TW201314880A - 影像感測器的單元畫素及其光電探測器 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種圖像感測器的單元畫素及其光電探測器。光電探測器可以包含：一基板，在基板中形成具有預定角度的一V形凹槽；在V形凹槽上方以浮動結構形成的一光吸收部件，光入射至光吸收部件；在光吸收部件與V形凹槽之間形成的一氧化物膜，在氧化物膜中發生隧穿；在V形凹槽的一側斜坡上與氧化物膜鄰近地形成的一源極，源極透過氧化物膜而與光吸收部件分隔開；在V形凹槽的另一側斜坡上與氧化物膜鄰近地形成的一汲極，汲極透過所述氧化物膜而與光吸收部件分隔開；以及沿著V形凹槽在源極與汲極之間插入的一溝道，用於在源極與汲極之間形成電流流動。

Description

影像感測器的單元畫素及其光電探測器
本發明的實施方式關於一種影像感測器的單元畫素(unit pixel)以及該單元畫素的光電探測器。
影像感測器係為一種將光訊號變換為電影像訊號的感測器。當光照射至影像感測器晶片的單元的畫素內部之光吸收部件時，影像感測器檢測入射至每一單元之畫素的光線以及光線量，並且將光訊號變換為電訊號，隨後將電訊號傳送至類比數位電路以形成影像。
常規的影像感測器可基於它們的結構與作業原理，分類為CCD(電荷耦合器件)型以及CMOS(互補金屬氧化物半導體)型。CMOS型影像感測器通常稱為CIS(CMOS影像感測器)。
在CCD型影像感測器中，透過施加至閘極的脈波，由光在畫素處產生的多組訊號電子發送至一輸出單元，變換為輸出單元的電壓，並且逐個發送出。
在CMOS型影像感測器中，由光在畫素處產生的訊號電子與電洞變換為畫素內的電壓。這些電壓與包含行解碼器與列解碼器的訊號處理器相連接，並且透過依據時脈頻率的開關作業，自畫素發送出去。
影像感測器依據單元畫素中是否存在放大器，可以為APS(有 源畫素感測器)或者PPS(無源畫素感測器)。
PPS係為一無源器件，它在畫素內不包含訊號放大功能；PPS將器件的電流輸出至外部，從而在畫素外部將此電流變換為電壓。而另一方面，APS係為一有源器件，它在畫素內包含訊號放大功能。
PPS主要由一個光電二極體以及一個選擇電晶體構成，因而不僅可以具有大於APS(對於同樣尺寸的畫素，需要3-5個MOS電晶體)的孔徑比，而且，能夠提高與光吸收效率相關的占空因子(fill factor)。
然而，由於光電二極體的光電流強度不大，並且光訊號變換為容易受到在訊號處理中使用的外部環境影響的電流，因而，PPS具有固定模式雜訊(FPN)的問題。
因此，APS儘管光吸收部件的尺寸小於PPS，然而對於同樣尺寸的畫素，由於在單元畫素中具有多倍數量的電晶體，因此APS相比較於PPS能夠提供具有較少雜訊的影像訊號。
對於入射至影像感測器的單元的畫素光吸收部件的一個光子，產生一個電子-電洞對(EHP)，產生的電子及電洞在作為光吸收部件的光電二極體中累積。
光電二極體的最大累積靜電容量與光電二極體的光電檢測面積成比例。特別地，在CMOS型影像感測器的情況下，佈置有附隨電晶體的面積大於CCD型影像感測器情況下的面積，因而光吸 收部件面積的增加在物理上受到限制。此外，通常用作影像感測器的光吸收部件的光電二極體具有相對較小的靜電容量，因而容易飽和，難以對光吸收部件產生的訊號進行分段。
因此，CMOS影像感測器的單元畫素需要相對長的光電荷累積時間，以便透過有限的光電檢測面積產生用於訊號處理的最少電荷。因此，不易於透過使用具有此種光吸收部件的單元畫素以製造高密度/高速度圖框影像感測器。
矽半導體的帶隙係為1.12eV，由矽半導體製成的光電探測器能夠檢測350nm至1150nm波長中的光能。在這裏，由於光對於每一波長具有不同的固有能量，並且當光透入固體矽時具有不同的透入深度，因而對於每一波長的光電效率在光電探測器處也不相同。為了檢測可見光線的波長(400-700nm)，影像感測器形成P-N結的介面，以便能夠更好地檢測到綠色光，綠色光通常具有550nm波長中的能量。因此，在具有這種結構的影像感測器中，對於例如藍色等短波長以及近紅外線的長波長的光電效率劣化，或者光訊號變換為雜訊。
與影像感測器以及影像感測器的單元畫素相關的習知技術包含美國公開號2004/0217262(UNIT PIXEL IN CMOS IMAGE SENSOR WITH HIGH SENSITIVITY)，美國公開號2009/0032852(CMOS IMAGE SENSOR)，和美國公開號2010/0073538(IMAGE SENSOR)。
美國公開號2004/0217262公開了一種影像感測器，包含一個光電二極體以及傳輸電晶體、復位電晶體、驅動電晶體以及選擇電晶體這四個電晶體，影像感測器透過將用於形成驅動電晶體與選擇電晶體的有源區域與用於形成重定電晶體的有源區域分離開，防止驅動電晶體與選擇電晶體受到電源電壓(VDD)洩漏的影響。
然而，由於美國公開號2004/0217262將光電二極體與四個電晶體整合於有限區域中，因而難以提供用於產生進行訊號處理的足夠電荷量的光電二極體區域。
美國公開號2009/0032852公開了一種影像感測器，此影像感測器透過允許構成CMOS影像感測器的畫素具有多個浮動擴散區，能夠在不損失靈敏度的情況下獲得寬動態範圍。
美國公開號2009/0032852的CMOS影像感測器通過在單獨的浮動擴散區中，對具有低靈敏度但是對於亮度的動態範圍很寬的訊號、以及對於亮度的動態範圍很窄但是具有高靈敏度的訊號進行獲取且合成，獲得最終的影像。
然而，由於上述CMOS影像感測器使用各單獨的浮動擴散區及其相關的電晶體以獲取高靈敏度訊號以及寬動態範圍的訊號，因而難以提供用於光電探測器的足夠區域。
美國公開號2010/0073538公開了一種具有高光電導性的影像感測器。然而，美國公開號2010/0073538的影像感測器在P-N結 上形成附加的膜層，以便增加P-N結二極體的光電導性，因而需要附加的製造工藝。
因此，鑒於上述問題，本發明之實施例提供一種高靈敏度/高性能影像感測器的單元畫素以及該單元畫素的光電探測器，其能夠利用少量的光輸出大的光電流，在低照明等級的環境中實現高速圖框作業，並且在同一螢幕中記錄從低照明等級到高照明等級範圍的視頻。
本發明的一個方面的在於一種光電探測器，用於將吸收的光變換為電訊號的影像感測器的單元畫素中吸收光，此光電探測器可包含：一基板，在基板中形成具有預定角度的一V形凹槽；在V形凹槽上方以浮動結構形成的一光吸收部件，光入射至光吸收部件；在光吸收部件與V形凹槽之間形成的一氧化物膜，在氧化物膜中發生隧穿；在V形凹槽的一側斜坡上與氧化物膜鄰近地形成的一源極，源極透過氧化物膜而與光吸收部件分隔開；在V形凹槽的另一側斜坡上與氧化物膜鄰近地形成的一汲極，汲極透過氧化物膜而與光吸收部件分隔開；以及沿著V形凹槽在源極與汲極之間插入的一溝道，配置為在源極與汲極之間形成電流流動。光吸收部件可摻雜有第一類型雜質，源極與汲極可摻雜有第二類型雜質。光吸收部件可透過氧化物膜而與源極以及汲極絕緣。透過入射至光吸收部件的光而在光吸收部件中產生電子-電洞對，可 透過集中於氧化物膜中的電場而在源極以及汲極的至少之一與光吸收部件之間發生隧穿，電子-電洞對中的電子可透過隧穿從光吸收部件朝向源極以及汲極的至少之一移動，並且可透過由電子的移動引起的光吸收部件的電荷量變化以控制溝道的電流的流動。
此基板可為{100}型矽基板，V形凹槽可透過各向異性蝕刻形成於此基板上。
可透過調節W/L比率而以緊接於夾斷之前的狀態以形成溝道，W/L比率係為溝道的寬度(W)與長度(L)之比。
源極與汲極可透過在主體中摻雜第二類型雜質而形成，主體可為浮動的。
光電探測器的閥值電壓可由於在氧化物膜中發生的隧穿而變化。
光電探測器還可包含在除了光吸收部件之外的表面上形成的一阻光層，阻光層阻擋在除光吸收部件之外的區域中透射光。
本發明的另一個方面的特點在於一種影像感測器的單元畫素，將吸收的光變換為電訊號，可包含：一光電探測器，利用由入射光所引起的電荷量變化而使得電流流動；以及一選擇器件，將光電探測器產生的電流輸出至單元畫素輸出端子。光電探測器可包含：一基板，在基板中形成具有預定角度的一V形凹槽；在V形凹槽上方以浮動結構形成的一光吸收部件，光入射至光吸收部件；在光吸收部件與V形凹槽之間形成的一氧化物膜，在氧化 物膜中發生隧穿；在V形凹槽的一側斜坡上與氧化物膜鄰近地形成的一源極，源極透過氧化物膜而與光吸收部件分隔開；在V形凹槽的另一側斜坡上與氧化物膜鄰近地形成的一汲極，汲極透過氧化物膜而與光吸收部件分隔開；以及沿著V形凹槽在源極與汲極之間插入的一溝道，配置為在源極與汲極之間形成電流流動。選擇器件可包含：與光電探測器的源極連接的一汲極；接入至單元畫素輸出端子的一源極；以及自外部接收控制訊號的一閘極，其中可根據控制訊號執行開關作業。光吸收部件可摻雜有第一類型雜質，源極與汲極摻雜有第二類型雜質。光吸收部件可透過所述氧化物膜而與源極以及汲極絕緣。可透過入射至光吸收部件的光而在光吸收部件中產生電子-電洞對，可透過集中於氧化物膜中的電場而在源極以及汲極的至少之一與光吸收部件之間發生隧穿，此電子-電洞對中的電子可透過隧穿自光吸收部件朝向源極以及汲極的至少之一移動，並且可透過由電子的移動引起的光吸收部件的電荷量變化以控制溝道的電流之流動。
基板可為{100}型矽基板，V形凹槽可透過各向異性蝕刻形成於基板上。
光電探測器的源極與選擇器件的汲極可形成於相同的有源區域中。
可透過調節W/L比率而以緊接於夾斷之前的狀態來形成溝道，W/L比率係為溝道的寬度(W)與長度(L)之比。
本發明的再一個方面的特點在於一種光電探測器，用於將吸收的光變換為電訊號的圖像感測器的單元畫素中吸收光，此種光電探測器可包含：一基板，在基板中形成具有預定角度的一U形凹槽；在U形凹槽上方以浮動結構形成的一光吸收部件，光入射至光吸收部件；在光吸收部件與U形凹槽之間形成的一氧化物膜，在氧化物膜中發生隧穿；在U形凹槽的一側斜坡上與氧化物膜鄰近地形成的一源極，源極透過氧化物膜而與光吸收部件分隔開；在U形凹槽的另一側斜坡上與氧化物膜鄰近地形成的一汲極，汲極透過氧化物膜而與光吸收部件分隔開；以及在U形凹槽的下部區域中插入於源極與汲極之間的一溝道，配置為在源極與汲極之間形成電流流動。光吸收部件可摻雜有第一類型雜質，源極與汲極摻雜有第二類型雜質。光吸收部件可透過氧化物膜而與源極以及汲極絕緣。可透過入射至光吸收部件的光而在光吸收部件中產生電子-電洞對，可透過集中於氧化物膜中的電場而在源極以及汲極的至少之一與光吸收部件之間發生隧穿，電子-電洞對中的電子可透過隧穿從光吸收部件朝向源極以及汲極的至少之一移動，並且可透過由電子的移動引起的光吸收部件的電荷量變化來控制溝道的電流的流動。
此基板可為{100}型矽基板，U形凹槽可透過各向異性蝕刻形成於基板上，U形凹槽包含具有預定深度的斜坡。
可透過調節W/L比率而以緊接於夾斷之前的狀態來形成溝 道，W/L比率係為溝道的寬度(W)與長度(L)之比。
源極與汲極可透過在主體中摻雜第二類型雜質而形成，主體可是浮動的。
光電探測器的閥值電壓可由於在氧化物膜中發生的隧穿而變化。
光電探測器還可包含在除光吸收部件之外的表面上形成的一阻光層，阻光層配置為阻擋在除光吸收部件之外的區域中透射光。
本發明的又一個方面的特點在於一種圖像感測器的畫素單元，配置為將吸收的光變換為電訊號號可包含：一光電探測器，利用由入射光所引起的電荷量變化而使得電流流動；以及一選擇器件，將光電探測器產生的電流輸出至單元畫素輸出端子。光電探測器可包含：一基板，在基板中形成具有預定角度的一U形凹槽；在U形凹槽上方以浮動結構形成的一光吸收部件，光入射到光吸收部件；在光吸收部件與U形凹槽之間形成的一氧化物膜，在氧化物膜中發生隧穿；在U形凹槽的一側斜坡上與氧化物膜鄰近地形成的一源極，源極透過氧化物膜而與光吸收部件分隔開；在U形凹槽的另一側斜坡上與氧化物膜鄰近地形成的一汲極，汲極透過氧化物膜而與光吸收部件分隔開；以及在U形凹槽的下部區域中插入於源極與汲極之間的溝道，配置為在源極與汲極之間形成電流流動。選擇器件可包含：與光電探測器的源極連接的一汲極；接入到單元畫素輸出端子的一源極；以及從外部接收控制 訊號的一閘極，其中根據控制訊號執行開關作業。光吸收部件可摻雜有第一類型雜質，源極與汲極可摻雜有第二類型雜質。光吸收部件可透過氧化物膜而與源極以及汲極絕緣。可透過入射到光吸收部件的光而在光吸收部件中產生電子-電洞對，可透過集中於氧化物膜中的電場而在源極以及汲極的至少之一與光吸收部件之間發生隧穿，所述電子-電洞對中的電子可透過隧穿從光吸收部件朝向源極以及汲極的至少之一移動，並且可透過由電子的移動引起的光吸收部件的電荷量變化來控制溝道的電流的流動。
光電探測器的源極與選擇器件的汲極可形成月於相同的有源區域中。
此基板可為{100}型矽基板，U形凹槽可透過各向異性蝕刻形成於基板上。
可透過調節W/L比率而以緊接於夾斷之前的狀態來形成溝道，W/L比率係為溝道的寬度(W)與長度(L)之比。
由於可存在本發明的各種排列以及實施方式，將參照附圖圖解和說明其中的一些具體實施方式。然而，這絕不是要將本發明限制為這些具體實施方式，而應當將本發明視為包含由本發明的構思和範圍涵蓋的全部排列、等效物和替代方式。
在本發明的整個說明中，當對於某種技術的說明確定為會偏離本發明的要點時，將省略相關的詳細說明。例如「第一」和「第 二」之類的術語可用於描述各種元件，但是上述元件不應被限於上述術語。上述術語僅僅用於將一種元件與另一種元件區分開。
當一種元件描述為「連接」或「接入」另一元件時，可將其視為直接連接或接入至另一元件，也可視為在兩元件之間還存在其他元件。另一方面，如果一種元件描述為「直接連接」或「直接接入」另一元件時，應將其視為兩元件之間不具有其他元件。
在下文中，將參照附圖描述本發明的一些具體實施例。
「第1圖」係為根據本發明第一實施例的一隧道結光電探測器之透視圖。如「第1圖」所示，使用隧道結而非常規光電二極體以實現單元畫素的光電探測器。在此，隧道結器件係指利用在絕緣層中產生的隧穿效應進行作業之器件，在此種隧道結器件中，在兩個導體或者半導體之間結合一個薄絕緣層。作為參考，隧穿效應為一種量子力學現象，其中在強電場的作用下，粒子穿過具有大於其固有動態能量的勢能之區域。
在本發明的實施例中，可以使用該隧道結器件生成單元畫素的光電探測器，而本發明的說明書與專利申請範圍中的「隧道結光電探測器」係指使用該隧道結器件實現的光電探測器。隧道結光電探測器可使用各種結構例如一般的n-MOSFET或者p-MOSFET結構實現。此外，除了MOSFET之外，單元畫素還可使用具有能夠提供隧穿效應的結構的電子器件例如JFET、HEMT等等實現。
在「第1圖」中，隧道結光電探測器100係以NMOS結構實現的。隧道結光電探測器100形成於p型基板110上，隧道結光電探測器100包含與一般NMOS電子器件中的源極相對應的一N+擴散層120以及與一般NMOS電子器件中的汲極相對應的一N+擴散層130。在下文中，N+擴散層120、130將分別被稱為隧道結光電探測器中的「源極」和「汲極」。
在源極120與汲極130之間形成一薄氧化物膜140，在氧化物膜140上方形成摻雜有p型雜質的一多晶矽(光吸收部件150)，多晶矽(光吸收部件150)對應於NMOS結構中的閘極。這裏，為了便於發生隧穿現象，較佳地將氧化物膜140形成為10nm或者以下的厚度，例如2nm、5nm、7nm等。
與一般NMOS電子器件中的閘極不相同，多晶矽(光吸收部件150)以浮動結構形成。此外，多晶矽(光吸收部件150)不在多晶矽(光吸收部件150)方形成矽化物層，並且多晶矽(光吸收部件150)用作吸收光的區域。如果在多晶矽(光吸收部件150)上方形成矽化物層，則由於入射光會被反射，金屬雜質使得難以透過光來形成電子-電洞對，並且光難以透入至多晶矽(光吸收部件150)中。
在下文中，本發明的說明書與專利申請範圍中的隧道結光電探測器100的多晶矽(光吸收部件150)之區域將稱為「光吸收部件」。
在源極120與汲極130上方形成金屬接觸部121、131，金屬接觸部121、131分別與外部節點相連接。源極120的金屬接觸部121藉由金屬線122與外部相連接，類似地，汲極130的金屬接觸部131藉由金屬線132與外部相連接。
與一般NMOS電子器件不相同，隧道結光電探測器100以其中p型基板110浮置的結構形成。因此，隧道結光電探測器100在結構上與一般NMOS電子器件的不同之處在於，僅僅源極120及汲極130與外部節點相連接。
此外，隧道結光電探測器100可對稱地形成。因此，可以將源極120與汲極130彼此替換。
在光電探測器100的除光吸收部件150的上表面之外的上部上，形成有一阻光層180。請參閱「第5圖」，透過在隧道結光電探測器100的除光吸收部件150的上表面之外的上部上形成，阻光層180阻止光被吸收至除光吸收部件150之外的區域中。這是為了有效地隧穿光吸收部件150的光電荷。此外，這是為了防止透過在除光吸收部件150之外的區域中吸收光而導致產生寄生電荷，以及為了獲得受控的光電流。可透過矽化物工藝形成阻光層180，並且可以透過使用遮罩而防止阻光層180形成於光吸收部件150之上方。
「第2圖」係為具有微透鏡的一光電探測器之示意圖。在「第2圖」中，微透鏡170對入射至光電探測器100的光進行會聚。在 常見的影像感測器中，光通過光學透鏡(圖未示)入射至影像感測器。穿過光學透鏡的光到達位於光電探測器100上方的微透鏡170。微透鏡170對入射於單元畫素的前表面上的光進行會聚，並且使得入射光能夠進入光吸收部件150的上表面151。這裏，光吸收部件150的上表面151可直接暴露，或者可以在光吸收部件150與空氣之間形成鈍化層，光可容易地穿透該鈍化層。以使得光會聚的方式，將微透鏡170佈置於未形成阻光層180的光吸收部件150上方。
透過入射光，在源極120與汲極130與光吸收部件150之間形成電場，並且在源極120與汲極130之間形成溝道160。具體而言，透過入射至光吸收部件150的光產生電子-電洞對，並且通過隧穿效應，所產生的電子-電洞對中的電子自光吸收部件150朝向源極120或者汲極130移動。由於電子的損失，光吸收部件150的電洞中的電荷量變得相對增加。因此，與常見的NMOS器件不相同，由於由形成有摻雜浮柵的光吸收部件150的電荷量變化而引起的閥值電壓調製效果(光電探測器的閾值電壓由於在氧化物膜中發生的隧穿現象而變化)，形成了溝道160，並且電流變為在源極120與汲極130之間流動。
同時，隧道結光電探測器100可以LDD(輕摻雜汲極)結構實現。透過以LDD結構實現隧道結光電探測器，可以減少由短溝道效應所導致的熱載流子的產生。「第3圖」係為根據本發明實施 例的以LDD結構形成的隧道結光電探測器之剖視圖。
在「第3圖」中，隧道結光電探測器100在p型基板100上形成，並且包含源極120以及汲極130，源極120以及汲極130均為N+擴散層。在此，源極120與汲極130彼此對稱，並且可以具有相同的器件屬性。作為輕摻雜的n型區域的LDD區域123形成於與源極120以及氧化物膜141鄰近的區域中。此外，作為輕摻雜的n型區域的LDD區域133可形成於與汲極130和氧化物膜140鄰近的區域中。光吸收部件150的長度可以形成為與源極120的LDD區域123與汲極130的LDD區域133之間的距離相同。
當具有相比較於摻雜雜質的耦合能量更大的能量的光入射至光吸收部件150時，複數個電洞在作為摻雜有p型雜質的多晶矽的光吸收部件150中變為自由態，與在光電二極體的耗盡層中電性發生的反應類似地產生電子-電洞對。所產生的電子-電洞對以電子以及電洞的狀態存在一段預定的持續時間，直至它們再次結合為止，這局部增加了電洞數量，從而增加了電荷量。
這些單獨的電子在多晶矽的晶界外部自由地移動。這裏，如果將外部電壓施加至汲極130，則將電子拉至靠近汲極的LDD區域133之邊緣。因此，電子在與LDD區域133鄰近的光吸收部件150之邊緣附近累積，並且接收到電場作用。隨著積累的電子的數量增加，形成了相對更強的電場。由此，此種在光吸收部件150邊緣附近的電子積累現象變得速度加快。照射至光吸收部件150 的光越強烈，便會形成越多的電子-電洞對，並且形成越大的電場。
在LDD區域123與光吸收部件150之間的距離最短的邊界區域141，以及在LDD區域133與光吸收部件150之間的距離最短的邊界區域142，容易發生隧穿現象。當在邊界區域141、142中滿足能級條件時，發生隧穿效應。透過隧穿效應，在光吸收部件150的邊界區域141、142中積累的電子可以朝向源極120或者汲極130移動。此種情況下，光吸收部件150的總電荷量發生變化。也就是說，電洞的電荷的增加量與經由隧穿效應所損失的電子數量一樣多，並且由於光吸收部件150的電勢變化所引起的閥值電壓調製效果，在源極120與汲極130之間形成溝道160。透過所形成的溝道160，可增加電流量。
同時，如果光強度變得更小，或者光受到阻擋，則電荷量以與上述現象相反的方式，返回至其原始狀態。如果光強烈地照射且隨後受到阻擋，則光吸收部件150由於電子數量的增加而變為具有大量弱(+)電荷，但是透過在電勢相對較低的汲極的LDD區域133的邊界區域142以及源極的LDD區域123的邊界區域141中所累積的電子，形成電場。然後，沿著電子流入光吸收部件150的方向，在邊界區域141、142中發生隧穿效應。當由於隧穿效應而流動的電子再次與電洞結合時，(+)電荷的數量減少。這將削弱由光吸收部件150產生的電場，並且減小或者消除在源極120和汲極130之間的溝道160。因此，流過溝道160的電流停止流動。
以溝道160處於緊接在夾斷之前的狀態的方式，在隧道結光電探測器100的製造工藝中設計溝道160。「第4圖」示出本發明的溝道160。在「第4圖」中，透過源極120與汲極130之間的電壓差產生溝道160。此外，由於提供的電壓，在源極120、汲極130以及溝道160周圍形成耗盡層161。在製造工藝中透過調節W/L比率(該比率係為溝道寬度與長度之比)以製造溝道160，使得溝道160處於緊接在夾斷之前的狀態，同時不將任何外部電壓施加至源極120以及汲極130。這裏，由於發生夾斷的條件可以隨著元件的每種摻雜濃度以及隧道結光電探測器的每種屬性而不同，因而可以為隧道結光電探測器的每一製造工藝實驗性地設計W/L。
隧穿現象在源極120與汲極130的LDD區域與光吸收部件150之間的邊界區域141、142中連續地發生。然而，當光強度較大時，隧穿在汲極130這側更為顯著；而當光強度較小時，隧穿在源極120這側更為顯著，由此保持平衡狀態。
「第6圖」係為用於示出根據本發明第一實施例的隧道結光電探測器的光入射角之剖視圖。
在「第6圖」中，通過微透鏡會聚的光沿著光入射路徑入射至光吸收部件150，該光入射路徑通過多層陰影部192而具有預定斜率。陰影部192可以通過沿著入射路徑適當地佈置用於訊號傳送和器件控制的金屬線以形成。可以在多層陰影部192之間形成鈍化層182，鈍化層182可以利用基本不反射入射光的材料形成。
透過上述結構的隧道結光電探測器，可以使得大於常規光電二極體上百甚至上千倍的光電流流動。常規光電二極體僅僅透過在靜電容量中累積的電荷量以區分亮度，然而在根據本發明的實施例的光電探測器中，透過光引起的光吸收部件的電荷量變化起著電場作用，由此控制溝道的電流流動。此外，由於可以透過汲極無限地提供所需要的電荷，因此訊號可以在光電探測器中自放大。因此，可以PPS結構實現單元畫素，而無需引入額外的訊號放大器件。當然，也可使用常規APS方法實現單元畫素。然而，在本發明之本實施例中，為了便於說明與理解，單元畫素係以使用隧道結光電探測器的PPS結構實現。
在下文中，將參照附圖說明根據上述實施方式的使用隧道結光電探測器實現的影像感測器的單元畫素的一些實施例。
「第7圖」係為根據本發明第一實施例的使用隧道結光電探測器的單元畫素之電路示意圖。「第7圖」中所示的單元畫素包含一個隧道結光電探測器100以及一個選擇電晶體600。
這裏，一個選擇電晶體可以由各種器件例如常規MOSFET結構形成。這種情況下，隧道結光電探測器與選擇電晶體可以使用常規MOSFET的製造工藝同時實現，簡化了製造工藝，並且節約了成本。
隧道結光電探測器100的汲極130接入電源電壓(VDD)，源極120與選擇電晶體600的汲極630連接。
儘管隧道結光電探測器100的源極120與汲極130是對稱的，並且彼此相同，不過本申請檔的說明書與專利申請範圍將把汲極稱為接入電源電壓(VDD)或者外部電荷提供源的區域。
隧道結光電探測器100的光吸收部件150係以浮閘結構形成的，將光吸收部件150限制為允許光僅在閘極處入射。光吸收部件150在其上表面上未形成金屬矽化物，因而可以透過光吸收部件150吸收光。也可以浮動結構形成p型基板1(P-sub)，其對應於常見NMOS結構的主體。因此，隧道結光電探測器100透過源極120以及汲極130與外部節點電連接。
在本發明之本實施例中，選擇電晶體600可由NMOS構成。選擇電晶體600的汲極630與隧道結光電探測器100的源極120相連接，源極620與單元畫素輸出端子(「l_output」)相連接。可以透過閘極650提供用於控制選擇電晶體600的開關的控制訊號(「Sx」)。
此外，類似於隧道結光電探測器100，選擇電晶體600的主體610可以浮動結構形成。這是使得隧道結光電探測器100的主體110浮動。這種情況下，在進行開關作業的選擇電晶體600的閘極控制下，可以透過提供稍微高於電源電壓(VDD)的電壓以保持其開關功能。
「第8圖」係為根據本發明第一實施例的由NMOS結構的隧道結光電探測器與選擇電晶體構成的單元畫素之剖視圖。
如「第8圖」所示，隧道結光電探測器100與選擇電晶體600均可以按照將相同P-sub作為主體的浮動結構形成。這種情況下，隧道結光電探測器100的源極120與選擇電晶體600的汲極630可以在相同有源區域中形成，簡化了結構，並且減小了單元畫素的尺寸。
在下文中，將說明根據本發明第二實施例的隧道結光電探測器。
「第9圖」係為根據本發明另一實施例的隧道結光電探測器200之透視圖。如「第9圖」所示，隧道結光電探測器200包含一V形光吸收部件250。光吸收部件250係在形成於p型基板210上的V形凹槽上方形成，可在光吸收部件250與V形凹槽之間形成薄氧化物膜240。氧化物膜240形成為充分薄，從而可以容易地發生隧穿現象。例如，氧化物膜240可以10nm或者以下的厚度來形成。光吸收部件250可摻雜有n型雜質的多晶矽。
類似於本發明之第一實施例，光吸收部件250不在其上表面上形成金屬矽化物層，而是以浮動多晶矽結構形成，並且光吸收部件250用作吸收光的區域。
可以透過蝕刻p型基板210以形成V形凹槽。這裏，p型基板210可為晶體結構為{100}的矽基板。蝕刻工藝可為各向異性蝕刻。{100}型矽基板的蝕刻工藝為已知的習知技術，因而不再詳述。
可以在與V形凹槽的兩個斜坡相鄰的各區域中形成源極220 以及汲極230。可以透過在p型基板210的各位置中注入高濃度n型雜質以形成源極220以及汲極230。所形成的源極220與汲極230可透過V形凹槽分隔開。
在源極220與汲極230上方形成金屬接觸部221、231，金屬接觸部221、231分別與外部節點相連接。源極220的金屬接觸部221藉由金屬線222與外部相連接，類似地，汲極230的金屬接觸部231藉由金屬線232與外部相連接。
在光電探測器200的除光吸收部件250的上表面之外的上部上，形成有阻光層280。阻光層280阻止光吸收至除光吸收部件250之外的區域中。可在阻光層280上方形成微透鏡270，以對入射至隧道結光電探測器200的光進行會聚，並且將入射光引導至光吸收部件250。
請參閱「第10圖」，通過微透鏡270會聚的光沿著光入射路徑入射至光吸收部件250，該入射路徑通過多層陰影部233而具有預定斜率。陰影部233可佈置用於信號傳送以及器件控制的金屬線。按照佈局工藝來設計多層金屬線的佈置，以提供具有預定斜率的入射路徑。可以在多層陰影部233之間形成鈍化層283。
在這種情況下，與「第6圖」相比，由於「第10圖」中所示的隧道結光電探測器250的光吸收部件250以V形形成，因而藉由微透鏡270以預定角度入射的光將更有效地會聚至光吸收部件250。
此外，如「第11圖」所示，與本發明得第一實施例的平坦型光吸收部件相比較，V形光吸收部件250可重新吸收透過光吸收部件250的表面反射的光，改善了光吸收效率。
透過入射至光吸收部件250的光，在光吸收部件250內產生了電子-電洞對。然後，透過將外部電壓提供至汲極230，在鄰近於汲極230的區域中積累所產生的電子-電洞對的電子。這裏，如果在汲極230與光吸收部件250之間的氧化物膜240中發生了隧穿，則在光吸收部件150的邊界區域中積累的電子能夠透過隧穿效應而朝著向源極120或者汲極130移動。因此，光吸收部件250的電洞的電荷數量相對增加了與由於隧穿效應損失的電子數量一樣多的量，而且在電場集中的V形凹槽邊緣附近形成溝道260。
「第12圖」係為根據本發明另一實施例的具有V形光吸收部件的隧道結光電探測器。在「第12圖」中，以PMOS型形成隧道結光電探測器300。透過在與{100}型矽基板中所形成的V形凹槽的兩個斜坡相鄰的區域中注入高濃度p型雜質，形成源極320以及汲極330。在p型基板310中所形成的N阱315中，形成源極320以及汲極330。
在下文中，將說明根據本發明第三實施例的隧道結光電探測器。「第13圖」係為根據本發明第三實施例的隧道結光電探測器400之透視圖。如「第13圖」所示，隧道結光電探測器400包含U形光吸收部件450。U形光吸收部件450在形成於p型基板410 上的U形凹槽上方形成。用於形成U形凹槽的工藝與V形凹槽的形成工藝相同(在本文也可以將U形凹槽的兩側稱為斜坡)，但是可以在形成完整V形之前停止蝕刻，從而形成下表面未被蝕刻的U形。可以在U形凹槽的下部區域中在源極與汲極之間插入溝道。
「第14圖」係為根據本發明又一實施例的具有U形光吸收部件的隧道結光電探測器。在「第14圖」中，以PMOS型形成隧道結光電探測器500。透過在與{100}型矽基板中所形成的U形凹槽的兩個斜坡相鄰的區域中注入高濃度p型雜質，形成源極520以及汲極530。可以在p型基板510中所形成的N阱515中，形成源極520以及汲極530。
至此，已經透過上述實施例說明了具有本發明技術特徵的影像感測器的單元畫素以及單元畫素的隧道結光電探測器。
透過上述結構，本發明的單元畫素可提供相比較於常規光電二極體高出成百甚至上萬倍的光電流。這是因為，與其中僅透過靜電容量中累積的電荷量以區分對比度的常規光電二極體不相同，本發明由於浮閘的電荷量變化所產生的電場作用而控制源極-汲極溝道的電流流動，同時由於透過汲極無限地提供電荷而產生自放大效果。
與常規CIS不同，在上述實施例中描述的單元畫素和隧道結光電探測器可以PPS型實現，不需要在單元畫素內具有單獨的放大器件。
此外，透過上述結構，可以實現高靈敏度/高速度影像感測器。
由於與具有上述構造的影像感測器的畫素內的光電探測器的輸出電流相比幾乎沒有或者完全沒有寄生電容，因而不需要任何整合動作，直至通過行解碼器選定畫素為止。因此，可以透過以修改後的捲簾快門方法多重處理訊號，開發高速度圖框影像感測器。
由於單元畫素具有非常簡單的結構，而且不大，因而可以類似於全局快門方法，透過在單元畫素內形成電容器來實現500-10000fps的影像，同時地在類比記憶體中存儲資料以及高速讀取資料。
上述描述僅為了舉例說明之目的，應當將其理解為，本發明所屬技術領域的任何普通技術人員都可以在不脫離本發明技術構思和本質特徵的情況下對本發明進行修改。如此處所使用的，術語「方面」可以與術語「實施例」交換使用。
因此，應理解的是，上述實施例係為例示性的，而非限制性的。例如，被描述為組合的任何元件可以分離地實現，類似地，被描述為分離的任何元件也可以透過組合實現。
本發明的範圍不應當由上述描述來限定，而應當由所附的專利申請範圍來限定，並且應當理解的是，可以根據專利申請範圍的含義、範圍和等效物設計的所有可能的排列或修改方式均包含在本發明的範圍內。
100‧‧‧隧道結光電探測器
110‧‧‧p型基板
120‧‧‧源極
121、131‧‧‧金屬接觸部
122‧‧‧金屬線
123‧‧‧LDD區域
130‧‧‧汲極
132‧‧‧金屬線
133‧‧‧LDD區域
140‧‧‧氧化物膜
141、142‧‧‧邊界區域
150‧‧‧光吸收部件
151‧‧‧上表面
160‧‧‧溝道
161‧‧‧耗盡層
170‧‧‧微透鏡
180‧‧‧阻光層
182‧‧‧鈍化層
192‧‧‧陰影部
200、300、400‧‧‧隧道結光電探測器
210、310、410‧‧‧p型基板
220、320‧‧‧源極
221、231‧‧‧金屬接觸部
222‧‧‧金屬線
223、233‧‧‧LDD區域
230、330‧‧‧汲極
232‧‧‧金屬線
240‧‧‧薄氧化物膜
241、242‧‧‧邊界區域
250‧‧‧光吸收部件
260‧‧‧溝道
270‧‧‧微透鏡
280‧‧‧阻光層
283‧‧‧鈍化層
315‧‧‧N阱
360‧‧‧薄氧化物膜
450‧‧‧U形光吸收部件
500‧‧‧隧道結光電探測器
515‧‧‧N阱
520‧‧‧源極
530‧‧‧汲極
600‧‧‧選擇電晶體
610‧‧‧主體
620‧‧‧源極
630‧‧‧汲極
650‧‧‧閘極
l_output‧‧‧輸出端子
P-sub‧‧‧p型基板
VDD‧‧‧電源電壓
第1圖係為根據本發明一個實施例的隧道結光電探測器之透視圖；第2圖係為根據本發明一個實施例的隧道結光電探測器之另一透視圖；第3圖係為根據本發明一個實施例的隧道結光電探測器之剖視圖；第4圖係為根據本發明一個實施例的隧道結光電探測器的溝道形成之剖視圖；第5圖係為根據本發明一個實施例的隧道結光電探測器的阻光方法之剖視圖；第6圖係為根據本發明一個實施例的隧道結光電探測器的光入射角之剖視圖；第7圖係為根據本發明一個實施例的使用隧道結光電探測器的單元畫素之電路示意圖。第8圖係為根據本發明一個實施例的使用隧道結光電探測器的單元畫素之剖視圖；第9圖係為根據本發明另一實施例的具有V形光吸收部件的隧道結光電探測器之透視圖；第10圖係為根據本發明另一實施例的具有V形光吸收部件的隧道結光電探測器的光入射角之剖視圖； 第11圖係為根據本發明另一實施例的V形光吸收部件之示意圖；第12圖係為根據本發明另一實施例的具有V形光吸收部件的另一隧道結光電探測器之剖視圖；第13圖係為根據本發明再一實施例的具有U形光吸收部件的隧道結光電探測器之透視圖；第14圖係為根據本發明又一實施例的具有U形光吸收部件的隧道結光電探測器之剖視圖。
100‧‧‧隧道結光電探測器
110‧‧‧主體
120‧‧‧源極
121、131‧‧‧金屬接觸部
122‧‧‧金屬線
130‧‧‧汲極
132‧‧‧金屬線
140‧‧‧氧化物膜
150‧‧‧光吸收部件
180‧‧‧阻光層

Claims (20)

  1. 一種光電探測器，係配設為在用於將吸收的光變換為電訊號的影像感測器的單元畫素中吸收光，該光電探測器包含：一基板，係在該基板中形成具有預定角度的一V形凹槽；一光吸收部件，係在該V形凹槽上方以浮動結構形成，光入射至該光吸收部件；一氧化物膜，係在該光吸收部件與該V形凹槽之間形成，在該氧化物膜中發生隧穿；一源極，係在該V形凹槽的一側斜坡上與該氧化物膜鄰近地形成，該源極透過該氧化物膜而與該光吸收部件分隔開；一汲極，係在該V形凹槽的另一側斜坡上與該氧化物膜鄰近地形成，該汲極透過該氧化物膜而與該光吸收部件分隔開；以及一溝道，係沿著該V形凹槽在該源極與該汲極之間插入，在該源極與該汲極之間形成電流流動，其中，該光吸收部件摻雜有第一類型雜質，該源極與該汲極摻雜有第二類型雜質，其中，該光吸收部件透過該氧化物膜而與該源極以及該汲極絕緣，其中，透過入射至該光吸收部件的光而在該光吸收部件中產生電子-電洞對，透過集中於該氧化物膜中的電場而在該源極 以及該汲極的至少之一與該光吸收部件之間發生隧穿，該電子-電洞對中的電子透過該隧穿自該光吸收部件朝向該源極以及該汲極的至少之一移動，並且透過由電子的移動引起的該光吸收部件的電荷量變化以控制該溝道的電流之流動。
  2. 如請求項第1項所述之光電探測器，其中該基板係為{100}型矽基板，該V形凹槽透過各向異性蝕刻形成於該基板上。
  3. 如請求項第1項所述之光電探測器，其中透過調節W/L比率而以緊接於夾斷之前的狀態以形成該溝道，該W/L比率係為該溝道的寬度(W)與長度(L)之比。
  4. 如請求項第1項所述之光電探測器，其中該源極與該汲極係透過在主體中摻雜第二類型雜質而形成，該主體係為浮動的。
  5. 如請求項第1項所述之光電探測器，其中該光電探測器的閥值電壓由於在該氧化物膜中發生的隧穿而變化。
  6. 如請求項第1項所述之光電探測器，更包含在除該光吸收部件之外的表面上形成的一阻光層，該阻光層配設為阻擋在除該光吸收部件之外的區域中透射光線。
  7. 一種影像感測器的單元畫素，係配設為將吸收的光變換為電訊號，包含：一光電探測器，係配設為利用由入射光所引起的電荷量變化而使得電流流動；以及一選擇器件，係配設為將該光電探測器產生的電流輸出至 單元畫素輸出端子，其中，該光電探測器包含：一基板，係在該基板中形成具有預定角度的一V形凹槽；一光吸收部件，係在該V形凹槽上方以浮動結構形成，光入射至該光吸收部件；一氧化物膜，係在該光吸收部件與該V形凹槽之間形成，在該氧化物膜中發生隧穿；一源極，係在該V形凹槽的一側斜坡上與該氧化物膜鄰近地形成，該源極透過該氧化物膜而與該光吸收部件分隔開；一汲極，係在該V形凹槽的另一側斜坡上與該氧化物膜鄰近地形成汲極，該汲極透過該氧化物膜而與該光吸收部件分隔開；以及一溝道，係沿著該V形凹槽在該源極與該汲極之間插入，在該源極與該汲極之間形成電流流動，其中，該選擇器件包含：與該光電探測器的源極相連接的一汲極；接入至該單元畫素輸出端子的一源極；以及自外部接收控制訊號的一閘極，其中根據該控制信號執行開關作業，其中，該光吸收部件摻雜有第一類型雜質，該源極與該汲極摻雜有第二類型雜質，其中，該光吸收部件透過該氧化物膜而與該源極以及該汲極絕緣，以及 其中，透過入射至該光吸收部件的光而在該光吸收部件中產生電子-電洞對，透過集中於該氧化物膜中的電場而在該源極與該汲極的至少之一與該光吸收部件之間發生隧穿，該電子-電洞對中的電子透過該隧穿自該光吸收部件朝向該源極與該汲極的至少之一移動，並且透過由電子的移動引起的該光吸收部件的電荷量變化以控制該溝道的電流之流動。
  8. 如請求項第7項所述之影像感測器的單元畫素，其中該基板係為{100}型矽基板，該V形凹槽透過各向異性蝕刻形成於該基板上。
  9. 如請求項第7項所述之影像感測器的單元畫素，其中該光電探測器之源極與該選擇器件的汲極形成於相同的有源區域中。
  10. 如請求項第7項所述之影像感測器的單元畫素，其中透過調節W/L比率而以緊接在夾斷之前的狀態以形成該溝道，該W/L比率係為該溝道的寬度(W)與長度(L)之比。
  11. 一種光電探測器，係配設為在用於將吸收的光轉換為電訊號的影像感測器的單元畫素中吸收光，該光電探測器包含：一基板，係在該基板中形成具有預定角度的一U形凹槽；一光吸收部件，係在該U形凹槽上方以浮動結構形成，光入射至該光吸收部件；一氧化物膜，係在該光吸收部件與該U形凹槽之間形成，在該氧化物膜中發生隧穿； 一源極，係在該U形凹槽的一側斜坡上與該氧化物膜鄰近地形成，該源極透過該氧化物膜而與該光吸收部件分隔開；一汲極，係在該U形凹槽的另一側斜坡上與該氧化物膜鄰近地形成，該汲極透過該氧化物膜而與該光吸收部件分隔開；以及一溝道，係在該U形凹槽的下部區域中插入於該源極與該汲極之間，在該源極與該汲極之間形成電流流動，其中，該光吸收部件摻雜有第一類型雜質，該源極和汲極摻雜有第二類型雜質，其中，該光吸收部件透過該氧化物膜而與該源極以及該汲極絕緣，其中，透過入射至該光吸收部件的光而在該光吸收部件中產生電子-電洞對，透過集中於該氧化物膜中的電場而在該源極以及該汲極的至少之一與該光吸收部件之間發生隧穿，該電子-電洞對中的電子透過該隧穿自該光吸收部件朝向該源極以及該汲極的至少之一移動，並且透過由電子的移動引起的該光吸收部件的電荷量變化以控制該溝道的電流之流動。
  12. 如請求項第11項所述之光電探測器，其中該基板係為{100}型矽基板，該U形凹槽透過各向異性蝕刻形成於該基板上，該U形凹槽包含具有預定深度的斜坡。
  13. 如請求項第11項所述之光電探測器，其中透過調節W/L比率 而以緊接於夾斷之前的狀態以形成該溝道，該W/L比率係為該溝道的寬度(W)與長度(L)之比。
  14. 如請求項第11項所述之光電探測器，其中該源極與該汲極係透過在主體中摻雜第二類型雜質而形成，該主體係為浮動。
  15. 如請求項第11項所述之光電探測器，其中該光電探測器的閥值電壓由於在該氧化物膜中發生的隧穿而變化。
  16. 如請求項第11項所述之光電探測器，更包含在除該光吸收部件之外的表面上形成的一阻光層，該阻光層配設為阻擋在除該光吸收部件之外的區域中透射光線。
  17. 一種影像感測器的單元畫素，係配設為將吸收的光變換為電訊號，包含：一光電探測器，係配設為利用由入射光所引起的電荷量變化而使得電流流動；以及一選擇器件，係配設為將該光電探測器產生的電流輸出至單元畫素輸出端子，其中該光電探測器包含：一基板，係在該基板中形成具有預定角度的一U形凹槽；一光吸收部件，係在該U形凹槽上方以浮動結構形成，光入射至該光吸收部件；一氧化物膜，係在該光吸收部件與該U形凹槽之間形成，在該氧化物膜中發生隧穿； 一源極，係在該U形凹槽的一側斜坡上與該氧化物膜鄰近地形成，該源極透過該氧化物膜而與該光吸收部件分隔開；一汲極，係在該U形凹槽的另一側斜坡上與該氧化物膜鄰近地形成汲極，該汲極透過該氧化物膜而與該光吸收部件分隔開；以及一溝道，係在該U形凹槽的下部區域中插入於該源極與該汲極之間，在該源極與該汲極之間形成電流流動，其中，該選擇器件包含：與該光電探測器的源極相連接的一汲極；接入至該單元畫素輸出端子的一源極；以及配設為自外部接收控制訊號的一閘極，其中根據該控制訊號執行開關作業，其中，該光吸收部件摻雜有第一類型雜質，該源極與該汲極摻雜有第二類型雜質，其中，該光吸收部件透過該氧化物膜而與該源極以及該汲極絕緣，以及其中，透過入射至該光吸收部件的光而在該光吸收部件中產生電子-電洞對，透過集中於該氧化物膜中的電場而在該源極以及該汲極的至少之一與該光吸收部件之間發生隧穿，該電子-電洞對中的電子透過該隧穿自該光吸收部件朝向該源極以及該汲極的至少之一移動，並且透過由電子的移動引起的該光吸收部件的電荷量變化以控制該溝道的電流之流動。
  18. 如請求項第17項所述之影像感測器的單元畫素，其中該光電探測器的源極與該選擇器件之汲極形成於相同的有源區域中。
  19. 如請求項第17項所述之影像感測器的單元畫素，其中該基板係為{100}型矽基板，該U形凹槽透過各向異性蝕刻形成於該基板上。
  20. 如請求項第17項所述之影像感測器的單元畫素，其中透過調節W/L比率而以緊接於夾斷之前的狀態以形成該溝道，該W/L比率係為該溝道的寬度(W)與長度(L)之比。
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