圖像傳感器像素電路及處理器系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及固態(tài)圖像傳感器陣列(例如，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS陣列)，而更具體地，涉及具有像素的圖像傳感器，像素可以具有亞微米尺寸并且可以從像素形成于其上的像素襯底的背面或正面被照明。像素的小(即，小于1微米)的尺寸減少圖像傳感器陣列的成本，但是盡管像素尺寸減小，不犧牲傳感器性能(諸如噪聲、像素阱能力、動(dòng)態(tài)范圍、輝散控制、低的暗電流貢獻(xiàn)和可忽略的圖像滯后)是重要的。
【背景技術(shù)】
[0002]通常的圖像傳感器通過(guò)將沖擊的光子轉(zhuǎn)化為集成(收集)到傳感器像素中的電子(或空穴)來(lái)感測(cè)光。一旦完成每個(gè)集成周期，收集到的電荷被轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，所述電壓信號(hào)被供應(yīng)到相應(yīng)的與圖像傳感器相關(guān)聯(lián)的輸出端子。通常，電荷到電壓的轉(zhuǎn)化直接在像素內(nèi)執(zhí)行，而作為結(jié)果的模擬像素電壓信號(hào)通過(guò)各種像素尋址和掃描方案轉(zhuǎn)移到輸出端子。在傳遞到芯片外之前，模擬電壓信號(hào)有時(shí)可以在芯片上轉(zhuǎn)化為數(shù)字等效物。每個(gè)像素包括緩沖放大器(即，源極跟隨器)，其驅(qū)動(dòng)經(jīng)由各自的尋址晶體管連接到像素的輸出感測(cè)線。
[0003]在電荷到電壓的轉(zhuǎn)化完成之后并且作為結(jié)果的信號(hào)從像素轉(zhuǎn)移出之后，在隨后的集成周期開(kāi)始之前，重置像素。在包括用作電荷檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的浮動(dòng)擴(kuò)散(FD)的像素中，此重置操作通過(guò)瞬間開(kāi)啟重置晶體管來(lái)完成，所述重置晶體管將浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)連接到電壓參考(通常為像素電流漏極節(jié)點(diǎn))用于漏去(或者移除)任何轉(zhuǎn)移到Π)節(jié)點(diǎn)上的電荷。然而，如本領(lǐng)域已熟知的，使用重置晶體管從浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)移除電荷產(chǎn)生熱kTC重置噪聲。此kTC重置噪聲必須使用相關(guān)雙采樣(CDS)信號(hào)處理技術(shù)來(lái)移除，以達(dá)成期望的低噪聲性能。利用CDS的典型的CMOS圖像傳感器需要每個(gè)像素至少四個(gè)晶體管(4T)。具有釘扎的(pinned)光電二極管的4T像素電路的例子可以在Lee(美國(guó)專利號(hào)5625210)中找到，其作為引用并入此處。
[0004]圖1示出了CMOS傳感器中的像素100的簡(jiǎn)化的電路圖。像素電路100具有雙路共享光電二極管方案，其中兩個(gè)光電二極管共享單個(gè)浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)。具體地，光電二極管101(roi)和102(PD2)共享公共的浮動(dòng)擴(kuò)散(FD)電荷檢測(cè)節(jié)點(diǎn)114，源極跟隨器(SF)晶體管103連接到所述浮動(dòng)擴(kuò)散(FD)電荷檢測(cè)節(jié)點(diǎn)114。源極跟隨器晶體管103的漏極端子連接到Vdd列偏置線109，而源極跟隨器晶體管103的源極通過(guò)尋址晶體管104連接到列輸出信號(hào)(讀出)線108。電荷檢測(cè)節(jié)點(diǎn)114通過(guò)重置晶體管105重置，所述重置晶體管105也連接到Vdd列偏置線109。來(lái)自光電二極管101和102的電荷分別通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移晶體管106和107轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)114上。重置晶體管105的柵極由在行控制線110上接收的重置控制信號(hào)控制，電荷轉(zhuǎn)移晶體管106和107的柵極由分別在行線112和113上接收的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)控制，而尋址晶體管104的柵極由在行尋址線111上接收的行選擇控制信號(hào)控制。如圖1所示，清楚的是，每對(duì)像素光電二極管必須耦合到總共五個(gè)晶體管(即，每個(gè)光電二極管2.5個(gè)晶體管)。
[0005]當(dāng)減小像素尺寸時(shí)，將每個(gè)像素的晶體管的數(shù)量和金屬線互連的數(shù)量最小化是期望的。這通常通過(guò)消除行尋址晶體管104來(lái)完成。沒(méi)有行尋址晶體管的像素的操作已被說(shuō)明，例如，在Hynecek(美國(guó)專利號(hào)8558931)中，其作為引用并入此處。當(dāng)像素組件(諸如源極跟隨器晶體管)尺寸上減小時(shí)，隨機(jī)電報(bào)信號(hào)(RTS)噪聲變得更主導(dǎo)并且在最終的圖像中可察覺(jué)到。
[0006]因此，能夠提供改進(jìn)的圖像傳感器像素是期望的。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型的一個(gè)目的是解決與現(xiàn)有技術(shù)中存在的一個(gè)或更多個(gè)問(wèn)題相關(guān)的問(wèn)題。
[0008]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供一種圖像傳感器像素電路，形成于半導(dǎo)體襯底上，包括:光電二極管區(qū)，響應(yīng)于圖像光產(chǎn)生電荷;浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；電荷轉(zhuǎn)移晶體管，被配置為將所產(chǎn)生的電荷從所述光電二極管區(qū)轉(zhuǎn)移到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；所述半導(dǎo)體襯底中的η型摻雜阱區(qū);Ρ溝道金屬氧化物半導(dǎo)體M0S源極跟隨器晶體管，形成于所述半導(dǎo)體襯底上的所述η型摻雜阱區(qū)內(nèi)，其中所述Ρ溝道MOS源極跟隨器晶體管具有耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的柵極端子和耦合到列讀出線的源極端子；以及η溝道M0S重置晶體管，耦合在所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)和偏置電壓列線之間，被配置為重置所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。
[0009]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述η溝道M0S重置晶體管的漏極端子與所述半導(dǎo)體襯底上的所述η型摻雜阱區(qū)重疊，使得所述偏置電壓設(shè)置到所述η型摻雜阱區(qū)。
[0010]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述圖像傳感器像素電路還包括:至少一個(gè)額外的光電二極管，其中所述至少一個(gè)額外的光電二極管被配置為將產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。
[0011 ]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述圖像傳感器像素電路還包括:至少三個(gè)額外的光電二極管，其中所述至少三個(gè)額外的光電二極管被配置為為將產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，并且其中所述η溝道M0S重置晶體管具有形成所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的一部分的漏極端子。
[0012]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述圖像傳感器像素電路還包括:Ρ+型退化摻雜層，形成于所述光電二極管區(qū)之下并且連接到參考端子，其中所述Ρ+型退化摻雜層具有通過(guò)具有關(guān)于所述Ρ+型退化摻雜層的相反的極性的補(bǔ)償注入劑而形成的開(kāi)口，并且其中所述Ρ+型退化摻雜層在所述η型摻雜阱區(qū)和所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)之下延伸以形成勢(shì)皇，所述勢(shì)皇被配置為通過(guò)防止光產(chǎn)生的電子從所述半導(dǎo)體襯底的基體部分進(jìn)入所述η型摻雜阱區(qū)和所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)而將所述η型摻雜阱區(qū)和所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)與所述半導(dǎo)體襯底的所述基體部分隔離。
[0013]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述圖像傳感器像素電路形成為所述半導(dǎo)體襯底上的圖像傳感器像素電路陣列的一部分。所述圖像傳感器像素電路還包括:像素隔離結(jié)構(gòu)，選自由下列組成的組之中:淺槽隔離區(qū)和深槽隔離區(qū)，其中所述像素隔離結(jié)構(gòu)被配置為將所述圖像傳感器像素電路與所述圖像傳感器像素電路陣列中的其它圖像傳感器像素電路隔離。
[0014]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述圖像傳感器像素電路形成為所述半導(dǎo)體襯底上的圖像傳感器像素電路陣列的一部分，所述圖像傳感器像素電路還包括:所述半導(dǎo)體襯底中的雜質(zhì)注入部分，被配置為將所述圖像傳感器像素電路與所述圖像傳感器像素電路陣列中的其它圖像傳感器像素電路隔離。
[0015]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述半導(dǎo)體襯底具有正表面和相對(duì)的背表面，其中所述列讀出線在所述正表面處耦合到所述ρ溝道M0S源極跟隨器晶體管的所述源極端子，并且所述光電二極管被配置為響應(yīng)于通過(guò)所述背表面接收的圖像光來(lái)產(chǎn)生電荷。
[0016]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述圖像傳感器像素電路還包括:多個(gè)微透鏡和濾色器元件，形成在所述半導(dǎo)體襯底的所述背表面之上。
[0017]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述半導(dǎo)體襯底具有正表面和相對(duì)的背表面，其中所述列讀出線在所述正表面處耦合到所述ρ溝道M0S源極跟隨器晶體管的所述源極端子，并且所述光電二極管被配置為響應(yīng)于通過(guò)所述正表面接收的圖像光來(lái)產(chǎn)生電荷。
[0018]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述圖像傳感器像素電路還包括:多個(gè)微透鏡和濾色器元件，形成在所述半導(dǎo)體襯底的所述正表面之上。
[0019]根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，提供一種圖像傳感器像素電路，形成于半導(dǎo)體襯底上，包括:光電二極管區(qū)，響應(yīng)于圖像光產(chǎn)生電荷;浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；電荷轉(zhuǎn)移晶體管，被配置為將所產(chǎn)生的電荷從所述光電二極管區(qū)轉(zhuǎn)移到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；P溝道結(jié)型柵極場(chǎng)效應(yīng)JFET源極跟隨器晶體管，形成于所述半導(dǎo)體襯底上的所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)；以及η溝道JFET重置晶體管，耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)并且被配置為將所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)重置到重置電壓。
[0020]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述圖像傳感器像素電路還包括:列讀出線，耦合到所述ρ溝道JFET源極跟隨器晶體管的源極端子；以及接地