專利名稱：在cmos上感測圖像的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及成像技術(shù)。更特別地，本發(fā)明提供用于在CMOS彩色傳 感器上捕獲圖像的方法和系統(tǒng)。僅僅作為舉例，本發(fā)明已經(jīng)用于在N-型襯底CMOS傳感器的每個(gè)像素上捕獲真彩色信息。但是，應(yīng)認(rèn)識(shí)到 本發(fā)明具有寬得多的應(yīng)用范圍。
背景技術(shù)：
得到生動(dòng)的圖像是人類自身長期堅(jiān)持不懈的努力。早在石器時(shí)代， 人類試圖用洞穴圖畫記錄他們的所見。在過去的幾千年中，藝術(shù)家開發(fā) 了用畫筆和帆布記錄圖像的技術(shù)。藝術(shù)家已能用油畫準(zhǔn)確地得到現(xiàn)實(shí)世 界的圖像，但是油畫的精確度不能與照像術(shù)相提并論。
在1826年，法國的發(fā)明人Nic6phore Ni印ce在石油衍生物涂敷的 拋光的錫鉛合金盤上形成了第一個(gè)攝影圖像。從那時(shí)起，攝影成像的技 術(shù)開始發(fā)展。在之后的幾百年中更好的技術(shù)和設(shè)備改進(jìn)了圖像質(zhì)量。在 最近的50年中，彩色攝影技術(shù)得到了改進(jìn)并且日臻完善。在最近的十 年中，隨著Kodak在1990推出的第一個(gè)可商業(yè)得到的數(shù)字式照相機(jī)， 新型的圖像捕獲技術(shù)數(shù)字成像迅速地變成捕獲圖像的流行的方法。
對于數(shù)字成像，圖像傳感器(或負(fù)性膠巻的數(shù)字等同物)是數(shù)字成 像器件比如數(shù)字式照像機(jī)、照像電話(camera phones)等的最重要的 元件之一。長期以來，圖4象傳感器基于由George Smith和Willard Boyle 在Bell實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的電耦器件(CCD)技術(shù)。過去，CCD基成像裝置 占據(jù)主導(dǎo)地位。最近，CMOS基圖像傳感器日益流行。
CMOS圖像傳感器技術(shù)通常具有數(shù)百萬的傳感器像素(光敏元件), 每個(gè)傳感器像素包括兩個(gè)到四個(gè)晶體管和一個(gè)光電二極管。通常， CMOS圖像感測的常規(guī)方法使用一個(gè)np結(jié)，在N區(qū)之上施加^艮薄的 p+層以減少噪音并提高圖像捕獲過程中的藍(lán)光響應(yīng)。以一種方式， CMOS傳感器單元10以類似于電容器的方式工作。存儲(chǔ)在電極中的電 荷越多，跨越CMOS耗盡區(qū)的電壓降越高。光子，所具有的能量可在半導(dǎo)體中被吸收產(chǎn)生自由載流子。自由載流子在電場下向CMOS傳感 器的N型區(qū)移動(dòng)并中和電荷和降低電勢。能量結(jié)合前后的電壓差提供信 號(hào)電平。然后將信號(hào)電平用作作為檢測的光的量的讀數(shù)，并用于形成圖 像。
基于應(yīng)用，CMOS傳感器往往比CCD傳感器具有優(yōu)點(diǎn)。例如，與 CCD圖像傳感器相比，CMOS傳感器通常具有更低的成本和更長的電 池壽命。結(jié)果，對于便攜式成像裝置，比如照像電話和傻瓜相機(jī)，CMOS 常常是優(yōu)選的。在高端應(yīng)用，CCD圖像傳感器就靈敏度而言往往不及 CMOS圖像傳感器。因?yàn)镃MOS圖像傳感器的各種優(yōu)點(diǎn)，CMOS圖像 傳感器的技術(shù)迅速發(fā)展。隨著像素尺寸縮小和MOS晶體管溝道長度縮 短，CMOS圖像傳感器的分辨率增加。雖然圖像傳感器分辨率的增加往 往改善圖像清晰度，但是降低的像素大小和增加的噪音水平已經(jīng)成為改 進(jìn)圖像質(zhì)量的障礙。已經(jīng)開發(fā)各種技術(shù)以改善電平性能，比如結(jié)構(gòu)和電 路的改進(jìn)。例如，已經(jīng)開發(fā)各種系統(tǒng)和方法以提供分色。在過去，三種 主要的方法用于提供分色濾色器、疊加結(jié)的光電二極管、和結(jié)分離。 遺憾的是，上述技術(shù)對于圖像感測和分色往往是不充分的。通過在以下 充分說明的本發(fā)明，已經(jīng)至少部分地克服了常規(guī)方法的這些及其它的限 制。
因此，需要CMOS圖像感測器件的改進(jìn)的方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及成像技術(shù)。更特別地，本發(fā)明提供用于在CMOS彩色傳 感器上捕獲圖像的方法和系統(tǒng)。僅僅作為舉例,本發(fā)明已經(jīng)用于在N-型 襯底CMOS傳感器的每個(gè)像素上捕獲真彩色信息。但是，應(yīng)認(rèn)識(shí)到本 發(fā)明具有寬得多的應(yīng)用范圍。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，本發(fā)明提供CMOS圖像感測像素。所述像素包 括n-型襯底。所述像素也包括覆蓋所述n-型襯底的p-型外延層。所述 像素另外包括覆蓋所述p-型外延層的n-型層。以及在n型層上覆蓋的p 型層。另外，所述像素包括在p-型外延層和n-型層之間形成的pn結(jié)。 此外，所述像素包括連接到所述CMOS圖像感測像素的控制電路。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，本發(fā)明提供使用CMOS圖像傳感器確定顏色 的方法。所述CMOS圖像傳感器包括n-型襯底和p-型層，所述p-型層 覆蓋所述n-型襯底。所述方法包括在所述n-型襯底上施加第一電壓的 步驟。所述方法還包括得到第一輸出的步驟，其與第一電壓有關(guān)。所述 方法另外包括在所述n-型村底上施加第二電壓的步驟。另外，所述方法 包括得到第二輸出的步驟，其與第一電壓有關(guān)。另外，所述方法包括在 所述n-型襯底上施加第三電壓的步驟。所述方法另外包括得到第三輸出 的步驟，其與第一電壓有關(guān)。所述方法也包括提供多個(gè)加權(quán)因子的步驟。 所述方法包括基于所述多個(gè)加權(quán)因子、第一輸出、第二輸出和第三輸出 確定顏色。
根據(jù)一個(gè)替代的實(shí)施方案，本發(fā)明提供形成CMOS圖像感測像素的 方法，所述CMOS圖^f象感測^像素配置用于確定顏色。所述方法包括提 供具有第一厚度和第一寬度的n-型襯底的步驟。所述方法還包括形成 p-型層的步驟，所述p-型層覆蓋所述n-型襯底。所述p-型層具有第二 厚度和第二寬度。第二厚度和第二寬度與光特性有關(guān)。所述方法另外包 括形成n-型層的步驟，所述n-型層覆蓋所述p-型層。所述n-型層具有 第三厚度和第三寬度。另外，所述方法包括在所述p-型層和n-型層之 間形成pn結(jié)的步驟。所述pn結(jié)具有第四寬度。所述方法也包括提供控 制電路的步驟。所述控制電路電連接到n-型村底。
根據(jù)仍然另外的實(shí)施方案，本發(fā)明提供圖像捕獲器件。所述圖像捕 獲器件包括配置以便于圖像捕獲過程的用戶界面。所述圖像捕獲器件還 包括配置用以接收用戶輸入的第一輸入端。用戶輸入是捕獲圖像的指 令。所述圖像捕獲器件另外包括配置用以捕獲圖像的圖像傳感器。另夕卜， 所述圖像捕獲器件包括光學(xué)器件，定位該光學(xué)器件以提供光來在所述圖 像傳感器上形成圖像。所述圖像捕獲器件還包括配置用以處理圖像的處 理器。所述圖像傳感器包括n-型襯底，其具有第一寬度和第一厚度。所 述圖像傳感器還包括覆蓋所述n-型襯底的p-型層。所述p-型層具有第 二寬度和第二厚度。所述第二寬度與彩色光的一種或多種特性有關(guān)。所 述圖像傳感器還包括覆蓋所述p-型層的n-型層。所述ii-型層與第三寬 度和第三厚度有關(guān)。所述圖像傳感器還包括形成在所述p-型層和所述 n-型層之間的pn結(jié)。本發(fā)明相對于常規(guī)技術(shù)具有各種優(yōu)點(diǎn)是容易理解的。如與濾色技術(shù) 相比，本發(fā)明提供捕獲具有真彩色和像素的圖像的方法和系統(tǒng)。與疊加 結(jié)技術(shù)相比，本發(fā)明更有成本效率并提供更好的成像能力。例如，本發(fā) 明能從濾色工藝中節(jié)省成本并最小化電路設(shè)計(jì)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，僅 需要三個(gè)晶體管用于實(shí)施成像像素。
基于實(shí)施方案，可以實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)點(diǎn)的一個(gè)或多個(gè)。可以參考詳細(xì)說 明和隨后的附圖更全面地理解本發(fā)明的這些優(yōu)點(diǎn)和各種另外的目標(biāo)、特 征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1說明用于為圖4象傳感器產(chǎn)生顏色的Bayer圖案掩模濾光器。 圖2A是說明用疊加結(jié)技術(shù)實(shí)施的常規(guī)圖像傳感器的簡圖。 圖2B是i兌明與顏色相關(guān)的吸收系數(shù)的圖。
圖3是說明常規(guī)的CMOS圖像傳感器中利用的擴(kuò)散原理的筒圖。
圖4是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的CMOS圖像傳感器的工 作原理的簡圖。
圖5是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的量子效率和厚度之間關(guān)系 的筒圖。
圖6是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的電壓電平和積分時(shí)間之 間關(guān)系的簡圖。
圖7是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的圖4象傳感器的筒圖。 圖8是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的圖像傳感器電路的簡圖。 圖9是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的圖像傳感器電路的筒圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及成像技術(shù)。更特別地，本發(fā)明提供用于在CMOS彩色傳 感器上捕獲圖像的方法和系統(tǒng)。僅僅作為舉例，本發(fā)明已經(jīng)用于在N-型襯底CMOS傳感器的每個(gè)像素上捕獲真彩色信息。但是，應(yīng)認(rèn)識(shí)到本 發(fā)明具有寬得多的應(yīng)用范圍。
如以上討論的，已經(jīng)開發(fā)各種技術(shù)為CMOS基圖像傳感器提供顏色 分離。常規(guī)方法涉及使用濾色器、疊加結(jié)的光電二極管、和結(jié)分離。然 而，常規(guī)技術(shù)往往是不充分的。
使用濾色器分離顏色已經(jīng)成為流行的技術(shù)。該技術(shù)基于三基色紅 色、綠色和藍(lán)色(RGB)的加合性原理。三基色組合的時(shí)候，它們能夠 產(chǎn)生任何其他顏色。為使用濾色器技術(shù)，使用濾色器產(chǎn)生顏色。圖l說 明了用于為圖像傳感器產(chǎn)生顏色的Bayer圖案掩模濾光器。該圖僅僅 仍是舉例，其不應(yīng)該不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì) 知道許多變化、替代方案和改變。Bayer掩模100被分成許多像素，以 使得具有某波長的光傳遞到特定的像素。例如，四個(gè)像素濾光器的組105 包括布置為正方形的三種濾色器，其包括紅色濾光器101、綠色濾光器 102、藍(lán)色濾光器103和紅色濾光器104。在所述濾色器下的每個(gè)像素基 本上僅捕獲與該特定顏色相關(guān)的光級(jí)。最后形成的最終圖像是所述像素 和其周圍像素的值的計(jì)算和內(nèi)插的結(jié)果。例如，來自在紅色濾光器101 下像素的紅色信號(hào)是周圍綠色像素的平均。然而，由于每個(gè)像素的顏色 是計(jì)算和內(nèi)插的結(jié)果而不是具體像素的實(shí)際顏色，所以沒有得到那些像
素的真彩色值。結(jié)果，所捕獲圖像的顏色可能偏移，有時(shí)濾光器和內(nèi)插 法產(chǎn)生不希望的假像。
為了在每個(gè)像素上產(chǎn)生"真實(shí)的"顏色，已經(jīng)開發(fā)了其它的顏色分離 技術(shù)。例如，有時(shí)使用疊加結(jié)技術(shù)提供顏色分離。圖2A是說明用疊加 結(jié)技術(shù)實(shí)施的常規(guī)圖像傳感器的簡圖。該圖僅僅是舉例，其不應(yīng)該不適 當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)知道許多變化、替代方案 和改變。所述疊加結(jié)圖像傳感器200包括三個(gè)顏色層。 一個(gè)藍(lán)光二極管 202覆蓋在綠光二極管204上，所述綠光二極管204覆蓋在紅光二極管 206上。每個(gè)二極管在一個(gè)n-型區(qū)域下面從而形成pn結(jié)。在圖像感測 和顏色分離過程期間，首先通過藍(lán)光二極管202，然后是綠光二極管204， 最后是紅光二極管206。
與使用濾色器的圖像傳感器的結(jié)構(gòu)相比，疊加結(jié)圖像傳感器200的 結(jié)構(gòu)相對更復(fù)雜。因此，其往往更昂貴，并且難以生產(chǎn)疊加結(jié)圖像傳感器。例如，疊加結(jié)圖像傳感器的制造需要用來形成顏色層的另外的外延步驟、和進(jìn)行連接與隔離的另外的結(jié)構(gòu)。另外，由于有限的結(jié)電容，疊加結(jié)圖像傳感器往往具有噪音。例如，因?yàn)樵诠柚猩贁?shù)載流子的壽命通常較長，所以沿硅中結(jié)的結(jié)展開在改變收集效率方面幾乎沒有效果。
疊加結(jié)技術(shù)的原理基于與受吸收系數(shù)支配的硅深度相關(guān)的吸收衰減。吸收系數(shù)越小，衰減越快。例如，藍(lán)色光子比綠色光子和紅色光子
具有更高的吸收系數(shù)，因此衰減更快。圖2B是說明與顏色相關(guān)的吸收系數(shù)的圖。該圖僅僅仍是舉例，其不應(yīng)該不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)知道許多變化、替代方案和改變。如圖2B所示，隨著硅深度增加，藍(lán)色光子通量曲線212下降最快。因?yàn)榫G色的吸收系數(shù)在藍(lán)色與紅色的吸收系數(shù)之間，所以綠色光子通量曲線211在藍(lán)色光子通量曲線212與紅色光子通量曲線210之間。
如以上分析的，用于圖像感測的常規(guī)方法往往是不充分的。因此，需要改進(jìn)的顏色分離方案。
本發(fā)明利用了與常規(guī)技術(shù)相比新型的工作原理是容易理解的。例如，用擴(kuò)散原理實(shí)施的常規(guī)CMOS傳感器。圖3是說明在常規(guī)CMOS圖像傳感器中利用的擴(kuò)散原理的筒圖。該圖僅僅仍是舉例，其不應(yīng)該不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)知道許多變化、替代方案和改變。如圖3舉例說明的，CMOS圖像傳感器的光電二極管由np結(jié)形成，并通過電場與擴(kuò)散作用收集電子。然而，硅通常具有差的光子吸收特性。結(jié)果，在耗盡區(qū)中更深處產(chǎn)生最多的載流子，特別是紅色光。
不同的是，其中本發(fā)明以不同的原理操作。圖4是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的CMOS圖像傳感器的工作原理的筒圖。該圖僅僅仍是舉例，其不應(yīng)該不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)知道許多變化、替代方案和改變。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，如圖4中舉例說明的本發(fā)明利用兩個(gè)耗盡區(qū)420與440。圖〗象傳感器400包括n-型區(qū)域410、耗盡區(qū)420、 p襯底中性區(qū)430、耗盡區(qū)440、和n-型襯底450。同常規(guī)技術(shù)相比，形成在n-型區(qū)域410和p襯底中性區(qū)430之間的np結(jié)。為使得圖像傳感器400正常地工作，可以改變n-型襯底450到p襯底中性區(qū)430的反偏壓，以調(diào)節(jié)耗盡區(qū)440的寬度。反偏壓n-型村底450的時(shí)候，p襯底中性區(qū)430之外的由光子產(chǎn)生的載流子不能被前部的光電二極管收集，因此沒有產(chǎn)生額外的電壓。通過改變耗盡區(qū)440的寬度，可 以調(diào)節(jié)紅色或綠色光的量子效率，這是因?yàn)樗鼈冊诠柚锌拷黱-型襯底 450的更深處被吸收。
圖5是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的量子效率和厚度之間關(guān)系 的簡圖。該圖僅僅仍是舉例，其不應(yīng)該不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。 本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)知道許多變化、替代方案和改變。如圖5中舉例說明 的，綠色通常具有最高的量子效率，而紅色通常具有最低的量子效率。 另外，量子效率與厚度直接成正比。例如，隨著厚度增加量子效率增加。
圖6是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的電壓電平和積分時(shí)間之 間關(guān)系的簡圖。該圖僅僅仍是舉例，其不應(yīng)該不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的 范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)知道許多變化、替代方案和改變。
圖7是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的圖像傳感器的簡圖。該圖 僅僅仍是舉例，其不應(yīng)該不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人 員會(huì)知道許多變化、替代方案和改變。所述圖像傳感器700包括在底部 的n-型襯底710。例如，所述n-型襯底由珪制成。在所述n-型襯底710 上覆蓋p-型外延層720。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，所述p-型外延層720以可 調(diào)節(jié)的摻雜濃度和厚度形成。作為一個(gè)例子，所述p-型外延層720由 p-型硅組成。例如，所述p-型外延層720具有2微米到7微米的厚度。 在所述p-型外延層720上覆蓋n-型層230，使得在所述p-型外延層720 和所述n-型層230之間形成pn結(jié)。例如，所述n-型層230具有小于0.5 微米的厚度。根據(jù)某些實(shí)施方案，在所述n-型襯底710和所述p-型外 延層720之間形成外延層740。例如，所述外延層740由硅鍺材料組成。 基于應(yīng)用，所述硅鍺材料用于提高紅光吸收。例如，因?yàn)楣鑼t光的吸 收系數(shù)差并且有時(shí)厚p-型外延器件的引入可能導(dǎo)致高的電壓，所以加入 硅鍺材料以增強(qiáng)光子吸收。僅僅作為例子，基于鍺的濃度，硅鍺外延層 具有0.1微米~ 1微米的厚度范圍。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，本發(fā)明在所述n-型襯底710上施加不同的偏壓 以得到不同的顏色。偏壓基于如上所述的RGB顏色的光吸收性能。根 據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，高偏壓用于藍(lán)色光，中等偏壓用于藍(lán)色和綠色光，零 偏壓用于藍(lán)色、綠色和紅色光。本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的操作可以描述為三個(gè)步驟。在第一步驟中，
p-型外延層720區(qū)域短。結(jié)果，收集的載流子僅是那些在耗盡區(qū)中產(chǎn)生 的，所述耗盡區(qū)形成在所述p-型外延層720和所述n-型層230之間。在 第一步驟期間，來自所述圖像傳感器的電壓響應(yīng)主要是由于藍(lán)光。在第 一步驟中的電壓響應(yīng)可以根據(jù)以下方程式表示。
AV響應(yīng)-BAVb+glAVg+rlAVr (方程式1)
根據(jù)方程式l， B是藍(lán)色的加權(quán)因子。術(shù)語AVb表示由于藍(lán)色的響 應(yīng)。術(shù)語glAVg表示由于綠色的電壓響應(yīng)。術(shù)語rlAVr表示由于紅色 的電壓響應(yīng)。
在第二步驟中，施加與綠色相關(guān)的偏壓。在第一步驟中的電壓響應(yīng) 可以根據(jù)以下方程式表達(dá)。
AV響應(yīng)-BAVb+b2AVbl+GAVg+glAVg十(rl+r2 ) AVr (方禾呈式2 )
根據(jù)方程式2， B是藍(lán)色的加權(quán)因子。G是綠色的加權(quán)因子。術(shù)語 BAVb表示由于藍(lán)色的響應(yīng)。術(shù)語GAVg表示由于綠色的響應(yīng)。術(shù)語 g2AVg表示由于綠色的電壓響應(yīng)。術(shù)語r2AVr表示由于紅色的電壓響 應(yīng)。注意到在第二步驟中綠色對電壓響應(yīng)的貢獻(xiàn)4艮大。此外，通過從方 程式1減去方程式2可以得到對綠色的電壓響應(yīng)。
在笫二步驟中，施加與紅色顏色相關(guān)的偏壓。例如，紅色的偏壓為 零。在第一步驟中的電壓響應(yīng)可以;恨據(jù)以下方程式表達(dá)。
AV響應(yīng)-BAVb+b3AVbl+GAVg十(gl+g3 ) AVg十(rl+r2 ) AVr+RAVr (方禾呈式3 )
根據(jù)方程式3， B是藍(lán)色的加權(quán)因子。G是綠色的加權(quán)因子。R是 紅色的加權(quán)因子。術(shù)語BAVb表示由于藍(lán)色的響應(yīng)。術(shù)語GAVg表示由 于綠色的響應(yīng)。術(shù)語RAVr表示由于紅色的響應(yīng)。術(shù)語g2AVg表示由于 綠色的電壓響應(yīng)。術(shù)語r2AVr表示由于紅色的電壓響應(yīng)。注意到在第 二步驟中綠色對電壓響應(yīng)的貢獻(xiàn)很大。此外，通過從方程式2減去方程 式3可以得到綠色的電壓響應(yīng)。
應(yīng)理解對于具體的圖像傳感器可以確定和校準(zhǔn)加權(quán)因子B、 G、 R。 根據(jù)各種實(shí)施方案，本發(fā)明提供具有固定的光電二極管耗盡的顏色分離方案，其可簡化電路設(shè)計(jì)和工藝。圖8是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方 案的圖像傳感器電路的簡圖。該圖僅僅是舉例，其不應(yīng)該不適當(dāng)?shù)叵拗?權(quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)知道許多變化、替代方案和改變。 如圖8舉例說明的，根據(jù)電壓變化，對于藍(lán)色、綠色和紅色，使用三個(gè) 晶體管830、 840和850。
圖9是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的圖像傳感器電路的簡圖。 該圖僅僅仍是舉例，其不應(yīng)該不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域技 術(shù)人員會(huì)知道許多變化、替代方案和改變。所述CMOS傳感器10包括 光檢測器13、源跟隨器晶體管(source follow transistor) 15、行選擇 晶體管16,和CMOS電路18。僅僅作為例子，所述CMOS傳感器10 中的晶體管控制接通和斷開狀態(tài)以在合適時(shí)間讀取光信號(hào)。根據(jù)一個(gè)實(shí) 施方案，典型操作涉及三個(gè)步驟，每個(gè)步驟用于捕獲單種顏色藍(lán)色、 綠色或紅色。背側(cè)是反偏壓pn結(jié)。進(jìn)行藍(lán)色光吸收的時(shí)候，使用高電 壓，使得不會(huì)收集紅色和綠色光子。當(dāng)進(jìn)行綠色光吸收的時(shí)候，使用降 低的偏壓，并且綠色光子將加入到響應(yīng)中。最后，除去所有的背側(cè)偏壓 以聚集所有的光子。如僅僅作為例子，背側(cè)偏壓與主要的電路信號(hào)處理 時(shí)序同步。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，本發(fā)明提供CMOS圖像感測像素。所述像素包 括n-型襯底，其具有第一寬度和第一厚度。所述像素也包括覆蓋所述 n-型襯底的p-型外延層。所述p-型外延層具有第二寬度和第二厚度。所 述第二寬度與有色光的一種或多種特性相關(guān)。所述像素另外包括覆蓋所 述p-型外延層的n-型層。所述n-型層與第三寬度和第三厚度有關(guān)。另 外，所述像素包括在所述p-型外延層和所述n-型層之間形成的pn結(jié)。 此外，所述像素包括連接到所述CMOS圖像感測像素的控制電路。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，本發(fā)明提供使用CMOS圖像傳感器確定顏色 的方法。所述CMOS圖像傳感器包括n-型襯底和p-型層，所述p-型層 覆蓋所述n-型襯底。該方法包括在所述n-型襯底上施加第一電壓的步 驟。該方法也包括得到第一輸出的步驟，所述第一輸出與第一電壓有關(guān)。 該方法另外包括在所述n-型襯底上施加第二電壓的步驟。另外，該方法 包括得到第二輸出的步驟，其與第一電壓有關(guān)。另外，該方法包括在所 述n-型襯底上施加第三電壓的步驟。該方法另外包括得到第三輸出的步驟，其與第一電壓有關(guān)。該方法也包括提供多個(gè)加權(quán)因子的步驟。該方 法包括基于多個(gè)加權(quán)因子、第一輸出、第二輸出、和第三輸出確定顏色。
例如，根據(jù)圖7舉例說明的所述實(shí)施方案。
根據(jù)一個(gè)替代實(shí)施方案，本發(fā)明提供形成CMOS圖像感測像素的方 法，其配置用于確定顏色。該方法包括提供具有第一厚度和第一寬度的 n-型襯底的步驟。該方法還包括形成p-型層的步驟，所述p-型層覆蓋所 述ii-型襯底。所述p-型層具有第二厚度和第二寬度。第二厚度和第二 寬度與光性能相關(guān)。所述方法另外包括形成n-型層的步驟，所述n-型 層覆蓋所述p-型層。所述n-型層具有第三厚度和第三寬度。另外，該 方法包括在所述p-型層和所述n-型層之間形成pn結(jié)的步驟。所述pn 結(jié)具有第四寬度。該方法也包括提供控制電路的步驟。所述控制電路電 連接到n-型襯底。例如，根據(jù)圖7舉例說明的所述實(shí)施方案。
根據(jù)仍然另外的實(shí)施方案，本發(fā)明提供圖像捕獲器件。所述圖像捕 獲器件包括配置以便于圖像捕獲過程的用戶界面。所述圖像捕獲器件還 包括配置用以接收用戶輸入的第 一輸入端。用戶輸入是捕獲圖像的指 令。所述圖像捕獲器件另外包括配置用以捕獲圖像的圖像傳感器。另外， 所述圖像捕獲器件包括光學(xué)器件，定位該光學(xué)器件以提供光來在所述圖 像傳感器上形成圖像。所述圖像捕獲器件還包括配置用以處理圖像的處 理器。所述圖像傳感器包括n-型襯底，其具有第一寬度和第一厚度。所 述圖像傳感器還包括覆蓋所述n-型襯底的p-型層。所述p-型層具有第 二寬度和第二厚度。第二寬度與彩色光的一種或多種特性有關(guān)。所述圖 像傳感器還包括覆蓋所述p-型層的n-型層。所述n-型層與第三寬度和 第三厚度有關(guān)。所述圖像傳感器還包括形成在所述p-型層和所述n-型 層之間的pn結(jié)。例如，根據(jù)圖7舉例說明的所述實(shí)施方案。
本發(fā)明在許多方面相對于濾色器技術(shù)和疊加結(jié)技術(shù)提供了改進(jìn)是 容易理解的。例如，將顏色分離能力集成在一個(gè)像素中與使用幾個(gè)像素 的濾色器相比具有大的優(yōu)勢。用每個(gè)單個(gè)的像素捕獲真彩色具有更好的 顏色分辨率并產(chǎn)生更好的圖像質(zhì)量。因此疊加結(jié)技術(shù)往往提供更好的圖 像質(zhì)量。然而，為達(dá)到該分辨率，所述疊加結(jié)技術(shù)通常犧牲面積和成本。 通常，所述疊加結(jié)技術(shù)要求三個(gè)以上的晶體管以單獨(dú)地控制藍(lán)色、綠色 和紅色光電二極管。與常規(guī)的三個(gè)晶體管設(shè)計(jì)相比，這些硬件要求降低了縮小像素大小的能力。例如，綠光和紅光二極管的接觸塞和接觸占據(jù) 寶貴的像素面積。結(jié)果，像素變得難以縮小至小于某尺寸。此外，額外 的兩個(gè)外延層不但增加成本，而且使得在制造工藝期間難以控制產(chǎn)量和
一致性。更多的晶體管使得電路更難以設(shè)計(jì)和處理。例如，根據(jù)圖7和 9舉例說明了所述實(shí)施方案。
其中，本發(fā)明在圖像捕獲過程中提供了更好的顏色分離能力和更低 的噪音水平。通常，顏色分離能力是與長的擴(kuò)散作用長度相關(guān)的本征性 能。通常，二極管量子效率對耗盡寬度具有很小的依賴性。
噪音水平通常與結(jié)電容相關(guān)。例如，結(jié)電容與反偏壓逆相關(guān)。通常， 根據(jù)以下方程式描述電容
V=l/C2 (方程式4 )
如由方程式4說明的，小的電容得到大的AV，這是因?yàn)锳V=AQ/C。 即使具有固定的噪音水平AQ， AV也會(huì)更大。通常AQ隨著反偏壓的提 高而增大。
就顏色分離能力和較低的噪音水平而言，本發(fā)明提供了改進(jìn)和更好 的方案。在所述n-型襯底和所述p-型層之間反向偏壓的耗盡區(qū)作為控 制光子產(chǎn)生的載流子流入有源像素區(qū)的閥。例如，本發(fā)明能通過縮小或 變大p-型層的寬度來顯著地改變所述光電二極管的量子效率。根據(jù)各種 實(shí)施方案，本發(fā)明不需要調(diào)節(jié)有源像素的偏壓或電容變化。結(jié)果，噪音 水平可以保持不變。
應(yīng)理解本發(fā)明中描述的實(shí)例和實(shí)施方案僅用于說明性的目的，而且本 領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)知道其各種的改變或變化，這些改變或變化在本申請的精 神和范圍以及所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種CMOS圖像感測像素，包含n-型襯底，覆蓋所述n-型襯底的p-型外延層，覆蓋所述p-型外延層的n-型層，n-型層由離子注入到p外延層內(nèi)形成，在n型層上還可形成有離子注入的覆蓋n-型層的淺p型層；在所述p-型外延層和所述n-型層之間形成的pn結(jié)；連接到所述CMOS圖像感測像素的控制電路。
2. 權(quán)利要求1的CMOS圖像感測像素，其中所述p-型外延層包括 硅材料。
3. 權(quán)利要求1的CMOS圖像感測像素，其中所述p-型外延層的厚 度為2微米~7微米。
4. 權(quán)利要求1的CMOS圖像感測像素，其中所述控制電路包括顏 色選擇元件。
5. 權(quán)利要求1的CMOS圖像感測像素，其中所述n-型襯底包括珪 材料。
6. 權(quán)利要求1的CMOS圖像感測像素，還包含第一外延層，所述 第一外延層位于所述n-型襯底和所述p-型硅外延層之間。
7. 權(quán)利要求6的CMOS圖像感測像素，其中所述第一外延層包括 硅鍺材料。
8. 權(quán)利要求1的CMOS圖像感測像素，其中所述n-型襯底包括硅 材料。
9. 權(quán)利要求1的CMOS圖像感測像素，其中所述第二寬度與量子 效率相關(guān)。
10. 權(quán)利要求1的CMOS圖像感測像素，其中所述第二寬度與量子 效率相關(guān)，所述量子效率與顏色相關(guān)。
11. 使用CMOS圖像傳感器確定顏色的方法，其中所述CMOS圖 像傳感器包括n-型襯底和p-型層，所述p-型層覆蓋所述n-型襯底，該 方法包括在所述n-型襯底上施加第一電壓；得到第一輸出，所述第一輸出與所述第一電壓相關(guān)；在所述n-型襯底上施加第二電壓；得到第二輸出，所述第二輸出與所述第一電壓相關(guān)；在所述n-型襯底上施加第三電壓；得到第三輸出，所述第三輸出與所述第一電壓相關(guān)；提供多個(gè)加權(quán)因子；基于所述多個(gè)加權(quán)因子、所述第一輸出、所述第二輸出、和所述第 三輸出確定顏色。
12. 權(quán)利要求ll的方法，其中所述第一電壓和第一輸出與第一顏色 相關(guān)。
13. 權(quán)利要求ll的方法，其中所述多個(gè)加權(quán)因子包括 第一加權(quán)因子，所述第一加權(quán)因子與紅色相關(guān)； 第二加權(quán)因子，所述第二加權(quán)因子與綠色相關(guān)； 第三加權(quán)因子，所述第三加權(quán)因子與藍(lán)色相關(guān)。
14. 權(quán)利要求12的方法，其中所述第一顏色是藍(lán)色。
15. 權(quán)利要求ll的方法，其中所述顏色包括第一部分、第二部分和 第三部分，基于所述第一輸出、所述第二輸出和所述第三輸出確定顏色， 包括基于所述第一輸出確定第一部分；基于所述第二輸出和所述第一部分確定所述第二部分；基于所述第三輸出、所述第一部分、和所述第二部分確定所述第三 部分。
16. 權(quán)利要求ll的方法，其中 所述第一電壓高于所述第二電壓； 所述第三電壓可為零。
17. 權(quán)利要求ll的方法，其中 所述第一輸出與藍(lán)色相關(guān)； 所述第二輸出與藍(lán)色和綠色相關(guān)；所述第三輸出與藍(lán)色、綠色和紅色相關(guān)。
18. —種形成CMOS圖像感測像素的方法，配置所述CMOS圖像感測像素用于確定顏色，該方法包括提供n-型襯底，所述n-型襯底具有第一厚度和第一寬度；形成p-型層，所述p-型層覆蓋所述n-型襯底，形成n-型層，所述n-型層覆蓋所述p-型層，所述n-型層由離子注入到p外延層內(nèi)形成，在n型層上還可形成有離子注入的覆蓋n-型層的淺p型層；在所述p-型層和所述n-型層之間形成pn結(jié)，所述pn結(jié)具有第四寬度；提供控制電路，所述控制電路電連接到所述n-型襯底。
19. 權(quán)利要求18的方法，還包括在所述n-型襯底和所述p-型層之間形成外延層。
20. 權(quán)利要求19的方法，其中所述外延層包括硅鍺材料。
21. 權(quán)利要求20的方法，其中所述硅鍺材料的特征在于0.1微米~1微米的厚度。
22. 權(quán)利要求20的方法，其中所述硅鍺材料的特征在于厚度，所述厚度與珪鍺濃度比相關(guān)。
23. —種成像捕獲器件，包含配置以便于圖像捕獲過程的用戶界面；配置用以接收用戶輸入的第一輸入端，所述用戶輸入為捕獲圖像的指令；配置用以捕獲圖像的圖像傳感器；光學(xué)器件，定位所述光學(xué)器件以提供光來在所述圖^象傳感器上形成圖像；配置用以處理圖像的處理器；其中所述圖像傳感器包含n-型襯底，覆蓋所述n-型村底的p-型層，覆蓋所述p-型層的由離子注入形成的n-型層，在n型層上還可形成有離子注入的覆蓋n-型層的淺p型層，在所述p-型層和所述n-型層之間形成的pn結(jié)。
全文摘要
在CMOS上感測圖像的系統(tǒng)和方法。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，本發(fā)明提供CMOS圖像感測像素。所述像素包括n-型襯底，和-P型外延層，形成的二極管np結(jié)的寬度和彩色光譜在像素單元中的吸收與收集特性相關(guān)。通過外圍電路來控制三種不同的np結(jié)寬來達(dá)到分辨光波長的功能。此外，所述像素包括連接到所述CMOS圖像感測像素的控制電路。
文檔編號(hào)H01L27/146GK101459184SQ200710094550
公開日2009年6月17日 申請日期2007年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月13日
發(fā)明者虹 朱, 楊建平 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司