[发明专利]使用与浮动扩散区的肖特基和欧姆接触的双转换增益成像器像素和其制造及操作方法

说明书

技术领域

本发明大体上涉及成像装置，且更明确地说涉及双转换增益成像装置。

背景技术

成像装置，包含电荷耦合装置(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)成像器，普遍用于光成像应用中。

CMOS成像器电路包含像素的焦平面阵列，所述像素的每一者包含光传感器(例如，光栅、光电导体或光电二极管)，用于聚积衬底的一部分上的光产生的电荷。每一像素具有形成在衬底上或衬底中的电荷存储区，其连接到作为读出电路的一部分的输出晶体管的栅极。电荷存储区可构造为浮动扩散区。在一些成像器电路中，每一像素可包含用于将来自光传感器的电荷转移到存储区的至少一个电子装置(例如，晶体管)，以及一个用于在电荷转移之前将存储区复位为预定电荷电平的装置(通常也是晶体管)。

在CMOS成像器中，像素的有源元件执行必要的功能：(1)光子向电荷的转换；(2)影像电荷的聚积；(3)将存储区复位为已知状态；(4)伴随着电荷放大将电荷转移到存储区；(5)选择供读出的像素；和(6)输出并放大表示复位电平和像素电荷的信号。光电荷当从初始电荷聚积区移动到存储区时可被放大。存储区处的电荷通常由源极跟随器输出晶体管转换为像素输出电压。

通常已知上文论述的类型的CMOS成像器，例如转让给Micron Technology公司的第6,140,630号美国专利、第6,376,868号美国专利、第6,310,366号美国专利、第6,326,652号美国专利、第6,204,524号美国专利和第6,333,205号美国专利中所论述，所述专利全文以引用的方式并入本文。

图1中展示典型的四晶体管(4T)CMOS图像像素10。像素10包含光传感器12(例如，光电二极管、光栅等)、转移晶体管14、浮动扩散区FD、复位晶体管16、源极跟随器晶体管18和行选择晶体管20。当转移晶体管14由转移栅极控制信号TX启动时，光传感器12通过转移晶体管14连接到浮动扩散区FD。

复位晶体管16连接在浮动扩散区FD与阵列像素电源电压Vaa_pix之间。复位控制信号RST用于启动复位晶体管16，所述复位晶体管16将浮动扩散区FD复位为阵列像素电源电压Vaa_pix电平。

源极跟随器晶体管18的栅极连接到浮动扩散区FD，且源极跟随器晶体管18连接在阵列像素电源电压Vaa_pix与行选择晶体管20之间。源极跟随器晶体管18将存储在浮动扩散区FD处的电荷转换成电输出电压信号Vrst(其在复位浮动扩散区FD时产生)和Vsig(其在晶体管14将电荷从光传感器12转移到浮动扩散区FD之后产生)。行选择晶体管20可由行选择信号SEL控制，以便将源极跟随器晶体管18及其输出电压信号Vout选择性地连接到像素阵列的列线22。

任何成像器的一个重要性能特性是其动态范围。在用于感测弱光信号并捕捉照明度或亮度具有较大变化的图像的应用中需要较大动态范围。明确地说，成像器的动态范围可界定为成像器在未饱和时检测到的最小照明度与成像器在信噪比(SNR)等于1时检测到的照明度的比率。场景的动态范围也可表达为其最高照明度水平与其最低照明度水平的比率。

场景内动态范围是指成像器可在单一的图像数据帧中容纳的入射信号的范围。产生高动态范围入射信号的场景的实例包含具有室外窗户的室内房间、混合了阴影和明亮阳光的室外、将人工照明与阴影组合的夜间场景，且在汽车情境中，在明朗的天气正进入或即将离开隧道或阴影区域的汽车。

图2说明具有像素阵列240的CMOS成像器装置308的方框图，其中每一像素如上文所述或根据其它已知的像素结构而构造。像素阵列240包括排列成预定数目的列和行的多个像素。阵列240中每一行的像素全部由行选择线同时接通，且每一列的像素由各自列选择线选择性地输出。为整个阵列240提供多个行和列线。行线由行驱动器245响应于行地址解码器255而选择性地启动，且列选择线由列驱动器260响应于列地址解码器270而选择性地启动。因此，为每一像素提供行和列地址。