TW200539440A - Solid-state image pickup device and module type solid-state image pickup device - Google Patents

Description

200539440 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種適於增加像素數量且適於小型化之固 悲景< 像拾取裝置及一種模組式固態影像拾取裝置。 【先前技術】 通常，固態影像拾取裝置包含以XY矩陣方式（即，以二 維方式）排列之複數個像素，每一像素包含一用於將入射光 光電轉換成訊號電荷且積聚如此光電轉換之訊號電荷之光 電轉換部分（光電二極體PD、感應器部分）、一用於將如此 積聚之訊號電荷轉換成電壓之積聚區域（浮動擴散區域 FD)、及一用於將積聚於該光電轉換部分中之訊號電荷轉移 至忒積聚區域（浮動擴散區域FD)之轉移閘極。 隨著該固態影像拾取裝置中之像素數量增加更多且該固 態影像拾取裝置小型化更多，單位單元之尺寸減小更多。 與此同時，電晶體佔用該像素之區域的比率增加，且用作 光電轉換部分之光電二極體之區域減少，藉此導致飽和電 荷量減少。因為影像品質隨著用作光電轉換部分之光電二 極體之飽和電荷量減少而下降，所以在該固態影像拾取裝 置中飽和電荷量之減少變成一嚴重問題。 隨附圖式之圖丨展示一種根據有關技術之固態影像拾取 裝置之一像素之排列之實例的示意性平面圖。在圖丨中，參 考數字1表示一包括光電轉換部分之光電二極體（pD)，參考 數字2表示-轉移閘極，且參考數字3表示_浮動擴散_ 區域。 97499.doc 200539440 圖2A為一沿著圖1中線IMI所取之橫截面圖。在圖2A中， 蒼考數子4表示p式半導體基板。如圖2入中所示，〇式區域“ 形成於该p式半導體基板4上以形成光電二極體（pD^。 又，n+式區域3a形成於該卩式半導體基板4上以形成浮動 擴散’區域3 ’且轉移閘極2藉由Si〇2膜形成之絕緣層化 形成於光電一極體1之n式區域丨a與浮動擴散區域3之 n+式區域3a之間的p式半導體基板4上。 又，在圖2A中，參考數字6表示一由n+式區域以所形成之 重置汲極。重置閘極7藉由絕緣層5而形成於浮動擴散㈣） 區域3之n+式區域3a與重置汲極6之^式區域以之間的p式半 導體基板4上。 在此情況下，η式區域la、轉移閘極2及^式區域h組成 一用於將像素讀取至浮動擴散（FD)區域3之讀（金屬 氧化物半導體）電晶體12。式區域3a、重置閘極7及，式區 域6組成一用於重置浮動擴散（FD)區域3之訊號電荷之重置 MOS電晶體14。 圖2B展示在像素積聚於圖2A中所示之固態影像拾取裝 置中時所獲取的電位分佈。圖2C展示在向轉移閘極供應讀 取訊號時所獲取的電位分佈。圖2D展示在自轉移閘極2讀出 殯取訊號後所獲取的電位分佈。 至今已計劃—用於增加光電二極體（pD)1之飽和電荷量 <方法°如圖^中所示’ n式區域la藉由增加植入於該光電 二極體（PD)1中之n式雜質之離子劑量而變成^式區域^， 藉以如圖3B中所示增加光電二極體卿之電位深度。或 97499.doc 200539440 者’如所引用之專利朱昭孝1中 一 帝… 斤不，藉由使光電二極體之 電位形狀平整而增加飽和電荷量。 [所引用之專利參日召牵η· η 士* 專利特許公開申請案第 2 000-164849號之政府公報

然而，當增加該_料拾取裝置之像素數量且使該固 悲影像拾取裝置小型化時，減小—像素之單位尺寸，且限 制增加該光電二極體（P]D)1之飽和雷荇B ^ ;？冤何ΐ。若藉由將飽和電 荷量增加多於該限制而未增加、、采 、 巾4叩不〜加，于動擴散（FD)區域3之區 域’則當向轉移閘極2供應讀取訊號時’如圖似扣中所 示’積聚於光電二極體（PD)1中之所有電荷不能.轉移至浮動 ，散(FD)區域3，且該等電荷留在光電二極體㈣艸。於 是存在產生了殘餘影像之缺點。 【發明内容】 考慮到上述態樣，本發明之—目的係提供—種固態影像 拾取裝置，其中可增加光電二極體之飽和電荷量而不產生 殘餘影像。 本發明之其它目的係提供一模組式固態影像拾取裝置， 其中可增加光電二極體之飽和電荷量而不產生殘餘影像。 本發明之另—目的係提供一形成為一組複數個晶片之模 組式固態影像拾取裝置。 根據本發明之一態樣，提供一種由複數個像素組成之固 悲影像拾取裝置，每一像素由一用於將入射光光電轉換成 訊號電荷且積聚如此光電轉換之訊號電荷之光電轉換部 分、一用於將積聚之訊號電荷轉換成電壓之積聚區域、及 97499.doc 200539440 、用於將積聚於光電轉換部分中之訊號電荷轉移至積聚區 域之轉移閘極組成，其中藉由在轉移問極下形成電位位準 差而增加飽和電荷量。 在根據本發明之固態影像拾取裝置中，光電轉換部分及 積聚區域係由第一導電率式半導體區域所形成，且轉移閘 極下積聚區域側之一部分摻雜了第一導電率式雜質之離 子。 • 在根據本發明之固態影像拾取裝置中，光電轉換部分及 積聚區域係由第一導電率式半導體區域所形成，且轉移閘 極下光電轉換部分之一部分摻雜了第二導電率式雜質之離 子。 根據本發明之另一態樣，提供一種由一具有複數個像素 之陣列組成之影像拾取區域及光學系統所組成之模組式固 恶影像拾取裝置，每一像素包含一光電轉換部分、一用於 讀出由該光電轉換部分所產生之電荷之讀取閘極部分、及 % 一用於在其中積聚藉由該讀取閘極部分而讀出之電荷之積 聚部分，且該光學系統用於將入射光引入至該影像拾取區 域中，其中該讀取閘極部分包含一位於積聚部分之側上之 第一雜質區域、及一具有低於該第一雜質區域之電位的電 位且鄰近於該第一雜質區域之第二雜質區域。 另外’在根據本發明之模組式固態影像拾取裂置中，第 一及第二雜質區域形成於一閘電極之下。 根據本發明，因為電位位準差形成於轉移閘極之下，所 以可增加積聚區域之容量，使得可增加光電二極體（光電轉 97499.doc 200539440 換部分）之餘和電荷量而不產生殘餘影像 【實施方式】 下文將蒼考圖式來描述根據本發廢 知乃之貝苑例之固態影像 拾取裝置及模組式固態影像拾取裝置。 圖4展示-種根據本發明之實施例之固態影像拾取裝置 之排列的示意圖。圖5展示—種包括圖4中所示之固態影像 拾取裝置之影像拾取區域之單位傻夸者 平111诼常之貫例之排列的示意 圖0

如圖4及5中所示’根據本發明之固態影像拾取裝置包含 -由以XY矩陣方式(即，二維方式)排列之複數個單位像素 16組成的影像拾取區域20、一垂直掃描電路幻及一水平掃 描電路22。在每一水平線處所提供之複數個單位像素丨石共 同連接至掃描線（即，重置線丨8、讀取線丨7、選擇線23)。又， 在每一垂直線28處所提供之複數個單位像素16分別藉由負 載MOS(金屬氧化物半導體）電晶體24、CDS(相關雙取樣）電 路2 5及水平選擇電晶體（M 〇 s )電晶體2 6而連接至水平訊號 線27。水平掃描電路22繼續供給能量至水平選擇電晶體％ 以產生輸出視訊訊號Sout。 如圖5中所示，該單位像素16係由一用作光電轉換部分之 光電二極體卜一用於將像素訊號讀取至浮動擴散（FD)區域 3之讀取M0S電晶體12(讀取M0S電晶體12之閘極稱作”轉 移閘極2”）、一用作放大裝置之放大m〇s電晶體π、一用於 重置浮動擴散（FD)區域3之訊號電荷之重置MOS電晶體 14、及一用作選擇裝置之垂直選擇]^〇8電晶體15所組成。 97499.doc 10 200539440 單位像素1 6以XY矩陣方式（即，以二維方式）排列。 如圖5中所示’在該單位像素丨6中，讀取m〇s電晶體1 2 之閘極（轉移閘極2)連接至讀取線17，重置M〇s電晶體14之 閘極（重置閘極7)連接至重置線18，垂直選擇M〇s電晶體15 之閘極連接至選擇線19，且垂直選擇M〇s電晶體15之源極 連接至垂直訊號線28。在像素之每一行處提供電壓。垂 直線28連接至像素之每一行之cds。 接著描述該固態影像拾取裝置之運行。首先，藉由選擇 線19施加選擇脈衝(j^EL所至之線（水平線）之像素丨6連接至 垂直掃描電路21且由其選擇。之後，重置脈衝供給能 罝至重置MOS電晶體14，且藉此重置所選線之每一像素！ 6 之洋動擴散（FD)區域3之電位。在重置了浮動擴散（FD)區域 3之電位之後，停止供給能量至重置M〇s電晶體丨4。在彼 時，藉由放大MOS電晶體13及負載MOS電晶體24所形成之 源極隨耦器電路將所選線之每一像素16之重置位準輸出至 φ 垂直訊號線28。接著，將讀取脈衝+TRG施加至讀取馗〇8電 晶體12之閘極，以供給能量至讀取M〇s電晶體。以自光電 二極體（PD)1將訊號電荷讀出至浮動擴散（FD)區域3。接 著，停止供給能量至讀取M0S電晶體12。在彼時，將所選 線之每一像素16之訊號位準輸出至垂直訊號線“。同時， 藉由在每一行處所提供之CDS電路25而取樣與保持重置位 準與訊號位準之間的差之訊號。接著，水平掃描電路 續選擇水平選擇電晶體26以藉由一輸出電路而自水平訊號 線27輸出所選線之每一像素之訊號。重複該運行以輸出所 97499.doc 200539440 有像素16之訊號。 示建構該固態影 在該實施例中，如圖6及圖7A至7D中所 像拾取裝置之單位像素16。

圖6展示根據該實施例之固態影像拾取裝置之一像素（單 位像素16)之排列之實例的平面圖。如圖6中所示，藉由一 包括光電轉換部分之光電二極體（pD)1將人射光光電曰轉換 成讯號電荷，且如此光電轉換之訊號電荷積聚於該光電二 極體(PD)1中。藉由-包括積聚區域之浮動擴散(FD)區域3 將如此積聚之訊號電荷轉換成電M。藉由轉移閉和將積聚 於光電二極體(PD)1中之訊號電荷轉移至浮動擴散㈣區 域3。浮動擴散區域3摻雜了 雜質之離子。 圖7A為一沿著圖6中線VII-VII所取之橫截面圖。在圖7A 中，參考數字4表示p式半導體基板。n+式區域比藉由增加 所植入之η式雜質之離子之劑量而形成於？式半導體基板4 上。因此，如圖7Α中所示，形成了光電二極體（pD)1，其飽 和電荷量增加至飽和電荷之預定量，使得甚至當增加固態 影像拾取裝置之像素數量且使固態影像拾取裝置小型化 時，亦可預防影像品質下降。 另外’ n+式區域3a形成於p式半導體基板4上，以藉此形 成浮動擴散（FD)區域3。轉移閘極2藉由Si〇2膜製成之絕緣 層5而形成於光電二極體（pD) 1之n+式區域丨b與浮動擴散 (FD)區域3之n+式區域3a之間的p式半導體基板4上。 在此情況下，n+區域lb、轉移閘極2及11+區域3a組成一用 於將光電二極體（PD) 1之n+式區域1 b之積聚訊號電荷讀取 97499.doc 12 200539440 至浮動擴散（FD)區域3之讀取MOS電晶體12。 又，如圖7A中所示，重置汲極6由n+式區域6a組成，且其 重置浮動擴散（FD)區域3之訊號電荷。重置閘極7藉由絕緣 層5而形成於浮動擴散（FD)區域3之n+式區域3a與該重置汲 極6之n+式區域6a之間的p式半導體基板4上。 在此情況下，浮動擴散（FD)區域3之n+區域3a、重置閘極 7及重置汲極6之n+區域6a組成一重置浮動擴散（fd)區域3 之訊號電荷之重置MOS電晶體14。 ® 在該實施例中，基板4之轉移閘極2之浮動擴散（FD)區域3 側及浮動擴散（FD)區域3另外摻雜了 η式雜質之離子，例 如，陰影線所示之As(砷）離子，且藉此轉移閘極2下浮動擴 放（FD)區域3之側之預定寬度形成為n式區域，如圖中 所不。在此情況下，僅轉移閘極2下浮動擴散（fd)區域3之 側可摻雜有η式雜質之離子係足夠的。 另外，在此情況下，轉移閘極2下浮動擴散（FD)區域3之 _ 側形成為空乏區域，藉以如圖7B、7〇：及7D中所示增加了預 定寬度之電位。結果，在轉移閘極2下產生電位位準差，藉 以该電位位準差之量增加了浮動擴散（fd)區域^之容量。 圖展不在積聚圖7A中所示之像素時所獲取之電位分 y 。 展示在將讀取訊號（來自水平掃描電路22之讀取脈 f (1>TRG)供應至轉移閘極（讀取Μ〇§電曰曰曰體工2之閘極）2時所 " 刀佈根據该貫施例’與圖3 C比較，因為轉移 Z極2下電位位準差之量增加了浮動擴散㈣區域3之容 所以可將光電二極體（PD) 1之增加的飽和電荷之所有量 97499.doc -13- 200539440 轉移至浮動擴散_區域3。圖爪展示在自轉移閉極讀出 讀取訊號（即，自轉移間極（讀取M〇s電晶體12之間極）移除 了讀取訊號（讀取脈衝mG))之後所獲取之電位分佈。: 果，可預防訊號電荷剩餘在光電二極體（PD)1中，藉以預防 產生殘餘影像。

口此，根據本發明，甚至當增加固態影像拾取裝置之像 素數里且使固悲影像拾取裝置小型化以使得減小單位單元 之尺寸時，可預防影像品質下降。 圖8展示，據本發明之其它實施例之固態影像拾取裝置 之-像單位像素16)之實例的平面圖。在圖8中，同樣的 參考數字表示與圖6中的部分同樣的部分。 簡㈣所示之實施例’與圖6中所示之實施例不同， ^夕間極2下光電二極體（pD)1之側之預定寬度藉由另外使 轉移閘極2之光電二極體（PD)1之侧及該光電二極 D)1摻雜有P式雜質之離子（例如，陰影線所示之B(石朋） 一子）而形成為p式區域。在此情況下’僅轉移間極2下光電 -極體（PD)l之側可摻雜有p式雜f之離子係足夠的。 在圖8中所示之實施例中’轉移閘極2下光電二極體 為增強區域，且轉移閘極2下浮動擴散㈣3之側 :要’、、、：乏區域，藉以在該轉移閘極2下產生電位位準差。 :容旦對應於該電位位準差之量可增加浮動擴散㈣區域3 二：r=:=;:=:: 97499.doc -14- 200539440 效應的作用及效應。 儘管至今已描述了 P式半導體基板4用作半導體基板之實 施例，但是本發明並不限於此，且半導體基板當然可用 作半導體基板。在此情況下，n式極性在上述實施例中變成 ρ式極性。亦在此情況下，不用說可達成類似於上述實施例 之作用及效應的作用及效應。 此外，根據本發明之固態影像拾取裝置可形成為一形成 • 為單曰曰片之固悲影像拾取裝置或一形成為一組複數個晶片 之模組式固態影像拾取裝置。圖9展示另一實施例之示意性 平面圖，其中本發明應用於一形成為一組複數個晶片之模 組式固態影像拾取裝置。如圖9中所示，模組式固態影像拾 取裝置（或相機）1 00可由一用於照相之感應器晶片11〇及一 用於處理數位訊號之訊號處理晶片所組成。另外，該模 組式固怨影像拾取裝置100可包含一光學系統13〇。甚至當 固態影像拾取裝置屬於模組式固態影像拾取裝置時，該模 # 組式固態影像拾取裝置可產生一具有寬動態範圍且可改良 電子裝置（該模組式固態影像拾取裝置安裝於其上）之效能 的而品質輸出訊號。 根據本發明，提供一由複數個像素組成之固態影像拾取 I置，每一像素由一用於將入射光乙丨光電轉換成訊號電荷 且積聚如此光電轉換之訊號電荷之光電轉換部分、一用於 將積聚訊號電荷轉換成電壓之積聚區域、及一用於將積聚 於邊光電轉換部分中之訊號電荷轉移至該積聚區域之轉移 閘極組成，其中藉由在該轉移閘極下所形成之電位位準差 97499.doc -15- 200539440 而增加了許多飽和電荷。 在根據本發明之固態影像拾取裝置中，光電轉換部分及 積聚區域係由第一導電率式半導體區域所形成，且轉移閘 極下積聚區域側之一部分摻雜了第一導電率式雜質之離 在根據本發明之固態影像拾取裝置中，光電轉換部分及 積聚區域係由第一導電率式半導體區域所形成，且轉移閘 極下光電轉換部分側之一部分摻雜了第二導電率式雜質之 離子。 "、

另外，根據本發明，提供一由一具有複數個像素之陣列 組成之影像拾取區域及光學系統所組成之模組式固態影像 拾取裝置，每-像素包含—光電轉換部分、—用於讀出由 該光電轉換部分所產生之電荷之讀取閘極部分、及一用於 在其中積聚藉由該讀取閘極部分而讀出之電荷之積聚部 分，且該光料、制於將人射光引人至該影像拾取區^ 中，其中該讀取閘極部分包含一位於該積聚部分之侧上之 第-雜質區域、及一具有低於該第一雜質區域之電位的電 位且鄰近於該第一雜質區域之第二雜質區域。 在根據本發明之模組式固態影像拾取裴置中，第一及第 二雜質區域形成於一閘電極之下。 此外，根據本發明，因為 下，所以可增加積聚區域之 電位位準差形成於轉移閘極之 谷里’使得可增加光電二極體 (光電轉換部分）之飽和 —/〜邮勒1豕。 已參考隨附圖式描述了本發明之較 千乂住貝施例，應瞭 97499.doc 16 200539440 到，本發明並不限於該等精確實施例，且在不脫離如由附 加申請專利範圍中所以之本發明之精神或料的情況 下’ 4習此項技術者可於其中實現各種變化及修改。 【圖式簡單說明】 圖1展示根據有關技術之固態影像拾取裝置之實例之一 主要部分的平面圖； 為-沿著圖i中線㈣所取之橫截面圖，且展示根據 φ 有關技術之固態影像拾取裝置之實例之一主要部分； 圖2B至2D分別為展示圖2A中所示之固態影像拾取 之電位分佈的圖； ^ 圖3A展示根據有關技術之固態影像拾取裝置之實例之一 主要部分的橫截面圖； 、1 圖3B至3D分別展示圖2人中所示之固態影像拾取 電位分佈的圖； ^ 圖4展示根據本發明之實施例之固態影像拾取裝 φ 列的示意圖； 、卜 圖5展示圖4中所示之固態影像拾取裝置之單位像 例之排列的示意圖； 、貝 圖6展示根據本發明之固態影像拾 — 的平面圖； 之—主要部分 圖7A為一沿著圖6中線ν„·νιι所取之橫截面圖，且展厂 根據本發明之實施例之固態影像拾取裝置； 不 圖7Β至7D分別為展示圖7Α中所示之固態影像拾 之電位分佈的示意圖； 、置 97499.doc -17- 200539440 圖8展示根據本發明之其它實施例之固態影像拾取裝置 之一主要部分的平面圖；且 圖9展示另一實施例之示意性平面圖，其中本發明應用於 模組式固態影像拾取裝置。 【主要元件符號說明】

1 光電二極體 la n式區域 lb η+式區域 2 轉移閘極 2a η式區域 3 積聚區域 3 a η+式區域 4 Ρ式半導體基板 5 絕緣層 6 重置汲極 6a η+式區域 7 重置閘極 12 讀取MOS電晶體 13 放大MOS電晶體 14 重置MOS電晶體 15 垂直選擇MOS電 16 單位像素 17 讀取線 18 重置線 97499.doc -18- 200539440 19 選擇線 20 影像拾取區域 21 垂直掃描電路 22 水平掃描電路 23 選擇線 24 負載MOS電晶體 25 CDS電路 26 水平選擇電晶體 27 水平訊號線 28 垂直訊號線 100 模組式固態影像拾取裝置 110 感應器晶片 120 訊號處理晶片 130 光學系統 FD 浮動擴散區域 PD 光電二極體 97499.doc -19-

Claims (1)

1. 200539440 十、申請專利範圍： 1 · 一種固態影像拾取裝置，其包括·· 複數個像素’每一該像素由以下部分組成·· 用方；將入射光光電轉換成訊號電荷且積聚該等訊號 電荷之光電轉換部分； 用於將w亥專積聚訊號電荷轉換成一電麈之積聚區 域；及 一用於將積聚於該光電轉換部分中之該等訊號電荷轉 移至該積聚區域之轉移間極’其中藉由在該轉移間極下 所形成之一電位位準差而增加了許多飽和訊號電荷。 2. 如請求項！之固態影像拾取裝置，其中該光電轉換部分及 該積聚區域係由第-導電率式半導體區域所形成，且該 轉移閘極下該積聚區域側之—部分摻雜了第—導電率式 雜質之離子。 3. 如請求項！之固態影像拾取裝置，其中該光電轉換部分及 «聚區域係由第-導電率式半導體區域所形成，且該 轉移閉極下該光電轉換部分側之—部分摻雜了第二導電 率式雜質之離子。 4· 一種模組式固態影像拾取裝置，其包括. —一由—具有複數個像素之陣列組成之影像拾取區域， :素包含一光電轉換部分、—用於讀出由該光電轉 /分所產生之電荷之讀取閘極部分、及―用於在其中 错由該讀取問極部分而讀出之電荷之積聚部分；及 用於將入射光引入至該影像拾取區域中之光學系 97499.doc 200539440 統’其中該讀取間極部分包含-位於該積聚部分 上之第-雜㈣、及-具有-低於該第-雜質 電位的電位且鄰近於該第一雜質區域之第二雜質 5·如請求項4之模組式固態影像拾取裝置，其中該第 第一雜質區域形成於一閘電極之下。 之該側 區域之 k域。 一及該

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