TWI389307B - 固態成像裝置及攝影機 - Google Patents

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Description

固態成像裝置及攝影機
本發明係關於一種固態成像裝置及攝影機，特定言之係關於MOS(金氧半導體)固態成像裝置及攝影機。
固態成像裝置包括電荷傳輸固態成像裝置，其係由CCD(電荷耦合裝置)影像感測器代表，及放大固態成像裝置，其係由MOS(金氧半導體)影像感測器代表，諸如CMOS(互補金氧半導體)影像感測器。當將CCD影像感測器與MOS影像感測器比較時，CCD影像感測器可能需要較高驅動電壓以傳輸信號電荷，使得用於CCD影像感測器之電源供應電壓可高於MOS影像感測器之電源供應電壓。
相應地，併入攝影機之行動電話單元、PDA(個人數位助理)及其他行動裝置通常使用CMOS影像感測器作為黏著於其上之固態成像裝置。CMOS影像感測器因為電源供應電壓低於CCD影像感測器並且功率消耗亦低於CCD影像感測器而較有利。
對於絕緣及隔離元件，LOCOS(局部矽氧化)(選擇性氧化)元件隔離系統或STI(淺溝渠隔離)元件隔離系統已知係用於MOS影像感測器內之元件隔離系統(參見日本未經審核專利申請公開案第2002－270808號)。特定言之，隨著像素越來越小型化，STI元件隔離系統已廣泛得以使用。
固態成像裝置中，像素數目已隨解析度改善而增加，並且像素隨固態成像裝置包括大量像素而進一步小型化。
由於在上述MOS影像感測器中像素隨數目增加而越來越小型化，用作光電轉換部分之光二極體的區域減小，結果減小飽和電荷數量及敏感度。明確而言，每一像素以光電方式轉換的電荷數目(即每像素電子數目)減小，並且飽和電荷數量(及相應的飽和信號數量)降低。此趨勢隨像素進一步小型化而增加。
當基於LOCOS隔離系統或STI隔離系統之絕緣與隔離用作元件隔離時，可在充當光電轉換元件之光二極體與絕緣與隔離區域間的介面上造成暗電流及白斑。
吾人希望提供一種固態成像裝置及攝影機，其中藉由改善將電荷轉換為信號電壓時的轉換效率同時抑制暗電流及白斑之出現來增加敏感度。
依據本發明之一具體實施例，提供具有陣列式像素之固態成像裝置，各像素包括一光電轉換元件及一讀取電晶體，該讀取電晶體用於讀取在光電轉換元件中以光電方式轉換為浮動擴散部分之電荷。與浮動擴散部分接界之元件隔離區域係由淺溝渠元件隔離區域形成，其他元件隔離區域係由雜質擴散隔離區域形成。
依據本發明之固態成像裝置及攝影機的一具體實施例，由於與浮動擴散部分接界之元件隔離區域係由淺溝渠元件隔離區域形成，浮動擴散部分之容量減小，因此可提高轉換效率。由於其他元件隔離區域係由雜質擴散隔離區域形成，可抑制暗電流與白斑之出現。
依據本發明之固態成像裝置及攝影機的具體實施例，可藉由改善轉換效率同時抑制暗電流與白斑增加敏感度。因此，該具體實施例之固態成像裝置及攝影機適合應用於像素區域隨像素數目增加而減小的固態成像裝置及攝影機。
已研究將電荷轉換為信號電壓時的光電轉換之轉換效率。明確而言，以光電方式轉換之電荷係轉換為電壓並作為像素信號從MOS影像感測器之電路輸出。因此，即使當每像素電子數目(電荷數量)較小時，若表達每電荷信號電壓之轉換效率增加，則可補償由光二極體之區域減小引起的數目降低。
轉換效率η係由以下等式(1)定義。單位係μV/e： q：每電子電荷數量 CFD ：關於浮動擴散部分之總容量 G：源極隨耦器增益
轉換效率η與關於浮動擴散部分之總容量的倒數成正比並與源極隨耦器之增益G成正比。因此，轉換效率η藉由增加增益及降低浮動擴散部分之總容量而提高。浮動擴散部分之總容量指示所有下列內容：成為浮動擴散部分之擴散層之接面電容、閘極重疊容量、連接至浮動擴散部分之導線的線路容量以及關於浮動擴散部分之其他容量。此處，由於源極隨耦器之增益在最大值時係1.0，通常係大 約0.8，減小浮動擴散部分之總容量CFD 以改善轉換效率η很重要。
依據本發明之固態成像裝置及攝影機之具體實施例，減小關於浮動擴散部分之總容量以改善轉換效率，從而可抑制暗電流與白斑。
下面將參考圖式詳細說明本發明的具體實施例。
圖1係一方塊圖，其顯示應用本發明之一具體實施例的放大固態成像裝置之組態的一範例，例如MOS(金氧半導體)影像感測器。如圖1所示，依據該具體實施例之MOS影像感測器10具有區域感測器組態。MOS影像感測器10包括單元像素11，其包括光電轉換元件，例如光二極體；像素陣列部分12，其包括排列於二維矩陣內之單元像素11；垂直選擇電路13；行電路14，其充當信號處理電路；水平選擇電路15；水平信號線16；輸出電路17；時序產生器18及其他元件。
垂直信號線121係針對配置於矩陣內之像素的各行佈線於像素陣列部分12內。稍後將說明單元像素11之特定電路配置。垂直選擇電路121包括移位暫存器等等。垂直選擇電路13循序為個別列輸出控制信號，例如傳輸信號，以驅動讀取電晶體(下文稱為"傳輸電晶體"，並將讀取閘極電極稱為"傳輸閘極電晶體")112，以及重設信號，以驅動重設電晶體113。因此，像素陣列部分12內之個別單元像素11係針對個別列選擇性地加以驅動。
行電路14係為像素陣列部分12之水平方向上的像素提供 之信號處理電路，即用於個別垂直信號線121，並包括S/H(取樣及保持)電路及CDS(相關雙重取樣)電路等等。水平選擇電路15包括移位暫存器等等。水平選擇電路15循序選擇透過行電路14從個別像素11輸出之信號並將結果輸出至水平信號線16。此處，為簡化說明圖1內未例示水平選擇開關。水平選擇開關係針對個別行藉由水平選擇電路15循序開啟/關閉。
當水平選擇電路15選擇性地驅動水平選擇開關時，透過水平信號線16將針對個別行從行電路14循序輸出之單元像素11的信號供應至輸出電路17，在輸出電路17予以放大及處理，並輸出至裝置外部。時序產生器18產生各種時序信號，根據此類信號驅動及控制垂直選擇電路13、行電路14及水平選擇電路15。
圖2係電路圖，其顯示單元像素11之電路配置的一範例。如圖2內所示，除光電轉換元件(例如光二極體111)外，依據該範例之單元像素11A包括傳輸電晶體112、重設電晶體113及放大電晶體114三個像素電晶體。此處，舉例而言，將N通道MOS電晶體用作該等像素電晶體112、113及114。
傳輸電晶體112係連接於光二極體111之陰極與FD(浮動擴散)部分116之間，並在接收供應至其閘極的傳輸脈衝ΦTRG後將在光二極體111中以光電方式轉換並且累積於其中的信號電荷(本文中為電子)傳輸至FD部分116。
將重設電晶體113之汲極連接至選擇電源供應 SELVDD，並將其源極連接至FD部分116。因此，當在將信號電荷從光二極體111傳輸至FD部分116前將重設脈衝ΦRST供應至重設電晶體113之閘極時，重設電晶體113重設FD部分116之電位。選擇電源供應SELVDD選擇性地使用VDD位準及GND位準作為電源供應電壓。
放大電晶體114具有一源極隨耦器配置，其中將其閘極連接至FD部分116，將其汲極連接至選擇電源供應SELVDD，並將其源極連接至垂直信號線121。當選擇電源供應SELVDD具有VDD位準時，為放大電晶體114通電，以選擇像素11A並將獲得自藉由重設電晶體113重設之FD部分116的電位輸出至垂直信號線121作為一重設位準。另外，在藉由傳輸電晶體112將信號電荷作為信號位準傳輸至垂直信號線121後，放大電晶體114輸出獲得自FD部分116之電位。
圖3係電路圖，其顯示單元像素11之電路配置的另一範例。如圖3內所示，依據該電路範例之單元像素11B係一像素電路，除光電轉換元件外，例如，其包括光二極體111、傳輸電晶體112、重設電晶體113、放大電晶體114及選擇電晶體115四個像素電晶體。此處，舉例而言，將N通道MOS電晶體用作該等像素電晶體112至115。
傳輸電晶體112係連接於光二極體111之陰極與FD(浮動擴散)部分116之間，並回應供應至其閘極的傳輸脈衝ΦTRG而將在光二極體111中以光電方式轉換並且累積於其中的信號電荷(本文中為電子)傳輸至FD部分116。
重設電晶體113之汲極係連接至電源供應VDD，其源極係連接至FD部分116，並且在將信號電荷從光二極體111傳輸至FD部分116前於重設脈衝ΦRST被供應至其閘極時重設FD部分116之電位。
將選擇電晶體115之汲極連接至電源供應VDD，將其源極連接至放大電晶體114之汲極，並且回應供應至其閘極之選擇脈衝ΦSEL而予以開啟，以藉由供應電源供應VDD至放大電晶體114選擇像素11B。應注意，可將選擇電晶體115連接於放大器電晶體114之源極與垂直信號線121之間。
放大電晶體114具有一源極隨耦器配置，其中分別將其閘極連接至FD部分116，將其汲極連接至選擇電晶體115之源極，並將其源極連接至垂直信號線121。放大電晶體114將藉由重設電晶體113重設後的FD部分116之電位輸出至垂直信號線121，作為重設位準。另外，在藉由傳輸電晶體112將信號電荷傳輸至垂直信號線121作為信號位準後，放大電晶體114輸出FD部分116之電位。
接下來，說明依據本發明之像素陣列部分的具體實施例，其係應用於上述像素陣列部分12。
圖4至圖7A、7B及7C顯示一固態成像裝置，此具體實施例中係依據本發明之第一具體實施例的CMOS影像感測器，特定言之係其像素陣列部分之第一具體實施例。
圖4顯示依據本發明之具體實施例之像素陣列部分12的一佈局之範例。此具體實施例中，如圖4內所示，像素陣 列部分包括複數個單元像素11之一陣列，該等單元像素係由充當光電轉換元件之光二極體22及三個像素電晶體形成，三個像素電晶體即傳輸電晶體Tr1、重設電晶體Tr2及放大電晶體Tr3。此範例中，電晶體Tr1至Tr3之各個係由n通道MOS電晶體形成。
如圖4及5所示(圖5係圖4內直線D－D上之斷面圖)，第一導電率類型半導體基板，此範例中係n型矽基板20，具有形成於其上的第二導電率類型(例如p型)半導體井區域21。光二極體22係形成於p型半導體井區域21內並包括n型半導體區域(擴散層)23，其成為電荷累積區域，以及p型累積層24，其用以抑制n型半導體區域(擴散層)23表面上的暗電流。
傳輸電晶體Tr1包括作為其源極之光二極體22、作為其汲極之n型半導體區域(擴散層)25，其成為形成於p型半導體井區域21內之浮動擴散(FD)部分，以及透過閘極絕緣膜26形成之傳輸閘極電極27。
重設電晶體Tr2包括作為其源極之n型半導體區域25，其成為浮動擴散(FD)部分，作為其汲極之n型半導體區域(擴散層)28，其係形成於p型半導體井區域21內，以及透過閘極絕緣膜26形成之重設閘極電極29。
放大電晶體Tr3包括作為其源極及汲極之n型半導體區域(擴散層)31及28，其係形成於p型半導體井區域21內，以及透過閘極絕緣膜26形成之放大閘極電極32。
接著，依據本發明之具體實施例，特定言之，如圖6(圖 6係圖4內主要部分之放大圖示)及圖7A、7B與7C(圖7A係圖6內直線A－A上的斷面圖，圖7B係圖6內直線B－B上的斷面圖，而圖7C係圖6內直線C－C上的斷面圖)所示，與成為浮動擴散(FD)部分之n型半導體區域25接界的元件隔離區域係如下形成。明確而言，藉由STI元件隔離區域(下文中稱為"淺溝渠元件隔離區域")36形成n型半導體區域25。淺溝渠元件隔離區域36係按以下方式形成：以絕緣膜填充形成於基板21內之溝渠34，例如，藉由由雜質擴散部分(下文中稱為"雜質擴散隔離區域")37形成之擴散隔離區域形成氧化矽膜35及其他元件隔離區域。雜質擴散隔離區域37由p型半導體區域形成，此範例中，其導電率類型與個別電晶體Tr1至Tr3之擴散層25、28及31相反。
另外，在淺溝渠元件隔離區域36及雜質擴散隔離區域37之整個表面上形成具有等於閘極絕緣膜26之一膜厚度的一絕緣膜39。元件隔離區域36及37上之絕緣膜39實質上係由電晶體之閘極絕緣膜26形成，即閘極絕緣膜26之延伸部分。未在元件隔離區域36及37上形成除等於閘極絕緣膜的絕緣膜39外之其他絕緣膜。因此，從電晶體之作用區域至元件隔離區域36及37的整個區域成為平坦化表面。電晶體Tr1至Tr3之各個的傳輸閘極電極27、重設閘極電極29及放大閘極電極32之部分係從通道區域延伸至雜質擴散隔離區域37。
個別電晶體Tr1至Tr3之個別閘極電極27、29及32包括對應於通道區域41、42及43之第一部分，其係作用區域，以 及從通道區域延伸至元件隔離區域(即雜質擴散隔離區域)37之第二部分，兩部分係由不同材料製成。雖然閘極電極27、29及32係由多晶矽、非晶矽製成，此範例中係多晶矽，摻雜至第一部分內之雜質與第二部分不同。圖8A及8B至圖11A及11B顯示個別範例。此處，符號S表示源極區域，符號D表示汲極區域，而參考數字37表示擴散隔離區域。
圖8A及8B所示之範例中，閘極電極[27、29、32]之第一部分46係由n型雜質摻雜多晶矽形成，第二部分47係由p型雜質摻雜多晶矽形成(第一部分/第二部分係由n型雜質摻雜多晶矽/p型雜質摻雜多晶矽形成)。
圖9A及9B所示之範例中，閘極電極[27、29、32]之第一部分46係由p型雜質摻雜多晶矽形成，第二部分47係由n型雜質摻雜多晶矽形成(第一部分/第二部分係由p型雜質摻雜多晶矽/n型雜質摻雜多晶矽形成)。
圖10A及10B所示之範例中，閘極電極[27、29、32]之第一部分46係由n型雜質摻雜多晶矽形成，第二部分47係由未摻雜多晶矽形成(第一部分/第二部分係由n型雜質摻雜多晶矽/未摻雜多晶矽形成)。
圖11A及11B所示之範例中，閘極電極[27、29、32]之第一部分46係由p型雜質摻雜多晶矽形成，第二部分47係由未摻雜多晶矽形成(第一部分/第二部分係由p型雜質摻雜多晶矽/未摻雜多晶矽形成)。
依據本發明之第一具體實施例的MOS影像感測器，成為 浮動擴散部分的與n型半導體區域25接界之元件隔離區域係由淺溝渠元件隔離區域36形成，其中將絕緣膜35填充至溝渠34內。形成於浮動擴散部分之n型半導體區域25與基板間的容量減小。因此，可減小浮動擴散部分之總容量CFD ，並且可提高將以光電方式轉換之電荷轉換為信號電壓時的轉換效率。因此，即使以光電方式轉換之電荷的數目(即電子數目)隨像素小型化而減少，可獲得較高轉換效率，從而可改善MOS影像感測器之敏感度。另一方面，由於除與浮動擴散部分接界之區域外的其他區域之元件隔離區域係由p型雜質擴散隔離區域37形成，可抑制暗電流與白斑之出現。
另外，由於在元件隔離區域36及37上僅形成膜厚度等於閘極絕緣膜之絕緣膜，此範例中係與閘極絕緣膜26相同之絕緣膜39，可防止閘極電極與元件隔離區域36及37重疊。因此，即使當像素越來越小型化，可簡化結構而不會使表面上結構複雜化。
另外，若個別電晶體Tr1至Tr3之閘極電極27、29及32具有組合結構，其中對應於通道區域之第一部分46及對應於雜質擴散區域37之第二部分47係由不同材料形成，即n型雜質摻雜材料、p型雜質摻雜材料及未摻雜材料，則即使當將閘極電壓施加於第一部分時，不會將閘極電壓施加於第二部分。即，由於pn接面係形成於第一與第二部分46及47間的邊界處，或者第二部分47係由未摻雜材料形成並具有較高電阻以實質上當作一絕緣材料，不會將閘極電壓施 加於第二部分47。因此，可防止形成使用第二部分47作為寄生閘極之寄生MOS電晶體。因此，可防止電荷從通道區域洩漏至通道側(雜質擴散隔離區域37)並可靠地防止電荷洩漏至相鄰像素內。
圖12及圖13A至13C顯示一固態成像裝置，此範例中係依據本發明之第二具體實施例的MOS影像感測器，特定言之係其像素陣列部分之第二具體實施例。圖12及圖13A至13C分別對應於依據本發明之上述第一具體實施例的圖6及圖7A至7C。其餘配置類似於圖4及5內所示者。圖12及圖13A至13C中，與圖6及圖7A至7C內相同的元件及零件由相同參考數字表示。
另外，本發明之第二具體實施例中，與參考圖4及圖5之上述說明類似，固態成像裝置包括複數個單元像素11之陣列，該等單元像素包括作為光電轉換元件之光二極體22以及三個像素電晶體，即讀取電晶體(下文中稱為"傳輸電晶體")Tr1、重設電晶體Tr2及放大電晶體Tr3。此具體實施例中，電晶體Tr1至Tr3之各個係由n通道MOS電晶體組成。
另外，與圖4及5所示者類似，第一導電率類型半導體基板，即n型矽基板20，具有形成於其上的第二導電率類型(例如p型)半導體井區域21。光二極體22係形成於p型半導體井區域21內並包括n型半導體區域(擴散層)23，其成為電荷累積區域，以及p型累積層24，其用以抑制n型半導體區域(擴散層)23表面上的暗電流。
傳輸電晶體Tr1包括作為其源極之光二極體22、作為其 汲極之n型半導體區域(擴散層)25，其成為形成於p型半導體井區域21內之浮動擴散(FD)部分，以及透過閘極絕緣膜26形成之傳輸閘極電極27。
重設電晶體Tr2包括作為其源極之n型半導體區域25，其變為浮動擴散(FD)部分，作為其汲極之n型半導體區域(擴散層)28，其係形成於p型半導體井區域21內，以及透過閘極絕緣膜26形成之重設閘極電極29。
放大電晶體Tr3包括作為其源極及汲極之n型半導體區域(擴散層)31及28，其係形成於p型半導體井區域21內，以及透過閘極絕緣膜26形成之放大閘極電極32。
接著，依據本發明之第二具體實施例，特定言之，如圖12及圖13A至13C(圖13A係圖12內直線A－A上的斷面圖，圖13B係圖12內直線B－B上的斷面圖，而圖13C係圖12內直線C－C上的斷面圖)所示，元件隔離區域係如下形成。因此，元件隔離區域沿傳輸通道區域從成為浮動擴散(FD)部分的與n型半導體區域25接界之區域延伸至延伸到傳輸閘極電極下方之部分的區域。藉由淺溝渠元件隔離區域36形成元件隔離區域，其中以絕緣膜填充形成於基板21內之溝渠34，例如氧化矽膜35。另一元件隔離區域係由雜質擴散隔離區域37形成，其係由雜質擴散部分製成。雜質擴散隔離區域37由P型半導體區域形成，此範例中，其導電率類型與個別電晶體Tr1至Tr3之擴散層25、28及31相反。
延伸至傳輸閘極電極下方之淺溝渠元件隔離區域36的末端部分未接觸n型半導體區域23，其係光二極體之電荷累 積區域，相反，將雜質擴散隔離區域37提供於淺溝渠元件隔離區域36之延伸部分的末端與光二極體22之間。
另外，如圖13A至13C所示，在淺溝渠元件隔離區域36及雜質擴散隔離區域37之整個表面上形成具有等於閘極絕緣膜26之膜厚度的一絕緣膜39。元件隔離區域36及37上之絕緣膜39實質上係由電晶體之閘極絕緣膜26形成，即閘極絕緣膜26之延伸部分。未在元件隔離區域36及37上形成除等於閘極絕緣膜26的絕緣膜39外之其他絕緣膜。因此，將從電晶體之作用區域至元件隔離區域36及37的整個區域完全形成為平坦化表面。個別電晶體Tr1至Tr3之傳輸閘極電極27、重設閘極電極29及放大閘極電極32之部分係從通道區域延伸至雜質擴散隔離區域37。
依據本發明之第二具體實施例，在個別電晶體Tr1至Tr3之個別閘極電極27、29及32中，作為作用區域的對應於通道區域41、42及43之第一部分以及從通道區域延伸至雜質擴散隔離區域37之第二部分可由不同材料製成，類似於圖8至圖11A至11C內所示的上述個別範例。
依據本發明之第二具體實施例的MOS影像感測器，成為浮動擴散部分的與n型半導體區域25接界之元件隔離區域係由淺溝渠元件隔離區域36形成，其中將絕緣膜35填充至溝渠34內。因此，可減小浮動擴散部分之總容量CFD ，並且可提高將以光電方式轉換之電荷轉換為信號電壓時的轉換效率。因此，即使以光電方式轉換之電荷的數目(即電子數目)隨像素小型化而減少，可獲得較高轉換效率，從 而可改善MOS影像感測器之敏感度。
另外，由於淺溝渠元件隔離區域36之一部分係在傳輸閘極電極27下方延伸，可容易地從光二極體22讀取電荷至浮動擴散部分25。即，若傳輸通道側之元件隔離區域係由p型雜質擴散隔離區域37形成，可在製程之退火程序中將p型雜質從雜質擴散隔離區域容易地擴散至傳輸閘極電極下方之部分，即傳輸通道區域。當將p型雜質擴散至傳輸通道區域內時，傳輸電晶體Tr1之臨界電壓Vt有效增加，其可導致讀取電荷之困難。然而，依據本發明之第二具體實施例，淺溝渠元件隔離區域36可防止p型雜質在退火程序中從雜質擴散隔離區域擴散至傳輸通道區域，從而可防止臨界電壓Vt升高。
另外，由於淺溝渠元件隔離區域36之一部分係形成為延伸於傳輸閘極電極27下方，可防止電荷從傳輸通道區域洩漏至位於通道側之雜質擴散隔離區域37。
另一方面，由於除從與浮動擴散部分接界之部分延伸至傳輸閘極電極部分下方之一部分的區域外之另一區域內的元件隔離區域係由p型雜質擴散隔離區域37形成，可抑制暗電流與白斑之出現。
另外，當個別電晶體Tr1至Tr3之閘極電極27、29及32對應於通道區域的第一部分46以及對應於雜質擴散隔離區域37之第二部分47係由不同材料形成，如上所述，可防止形成寄生MOS電晶體，其具有作為寄生閘極之第二部分47。另外，可可靠地防止電荷從通道區域洩漏至通道側(雜質 擴散隔離區域37)或者可可靠地防止電荷洩漏至相鄰像素內。
依據本發明之第一及第二具體實施例，藉由形成膜厚度等於閘極絕緣膜26之絕緣膜39，平坦化淺溝渠元件隔離區域36及雜質擴散隔離區域37之整個表面。然而，本發明之一具體實施例並不限於此，如圖14內顯示之本發明的第三具體實施例中所示，可在雜質擴散隔離區域37上形成比閘極絕緣膜26更厚之絕緣膜48，例如氧化矽膜。其餘配置類似於本發明之第一具體實施例及本發明之第二具體實施例。
在上述配置之情形中，其不同於圖8A及8B至圖11A及11B內所示之配置，對應於作用區域之第一部分及對應於元件隔離區域之第二部分可由相同材料製成。由於具有較大厚度之絕緣膜48係形成於雜質擴散隔離區域37上，即使當閘極電極與較厚絕緣膜48重疊，可防止形成寄生MOS電晶體。
另外，依據圖14內所示之本發明的第三具體實施例，至少與浮動擴散部分接界之元件隔離區域係由淺溝渠元件隔離區域36形成。因此，即使在像素小型化時，也可增強轉換效率，並可增加敏感度。另外，由於另一元件隔離區域係由雜質擴散隔離區域37形成，可抑制暗電流與白斑之出現。
本發明之具體實施例適合應用於具有除傳輸電晶體外之其他像素電晶體係與複數個像素(例如兩個像素、四個像 素等)共享之配置的MOS影像感測器。下文中將此配置稱為"像素共享配置"。依據像素共享MOS影像感測器，在取決於佈局之一浮動擴散部分上交替讀取來自兩個光二極體之電荷。例如，當固態成像裝置係四像素共享時，形成兩個浮動擴散部分並藉由線路電性連接該等兩個浮動擴散部分。為此，可增加浮動擴散部分之總容量。因此，若將組合淺溝渠元件隔離區域及雜質擴散隔離區域之元件隔離區域應用於固態成像裝置作為一元件隔離區域，則可藉由減小浮動擴散部分之總容量改善轉換效率。
圖15顯示MOS影像感測器之等效電路的一範例，其中像素電晶體係與四個像素共享。如圖15所示，依據此具體實施例之等效電路包括四個光二極體PD1、PD2、PD3、PD4、四個傳輸電晶體TrG1、TrG2、TrG3、TrG4、兩個浮動擴散部分FD1、FD2、一共享重設電晶體TrRST、一放大電晶體TrAMP及一選擇電晶體TrSEL。
透過傳輸電晶體TrG1及TrG3將第一及第三光二極體PD1及PD3連接至第一浮動擴散部分FD1。另外，透過傳輸電晶體TrG2及TrG4將第二及第四光二極體PD2及PD4連接至第二浮動擴散部分FD2。用於供應傳輸脈衝之傳輸線路51、52、53及54係個別連接至第一至第四傳輸電晶體TrG1至TrG4之閘極。
第一及第二浮動擴散部分FD1及FD2係共同連接至放大電晶體TrAMP之閘極及重設電晶體TrRST之源極。將電源供應線路(VDD)56連接至重設電晶體TrRST之汲極及放大 電晶體TrAMP之汲極。用於供應重設脈衝之重設線路57係連接至重設電晶體TrRST之閘極。
將放大電晶體TrAMP之源極連接至選擇電晶體TrSEL之汲極，將選擇電晶體TrSEL之源極連接至垂直信號線59，並將選擇電晶體TrSEL之閘極連接至用於供應選擇脈衝之選擇線路58。
上述電路配置中，在個別光二極體PD1至PD4以光電方式轉換之電荷係以一時間差異循序讀取至對應第一及第二浮動擴散部分FD1及FD2，在放大電晶體TrAMP轉換為像素信號並輸出至垂直信號線59。將讀取至第一及第二浮動擴散部分FD1及FD2之電荷轉換為像素信號並透過重設電晶體TrRST予以重設。
依據本發明之第四具體實施例，MOS影像感測器包括像素陣列部分，其中排列圖14內所示四像素共享結構之等效電路。與第一及第二浮動擴散部分FD1及FD2接界之元件隔離區域係由淺溝渠元件隔離區域形成，並且其他元件隔離區域係由雜質擴散隔離區域形成，從而獲得類似於本發明之上述第一及第二具體實施例的元件隔離結構。
依據本發明之第四具體實施例，由於在四像素共享配置中電性連接第一及第二浮動擴散部分FD1及FD2，浮動擴散部分FD1及FD2之容量增加。然而，由於與浮動擴散部分FD1及FD2接界之元件隔離區域係由淺溝渠元件隔離區域形成，浮動擴散部分之容量可減小，從而可改善轉換效率。相應地，根據淺溝渠元件隔離區域及雜質擴散隔離區 域之組合，可藉由改善轉換效率同時抑制暗電流與白斑之出現增加敏感度。
依據MOS影像感測器，可與浮動擴散部分相隔一距離地形成構成像素之重設電晶體。此配置中，藉由線路連接成為浮動擴散部分之擴散層及重設電晶體之源極區域。若將本發明之具體實施例應用於該配置，如本發明之第一及第二具體實施例所示，至少與浮動擴散部分接界之區域的元件隔離區域係由淺溝渠元件隔離區域形成。此外，與獨立形成之重設電晶體的源極區域(擴散層)之周邊接界的元件隔離區域亦係由淺溝渠元件隔離區域形成。其他元件隔離區域係由雜質擴散隔離區域形成。
依據本發明之上述第五具體實施例，可藉由提高轉換效率同時抑制暗電流與白斑之出現改善敏感度。
雖然依據上述具體實施例將n通道MOS電晶體作為個別像素電晶體應用於固態成像裝置，本發明並不限於此，並且可將p通道MOS電晶體應用於固態成像裝置，作為像素電晶體。上述具體實施例中，在n通道MOS電晶體情形下，將n型設定為第一導電率類型，而將p型設定為第二導電率類型。在p通道MOS電晶體情形下，將p型設定為第一導電率類型，而將n型設定為第二導電率類型。即，n通道及p通道具有相反導電率類型。
另外，舉例而言，將本發明之上述具體實施例應用於區域感測器，其中將像素排列於二維矩陣內。本發明並不限於應用於區域感測器，而可應用於線性感測器(線感測 器)，其中以一維方式線性排列上述像素。
圖16為示意性斷面圖，其顯示依據本發明之具體實施例的攝影機。依據本發明之具體實施例的攝影機係能夠捕捉靜態影像或移動影像之視訊攝影機。
如圖16所示，依據本發明之具體實施例的攝影機包括MOS影像感測器10、光學系統210、快門裝置211、驅動電路212及信號處理電路213。
光學系統210將自物體反射之影像光(入射光)聚焦於MOS影像感測器10之成像螢幕上。因此，在特定週期內將信號電荷累積於MOS影像感測器10中。
快門裝置211經組態用以控制用於MOS影像感測器10之光照射週期及光遮蔽週期。
驅動電路212經組態用以供應驅動信號，以控制MOS影像感測器10之傳輸操作及快門裝置211之快門操作。MOS影像感測器經組態用以在接收從驅動電路212供應之驅動信號(時序信號)後傳輸信號。信號處理電路213經組態用以執行各種信號處理。將在信號處理後獲得之影像信號儲存於儲存媒體中，例如記憶體，或輸出至監視器。
依據本發明之具體實施例的上述固態成像裝置，明確而言係MOS影像感測器，適合應用於黏著於行動裝置上之固態成像裝置，例如具有攝影機之行動電話單元及PDA。
特定言之，依據本發明之具體實施例，若光二極體作為光電轉換元件之區域與隨像素數目增加而減小的像素尺寸一起小型化，可改善轉換效率同時抑制暗電流與白斑之出 現。
熟習技術人士應瞭解，可根據設計要求與其它因素而進行各種修改、組合、子組合與變更，只要其在隨附申請專利範圍或其等效物之範疇內。
10‧‧‧MOS影像感測器
11‧‧‧單元像素
11A‧‧‧單元像素
11B‧‧‧單元像素
12‧‧‧像素陣列部分
13‧‧‧垂直選擇電路
14‧‧‧行電路
15‧‧‧水平選擇電路
16‧‧‧水平信號線
17‧‧‧輸出電路
18‧‧‧時序產生器
20‧‧‧n型矽基板
21‧‧‧半導體井區域
22‧‧‧光二極體
23‧‧‧n型半導體區域
24‧‧‧p型累積層
25‧‧‧n型半導體區域
26‧‧‧閘極絕緣膜
27‧‧‧傳輸閘極電極
28‧‧‧n型半導體區域
29‧‧‧重設閘極電極
31‧‧‧n型半導體區域
32‧‧‧放大閘極電極
34‧‧‧溝渠
35‧‧‧氧化矽膜
36‧‧‧STI元件隔離區域雜質擴散部分/雜質擴散隔
37‧‧‧離區域
39‧‧‧絕緣膜
41‧‧‧通道區域
42‧‧‧通道區域
43‧‧‧通道區域
46‧‧‧第一部分
47‧‧‧第二部分
48‧‧‧絕緣膜
51‧‧‧傳輸線路
52‧‧‧傳輸線路
53‧‧‧傳輸線路
54‧‧‧傳輸線路
56‧‧‧電源供應線路
57‧‧‧重設線路
58‧‧‧選擇線路
59‧‧‧垂直信號線
111‧‧‧光二極體
112‧‧‧讀取電晶體
113‧‧‧重設電晶體
114‧‧‧放大電晶體
116‧‧‧FD部分
121‧‧‧垂直信號線
210‧‧‧光學系統
211‧‧‧快門裝置
212‧‧‧驅動電路
213‧‧‧信號處理電路
FD1‧‧‧浮動擴散部分
FD2‧‧‧浮動擴散部分
PD1‧‧‧光二極體
PD2‧‧‧光二極體
PD3‧‧‧光二極體
PD4‧‧‧光二極體
Tr1‧‧‧傳輸電晶體
Tr2‧‧‧重設電晶體
Tr3‧‧‧放大電晶體
TrAMP‧‧‧放大電晶體
TrG1‧‧‧傳輸電晶體
TrG2‧‧‧傳輸電晶體
TrG3‧‧‧傳輸電晶體
TrG4‧‧‧傳輸電晶體
TrRST‧‧‧共享重設電晶體
TrSEL‧‧‧選擇電晶體
圖1係顯示應用本發明之一具體實施例的MOS影像感測器之配置的一範例的方塊圖。
圖2係顯示一單元像素之電路配置的一範例的電路圖。
圖3係顯示一單元像素之電路配置的另一範例的電路圖。
圖4係一顯示依據本發明之第一具體實施例的固態成像裝置的圖示，特定言之係顯示其像素陣列部分的主要部分。
圖5係圖4之直線D－D上的斷面圖。
圖6係一以放大比例顯示圖4所示之單元像素的主要部分的圖示。
圖7A係圖4內直線A－A上的斷面圖；圖7B係圖4內直線B－B上的斷面圖；圖7C係圖4內直線C－C上的斷面圖。
圖8A及8B係分別顯示一像素電晶體之閘極電極的一範例之平面圖與斷面圖。
圖9A及9B係分別顯示一像素電晶體之閘極電極的另一範例之平面圖與斷面圖。
圖10A及10B係分別顯示一像素電晶體之閘極電極的一範例之平面圖與斷面圖。
圖11A及11B係分別顯示一像素電晶體之閘極電極的另一範例之平面圖與斷面圖。
圖12係一顯示依據本發明之第二具體實施例的固態成像裝置的圖示，特定言之係顯示其像素陣列部分的主要部分。
圖13A係圖12內直線A－A上的斷面圖；圖13B係圖12內直線B－B上的斷面圖；圖13C係圖12內直線C－C上的斷面圖。
圖14係一顯示依據本發明之第三具體實施例的固態成像裝置的斷面圖，特定言之係顯示其像素陣列部分的主要部分。
圖15係顯示應用本發明之一具體實施例的像素共享電路配置之一範例的電路圖。
圖16係顯示依據本發明之一具體實施例的攝影機之組態的示意圖。
11‧‧‧單元像素
12‧‧‧像素陣列部分
22‧‧‧光二極體
25‧‧‧n型半導體區域
27‧‧‧傳輸閘極電極
28‧‧‧n型半導體區域
29‧‧‧重設閘極電極
31‧‧‧n型半導體區域
32‧‧‧放大閘極電極
36‧‧‧STI元件隔離區域雜質擴散部分/雜質擴散隔
37‧‧‧離區域
Tr1‧‧‧傳輸電晶體
Tr2‧‧‧重設電晶體
Tr3‧‧‧放大電晶體

Claims (20)

  1. 一種像素裝置，其包含：一光電轉換元件；一傳輸電晶體，其經組態以將在該光電轉換元件中以光電方式轉換之電荷傳輸至一浮動擴散部分；一重設電晶體，其經組態以重設該浮動擴散部分之一電位，其中該浮動擴散部分係形成於一第一淺溝渠隔離區域及一第二淺溝渠隔離區域之間，該第一淺溝渠隔離區域及該第二淺溝渠隔離區域與該浮動擴展部分接界，且其中該第一淺溝渠隔離區域及該第二淺溝渠隔離區域從該重設電晶體延伸至該傳輸電晶體。
  2. 一種像素裝置，其包含：一光電轉換元件；一傳輸電晶體，其經組態以將在該光電轉換元件中以光電方式轉換之電荷傳輸至一浮動擴散部分，其中該浮動擴散部分係形成於一第一淺溝渠隔離區域及一第二淺溝渠隔離區域之間，以及該第一淺溝渠隔離區域及該第二淺溝渠隔離區域與該浮動擴展部分接界接觸。
  3. 如請求項2之像素裝置，其進一步包含：一重設電晶體，其經組態以重設該浮動擴散部分之一電位。
  4. 如請求項3之像素裝置，其中該第一淺溝渠隔離區域及 該第二淺溝渠隔離區域從該重設電晶體延伸至該傳輸電晶體。
  5. 如請求項2之像素裝置，其中該第一淺溝渠隔離區域及該第二淺溝渠隔離區域在該傳輸電晶體的一閘極電極之下方延伸。
  6. 如請求項3之像素裝置，其中該第一淺溝渠隔離區域及該第二淺溝渠隔離區域在該傳輸電晶體的一閘極電極之下方延伸。
  7. 如請求項2之像素裝置，其中一第一雜質擴散隔離區域係形成於該第一淺溝渠隔離區域之一側，並與該第一淺溝渠隔離區域接界接觸，該第一淺溝渠隔離區域與該浮動擴散部分相對，該第一雜質擴散隔離區域具有一導電類型，其與該浮動擴散部分的導電類型相反。
  8. 如請求項7之像素裝置，其中一第二雜質擴散隔離區域係形成於該第二淺溝渠隔離區域之一側，並與該第二淺溝渠隔離區域接界接觸，該第二淺溝渠隔離區域與該浮動擴散部分相對，該第二雜質擴散隔離區域具有一導電類型，其與該浮動擴散部分的導電類型相反。
  9. 如請求項7之像素裝置，其中該第一雜質擴散隔離區域之一部份係插入該第一淺溝渠隔離區域之一末端部分與該光電轉換元件之間。
  10. 如請求項8之像素裝置，其中該第二雜質擴散隔離區域之一部份係插入該第二淺溝渠隔離區域之一末端部分與該光電轉換元件之間。
  11. 如請求項2之像素裝置，其中一平坦化絕緣膜係形成於該第一淺溝渠隔離區域及該第二淺溝渠隔離區域上，該平坦化絕緣膜具有等於一閘極絕緣膜之一厚度，該閘極絕緣膜包括於該傳輸電晶體中。
  12. 如請求項8之像素裝置，其中一平坦化絕緣膜係形成於該第一雜質擴散隔離區域及該第二雜質擴散隔離區域上，該平坦化絕緣膜具有等於一閘極絕緣膜之一厚度，該閘極絕緣膜包括於該傳輸電晶體中。
  13. 如請求項8之像素裝置，其中一絕緣層係形成於該第一雜質擴散隔離區域及該第二雜質擴散隔離區域上，該絕緣層具有較一閘極絕緣膜為厚之一厚度，該閘極絕緣膜包括於該傳輸電晶體中。
  14. 如請求項3之像素裝置，其中該浮動擴散部分係隔離於該重設電晶體之一源極。
  15. 如請求項14之像素裝置，其中一第三淺溝渠隔離區域係係形成於該重設電晶體之該源極之外圍。
  16. 如請求項15之像素裝置，其中該浮動擴散部分及該重設電晶體之源極係藉由線路而電性連接。
  17. 如請求項14之像素裝置，其中一元件隔離區域係形成於該第一淺溝渠隔離區域，該元件隔離區域與該浮動擴散部分接界。
  18. 一種影像裝置，其包括複數個如請求項2之像素裝置，該等像素裝置形成一陣列。
  19. 如請求項18之影像裝置，其中該複數個像素裝置共享不 同於該傳輸電晶體之像素電晶體。
  20. 一種攝影機，其包括如請求項2之像素裝置。
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