CN101677106B - 像素单元、图像传感器、系统及形成像素单元的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种像素单元、一种包括所述像素单元的图像传感器、一种包括所述像素单元的系统及一种形成像素单元的方法。所述像素单元包括基底、外延层和在外延层中的光电转换装置。外延层具有凸出形状的掺杂浓度曲线，并包括堆叠在基底上的多个层。光电转换装置不包括沿垂直方向电势恒定的中性区域。因此，包括所述像素单元的图像传感器具有高量子化效率，并且减小了光电转换装置之间的串扰。

Description

像素单元、图像传感器、系统及形成像素单元的方法
本申请要求于2008年9月17日在韩国知识产权局(KIPO)提交的第2008-0090981号韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用包含于此。
技术领域
实施例涉及一种图像传感器，更具体地讲，涉及一种具有多个外延层的像素单元、一种包括所述像素单元的CMOS图像传感器、一种形成所述CMOS图像传感器的像素单元的方法。
背景技术
互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器被广泛地用作图像捕捉装置，这是因为CMOS图像传感器操作电压低、功耗低、制造成本低。CMOS图像传感器包括由多个像素单元组成的像素单元阵列。每个像素单元可以包括光电二极管、传输晶体管、复位晶体管、源极跟随器晶体管、行选择晶体管。光电二极管包括积聚由光产生的电荷的电荷积聚部分。
需要很厚的外延层来减少由入射在光电二极管上的光产生的电子在硅区域中的损失。然而，当外延层的厚度增加时，相邻的光电二极管之间的串扰会增加。因此，需要增加光电二极管的有效深度，以减小光电二极管之间的串扰。
通常，简单地利用高能量来执行离子注入工艺，因此，当相邻的光电二极管之间的距离相对短时，在光电二极管之间会导致被称作晕散(blooming)的现象。晕散是电子在光电二极管之间溢出(overflow)的现象。光电二极管可以利用补偿掺杂方法(count-doping method)形成在阶梯式外延层中或在分级式外延层中而不需要额外的光电处理。
然而，在图像传感器的具有阶梯式外延层或分级式外延层的像素单元中，可以通过在离子注入工艺中提高离子束的能量来增加光电二极管区域的有效深度所达到的程度受到限制。
发明内容
因此，提供示例实施例以基本上解决由于现有技术的局限性和缺点带来的一个或多个问题。
示例实施例可以提供一种具有高量子化效率且在像素单元之间几乎没有串扰的像素单元。
示例实施例还可以提供一种具有所述像素单元的图像传感器。
示例实施例还可以提供一种具有所述图像传感器的系统。
示例实施例还可以提供一种形成具有高量子化效率且在像素单元之间几乎没有串扰的像素单元的方法。
根据示例实施例，一种像素单元包括基底、外延层、光电转换装置。外延层具有凸出形状的掺杂浓度曲线，并包括堆叠在基底上的多个层。光电转换装置在外延层中。
根据示例实施例，外延层中的光电转换装置可以不包括沿垂直方向电势恒定的中性区域。
根据示例实施例，光电转换装置可以包括在外延层中的光电二极管区域，光电二极管区域的导电性类型与外延层的导电性类型相对。
根据示例实施例，光电转换装置还可以包括在光电二极管区域上的表面层，表面层的导电性类型与外延层的导电性类型相同。
根据示例实施例，外延层可以包括第一外延层、第二外延层、第三外延层。
第一外延层可以具有第一导电性类型和第一掺杂浓度。第二外延层可以具有第一导电性类型并可以在第一外延层上，第二外延层具有高于第一掺杂浓度的第二掺杂浓度。第三外延层可以具有第一导电性类型并可以在第二外延层上，且可以具有低于第二掺杂浓度的第三掺杂浓度。
根据示例实施例，第三掺杂浓度可以低于第一掺杂浓度。
根据示例实施例，基底可以具有第一导电性类型。
根据示例实施例，光电转换装置可以为光电二极管。
根据示例实施例，所述像素单元还可以包括传输晶体管、源极跟随器晶体管、复位晶体管。
传输晶体管可以将由光电转换装置产生的电荷传输到第一结点。源极跟随器晶体管可以放大第一结点的电压信号。复位晶体管可以复位第一结点的电压信号。
根据示例实施例，所述像素单元还可以包括：行选择晶体管，响应于选择信号将源极跟随器晶体管的输出信号输出到输出端。
根据示例实施例，一种图像传感器可以包括行驱动器、列驱动器、像素阵列。
行驱动器可以产生行选择信号。列驱动器可以产生列选择信号。像素阵列可以响应于行选择信号和列选择信号而操作，并可以包括至少一个像素单元。像素单元可以包括基底、外延层、在外延层中的光电转换装置。外延层可以具有凸出形状的掺杂浓度曲线，并可以包括堆叠在基底上的至少一个层。
根据示例实施例，外延层可以包括第一外延层、第二外延层、第三外延层。
第一外延层可以具有第一导电性类型和第一掺杂浓度。第二外延层可以具有第一导电性类型并可以在第一外延层上，第二外延层具有高于第一掺杂浓度的第二掺杂浓度。第三外延层可以具有第一导电性类型并可以在第二外延层上，且可以具有低于第二掺杂浓度的第三掺杂浓度。
根据示例实施例，一种系统可以包括处理器和结合到处理器的图像传感器。图像传感器包括：基底；外延层，具有凸出形状的掺杂浓度曲线，并包括堆叠在基底上的至少一个层；光电转换装置，在外延层中。
根据示例实施例，一种形成图像传感器的像素单元的方法可以包括如下步骤：形成基底；形成具有凸出形状的掺杂浓度曲线并包括堆叠在基底上的至少一个层的外延层；在外延层中形成包括光电转换装置的至少一个像素单元。
根据示例实施例，形成外延层的步骤可以包括：在基底上形成具有第一导电性类型和第一掺杂浓度的第一外延层；在第一外延层上形成具有第一导电性类型和高于第一掺杂浓度的第二掺杂浓度的第二外延层；在第二外延层上形成具有第一导电性类型和低于第二掺杂浓度的第三掺杂浓度的第三外延层。
因此，根据示例实施例，可以形成图像传感器，即使利用相同的能量执行离子注入，但是因为图像传感器包括具有凸出形状的掺杂浓度曲线的外延层EPI_1、EPI_2、EPI_3，所以n型光电二极管区域NPD的有效深度深于传统的图像传感器的有效深度。因此，根据示例实施例的图像传感器可以具有高量子化效率，所述图像传感器中的光电转换装置可以具有很大或最大化的深度而没有晕散，并且可以降低在光电转换装置之间的串扰。
附图说明
通过参照附图详细描述示例实施例，示例实施例的上述和其他特征和优点将变得更明显。附图意在描述示例实施例，而不应该被解释为限制权利要求意图的范围。除非明确指出，否则附图不被认为是按比例绘制的。
图1是示出根据示例实施例的CMOS图像传感器的像素单元的电路图。
图2是示出根据示例实施例的具有多个像素单元的CMOS图像传感器芯片的结构的透视图。
图3是根据示例实施例的沿I-I′线截取的图2的CMOS图像传感器芯片的剖视图。
图4是根据示例实施例的沿II-II′线截取的图2的CMOS图像传感器芯片的剖视图。
图5示出根据示例实施例的图像传感器的垂直结构的掺杂浓度曲线(doping concentration profile)和电势曲线(potential profile)。
图6示出利用阶梯式外延层的传统图像传感器的垂直结构的掺杂浓度曲线和电势曲线。
图7A至图7H是示出根据示例实施例的制造图2中示出的CMOS图像传感器的工艺的示图。
图8是示出根据示例实施例的图2中示出的CMOS图像传感器的电路结构的框图。
图9是示出根据示例实施例的包括图8中示出的CMOS图像传感器的系统的框图。
具体实施方式
这里公开了详细的示例实施例。然而，这里公开的具体的结构性和功能性细节仅出于描述示例实施例的目的。然而，示例实施例可以以许多可选的形式来实施，且不应该被解释为仅限于这里阐述的实施例。
因此，尽管示例实施例可以具有各种修改和可替换的形式，但是在附图中实施例通过示例的方式示出，并将在这里对这些实施例进行详细的描述。然而，应该理解的是，不是意图将示例实施例限制为所公开的具体形式，而是相反，示例实施例将覆盖落入示例实施例的范围内的所有修改、等同物和替换物。在对附图的整个描述中，相同的标号表示相同的元件。
应该理解的是，虽然术语第一、第二等可以在这里用来描述不同的元件，但是这些元件不应该受这些术语限制。这些术语仅是用来将一个元件与另一元件区分开。例如，在不脱离示例实施例的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，类似地，第二元件可以被称为第一元件。如这里使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任意组合和所有组合。
应该理解的是，当元件被称为“连接”或“结合”到另一元件时，该元件可以直接连接或结合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接结合”到另一元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其它词语(例如，“在...之间”与“直接在...之间”，“相邻的”与“直接相邻的”等)应该按相同的方式来解释。
这里使用的术语只是出于描述具体实施例的目的，而不是意在限制示例实施例。如这里使用的，除非上下文清楚地指出，否则单数形式也意在包括复数形式。还应该理解的是，当术语“包括”和/或“包含”在这里使用时，表明存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。还应注意的是，在一些可选的实施方式中，提到的功能/动作可以不按附图中标注的顺序发生。例如，根据有关的功能/动作，连续示出的两幅图实际上可以基本同时执行或者有时可以以相反的顺序执行。
除非另有定义，否则这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与示例实施例所属领域的普通技术人员所通常理解的意思相同的意思。将进一步理解，除非这里明确定义，否则术语(诸如在通用的字典中定义的术语)应该被解释为具有与相关领域的上下文中它们的意思相一致的意思，而不应理想地或者过于正式地解释它们的意思。
图1是示出根据示例实施例的CMOS图像传感器的像素单元10的电路图。
参照图1，CMOS图像传感器的像素单元10可以包括光电转换装置11、传输晶体管MN1、复位晶体管MN2、源极跟随器晶体管MN3、行选择晶体管MN4。光电转换装置11可以包括光电二极管PD。电流源IS1可以结合在行选择晶体管MN4和地之间。如在下面更详细地说明的，CMOS图像传感器的包括光电转换装置11的像素单元10可以形成在具有凸出形状的掺杂浓度曲线的多个外延层中。
如图1中所示，CMOS图像传感器的像素单元10可以包括：光电转换装置11，包括光电二极管PD；信号处理电路13，由传输晶体管MN1、复位晶体管MN2、源极跟随器晶体管MN3、行选择晶体管MN4组成。
CMOS图像传感器可以包括如图1中所示的多个像素单元、解码器、驱动电路、控制电路、模数转换器、图像处理器。CMOS图像传感器的具有像素单元10的图像传感器芯片可以具有：光电转换装置区域，包括多个光电转换装置；信号处理电路区域，包括多个信号处理电路。
下文中，将描述图1中示出的CMOS图像传感器的像素单元10的操作。
当光入射在光电二极管PD上时，电荷积聚在光电二极管PD的输出端上。当电流在光电二极管PD和浮置结点NF之间流动时，浮置结点NF的电势可以改变，可以根据浮置结点NF的电势来确定输出信号PO。输出信号PO可以为与图像数据的一个像素数据对应的信号。
当复位信号RST为逻辑“低”、传输信号TX为逻辑“高”，且光入射在光电二极管PD上时，电流可以开始流过光电二极管PD。复位晶体管MN2处于截止状态，传输晶体管MN1处于导通状态，这是因为复位信号RST为逻辑“低”且传输信号TX为逻辑“高”。因此，源极跟随器晶体管MN3的栅极端的电压信号可以降低。当行选择信号SEL转变为逻辑“高”时，行选择晶体管MN4导通，根据源极跟随器晶体管MN3的栅极端的电压信号来确定输出信号PO的电压电平。在感测下一图像之前，可以由复位晶体管MN2的来复位浮置结点NF。随着入射在光电二极管PD上的光的强度变得更高，源极跟随器晶体管MN3的栅极端的幅值可以变得更低，且输出信号PO的幅值可以变得更低。
图2是示出具有多个像素单元的CMOS图像传感器芯片20的结构的透视图。
参照图2，CMOS图像传感器的具有像素单元10的图像传感器芯片20可以包括：光电转换装置区域22，包括多个光电转换装置；信号处理电路区域23，包括多个信号处理电路。在光电转换装置区域22中，结构和操作与图1中示出的光电转换装置11的结构和操作相同的多个光电转换装置可以沿I-I′线布置。信号处理电路区域23可以具有结构和操作与图1中示出的信号处理电路13的结构和操作相同的多个信号处理电路，每个信号处理电路包括传输晶体管MN1、复位晶体管MN2、源极跟随器晶体管MN3、行选择晶体管MN4。
图3是沿I-I′线截取的图2的CMOS图像传感器芯片20的剖视图。
参照图3，CMOS图像传感器芯片的垂直结构30可以包括重掺杂p型基底(SUB)31和形成在重掺杂p型基底(SUB)31上的外延层32。外延层32可以包括三个p型层EPI_1、EPI_2、EPI_3。此外，CMOS图像传感器芯片的垂直结构30可以包括形成在外延层32中的n型光电二极管区域34、p型表面层35、传输晶体管38、复位晶体管39。
此外，CMOS图像传感器芯片的垂直结构30可以包括浮置扩散区域36、复位晶体管39的漏极区域37、浅槽隔离区域(STI)33。STI 33可以将图3中示出的像素单元与相邻的像素单元电隔离。浮置扩散区域36可以用作传输晶体管38的漏极区域和复位晶体管39的源极区域。
图1的源极跟随器晶体管MN3和行选择晶体管MN4没有在图3中示出。源极跟随器晶体管MN3的栅极可以电连接到浮置扩散区域36，行选择晶体管MN4的漏极可以电连接到源极跟随器晶体管MN3的源极。
n型光电二极管区域34可以位于在p型表面层35下方的p型外延层32中。传输晶体管38和复位晶体管39可以包括第一氧化物层44、形成在第一氧化物层44上的导电层43、形成在导电层43上的第二氧化物层42、侧壁电介质45。
图4是沿II-II′线截取的图2的CMOS图像传感器芯片20的剖视图。
参照图4，CMOS图像传感器芯片的垂直结构50可以包括重掺杂p型基底(SUB)31和形成在重掺杂p型基底(SUB)31上的外延层32。外延层32可以包括三个p型层EPI_1、EPI_2、EPI_3。此外，CMOS图像传感器芯片的垂直结构50可以包括形成在外延层32中的n型光电二极管区域34和p型表面层35。
此外，CMOS图像传感器芯片的垂直结构50可以包括将图4中示出的像素单元与相邻的像素单元电隔离的浅槽隔离区域(STI)33。n型光电二极管区域34可以位于在p型表面层35下方的p型外延层32中。
参照图3和图4，如CMOS图像传感器芯片20的垂直结构30和50所示，根据示例实施例的CMOS图像传感器芯片20可以包括具有在p型基底31上的三个层EPI_1、EPI_2、EPI_3的外延层。如在后面所描述的，第二外延层EPI_2的掺杂浓度可以高于第一外延层EPI_1和第三外延层EPI_3的掺杂浓度。
当光入射在CMOS图像传感器芯片的像素单元上时，电子-空穴对可以在外延层32和n型光电二极管区域34相接的周围中产生。空穴可以通过p型基底31流到地，电子可以积聚在n型光电二极管区域34中，并且当传输晶体管38导通时，电子可以通过传输晶体管38传输至浮置扩散区域36。
如图4中所示，n型光电二极管区域34可以沿线布置在STI 33之间。在传统的CMOS图像传感器芯片中，串扰会在光电二极管区域之间产生，这是因为传统的CMOS图像传感器芯片包括具有恒定的掺杂浓度的外延层。
根据示例实施例的CMOS图像传感器芯片的n型光电二极管区域34的有效深度可以深于传统的CMOS图像传感器芯片的有效深度，这是因为根据示例实施例的CMOS图像传感器芯片可以具有凸出形状的掺杂浓度曲线。因此，在n型光电二极管区域34的下部中产生的电子可以不流到相邻的n型光电二极管区域34，并可以在产生电子的n型光电二极管区域34中积聚。因此，在根据示例实施例的CMOS图像传感器芯片中，可以减小相邻的光电二极管之间的串扰。
图5示出根据示例实施例的图像传感器的垂直结构的掺杂浓度曲线和电势曲线的示例。曲线图(a)示出p型基底SUB和外延层EPI_1、EPI_2、EPI_3的掺杂浓度曲线的示例。曲线图(b)示出p型基底SUB、外延层EPI_1、EPI_2、EPI_3、n型光电二极管区域NPD 34、p型表面区域P_SUR的掺杂浓度曲线的示例。曲线图(c)示出根据示例实施例的图像传感器的垂直结构的电势曲线的示例。
参照曲线图(a)，在根据示例实施例的图像传感器的垂直结构中，外延层EPI_1、EPI_2、EPI_3的掺杂浓度曲线可以具有凸出形状。根据示例实施例，外延层EPI_2的掺杂浓度可以高于外延层EPI_1、EPI_3的掺杂浓度，外延层EPI_2的掺杂浓度可以低于基底SUB的掺杂浓度。例如，基底SUB的掺杂浓度可以为5×1017原子/cm3，外延层EPI_1的掺杂浓度可以为5×1014原子/cm3，外延层EPI_2的掺杂浓度可以为1×1016原子/cm3，外延层EPI_3的掺杂浓度可以为1×1014原子/cm3。外延层EPI_3的掺杂浓度可以小于等于外延层EPI_1的掺杂浓度。
图6示出利用阶梯式外延层的传统的图像传感器的垂直结构的掺杂浓度曲线和电势曲线的示例。曲线图(a)示出p型基底SUB和外延层EPI的掺杂浓度曲线的示例。曲线图(b)示出p型基底SUB、外延层EPI、n型光电二极管区域NPD、p型表面区域P_SUR的掺杂浓度曲线的示例。曲线图(c)示出传统的图像传感器的垂直结构的电势曲线的示例。
参照图6中的曲线图(c)，在图6中的与p型基底SUB相邻的传统的外延层中存在沿垂直方向电势为常数的中性区域NEUTRAL ZONE。当在与p型基底SUB相邻的外延层中存在所述中性区域时，电子中的在与p型基底SUB相邻的外延层中的一些电子会流到相邻的光电转换装置的n型光电二极管区域NPD中。这样的现象被称为串扰。当引起串扰时，图像传感器会输出失真的数据。
参照图5中的曲线图(a)和曲线图(b)，根据示例实施例的图像传感器包括具有凸出形状的掺杂浓度曲线的外延层EPI_1、EPI_2、EPI_3。因此，如图5中的曲线图(c)中所示，在与p型基底SUB相邻的外延层EPI_1中不存在电势为常数的中性区域。如果在与p型基底SUB相邻的外延层EPI_1中不存在中性区域，则在p型基底SUB和外延层EPI_1相接处产生的电子可以容易地流到对应的n型光电二极管区域NPD中。因此，根据示例实施例，具有如图5中所示的凸出形状的掺杂浓度曲线的图像传感器可以减小串扰。
如图5中所示，在根据示例实施例的图像传感器中，因为所述图像传感器可以包括具有凸出形状的掺杂浓度曲线的外延层EPI_1、EPI_2、EPI_3，所以即使利用相同的能量来执行离子注入，n型光电二极管区域NPD的有效深度也可以形成得深于传统的光电传感器的有效深度。所述图像传感器不具有中性区域，即，沿垂直方向电势为常数的区域，这是因为所述图像传感器可以包括在p型基底SUB和第二外延层EPI_2之间的掺杂浓度低于p型基底SUB和第二外延层EPI_2的掺杂浓度的第一外延层EPI_1。
通常，利用高能量来执行离子注入，以增加n型光电二极管区域NPD的深度。然而，可以通过增加离子注入工艺的能量来增加光电二极管区域的有效深度所达到的程度会受到限制。
图7A至图7H是示出制造图2中示出的CMOS图像传感器的工艺的示图。
参照图7A至图7H，形成图像传感器的像素单元的方法可以包括如下步骤：形成基底31；形成包括堆叠在基底31上的多个层32a、32b、32c的具有凸出形状的掺杂浓度曲线的外延层；在外延层中形成包括光电转换装置的至少一个像素单元。
参照图7A至图7C，形成外延层的步骤可以包括：在基底31上形成具有第一掺杂浓度的p型的第一外延层(EPI_1)32a；在第一外延层32a上形成具有高于第一掺杂浓度的第二掺杂浓度的p型的第二外延层(EPI_2)32b；在第二外延层(EPI_2)32b上形成具有低于第二掺杂浓度的第三掺杂浓度的p型的第三外延层(EPI_3)32c。第三外延层(EPI_3)32c的第三掺杂浓度可以小于等于第一掺杂浓度。
在形成了外延层32a、32b、32c之后，可以形成浅槽隔离区域(STI)33。在形成了STI 33之后，可以形成传输晶体管38的栅电极和复位晶体管39的栅电极。形成栅电极的步骤可以包括：形成第一氧化物层44；在第一氧化物层44上形成导电层43；在导电层43上形成第二氧化物层42。在形成了第二氧化物层42之后，可以形成侧壁电介质45，如图7F中所示。
在形成了侧壁电介质45之后，利用离子注入来形成n型光电二极管区域34，如图7G中所示。然后，可以在n型光电二极管区域34上形成p型表面层35，如图7H所示。然后，可以形成浮置扩散区域36和复位晶体管39的漏极区域。
在上文中，以包括由三个阶梯组成的具有凸出形状的掺杂浓度曲线的外延层的CMOS图像传感器作为示例进行了描述。然而，根据示例实施例的像素单元和具有所述像素单元的图像传感器可以应用于具有由多个阶梯组成的具有凸出形状的掺杂浓度曲线的像素单元和具有所述像素单元的图像传感器。
图8是描述根据示例实施例的示出图2中示出的CMOS图像传感器20的电路结构的示例的图像传感器100的框图。
参照图8，CMOS图像传感器100可以包括时序控制电路110、行寻址解码器120、行驱动器130、列寻址解码器140、列驱动器150、像素阵列160。行驱动器130可以被构造为产生行选择信号，列驱动器150可以被构造为产生列选择信号。
如图2、图3、图4中所示，像素阵列160可以包括：基底31；外延层32，具有凸出形状的掺杂浓度曲线并由堆叠在基底31上的多个层EPI_1、EPI_2、EPI_3组成；光电转换装置，形成在外延层32中。所述光电转换装置形成在外延层32中，并可以包括与外延层32的导电性类型相对的导电性类型的光电二极管区域34。当外延层32为p型半导体材料时，光电二极管区域34可以利用n型半导体材料形成。
第二外延层EPI_2的掺杂浓度可以高于第一外延层EPI_1和第三外延层EPI_3的掺杂浓度。第三外延层EPI_3的掺杂浓度可以小于等于第一外延层EPI_1的掺杂浓度。
像素阵列160中的像素单元的数据可以一行接一行地输出。因此，可以响应于行选择信号同时选择像素阵列160的一行中的像素单元以输出一行的数据。此外，在选择的行中的像素单元中的每个像素单元可以将与接收的光对应的信号提供到对应的列的输出线。在像素阵列160中，每个列可以为选择线，每个列的像素单元可以响应于列选择信号而选择性地输出数据。
行驱动器130可以响应于行寻址解码器120的输出信号而启用像素阵列160中的行。列驱动器150可以响应于列寻址解码器140的输出信号而启用列选择线。时序控制电路110可以控制行寻址解码器120和列寻址解码器140，以选择适于像素信号输出的行线和列线。
此外，CMOS图像传感器100可以包括采样保持电路(S/H)165、差分放大器170、模数转换器(ADC)175、图像处理器180。采样保持电路165可以响应于列驱动器150的输出信号而输出像素复位信号VRST和像素图像信号VPHOTO。差分放大器170可以为每个像素单元产生差分信号(VRST-VPHOTO)，模数转换器(ADC)175可以将每个像素单元的差分信号数字化。图像处理器180可以对数字化的像素单元信号执行适当的图像处理，以输出图像数据。
在根据示例实施例的图8中示出的CMOS图像传感器中，因为所述图像传感器包括具有凸出形状的掺杂浓度曲线的外延层EPI_1、EPI_2、EPI_3，所以即使使用相同的能量来执行离子注入，n型光电二极管区域NPD的有效深度也可以形成得深于传统的图像传感器的有效深度。根据示例实施例的图像传感器可以没有中性区域或沿垂直方向电势为常数的区域，这是因为所述图像传感器可以包括在p型基底SUB和第二外延层EPI_2之间的第一外延层EPI_1，且第一外延层EPI_1的掺杂浓度低于p型基底SUB和第二外延层EPI_2的掺杂浓度。
因此，根据示例实施例，图8中示出的CMOS图像传感器100在光电转换装置之间可以几乎没有串扰，并可以输出没有错误的图像数据。
图9是示出包括图8中示出的CMOS图像传感器100的系统的框图。图9的系统可以为计算机系统、相机系统、扫描器、车导航系统、视频电话、安全系统或运动检测系统。
参照图9，系统200可以包括中央处理单元(CPU)210、非易失性存储装置220、图像传感器100、输入/输出装置(I/O)240、随机存取存储器(RAM)250。CPU 210可以通过总线202与I/O 240通信。图像传感器100可以与CPU210通过总线202通信。此外，RAM 250和非易失性存储装置220可以通过总线202与CPU 210通信。图像传感器100可以为分开的半导体芯片或可以作为电路块被包括在CPU 210中。
如图8中所示，图像传感器100可以包括时序控制电路110、行寻址解码器120、行驱动器130、列寻址解码器140、列驱动器150、像素阵列160。
参照图1、图2、图3、图4、图8，如图8中所示的像素阵列160可以包括：基底31；外延层32，具有凸出形状的掺杂浓度曲线，由堆叠在基底31上的多个层EPI_1、EPI_2、EPI_3组成；光电转换装置，形成在外延层32中。光电转换装置11可以形成在外延层32中，并可以包括导电性类型与外延层32的导电性类型相对的光电二极管区域34。当外延层32为p型半导体材料时，光电二极管区域34可以利用n型半导体材料形成。
第二外延层EPI_2的掺杂浓度可以高于第一外延层EPI_1和第三外延层EPI_3的掺杂浓度。第三外延层EPI_3的掺杂浓度可以小于等于第一外延层EPI_1的掺杂浓度。
图9中示出的系统200可以包括如图1、图2、图3、图4中所示的多个像素单元10。在图9的图像传感器100中，因为图像传感器100可以包括具有凸出形状的掺杂浓度曲线的外延层EPI_1、EPI_2、EPI_3，所以即使使用相同的能量来执行离子注入，n型光电二极管区域NPD的有效深度也可以形成得深于传统的图像传感器的有效深度。图像传感器100不会有中性区域或沿垂直方向电势为常数的区域，这是因为图像传感器100可以包括在p型基底SUB和第二外延层EPI_2之间的第一外延层EPI_1，且第一外延层EPI_1的掺杂浓度可以低于p型基底SUB和第二外延层EPI_2的掺杂浓度。
因此，如图9中所示，包括CMOS图像传感器100的系统200在光电转换装置之间可以几乎没有串扰，并可以输出没有错误的图像数据。
已经如此描述了示例实施例，且示例实施例可以以许多不同的方式变化应该是明显的。这样的变化不视为脱离了示例实施例的意图的精神和范围，所以这样的对于本领域技术人员来说是明显的修改意在被包括在权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种像素单元，所述像素单元包括：
基底；
外延层，具有凸出形状的掺杂浓度曲线，外延层包括堆叠在基底上的至少一个层；
光电转换装置，在外延层中，
其中，外延层包括：
第一导电性类型的第一外延层，在基底上，具有第一掺杂浓度；
第一导电性类型的第二外延层，在第一外延层上，具有高于第一掺杂浓度的第二掺杂浓度；
第一导电性类型的第三外延层，在第二外延层上，具有低于第二掺杂浓度的第三掺杂浓度，
其中，第二外延层在第一外延层和第三外延层之间。
2.如权利要求1所述的像素单元，其中，在第一外延层中不存在沿垂直方向电势恒定的中性区域。
3.如权利要求1所述的像素单元，其中，光电转换装置包括在外延层中的光电二极管区域，光电二极管区域的导电性类型与外延层的其余部分的导电性类型相对。
4.如权利要求3所述的像素单元，其中，光电转换装置还包括在光电二极管区域上的表面层，表面层的导电性类型与外延层的导电性类型相同。
5.如权利要求1所述的像素单元，其中，第三掺杂浓度小于等于第一掺杂浓度。
6.如权利要求1所述的像素单元，其中，基底具有第一导电性类型。
7.如权利要求1所述的像素单元，其中，光电转换装置为光电二极管。
8.如权利要求1所述的像素单元，所述像素单元还包括：
传输晶体管，被构造为将由光电转换装置产生的电荷传输到第一结点；
源极跟随器晶体管，被构造为放大第一结点的电压信号；
复位晶体管，被构造为复位第一结点的电压信号。
9.如权利要求8所述的像素单元，所述像素单元还包括：
行选择晶体管，被构造为响应于选择信号将源极跟随器晶体管的输出信号输出到输出端。
10.一种图像传感器，包括：
行驱动器，被构造为产生行选择信号；
列驱动器，被构造为产生列选择信号；
像素阵列，被构造为响应于行选择信号和列选择信号而操作，像素阵列包括至少一个如权利要求1所述的像素单元。
11.如权利要求10所述的图像传感器，其中，在第一外延层中不存在沿垂直方向电势恒定的中性区域。
12.如权利要求10所述的图像传感器，其中，光电转换装置包括在外延层中的光电二极管区域，光电二极管区域的导电性类型与外延层的其余部分的导电性类型相对。
13.如权利要求10所述的图像传感器，其中，第三掺杂浓度小于等于第一掺杂浓度。
14.如权利要求10所述的图像传感器，所述图像传感器还包括：
采样保持电路，被构造为响应于列驱动器的输出信号输出像素复位信号和像素图像信号；
差分放大器，被构造为基于像素复位信号和像素图像信号对每个像素单元产生差分信号；
模数转换器，被构造为使差分信号数字化；
图像处理器，被构造为对数字化的差分信号执行图像处理，以输出图像数据。
15.一种包括处理器和图像传感器的系统，其中，
图像传感器结合到处理器，图像传感器包括至少一个如权利要求1所述的像素单元。
16.一种形成像素单元的方法，所述方法包括如下步骤：
形成基底；
形成具有凸出形状的掺杂浓度曲线的外延层，外延层包括堆叠在基底上的至少一个层；
在外延层中形成光电转换装置，
其中，形成外延层的步骤包括：
在基底上形成具有第一导电性类型和第一掺杂浓度的第一外延层；
在第一外延层上形成具有第一导电性类型和高于第一掺杂浓度的第二掺杂浓度的第二外延层；
在第二外延层上形成具有第一导电性类型和低于第二掺杂浓度的第三掺杂浓度的第三外延层，
其中，第二外延层在第一外延层和第三外延层之间。
17.如权利要求16所述的形成像素单元的方法，其中，第三掺杂浓度小于等于第一掺杂浓度。
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