TWI822229B - 具有三維單晶堆疊架構的氧化物半導體場效電晶體與鐵電儲存電容器的互補式金氧半導體影像感測器 - Google Patents

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Abstract

本發明提出了一種具有三維單晶堆疊架構的氧化物半導體場效電晶體與鐵電儲存電容器的互補式金氧半導體影像感測器，其包含一基底，其上具有互補式金氧半導體元件，一後段互連層位於該基底上且其中具有後段互連結構，一像素電路層位於該後段互連層上，該像素電路層中具有氧化物半導體場效電晶體以及鐵電儲存電容器，以及一光電轉換層位於該像素電路層上，該光電轉換層中具有光電二極體，其中該些互補式金氧半導體元件、該些氧化物半導體場效電晶體、該些鐵電儲存電容器以及該些光電二極體透過該後段互連層彼此電性連接。

Description

具有三維單晶堆疊架構的氧化物半導體場效電晶體與鐵電儲 存電容器的互補式金氧半導體影像感測器
本發明大體上與一種互補式金氧半導體影像感測器(CMOS image sensor,CIS)有關，更具體言之，其係關於一種具有三維單晶堆疊架構的氧化物半導體場效電晶體(OSFET)與鐵電儲存電容器(FEMIM)的CMOS影像感測器。
使用半導體元件的各類電子設備對現代人而言是不可或缺的裝置。其中，用來感光或是具有攝像功能的電子設備普遍都會涉及到固態影像感測器，其中的互補式金氧半導體影像感測器(CMOS image sensor,CIS，後續統稱為CMOS影像感測器)現今已被廣泛地應用在多種領域，諸如數位相機、行動電話或是電子監視器等。CMOS影像感測器一般會包含排成陣列型態的圖像元件或像素，每個像素會具有電晶體、電容以及光電二極體等部件，其中光電二極體暴露在光環境下會誘發電能，其所產生的電子與落在像素單元上的光量呈一定比例。這些電子在像素中會被轉換成電壓訊號的形式並再進一步轉換為數位訊號。
隨著近年來人工智慧(AI)的興起，許多科技領域都正在透過人工智慧、機器學習與深度學習來驅動各種創新技術的實現，正是因為人工智慧系統與人工智慧演算法使機器(如電腦)具有資料處理能力、推理以及深度學習的能力，這些人工智慧系統與模型經常被高密度地訓練來執行特定的工作，例如 神經語言處理、影像辨識、計畫和決策等諸如此類的工作。為此，智慧聯網(AIoT)的概念開始蔚為流行，透過發展成熟的物聯網技術使得數位裝置之間產生緊密的連結，搭配人工智慧對所接收到的外部數據或資料進行學習並做出預測性分析或決策判斷，以此實現自動化、遠端操控、串聯其他裝置等功能，其未來在交通、醫療、製造業等產業領域以至日常生活中都能帶來更多創新與方便的應用。
作為一種資訊接收裝置，CMOS影像感測器在智慧聯網應用中扮演了要角。傳統的電子監視器需要把所接收到的影像檔透過網路傳送到雲端進行分析處理，其傳輸的資料量動輒以GB(十億位元組)計，網路流量與能耗是其瓶頸所在。對此，業界提出了AI CIS(人工智慧CMOS影像感測器)的設計，其透過設置在CMOS影像感測器端的邊緣AI裝置來代替雲端AI處理影像資料。如此，處理後所需上傳的資料僅為Byte(位元組)級到KB(千位元組)級的文字檔，整體流程的能耗更可達到傳統雲端AI做法的千分之一，一次解決感測器耗電與網路瓶頸問題。
然而，現今AI CIS技術仍有許多缺點有待改進。例如，一個AI CIS裝置會需要具備整合的CMOS影像感測器、記憶體、像素電路以及邏輯電路等部件。目前業界的做法是透過3D封裝與晶圓級接合等方式將這些位於不同層級部件整合在一起，這樣的做法需要進行多次的晶圓接合，故需要進行額外的穿矽孔(through silicon via,TSV)製程以及晶圓對準步驟，其製程繁複，容易有可靠度問題發生。此外，將多個晶片層疊鍵合在一起會使得裝置整體的厚度過大，不利於現今電子裝置微縮化的訴求。再者，習知做法通常使用一般傳統的動態隨機存取記憶體(DRAM)來做為AI CIS的儲存單元，其數據資料必須在運算單元與記憶體之間進行反覆的傳輸與刷新，不僅限制了整體效率與計算時間，亦無法滿足實際即時應用的情境，更會造成大量的能耗。
有鑑於上述目前習知技術的缺失，本發明於此提出了一種新穎的CMOS影像感測器，其特點在於採用三維單晶堆疊(3D monolithic)的方式，在半導體後段製程之後以氧化物半導體場效電晶體(OSFET)與鐵電儲存電容器(FEMIM)構成鐵電記憶體(FeRAM)直接製作在CMOS影像感測器的後段金屬層上，其不需進行習知的晶圓接合動作與穿矽孔之製作，且更適合AI CIS(人工智慧CMOS影像感測器)以及記憶體內運算(In-Memory Computing)等高階應用。
本發明的目的在於一種具有三維單晶堆疊架構的氧化物半導體場效電晶體與鐵電儲存電容器的互補式金氧半導體影像感測器，其包含一基底，其上具有互補式金氧半導體元件，一後段互連層位於該基底上且其中具有後段互連結構，一像素電路層位於該後段互連層上，該像素電路層中具有氧化物半導體場效電晶體以及鐵電儲存電容器，以及一光電轉換層位於該像素電路層上，其中該光電轉換層中具有光電二極體，其中該些互補式金氧半導體元件、該些氧化物半導體場效電晶體、該些鐵電儲存電容器以及該些光電二極體透過該後段互連層彼此電性連接。
本發明的這類目的與其他目的在閱者讀過下文中以多種圖示與繪圖來描述的較佳實施例之細節說明後應可變得更為明瞭顯見。
100:矽元件層
101:基底
103:淺溝槽隔離結構
105:金氧半導體場效電晶體
107:接觸件
109:導孔件
200:後段互連層
300:像素電路層
301:氧化物半導體場效電晶體
303:鐵電儲存電容器
305:金屬互連結構
307:上電極
309:下電極
311:電容介電層
400:光電轉換層
401:光電二極體
403:像素間阻擋部位
405:彩色濾光層
407:微透鏡
D1,D2:汲極
G1,G2:閘極
IMD:金屬間介電層
M1~Mn:金屬層
S1,S2:源極
第1圖為根據本發明較佳實施例中一三維單晶堆疊架構的CMOS影像感測器的截面示意圖。
須注意本說明書中的所有圖示皆為圖例性質，為了清楚與方便圖示說明之 故，圖示中的各部件在尺寸與比例上可能會被誇大或縮小地呈現，一般而言，圖中相同的參考符號會用來標示修改後或不同實施例中對應或類似的元件特徵。
現在下文將詳細說明本發明的示例性實施例，其會參照附圖示出所描述之特徵以便閱者理解並實現技術效果。閱者將可理解文中之描述僅透過例示之方式來進行，而非意欲要限制本案。本案的各種實施例和實施例中彼此不衝突的各種特徵可以以各種方式來加以組合或重新設置。在不脫離本發明的精神與範疇的情況下，對本案的修改、等同物或改進對於本領域技術人員來說是可以理解的，並且旨在包含在本案的範圍內。
閱者應能容易理解，本案中的「在…上」、「在…之上」和「在…上方」的含義應當以廣義的方式來解讀，以使得「在…上」不僅表示「直接在」某物「上」而且還包括在某物「上」且其間有居間特徵或層的含義，並且「在…之上」或「在…上方」不僅表示「在」某物「之上」或「上方」的含義，而且還可以包括其「在」某物「之上」或「上方」且其間沒有居間特徵或層(即，直接在某物上)的含義。此外，諸如「在…之下」、「在…下方」、「下部」、「在…之上」、「上部」等空間相關術語在本文中為了描述方便可以用於描述一個元件或特徵與另一個或多個元件或特徵的關係，如在附圖中示出的。
如本文中使用的，術語「基底」是指向其上增加後續材料的材料。可以對基底自身進行圖案化。增加在基底的頂部上的材料可以被圖案化或可以保持不被圖案化。此外，基底可以包括廣泛的半導體材料，例如矽、鍺、砷化鎵、磷化銦等。或者，基底可以由諸如玻璃、塑膠或藍寶石晶圓的非導電材料製成。
如本文中使用的，術語「層」是指包括具有厚度的區域的材料部分。層可以在下方或上方結構的整體之上延伸，或者可以具有小於下方或上方結構範圍的範圍。此外，層可以是厚度小於連續結構的厚度的均質或非均質連續結構的區域。例如，層可以位於在連續結構的頂表面和底表面之間或在頂表面和底表面處的任何水平面對之間。層可以水準、豎直和/或沿傾斜表面延伸。基底可以是層，其中可以包括一個或多個層，和/或可以在其上、其上方和/或其下方具有一個或多個層。層可以包括多個層。例如，互連層可以包括一個或多個導體和接觸層(其中形成觸點、互連線和/或通孔)和一個或多個介電層。
閱者通常可以至少部分地從上下文中的用法理解術語。例如，至少部分地取決於上下文，本文所使用的術語「一或多個」可以用於以單數意義描述任何特徵、結構或特性，或者可以用於以複數意義描述特徵、結構或特性的組合。類似地，至少部分地取決於上下文，諸如「一」、「一個」、「該」或「所述」之類的術語同樣可以被理解為傳達單數用法或者傳達複數用法。另外，術語「基於」可以被理解為不一定旨在傳達排他性的因素集合，而是可以允許存在不一定明確地描述的額外因素，這同樣至少部分地取決於上下文。
閱者更能了解到，當「包含」與/或「含有」等詞用於本說明書時，其明定了所陳述特徵、區域、整體、步驟、操作、要素以及/或部件的存在，但並不排除一或多個其他的特徵、區域、整體、步驟、操作、要素、部件以及/或其組合的存在或添加的可能性。
本發明的目的在於提出一種三維單晶堆疊(3D monolithic)架構的互補式金氧半導體影像感測器(CMOS image sensor,CIS，後文中統稱為CMOS影像感測器)，其結構中同時包含了金氧半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)與氧化物半導體場效電晶體(Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor OSFET)分別位於CMOS影像感測器的像素電路與邏輯電路 中，以及包含了一高電容的鐵電金屬-絕緣層-金屬儲存電容器(FEMIM)來做為記憶體結構的儲存結點，並以三維單晶堆疊的架構整合在同一基底上與半導體製程中。
首先請參照第1圖，其為根據本發明較佳實施例中一三維單晶堆疊的CMOS影像感測器的截面示意圖，透過此截面圖可以了解本發明CMOS影像感測器在垂直基底的方向上的結構組成。如圖所示，本發明的CMOS影像感測器大體上由一矽元件層100、一後段(back end of line,BEOL)互連層200、一像素電路層300以及一光電轉換層400所構成。其中，矽元件層100包含一基底101，其作為整個記憶體結構的設置基礎。基底101可以是任何具有承載功能的部件，例如一半導體基底，包括含矽基板、覆矽絕緣體基板(silicon on insulator,SOI)、藍寶石基板等，但並不以此為限。基底101中形成有氧化矽材質的淺溝槽隔離結構103來界定並隔離基底101上的各個主動區域。基底101的主動區域上形成有金氧半導體場效電晶體(MOSFET)105，如互補式金氧半導體(CMOS)元件，可作為CMOS影像感測器的邏輯或週邊電路。例如，在本發明實施例中，金氧半導體場效電晶體105可直接在類比數位轉換(ADC)電路中作為一讀取電晶體來得知上方記憶體的類比儲存態。基本上，每個金氧半導體場效電晶體105都會對應上方的一個記憶體單元以及一個像素單元。金氧半導體場效電晶體105具有閘極G1、源極S1、汲極D1等結構，其中源極S1與汲極D1為基底101的摻雜區，其透過接觸件107與上方後段互連層200中的第一金屬層M1電連接。閘極G1位於源極S1與汲極D1之間，其材質可為多晶矽或金屬，可控制源極S1與汲極D1之間的通道開關，並也透過接觸件107與上方的第一金屬層M1電連接。
復參照第1圖。後段互連層200形成在矽元件層100的上方，其包含了多個金屬間介電層IMD、位於金屬間介電層IMD中的後段金屬層M1~Mn以及導孔件109，該些後段金屬層M1~Mn透過導孔件109來彼此電連接，兩者構成了後 段互連結構。後段金屬層M1~Mn與導孔件109可透過雙鑲嵌製程形成在金屬間介電層IMD中，其中後段金屬層M1~Mn的材料可為銅(Cu)或鋁(Al)，導孔件109的材料可為銅(Cu)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鎢(W)或鉭(Ta)等，金屬間介電層IMD的材料可為以氧化矽材質為主的磷矽玻璃(phospho-silicate glass,PSG)、硼磷矽玻璃(boro-phospho-silicate glass,BPSG)或是低介電常數材料等。
復參照第1圖。在本發明實施例中，後段互連層200上設有一像素電路層300。像素電路層300中具有氧化物半導體場效電晶體(OSFET)301以及鐵電儲存電容器(FEMIM)303，其可分別作為CMOS感測器的像素電路中的寫入電晶體與儲存單元，且位置較佳在垂直基底的方向上與下方的金氧半導體場效電晶體105部分重疊。
在本發明實施例中，氧化物半導體場效電晶體301同樣具有閘極G2、源極S2、汲極D2等結構，其中閘極G2本身可為一條字元線(word line)，或是可透過導孔件與一字元線相接。源極S2與汲極D2則分別位於閘極G2的兩側並連接到下方後段互連層200中的後段金屬層Mn。或者，在其他實施例中，源極S2與汲極D2本身即可為後段金屬層Mn的一部分，或是其可透過導孔件連接到其他的後段金屬層，如一位元線(bit line)等。氧化物半導體場效電晶體301的閘極G2的材料可為一導電層，如銅(Cu)、鋁(Al)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉭(Ta)等金屬層。或者，其材料可為上述金屬元素的氮化物如氮化鈦、氮化鉬、氮化鎢等。又或者，其材料可為導電性的金屬氧化物，如氧化銦(In2O3)、氧化錫(SnO2)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦-氧化錫(In2O3-SnO2)、氧化銦-氧化鋅(In2O3-ZnO)等。在本發明實施例中，氧化物半導體場效電晶體301具有由氧化物半導體材料所構成的通道層302，如氧化鎵(GaOx)、氧化鎵鋅(Ga2ZnxOy)或是氧化銦鎵鋅(indium gallium zinc oxide,IGZO)等材料，特別是具有高載子遷移率與低漏電流的C軸取向結晶氧化銦鎵鋅(CAAC-IGZO)。通道層302與閘極G2之間具有一閘極阻絕層304，其材質可為 氧化矽、氮化矽、氮氧化矽等，或是高k材料如氧化鉿。在本發明實施例中，以氧化物半導體場效電晶體301來作為寫入電晶體，特別是使用氧化銦鎵鋅材料作為通道層的情況下，其優異的線性度以及超低的漏電流(<1nA/cell)非常適合用於記憶體內運算(in-memory computing)應用中來作為寫入電晶體，以控制類比記憶體的多階儲存態。有別於傳統使用摻雜矽作為半導體通道，金屬氧化物的低溫製程(<400℃)特性也讓它得以在三維單晶堆疊架構下製作在無法進行高溫熱積存製程的半導體後段製程層級中，無需如習知技術般使用異質接合技術來對其進行3D晶圓級封裝整合。
另一方面，在本發明實施例中，鐵電儲存電容器303為一鐵電金屬-絕緣層-金屬儲存電容器(FEMIM)，其包含一上電極307、一下電極309以及一電容介電層311夾設在該上電極307與下電極309之間。在本發明實施例中，下電極309可以透過導孔件電連接到下方的後段金屬層Mn，上電極307可以是像素電路層300中的頂金屬層的一部分。上電極307與一下電極309的材料可為金屬，如銅(Cu)、鋁(Al)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉭(Ta)等，或者，其材料可為上述金屬元素的氮化物，如氮化鈦、氮化鉬、氮化鎢等。電容介電層311的材料可為鐵電材料構成的單層或多層結構，諸如鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate,PZT)、氧化鉿鋯(hafnium zirconium oxide,HZO)、鈦酸鋇(barium titanate,BaTiO3)、鈦酸鉛(lead titanate,PbTiO3)、以及摻雜氮、矽、鋁、釔、鍶等元素的二氧化鉿(HfO2)等，其中以氧化鉿鋯(hafnium zirconium oxide,HZO)尤佳，可提供記憶體內運算應用中所需的極高電容值與類比記憶體所需的多階儲存態。
須特別注意的是，在本發明實施例中，像素電路層300中的氧化物半導體場效電晶體301與鐵電儲存電容器303係作為三維單晶堆疊架構的一部分，直接在半導體後段製程(BEOL)中形成在後段互連層200上，其可視為是後段互連層200中的一部分。如圖所示，像素電路層300同樣是以金屬間介電層IMD為介質， 同樣形成有金屬互連結構305來連接其中的氧化物半導體場效電晶體301與鐵電儲存電容器303等元件以及與對外電路或裝置連接。
在習知三維架構的CMOS感測器的做法中，特別是使用動態隨機存取記憶體(DRAM)為儲存單元的CMOS感測器，其記憶體、像素電路以及邏輯電路等部位都是先在不同的基底上各別製作完成後，再透過3D晶圓級封裝製程將該些部位接合。3D封裝製程會使用穿矽孔(TSV)及/或矽中介層(interposer)等部件來達成不同異質基底與功能電路之間的連接。儘管這樣的習知做法能製作出三維架構的CMOS感測器，大幅減少了佈局面積，但是其缺點在於多個異質基底堆疊整合在一起會使得感測器裝置的整體厚度過大，不利於現今電子裝置微縮化與行動應用的訴求。再者，穿矽孔的製作成本甚高，且其輸入/輸出(I/O)訊號密度遠遠不及一般的後段互連結構，同樣不利於提升感測器的像素密度。此外，3D封裝製程需要在層跟層之間或面跟面之間進行精確地對位，以確保各個接點能夠準確地連接，這在元件或像素密度逐漸提升的情況下變得越來越不易實行。
故此，相較於上述3D封裝製程的固有缺點，本發明的做法係將CMOS感測器所需的像素電路與記憶體直接製作在後段互連層之上或之中，不需要製作穿矽孔與對位步驟，可大幅減少製作成本與步驟，也可大幅提升元件密度。此外，由於所有部件都是在單個基底上製作出來的，所製作出的感測器裝置的整體厚度可大幅縮減。此外，將整個鐵電儲存電容器以金屬-絕緣層-金屬電容器的型態設置在後段互連層最上方的自由空間中，相較於習知技術中將儲存結點設置在基底表面之設計，本發明的鐵電金屬-絕緣層-金屬儲存電容器在設計上具有較高的自由度，可以很容易地設計成具有多個U形或倒U形截面輪廓的態樣，以此來增加單位佈局面積下的電容面積，大幅提升電容值與儲存密度。
在本發明較佳實施例中，金氧半導體場效電晶體105係在CMOS前段製程(FEOL)中設置在基底101表面上，氧化物半導體場效電晶體301則是在CMOS 後段製程(BEOL)中設置在後段互連層200之中或之上，而鐵電儲存電容器303則是設置在後段互連層200的最上方，且三者較佳會互相重疊。這樣的架構與順序的優點在於可以相容於CMOS製程並能對其整體的熱積存(thermal budget)有更好的控制，並且達到三維單晶堆疊架構所要的增加元件積集度與儲存密度、降低功率耗損、整合多功能電路以及節省製作成本之功效。
復參照第1圖。像素電路層300上設有一光電轉換層400，其中具有多個光電二極體401為像素間阻擋部位403所分隔。在本發明實施例中，光電轉換層400可直接形成在像素電路層300上作為三維單晶堆疊架構的一部分。光電二極體401的材料可為N型半導體層/P型半導體層，如PN接面或是PIN結構，其暴露在光環境下會誘發電能，所產生的電子與落在像素單元上的光量呈一定比例。這些電子在像素中會被轉換成電壓訊號的形式並再進一步轉換為類比訊號或數位訊號。光電二極體401上還可形成有微柱體或是抗反射層等結構來大幅增進入光量與光電二極體的量子效率。像素間阻擋部位403可為深溝槽隔離結構，其材料可為氧化矽、氮化矽或是金屬氧化物等介電質。像素間阻擋部位403可界定出影像感測器的各個像素單元並作為像素單元之間的阻隔牆結構來避免入射該像素的光子以及電子進入周圍像素中而導致混色或雜訊。
復參照第1圖。光電轉換層400上還可依序設置彩色濾光層405與微透鏡407等結構。對於各個像素而言，其彩色濾光層405的顏色可能不同，例如紅、綠、藍等三種不同的顏色，或是補色的青、洋紅、黃、綠(CMYG)等顏色，其可藉由旋塗方式將含有顏料或染料等色素的感光樹脂塗佈在基底上而形成。彩色濾光層405內的像素之間可能還形成有金屬材質的遮光膜(未示出)。每個微透鏡407都會對應CMOS影像感測器的一個像素單元，其可以如苯乙烯、丙烯酸、矽氧烷等樹脂為主的材料來形成。微透鏡407可將入射光聚焦在所對應的像素上並進入其對應的光電二極體401。
在實際的運作中，以2T1C架構的AI CIS(人工智慧CMOS影像感測器)為例，從微透鏡407端入射的影像光在經過彩色濾光層405時會被彩色濾光層405過濾而產生不同原色的原色光，各原色光以不同的強弱比例混合即可呈現出所接收到的彩色影像。過濾後的原色光在經過其對應的光電二極體401時會因為光電效應而產生光電流(即光訊號轉換成電子訊號)，不同的原色光強度即可產生不同的大小的光電流。所產生的光電流會經由金屬互連結構305連接到氧化物半導體場效電晶體301的源極S2。氧化物半導體場效電晶體301的閘極G2可控制通道的開關來決定是否將所接受到的光訊號寫入到鐵電儲存電容器303中。要寫入的光訊號在閘極開啟通道的狀態下會從氧化物半導體場效電晶體301的汲極D2經由金屬互連結構連接到鐵電儲存電容器303的下電極309，所通入的光電流會在鐵電儲存電容器303的浮置結點處產生寫入電壓而使其處於其中一類比儲存態，於此完成寫入運作。在本發明實施例中，由於氧化物半導體場效電晶體301先天具有極低的關閉漏電流(<1 A/cell)，其可以良好地維持浮置結點處的電壓，適用於以細微的電壓差異來區分的類比多階儲存態。
在讀取運作中，氧化物半導體場效電晶體301的閘極G2會關閉通道，而鐵電儲存電容器303的上電極307則會通入一電壓使得浮置結點的電壓改變。與此同時，作為讀取電晶體的金氧半導體場效電晶體105的源極S1會通入一輸出電壓，其產生一輸出電流經由開啟的金氧半導體場效電晶體105通道流經汲極D1至接地端。在此讀取運作中，輸出電流的大小會受到金氧半導體場效電晶體105的閘極G1的開啟程度的影響，亦即受到浮置結點處的浮置電壓值的影響。如此，在輸入電壓固定不變的情形下，原本所寫入的寫入電壓即可決定並控制輸出電流的值，也因此，讀取輸出電流的值即可得知浮置結點的類比儲存態，達成類比數位轉換(ADC)以及讀取運作，進而得知所對應像素的光訊息。
在本發明實施例中，由於氧化物半導體場效電晶體301良好的線性度 與超低漏電流特性，其在前述的寫入運作中作為寫入電晶體時可以完美地將浮置結點處的浮置電壓控制在所寫入的光訊號所對應的浮置電壓值，故非常適合應用在多階態的AI記憶體內運算中，例如針對AI CMOS影像感測器所接收到的影像訊號進行邊緣AI運算、分析與處理。例如，先將所接收到的光訊號經由數位類比轉換器(DAC)轉換成對應的類比訊號，加上氧化物半導體場效電晶體301所施加的寫入電壓給予權重來加以控制，以此在AI記憶體中直接進行內運算。運算後的類比訊號結果再經由類比數位轉換器(ADC)轉換回對應的數位訊號來輸出，如此完成記憶體內類比多階態的儲存與運算。
須注意以上2T1C架構的AI CMOS影像感測器僅為本發明的一種實施例態樣，實作中AI CMOS影像感測器可因應需求與應用設計不同的讀取與寫入架構。本發明的精神在於其中使用了氧化物半導體場效電晶體(OSFET)與鐵電儲存電容器(FEMIM)來實現相關功能，其所牽涉搭配的相關組合都應含括在本發明的範疇中。
綜合前述實施例說明，本發明提出的CMOS影像感測器，其採用三維單晶堆疊(3D monolithic)的方式在單晶上製作出AI CMOS影像感測器所有的部件，無需如習知技術般使用異質接合等方式來對其進行整合，可大幅降低成品的厚度以及製程步驟與複雜度。此外也不需要晶片對位與製作穿矽孔等步驟，可提升產品的可靠度並提升大幅提升輸入/輸出(I/O)訊號密度。另一方面，本發明採用氧化物半導體場效電晶體(OSFET)與鐵電儲存電容器(FEMIM)作為AI CMOS影像感測器的像素陣列電路部位與記憶體部位，其薄膜與低溫製程屬性讓其得以在半導體後段製程之中或之後直接使用CMOS相容製程製作在CMOS影像感測器的後段金屬層上，完美地整合到固有的CMOS影像感測器電路架構中。鐵電儲存電容器的高電容積與可類比儲存特性讓其得以適用於AI CMOS影像感測器所需的AI近記憶體運算或內運算等高階應用，可大幅減少因影像數據在運算 單元與記憶體之間反覆的傳輸與刷新而產生的大量能耗，是為本發明的特徵與優點所在。
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。
100:矽元件層
101:基底
103:淺溝槽隔離結構
105:金氧半導體場效電晶體
107:接觸件
109:導孔件
200:後段互連層
300:像素電路層
301:氧化物半導體場效電晶體
303:鐵電儲存電容器
305:金屬互連結構
307:上電極
309:下電極
311:電容介電層
400:光電轉換層
401:光電二極體
403:像素間阻擋部位
405:彩色濾光層
407:微透鏡
D1,D2:汲極
G1,G2:閘極
IMD:金屬間介電層
M1~Mn:金屬層
S1,S2:源極

Claims (4)

  1. 一種具有三維單晶堆疊架構的氧化物半導體場效電晶體與鐵電儲存電容器的互補式金氧半導體影像感測器，包含：一基底，其上具有互補式金氧半導體場效電晶體；一後段互連層，位於該基底上且其中具有後段互連結構；一像素電路層，位於該後段互連層上，其中該像素電路層中具有氧化物半導體場效電晶體以及鐵電儲存電容器；以及一光電轉換層，位於該像素電路層上，其中該光電轉換層中具有光電二極體；其中該些互補式金氧半導體場效電晶體、該些氧化物半導體場效電晶體、該些鐵電儲存電容器以及該些光電二極體透過該後段互連層彼此電性連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具有三維單晶堆疊架構的氧化物半導體場效電晶體與鐵電儲存電容器的互補式金氧半導體影像感測器，其中該氧化物半導體場效電晶體作為一寫入電晶體控制影像訊號的寫入，該鐵電儲存電容器用以儲存影像訊號，該互補式金氧半導體場效電晶體作為一讀取電晶體讀取儲存在該鐵電儲存電容器中的影像訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具有三維單晶堆疊架構的氧化物半導體場效電晶體與鐵電儲存電容器的互補式金氧半導體影像感測器，其中該互補式金氧半導體影像感測器為一人工智慧互補式金氧半導體影像感測器，該些氧化物半導體場效電晶體作為像素電晶體陣列，而該些鐵電儲存電容器用於記憶體內運算，該些互補式金氧半導體場效電晶體作為類比數位轉換邏輯電路中的電晶體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具有三維單晶堆疊架構的氧化物半導體場效電晶體與鐵電儲存電容器的互補式金氧半導體影像感測器，更包含彩色濾光層以及微透鏡位於該光電轉換層之上。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201820601A (zh) * 2016-11-23 2018-06-01 三星電子股份有限公司 封裝以及影像感測器封裝
TW202029443A (zh) * 2018-09-27 2020-08-01 台灣積體電路製造股份有限公司 三維積體晶片、堆疊影像感測器裝置以及形成三維積體晶片的方法
TW202114192A (zh) * 2019-06-05 2021-04-01 南韓商三星電子股份有限公司 影像感測器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201820601A (zh) * 2016-11-23 2018-06-01 三星電子股份有限公司 封裝以及影像感測器封裝
TW202029443A (zh) * 2018-09-27 2020-08-01 台灣積體電路製造股份有限公司 三維積體晶片、堆疊影像感測器裝置以及形成三維積體晶片的方法
TW202114192A (zh) * 2019-06-05 2021-04-01 南韓商三星電子股份有限公司 影像感測器

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