型区中的电子流向衬底。当N型区的电势升高而达到临界值253时，P型外延层中的电势分布变成如曲线255的单调曲线，使得N型区中积累的电子流向衬底。因此，N型区可以通过将它的电势设置到临界值来进行复位。
0042当N型区开始积累电荷时(例如在复位之后)，耗尽区很大；因此光电二极管感光的灵敏度较高。而且纵向溢出系统中的势垒比较高。因此，只有很少的电子可以获得能量穿透势垒进入到衬底当中，而绝大部分的电子被收集到N型区。随着N型区积累越来越多的电子，耗尽区不断减小。另外，对于N型区中的电子来说，势垒变得较低。这样随着积累的电子数量增多，流到衬底的漏电荷增多，光电二极管的感光灵敏度也会下降。因此，这个光敏传感器的转化曲线是非线性的；灵敏度对于弱光高，对于强光低。所以，本发明的象素式图像传感器具有很宽的动态范围。
0043在读出信号时，N型区的电势被设置到263的水平。当N型区的电势处于263时，P型外延层中的势垒265会防止衬底中的电子流入N型区，而N型区的高电压会导致读出晶体管输出一个检测信号，细节如下。
0044图9所示为本发明一个实施例的象素式图像传感器阵列的电路图。如图所示，本发明的图像传感器象素包括一个寻址电容311、读出晶体管313、纵向溢出系统315和横向光电二极管317。据本发明的一个实施例所示，横向光电二极管的P型区(例如图2中的131区)与地307相连；纵向溢出系统315与衬底相连。控制信号Vc通过导线301施加到寻址电容311的一个电极上和晶体管313的漏极(源极)上；输出信号Vout通过导线303从晶体管313的源极(漏极)收集起来。象素式图像传感器的阵列每次产生一行的输出信号；每列都有一个测试电路通过测试读出晶体管输出的信号来确定光的强度。在图9中，点309对应于电荷收集区，也就是横向光电二极管的N型区(如图2的135区)。
0045图10所示为图9中的象素式图像传感器工作时的信号波形图。信号Vc施加到如图9中的导线301上，来控制图像传感器象素阵列的最上面一行的工作。信号Vout所示为图9中的导线303输出的典型信号。当时间t＜t1，信号Vc保持在v1341的电压水平(例如2V)，所以读出晶体管(图9中的313)栅极上的电压水平(例如1V)处于阈值之下，读出晶体管没有被激活(没有开启)，也就没有输出信号。因此，信号Vout在时间t＜t1时为v0(例如0.5V)，说明没有产生输出信号。
0046当时间t处于t1和t2之间，信号Vc增加到v2343(例如5V)，所以读出晶体管栅极上的电压水平(例如2V)处于阈值之上，读出晶体管被激活(开启)，生成与电荷收集区积累的电荷数量相当的输出信号。在时间t2时，信号Vout达到了vx353。
0047当时间t处于t2和t3之间时，信号Vc降到v3345(例如0V)，所以读出晶体管栅极上的电压水平处于阈值之下，读出晶体管没有被激活。因此，信号Vout恢复到v0。然而，在t3附近的时刻t的低电压导致纵向溢出系统，如图9中的315，提高了电荷收集区的电子电势能水平。因此，在电荷收集区积累的电荷在t3时刻涌入衬底当中。
0048当时间t处于t3和t4之间时，信号Vc增加到v2343(例如5V)，所以读出晶体管在t4产生一个与复位电压vr355相应的参考信号。信号vx和复位电压vr之间的差值vy代表了在电荷收集区积累的电荷数量，可以用来确定光的强度。
0049在时间t4之后，信号Vc恢复到v1，使得图像传感器的行象素中的电荷收集区又开始积累电荷准备下一次测试。
0050根据本发明的实施例所示，由于图像传感器的电荷收集区能够通过纵向溢出系统在埋沟模式(buried mode)下进行复位，复位噪声远远小于传统复位MOS晶体管的复位噪声。
0051图11所示为本发明一个实施例中有源象素传感器的顶视图。如图2(或者图4)所示，P型区401充分把N型区403和其周围的P外延区402包围，形成一个横向光电二极管。另外，标准CMOS工艺用来在P阱的401区域上形成象素的寻址电容和读出晶体管。N+扩散区423、425和427在P阱中形成。区域423作为寻址电容的一个传导表面；区域425和427作为读出晶体管的源极和漏极。多晶层405形成于处在N+扩散区上面的隔离层之上。多晶层的区域429作为读出晶体管的栅极；多晶层的区域421作为寻址电容的另一个传导表面。栅极区429和传导表面421通过多晶层相连；区域425和423在N+扩散区内相连。金属线433通过接触孔417和N+扩散区425相连，这样就可以将控制信号Vc施加到寻址电容的一个电极上。金属线407通过N+接触孔411和多晶接触孔413将N型区403，即电荷收集区，和读出晶体管的栅极相连。读出晶体管的源极/漏极区427连接到金属线431上以便输出测试信号。
0052沿线CC’和DD’的横截面图由图12、图13所示。图12所示为读出晶体管和寻址电容的结构。图12中的N+扩散区505对应于图11中的区域427；图12中的扩散区501对应于图11中的区域425和423。图12中的栅结构511对应于图11中的多晶区域429；图12中的电容表面513对应于图11中的多晶区域421。因此，图12中读出晶体管的源极(或漏极)在N+扩散区501中直接耦合到寻址电容的一个电极上；而在图11中，读出晶体管的栅极在多晶区405中直接耦合到寻址电容的另一个电极上。接触孔521将寻址电容和读出晶体管的漏极(或源极)连接到金属线433上。
0053与图1和图3相似，图13所示为横向光电二极管和纵向溢出系统的复合结构。N+接触孔553通过一条金属线将电荷收集区547和541连接到读出晶体管的栅极上。这条金属线如线537所示，它对应于图11中的金属线407。P型区543、545、549和551将N型区547和541还有它们周围P型外延层533中的P外延区包围起来，形成横向光电二极管。衬底531和P型外延层533中在横向光电二极管下面的P外延区形成纵向溢出系统。
0054图14所示为本发明一个实施例中测量光强的一个流程图。操作601首先在有源象素式图像传感器的寻址电容上施加一个电压，使横向光电二极管的电荷收集区在一定时间内积累光电子。操作603在寻址电容上施加第二个电压，使读出晶体管激活输出一个信号用来测试电荷收集区的第一个电势。操作605在寻址电容上施加第三个电压，通过有源象素式图像传感器的纵向溢出系统来复位电荷收集区。操作607在寻址电容上施加第二个电压，以激活读出晶体管来输出一个信号，测量电荷收集区的第二个电势。操作609从第一个和第二个电势来确定有源象素探测到的光强(例如用相关双重采样的方法)。
0055因此，根据本发明的一个实施例，具有低成本和高系统集成自由度的象素式图像传感器可以利用改进过的CMOS工艺来制造。象素式图像传感器利用一个横向的PN结作为光电二极管，这样更有利于小尺寸象素的设计。象素式图像传感器有一个纵向溢出系统，它用来复位象素。与传统的CMOS有源象素传感器利用复位管相比，利用纵向溢出系统复位可以大大降低复位噪声。由于本象素式图像传感器没有复位管，传感器的版图可以得到优化；而且，填充因数和灵敏度可以得到提高。
0056虽然很多用来说明的实施例中都利用中心为N型区的横向光电二极管作为电荷收集区，但是很显然，在本技术中，横向光电二极管也可以由中心为P型区作为电荷收集区来实现。进而也可以使用P型衬底。而且，纵向溢出系统可以具有不止一个的P型外延层(或者N外延层)半导体材料，包括一个或多个的N型或者P型层。
0057在前面的说明中，本发明通过与其有关的特殊实施例来进行描述。很显然，正如下面的权利要求中所述，可以对本发明进行各种各样的修改而不脱离本发明的广阔含义和范畴。因此，这些事例和插图应该被看作是说明性的而不是限制性的。
权利要求
1.一种图像传感器的象素包括一个横向光电二极管，这个横向光电二极管拥有第一种半导体类型的第一个区域，第一种半导体材料的第三个区域和第二种半导体类型的第二个区域，第三个区域在横向上围住第一个区域，第二个区域将第三个区域充分包围从而包围了第一个区域，第一种半导体材料的掺杂浓度远远低于第一个和第二个区域的掺杂浓度；以及一个纵向溢出系统与横向光电二极管元件耦合在一起，这个纵向溢出系统有一个第二种半导体材料的第一层和一个第二层，这个第一层将横向光电二极管元件和第二层分隔开，这个第二种半导体材料的掺杂浓度远远低于第二层和第一个区域的平均水平。
2.权利要求1中的图像传感器的象素中的第一种半导体材料是下面之一a)第一种半导体类型；b)第二种半导体类型；c)本征类型。
3.权利要求2中的图像传感器的象素中第一种半导体材料和第二种半导体材料是同一类型；而且第一种半导体材料的掺杂浓度和第二种半导体材料的掺杂浓度基本相同。
4.权利要求1中的图像传感器的象素中的第一种半导体类型为N型；第二种半导体类型为P型；第二个层包含一个N型衬底；当横向光电二极管反偏时，其中由于光电转换产生的电子被第一个区域收集起来。
5.权利要求1中的图像传感器的象素的第一种半导体类型是P型；第二种半导体类型是N型；第二层包括一个P型衬底；当横向光电二极管反偏时，其中由于光电转换产生的电子被第一个区域收集起来。
6.权利要求1中的图像传感器的象素中，当横向光电二极管反偏时，其中由于光电转换产生的电荷被第一个区域收集起来，当第二个区域处于第二个电势而且第二层处于第三个电势的时候，纵向溢出系统产生的势垒会防止第一个区域中的电荷经过第一层流入第二层，直到第一个区域达到第一个电势水平。
7.权利要求6中的图像传感器的象素中的势垒防止第二层中的电荷经过第一层流入第一个区域。
8.权利要求6中的图像传感器的象素中，当第二个区域处于第二个电势而第二层处于第三个电势时，如果第一个区域达到了第一个电势水平，第一个区域中的电荷就能够穿过第一层流入第二层。
9.权利要求8中的图像传感器的象素中，当第二个区域处于第二个电势而第一个区域达到第一个电势的水平，横向光电二极管不会正偏。
10.权利要求1中的图像传感器的象素还包括一个具有栅结构，源极和漏极的晶体管；这个栅结构与第一个区域在电学关系上相连；一个具有第一个传导表面和第二个传导表面的电容，这个第一个传导表面在电学上与第二个传导表面隔离，而在电学上与第一个区域相连。
11.在权利要求10的图像传感器的象素中，当横向光电二极管反偏时，其中光电转换产生的电荷被第一个区域收集起来；当第二个区域处于第二个电势而第二层处于第三个电势时，纵向溢出系统中形成的势垒会防止电荷经过第一层在第二层和第一个区域之间流动，直到第一个区域达到了第一个电势水平。
12.在权利要求11的图像传感器的象素中a)当电容的第二个传导表面处于第四个电势水平时，晶体管没有被激活，从而不能产生输出信号；第一个区域中除非积累了足够多的电荷，否则它不会达到第一个电势水平；b)当电容的第二个传导表面保持在第五个电势水平，晶体管被激活而产生输出信号，用来测量在第一个区域中积累的电荷；第一个区域不会达到第一个电势水平，直到它积累了足够多的电荷使它达到第一个电势水平；c)当电容的第二个传导表面保持在第六个电势水平，晶体管不会被激活也就不能产生输出信号；第一个区域被设置到第一个电势水平使得其积累的电荷经过第一层流入第二层。
13.在权利要求12的图像传感器的象素中的第一种半导体类型是N型；第二个半导体类型是P型；第二层包含一个N型衬底。
14.在权利要求13的图像传感器的象素中的第六个电势水平比第四个电势高；第四个电势又比第五个电势高。
15.在权利要求11的图像传感器的象素中，第二个传导表面在电学上与源极和漏极之一相连，在权利要求1的图像传感器的象素中，第一个区域横向上比夹在第一个区域和第二个区域间的第三个区域小。
16.在权利要求1的图像传感器的象素中，第一个区域在横向上小于第一个区域和第二个区域之间的第三个区域。
17.在权利要求1的图像传感器的象素中，第二层包括一个第一种半导体类型的衬底和处于第一层和衬底之间的拥有第二种半导体类型的层。
18.在权利要求1的图像传感器的象素中还包括一个第二种半导体类型的钉扎层，它处于和第一层相对的另一面的横向光电二极管之上；这个钉扎层至少部分的与第一个区域、第二个区域和第三个区域相连。
19.制作图像传感器象素的方法包括在第一种半导体材料的第一个层上形成第一种半导体类型的第一个区域。第一个层放在第一种半导体类型的衬底之上；在第一个层上形成第二种半导体类型的第二个区域，第一个区域被第二个区域充分包围，第一个区域和第二个区域被第一个半导体材料的第三个区域隔开；第一种半导体材料的掺杂浓度远远低于第一个区域和第二个区域的掺杂浓度；当在反偏时，第一个区域、第三个区域和第二个区域形成横向光电二极管。
20.在权利要求1的图像传感器的象素中第一个(种)半导体材料是下列之一a)第一种半导体类型b)第二种半导体类型c)本征类型
21.权利要求19中的方法还包括生长第一个层用的杂质为第二种半导体类型，其掺杂浓度在1E13 atoms/cm3和1E16atoms/cm3范围内，其厚度大于2μm；衬底的掺杂类型为第一种半导体类型，掺杂浓度在1E15atoms/cm3和1E18 atoms/cm3范围内。
22.权利要求19中所提到的形成第一个区域和形成第二个区域的方法包括利用高于1MeV的能量和介于1E12 atoms/cm2与1E14 atoms/cm2的剂量以使得最大注入深度大于2μm；第一个和第二个区域被第一种半导体材料分开，平均距离为0.5μm到10μm。
23.在权利要求19中，当横向光电二极管反偏时，其中光电转换产生的电荷被第一个区域收集起来；当第二个区域处于第二个电势而衬底处于第三个电势时，纵向溢出系统中形成的势垒会防止电荷经过第一层在第一个区域和衬底之间流动，直到第一个区域达到了第一个电势水平。
24.权利要求23中的方法还包括在与第一层相对的另一面的横向光电二极管之上，形成一个第二种半导体类型的钉扎层，这个钉扎层至少部分的与第一个区域、第二个区域和第三个区域相连。
全文摘要
象素式图像传感器包括横向光电二极管和纵向溢出系统。根据本发明的至少一个实施例，一个图像传感器的象素包括一个横向光电二极管和一个纵向溢出系统。这个纵向溢出系统将横向光电二极管的电荷收集区积累的多余电荷排出，而且对横向光电二极管的电荷收集区进行复位。
文档编号H01L27/146GK1685527SQ03823440
公开日2005年10月19日 申请日期2003年8月2日 优先权日2002年10月7日
发明者赵立新 申请人:赵立新