CN1992316A - Cmos图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种CMOS图像传感器，包括指状转移晶体管的栅电极，以根据低亮度和高亮度控制浮置扩散区的饱和状态。该CMOS图像传感器包括第一光电二极管区和第二光电二极管区，用于响应光而产生电子；以及转移晶体管，其位于该第一光电二极管区和该第二光电二极管区之间，用于接收从该第一光电二极管区和/或该第二光电二极管区转移过来的电子。

Description

CMOS图像传感器
技术领域
本发明涉及一种CMOS图像传感器，尤其涉及一种具有用于根据亮度控制浮置扩散区饱和状态的指状转移晶体管的栅电极的CMOS图像传感器。
背景技术
总的来说，图像传感器是将光学图像转换为电信号的半导体器件，并且主要分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
不过，CCD的驱动方式复杂而且能耗大，并且需要多步光学处理，所以其制造工艺复杂。
因此，近来CMOS图像传感器作为可克服电荷耦合器件缺陷的下一代图像传感器而受到关注。
CMOS图像传感器是一种借助CMOS技术通过设置与像素数目对应的光电二极管并利用切换模式(switching mode)来依次检测输出的器件，其中的CMOS技术使用诸如控制电路和信号处理电路之类的外围设备。
也就是说，CMOS图像传感器通过在每个像素内形成光电二极管和MOS晶体管，并以切换方式(switching scheme)检测各单位像素的电信号来获得图像。
由于CMOS图像传感器是通过利用CMOS技术制造，所以其具有耗能相对低的优点。另外，由于所需的光刻步骤数量较少，可简化CMOS图像传感器的制造过程。
另外，由于控制电路、信号处理电路、模数转换电路等可集成在CMOS图像传感器芯片上，因此CMOS图像传感器可最小化产品的尺寸。
因此，CMOS图像传感器被广泛应用于包括数码相机、数码摄像机等等多种领域。
同时，CMOS图像传感器根据晶体管的数量分为3T型CMOS图像传感器、4T型CMOS图像传感器以及5T型CMOS图像传感器。3T型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和三个晶体管而4T型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和四个晶体管。
图1为具有四个晶体管(Tr)和一个光电二极管(PD)结构的传统CMOS图像传感器的等效电路图；图2为示出该具有四个晶体管及一个光电二极管结构的传统CMOS图像传感器的单位像素的布局。
如图1和图2所示，电路图显示了由一个光电二极管(PD)和四个MOS晶体管组成的单位像素并包括：有源区10；光电二极管20，其用于接收光，产生电子，并包括一个形成在该有源区10的宽区域内的光电二极管；转移晶体管70，用于将聚集于光电二极管(PD)20处的电子转移到浮置扩散(FD)区；复位晶体管30，用于将浮置扩散(FD)区的电势设置为期望值并耗尽电势以使浮置扩散(FD)区复位；源跟随晶体管40，用作源跟随缓冲放大器(source follow buffer amplifier)；以及用作寻址切换的选择晶体管50。
同时，在单位像素的外部形成用于读取输出信号的负载晶体管60。
此处，所述四个晶体管为转移晶体管70、复位晶体管30、源跟随晶体管40以及选择晶体管50。
负载晶体管60电连接至每个单位像素100的输出端(Vout)。
此时，未说明的附图标记Tx为转移晶体管70的栅极电压，Rx为复位晶体管30的栅极电压，Dx为源跟随晶体管40的栅极电压，Sx为选择晶体管50的栅极电压。
图3为CMOS图像传感器的沿图2中所示的II-II’线的剖视图。
参照图3，CMOS图像传感器包括：隔离层62，其形成在限定有源区和隔离区的半导体衬底61的隔离区；栅电极64，其通过在半导体衬底61的、被隔离层62隔离的有源区的预定区域插入栅绝缘层63而形成；光电二极管区65，其形成在半导体衬底61的表面部分内并且形成在栅电极64的一侧；浮置扩散区66，其形成在半导体衬底61的表面部分内并形成在栅电极64的另一侧；以及绝缘层侧壁67，其形成在栅电极64的两侧。
图4是用于解释该传统CMOS图像传感器的转移晶体管的操作的视图。
参照图4，当检测该传统CMOS图像传感器的操作时，响应光的量由光电二极管(PD)区65的电容和浮置扩散(FD)区66的电容决定。
同时，当穿过光电二极管(PD)区65的入射光量恒定或较多时，浮置扩散(FD)区66是饱和的而不进行任何反应。当入射光量过小时，则产生的电子(e)的数量太少而且不会出现充分的反应。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的一个目的在于提供一种使用具有指状栅电极的转移晶体管的CMOS图像传感器。
根据本发明的CMOS图像传感器，在光电二极管区之间形成有浮置扩散区以避免浮置扩散区饱和并提高操作的可靠性。
为了达到该目的，本发明提供了一种CMOS图像传感器，包括：第一光电二极管区和第二光电二极管区，用于响应光而产生电子；以及转移晶体管，其位于该第一光电二极管和该第二光电二极管之间，用于接收从该第一光电二极管和/或该第二光电二极管转移过来的电子。
在本发明的优选实施例中，该转移晶体管为指状晶体管。
根据本发明的优选实施例，该转移晶体管为具有第一栅电极和第二栅电极的指状晶体管。
在本发明的优选实施例中，在该第一栅电极和该第二栅电极之间设置有浮置扩散区。
在本发明的优选实施例中，该第一栅电极与该第一光电二极管相邻，且该第二栅电极与该第二光电二极管相邻。
在本发明的优选实施例中，该第一栅电极的沟道长度与该第二栅电极的沟道长度不同。
根据本发明，当施加的亮度低时，向该第一栅电极和该第二栅电极施加高电压以使该第一栅电极和该第二栅电极导通，而当施加的亮度高时，向该第一栅电极和该第二栅电极施加低电压以使该第一栅电极导通并使该第二栅电极截止。
附图说明
图1为具有四个晶体管和一个光电二极管结构的传统CMOS图像传感器的等效电路图；
图2为该具有四个晶体管及一个光电二极管结构的传统CMOS图像传感器的单位像素的布局图；
图3为该CMOS图像传感器沿图2中所示的II-II’线的剖视图；
图4是用于解释该传统CMOS图像传感器的转移晶体管的操作的视图；
图5为根据本发明的、具有四个晶体管及一个光电二极管结构的CMOS图像传感器的单位像素的布局；
图6为如图5所示的根据本发明的CMOS图像传感器沿VI-VI’线的剖视图；
图7a至图7d为用于示出根据本发明的CMOS图像传感器的制造方法的剖视图；以及
图8a和图8b为用于解释根据本发明的、构成CMOS图像传感器的转移晶体管的运行的视图。
具体实施方式
以下将参照附图详细描述根据本发明的CMOS图像传感器及其制造方法。
图5为根据本发明的、具有四个晶体管及一个光电二极管结构的CMOS图像传感器的单位像素的布局，图6为如图5所示的根据本发明的CMOS图像传感器沿VI-VI’线的剖视图。
在图5和图6中示出了用于说明根据本发明的指状(finger type)转移晶体管的结构的视图。
如附图所示，在半导体衬底101上形成用于限定有源区和隔离区的隔离层102。
在半导体衬底101的有源区上设置形成在栅绝缘层103上的第一栅电极104a和第二栅电极104b。也就是说，形成指状栅电极。
位于第一栅电极104a和第二栅电极104b之间的半导体衬底101对应于一浮置扩散区109。
位于第一栅电极104a和第二栅电极104b左右侧的半导体衬底101对应于光电二极管区106a和106b。
同时，在第一栅电极104a和第二栅电极104b的两侧形成有绝缘层侧壁107。
此处，第一栅电极104a和第二栅电极104b的沟道长度优选形成为彼此不同。
同时，第一栅电极104a和第二栅电极104b的一个端子部分电连接以具有指状结构。
图7a至图7d为用于示出根据本发明的CMOS图像传感器的制造方法的剖视图。具体地，在这些附图中示出了具有指状结构的转移晶体管的制造方法。
参照图7a，在利用单晶硅等材料形成的半导体衬底101上形成用于隔离器件的隔离层102。
然后，在其上形成有隔离层102的半导体衬底101的整个表面上依次沉积栅绝缘层103和导电层(例如高浓度多晶硅层)。
此处，栅绝缘层103可通过热氧化工艺或CVD方法形成。
此后，选择性地去除该导电层和栅绝缘层103以形成各个晶体管的栅电极。
此刻，各晶体管的栅电极中的转移晶体管的栅电极形成为指状。如图7a所示，第一栅电极104a和第二栅电极104b形成为横跨半导体衬底101的有源区，同时具有恒定的间隔以及不同的沟道长度。
例如，第二栅电极104b的沟道长度是第一栅电极104a的沟道长度的两倍。
根据本发明，施加在第一栅电极104a和第二栅电极104b上的电压可相互不同。例如，转移晶体管可通过在光弱时施加高电压而在光强时施加低电压来选择性地导通。
此外，根据施加给转移晶体管的电压可以分别以不同的增益对输出信号进行放大。
同时，第一栅电极104a和第二栅电极104b的一个端子电连接，并具有如图5所示的指状结构。
参照图7b，在包括第一栅电极104a和第二栅电极104b的半导体衬底101的整个表面上涂布光致抗蚀剂以形成第一光致抗蚀剂层105。然后实施用于图案化的曝光工艺和显影工艺以覆盖第一栅电极104a和第二栅电极104b之间的半导体衬底101。
利用图案化的第一光致抗蚀剂层105作为掩模，通过向半导体衬底101的露出的有源区注入低浓度n-型杂质离子而形成第一光电二极管区106a和第二光电二极管区106b。
此处，第一光电二极管区106a和第二光电二极管区106b形成在第一栅电极104a和第二栅电极104b的外侧，而不是在第一栅电极104a和第二栅电极104b之间的区域。
如图7c所示，将第一光致抗蚀剂层105完全去除并且在半导体衬底101的整个表面上形成绝缘层。
此刻，绝缘层可形成为氮化物层和TEOS氧化物层中的单一层，或者是氮化物层和TEOS氧化物层的组合层。
然后对整个绝缘层实施各向异性蚀刻(RIE)，以在第一栅电极104a和第二栅电极104b的两侧形成绝缘层侧壁107。
接下来，在其上形成有绝缘层侧壁107的半导体衬底101的整个表面上涂布光致抗蚀剂以形成第二光致抗蚀剂层108。然后依次实施曝光工艺和显影工艺以进行图案化从而露出每个晶体管的源极/漏极区。
利用图案化的第二光致抗蚀剂层108作为掩模，通过向露出的源极/漏极区注入高浓度n+型杂质离子而形成源极/漏极杂质区。
此时，在第一栅电极104a和第二栅电极104b之间的有源区形成浮置扩散区109，该浮置扩散区109为该转移晶体管的漏极杂质区。
也就是说，根据本发明，在第一光电二极管区106a和第二光电二极管区106b之间形成浮置扩散区109。
参照图7d，将第二光致抗蚀剂层108去除。然后对半导体衬底101实施退火工艺以使注入到半导体衬底101中的各种杂质离子扩散。
图8a和图8b为用于解释根据本发明的、构成CMOS图像传感器的转移晶体管的运行的视图。
参照图8a和图8b，在半导体衬底101上形成具有预定间隔的第一栅电极104a和第二栅电极104b。转移晶体管的栅电极为指状。在半导体衬底101的位于第一栅电极104a和第二栅电极104b之间的表面部分形成浮置扩散区(FD)109。
此外，在浮置扩散区109的两侧形成第一光电二极管区106a和第二光电二极管区106b。
相应地，本发明的CMOS图像传感器中的转移晶体管的栅电极形成为指状并且光电二极管区被分为两部分。在被分开的光电二极管区之间形成浮置扩散区以改善在低亮度和高亮度时的响应(reaction)。
也就是说，第一栅电极104a和第二栅电极104b通过在低亮度时施加高电压而导通。相应地，如图8a所示，浮置扩散区(FD)109可接收在第一光电二极管区106a和第二光电二极管区106b产生的所有电子。
相反地，在光充足时在高亮度下施加低电压，则仅有第一栅电极104a导通。因此，浮置扩散区(FD)109仅接收第一光电二极管区106a产生的电子以产生相应的电信号。
此外，在低亮度下，本发明中的第一光电二极管区106a和第二光电二极管区106b都被用来提高灵敏度。相反，在有大量光的高亮度的情况下，仅利用第一光电二极管区106a。相应地，可避免浮置扩散区的饱和现象。
如上所述，根据本发明的CMOS图像传感器及其制造方法具有以下效果。
第一，转移晶体管的栅电极形成为指状并且光电二极管区被分为两部分。在分开的光电二极管区之间形成浮置扩散区以改善在高亮度和低亮度下的响应。
第二，由于提高了浮置扩散区的饱和度，所以在大量光的情况下也可以操作从而提高了操作范围。
尽管已经出于解释性的目的对本发明的优选实施例进行了说明，但本领域技术人员应当理解的是，在不背离由所附权利要求书所限定的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加及替换。

Claims (7)

1.一种CMOS图像传感器，包括：
第一光电二极管区和第二光电二极管区，用于响应光而产生电子；以及
转移晶体管，其位于该第一光电二极管区和该第二光电二极管区之间，用于接收从该第一光电二极管区和/或该第二光电二极管区转移过来的电子。
2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，该转移晶体管为指状晶体管。
3.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，该转移晶体管为具有第一栅电极和第二栅电极的指状晶体管。
4.如权利要求3所述的CMOS图像传感器，其中，在该第一栅电极和该第二栅电极之间具有浮置扩散区。
5.如权利要求4所述的CMOS图像传感器，其中，该第一栅电极与该第一光电二极管区相邻，且该第二栅电极与该第二光电二极管区相邻。
6.如权利要求5所述的CMOS图像传感器，其中，该第一栅电极的沟道长度与该第二栅电极的沟道长度彼此不同。
7.如权利要求6所述的CMOS图像传感器，其中，当施加的亮度低时，向该第一栅电极和该第二栅电极施加高电压以使该第一栅电极和该第二栅电极导通，而
当施加的亮度高时，向该第一栅电极和该第二栅电极施加低电压以使该第一栅电极导通并使该第二栅电极截止。
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