TWI235488B - Solid-state imaging device - Google Patents

Description

1235488 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種固雜吾彡後壯逆 、 U ^〜像裝置，該裝置能夠防止由遮 蔽像素引起的黑色參考位準波動。 【先前技術】 目則已I疋出一種MOS型固態影像裝置，在該種M〇s型固 怨以像裝置中，每一像素皆具有一具有光二極體或一或複 數個MOS(金屬氧化物半導體）晶體管的光接收部分和一形 成於該光接收部分附近的掃描電路，且該M〇s型固態影像 裝置可藉由孩掃描電路來讀取影像資料。圖3展示該固態影 像裝置之一實例性電路圖，該固態影像裝置中的各像素以 二維形式排列。 在圖3中’展示像素21及由一垂直讀取電路23驅動的垂直 項取控制線22，同時展示輸出信號線24，該輸出信號線24 藉由噪聲消除器電路25和提供用於每一行的水平選擇器開 關26連接至一公共信號線27。該水平選擇器開關26由一水 平頃取電路2 8驅動。參考編號2 9則代表一放大器。 圖4展示像素21之詳細結構。作為像素21之結構，已知有 一具有一光二極體和一 MOS晶體管之結構（圖4A)、一具有 一光二極體和三個MOS晶體管之結構（圖4B)、一具有一光 二極體和四個MOS晶體管之結構（圖4C)等等。在此等實例 中，展示一光二極體3 1、一像素選擇晶體管32、一放大晶 體管33、一重設晶體管34及一傳送晶體管35。亦即，在圖 4A所示的像素結構中，僅實施一光二極體信號的選擇。在 86362-940120.doc 1235488 圖4B所7JT的孩像素 一打雕户# Ψ 在猎由放大晶體管33放大該光 構中，夢由蚀田扁…—私驵“號。在圖4C所示的像素結 /Vn.". 运晶體管35將光二極體3 1與偵測器部分 分開來提高靈敏度。 在旧中，位於一像素陣列中左手侧的複數個行被一遮蔽 :二 因此’可從被遮蔽層30所覆蓋的像素(遮蔽像 '、^―輸出中獲得—黑色參考位準。亦即，通常由AC 一幸“視頻L號，且在該情形中’一用於所輸出視頻 信號的參考位準是必不可少的。遮蔽像素之輸出即可提供 該參考位準。 此外，要求像素21中的晶體管32,33,34及35儘可能小， 且為達成上述（目的，要求增大在晶體管Μ，％，％及％ 之下的基板辰度。另一方面，需要儘可能擴大一處於光 二極體之下的耗盡層，以提高光二極體似靈敏度。此 時，必須降低該光二極體31之下的基板濃度以達成上述目 的0 為滿足上述要求，人們提出一種〇%〇8(互補型金屬氧化 物膜半導體）型固慼影像裝置，在該CM〇s型固態影像裝置 中，在低摻雜基板上形成一相同於基板之導電類型的濃度 高於基板的阱，在該高摻雜阱上形成一晶體管，並在該低 摻雜基板上形成一光二極體（日本專利特許公開案第hei 11_307753號）。圖5展示該CMOS型固態影像裝置之結構。 在此例中，展示一低摻雜基板1、一高摻雜阱2、一光二極 體3、一晶體管之源極或汲極4，及該晶體管之閘極$。排列 -6- 86362-940120.doc 1235488 於該圖中左手側上並由晶體管和光二極體3構成的複數個 像素被覆蓋一遮蔽層6，且將一來自由該遮蔽層6所覆蓋的 遮蔽像素的輸出信號用作黑色參考位準。 然而，傳統CMOS型固態影像裝置存在以下問題。亦即， 如上所述，在圖5所示的CMOS型固態影像裝置中，以來自 由該遮蔽層6所覆蓋的遮蔽像素的輸出信號之位準用作黑 色參考位準。在上述實例中，若使強點光源入射於未被該 遮蔽層6所覆盍的某些光接收像素上，則部分光了將到達該 低摻雜基板1之中性區域。此時，電荷中受到光電轉換的少 數載流子8將在各個方向上擴散和蔓延。因此，該等擴散電 何8( —邵分將到達遮蔽像素之光二極體3，從而提高該遮 蔽像素的輸出信號位準。因&，遮蔽像素的輸出信號位準 變得不能用作黑色參考位準。 一若在取影像勞幕上觀察此現象，則其結果如圖6所 不。在孩實例中，圖6A展示該拾取影像螢幕。圖6B則展示 圖6A所示拾取影像勞幕之一部分L山，中的一影像信號，其 中水平軸代表-沿La-La，之距離，垂直軸則代表輸出位準。 士圖6A所不，在點光源9之位置處的水平方向上出現帶形黑 咸色;5V像之饭仏唬。如圖6Β所示，產生於該強點光源9 區或中的少|載流子擴教並到達臨近的遮蔽像I，並拉高 =、此處㈣號位準。通常，對於視頻信號，光接收像素 :唬〈DC位準係根據每一水平線之遮蔽像素信號來決 /、 、^光接收像素信號之位準被水平線内遮蔽像素信 號'^ 4降低’由此在拾取影像榮幕6A上的水平方向上產 86362-940l20.doc 1235488 生讀黑色減色影像（在下文中表述為"黑色減弱"）。 【發明内容】 因此本發明之目的係提供一種能夠防止因遮蔽像素而 I勺二色參考位準波動並能夠減弱因強點光源而引起的 黑色減弱現象的固態影像裝置。 為達成上述目的，在本發明的一固態影像裝置中，在面 向半導基板的遮蔽像素之光二極體下側上覆蓋一與半導 體基板具有相同導電類型且濃度高於半導體基板的雜質 層，並使面向半導體基板的光接收像素之光二極體之一下 側直接接觸該半導體基板。 因此，該雜質層具有一對抗該半導體基板的電位障壁。 因此即使當將強點光源施加於光接收像素上時產生於此 處6 V數載流子在半導體基板内擴散並到達遮蔽像素區 域…載流子亦會因該電位障壁之存在而不能到達遮蔽像素 之光一極體。因此，從該遮蔽像素輸出的遮蔽像素信號之 4卞不曰因v數載流子的擴散而改變，且該光接收像素信 號之DC位準亦不會相對於遮蔽像素信號而改變。因此，即 使將強點光源施加於光接收像素，亦不會在拾取影像勞幕 上點光源位置處的水平方向上出現黑色減弱現象。 在本發明之一具體實施例中，除遮蔽像素之光二極體之 下側外，面向半導體基板的遮蔽像素之晶體管之下侧亦覆 蓋有雜質層，及 面向半導體基板的光接收像素之晶體管之一下侧覆蓋有 另一雜質層，該雜質層與半導體基板具有相同導電類型且 86362-940120.doc 1235488 其濃度高於該半導體基板。在該方案中，覆蓋遮蔽像素之 光：極體下側的雜質層可與濃度高於半導體基板且原先即 '、途蔽像素與光接收像素之晶體管下侧的雜質層同時形 成由此可利於形成覆盍遮蔽像素之光二極體下側的雜質 層。 斥在本發明之一具體實施例中，覆蓋遮蔽像素之下側的雜 質層之整個區域被一遮蔽層遮蔽，且藉由半導體基板的一 區域與覆盍光接收像素之晶體管下側的雜質層隔開。因 此，在覆蓋遮蔽像素之下侧的雜質層中不會藉由光電轉換 而產生電荷。此外，在此雜質層中以光電轉換形式產生的 私荷不會藉由擴散而蔓延。由此可防止電荷流入至遮蔽像 素之光二極體。 在本發明之一具體實施例中，將覆蓋遮蔽像素之光二極 體下側的雜質層接地。因此，可防止像素運作因雜質層中 一電流等而造成該雜質層中之電勢升高，並可靠地保持對 抗半導體基板的電位障壁。 在本發明之一具體實施例中，將可遮蓋用於覆蓋遮蔽像 素又下側的雜質層之整個區域的遮蔽層接地。因此，可將 孩雜質層與遮蔽區域中的遮蔽層一起接地，其可有利於將 該雜質層接地。 在本發明之一具體實施例中，遮蔽像素在以一矩陣形式 排列的光接收像素的列方向上之一端或雨端附近沿—行方 向排列。因此’列方向上的遮蔽像素信號將逐漸達到一穩 定的參考電勢而不會受到入射光的影響。 86362-940120.do< 1235488 在本發明之一具體實施例中，遮蔽像素在以一陣列形式 排列的該光接收像素的列方向之—端或兩端附近沿行方向 排歹H仃方向上的遮蔽像素信號逐漸達到一穩定的 參考電勢而不會受到人射光的影^因此，藉由在列和行 兩個方向上排列遮蔽像素，可將兩個方向上的遮蔽像素信 號用於除確定線路中光接收像素信號之DC位準以外的其 它目的。 亦提供-固態影像裝置，其中將面向遮蔽像素之光二極 骨豆的半導體基板之至少—表面部分用作—雜質層，該雜質 層與該表面部分具有相同的導電類型且其濃度高於該表面 部分，且使面向該表面部分的光接收像素之光二極體之一 側直接接觸該表面部分。 因此，該雜質層具有一相對於該表面部分的電位障壁。 因此，在邊半導體基板之表面側上形成一阱或一外延生長 層以構成該表面部分。在遮蔽像素和光接收像素形成於該 阱或外延生長層之表面上的情況下，可使用一簡單結構來 防止因強入射光而引起的黑色參考位準波動。 在本發明之一具體實施例中，該表面部分係一形成於半 導體基板之表面側上的阱或外延生長層。因此，在遮蔽像 素和光接收像素形成於該阱或該外延生長層之表面上的情 況下’可使用一簡單結構來防止因強入射光而引起的黑色 參考位準波動。 【實施方式】 下文將以附圖所示具體實施例為基礎而詳細闡述本發 86362-940120.doc -10- !235488 明。圖1為一包括相鄰位於本發明之固態影像裝置中的遮蔽 像素和光接收像素的剖視圖。 圖1展示一低掺雜基板11、高摻雜阱12和20、光二極體 、晶體管之源極或汲極14及晶體管之閘極15。每一像素 皆由光二極體1 3及晶體管構成，該晶體管則由源極或沒極 14與閘極15構成。由晶體管和光二極體13構成並排列於圖 中左手側的複數個像素覆蓋有一遮蔽層丨6，且將一來自覆 盍有該遮蔽層1 6的遮蔽像素的輸出信號之位準假定為黑色 參考位準。 在上述貫例中，若使強點光源入射於未覆蓋有遮蔽層j 6 的某些光接收像素上，則部分光17將到達低摻雜基板丨丨之 中性區域。此時，電荷中受到光電轉換的少數載流子18將 在各個方向上擴散及蔓延。因此，該等擴散電荷丨8中的某 些電荷將到達遮蔽像素。然而，本具體實施例之遮蔽像素 中的光一極體13覆盍有咼摻雜阱2〇。該高摻雜阱具有一 相對於低摻雜基板n之電位障壁，因此，如箭頭19所指示， 已擴散於低摻雜基板n中的電荷18無法侵入高摻雜阱2〇。 因此，擴散電荷18無法到達遮蔽像素之光二極體13，且遮 蔽像素之輸出信號位準不會發生改變。由此可保持黑色參 考位準。 在下文中，將參照附圖2詳細闡述前述現象。在下面的說 明中，低摻雜基板U和高摻雜阱^和“為卩型，而光二極體 13和晶體管之源極或汲極14*N型。然而，此亦可同樣論述 相反導電型的情況。圖2展示一位於低掺雜基板叫高接雜 86362-940120.doc -11 - 1235488 阱12和20之間的邊界處及邊界周圍的能帶。在圖2中，低摻 雜K基板11位於右手侧，高掺雜p+層丨2和20位於左手側，垂 直軸代表電勢。圖2亦展示各能級·· Εν代表價帶，Ec代表導 帶，Ei代表本質能級，Ef則代表費米能級。 在圖2中，就從電子的角度來看的能量而言，以下列方程 (1)表達的電位障壁AV形成於一從低摻雜p-基板丨丨指向高摻 雜P+層（阱）12和20的方向上。 AV=(kT/q)-ln(Npw/Nsub) ·· (1) 在該方程中， k :波茲曼常數， T :絕對溫度， q :基本電荷

Npw :高摻雜p+層的雜質濃度，及

Nsub :低摻雜ρ·基板的雜質濃度。 舉例而言，假定Npw=lxl〇17且Nsub = lxl〇15,則-=^20 mV。 根據下列方程（2)可得到因電位障壁Δν而引起的擴散電 荷的流入率R。 R=exp(.AV/(kT/q))=Nsub/Npw …⑺ 亦即，流入率R正比於低摻雜p-基板與高摻雜p+層的雜質 /辰度《比而減小。因此，在前述實例中Npw=ixi〇17且 Nsnb = lxl〇15的情況下，該流入率減小至ι/ι〇〇。 在圖1中，可能會因像素運作及高摻雜阱2〇中的一電流等 引起摻雜陈20之電位升高。因此，若如，所示將高摻雜阱 20接地，則可防止該高摻雜阱2〇之電位升高，並且可靠地 86362-940l20.doc -12- 1235488 呆持相對於低摻雜基板丨丨的電位障壁。儘管圖中未展示，

然而藉由將高摻雜阱20與遮蔽區域中的遮蔽層16一起接 地》， B ’ p可在佈置方面輕鬆達成上述阱電位的穩定。 右如圖3所示，將一具有圖丨所示結構的固態影像裝置應 用於一像素陣列中覆蓋有一遮蔽層3〇的遮蔽像素，則可使 用來自藏等遮蔽像素的輸出信號作為一穩定的黑色參考 4唬，該穩定的黑色參考信號不受入射光的影響並確定水 平線中光接收像素信號的Dc位準。因此，即使在強點光源 入射於光接收像素上時，光接收像素信號的DC位準亦不會 波動，並可防止如圖6A所示的拾取影像螢幕中水平方向上 的黑色減弱。 在上述本具體實施例中，構成覆蓋有遮蔽層16的遮蔽像 素的晶體管< 源極或汲極14和光二極體13形成於位於低摻 雜基板11上的高摻雜阱20之表面上。因此，形成由方程（1) 所表示的電位障壁Δν，該電位障壁Δν自低摻雜^基板^朝 高摻雜Ρ +阱20延伸。即使在強點光源入射於某些光接收像 素上且部分光17到達低摻雜基板丨丨之中性區域時，在此處 被光電轉換的部分擴散電荷18亦無法侵入高摻雜阱2〇内。 因此，並未提高遮蔽像素的輸出信號位準，且可保持黑色 參考位準而不會在水平方向上引起黑色減弱。 本具體實施例中遮蔽像素陣列的排列方向並非僅限定 於圖3所示像素陣列的行方向。儘管未特別展示，然而若遮 蔽像素排列於光接收像素陣列之行方向上的兩端之一或兩 端附近的列方向上，則來自排列於行方向上的遮蔽像素的 86362-940120.doc •13- 1235488 '二吱像素仏號亦可保持穩定而不會受到入射光的影響。此 外，藉由將遮蔽像素排列於行和列兩個方向上，可將遮蔽 像素仏號穩足用於除各線中位準確定過程（例如在確定光 接收像素之總位準的情況中）以外的其它目的。 此外，Ik同上述具體實施例，實例性地闡述了光接收像 素和遮蔽像素形成於半導體基板11±的情況。然而，本發 月並非限足於此，本發明亦可應用於光接收像素和遮蔽像 素形成於獨立於基板本體部分而建構於半導體基板表面側 的阱、外延生長層或類似物之表面部分之表面上的情況。 在上述實例中，宜於使用一高摻雜阱來覆蓋遮蔽像素之光 一極肢和晶體管的面向表面部分的下侧。在該實例中，由 於同摻雜阱之厚度最大約為1μηι，因此表面部分需要具有 一能夠覆蓋該高摻雜阱之厚度。如上所述，其上形成有獨 立於基板本體部分的阱或外延生長層的晶圓具有一較佳特 欲亦即，與一簡單的積體型晶圓相比，耗廢電荷更不易 於在至少表面部分中擴散。 依據所闡釋之本發明，顯然，可以多種方式修改本發明。 此等修改不應視為背離本發明之主旨及範疇，且熟悉此項 技術者易知，所有該等修改皆意欲包含於後附申請專利範 圍之範轉内。 【圖式簡單說明】 上文之詳細說明配合附圖閱讀將可更全面地瞭解本發 明，該等詳細說明及附圖僅作為闡示之目的，因此對本發 明無限定意義，圖式中·· 86362-940120.doc -14- 1235488 圖1為一包括相鄰位於本發明一固態影像裝置中的遮蔽 像素和光接收像素的剖視圖； 圖2為在圖1所示一低掺雜基板與一高摻雜阱之間的邊界 處或邊界周圍的一能帶圖； 圖3為一固態影像裝置的一電路圖，該固態影像裝置中的 像素以二維形式排列； 圖4A，4B和4C為展示圖3所示像素結構之一實例的圖式； 圖5為一展示一傳統CMOS型固態影像裝置結構的剖視 圖；及 圖6A和6B為展示圖5所示傳統CMOS型固態影像裝置中 一影像缺陷的闡釋圖。 【圖式代表符號說明】 11 低換雜基板 12，20 高掺雜阱 13 光二極體 14 汲極或源極 15 閘極 16，30 遮蔽層 18 少數載流子 21 像素 22 垂直讀取控制線 23 垂直讀取電路 24 輸出信號線 25 噪聲消除器電路 86362-940120.doc -15- 1235488 26 水平選擇器開關 27 公共信號線 28 水平讀取電路 29 放大器 -16- 86362-940120.doc

Claims (1)

1235488 拾、申請專利範園： 1. 一種其内具有複數個像素之固態影像裝置，包括光二極 體03)和晶體管（14、15)之該等像㈣排列於_半導體基 板01)之一表面侧上，該等像素（21)中的每一像素皆 光接收像素與一遮蔽像素構成，在該光接收像素中，光 入射於孩光二極體（13)上，而在該遮蔽像素中，則沒有光 入^於孩光二極體（13)上，且根據_來自該遮蔽像素的輸 出信號可得到一黑色參考位準，其中 面向孩半導體基板（11)的該遮蔽像素之光二極體（13)之 下侧由一與該半導體基板（1 Ό具有相同導電類型且其 濃度高於該半導體基板的雜質層（2〇)所覆蓋，且面向該半 導體基板（11)的該光接收像素之光二極體（13)之一下側 直接接觸該半導體基板（11)。 2·根據申请專利範圍第1項之固態影像裝置，其中 面向該半導體基板（11)的該遮蔽像素之晶體管之一下 側亦覆蓋有該雜質層（20)，及 面向該半導體基板（11)的該光接收像素之晶體管之一 下側覆盍有與該半導體基板（11)具有相同導電類型且其 濃度高於該半導體基板（11)的另一雜質層（12)。 3 ·根據申請專利範圍第2項之固態影像裝置，其中 覆盍該遮蔽像素之下侧的該雜質層（20)的整個區域被 一遮蔽層（16)遮蔽，並藉由該半導體基板（11)之一區域與 覆盖該光接收像素之晶體管下側的該雜質層（12)隔開。 4·根據申請專利範圍第1項之固態影像裝置，其中 86362-940120. doc 1235488 將覆蓋該遮蔽像素之光二極體（13)下側的該雜質層（20) 接地。 5·根據申請專利範圍第3項之固態影像裝置，其中 將遮蔽著覆蓋該遮蔽像素下側的該雜質層（20)之整個 區域的該遮蔽層（16)接地。 6·根據申請專利範圍第1項之固態影像裝置，其中 該等遮蔽像素在以一矩陣形式排列的該等光接收像素 之列方向上之一端或兩端附近沿行方向排列。 7·根據申請專利範圍第丨項之固態影像裝置，其中 該等遮蔽像素排列於排列為一矩陣形式的該等光接收 像素之行方向上的兩端之一或兩端附近的列方向上。 8· 一種固態影像裝置，其中由光二極體（13)和晶體管（14、 15)組成的複數個像素（21)排列於一半導體基板（11)之一 表面侧上，該等像素（21)中的每一像素皆由一光接收像素 和遮叙像素構成’在該光接收像素中，光入射於該光 一極m (13)上，而在該遮蔽像素中，沒有光入射於該光二 冬m (13 )上並根據來自該遮蔽像素的一輸出信號來得到 一黑色參考位準，其中 面向該遮蔽像素之光二極體（丨3 )的該半導體基板（丨丨）之 至少-表面部分用作一雜質層⑽，該雜質層（2〇)與該表 面部分具有相同的I電類型且其濃度高於該4面部分， 且面向該表面部分的該光接收像素之光二極體（13)之一 側直接接觸該表面部分。 9·根據申請專利範圍第8項之固態影像裝置，其中 86362-940120.doc 1235488 該表面部分獨立於該基板（11)之一主體部分而構成於 該半導體基板之一表面側上。 10.根據申請專利範圍第9項之固態影像裝置，其中 該表面部分為一形成於該半導體基板（11)之表面側上 的味或外延生長層。 86362-940120.doc