TWI584454B

TWI584454B - 互補式金氧半導體深度感測器元件

Info

Publication number: TWI584454B
Application number: TW105106092A
Authority: TW
Inventors: 張鴻德; 吳高彬
Original assignee: 義明科技股份有限公司
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2016-03-01
Publication date: 2017-05-21
Also published as: TW201711175A

Description

互補式金氧半導體深度感測器元件

本發明係關於一種深度感測器元件，尤指一種互補式金氧半導體深度感測器元件。

目前互補式金氧半導體(COMS)主動式影像感測器的深度感測器元件如圖6所示，主要包含一感測單元50及一讀取單元60；其中該感測單元50係包含有一光閘元件70(Photo Gate)，該讀取單元60則包含有一傳送電晶體Qtx、一重置電晶體Q1、一放大電晶體Q2及一選擇電晶體Q3。

圖6的光閘元件70係為一種N型光閘元件，其於一P型基板51上先形成有一P型磊晶層52(P-EPI)，再於該P型磊晶層52上對應一感光區域A形成有一N型摻雜阱53(N-Well)，再於該N型摻雜阱53上形成有一感光閘極71，該感光閘極71係包含有一絕緣層711及一多晶矽層712。

圖6的該傳送電晶體Qtx為一個N型互補式金氧半導體(NMOS)電晶體，該傳送電晶體Qtx之傳送閘極G0係形成於該P型基板51的該P型磊晶層52上，該P型磊晶層52對應該傳送閘極G0兩側的下方分別形成有一第一及第二N+摻雜區531a、531b，其中該第一N+摻雜區531a係位在該N型摻雜阱53一側，與該傳送電晶體Qtx的傳送閘極G0與該光閘元件的感光閘極71下方並形成連接導通，而該第二N+摻雜區531b作為該深度感測器元件的一傳送節點FD，故與該重置電晶體Q1及該放大電晶體Q2形成連接導通。

在圖6中該重置電晶體Q1、放大電晶體Q2及選擇電晶體Q3均為NMOS電晶體，並以電子元件符號表示之。該重置電晶體Q1的源極S1與該傳送節點FD連接，其汲極D1則連接至一高電位電壓Vcc。該放大電晶體Q2的閘極G2同係連接至該傳送節點FD，而其汲極D2則同樣連接至該高電位電壓Vcc，其源極S2則連接至該選擇電晶體Q3的汲極D3，該選擇電晶體Q3的閘極G3則連接至該影像感測器中的一條對應的列選擇線Yj，而該選擇電晶體Q3的源極S3則連接至一條對應的行位元線Xi。

當光線照射至感光區域A時，該光閘元件70會受光激發出多數載子，以N型光閘元件來說，該多數載子為電子；此時，輸出一驅動訊號TX至該傳送電晶體Qtx的傳送閘極G0以於該第一及第二N+摻雜區531a、531b之間產生一通道，使該光閘元件70受光激發出來的多數載子擴散至第一N+摻雜區531a後，透過該通道往第二N+摻雜區531b移動；如此，該多數載子即匯集於該傳送節點FD。接著，再控制該重置電晶體Q1及放大電晶體Q2，將該傳送節點FD的多數載子對應的一感測訊號予以放大。當該選擇電晶體Q3的閘極G3所連接的列選擇線Yj出現一選擇訊號，該選擇電晶體Q3即被導通並將該放大的感測訊號傳送至對應的行位元線Xi。

綜前所述，當該傳送電晶體Qtx的通道建立後，該光閘元件70受光產生的多數載子即可被匯集至該傳送節點FD；惟，該第一N+摻雜區531a與P型磊晶層52之間為PN接面，故而其導通時需要足夠大的閘極電壓才能建立該通道，以傳送該光閘元件的多數載子，加上多數載子是以擴散方式傳送至第一N+摻雜區531a，多數載子的傳送速度慢；因此，目前深度感測器元件的半導體結構不利於高速影像感測器發展，故有必要進一步改良之。

有鑑於上述現有深度感測器元件無法滿足高速感測的需求，本發明主要目的係提供一種互補式金氧半導體深度感測器元件，以提供較快速的感測反應速率。

欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該互補式金氧半導體(COMS)深度感測器元件包含有：一基板，係包含有一感光區域，該基板形成有一半導體區；一感光閘極，係形成於該半導體區上，並對應該感光區域且具有一第一側及一第二側；一第一傳送閘極，係形成於該半導體區上並具有一第一側及一第二側，且該第一傳送閘極的第二側相鄰於該感光閘極的第一側，並與其保持一第一間隙；一第二傳送閘極，係形成於該半導體區上並具有一第一側及一第二側，且該第二傳送閘極的第一側相鄰於該感光閘極的第二側，並與其保持一第二間隙；一第一浮接摻雜區，係形成於該基板之半導體區中，該第一浮接摻雜區之一側對應連接導通該第一傳送閘極的第一側，以作為一第一傳送節點；以及一第二浮接摻雜區，係形成於該基板之半導體區中，該第二浮接摻雜區之一側對應連接導通該第二傳送閘極的第二側，以作為第二傳送節點；其中該第一及第二浮接摻雜區的雜質極性與該半導體區的雜質極性相異。

由上述COMS深度感測器元件的半導體結構可知，由於該第一及第二浮接摻雜區作為傳送節點使用，且本發明的該感光閘極與該第一及第二傳送閘極下方係共用相同半導體區，加上該半導體區的雜質極性與第一及第二浮接摻雜區的雜質極性相反，故本發明COMS深度感測器元件不包含現有COMS深度感測器元件的傳送電晶體的第一摻雜區；因此，當對該第一或第二傳送閘極施加驅動訊號，以讀取本發明CMOS深度感測器元件的感測訊號時，被施加驅動訊號的第一或第二傳送閘極與該感光閘極之間構成一電場，藉由成一邊際電場效應(fringing electric field effect)使得光閘元件受光激發出來的多數載子以漂移方式流向該第一或第二浮接摻雜區，達到加快輸出感測訊號的速度。

首先請參閱圖1A、圖2A及圖3A所示，係為本發明互補式金氧半導體深度感測器元件10的第一實施例，係主要包含有一感測單元20及一讀取單元30；其中該感測單元20係包含有一光閘元件Qpg，而該讀取單30元係主包含有一第一及第二傳送電晶體Qtx1、Qtx2。該感測單元20及該讀取單元30均形成於一基板11上，以下詳細說明其半導體結構。

上述光閘元件Qpg的半導體結構係將一第一半導體區13形成於該基板11上，再對應一感光區A的位置，於該第一半導體區13上先形成一絕緣層211，再於該絕緣層211上形成有一多晶矽層212；其中該絕緣層211及該多晶矽212層係共同構成該光閘元件Qpg的一感光閘極21，該感光閘極21於受光後激發出多數載子。以N型光閘元件來說，多數載子為電子；以P型光閘元件來說，多數載子則為電洞。

該第一及第二傳送電晶體Qtx1、Qtx2的半導體結構係分別包含於該第一半導體區13上所形成的第一及第二傳送閘極31a、31b，該第一傳送閘極31a具有一第一側及一第二側，其即分別為該第一傳送閘極31a之相對二側，該第二傳送閘極31b具有一第一側及一第二側，其即分別為該第二傳送閘極31b之相對二側。該第一傳送閘極31a的第二側係相鄰於該光閘元件Qpg的感光閘極21的第一側，並與該感光閘極21的第一側保持一個第一間隙d1，該第二傳送閘極31b的第一側係相鄰於該光閘元件Qpg的感光閘極21的第二側，並與該感光閘極21之第二側保持一個第二間隙d2，在一實施例中，第一間隙d1等於第二間隙d2。作為互補式金氧半導體深度感測器元件10的第一及第二傳送節點FD1、FD2用的第一及第二浮接摻雜區311a、311b，則分別形成在該第一半導體區13中，且第一浮接摻雜區311a對應該第一傳送閘極31a的第一側並形成連接導通，第二浮接摻雜區311b對應該第二傳送閘極31b的第二側並形成連接導通；其中該第一及第二浮接摻雜區311a、311b的雜質極性與該第一半導體區13的雜質極性相異。在本實施例中，該基板11為P型基板(P-Sub)，而該第一半導體區13係為形成於一P型磊晶層(P-EPI)12中的P型摻雜阱(P-Well)，而該第一及第二浮接摻雜區311a、311b則為N+摻雜區；在其它的實施例中，該基板21可為N型基板，該第一半導體區13為N型摻雜阱，而該第一及第二浮接摻雜區311a、311b則為P+摻雜區，此為本領域已知技術，在此不再贅述。

上述第一實施例的第一及第二傳送電晶體Qtx1、Qtx2相較現有傳送電晶體，本發明的該感光閘極21與該第一及第二傳送閘極31a、31b下方係共用相同的該第一半導體區13，加上該第一半導體區13的雜質極性與第一及第二浮接摻雜區311a、311b的雜質極性相反，故本發明第一及第二傳送電晶體Qtx1、Qtx2不包含習用傳送電晶體Qtx的第一N+摻雜區531a(如圖6所示)。

如圖2A所示，本實施例的讀取單元30可進一步包含有一第一及第二重置電晶體Q1a、Q1b、一第一及第二放大電晶體Q2a、Q2b及一第一及第二選擇電晶體Q3a、Q3b。在本實施例中，該些電晶體均為NMOS電晶體，並以電子元件符號表示之。該第一及第二重置電晶體Q1a、Q1b的源極S1a、S1b分別與該第一及第二傳送節點FD1、FD2連接，其汲極D1a、D1b則分別連接至一第一高電位電壓V1。該第一及第二放大電晶體Q2a、Q2b的閘極G2a、G2b同係分別連接至該第一及第二傳送節點FD1、FD2，而其汲極D2a、D2b則同樣連接至一第二高電位電壓V2，其源極S2a、S2b則分別連接至該第一及第二選擇電晶體Q3a、Q3b的汲極D3a、D3b，該第一及第二選擇電晶體Q3a、Q3b的閘極G3a、G3b則連接至該影像感測器中的一條對應的列選擇線Yj，而該第一及第二選擇電晶體Q3a、Q3b的源極S3a、S3b則連接至一條對應的行位元線Xia、Xib。該第一高電位電壓V1與第二高電位電壓V2的電位可不同或相同。

請配合圖3A所示，係為圖2A互補式金氧半導體深度感測器元件10第一實施例的等效電路圖。欲讀取該光閘元件Qpg的感測訊號，如圖4所示，將一高電位訊號PG提供至該感光閘極21，且分別提供一第一及第二驅動訊號TX1、TX2(方波)傳送至該第一及第二傳送電晶體Qtx1、Qtx2的第一及第二傳送閘極31a、31b，由於第一及第二驅動訊號TX1、TX2恰為反相，故該第一及第二傳送閘極31a、31b會分別與該感光閘極21之間交錯構成一電場，藉由一邊際電場效應(fringing electric field effect)將感光閘極21受光激發出的多數載子流向該第一或第二浮接摻雜區311a、311b，加快輸出感測訊號的速度；其中該高電位訊號PG中的一部分訊號係對應同時呈高電位的第一傳送閘極311a，代表多數載子流向該第一傳送節點FD1；此時，由於該第一重置電晶體Q1a的閘極G1a呈低電位而不導通，故第一放大電晶體Q2a即可導通，並將該第一傳送節點FD1匯集的多數載子所對應的感測訊號予以放大。當該第一選擇電晶體Q3a的閘極G3a所連接的列選擇線Yj出現一選擇訊號，該第一選擇電晶體Q3a即被導通並將該放大的感測訊號傳送至對應的行位元線Xia。又，該高電位訊號PG中的另一部分訊號則是對應同時呈高電位的第二傳送閘極311b，代表多數載子流向該第二傳送節點FD2；此時，由於該第二重置電晶體Q1b的閘極G1b呈低電位而不導通，故第二放大電晶體Q2b即可導通，將該第二傳送節點FD2予放大成為一感測訊號。當該第二選擇電晶體Q3b的閘極G3b所連接的列選擇線Yj出現一選擇訊號，該第二選擇電晶體Q3b即被導通並將該放大的感測訊號傳送至對應的行位元線Xib。

該第一及第二傳送閘極311a、311b的一側與該感光閘極21相近的一側之間的間隙d，必須足夠於該第一及第二驅動訊號TX1、TX2呈高電位時，讓該第一及第二傳送閘極311a、311b與該感光閘極21之間構成具有邊際電場效應的電場。在本實施例中，該間隙為0.22微米，若在最高提供3.3V電壓給予感光閘極21的情形下，該間隙範圍係可為0.01微米~0.22微米，但不以此為限。進一步而言，當將給予感光閘極21之電壓越高時，該間隙可越大，如可為0.01微米~0.4微米。

請參閱圖1B及圖2B所示，係為本發明互補式金氧半導體深度感測器元件10a的第二實施例，其與第一實施例大致相同，惟成形該P型摻雜阱製程中係使用一遮蔽光罩BM1，如圖2B所示，即該第二半導體區12(P型磊晶層)對應該遮蔽光罩BM1的範圍內不成形P型摻雜阱；故本實施例的光閘元件Qpg之感光閘極21a、第一及第二傳送閘極31a、31b與部份第一及第二浮接摻雜區311a、311b下方均不形成該P型摻雜阱，而直接與該P型磊晶層(P-EPI)連接導通，則可以產生較多的多數載子；因此，在本實施例中，該感光閘極21a與該第一及第二傳送閘極31a、31b下方係共用相同的第二半導體區12(P型磊晶層)。其餘P型摻雜阱(P-Well)則保留供該讀取單元30的其它電子元件成形配置，如圖2B所示該第一及第二重置電晶體Q1a、Q1b係於該P型摻雜阱內分別形成有一第一及第二汲／源極摻雜區312a、312b，再於該P型摻雜阱上形成一第一及第二閘極G1a、G1b；該第一閘極G1a的二側係分別對應連接導通該第一浮接摻雜區311a及該第一汲／源極摻雜區312a，該第二閘極G1b的二側分別對應連接導通該第二浮接摻雜區311b及該第二汲／源極摻雜區312b。再於該P型摻雜阱內形成一第一及第二溝渠絕緣區313a、313b，以分別相鄰於該第一及第二汲／源極摻雜區312a、312b的另一側。該第一及第二汲／源極摻雜區312a、312b的雜質極性與該第二半導體區12的雜質極性相異。於本實施例中，因為該第二半導體區12為P型磊晶層，故該第一及第二汲／源極摻雜區312a、312b為N型摻雜區。

請參閱圖1C及圖2C所示，係為本發明互補式金氧半導體深度感測器元件10b的第三實施例，其與第二實施例大致相同，惟該光閘元件Qpg的感光閘極21a係包含有複數並排的子感光閘極212a~212d；其中該複數子感光閘極212a~212d的數量不限定，且面積可相同或相異。再請配合圖3B及圖5A所示，在第一時相下欲讀取該第一傳送節點FD1的多數載子對應的感測訊號，提供如圖4所示的該第一驅動訊號TX1予該第一傳送閘極31a，此時該第一傳送閘極31a為高電位，又為加速多數載子的傳送速率，同時提供不同電位的高電位訊號予複數子感光閘極212a~212d；其中如圖5A所示，各該高電位訊號V _PG1~V _PG4的電位由該第一傳送閘極31a往該第二傳送閘極31b方向遞減，而該第一驅動訊號TX的電位又較各該高電位訊號V _PG1~V _PG4的電位高。在此同時，不提供該第二驅動訊號TX2予該第二傳送閘極31b，即該第二傳送閘極31b電位為0。

再請配合圖3B及圖5B所示，在第二時相下欲讀取該第二傳送節點FD2的多數載子對應的感測訊號，提供如圖4所示的該第二驅動訊號TX2予該第二傳送閘極31b，此時該第二傳送閘極31b為高電位，並同時提供不同電位的高電位訊號V _PG1~V _PG4予該複數子感光閘極212a~212d；其中各該高電位訊號V _PG1~V _PG4的電位由該第一傳送閘極31a往該第二傳送閘極31b方向遞增，而該第二驅動訊號TX2的電位又較各該高電位訊號V _PG1~V _PG4的電位高。在此同時，不提供該第一驅動訊號TX1予該第一傳送閘極31a，即該第一傳送閘極31a電位為0。

由上述COMS深度感測器元件的半導體結構可知，由於該第一及第二浮接摻雜區作為傳送節點使用，且本發明的該感光閘極與該第一及第二傳送閘極下方係共用相同半導體區，加上該半導體區的雜質極性與第一及第二浮接摻雜區的雜質極性相反，故本發明COMS深度感測器元件不包含現有COMS深度感測器元件的傳送電晶體的第一摻雜區；因此，當對該第一或第二傳送閘極施加驅動訊號，以讀取本發明CMOS深度感測器元件的感測訊號時，被施加驅動訊號的第一或第二傳送閘極與該感光閘極之間構成一電場，藉由成一邊際電場效應(fringing electric field effect)使得光閘元件受光激發出來的多數載子以漂移方式流向該第一或第二浮接摻雜區，加快輸出感測訊號的速度。

以上所述僅是本發明的實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以實施例揭露如上，然而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，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

10、10a、10b COMS深度感測器元件 11 基板 12 第二半導體區 13 第一半導體區 20 感測單元 21、21a 感光閘極 212a~212d 子感光閘極 211 絕緣層 212 多晶矽層 30 讀取單元 31a 第一傳送閘極 31b 第二傳送閘極 311a 第一浮接摻雜區 311b 第二浮接摻雜區 312a 第一汲／源極摻雜區 312b 第二汲／源極摻雜區 313a 第一溝渠絕緣區 313b 第二溝渠絕緣區 50 感測單元 51 P型基板 52 P型磊晶層 53 N型摻雜阱 531a 第一N+摻雜區 531b 第二N+摻雜區 70 光閘元件 71 感光閘極 711 絕緣層 712 多晶矽層

圖1A：本發明互補式金氧半導體深度感測器元件的第一實施例的俯視平面圖。圖1B：本發明互補式金氧半導體深度感測器元件的第一實施例的俯視平面圖。圖1C：本發明互補式金氧半導體深度感測器元件的第一實施例的俯視平面圖。圖2A：圖1A的剖面圖。圖2B：圖1B的剖面圖。圖2C：圖1C的剖面圖。圖3A：圖1A及1B的電路圖。圖3B：圖1C的電路圖。圖4：圖3A及3B的訊號時序圖。圖5A：圖1C於第一時相下的位能能階圖。圖5B：圖1C於第二時相下的位能能階圖。圖6：現有一互補式金氧半導體深度感測器元件的剖面圖。

10 COMS深度感測器元件 11 基板 12 第二半導體區 13 第一半導體區 20 感測單元 21 感光閘極 211 絕緣層 212 多晶矽層 30 讀取單元 31a 第一傳送閘極 31b 第二傳送閘極 311a 第一浮接摻雜區 311b 第二浮接摻雜區

Claims

一種深度感測器元件，係包括：一基板，係包含有一感光區域，該基板形成有一半導體區；一感光閘極，係形成於該半導體區上，並對應該感光區域且具有一第一側及一第二側；其中提供一電壓予該感光閘極；一第一傳送閘極，係形成於該半導體區上並具有一第一側及一第二側，且該第一傳送閘極的第二側相鄰於該感光閘極的第一側，並與其保持一第一間隙；一第二傳送閘極，係形成於該半導體區上並具有一第一側及一第二側，且該第二傳送閘極的第一側相鄰於該感光閘極的第二側，並與其保持一第二間隙；一第一浮接摻雜區，係形成於該基板之半導體區中，該第一浮接摻雜區之一側對應連接導通該第一傳送閘極的第一側，以作為一第一傳送節點；以及一第二浮接摻雜區，係形成於該基板之半導體區中，該第二浮接摻雜區之一側對應連接導通該第二傳送閘極的第二側，以作為第二傳送節點；其中該感光閘極、第一傳送閘極及第二傳送閘極係共同對應到相同之該半導體區，該第一及第二浮接摻雜區的雜質極性與該半導體區的雜質極性相異。
如請求項1所述之深度感測器元件，係進一步包含：一第一重置電晶體，其包含有一第一閘極及一第一汲/源極摻雜區，該第一閘極的二側係分別對應連接導通該第一浮接摻雜區及該第一汲/源極摻雜區；一第二重置電晶體，其包含有一第二閘極及一第二汲/源極摻雜區，該第二閘極的二側分別對應連接導通該第二浮接摻雜區及該第二汲/源極摻雜區；一第一溝渠絕緣區，該第一汲/源極摻雜區的二側分別對應該第一閘極及該第一溝渠絕緣區；及一第二溝渠絕緣區，該第二汲/源極摻雜區的二側分別對應該第二閘極及該第二溝渠絕緣區；其中該第一及第二汲/源極摻雜區的雜質極性與該半導體區的雜質極性相異。
如請求項2所述之深度感測器元件，其中該基板係形成一磊晶層，該半導體區係形成於該磊晶層中。
如請求項2所述之深度感測器元件，其中該半導體區為一磊晶層，且該基板具有一摻雜阱，該摻雜阱係形成於該磊晶層中，並對應該第一及第二閘極，且該第一及第二汲/源極摻雜區與該第一溝渠絕緣區係形成於該摻雜阱中。
如請求項3所述之深度感測器元件，其中：該基板係為一P型基板；該磊晶層為一P型磊晶層；該第一及第二浮接摻雜區為N型摻雜區；該第一及第二汲/源極摻雜區為N型摻雜區。
如請求項4所述之深度感測器元件，其中：該基板係為一P型基板；該磊晶層為一P型磊晶層；該摻雜阱為一P型摻雜阱；該第一及第二浮接摻雜區為N型摻雜區；該第一及第二汲/源極摻雜區為N型摻雜區。
如請求項2至6中任一項所述之深度感測器元件，係進一步包含：兩放大電晶體，其二閘極係分別耦接於該第一及第二浮接摻雜區；及兩列選擇電晶體，係分別耦接於對應的該放大電晶體、一行位元線及一列選擇線。
如請求項1至6中任一項所述之深度感測器元件，其中該感光閘極係包含有複數間隔並排的子感光閘極；其中：於第一時相下，由該第一傳送閘極往該第二傳送閘極方向，該第一傳送閘極及該複數子感光閘極同時被提供由大到小的電壓；及於第二時相下，由該第二傳送閘極往該第一傳送閘極方向，該第二傳送閘極及該複數子感光閘極同時被提供由大到小的電壓。
如請求項8所述之深度感測器元件，其中該複數子感光閘極的面積相同。
如請求項8所述之深度感測器元件，其中該複數子感光閘極的面積相異。
如請求項1所述之深度感測器元件，其中該第一間隙及第二間隙的間隙範圍為0.01微米~0.4微米。
如請求項1所述之深度感測器元件，係進一步提供一第一驅動訊號予該第一傳送閘極，且該第一驅動訊號之電壓的電位與提供予該感光閘極之電壓的電位不同，並提供一第二驅動訊號予該第二傳送閘極，且該第二驅動訊號之電壓的電位與提供予該感光閘極之電壓的電位不同。
一種深度感測器元件的感測方法，其中該深度感測器元件包含有一感光閘極、一第一傳送閘極、及一第二傳送閘極，該第一傳送閘極及該第二傳送閘極分別設於該感光閘極之兩側，該感光閘極包含有複數個子感光閘極，該感測方法係包括以下步驟：a.於第一時相下，由該第一傳送閘極往該第二傳送閘極方向，該第一傳送閘極及該複數子感光閘極同時被提供由大到小的電壓；b.於第二時相下，由該第二傳送閘極往該第一傳送閘極方向，該第二傳送閘極及該複數子感光閘極同時被提供由大到小的電壓。