用于对图像传感器进行时钟控制的方法技术

本发明专利技术描述了用于对图像传感器进行时钟控制的方法，该方法消除由大图像传感器中的全局电流流动引起的阱回弹效应。在对邻近光电二极管的垂直电荷耦合器件栅极触点施加电压的电荷转移操作期间，可以对与光电二极管相关联以及在光电二极管上至少部分地形成的光屏蔽件施加补偿电压。根据极性，补偿光屏蔽件脉冲允许空穴从垂直电荷耦合器件栅极下面局部地流到光电二极管P+钉扎区域或者反之亦然，以及用这种方式消除空穴电流的全局流动。还可以在电子快门操作期间使光屏蔽件偏置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及成像系统，以及更具体地涉及用于行间电荷耦合器件(interlinechargecoupleddevice(CCD))图像传感器的时钟控制方法，该时钟控制方法减小滞后并提高拖尾、可靠性和暗电流性能，使得能够使用低时钟控制电压以使得能够更快速地对图像传感器进行读出。
技术介绍
电子装置(诸如蜂窝电话、摄像机和计算机)通常包括包含用于捕获图像的数字图像传感器的成像系统。可以形成具有二维图像像素阵列的图像传感器，图像像素包括将入射光子(光)转换为电信号的光电二极管。电子装置通常包括用于显示所捕获的图像数据的显示器。常规行间CCD成像器设置有在钉扎层下面形成的多个光电二极管。在常规成像器中，光电二极管典型地是半导体衬底中的n型掺杂区域。光电二极管上形成的钉扎层通常是p型掺杂层。光电二极管上形成的钉扎层常规地耦合至接地并且充当光电二极管的接地。只要钉扎层处提供的电压是恒定的，光电二极管的电势就保持恒定，并且在装置各处都没有净全局电流流动。入射到成像器上的光在n型光电二极管区域中引起光生电子的积累。通过对垂直CCD(VCCD)上形成的转移栅极和光电二极管与VCCD之间的区域施加读出电压(有时称为“第三级电压”)以将这些光生电子中的一些读出至VCCD中。常规地用于将光生电荷从光电二极管读出至VCCD的“第三级电压”通常是大电压，诸如12V。施加至VCCD上形成的转移栅极的大电压使得空穴被排斥，该空穴是在光电二极管上形成的p型钉扎层中的大多数电荷载流子。通过空穴在光电二极管上形成的钉扎层中的移动生成的全局电流引起钉扎层中电压的电压降(有时称为“I-R降”)。钉扎层处的电压的不恒定性称为“阱回弹”，并且可以对成像器的性能不利。由于必须允许全局电流有足够时间稳定，因此阱回弹增加光电二极管的读出时间，从而限制成像器的速度和效率。由于光电二极管的电势不再由光电二极管上形成的钉扎层处的恒定接地电压“钉扎”，因此使光电二极管与VCCD之间的电压电势中的阶跃减小。在钉扎层电压大量值变化的实例中，光电二极管与VCCD之间的电压电势阶跃的减小使得不可能将所有光生电荷从光电二极管完全地转移到VCCD中。钉扎层电压电平的不恒定性在空间上在整个常规成像器上变化。作为示例，与成像器边缘处的第一光电二极管相关联的第一钉扎区域可以靠近向第一钉扎区域提供接地电压的接地电源电压。因此，当光电二极管被读出时，由于到接地电源的距离很小，因此由空穴在第一钉扎区域位于的钉扎层中的移动生成的电流没有引起大电压降。然而，与成像器中心处的第二光电二极管相关联的第二钉扎区域可以与向第二钉扎区域提供接地电压的接地电源分开较大距离。因此，当光电二极管被读出时，由空穴在第二钉扎区域位于的钉扎层中的移动生成的电流将引起大电压降(或者，大的“阱回弹”(wellbounce))。由于阱回弹根据光电二极管在成像器上的位置而变化，因此光电二极管读出中的不一致性可能产生可见图像伪影或者图像数据中固定图案伪影。已经开发了许多技术以试图减轻阱回弹问题。如在例如标题为“Amplification-TypeSolidStateImagingDevicewithReducedShading”的美国专利No.7016089中描述的，一种技术涉及在像素阵列内增加阱触点。可惜的是，这种在像素阵列内进行的阱触点增加占用了否则可以用于感测光的有限管芯区域，并且因此不利地影响图像传感器的性能。此外，由于触点没有被正偏置并且因此没有排出由触点/半导体界面处产生的缺陷生成的电荷，因此已知与硅的接地触点生成亮点。另一个技术涉及对与像素的采样和读出相关联的某些信号降低时钟速度。参见，例如，标题为“Solid-StateImagingDeviceandDriveControlMethodfortheSame”的美国专利申请公开No.2005/0001915。然而，较慢的时钟控制意味着将花费更长时间读出与给定图像相关联的像素数据。一旦将光生电荷转移至VCCD，暗电流信号就添加至光生电荷包，破坏信号。暗电流信号受温度、金属杂质浓度、未钝化硅键(表面态)的密度、读出时间、行时间以及以“耗尽模式”还是“积累模式”操作VCCD定时的影响。对于“耗尽模式”定时，按照中级别电压使一个或者多个VCCD栅极偏置以及在行读出期间按照低电平电压使一个或者多个VCCD栅极偏置。对于“积累模式”时钟控制，在行读出期间，按照低电平电压使所有VCCD栅极偏置。由于低电平电压典型地被偏置为刚好超过在硅-电介质界面处积累空穴的阈值，因此低电平电压暗电流生成对于保持在更负的低电平电压处的栅极来说低得多。表面处积累的空穴使由未钝化硅键生成的暗电流“猝熄”。“耗尽模式”定时的暗电流典型地是“积累模式”定时的两个或者更多个数量级那么大，从而对于低暗电流性能，“积累模式”定时是优选定时。然而，正如“第三级”读出一样，阱回弹使以“积累模式”下VCCD的读出复杂化。由于时钟沿被补偿，因此通常对于“耗尽模式”定时阱回弹不是问题。这里“被补偿”意指对于从低电平电压转变到中电平电压的每个栅极，存在从中电平电压转变到低电平电压的相邻栅极。因此，如果栅极电容被适当地匹配，则相邻栅极之间仅存在局部空穴流动，并且没有引起阱回弹的全局空穴流动。对于“积累模式”定时，可以通过施加比低电平电压更负的电压来减小或者消除阱回弹。施加至与给定栅极相邻的另一个栅极的补偿电压通常是具有大量值的负电压，诸如-11V。-11V补偿脉冲的问题是可靠性。所述低电平电压几乎总是被指定为使得位于对其施加低电平电压的栅极触点下面的VCCD的区域被偏置为刚好超过在硅-电介质界面处积累空穴的阈值。该状态是使暗电流性能与可靠性平衡的折衷状态。当对栅极进行钟控在耗尽(诸如当施加中电平电压时)与积累(诸如当施加低电平电压或者补偿电压时)之间来回时，出现可靠性问题，使得空穴沿着表面流动。偶尔地，空穴具有足够能量以破坏钝化界面态处的氢-硅(H-Si)键，从表面驱除氢。如果栅极是负的(诸如当对栅极施加低电平电压时)，则由于原子H是正带正电荷的，因此氢漂移离开Si/电介质界面。这些事件增大未钝化界面态的数量，并且因此增大VCCD暗电流。如由D.K.Schroder和J.A.Babcock在“Negativebiastemperatureinstability:Roadtocrossindeepsubmicronsiliconsemiconductormanufacturing”中评述的，该机制与更熟知的CMOS部件的负偏置温度不稳定性(NBTI)相同。电压越负，可靠性问题越严重。因此，出于可靠性目的，低电平电压通常被指定为刚好低至足以用空穴积累表面。尽管该电压足以显著地降低VCCD暗电流，但不会低到增大所积累的空穴密度，以及由此增大NBTI事件的概率。在常规成像器中，-11V补偿电压脉冲积累高密度空穴。这些过多空穴的积累和流动显著地增大NBTI退化的可能性。由于通过在VCCD上形成的栅极上提供补偿电压脉冲以对成像器进行时钟控制(有时称为“积累模式时钟控制”)提供较低的暗电流，以及在没有在VCCD栅极上提供补偿电压脉冲的情况下对成像器进行时钟控制(有时称为“耗尽模式时钟控制”)提供较大V本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对图像传感器进行时钟控制的方法，所述图像传感器包括与垂直电荷耦合器件相邻的光电二极管，其中所述光电二极管具有在所述垂直电荷耦合器件和所述光电二极管的至少一部分上形成的相关联的光屏蔽结构，所述方法包括：将所述光电二极管中的电荷转移至所述垂直电荷耦合器件；以及在将所述电荷从所述光电二极管转移至所述垂直电荷耦合器件的同时，对所述光屏蔽结构施加补偿偏置电压以补偿由转移所述电荷引起的净电荷不平衡。

【技术特征摘要】
2015.07.10 US 14/796,5811.一种对图像传感器进行时钟控制的方法，所述图像传感器包括与垂直电荷耦合器件相邻的光电二极管，其中所述光电二极管具有在所述垂直电荷耦合器件和所述光电二极管的至少一部分上形成的相关联的光屏蔽结构，所述方法包括：将所述光电二极管中的电荷转移至所述垂直电荷耦合器件；以及在将所述电荷从所述光电二极管转移至所述垂直电荷耦合器件的同时，对所述光屏蔽结构施加补偿偏置电压以补偿由转移所述电荷引起的净电荷不平衡。2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述光电二极管上形成具有第一掺杂类型的钉扎区域，其中所述光电二极管具有不同于所述第一掺杂类型的第二掺杂类型，以及其中施加所述补偿偏置电压包括：在所述光屏蔽结构下面积累与所述第一掺杂类型相关联的多数电荷载流子以减轻阱回弹。3.根据权利要求1所述的方法，其中将所述光电二极管中的所述电荷转移至所述垂直电荷耦合器件包括：对在所述垂直电荷耦合器件上形成的并与所述光电二极管相邻的栅极电极施加第一偏置电压；以及在对所述栅极电极施加所述第一偏置电压之后对所述栅极电极施加第二偏置电压，其中所述第二偏置电压大于所述第一偏置电压。4.根据权利要求3所述的方法，其中对所述光屏蔽结构施加所述补偿偏置电压包括：在对所述栅极电极施加所述第二偏置电压的同时，对与所述给定像素相关联的所述光屏蔽结构施加负偏置电压。5.根据权利要求3所述的方法，其中所述栅极电极包括第一栅极电极，以及其中将所述光电二极管中的电荷转移至所述垂直电荷耦合器件还包括：在对所述第一栅极电极施加所述第二偏置电压的同时，对在所述垂直电荷耦合器件上形成的并与所述第一栅极电极和所述光电二极管相邻的第二栅极电极施加大于所述第一偏置电压的第三偏置电压。6.根据权利要求3所述的方法，其中所述栅极电极包括第一栅极电极，以及其中将所述给定光电二极管中的电荷转移至所述垂直电荷耦合器件还包括：在对所述第一栅极电极施加所述第二偏置电压的同时，对在所述垂直电荷耦合器件上形成的并与所述第一栅极电极和所述光电二极管相邻的第二栅极电极施加小于所述第一偏置电压的第三偏置电压。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述光电二极管是在衬底中形成的多个光电二极管中的一个，以及其中所述多个光电二极管中的每一个与相应的光屏蔽结构相关联，所述方法还包括：通过对所述衬底施加快门电压来清除所述多个光电二极管中的电荷；以及在对所述衬底施加所述快门电压的同时，对与所述多个光电二极管相关联的相应的光屏蔽结构施加负偏置电压。8.一种对图像传感器进行时钟控制的方法，所述图像传感器包括在衬底中形成的光电二极管，其中所述光电二极管与在所述垂直电荷耦合器件和所述光电二极管的至少一部分上形成的光屏蔽结构相关联，所述方法包括：通过对所述衬底施加正偏置电压以将所述光电二极管中的电荷排出；以及在对所述衬底施加所述正偏置电压的同时，对所述光屏蔽结构施加负偏置电压。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述光电二极管是布置成行和列的多个光电二极管中的一个，以及其中将所述光电二极管中的电荷排出包括：通过清除光电二极管的所述行和列中的所述电荷来执行全局快门重置。10.根据权利要求8所述的方法，其中在距所述衬底的表面第一深度处形成所述光电二极管，其中所述光电二极管具有在所述衬底中形成的并且在距所述衬底的所述表面第二深度处形成的相关联的垂直溢流排出部，所述第二深度大于所述第一深度，以及其中将所述光电二极管中的电荷排出包括：将所述光电二极管中的电荷排到所述垂直溢流排出部中。11.根据权利要求8所述的方法，其中所述光电二极管具有在所述衬底中形成的并且与所述光电二极管相邻的相关联的横向溢流排出部，以及其中将所述光电二极管中的所述电荷排出包括：将所述光电二极管中的电荷排到所述横向溢流排出部中。12.一种用于对图像传感器进行时钟控制的方法，所述图像传感器包括与垂直电荷耦合器件相邻的第一光电二极管和第二光电二极管，其中所述第一光电二极管与在所述垂直电荷耦合器件和所述第一光电二极管的至少一部分上形成的第一光屏蔽结构相关联，以及其中所述第二光电二极管与在所述垂直电荷耦合器件和所述第二光...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·P·麦卡藤，
申请(专利权)人：半导体元件工业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US