CN110828492A - 像素结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种影像传感器的像素结构，包括：基底；结晶层，具有第一掺杂类型且形成在基底之上；光二极管区域，形成在结晶层之中；源极跟随器的栅极，形成在结晶层的上表面上；复位栅极，形成在结晶层的上表面之上；掺杂区，具有第二掺杂类型，形成在结晶层中且形成在复位栅极与源极跟随器的栅极之间。其中第一掺杂类型不同于第二掺杂类型，并且光二极管区域在结晶层的上表面之下连接至掺杂区以形成防渲染路径。

Description

像素结构
技术领域
本发明涉及一种具有防渲染路径的像素结构。
背景技术
互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)影像传感器已广泛应用于移动应用。CMOS影像传感器也可以应用于其他应用，例如汽车和保全系统，对于汽车和保全应用的要求与移动应用的要求并不相同。例如，在汽车与保全应用中，渲染(blooming)是高度不能够被接受的，渲染发生在像素曝光时像素已被光子载体填满而无法再继续收集空穴，此时明亮的像素绘扩散至邻近区域中的其他几个像素中。
道路场景(尤其是夜间)具有很高的动态范围。因此，CMOS影像传感器需要在超亮区域具有良好的渲染控制，以确保相邻的昏暗区域不会被渲染电荷给影响成白色，否则会失去许多细节，变得很难从场景中撷取信息。此外，在诸如汽车的高温操作中，即使是在黑暗中一个热像素也容易被暗电流填充，使得相邻的良好像素会因为接收渲染电荷而变热。
由于传统的CMOS影像传感器无法解决渲染问题，需要提出一种新的CMOS影像传感器，其具有更好的防渲染能力。
发明内容
本发明的实施例提出一种像素结构，包括基底、结晶层、光二极管区域、源极跟随器的栅极、复位栅极与掺杂区。结晶层具有第一掺杂类型且形成在基底之上。光二极管区域形成在结晶层之中。源极跟随器的栅极形成在结晶层的上表面上。复位栅极形成在结晶层的上表面之上。掺杂区具有第二掺杂类型，形成在结晶层中且形成在复位栅极与源极跟随器的栅极之间。其中第一掺杂类型不同于第二掺杂类型，并且光二极管区域在结晶层的上表面之下连接至掺杂区以形成一防渲染路径。
在一些实施例中，上述的像素结构还包括绝缘结构，从结晶层的上表面开始延伸并且形成在光二极管区域与掺杂区之间，其中光二极管区域在绝缘结构之下连接至掺杂区。
在一些实施例中，光二极管区域具有第一部分，此第一部分具有第二掺杂类型且在绝缘结构之下往掺杂区延伸。掺杂区具有第二部分，此第二部分具有第二掺杂类型且在绝缘结构之下往光二极管区域延伸，第一部分是连接至第二部分。
在一些实施例中，掺杂区包含高浓度掺杂区、低浓度掺杂漏极与第二部分。高浓度掺杂区具有第二掺杂类型，低浓度掺杂漏极具有第二掺杂类型且位于高浓度掺杂区之下，并且第二部分往光二极管区域延伸。
在一些实施例中，第二部分的掺杂浓度小于低浓度掺杂漏极的掺杂浓度。
在一些实施例中，上述的像素结构还包括阱区，其具有第一掺杂类型且形成在结晶层之中。此阱区具有凹槽以至少部分地围绕第一部分与第二部分。
在一些实施例中，上述的阱区是垂直地与第一部分与第二部分之间的连接界面相隔一距离。
在一些实施例中，上述凹槽的宽度小于复位栅极与源极跟随器的栅极之间的距离。
在一些实施例中，第一掺杂类型为P类型，第二掺杂类型为N类型。
在一些实施例中，上述的掺杂区连接至电源电压。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1示出根据一实施例的像素电路的电路示意图。
图2A示出根据一实施例的像素结构的上视图。
图2B示出沿着图2A中沿着剖线AA’的剖面图。
图3A示出根据一实施例的部分像素结构的剖面图。
图3B是沿图3A中的切线BB’绘示的部分像素结构的上视图。
图3C是沿图3A中的切线CC’绘示的部分像素结构的上视图。
图3D是沿图3A中的切线DD’绘示的部分像素结构的上视图。
图4示出根据一实施例的像素结构的上视图。
图5A至图5C示出根据一些实施例的部分像素结构的剖面图。
具体实施方式
图1示出根据一实施例的像素电路的电路示意图。请参照图1，影像传感器100可应用于正面照射(front side illumination，FSI)或是背面照射(back side illumination，BSI)的影像传感器。影像传感器100包括光二极管110、转换晶体管TX、复位晶体管RES、源极跟随器SF、选择晶体管SEL。光二极管110的阳极接地，阴极电性连接至转换晶体管TX的第一端。转换晶体管TX的第二端电性连接至复位晶体管RES的第一端与源极跟随器SF的栅极。复位晶体管RES的第二端电性连接至电源电压VDD。源极跟随器SF的第一端电性连接至电源电压VDD，第二端电性连接至选择晶体管SEL的第一端。选择晶体管SEL的第二端电性连接至偏压电流源130并输出至感测电路140。在此实施例中，提供了一条从光二极管110至电源电压VDD的防渲染路径120，以下将详细说明一个像素结构。
图2A示出根据一实施例的像素结构的上视图，图2B示出沿着图2A中沿着剖线AA’的剖面图。请参照图2A与图2B，影像传感器100包括基底201，此基底201具有第一掺杂类型(例如P类型)。基底201上形成有结晶层202，此结晶层202具有第一掺杂类型，例如为P型的磊晶层。光二极管区域203、214与阱区PW形成在结晶层202之中，阱区PW具有第一掺杂类型。光二极管区域203属于影像传感器100中的一个像素，而光二极管区域214则属于相邻的另一个像素。结晶层202的上表面202a还设置有表面钉扎层(surface pinning layer)210与栅极绝缘层211，栅极绝缘层211例如包括氧化物。绝缘结构212、213设置在结晶层202之中，其中绝缘结构212是设置在光二极管区域203与光二极管区域214之间。例如，绝缘结构212、213为浅沟槽隔离(shallow trench isolation，STI)。在一些实施例中，绝缘结构212还具有较深的阱区215，其具有第一掺杂类型。
转换晶体管TX的栅极TX_G(亦称为转换栅极)、复位晶体管RES的栅极RES_G(亦称复位栅极)、源极跟随器SF的栅极SF_G以及选择晶体管SEL的栅极SEL_G(亦称为选择栅极)设置在栅极绝缘层211之上，这些栅极未示出在图2B中。栅极TX_G会覆盖部分的光二极管区域203。掺杂区204、206、207是形成在结晶层202之中。掺杂区204设置在转换栅极TX_G与复位栅极RES_G之间，作为转换晶体管TX与复位晶体管RES的源/漏极，掺杂区204也通过导电结构205电性连接至栅极SF_G。掺杂区206设置在复位栅极RES_G与栅极SF_G之间，作为复位晶体管RES与源极跟随器SF的源/漏极。掺杂区207设置在栅极SF_G与选择栅极SEL_G之间，作为源极跟随器SF与选择晶体管SEL的源/漏极。其中，掺杂区204、206、207具有第二掺杂类型(例如N类型)，此第二掺杂类型不同于上述的第一掺杂类型。
特别的是，光二极管区域203与掺杂区206在结晶层202的上表面202a之下会彼此连接，由此提供防渲染路径120。具体来说，绝缘结构213是从结晶层202的上表面202a往下延伸，且是形成在光二极管区域203与掺杂区206之间。光二极管区域203具有第一部分221，此第一部分221具有第二掺杂类型(例如N类型)且在绝缘结构213下方往掺杂区206的方向延伸。另一方面，掺杂区206具有第二部分222，此第二部分222具有第二掺杂类型且在绝缘结构213下方往光二极管区域203的方向延伸。第一部分221与第二部分222会在绝缘结构213之下彼此连接，换言之，光二极管区域203与掺杂区206是在绝缘结构213之下彼此连接。值得注意的是，在图2A中第一部分221与第二部分222是被绝缘结构213所遮蔽，因此被描绘为虚线。
在一些实施例中，掺杂区206具有高浓度掺杂区域224、在高浓度掺杂区域224之下的低浓度掺杂漏极223、以及第二部分222，这些低浓度掺杂漏极223、高浓度掺杂区域224、高浓度掺杂区域224都具有第二掺杂类型。在一些实施例中，第二部分222是用热扩散的方式形成，这使得第二部分222的掺杂浓度会低于高浓度掺杂区域224的掺杂浓度，且第二部分222的掺杂浓度是往光二极管区域203的方向越来越低。因此，可理解的是，在一些实施例中低浓度掺杂漏极223与第二部分222之间并没有明确的边界。由于第一部分221与第二部分222具有相同的掺杂类型且彼此连接，因此光二极管区域203与掺杂区206之间的能障会比光二极管区域203与光二极管区域214之间的能障还要低。请参照图1与图2B，掺杂区206是连接至电源电压VDD，当光二极管区域203过度曝光时，多余的电荷可以通过防渲染路径120流向电源电压VDD，而不会流到相邻的光二极管区域214。在一些实施例中，可以控制高浓度掺杂区域224的深度，当此深度越大时，第一部分221与第二部分222之间的能障也会降低。在一些实施例中，也可以控制绝缘结构213的深度，当此深度越大时，第一部分221与第二部分222之间的能障会提高。
图3A示出根据一实施例的部分像素结构的剖面图，图3A和图2B相同，但为了说明起见更换了一些符号，图3B是沿着图3A中的切线BB’绘示的部分像素结构的上视图，图3C是沿着图3A中的切线CC’绘示的部分像素结构的上视图，图3D是沿着图3A中的切线DD’绘示的部分像素结构的上视图。请参照图3A，在一些实施例中，阱区PW具有一凹槽，用以围绕第一部分221与第二部分222。具体来说，在现有技术中阱区PW会占据绝缘结构213下方的空间(类似于深阱区215)，但在此实施例中阱区PW设计有凹槽320，此凹槽320具有高度H，阱区PW与第一部分221和第二部分222之间的连接界面310垂直地相隔了距离D1。请参照图3B，从上视图来看，而阱区PW的凹槽320部分地在上方、右侧与下方等三侧围绕着第一部分221与第二部分222，凹槽320具有宽度W与长度L。请参照图3C，从上视图来看，阱区PW的凹槽320内充满了结晶层202。请参照图3D，在图3D中则看不到凹槽320。
可理解的是，此凹槽320的高度H、宽度W以及长度L、还有上述的距离D1都可根据需要而设计不同的数值。一般来说，当高度H、宽度W以及长度L、还有上述的距离D1越大时，第一部分221与第二部分222所形成的能障会越低，因而产生更有效的防渲染路径120。
图4示出根据一实施例的像素结构的上视图。图4基本上与图2A相同，但为了说明起见而在图4中示出了阱区PW的范围，值得注意的是，阱区PW是埋在结晶层202之中，从上视图中是“看”不到阱区PW。在图4中，阱区PW的凹槽320具有宽度W与长度L。此宽度W会小于复位栅极RES_G与栅极SF_G之间的距离D2，但如果需要更强的防渲染能力，只要不影响复位栅极RES_G与栅极SF_G的操作，凹槽320可以向下延伸进入复位栅极RES_G与栅极SF_G之间的通道区。
在一些实施例中，除了在光二极管203与掺杂区206中分别形成第一部分221与第二部分222(主要是通过热扩散来形成)以外，也可以在结晶层202中形成第二掺杂类型的植入区域，由此调整防渲染能力。举例来说，请参照图5A，植入区域510形成在绝缘结构213下方，且在光二极管区域203与掺杂区206之间，植入区域510也接触光二极管区域203与掺杂区206，由此提供防渲染路径。请参照图5B，植入区域520形成在绝缘结构213下方，但与图5A不同的是，植入区域520是往光二极管区域203延伸并与光二极管203区域的植入混和在一起。在一些实施例中，植入区域520是接触结晶层202。请参照图5C，植入区域530部分地形成在凹槽320之中，并且同时接触掺杂区206与阱区PW，此植入区域530是掺杂区206之外额外加入的区域。值得注意的是，植入区域510、520、530的长度、宽度、高度、形成位置都可以根据需求而调整，本发明并不在此限。
以另外一个角度来说，一些实施例也提供了一个电子装置，具有上述的影像传感器100与像素结构。此电子装置可以是智能型手机、各种类型的计算机、数字摄影机等等，本发明并不在此限。
在一些实施例中，上述的第一掺杂类型也可为N类型，第二掺杂类型也可为P类型。
虽然以上描述了本发明的实施例，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种像素结构，包括：
基底；
结晶层，具有第一掺杂类型且形成在该基底之上；
光二极管区域，形成在该结晶层之中；
源极跟随器的栅极，形成在该结晶层的上表面上；
复位栅极，形成在该结晶层的该上表面之上；以及
掺杂区，具有第二掺杂类型，形成在该结晶层中且形成在该复位栅极与该源极跟随器的该栅极之间，
其中该第一掺杂类型不同于该第二掺杂类型，并且该光二极管区域在该结晶层的该上表面之下连接至该掺杂区以形成防渲染路径。
2.如权利要求1所述的像素结构，还包括：
绝缘结构，从该结晶层的该上表面开始延伸并且形成在该光二极管区域与该掺杂区之间，其中该光二极管区域在该绝缘结构之下连接至该掺杂区。
3.如权利要求2所述的像素结构，其中该光二极管区域具有第一部分，该第一部分具有该第二掺杂类型且在该绝缘结构之下往该掺杂区延伸，该掺杂区具有第二部分，该第二部分具有该第二掺杂类型且在该绝缘结构之下往该光二极管区域延伸，该第一部分是连接至该第二部分。
4.如权利要求3所述的像素结构，其中该掺杂区包含高浓度掺杂区、低浓度掺杂漏极与该第二部分，其中该高浓度掺杂区具有该第二掺杂类型，该低浓度掺杂漏极具有该第二掺杂类型且位于该高浓度掺杂区之下，并且该第二部分往该光二极管区域延伸。
5.如权利要求4所述的像素结构，其中该第二部分的掺杂浓度小于该低浓度掺杂漏极的掺杂浓度。
6.如权利要求3所述的像素结构，还包括：
阱区，具有该第一掺杂类型且形成在该结晶层之中，
其中该阱区具有凹槽以至少部分地围绕该第一部分与该第二部分。
7.如权利要求6所述的像素结构，其中该阱区是垂直地与该第一部分与该第二部分之间的连接界面相隔一距离。
8.如权利要求6所述的像素结构，其中该凹槽的宽度小于该复位栅极与该源极跟随器的该栅极之间的距离。
9.如权利要求1所述的像素结构，其中该第一掺杂类型为P类型，该第二掺杂类型为N类型。
10.如权利要求1所述的像素结构，其中该掺杂区连接至电源电压。
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