TW200527603A - CMOS image sensor formed on an n-type substrate - Google Patents

Description

200527603 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種互補式金氧半導體（CMOS)影像感測 器，特別是一種互補式金氧半導體形成於一 N型基板上並且 具有低漏電流（leakage current)以及高電容 (capacitance) 〇 【先前技術】 積體電路已經徹底改變各種不同領域\包括電腦、控制系 統、電信以及影像。在上述影像領域中，電荷耦合元件 CCD)由於其效能特性已經受到廣大歡迎。然而，影像所 之固態電荷耦合元件積體電路之製造較困難，因此也較 貴。此外，由於與金氧半導體（M0S)積體電路有關之電 荷耦合元件積體電路其製造涉及之製程不同，上述影像感 測器之信號處理部分通常位於一分離之積體晶片 (integrated chip)上。因此一電荷搞合元件影像裝置至 少包括兩積體電路··一用於上述電荷耦合元件感測器以及 一用於上述信號處理邏輯。 影像感測器之另一種類別為互補式金氧半導體主動像素感 器。如同Lee等人於第5, 6 2 5, 2 1 0號美國專利（π上述’ 21 0 利π)提到，一種與電子影像感測器有關之主動像素感測 器具有主動元件，例如電晶體，其係與每一像素有關。上 述主動像素感測器具有可同時整合信號處理以及感測電路 於相同積體電路中之優點，由於上述互補式金氧半導體之

第6頁 200527603 五、發明說明（2) 製造技術。 艾歡iE之主動像素感測器架構包括四個電晶體與一固定 (pinned)光電-托辦 '、 ^ 一極肢。上述固疋光電二極體獲得偏愛在 於八對於監光具有良好之顏色反應能力，於暗電流密度 (dark current density)與影像延遲（image Ug)上亦 具有優勢。暗電流減少（reducti〇n)可由固定（pinning )上述二極體表面電位透過一 P+區域至上述p井或p基板 (接地）來達成。 γ般較合適之作法為盡可能累積電荷於上述光電二極體中 以增加上述信號位準（signal level)。其通常係指具有 一大電容於上述像素晶胞（P i x e 1 c e 1 1)中。然而，隨著 信號位準之增加（來自更多之累積電荷），可^造成影像 延遲，其係由於上述二極體至上述浮動輸出節點 (floating output node)之移動電荷（m〇biie charge) 之轉移（transfer)不完全所造成，假如介面輪廓 (junction profile)並非完美最佳化以轉移上述電荷 時。上述現象之討論可以於Ramaswami等人所著之，，互補式 r半導體感測器中之像素反應時間與影像延遲特性”中找 上述N井之非完全空乏狀悲（non-fuiiy depleted state)於低電壓操作（例如2· 5伏特或更低）時特別明 顯。隨著積體電路元件縮小以及閘極氧化層（gate oxides )變薄，低電壓操作也越來越晋遍。

第7頁 200527603 五、發明說明（3) ~~~—— ，因此 有南 上述 【發 本發 包括 成之—極W ( 一輸 點。 )之 上述. 傳遞 電壓-述空 )接i 本發f 蜊器 〜N型 ’一理想之主動像素，使用一固 電荷累積容量，不過即使以低電 一極體。另一重要考量為上述像 光電二極體，其具 操作仍能完全重置 具有一低漏電流。 明内容】 明之一目的在於提出一種像素感測 一固定光電二極體，形成於一 N型 ?井（Pwel 1)中；一傳遞電晶體， 體·與一輸出節點之間；一重置電晶 high voltage rail) Vdd與上述輪 出電晶體，上述輸出電晶體之閘極 '上述傳遞電晶體為一空乏本 金氧半導體場效電晶體（M〇SFi 障換電晶體之源極，並且上述g f晶體之汲極。更包括一負電| ^夠關掉（turn off)上述空^ 斤^式轉換電晶體有一臨界電J ^ gd。上述空乏模式傳 0 · 9伏特。 器晶胞（c e 1 1)， ^導體基板之中所形 位於上述固定光電 體，_合於一高電 出節點之間；以及 耦合至上述輸出節 (depletion mode 。上述輸出節點為 光電二極體為上述 生器，_其產生一負 式傳遞電晶體。上 threshold voltage 一臨界電壓約略或 1^ ιχ| —* 牙置 ^ ，包括：依照行與列配置之名 + ¥體基板中’其中上述至 金氧半導體影像感 主動像素，形成於 :動像素包括：一固 200527603_ .五、發明說明（4) 定光電二極體；一傳遞電晶體位於上述固定光電二極體與 ^ 一輸出節點之間上述傳遞電晶體為一空乏模式金氧半導體 場效電晶體；一重置電晶體耦合於一高電位Vdd與上述輸出 節點之間；以及一輸出電晶體，上述輸出電晶體之閘極耦 合至上述輸出節點；一負電荷泵（negative charge pump )，用於產生一負電壓並且形成於上述N型半導體基板中； 一處理電路，用於接收形成於上述N型半導體基板中之主動 像素之輸出；以及一輸入/輸出電路，形成於上述N型半導 體基板中，用於輸出上述互補式金氧半導體影像感測器之 &述主動像素之輸出。其中上述輸出節點為上述傳·遞電晶 f之源極，並且上述固定光電二極體為上述轉換電晶體之 汲極。其中上述空乏模式轉換電晶體有一工作電壓接近 Vdd。其中上述空乏模式轉換電晶體有一臨界電壓約略或等 於-0 . 9伏特。 本發明之又一目的在於提出.一種互補式金氧半導體影像感 測器，包括：依照行與列配置之複數個主動像素，形成於 一 N型半導體基板中，其中上述至少一主動像素包括：一固 定光電二極體；一傳遞電晶體位於上述固定光電二極體與 »輸出節點之間；一重置電晶體耦合於一高電位Vdd與上述 出節點之間；以及一輸出電晶體，上述輸出電晶體之閘 極柄合至上述輸出節點；一負電荷泵，用於產生一負電壓 並且形成於上述N型半導體基板中；一處理電路，用於接收 形成於上述N型半導體基板中之上述主動像素之輸出；以及

第9頁 200527603_ ,五、發明說明（5) 一輸入/輸出電路，形成於上述N型半導體基板中，用於輸 B出上述互補式金氧半導體影像感測器之上述主動像素之輸 出。其中上述傳遞電晶體為一空乏模式金氧半導體場效電 晶體。其中上述輸出節點為上述轉換電晶體之源極，並且 上述固定光電二極體為上述傳遞電晶體之汲極。其中上述 空乏模式之轉換電晶體有一工作電壓接近Vdd。其中上述空 乏模式傳遞電晶體有一臨界電壓約略或等於-0. 9伏特。 【實施方式】 &發明係有關一種互補式金氧半導體影像感測器設計，其， 提供低漏電流（leakage current)以及大電容（large capacitance)之優點。以下敘述中，許多特定之細節係提 供以充分了解本發明之實施例。然而，熟悉該項技術之技 藝者將了解，本發明於實施例中省略一或其他特定細節， 或使用其他方法、元件等之情況下仍得以實施。其他例子 中，習知結構或操作並未顯示或詳細> 敘述以避免模糊本發 明之各種實施例之觀點。 本說明書中之參考”一（one)實施例"或'’一（an)實施例π §指一特定特徵、結構或描述於與上述實施例有關之特 ，係包含於本發明之至少一實施例中。因此，上述術 語·· π於一 （one)實施例中”或π於一（an)實施例中π遍及 本說明書之各處，並非全部參照至相同之實施例。此外， 上述特定特徵、結構或特性可能以一或更多實施例中之任

第10頁 200527603 - -- --- 五、發明說明（6) 何適當之方法加以組合。 圖*一以及圖二顯示一^ / »,, , I知技術之包含固定光電二極體1 0 3之 =動‘ ΐ养101上述固定光電二極體1 〇 3為形成於一 P型基板 。亦稱為-傳遞電晶體1於上井之上部份。-傳遞閘 固定光電二極體1〇kH=nfer transistor)控制來自 點1〇7連接至一源極_隨^；^專雪遞曰至/輸，節點1〇7。輸出節 輸出電晶體）。此導致輪出= ^09 (亦可稱為一驅動或 i出111上。一列選擇^出即點107上之信號被放大於行線 .以利於讀出於U電^體^EL)/系用於選擇上述特定 選擇線控制。此外，1。上述列選擇電晶體由一列 係用於空乏上述固定朵士電晶體（reset 13 二中所顯示之固定光t f極體中之信號。由於圖一與圖 知技術中固定光電二=二亟體103之特殊結構，相信所有習 形成於P型半導體美'板。/互補式金氧半導體影像感測器係 圖 本發明改進圖一興圖二 許低電壓操作，並且彳 ^知技術之固定光電二極體以允 • araCteristics)。太\有良好之空乏特性（depletion 互補式金氧半導雕制^^明之固定光電二極體係使用標準 入（implant)之一^重衣株^形成。於以下描述中，作為N型植 ，而作為P型植入夕^物（d〇Pant)為磷（PhosPhorus 植入之摻雜物為硼（boron)。

200527603 .五、發明說明（7) 在一般操作中，上述傳遞閘1 0 5 (用於習知技術）自零伏特 飄移（s w i ng)至V d d。由於影像感測器使用一 5伏特或3 . 3 伏特之高電位Vdd，因此產生一 5或3. 3伏特飄移。此電壓飄 移量已經為可接受的用於空乏上述光電二極體103。 然而，對於較新之積體電路程序，上述Vdd電壓可能為1. 8 伏特、1. 3伏特或更低。在此一狀況下，上述電壓飄移於上 述傳遞閘之閘極上通常無法充分空乏上述光電二極體。 許多觀點，本發明之固定光電二極體（以及互補式金 導體影像感測器）結構係與圖一以及圖二中所顯示者 相同。然而，根據本發明，互補式金氧半導體影像感測器 以及固定光電二極體係形成於一 N型半導體基板中。 如上所述，為了減少 述光電二極體通常提 layer)於其石夕表面 極體。提供至上述讀 二極體。然而，至讀 所限制。因此， 金氧半導體影像 低之電壓對於空乏上 此，上述光電二極體 之。然而，一具有 上述矽表面之漏電流以及k T C雜訊，上 供一 P.+表面障蔽層（surface shield ，且其為完全空乏。此稱作固定光電二 出閘之電壓必須夠大以空乏上述光電 出閘之電壓係由上述讀出閘氧化層之 上述閘極氧化層厚度限制了施加在互 感測器中之讀出閘之正電壓。此相對 述大的光電二極體電容來說太小。因 之電容應設計相對小以達成完全空 P+表面障蔽層之N型光電二極體具有一

第12頁 200527603 _ ，五、發明說明（8) 大私谷，即使一小兒壓提供至上述讀出閘。此外，上述光 電二極體之型式具有相對大之K T C雜訊。

根據本發明之一貫施例，提供上述讀出閘一自負電壓飄移 至正電壓之電位。此意味對於讀出閘具有一相對大之電壓 飄移。上述大電壓飄移（v〇ltage swi )提供至上述 二極體產生-大光電二極體電容量…卜，上述石夕表面V 漏電流小，由於孔洞會累積於上述矽表面靠近上述讀出閘 之處。 據本發明之另一觀點’一互補式金氧半導體影像感測器 包括像素（pixels)為四電晶體型態具有一讀出電路位於 光电一極體以及一浮動擴散區域（floating diffusion region)。上述互補式金氧半導體影像感測器其像素形成 於一 N型基板上。上述讀出閘係由一電壓控制，其可以由負 電壓飄移,至一正電壓。一負電壓產生電路，例如一負電荷 泵（negative charge pump)，形成於相同積體電路晶片 上。上述N型基板固定於一正電壓或接地（ground)。此 外’上述讀出電晶體可為一增強型態（enhancement- type $或一空乏型態（depletion-type)電晶體。 如圖三所示，光電二極體1 〇 3形成於一 P井4 0 1中，上述P井 係形成於N型基板4 0 3中。P井4 0 1中之硼濃度可能介於0至 3xl017atom/cm 3之間。上述N型基板4 0 3之填濃度可能介於 200527603 五、發明說明（9) 1x1 0 14至5x1015 atom/cm3之間。應注意透過使用一 N型晶 圓40 3’上述所需之負電壓可以非常容易地產生，並且整合 於相同電路上。上述光電二極體i 〇 3以一 p+層覆蓋以形成一 固定光電二極體。此外，在一實施例中，一光遮蔽層 (pho、to shield layer)覆蓋每一像素，除了光電二極體 ^ ^ ^此外，通$位於浮動擴散區域一側之讀出閘其通 道（channel)寬度較位於上述光電二極體之一側者窄。 參考第四圖，為本發明 — UP Μ ^ r 主動‘素3 0 1示意圖。上述主動 K二傳據遞類似。…如所見，- 式傳遞閘305 (假設為一 _全動像*素301中。上述空乏模 入Ν型雜質於上述空乳+ ¥體笔晶體）通常由植 質顯示於第三圖中參考數^字專閘305之下。上述植入Ν型雜 由於使用上述空乏握 0伏特時傳導。因此，二 \閘3 0 5，上述傳遞閘甚至可以於 遞閘3 0 5其閘極在累積j=上述主動像素3 0 1，上述傳 上。在一實施例中，上成木)期間係維持於某負電壓 一負電壓值可能會改變込但，壓為—Vdd。然而，上述準確 酽式傳遞閘3 0 5之負臨屄疋上述負值應該大於上述空乏 如一例子 界電壓， 万丄地芏乏模3 更具有—1. 8伏特 3 0 5具有一 (ο η - c h i - 0 . 9伏特之臨 P)電壓Vdd，

第14頁 200527603 ，五、發明說明（ίο) ~^ 接著上述空乏模式傳遞閘3 〇 5之閘極可能固定於—丨· 8伏特至 0 · 9伏特之間之任何電壓。然而使用一完整之—v ^ d電壓較 方便，由於在積體電路上較容易獲得，例如使用一負電壓 泵（negative charge pump)整合至一 N型基板上。此外， 如以下詳細敘述所見，在一些實施例中，上述空乏模式傳 遞閘3 0 5之臨界電壓係設計接近—vdd之值。 由於需要使用一負電壓以週期地維持上述空乏模式傳遞問 30 5於關閉狀態（0ff state) ，一-Vdd電壓產生器30 7提供 ϋ積體電路上。來自上·述-Vdd電壓產生器3 0 7之訊號選擇性 供至上述空乏模式傳遞閘3 0 5之閘極，於上述像素把作 之累積（integration)及重置相位（reset phases)期 間。上述-Vdd電壓產生器307亦稱為一負電荷泵Γ ^ · ^ η ^ ν negative charge pump)。由於需要一負電荷泵，如本發明之教厂、， 一互補式金氧半導體影像感測器更加簡單地實施於一 :I 板上。 、生基 上述空乏模式傳遞閘3 0 5之標準操作中’上述空之模气、 閘3 0 5之閘極可以變動自-Vdd至Vdd。此為第一圖中、之"先、二遞 »術所得到之電壓變動量之兩倍，其使用—加強模式 Z 1 〇 5。如可見地，當維持低電壓操作時會提供上X ^ 移（voltage swing)。 上述使用一空乏模式之傳遞閘3 0 5之相對大電壓飄移相乾於

第15頁 200527603 五、發明說明（11) 一 —--— 間則較為有利。第一，上述大電麼飄移允 4 >述口疋光電二極體103更容易於重置階段空乏。第二， 相信使用一空乏模式傳遞閘305允許電洞累積發生於鄰近 述傳遞閘3 0 5之表面，因此降低漏電流。 描述於上面之主動像素可使用於一互補式金氧半導體影像 感測裔1、1 01之，測器陣列中。特別是，如第五圖為本發明 之二互補式金氧半導體影像感測器。上述互補式金氧半導 體影像感測器包括一感測器陣列i i 0 3、一處理器電路 j05、一輸入/輸出（I/O) 1107、記憶體1109以及匯流排 1 1。較佳地，每一元件係形成於一單一 _半導體矽基板 上並且被整合至一單一晶片之上使用一標準互補式金氧半 導體製程。 上述感測裔陣列1 1 〇 3部分，例如，大致與本發明之受讓人 加州桑尼維爾之威象科技（〇mniVisi〇n Technologies)股 份有限公司所製造型號為OV763 〇、〇V79 2 〇、〇V7 9 3 〇、 OV9 62 0、OV9630' 〇V691(^〇V7 64〇之影像感測器之感測器 陣列相同’除了上述像素被揭露於此之主動像素取代。此 »，與習知技術之影像感測器不同，本發明之互補式金氧 ^體衫像感測器係形成於一 n型半導體基板上。 更特別的是，上述感測器陣列1103包括複數個個別像素排 列於一二維陣列中。在操作中，如一影像聚焦至感測器陣

200527603_ .五、發明說明（12) 列1 1 0 3上，上述感測器1 1 0 3可以得到原始之影像資料。 上述原始之影像資料接著由處理器電路1 1 0 5透過匯流排 1 1 1 1接收以利於處理信號。上述處理器電路1 1 0 5可以執行 一組程式化指示（或許儲存於記憶體1 1 0 9中）需要執行上 述積體電路1 1 0 1功能。上述處理器電路1 1 0 5可以為一通用 微處理器、數位信號處理器（DSP)、場可程式閘陣列 (FPGA)或一類神經電路。 &發明之較佳實施例已描述如上，在不脫離本發明之精神 if及觀點之下，仍然有各種變化實施例。 此外，並非只有四主動電晶體主動像素感測器可被實施， 其他之主動像素感測器之設計也可以使用，例如兩；ί固電晶 體、四個電晶體或植入log scale。如前所述，一些一般先 前技術設計方法之其他形式，顯示於第5，5 8 7，5 9 6 '5，9 2 6， 2 1 4以及5，9 3 3，1 9 0號美國專利中。 本發明以較佳實施例說明如上，然其並非用以限定本發明 »主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請 利範圍及其等同領域而定。凡熟悉此領域之技藝者，在 不脫離本專利精神或範圍内，所作之更動或潤飾，均屬於 本發明所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含 在下述之申請專利範圍内。

第17頁 200527603 圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 第一圖為習知技術之一主動像素之示意圖。 第二圖為第一圖之習知技術之主動像素之一剖面視圖。 第三圖為本發明之形成一主動像素之示意圖。 第四圖為第三圖之主動像素之剖面視圖。 第五圖為本發明之形成一互補式金氧半導體影像感測器之 一方塊圖。 ▲動 主要元件符號說明】 像素 1 01 · 二極體 103 傳遞閘 1 0 5、3 0 5 輸出節點 107 源極-隨耦器電晶體 1 0 9 行線輸出 111 重置電晶體 113 主動像素 3 0 1 電壓產生器 307 P井 401 P!基板 4 0 3 像感測器 1101 感測器陣列 1103 處理器電路 1105 輸入/輸出 1107

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Claims (1)

1. 200527603_ ，六、申請專利範圍 1 . 一種像素感測器晶胞（c e 1 1)，包括： 、固定（pinned)光電二極體，形成於一 N型半導體基板之 中所形成之P井（Pwell)中； 一傳遞電晶體，位於該固定光電二極體與一輸出節點之 間； 一重置電晶體，耦合於一高電位Vdd與該輸出節點之間；以 及 一輸出電晶體，該輸出電晶體之閘極耦合至該輸出節點。 &如申請專利範圍第1項之像素感測器晶胞，其中該傳遞電 體為一空乏模式（depletion mode)之金氧半導體場效 電晶體（M0SFET)。 3. 如申請專利範圍第1項之像素感測器晶胞，其中該輸出節 點為該傳遞電晶體之源極，並且該固定光電二極體為該傳 遞電晶體之〉及極。 . 4. 如申請專利範圍第2項之像素感測器晶胞，更包括一負電 壓產生器，其產生一負電壓足夠關掉該空乏模式轉換電晶

   5.如申請專利範圍第2項之像素感測器晶胞，其中該空乏模 式傳遞電晶體具有一臨界電壓（threshold voltage)接近 Vdd〇

   第20頁 200527603 六、申請專利範圍 6.如申請專利範圍第2項之像素感測器晶胞，其中該空乏模 式傳遞電晶體具有一臨界電壓約略或等於-0 · 9伏特。 7. —種互補式金氧半導體影像感測器，包括： 依照行與列配置之複數個主動像素，形成於一 N型半導體基 板中，其中該至少一主動像素包括： 一固定光電二極體； ^傳遞電晶體位於該固定光電二極體與一輸出節點之間該 f遞電晶體為一空乏模式金氧半導體場效電晶體； 一重置電晶體耦合於一高電位Vdd與該輸出節點之間；以及 一輸出電晶體，該輸出電晶體之閘極耦合至該輸出節點； 一負電荷泵，用於產生一負電壓並且形成於該N型半導體基 板中； 一處理電路，用於接收形成於該β型半導體基板中之該主動 像素之輸出；以及 一輸入/輸出電路，形成於該Ν型半導體基板中，用於輸出 該互補式金氧半導體影像感測器之該主動像素之輸出。 I如申請專利範圍第7項之互補式金氧半導體影像感測器， 其中該輸出節點為該轉換電晶體之源極，並且該固定光電 二極體為該傳遞電晶體之汲極。

   第21頁 200527603 六、申請專利範圍 9.如申請專利範圍第7項之互補式金氧半導體影像感測器， 其中該空乏模式傳遞電晶體有一工作電壓接近Vdd。 1 0.如申請專利範圍第7項之互補式金氧半導體影像感測 器，其中該空乏模式傳遞電晶體有一臨界電壓約略或等於 -0 . 9伏特。 1 1. 一種互補式金氧半導體影像感測器，包括： 依照行與列配置之複數個主動像素，形成於一 N型半導體基 &中，其中該至少一主動像素包括： |固定光電二極體； 一傳遞電晶體位於該固定光電二極體與一輸出節點之間； 一重置電晶體麵合於一高電位Vd d與該輸出節點之間；以及 一輸出電晶體，該輸出電晶體之閘極耦合至該輸出節點； 一負電荷泵，用於產生一負電壓並且形成於該N型半導體基 板中； . 一處理電路，用於接收形成於該N型半導體基板中之該主動 像素之輸出；以及 t 一輸入/輸出電路，形成於該N型半導體基板中，用於輸出 互補式金氧半導體影像感測器之該主動像素之輸出。 1 2 .如申請專利範圍第1 1項之互補式金氧半導體影像感測 器，其中該傳遞電晶體為一空乏模式金氧半導體場效電晶 體。

   第22頁 200527603_ ，六、申請專利範圍 '1 3.如申請專利範圍第11項之互補式金氧半導體影像感測 器，其中該輸出節點為該傳遞電晶體之源極，並且該固定 光電二極體為該傳遞電晶體之〉及極。 1 4 .如申請專利範圍第1 2項之互補式金氧半導體影像感測 器，其中該空乏模式之傳遞電晶體有一工作電壓接近Vdd。 1 5 .如申請專利範圍第1 2項之互補式金氧半導體影像感測 1，其中該空乏模式傳遞電晶體有一臨界電壓約·略或等於 · 9伏特。

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