[发明专利]具有稳定电荷倍增增益的EMCCD图像传感器

说明书

本发明题为“具有稳定电荷倍增增益的EMCCD图像传感器”。本发明公开了在电子倍增电荷耦合器件EMCCD图像传感器(14)中，在电荷倍增电极(201)下方的电介质堆叠中的电子陷阱(209)可能导致不期望的增益老化。为了减小增益老化漂移效应，可以形成电介质堆叠(304,305)，该电介质堆叠在电荷倍增电极下方的区中不包括电子陷阱。为了实现这个目的，可以在该电荷倍增电极下方的区中去除该电介质堆叠中的氮化硅(305)。因此，该EMCCD图像传感器可以在其操作寿命期间以稳定电荷载流子倍增增益制造。

背景技术

本发明整体涉及图像传感器，并且更具体地涉及电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)图像传感器。

现代电子设备(诸如蜂窝电话、相机和计算机)常常使用数字图像传感器。图像传感器(有时称为成像器)可由二维图像感测像素阵列形成。每个像素包括光敏区，所述光敏区接收入射光子(光)并将光子转变为电信号。有时，图像传感器被设计为使用联合图像专家组(JPEG)格式将图像提供给电子设备。

常规图像像素阵列可以通过使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术或电荷耦合器件(CCD)技术在半导体衬底上制成。某些CCD图像传感器，也被称为电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)图像传感器，具有高灵敏度，并且在电荷被转换为CCD电荷检测输出节点处的电压之前使用单载流子碰撞电离过程在电荷域中倍增收集到的电荷。然而，EMCCD图像传感器可能经历增益老化效应，其中所捕集的电子电荷在器件操作寿命期间累积。所捕集的电子电荷在电荷倍增栅极下方的硅中引起显著电势偏移，这降低了电荷倍增增益。

因此，期望能够提供具有稳定电荷倍增增益的改进的EMCCD。

附图说明

图1是根据本发明的实施方案的具有EMCCD图像传感器的示例性电子设备的示意图。

图2是根据本发明的实施方案的EMCCD图像传感器串行寄存器的横截面的横截面侧视图。

图3示出了根据本发明的实施方案的针对不同栅极偏置条件和碰撞电离电荷载流子倍增区的位置的沿着图2的寄存器的最大电势分布。

图4是根据本发明的实施方案的EMCCD图像传感器串行寄存器的横截面的横截面侧视图，其中电介质材料在电荷倍增栅极下方没有电子陷阱。

图5示出了根据本发明的实施方案的在图4的两个相邻栅极之间的区中的电势分布(能带图)细节，两个相邻栅极中的一个是在高电压电平下偏置的电荷倍增栅极，其中发生碰撞电离。

图6是根据本发明的实施方案的用于EMCCD图像传感器串行寄存器的制造过程的横截面侧视图。

具体实施方式

本发明的实施方案涉及EMCCD图像传感器。图1中示出了具有包括EMCCD图像传感器的数字相机模块的电子设备。电子设备10可以是数字相机、计算机、蜂窝电话、医疗设备或其他电子设备。相机模块12(有时称为成像设备)可包括图像传感器14和一个或多个透镜28。在操作期间，透镜28(有时称为光学器件28)将光聚焦到图像传感器14上。图像传感器14包括将光转换成数字数据的光敏元件(如，光电二极管)。图像传感器可具有任何数量(例如，数百、数千、数百万或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数百万的像素(例如，数兆像素)。例如，图像传感器14可包括偏置电路(例如，源极跟随器负载电路)、采样保持电路、相关双采样(CDS)电路、放大器电路、模拟-数字(ADC)转换器电路、数据输出电路、存储器(例如，缓冲电路)、地址电路等。

可将来自图像传感器14的静态图像数据和视频图像数据经由路径26提供给图像处理和数据格式化电路16。图像处理和数据格式化电路16可用于执行图像处理功能，诸如自动聚焦功能、深度感测、相位检测、数据格式化、调节白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。例如，在自动聚焦操作期间，图像处理和数据格式化电路16可处理图像传感器14中的相位检测像素收集的数据，以确定将感兴趣的对象对焦所需的透镜移动(例如，透镜28的移动)的幅度和方向。