TWI281728B - CMOS image sensor formed on an N-type substrate - Google Patents

Description

1281728 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 特別t發：係有關於一種互補式金氧半導體（cmos)影像感測器， 種互補式金氧半導體形成於_ N „板上並且具有低漏電 机（leakage current)以及高電容（capacitance)。 【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

t影f在上述影像領域中，電荷轉合元件（CCD)由於其效能 特性已經欠到廣大歡迎。然而，影像所+ tφ Λ " 路之製造較困難，因此也較昂責=二件㈣電 U扣也罕乂叩貝。此外，由於與金氧半 !=!關之電荷麵合元件積體電路其製造涉及之製程不同，上述 :像感❹之信號處理部分通常位於_分離之積體晶片（inte_d c ip)。因此-電荷耦合元件影像裝置至少包 於上述電㈣合元件感測器以及-用於上述錢處理邏輯。 像感測裔之另 >一種麵另丨丨么；^ J士』、人 考。…贫別為互補式金氧半導體主動像素感測 ㈣〇°錄人於弟5’625,210號美國專利（”上述，210專利”） 種與電子影像感測器有關之主動像素感測有 ==，其係與每一像素有關。上述主動像素感測器具有可同時 ; = = =感測電路於相同積體電路中之優點，由於上述互補 式金虱+導體之製造技術。 一受歡迎之主動像素感測哭举鲁 ^ ^木構匕括四個電晶體與一固定 (pmned )光電二極體。上述固 ,c 疋九私一極體獲得偏愛在於其對於藍 先具有良好之顏色反應能力，於暗電流密戶 在旦 A . 又(dark current density) 。衫像乙遲（image lag)上亦具有優勢。p + ,m ^ , . . N ^ ^ 暗電流減少（reduction)可 由固疋（pmmng)上述二極體表 - 一 p+區域井 p基板（接地）來達成。 X王上、F开：¾ 4 1281728

.般#“適之作法為盡可能累積電荷於上述光電二極體中以捭 號位準（signa〜丨)。其通常係指具有-大電容於上述J 積電荷)，可能造成影像延、:， 逐八係由於上述二極體至上述浮動輸出 (峨叫〇UtPUt⑽）之移動電荷（m〇bile charge)之轉移 ⑻*完全所造成，假如介面輪靡（jUnCt_pr〇則並非* 美最，化㈣移上述電荷時。上述現象之討論可以於Ramaswam^ f互補式金氧半導體感測器中之像素反應時間與影像延遲 ’ ’找到。上述N井之非完全空乏狀態（_-fully depleted state ) ::電壓操作（例如2.5伏特或更低）時特別明顯。隨著積 及閉極氧化層（一ldes)變薄，低㈣操作也越來越普 -理想之主動像素’使用一固定光電二極體，其具有高電 何.積谷置，不過即使以低電壓操作仍能完全重置上述二極 — 重要考量為上述像素具有一低漏電流。 【發明内容】 —本發明之-目的在於提出—種像素感測器晶胞（㈣），包括一固 定光電二極體，形成於-N型半導體基板之中所形成之p井（p_) 中，一空乏模式傳遞電晶麯 位於上述固疋光電二極體與一輸 之間；一重置電晶體，耦合於一高雷你^ i 、同電位（high voltage rail) Vdd 斑上 述輸出節點之間；以及-輸出電晶體，上述輪出電晶體之間罐至 士述輸出節點。上述輪出節點為上述傳遞電晶體之源極，並且上述固 定光電二極體為上述傳遞電晶體线極。更包括―負電壓產生哭，发 產生-負電壓足夠關掉〇ff)上述空乏模式傳遞電晶體。：述空 乏杈式傳遞電晶體有-臨界電壓（threshold voltage)接近·。上 述空乏模式傳遞電晶體有-臨界電壓約略或等於_〇·9伏特。 本發明之另目的在於提出一種互補式金氧半導體影像感測 5 1281728 器’包括L與列配置之複數個主動像素，形成於 基板中’其中上述至少一主動像素包括··一固定光電二極體 :式傳遞電晶體位於上述固定光電二極體與一輪出節點之間，上述空 柄式傳4電晶體為-空乏模式金氧半導體場效電晶體； =於-高電位Vdd與上述輸出節點之間;以及一輸出電晶體電： :輸出電晶體之間極搞合至上述輸出節點；一負電荷 咖 ump)’用於產生一負電麼並且形成於上㉛ 中；-處理電路，用於接收形成於上❹型半導體基板中之主== ’以及-輸人/輸出電路，形成於上述n型半導 用 :輪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中出二 上述輸出即點為上述傳遞電晶體之源極，並且上述固定、 - 為上述傳遞電晶體之汲極。其+電-極體 >1接近vhh使士" m吴式傳遞電晶體有-臨界電 伏特。 乏模式傳遞電晶體有-臨界電i約略或等於 本毛明之又一目的在於提出一種互 器，包括:依照行與列配置之複數個:二—體-像感測 基板中，其中上述至少-主動像+包括像素％成於—N型半導體 主勒诼京包括·一固定光雷— 杈式傳遞電晶體位於上述固定 _ ’ 一空乏 雷曰鞞刼人 尤冤—極體與一輸出節點之間；—會罢 電日曰體耗β於一高電位Vdd與上述重置 上述輸出電晶體之問極耗合至上述輸出節點一電;;t出電晶 產生一負電壓並且形成於…型半導體基板中·一；=，用於 接收形成於上述N型半導體基板中之上述主二之處二電路’用於 入/輸出電路’形成於上述N型半導體 f之輪出’以及-輸 金氧半導體影像感測器之上述主動像素:’。用於輸出上述互補式 上述傳遞電晶體之源極，並且上述：朵j。其中上述輪出節點為 之沒極。其中上述空乏 ：先電二極體為上述傳遞電晶體 τ工4工 < 犋式之傳遞電晶體有一萨 中上述空乏模式傳遞電晶體有一臨 ：二 d。其 〈丨兒峻約略或等於-〇 9伏特。 【實施方式】 6 1281728 ，ϋ月ίτ有關一種互補式金氧半導體影像感測器設計，其可提供 - 私 L ( leakage current)以及大電容（large capacitance )之優點。 以下敘述中’ 5午多特定之細節係提供以充分了解本發明之實施例。然 ^ 4項技術之技藝者將了解，本發明於實施例中省略一或其他 特疋:即’ &使用其他方法、元件等之情況下仍得以實施。其他例子 中㈢去、…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。 本况明書中之參考” -（。ne)實施例，，或，，-（an)實施例” 係指-特定特徵、結構或描述於與上述實施例有關之特性，係包含於 本發明,之至少—實施例中。因此，上述術語：，，於—（_)實施例 中”或” ^一（an)實施例中，，遍及本說明書之各處，並非全部參照 一才同之A施例。此外，上述特定特徵、結構或特性可能以一或更多 實施例中之任何適當之方法加以組合。 "以及圖二顯示一習知技術之包含固定光電二極體1 03之主動 像素^1、上述固定光電二極體103為形成於一 P型基板中之一 N井。 :卜區域形成於上述N井之上部份。一傳遞閘（亦稱為一傳遞電晶 體加nsfertransist〇r)控制來自固定光電二極體1〇3之信號傳遞至一 輪出節點107。輸出節點1〇7連接至一源極_隨輕器電晶體1〇9(亦可 稱為-驅動或輸出電晶體）。此導致輸出節點1〇7上之信號被放大於 仃線輸f 1 11上。一列選擇電晶體（SEL)係用於選擇上述特定像素 於殯出於行線輪出nl。上述列選擇電晶體由一列選擇線控制。 在外，一重置電晶體（resettransist0.r)113係用於空乏上述固定光電二 極體中之信號。由於圖一與圖二中所顯示之固定光電二極體⑻之特 殊結構，相信所有習知技術中固定光電二極體互 感測器係形成於P型半導體基板上。 …心像 本發明改進圖一與圖二中習知技術之固定光電二極體以 P操作，並且仍具有良好之空乏特性（depleiiQneh咖enstlcs)。-發明之固定光電二極體係使兩標準之互補式金氧半導體製程形 7 1281728 糸奸；、下祸述中，作為N型植入（imPlant)之一種摻雜物（d〇pant) •”i Phosphorus)，而作為p型植人之摻雜物為蝴（b_)。 在一般操作中 (swing)至 vdd。 Vdd，因此產生一 用於空乏上述光電 ，上述傳遞閘105 (用於習知技術）自零伏特飄移 由於衫像感測器使用一 5伏特或3 · 3伏特之高電位 5或3.3伏特飄移。此電壓飄移量已經為可接受的 二極體103。 1 3 Γ而二對於較新之積體電路程序，上述Wd電壓可能為1,8伏特、 、 ' —在此狀況下，上述電壓飄移於上述傳遞閘之閘極

上通常無&充分空乏上述光電二極體。 ,據許多觀點，本發明之固定光電二極體（以及互補式金氧半導 1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 本毛明，互補式金氧半導體影像感㈣器以及固定光電二極體係形成於 一N型半導體基板中。 、 “ ϋ所述’為了減少上述矽表面之漏電流以及kTC雜訊，上述光 電一極體通常提供—p +表面障蔽層於其石夕表 面^且其為元全空乏。此稱作固定光電二極體。提供至上述讀出閘之 電壓必須夠大以空乏上述光電二極體。然而，至讀出閘之電壓係由上 述讀出閘氧化層之厚度所限制。因此，上述閘極氧化層厚度限制了施 力在互補式金氧半*體影像感㈣器中 < 冑&閘之正電Μ。此相對低之 對於空乏上述大的光電二極體電容來說太小。因此，上述光電二 極肢之電谷應設計相對小以達成完全空乏。然而，—具有—表面 障蔽層之Ν型光電二極體具有一大電容，即使一小電壓提供至上述讀 出閘。此外，上述光電二極體之型式具有相對大之κ丁c雜訊。 、根據本發明之一實施例，提供上述讀出閘一自負電壓飄移至正電 壓之電位。J：匕意味對於言賣出閘具有一相對大之電壓飄移。上述大電壓 飄移（voltage SWlng)提供至上述光電二極體產生一大光電二極體電 谷虽此外上述矽表面之漏電流小，由於孔洞會累積於上述石夕表面 8 1281728 靠近上述讀出閘之處。 根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一光電二極體以及 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（gr〇und )。此外，上述讀出電晶體 可為一增強型態（enhancement-type )或一空乏型態（depleU〇n 電晶體。 又口 _二所不，光電 τ 上返r 你 形成於Ν型基才反403巾。ρ彳4〇1巾之蝴濃度可能介於〇至 之間Q ±述Ν型基板4G3之碟濃度可能介於⑴川 = 5Χ10Π atGm/em3之間。應注意透過使用—Ν型晶圓，上述所 :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 一極體103以一 Ρ +層覆蓋以形成一固 心71*电一極體。此外，在一實 把例中，一光遮蔽層（Ph0t。shield i⑽ 二極體之部份。此外，通常位於浮動擴散區域—二= (channel)寬度較位於上述光電二極體之—側者窄。》、 參考第四圖’為本發明之—主動像素烟示意圖。 3〇1根據許多觀點係與第_圖類似。然而， :動像系 閉305係使用於主動像素3〇i i f —工乏模式傳遞 - N型金氧半導體電晶體 /工乏輪式傳遞間％ (假設為 遞間305之下。上述植 ^貝於上述空乏模式傳 ^貝顯不於第三»中參考數字401。 由於使用上述空彡馗4、爲、成 k二之杈式傳遞閘3〇5， 特時傳導。因此’為了操作上 :傳遞閑甚至可以於。伏 極在累積(收集光)期間係維持於某:電素:^ 土 貫和L例中，上述 9 1281728 負電壓為-Vdd。然而，上述準確之負電壓值可能會改變，但是上述 值應該大於上述空乏模式傳遞閘305之負臨界電壓。 如一例子，若上述空乏模式傳遞閘305具有一-〇·9伏特之臨界電 壓’更具有一 1·8伏特之晶片上（〇η-ς^ίρ )電壓vdd，接著上述空乏 模式傳遞閘305之閘極可能固定於_18伏特至_〇·9伏特之間之任何電 壓。然而使用一完整之-Vdd電壓較方便，由於在積體電路上較容易 獲知，例如使用一負電壓泵（negatjve charge pump )整合至一 N型其 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305之臨界電壓係設計接近^化之值。

由於需要使用一負電壓以週期地維持上述空乏模式傳遞閘3〇5於 關閉狀態、（off state)，一-Vdd電壓產生n 307提供於積體電路上。 來自上述-Vdd電壓產生器3〇7之訊號選擇性地提供至上述空乏模式 傳遞閘305之閘極，於上述像素操作之累積（integrati〇n)及重置相 位（reset phases)期間。上述.Vdd電塵產生器3()7亦稱為—負電荷 泵（negativyhargepump)。由於需要一負電荷泵，如本發明之教示， 一互補式金氧半導體影像感測器更加簡單地實施於一 N型基板上。 上述空乏模式傳遞閘305之標準操作中，上述空乏模式傳遞間 之電動自·至—此為第一圖中之先前技術所得到 之電£文動1之兩倍，其使用—加強模式傳遞間105。如可見地，去 維持低電壓操作時會提供上述電壓飄移㈣吨⑽⑽。 田 強=用—空乏模叙傳遞閘3G5之相對大電㈣移相較於-加 則較為有利。第-，上述大電厂《移允許上述固定光電 又合易於重且階段空乏。第二，相传 * 閘奶允許電洞累積發生於鄰近 ;傳遞 電流。 寸乙网之表面，因此降低漏 田L ;上面之主動像素可使一 p 、 器11 01之减測哭陳 '、 、4式金氧半導體影像感測 陣列中。特別是，如第五圖為本發明之-互補式金 10 1281728 ^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 的陣列1103、-處理器電路1105、一輸入/輸出（ι/〇 η 1〇7、記憶體 1109以及匯流排llu。較佳地，每一元件係形成於一單一 ν型半導 體石夕基板上並且被聲奋$ 一罝一 Β ΰ 1且散正。主早日日片之上使用一標準互補式金氧半 導體製程。 上述感測器陣列1103部分，例如，大致與本發明之受讓人加州 桑匕、准爾之威豕科技（〇mniV1Si〇n Techn〇1〇gies )股份有限公司所製 造型號為 OV7630、OV7920、OV793〇、〇V962〇、〇v963〇、〇糊〇 或OV7640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。此外，與f知技術之影像感測器不同，本發明之 互補式金氧半導體影像感測器係形成於一 N型半導體基板上。 更特別的疋，上述感測器陣列丨丨〇3包括複數個個別像素排列於 :二維陣列中。在操作中，如—影像聚焦至感測器陣列nG3上，上 述感測器11 03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11〇5透過匯流排丨丨η接 收以利於處理信號。上述處理器電路1105可以執行一組程式化指示 、（或許健存於記憶體1109中）f要執行上述積體電路；⑻功能。上 =处里器電路1105可以為-通用微處理器、數位信號處理器（)、 場可私式閘陣列（FPGA )或一類神經電路。 本發明之較佳實施例已描述如上，在不脫離本發明之精神以及觀 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，豆他之 主動像素感測器之設計也可以使用，例如兩個電晶體、四個電晶體或 植”。§袖。爾斤述’ -些-般先前技術設計方法之其他形式， ‘、貝不於第5’587’596 ' 5,926,214以及5,933，19G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所主張 11 1281728 2利權利範圍。其專利保護範圍#視後附之申請 頊域而定。凡熟悉此領域之技藝者， U及八寻同 所e 在不脫離本專利精神或範圍内， 1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 叹4，且應包含在下述之申請專利範圍内。 【圖式簡單說明】 第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。 第二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—互補式金氧半導體影像感測器之-方塊圖。 【主要元件符號說明】 主動像素1 〇 1 光電二極體103 傳遞閘1 〇 5、3 0 5 輸出節點107 源極-隨耦器電晶體109 行線輸出111 重置電晶體丨丨3 主動像素301 電壓產生器307 P 井 401 N型基板403 影像感測器11 〇 1 感測器陣列1103 處理器電路1105 輸入/輸出1107 記憶體1109 匯流排1111 12

Claims (1)

1281728 十、申請專利範圍： 1' —種像素感測器晶胞（cell )，包括： 一固定（pinned )光電二極體，形成於一 N型半導體基. 双 < 宁所形成‘ P 井（Pwell )中； 一空乏模式傳遞電晶體，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。 2·如申請專利範圍第1項之像素感測器晶胞，其中 ^ B Υ 4輸出節點為該傳遞 電曰曰體之源極，並且該固定光電二極體為該傳遞 日日® t〉及極。 負電壓產生器 3·如申請專利範圍第丨項之像素感測器晶胞，更包括一 其產生一負電壓足夠關掉該空乏模式傳遞電晶體。 4·如申請專利範圍第i項之像素感測器晶胞 體具有一臨界電壓（餘趟議ge)接近乏杨式傳遞電晶 5. 如申請專利範圍帛！項之像素感測器晶胞，其中节 體具有-臨界電壓約略或等於-〇·9伏特。 一乏杈式傳遞電晶 6. 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 中該至少一主動像素包括： 、Ν型半導體基板中，其 一固定光電二極體； -空乏模式傳遞電晶體位於該 該空乏模式傳遞電晶體為—空 V，體與-輸出節點之間， -重置電晶體•合於_ t雷付'、’氧半導體場效電晶體； 輸出電晶體’該輸出電晶 广』之間；以及 一負電荷泵，用於產生— α至5亥輪出節點； 一處理電路，用於接收形且形成於該Ν型半導體基板中； 成於…半導體基板中之該主動像素之輪 13 !28l728 一輸入/輸出電路，形成於該N型半導體基板 氧半導體影像感測器之該主動像素之輪出。 ；别出泫互補式金 7,如申請專利範圍第6項之互補式金氧半導體影像感^， 節點為該傳遞電晶體之源極，並且該 :°° /、中4輸出 之汲極。 口疋先电二極體為該傳遞電晶體 8·如申請專利範圍第6項之互補式金氧半導體影像 模式傳遞電晶體有一臨界電壓接近_Vdd。 〜。”中忒空乏 其中該空之 9.如申請專利範圍第6項之互補式金氧半導體影像感 輭式傳遞電晶體有一臨界電壓約略或等於_〇·9伏特。° 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， 中該至少一主動像素包括： ； 型半導體基板中，其 一固定光電二極體； 二乏模式傳遞電晶體位於該固定光電-極 -重置電晶體耦合於一高電位Vdd與該輸出節點，出即點之間’· 一輸出電晶體，該輸出電晶體之閑極 仏，以及 ，荷粟，用於產生一負電壓並且形二== —處理電路，用於接收形成於該 基板中； 出；以及 肢基板中之該主動像素之輪 輸入/輸出電路’形成於該N型半導;a#其 氧半導體影像感測器之該主動像素之：:。反中’用於輸出該互補式金 U.如申請專利範目帛10項之互補式金氧半一 節點為該傳遞電晶體之源極，並且該固定：一 A ’則态’其中該輪出 之汲極。 琶一極體為該傳遞電晶體 14 1281728 12. 如申請專利範圍第1 0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臨界電壓接近-Vdd。 13. 如申請專利範圍第1 0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。

15 1281728 五、中文發明摘要： 一種用於互補式金氧半導體（CMOS )影像感測器之像素感測器晶胞。 上述晶胞包括一固定（pinned)光電二極體形成於一 n型半導體基板之中所 形成之一 P井（Pwell )中。一傳遞電晶體（transfer transist〇r )位於上述 固定光電二極體與一輸出節點之間。一重置電晶體（reset transist〇r )耦合 於一高電位（high voltage rail，Vdd )與輸出節點之間。最後，提供一輸 出電晶體其閘極搞合至上述輸出節點。 六、 英文發明摘要： A pixel sensor cell used in a CMOS image sensor is disclosed. The cell includes a pinned photodiode formed in a Pwell that is formed in an N-type semiconductor substrate. A transfer transistor is placed between the pinned photodiode and an output node. A reset transistor is coupled between a high voltage rail Vdd and the output node. Finally, an output transistor with its gate coupled to the output node is provided. 七、 指定代表圖：

(一） 本案指定代表圖為：第（三）圖。 (二） 本代表圖之元件符號簡單說明： 光電二極體103 重置電晶體113 傳遞閘1 0 5 P井4 01 輸出節點107 N型基板403 源極-隨耦器電晶體1〇9 行線輸出111 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化 學式： 3