带有电荷转移的C‑MOS光电单元，以及包括这样的单元的组的阵列传感器制造技术

本发明专利技术涉及带有电荷转移的C‑MOS类型的光电单元，包括：嵌入的光电二极管(PPD)，其能够曝光至光子，并由在衬底中的第一类型的掺杂区域形成，所述衬底具有相反的类型；以及用于将通过光电二极管曝光至光子所产生的电荷转移至浮动扩散(FD)的构件；以及用于在浮动扩散上读取表示已转移的电荷的量的电压的构件。该单元的特征在于，光电二极管的结在零偏置电压下的耗尽区实质上延伸穿过第一类型的掺杂区域的整个厚度，使得所述光电二极管的结电容以及电容噪声被最小化；并且在于，在曝光至光子期间，在通过光转换所产生的电荷与通过发射所损失的电荷之间平衡的条件下完成读取。本发明专利技术还提出由这样的单元形成的阵列传感器，其具有形成对于从一个单元发射的电子向相邻单元扩散的势垒的构件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术概括而言涉及C-MOS技术的图像传感器。
技术介绍
C-MOS图像传感器提供的图像质量取决于多种参数，其中的两个参数尤为重要：噪声水平和动态工作范围。在低光线水平下，低噪声水平产生可以利用的图像，而更大的动态范围提高白天，尤其是晴天条件下的质量。动态范围还决定传感器对于在同一场景中的光的散布以及在连续图像之间的亮度的突然变化的宽容度。现今，如图1A所示意性地示出的CMOS电荷转移像素(其通常称为四晶体管像素或简称为4T像素)的噪声水平几乎已经降低到了物理极限。这样的优异性能本质上源于钉扎光电二极管(PPD)的使用，钉扎光电二极管在初始时是完全耗尽的，其关联于通向浮动扩散结点FD的电荷转移栅。在电荷向浮动扩散结点转移之前和之后的两次相关读取使得能够几乎完全消除复位噪声(与电容成比例的KTC噪声)。因为钉扎光电二极管在光转换开始时以及在电荷转移后不包含移动电荷，所以其不会产生KTC噪声。而且，光电电荷在浮动扩散FD受到测量，此处的电容与光电二极管的电容无关。由此，钉扎光电二极管仅收集光电电荷，然后这些光电电荷在转移之后在浮动扩散受到测量。浮动扩散的低电容大幅增加了每个转移的光电子导致的电压变化，由于系统的噪声维持相对稳定，所以这提高了整体的信号-噪声比。例如，对于160μV的系统背景噪声，对于5fF的电容，每电子给出32μV的电压变化，该噪声系统相当于浮动扩散FD上的5个电子。而对于1fF的浮动扩散FD的电容，160μV的背景噪声仅反映为1个电子。带有电荷转移的像素结构由于低的浮动扩散FD的电容值以及有效电容转移器件而具有优秀的敏感度，但是因为浮动扩散区FD的低电容阻止了其接收大量电荷，所以工作动态性能下降。例如，5fF的浮动扩散区FD的电容在1V的电压变化下给出31250个电子，而1fF在1V下仅给出6250个电子。这意味着，4T单元饱和得非常快。所有当前的努力都致力于提升PPD的积分电容以及浮动扩散FD的存储电容。一个电子在浮动扩散FD上产生的电压变化被定义为转换因数或增益。例如，5fF的浮动扩散FD的电容给出32μV/e的转换因数。像素在其线性工作范围上接收的电荷数量称为“满阱电容”(FullWellCapacity，FWC)。4T像素的FWC受到钉扎光电二极管的存储电容的限制，或者受到浮动扩散FD能够接收的最大电荷数量的限制。图1A的钉扎光电二极管PPD包括(如通过在P衬底中的N掺杂而本身所已知的)被以非常高剂量进行P掺杂的薄层覆盖的N掺杂。在钉扎光电二极管的N区(阴极)在足够高的电压下反向偏置时，该N区完全耗尽了移动电荷(电子)。该电压记作Vpin，被称为“钉扎电压”；其决定光电二极管中每单位表面的光电子存储电容。这就解释了强表面掺杂的使用，强表面掺杂将耗尽区尽可能远地推向N区，从而提高对于相同的Vpin值的FWC电容值。常规像素概念中的电压Vpin一般固定在1V左右。如果这样的4T像素的转换因数由于所用刻蚀的精细而相对容易增大，则在向每个像素的尺寸变得越来越小的分辨率发展的过程中，FWC电容值更难以维持。显然，FWC电容的终极物理极限是光电二极管中的掺杂原子的数量。C-MOS像素的低供电电压导致掺杂水平相对低，掺杂体积相当受限。因此，很难实现超过60-70dB(因数1000)的4T像素的工作动态。例如视频监视、自动视觉等的应用需要约120dB(因数1000000)的动态范围。为了提高该动态，已经设想了不同的方案，如下文所总结的。文献US6921934B2提出了一种双钉扎光电二极管结构，以用于增加光电二极管的存储电容。文献US6677656B2提出了一种具有P层的钉扎光电二极管结构，以用于增加光电二极管的积分电容。文献US7705900B2提出了选择性地组合多个浮动扩散，以用于增加高光照水平下的浮动扩散的电容。文献WO2004/112376A1提出了调制浮动扩散的电容，以调节转换因数和电荷测量电容。文献WO2012/092194A1提出了通过对电压进行编程来调制浮动扩散的电容。文献WO2007/021626A2提出了向浮动扩散选择性地增加额外电容，以用于增加电荷测量电容。还应注意到文献EP1354360A1，其专利技术人与本专利申请的专利技术人相同，该文献描述了具有太阳能电池模式的光电二极管的像素，该像素根据光强度产生对数响应。相同专利技术人的专利EP2186318A1和WO2010/103464A1致力于改善紧凑性和功耗。根据这些文献而制造的传感器给出了优异的工作动态，在非常强的光照下也几乎没有显示出饱和。工作动态大大超过120dB。但是，这些已知的像素结构的敏感度可以进一步改进，其很难能够用于例如监视的应用所提出的在低水平光线下的需要。该低敏感度有两个原因：1)非常大的光电二极管的结电容，其给出低转换因数；但是如果光电二极管的尺寸增加，其接受更多的光电产生的电荷，但是光电二极管的结电容几乎以相同比例增大。信号的幅度仍未改善。该低转换因数放大了系统中存在的噪声的影响。2)复位时存在的KTC噪声：在这样的对数像素中，复位操作引入的噪声关联于光电二极管的结电容的值并且不能得到补偿；例如，10fF的结电容给出40个电子的KTC噪声，所以这样的像素中的噪声情况非常接近于具有3个晶体管的经典有源像素的噪声情况。相比于KTC噪声完全得到抑制的4T像素，在低水平光线下的差距非常大。
技术实现思路
本专利技术基于与传统方案完全相反的方案，传统方案旨在最大化钉扎光电二极管的积分电容以增加或保持工作动态。本专利技术的方案旨在减小至最小静态积分电容，并利用钉扎光电二极管中通过电子的光产生与电子的发射之间的平衡所剩下的剩余电荷。所以本专利技术基于新的电荷转移像素的工作模式，其基于电子的光子产生现象与在静电势垒高度非常低的势阱中的电子的热发射现象之间的平衡。通过本专利技术，光电二极管中的电子的数量在对数标度上编码光强度，而不是像经典像素单元一样在线性标度上。对于给定的经典单元响应于线性定律的电子总数，该对数定律生成大得多的动态范围。以此方式，本专利技术制造了能够覆盖超过120dB的工作范围的动态范围的电荷转移像素。更具体而言，本专利技术提出一种带有电荷转移的C-MOS类型的光电单元，其为这样的类型的光电单元，其包括：钉扎光电二极管，其能够曝光于光子，并由在衬底中的第一类型的掺杂区形成，所述衬底具有相反的类型；以及用于将通过光电二极管曝光于光子所产生的电荷转移至浮动扩散的构件；以及用于在浮动扩散上读取表示已转移的电荷的量的电压的构件，该单元的特征在于，光电二极管的结在零偏置电压下的耗尽区实质上延伸穿过第一类型的掺杂区的整个厚度，使得所述光电二极管的结电容以及电容产生的噪声被最小化，并且在于，在曝光于光子期间，读取是在通过光转换所导致的电荷的产生与通过热发射所导致的电荷的损失之间平衡的条件下完成的。该单元的一些优选的但为非限制性的方面如下：*读取构件能够在光电二极管的电荷的转移之前执行第一读取，在所述电荷的转移之后执行第二读取，光线水平通过两次读取之间的差来获得。*光电二极管的耗尽区在0与-0.1V之间的偏置电压下在光电二极管的整个范围上延伸。*该单元包括用于在曝光前将光电二极管复位的构件。*用于转移电荷的构件包括在容纳光电二极管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有电荷转移的C‑MOS类型的光电单元，其为这样的类型的光电单元，其包括：钉扎光电二极管(PPD)，其能够曝光于光子，并由在衬底中的第一类型的掺杂区形成，所述衬底具有相反的类型；以及用于将通过光电二极管曝光于光子所产生的电荷转移至浮动扩散(FD)的构件；以及用于在浮动扩散上读取表示已转移的电荷的量的电压的构件，该单元的特征在于，光电二极管的结在零偏置电压下的耗尽区实质上延伸穿过第一类型的掺杂区的整个厚度，使得所述光电二极管的结电容以及电容产生的噪声得到最小化；并且在于，在曝光于光子期间，已转移的电荷的量对应于通过在钉扎光电二极管中的光转换所导致的电荷的产生与在钉扎光电二极管中的热发射所导致的电荷的损失而在钉扎光电二极管中剩下的剩余电荷；并且在于，对表示已转移的电荷的量的电压的读取是在钉扎光电二极管中的光转换所导致的电荷的产生与钉扎光电二极管中的热发射的所导致的电荷的损失之间平衡的条件下进行的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.13 FR 14553971.一种带有电荷转移的C-MOS类型的光电单元，其为这样的类型的光电单元，其包括：钉扎光电二极管(PPD)，其能够曝光于光子，并由在衬底中的第一类型的掺杂区形成，所述衬底具有相反的类型；以及用于将通过光电二极管曝光于光子所产生的电荷转移至浮动扩散(FD)的构件；以及用于在浮动扩散上读取表示已转移的电荷的量的电压的构件，该单元的特征在于，光电二极管的结在零偏置电压下的耗尽区实质上延伸穿过第一类型的掺杂区的整个厚度，使得所述光电二极管的结电容以及电容产生的噪声得到最小化；并且在于，在曝光于光子期间，已转移的电荷的量对应于通过在钉扎光电二极管中的光转换所导致的电荷的产生与在钉扎光电二极管中的热发射所导致的电荷的损失而在钉扎光电二极管中剩下的剩余电荷；并且在于，对表示已转移的电荷的量的电压的读取是在钉扎光电二极管中的光转换所导致的电荷的产生与钉扎光电二极管中的热发射的所导致的电荷的损失之间平衡的条件下进行的。2.根据权利要求1所述的单元，其特征在于，读取构件(SEL)能够在光电二极管的电荷的转移之前执行第一读取，而在所述电荷的转移之后执行第二读取，光线水平通过两次读取之间的差来获得。3.根据权利要求1和2中的任一项所述的单元，其特征在于，光电二极管(PPD)的耗尽区在0与-0.1V之间的偏置电压(Vpin)下在光电二极管的整个范围上延伸。4.根据权利要求1所述的单元，其特征在于，其包括用于在曝光前将光电二极管复位的构件(RSTPD)。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的单元，其特征在于，用于转移电荷的构件包括在容纳光电二极管的半导体衬底的表面上的栅极(TX)，所述栅极受到偏置以引起在所述栅极的紧接着的下方的电荷的转移。6.根据权利要求1至4中的任一项所述的单元，其特征在于，用于转移电荷的构件包括用于通过漏极偏置使势垒降低(DIBL)的构件。7.根据权利要...

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