利用电荷注入的读出电路的结构制造技术

本发明专利技术涉及一种读出电路结构，其形成在第一类型的半导体衬底(1)上，并且旨在根据连续的电荷积分周期来测量从在衬底(1)外部的外部电荷源(2)接收的电荷，所述结构包括：注入二极管，其配置为将从外部的电荷源(2)接收的电荷注入到衬底(1)中；收集二极管，其适合于在衬底(1)中收集通过注入二极管注入的电荷的至少一部分，并且适合于在积分周期期间积累所述电荷；电荷恢复结构(7)，其配置为恢复积累在所述收集二极管中的电荷；用于通过所述电荷恢复结构的电势还原为初始电势而在每个积分周期结束时将电荷恢复结构(7)初始化的装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于电磁式传感器的读出电路的结构。在本文中，通过“电磁式传感器”意指包括用于读出像素的电路的电磁辐射传感器，其中，每个像素包括至少一个用于发出代表该像素所暴露至的辐射的电信号的光电二极管。这种传感器由半导体衬底(例如硅的)制备，光电二极管形成在所述半导体衬底中。旨在利用的辐射可以例如是可见光图谱内的辐射，然而，这并不构成限制。通过读出电路读取每个光电二极管所发出的电信号(为此目的，通常各个读出电路分别专用于每个光电二极管)。读出电路也形成在硅半导体衬底中。本专利技术发现混合式传感器中的的有益应用。当光电二极管形成在不同于结合读出电路的第二衬底的第一衬底中时(且因此其半导体材料可以不同于第一衬底的材料)，传感器被称为“混合式”。这尤其为这样的情况：当读出电路形成在硅衬底中时(这对应于对于这些读出电路来说最常见的配置)，同时光电二极管通常形成在另一材料的衬底中(例如铟镓砷(InGaAs))，所述材料使得能够形成对适合于夜视的波长敏感的光电二极管，而在硅衬底中的光电二极管则对该波长不敏感。对于混合式传感器而言，第一衬底的每个光电二极管通过焊接类型(例如铟珠)的连接而连接至第二衬底的读出电路。图1a和图1b显示了根据倒装芯片技术的这种混合的可能配置的示例。根据该技术，第一衬底32的面31(光电二极管33形成在该面处)和第二衬底35的面34(读出电路36形成在该面处)彼此面对。在图1a示出的第一示例中，第一衬底32的光电二极管33中的每个通过铟珠37而连接至读出电路36，同时在图1b示出的第二示例中，通过离开第二衬底35的铜柱38并且通过在该柱38和光电二极管33之间的焊接39而形成连接。
技术介绍
来自光电二极管的信号的读出在以给定的频率实现，该给定的频率通常对于所有的光电二极管是同一频率。例如对于视频应用，该频率可以是50或60赫兹。对于快速或超快获取应用，该频率则更高。因此，光电二极管的读出通过“周期”来完成，每个周期对应于像素的积分时间，即，对应于这样的时间，在该时间期间，光电二极管产生的电荷(根据光电二极管的性质而由电子或空穴的电荷形成)积累在光电二极管中或读出电路中，以及对应于像素的读出时间。在CMOS技术中，光电二极管的读出电路可以通过不同的方式实现。其尤其可以是“直接注入”(DI)，“电容跨阻抗放大器”(CTIA，CapacitiveTrans–ImpedanceAmplifier)或“每像素源跟随器”(SFP，sourcefollowerperpixel)类型。读出电路的这三种类型示出在图2a至2c中。图2a示出了在混合式配置中的直接注入类型的用于读出像素的电路的电气图的示例。与晶体管22相关联的放大器23经由在第一衬底(光电二极管20形成在其上)和第二衬底(读出电路形成在其上)之间的混合式触点21而将施加至光电二极管20上的偏压稳定化。初始化晶体管24受到初始化信号RST的控制，以便在晶体管22的输出施加初始化电压VRST。积分电容器25适合于对光电二极管20发出的光电流进行积分。缓冲放大器26使得能够将在该积分电容器25的端子上的电压信号IM经由选择开关27而发送至扫描多路复用总线28。读出周期包括：1)借助于初始化晶体管24来初始化积分电容器25，2)将所述光电二极管20产生的光电电荷积分进入电容器25，3)经由开关27的控制而读出在电容25的端子上的电压信号IM。读出的结果可以直接地输出至读出电路从而得到利用，或者可以存储在存在于每个像素中的存储器，以便随后得到利用。然而，积分电容器25和光电二极管20的重置形成所谓的“KTC”电子噪声，关于对该噪声具有影响的量，K指示玻尔兹曼常数，T指示开尔文温度，而C指示积分电容器25的电容。在初始化之后，在积分电容器25中的剩余电荷具有随机变化，其二次平均具有值因此，该KTC噪声通过在积分电容器25的端子上的电压相对于重置电压VRST的偏差表达。为了抑制该开关噪声，开发了结合两次在像素的输出处的电压的读出的策略。这因此是相关双读出，也被称为CDS(其为“相关双采样”的缩写)。在通过设定为参考电势而使电容器已被重置为初始阶段(重置，有时将为简便而使用该术语，并且应被认为是等价的)之后，立即在周期的开始获得第一读出。该第一读出给出在电容器中的初始电荷量的第一读取值。当对电容器充电并且需要读取积分电荷的积累的值时，第二读出在周期结束时获得。当执行两次读出并且周期结束时，比较和计算装置确立两次读取值之间的差值。该差值给出在积分时间期间电容器积分的光电二极管所产生的电荷的量。这些已知类型的电路和方法因此使得能够通过对每个光电二极管和对每个周期计算在周期的开始的读出和在周期的结束的读出之间的差值来确定在积分周期期间从光电二极管进入电容器的积分电荷的量的值。然而，在光电二极管的读出电路中存在噪声的其它来源。现在，对于大多数这些噪声，在第一读出和第二读出之间不存在相关性。因此，不仅没有抑制这些其它噪声，并且它们的光谱功率密度还提高至两倍。对于CMOS(互补金属氧化物半导体)读出电路，所谓的1/f电子噪声是在例如晶体管的所有有源部件中的主要噪声。该1/f噪声的功率谱密度随频率减小。因此，在低的频率，1/f噪声很大。现在，像素的工作周期的频率为约50Hz，其展现出大的1/f噪声，这限制了相关双采样的效率。为了相对于直接注入而减小该1/f噪声，提出另一种类型的电路，即所谓的CTIA“电容跨导放大器(CapacitiveTrans–impedanceAmplifier)”，图2b示出了其示意性的示例。其原理类似于直接注入电路的原理，其中对相似的元件指定相同的附图标记。来自光电二极管20的光生电流通过设置有电容反馈的运算放大器而积分至电容器25中。通过借助于并联连接的初始化晶体管24而清空电容器25中的电荷，从而完成初始化。借助于运算放大器29的大的增益来维持光电二极管20的偏压。该配置的基本原理为：电容反馈减弱低频噪声，并且因此提高其相关双采样的效率。其读出顺序与利用直接注入的像素的读出顺序相同：第一读出在重置之后进行，而第二读出在积分时间之后进行，图像信号通过这两次采样之间的差值形成。尽管像素很复杂，但是1/f噪声仍然很大。实际上，对于很小的电容值(5-10fF)，最佳的读出电路CTIA不能将噪声降低为低于对应于40至50电子的电荷的噪声水平。在这样的配置中，电路的动态范围非常低，并且当曝光变得过强时，很容易饱和。另一配置为所谓的SFP配置(“每像素源跟随器”)，其图2c显示了示例性实施方案。该配置旨在减少晶体管的数量以便减少1/f噪声源的数量。其工作周期与用于读出像素的电路Di或CTIA的工作周期相同，并且对这些电路中的相似的元件指定相同的附图标记。在像素读出电路SFP中，来自光电二极管20的光生电流的积分直接地在包括数个寄生电容的光电二极管的积分电容器25上实现。光电二极管20的强电容值减小了读取为电压的信号的幅度。该读出电路的噪声最终将增加至光电二极管20的噪声水平限制为若干电子。例如，用于读出像素的电路CTIA可以利用5fF的积分电容器的电容工作，而因此对于具有320μV的幅度的读出噪声来说，该噪声水平等价于10个电子的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种读出电路结构，其形成在第一类型的半导体衬底(1)上，并且旨在根据连续的电荷积分周期来测量从在衬底(1)的外部的电荷源(2)接收到的电荷，所述结构包括：·注入二极管，其在衬底(1)中通过第一正向偏置PN结形成，所述第一正向偏置PN结包括衬底(1)的第二类型的第一掺杂区域(4)，所述第一掺杂区域(4)用于从所述外部的电荷源(2)接收电荷，并且所述注入二极管配置为用于将从外部的电荷源(2)接收到的电荷注入到衬底(1)中，·收集二极管，其在衬底(1)中由第二PN结形成，所述第二PN结包括隐埋在衬底(1)中的第二类型的第二掺杂区域(6)，并且所述收集二极管能够在衬底(1)中收集通过注入二极管而注入的电荷的至少一部分，并且能够在积分周期期间积累这些电荷，·电荷恢复结构(7，15)，其配置为用于恢复在所述收集二极管中积累的电荷，·用于通过将所述电荷恢复结构的电势改变回至初始电势而在每个积分周期结束时初始化电荷恢复结构(7，15)的装置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.12 FR 14553611.一种读出电路结构，其形成在第一类型的半导体衬底(1)上，并且旨在根据连续的电荷积分周期来测量从在衬底(1)的外部的电荷源(2)接收到的电荷，所述结构包括：·注入二极管，其在衬底(1)中通过第一正向偏置PN结形成，所述第一正向偏置PN结包括衬底(1)的第二类型的第一掺杂区域(4)，所述第一掺杂区域(4)用于从所述外部的电荷源(2)接收电荷，并且所述注入二极管配置为用于将从外部的电荷源(2)接收到的电荷注入到衬底(1)中，·收集二极管，其在衬底(1)中由第二PN结形成，所述第二PN结包括隐埋在衬底(1)中的第二类型的第二掺杂区域(6)，并且所述收集二极管能够在衬底(1)中收集通过注入二极管而注入的电荷的至少一部分，并且能够在积分周期期间积累这些电荷，·电荷恢复结构(7，15)，其配置为用于恢复在所述收集二极管中积累的电荷，·用于通过将所述电荷恢复结构的电势改变回至初始电势而在每个积分周期结束时初始化电荷恢复结构(7，15)的装置。2.根据权利要求1所述的读出电路结构，其中，所述电荷恢复结构(7)包括连接至输出器件(8)的浮动扩散节点(7)，所述浮动扩散节点由衬底(1)中的第二类型的掺杂区域形成。3.根据前一权利要求所述的读出电路结构，其中，用于初始化电荷恢复结构的装置包括初始化晶体管(10)，所述初始化晶体管(10)的栅极与衬底(1)电绝缘，位于所述扩散节点(7)和参考电势(VDD)源之间，并且适合于被控制为用于将所述扩散节点(7)的电势改变至所述初始电势。4.根据权利要求2或3所述的读出电路结构，其包括MOS类型的转移晶体管，所述转移晶体管的转移栅极(9)位于所述隐埋二极管和所述浮动扩散节点(7)之间，在衬底(1)上方并且与衬底(1)电绝缘，并且所述转移栅极(9)能够被控制为用于将在第二掺杂区域(6)中收集的电荷转移至浮动扩散节点(7)。5.根据前述权利要求中的任一项所述的读出电路结构，其中，电荷恢复结构包括：·存储器，其由第二类型的掺杂区域(15)形成，以及·浮动扩散节点(7)，其由连接至输出器件(8)的第二类型的掺杂区域形成，所述存储器在衬底(1)中形成在隐埋二极管和浮动扩散节点(7)之间。6.根据前述权利要求中的任一项所述的读出电路结构，其中，输出器件(19...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y·倪，
申请(专利权)人：新成像技术公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR