CN101038927A - 具有高填充系数像素的图像传感器及形成图像传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器，包括：衬底中的光电转换元件的阵列，该光电转换元件被设置在分别在第一方向和第二方向中延伸的行和列中；衬底中的多个第一结隔离区，每个隔离公共行的相邻光电转换元件的侧部，以及衬底中的多个第二结隔离区，每个隔离公共列的相邻光电转换元件的侧部；以及衬底中的多个介质隔离区，每个隔离相邻光电转换元件的拐角部分。在一个实施例中，光电转换元件在第一方向上具有第一间隔，并在第二方向上具有第二间隔，其中对于公共行的光电转换元件来说该第一间隔基本上相同，并且其中对于公共列的光电转换元件来说该第二间隔基本上相同。

Description

具有高填充系数像素的图像传感器及形成图像传感器的方法
相关申请
本申请是2006年7月7日提交的美国专利申请No.11/482,172的继续申请，并且是2006年7月7日提交的美国专利申请No.11/481,733的继续申请，在此将其全部内容引入作为参考。本申请根据35U.S.C.119要求2006年3月10日提交的韩国专利申请No.10-2006-0022726的优先权，在此将其全部内容引入作为参考。
技术领域
半导体图像传感器件在多种应用中例如数字照相机、摄像机、打印机、扫描仪等中广泛用于捕捉图像。这种设备包括图像传感器，该图像传感器捕捉光学信息并将光学信息转化为电信号，然后处理、存储该电信号，或者将该电信号处理为导致将所捕获的图像投射到显示器或者打印介质上。
背景技术
通常有两种类型广泛使用的图像传感器器件：电荷耦合器件(CCD)以及CMOS图像传感器(CIS)器件。CCD图像传感器操作为低噪声并具有高一致性，但是通常需要较高的功率消耗和低于CIS器件的操作速度。当图像传感器在便携式电子器件例如包括集成的数字照相机的无线电话中使用时，较低功率消耗和较高速度性能的特性是重要的因素。在这种应用中，相比于CCD器件，CIS器件变为优选的选择。
CIS器件包括有源像素传感器(APS)阵列，其包括光电转换元件的二维阵列、生成用于读取来自APS的信号的定时信号的定时生成器、用于选择用来读取的像素的行驱动器、用于在所选择的像素的输出信号上执行校正的双采样过程的校正双采样(CDS)单元，用于比较CDS校正的信号与基准信号的比较器、用于将由比较器输出的模拟信号转换为数字信号的模数转换器、用于将所转换的数字信号转换为数字图像信号的数字信号处理器(DSP)、以及接收来自输出设备的命令并且将数字图像信号输出到输出设备的接口。在不同的结构中，DSP处理器可以与CIS单元集成，或者设置在与CIS单元物理地分开的设备上。
同时，高质量CIS器件，APS的每一单元像素包括光电转换元件，例如光电二极管或光栅，用于收集入射信号的能量，以及三个或者四个读取晶体管，取决于技术类型。在具有四个晶体管的CIS器件中，读取晶体管包括转移晶体管、选择晶体管、驱动晶体管和重置晶体管。读取晶体管操作为管理并转移在光电转换元件接收的能量，以将相应的数据提供到用于图像处理的器件。在APS像素阵列上形成微透镜阵列，每个微透镜对应于阵列的像素，用于将入射能量聚积在相应的光电转换元件上。
随着朝向进一步的半导体器件集成的持续趋势，以及随着在成像器件的解析度上的期望增长，器件“填充系数”越来越重要。成像器件的“填充系数”是器件的像素的光电转换元件的面积与设计为像素的总器件面积的比。期望较大的填充系数，由于这等同于用于光信号的实际光电转换的器件的可用有源区，以及较少的可用有源区用于信号的读取。由于CIS器件需要每单位像素三个或者四个的读取元件，CIS器件具有比CCD器件低的填充系数。由于CIS器件的解析度增加，例如从每单位面积1百万像素至5百万像素，应当减小CIS器件中的单位像素的面积。然而，由于读取元件的晶体管组件的尺寸的最小化的限制，对于每个像素所需的三个或者四个读取元件的面积的进一步减小受到限制，因为随着较小的元件尺寸，噪声增大。因此，CIS器件的解析度增大，器件填充系数通常减小。
为了减轻在高解析度CIS器件中的相对低的填充系数，研发了共享型CIS传感器。在这种共享型器件中，相邻光电转换器件配置为共享一个或多个读取元件。这种共享结构对于改进器件填充系数是有效的，然而，该共享的结构还导致在器件上形成的微透镜和相应的光电转换元件之间的误对准的问题。这是由于传统的共享型CIS传感器可以具有相邻光电转换元件之间的不同间隔，由于在行方向中或者在行和列方向中的共享读取元件。此时，由于其制造的方式，微透镜阵列通常配置为在行和列方向中具有恒定的间隔。因此，在微透镜和像素阵列之间产生误对准，降低图像质量。
发明内容
本发明涉及图像传感器，其提供具有高填充系数的高解析度图像数据的优势。这部分地是通过共享型像素结构来实现的，该共享型像素结构具有在行方向上以恒定间隔排列并且在列方向上以恒定间隔排列的光电转换元件。以这种方式，获得微透镜对准，同时通过利用共享型器件结构获得较高的填充系数。
在一个方面，本发明涉及图像传感器，包括：衬底中的光电转换元件的阵列，该光电转换元件被设置在分别在第一方向和第二方向中延伸的行和列中；衬底中的多个第一结隔离区，每个隔离公共行的相邻光电转换元件的侧部，以及衬底中的多个第二结隔离区，每个隔离公共列的相邻光电转换元件的侧部；以及衬底中的多个介质隔离区，每个隔离相邻光电转换元件的拐角部分。
在一个实施例中，光电转换元件在第一方向上具有第一间隔，并在第二方向上具有第二间隔，其中对于公共行的光电转换元件来说第一间隔基本上相同，并且其中对于公共列的光电转换元件来说第二间隔基本上相同。
在另一实施例中，图像传感器还包括在光电转换元件上形成的微透镜阵列，该微透镜以行和列排列，每个微透镜具有与相应的光电转换元件对准的焦点，其中微透镜的焦点排列为分别在第一方向上具有第一间隔并在第二方向上具有第二间隔，它们与光电转换元件的第一间隔基本上相同。
在另一实施例中，第一间隔等于第二间隔。
在另一实施例中，光电转换元件包括在衬底中形成的光电有源区。
在另一实施例中，衬底包括外延层，并且其中光电转换元件包括在外延层中形成的光电有源区。
在另一实施例中，结隔离区包括使用杂质掺杂的衬底的区域。
在另一实施例中，介质隔离区包括设置在衬底中的部分介质绝缘材料。
在另一实施例中，以浅沟道隔离(STI)和硅的局部氧化(LOCOS)工序之一形成介质隔离区。
在另一实施例中，第一方向和第二方向包括彼此垂直的水平方向和垂直方向。
在另一实施例中，行和列的至少一个中的至少两个相邻光电转换元件共享公共光电有源区。
在另一实施例中，相邻光电转换元件每个包括由在其顶部和底部以及在其左部和右部的结隔离区所隔离的光电有源区，并且在结隔离区之间的其拐角部分的介质隔离区，介质隔离区之一被划分为两个介质隔离区段，通过该介质隔离区段，光电有源区连接到另一相邻光电转换元件，该两个介质隔离区段的第一个相邻于第一结隔离区以及该两个介质隔离区段的第二个相邻于第二结隔离区，以及公共光电有源区的连接部分通过第一和第二介质隔离区段延伸。
在另一实施例中，图像传感器还包括在有源区上的至少两个转移元件，其操作为将至少两个相邻光电转换元件的公共有源区分隔为第一和第二光电转换元件的第一和第二光电有源区。
在另一实施例中，公共行或列的两个相邻光电转换元件每个具有相应的转移元件，并且共享公共重置元件、选择元件和驱动元件。
在另一实施例中，至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区部分，并且其中选择元件和驱动元件形成在光电转换元件之一的拐角部分的公共隔离的有源区上。
在另一实施例中，公共行或列的两个相邻光电转换元件每个具有相应的转移元件和重置元件，并且共享公共选择元件和驱动元件。
在另一实施例中，至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件和驱动元件形成在光电转换元件之一的拐角部分的公共隔离的有源区上。
在另一实施例中，公共行或列的四个相邻光电转换元件每个具有对应的转移元件，并且共享公共重置元件、选择元件和驱动元件。
在另一实施例中，至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件和驱动元件形成在光电转换元件之一的拐角部分的不同的隔离的有源区上。
在另一实施例中，公共行或列的四个相邻光电转换元件每个具有对应的转移元件和重置元件，并且共享公共选择元件和驱动元件。
在另一实施例中，至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件和驱动元件形成在光电转换元件之一的拐角部分的不同的隔离的有源区上。
在另一实施例中，公共行或列的四个相邻光电转换元件每个具有对应的转移元件，并且共享公共重置元件、选择元件和驱动元件。
在另一实施例中，至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件和驱动元件形成在公共第一隔离的有源区上，并且其中重置元件形成在第二隔离的有源区上，该第二隔离的有源区与第一隔离的有源区分开，第一和第二隔离的有源区位于相应光电转换元件的拐角部分。
在另一实施例中，两个公共行和列的四个相邻光电转换元件每个具有对应的转移元件，并且共享公共重置元件、选择元件和驱动元件。
在另一实施例中，至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中重置元件、选择元件和驱动元件形成在光电转换元件的拐角部分的不同的隔离的有源区上。
在另一实施例中，至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件、驱动元件和重置元件中的两个形成在公共第一隔离的有源区上，并且其中选择元件、驱动元件和重置元件中的另一个形成在第二隔离的有源区上，该第二隔离的有源区与第一隔离的有源区分开，第一和第二隔离的有源区位于相应光电转换元件的拐角部分。
在另一实施例中，四个相邻光电元件共享公共光电有源区。
在另一实施例中，图像传感器还包括形成在光电转换元件上的微透镜阵列，该微透镜排列在行和列中，每个微透镜具有设置在相应光电转换元件上的焦点。
在另一实施例中，本发明涉及图像传感系统，包括：处理器，连接到数据总线，处理由图像传感器输出的图像数据信号；存储器，连接到数据总线，存储并检索由图像传感器输出的图像数据信号；以及图像传感器，连接到数据总线，生成图像数据信号，包括：衬底中的光电转换元件的阵列，该光电转换元件布置在分别在第一方向和第二方向中延伸的行和列中；衬底中的多个第一结隔离区，每个隔离公共行的相邻光电转换元件的侧部，以及衬底中的多个第二结隔离区，每个隔离公共列的相邻光电转换元件的侧部；以及衬底中的多个介质隔离区，每个隔离相邻光电转换元件的拐角部分，其中每个光电转换元件响应于在光电转换元件所接收的光子能量而生成电信号，该图像数据信号包括多个光电转换元件的输出信号。
在一个实施例中，该系统还包括下列的至少一个：媒质驱动器，连接到数据总线，在媒质上存储图像数据信号；以及输入设备，连接到数据总线，在该输入设备上控制信号被输入处理器，用于控制图像数据信号的处理；以及数据端口，连接到数据总线，用于将图像数据信号转移到外部设备。
在另一实施例中，光电转换元件在第一方向上具有第一间隔，并在第二方向上具有第二间隔，其中对于公共行的光电转换元件来说第一间隔基本上相同，并且其中对于公共列的光电转换元件来说第二间隔基本上相同。
在另一实施例中，该系统还包括在光电转换元件上形成的微透镜阵列，该微透镜以行和列排列，每个微透镜具有与相应的光电转换元件对准的焦点，其中微透镜的焦点排列为分别在第一方向上具有第一间隔并在第二方向上具有第二间隔，它们与光电转换元件的第一间隔基本上相同。
在另一实施例中，第一间隔等于第二间隔。
在另一实施例中，光电转换元件包括在衬底中形成的光电有源区。
在另一实施例中，衬底包括外延层，并且其中光电转换元件包括在外延层中形成的光电有源区。
在另一实施例中，结隔离区包括使用杂质掺杂的衬底的区域。
在另一实施例中，介质隔离区包括设置在衬底中的部分介质绝缘材料。
在另一实施例中，以浅沟道隔离(STI)和硅的局部氧化(LOCOS)工序之一形成介质隔离区。
在另一实施例中，第一方向和第二方向包括彼此垂直的水平方向和垂直方向。
在另一实施例中，行和列的至少一个中的至少两个相邻光电转换元件共享公共光电有源区。
在另一实施例中，相邻光电转换元件每个包括由在其顶部和底部以及在其左部和右部的结隔离区所隔离的光电有源区，以及在结隔离区之间的其拐角部分的介质隔离区，介质隔离区之一被划分为两个介质隔离区段，通过该介质隔离区段，光电有源区连接到另一相邻光电元件，该两个介质隔离区段的第一个相邻于第一结隔离区以及该两个介质隔离区段的第二个相邻于第二结隔离区，以及公共光电有源区的连接部分通过第一和第二介质隔离区段延伸。
在另一实施例中，在有源区上的至少两个转移元件，操作为将至少两个相邻光电转换元件的公共有源区分隔为第一和第二光电转换元件的第一和第二光电有源区。
在另一实施例中，公共行或列的两个相邻光电转换元件每个具有相应的转移元件，并且共享公共重置元件、选择元件和驱动元件。
在另一实施例中，至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区部分，并且其中选择元件和驱动元件形成在光电转换元件之一的拐角部分的公共隔离的有源区上。
在另一实施例中，公共行或列的两个相邻光电转换元件每个具有相应的转移元件和重置元件，并且共享公共选择元件和驱动元件。
在另一实施例中，至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件和驱动元件形成在光电转换元件之一的拐角部分的公共隔离的有源区上。
在另一实施例中，公共行或列的四个相邻光电转换元件每个具有对应的转移元件，并且共享公共重置元件、选择元件和驱动元件。
在另一实施例中，至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件和驱动元件形成在光电转换元件之一的拐角部分的不同的隔离的有源区上。
在另一实施例中，公共行或列的四个相邻光电转换元件每个具有对应的转移元件和重置元件，并且共享公共的选择元件和驱动元件。
在另一实施例中，至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件和驱动元件形成在光电转换元件之一的拐角部分的不同的隔离的有源区上。
在另一实施例中，公共行或列的四个相邻光电转换元件每个具有对应的转移元件，并且共享公共重置元件、选择元件和驱动元件。
在另一实施例中，至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件和驱动元件形成在公共第一隔离的有源区上，并且其中重置元件形成在第二隔离的有源区上，该第二隔离的有源区与第一隔离的有源区分开，第一和第二隔离的有源区位于相应光电转换元件的拐角部分。
在另一实施例中，两个公共行和列的四个相邻光电转换元件每个具有对应的转移元件，并且共享公共重置元件、选择元件和驱动元件。
在另一实施例中，至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中重置元件、选择元件和驱动元件形成在光电转换元件的拐角部分的不同的隔离的有源区上。
在另一实施例中，至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件、驱动元件和重置元件中的两个形成在公共第一隔离的有源区上，并且其中选择元件、驱动元件和重置元件中的另一个形成在第二隔离的有源区上，该第二隔离的有源区与第一隔离的有源区分开，第一和第二隔离的有源区位于相应光电转换元件的拐角部分。
在另一实施例中，四个相邻光电元件共享公共光电有源区。
在另一实施例中，形成在光电转换元件上的微透镜阵列，该微透镜排列在行和列中，每个微透镜具有设置在相应光电转换元件上的焦点。
在另一方面，本发明涉及一种形成图像传感器的方法，包括：在衬底中设置光电转换元件的阵列，该光电转换元件被设置在分别在第一方向和第二方向中延伸的行和列中；在衬底中设置多个第一结隔离区，每个隔离公共行的相邻光电转换元件的侧部，以及在衬底中设置多个第二结隔离区，每个隔离公共列的相邻光电转换元件的侧部；以及在衬底中设置多个介质隔离区，每个隔离相邻光电转换元件的拐角部分。
在一个实施例中，光电转换元件在第一方向上具有第一间隔，并在第二方向上具有第二间隔，其中对于公共行的光电转换元件来说第一间隔基本上相同，并且其中对于公共列的光电转换元件来说第二间隔基本上相同。
在另一实施例中，该方法还包括在光电转换元件上形成微透镜阵列，该微透镜以行和列排列，每个微透镜具有与相应的光电转换元件对准的焦点，其中微透镜的焦点排列为分别在第一方向上具有第一间隔并在第二方向上具有第二间隔，它们与光电转换元件的第一间隔基本上相同。
在另一实施例中，第一间隔等于第二间隔。
在另一方面，本发明涉及图像传感器的光电转换元件的阵列。在衬底中设置该元件。在阵列的行方向中和在阵列的列方向中，通过交替在衬底中的相邻结隔离区和衬底中的介质隔离区，各个光电转换元件与相邻的光电转换元件隔离。
在一个实施例中，结隔离区隔离相邻光电转换元件的侧部，以及介质隔离区隔离相邻光电转换元件的拐角部分。
在另一实施例中，光电转换元件在行方向上具有第一间隔，并在列方向上具有第二间隔，其中对于阵列的公共行的光电转换元件来说第一间隔基本上相同，并且其中对于阵列的公共列的光电转换元件来说第二间隔基本上相同。
附图说明
从如附图所示的本发明的优选实施例的更详细说明，本发明的上述和其他目标、特征和优势将显而易见，在附图中，相同参考标号在不同的附图中指示相同部件。附图不必按比例，而是重点放在说明本发明的原理上。
图1是根据本发明的实施例的CIS图像传感器的框图。
图2是根据本发明的实施例，图1的CIS图像传感器的APS阵列电路的原理图。
图3A和3B是根据本发明的实施例，图2的APS阵列电路的实施例的顶层布局视图。在图3A中，示出了APS阵列电路的像素光电转换元件，以及隔离相邻像素的相应隔离区的布局。在图9B中，额外地示出了对应于像素的读取元件的栅的布局。
图4A和4B是图2的APS阵列电路的局部视图，分别沿着图3A的截线4a-4a’和图3B的截线4b-4b’所取，说明根据本发明的实施例的形成成像器件的方法。
图5是根据本发明的实施例，图2的APS阵列电路的实施例的顶层布局视图，说明相对于像素的定位，在像素阵列上所形成的微透镜阵列的定位。
图6是根据本发明的实施例，沿着图5的截线6-6’所取的图5的APS阵列电路的截面图。
图7是根据本发明的实施例，沿着对应于像素的读取元件的栅的布局，图2的APS阵列电路的另一实施例的顶层布局视图，包括APS阵列电路的像素的光电转换元件的布局，以及隔离相邻像素的相应的隔离区。
图8是根据本发明的另一实施例的图1的CIS图像传感器的APS阵列电路的原理图。
图9A和9B是根据本发明的实施例，图8的APS阵列电路的实施例的顶层布局视图。在图9A中，示出了APS阵列电路的像素的光电转换元件，以及隔离相邻像素的相应隔离区的布局。在图9B中，额外地示出了对应于像素的读取元件的栅的布局。
图10是根据本发明，图8的APS阵列电路的另一实施例的顶层布局视图，沿着对应于像素的读取元件的栅的布局，包括APS阵列电路的像素的光电转换元件的布局，以及隔离相邻像素的相应的隔离区。
图11是根据本发明，沿着对应于像素的读取元件的栅的布局，图8的APS阵列电路的另一实施例的顶层布局视图，包括APS阵列电路的像素的光电转换元件的布局，以及隔离相邻像素的相应的隔离区。
图12是根据本发明，沿着对应于像素的读取元件的栅的布局，图8的APS阵列电路的另一实施例的顶层布局视图，包括APS阵列电路的像素的光电转换元件的布局，以及隔离相邻像素的相应的隔离区。
图13是根据本发明的系统的框图，该系统包括包含有根据上述实施例的APS阵列电路的图像传感器。
具体实施方式
现在将参照附图更具体地说明本发明，在附图中，示出本发明的优选实施例。然而，本发明可以以不同的形式实施，并且不应当被构建为限制于在此阐述的实施例。在整个说明书中相同标号指示相同元件。
现在将参照附图更详细地说明本发明，在附图中说明了本发明的优选实施例。然而，本发明可以以不同的形式来实施，并且不应被构造为限制于在此阐述的实施例。在整个说明书中，相同的参考标号指示相同的元件。
图1是根据本发明的实施例的CIS图像传感器的框图。参考图1，CIS图像传感器100包括有源像素传感器阵列(APS)10、时序发生器20、行解码器30、行驱动器40、校正双采样(CDS)单元50、模拟数字转换器(ADC)60、锁存器块70和列解码器80。APS 10包括单独可寻址的像素的阵列，每个包括光电转换元件，以及多个读取元件。读取元件包括转移元件、选择元件、驱动器元件和重置元件。在一个实施例中，光电转换元件包括光电二极管或光栅。在其他实施例中，读取元件包括晶体管。
图2是根据本发明的实施例，图1的CIS图像传感器的APS阵列电路的原理图。在图2的原理图中，在行和列方向上以二维阵列排列多个单位像素P_unit(i，j)。每个单位像素P_unit(i，j)包括第一和第二光电转换元件11a、11b、以及包括各个对应的第一和第二转移元件15a、15b的多个读取元件、以及共享的选择元件19、驱动元件17和重置元件18。在该结构中，两个相邻的光电转换元件每个具有相应的转移元件，并且每两个相应的光电转换元件/转移元件对共享公共选择元件19、驱动元件17和重置元件18。重置元件18连接在电源Vdd和耦合到两个转移元件15a、15b的输出的浮置扩散区FD之间，用于重置浮置扩散区FD。响应于重置信号RX(i)启动重置元件18，并且响应于第一和第二转移信号TX(i)a、TX(i)b启动转移元件15a、15b。选择元件19和驱动元件17串联在电源Vdd和输出信号线Vout(j)之间。响应于选择信号SEL(i)启动选择元件19，并且驱动元件17响应于存储在浮置扩散区FD中的电荷来驱动输出信号线Vout(j)。交替地启动转移元件15a、15b，以将所积聚的电荷从相应的光电转换元件11a、11b转移到浮置扩散区FD，并且最终转移到输出信号线Vout(j)。以这种方式，共享类型的CIS图像传感器通过利用共享类型的器件结构，获得较高的填充系数。本发明的实施例通过确保微透镜阵列和在下的光电子转换元件之间的对准，进一步改进了器件成像精度，如在下文详细说明。
图3A和3B是根据本发明，图2的APS阵列电路的实施例的顶层布局视图。在图3A中，示出了APS阵列电路的像素的光电转换元件，以及隔离相邻像素的相应隔离区的布局。在图3B中，额外地示出了对应于像素的读取元件的栅的布局。
参照图3A和3B，在本发明的示例性实施例中，通过配置器件使得在行方向中像素间的间隔P2基本上恒定，并且使得在列方向中的像素间的间隔P1基本上恒定，而获得微透镜阵列和在下的光电转换元件的对准。例如，在行方向上的间隔P2是指在行方向上的光电转换元件的有效中心Pc之间的距离，以及在列方向上的间隔P1是指在列方向上的光电转换元件的有效中心Pc之间的距离。在列和行方向的每一个上保持恒定的间隔P1、P2确保了可以容易地提供在列和行方向中的透镜之间相应微透镜阵列具有相应的周期性，同时确保微透镜阵列和在下的光电转换元件阵列的精确对准。尽管在本发明的实施例中，期望在行方向中的恒定间隔P2和在列方向中的恒定间隔P1，行方向中的间隔P2等于列方向中的间隔P1不是必须的，然而，这种相等的间隔P1＝P2在某些其中期望水平对垂直图像对称的应用中是优选的。
参照图3A和3B，在行和列方向上排列二维的APS像素阵列。每个像素包括光电转换元件。在行方向上相邻的光电二极管彼此电隔离。在行方向上的相邻光电二极管的中心具有恒定间隔P2。在列方向上的相邻光电转换元件11a、11b对共享公共连接的读取有源区C-RoA。在列方向上的相邻光电二极管的相邻对彼此电隔离。在列方向上的相邻光电二极管的中心具有恒定间隔P1，包括共享公共连接的读取有源区C-RoA的两个相邻光电二极管，以及彼此电隔离的相邻光电二极管。
在图3A和3B的例子实施例中，第一像素包括第一光电转换元件有源区PA_u1以及第二像素，该第二像素在列方向中相邻于第一像素并且包括第二光电转换元件有源区PA_u2。第一光电转换元件PA_u1和第二光电转换元件PA_u2一起包括像素单位P_unit，例如，对应于图2的像素单位P_unit(i，j)。像素单位P_unit(i，j)包括第一光电转换元件PA_u1、第二光电转换元件PA_u2、连接的读取有源区C-RoA以及隔离的读取有源区I-RoA。用于读取在光电转换元件PA_u1、PA_u2所积聚的电荷的读取元件定位在连接的读取有源区C-RoA和隔离的读取有源区I-RoA中。
在连接的读取有源区C-RoA处，连接公共像素单位P_unit的第一和第二光电转换元PA_u1、PA_u2。分别在连接的读取有源区C-RoA，第一和第二转移元件15a、15b的第一转移元件有源区TA1上的第一转移栅TG1和第二移元件有源区TA2上的第二转移栅TG2分别控制第一和第二光电转换元PA_u1、PA_u2和公共浮置扩散区FDA之间的电荷流。重置元件有源区RA上的重置元件18的共享的重置栅RG控制电源Vdd和公共浮置扩散区FDA之间的电荷的流，用于重置公共浮置扩散区FDA。
在隔离的读取有源区I-RoA中，定位由公共像素单位P_unit所共享的选择元件19和驱动元件17。驱动元件17还称为源极跟随元件。选择元件19的选择元件有源区SA上的共享选择栅SG与驱动元件17的驱动元件有源区SFA上的共享驱动栅SFG位于隔离的读取驱动区I-RoA之上。
公共像素单位P_unit的第一和第二光电转换元PA_u1、PA_u2通过隔离的形式，即介质隔离区(DIR)和结隔离区(JIR)，与相邻像素单位的相邻光电转换元件相隔离。DIR隔离的例子包括浅沟道隔离(STI)和硅的局部氧化(LOCOS)。在这种DIR隔离技术中，例如包含氧化物的材料的绝缘材料，被提供在沟槽中，该沟槽形成在器件衬底中到一定的深度，以确保相邻器件元件之间的隔离。在JIR隔离中，使用P或N掺杂物质将衬底的区域掺杂至某强度和深度，使得确保相邻器件元件之间的隔离。例如，在JIR隔离区中，例如，CIS光电转换元件通常包括形成为一定深度的器件衬底中的n型光电二极管，以及在n型光电二极管上形成p型区域。相邻光电转换元件的相邻n型光电二极管需要彼此隔离，因此，可以将例如硼或BF2的P型掺杂剂掺杂到足够的深度，用于覆盖n型光电二极管，以提供JIR隔离区。
DIR隔离的优势在于，它是对于各种读取元件的有效的隔离方案，在该例子中，所述各种读取元件包括第一和第二转移元件15a、15b以及共享的重置元件18、选择元件19和驱动元件17。然而，DIR隔离需要形成具有使用目前制造技术难以减小的宽度的沟槽。此外，在DIR隔离结构的沟槽的界面处，出现衬底缺陷，这可以导致由于热能量的暗电流的产生。因此，通常形成DIR隔离结构以包括杂质阱的缓冲区来围绕DIR隔离结构的沟槽，以确保在沟槽的衬底缺陷中产生的暗电流不传播超过DIR隔离结构。由图3A的参考标记S指示这种缓冲区。
由于此原因，JIR隔离对于隔离相邻光电源元件是有优势的，由于可以将隔离区的宽度形成为相对地小于DIR隔离结构的沟槽的比较性宽度。此外，JIR隔离结构不是衬底缺陷的源，因此，这种JIR隔离结构与DIR隔离结构相比，对暗电流的产生较小传导。因此对于JIR隔离结构来说，在DIR隔离结构的侧面所需的缓冲区S不是需要的，导致用于光电转换元件的增加的表面面积，并且因此对于所得器件的更大的填充系数。在行方向上延伸的JIR结构，例如图3b的JIR结构356a、356b和356g，具有可以通过制造工序的设计规则来限定的宽度Wc。相似地，在列方向上延伸的JIR结构，例如JIR结构356c、356d、356e和356f，具有可以通过制造工序的设计规则来限定的宽度W1。在特定实施例中，W1可以等于Wc，然而，这是可选的而不是必需的。
参照图3A和3B，可见在本实施例的本示例性结构中，光电转换元件PA_u1、PA_u2布置在衬底的分别在第一方向和第二方向中延伸的行和列中。
多个第一结隔离区JIR356a、356b、356g形成在衬底中，每个隔离公共行的相邻光电转换元件PA_u1、PA_u1的侧部，以及多个第二结隔离区JIR356c、356d、356e、356f形成在衬底中，每个隔离公共列的相邻光电转换元件PA_u1、PA_u2的侧部。例如，参照图3b，在所示的阵列结构中，在列方向上，光电转换元件354相邻于在其顶侧部的光电转换元件355a，并且相邻于在其底侧部的光电转换元件355d。JIR结构356a将在其顶侧部的光电转换元件354与相邻的光电转换元件355a相隔离，并且JIR结构356b将在其底侧部的光电转换元件354与相邻的光电转换元件355d相隔离。相同的光电转换元件354在其左侧部相邻于光电转换元件355c，并且在其右侧部相邻于光电转换元件355d。JIR结构356c在其左侧部将光电转换元件354与相邻的光电转换元件355c相隔离，并且JIR结构356d在其右侧部将光电转换元件354与相邻的光电转换元件355b相隔离。
还在衬底中设置多个介质隔离区DIR，每个隔离相邻光电转换元件的拐角部分。例如，参照图3b，在所示的阵列结构中，光电转换元件354相邻于在其顶左拐角的光电转换元件355c、355e和355a。DIR结构357a将在其顶左拐角的光电转换元件354与相邻的光电转换元件355c、355e和355a相隔离。相似地，光电转换元件354相邻于在其顶右拐角的光电转换元件355a、355f和355b。DIR结构357b将在其顶右拐角的光电转换元件354与相邻的光电转换元件355a、355f和355b相隔离。同样，光电转换元件354相邻于在其底右拐角的光电转换元件355b、355h和355d。DIR结构357d将在其底右拐角的光电转换元件354与相邻的光电转换元件355b、355h和355d相隔离。此外，光电转换元件354相邻于在其底左拐角的光电转换元件355c、355g和355d。DIR结构357c将在其底左拐角的光电转换元件354与相邻的光电转换元件355c、355g和355d相隔离。
在该实施例中，JIR结构356a、356c、356b和356d每个在DIR结构357a、357c、357d和357b之间，并且相邻于DIR结构357a、357c、357d和357b地延伸。例如，JIR结构356a在DIR结构357a和357b之间延伸，JIR结构356c在DIR结构357a和357c之间延伸，等等，以在每个光电转换元件354周围形成连续的隔离结构。以此方式，JIR结构356a、356c、356b、356d以及DIR结构357a、357c、357d、357b彼此相邻，因此围绕相应的光电转换元件354并且将该相应的光电转换元件354与相邻的光电转换元件355a-355h相隔离。在行和列方向上，JIR结构356a、356b、356c、356d将光电转换元件354的侧部与相邻光电转换元件355a、355b、355c、355d相隔离。DIR结构357a、357b、357c、357d将光电转换元件354的顶左、顶右、下左和下右拐角部分与相对于元件354在阵列中对角地定位的相邻光电转换元件355e、355f、355g、355h相隔离，并且连同在DIR结构之间延伸的JIR结构356a、356d、356b、356c，还部分地将光电转换元件354与位于元件354侧面的相邻光电转换元件355a、355b、355c、355d相隔离。
在所示的结构中，光电转换元件PA_u1、PA_u2具有在第一，行，方向上的第一间隔P2，并在第二，列，方向上具有第二间隔P1。第一间隔P2对于公共行的光电转换元件PA_u1、PA_u2来说基本上恒定，或者基本上相等，以及第二间隔P1或者对于公共列的光电转换元件PA_u1、PA_u2来说基本上恒定，或者基本上相等。选择光电转换元件354、DIR隔离结构以及JIR隔离结构的尺寸，以使得确保第一间隔P2基本上恒定，并使得第二间隔P1基本上恒定。
某些DIR隔离结构，例如DIR结构357d，在光电转换元件PA_u1、PA_u2的拐角区域中，但是允许相邻的光电转换元件，例如光电转换元件344和355d的有源区相连接，并且由此共享公共浮置扩散区FDA。例如某些DIR结构包括从某位置隔开的第一和第二段310a、310b，在该位置，光电转换元件的连接部分连接有源区PA_u1、PA_u2。在这些连接部分中，由与光电转换元件相关联的各个转移栅TG控制光电转换元件和FD区之间的电荷流动。这样，相邻光电转换元件没有被在该区域中的DIR隔离结构或JIR隔离结构真正地隔离。DIR结构357d的第一段310a在列方向中在相邻JIR隔离结构之间延伸，以及DIR结构的第二段310b在行方向中在相邻JIR隔离结构之间延伸，并且与第一段310a分隔。
图4A和4B是图2的APS阵列电路的截面图，分别沿着图3A的截线4a-4a’所取并且沿着图3B的截线4b-4b’所取，说明根据本发明的实施例的形成成像器件的方法。
参照图4A，可见在半导体衬底101上设置电势阻挡层102。在一个例子中，衬底101包括P型衬底，用于降低暗电流的影响。电势阻挡层102操作为阻挡暗电流注入在衬底101上或者衬底101中所形成的光电转换元件。如在此使用，术语“衬底”指任何数目的衬底类型，包括但不限制于体半导体衬底、绝缘体上硅(SOI)结构，或者在体衬底上生长的例如单晶层的外延层。在该例子中，在衬底101上形成外延层103。对于形成光电转换元件的有源区来说，单晶外延层是期望的，由于增高的晶体纯度导致更有效的光电转换。
接下来，根据包括STI和LOCOS技术的传统形成技术，在衬底上形成DIR类型的隔离结构。然后形成并构图光刻胶层PR，以覆盖其中形成光电转换元件的区域，并且露出其中形成DIR和JIR隔离区的区域。在该例子中可见，形成光刻胶图形PR以露出相邻于DIR的宽度S的沟道停止区108，以消除在DIR隔离区中所产生的暗电流的流动。
然后将杂质掺杂到外延层103中，以在连接的读取有源区C-RoA以及隔离的读取有源区I-RoA中分别形成P阱区106、107。同时，P阱区106、107形成为包括围绕DIR隔离结构的宽度S的沟道停止区108。同样，在外延层中形成场区104，以提供JIR隔离结构。在一个实施例中，杂质包括P型掺杂剂。可选地以两个步骤执行掺杂，包括使用两个或多个掺杂过程的高能量掺杂和低能量掺杂。
参照图4B，在外延层103的表面上可选地形成沟道区112，用于将随后形成的转移元件的转移栅TG。然后根据传统制造技术形成并构图用于转移元件15a、15b的转移栅TG、重置元件18的重置栅RG、选择元件19的选择栅SG和驱动元件17的源极跟随栅SFG的栅。这些栅每一个包括栅氧化图形134和栅电极TG、RG、SG和SFG。
接下来，通过分别使用N型杂质和P型杂质掺杂光电二极管区，形成光电转换元件PA_u1、PA_u2的NPD和PPD区。例如通过在大约1E15和1E18之间的范围内的掺杂浓度来形成NPD区，以及例如通过在大约1E17和1E20之间的范围内的掺杂浓度来形成PPD区。在外延层103的表面上期望P型区PPD，以减小光电二极管区中的暗电流影响。
根据传统技术，在栅TG、RG、SG和SFG的侧壁上形成侧壁隔片。然后通过以合适的浓度注入N型掺杂剂来形成浮置扩散区FD和源区/漏区116。
图5是根据本发明的实施例，图2的APS阵列电路的实施例的顶层布局视图，说明相对于像素的定位，在像素阵列上所形成的微透镜阵列的定位。图6是根据本发明的实施例，沿着图5的截线6-6’所取的图5的APS阵列电路的截面图。
参照图5，可见在像素阵列上形成微透镜阵列200，该微透镜阵列200具有在行方向上恒定的间隔P2以及具有在列方向上恒定的间隔P1。选择在行方向上的间隔P2和在列方向上的间隔P1，使得在行方向上的相邻微透镜200的焦点F-200之间的距离等于在像素阵列的相邻光电转换元件之间的行方向上的间隔P2，并且使得在列方向上的相邻微透镜的焦点之间的距离等于在像素阵列的相邻光电转换元件之间的列方向上的间隔P1。以这种方式，阵列的每个像素具有相应的微透镜200，其焦点F-200基本上与像素的光电转换元件PA_u1、PA_u2的中心对齐。
参照图6，在图4的制造过程之后，提供多层层间介质层170，包括多个水平互连145、155和垂直插塞140、150，其提供器件的各种元件之间的电互连。还在层间介质170中提供屏蔽层160，以防止入射光能量影响到读取元件的操作。根据传统技术，在层间介质170上设置下平坦层180、滤色镜阵列190和上平坦层195。在上平坦层上形成微透镜200，每个微透镜200配置成具有与相应光电转换元件的有效中心对齐的焦点F-200，该有效中心例如几何中心Pc。
图7是根据本发明，沿着对应于像素的读取元件的栅的布局，图2的APS阵列电路的另一实施例的顶层布局视图，包括APS阵列电路的像素的光电转换元件的布局，以及隔离相邻像素的相应的隔离区。该实施例与上述图3A和3B的实施例共享许多相似之处。在本发明的说明中将不再重复这些相似之处。本实施例的区别在于第一光电转换元件PA_u1的有源层和第二光电转换元件PA_u2的有源层在公共浮置扩散区FD并不电连接，如在图3A和3B中所述的实施例中那样。而是，在本实施例中，每个像素单位P_unit的第一和第二光电转换元件的有源层通过DIR隔离结构所隔离。例如，第一光电转换元件PA_u1的底、右拐角部分与第二光电转换元件PA_u2的顶、右拐角部分通过DIR隔离结构320电隔离。在该例子中，DIR隔离结构320包括在相邻JIR隔离区之间的行方向上延伸的体部分320a，并且进一步包括在相邻JIR隔离区之间的列方向上延伸的第一和第二翼部分320b。
在图7的例子实施例中，第一连接的读取有源区C-RoA1连接到第一光电转换元件PA_u1的有源区，并且第二连接的读取有源区C-RoA2连接到第二光电转换元件PA_u2的有源区。在第一连接的读取有源区C-RoA1中，第一转移元件的第一转移栅TA1与第一重置元件的第一重置栅RA1位于第一浮置扩散区FDA1的相对侧。在第二连接的读取有源区C-RoA2中，第二转移元件的第二转移栅TA2与第二重置元件的第二重置栅RA2位于第二浮置扩散区FDA2的相对侧。与上述的图3A和3B的实施例相似，选择元件的共享选择栅SA以及驱动元件的共享驱动栅SFA位于隔离读取有源区I-RoA中。该实施例提供许多与上面结合在前实施例所述的相同优点。
图8是根据本发明的另一实施例，图1的CIS图像传感器的APS阵列电路的原理图。该实施例与上述的图2的实施例是可比的，除了在该实施例中，像素单位P_unit(i，j)包括四个光电转换元件11a、11b、11c、11d，以及读取元件，其包括各个相应的第一、第二、第三和第四转移元件15a、15b、15c、15d，以及共享的选择元件19、驱动元件17和重置元件18。在该结构中，四个相邻光电转换元件每个具有相应的转移元件，并且每四个相应的光电转换元件/转移元件对共享公共选择元件19、驱动元件17和重置元件18。同样，浮置扩散区FD对于第一、第二、第三和第四转移元件15a、15b、15c、15d的输出是公用的。响应于相应的第一、第二、第三和第四转移信号TX(i)a、TX(i)b、TX(i)c、TX(i)d，该第一、第二、第三和第四转移元件15a、15b、15c、15d启动。
图9A和9B是根据本发明的实施例，图8的APS阵列电路的实施例的顶层布局视图。在图9A中，示出了APS阵列电路的像素的光电转换元件，以及隔离相邻像素的相应隔离区的布局。在图9B中，额外地示出了对应于像素的读取元件的栅的布局。
参照图9A和9B，该实施例相似于上述的图3A和3B的实施例。例外在于本实施例的像素单位P_unit包括第一光电转换元件PA_u1、第二光电转换元件PA_u2、第三光电转换元件PA_u3和第四光电转换元件PA_u4。第一至第四光电转换元件PA_u1至PA_u4以及支持读取元件的布局将在下文详细描述。
如在上述的图3A和3B的实施例中，在图9A和9B的本实施例中，通过将器件配置为行方向上的每个像素的间隔P2基本上恒定并且使得列方向上的每个像素的间隔P1基本上恒定，获得微透镜阵列以及在下光电转换元件的对准。例如，行方向上的间隔P2指在行方向上的光电转换元件的有效中心Pc之间的距离，以及列方向上的间隔P1指在列方向上的光电转换元件的有效中心Pc之间的距离。如上所述，在列和行方向的每一个中保持恒定的间隔P1、P2确保可以迅速提供在列和行方向上的透镜之间具有相应的周期性的相应微透镜阵列，同时确保微透镜阵列和在下的光电转换元件阵列之间的精确对准。如上所述，尽管在本发明的实施例中，在行方向上的恒定间隔P2和在列方向上的恒定间隔P1是期望的，不必需行方向上的恒定间隔P2等于列方向上的恒定间隔P1，然而，这种相等的间隔P1＝P2在其中期望水平对垂直图像对称的特定应用中是优选的。
参照图9A和9B，根据本实施例的二维APS像素阵列排列在行和列方向上。每个像素包括光电转换元件PA_u1、PA_u2、PA_u3和PA_u4。行方向上的相邻光电转换元件彼此电隔离。行方向上的相邻光电转换元件的中心具有恒定间隔P2。如在上述的图3A和3B的实施例中，相邻光电转换元件对，例如，列方向中的PA_u1、PA_u2的光电转换元件对，以及PA_u3、PA_u4的光电转换元件对分别共享公共连接的读取有源区C-RoA1、C-RoA2。列方向中的相邻光电二极管的相邻对彼此电隔离。例如，包括PA_u1和PA_u2的第一对与包括PA_u3和PA_u4的第二对电隔离。列方向中的相邻光电二极管的中心具有恒定间隔P1，包括共享公共连接的读取有源区C-RoA1、C-RoA2的相邻光电二极管，以及彼此电隔离的相邻光电二极管。
在图9A和9B的例子实施例中，第一像素包括第一光电转换元件PA_u1，在列方向上相邻于第一像素的第二像素包括第二光电转换元件PA_u2，在列方向上相邻于第二像素的第三像素包括第三光电转换元件PA_u3，以及在列方向上相邻于第三像素的第四像素包括第四光电转换元件PA_u4。一起地，第一光电转换元件PA_u1、第二光电转换元件PA_u2、第三光电转换元件PA_u3和第四光电转换元件PA_u4包括像素单位P_unit，例如，对应于图8的像素单位P_unit(i，j)。像素单位P_unit包括第一光电转换元件PA_u1、第二光电转换元件PA_u2、第三光电转换元件PA_u3、第四光电转换元件PA_u4、第一连接的读取有源区C-RoA1、第二连接的读取有源区C-RoA2、第一隔离的读取有源区I-RoA1、以及第二隔离的读取有源区I-RoA2。用于读取在光电转换元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4所捕获的能量的读取元件位于第一和第二连接的读取有源区C-RoA1、C-RoA2以及第一和第二隔离的读取有源区I-RoA1、I-RoA2中。
像素单位P_unit的第一和第二光电转换元件PA_u1、PA_u2在第一连接的读取有源区C-RoA1处连接。在第一连接的读取有源区C-RoA1中，第一和第二转移元件15a、15b的第一转移元件有源区TA1上的第一转移栅TG1和第二转移元件有源区TA2上的第二转移栅TG2分别控制第一和第二光电转换元件PA_u1、PA_u2以及公共第一浮置扩散区FDA1之间的电荷流。像素单位P_unit的第三和第四光电转换元件PA_u3、PA_u4在第二连接的读取有源区C-RoA1处连接。在第二连接的读取有源区C-RoA2中，第三和第四转移元件15c、15d的第三转移元件有源区TA3上的第三转移栅TG3和第四转移元件有源区TA4上的第四转移栅TG4分别控制第三和第四光电转换元件PA_u3、PA_u4以及公共第二浮置扩散区FDA2之间的电荷流。第一和第二浮置扩散区FDA1、FDA2通过上层电连接，以提供用于像素单位P_unit的公共浮置扩散结点FD。
重置元件18的重置元件有源区RA上的共享重置栅RG控制电源Vdd和公共浮置扩散结点FD之间的电荷流，用于重置公共浮置扩散结点FD。在第一隔离的读取有源区I-RoA1中，定位由公共像素单位P_unit所共享的选择元件19。选择元件19的选择元件有源区SA上的共享选择栅SG位于第一隔离的读取有源区I-RoA1上。在第二隔离的读取有源区I-RoA2中，定位由公共像素单位P_unit所共享的驱动元件17。驱动元件17的驱动元件有源区上的共享的驱动栅SFG位于第二隔离的读取有源区I-RoA2上。虚拟栅DG设置在对应于第二隔离的读取有源区I-RoA2的DIR结构上，以在形成转移栅TG1、TG2、TG3和TG4中的图形重复性。没有虚拟栅的存在，可以将第三和第四转移栅TG3、TG4形成为与第一和第二转移栅TG1、TG2不同的尺寸，由于光学临近效应。
如在上述的图3A和3B的实施例中，公共像素单位P_unit的第一、第二、第三和第四光电转换元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4通过两种形式的隔离，即介质隔离区(DIR)和结隔离区(JIR)，来与相邻像素单位的相邻光电转换元件相隔离。
参照图9A和9B，可见在本实施例的本例子结构中，在衬底的分别在第一方向和第二方向中延伸的行和列中设置光电转换元件PA_u1、PA_u2。在衬底中形成多个第一结隔离区JIR，每个隔离公共行的相邻光电转换元件的侧部，例如PA_u1、PA_u1或PA_u2、PA_u2或PA_u3、PA_u3或PA_u4、PA_u4，以及多个第二结隔离区JIR形成在衬底中，每个隔离公共列的相邻光电转换元件的侧部，例如相邻元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4。还在衬底中设置多个介质隔离区DIR，每个隔离相邻光电转换元件的拐角部分。光电转换元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4在行方向上具有第一间隔P2，并在列方向上具有第二间隔P1。对于公共行的光电转换元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4，第一间隔P2基本上恒定，或者基本上相等，并且，对于公共列的光电转换元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4，第二间隔P1基本上恒定，或者基本上相等。该实施例提供与上面参照先前实施例所述的相同的优势。
图10是根据本发明，图8的APS阵列电路的另一实施例的顶层布局视图，沿着对应于像素的读取元件的栅的布局，包括APS阵列电路的像素的光电转换元件的布局，以及隔离相邻像素的相应的隔离区。该实施例与上述的图9A和9B的实施例有许多相似之处。在本实施例的说明中不再重复这些相似性。本实施例中的不同在于第一光电转换元件PA_u1的有源层和第二光电转换元件PA_u2的有源层在公共浮置扩散区FD不电连接，像图9A和9B所述的实施例那样。而是，在本实施例中，每个像素单位p_unit的第一和第二光电转换元件的有源层通过DIR隔离结构隔离。例如，第一光电转换元件PA_u1的底、右拐角部分以及第二光电转换元件PA_u2的顶、右拐角部分由DIR隔离结构420所电隔离。在该例子中，DIR隔离结构420包括在相邻JIR隔离区之间的行方向上延伸的体部分420a，并且还包括在相邻JIR隔离区之间的列方向上延伸的第一和第二翼部分420b。使用相似的DIR结构的隔离被设置在第三光电转换元件PA_u3的有源层和第四光电转换元件PA_u4的有源层之间。
在图10的例子实施例中，第一连接的读取有源区C-RoA1连接到第一光电转换元件PA_u1的有源区，第二连接的读取有源区C-RoA2连接到第二光电转换元件PA_u2的有源区，第三连接的读取有源区C-RoA3连接到第三光电转换元件PA_u3的有源区，并且第四连接的读取有源区C-RoA4连接到第四光电转换元件PA_u4的有源区。在第一连接的读取有源区C-RoA1中，第一转移元件的第一转移栅TG1和第一重置元件的第一重置栅RG1位于第一浮置扩散区FDA1的相对侧。在第二连接的读取有源区C-RoA2中，第二转移元件的第二转移栅TG2和第二重置元件的第二重置栅RG2位于第二浮置扩散区FDA2的相对侧。在第三连接的读取有源区C-RoA3中，第三转移元件的第三转移栅TG3和第三重置元件的第三重置栅RG3位于第三浮置扩散区FDA3的相对侧。在第四连接的读取有源区C-RoA4中，第四转移元件的第四转移栅TG4和第四重置元件的第四重置栅RG4位于第四浮置扩散区FDA4的相对侧。与上述的图9A和9B的实施例相似，选择元件的共享选择栅SG和驱动元件的共享驱动栅SFG位于第一和第二隔离的读取有源区I-RoA1、I-RoA2中。该实施例提供与结合先前实施例所述的相同的优势。
图11是根据本发明，沿着对应于像素的读取元件的栅的布局，图8的APS阵列电路的另一实施例的顶层布局视图，包括APS阵列电路的像素的光电转换元件的布局，以及隔离相邻像素的相应的隔离区。该实施例与上述图9A和9B的实施例有许多相似之处。在本实施例的说明中不再重复这些相似之处。本实施例中的不同在于，重置元件18的重置栅RG设置在第一隔离的读取有源区I-RoA1上，同时选择元件19的选择栅SG和驱动元件17的驱动栅SFG都设置在第二隔离的读取有源区I-RoA2上。该实施例提供与结合先前实施例所述的相同的优势。
图12是根据本发明，沿着对应于像素的读取元件的栅的布局，图8的APS阵列电路的另一实施例的顶层布局视图，包括APS阵列电路的像素的光电转换元件的布局，以及隔离相邻像素的相应的隔离区。该实施例是共享类型图形传感器的另一例子，其中四个相邻光电转换元件共享公共读取元件，例如根据上述的图8的原理图。然而，在该实施例中，四个相邻的光电转换元件的像素单位P-unit并不设置为包括公共列的四个光电转换元件，如在上述图9A、9B、10和11的实施例中那样。而是，在本实施例中，四个相邻的光电转换元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4设置为在行和列两个方向上延伸，如所示。例如，第一和第二光电转换元件PA_u1和PA_u2在公共第一行上彼此相邻，并且第三和第四光电转换元件PA_u3和PA_u4在公共第二行上彼此相邻。同时，第一和第三光电转换元件PA_u1和PA_u3在公共第一列上彼此相邻，并且第二和第四光电转换元件PA_u2和PA_u4在公共第二列上彼此相邻。
一起地，第一光电转换元件PA_u1、第二光电转换元件PA_u2、第三光电转换元件PA_u3和第四光电转换元件PA_u4包括像素单位P_unit，例如，对应于图8的像素单位P_unit(i，j)。像素单位P_unit包括第一光电转换元件PA_u1、第二光电转换元件PA_u2、第三光电转换元件PA_u3、第四光电转换元件PA_u4、连接的读取有源区C-RoA、第一隔离的读取有源区I-RoA1、第二隔离的读取有源区I-RoA2以及第三隔离的读取有源区I-RoA3。用于读取在光电转换元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4所捕获的能量的读取元件位于连接的读取有源区C-RoA以及第一、第二和第三隔离的读取有源区I-RoA1、I-RoA2、I-RoA3中。
像素单位P_unit的第一、第二、第三和第四光电转换元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4在连接的读取有源区C-RoA处连接。在第一连接的读取有源区C-RoA1中，第一、第二、第三和第四转移元件15a、15b、15c、15d的第一转移栅TG1、第二转移栅TG2、第三转移栅TG3和第四转移栅TG4分别控制第一、第二、第三和第四光电转换元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4以及公共浮置扩散区FDA之间的电荷流。
在第一隔离的读取有源区I-RoA1中，定位重置元件18的共享重置栅RG。重置元件18的共享重置栅RG控制电源Vdd和公共浮置扩散区FDA之间的电荷流，用于重置公共浮置扩散区FDA。在第二隔离的读取有源区I-RoA2中，定位由公共像素单位P_unit共享的选择元件19。选择元件19的共享选择栅SG位于第二隔离的读取有源区I-RoA2上。在第三geli的读取有源区I-RoA3中，定位由公共像素单位P_unit共享的驱动元件17。驱动元件17的共享驱动栅SFG位于第三隔离的读取有源区I-RoA3上。如上述实施例中，在本实施例的其他结构中，共享栅的两个位于公共隔离的读取有源区I-RoA1、I-RoA2或I-RoA3上，并且共享栅的另一个位于剩余的隔离的读取有源区上，或者可替换地，全部三个共享栅位于公共隔离的读取有源区I-RoA1、I-RoA2或I-RoA3上。
如上述实施例中，公共像素单位P_unit的第一、第二、第三和第四光电转换元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4通过两种形式的隔离，即介质隔离区(DIR)和结隔离区(JIR)，与相邻像素单位的相邻光电转换元件隔离。参照图12，可见在衬底中形成多个第一结隔离区JIR，每个隔离公共行的相邻光电转换元件的侧部，并且隔离公共列的相邻光电转换元件的侧部。在衬底中还形成多个介质结隔离区DIR，每个隔离公共行的相邻光电转换元件的拐角部。光电转换元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4在行方向中具有第一间隔P2并在列方向上具有第二间隔P1。对于公共行的光电转换元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4，第一间隔P2基本恒定或基本相同，并且对于公共列的光电转换元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4，第二间隔P1基本恒定或基本相同。
图13是根据本发明，系统的框图，该系统包括包含有根据上述实施例的APS阵列电路的图像传感器。系统200包括经由数据总线205连接到存储器240的处理器220。处理器220处理由图像传感器210所输出的图像数据信号。存储器240存储并检索由图像传感器210所输出的图像数据信号。例如包括软磁盘驱动器250或CD/DVD驱动器255的媒质驱动器连接到数据总线，用于在媒质上存储图像数据信号。输入/输出设备230和数据端口连接到数据总线上，用于将控制信号从外部设备提供给处理器220，并且用于将图像数据信号转移到外部设备，例如显示器。以这种方式，根据上述实施例所配置的成像器件210组合到成像系统200中，以提供上述的优点。上述的成像系统200具有许多类型电子系统中的应用，包括计算机系统、照相机系统、导航系统、视频系统、扫描仪系统、和闭路电视系统(CCTV)。
以这种方式，所述的实施例通过提供共享类型的成像器件结构，提供增大的填充系数，同时保持行方向上的恒定间隔和列方向上的恒定间隔，使得确保在光电转换元件之上提供的微透镜以及该光电转换元件之间的对准。提供DIR和JIR隔离结构，用于隔离相邻的光电转换元件，以获得较高的填充系数，并且提供行和列方向上的恒定间隔。这导致较高的器件灵敏度和较低的互扰，在所捕获的图像中提供了增强的解析度。
尽管已经参照其优选实施例具体示出并描述了本发明，本领域技术人员将理解，在此可以在形式和细节上做出改变，而不背离如所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
例如，尽管上述例子实施例说明了共享类型的图像传感器，其中四个光电转换元件共享公共读取元件，本发明不限制于所共享的光电转换元件的数目，并且扩展到其他多数的共享的光电转换元件，例如3或5的奇数数目或者6、8或以上的偶数数目。

Claims (64)

1.一种图像传感器，包括：
衬底中的光电转换元件的阵列，该光电转换元件被设置在分别在第一方向和第二方向中延伸的行和列中；
衬底中的多个第一结隔离区，每个隔离公共行的相邻光电转换元件的侧部，以及衬底中的多个第二结隔离区，每个隔离公共列的相邻光电转换元件的侧部；以及
衬底中的多个介质隔离区，每个隔离相邻光电转换元件的拐角部分。
2.如权利要求1的图像传感器，其中光电转换元件在第一方向上具有第一间隔，并在第二方向上具有第二间隔，并且其中对于公共行的光电转换元件来说该第一间隔基本上相同，并且其中对于公共列的光电转换元件来说该第二间隔基本上相同。
3.如权利要求2的图像传感器，还包括在光电转换元件上形成的微透镜阵列，该微透镜以行和列排列，每个微透镜具有与相应的光电转换元件对准的焦点，其中微透镜的焦点排列为分别在第一方向上具有第一间隔并在第二方向上具有第二间隔，它们与光电转换元件的第一间隔基本上相同。
4.如权利要求2的图像传感器，其中该第一间隔等于该第二间隔。
5.如权利要求1的图像传感器，其中光电转换元件包括在衬底中形成的光电有源区。
6.如权利要求1的图像传感器，其中衬底包括外延层，并且其中光电转换元件包括在外延层中形成的光电有源区。
7.如权利要求1的图像传感器，其中结隔离区包括使用杂质掺杂的衬底的区域。
8.如权利要求1的图像传感器，其中介质隔离区包括设置在衬底中的部分介质绝缘材料。
9.如权利要求8的图像传感器，其中以浅沟道隔离(STI)和硅的局部氧化(LOCOS)工序之一形成介质隔离区。
10.如权利要求1的图像传感器，其中第一方向和第二方向包括彼此垂直的水平方向和垂直方向。
11.如权利要求1的图像传感器，其中行和列的至少一个中的至少两个相邻光电转换元件共享公共光电有源区。
12.如权利要求11的图像传感器，其中相邻光电转换元件每个包括由在其顶部和底部以及在其左部和右部的结隔离区所隔离的光电有源区，并且在结隔离区之间的其拐角部分的介质隔离区，介质隔离区之一被划分为两个介质隔离区段，通过该介质隔离区段，光电有源区连接到另一相邻光电转换元件，该两个介质隔离区段的第一个相邻于第一结隔离区以及该两个介质隔离区段的第二个相邻于第二结隔离区，以及公共光电有源区的连接部分通过第一和第二介质隔离区段延伸。
13.如权利要求12的图像传感器，还包括在有源区上的至少两个转移元件，其操作为将至少两个相邻光电转换元件的公共有源区分隔为第一和第二光电转换元件的第一和第二光电有源区。
14.如权利要求1的图像传感器，其中公共行或列的两个相邻光电转换元件每个具有相应的转移元件，并且共享公共重置元件、选择元件和驱动元件。
15.如权利要求14的图像传感器，其中至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区部分，并且其中选择元件和驱动元件形成在光电转换元件之一的拐角部分的公共隔离的有源区上。
16.如权利要求1的图像传感器，其中公共行或列的两个相邻光电转换元件每个具有对应的转移元件和重置元件，并且共享公共选择元件和驱动元件。
17.如权利要求16的图像传感器，其中至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件和驱动元件形成在光电转换元件之一的拐角部分的公共隔离的有源区上。
18.如权利要求1的图像传感器，其中公共行或列的四个相邻光电转换元件每个具有对应的转移元件，并且共享公共重置元件、选择元件和驱动元件。
19.如权利要求18的图像传感器，其中至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件和驱动元件形成在光电转换元件之一的拐角部分的不同的隔离的有源区上。
20.如权利要求1的图像传感器，其中公共行或列的四个相邻光电转换元件每个具有对应的转移元件和重置元件，并且共享公共选择元件和驱动元件。
21.如权利要求20的图像传感器，其中至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件和驱动元件形成在光电转换元件的拐角部分的不同的隔离的有源区上。
22.如权利要求1的图像传感器，其中公共行或列的四个相邻光电转换元件每个具有对应的转移元件，并且共享公共重置元件、选择元件和驱动元件。
23.如权利要求22的图像传感器，其中至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件和驱动元件形成在公共第一隔离的有源区上，并且其中重置元件形成在第二隔离的有源区上，该第二隔离的有源区与第一隔离的有源区分开，该第一和第二隔离的有源区位于相应光电转换元件的拐角部分。
24.如权利要求1的图像传感器，其中两个相邻行和列的四个相邻光电转换元件每个具有对应的转移元件，并且共享公共重置元件、选择元件和驱动元件。
25.如权利要求24的图像传感器，其中至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中重置元件、选择元件和驱动元件形成在光电转换元件的拐角部分的不同的隔离的有源区上。
26.如权利要求24的图像传感器，其中至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件、驱动元件和重置元件中的两个形成在公共第一隔离的有源区上，并且其中选择元件、驱动元件和重置元件中的另一个形成在第二隔离的有源区上，该第二隔离的有源区与第一隔离的有源区分开，该第一和第二隔离的有源区位于相应光电转换元件的拐角部分。
27.如权利要求24的图像传感器，其中四个相邻光电元件共享公共光电有源区。
28.如权利要求1的图像传感器，还包括形成在光电转换元件上的微透镜阵列，该微透镜排列在行和列中，每个微透镜具有设置在相应光电转换元件上的焦点。
29.一种图像传感系统，包括：
处理器，连接到数据总线，处理由图像传感器输出的图像数据信号；
存储器，连接到数据总线，存储并检索由图像传感器输出的图像数据信号；以及
图像传感器，连接到数据总线，生成图像数据信号，包括：
衬底中的光电转换元件的阵列，该光电转换元件布置在分别在第一方向和第二方向中延伸的行和列中；
衬底中的多个第一结隔离区，每个隔离公共行的相邻光电转换元件的侧部，以及衬底中的多个第二结隔离区，每个隔离公共列的相邻光电转换元件的侧部；以及
衬底中的多个介质隔离区，每个隔离相邻光电转换元件的拐角部分，
其中每个光电转换元件响应于在光电转换元件所接收的光子能量而生成电信号，该图像数据信号包括多个光电转换元件的输出信号。
30.如权利要求29的系统，还包括下列的至少一个：
媒质驱动器，连接到数据总线，在媒质上存储图像数据信号；
输入设备，连接到数据总线，在该输入设备上控制信号被输入处理器，用于控制图像数据信号的处理；以及
数据端口，连接到数据总线，用于将图像数据信号转移到外部设备。
31.如权利要求29的系统，其中光电转换元件在第一方向上具有第一间隔，并在第二方向上具有第二间隔，其中对于公共行的光电转换元件来说该第一间隔基本上相同，并且其中对于公共列的光电转换元件来说该第二间隔基本上相同。
32.如权利要求31的系统，还包括在光电转换元件上形成的微透镜阵列，该微透镜以行和列排列，每个微透镜具有与相应的光电转换元件对准的焦点，其中微透镜的焦点排列为分别在第一方向上具有第一间隔并在第二方向上具有第二间隔，它们与光电转换元件的第一间隔基本上相同。
33.如权利要求30的系统，其中第一间隔等于第二间隔。
34.如权利要求29的系统，其中光电转换元件包括在衬底中形成的光电有源区。
35.如权利要求29的系统，其中衬底包括外延层，并且其中光电转换元件包括在外延层中形成的光电有源区。
36.如权利要求29的系统，其中结隔离区包括使用杂质掺杂的衬底的区域。
37.如权利要求29的系统，其中介质隔离区包括设置在衬底中的部分介质绝缘材料。
38.如权利要求37的系统，其中以浅沟道隔离(STI)和硅的局部氧化(LOCOS)工序之一形成介质隔离区。
39.如权利要求29的系统，其中第一方向和第二方向包括彼此垂直的水平方向和垂直方向。
40.如权利要求29的系统，其中行和列的至少一个中的至少两个相邻光电转换元件共享公共光电有源区。
41.如权利要求40的系统，其中相邻光电转换元件每个包括由在其顶部和底部以及在其左部和右部的结隔离区所隔离的光电有源区，以及在结隔离区之间的其拐角部分的介质隔离区，介质隔离区之一被划分为两个介质隔离区段，通过该介质隔离区段，光电有源区连接到另一相邻光电元件，该两个介质隔离区段的第一个相邻于第一结隔离区以及该两个介质隔离区段的第二个相邻于第二结隔离区，以及公共光电有源区的连接部分通过第一和第二介质隔离区段延伸。
42.如权利要求41的系统，还包括在有源区上的至少两个转移元件，操作为将至少两个相邻光电转换元件的公共有源区分隔为第一和第二光电转换元件的第一和第二光电有源区。
43.如权利要求29的系统，其中公共行或列的两个相邻光电转换元件每个具有相应的转移元件，并且共享公共重置元件、选择元件和驱动元件。
44.如权利要求43的系统，其中至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区部分，并且其中选择元件和驱动元件形成在光电转换元件之一的拐角部分的公共隔离的有源区上。
45.如权利要求29的系统，其中公共行或列的两个相邻光电转换元件每个具有相应的转移元件和重置元件，并且共享公共选择元件和驱动元件。
46.如权利要求45的系统，其中至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件和驱动元件形成在光电转换元件之一的拐角部分的公共隔离的有源区上。
47.如权利要求29的系统，其中公共行或列的四个相邻光电转换元件每个具有对应的转移元件，并且共享公共重置元件、选择元件和驱动元件。
48.如权利要求47的系统，其中至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件和驱动元件形成在光电转换元件之一的拐角部分的不同的隔离的有源区上。
49.如权利要求29的系统，其中公共行或列的四个相邻光电转换元件每个具有对应的转移元件和重置元件，并且共享公共选择元件和驱动元件。
50.如权利要求49的系统，其中至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件和驱动元件形成在光电转换元件的拐角部分的不同的隔离的有源区上。
51.如权利要求29的系统，其中公共行或列的四个相邻光电转换元件每个具有对应的转移元件，并且共享公共重置元件、选择元件和驱动元件。
52.如权利要求51的系统，其中至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件和驱动元件形成在公共第一隔离的有源区上，并且其中重置元件形成在第二隔离的有源区上，该第二隔离的有源区与第一隔离的有源区分开，该第一和第二隔离的有源区位于相应光电转换元件的拐角部分。
53.如权利要求29的系统，其中两个相邻行和列的四个相邻光电转换元件每个具有对应的转移元件，并且共享公共重置元件、选择元件和驱动元件。
54.如权利要求53的系统，其中至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中重置元件、选择元件和驱动元件形成在光电转换元件的拐角部分的不同的隔离的有源区上。
55.如权利要求53的系统，其中至少一个介质隔离区围绕隔离的有源区，并且其中选择元件、驱动元件和重置元件中的两个形成在公共第一隔离的有源区上，并且其中选择元件、驱动元件和重置元件中的另一个形成在第二隔离的有源区上，该第二隔离的有源区与第一隔离的有源区分开，该第一和第二隔离的有源区位于相应光电转换元件的拐角部分。
56.如权利要求53的系统，其中四个相邻光电元件共享公共光电有源区。
57.如权利要求29的系统，还包括形成在光电转换元件上的微透镜阵列，该微透镜排列在行和列中，每个微透镜具有设置在相应光电转换元件上的焦点。
58.一种形成图像传感器的方法，包括：
在衬底中设置光电转换元件的阵列，该光电转换元件被设置在分别在第一方向和第二方向中延伸的行和列中；
在衬底中设置多个第一结隔离区，每个隔离公共行的相邻光电转换元件的侧部，以及在衬底中设置多个第二结隔离区，每个隔离公共列的相邻光电转换元件的侧部；以及
在衬底中设置多个介质隔离区，每个隔离相邻光电转换元件的拐角部分。
59.如权利要求58的方法，其中光电转换元件在第一方向上具有第一间隔，并在第二方向上具有第二间隔，其中对于公共行的光电转换元件来说该第一间隔基本上相同，并且其中对于公共列的光电转换元件来说该第二间隔基本上相同。
60.如权利要求59的方法，还包括在光电转换元件上形成微透镜阵列，该微透镜以行和列排列，每个微透镜具有与相应的光电转换元件对准的焦点，其中微透镜的焦点排列为分别在第一方向上具有第一间隔并在第二方向上具有第二间隔，它们与光电转换元件的第一间隔基本上相同。
61.如权利要求59的方法，其中第一间隔等于第二间隔。
62.一种图像传感器的光电转换元件的阵列，在衬底中设置该元件，在阵列的行方向中和在阵列的列方向中，通过交替在衬底中的相邻结隔离区和衬底中的介质隔离区，各个光电转换元件与相邻的光电转换元件隔离。
63.如权利要求62的阵列，其中结隔离区隔离相邻光电转换元件的侧部，以及其中介质隔离区隔离相邻光电转换元件的拐角部分。
64.如权利要求62的阵列，其中光电转换元件在行方向上具有第一间隔，并在列方向上具有第二间隔，其中对于阵列的公共行的光电转换元件来说该第一间隔基本上相同，并且其中对于阵列的公共列的光电转换元件来说该第二间隔基本上相同。
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