TWI399848B - 共享放大器像素之互補式金氧半導體之主動式像素感測器 - Google Patents

共享放大器像素之互補式金氧半導體之主動式像素感測器 Download PDF

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Description

共享放大器像素之互補式金氧半導體之主動式像素感測器
本發明一般而言係關於互補式金氧半導體影像感測器領域，且更特定言之係關於多個光偵測器共享一放大器的此類影像感測器。
在圖1中，一先前技術影像感測器的二共享像素示意圖包括二光偵測器(PD1與PD2)，其各具有一相關連的傳送閘極(TG1與TG2)，該傳送閘極將電荷傳送至一共同浮動擴散感應節點。一列選擇電晶體(RSEL)選擇要讀出的列，而具有一重置閘極(RG)的一重置電晶體將該共同浮動擴散感應節點(n＋)重置為一預定電壓。一源極隨耦器輸入電晶體(SF)感應在該共同浮動擴散感應節點(n＋)上的電壓並放大該信號。除四光二極體(PD1至PD4)與TG(TG1至TG4)共享共同組件外，在圖2中的先前技術影像感測器係一類似概念。
該些共享放大器像素旨在產生高填充因數、較小規模互補式金氧半導體製程之小像素。使用一小像素，光二極體可具有較低電荷容量。由於具有連接在一起的多個浮動擴散，共享放大器像素比不共享放大器像素本質上具有更高的浮動擴散電容。更大的電容係包含一單一電荷至電壓轉換節點的多個浮動擴散區之結果，且由於連接該等多個浮動擴散區之互連層之寄生電容。因此，需減小浮動擴散電容，使得可在感應節點處獲得一足夠的電壓信號擺動。
因此，本發明說明在共享放大器互補式金氧半導體之主動式像素感測器(APS)設計中減小浮動擴散電容之方法。
本發明係關於克服上述該等問題之一或多個問題。簡要言之，依據本發明之一方面，本發明存在於一種影像感測器內，其包含具有複數個像素的一單元細胞，該單元細胞包含(a)一放大器輸入電晶體，其由該複數個像素共享；(b)複數個浮動擴散，其藉由一浮動擴散互連層接合且連接至該放大器輸入電晶體；以及(c)一互連層，其形成遮蔽該浮動擴散互連層的一輸出信號電線。
閱讀該等較佳具體實施例及隨附申請專利範圍之下列詳細說明，且參考該等附圖，將更清楚地明白並瞭解本發明之該些及其他方面、目標、特徵及優點。
本發明之有利影響
本發明具有在共享放大器互補式金氧半導體之主動式像素感測器(ASP)設計中減小至電壓轉換區(還稱為一感應節點電容)之電荷之下列優點。
在詳細地論述本發明之前，應注意，較佳地係本發明使用(但不限於)一互補式金氧半導體之主動式像素感測器。主動式像素感測器係指在像素內的主動式電性組件，例如重置電晶體與列選擇電晶體，而互補式金氧半導體係指互補式金氧矽型電性組件，例如與像素相關連，但一般不在像素內，且當一電晶體之源極/汲極為相同摻雜型且相反摻雜型包覆其時形成的電晶體。互補式金氧半導體器件一般消耗較低功率。
參見圖3a，顯示一單元細胞10之一示意圖，其具有複數個像素20a與20b。本發明之影像感測器30包括形成像素陣列的複數個單元細胞10。各單元細胞10包括二或多個感光區(PD1與PD2)，其回應入射光累聚電荷。較佳的係，光二極體用作感光區(PD1與PD2)且較佳的係二像素形成一單元細胞10。一列選擇電晶體RSEL選擇要輸出的列。各感光區(PD1與PD2)分別包括一傳送閘極(TG1與TG2)用於將電荷傳送至其個別的共享感應節點(n＋)，較佳的係一浮動擴散，其將電荷轉換成一電壓。該感應節點(n＋)係藉由一浮動擴散互連層40電連接在一起。在將電荷從感光區(PD1與PD2)傳送至該感應節點(n＋)之前，一重置閘極(RG)將在該感應節點(n＋)上的電壓重置為一預定電壓。一放大器，較佳的係一源極隨耦器(SF)，感應在電連接感應節點(n＋)上的電壓用於在一輸出匯流排或輸出電線50上的輸出。
參見圖3a與3b，應注意，實體上放置輸出電線50，使得其遮蔽浮動擴散互連層40。此點減小電連接浮動擴散(n＋)之電容。浮動擴散互連層40採用一金屬互連層佈線，較佳的係該金屬互連層實體上在輸出電線50之金屬互連層上面或高於輸出電線50之金屬互連層。藉由使用在其下面的輸出電線50之一佈線遮蔽浮動擴散互連層或電線40，減小浮動擴散互連層40之寄生電容。一般而言，輸出電線50會比浮動擴散互連層40更寬，以產生更有效的遮蔽。
儘管顯示前述具體實施例具有共享一放大器的二光二極體，但本發明適用於共享一放大器的任一數目光二極體。例如，可能存在共享一放大器的三或多個光二極體。
參見圖4b與4c，用於共享像素設計減小浮動擴散電容的一替代性方法係藉由針對浮動擴散之n＋主動區使用一更深且更輕摻雜植入，及從浮動擴散區移除或修改P型井。此點減小該浮動擴散感應節點之接面電容。一般而言在先前技術(如圖4a所示)中，使用互補式金氧半導體(CMOS)製程之n＋源極/汲極來植入該浮動擴散主動區(n＋)並藉由用來形成n型金氧半導體場效電晶體(MOSFET)的P型井60來包覆。此n＋源極/汲極植入一般高於1e14 cm2 且造成小於0.20 um之一接面深度。P型井60還係一高劑量植入，產生大於1e16 cm－3之有效p型背景濃度。圖4b與4c中顯示的本發明在該浮動擴散主動區(n＋)中使用一額外n型植入70以增加空乏區寬度。單獨地或結合從該浮動擴散區之全部或部分排除P型井植入、或修改P型井植入以具有一較低背景濃度來完成此舉。額外n型植入70一般會係採用大於或等於50KeV之一能量及小於1e14 cm2 之一劑量的磷植入。較佳的係此植入為用來形成光偵測器20的光二極體植入。
參見圖5，顯示一數位照相機80，其具有置放於其內的影像感測器30用於顯示普通消費者習慣的一典型商用具體實施例。
10．．．單元細胞
20．．．光偵測器
20a．．．像素
20b．．．像素
30．．．影像感測器
40．．．浮動擴散互連層或電線
50．．．輸出匯流排或輸出電線
60．．．P型井
70．．．n型植入
80．．．數位相機
圖1係具有共享一放大器之二光二極體之一先前技術影像感測器的一示意圖；圖2係具有共享一放大器之四光二極體之一先前技術影像感測器的一示意圖；圖3a係本發明之影像感測器之一示意圖，其具有共享使用輸出匯流排來遮蔽浮動擴散互連層之一共同感應節點的二光二極體；圖3b係沿圖3a之直線3b－3b之斷面圖之一側視圖；圖4a係在一P型井中具有浮動擴散區之一先前技術像素之一示意圖；圖4b係本發明之一像素之一示意圖，其具有採用一更深且更輕摻雜的n型植入且使用從浮動擴散區遮罩的NMOS P型井植入之浮動擴散；圖4c係本發明之一像素與圖4b之一更特定具體實施例之一示意圖，其中使用亦用於光偵測器的一植入來形成更深且更輕摻雜的n型植入；以及圖5係本發明之一數位相機之圖示。
10．．．單元細胞
20a．．．像素
20b．．．像素
30．．．影像感測器
40．．．浮動擴散互連層或電線
50．．．輸出匯流排或輸出電線

Claims (6)

  1. 一種影像感測器，其包含：一單元細胞，其具有複數個像素；該單元細胞包含：(a)一放大器輸入電晶體，其由該複數個像素共享；(b)複數個浮動擴散，其藉由一浮動擴散互連層接合且連接至該放大器輸入電晶體；以及(c)一電連接至一輸出信號線之列選擇電晶體，其中該浮動擴散互連層被直接定位覆蓋於該輸出信號電線之一部分以用來遮蔽該浮動擴散互連層。
  2. 如請求項1之影像感測器，其中該影像感測器被置放於一照相機內。
  3. 一種影像感測器，其包含：一單元細胞，其具有複數個像素，各像素包含一包含一n型植入之光偵測器及一傳送閘極；該單元細胞包含：(a)一NMOS電晶體，其包含一配置於一P型井之n型源極/汲極植入；(b)複數個浮動擴散，其藉由一浮動擴散互連層接合；其中該複數個浮動擴散各具有一n型源極/汲極植入及一更深n型植入，該更深n型植入較該浮動擴散之n型源極/汲極植入更輕摻雜且該更深n型植入封住該浮動擴散n型源極/汲極植入，其中該等浮動擴散n型源極/汲極植入及該等更深n型植入並非被配置於該P型井及該光偵測器之n型植入中且該等更深n型植入係由同一 植入形成；及(c)一電連接至一輸出信號線之列選擇電晶體，其中該浮動擴散互連層被直接定位覆蓋於該輸出信號電線之一部分以用來遮蔽該浮動擴散互連層。
  4. 如請求項3之影像感測器，其中該影像感測器被置放於一照相機內。
  5. 一種影像感測器，其包含：一單元細胞，其具有複數個像素，各像素包含一包含一n型植入之光偵測器及一傳送閘極；該單元細胞包含：(a)複數個浮動擴散，其具有複數個n型源極/汲極植入，且該等浮動擴散藉由一浮動擴散互連層接合；其中較該n型源極/汲極植入更輕摻雜之一更深n型植入封住該等n型源極/汲極植入之至少一者以減小接面電容，且其中該光偵測器之n型植入及該更深n型植入係由同一植入形成；及(b)一電連接至一輸出信號線之列選擇電晶體，其中該浮動擴散互連層被直接定位覆蓋於該輸出信號電線之一部分以用來遮蔽該浮動擴散互連層。
  6. 如請求項5之影像感測器，其中該影像感測器被置放於一照相機內。
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