TWI294188B - Active pixel cell using asymmetric transfer transistor - Google Patents

Description

1294188 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於固態影像裝置（⑹id她imaging device )，特別是 關於互補式金氧半導體影像感測器。 【先前技術】 互補式金氧半導體（CMOS)影像裝置最初發展於測年代前後， 然而，因其效能令人不甚滿意而被忽略許久，直到年代初期，cm〇s ,又片知到日日片具有更小尺寸的像素、減少雜訊、更多可行的影像處理演 算法，以及更大的影像陣列等技術有顯著的改進後，重新獲得重視。相 對於光粞合it件（CCD)在不同的時脈下常需要五個或更多的供應電壓 而耗費大量電力之缺點，CMOS感測器主要的優點為低耗電率、主時鐘 (master clock)以及單一電壓電源供應器。 CMOS和CCD影像裝置皆透過當光子與晶化矽（ silicon )作用，將電子從價電帶（valence band )躍遷到傳導帶（⑶⑼ band )之光電效應感測光線，典型的做法是利用光電二極體作為像素的 光感性元件。CMOS影像感測器相較於CCD，其主要優點為可直接整合 至感測器整合電路，用以整合光子撞擊主要任務以外之處理和控制功 能。 像素為數位影像感測器之關鍵要素，像素包含不同的放大号 (amplification devices)、讀取裝置（readout devices)，以及光感、則 | 置（light sensing device )，例如光電二極體。當可見光的寬波長頻帶 (broad wavelength band)入射(incident on)到特殊石夕摻雜石夕半、 (specially doped silicon semiconductor )材料時，不同的電子釋出量 入射到光電二極體表面的光子通量密度成比例關係。電子會聚集2 井，直到照射期間結束，並且會透過CMOS處理器轉換成電壓或 或是經由CCD感測器移轉到計量暫存器（metering register )。 4 1294188 靈敏度係結合從入射光子轉換成電子之轉換功率（conversion efficiency )之光電二極體中所累積的最大電荷，以及在元件中不會發生 電流漏泄和外溢的限定區（confined re§ion )所積蓄之電荷加以決定。 這些要素通常由像素的實際大小和孔徑，以及該像素於陣列中和其相鄰 元件之空間和電子關係加以決定。像素一般分布在正交的格點上’所有 / 像素在陣列中每行每列所構成的訊號都必須精確地偵測和量度（讀 取），以確保從光電二極體電荷累積資料可彙集成影像。

最普遍的COMS設計係根據主動式像素感測器（active Pixel sensor ’ APS )技術’其中同時結合光電一極體和讀取放大裔（readout amplifier )以構成每個像素。上述技術可使積畜在光電二極體的電何轉 換為像素内部的放大電壓’接著依行列順序地移轉到晶片之類比訊號處 理單元，如此一來，除了光電二極體之外，每個像素（或是影像元素） 包含許多電晶體，可將累積電荷轉換為可量測的電壓、重置光電二極 體，並且將電壓轉移到垂直行共用導線（vertical column bus )。 CMOS影像感測器一個重要的優點是數位邏輯電路、時鐘驅動器、 計數器和類比-數位的轉換器皆可配置在同一石夕基板’並且同時安置在 像素陣列中。然而，為了確保具有低雜訊元件之高效能，標準的CM0S 製造程序必須時常配合影像感測器之需要而加以修改。例如’用於產生 邏輯晶片中電晶體接面的標準CMOS技術，當其應用於影像裝置時，可 能產生高度暗電流（dark currents )和低度藍響應（blue resPonse )。對 進行影像感測器製程最佳化時，通常會失去其他部份，如造成對於一般 CMOS元件造成不穩定。 【發明内容】 本發明用以降低CMOS影像感測器浮動擴散節點之電容，並且進而 提升影像感測器的靈敏度方法之具體實施例，將於此處進行詳細說明。 當寄生電容（例如轉移閘和浮動節點之間的電容）降低時，本發明提出 之裝置配置及其相關構造，和傳統配置之構造相較下，無須配置額外的 5 1294188 元件 在以下的說明中，提出—些具體的 期使習知該項相關領域技藝者徹底地理解本發二 下其他的實二不元件，等，便可實施本發明。在以 免模糊本發明之觀=對％知的結構、材料或程序作詳細的描述，以避 例所所指的「一具體實施例」係指本發明至少-具體實施 此，「-3且巧眘 特徵、結構或和該具體實施例有關聯之特性。因 '、體實施例」-辭可用於本說明書不同地方，且不必缺參昭到 相=具=例。再者，上述特殊的特 况下於一或多個具體實施例中結合。 一種固態影像裝置，包含··一具有第一傳導型態之半導體基板，·一 4隔離區’建構於上述半導體基板之上，用以定義主動區域；一光電 二極體轉換元件，配置於上述元件隔離區所環繞的元件區域；一第二傳 導型態之偵測區，配置於上述元件區域；以及一位於上述元件區域的轉 換閘’用以將上述光電轉換元件所產生的電荷移轉到上述偵測區，其中 上述偵測區的通道寬度和上述光電轉換元件的通道寬度不同。其中上述 谓測區的通道寬度小於上述光電轉換元件的通道寬度。其中上述谓測區 的通道寬度大於上述光電轉換元件的通道寬度。其中上述偵測區具有任 意的幾何形狀。上述偵測區對於上述穿過光電區長之通行參考線係為非 對稱的，X於上述光電區上是對稱的。歧上述偵須m於上述光電區 長之通行參考線是係為非對稱的，且將上述光電區等分。其中上述轉換 閘涵蓋一區域，於該區域中，上述偵測區的通道寬度和上述光電區的通 道寬度不同。上述元件隔離區為淺溝槽隔離（STI)。其中上述元件隔離 區為區域性氧化隔離（Locos)。其中上述光電元件為光電二極體。 【實施方式】 第一圖係先前技術所採用的像素元件配置和其搭配電路之示意 !294188 圖。搭配電路包括：重置電晶體8、控制電壓7、列選擇電晶體6、訊號 線5、負載電晶體4以及接地3。上述電路允許從像素二維陣列中選^ 單一像素，讀取該像素的内容，接著加以清除。像素同時具有元件隔離 區域10、用以構成單一累積區域之n_或p_通道光電二極體u、轉換 閘12，以及η-或p-型浮置擴散節點13。 、 第二圖係進一步詳細描述先前技術所採用之像素元件配置示竟 圖，顯示該結構於浮置擴散節點13兩端具有寬佈空乏區域16 (wideiy spread depletion regions )。這些耦接到轉換閘丨2的寬佈阻擋區域將會在 浮置擴散節點13產生大型寄生電容，造成可觀的效能衰減。

先前技術中有兩個用於降低浮置擴散節點13電容的主要方法：一 種方法係利用減小轉換閘的通道寬度W2，另一種方法則是縮短浮置擴 散節點的長度15。然而，當上述轉換閘12的通道寬度W2減小時，從 光電二極體11移轉到浮置擴散節點13的訊號電子讀取路徑會因而變得 更窄，而使訊號電荷移轉率受到干擾，造成影像延滯、訊號飽和程度下 降，以及靈敏度降低。同樣地，當浮置擴散節點的長度15縮短時，各 個浮置擴散節點13的電容的消散程度（dispersion)過大，以致於無法 被忽略不計，因而造成靈敏度發生異常。職是之故，在不發生影像延滯、 訊號飽和度下降，以及靈敏度降低的前提下，很難有效地降低浮置擴散 節點13的電容。 第三圖係依照本發明一具體實施例，所描繪的像素之部分元件配置 示意圖。在第3圖中，浮置擴散節點區域包含元件隔離區域1〇，例如區 域性氧化隔離（Locos)或是淺溝槽隔離1〇 ( STI);此外，包含以光電 二極體11為源極、轉換閘12，以及以浮置擴散節點13為沒極之轉換電 晶體係為非對稱的。在上述具體實施例中，浮置擴散節點13 一端的通 道寬度wfd小於另一端光電二極體u的通道寬度Wpd。 第四圖同樣係依照本發明一具體實施例，所描缘的像素之部分元件 配置示意圖。第四圖的元件配置類似第三圖的元件配置，具有近似的元 1294188 产年5"月勹日修缓：ut替換頁 件。第三圖和第四圖元件配置之主要差異在於浮置擴散節點13的位置 然而，這項差異並不影響第四圖電路的效能。

本發明的浮置擴散節點13可被配置於任意位置，無論浮置擴散節 點13的位置何在，都不會影響元件的運作效能。第三圖顯示一個實施 例，其中浮置擴散節點13位於左邊或右邊；而第四圖則顯示一個實施 例’其中浮置擴散節點13位於中央。除此之外，本發明只要維持wfd 小於Wpd之條件，上述浮置擴散節點13可為任意形狀。本發明亦可用 於所谓的共用晶胞結構（shared cell structure )，其中一個浮置擴散節點 13由兩個或多個光電二極體η共享。 依照第三圖和第四圖所示的具體實施例，因為浮置擴散節點丨3被 元件隔離區域10 (如區域性氧化隔離或是淺溝槽隔離）所包圍，空乏區 16不能過度擴張而超出隔離區域10，特別是在轉換閘寬度W2的方向 上。如此一來，可有效地減少轉換閘12和浮置節點間13的寄生電容。 再者’縮小Wfd將會減少浮置節點13的電容，如同縮減其區域面積所 產生的效果，可以獲致更高的靈敏度。本發明所述之浮動擴散節點13可 作為偵測區之用途。 決疋浮置擴散區域的元件隔離區1 〇，必須在轉換閘的長度15方向 上和轉換閘12重疊，但是重合長度Lovl須小於轉換閘長度Lgate。倘若 如第五圖沒有重疊時，空乏區會沿著轉換閘12擴張，且轉換閘12和浮 置節點13間的寄生電容因而增加。 第六A圖和六B圖顯示隨著Wfd函數之轉換，對應的訊號轉換增 益（signal conversion gain)以及光電二極體11之電壓變化的模擬結果。 當電子從光電二極體11移轉到浮置擴散節點13時，訊號轉換增益為浮 置擴散節點13的電壓改變量；乘以總移轉電子量後的電壓改變量，相 當於訊號電壓。而轉換增益係和浮置擴散節點13的電容量呈現反比關 係。在這些模擬中’假設和第1圖源極隨搞電晶體17相關的寄生電容 為零，該模擬採用第3圖描述的架構加以實現。本發明所述之浮動擴散節 1294188 j—--- ’ >年^勹曰修捷)正#换頁 點13亦可作為輸出節點之用途。 ^ ~" 如第六Α圖所示，轉換增益幾乎和Wfd成反比；另一方面，儘管 Wfd的值不同，光電二極體u轉換後的電壓仍維持相同。這表示雜訊 (kTC雜訊）和訊號飽和程度並不會因為減小Wfd數值而受到影響；因 此，在本發明中，獲取較高的靈敏度，並不需要透過其他效能評曰斷準 則，例如較低的訊號一雜訊比利，或較低的飽和程度。 第七A和七B圖為第3圖元件的兩種可能的A_A，橫斷面，其中 淺溝槽隔離係用於元件隔離區域10。第7八圖顯示訊號電荷為電子，光 電二極體11包含-η-型電荷累積層18、一 p_型表面遮蔽層19，以及一 P-型基板20,以形成一個固定（pinned)光電二極體。習知的固定光電二 極體，其優點在於有較低的暗電流和低雜訊；當然，不含表面遮蔽層19 的典型光電二極體11可使用於本發明中。第七B圖係依照本發明之一 具體實施例，其中訊號電荷為電洞（holes)。 第8圖為本發明之另一種實施方法。在該種方法中，〜大於〜， 且uvl大於零、小於Lgate。如果光電二極體丨丨完全去除的位能比電荷 轉移時造成的光電二極體丨丨位能更深（deeper)的話，亦即，當轉換閘12 的電壓為高，除了-般訊號電荷外，一些和kTC雜訊相關的雜訊電荷以 及影像延滯也會累積在浮置擴散節點13。在第8圖中，位於浮置擴散節 點13-端的Wfd會比位於光電二極體_Wpd更寬；這樣的結構使得 電荷從光電二極體11移動到浮置擴散節點13方向上的電流路徑逐漸變 寬，有助於降低kTC雜訊和影像延滯，經由測試晶片之驗證，訊號雜訊 比（S/N，Signal-t〇-N〇iserati〇)可獲致超過2〇%的改進，並且並未發 現如過去發現的高度暗電流或高雜訊等副作用。 以上對於本發明實施例之描述，包含摘要所描述者，並非用以窮盡 實施態樣或限定本發明於本說明書所揭露的刻板形式；本說明書所舉出 的具體實施例和實例係為闡述發明之目的，正如熟知相關技藝人士所肯 認者，各種等效的修改都可能落入本發明的範圍内。 1294188 日修漫)正替故 2來說’本說明書所提供的特u件蚊^電壓供應值，這此 使用相異於本說明書所指定的數值。料林_具體實施例可能 ^上述的說明，可能透過_歸改而達成本發明之功效1下的 叫專利犯圍所使用的名詞和條件限制，在解釋上不能將本發明偈限於 說明書和中請專利範圍所揭露之特定實施例；更確切地來說，本發明之 _應該由以下的中請專利範圍，透過中請專利範圍 則整體觀之。 +

從上述的說明，應理解為本發明提出之具體實施例係為說明之目 的，然而不脫離本發明的精神和範圍前提下，可能有不同的修改，因 此，除了附加的申請專利範圍外，本發明不應受到限制。 【圖式簡單說明】 參考以下圖示所對應的詳細說明，將可更容易地理解上述本發明之 觀點以及許多伴隨的優點。 第一圖係先前技術所採用的像素元件配置和其搭配電路之示意圖。 第二圖係進一步詳細描述先前技術所採用之像素元件配置示意圖。 第二圖係依照本發明之一具體實施例，所描繪的像素元件配置示意 圖。 第四圖係依照本發明之另一具體實施例，所描繪的像素元件配置示 意圖。 第五圖係像素之元件配置示意圖，元件隔離區並無重疊，定義浮置 擴散區域和轉換閘長度方向上的轉換閘。 第六A和六b圖係浮置擴散節點寬度函數轉換後，訊號轉換增益以及 像素電壓變化的模擬結果。 1294188 γ衫月勺日修(建)正替换頁 第七Α和七Β圖為第三圖元件的兩種可能的元件橫斷面示意圖。 第八圖係依照本發明實施例之另一種像素元件配置示意圖。 【主要元件符號說明】 接地3

負載電晶體4 訊號線5 列選擇電晶體6 控制電壓7 重置電晶體8 元件隔離區域10 光電二極體11 轉換閘12 浮置擴散節點13 浮置擴散節點的長度15 空乏區16

源極-隨耦電晶體17 電荷累積層18 表面遮蔽層19 p -型基板2 0 η-型基板21

Claims (1)

1. -1294188 十、申請專利範圍： L 一種固態影像裝置，包含： 一具有第一傳導型態之半導體基板； 一元件隔離區，建構於上述半導體基板之上，用以定義主動區域； 光電一極體轉換元件，配置於上述元件隔離區所環繞的元件區域； 第一傳導型態之摘測區，配置於上述元件區域，該伯測區係被該元件隔 離區所圍繞；以及 位於上述元件區域的轉換閘，該轉換閘係位於該光電二極體轉換元件與 . j偵測區之間，用以將上述光電轉換元件所產生的電荷移轉到上述偵測 區，其中上述偵測區的通道寬度和上述光電轉換元件的通道寬度不同。 如申明專利範圍！所述之固態影像裝置，其中上述偵測區的通道寬度小於 上述光電轉換元件的通道寬度。 、 如申明專利範圍丨所述之固態影像裝置，其中上述偵測區的通道寬度大於 上述光電轉換元件的通道寬度。 、 士申明專利範圍1所述之固態影像裝置，其中上述偵測區具有任意的 形狀。 .5·如巾請專利範圍⑽述之固態影像裝置，其中上述_區對於上述穿過光 "長之通行參考線係為非對稱的，且於上述光電區上是對稱的。 6·如申請專利範圍冰述之固態影像裝置，其中上述價測區於上述光電區長 之通行參考線是係為非對稱的，且將上述光電區等分。 7 Ή請專利範圍冰述之固態影像裝置，其中上述轉換閘涵蓋一區域，於 區或中，上述偵測區的通道寬度和上述光電區的通道寬度不同。 8·如申請專利範圍丨所述之固態影像裝置，其中上述元件隔離區為淺溝 離（STI)。 12 1294188 产年Γ月平修㈣正替換頁 其中上述元件隔離區為區域性氧 9.如申請專利範圍1所述之固態影像裝置 化隔離（Locos )。 10.如申請專利範圍丨所述之固態影像裝置，其中上述光電元件為光電二極 體。 11· 一互補式金氧半導體影像感測器，包含： 一具有第一傳導型態之半導體基板； 一 70件隔離區’建構於上述半導體基板之上，用以定義主動區域； 一光電轉換元件，配置於上述元件隔離區所環繞的元件區域； 一第二傳導型態之雜質區偵測區，配置於上述主動區域；以及 一位於上述元件區域的轉換閘，用以將上述光電轉換元件所產生的電荷移 轉到上述偵測區，其中上述偵測區的通道寬度和上述光電轉換元件的通道 寬度不同。 12·如申請專利範圍11所述之感測器，其中上述偵測區的通道寬度小於上述光 電轉換元件的通道寬度。 13·如申請專利範圍11所述之感測器，其中上述偵測區的通道寬度大於上述光 電轉換元件的通道寬度。 14·如申請專利範圍11所述之感測器，其中上述偵測區具有任意幾何形狀。 15.如申请專利範圍丨1所述之感測器，其中上述偵測區於上述光電區長度之通 行參考線上是非對稱的，且於上述光電區上是對稱的。 16·如申請專利範圍1 1所述之感測器，其中上述偵測區於上述光電區長度之通 行參考線上是非對稱的，且將上述光電區等分。 17·如申請專利範圍1丨所述之感測器，其中上述轉換閘涵蓋一區域，於該區域 中’上述偵測區的通道寬度和上述光電區的通道寬度不同。 18·如申請專利範圍11所述之感測器，其中上述元件隔離區為淺溝槽隔離。 13 1294188 19.如申請專利範圍U所述之感測器，其中上述元件隔離區為區域性氧化隔 離。 2〇·如申請專利範圍11所述之感測器，其中上述光電元件為光電二極體。 21.

   ，包含： ，用以定義主動區域 贅 :以及 利用半導體基板產生之主動式像素 一隔離區，建構於半導體基板之上 一光電元件，建構於上述主動區域 一輸出節點，建構於上述主動區域 一轉換閘，建構於上述輸出節點和上述光電元件之間，其中上述輸出節 點的通道寬度異於上述光電元件的通道寬度。 2·如申研專利範圍21所述之主動式像素，其中上述輸出節點的通道寬度小 於光電轉換元件的通道寬度。 23·如申請專利範圍21所述之主動式像素，其中上述輸出節點的通道寬度大 於光電轉換元件的通道寬度。 24·如申請專利範圍2：1所述之主動式像素，其中上述輸出節點具有任意的幾 何形狀。 申月專圍21所述之主動式像素，其中上述輸出節點於上述光電區 長之通行參考線上是非對稱的，且於上述光電區上是對稱的。 申請專利範圍21所述之主動式像素，其中上述輸出節點於上述光電區 長之通行參考線上是非對稱的，且將上述光電區等分。 27.^^利範圍21所述之主動式像素，其中上述轉換閘涵蓋—區域，於 該㈣中，上述輸出節點的通道寬度和上述光電區的通道寬度不同。 28·:申請專利範圍21所述之主動式像素，其中上述元件隔離區為淺溝槽隔 29·如申請專利範圍21所述之 主動式像素，其中上述元件隔離區為區域性氧 1294188 化隔離。 30.如申請專利範圍21所述之主動式像素，其中上述光電元件為光電二極體。

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