[发明专利]具有降低工艺变化敏感度的成像器光电二极管电容器结构

说明书

本申请是申请号为200480028774X、申请日为2004年7月30日、发明名称为“具有降低工艺变化敏感度的成像器光电二极管电容器结构”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明一般涉及成像器件，更具体地说，涉及具有串联阵列电容器的互补金属氧化物半导体(CMOS)像素单元。

背景技术

成像器件，包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器，已广泛使用在光电成像应用中。

示范CMOS成像电路，其工艺步骤以及成像电路中各种CMOS元件功能的详细说明在以下专利中进行了描述，例如：授予Rhodes的美国专利No.6,140,630、授予Rhodes的美国专利No.6,376,868、授予Rhodes等人的美国专利No.6,310,366、授予Rhodes的美国专利No.6,326,652、授予Rhodes的美国专利No.6,204,524、授予Rhodes的美国专利No.6,333,205以及美国专利申请公布No.2002/0117690。上述每个专利的公开内容都通过引用结合在本文中。

成像器，例如CMOS成像器，包括像素单元的焦面阵列，每个单元包括光敏器件，例如光门(photogate)、光电导体或叠加在衬底上的光电二极管，用于在衬底的掺杂区中产生光生成的电荷。每个像素单元配有一个读出电路，该电路包括至少一个源跟随器晶体管和行选择晶体管，用于将源跟随器晶体管连接到列输出线。像素单元通常还有一个浮动扩散节点，它连接到源跟随器晶体管的栅极。光敏器件产生的电荷被传送到浮动扩散节点。成像器还可包括：转移晶体管，用于将电荷从光敏器件转移到浮动扩散节点；以及复位晶体管，用于在电荷转移前将浮动扩散节点复位到预定的电荷电平。

图1示出了图像传感器例如CMOS成像器的常规像素单元10。像素单元10通常包括光电二极管12，它具有p型区12a和n型区12b，都在p型衬底14中。该像素还包括具有关联栅极16的转移晶体管、在更重掺杂的p型阱20中形成的浮动扩散区18以及具有关联栅极22的复位晶体管。打到光电二极管12的p型区12a表面的光子产生电子，这些电子聚集在光电二极管12的n型区12b。当转移栅极16导通时，因光电二极管12和浮动扩散区18之间存在的电位差，n型区12b中的光生电子就转移到浮动扩散区18。浮动扩散区18连接到源跟随器晶体管24的栅极，其接收由浮动扩散区18暂时存储的电荷，并将电荷转移到行选择晶体管的第一源/漏端子和关联栅极26。当行选择信号RS走高时，光生电荷就转移到列线28，在此再由采样/保持电路和信号处理电路(未示出)处理。

在图1所示的像素单元10的工作中，光电二极管12中累积的电荷通常由转移晶体管栅极16转移到浮动扩散区18。当光电二极管12中累积的电荷达到预定电平时，转移晶体管栅极16被激活。一旦被激活，电荷就从光电二极管12转移到浮动扩散区18。

与图1的像素单元10相关联的一个问题是，浮动扩散区18吸收电荷仅能达到其饱和电平。一旦浮动扩散区18已达到其饱和电平，它对来自光电二极管12的电子就不再有任何反应。光电二极管12中不再能转移到饱和的浮动扩散区18的“剩余”电荷通常被转移到邻近的像素单元，以及它们的相关联电荷收集区。剩余电荷常导致邻近像素单元中的成像滞后和“散焦”。散焦是由于电荷从一个像素单元溢出到下一像素单元而引起的，并可在所得图像中形成亮斑或条纹。

参阅图2，增加像素单元10中浮动扩散区18的存储容量的一个方法是形成电容器34(称为阵列电容器)，将其电连接到浮动扩散区18。示范CMOS成像电路、其工艺步骤以及具有连接到浮动扩散区的电容器的CMOS成像器的功能详细说明在授予Rhodes的美国专利申请公布No.2002/0117690中描述了。上述专利的公开内容通过引用全部结合在本文中。

虽然添加阵列电容器34增加了浮动扩散区18的容量，从而可有更高的饱和极限，但将电容器添加到像素单元上有其自身的缺点。例如，电容器34通常是和外围电容器(形成在像素单元之外的那些)同时形成的。外围电容器是像素单元10外部的采样保持电路的一部分，并用来存储基准(全信号)和每个像素单元10的关联光电二极管12的输出信号。外围电容器通常形成为具有比连接到浮动扩散区18的阵列电容器34所需电容更高的电容。具有高电容的阵列电容器34导致某些问题，包括成像滞后和电荷转移效率低。所以，理想的是，像素单元10中的阵列电容器34应具有低于外围电容器的电容。