技术领域
[0001] 本
发明大体来说涉及成像系统，且更特定来说涉及升压型
光电二极管的CMOS图像传感器。
背景技术
[0002] 图像传感器已普遍存在。其广泛地用于数字相机、蜂窝式电话、安全相机以及医学、
汽车及其它应用中。用以制造图像传感器且特定来说互补金属
氧化物
半导体(CMOS)图像传感器的技术已不断快速进步。举例来说，对较高
分辨率及较低电
力消耗的需求已促进这些图像传感器进一步小型化及集成。
[0003] 在常规CMOS图像传感器中，
像素的光电二极管通常是
钉扎光电二极管。钉扎光电二极管的使用通常出于各种原因，包含促进图像电荷从钉扎光电二极管转移到浮动扩散部。典型钉扎光电二极管在光电二极管的
硅表面处包含屏蔽层(其有时也可被称为“钉扎”层或“
覆盖”层)以防止光电二极管的硅表面被耗尽。钉扎光电二极管的此屏蔽层通常包含具有大的
硼密度的极薄层(例如，p+掺杂层)。硼是以低
能量被植入，但由于p+屏蔽层的高密度，硼植入会在钉扎光电二极管的硅表面处造成植入损坏。对钉扎光电二极管的屏蔽层的此植入损坏可在图像传感器中导致非所要的白色像素及暗
电流。
发明内容
[0004] 本发明的一个
实施例涉及一种供在图像传感器中使用的像素
电路。所述供在图像传感器中使用的像素电路包括：非钉扎光电二极管，其安置于半导体材料中，所述非钉扎光电二极管适于在所述图像传感器的单次图像捕获的单次曝光期间响应于入射光而光生电荷载流子；浮动扩散部，其安置于半导体中且经耦合以接收在所述非钉扎光电二极管中光生的所述电荷载流子；转移晶体管，其安置于所述半导体材料中且耦合于所述非钉扎光电二极管与所述浮动扩散部之间，其中所述转移晶体管适于经接通以将在所述非钉扎光电二极管中光生的所述电荷载流子转移到所述浮动扩散部；以及升压电容器，其安置于所述半导体材料的表面上方、接近于所述非钉扎光电二极管，其中在所述转移晶体管经接通以将在所述非钉扎光电二极管中光生的所述电荷载流子进一步驱动到所述浮动扩散部时，所述升压电容器经耦合以接收光电二极管升压
信号。
[0005] 本发明的另一实施例涉及一种成像
传感器系统。所述成像传感器系统包括：像素电路的像素阵列，其中所述像素电路中的每一个包含：非钉扎光电二极管，其安置于半导体材料中，所述非钉扎光电二极管适于在所述图像传感器的单次图像捕获的单次曝光期间响应于入射光而光生电荷载流子；浮动扩散部，其安置于半导体中且经耦合以接收在所述非钉扎光电二极管中光生的所述电荷载流子；转移晶体管，其安置于所述半导体材料中且耦合于所述非钉扎光电二极管与所述浮动扩散部之间，其中所述转移晶体管适于经接通以将在所述非钉扎光电二极管中光生的所述电荷载流子转移到所述浮动扩散部；以及升压电容器，其安置于所述半导体材料的表面上方、接近于所述非钉扎光电二极管，其中在所述转移晶体管经接通以将在所述非钉扎光电二极管中光生的所述电荷载流子进一步驱动到所述浮动扩散部时，所述升压电容器经耦合以接收光电二极管升压信号；控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；以及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从多个像素读出图像数据。
附图说明
[0006] 参考以下各图描述本发明的非限制性且非穷尽性实施例，其中贯穿各个视图，相似参考编号指代相似零件，除非另有规定。
[0007] 图1是图解说明根据本发明的教示包含像素阵列的成像系统的一个实例的图式，在像素阵列中每一像素电路包含具有升压型光电二极管驱动的非钉扎光电二极管。
[0008] 图2是根据本发明的教示图解说明具有非钉扎光电二极管的像素电路的一个实例的图式，所述非钉扎光电二极管具有升压型光电二极管驱动。
[0009] 图3是对根据本发明的教示具有非钉扎光电二极管的实例像素电路的一部分的横截面图解说明，所述非钉扎光电二极管具有升压型光电二极管驱动。
[0010] 图4是图解说明根据本发明的教示具有非钉扎光电二极管的实例像素电路的信号的一个实例的时序图，所述非钉扎光电二极管具有升压型光电二极管驱动。
[0011] 图5是对根据本发明的教示具有非钉扎光电二极管的另一实例像素电路的一部分的横截面图解说明，所述非钉扎光电二极管具有升压型光电二极管驱动。
[0012] 图6是图解说明根据本发明的教示具有非钉扎光电二极管的像素电路的另一实例的信号的一个实例的时序图，所述非钉扎光电二极管具有升压型光电二极管驱动。
[0013] 贯穿图式的数个视图，对应参考字符指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是为简单及清晰起见而图解说明的，且未必按比例绘制。举例来说，各图中的某些元件的尺寸可相对于其它元件被放大以有助于促进对本发明的各种实施例的理解。此外，通常不描绘在商业上可行实施例中有用或必需的常见而众所周知的元件以便促进对本发明的这些各种实施例的较不受阻碍的观看。
具体实施方式
[0014] 在以下描述中，陈述众多具体定细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在无具体细节中的一或多个的情况下或者借助其它方法、组件、材料等来实践。在其它实例中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以免使某些方面模糊。
[0015] 本
说明书通篇提及“一个实施例”或“实施例”意指结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例”未必全部均指代同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以任何适合方式组合于一或多个实施例中。
[0016] 在本说明书通篇，使用数个技术术语。这些术语将呈现其在其所属领域中的普通含义，除非本文中具体定义或其使用的上下文将另外清晰地暗示。举例来说，术语“或”在包含性意义上使用(例如，如同“及/或”)，除非上下文另外清晰地指示。应注意，在本文件中，元件名称及符号可互换地使用(例如，Si与硅)；然而，两者具有相同含义。
[0017] 如将展示，用于成像传感器中的像素电路的实例实施有非钉扎光电二极管，因此在光电二极管的硅表面处不需要经高度掺杂的薄屏蔽层。如此，消除了光电二极管的硅表面处的硼植入所导致的损坏。在实例中，根据本发明的教示，升压电容器耦合到非钉扎光电二极管。根据本发明的教示，在一个实例中，将具有负
电压(具有经增大量值)的光电二极管升压信号施加到升压电容器，这在非钉扎光电二极管中、接近于硅表面处积累空穴且因此在邻近硅表面接近于硅表面处防止非钉扎光电二极管被耗尽，且因此有助于将图像电荷从非钉扎光电二极管驱动到浮动扩散部。在一个实例中，根据本发明的教示，在光电二极管接收具有经增大量值的光电二极管升压信号时，接近于非钉扎光电二极管的隔离区也经耦合以接收具有经增大量值的升压信号，这将图像电荷从非钉扎光电二极管进一步驱动到浮动扩散部。
[0018] 为了图解说明，图1是图解说明根据本发明的教示包含像素阵列102的成像系统100的一个实例的图式，在像素阵列102中每一像素电路110包含具有升压型光电二极管驱动的非钉扎光电二极管。如在所描绘的实例中所展示，成像系统100包含耦合到控制电路
108及读出电路104的像素阵列102，读出电路104耦合到功能逻辑106。
[0019] 在一个实例中，像素阵列102是图像传感器像素电路110(例如P1、P2、P3、…、Pn)的二维(2D)阵列。如所图解说明，每一像素电路110被布置成行(例如行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获取人、地方、物体等的图像数据，接着可使用所述图像数据再现所述人、地方、物体等的2D图像。
[0020] 在一个实例中，在每一像素电路110(例如，P1、P2、P3、…、Pn)已将其图像数据或图像电荷获取于像素电路中所包含的相应非钉扎光电二极管中之后，将图像数据从非钉扎光电二极管转移到浮动扩散部，且接着由读出电路104通过位线130读出，且接着将所述图像数据转移到功能逻辑106。在各种实例中，根据本发明的教示，当图像电荷从非钉扎光电二极管被转移到浮动扩散部时，利用光电二极管升压信号将非钉扎光电二极管驱动升压。另外，在各种实施例中，根据本发明的教示，在施加光电二极管升压信号时，在图像电荷从非钉扎光电二极管被转移到浮动扩散部以使非钉扎光电二极管驱动升压时，也施加隔离升压信号。
[0021] 在各种实例中，读出电路104可包含放大电路、模/数转换(ADC)电路或其它电路。功能逻辑106可仅存储所述图像数据或甚至通过施加后图像效应(例如裁剪、旋转、移除红眼、调整
亮度、调整
对比度或其它)来操纵所述图像数据。在一个实施例中，读出电路104可沿着读出列线一次读出一行图像数据(图解说明)或可使用各种其它技术(未图解说明)读出所述图像数据，例如串行读出或同时全并行读出所有像素。
[0022] 在一个实例中，控制电路108耦合到像素阵列102以控制像素阵列102中的像素电路110的操作特性。在一个实例中，控制电路108可经耦合以产生全局快
门信号以用于控制每一像素电路110的图像获取。在实例中，全局快门信号同时启用像素阵列102内的所有像素电路110(例如，P1、P2、P3、…Pn)以同时启用像素阵列102中的所有像素电路110以在单个获取窗期间同时从每一相应光检测器转移图像电荷。
[0023] 图2是图解说明根据本发明的教示具有非钉扎光电二极管214的像素电路210的一个实例的图式，非钉扎光电二极管214具有升压型光电二极管驱动。注意像素电路210可以是图1的像素阵列102中的像素电路110中的一个的实例，且下文所提及的具有类似名称及编号的元件被耦合且功能类似于上文的描述。如图2中所描绘的实例中所展示，像素电路210包含非钉扎光电二极管PD 214，非钉扎光电二极管PD 214适于在包含像素电路210的图像传感器的图像捕获的曝光期间响应于入射光250而光生电荷载流子。浮动扩散部FD 218经耦合以接收响应于入射光250而在非钉扎光电二极管PD 214中光生的电荷载流子。转移晶体管216耦合于非钉扎光电二极管PD 214与浮动扩散部FD 218之间。在操作中，转移晶体管216适于响应于转移信号TX而切换以将在非钉扎光电二极管PD 214中光生的电荷载流子转移到浮动扩散部FD 218。
[0024] 升压电容器CBST 226耦合到非钉扎光电二极管PD 214。在操作中，根据本发明的教示，在转移晶体管216经接通以将响应于光250而在非钉扎光电二极管PD 214中光生的电荷载流子进一步驱动到浮动扩散部FD 218时，升压电容器CBST 226经耦合以接收光电二极管升压信号PD BOOST 228。
[0025] 继续所描绘的实例，
放大器晶体管222包含耦合到浮动扩散部FD 218以产生像素电路210的
输出信号的栅极
端子。在实例中，放大器晶体管222是
源极跟随器(SF)耦合晶体管，其具有耦合到电压源的漏极端子及经耦合以产生像素电路的输出信号的源极端子。行选择晶体管224耦合到放大器晶体管222以响应于行选择信号RS而将像素电路的输出信号选择性地耦合到像素电路210的输出位线212。复位晶体管220经耦合以响应于复位信号RST而将浮动扩散部FD 218选择性地复位。在一个实例中，复位晶体管包含耦合到复位电压的漏极端子及耦合到浮动扩散部FD 218的源极端子。在一个实例中，非钉扎光电二极管PD 214也可在转移晶体管216接通的情况下通过复位晶体管220被复位。
[0026] 图3是对根据本发明的教示具有非钉扎光电二极管的实例像素电路310的一部分的横截面图解说明，所述非钉扎光电二极管具有升压型光电二极管驱动。注意，像素电路310可以是图1的像素阵列102中的像素电路110中的一个或图2的像素电路210的实例，且下文所提及的具有类似名称及编号的元件被耦合且功能类似于上文的描述。如图3中所描绘的实例中所展示，像素电路310包含安置于半导体材料336中的非钉扎光电二极管PD 314。
在一个实例中，半导体材料336包含硅的n掺杂
外延(EPI)层或p掺杂外延(EPI)层。在操作中，非钉扎光电二极管PD适于在包含像素电路310的图像传感器的图像捕获的曝光期间响应于入射光350而光生电荷载流子。在所描绘的实例中，注意，入射光350被引导穿过半导体材料336的后侧表面352。在一个实例中，半导体材料336被安置成接近于硅衬底338。浮动扩散部FD 318安置于半导体材料336中且经耦合以接收响应于入射光350而在非钉扎光电二极管PD 314中光生的电荷载流子。转移晶体管(在图3中被图解说明为具有转移栅极316)安置于半导体材料336中且耦合于非钉扎光电二极管PD 314与浮动扩散部FD 318之间。如所描绘的实例中所展示，转移晶体管的转移栅极316经耦合以响应于转移信号TX 330而经接通以将在非钉扎光电二极管PD 314中光生的电荷载流子转移到浮动扩散部FD 318。
[0027] 如所描绘的实例中所展示，像素电路310也包含升压电容器CBST 326，升压电容器CBST 326安置于半导体材料336的表面354上方、接近于非钉扎光电二极管PD 314。在实例中，表面354是半导体材料336的前侧表面。根据本发明的教示，在操作中，在转移晶体管316经接通以将在非钉扎光电二极管PD 314中光生的电荷载流子进一步驱动到浮动扩散部FD 318时，升压电容器CBST 326经耦合以接收光电二极管升压信号PD BOOST 328。在一个实例中，隔离区340安置于半导体材料336中、接近于非钉扎光电二极管PD 314且与转移晶体管
316相对，使得非钉扎光电二极管PD 314在半导体材料336中安置于隔离区340与转移晶体管316之间。在一个实例中，隔离区340包含
浅沟槽隔离(STI)结构。
[0028] 图4是图解说明根据本发明的教示具有非钉扎光电二极管的实例像素电路的信号的一个实例的时序图，所述非钉扎光电二极管具有升压型光电二极管驱动。注意，图4中所描述的实例信号可被施加于图1的像素阵列102中的像素电路110、图2的像素电路210或图3的像素电路310中的一个，且下文所提及的具有类似名称及编号的元件被耦合且功能类似于上文的描述。如图4中所描绘的实例中所展示，在时间T1处，复位RST 432信号被脉冲调制，其接通复位晶体管232以将浮动扩散部FD 218/318中的电荷复位。在时间T2处，在浮动扩散部的复位(SHR)446之后，可执行取样保持以获得像素单元的相关双取样(CDS)操作的第一值。在获得浮动扩散部FD 218/318中的复位值的取样保持之后，在时间T3处接通转移信号TX 430以接通转移晶体管216/316以开始将在非钉扎光电二极管PD 214/314中光生的图像电荷转移到浮动扩散部FD 218/318。
[0029] 在转移信号TX 430接通时，光电二极管升压信号PD BOOST 428在时间T4处从负电压转变为更高量值负电压，如所展示。根据本发明的教示，在这样做时，时间T4处的更高量值电压被施加到升压电容器CBST 226/326，其将在非钉扎光电二极管PD 214/314中光生的图像电荷
电子吸引并驱动到浮动扩散部FD 218/318。
[0030] 继续所描绘的实例，在非钉扎光电二极管PD 214/314中光生的图像电荷电子被转移到浮动扩散部FD 218/318之后，将转移信号TX 430关断，且光电二极管升压信号PDBOOST 428在时间T5处转变回先前的较低量值负电压。根据本发明的教示，在时间T6处，可对浮动扩散部的信号(SHS)448执行取样保持以获得像素单元的相关双取样(CDS)操作的第二值以从像素单元读出像素数据。
[0031] 图5是对根据本发明的教示具有非钉扎光电二极管的另一实例像素电路510的一部分的横截面图解说明，所述非钉扎光电二极管具有升压型光电二极管驱动。注意，像素电路510可以是图1的像素阵列102中的像素电路110或图2的像素电路210中的一个的另一实例，且下文所提及的具有类似名称及编号的元件被耦合且功能类似于上文的描述。还应了解，像素电路510与图3的像素电路310有许多类似性。
[0032] 举例来说，如图5中所描绘的实例中所展示，像素电路510包含安置于半导体材料536中的非钉扎光电二极管PD 514。在一个实例中，半导体材料536包含硅的n掺杂外延(EPI)层或p掺杂外延层。在操作中，非钉扎光电二极管PD适于在包含像素电路510的图像传感器的图像捕获的曝光期间响应于入射光550而光生电荷载流子。在所描绘的实例中，注意，入射光550被引导穿过半导体材料536的后侧表面552。在一个实例中，半导体材料536被安置成接近于硅衬底538。浮动扩散部FD 518安置于半导体材料536中且经耦合以接收响应于入射光550而在非钉扎光电二极管PD 514中光生的电荷载流子。转移晶体管(在图5中被图解说明为具有转移栅极516)安置于半导体材料536中且耦合于非钉扎光电二极管PD 514与浮动扩散部FD 518之间。如所描绘的实例中所展示，转移晶体管的转移栅极516经耦合以响应于转移信号TX 530而经接通以将在非钉扎光电二极管PD 514中光生的电荷载流子转移到浮动扩散部FD 318。
[0033] 如所描绘的实例中所展示，像素电路510还包含升压电容器CBST 526，升压电容器CBST 526安置于半导体材料536的表面554上方、接近于非钉扎光电二极管PD 514。在实例中，表面554是半导体材料536的前侧表面。根据本发明的教示，在操作中，在转移晶体管516经接通以将在非钉扎光电二极管PD 514中光生的电荷载流子进一步驱动到浮动扩散部FD 518时，升压电容器CBST 526经耦合以接收光电二极管升压信号PD BOOST 528。在一个实例中，隔离区540安置于半导体材料536中、接近于非钉扎光电二极管PD 514且与转移晶体管
516相对，使得非钉扎光电二极管PD 514在半导体材料536中安置于隔离区540与转移晶体管516之间。在所描绘的实例中，隔离区540包含浅沟槽隔离(STI)结构。
[0034] 还如在所描绘的实例中所展示，STI结构隔离区540还包含完全安置于隔离区540内的
多晶硅区542。根据本发明的教示，在转移晶体管516被接通时且在升压电容器CBST 526经耦合以接收光电二极管升压信号STI BOOST 544以将在非钉扎光电二极管PD 514中光生的电荷载流子进一步驱动到浮动扩散部FD 518时，多晶硅区542经耦合以接收隔离升压信号544。实际上，如下文将更详细地论述，隔离区540内的多晶硅区542通过施加正脉冲在短期内隔离升压电容器CBST 526与接地。根据本发明的教示，在这样做时，升压电容器CBST 526可更有效地使非钉扎光电二极管PD 514升压。根据本发明的教示，在所描绘的实例中，半导体材料536中还包含掩埋隔离区544，掩埋隔离区544位于隔离区540下方(如所展示)以提供像素单元510的进一步隔离。
[0035] 图6是图解说明根据本发明的教示具有非钉扎光电二极管的像素电路的另一实例的信号的一个实例的时序图，所述非钉扎光电二极管具有升压型光电二极管驱动。注意，可将图6中所描述的实例信号施加到图1的像素阵列102中的像素电路110、图2的像素电路210或图5的像素电路510，且下文所提及的具有类似名称及编号的元件被耦合且功能类似于上文的描述。如图6中所描绘的实例中所展示，在时间T1处，复位RST 632信号被脉冲调制，其接通复位晶体管232以将浮动扩散部FD 218/518中的电荷复位。在时间T2处，在浮动扩散部的复位(SHR)646之后，可执行取样保持以获得像素单元的相关双取样(CDS)操作的第一值。在获得浮动扩散部FD 218/518中的复位值的取样保持之后，在时间T3处接通转移信号TX
630以接通转移晶体管216/516以开始将在非钉扎光电二极管PD 214/514中光生的图像电荷转移到浮动扩散部FD 218/518。
[0036] 当转移信号TX 630接通时，在时间T4处，光电二极管升压信号PD BOOST 628从负电压转变为更高量值负电压，如所展示。另外，在时间T4处，隔离升压信号STI BOOST 644从负电压转变为正电压(如所展示)，同时转移信号TX 630被接通，且同时升压电容器CBST 226/526经耦合以接收具有经增大量值负电压的光电二极管升压信号PD BOOST 628以将在非钉扎光电二极管PD 214/514中光生的电荷载流子进一步驱动到浮动扩散部FD 218/518。
根据本发明的教示，在这样做时，时间T4处的更高量值电压与施加到具有隔离升压信号STI BOOST 644的多晶硅区542的正脉冲结合而被施加到升压电容器CBST 226/326以将在非钉扎光电二极管PD 214/514中光生的图像电荷电子进一步吸引并驱动到浮动扩散部FD 218/
518。如上文所述，隔离区540内的多晶硅区542通过施加隔离升压信号STI BOOST 644的正脉冲在短期内隔离升压电容器CBST 526与接地。根据本发明的教示，在这样做时，升压电容器CBST 526可在时间T4处利用光电二极管升压信号PD BOOST 628的负脉冲更有效地使非钉扎光电二极管PD 514升压。
[0037] 继续所描绘的实例，于在非钉扎光电二极管PD 214/514中光生的图像电荷电子被转移到浮动扩散部FD 218/518之后，在时间T5处，转移信号TX 630被关断，光电二极管升压信号PD BOOS 628转变回为先前的较低量值负电压，且隔离升压信号STI BOOST 644转变回为负电压。根据本发明的教示，在时间T6处，可执行浮动扩散部的信号(SHS)448的取样保持以获得像素单元的相关双取样(CDS)操作的第二值以从像素单元读出像素数据。
[0038] 对本发明的所图解说明实施例的以上描述(包含发明
摘要中所描述的内容)并不打算具穷尽性或将本发明限制于所揭示的精确形式。虽然本文中出于说明性目的而描述本发明的具体实施例及实例，但相关领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种
修改。
[0039] 可鉴于以上详细描述对本发明做出这些修改。以下所附
权利要求书中所使用的术语不应被理解为将本发明限制于说明书中所揭示的具体实施例。而是，本发明的范围将完全由以下权利要求书来确定，所述权利要求书将根据所创建的权利要求解释原则来加以理解。
