N-型衬底上的图像传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于ＣＭＯＳ图像传感器的像素传感器单元。该单元包括一个在Ｐ阱中形成的销接光电二极管，而该Ｐ阱又是在Ｎ－型半导体衬底中形成的。在该销接光电二极管和输出节点间设置一个传输晶体管。复位晶体管则用来耦合高压轨Ｖ↓［ｄｄ］和该输出节点。最后，该单元还包括一个其栅极耦合到上述输出节点上的输出晶体管。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及CMOS图像传感器，具体地讲，本专利技术涉及一种在N-型衬底上形成的、具有低漏电流和高电容的CMOS传感器。
技术介绍
集成电路工艺的发展革新了许多不同的领域，包括计算机、控制系统、电信和图像领域。由于电荷耦合器件(CCD)的性能特性，使它已经在图像领域中深受欢迎。但是，图像领域所需的固态CCD集成电路相对来说难于制造，因而成本昂贵。另外，因为和MOS有关的CCD集成电路和图像传感器的信号处理部分的工艺过程不同，使它们需要在不同的集成电路芯片上制造。因此，CCD图像器件至少包含两个集成电路一个是CCD传感器集成电路，另一个是信号处理逻辑电路。另外一种的图像传感器是CMOS有源像素(active pixel)传感器。正如Lee等在U.S.P.5,625,210中所指出的那样，有源像素传感器是一种有源器件电子图像传感器，如晶体管，其与每个像素都相关。由于CMOS的制造工艺，有源像素传感器具有一定的优势，它能使信号处理电路和传感电路集成在同一个芯片上。一种常见的有源像素传感器的结构包括四个晶体管和一个销接光电二极管(pinned photodiode)。该销接光电二极管由于它对蓝光有较好的敏感度，以及在暗电流密度和图像滞后方面具有一定优势，使它深受欢迎。通过P+区将二极管表面势能栓接(“Pinning”)到P阱或P衬底(GND)，可以减少暗电流。一般说来，人们希望能在光电二极管中收集尽可能多的电荷，以提高信号水平。这样就要求在像素单元有较大的电容。但是，如果结分布(junction profile)没有为电荷转移达到最优化，那么，随着信号水平的提高(累集电荷增加的结果)，由于运动电荷没有完全从二极管传输到漂移输出节点，可能使图像滞后。这个也可能与销接光电二极管的N阱的不完全复位和耗尽有关。这一现象在Ramaswami等所著的“CMOS传感器的像素反应时间和图像滞后的特点”(Characterization of Response Time and Image Lag in CMOSSensors)中有所描述。在低电压(如2.5伏或更低的电压)情况下，N阱的不完全耗尽状态更加显而易见。而随着集成电路越来越密集和栅极氧化层越来越薄，低电压的操作越来越流行。因此，希望有源像素采用销接光电二极管(pinned photodiode)，它有高的电荷累积能力，在低压下也能使光电二极管完全复位。另外一个主要考虑的因素是有源像素具有低的漏电流。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种减少漏电流、在低压下也能使光电二极管完全复位的像素传感器。本专利技术的上述目的可通过以下技术方案来实现一种像素传感器单元，其包括(1)在P阱中形成的销接光电二极管，该P阱又是在N-型半导体衬底上形成的；(2)设置在该销接光电二极管和输出节点之间的传输晶体管；(3)通过高电压轨Vdd和该输出节点耦合的复位晶体管；(4)以及输出晶体管，该输出晶体管的栅极耦合到该输出节点。其中，传输晶体管可以是一个耗尽型的MOSFET；输出节点可以是传输晶体管的源极，销接光电二极管可以是传输晶体管的漏极。上述的像素传感器单元，还可以进一步包括负电压产生器，该负电压产生器产生一个足以关闭所述耗尽型传输晶体管的负电压。上述的像素传感器单元，若采用耗尽型传输晶体管，其阈值电压可接近Vdd，或者更进一步地，其阈值电压基本上为-0.9伏或者更低。本专利技术的另一目的是提供一种在N-型衬底上形成的、具有低漏电流和高电容的CMOS图像传感器，该CMOS图像传感器包括(1)多个排列成行和列的有源像素，该有源像素形成在N-型半导体衬底中，而且至少一个所述的有源像素包括(a)销接光电二极管；(b)设置在该销接光电二极管和输出节点间的传输晶体管；(c)通过高压轨Vdd和该输出节点耦合的复位晶体管；以及(d)输出晶体管，该输出晶体管的栅极耦合到该输出节点；(2)用来产生负电压的负电荷泵，该负电荷泵是在上述N-型半导体衬底中形成的； (3)用来接收上述有源像素的输出的处理电路，该处理电路是在上述N-型半导体衬底中形成的；以及(4)在上述N-型半导体衬底中形成的I/O电路，该I/O电路用来输出CMOS图像传感器的有源像素的输出。在上述CMOS图像传感器中，其传输晶体管可以是一个耗尽型的MOSFET，其输出节点可以是传输晶体管的源极，其销接光电二极管可以是传输晶体管的漏极。在上述CMOS图像传感器中，若采用耗尽型传输晶体管，则其阈值电压可接近Vdd，或者更进一步地，其阈值电压基本上为-0.9伏或者更低。本专利技术的CMOS图像传感器的优点是漏电流低，电荷累积能力高，即使在低压下也能使光电二极管完全复位。下面结合附图，对本专利技术进行更具体、详细的描述，以便更清楚、更好地理解本专利技术上述的特点以及其它相关的优点。附图说明图1是现有技术中有源像素的示意图。图2是图1中现有技术有源像素示意图的剖面图。图3是本专利技术的有源像素的示意图。图4是图3中有源像素的剖面图。图5是本专利技术的CMOS图像传感器的结构示意图。具体实施例方式本专利技术涉及低漏电流和大电容的CMOS图像传感器的设计。在下面的说明中，通过对本专利技术具体实施方式的描述，来了解本专利技术的诸多具体细节。但所属领域的熟练技术人员可以认识到，在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下仍能实施本专利技术，或者采用其它方法、元件等的情况下仍能实施本专利技术。另外，为了清楚地描述本专利技术的各种实施方案，因而对众所周知的结构和操作没有示出或进行详细地描述。在本专利技术的说明书中，提及“一实施方案”或“某一实施方案”时是指该实施方案所述的特定特征、结构或者特性至少包含在本专利技术的一个实施方案中。因而，在说明书各处所出现的“在一实施方案中”或“在某一实施方案中”并不一定指的是全部属于同一个实施方案；而且，特定的特征、结构或者特性可能以合适的方式结合到一个或多个的具体实施方案中。图1和2是一个具有销接光电二极管103的现有技术有源像素101。销接光电二极管103是在P-型衬底上形成的N阱，并在N阱顶部形成一个P+区。一个传输门(transfer gate，也叫传输晶体管)控制信号从销接光电二极管103到输出节点107的传输。输出节点107连接到源极随耦器晶体管109(也叫驱动或输出晶体管)。这使得输出节点107的信号被放大，而且被加到列输出111。行选择晶体管(SEL)被用来选择列输出线111上读出的像素。行选择晶体管由行选择数据线控制，而且复位晶体管113被用来耗尽销接光电二极管上的信号。当销接光电二极管113具有如图1和图2所示的特定结构时，可以认为所有现有技术的销接光电二极管CMOS图像传感器都是在P-型衬底上形成的。本专利技术更改了图1和2中现有技术的销接光电二极管，使它们能在低压下运行，并同时具有好的耗尽特性。本专利技术的销接光电二极管用标准的CMOS工艺制作。在下面的描述中，N-型植入的掺杂物是磷P，P-型植入的掺杂物是硼B。在典型的运行过程中，传输门105(现有技术)在0伏和Vdd间摇摆。对于轨(rail)电压Vdd为5.0V和3.3V的图像传感器，这会导致5伏或3.3伏的电压变化。在过去，这种电压变化对于耗尽光电二极管103来说是允许的。但是，对新的集成电路工艺，Vdd电压可能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种像素传感器单元，其包括：在Ｐ阱中形成的销接光电二极管，该Ｐ阱又是在Ｎ－型半导体衬底上形成的；设置在该销接光电二极管和输出节点之间的传输晶体管；通过高电压轨Ｖ↓［ｄｄ］和该输出节点耦合的复位晶体管；以及输出 晶体管，该输出晶体管的栅极耦合到该输出节点。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：真锅素平，野崎英骏，
申请(专利权)人：豪威科技有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]