TW552719B - CMOS image sensor - Google Patents
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Description
A7 B7
552719 五、發明説明（i ) 本申請案主張在2001年7月丨8曰所立案的韓國申請案編號 P2001-43 140之優先權，其在此引用做為參考。 〜 發明背景 發明領垃 本發明關於一種影像感測器，更特定言之，係關於一種 互補式金氧半導體（CMOS)影像感測器，其中一電荷儲存閘 極形成在一光二極體區域的一侧處，以增加每個單元的電 荷容量，藉此改進一裝置的特性。 相關技藝說明 大多數已發展出來及使用的電荷耦合裝置（CCD)做為一影 像拾取裝置，其係使用比CMOS電路之電壓要較高的電壓 + 15V〜-9V。因為製造一 CCD的製程係類似於製造一雙極 電晶體的製程，一 CCD的製程成本會高於CM0S。為了解決 這個問題，已經提出一種CM0S影像感測器，其可整合一影 像感測及具有不同功能的週邊晶片到一個晶片中，並造 成低電壓運作、低功率消耗及較便宜的製程成本。同時， a玄C Μ 0 S影像感測器之好處在於其可用於構成超微細製程的 一 CMOS電晶體的製程。但是，雖然有這些好處，該CMOS 影像感測裔會有圖像品質的問題。一光閘極結構的新提出 的CMOS影像感測器仍對於改善圖像品質有所限制，由於自 波長波段之間的電荷效率之差異。 在以上的方面中’需要對於一新·像素結構的CMOS影像感 測器的研究及發展。 現在將參考所附圖式來說明一相關技藝的CMOS影像感測 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)
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線 552719 A7 B7 五、發明説明（2 ) 器。 圖1所示為〆相關技藝的CMOS影像感測器之像素的電 路圖，而圖2為該相關技藝CMOS影像感測器之像素的截 面圖。 圖1的CMOS影像感測器具有一4-TR結構。請參考圖夏， 該CMOS影像感測器包含一重置電晶體1，其具有一閘極來 施加一重置信號RX，一連接於一浮動節點2的電極，及連 接到一 VDD終端的其它電極，一具有一閘極連接於該浮動 節點2的源極隨耦器電晶體3，及一連接於該vdd終端的電 極，一具有輸入一列選擇信號之閘極的選擇電晶體4，及一 串聯到該源極隨耦器電晶體3的電極，以連接到一輸出終端 Vout，一具有一電極連接到該浮動節點2的轉移電晶體5， 及當讀取該儲存電荷時輸入一轉移信號TX來轉移儲存電荷 之閘極，及提供在該轉移電晶體5及一接地終端之間的一光 二極體6。 除了前述的一 4-TR結構之前述的影像感測器，一 CM〇s 影像感測器的範例包含一 3-TR結構及一 1-TR結構。該3_TR 結構不具有轉移電晶體，而該卜TR結構僅具有一選擇電晶 該相關技藝的CMOS影像感測器之截面結構將參考圖2來 說明。 如圖2所示，一 p型磊晶層22形成在一 p型半導體基板21 上。 一 η型光二極體區域23及一 p型光二極體表面區域24形成 本紙張尺度適用中S S家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 裝 •訂
552719 A7 ______B7 五、發明説明（3 ) 在该P型蠢晶層22的表面中。其僅可形成該^型光二極體區 域2 3 ’如該例所示。 做為用於感測影像電荷的一浮動擴散區域的η+型區域27 ’係形成在該ρ型磊晶層22中，並區隔於該光二極體區域23 及24 〇 一轉移閘極25形成在該光二極體區域23及24，與該…型 區域27之間的該ρ型磊晶層22之上。 一重置閘極26形成在該η+型區域27之一側處的該ρ型蠢晶 層22。 月’J述的相關技藝之CMOS影像感測器之電荷感應運作將參 考圖3A到3D來說明。 圖3 A到j D說明該相關技藝CMOS影像感測器之產生及讀 出電荷的運作。 如圖3 A所示，信號電荷係由一、外部入射光來儲存在一光 二極體中。 如圖3B所示，重置一讀出節點（浮動節點），然後如圖3(： 所不，該儲存的電荷之信號位準可轉移到該浮動閘極，如 果輸入一轉移信號ντχ到一轉移電晶體的一閘極來開啟該轉 移電晶體。 在此狀態下，如圖3D所示，該重置電晶體即關閉，而該 浮動節點的電位，其為該重置電晶體的源極終端，係由該 儲存的信號電荷來改變。為此原因，即改變該源極隨耦器 電晶體的閘極電位。 泫源極隨耦器電晶體的閘極電位之變化可改變該源極隨 • 6 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 552719 五、發明説明（4 耦器電晶體的一源極終端或該 壓。 Λ k擇電日日體的汲極節點之偏 一旦在重置該讀出節點（ 號vR〇w到該選擇電曰動即之前輸入該低選擇信 讀出節點（浮擇電晶體輸出該重置 該信號電荷之間的電位差到 孩重置電晶體係在偵測到 0老 由產生该先二極體的電荷之芦 5虎位準之後，由該重置作 ° 重置。 乜唬所開啟。因此，該信號電荷皆 其重覆以上的運作，義、志 準。 糟以^出该參考電位及該信號位 但是，該相關技藝的CM〇S影像感測器有幾個問題。 一該光二極體的電荷容量係由該光二極體的面積、該η型光 二極體的摻雜濃度、該基板的雜質濃度及該ρ型光二極體表 面的摻雜濃度所決定。該光二極體的電荷容量為影響光學 信號之特性的重要因素。該光二極體的面積即由於降低像 素大小來降低，以增進在相同晶片面積中的解析度，並得 到價格的競爭力。 在這些狀況下，由控制雜質密度來得到該電荷密度會有 限制。 發明概要 因此，本發明係關於一種CMOS影像感測器，其可實質上 排除由於相關技藝的限制及缺點造成的一或多個問題。 本發明的目的在於提供一種互補式金氧半導體影像感測 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 訂 線 552719 五、發明説明（5 其中在一光 器 , -品域的一側上形成一電荷儲存閘極 ’以增加母個單元的電荷裒旦 — 电仃今里，精以改進一裝置的特性。 本發明的額外好處 '目的 目的及特徵將部份在以下的說明中 部份將對於本技μ的專業人士可在閱讀以下說 解，亚可由本發明的實施中學習到。本發明的目 的及其它好處可由在以下的文字說明及其^專利範圍， 以及所附圖面中所特定指出的結構來理解及獲得。 為了達到這些目的及其它好處，並根據本發明的目的， 如此處所實施及廣義描述者，—CM0S影像感測器包含由轉 換光的影像信號到電子信號產生影像信號電荷的—光二極 體區域’及形成在靠近該光二極體區域的_電荷儲存閘極 ，其中該光：極體區域的電荷係在t電荷產生時，部份或 全部轉移到低於該電荷儲存閘極之下的一部份，而在當讀 出该電荷時所儲存的電荷即轉移到一讀出節點。 其將可瞭解到，本發明之前述一般性說明及以下的詳細 說明皆為範例性及解釋性，其係要提供如申請專利範圍中 的本發明之進一步解釋。 圖式簡單說明 所附圖式係包含來提供對於本發明之進一步瞭解，並加 入而構成此申請案的一部份，以說明本發明之具體實施例 ，而其配合的說明係用來解釋本發明的原理。圖式說明： 圖1所示為一相關技藝的CMOS影像感測器之像素的電路 圖； 圖2所示為一相關技藝的CMOS影像感測器之像素的戴面 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 552719 A7 --------- B7 五、發明説明（1 ) -- -- 圖； 圖3A到3D說明一相關技藝CMOS影像感測器之產生及讀 出電荷的運作； 圖4A所示為根據本發明之具有一 4_Tr結構的cmos影像 感測器之像素的電路圖； 圖4B所示為根據本發明之具有一 结構的CMOS影像 感測器之像素的電路圖； 圖5所示為根據本發明之cmos影像感測器之像素的配 置； 圖6所示為根據本發明之cM〇s影像感測器之像素的截面 圖；及 圖7A到7D所示為根據本發明之CMOS影像感測器之產生 及讀出電荷的運作。 發明詳細說明 在此將詳細參考本發明的較佳具體實施例，其範例將在 所附圖面中做說明。無論在什麼地方，在所有圖式中將使 用相同的參考編號來代表相同或相似的部分。 圖4A所示為根據本發明之具有4-TR結構的CMOS影像感 測器之像素的電路圖，而圖4B所示為根據本發明之具有3-TR結構的CMOS影像感測器之像素的電路圖。 請參考圖4A，根據本發明的該CMOS影像感測器包含一 重置電晶體4 1，其具有一閘極來施加一重置信號RX，一連 接於一浮動節點42的電極，及連接到一 VDD終端的其它電 極，一具有一閘極連接於該浮動節點42的源極隨耦器電晶 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱) 552719 A7 B7 五、發明説明（7 ) 體43，及一連接於該VDD終端的電極，一具有輸入一行選 擇信號之閘極的選擇電晶體44，及一串聯到該源極隨耦器 電晶體43的電極，以連接到一輸出終端Vout，一具有一電 極連接到該浮動節點42的轉移電晶體45，及當讀出該儲存 電荷時輸入一轉移信號TX來轉移儲存電荷之閘極。該 CMOS影像感測器進一步包含提供在該轉移電晶體45及一接 地終端之間的一光二極體46，及形成在該光二極體46之 一側處的一電荷儲存閘極47，其具有施加一電荷儲存/放 電信號PX之閘極。該電荷儲存閘極47在當施加具有相反 於該產生電荷之極性的電壓時，即儲存該產生的電荷在 該閘極的一下方側中，而在當施加具有與該產生電荷相 同極性之電壓或一接地電壓時，即轉移該儲存的電荷到 該轉移閘極45。 其要瞭解到，除了前述的具有一4-TR結構之CMOS影像 感測器，本發明的電荷儲存閘極47可用於不具有轉移電晶 體的一 3-TR結構，及僅有=選擇電晶體之1-TR結構的一 CMOS影像感測器。 本發明的電荷儲存閘極將可用於具有一 3-TR結構的 C Μ 0 S影像感測器，如下所述。 如圖4Β所示，具有一 3-TR結構的CMOS影像感測器包含 具有施加一重置信號RX的一閘極之重置晶體4 1，一連接到 一浮動節點42之電極，及連接到一 VDD終端的其它電極， 一具有一閘極連接到該浮動節點42之閘極的一源極隨耦.器 電晶體43，及一連接到該VDD終端的電極，及一具有輸入 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) )：>2719 五、發明説明（ 擇信號之閑極的—選擇電晶體44， 源 :二電晶體43之電極，以連接到-輸出终端細。該 之'，感心進—步包含提供在該浮動節點做一接地 一光二極體46,及形成在該光二極陳-側 ΡΧ之門：订儲存閘極47 ’其具有施加一電荷儲存/放電信號 …，:極。該電荷健存閣極47在當施加具有相反於該產生 _ . ^ . P儲存该產生的電荷在該閘極的一 :::在當施加具有與該產生電荷相同極性之電壓 S 電壓時，即轉移該健存的電荷到該浮動節點C。 =將參相5及6來說”述㈣本發明之⑽s影像感 測益的配置及戴面結構。 置圖5所示為根據本發明之CM0S影像感測器之像素的配 請參考圖5 ’在一光二極體區域51的一側及該浮動節點之 轉移閉極52。在該VDD終端與該浮動節點之間形 置閘極53。在該輸出終端與該v 源極隨MU閘極54及—選擇閘極55。、而之心成一 電荷儲存閉極形成區域56a、渴' 5心、⑽、％及 近於該光二極體區域51。電荷儲存閑極可形成 ==部份該區域之上。另外，該電荷儲存閉極 /成在4區域上，而彼此相隔開。該電荷儲存閘極可具 不同的形狀，並可形成在不同的方向中。 、 換言之，該電荷儲存閉極可形成在 任何產生電荷的地方’其可根據該配置的設計 本紙張尺度適用中g g *標準(Cns) A4規格公爱) -11 - 552719 A7
储存。 根據本發明的該CM0S影像感測器之截面結構將在以下說 明。 如圖6所示，一 p型磊晶層62形成在一 p型半導體基板。上 。一 η型光二極體區域63及一 p型光二極體表面區域64形成 在違P型磊晶層62之表面中。該p型光二極體表面區域64可 抑制暗電流。其僅形成該n型光二極體區域23，如同未形成 該P型光二極體表面區域64的例子。 一電荷儲存閘極68係形成在該光二極體區域63及64之一 側或接近的地方。該電荷儲存閘極68儲存在該光二極體區 域63及64中所產生的電荷。 做為用於感測影像電荷的一浮動擴散區域的n+型區域67 ，係形成在該p型磊晶層62中，並區隔於該光二極體區域63 及64的其它側。 、 一轉移閘極65形成在該光二極體區域63及64，與該…型 區域67之間的該p型蟲晶層62之上。 一重置閘極66形成在該n+型區域67之一側處的該p型蟲晶 層62 〇 現在將參考圖7A到7D來說明前述根據本發明之CMOS影 像感測器之電荷感應運作。 圖7A到7D所示為根據本發明之CMOS影像感測器之產生 及讀出電荷的運作。 如圖7A所示，電荷係由一外部入射光來儲存在一光二極 體中。在此例中，用於儲存該電荷之區域並不限於該光二 -12· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 552719 A7
極體。該電荷亦儲存在該電荷儲存閘極之下的一部份中， 其施加了一電荷儲存/放電信號νρχ。 換S之’儲存該光二極體區域中的電荷係部份或全部 轉移到該電荷健存閘極之下的該部份，其係在當產生該 電荷時，施加具有相反於該電荷極性之電壓到該電荷儲 存閘極。 儲存在該光二極體中的電荷可小於儲存在該電荷儲存閘 極之下的該部份中的電荷。 如圖7B所示，藉由施加一重置信號Vreset到一重置閘極 來重置一讀出節點（浮動節點），然後如圖7C所示，該儲存 的電荷之信號位準可轉移到該浮動閘極，如果輸入一轉移 信號VTX到一轉移電晶體的一閘極來開啟該轉移電晶體。 在此例中，該電荷儲存閘極之下的該電荷藉由施加具有 與該電荷相同極性之電壓或一接地電壓到該電荷儲存閘極 來轉移到該浮動節點。 在此狀態下’如圖7D所示，該重置電晶體即關閉，而該 浮動節點的電位，其為該重置電晶體的源極終端，係由儲 存在該浮動節點中的信號電荷來改變。為此原因，即改變 該源極隨耦器電晶體的閘極電位。 該源極隨耦器電晶體的閘極電位之變化可改變該源極隨 耦器電晶體的一源極終端及該選擇電晶體的汲極節點之偏 壓。 一旦在重置該讀出節點（浮動節點）之前，輸入該低選擇 信號VR0W到該選擇電晶體的該閘極，該選擇電晶體輸出兮 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 552719 五、發明説明
重置讀出節點（浮動節戥、在土 …占）之蒼考笔位與在該光二極體中產生 s亥重置電晶體係在偵測到由產生 號位準之後，由該重置信號所開啟 重置。 的該信號電荷之間的電位差異到該輸出終端。 該光二極體的電荷之信 。因此，該信號電荷皆 藉以讀出該參考電位及讀信號位 其重覆以上的運作 準。 根據m的$電荷儲存問極可增進該光二極體區域的 電荷容量。因為該電荷儲存閉極的電荷容量可大於該光二 極體區域，該電荷交I ^ ; 电仃今里即始由一小面積的該閘極亦可充份 地增進。 如前所述，根據本發明的該CM0S影像感測器具有以下的 好處。 ▲因為該光二極體的電荷容量藉由形成該電荷儲存問極在 該光二極體區域的一側處來對於每個單元有所增進，而不 需要依靠控制該雜質的濃度，其有可能來降低4光二極體 的面積而增進解析度。此外，因為該裝置的光學特性可改 善’即可改善該裝置的可靠度及該產品的競爭力。 本技藝專業人士將可瞭解到，可對本發明 ^ <仃不同的修 正及變化。因此，本發明係要涵蓋由所附申嗜 A T明專利範圍及 其同等者之内所提供的此發明之修正及變化。 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱) --
Claims (1)
- 申請專利範I. — 二m氧半導體（CM0S)影像感測器，立包含· 子_ = 光線的影像信號成為電 二靠近於該光二極體區域的電荷儲存閘極， ^ ^—極體區域的電荷係在當產 2. :!=轉移到該電荷儲存區域之下的一:：而： ^買出=電荷時，儲存的電荷即轉移到—讀出節點。 利範圍第1項之互補式金氧半導體影像感測器， :’、相反於該電荷的極性之電壓係在當儲存該電荷 4，施加到該電荷儲存閘極。 3. =申請專利範圍第旧之互補式金氧半導體影像感測器， :::具有相同於該電荷的極性之電麼或一接地電壓係在 當躓出忒電荷時，施加到該電荷儲存閘極。 4. 一種互補式金氧半導體影像感碉器，其包含： 重置電晶體，其具有施加一重置信號RX的閘極，一 連接到一浮動節點的電極，及連接到-VDD終端的其它 電極； 具有-閘極連接到該浮動節點的源極隨搞器電晶體 ，及一連接到該VDD終端的電極； 一具有輸入一行選擇信號之閘極的選擇電晶體，及— 串聯連接到該源極隨耦器電晶體之電極來連接到一輸出 終端Vout ; 一具有連接到該浮動節點之轉移電晶體，及輸入一轉 移信號TX之閘極，藉以在當讀出該儲存電荷時，轉移儲存電荷； •提供在忒轉移電晶體與一接地終端之間的光二極體 ，及 "形成在忒光—極體之一側處的電荷儲存閘極，其具 士施加一電荷健存/放電信號PX之閘極，並儲存或放電 °亥產生的電何到一下方部份。 士申:專利犯圍第4項之互補式金氧半導體影像感測器， =中β產生的電荷係在當施加—極性相反於該產生的電 何之電壓時’即儲存在該電荷儲存閘極之下的_部份中 ，而在當施加一極性相同於該產生的電荷之電壓或一接 地電壓時，即轉移該儲存的電荷到該轉移閘極。 6.如申％專利犯圍第4項之互補式金氧半導體影像感測器， ，中儲存在該光二極體中的電荷係小於那些儲存在該電 荷儲存閘極之下的該部份中的電荷。 7 · 種互補式金氧半導體影像感測器，其包含： 重置電晶體，其具有施加一重置信號RX的閘極，一 連接到一浮動節點的電極，及連接到一VDD終端的其它 電極； ' 一具有一閘極連接到該浮動節點的源極隨耦器電晶體 ，及一連接到該VDD終端的電極； 一具有輸入一行選擇信號之閘極的選擇電晶體，及一 串聯連接到該源極隨耦器電晶體之電極來連接到一輸出 終端Vout ; 一提供在該浮動節點與一接地終端之間的光二極體； -16- ^紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) '' ------ 552719 A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 及 一形成在該光二極體的一側處的電荷儲存閘極，藉由 施加一電荷儲存/放電信號PX或轉移該電荷到該浮動節 點來儲存電荷在一下方部份。 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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