TWI282170B - Image sensor and pixel having a non-convex photodiode - Google Patents

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TWI282170B
TWI282170B TW094135125A TW94135125A TWI282170B TW I282170 B TWI282170 B TW I282170B TW 094135125 A TW094135125 A TW 094135125A TW 94135125 A TW94135125 A TW 94135125A TW I282170 B TWI282170 B TW I282170B
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Hidetoshi Nozaki
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Description

1282170 八、 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： ifrrr Μ 九、 發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於影像感測器，特別係有關於一種影像 • 感測器，其使用具有增強型光電二極體井容量以及空乏區 之像素。 _________一 【先前技術】 | 影像感測器已經普遍存在。其廣泛使用於數位像機、 行動電話、保全相機、醫療、機車以及其他應用。上述技 術使用以製造影像感測器以及特別是CMOS影像感測器已 經連續有了重大的發展。例如，高解析度之要求以及低功 - 率消耗促使影像感測器之微小化以及整合化。 當上述像素變得更小時，可以接收入射光之上述表面區域 亦隨之減小。上述像素通常具有一光感測元件，例如一光 電二極體，接收入射光並且產生與入射光亮有關之訊號。 因此，當像素區域（上述光電二極體區域）減小時，上述 > 像素具有低靈敏度以及低訊號飽和能階（signal saturation level ) 〇 上述低飽和能階主要係由於小光電二極體之小井容量之 結果。習知技術對於此問題，乃增加包含光電二極體層之 雜質密度。例如，通常使用之固定光電二極體（pinned photodiode)具有被P或P +區域包圍之N型層。然而，N 型層雜質密度之增加會導致影像延遲增加。 本發明係與一光電二極體有關，以及像素設計其具有高井 4 1282170 至少一凹面之N型層。 第二圖顯示井容量（在豪微微法拉等級）對提供至傳 遞閘極之電壓之關係圖。應注意者爲，第二圖顯示光電二 極體崩潰成爲下列各種元件之總容量：（1 )介於N型層以 及P +固定層之間之電容，（2)介於N型層以及P-層區域 (可爲一種磊晶層或半導體基底），以及（3)介於N型層 至浮動節點以及N型層至傳遞閘極間之電容。如第二圖所 示，位於P + /N介面之容量爲總井容量之最大元件。總井 容量之第二最大元件係位於N型層以及P型區域之間。第 三電容元件爲可忽略的小。因此，可以見得位於P +固定層 以及N型層間之介面爲最大元件。此外，上述P + /N介面 接點亦爲位於上述N型層之增強空乏區上之效應。 根據本發明，第三圖顯示用於光電二極體之嶄新設 計，上述光電二極體具有空隙P +層位於上述N型層（亦 即已知之N型區域）中。因此，上述N型層爲梳型。此亦 與水平指結構有關。此外，當上述指狀延伸於水平方向 時，本發明亦提供以具有N型層形狀，其包括位於垂直方 向之指狀物。然而，目前之製造方法難以形成如此狹窄之 P +空隙區域位於垂直維度上。此外，隨著製程技術之進 步，本發明考慮垂直空隙P +區域。 當第三圖顯示一二指N型層形狀，第四圖顯示另一實 施例，其顯示三指以及二空隙P +區域。應理解者爲，本發 明可以延伸至任何數目之空隙P +區域以及指狀結構。其限 制在於形成如此形狀結構所需之製程。
第一圖顯示一般習知技術之結構，僅具有單一 P + /N 8 1282170 光電二極體中累積電子之最大數量，正比於飽和信號 會g階（saturation signal level )，可由計算井容量對電壓範 圍之積分得到，上述電壓範圍由〇伏特至關閉提供至傳遞 電晶體1 05傳遞閘極之電壓後所決定之某一特定電壓。此 某一電壓，爲在累積期間提供至η型層之最高正電壓，其 範圍由0.9伏特至1.3伏特，在使用固定光電二極體之最 ‘ 新CMOS影像感測器應用中。因此，根據本發明所形成之 ' 一光電二極體結構具有高飽和能階之優點，以及因增強空 乏性所導致之低影像延遲。 參考第六至第七圖，此二指η型層顯示於第六至第七 圖，可藉由例如於不同能量植入多Ν型雜質而形成。此 外，可實施單一 η型雜質植入，並且上述雜質擴散係藉由 — 後續之熱退火形成。上述空隙Ρ +區域可以分別藉由一 Ρ + 雜質植入形成。此外，藉由調整植入能量，上述空隙Ρ + ' 區域之深度以及位置可以使用先進之植入技術來精確控 制0 在另一實施例中，第八圖以及第九圖顯示一光電二極 • 體具有包括空隙Ρ型區域之水平指狀區域。此低雜質Ρ型 區域其雜質濃度可以被調整，在關閉上述傳遞閘之後達到 完全空乏。因此，第八圖與第九圖之ρ型層具有較第六圖 ， 與第七圖所顯示之 Ρ+層低之受體濃度（acceptor concentration )。累積電子之最大數量，即上述井容量，可 以隨P +型空隙區域減少，可達到完全空乏，因此可使得光 電二極體幾乎無影像延遲。此外，低暗電流亦可使得光電 二極體幾乎無影像延遲。此係由於位於P + /N型介面之電 場低於第三至第四圖之實施例。 10 1282170 第六圖〜第七圖爲本發明之形成光電二極體與像素之 製程示意圖。 第八圖〜第九圖爲本發明之另一實施例之形成光電二 極體與像素示意圖。 第十圖爲本發明之各種N型區域形狀示意圖。 【主要元件符號說明】 光電二極體1 〇 1 放大電晶體103 傳遞電晶體105 浮動節點107 定址電晶體109 行位元線111 重置電晶體11 3 12

Claims (1)

  1. 月X日修(更)正替換頁 1282170 十、申請專利範圍： 1 · 一種主動像素，包括： 一光電二極體，形成於一半導體基底中，該光電二極體爲 形成於一 P型區域中之一 N型區域，該N型區域具有至少 一具有P型空隙區域於其間之指狀結構，當延伸一垂直截 面時’該指狀結構約略垂直該半導體基底之一表面； 一傳遞電晶體，形成於該光電二極體以及一浮動節點之 間’並且選擇性地作用以傳遞一訊號由該光電二極體至該 浮動節點，其中該P型空隙區域具有可以被調整之雜質濃 度’以在關閉該傳遞電晶體之後達到完全空乏；以及 一放大電晶體，由該浮動節點控制。 2.如申請專利範圍第1項之主動像素，其中該光電二極體具 有一 P +固定層（pinning layer)位於該半導體基底之表面以 及該N型區域之上。 3 ·如申請專利範圍第1項之主動像素，其中該p型空隙區域 爲一 P +空隙區域。 4·如申請專利範圍第1項之主動像素，更包括一重置電晶體 作用以重置該浮動節點至一參考電壓。 5·如申請專利範圍第1項之主動像素，其中該N型層具有至 少三指狀結構，具有至少二P型空隙區域分開該指狀結構。 6. 如申請專利範圍第5項之主動像素，其中該p型空隙區域 爲一 P +空隙區域。 7. 如申請專利範圍第5項之主動像素，其中該N型區域爲I- 13
    1282170 形、Η形、T形或〇形之一。 8. —種影像兀件’包括： 一光電二極體，形成於一半導體基底，該光電二極體爲形 成於一 Ρ型區域之間的Ν型區域，該Ν型區域具有至少二 具有Ρ型空隙區域於其間之指狀結構，當延伸一垂直截面 時，該指狀結構約略垂直該半導體基底之一表面； 一傳遞電晶體，形成於該光電二極體以及一浮動節點之 間，並且選擇性地作用以傳遞一訊號由該光電二極體至該 浮動節點，其中該Ρ型空隙區域具有可以被調整之雜質濃 度，以在關閉該傳遞電晶體之後達到完全空乏；以及 一放大電晶體，由該浮動節點所控制。 9·如申請專利範圍第8項之影像元件，其中該光電二極體具 有一 Ρ +固定層位於該半導體基底之表面以及該Ν型區域之 上。 1 0 ·如申請專利範圍第8項之影像元件，其中該ρ型空隙區域 爲一 Ρ +空隙區域。 1 1 ·如申請專利範圍第8項之影像元件，更包括一重置電晶體 作用以重置該浮動節點至一參考電壓。 如申請專利範圍第8項之影像元件，其中該ν型層具有至 少Ξ指狀結構，具有二Ρ型空隙區域分離該指狀結構。 如申5靑專利範圍第1 2項之影像元件，其中該ρ型空隙區域 爲〜Ρ +空隙區域。 14 1282170 負丨)λ : 14.如申請專利範圍第8項之影像元件，其中該N型區域爲I-形、Η形、T形或Ο形之一。
    15
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