CN105679780A - 能改善像素动态范围的互补金属氧化物半导体影像感应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种能改善像素动态范围的互补金属氧化物半导体影像感应器，包含有一半导体基底，其具有一主表面；一移转晶体管，包含一移转栅极，设置于该半导体基底的该主表面上；一光感结构，设于该移转栅极一侧的该半导体基底内；一浮置扩散节点，设于该移转栅极另一侧的该半导体基底内；一重置晶体管，经由该浮置扩散节点串接于该移转晶体管；一源极跟随晶体管，包含一源极跟随栅极；以及一垂直电容结构，其中该垂直电容结构具有一第一垂直电极板以及一第二垂直电极板，该第一垂直电极板电连接该源极跟随栅极以及该浮置扩散节点。
Description
技术领域
本发明涉及影像感应器(imagesensordevice)技术，特别是涉及一种能改善像素动态范围(dynamicrange)的CMOS影像感应器。
背景技术
CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)影像感应器是本领域已知的影像感应技术，其具有主动元件(有源元件)，如晶体管，与每个像素相关联，因为与CMOS制作工艺相容，其优点是能够将信号处理和感测电路制作在同一个集成电路内。
上述CMOS影像感应器是通常由四个晶体管和一个“钉扎”光二极管(pinnedphotodiode)构成。已知钉扎光二极管在暗电流密度和图像迟滞方面表现佳，且对蓝光具有不错的颜色响应，其将二极管表面电势经由P+区“钉扎”于P阱或P基底(接地)而达到降低暗电流。
已知，CMOS影像感应器的像素动态范围(dynamicrange)与其浮置扩散节点(floatingdiffusionnode)电荷处理电容值(CFD)有关。通常浮置扩散节点电荷处理电容值(CFD)小于光二极管电荷处理电容值(CPD)，故对高亮度曝光像素，难以将电荷完全从光二极管移转至浮置扩散节点。当移转晶体管(transfertransistor)的通道关闭时，残存于光二极管的电荷除了将导致残影(imagelag)，也会影响像素动态范围。
由此可知，该技术领域仍需要一种改良的CMOS影像感应器，其能够解决上述现有技术的不足与缺点。
发明内容
为达上述目的，本发明于是提出一种影像感应器，包含有一半导体基底，其具有一主表面；一移转晶体管，包含一移转栅极，设置于该半导体基底的该主表面上；一光感结构，设于该移转栅极一侧的该半导体基底内；一浮置扩散节点，设于该移转栅极另一侧的该半导体基底内；一重置晶体管，经由该浮置扩散节点串接于该移转晶体管；一源极跟随晶体管，包含一源极跟随栅极；以及一垂直电容结构，其中该垂直电容结构具有一第一垂直电极板以及一第二垂直电极板，该第一垂直电极板电连接该源极跟随栅极以及该浮置扩散节点。
根据本发明实施例，该源极跟随栅极与该浮置扩散节点通过一第一导电插塞、一第一金属内连线以及一第二导电插塞的路径耦接在一起。该第一导电插塞与该第二导电插塞设于同一介电层中。该源极跟随栅极通过一第二金属内连线耦接至该电容结构的该第一垂直电极板。
根据本发明实施例，该第一垂直电极板与第二垂直电极板是交指状配置。该第一垂直电极板与该第二垂直电极板均垂直于该半导体基底的该主表面。
根据本发明实施例，该移转晶体管与该重置晶体管设置在一第一主动区域上，而该源极跟随晶体管以及该读出晶体管则设置在一第二主动区域上，且该第一主动区域与该第二主动区域之间由一沟槽绝缘结构隔开。
根据本发明实施例，该光感结构为一光二极管，其包含一P+浅掺杂区以及一N-掺杂区，构成一形成在该半导体基底的钉扎光二极管。
为让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举优选实施方式，并配合所附的附图，作详细说明如下。然而如下的优选实施方式与附图仅供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
附图说明
图1为本发明实施例所绘示的CMOS影像感应器的布局结构示意图；
图2为图1中CMOS影像感应器的切线I-I’剖面结构示意图；
图3及图4例示一电容结构的立体侧视图；
图5及图6为本发明其它实施例所绘示的CMOS影像感应器的剖面结构示意图；
图7为本发明另一实施例的示意图。
符号说明
1CMOS影像感应器
10光二极管
12浮置扩散节点
14掺杂区
16掺杂区
18共用掺杂区
19掺杂区
20移转晶体管
20a移转栅极
22重置晶体管
22a重置栅极
24源极跟随晶体管
24a源极跟随栅极
26读出晶体管
26a读出栅极
30电容结构
31第一电极板
31a指电极板
32第二电极板
32a指电极板
42第一金属内连线
44第二金属内连线
52第一导电插塞
54第二导电插塞
60介电层
100半导体基底
100a主表面
101第一主动(有源)区域
102第二主动区域
110P+浅掺杂区
111N-掺杂区
120沟槽绝缘结构
160介电层
260介电层
311金属层
312介层插塞
312’沟槽式介层插塞
312”沟槽式介层插塞
313金属层
314沟槽式介层插塞
315金属层
321金属层
322介层插塞
322’沟槽式介层插塞
322”沟槽式介层插塞
323金属层
324沟槽式介层插塞
325金属层
TX移转晶体管
RST重置晶体管
SF源极跟随晶体管
RS读出晶体管
FD浮置扩散节点
PD光二极管
1M第一层金属层
1T第一层介层插塞
2M第二层金属层
2T第二层介层插塞
3M第三层金属层
CFD浮置扩散节点的电荷处理电容值
具体实施方式
在下文中，将参照附图说明细节，该些附图中的内容也构成说明书细节描述的一部分，并且以可实行该实施例的特例描述方式来绘示。下文实施例已描述足够的细节使该领域的一般技术人士得以具以实施。当然，也可采行其他的实施例，或是在不悖离文中所述实施例的前提下作出任何结构性、逻辑性、及电性上的改变。因此，下文的细节描述不应被视为是限制，反之，其中所包含的实施例将由随附的权利要求来加以界定。
请参阅图1及图2，其中图1为依据本发明实施例所绘示的CMOS影像感应器的布局结构示意图，图2为图1中CMOS影像感应器的切线I-I’剖面结构示意图。熟悉该项技术者应理解图中所示布局结构仅为例示，本发明并不限于此布局。如图1及图2所示，本发明CMOS影像感应器1可以是四晶体管(4T)像素结构，其包括一移转晶体管(TX)20、一重置晶体管(RST)22、一源极跟随晶体管(SF)24以及一读出晶体管(RS)26，其中，移转晶体管(TX)20与一光二极管10耦合。
如图2所示，根据本发明实施例，光二极管10可以包含一P+浅掺杂区110以及一N-掺杂区111，构成一形成在半导体基底100的“钉扎”光二极管(pinnedphotodiode)，但不限于此。熟悉该项技术者应理解，光二极管10也可以是其它光感结构。光二极管10设置在移转栅极20a的一侧的半导体基底100内。根据本发明实施例，半导体基底100可以是一P型硅基底，但不限于此。
根据本发明实施例，如图1及图2所示，在移转栅极20a的另一侧，相对于上述光二极管10，移转晶体管(TX)20与重置晶体管(RST)22之间设置一共用的浮置扩散节点(FD)12。通过浮置扩散节点(FD)12，使移转晶体管(TX)20与重置晶体管(RST)22串接在一起。在重置栅极22a的另一侧，相对于浮置扩散节点(FD)12，设有一掺杂区14。
根据本发明实施例，如图1及图2所示，移转晶体管(TX)20与重置晶体管(RST)22设置在一第一主动区域101上，而源极跟随晶体管(SF)24以及读出晶体管(RS)26则设置在一第二主动区域102上。第一主动区域101与第二主动区域102之间由沟槽绝缘结构120隔开。
根据本发明实施例，长条状的第二主动区域102平行设置在第一主动区域101一侧，使源极跟随晶体管(SF)24可以接近浮置扩散节点(FD)12。熟悉该项技术者应理解图中所示布局结构仅为例示，本发明并不限于此布局。
根据本发明实施例，如图1及图2所示，源极跟随晶体管(SF)24包括一源极跟随栅极24a、一掺杂区16以及一共用掺杂区18。读出晶体管(RS)26包括一读出栅极26a、所述共用掺杂区18以及一掺杂区19。
根据本发明实施例，操作时，源极跟随晶体管(SF)24的掺杂区16可以外接一VDD1电压，重置晶体管(RST)22的掺杂区14可以外接一VDD2电压，移转栅极20a可以外接一移转栅极电压VTX，重置栅极22a可以外接一重置栅极电压VRST，读出栅极26a可以外接一读出栅极电压VRS。
根据本发明实施例，如图1及图2所示，本发明的一技术特征在于：源极跟随栅极24a与浮置扩散节点(FD)12通过一第一导电插塞52、一第一金属内连线42以及一第二导电插塞54的路径耦接在一起。其中，所述第一导电插塞52电连接浮置扩散节点(FD)12与第一金属内连线42，所述第二导电插塞54电连接源极跟随栅极24a与所述第一金属内连线42。
如图2所示，所述第一导电插塞52以及第二导电插塞54形成于一介电层60中。第一导电插塞52以及第二导电插塞54可以是钨金属，但不限于此。第一金属内连线42可以是以后段制作工艺(BEOL)的第一层金属层(1M)所制成。
根据本发明实施例，如图1及图2所示，本发明的另一技术特征在于：源极跟随栅极24a再通过一第二金属内连线44耦接至一电容结构30，更明确的说，源极跟随栅极24a通过所述第二金属内连线44耦接至所述电容结构30的一第一电极板31，其中第二金属内连线44与第一金属内连线42同样是以第一层金属层(1M)所制成。所述电容结构30还包括一第二电极板32，与第一电极板31相隔设置。根据本发明实施例，如图1所示，第一电极板31与第二电极板32可以是交指状配置。
图7例示另一实施例，其中第一电极板31可以有至少两个指电极板31a，都与金属内连线44耦接，而第二电极板32可以有至少三个指电极板32a。熟悉该项技术者应理解图中所示电容布局结构仅为例示，本发明并不限于此布局。
图3及图4例示所述电容结构30的立体侧视图。根据本发明实施例，所述电容结构30为一垂直电容结构，亦即，第一电极板31与第二电极板32均垂直于半导体基底100的一主表面100a。根据本发明实施例，如图3所示，所述电容结构30的第一电极板31可以是由金属层311、多个柱状介层插塞312与金属层313所构成，而第二电极板32可以是由金属层321、多个柱状介层插塞322与金属层323所构成，其中金属层311/321可以是第一层金属层(1M)所制成，金属层313/323可以是第二层金属层(2M)所制成。第一电极板31与第二电极板32之间可以是填入介电层(图未示)。
根据本发明另一实施例，如图4所示，所述电容结构30的第一电极板31可以是由金属层311、一沟槽式介层插塞312’与金属层313所构成，而第二电极板32可以是由金属层321、一沟槽式介层插塞322’与金属层323所构成。同样的，第一电极板31与第二电极板32之间可以是填入介电层(图未示)。其中沟槽式介层插塞312’/322’为条状导体结构，因此可增大第一电极板31与第二电极板32之间的电容值。
本发明CMOS影像感应器通过将浮置扩散节点(FD)12耦接至源极跟随栅极24a以及电容结构30的第一电极板31，使电容结构30的第二电极板32耦合至一偏压(例如接地)，如此能够增加浮置扩散节点(FD)12的电荷处理电容值(CFD)，因此能够有效的改善像素动态范围。此外，本发明的电容结构30为垂直电容结构，其优点是可以在有限的面积提供出最大的电容值。
请参阅图5及图6，其为依据本发明其它实施例所绘示的CMOS影像感应器的剖面结构示意图，其中为了简化说明，如同图2，仅仅绘示出本发明重要特征结构。如图5所示，其特征在于电容结构30可以由第一层金属层(1M)、第一层介层插塞(1T)、第二层金属层(2M)、第二层介层插塞(2T)及第三层金属层(3M)所构成。如图6所示，其特征在于电容结构30可以由第一层金属层(1M)、第二层介层插塞(2T)及第三层金属层(3M)所构成。
所述电容结构30可以形成在介电层160及260中，且第一层金属层(1M)、第一层介层插塞(1T)、第二层金属层(2M)、第二层介层插塞(2T)及第三层金属层(3M)可以是包含铝、铜、铝铜合金、钨、氮化钛、钛、钽、氮化钽等导电材料，但不限于此。
在图5中，电容结构30的第一电极板31可以是由金属层311、沟槽式介层插塞312’、金属层313、沟槽式介层插塞314及金属层315所堆叠而成，而第二电极板32可以是由金属层321、沟槽式介层插塞322’、金属层323、沟槽式介层插塞324及金属层325所堆叠而成。其中金属层311/321为第一层金属层(1M)，沟槽式插塞312’/322’为第一层介层插塞(1T)，金属层313/323为第二层金属层(2M)，沟槽式插塞314/324为第二层介层插塞(2T)，金属层315/325为第三层金属层(3M)。
在图6中，电容结构30的第一电极板31可以是由金属层311、沟槽式介层插塞312”及金属层315所堆叠而成，而第二电极板32可以是由金属层321、沟槽式介层插塞322”及金属层325所堆叠而成。其中，沟槽式介层插塞312”及沟槽式介层插塞322”可以穿透介电层160及260，其作为第二层介层插塞(2T)直接连接第一层金属层311/321与第三层金属层315/325。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。
Claims (13)
1.一种影像感应器，包含有：
半导体基底，其具有主表面；
移转晶体管，包含移转栅极，设置于该半导体基底的该主表面上；
光感结构，设于该移转栅极一侧的该半导体基底内；
浮置扩散节点，设于该移转栅极另一侧的该半导体基底内；
重置晶体管，经由该浮置扩散节点串接于该移转晶体管；
源极跟随晶体管，包含一源极跟随栅极；以及
垂直电容结构，其中该垂直电容结构具有第一垂直电极板以及第二垂直电极板，该第一垂直电极板电连接该源极跟随栅极以及该浮置扩散节点。
2.如权利要求1所述的影像感应器，其中该源极跟随栅极与该浮置扩散节点通过一第一导电插塞、一第一金属内连线以及一第二导电插塞的路径耦接在一起。
3.如权利要求2所述的影像感应器，其中该第一导电插塞与该第二导电插塞设于同一介电层中。
4.如权利要求2所述的影像感应器，其中该源极跟随栅极通过一第二金属内连线耦接至该电容结构的该第一垂直电极板。
5.如权利要求1所述的影像感应器，其中该第一垂直电极板与第二垂直电极板是交指状配置。
6.如权利要求1所述的影像感应器，其中该第一垂直电极板与该第二垂直电极板均垂直于该半导体基底的该主表面。
7.如权利要求1所述的影像感应器，其中还包含一读出晶体管，经由一共用掺杂区与该源极跟随晶体管串接在一起。
8.如权利要求7所述的影像感应器，其中该移转晶体管与该重置晶体管设置在一第一主动区域上，而该源极跟随晶体管以及该读出晶体管则设置在一第二主动区域上，且该第一主动区域与该第二主动区域之间由一沟槽绝缘结构隔开。
9.如权利要求1所述的影像感应器，其中该光感结构为一光二极管，其包含一P+浅掺杂区以及一N-掺杂区，构成一形成在该半导体基底的钉扎光二极管。
10.如权利要求1所述的影像感应器，其中该第一垂直电极板及该第二垂直电极板均由一第一金属层、一沟槽式介层插塞与一第二金属层所堆叠而成。
11.如权利要求1所述的影像感应器，其中还包含介电层，设于该第一垂直电极板及该第二垂直电极板之间。
12.如权利要求1所述的影像感应器，其中该第二垂直电极板在操作时外接一偏压。
13.如权利要求12所述的影像感应器，其中该偏压为接地。
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