TW200406061A - Image sensor for improving manufacturing efficiency and sensitivity - Google Patents

Description

200406061 五、發明說明（i) 發明所屬之技術領域 本發明涉及一種影像感測器，尤其是指一種可提高生 產效率及靈敏度的影像感測器。 先前技術 現有的影像感測器用電荷耦合元件（CCD )型或互補式 金屬氧化半導體（CMOS)型半導體製作，根據圖式加以說 明。 第1圖為公知的C C D型影像感測器的單位像素剖面結構 圖。上述CCD型影像感測器的單位像素，由以下部分構 成。氧化膜4 :在半導體基板的上部形成；光二極體N區 2 :在半導體基板7内以一定深度形成；光二極體表面P區 5 :位於上述光二極體N區2上且具有界面；浮置擴散區3 : 間隔一定間隙設置於具有界面的半導體基板内；閘極電極 1 :位於該浮置擴散區3上部的半導體基板上；還包括上述 光二極體N區2、光二極體表面P區5和包含浮置擴散區3的P 型井區6。 CCD型影像感測器將入射的光在上述光二極體N區2内 進行光電轉換，生成信號電荷；經上述光二極體表面P區 5，將P型井區6水平橫穿，於浮置擴散區3被放大後轉換為 電壓信號而輸出。 通常，閘極電極1係由重疊於下述浮置擴散區3的結構 構成且是以摻雜多晶矽所形成。 雖將在上述光二極體N區2内入射的光，經光電轉換成 電信號以生成信號電荷；但在考慮傳輸速度，上述信號電

10188pif.ptd 第9頁 200406061 五、發明說明（2) 荷採用電子的場合係佔大多數。 另外，為了使上述浮置擴散區3的信號傳輸效率達到 最大程度，所以通常係摻雜N型摻質。 在半導體基板的上部形成的氧化膜4是保護半導體基 板，同時是為進行絕緣的絕緣層，通常係使用二氧化矽 (Si02)。 上述光二極體表面P區5因在半導體基板7的表面上存 在的電子缺陷將容易形成低電位、為了防止電子容易消 失，所以使其放置在光二極體N區2的上部。 由於在CCD型内部的光二極體内係在約為3V的電壓上 存在信號電荷，所以為了排出這種過剩電荷，因此在P型 井區6的下端’配設N型半導體基板。 如上所述，在CCD型影像感測器時，為清除内部的雜 訊，在光二極體的上端應將作為P通道的光二極體P型區5 注入。由於為了排出過剩電荷而必須具有P型井區6與N隧 道基礎的半導體基板的結構，因此，在製造工程及其結構 構成存在著複雜的問題。 另一側面，第2圖為現有CMOS型影像感測器的單位像 素剖面的結構圖。 上述CMOS影像感測器的像素係由：氧化膜4 :在半導 體基板的上部形成；光二極體N區2 :以一定深度在半導體 基板内形成；光二極體表面P區5 :位於上述光二極體N區2 上且具有界面；浮置擴散區3 :以一定的間隙被隔離且具 有界面，位於半導體基板上；閘極電極1 :位於該浮置擴

10188pi f.ptd 第10頁 200406061 五、發明說明（3) 散區3與上述光二極體區2、5間的半導體基板上；以及上 述光二極體N區2所構成。 CMOS影像感測器，將入射的光在上述光二極體N區2内 進行光電轉換，生成信號電荷，經上述光二極體表面P區 5，在浮置擴散區3被放大後變換為電壓信號而輸出。 通常情況下，閘極電極1係由對準下述浮置擴散區3以 及光二極體區2、5的結構構成，閘極電極主要係由摻雜多 晶矽所形成。 所謂對準的結構，意味著上述閘極電極1區未與光二 極體區2、5重疊。 在上述光二極體N區2上，將被入射的光經光電轉換成 電信號以形成信號電荷；但考慮到傳輸速度，上述信號電 荷採用電子的場合是大多數的。 另外，上述浮置擴散區3由於將信號傳輸率達到最大 程度，所以通常係摻雜N型摻質。 在上述半導體基板的上部形成的氧化膜4，是在將半 導體基板保護的同時，也是供絕緣用的絕緣層，通常使用 Si02。 上述光二極體表面P區5，是為了除去光二極體的空乏 層產生的雜訊（noise)以及在光二極體區的表面由於熱 產生的電子在表面進行再結合或是向光二極體N區2移動產 生的熱雜訊（heat noise)，因此被放置在光二極體N區2 的上部。 由於在CMOS内部的光二極體内約在IV的低電壓存在信

10188pi f.ptd 第11頁 200406061 五、發明說明（4) 號電荷，因此與上述CCD的情況不同，由於不需要為排除 過剩電何的井區’所以配置於P型半導體基板而不特別設 置井區。 C Μ 0 S型影像感測器的場合也按照上述，為清除光二極 體内部的雜訊，在光二極體的上端應將作為Ρ隧道的光二 極體Ρ型區5注入，而存在著在製造工程上十分複雜的問 題。 另一側面，為將由CCD型或CMOS型影像感測器產生的 洩漏雜訊或使熱雜訊達到最低程度，還正在進行的研究開 發，但現狀是尚未將其減少到值得滿意的水平。 發明内容 本發明的目的在於提供一種提高生產效率及靈敏度的 影像感測器。 為達到上述目的，本發明涉及的一種提高其生產效率 及靈敏度的影像感測器，含有數個單位像素，其結構由以 下的部分構成。氧化膜：在半導體基板的上部形成；閘極 電極：在氧化膜的上部形成；光二極體N型區：形成於位 於與閘極電極間隔一定間隙之一側、且上部具有界面之半 導體基板内；浮置擴散區的N +型區：形成於位於與閘極電 極間隔一定的間隙之另一側、且上部具有界面之半導體基 板内，以作為浮置擴散區。 另外，本發明還揭示一種影像感測器，P型摻質區： 形成於具有界面之半導體基板内；遮光膜：位於上述掺質 區的上部，由不透明絕緣體構成；其中P型摻質區與遮光

10188pif.ptd 第12頁 200406061 五、發明說明（5) 膜係構成元件隔離區，將單位像素個別隔離。 如上所述，根據本發明揭示的影像感測器，則在晶片 鑄造時，由於使用少量罩幕也可製作，所以不僅節約製造 成本，而且由於無需注入P型摻質，因其製造工程簡便， 所以能夠提局生產效率。 另外，由於可維持同一開口率，顯著減少、漏雜訊及 熱雜訊，所以靈敏度的提高也很奏效。 實施方式： 根據所附圖式，詳細說明本發明較佳的實施例。 首先，第3圖為本發明較佳實施例採用的Ν Μ 0 S型影像 感測器的單位像素剖面結構圖。 請參照第3圖，本發明涉及的影像感測器的單位像 素，由以下部分構成。 氧化膜4 :形成在半導體基板8的上部；閘極電極1 : 形成在該氧化膜4的上部；光二極體Ν型區2 :形成於位於 與閘極電極1間隔一定間隙之一側、且上部具有界面之半 導體基板内；浮置擴散區的Ν +型區：形成於位於與上述閘 極電極1間隔之另一側、且上部具有界面之半導體基板内 以作為浮置擴散區。 Ν Μ 0 S型影像感測為將入射的光’在上述光線二極體Ν 區2内進行光電轉換，生成信號電荷，在浮置擴散區3放大 後轉換為電壓信號而輸出。 通常，閘極電極1係為對準下述的浮置擴散區3以及光 二極體區2的結構所構成5閘極電極1主要係由換雜多晶石夕

10188pi f.ptd 第13頁 200406061 五、發明說明（6) 所形成。 所謂對準的結構意味著上述閘極電極1區與光二極體 區2未重疊。 在上述光二極體N區2内，將入射的光通過光電轉換變 成電信號，生成信號電荷；但考慮傳輸速度，上述之信號 電荷採用電子採用的場合係佔大多數。 另外，為使上述浮置擴散區3的信號傳輸率達到最大 程度，所以通常係摻雜N型摻質。 在上述半導體基板的上部，形成的氧化膜4是在將半 導體基板保護的同時，也是供絕緣用的絕緣層，通常使用 Si02。 如上所述，在本發明的影像感測器的單位像素時，由 於相當於光二極體表面P區的摻質區不存在，所以在製造 過程中，無需進行P型摻質植入的工程。 另外，在上述光二極體N區2及浮置擴散區3，由於可 進行N型摻質植入的工程，所以簡化了製造工程，因而提 高了生產效率。 另夕卜，與CMOS型影像感測器的情況相同，由於無需為 排除過剩電荷所需要的井區，因此即使不在P型半導體基 板上設置其他井區，亦具有良好結構以及在製造工程上的 有利之處。 第4圖為採用本發明的其他較佳實施例的N Μ 0 S型影像 感測器的結構剖面圖。 請參閱第4圖，則本發明涉及的影像感測器，由下列

10188pi f.ptd 第14頁 200406061 五、發明說明（7) 部分構成。氧化膜4 :形成在半導體基板8的上部；閘極電 極1 :在氧化膜4的上部形成；光二極體N型區2 :形成於位 於與閘極電極1間隔一定間隙之一側、且上部具有界面之 半導體基板内；N +型區3 :形成於位於與閘極電極1間隔一 定間隙之另一側、且上部具有界面之半導體基板内以作為 為浮置擴散區；元件隔離區：由形成於上部具有界面之半 導體基板内的摻雜區9與設置於上述摻質區上部的遮光膜 1 〇所構成。 在本實施例中，作為將光擴散及元件間信號傳輸產生 的雜訊進行防止的元件隔離區，不採用通常使用的區域氧 化方式（L 0 C 0 S )，而使用將摻質注入的方式。 亦即是，使用形成於上部具有界面之半導體基板内的 摻質區9與位於上述摻質區的上部、由不透明絕緣體形成 的遮光膜1 0構成的元件隔離區。 上述遮光膜由不透明的絕緣體構成，較佳是使用S i 0 〇 2 另外，在上述元件隔離區中，相當於下部結構的摻質 區9用P型摻質區構成。 因此，通過本發明將光二極體的内部雜訊及熱雜訊清 除用的光二極體表面P區5即使不存在，也可通過上述P型 摻質區9的存在，也可將光二極體内部的雜訊充分清除。 另外，4艮顯然，由單位像素間的漏電流產生的雜訊也 可充分得到清除。 要製造影像感測器時，現有的CCD型或CMOS型影像感

10188pi f.ptd 第15頁 200406061 五、發明說明（8) 測器，因其結構複雜，所以在晶片鑄造（w a f e r f 〇 u n d r y )時，一般分別需要約2 5片以及約1 5片左右的罩幕，本發 明設計的影像感測器因結構簡便，僅需要9片以下的罩 幕，就可以製造。 因此，本發明涉及的影像感測器時，具有可同時節約 在鑄造時所產生的生產成本與罩幕製造時所需要的費用的 效果。 另一側面，將對於入射光的靈敏度進行表述的開口率 (Aperture Ratio)約60%左右，大致為CMOS型影像感測 器的級別；但在光二極體區的表面，由於熱產生的電子在 表面經再結合，或通過向光二極體N區移動而產生的熱雜 訊的情況，與C C D型或C Μ 0 S型影像感測器比較時顯示出明 顯低的數值。 因此，在以開口率及雜訊為決定因素的靈敏度 (Sensitivity)的方面，與CCD型或CMOS型影像感測器相 比較，可有效地得到提高。 以上為對本發明較佳實施例參照圖式以作說明。此處 本說明書所記載的實施例與圖式所示的構成僅為說明本發 明的一實施例，並不能完全代表本發明的技術思想，需瞭 解的是在本發明提出申請的時點，亦具有能夠代替前些物 質的多樣均等物與變形例。 發明的效果 如上所述，若根據本發明涉及的影像感測器，不僅在 晶片鑄造時，即使用少數罩幕也可進行製造而具有可有效

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10188pif.ptd 第17頁 200406061 圖式簡單說明 第1圖為習知的C C D型影像感測器的單位像素剖面結構 圖。 第2圖為習知的CMOS型影像感測器的單位像素剖面結 構圖。 第3圖為採用本發明較佳實施例的N Μ 0 S型影像感測器 的單位像素剖面結構圖。 第4圖為採用本發明其他較佳實施例的Ν Μ 0 S型影像感 測器的剖面結構圖。 圖式標示說明： 1 :閘極電極 2 :光二極體Ν區 3 :浮置擴散區 4 :氧化膜 5 :光二極體表面Ρ區 6 : Ρ型井區 7 :半導體基板 8 :半導體基板 9 :摻質 1 0 :遮光膜

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Claims (1)

1. 200406061 六、申請專利範圍 1 · 一種影像感測器，含有複數個單位像素，其特徵在 於該些單位像素由以下部分構成： 一氧化膜，形成在一半導體基板的上部； 一閘極電極，形成在該氧化膜的上部； 一光二極體N型區，形成於位於與該閘極電極間隔一 定間隙之一側、且上部具有界面之該半導體基板内；以及 一 N +型區，形成於位於與該閘極電極間隔一定間隙之 另一側、且上部具有界面之該半導體基板内以作為浮置擴 散區。 2 .如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其特徵 在於更包括： 一P型摻質區，形成於上部具有界面之該半導體基板 内；以及 一遮光膜，位於該P型摻質區的上部，該遮光膜係由 不透明絕緣體所構成： 該P型摻質區與該遮光膜係形成一元件隔離區，並藉 由該元件隔離區將該些單位像素個別隔離。 3 .如申請專利範圍第2項所述的影像感測器，其特徵 在於該遮光膜係由二氧化石夕（S i 0 2 )所構成。

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