[发明专利]有源像素传感器中的量子效率的改进

说明书

本发明涉及一种在CMOS图像传感器中尤其是在有源像素传感器中的优化量子效率的技术。

电子图像传感器用于获得物体的图像。传感器把输入光的光子转换为电子信号(电子)。光子和电子之间的转换效率通常被称为量子效率(“QE”)。QE是传感器的主要成像性能基准之一。

CCD型光传感器在基片上形成的阵列中存储电荷。阵列的每个部分存储一个图像元素，或整个图像的“像素”。

由互补金属氧化物半导体(“CMOS”)形成的传感器包括在像素内的相关的电路。所述相关的电路部分对光是不敏感的。不收集光的那些区域包括用于通过操作把存储在像素上的信息转换成电子信号的相关的电路。这些对光不敏感的区域包括但不限于布线总线，晶体管，和被不透明的材料例如硅化物覆盖的区域。

许多图像传感器装置使用光控制极(photogate)把输入的光子转换为电荷。所述电荷被存储在基片上。其它装置使用光电二极管把输入的光子转换成电子。然而，光电二极管因此必须接收光子以便转换它们。因此，本领域的普通技术人员理解，对光不敏感的区域将减少装置的总的量子效率，因而减少装置的总的光灵敏度。因此，本领域的普通技术人员一直尝试把用于相关电路的像素面积的数量减到最小，以便使对光敏感的面积最大。这例如通过增大光电二极管的尺寸借以使由其接收的光的数量最大来实现。

在本领域中另一个共同的趋势是使用多晶硅和金属的组合来减少电阻。多晶硅和金属的组合物通常被称为多酸(polycide)。特殊的材料包括硅化物和盐酸(salacide)。许多现代亚微处理使用这些材料，以便减少电阻。然而，这些材料也是不透明的。

包括可以用在有源像素传感器中的光电二极管在内的二极管可以利用所述的多酸制成。然而，就本发明人所知，尚未有人建议这样做，因为由多酸制成的光电二极管是不透明的，因此不能用来接收输入光的信息。

一种基本的有源像素传感器在美国专利5471515中披露了，该专利被包括在此作为参看。

本发明披露了一种用于改进CMOS中的量子效率的技术。按照本发明这是通过使用不同的技术实现的。第一种技术说明通过减少而不是增加在像素中的光敏感面积的数量来改进光电二极管像素中的QE。

第二种技术说明改进光控制板结构的QE响应。

本发明的一个方面涉及制造较小的光电二极管而不是如现有技术建议的制造较大的光电二极管。这是通过使用本发明人对一种新的操作技术的理解实现的。光子在光电二极管的基片内被捕获，并且被转换为电子-空穴对。这些电子-空穴对扩散到二极管中而形成电流。按照这个实施例，二极管的尺寸被优化，以便获得来自基片的扩散，而不是直接获得光。这要求二板管小于基片内的总的敞开面积。

本发明的另一个方面包括这些光电二极管的特定的形状，所述形状能够减少光电二极管的电容，此外，能够增加光电二极管的增益。

本发明的另一个方面是使用一种覆盖在在光控制极结构上的薄的多晶硅层。这种薄的多晶硅层能够避免某种光子衰减。

附图包括：

图1表示使用光电二极管器件的有源像素传感器；

图2-6表示光电二极管的几种可能的不同形状；

图7表示有源像素传感器的响应的例子；

图8表示由多酸制成的光电二极管；

图9和图10表示本发明的光电二极管的两种附加的形状；以及

图11表示具有薄的多晶硅覆盖层的光控制极。

图1示意地表示一个光电二极管像素。每个像素100包括光电二极管区域102和相关电路区域104。图1所示的器件是一个“有源像素”，这意味着，每个像素至少包括一些和像素相关的并且实际上被形成在像素内的电路。电路104被示意地表示为一种具有源极跟随器的电路，但是应当理解，其它的相关电路也可以被集成在所述像素内。相关的电路最好由NMOS或CMOS构成。最好是NMOS，因为CMOS电路的尺寸较大。不需要专门的半导体形成技术用于形成NMOS或者CMOS，例如电荷耦合器件(“CCD”)所需的那些技术。关于这方面的详细情况可以在美国专利5471515中找到。

光电二极管元件102也在图1中示出了。光电二极管102由CMOS兼容的方法制成，例如CMOS或NMOS。图1表示按照本发明的系统，借以使光电二极管102的尺寸小于像素内的可为该光电二极管利用的总面积。