专利名称：同步曝光的红/绿像素及改进的调制传递函数的制作方法
技术领域：
本发明涉及CMOS像素，更具体地说涉及一种响应红绿光的CMOS像素和一种用于分离红绿光信号的方法。
背景技术：
像素用在图像传感器中将光图像转换成电信号。由于通常需要从这些光图像中提取色彩信息，这些像素需要具有一个用于检测各种颜色并将它们分离成不同的电信号的装置。
Cathey，Jr.的美国专利No.6417950B1描述了一种在数字成像系统中增加色彩分辨率和质量的装置，其临时调制红、绿及蓝色光线，检测在每个像素的这三个颜色及带通滤掉该检测到的光线以提取红绿蓝光的值。
Eom等的美国专利No.6359323 B1描述了用于制作色彩图像传感器的方法。
Merrill等的美国专利No.6150683描述了一种减少蓝色信号噪音的COMS基色像素。
Fossum等的美国专利No.6137100描述一种主动像素传感器(active pixelsensor)，其具有分离的像素区、每个像素区分别感测红、绿、蓝的不同原色。
Kouzaki等的美国专利No.5999279描述了一种具有调制传递函数(MTF)校正单元的图像成形装置。
Liu的美国专利No.5962906描述了一种色彩传感器，其采用了一个具有许多吸收并感测不同光线颜色的色彩传感区的色彩传感层。
Stevens的美国专利No.5703642描述了一种用以改进MTF，即调制传递函数的定时方法。
发明内容
像素用于成像器中将光图像转换成合适的电信号。该像素响应于诸如光线辐射的输入信号，辐射改变存储在逆偏压PN结中的电荷。在形成彩色图像中，必须使用一种装置以获得分离的和诸如红、绿及蓝色的入射光辐射的各种光谱元素相关的电信号。各种方法被用来完成这种电信号的分离，例如滤色器或红、绿及蓝色光辐射的分离像素。能够不使用滤色器而从单一像素中分离出红和绿色信号同时获得改进的调制传递函数MTF及分辨率是非常有利的。
在像素中的红色信号源于在像素表面下方深处产生的空穴电子对的PN结处积累的电荷。在该深度，由于未耗尽区导致的电场缺少，在载流子(carrier)未被聚集之前允许载流子在附近像素之间横向扩散，导致红色信号的分辨率缺失或调制传递函数MTF衰减。该问题对红光信号是最严重的，同时对绿信号也是很显著的。
本发明一个主要目的是提供一种不使用滤色器而分离红色和绿色输入信号，同时获得改进的调制传递函数及分辨率的方法。
本发明另一个主要目的是提供一种可不使用滤色器而分离红色和绿色输入信号。同时获得改进的调制传递函数及分辨率的主动像素传感器。
这些目的通过在一个P型外延硅基片上形成比典型像素的N型井更深的深N型井来实现。接着，许多P型井被形成在该深N型井中，以为每个P型井形成一个像素。接着在每个P型井中形成一个N+区，而在该深N型井中形成一P+区。该深N型井达到这样的深度，以致该深N型井和P型外延基片之间的PN结处积累的电荷是源于该入射在像素上的红光。该P型井达到这样的深度，以致该深N型井和P型井之间的PN结处积累的电荷是源于该入射在像素上的组合在一起的红绿光。
本发明利用P型井和深N型井之间的PN结处积累的电荷来确定红色和绿色两者的信号。这是通过在其深N型井正在浮置的电荷积累期(chargeintegration period)之后，测量P型井和深N型井之间的电位，从而确定每个P型井和深N型井之间的接合处的红/绿信号来完成的。绿信号是通过在电荷积累期抑制红信号来确定的。该红信号抑制是通过在深N型井保持一个固定电位的电荷积累期之后测量P型井和深N型井之间的电位来完成的，由此抑制红光并确定绿光信号。然后通过从红/绿信号中减去绿信号确定一个红信号。由于该红光信号是由P型井和P型井之间的PN结处积累的电荷而不是深N型井和基片之间的接合处积累的电荷确定，有效的改进了该红信号的调制传递函数MTF或分辨率。
本发明可利用下列事实人类感觉红信号仍为红信号，人类感觉绿信号仍为绿信号，而人类感觉红绿信号的混合仍为红信号。在某些情况下，该红/绿信号可被作为一个红信号，因为人类感觉红绿信号的混合仍为红信号。
本发明描述的所有接合处在标准深度的亚微米CMOS处理中是可用的。
本发明也可使用形成于N型外延基片上的深P型井来实现。在这种情况下，P+区替代N+区、N+区替代P+区。
图1示出了形成在基片上的本发明的两个像素的截面图。
图2示出了本发明方法的流程图。
具体实施例方式
参照图1对了本发明的红色和绿色像素的说明。图1示出了一种形成在P型硅片10上的深N型井18，典型地，P型硅片为P型外延硅基片(epitaxialsubstrate)。许多P型井20形成在深N型井中。任何数量的P型井20可以形成在深N井18中，但图1所示的该实施例只描述了两个这样的P型井20。每个P型井20都被用作像素中的传感器节点。如图1所示，在每个P型井20中形成N+区22，用于电接触。在深N井18中形成P+区28，用于电接触。深N井18的深度32是这样的深度，以致深N型井18和P型基片10之间的PN结处积累的电荷是源于产生在大约在1.0和3.0微米之间深度的空穴电子对的。在这个例子中，深N型井18的深度32大约在1.0和3.0微米之间。P型井20的深度30是这样的深度，以致第一P型井20和深N型井18之间的PN结处积累的电荷是源于产生在每个P型井20附近的大约在0.1和0.65微米之间深度的空穴电子对的。在这个例子中，P型井20的深度30大约在0.1和0.65微米之间。产生在每个P型井20附近的大约在0.65和1.0微米之间深度的空穴电子对，对每个P型井20和深N型井18之间的PN结处积累的电荷以及深N型井18和P型基片10之间的PN结处积累的电荷都起作用。
这种结构导致每个P型井20和深N型井18之间的PN结处积累的电荷源于由红色和绿色光线产生在每个P型井20附近的空穴电子对。深N型井18和P型基片10之间的PN结处积累的电荷将是源于红光产生的空穴电子对的。
在本发明中，该P型井20被用作该像素的传感器节点。这就需要在每个P型井20都将红和绿的信号分离。这通过在部分的电荷积累期期间抑制红信号来完成。如果该深N型井18在部分的电荷积累期期间有一个充分的正偏压提供，其将起到在那一部分的电荷积累期期间由红光产生的空穴电子对的载流子漏极(carrier drain)的作用，每个该P型井20和深N型井18之间的PN结处积累的电荷只源于在每个P型井20附近的绿光的量，而通过确定每个P型井20和深N型井18之间的电位可将绿信号从每个P型井20中提取出来。如果听任该深N型井18和P型井20在那一部分的电荷积累期期间浮置，则P型井20的电位将直接被深N型井18的电位影响，并且每个P型井20和深N型井18之间的PN结处积累的电荷将源于在每个像素附近的绿光及红光两者的量。通过确定每个P型井20和深N型井18之间的电位可将红/绿信号从每个P型井20中提取出来。从每个P型井20的绿/红信号中减掉绿信号可得到红信号。
本发明可利用下列事实人类感觉红信号仍为红信号，人类感觉绿信号仍为绿信号，而人类感觉红绿信号的混合仍为红信号。在某些情况下，该红/绿信号可被用作一红信号，因为人类感觉红绿信号的混合仍为红信号。
下面将参照图1和2，对获得红/绿分离的方法作出描述。在该方法中，每个P型井20和深N型井18之间的电位通过仅仅测量每个P型井20和P型基片10之间的电位来确定，其典型为接地电位。这减少了所需的像素电极数并改进了像素的填充系数。图1示出了该像素的截面图，而图2示出了该方法的流程图。也可根据需要来测量在每个P型井20和深N型井18之间的电位。
为获得红/绿光信号，通过将每个P型井20和基片10之间的电位设定为第一电压V1及将深N型井18和基片10之间的电位设定为第二电压V2来将像素复位。P型井20和深N型井18然后被电隔离，并且源于绿光和红光产生的空穴电子对的电荷在电荷积累期间被积聚在每个P型井20和深N型井18之间的PN结处。接着深N型井18和基片10之间的电位被设定为一个固定的电压，V0，并且测量该每个P型井20和基片10之间的电位。接着，每个P型井20和深N型井18之间的电位可通过减去该固定电压V0被确定。在电荷积累期结束时，每个P型井20和深N型井18之间的电位被用来确定每个P型井20的红/绿信号。
为提供绿信号，通过将每个P型井20和基片10之间的电位设定为第一电压V1及将深N型井18和基片10之间的电位设定为第二电压V2来将像素复位。P型井20然后被电隔离，而将深N型井18和基片10之间的电位在另一电荷积累期维持在第三电压V3。该第三电压V3在正向上足够大，以致使其作为由红光在电荷积累期间产生的空穴电子对的载流子漏极，而积聚在每个P型井20和深N型井18之间的PN结处的电荷只源于每个P型井附近的绿光的量。在电荷积累期结束时，测量该每个P型井和该基片10之间的电位，同时将深N型井18和基片10之间的电位维持在该第三电压V3。在电荷积累期结束时，每个P型井20和深N型井18之间的电位随后可通过从每个P型井和基片10之间的电位减去该第三电压V3被确定下来。在电荷积累期结束时，每个P型井20和深N型井18之间的电位被用来确定每个P型井20的绿信号。
确定红/绿信号和绿信号的顺序无关紧要。通过复位像素、隔离P型井20和深N型井18、执行一个电荷积累期、设定深N型井18和基片10之间的电位为一固定电位、测量每个P型井20和基片10之间的电位、确定每个P型井20和深N型井18之间的电位及确定在每个P型井20的红/绿信号来确定红/绿信号。通过复位像素、隔离P型井20、设定深N型井18和基片10之间的电位为一固定电位、执行一个电荷积累期、维持深N型井18和基片10之间的电位为一固定电位、测量每个P型井20和基片10之间的电位、确定每个P型井20和深N型井18之间的电位以及确定绿信号来确定绿信号。如果希望的话，所述方法还可以用来只确定一个红信号或只确定一个红/绿信号。
在电荷积累期结束时，每个P型井20和深N型井18之间的电位被用于确定每个P型井20的绿/红信号。在另一电荷积累期结束时，每个P型井20和深N型井18之间的电位被用于确定每个P型井20的绿信号。每个P型井20的红信号随后可通过从每个P型井20的红/绿信号减去每个P型井20的绿信号而获得。
典型地，复位晶体管，未被示出，被用于像素的复位操作中。在这种情况下，一个复位晶体管被连接在形成于每个P型井20中的每个N+区22和电压源之间，而另一个复位晶体管被连接在形成于深N型井18中的P+区28和电压源之间。连接在形成于深N型井18中的P+区28和电压源之间未被示出的晶体管也可用于将深N型井18维持在一个固定电位。
如果源于(due to)由红光产生的空穴电子对而在深N型井18和P型基片10之间的PN结处产生的信号被用于确定红信号，该红信号将遍布深N型井18和P型基片10之间的所有接合处，并将提供一具低分辨率的红光信号。由于只有在每个P型井20和深N型井18之间的PN结处积累的电荷被用于提取红和绿信号，根据本发明的像素和方法将会显著地改进该像素的调制传递函数MTF或分辨率。
本领域技术人员将意识到本发明也可用N型基片10，典型为N型外延基片来替代典型为P型外延基片的P型基片10，以深P型井18替代深N型井18，以N型井20替代P型井20，以P+区22替代N+区22，以N+区28替代P+区28，参见图1。在这种场合，任何两点间的电位极性将会反转。
本发明描述的所有接合处在标准深度的亚微米CMOS处理中均可用。
虽然本发明参照其实施例被特定示出并描述，但本领域技术人员应当理解可以作出不脱离本发明精神和范围的各种形式和细节的修改。
权利要求
1.一种从主动像素传感器提取红和绿信号的方法，包括提供一个像素，其包括一个P型硅基片，一个形成于所述基片中的深N型井，许多形成于所述深N型井中的P型井，形成于每个所述P型井中的N+区，形成于所述深N型井中的P+区，其中所述深N型井具有大约等于由红光产生在硅片中的空穴电子对深度的第一深度，而每个所述P型井具有一个大约等于由绿光产生在硅片中的空穴电子对深度的第二深度；复位每个所述P型井和所述基片之间的电位为一个第一电压并复位所述深N型井和所述基片之间的电位为一个第二电压、在每个所述P型井和所述深N型井之间的PN结处积累电荷、确定每个所述P型井和所述深N型井之间的电位，然后，电隔离所述P型井和所述深N型井，其中，每个所述P型井和所述深N型井之间的电位在每个所述P型井处提供一个红/绿信号；复位每个所述P型井和所述基片之间的电位为所述第一电压并复位所述深N型井和所述基片之间的电位为所述第二电压、在每个所述P型井和所述深N型井之间的PN结处积累电荷、并且确定每个所述P型井和所述深N型井之间的电位，然后，电隔离所述P型井并将所述深N型井维持在一个第三电压，其中，每个所述P型井和所述深N型井之间的电位在每个所述P型井处提供一个绿信号；以及通过从每个所述P型井处的所述红/绿信号中减去在那个所述P型井处所述绿信号来确定每个所述P型井处的红信号。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一、第二和第三电压都大于零。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述确定每个所述P型井和所述深N型井之间的电位，包括确定每个所述P型井和所述基片之间的电位，同时维持所述深N型井和所述基片之间的电位为一个第四电压，并从每个所述P型井和所述基片之间的电位减去该第四电压。
4.一种从主动像素传感器提取红和绿信号的方法，包括提供一个像素，其包括一个N型硅基片，一个形成于所述基片中的深P型井，许多形成于该深P型井中的N型井，形成于每个所述N型井中的P+区，形成于所述深P型井中的N+区，其中所述深P型井具有大约等于由红光产生在硅片中的空穴电子对深度的第一深度，而每个所述N型井具有一个大约等于由绿光产生在硅片中的空穴电子对深度的第二深度；复位每个所述N型井和所述基片之间的电位为一个第一电压并复位每个所述深P型井和所述基片之间的电位为一个第二电压、在每个所述N型井和所述深P型井之间的PN结处积累电荷、确定每个所述N型井和所述深P型井之间的电位，然后，电隔离所述N型井和所述深P型井，其中，每个所述N型井和所述深P型井之间的电位在该所述N型井处提供一个红/绿信号；复位每个所述N型井和所述基片之间的电位为所述第一电压并复位每个所述深P型井和所述基片之间的电位为所述第二电压、在每个所述N型井和所述深P型井之间的PN结处积累电荷、并且确定每个所述N型井和所述深P型井之间的电位，然后，电隔离所述N型井并将所述深P型井维持在一个第三电压，其中，每个所述N型井和所述深P型井之间的电位在该所述N型井处提供一个绿信号；以及通过从每个所述N型井处的所述红/绿信号中减去在该所述N型井处所述绿信号来确定每个所述N型井处的红信号。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述第一、第二和第三电压都小于零。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述确定每个所述N型井和所述深P型井之间的电位的步骤包括确定每个所述N型井和所述基片之间的电位，同时维持所述深P型井和所述基片之间的电位为一个第四电压，并从每个所述N型井和所述基片之间的电位减去该第四电压。
7.一种从主动像素传感器提取红和绿信号的方法，包括提供一个像素，其包括一个P型硅基片，一个形成于所述基片中的深N型井，许多形成于所述深N型井中的P型井，形成于每个所述P型井中的N+区，形成于所述深N型井中的P+区，其中所述深N型并具有大约等于由红光产生在硅片中的空穴电子对深度的第一深度，而每个所述P型井具有一个大约等于由绿光产生在硅片中的空穴电子对深度的第二深度；在第一复位期期间，复位每个所述P型井和所述基片之间的电位为一第一电压并复位所述深N型井和所述基片之间的电位为一第二电压；电隔离所述P型井和所述深N型井，在第一电荷积累期间在每个所述P型井和所述深N型井之间的PN结处积累电荷，其中所述第一电荷积累期紧跟所述第一复位期之后；确定在所述第一电荷积累期结束时每个所述P型井和所述深N型井之间的电位；在第二复位期期间，复位每个所述P型井和所述基片之间的电位为一第一电压并复位所述深N型井和所述基片之间的电位为一第二电压；在第二电荷积累期期间，电隔离所述P型井并将所述深N型井和所述基片之间的电压维持在一个第三电压，并在每个所述P型井和所述深N型井之间的PN结处积累电荷，其中所述第二电荷积累期紧跟所述第二复位期之后；确定在所述第二电荷积累期结束时每个所述P型井和所述深N型井之间的电位；确定在每个所述P型井的红/绿信号，其中，在每个所述P型井的红/绿信号是在所述第一电荷积累期结束时所述P型井和所述深N型井之间的电位；确定在每个所述P型井的绿信号，其中，在每个所述P型井的绿信号是在所述第二电荷积累期结束时所述P型井和所述深N型井之间的电位；和通过从所述P型井处的所述红/绿信号中减去在每个所述P型井处所述绿信号来确定每个所述P型井处的红信号。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述第一深度大约在1.0和3.0微米之间。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述第二深度大约在0.1和0.65微米之间。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述第一、第二和第三电压都大于零。
11.如权利要求7所述的方法，其中所述第二电压等于所述第三电压。
12.如权利要求7所述的方法，其中所述确定在所述第一电荷积累期结束时每个所述P型井和所述深N型井之间的电位的步骤包括隔离所述P型井并设定所述深N型井和所述基片之间的电位为一第四电压，确定每个所述P型井和所述基片之间的电位，并从每个所述P型井和所述基片之间的电位减去该第四电压。
13.如权利要求7所述的方法，其中所述第四电压等于所述第三电压。
14.如权利要求7所述的方法，其中所述确定在所述第二电荷积累期结束时每个所述P型井和所述深N型井之间的电位的步骤包括隔离所述P型井并维持所述深N型井和所述基片之间的电位为所述第三电压，确定每个所述P型井和所述基片之间的电位，并从每个所述P型井和所述基片之间的电位减去该第三电压。
15.一种从主动像素传感器提取红和绿信号的方法，包括提供一个像素，其包括一个N型硅基片，一个形成于所述基片中的深P型井，许多形成于所述深P型井中的N型井，形成于每个所述N型井中的P+区，形成于所述深P型井中的N+区，其中所述深P型井具有大约等于由红光产生在硅片中的空穴电子对深度的第一深度，而每个所述N型井具有一大约等于由绿光产生在硅片中的空穴电子对深度的第二深度；在第一复位期期间，复位每个所述N型井和所述基片之间的电位为一第一电压并复位所述深P型井和所述基片之间的电位为一第二电压；电隔离所述N型井和所述深P型井，在第一电荷积累期间在每个所述N型井和所述深P型井之间的PN结处积累电荷，其中所述第一电荷积累期紧跟所述第一复位期之后；确定在所述第一电荷积累期结束时每个所述N型井和所述深P型井之间的电位；在第二复位期期间，复位每个所述N型井和所述基片之间的电位为一第一电压并复位所述深P型井和所述基片之间的电位为一第二电压；在第二电荷积累期期间，电隔离所述N型井并将所述深P型井和所述基片之间的电压维持在一个第三电压，并在每个所述N型井和所述深P型井之间的PN结处积累电荷，其中所述第二电荷积累期紧跟所述第二复位期之后；确定在所述第二电荷积累期结束时每个所述N型井和所述深P型井之间的电位；确定在每个所述N型井的红/绿信号，其中，在每个所述N型井的红/绿信号是在所述第一电荷积累期结束时所述N型井和所述深P型井之间的电位；确定在每个所述N型井的绿信号，其中，在每个所述N型井的绿信号是在所述第二电荷积累期结束时所述N型井和所述深P型井之间的电位；和通过从所述N型井处的所述红/绿信号中减去在每个该N型井处所述绿信号来确定每个所述N型井处的红信号。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述第一深度大约在1.0和3.0微米之间。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述第二深度大约在0.1和0.65微米之间。
18.如权利要求15所述的方法，其中所述第一、第二和第三电压都小于零。
19.如权利要求15所述的方法，其中所述第二电压等于所述第三电压。
20.如权利要求15所述的方法，其中所述确定在所述第一电荷积累期结束时每个所述N型井和所述深P型井之间的电位的步骤包括隔离所述N型井并设定所述深P型井和所述基片之间的电位为一第四电压，确定每个所述N型井和所述基片之间的电位，并从每个所述N型井和所述基片之间的电位减去该第四电压。
21.如权利要求15所述的方法，其中所述第四电压等于所述第三电压。
22.如权利要求15所述的方法，其中所述确定在所述第二电荷积累期结束时每个所述N型井和所述深P型井之间的电位的步骤包括隔离所述N型井并维持所述深P型井和所述基片之间的电位为所述第三电压，确定每个所述N型井和所述基片之间的电位，并从每个所述N型井和所述基片之间的电位减去该第三电压。
23.一种像素，包括一个P型硅基片；一个形成于所述基片上的深N型井，其中所述深N型井具有一个第一深度，并且其中所述第一深度大约等于由红光产生在硅片中空穴电子对的深度；许多形成于所述深N型井中的P型井，其中所述每个所述P型井具有一个第二深度，并且其中所述第二深度大约等于由绿光产生在硅片中空穴电子对的深度；一个形成于每个所述P型井中的N+区；以及一个形成于所述深N型井中的P+区。
24.如权利要求23所述的像素，其中所述P型基片是一种P型外延硅基片。
25.如权利要求23所述的像素，其中所述第一深度大约在1.0和3.00微米之间。
26.如权利要求23所述的像素，其中所述第二深度大约在0.1和0.65微米之间。
27.一种像素，包括一个N型硅基片；一个形成于所述基片上的深P型井，其中所述深P型井具有一个第一深度，并且其中所述第一深度大约等于由红光产生在硅片中的空穴电子对的深度；许多形成于所述深P型井中的N型井，其中所述每个所述N型井具有第二深度，并且其中所述第二深度大约等于由绿光产生在硅片中的空穴电子对的深度；一个形成于每个所述N型井中的P+区；以及一个形成于所述深P型井中的N+区。
28.如权利要求27所述的像素，其中所述N型基片是一种N型外延硅基片。
29.如权利要求27所述的像素，其中所述第一深度大约在1.0和3.00微米之间。
30.如权利要求27所述的像素，其中所述第二深度大约在0.1和0.65微米之间。
全文摘要
本发明说明一种用于检测红光和蓝光的单个像素。该像素包括一形成在一P型外延硅基片上的深N型井。许多P型井形成在深N型井中。这些P型井的使用改进了调制传递函数。该深N型井的深度大约等于由红光产生在硅片中的空穴电子对的深度。而P型井的深度大约等于由绿光产生在硅片中的空穴电子对的深度。通过确定在P型井和深N型井被隔离时一个电荷积累循环后每个P型井和深N型井之间的电位在每个P型井中确定红/绿信号。通过确定在P型井被隔离且深N型井保持在固定的正电压时一个电荷积累循环后每个P型井和深N型井之间的电位在每个P型井中确定绿信号。每个P型井中的红信号通过从每个P型井中的红/绿信号中减去该P型井中的绿信号被确定。
文档编号H04N9/04GK1684267SQ200410079428
公开日2005年10月19日 申请日期2004年4月14日 优先权日2004年3月31日
发明者塔纳·多斯洛格鲁, 迈克尔·H·布里尔 申请人:戴洛格半导体公司