TWI470777B - 包含具磊晶層之像素單元的影像感測器、具有該影像感測器的系統以及像素單元的形成方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種影像感測器，且特別是有關於一種具有多個磊晶層的像素單元、具有該像素單元的CMOS影像感測器、以及形成CMOS影像感測器之像素單元的方法。
因為互補式金氧半導體(CMOS)影像感測器具有低操作電壓、低電力消耗、以及低製作成本，因此被廣泛地使用在影像擷取裝置中。CMOS影像感測器具有由多個像素單元組成的像素單元陣列。每一像素單元可以包括一光電二極體(Photo Diode)、傳導(transfer)電晶體、重置電晶體、源極隨耦器電晶體和列(Row)選擇電晶體。光電二極體具有一電荷累增部分，用來累增由光所產生的電荷。
薄的磊晶層需要減少在由入射至光電二極體之光所產生之電子的矽區域中的損耗。然而，當磊晶層的深度增加時，相鄰之光電二極體的串音(Cross-Talk)現象就可能增加。此外，光電二極體的有效深度需要增加，以減少光電二極體間的串音。
傳統上來說，離子佈植製程會單純地使用高能量來進行，因此當相鄰之光電二極體間的距離相對短時，光電二極體間就可能產生所謂的輝散(blooming)現象。在輝散現象中，光電二極體間的電子會過多。光電二極體通常是利用階層式(stepped)磊晶層來形成，或是在階段式(graded)
磊晶層中使用計算摻雜(Count-Doping)方法而不使用額外的光電製程來形成。
然而，在具有階層式磊晶層或階段式磊晶層的像素單元中，若是利用提升離子佈植中之離子束的能量來增加光電二極體的有效深度，則會有程度上的限制。
因此，本發明的實施例是提供來實質上消除習知技術中由於多種限制和缺點所造成的一種或多種問題。
本發明的實施例所提供的像素單元，其具有高的量子效能，並在像素單元間具有小的串音。
本發明的實施例也提供具有上述像素單元的影像感測器。
本發明的實施例也提供具有上述影像感測器的系統。
本發明的實施例也提供形成像素單元的方法，而此像素單元具有高量子效能並且在像素單元間具有小的串音。
按照一些實施例，像素單元包括一基底、一磊晶層和一光電轉換元件。磊晶層具有凸起外觀之摻雜濃度曲線，並且具有多個堆疊在基底上的層。光電轉換元件則位於該磊晶層中。
按照一些實施例，在磊晶層中的光電轉換元件不具有在一垂直方向上存在固定電位的中性區。
按照一些實施例，光電轉換元件包括一位於磊晶層中的光電二極體區，並且光電二極體區具有與磊晶層之導電型態相反的導電型態。
按照一些實施例，光電轉換元件更包括一在光電二極體區上的表面層，其導電型態與磊晶層的導電型態相同。
按照一些實施例，磊晶層包括第一磊晶層、第二磊晶層和第三磊晶層。
按照一些實施例，第一磊晶層具有一第一導電型態和一第一摻雜濃度。第二磊晶層位於第一磊晶層上，具有第一導電型態，並且具有較第一摻雜濃度高的第二摻雜濃度。第三磊晶層位於第二磊晶層上，具有第一導電型態，並且具有較第二摻雜濃度低的第三摻雜濃度。
按照一些實施例，第三摻雜濃度低於第一摻雜濃度。
按照一些實施例，基底可以具有第一導電型態。
按照一些實施例，光電轉換元件可以是一光電二極體。
按照一些實施例，像素單元還包括傳導電晶體、源極隨耦器電晶體和重置電晶體。
傳導電晶體可以將由光電轉換元件所產生的電荷傳送至一第一節點。源極隨耦器電晶體可以放大第一節點的電壓訊號。而重置電晶體則可以重置第一節點的電壓訊號。
按照一些實施例，像素單元還包括一列選擇電晶體，其用來輸出源極隨耦器電晶體的輸出訊號至一輸出端，以回應一選擇訊號。
按照一些實施例，一影像感測器可以具有一列驅動器、一行驅動器和一像素陣列。
列驅動器可以產生一列選擇訊號。行驅動器可以產生
一行選擇訊號。像素陣列可以操作以回應列選擇訊號和行選擇訊號，並且具有至少一像素單元。而像素單元具有基底、磊晶層、以及在磊晶層中的光電轉換元件。磊晶層具有凸起外觀的摻雜濃度曲線，並且具有至少一堆疊在基底上的層。
按照一些實施例，磊晶層包括第一磊晶層、第二磊晶層和第三磊晶層。
按照一些實施例，第一磊晶層具有一第一導電型態和一第一摻雜濃度。第二磊晶層位於第一磊晶層上，具有第一導電型態，並且具有較第一摻雜濃度高的第二摻雜濃度。第三磊晶層位於第二磊晶層上，具有第一導電型態，並且具有較第二摻雜濃度低的第三摻雜濃度。
按照一些實施例，一系統可以包括一處理器和一影像感測器，其耦接至該處理器。影像感測器包括一基底、一具有凸起外觀之摻雜濃度曲線並且具有至少一堆疊在基底上之層的磊晶層、以及在磊晶層中的光電轉換元件
按照一些實施例，一影像感測器之像素單元的形成方法，包括形成一基底、形成具有凸起外觀的摻雜濃度曲線並且具有多個堆疊在基底上之層的磊晶層、以及形成至少一像素單元，其在磊晶層中包括一光電轉換元件。
按照一些實施例，形成磊晶層的步驟，包括形成具有一第一導電型態和一第一摻雜濃度的一第一磊晶層在基底上、形成具有第一導電型態和高於第一摻雜濃度之第二摻雜濃度的一第二磊晶層在第一磊晶層上、並且形成具有第
一導電型態和低於第二摻雜濃度之第三摻雜濃度的一第三磊晶層在第二磊晶層上。
因此，本發明之實施例的影像感測器，其n型光電二極體區NPD與傳統的影像感測器相比，即便以相同能量來進行離子佈植，其有效深度都比傳統還深，這是因為本實施例的影像感測器包括了磊晶層EPI_1、EPI_2和EPI_3，其具有凸起外觀之摻雜濃度曲線。因此，本發明之實施例的影像感測器具有高的量子效能，並且在影像感測器中的光電轉換元件可以具有大的或最大的深度而不會產生輝散現象，並且可以減小光電轉換元件間的串音現象。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
在文中會揭露詳細的實施例。然而，文中所揭露之特定的架構或功能，僅是用來敘述一些實施例。然而，這些實施例可以用許多不同的形式來實現，並且也不應該由以下文中的結構所限制。
因此，以下的實施例可以有不同的更動以及替換型式，並且其實施例的方式可以在圖式中以實例的方式來表示，而將在文中被詳細的敘述。應當要理解的是，雖然文中並無意用所揭露的形式來限制以下的實施例，但是從另一面來說，實施例可以涵蓋所有的變更、類推和替換，而並不影響實施例的精神。而圖式中所標示類似的編號是指著類似的元件。
需要理解的是，雖然文中透過第一、第二等詞，來描述不同的元件，但是在這些實施例中不應該被這些詞句所限制。這些詞句只是用來分別不同元件的彼此。例如，第一元件可以被稱為第二元件，而類似地，第二元件也可以被稱作第一元件，這並不違背實施例的精神。在文中使用“和/或”，是包括一個或多個結合的事項列表中的任何一個和全部的組合。
需要理解的是，當一元件被敘述「連接」或「耦接」至另一元件時，可以是直接連接或耦接至另外的元件，或是存在有居間的元件。反之，當元件被敘述為「直接連接」或「直接耦接」至另一元件時，就不會有居間的元件存在。其它被使用來敘述元件之間關係的字，例如「之間」與「直接之間」、「相鄰」與「直接相鄰」等，也可以被解釋為類似的涵義。
在文中的措辭僅是為了敘述特定的實施例，並且無意來限制實施例的形式。如文中所使用的單數形式「一」、「此」和「這」，除非文中有清楚的指明，否則也包含了複數的型態。還需要了解的是，當文中使用「含有」、「包含」、「包括」和/或「具有」等詞來解釋存在的狀態特徵、事物、步驟、操作、元件、和/或構件時，並不排除還存在或附加一或多個其它的特徵、事物、步驟、操作、元件、構件、和/或其群組。
還需要注意的是，在一些替換的實施中，其所記載的功能/動作不一定按照圖式中所記載的順序發生。例如，顯
示成連續的二個圖，實際上可以實質的並存或是有時逆著順序來進行，這是按照相關的功能/動作來決定。
文中所使用的名詞，包括技術和/或科學用語，除非有其它的定義，否則都與本實施例所屬本領域具有通常知識者所共通理解的相同。還需要注意的是，有些名詞，像是在一些共通的字典中的名詞，其意義仍需要符合上下文的涵義，除非在文中有特別的定義，否則不可理想化或太過拘泥其意義。
圖1繪示為依照一實施例的一種CMOS影像感測器之像素單元10的電路圖。
請參照圖1，CMOS影像感測器的像素單元10，可以包括一光電轉換元件11、一傳導電晶體MN1、一重置電晶體MN2、一源極隨耦電晶體MN3和一列選擇電晶體MN4。光電轉換元件11可以包含一光電二極體PD。電流源IS1可以耦接在列選擇電晶體MN4和接地之間。如以下更詳細的敘述，CMOS影像感測器的像素單元10包括光電轉換元件11，可以形成多個磊晶層，其具有凸起外觀的摻雜濃度曲線。
如圖1所示，CMOS影像感測器的像素單元10包括光電轉換元件11，其具有一光電二極體PD，並且像素單元10還包括一訊號處理電路13，其是由傳導電晶體MN1、重置電晶體MN2、源極隨耦器電晶體MN3和列選擇電晶體MN4所組成。
一CMOS影像感測器可以具有多個如圖1所示的像素
單元、解碼器、驅動電路、控制電路、類比數位轉換器和影像處理器。一具有CMOS影像感測器之像素單元10的影像感測晶片，可以具有一光電轉換元件區，其包括多個光電轉換元件，並且可以具有一訊號處理電路區，其包括多個訊號處理電路。
以下將就圖1所示之CMOS影像感測器之像素單元10的操作來作一敘述。
當光入射到光電二極體PD上時，電荷會在光電二極體PD之一輸出端上累積。當電流流經光電二極體PD和浮動節點NF之間時，浮動節點NF的電位可能會改變，並且輸出訊號PO可以依據浮動節點NF的電位來決定。而此輸出訊號PO可以是對應於一影像資料之其中一像素資料的訊號。
當重置訊號RST為邏輯「低」電位，並且傳輸訊號TX為邏輯「高」電位，而且光入射到光電二極體PD上時，光電二極體PD就開始有電流流過。而因為重置訊號T為邏輯「低」電位，並且傳輸訊號TX為邏輯「高」電位，因此重置電晶體MN2是在關閉狀態，而傳導電晶體MN1則為導通狀態。因此，源極隨耦器電晶體MN3之閘極端的電壓訊號就會降低。當列選擇訊號SEL轉變至邏輯「高」電位時，選擇電晶體MN4會被導通，並且輸出訊號PO的電位是依據源極隨耦器電晶體MN3之閘極端的電位而決定。在感測下一影像之前，浮動節點NF可以被重置電晶體MN2所重置。隨著入射至光電二極體PD之光的強度變
強，源極隨耦器電晶體MN3之閘極端的強度會變得較低，而輸出訊號PO的強度也會變得較低。
圖2繪示為具有多個像素單元之CMOS影像感測晶片20之結構的透視圖。
請參照圖2，具有CMOS影像感測器之像素單元10的影像感測晶片20，可以包括一光電轉換元件區22，其具有多個光電轉換元件，並且包括一訊號處理電路區23，其具有多個訊號處理電路。在光電轉換區域22中，多個具有相同結構，以及如圖1所示之光電轉換元件11之操作的光電轉換元件可以沿著I-I’線排列。訊號處理電路區23則可以具有多個訊號處理電路，而這些訊號處理電路可以有相同的結構以及有圖1所示之訊號處理電路13的操作，並且每一訊號處理電路都包括傳導電晶體MN1、重置電晶體MN2、源極隨耦器電晶體MN3和列選擇電晶體MN4。
圖3繪示為依照本發明之一實施例的一種沿圖2中之線I-I’而切割的CMOS影像感測晶片20的剖面圖。
請參照圖3，CMOS影像感測器的垂直結構30，可以包括重摻雜的p型基底31，並且在重摻雜的p型基底上則形成一磊晶層32。磊晶層32可以包括三個p型層EPI_1、EPI_2和EPI_3。此外，CMOS影像感測器的垂直結構30還可以包括一個形成在磊晶層32中的n型光電二極體區34、p型表面層35、傳導電晶體38和重置電晶體39中。
此外，CMOS影像感測器的垂直結構30還可以包括浮動擴散區36、重置電晶體39的汲極區37和淺溝槽隔離
區(以下簡稱STI)33。STI 33可以將圖3所示之像素單元與相鄰的像素單元電性隔離。而浮動擴散區36的功能就如同傳導電晶體38的汲極區以及重置電晶體39的源極區一樣。
圖1中的源極隨耦器電晶體MN3和列選擇電晶體MN4都並未繪示在圖3中。源極隨耦器電晶體MN3的閘極可以電性連接至浮動擴散區36，而列選擇電晶體MN4的汲極則可以電性連接至源極隨耦器電晶體MN3的源極。
n型光電二極體區34可以位於p型表面層35之下的p型磊晶層32中。傳導電晶體38和重置電晶體39可以包括一第一氧化層44，而在第一氧化層44上則形成一傳導層43，並且一第二氧化層42形成在傳導層43以及一側壁介電層45上。
圖4繪示為沿圖2中之線II-II’而切割的CMOS影像感測晶片20的橫剖面圖。
請參照圖4，CMOS影像感測晶片的垂直結構50可以包括重摻雜的p型基底31，並且在重摻雜的p型基底31上則形成磊晶層32。磊晶層32可以包括三個p型層EPI_1、EPI_2和EPI_3。此外，在COMS影像感測器的垂直結構50還包括形成在磊晶層32中的n型光電二極體區34、以及p型表面層35。
此外，CMOS影像感測晶片的垂直結構50還可以包括STI 33，其將圖4所示之像素單元與相鄰的像素單元電性隔離。n型光電二極體區34可以位於p型表面層35之
下的p型磊晶層32中。
請參照圖3和圖4，如CMOS影像感測晶片20的垂直結構30和40所示，COMS影像感測晶片20依照一些實施例，可以包括具有在p型基底上之三層EPI_1、EPI_2和EPI_3的磊晶層。如稍後所述，第二磊晶層EPI_2的摻雜濃度會高於第一磊晶層EPI_1和第三磊晶層EPI_3。
當光入射至CMOS影像感測晶片的像素單元上時，在磊晶層32和n型光電二極體區34之接面的相鄰處，會產生電子電洞對。電洞會流經p型基底到接地端，而電子則在n型光電二極體區34中累積，並且當傳導電晶體38導通時，電子會透過傳導電晶體38而被傳送至浮動擴散區36。
如圖4所示，n型光電二極體區34在STI 33之間可以被排列成一條線。在傳統的CMOS影像感測晶片中，因為其包括具有固定摻雜濃度的磊晶層，因此在光電二極體區之間會產生串音。
本實施例之CMOS影像感測器之n型光電二極體區34的有效深度，會比傳統的CMOS影像感測晶片還深，這是因為本實施例的CMOS影像感測晶片可以具有凸起外觀的摻雜濃度曲線。因此，電子會在n型光電二極體區34之較低的部份產生，而不會流到相鄰的n型光電二極體區34，並且在n型光電二極體區34產生電子的位置累積電子。因此，本實施例的CMOS影像感測晶片可以降低在相鄰光電二極體之間的串音。
圖5繪示為依照本發明之一實施例的一種影像感測器之垂直結構的摻雜濃度曲線和電位曲線。圖5之(a)繪示p型基底SUB以及磊晶層EPI_1、EPI_2和EPI_3之摻雜濃度曲線的例子。圖5之(b)繪示p型基底SUB、磊晶層EPI_1、EPI_2和EPI_3、n型光電二極體區NPD和p型表面區域P_SUR之摻雜濃度曲線的例子。圖5之(c)繪示為本實施例之影像感測器的垂直結構之電位曲線的例子。
請參照圖5之(a)，在本實施例之垂直結構中，EPI_2的摻雜濃度會高於EPI_1和EPI_3的摻雜濃度，而EPI_2的摻雜濃度則低於基底SUB的摻雜濃度。例如，基底SUB的摻雜濃度是每立方公分中有5*1017個原子、EPI_1的摻雜濃度是每立方公分中有5*1014個原子、EPI_2的摻雜濃度是每立方公分中有5*1016個原子、而EPI_3的摻雜濃度則是每立方公分中有5*1014個原子。EPI_3的摻雜濃度可以小於或等於EPI_1的摻雜濃度。
圖6繪示傳統利用階層式磊晶層之影像感測器之垂直結構的摻雜濃度曲線和電位曲線。圖6之(a)繪示p型基底SUB和磊晶層EPI之摻雜濃度曲線的例子。圖6之(b)繪示p型基底SUB、磊晶層EPI、n型光電二極體區NPD和p型表面區域P_SUR之摻雜濃度曲線的例子。圖6之(c)繪示為傳統之影像感測器的垂直結構之電位曲線的例子。
請參照圖6之(c)，在中性區中，在垂直方向有固定的電位，並且存在於圖6中相鄰於p型基底之傳統的磊晶層中。當中性區出現在相鄰於p型基底SUB的磊晶層中時，
一些在相鄰於p型基底SUB之磊晶層中的電子，可流至相鄰之光電轉換元件的n型光電二極體區NPD中。此種現象被稱為串音。當串音發生時，影像感測器就會輸出失真的資料。
請參照圖5之(a)和(b)，本實施例之影像感測器包括磊晶層EPI_1、EPI_2和EPI_3，而具有凸起外觀的摻雜濃度曲線。因此，在圖5的圖5之(c)中，相鄰於p型基底SUB的磊晶層EPI_1中，就不會出現有固定電位的中性區。若是在相鄰於p型基底SUB的磊晶層EPI_1中不會出現中性區，則在p型基底SUB和磊晶層EPI_1的接面會產生電子，並且容易流入對應之n型光電二極體區NPD。因此，如圖5所示，本實施例之具有凸起外觀之摻雜濃度曲線的影像感測器，就可以有效地降低串音的現象。
如圖5所示，在本實施例之影像感測器中，n型光電二極體區NPD的有效深度，即便利用相同能量來進行離子佈植，都會較傳統的影像感測器還深，這是因為本實施例的影像感測器可以包括磊晶層EPI_1、EPI_2和EPI_3，並且具有凸起外觀的摻雜濃度曲線。本實施例的影像感測器未具有中性區，中性區是指在垂直方向上存在固定電位的區域，這是因為本實施例的影像感測器具有在p型基底SUB和第二磊晶層EPI_2之間的第一磊晶層EPI_1，並且其摻雜濃度低於p型基底SUB和第二磊晶層EPI_2的摻雜濃度。
傳統上，需要使用較高能量來進行離子佈植，以增加
n型光電二極體區NPD的深度。然而，利用增加離子佈植製程之能量來增加光電二極體區的有效深度的方式，卻有一定的限度。
圖7A到圖7H繪示為圖2之CMOS影像感測器之製程的示意圖。
請參照圖7A到圖7H，用來製造影像感測器之像素單元的方法，包括形成基底31、形成具有凸起之摻雜濃度曲線之磊晶層32a、32b和32c係堆疊在基底31上、並且在磊晶層中至少形成一具有光電轉換元件的像素單元。
請參照圖7A到圖7C，形成磊晶層的步驟，包括形成具有第一摻雜濃度之p型的第一磊晶層(EPI_1)32a在基底31上、形成具有高於第一摻雜濃度之第二摻雜濃度之p型的第二磊晶層(EPI_2)32b在第一磊晶層32a上、並且形成具有低於第二摻雜濃度之第三摻雜濃度之p型的第三磊晶層(EPI_3)32c到第二磊晶層32b上。第三磊晶層(EPI_3)的第三摻雜濃度可以等於或小於第一摻雜濃度。
在形成磊晶層32a、32b、32c之後，則可以形成STI 33。在形成STI 33之後，則可以形成傳導電晶體38的閘極電極以及重置電晶體39的閘極電極。形成閘極電極的步驟，可以包括形成第一氧化層44、在第一氧化層44上形成傳導層43、並且在傳導層43上形成第二氧化層42。在形成第二氧化層42之後，在圖7F中可以形成側壁介電層45。
在形成側壁介電層45之後，可以利用離子佈植而形
成n型光電二極體區34，就如圖7G所示。接著，p型表面層35可以形成在n型光電二極體區34上，就如圖7F所示。接著，可以形成浮動擴散層36、和重置電晶體39的汲極區。
在上述中，CMOS影像感測器可以包括由三個階層(steps)並且具有上述實施例之凸起外觀的摻雜濃度曲線所組成的磊晶層。然而，依照本發明之一實施例的像素單元以及具有此像素單元的影像感測器，也可以應用在由多個階層並且具有凸起之摻雜濃度曲線所組成的像素，和具有此像素的影像感測器。
圖8繪示為依照本發明之一實施例的一種像素感測器100的方塊圖，其繪示有圖2所示之CMOS影像感測器20的電路結構。
請參照圖8，CMOS影像感測器100可以包括時序控制電路110、列位址解碼器120、列驅動器130、行位址解碼器140、行驅動器150和像素陣列160。
如圖2、圖3和圖4所示，像素陣列160可以包括基底31、具有凸起外觀之摻雜濃度曲線和由多個堆疊在基底31上之層EPI_1、EPI_2、和PI_3所組成的磊晶層32、以及形成在磊晶層32中的光電轉換元件。光電轉換元件可以形成在磊晶層32中，並且可以包括光電二極體區34，其具有與磊晶層32相反的導電型態。當磊晶層32是p型半導體材料時，光電二極體區34可以使用n型半導體材料來形成。
第二磊晶層EPI_2的摻雜濃度可以高於第一磊晶層EPI_1和第三磊晶層EPI_3的摻雜濃度。而第三磊晶層EPI_3的摻雜濃度可以小於或等於第一磊晶層EPI_1的摻雜濃度。
像素陣列160中之像素單元的資料，可以逐列地輸出。因此，在像素陣列160之一列上的像素單元可以在相同的時間同時被選擇，以輸出一列的資料來回應於一種列選擇訊號。此外，在被選擇之列上的每一像素單元，可以對應於所接收到的光而輸出一訊號至對應行的輸出線。在像素陣列160中，每一行都可以是一選擇線，並且每一行的像素單元可以選擇性地輸出資料來回應於一種行選擇訊號。
在像素陣列160中的列可以藉由列驅動器130而被致能，以回應於列位址解碼器120的輸出訊號。而行選擇線也可以藉由行驅動器150而被致能，以回應於行位址解碼器140的輸出訊號。時序控制電路110可以控制列位址解碼器120和行位址解碼器140，以選擇適合於一像素訊號輸出的列線和行線。
此外，CMOS影像感測器100還可以包括一取樣保持電路165、一差分放大器170、一類比數位轉換器175和一影像處理器180。取樣保持電路165可以輸出一像素重置訊號VRST和一像素影像訊號VPHOTO，以回應行驅動器150的輸出訊號。差分放大器170可以產生差分訊號(VRST-VPHOTO)以用於每一像素單元，並且類比數位轉
換器175可以將差分訊號數位化，以用於每一像素單元。影像處理器180可以將數位化的像素單元訊號進行適當的影像處理，以輸出影像資料。
在圖8所示實施例的CMOS影像感測器中，n型光電二極體區NPD與傳統的影像感測器相比，即便利用相同能量來進行離子佈植製程，其有效深度都比傳統還深，這是因為本實施例的影像感測器包括了磊晶層EPI_1、EPI_2和EPI_3，其具有凸起外觀之摻雜濃度曲線。由於本實施例的影像感測器包括在p型基底SUB和第二磊晶層EPI_2之間的第一磊晶層EPI_1，其摻雜濃度係小於p型基底SUB和第二磊晶層EPI_2的摻雜濃度，因此本實施例的影像感測器未具有中性區，中性區是指在垂直方向有固定電位的區域。
因此，圖8所示之實施例的CMOS影像感測器100在光電轉換元件之間具有較小的串音，並且所輸出的訊號不會有錯誤發生。
圖9繪示為一種具有圖8所示之CMOS感測器100之系統的方塊圖。圖9的系統可以是一電腦系統、一相機系統、一掃描器、一車輛導航系統、一視訊電話、一保全系統或是一動作偵測系統。
請參照圖9，系統200包括中央處理單元210、非揮發性記憶體220、影像感測器100、輸入/輸出裝置240和隨機存取記憶體250。中央處理單元210可以透過匯流排202而與輸入/輸出裝置240連通。影像感測器100可以透
過匯流排202而與中央處理單元210連通。此外，隨機存取記憶體250和非揮發性記憶體220也可以透過匯流排202而與中央處理單元210連線。影像感測器100可以是一分離的半導體晶片，或者可以當作一電路方塊而被包含在中央處理單元210中。
影像感測器100就如圖8所示，可以包括時序控制電路110、列位址解碼器120、列驅動器130、行位址解碼器140、行驅動器150和像素陣列160。
請參照圖1、圖2、圖3、圖4和圖8，如圖8所示的像素陣列160可以包括基底31、由具有凸起外觀之摻雜濃度曲線以及多個堆疊在基底31上之層EPI_1、EPI_2和EPI_3所組成的磊晶層32、以及形成在磊晶層32上的光電轉換元件11。光電轉換元件11可以形成在磊晶層32中，並且包括光電二極體區34，其具有與磊晶層32相反的導電型態。當磊晶層32是以p型半導體材料來形成時，則光電二極體區34可以使用n型半導體材料來實現。
第二磊晶層EPI_2的摻雜濃度可以高於第一磊晶層EPI_1和第三磊晶層EPI_3的摻雜濃度。第三磊晶層EPI_3的摻雜濃度可以小於或等於第一磊晶層EPI_1的摻雜濃度。
圖9中所示的系統200可以包括多個像素單元10，就如圖1、圖2、圖3和圖4所示。在圖9的影像感測器100中，n型光電二極體區NPD與傳統的影像感測器相比，即便利用相同能量來進行離子佈植，其有效深度都比傳統者
還深，這是因為本實施例的影像感測器包括了磊晶層EPI_1、EPI_2和EPI_3，其具有凸起外觀之摻雜濃度曲線。由於本實施例的影像感測器包括在p型基底SUB和第二磊晶層EPI_2之間的第一磊晶層EPI_1，其摻雜濃度係小於p型基底SUB和第二磊晶層EPI_2的摻雜濃度，因此本實施例的影像感測器未具有中性區，中性區是指垂直方向有固定電位的區域。
因此，圖9所示具有CMOS影像感測器100的系統200在光電轉換元件之間會具有小的串音，並且在輸出影像資料時不會有錯誤發生。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧像素單元
11‧‧‧光電轉換元件
13‧‧‧訊號處理電路]
22‧‧‧光電轉換元件區
23‧‧‧訊號處理電路區
30、50‧‧‧垂直結構
31‧‧‧基底
32、32a、32b、32c‧‧‧磊晶層
33‧‧‧淺溝槽隔離區
34‧‧‧光電二極體區
35‧‧‧表面層
36‧‧‧浮動擴散區
37‧‧‧汲極區
38‧‧‧傳導電晶體
39‧‧‧重置電晶體
42、44‧‧‧氧化層
43‧‧‧傳導層
45‧‧‧側壁介電層
100‧‧‧CMOS影像感測器
110‧‧‧時序控制電路
120‧‧‧列位址解碼器
130‧‧‧列驅動器
140‧‧‧行位址解碼器
150‧‧‧行驅動器
160‧‧‧像素陣列
165‧‧‧取樣保持電路
170‧‧‧差分放大器
175‧‧‧類比數位轉換器
180‧‧‧影像處理器
200‧‧‧系統
202‧‧‧匯流排
210‧‧‧中央處理單元
220‧‧‧非揮發性記憶體
240‧‧‧輸入/輸出裝置
250‧‧‧隨機存取記憶體
EPI、EPI_1、EPI_2、EPI_3‧‧‧磊晶層
IS1‧‧‧電流源
MN1‧‧‧傳導電晶體
MN2‧‧‧重置電晶體
MN3‧‧‧源極隨耦電晶體
MN4‧‧‧列選擇電晶體
NF‧‧‧浮動節點
NPD‧‧‧n型光電二極體區
PD‧‧‧光電二極體
PO‧‧‧輸出訊號
P_SUR‧‧‧p型表面區域
RST‧‧‧重置訊號
SUB‧‧‧基底
SEL‧‧‧列選擇訊號
TX‧‧‧傳輸訊號
VPHOTO‧‧‧像素影像訊號
VRST‧‧‧像素重置訊號
圖1繪示為依照一實施例的一種CMOS影像感測器之像素單元的電路圖。
圖2繪示為依照一實施例的一種具有多個像素單元之CMOS影像感測晶片20之結構的透視圖。
圖3繪示為依照本發明之一實施例的一種沿圖2中之線I-I’而切割的CMOS影像感測晶片的橫剖面圖。
圖4繪示為為依照本發明之一實施例的一種沿圖2中之線II-II’而切割的CMOS影像感測晶片的橫剖面圖。
圖5繪示為依照本發明之一實施例的一種影像感測器
之垂直結構的摻雜濃度曲線和電位曲線。
圖6繪示傳統利用階層式磊晶層之影像感測器之垂直結構的摻雜濃度曲線和電位曲線。
圖7A到圖7H繪示為依照本發明之實施例的圖2之CMOS影像感測器之製程的示意圖。
圖8繪示為依照本發明之一實施例的一種CMOS影像感測器之電路結構的方塊圖。
圖9繪示為依照本發明之一實施例的一種具有圖8所示之CMOS感測器之系統的方塊圖。
NPD‧‧‧n型光電二極體區
P_SUR‧‧‧p型表面區域
SUB‧‧‧基底
EPI_1、EPI_2、EPI_3‧‧‧磊晶層
Claims (17)
- 一種像素單元，包括：一基底；一磊晶層，具有凸起外觀之摻雜濃度曲線，且該磊晶層包括至少一堆疊在該基底上的層；以及一光電轉換元件，在該磊晶層中，其中該磊晶層包括：一第一導電型態的第一磊晶層，在該基底上並具有第一摻雜濃度；一第一導電型態的第二磊晶層，在該第一磊晶層上並具有較該第一摻雜濃度高的第二摻雜濃度；以及一第一導電型態的第三磊晶層，在該第二磊晶層上並具有低於該第二摻雜濃度的第三摻雜濃度，其中該第二磊晶層在該第一磊晶層及該第三磊晶層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之像素單元，其中位於該磊晶層中的光電轉換元件不具有在一垂直方向上有固定電位的中性區。
- 如申請專利範圍第1項所述之像素單元，其中該光電轉換元件包括一位於該磊晶層中的光電二極體區，而該光電二極體區具有與存留之磊晶層之導電型態相反的導電型態。
- 如申請專利範圍第3項所述之像素單元，其中該光電轉換元件更包括一在該光電二極體區上的表面層，其導電型態與該磊晶層的導電型態相同。
- 如申請專利範圍第1項所述之像素單元，其中該第三摻雜濃度小於該第一摻雜濃度。
- 如申請專利範圍第1項所述之像素單元，其中該基底具有該第一導電型態。
- 如申請專利範圍第1項所述之像素單元，其中該光電轉換元件是一光電二極體。
- 如申請專利範圍第1項所述之像素單元，更包括：一傳導電晶體，配置來將由該光電轉換元件所產生的電荷傳送至第一節點；一源極隨耦器電晶體，配置來放大該第一節點的電壓訊號；以及一重置電晶體，配置來重置該第一節點的電壓訊號。
- 如申請專利範圍第8項所述之像素單元，更包括一列選擇電晶體，配置來輸出該源極隨耦器電晶體的輸出訊號至一輸出端，以回應於一選擇訊號。
- 一種影像感測器，包括：一列驅動器，配置來產生一列選擇訊號；一行驅動器，配置來產生一行選擇訊號；以及一像素陣列，配置來操作以回應於該列選擇訊號和該行選擇訊號，且該像素陣列包括至少一如申請專利範圍第1項所述之像素單元。
- 如申請專利範圍第10項所述之影像感測器，其中位於該磊晶層中的光電轉換元件不具有在一垂直方向上有固定電位的中性區。
- 如申請專利範圍第10項所述之影像感測器，其中該光電轉換元件包括一在該磊晶層中的光電二極體區，而該光電二極體區具有與存留之磊晶層之導電型態相反的導電型態。
- 如申請專利範圍第10項所述之影像感測器，其中該第三摻雜濃度小於該第一摻雜濃度。
- 如申請專利範圍第10項所述之影像感測器，更包括：一取樣保持電路，配置來輸出一像素重置訊號和一像素影像訊號，以回應於該行驅動器的輸出訊號；一差分放大器，配置來依據該像素重置訊號和該像素影像訊號而產生多個差分訊號給像素單元；一類比數位轉換器，配置來數位化該些差分訊號；以及一影像處理器，配置來分別對數位化的該些差分訊號進行合適的影像處理，以輸出影像資料。
- 一種具有影像感測器的系統，包括：一處理器耦接至該影像感測器，其中該影像處理器具有至少一如申請專利範圍第1項所述的像素單元。
- 一種像素單元的形成方法，包括下列步驟：形成一基底；形成一磊晶層，該磊晶層包括至少一堆疊在該基底上的層，且該磊晶層具有凸起外觀的摻雜濃度曲線；以及在該磊晶層中形成一光電轉換元件，其中形成該磊晶 層的步驟，包括：在該基底上形成具有第一導電型態和第一摻雜濃度的一第一磊晶層；在該第一磊晶層上形成具有該第一導電型態和第二摻雜濃度的一第二磊晶層，而該第二摻雜濃度高於該第一摻雜濃度；以及在該第二磊晶層上形成具有該第一導電型態和第三摻雜濃度的一第三磊晶層，而該第三摻雜濃度低於該第二摻雜濃度，其中該第二磊晶層在該第一磊晶層及該第三磊晶層之間。
- 如申請專利範圍第16項所述之像素單元的形成方法，其中該第三摻雜濃度低於該第一摻雜濃度。
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