TWI566390B - 能改善像素動態範圍的ｃｍｏｓ影像感應器 - Google Patents
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Description
本發明係有關於影像感應器(image sensor device)技術，特別是有關於一種能改善像素動態範圍(dynamic range)的CMOS影像感應器。
CMOS影像感應器是本領域已知的影像感應技術，其具有主動元件，如電晶體，與每個像素相關聯，因為與CMOS製程相容，其優點是能夠將信號處理和感測電路製作在同一個積體電路內。
上述CMOS影像感應器是通常由四個電晶體和一個“釘扎”光二極管(pinned photodiode)構成。已知釘扎光二極管在暗電流密度和圖像遲滯方面表現佳，且對藍光具有不錯的顏色響應，其將二極管表面電勢經由P+區“釘扎”於P井或P基底(接地)而達到降低暗電流。
已知，CMOS影像感應器的像素動態範圍(dynamic range)與其浮置擴散節點(floating diffusion node)電荷處理電容值(CFD)有關。通常浮置擴散節點電荷處理電容值(CFD)小於光二極管電荷處理電容值(CPD)，故對高亮度曝光像素，難以將電荷完全從光二極管移轉至浮置擴散節點。當移轉電晶體(transfer transistor)的通道關閉時，殘存於光二極管的電荷除了將導致殘影(image lag)，也會影響像素動態範圍。
由此可知，該技術領域仍需要一種改良的CMOS影像感應器，其能夠解決上述先前技藝的不足與缺點。
為達上述目的，本發明於是提出一種影像感應器，包含有一半導體基底，其具有一主表面；一移轉電晶體，包含一移轉閘極，設置於該半導體基底的該主表面上；一光感結構，設於該移轉閘極一側的該半導體基底內；一浮置擴散節點，設於該移轉閘極另一側的該半導體基底內；一重置電晶體，經由該浮置擴散節點串接於該移轉電晶體；一源極跟隨電晶體，包含一源極跟隨閘極；以及一垂直電容結構，其中該垂直電容結構具有一第一垂直電極板以及一第二垂直電極板，該第一垂直電極板係電連接該源極跟隨閘極以及該浮置擴散節點。
根據本發明實施例，該源極跟隨閘極係與該浮置擴散節點透過一第一導電插塞、一第一金屬內連線以及一第二導電插塞之路徑耦接在一起。該第一導電插塞與該第二導電插塞設於同一介電層中。該源極跟隨閘極係透過一第二金屬內連線耦接至該電容結構的該第一垂直電極板。
根據本發明實施例，該第一垂直電極板與第二垂直電極板是交指狀配置。該第一垂直電極板與該第二垂直電極板均垂直於該半導體基底的該主表面。
根據本發明實施例，該移轉電晶體與該重置電晶體係設置在一第一主動區域上，而該源極跟隨電晶體以及該讀出電晶體則設置在一第二主動區域上，且該第一主動區域與該第二主動區域之間由一溝渠絕緣結構隔開。
根據本發明實施例，該光感結構係為一光二極管，其包含一P+淺摻雜區以及一N-摻雜區，構成一形成在該半導體基底的釘扎光二極管。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施方式，並配合所附圖式，作詳細說明如下。然而如下之較佳實施方式與圖式僅供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
1‧‧‧CMOS影像感應器
10‧‧‧光二極管
12‧‧‧浮置擴散節點
14‧‧‧摻雜區
16‧‧‧摻雜區
18‧‧‧共用摻雜區
19‧‧‧摻雜區
20‧‧‧移轉電晶體
20a‧‧‧移轉閘極
22‧‧‧重置電晶體
22a‧‧‧重置閘極
24‧‧‧源極跟隨電晶體
24a‧‧‧源極跟隨閘極
26‧‧‧讀出電晶體
26a‧‧‧讀出閘極
30‧‧‧電容結構
31‧‧‧第一電極板
31a‧‧‧指電極板
32‧‧‧第二電極板
32a‧‧‧指電極板
42‧‧‧第一金屬內連線
44‧‧‧第二金屬內連線
52‧‧‧第一導電插塞
54‧‧‧第二導電插塞
60‧‧‧介電層
100‧‧‧半導體基底
100a‧‧‧主表面
101‧‧‧第一主動區域
102‧‧‧第二主動區域
110‧‧‧P+淺摻雜區
111‧‧‧N-摻雜區
120‧‧‧溝渠絕緣結構
160‧‧‧介電層
260‧‧‧介電層
311‧‧‧金屬層
312‧‧‧介層插塞
312’‧‧‧溝槽式介層插塞
312”‧‧‧溝槽式介層插塞
313‧‧‧金屬層
314‧‧‧溝槽式介層插塞
315‧‧‧金屬層
321‧‧‧金屬層
322‧‧‧介層插塞
322’‧‧‧溝槽式介層插塞
322”‧‧‧溝槽式介層插塞
323‧‧‧金屬層
324‧‧‧溝槽式介層插塞
325‧‧‧金屬層
TX‧‧‧移轉電晶體
RST‧‧‧重置電晶體
SF‧‧‧源極跟隨電晶體
RS‧‧‧讀出電晶體
FD‧‧‧浮置擴散節點
PD‧‧‧光二極管
1M‧‧‧第一層金屬層
1T‧‧‧第一層介層插塞
2M‧‧‧第二層金屬層
2T‧‧‧第二層介層插塞
3M‧‧‧第三層金屬層
CFD‧‧‧浮置擴散節點的電荷處理電容值
第1圖為依據本發明實施例所繪示的CMOS影像感應器的佈局結構示意圖。
第2圖為第1圖中CMOS影像感應器的切線I-I’剖面結構示意圖。
第3圖及第4圖例示一電容結構的立體側視圖。
第5圖及第6圖為依據本發明其它實施例所繪示的CMOS影像感應器的剖面結構示意圖。
第7圖例示本發明另一實施例。
在下文中，將參照附圖說明細節，該些附圖中之內容亦構成說明書細節描述的一部份，並且以可實行該實施例之特例描述方式來繪示。下文實施例已描述足夠的細節俾使該領域之一般技藝人士得以具以實施。當然，亦可採行其他的實施例，或是在不悖離文中所述實施例的前提下作出任何結構性、邏輯性、及電性上的改變。因此，下文之細節描述不應被視為是限制，反之，其中所包含的實施例將由隨附的申請專利範圍來加以界定。
請參閱第1圖及第2圖，其中第1圖為依據本發明實施例所繪示的CMOS影像感應器的佈局結構示意圖，第2圖為第1圖中CMOS影像感應器的切線I-I’剖面結構示意圖。熟習該項技藝者應理解圖中所示佈局結構僅為例示，本發明並不限於此佈局。如第1圖及第2圖所示，本發明CMOS影像感應器1可以是四電晶體(4T)像素結構，其包括一移轉電晶體(TX)20、一重置電晶體(RST)22、一源極跟隨電晶體(SF)24以及一讀出電晶體(RS)26，其中，移轉電晶體(TX)20與一光二極管10耦合。
如第2圖所示，根據本發明實施例，光二極管10可以包含一P+淺摻雜區110以及一N-摻雜區111，構成一形成在半導體基底100的“釘扎”光二極管(pinned photodiode)，但不限於此。熟習該項技藝者應理解，光二極管10也可以是其它光感結構。光二極管10設置在移轉閘極20a的一側的半導體基底100內。根據本發明實施例，半導體基底100可以是一P型矽基底，
但不限於此。
根據本發明實施例，如第1圖及第2圖所示，在移轉閘極20a的另一側，相對於上述光二極管10，移轉電晶體(TX)20與重置電晶體(RST)22之間設置一共用的浮置擴散節點(FD)12。透過浮置擴散節點(FD)12，使移轉電晶體(TX)20與重置電晶體(RST)22串接在一起。在重置閘極22a的另一側，相對於浮置擴散節點(FD)12，設有一摻雜區14。
根據本發明實施例，如第1圖及第2圖所示，移轉電晶體(TX)20與重置電晶體(RST)22係設置在一第一主動區域101上，而源極跟隨電晶體(SF)24以及讀出電晶體(RS)26則設置在一第二主動區域102上。第一主動區域101與第二主動區域102之間由溝渠絕緣結構120隔開。
根據本發明實施例，長條狀的第二主動區域102係平行設置在第一主動區域101一側，使源極跟隨電晶體(SF)24可以接近浮置擴散節點(FD)12。熟習該項技藝者應理解圖中所示佈局結構僅為例示，本發明並不限於此佈局。
根據本發明實施例，如第1圖及第2圖所示，源極跟隨電晶體(SF)24包括一源極跟隨閘極24a、一摻雜區16以及一共用摻雜區18。讀出電晶體(RS)26包括一讀出閘極26a、所述共用摻雜區18以及一摻雜區19。
根據本發明實施例，操作時，源極跟隨電晶體(SF)24的摻雜區16可以外接一VDD1電壓，重置電晶體(RST)22的摻雜區14可以外接一VDD2電壓，移轉閘極20a可以外接一移轉閘極電壓VTX，重置閘極22a可以外接一重置閘極電壓VRST，讀出閘極26a可以外接一讀出閘極電壓VRS。
根據本發明實施例，如第1圖及第2圖所示，本發明的一技術特徵在於：源極跟隨閘極24a係與浮置擴散節點(FD)12透過一第一導電插塞52、一第一金屬內連線42以及一第二導電插塞54之路徑耦接在一起。其中，所述第一導電插塞52係電連接浮置擴散節點(FD)12與第一金屬內連線42，所述第二導電插塞54係電連接源極跟隨閘極24a與所述第一金屬內連線42。
如第2圖所示，所述第一導電插塞52以及第二導電插塞54係形成於一介電層60中。第一導電插塞52以及第二導電插塞54可以是鎢金屬，但不限於此。第一金屬內連線42可以是以後段製程(BEOL)的第一層金屬層(1M)所製成。
根據本發明實施例，如第1圖及第2圖所示，本發明的另一技術特徵在於：源極跟隨閘極24a再透過一第二金屬內連線44耦接至一電容結構30，更明確的說，源極跟隨閘極24a係透過所述第二金屬內連線44耦接至所述電容結構30的一第一電極板31，其中第二金屬內連線44與第一金屬內連線42同樣是以第一層金屬層(1M)所製成。所述電容結構30還包括一第二電極板32，與第一電極板31相隔設置。根據本發明實施例，如第1圖所示，第一電極板31與第二電極板32可以是交指狀配置。
第7圖例示另一實施例，其中第一電極板31可以有至少兩個指電極板31a，皆與金屬內連線44耦接，而第二電極板32可以有至少三個指電極板32a。熟習該項技藝者應理解圖中所示電容佈局結構僅為例示，本發明並不限於此佈局。
第3圖及第4圖例示所述電容結構30的立體側視圖。根據本發明實施例，所述電容結構30為一垂直電容結構，亦即，第一電極板31與第二電極板32均垂直於半導體基底100的一主表面100a。根據本發明實施例，如第3圖所示，所述電容結構30的第一電極板31可以是由金屬層311、複數個柱狀介層插塞312與金屬層313所構成，而第二電極板32可以是由金屬層321、複數個柱狀介層插塞322與金屬層323所構成，其中金屬層311/321可以是第一層金屬層(1M)所製成，金屬層313/323可以是第二層金屬層(2M)所製成。第一電極板31與第二電極板32之間可以是填入介電層(圖未示)。
根據本發明另一實施例，如第4圖所示，所述電容結構30的第一電極板31可以是由金屬層311、一溝槽式介層插塞312’與金屬層313所構成，而第二電極板32可以是由金屬層321、一溝槽式介層插塞322’與金屬層323
所構成。同樣的，第一電極板31與第二電極板32之間可以是填入介電層(圖未示)。其中溝槽式介層插塞312’/322’為條狀導體結構，因此可增大第一電極板31與第二電極板32之間的電容值。
本發明CMOS影像感應器係藉由將浮置擴散節點(FD)12耦接至源極跟隨閘極24a以及電容結構30的第一電極板31，使電容結構30的第二電極板32耦合至一偏壓(例如接地)，如此能夠增加浮置擴散節點(FD)12的電荷處理電容值(CFD)，因此能夠有效的改善像素動態範圍。此外，本發明的電容結構30係為垂直電容結構，其優點是可以在有限的面積提供出最大的電容值。
請參閱第5圖及第6圖，其為依據本發明其它實施例所繪示的CMOS影像感應器的剖面結構示意圖，其中為了簡化說明，如同第2圖，僅僅繪示出本發明重要特徵結構。如第5圖所示，其特徵在於電容結構30可以由第一層金屬層(1M)、第一層介層插塞(1T)、第二層金屬層(2M)、第二層介層插塞(2T)及第三層金屬層(3M)所構成。如第6圖所示，其特徵在於電容結構30可以由第一層金屬層(1M)、第二層介層插塞(2T)及第三層金屬層(3M)所構成。
所述電容結構30可以形成在介電層160及260中，且第一層金屬層(1M)、第一層介層插塞(1T)、第二層金屬層(2M)、第二層介層插塞(2T)及第三層金屬層(3M)可以是包含鋁、銅、鋁銅合金、鎢、氮化鈦、鈦、鉭、氮化鉭等導電材料，但不限於此。
在第5圖中，電容結構30的第一電極板31可以是由金屬層311、溝槽式介層插塞312’、金屬層313、溝槽式介層插塞314及金屬層315所堆疊而成，而第二電極板32可以是由金屬層321、溝槽式介層插塞322’、金屬層323、溝槽式介層插塞324及金屬層325所堆疊而成。其中金屬層311/321係為第一層金屬層(1M)，溝槽式插塞312’/322’係為第一層介層插塞(1T)，金屬層313/323係為第二層金屬層(2M)，溝槽式插塞314/324係為第二層介層插
塞(2T)，金屬層315/325係為第三層金屬層(3M)。
在第6圖中，電容結構30的第一電極板31可以是由金屬層311、溝槽式介層插塞312”及金屬層315所堆疊而成，而第二電極板32可以是由金屬層321、溝槽式介層插塞322”及金屬層325所堆疊而成。其中，溝槽式介層插塞312”及溝槽式介層插塞322”可以穿透介電層160及260，其作為第二層介層插塞(2T)直接連接第一層金屬層311/321與第三層金屬層315/325。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1‧‧‧CMOS影像感應器
10‧‧‧光二極管
12‧‧‧浮置擴散節點
14‧‧‧摻雜區
16‧‧‧摻雜區
18‧‧‧共用摻雜區
19‧‧‧摻雜區
20‧‧‧移轉電晶體
20a‧‧‧移轉閘極
22‧‧‧重置電晶體
22a‧‧‧重置閘極
24‧‧‧源極跟隨電晶體
24a‧‧‧源極跟隨閘極
26‧‧‧讀出電晶體
26a‧‧‧讀出閘極
30‧‧‧電容結構
31‧‧‧第一電極板
32‧‧‧第二電極板
42‧‧‧第一金屬內連線
44‧‧‧第二金屬內連線
52‧‧‧第一導電插塞
54‧‧‧第二導電插塞
101‧‧‧第一主動區域
102‧‧‧第二主動區域
120‧‧‧溝渠絕緣結構
TX‧‧‧移轉電晶體
RST‧‧‧重置電晶體
SF‧‧‧源極跟隨電晶體
RS‧‧‧讀出電晶體
FD‧‧‧浮置擴散節點
PD‧‧‧光二極管
Claims (12)
- 一種影像感應器，包含有：一半導體基底，其具有一主表面；一移轉電晶體，包含一移轉閘極，設置於該半導體基底的該主表面上；一光感結構，設於該移轉閘極一側的該半導體基底內；一浮置擴散節點，設於該移轉閘極另一側的該半導體基底內；一重置電晶體，經由該浮置擴散節點串接於該移轉電晶體；一源極跟隨電晶體，包含一源極跟隨閘極；以及一垂直電容結構，其中該垂直電容結構具有一第一垂直電極板以及一第二垂直電極板，該第一垂直電極板係電連接該源極跟隨閘極以及該浮置擴散節點，其中該第一垂直電極板及該第二垂直電極板均由一第一金屬層、一溝槽式介層插塞與一第二金屬層所堆疊而成。
- 如申請專利範圍第1項所述的影像感應器，其中該源極跟隨閘極係與該浮置擴散節點透過一第一導電插塞、一第一金屬內連線以及一第二導電插塞之路徑耦接在一起。
- 如申請專利範圍第2項所述的影像感應器，其中該第一導電插塞與該第二導電插塞設於同一介電層中。
- 如申請專利範圍第2項所述的影像感應器，其中該源極跟隨閘極係透過一第二金屬內連線耦接至該電容結構的該第一垂直電極板。
- 如申請專利範圍第1項所述的影像感應器，其中該第一垂直電極板與第二垂直電極板是交指狀配置。
- 如申請專利範圍第1項所述的影像感應器，其中該第一垂直電極板與該第二垂直電極板均垂直於該半導體基底的該主表面。
- 如申請專利範圍第1項所述的影像感應器，其中另包含一讀出電晶體，經由一共用摻雜區與該源極跟隨電晶體串接在一起。
- 如申請專利範圍第7項所述的影像感應器，其中該移轉電晶體與該重置電晶體係設置在一第一主動區域上，而該源極跟隨電晶體以及該讀出電晶體則設置在一第二主動區域上，且該第一主動區域與該第二主動區域之間由一溝渠絕緣結構隔開。
- 如申請專利範圍第1項所述的影像感應器，其中該光感結構係為一光二極管，其包含一P+淺摻雜區以及一N-摻雜區，構成一形成在該半導體基底的釘扎光二極管。
- 如申請專利範圍第1項所述的影像感應器，其中另包含一介電層，設於該第一垂直電極板及該第二垂直電極板之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的影像感應器，其中該第二垂直電極板在操作時係外接一偏壓。
- 如申請專利範圍第11項所述的影像感應器，其中該偏壓為接地。
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