CN102044548A

CN102044548A - Cmos图像传感器

Info

Publication number: CN102044548A
Application number: CN2009101974503A
Authority: CN
Inventors: 朱虹; 吴立维; 徐锦心; 冷江华; 辛春艳; 杨建平
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: CN102044548B; US20120181589A1; US8513721B2

Abstract

一种CMOS图像感测器件包括：光电二极管，用于将所接收的光信号转化为电信号，至少包括具有不同掺杂类型的两个掺杂区；转移电荷单元，用于与所述光电二极管耦接；浮动扩散区，用于通过所述转移电荷单元与所述光电二极管相连接；重置晶体管和源极跟随器晶体管，分别连接至所述浮动扩散区。本发明避免了光电二极管与浮动扩散区的直接接触，减少了对硅衬底的损伤，减少了暗电流。

Description

CMOS图像传感器

技术领域

本发明涉及半导体技术，特别是CMOS图像传感器。

背景技术

电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)器件是两种常见的基于半导体的图像成像器。CCD经常用于图像采集，特别是用于小尺寸成像应用，其也能够处理小像素尺寸的大型格式以及采用低噪声电荷域处理技术。然而，CCD图像成像器也存在多种缺点。例如，CCD图像成像器易受辐射损坏的影响；随着时间表现出破坏性读出；需要良好的光遮蔽以避免图像拖尾(smear)，并且它们具有高功率耗散。此外，CCD阵列尽管提供高性能，但是由于部分采取了不同的处理技术以及具有高电容，从而难以与CMOS处理集成，这使片上驱动和信号处理电子器件与CCD阵列的集成复杂化。尽管已经存在一些将片上信号处理与CCD阵列集成的尝试，但是这些尝试尚未完全地成功。由于CCD通过从像素到像素的线电荷转移来转移图像，因此在存取和处理单个像素或者多组像素之前，需要将整个阵列读取到存储器中，存在时间延迟，而且在电荷转移期间，从像素到像素的不完整电荷转移也会造成图像拖尾。

基于CCD技术中的固有限制，CMOS图像传感器已经获得广泛接受以及作为低成本的成像器件得以应用。全兼容的CMOS传感器技术使得图像阵列与关联的处理电路能够高度集成，有益于许多数字应用，例如相机、扫描仪、机器视觉系统、交通工具导航系统、视频电话、计算机输入设备、监视系统、自动聚焦系统、星象跟踪仪、运动检测系统、图像稳定系统和用于高分辨率电视的数据压缩系统。

CMOS图像传感器较CCD成像器而言，其优点在于：CMOS传感器具有低电压工作和低功率消耗；CMOS图像传感器兼容于集成的片上电子器件，例如控制逻辑和定时、图像处理以及信号调节如A/D转换等；CMOS图像传感器允许对图像数据进行随机存取；由于可以使用标准CMOS处理技术，CMOS图像传感器与传统的CCD相比具有更低的制作成本。此外，由于在读出期间一次仅需要一行像素为有源并且在图像采集期间没有从像素到像素的电荷转移以及关联的切换。CMOS图像传感器实现了低功率消耗。电子器件的片上集成使得在数字领域中实现许多信号调节功能以及实现减少系统尺寸和成本成为可能。

CMOS图像传感器电路包括像素单元的焦平面阵列、读出电路和成像器。其中，每个像素单元包括在衬底上方且用于积累衬底的下部的光生电荷的光电管(photogate)、光电导体或者光电二极管；读出电路用于连接到各像素单元，至少包括形成于衬底中的输出场效应晶体管和形成于衬底上且与光电管、光电导体或者光电二极管相邻的电荷转移部分，该电荷转移部分具有连接到输出晶体管的栅极的感测节点，所述感测节点通常是浮动扩散(FD)节点；成像器可以包括用于将电荷从衬底的下部转移到浮动扩散节点的至少一个电子器件，例如晶体管，和用于在电荷转移之前将节点重置为预定电势电平的一个器件，通常也是晶体管。

在CMOS图像传感器中，像素单元的有源元件能够实现以下一些必要功能：(1)光子到电荷的转换；(2)积累图像电荷；(3)在将电荷转移到浮动扩散节点之前将浮动扩散节点重置为已知状态；(4)选择用于读出的像素；以及(5)输出和放大表示像素电荷的信号。在浮动扩散节点处的电荷，通常由源极跟随器输出晶体管转换成像素输出电压。CMOS图像传感器像素的光敏元件通常是耗尽型p-n结光电二极管或者在光电管之下的场致耗尽区(field induced depletion region)。对于光电二极管，可以通过在读出时完全地耗尽光电二极管来消除图像滞后。在通过引用而结合于此的美国专利第6,654,057号中提供了对CMOS图像传感器的更详细的描述。

发明内容

本发明的实施例显著地减少暗噪声并且提高CMOS图像传感器的总信噪比。该实施简单并且需要对标准CMOS工艺最少的修改而且没有造成单元尺寸的增加。

在一个实施例中，一种CMOS图像传感器件包括：光电二极管，用于将所接收的光信号转化为电信号；转移电荷单元，用于与所述光电二极管耦接；浮动扩散区，用于通过所述转移电荷单元与所述光电二极管相连接；重置晶体管和源极跟随器晶体管，分别连接至所述浮动扩散区。

可选的，所述CMOS图像传感器件还包括：行选择晶体管，耦合于所述源极跟随器晶体管，用于选通对应像素进行输出。

可选的，所述CMOS图像传感器至少包括四个晶体管，所述转移电荷单元为转移晶体管。

可选的，所述转移晶体管耦合所述源极跟随器晶体管的栅极和所述光电二极管。

可选的，所述CMOS图像传感器至少包括三个晶体管，其中所述转移电荷单元是电容器。

可选的，所述转移电荷单元包括在所述浮动扩散区上方的电介质层和在所述电介质层上方的传导层。

可选的，所述转移电荷单元还包括耦合到所述传导层的金属，所述金属耦合所述光电二极管和所述源极跟随器晶体管的栅极。

可选的，所述传导层是多晶硅。

可选的，所述电介质层是氧化物、氮化硅或有机材料。

相较于现有技术，本发明避免了光电二极管与浮动扩散区的直接接触，减少了对硅衬底的损伤，减少了暗电流。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1A图示了现有技术基于三个晶体管的设计的CMOS图像传感器示意图；

图1B图示了与图1A的传感器相对应的等效电路示意图；

图1C图示了图1A的传感器的横截面示意图；

图2图示了本发明一种实施方式中基于四个晶体管的设计的CMOS图像传感器示意图；

图3图示了根据本发明一个实施例的CMOS图像传感器的横截面示意图；

图4图示了与根据本发明一个实施例的传感器相对应的等效电路示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

本发明涉及结泄漏减少并且信噪比提高的CMOS图像传感器。

图1A图示了现有技术中基于三个晶体管设计的CMOS图像传感器。传感器100包括：光电二极管102、重置晶体管104、连接光电二极管102和重置晶体管104的浮动扩散区103、源极跟随器晶体管106和行选择晶体管108；其中，传导层115分别与光电二极管102和源极跟随器晶体管106通过位于传导层115下方的接触部114实现耦接；光电二极管102、重置晶体管104和源极跟随器晶体管106通过传导层115耦接；行选择晶体管108用于选通对应像素进行输出。

图1B图示了与图1A所示传感器100相对应的等效电路。电路至少包括：光电二极管152、重置晶体管154、源极跟随器晶体管156和行选择晶体管158。节点160耦合光电二极管152、重置晶体管154和源极跟随器晶体管156，光电二极管152的输出端连接至重置晶体管154的漏极及源极跟随器晶体管156的栅极，光电二极管152、重置晶体管154和源极跟随器晶体管156的耦合点为节点160；重置晶体管154的源极和源极跟随器晶体管156的源极相连接并接收电源电压；源极跟随器晶体管156的漏极与行选择晶体管158的源极相连接。

通常，浮动扩散(FD)区域中的接触由于与接触信息关联的损坏而成为主要暗电流源。为了提供接触，通常在作为接触的区域通过重度注入n-型掺杂物来形成n+浮动扩散区，但是，通过重度离子注入工艺以形成n+掺杂的浮动扩散区，有可能会形成明显的晶体缺陷，对衬底的硅晶体造成严重地破坏。例如，参考图1C，在p型衬底141上提供n-区142、位于n-区142上的p+区143以及n+区144，其中，由于n+区144与金属接触孔140直接接触，导致存在晶体缺陷150。

此外，为了得到更好的接触，也可通过采用等离子体蚀刻工艺进行过度蚀刻，用以制作作为接触的通路开口，然而，该工艺会对硅晶体造成损坏。上述这两种工艺，都会使硅晶体受到明显的晶体缺陷，增加了结泄漏。如果结泄漏量大，则即使在黑暗中，电荷也将损失，严重地影响了信噪比(SNR)。

因此，在现有技术的CMOS图像传感器中，在形成作为接触区域的浮动扩散区域的过程中会对衬底的硅晶体产生损伤，使得所述浮动扩散区域成为主要的暗电流来源。

参考图2所示，本发明的一种实施方式提供了基于四个晶体管的设计的CMOS图像传感器200。传感器200包括光电二极管202，用于将所接收的光信号转化为电信号；转移晶体管204、重置晶体管206、源极跟随器晶体管208、行选择晶体管210、n+浮动扩散区203、传导层205和接触部207；其中，光电二极管202和n+浮动扩散区203通过转移晶体管204相连接；n+浮动扩散区203用于连接转移晶体管204和重置晶体管206，并通过传导层205耦接源极跟随器晶体管208，传导层205分别与n+浮动扩散区203和源极跟随器晶体管208通过位于传导层205下方的接触部207实现耦接。

与传感器100不同，传感器200通过对转移晶体管204的使用，实现了光电二极管与浮动扩散区的分离，避免了光电二极管202与传导层中接触部的耦接，从而能减少暗噪声，具有更好的性能。也就是说，具有四个晶体管的设计的传感器200通过避免在光电二极管202上直接形成用于与转移晶体管、重置晶体管、源极跟随器晶体管以及行选择晶体管等晶体管中的一个或多个进行连接的接触区域，从而避免了在形成所述接触区域的郭形成中在所述光电二极管上所造成的结泄漏等损伤。

图3图示了根据本发明一个实施例的CMOS图像传感器300的横截剖面示意图。传感器300具有转移电荷单元302，转移电荷单元302避免了有源像素结构与浮动扩散区域形成直接的欧姆接触。其中，转移电荷单元302在本实施例中是电容器。

具体来说，传感器300至少包括：p型衬底301、位于衬底301上的n型掺杂区305，以及位于n型掺杂区305上的转移电荷单元302；其中，转移电荷单元302至少包括：n型掺杂区304，在n型掺杂区304上方的电介质层311(例如氧化物)和在电介质层311上方的传导层308，n型掺杂区304用于连接电介质层311和传导层308。具体来说，n型掺杂区305由于注入较深，无法和电介质层311以及传导层308形成较好的连接，因此通过在n型掺杂区305上，形成相较于n型掺杂区305掺杂浓度较高的n型掺杂区304，以实现连接。在本实施例中，传导层308可为多晶硅。金属接触310连接到多晶硅层308的顶部。上述这些结构构成了转移电荷单元302。

金属310被耦合或者连接到传导层308并且没有直接地接触衬底或者掺杂FD区。由于传感器300使用非直接接触的转移电荷单元302，所以传感器300不像在传感器100中那样需要用于欧姆接触的n+区。根据设计需要，传感器300可包括三个晶体管或者四个晶体管。

与直接接触相关的三个主要结泄漏源包括：1)n+掺杂、2)接触蚀刻、3)金属沉积和退火。具体来说，用于形成n+掺杂区的重度注入可能造成非激活的掺杂物和由于对晶格的损坏而产生的中间能阶(midgap)缺陷；过度蚀刻也会对硅表面和硅表面以下的区域造成损伤；而直接在硅衬底上的金属沉积和对金属进行退火可能损坏硅。通过非直接接触的转移电荷单元302能够避免上述问题的产生。

继续参考图3，在如图所示的本发明具体实施例中，n区304(或者轻度掺杂区)可具有10¹⁵-10¹⁸个离子/立方厘米的掺杂浓度，其中，n区304的掺杂浓度高于p型衬底301中的掺杂浓度，但是仍少于掺杂浓度通常多于10²⁰个离子/立方厘米的常规n型重掺杂。转移电荷单元302设置于n区304上。此外，转移电荷单元302中的电介质层311的厚度还可以根据应用进行调整。例如，电介质层311可以具有与三个晶体管的栅极氧化物或者其它晶体管的其它栅极氧化物相同的厚度。

图4图示了与根据如图3所示本发明一个实施例的传感器300相对应的等效电路，其中，转移电荷单元302即为电容404。电路400包括光电二极管402、电容404、重置晶体管406、源极跟随器晶体管408和选择晶体管410。其中，光电二极管402的输出端连接至重置晶体管406的漏极及电容404的一端，电容404的另一端连接源极跟随器晶体管408的栅极；重置晶体管406的源极和源极跟随器晶体管408的源极相连接并接收电源电压；源极跟随器晶体管408的漏极与选择晶体管410的源极相连接。

一并参考图3和图4，在一种实施方式中，传感器300的多晶硅层308可以延伸以与源极跟随器晶体管408连接。在其它实施方式中，还可在多晶硅层308上制造接触部件，例如金属线等，用于将电容404相连接到源极跟随器晶体管408。

在上述实施方式中，由于避免了形成通向光电二极管硅表面通路(或者接触开口)的等离子体蚀刻步骤，并通过例如热生长氧化物以形成电介质层等方式避免对晶体表面损伤的破坏，从而避免了由于光电二极管硅表面损伤将带来的暗电流。此外，由于形成轻度掺杂n区304，而不是n+重掺杂区，也进一步地减少了对硅衬底的损坏。

在具体工作过程中，如图4中所示，首先，脉冲被发送到重置晶体管406并且使光电二极管402被反向偏置。光电二极管402在np结中存储电荷，所述电荷包括n区所致电荷，并将通过电容404进行传递，最终在源极跟随器晶体管408累积，以形成源极跟随器晶体管408两端的电压。通过感测电路(未示出)对所述电压进行放大和检测，从而获得检测结果。

虽然本发明已通过较佳实施例说明如上，但这些较佳实施例并非用以限定本发明。本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应有能力对该较佳实施例做出各种改正和补充，因此，本发明的保护范围以权利要求书的范围为准。

Claims

1.一种CMOS图像传感器，包括：

光电二极管，用于将所接收的光信号转化为电信号；

转移电荷单元，用于与所述光电二极管耦接；

浮动扩散区，用于通过所述转移电荷单元与所述光电二极管相连接；

重置晶体管和源极跟随器晶体管，分别连接至所述浮动扩散区。

2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，还包括：行选择晶体管，耦合于所述源极跟随器晶体管，用于选通对应像素进行输出。

3.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器至少包括四个晶体管，所述转移电荷单元为转移晶体管。

4.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器，所述转移晶体管耦合所述源极跟随器晶体管的栅极和所述光电二极管。

5.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器，CMOS图像传感器至少包括三个晶体管，其中所述转移电荷单元是电容器。

6.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，所述转移电荷单元包括在所述浮动扩散区上方的电介质层和在所述电介质层上方的传导层。

7.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器，所述转移电荷单元还包括耦合到所述传导层的金属，所述金属耦合所述光电二极管和所述源极跟随器晶体管的栅极。

8.根据权利要求6或7所述的CMOS图像传感器，所述传导层是多晶硅。

9.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器，所述电介质层是氧化物、氮化硅或有机材料。