CN1933170A - 固态图像拾取器件 - Google Patents

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Abstract

提供了其中减少了像素灵敏特性的波动布图结构，以及实现高产量和高灵敏性的固态图像拾取器件。像素2a和2b包括的各个部分，例如PD3a和3b的光接收区域20a和20b、传输栅电极4a和4b、以及FD5具有包括在行方向延伸的线和在列方向延伸的线的外部形状。以关于在像素对中的2个像素之间延伸的直线轴对称的方式来设置像素对包括的光接收区域20a和20b、传输栅电极4a和4b、以及FD5。并且FD5以及复位晶体管6和放大器晶体管12的源极区域和漏极区域被设置在列方向上延伸的直线上。

Description

固态图像拾取器件
技术领域
本发明涉及其中包括光电二极管和传输栅电极的多个像素被设置在半导体衬底的像素区域中的固态图像拾取器件，尤其涉及其中两个相邻像素共享电路的包括浮动扩散的一部分的固态图像拾取器件。
背景技术
近年来，对于例如CCD型和MOS型图像传感器(可与CMOS工艺兼容的传感器)的图像拾取器件的小型化和高分辨率的需求急剧增长。由于减小每单位像素的面积对于满足这个需求方面是有效的，因此常规地已经想到了各种电路设计。
图10A和10B是示出已经常规地提出的(例如，参照美国专利No.6033478的说明书)可与CMOS工艺兼容的传感器(下文中，被称为CMOS传感器)的像素部分的例子的电路图。图10A示出其中1个像素需要4个晶体管的4晶体管型CMOS传感器的例子，而图10B示出1个像素需要3个晶体管的3晶体管型CMOS传感器的例子。在本发明的说明书中，为了便于理解，在图10A和10B中，公共功能的部件使用公共的附图标记。
在图10A中，像素对1包括在相邻行中的2个像素2a和2b。像素2a和2b分别包括光电二极管3a和3b(下文中，被称为PD 3a和PD 3b)以及传输栅电极4a和4b。另一方面，2个像素2a和2b共享浮动扩散5(下文中，被称为FD 5)、复位晶体管6、放大器晶体管12以及选择晶体管13。传输晶体管包括PD 3a和3b、传输栅电极4以及FD 5。
图10B所示的像素对1具有其中选择晶体管13从图10A所示的像素对1的结构中除去的结构，由此实现了面积减小。同时，例如在日本特开平专利公报No.9-46596中公开了其中FD 5不被共享的普通CMOS传感器的细节。
这里，将简要介绍图10A和10B所示的电路进行的处理。当将预定电压施加于传输栅电极4a和4b时，在曝光期间在PD 3a和3b中积累的信号电荷被传输到FD 5。于是，放大器晶体管12的栅极的电位幅度对应于传输到FD 5的信号电荷的量，并且在垂直信号线15上出现通过变换参考电压VDD产生的电压信号。为了防止信号干扰(blooming)，当对PD 3a和3b进行曝光并且将参考电压VDD施加到FD 5时，将复位晶体管6控制为导通。由此，由于FD 5中的电荷被放电到外部，将FD 5控制为处于初始状态。
同时，尽管在上述美国专利No.6033478的说明书等中没有公开实现上述电路的布图，但是通常的布图如图11所示。具体而言，对于在列方向(y轴方向)上相邻的2个PD 3a和3b的光接收区域20a和20b，倾斜地设置传输栅电极4a和4b。并且在行方向(x轴方向)上依次布置FD 5、复位晶体管6的源极和漏极区域、以及放大器晶体管12的源极和漏极区域。图12是示出其中图11所示的布图中的象素对1以矩阵方式被设置在象素区域中的图。
本发明的发明人发现当以失配的方式设置用于形成PD 3a和3b的光接收区域20a和20b的掩膜时，可能会出现一个问题。更具体而言，尽管掩膜应该被设置以便如图13所示形成抗蚀剂图案的开口22a和22b，当由于失配如图14所示地设置开口22a和22b时，改变了各个象素的传输晶体管的特性等。当传输晶体管的特性等被改变时，象素2a和2b的灵敏性特性波动，并且不能得到具有优良质量的图像，导致固态图像拾取器件的致命缺陷。
发明内容
因此，本发明的目的是提供其中减少了像素灵敏性特性的波动的布图结构以及实现高成品率和高灵敏性的固态图像拾取器件。
根据本发明的固态图像拾取器件包括多个像素，其中的每一个包括光电二极管和用于将该光电二极管中积累的电荷传输到浮动扩散的传输栅电极。像素对包括在列方向上相邻的2个像素，并且像素对共享浮动扩散和MOS型放大器晶体管，该晶体管的栅电极连接到浮动扩散。在半导体衬底的表面的像素区域中在行方向上设置所述像素。在每个像素对中包括的2个光电二极管的光接收区域、2个传输栅电极以及1个浮动扩散具有外部形状，该形状包括在行方向上延伸的线和在列方向上延伸的线，并且在行方向上被整齐地设置。以关于在像素对中包括的2个像素之间延伸的直线轴对称的方式来设置在每个像素对中包括的2个光电二极管的光接收区域、2个传输栅电极以及1个浮动扩散。
例如，光接收区域、传输栅电极以及浮动扩散具有矩形形状，其长边是在列方向上延伸的直线。
连接到每个像素中的传输栅电极的布线可以包括第一布线和连接到第一布线的第二布线，该第一布线在行方向上在该对的2个像素的光接收区域之间延伸并且连接到传输栅电极的一端，该第二布线连接到传输栅电极的另一端，沿着浮动扩散的外缘的一部分延伸，并且被设置在行方向上相邻的像素中。
固态图像拾取器件还可以包括MOS型复位晶体管，所述MOS型复位晶体管中的每一个是为每个像素对提供的，并且将浮动扩散连接在参考电位，其中放大器晶体管和复位晶体管的源极区域和漏极区域以及浮动扩散可以被设置在列方向上延伸的直线上。
像素对中包括的复位晶体管的栅电极和与其连接的布线可以被设置在行方向上在该像素对和在列对中相邻的像素对之间延伸的直线上。
通过使用根据本发明的布图，即使光电二极管的光接收区域形成为失配，每个像素的灵敏特性也不改变，由此导致可以提供高质量图像的固态图像拾取器件。
通过以下参照附图对本发明进行的详细描述，本发明的这些和其他目的、特性、方面及优点将会变得更加显而易见。
附图说明
图1A是示出根据本发明的固态图像拾取器件的平面图；
图1B是示出根据本发明的固态图像拾取器件的剖面图的示图；
图2是示出像素区域的平面图的示图；
图3A是说明隔离的制造工艺的示图；
图3B是说明图3A中所示的工艺之后的制造工艺的示图；
图3C是说明图3B中所示的工艺之后的制造工艺的示图；
图3D是在隔离的制造工艺中使用的掩膜图案的示图；
图4A是说明栅电极等的制造工艺的示图；
图4B是说明图4A中所示的工艺之后的制造工艺的示图；
图4C是说明图4B中所示的工艺之后的制造工艺的示图；
图4D是说明栅电极等的制造工艺中使用的掩膜图案的示图；
图5A是说明光电二极管的光接收区域的制造工艺的示图；
图5B是说明图5A中所示的工艺之后的制造工艺的示图；
图5C是说明图5B中所示的工艺之后的制造工艺的示图；
图5D是说明栅电极等的制造工艺中使用的掩膜图案的示图；
图6是示出掩膜在列方向上失配时得到的开口的位置的示图；
图7是示出掩膜在行方向上失配时得到的开口的位置的示图；
图8A是说明图1A中所示的CMOS传感器中布线形成的过程的示图；
图8B是说明图8A中所示的过程之后的布线形成过程的示图；
图9A是说明在以不同于其中形成传输栅电极的工艺的工艺形成传输栅极布线的情况下的布线形成的过程的示图；
图9B是示出图9A中所示的过程之后的布线形成过程的示图；
图9C是示出图9B中所示的过程之后的布线形成过程的示图；
图10A是示出像素对的例子的电路图；
图10B是示出像素对的另一个例子的电路图；
图11是常规像素对的平面图；
图12是像素区域的平面图；
图13是示出以理想的方式布置的抗蚀剂图案的开口位置的示图；以及
图14是示出在列方向上出现掩膜失配时获得的抗蚀剂图案的开口位置的示图。
具体实施方式
第一实施例
图1A是示出根据本发明实施例的固态图像拾取器件(CMOS传感器)的像素单元的布图的平面图，并且示出了实现图10B中所示的电路的布图。图1B是示出沿着图1A中的线A-A的剖面图的示图。并且图2是示出其中像素对1以矩阵方式(x和y方向)被设置在像素区域中的示图。
像素对1包括在列方向上(y方向)相邻的2个像素2a和2b。像素2a具有光电二极管3a和传输栅电极4a，并且像素2b具有光电二极管3b和传输栅电极4b。像素2a和2b共享浮动扩散5(下文称为FD 5)，复位晶体管6和放大器晶体管12。像素2a和2b包括的各个部分，例如PD 3a和3b的光接收区域20a和20b、传输栅电极4a和4b、以及FD 5具有包括在行方向延伸的线和在列方向延伸的线的外部形状。
图1A中的光接收区域20a和20b、传输栅电极4a和4b、以及FD 5在行方向上被整齐设置，具有长边是在列方向上延伸的线条的矩形形状，或者具有结合了尺寸不同的矩形的形状。以关于在该对中的2个像素之间延伸的直线轴对称的方式来设置光接收区域20a和20b、传输栅电极4a和4b、以及FD 5。并且FD 5以及复位晶体管6和放大器晶体管12的源极和漏极区域7、9和11被设置在列方向上延伸的直线上。如图2所示，在列方向上光接收区域20a和20b的中心o之间的距离为W1，并且在行方向上光接收区域20a和20b的中心o之间的距离为W2。
传输栅电极4a连接到2个布线，即，布线14a-1和14a-2。布线14a-1连接到传输栅电极4a的两端之一，并且在行方向上在像素对中包括的光接收区域20a和20b之间延伸。布线14a-2连接到传输栅电极4a的两端中的另一端，沿着FD 5的外缘延伸，并且连接到与像素2a相邻的像素的布线(相当于布线14a-1)。类似地，传输栅电极4b连接到在行方向上在光接收区域20a和20b之间延伸的布线14b-1以及沿着FD 5的外缘的一部分延伸的布线14b-2。
图1A中的布线14a-2和14b-2之间的距离L3比传输栅电极4a和4b下的有源区的宽度L1的两倍和它们之间的隔离的宽度L2之和的长度更长。更具体而言，当使用0.25μm CMOS规则来设计布图时，由于有源区的宽度L1的最小值为0.4μm，并且隔离19的宽度L2为0.4μm，因此距离L3长于1.2μm。
当利用普通的光刻技术制造具有图1A和1B所示的布图的固态图像拾取器件时，存在的优点是即使在发生掩膜失配的情况下也可以抑制产量减少。这里，将要简要说明用于制造CMOS传感器的方法的例子。材料不限于用于介绍该方法的那些材料，并且不用说，也可以使用其他绝缘材料和导电材料。
首先，在硅衬底21(半导体衬底)上形成隔离19，其是STI(浅槽隔离)或LOCOS(局部硅氧化)。参照图3A、3B和3C，将简要介绍用于形成隔离19的方法。在硅衬底21的表面上形成氧化硅膜33，并且进一步形成氮化硅膜32和光刻胶31a(图3A)。接着，通过使用掩膜30对光刻胶31a进行曝光和刻蚀，并且形成抗蚀剂图案31b(图3B)。利用该抗蚀剂图案31b，通过在硅衬底21的表面上刻蚀形成的槽中淀积氧化硅膜或者通过热氧化该氧化硅膜33来形成隔离19(图3C)。在图3D中，示出了在这种情况下使用的掩膜30的图案。在这种图案中，阴影部分示出其上形成了隔离19的部分，而空白部分示出有源区(直接在光接收区域20a和20b、FD 5以及传输栅电极4a和4b之下的沟道区域和直接在各个MOS型晶体管(放大器晶体管12和复位晶体管6)的源漏极区域7、9和栅电极8和10之下的的沟道区域)。如图3D所示，对1中的光接收区域20a和20b以及FD 5的图案关于行方向上延伸的线B轴对称。
接着，参照图4A、4B和4C介绍用于形成传输栅电极4a和4b；与其连接的布线14a-1、14a-2、14b-1和14b-2；复位栅电极8；与其连接的布线18；以及放大栅电极10的方法。首先，在其表面上形成有氧化硅膜33的硅衬底21上形成多晶硅膜42，其是导电薄膜，并且在该多晶硅膜42上形成光刻胶41a(图4A)。接着，通过使用掩膜40对光刻胶41a进行曝光和刻蚀，并且形成抗蚀剂图案41b(图4B)。并且对抗蚀剂图案41b周围已经被曝光的多晶硅膜42和氧化硅膜33进行刻蚀，且形成各个栅电极4、8和10、布线14和18、以及绝缘膜43(图4C)。在图4D中，示出了在这种情况下使用的掩膜40的图案。在这种图案中，阴影部分示出其上形成了各个栅电极4、8和10以及布线14和18的部分。如图4D所示，对1中的传输栅电极4a和4b以及与其连接的布线14a-1、14a-2、14b-1和14b-2的图案关于行方向上延伸的线B轴对称。
接着，参照图5A、5B和5C介绍用于形成PD 3a和3b的光接收区域20a和20b的方法。首先，在硅衬底21上形成光刻胶51a(图5A)。接着，通过使用掩膜50对光刻胶51a进行曝光和刻蚀，并且形成抗蚀剂图案51b(图5B)。并且在硅衬底21上的抗蚀剂图案51b的开口22a和22b中注入例如砷的杂质离子，由此形成光接收区域20a和20b(图5C)。在图5D中，示出了在这种情况下使用的掩膜50的图案。在图5D中，阴影部分示出其上形成了PD 3a和3b的光接收部分20a和20b的部分。如图5D所示，对1中的光接收区域20a和20b的图案关于行方向上延伸的线B轴对称。
如上所述，用于形成隔离19的掩膜30、用于形成各个电极等的掩膜40、以及用于形成PD 3a和3b的光接收区域20a和20b的图案具有包括在行方向上延伸的线和在列方向上延伸的线的外部形状。因此，即使掩膜50的布置失配，并且抗蚀剂图案41a和41b的开口22a和22b偏离其正确位置，在行或列方向上，在开口22a和22b周围暴露的传输栅电极4a和4b的区域不改变。因此，对1中的像素2a和2b的传输晶体管的特性不改变，并且由此像素2a和2b的灵敏特性不改变。因此，通过采用上述布图，可以以良好的产量制造出可以实现高灵敏性并且获得高质量图像的固态图像拾取器件。图6和7中的虚线示出当掩膜30的布置失配时获得的光接收区域20a和20b。
同时，如上所述，当通过利用与用于传输栅电极4的工艺相同的工艺形成连接到传输栅电极4的布线时，与以单独的工艺形成诸如铝布线的布线的情况相比可以减少许多制造工艺。图8A和8B示出用于形成图1A中所示的CMOS传感器中的布线的过程。为了简单地对其进行说明，形成垂直信号线15，其在列方向上延伸，并且连接到放大器晶体管12的漏极区域11的触点C5。此外，形成连接触点C1、C2和C4并且在列方向上延伸的布线，即，将FD 5与放大器晶体管12的栅电极10和复位晶体管源极区域7相连的布线16(图8A)。垂直信号线15是用于将图像信号从每个像素读出到外部的布线。最后，形成布线17，其连接到在放大器晶体管12的源极区域9(或者复位晶体管6的漏极区域)中设置的触点C3并且在列方向上延伸(图8B)。
图9A、9B和9C示出在传输栅电极4a和4b的布线为不与传输栅电极4a和4b集成的铝布线的情况下布线形成的过程。当传输栅电极4a和4b的布线为铝布线时，与根据本发明的CMOS传感器中的层数相比，增加了许多布线层。如在根据本发明的CMOS传感器中，当通过形成布线14a-1、14a-2、14b-1和14b-2以便与传输栅电极4a和4b集成而减少了布线层的数量时，可以获得更好的灵敏特性。这是因为减少布线的总数减少了入射光被布线遮蔽的区域，由此允许光接收区域20a和20b更大。
不用说，根据本发明的布图方法可以应用于通过利用光刻制造的各种固态图像拾取器件等，并且可以应用于其中等于或超过3个的多个像素共享一部分电路的CMOS传感器。
固态图像拾取器件可以用于其中提供了图像拾取功能的各种装置当中，例如移动电话终端、数字照相机、复印机、传真机等。并且根据本发明的光接收元件可以应用于太阳能电池。
尽管已经具体介绍了本发明，但是前面的说明在所有方面只是示意性的，而不是限制性的。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下可以想到大量的其他修改和变化。

Claims (5)

1、一种固态图像拾取器件，包括：
多个像素，该多个像素中的每一个包括光电二极管和用于传输在该光电二极管中积累的电荷的传输栅电极，并且所述多个像素被设置在半导体衬底的表面的像素区域中；
多个浮动扩散，该多个浮动扩散中的每一个是为包括在列方向上相邻的两个像素的像素对提供的；以及
多个MOS型放大器晶体管，分别具有各自连接到所述浮动扩散的栅电极，其中
所述光电二极管的光接收区域、所述传输栅电极、所述浮动扩散具有由在行方向上延伸的线和在列方向上延伸的线构成的外部形状，并且以关于在该像素对中包括的一对光电二极管之间延伸的直线轴对称的方式来被设置。
2、根据权利要求1所述的固态图像拾取器件，其中所述光接收区域、所述传输栅电极、以及所述浮动扩散具有矩形形状，其长边是在列方向上延伸的直线。
3、根据权利要求1所述的固态图像拾取器件，其中每个像素中的连接到所述传输栅电极的布线，包括：
第一布线，在该像素对的光接收区域之间在行方向上延伸并且连接到所述传输栅电极的一端，以及
第二布线，沿着浮动扩散的外缘的一部分延伸，并且连接到所述传输栅电极的另一端以及在行方向上相邻的像素中设置的第一布线。
4、根据权利要求1所述的固态图像拾取器件，进一步包括多个MOS型复位晶体管，所述多个MOS型复位晶体管中的每一个被设置在每个像素对中，并且将浮动扩散连接在参考电位，其中
该放大器晶体管的源极区域和漏极区域、该复位晶体管的源极区域和漏极区域、以及浮动扩散被设置在列方向上延伸的直线上。
5、根据权利要求4所述的固态图像拾取器件，其中在像素对中设置的该复位晶体管的栅电极和与其连接的布线被设置在该像素对和在列对中相邻的像素对之间在行方向上延伸的直线上。
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