[发明专利]图像传感器像素及其操作方法及图像传感器

说明书

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2012年5月21日申请的第13/476,784号美国专利申请案及2011年12月12日申请的第61/569,734号美国临时专利申请案的权益，所述申请案特此全文以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及固态图像传感器，且更明确地说，涉及前侧照明或背侧照明的具有小尺寸像素的图像传感器。小像素尺寸有助于降低图像传感器阵列的成本。然而，传感器性能不应随着像素尺寸减小而受到影响。

背景技术

常规图像传感器通过将撞击光子转换成集成(收集)在传感器像素内的电子而检测光。在完成每一集成循环之后，经收集的电荷即刻转换为电压信号，所述电压信号接着供应给与图像传感器相关联的相应输出端子。通常，电荷到电压的转换直接在像素内执行，且产生的模拟像素电压信号通过各种像素寻址及扫描方案转移到输出端子。模拟信号有时可在被芯片外转达之前在芯片上转换为等效数字。每一像素包含通常被称为源极跟随器(SF)的缓冲放大器，其用于驱动经由相应地址晶体管连接到像素的输出感测线。

在完成电荷到电压的转换之后且在产生的信号从像素转移出来后，在随后的集成循环开始之前复位像素。在具有充当电荷检测节点的浮动扩散(FD)起的像素内，此复位操作通过暂时接通复位晶体管而完成，所述复位晶体管将FD节点连接到固定的电压参考用于排放(或移除)在FD节点处剩余的任何电荷。

然而，如在所属领域中众所周知，使用复位晶体管从浮动扩散节点移除电荷会生成kTC复位噪声。为了达到希望的低噪声性能，必须使用相关双取样(CDS)信号处理技术移除kTC噪声。利用CDS的图像传感器通常需要每一像素三个晶体管(3T)或四个晶体管(4T)。可在Lee(第5,625,210号美国专利，其作为参考并入本文中)中找到具有针扎型光电二极管的4T像素电路的实例。

图1是常规图像传感器像素100的横截面侧视图的简化呈现。如图1中所示，常规图像传感器像素100包含经配置以收集光生载流子的光电二极管107、电荷转移晶体管栅极108、N+掺杂浮动扩散区111、复位晶体管栅极109及源极跟随器晶体管栅极110。所述复位晶体管及所述源极跟随器晶体管共享偏置为固定的正电源电压Vdd的N+漏极区112。所述源极跟随器晶体管具有N+源极区113，其经由金属通路115连接到列感测线Vout(即，给定列中的每一像素连接到的输出线)。

注意，浮动扩散区111是经由连接件116连接到源极跟随器栅极110。此连接件将收集在浮动扩散区的信号供应到源极跟随器晶体管栅极。像素100可包含在区113与感测线Vout之间插入的地址晶体管，其对于图像传感器像素的给定列中的所有像素是公共的。为了简单起见，所述地址晶体管未在图1中展示。

像素100在外延衬底101中制造。如果传感器是背侧照明图像传感器，那么P+掺杂层102在传感器的背部表面上沉积。衬底101还可针对前侧照明图像传感器在实质上较厚的P+衬底(相对于层102)上沉积。外延层101由氧化物层103覆盖，所述氧化物层103为栅极108、109及110提供电气隔离。氧化物材料103通常延伸进入浅沟槽隔离(STI)区114内且填满浅沟槽隔离(STI)区114。额外的氧化物层104在栅极之上沉积且为在像素100之上形成的金属布线充当隔离。额外的氧化物隔离层及金属布线层通常在像素100的顶部之上沉积(未图示)。

光电二极管107包含P+层105，其直接在层103下面形成且连接到接地。此P+掺杂层通过用空穴填充硅到二氧化硅界面状态而降低暗电流。光生电子在N型掺杂区106内积累。当接通转移栅极108时，经积累的电荷被转移到N+浮动扩散区111。在接通电荷转移栅极108之前，浮动扩散区111需要由供应到复位晶体管的栅极109的脉冲调制信号复位。

额外的底部P植入(BTP)层117从在STI区114下面形成的P+层105延伸到在复位晶体管栅极109及源极跟随器晶体管栅极110下方的区(见图1)。层117连接到接地且起到阻挡光生电子进入区111、112及113的作用。

如从图1显而易见，大部分的有用像素面积由晶体管栅极108、109及110占用。使用这种布置使晶体管在衬底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积的图像传感器，其中较小部分的像素面积由晶体管占用，且较大部分的像素面积由光电二极管占用。

发明内容