[发明专利]高灵敏度的互补金属氧化物半导体有源像素

说明书

本发明涉及一种图像传感器，特别是指一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的像素结构。

一般来说，图像传感器是通过具有对某种外来电磁能(例如光)响应特性的半导体元件来获取图像的，自然界中每一个物体发出的光有它的特征能量值(如波长等)，图像传感器的像素探测到物体发出的光，并把光的能量值转换为电的能量值，也就是说，图像传感器的像素产生与物体发出的光能量等相对应的电的数值。

图1表示一个光电二极管的截面图及相关电路，它相应于通常的带有三个晶体管的CMOS有源像素。在此三晶体管的CMOS有源像素中，一个N⁺型掺杂层11形成光电二极管的侧向结，它与一个N⁺型浮扩散层13相连接，因而光电二极管的电容主要为N⁺型掺杂层11和N⁺型浮扩散层13的电容之和，所以通常采用三晶体管CMOS有源像素的图像传感器的灵敏度较差。为了克服三晶体管CMOS有源像素的缺点，就发展了四晶体管CMOS有源像素。

图2描述了光电二极管的截面图及相关电路，它相应于通常的带有四个晶体管的CMOS有源像素。在通常的四晶体管CMOS有源像素中，一个传输晶体管35被用来去除噪声，该传输晶体管35接受传输控制信号TX的控制。一个N⁺型掺杂层21从N⁺型浮扩散层23中分出来，它形成了一个侧向结。因而，由通常的四晶体管CMOS有源像素制作的图像传感器具有高灵敏度和高质量，但是，通常的四晶体管CMOS有源像素由于附加了元件(即传输晶体管35)，减少了光接收面积。

总之，这两种普通的CMOS有源像素有下列问题：普通的三晶体管CMOS有源像素灵敏度低，普通的四晶体管CMOS有源像素受光面积小。

本发明的目的是要解决上述问题，尤其是要提出一种既具有高灵敏度，又尽量不使光接收面积减小的CMOS有源像素。

为了达到上述目的，本发明提出一种制作在半导体衬底上的CMOS有源像素，其具体实现方案是：该CMOS有源像素包含一个浮扩散层、一个光电二极管、一个重置(重新设置)电路和一个输出电路。浮扩散层用第一种掺杂型杂质掺杂，并用于接收信号电荷。光电二极管产生信号电荷，并把它传送到浮扩散层，该光电二极管有一个具有第一种掺杂类型的二极管下掺杂层，以及具有第二种掺杂类型的二极管上掺杂层，第二种掺杂类型的极性和第一种掺杂类型的极性相反，二极管上掺杂层制作在二极管下掺杂层之上。重置电路按照控制信号来控制浮扩散层的电压，以重置电压值。输出电路产生与浮扩散层电压值相应的输出信号。在这种情形下，在像素初始态，二极管下掺杂层的电势能高于浮扩散层电势能，因而最好二极管下掺杂层的掺杂浓度低于浮扩散层的掺杂浓度。

本发明还提出一种制作在半导体衬底上的CMOS有源像素，其具体实现方案是：CMOS有源像素制作在半导体衬底上，它包含一个浮扩散层、一个光电二极管、一个重置电路和一个输出电路。浮扩散层用第一种掺杂型杂质掺杂，并用于接收信号电荷。光电二极管产生信号电荷，并把它传送到浮扩散层，该光电二极管有第一和第二个都具有第一种掺杂类型的两个二极管下掺杂层，以及具有第二种掺杂类型的二极管上掺杂层，第二种掺杂类型的极性和第一种掺杂类型的极性相反，二极管上掺杂层制作在第一和第二个二极管下掺杂层之上，第一个二极管下掺杂层制作在浮扩散层和第二个二极管下掺杂层之间。重置电路按照控制信号来控制浮扩散层的电压，以重置电压值。输出电路产生与浮扩散层电压值相应的输出信号。在这种情形下，在像素初始态，第一个二极管下掺杂层的电势能高于浮扩散层电势能，第二个二极管下掺杂层的电势能高于第一个二极管下掺杂层电势能，因而最好第一个二极管下掺杂层的掺杂浓度低于浮扩散层的掺杂浓度，以及第二个二极管下掺杂层的掺杂浓度低于第一个二极管下掺杂层的掺杂浓度。