專利名稱：圖像傳感器像素及其操作方法及圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)圖像傳感器，且更明確地說，涉及前側(cè)照明或背側(cè)照明的具有小尺寸像素的圖像傳感器。小像素尺寸有助于降低圖像傳感器陣列的成本。然而，傳感器性能不應(yīng)隨著像素尺寸減小而受到影響。
背景技術(shù)：
常規(guī)圖像傳感器通過將撞擊光子轉(zhuǎn)換成集成(收集)在傳感器像素內(nèi)的電子而檢測(cè)光。在完成每一集成循環(huán)之后，經(jīng)收集的電荷即刻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，所述電壓信號(hào)接著供應(yīng)給與圖像傳感器相關(guān)聯(lián)的相應(yīng)輸出端子。通常，電荷到電壓的轉(zhuǎn)換直接在像素內(nèi)執(zhí)行，且產(chǎn)生的模擬像素電壓信號(hào)通過各種像素尋址及掃描方案轉(zhuǎn)移到輸出端子。模擬信號(hào)有時(shí)可在被芯片外轉(zhuǎn)達(dá)之前在芯片上轉(zhuǎn)換為等效數(shù)字。每一像素包含通常被稱為源極跟隨器(SF)的緩沖放大器，其用于驅(qū)動(dòng)經(jīng)由相應(yīng)地址晶體管連接到像素的輸出感測(cè)線。在完成電荷到電壓的轉(zhuǎn)換之后且在產(chǎn)生的信號(hào)從像素轉(zhuǎn)移出來后，在隨后的集成循環(huán)開始之前復(fù)位像素。在具有充當(dāng)電荷檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的浮動(dòng)擴(kuò)散(FD)起的像素內(nèi)，此復(fù)位操作通過暫時(shí)接通復(fù)位晶體管而完成，所述復(fù)位晶體管將FD節(jié)點(diǎn)連接到固定的電壓參考用于排放(或移除)在FD節(jié)點(diǎn)處剩余的任何電荷。然而，如在所屬領(lǐng)域中眾所周知，使用復(fù)位晶體管從浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)移除電荷會(huì)生成kTC復(fù)位噪聲。為了達(dá)到希望的低噪聲性能，必須使用相關(guān)雙取樣(CDS)信號(hào)處理技術(shù)移除kTC噪聲。利用⑶S的圖像傳感器通常需要每一像素三個(gè)晶體管(3T)或四個(gè)晶體管(4T)。可在Lee (第5，625，210號(hào)美國專利，其作為參考并入本文中)中找到具有針扎型光電二極管的4T像素電路的實(shí)例。圖1是常規(guī)圖像傳感器像素100的橫截面?zhèn)纫晥D的簡(jiǎn)化呈現(xiàn)。如圖1中所示，常規(guī)圖像傳感器像素100包含經(jīng)配置以收集光生載流子的光電二極管107、電荷轉(zhuǎn)移晶體管柵極108、N+摻雜浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)111、復(fù)位晶體管柵極109及源極跟隨器晶體管柵極110。所述復(fù)位晶體管及所述源極跟隨器晶體管共享偏置為固定的正電源電壓Vdd的N+漏極區(qū)112。所述源極跟隨器晶體管具有N+源極區(qū)113，其經(jīng)由金屬通路115連接到列感測(cè)線Vout (即，給定列中的每一像素連接到的輸出線)。注意，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)111是經(jīng)由連接件116連接到源極跟隨器柵極110。此連接件將收集在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的信號(hào)供應(yīng)到源極跟隨器晶體管柵極。像素100可包含在區(qū)113與感測(cè)線Vout之間插入的地址晶體管，其對(duì)于圖像傳感器像素的給定列中的所有像素是公共的。為了簡(jiǎn)單起見，所述地址晶體管未在圖1中展示。
像素100在外延襯底101中制造。如果傳感器是背側(cè)照明圖像傳感器，那么P+摻雜層102在傳感器的背部表面上沉積。襯底101還可針對(duì)前側(cè)照明圖像傳感器在實(shí)質(zhì)上較厚的P+襯底(相對(duì)于層102)上沉積。外延層101由氧化物層103覆蓋，所述氧化物層103為柵極108、109及110提供電氣隔離。氧化物材料103通常延伸進(jìn)入淺溝槽隔離(STI)區(qū)114內(nèi)且填滿淺溝槽隔離(STI)區(qū)114。額外的氧化物層104在柵極之上沉積且為在像素100之上形成的金屬布線充當(dāng)隔離。額外的氧化物隔離層及金屬布線層通常在像素100的頂部之上沉積(未圖示)。光電二極管107包含P+層105，其直接在層103下面形成且連接到接地。此P+摻雜層通過用空穴填充硅到二氧化硅界面狀態(tài)而降低暗電流。光生電子在N型摻雜區(qū)106內(nèi)積累。當(dāng)接通轉(zhuǎn)移柵極108時(shí)，經(jīng)積累的電荷被轉(zhuǎn)移到N+浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)111。在接通電荷轉(zhuǎn)移柵極108之前，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)111需要由供應(yīng)到復(fù)位晶體管的柵極109的脈沖調(diào)制信號(hào)復(fù)位。額外的底部P植入(BTP)層117從在STI區(qū)114下面形成的P+層105延伸到在復(fù)位晶體管柵極109及源極跟隨器晶體管柵極110下方的區(qū)(見圖1)。層117連接到接地且起到阻擋光生電子進(jìn)入?yún)^(qū)111、112及113的作用。如從圖1顯而易見，大部分的有用像素面積由晶體管柵極108、109及110占用。使用這種布置使晶體管在襯底101的表面上并排形成可能是不利的。因此，可能希望提供具有降低的像素面積的圖像傳感器，其中較小部分的像素面積由晶體管占用，且較大部分的像素面積由光電二極管占用。

發(fā)明內(nèi)容
已描述各種實(shí)施例，說明展示改進(jìn)的存儲(chǔ)阱容量及低暗電流的小尺寸像素設(shè)計(jì)。所述像素可包括光電二極管(例如，針扎型光電二極管)，電荷轉(zhuǎn)移晶體管(有時(shí)被稱作電荷轉(zhuǎn)移柵極)，復(fù)位晶體管(有時(shí)被稱作復(fù)位柵極)及源極跟隨器晶體管。小尺寸像素可包括垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)，其充當(dāng)源極跟隨器。小尺寸像素可包含在電荷轉(zhuǎn)移柵極的源極到漏極、復(fù)位柵極的源極到漏極及垂直JFET源極跟隨器的柵極之間共享的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。使用多個(gè)垂直堆疊的N型摻雜區(qū)可形成浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)(作為一實(shí)例)。P+摻雜區(qū)可在堆疊區(qū)中的一者中形成以為垂直SF充當(dāng)源極，然而，P型摻雜區(qū)域可在剩余的堆疊區(qū)中形成以充當(dāng)用于垂直JFET源極跟隨器的溝道。底部P+植入層可在堆疊浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)下面形成以充當(dāng)用于垂直JFET源極跟隨器的漏極。垂直JFET源極跟隨器的使用可提供降低的隨機(jī)電報(bào)信號(hào)(RTS)噪聲，所述噪聲通常與小金屬氧化物半導(dǎo)體源極跟隨器晶體管相關(guān)聯(lián)。如果需要，不必使用額外的地址晶體管。經(jīng)選擇的像素可復(fù)位為降低的偏置電平以沿著可具有保持在較高偏置電平下的SF柵極的像素列與未經(jīng)選擇的像素區(qū)別開來。


圖1是常規(guī)圖像傳感器像素的簡(jiǎn)化橫截面?zhèn)纫晥D。圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例具有垂直結(jié)型柵極源極跟隨器的說明性圖像傳感器像素的簡(jiǎn)化示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例圖2中展示的類型的說明性圖像傳感器像素的簡(jiǎn)化橫截面?zhèn)纫晥D。圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例說明可如何操作圖2中展示的類型的圖像傳感器像素的時(shí)序圖的實(shí)例。
具體實(shí)施例方式圖2是展示用于圖像傳感器像素(例如像素200)的一個(gè)適合的電路布置的簡(jiǎn)化電路圖。如圖2中所示，像素200可包含針扎型光電二極管207、電荷轉(zhuǎn)移晶體管208、復(fù)位晶體管209及源極跟隨器晶體管300。從撞擊光子生成的電荷可使用光電二極管207來收集。復(fù)位晶體管209可用于將與像素200相關(guān)聯(lián)的浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)302復(fù)位(例如，通過臨時(shí)脈沖調(diào)制復(fù)位柵極控制信號(hào)Rx)。復(fù)位操作后，經(jīng)收集的電荷可經(jīng)由電荷轉(zhuǎn)移晶體管208的柵極轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)302(例如，通過臨時(shí)脈沖調(diào)制電荷轉(zhuǎn)移柵極控制信號(hào)Tx)。源極跟隨器晶體管300可用于緩沖從呈現(xiàn)在浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)上的經(jīng)轉(zhuǎn)移的電荷產(chǎn)生的信號(hào)，且用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)列輸出線Vout。 光電二極管207可具有耦合到接地電源端子312 (例如，在上面提供接地電源信號(hào)Vss的電源線)的P型摻雜區(qū)，及經(jīng)由電荷轉(zhuǎn)移晶體管208耦合到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)302的N型摻雜區(qū)。復(fù)位晶體管209可具有耦合到可調(diào)整的電源端子310 (例如，在上面提供可調(diào)整的電源電壓Vddx的可調(diào)整的電源端子)的漏極區(qū)，及耦合到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)302的源極區(qū)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，源極跟隨器晶體管300可為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)，然而，晶體管208及209可為N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)晶體管。源極跟隨器晶體管300可具有耦合到輸出感測(cè)線Vout的源極、耦合到接地312的漏極及耦合到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)302的柵極。如圖2中所示，地址晶體管304 (例如，使用地址信號(hào)Addr選擇性地接通的晶體管)可任選地插入在晶體管300的源極與輸出線Vout之間的輸出路徑中。圖3展示圖像傳感器像素200的簡(jiǎn)化橫截面?zhèn)纫晥D。如圖3中所示，像素200可在外延襯底201內(nèi)形成。如果像素200將被用于背側(cè)照明布置中，那么P+摻雜層202可沉積在襯底201的背側(cè)上。如果像素200將被用于前側(cè)照明配置中，那么外延襯底201可沉積在較厚P+硅載體(即，厚度實(shí)質(zhì)上比層202的厚度大的硅載體)上。層202可通過用空穴填充硅界面狀態(tài)且因此猝滅暗電流生成而起到降低暗電流的作用。針扎型光電二極管區(qū)207內(nèi)的襯底201的前側(cè)上的硅到二氧化硅界面還用P+摻雜層201作內(nèi)襯以幫助降低暗電流生成。層205可延伸進(jìn)入襯底201內(nèi)在淺溝隔離區(qū)250下方。針扎型光電二極管207可由P+摻雜區(qū)205及N摻雜206形成。撞擊光子可生成電荷(例如，電子)，所述電荷臨時(shí)存儲(chǔ)在N型區(qū)206中。外延襯底201可由電介質(zhì)層(例如，二氧化硅層203)覆蓋。層203可在像素200的柵極導(dǎo)體(例如，柵極導(dǎo)體208’及209’)與襯底201之間形成。N+區(qū)218可充當(dāng)用于復(fù)位晶體管209的漏極。N+區(qū)218可經(jīng)由導(dǎo)電通路219耦合到可調(diào)整的電源電壓Vddx。電壓偏置Vddx可用作像素200可復(fù)位到的參考電壓電平。復(fù)位晶體管209具有經(jīng)配置以經(jīng)由在層間氧化物層204的頂部之上形成的相應(yīng)控制路由路徑接收信號(hào)Rx的柵極209’。相似地，電荷轉(zhuǎn)移晶體管208具有經(jīng)配置以經(jīng)由在層204的頂部之上形成的相應(yīng)控制路由路徑接收信號(hào)Tx的柵極208’。
為了簡(jiǎn)單起見，圖2中未展示上面提供信號(hào)Tx、Vout, Rx及Vddx的控制路徑的詳細(xì)路由。還包含導(dǎo)電通路層及金屬路由層的交替層的電介質(zhì)堆疊可在層204之上的像素200頂部之上形成。如圖3中所示，像素200可包含N型摻雜區(qū)210、212及213，其對(duì)于像素200共同地充當(dāng)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)302。以此方式形成的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)302同時(shí)為電荷轉(zhuǎn)移晶體管208充當(dāng)源極-漏極，為復(fù)位晶體管209充當(dāng)源極，且為源極跟隨器晶體管300充當(dāng)柵極(例如，晶體管300可具有經(jīng)集成到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)302內(nèi)的柵極)。為SF晶體管300充當(dāng)源極的P+摻雜區(qū)211可在區(qū)210內(nèi)形成。為晶體管300充當(dāng)溝道的P型摻雜區(qū)214及215可各自在區(qū)212及213內(nèi)形成。具有P型溝道的晶體管300有時(shí)可被稱為P溝道JFET。P+摻雜區(qū)217可在區(qū)214及215下面及附近處形成以為晶體管300充當(dāng)漏極。區(qū)217可用作光電阻擋層用于防止像素串?dāng)_，且有時(shí)可被稱為底部P植入(BTP)層。BTP層217可與區(qū)205連續(xù)且可耦合到接地312 (例如，參見圖2)。當(dāng)來自光電二極管207內(nèi)的區(qū)206的電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散302 (即，區(qū)210、212及213)上時(shí)，可在浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)302處發(fā)生電壓改變。當(dāng)恒定電流(或空穴)從區(qū)211流到區(qū)216時(shí)(如由箭頭216所標(biāo)示)，這種電壓改變可導(dǎo)致JFET晶體管300的源極電壓的改變。在圖3的實(shí)例中，層212及213可起到為垂直延伸進(jìn)入襯底201內(nèi)的晶體管300界定溝道長(zhǎng)度Lch的作用。在襯底201的表面內(nèi)垂直形成的晶體管300有時(shí)可因此被稱為垂直JFET。如果Lch太短，由于漏極引發(fā)的勢(shì)壘降低(DIBL)效應(yīng)，那么SF晶體管300可展現(xiàn)降低的增益。因此，可希望形成多個(gè)區(qū)(例如在P+區(qū)211與217之間的區(qū)212及213)以便Lch是大于預(yù)定的最小長(zhǎng)度。舉例來說，各自包含P型摻雜溝道區(qū)的至少三個(gè)N型區(qū)、至少四個(gè)N型區(qū)或至少五個(gè)N型區(qū)可在垂直JFET源極跟隨器300的源極與漏極區(qū)之間形成。以此方式優(yōu)化源極跟隨器溝道長(zhǎng)度不會(huì)引入任何不需要的像素面積開銷。如結(jié)合圖3描述的布置(其中像素200使用P型摻雜外延襯底及N型H)層206來收集光生電子)僅僅是說明性的且不起限制本發(fā)明的范圍的作用。在一些情況下，建立積累空穴而不是電子的像素可能是有利的。因此，結(jié)合圖2及3描述的相同的垂直JFET晶體管概念也可用于此類像素。襯底的摻雜類型，源極-漏極區(qū)的摻雜類型及載流子收集的類型不應(yīng)理解為是本發(fā)明的限制性情況。舉例來說，像素200內(nèi)每一區(qū)的摻雜類型可交換以便像素200使用N型摻雜外延襯底及P型ro層206來收集光生空穴而不是電子。垂直源極跟隨器晶體管300可為η溝道JFET，其中P+摻雜BTP層217由N+底部植入(BTN)層代替。浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)302可包含P型摻雜植入物210、212及213，然而，區(qū)211變成N+摻雜區(qū)，而區(qū)214及215變成N型區(qū)。同樣地，與復(fù)位晶體管209相關(guān)聯(lián)的區(qū)218還可變成P+摻雜區(qū)。對(duì)于此類型的像素200的偏置方案也將倒轉(zhuǎn)。舉例來說，電荷轉(zhuǎn)移柵極208及復(fù)位柵極209可由相應(yīng)的脈沖調(diào)制柵極控制信號(hào)Tx及Rx接通為負(fù)電壓電平。像素200可改為復(fù)位到可調(diào)整的負(fù)電源電平而不是Vddx。如之前結(jié)合圖2所論述的，不必形成用于尋址像素200的額外的晶體管(例如，不必使用將晶體管300的源極端子連接到列感測(cè)線Vout的地址晶體管)。舉例來說，為了像素尋址目的，可調(diào)制施加到區(qū)218的像素復(fù)位偏置電平。圖4展示用于像素200的一個(gè)適合的尋址方案。在集成期間，Vddx及Rx保持為高以從過度曝光的光電二極管排放任何存在的溢出電荷。這種排放溢出電荷的技術(shù)有時(shí)被稱為暈染(blooming)控制。在讀出操作開始時(shí)(在時(shí)間tl處)，將未經(jīng)選擇的線上的復(fù)位信號(hào)Rx驅(qū)動(dòng)為低，借此在整個(gè)電流讀出操作期間保持與未經(jīng)選擇的像素相關(guān)聯(lián)的浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)處于標(biāo)稱正電源電壓Vddl。這樣做有效確保與未經(jīng)選擇的像素相關(guān)聯(lián)的P溝道JFET是斷開的。在時(shí)間t2，Vddx可從Vddl下降到降低的正電源電壓電平Vdd2。偏置電平Vddl可等于3.3V，然而，Vdd2可等于2V(作為一實(shí)例)。這樣做將引起經(jīng)尋址的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的復(fù)位電平降低，這接通經(jīng)選擇的像素內(nèi)的P溝道JFET。在時(shí)間t3，將與經(jīng)選擇的線相關(guān)聯(lián)的信號(hào)Rx驅(qū)動(dòng)為低。當(dāng)所有的復(fù)位線被去活時(shí)，所有的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)現(xiàn)在正在浮動(dòng)。在時(shí)間t4，對(duì)源極跟隨器輸出進(jìn)行取樣以獲得參考取樣電平，所述參考取樣電平存儲(chǔ)在CDS參考存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中。在時(shí)間t5，將與經(jīng)選擇的像素相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)移信號(hào)Tx脈沖調(diào)制為高以將光生電荷轉(zhuǎn)移進(jìn)入浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)。在時(shí)間t6，對(duì)源極跟隨器輸出進(jìn)行取樣以獲得信號(hào)取樣電平。CDS可接著從經(jīng)存儲(chǔ)的參考取樣電平減去信號(hào)取樣電平以獲得相應(yīng)的輸出信號(hào)電平。隨后，Vddx及Rx可驅(qū)動(dòng)為高以便來自光電二極管的溢出電荷可再一次排放到VddI，為另一集成或讀出循環(huán)做準(zhǔn)備。因此已描述用于背側(cè)照明或用于前側(cè)照明圖像傳感器陣列的新穎像素的優(yōu)選實(shí)施例，其具有小像素尺寸、高阱容量、低暗電流及充當(dāng)源極跟隨器的垂直JFET晶體管(其希望是說明性的而非限制性的)，注意到，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可在不脫離本發(fā)明的范圍及精神的情況下作出本發(fā)明的原理及各種修改。根據(jù)一實(shí)施例，可提供一種圖像傳感器像素，其包含:光敏元件；浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；耦合在所述光敏元件與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)之間的電荷轉(zhuǎn)移晶體管；及經(jīng)由所述電荷轉(zhuǎn)移晶體管耦合到所述光敏元件的垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)源極跟隨器，其中所述垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極跟隨器具有柵極，所述柵極經(jīng)集成到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)。根據(jù)另一實(shí)施例，光敏元件包含經(jīng)配置以收集及存儲(chǔ)光生電子的針扎型光電二極管。根據(jù)另一實(shí)施例，電荷轉(zhuǎn)移晶體管包含η溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)晶體管。根據(jù)另一實(shí)施例，圖像傳感器像素進(jìn)一步包含η溝道金屬氧化物半導(dǎo)體復(fù)位晶體管。根據(jù)另一實(shí)施例，垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極跟隨器包含P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。根據(jù)另一實(shí)施例，圖像傳感器像素進(jìn)一步包含半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成圖像傳感器像素，其中浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)包含在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)相應(yīng)的深度處形成的至少兩個(gè)N型摻雜區(qū)。根據(jù)另一實(shí)施例，垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極跟隨器進(jìn)一步包含溝道，所述溝道由在與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)相關(guān)聯(lián)的至少兩個(gè)N型摻雜區(qū)內(nèi)分別植入的至少兩個(gè)P型摻雜區(qū)形成。根據(jù)另一實(shí)施例，垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極跟隨器進(jìn)一步包含漏極，所述漏極由在與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)相關(guān)聯(lián)的至少兩個(gè)N型摻雜區(qū)下方植入的P+摻雜層形成，且所述P+摻雜層耦合到接地電源端子。根據(jù)另一實(shí)施例，光敏元件包含經(jīng)配置以收集及存儲(chǔ)光生空穴的針扎型光電二極管。根據(jù)另一實(shí)施例，電荷轉(zhuǎn)移晶體管包含P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)晶體管。根據(jù)另一實(shí)施例，圖像傳感器像素進(jìn)一步包含P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體復(fù)位晶體管。根據(jù)另一實(shí)施例，垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極跟隨器包含η溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。根據(jù)另一實(shí)施例，圖像傳感器像素進(jìn)一步包含半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成圖像傳感器像素，其中浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)包含在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)相應(yīng)的深度處形成的至少兩個(gè)P型摻雜區(qū)。根據(jù)另一實(shí)施例，垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極跟隨器進(jìn)一步包含溝道，所述溝道由在與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)相關(guān)聯(lián)的至少兩個(gè)P型摻雜區(qū)內(nèi)分別植入的至少兩個(gè)N型摻雜區(qū)形成。根據(jù)另一實(shí)施例，垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極跟隨器進(jìn)一步包含漏極，所述漏極由在與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)相關(guān)聯(lián)的至少兩個(gè)P型摻雜區(qū)下方植入的N+摻雜層形成，且所述N+摻雜層耦合到正電源端子。根據(jù)一實(shí)施例，可提供一種圖像傳感器，其包含圖像傳感器像素陣列，其中在所述圖像傳感器像素陣列中的每一圖像傳感器像素包含:光敏元件；耦合到所述光敏元件的電荷轉(zhuǎn)移晶體管；及經(jīng)由所述電荷轉(zhuǎn)移晶體管耦合到所述光敏元件的垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)源極跟隨器。根據(jù)另一實(shí)施例，其中在圖像傳感器像素陣列中的每一圖像傳感器像素進(jìn)一步包含浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，其中電荷轉(zhuǎn)移晶體管耦合在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)與光敏元件之間，且其中垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極跟隨器具有柵極，所述柵極集成到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)。根據(jù)另一實(shí)施例，其中在圖像傳感器像素陣列內(nèi)的每一圖像傳感器像素進(jìn)一步包含耦合在可調(diào)整電源端子與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)之間的復(fù)位晶體管，其中所述復(fù)位晶體管及電荷轉(zhuǎn)移晶體管包含η溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)晶體管。根據(jù)一實(shí)施例，可提供一種用于操作圖像傳感器像素的方法，所述方法包含:用光敏元件收集光生電荷；用電荷轉(zhuǎn)移晶體管將所收集的電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；及用垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)源極跟隨器將浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)處的所收集電荷轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。根據(jù)另一實(shí)施例，所述方法進(jìn)一步包含用復(fù)位晶體管將浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)復(fù)位到降低的電壓電平，用于選擇性地尋址圖像傳感器像素以供讀出。根據(jù)另一實(shí)施例，電荷轉(zhuǎn)移晶體管及復(fù)位晶體管包含金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。以上僅僅說明本發(fā)明的原理，所述原理可在其它實(shí)施例中實(shí)踐。以上實(shí)施例可單獨(dú)實(shí)施或以任意組合來實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種圖像傳感器像素，其包括: 光敏元件； 浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)； 電荷轉(zhuǎn)移晶體管，其耦合在所述光敏元件與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)之間；及 垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管JFET源極跟隨器，其經(jīng)由所述電荷轉(zhuǎn)移晶體管耦合到所述光敏元件，其中所述垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極跟隨器具有柵極，所述柵極集成到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素，其中所述光敏元件包括經(jīng)配置以收集及存儲(chǔ)光生電子的針扎型光電二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器像素，其中所述電荷轉(zhuǎn)移晶體管包括η溝道金屬氧化物半導(dǎo)體NMOS晶體管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的圖像傳感器像素，其進(jìn)一步包括: η溝道金屬氧化物半導(dǎo)體復(fù)位晶體管。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器像素，其中所述垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極跟隨器包括P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的圖像傳感器像素，其進(jìn)一步包括: 半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成所述圖像傳感器像素，其中所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)包含在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)相應(yīng)的深度處形成的至少兩個(gè)N型摻雜區(qū)。
7.根據(jù)要求6所述的圖像傳感器像素，其中所述垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極跟隨器進(jìn)一步包含溝道，所述溝道由在與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)相關(guān)聯(lián)的所述至少兩個(gè)N型摻雜區(qū)內(nèi)分別植入的至少兩個(gè)P型摻雜區(qū)形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像傳感器像素，其中所述垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極跟隨器進(jìn)一步包含漏極，所述漏極由在與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)相關(guān)聯(lián)的所述至少兩個(gè)N型摻雜區(qū)下方植入的P+摻雜層形成，且其中所述P+摻雜層耦合到接地電源端子。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素，其中所述光敏元件包括經(jīng)配置以收集及存儲(chǔ)光生空穴的針扎型光電二極管。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的圖像傳感器像素，其中所述電荷轉(zhuǎn)移晶體管包括P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體PMOS晶體管。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的圖像傳感器像素，其進(jìn)一步包括: P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體復(fù)位晶體管。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的圖像傳感器像素，其中所述垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極跟隨器包括η溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖像傳感器像素，其進(jìn)一步包括: 半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成所述圖像傳感器像素，其中所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)包含在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)相應(yīng)的深度處形成的至少兩個(gè)P型摻雜區(qū)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的圖像傳感器像素，其中所述垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極跟隨器進(jìn)一步包含溝道，所述溝道由在與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)相關(guān)聯(lián)的所述至少兩個(gè)P型摻雜區(qū)內(nèi)分別植入的至少兩個(gè)N型摻雜區(qū)形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的圖像傳感器像素，其中所述垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極跟隨器進(jìn)一步包含漏極，所述漏極由在與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)相關(guān)聯(lián)的所述至少兩個(gè)P型摻雜區(qū)下方植入的N+摻雜層形成，且其中所述N+摻雜層耦合到正電源端子。
16.—種圖像傳感器,其包括: 圖像傳感器像素陣列，其中在所述圖像傳感器像素陣列中的每一圖像傳感器像素包括: 光敏元件； 電荷轉(zhuǎn)移晶體管，其耦合到所述光敏元件；及垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管JFET源極跟隨器，其經(jīng)由所述電荷轉(zhuǎn)移晶體管耦合到所述光敏元件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的圖像傳感器，其中在所述圖像傳感器像素陣列中的每一圖像傳感器像素進(jìn)一步包括: 浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，其中所述電荷轉(zhuǎn)移晶體管耦合在所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)與所述光敏元件之間，且其中所述垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極跟隨器具有柵極，所述柵極集成到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的圖像傳感器，其中在所述圖像傳感器像素陣列內(nèi)的每一圖像傳感器像素進(jìn)一步包括: 復(fù)位晶體管，其耦合在可調(diào)整電源端子與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)之間，其中所述復(fù)位晶體管及所述電荷轉(zhuǎn)移晶體管包括η溝道金屬氧化物半導(dǎo)體NMOS晶體管。
19.一種用于操作圖像傳感器像素的方法，所述方法包括: 用光敏元件收集光生電荷 ； 用電荷轉(zhuǎn)移晶體管將所述經(jīng)收集的電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；及用垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管JFET源極跟隨器將所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)處的所述經(jīng)收集的電荷轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括: 用復(fù)位晶體管將所述浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)復(fù)位到降低的電壓電平，用于選擇性地尋址所述圖像傳感器像素以供讀出。
全文摘要
本申請(qǐng)案涉及一種圖像傳感器像素及其操作方法，及一種圖像傳感器。本發(fā)明提供一種適合在背側(cè)照明或前側(cè)照明傳感器布置中使用的圖像傳感器像素。所述圖像傳感器像素可為小尺寸像素，其包含使用垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)JFET晶體管實(shí)施的源極跟隨器。所述垂直JFET源極跟隨器可直接集成到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)之內(nèi)，從而消除在常規(guī)像素配置中通常為源極跟隨器分配的過量金屬路由及像素面積?？筛臑榉峙湎袼孛娣e用于增加光電二極管的電荷存儲(chǔ)容量，或可使用像素面積在維持像素性能的同時(shí)減小像素尺寸。以此方式使用垂直結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管簡(jiǎn)化了像素尋址操作且使與小尺寸金屬氧化物半導(dǎo)體MOS晶體管相關(guān)聯(lián)的隨機(jī)電報(bào)信號(hào)RTS噪聲最小化。
文檔編號(hào)H04N5/374GK103165631SQ201210264628
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者希內(nèi)切克·雅羅斯拉夫 申請(qǐng)人:普廷數(shù)碼影像控股公司