採用不對稱傳輸電晶體的有源像素單元的製作方法
2023-06-29 08:46:56 2
專利名稱：採用不對稱傳輸電晶體的有源像素單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種固體成像器件(solid-state imaging device)，更具體地講，本發明涉及一種CMOS圖像傳感器。
背景技術：
CMOS成像器件最初發展於70年代初期和後期，然而因為性能並不好而沒有受到關注，直至90年代初，CMOS設計生產出的晶片具有更小像素尺寸、更小噪音、更多可能的圖像處理法則和更大的成像陣列。CMOS傳感器的主要優點是低能耗、主時鐘(時鐘脈衝，masterclock)和單一電壓電源，這與電荷耦合器件(CCD)形成明顯對比，電荷耦合器件在不同的時鐘速率下常需要五個或更多個的電壓，從而導致了顯著的高能耗。
CMOS和CCD成像器件都是通過光電效應進行感光；光電效應發生在光子與晶體矽相互作用、從而促使電子從價帶(valence band)能級躍遷到導帶(conduction band)能級。光電二極體是典型的像素感光元件。CMOS圖像傳感器比相應的CCD優越的一個主要方面是它可以將一系列的處理和控制功能直接整合到傳感器集成電路上，而這些功能均超越光子收集的這一初步工作。
像素是數字圖像傳感器的主要元件，其包括不同的放大器件、讀取器件和感光器件(如光電二極體)。當可見光的寬波帶入射到特定的摻雜矽半導體材料上時，相當數量的電子就會釋放，該數量與入射到光電二極體表面的光通量密度成比例。電子會被收集到勢阱直至收集時間(照明期)完成，然後，這些電子會被轉換成電壓或電流(CMOS處理器中)，或被傳輸至計量記錄器(CCD傳感器)。
靈敏度取決於光電二極體可累積的最大電荷量、入射光子轉換成電子的轉換率以及該器件將電荷無洩漏、無溢出地累積在某一狹窄區間的能力。這些因素通常決定於像素的物理尺寸和孔徑以及其在陣列中與相鄰元件的空間關係和電子關係。像素通常形成正交柵格。組成陣列的每一行每一列的所有像素信號必須準確地進行檢測和測量(讀出)，以便根據光電二極體的電荷累積數據合成圖像。
最常用的CMOS設計是內置環繞式有源像素傳感器(built round activepixel sensor，APS)技術，其中光電二極體和讀取放大器結合到每一像素中。該技術可使得光電二極體中累積的電荷轉換成像素中的放大電壓並順序地按行和列傳輸到晶片中模擬信號處理部分。因此，每一像素(或成像元件)除光電二極體外，還包括很多將累積電荷轉換成可測量的電壓、對光電二極體進行復位以及將該電壓傳輸至縱列數據總線的電晶體。
CMOS圖像傳感器的一個重要優點是數字邏輯電路、時鐘驅動器、計數器和模數轉換器都可以同時放置在與像素陣列相同的矽襯底上。然而，為了保證高性能低噪音，標準的CMOS製造方法經常要進行改進，以便適配特定的圖像傳感器。例如，採用標準的CMOS技術得到的邏輯晶片中的電晶體接合處，在應用到成像器件時可能會產生較高的暗電流和較低的藍色響應。而優化圖像傳感器製備工藝時常常會使得製備常規CMOS器件的工藝方案不穩定不可靠。
發明內容
本發明的目的在於提供一種低噪音、高飽和度、高性能，解決圖像延遲問題的成像器件。
一方面，本發明提供了一種固體成像裝置，其包括具有第一導電類型的半導體襯底；形成在該半導體襯底、定義有源區域的器件隔離區；放置在器件區域中被器件隔離區包圍的光電轉換元件；放置在上述器件區域中具有第二導電類型的檢測區；以及在上述器件區域中的傳輸門，用以將上述光電轉換元件所產生的電荷傳輸至上述檢測區；其中，上述檢測區的溝道寬度不同於上述光電轉換元件的溝道寬度。即檢測區的溝道寬度可以小於光電轉換元件的溝道寬度，也可以大於所述的光電轉換元件的溝道寬度。
本發明中，檢測區可以是任意的幾何形狀。優選地，該檢測區相對於通過光電區長度方向的直線是不對稱的，而該光電區則相對於該直線是對稱的；或者該檢測區相對於通過光電區長度方向且將該光電區平分的直線是不對稱的。
上述固體成像裝置中，傳輸門可以覆蓋如此一個區域，在該區域中，檢測區的溝道寬度不同於光電轉換元件的溝道寬度。
上述固體成像裝置中，器件隔離區可以是STI，或者是Locos(矽的局部氧化區)。而光電元件可以是光電二極體。
另一方面，本發明還提供了一種CMOS圖像傳感器，其包括具有第一導電類型的半導體襯底；形成在該半導體襯底、定義有源區域的器件隔離區；放置在該有源區域中、被上述器件隔離區包圍的光電轉換元件；放置在上述有源區域中、具有摻雜區域的第二導電類型的檢測區；以及在器件區域中的傳輸門，用以將上述光電轉換元件所產生的電荷傳輸至上述檢測區；其中，檢測區的溝道寬度不同於光電轉換元件的溝道寬度。
再一方面，本發明還提供了一種形成在半導體襯底上的有源像素，其包括形成在該半導體襯底上、定義有源區域的隔離區；形成在上述有源區域的光電轉換元件；形成在上述有源區域的輸出節點；
形成在上述輸出節點和上述光電轉換元件之間的傳輸門，其中，輸出節點的溝道寬度不同於光電轉換元件的溝道寬度。
本發明所提供的成像器件低噪音、高飽和度、高性能，解決了圖像延遲問題，當減小如傳輸門和浮動節點之間的電容的這些寄生電容時，所提出的裝置設計所要求是檢測區域的溝道寬度不同於光電轉換元件的溝道寬度，比傳統設計的要求更為簡單。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步的說明。
圖1是現有技術中像素及其支持電路的布局設計示意圖。
圖2是現有技術中像素的更詳細的布局設計示意圖。
圖3是本發明一實施方案中像素的布局設計示意圖。
圖4是本發明另一實施方案中像素的布局設計示意圖。
圖5是本發明一像素的布局設計示意圖，其中，在傳輸門的長度方向上，定義浮動擴散區(the floating diffusion region)的器件隔離區(device isolationregion)與傳輸門之間沒有重疊。
圖6A和6B是傳輸後浮動擴散節點寬度與信號轉換增益以及像素電壓的函數關係的模擬結果示圖。
圖7A和7B是圖3所示器件的兩種可能的剖面視圖。
圖8是本發明實施方式中像素的另一布局設計的示意圖。
具體實施例方式
下面通過具體的實施方案，詳細地描述減小CMOS圖像傳感器的浮動擴散節點的電容從而改善圖像傳感器的靈敏度的方法。這些方案中所提及的布局設計，儘管其減小了寄生電容，如傳輸門與浮動節點之間的寄生電容，但其相關製備工藝的要求並不比製備傳統布局設計的工藝要求高，。
在下面的說明中，某些具體細節如電路組成的實例數值，僅作為本發明的具體實施方案以助於理解。但所屬領域的熟練技術人員可以認識到，在沒有這些具體細節中的一個或多個的情況下仍能實施本發明，或者採用其它方法、元件等的情況下仍能實施本發明。另外，為了清楚地描述本發明的各種實施方案，因而對眾所周知的結構、材料和操作方法沒有示出或進行詳細地描述。
在本發明的說明書中，提及「一實施方案」或「某一實施方案」時是指該實施方案所述的特定特徵、結構或者特性至少包含在本發明的一個實施方案中。因而，在說明書各處所出現的「在一實施方案中」或「在某一實施方案中」並不一定指的是全部屬於同一個實施方案；而且，特定的特徵、結構或者特性可能以合適的方式結合到一個或多個的具體實施方案中。
圖1是現有技術中像素及其支持電路的布局設計示意圖。支持電路可在二維像素陣列中選擇出一個單一像素，讀取其內容然後清除。該像素也具有器件隔離區、形成信號存儲區的n型溝道或p型溝道(channel)的光電二極體、傳輸門以及n型或p型浮動擴散節點(floating diffusion node)。
圖2是現有技術中像素的更詳盡的布局設計示意圖。圖中顯示該結構在浮動擴散節點兩側均有相當大範圍的損耗區。這些大範圍損耗區與傳輸門連接，會造成浮動擴散節點的巨大寄生電容，引起相當嚴重的性能降低。
在現有技術中，有兩種方法可以減小浮動擴散節點的寄生電容，一種方法是縮小傳輸門的溝道寬度，另一種方法是減小浮動擴散節點的長度。然而，當傳輸門溝道寬度減小時，從光電二極體傳輸到浮動擴散節點的信號電子的讀取通路會變狹窄，且信號電荷傳輸速率被幹擾，導致圖像延遲、低信號飽和水平以及低靈敏度。而當浮動擴散節點的長度縮減時，單個浮動擴散節點的電容擴散變得太大而不能被忽略，從而導致了靈敏度的不均勻。因此，現有技術難以有效地減小浮動擴散節點的電容而不引起圖像延遲、低信號飽和水平、低靈敏度以及靈敏度不均勻等問題。
圖3是本發明一實施方案中像素的布局設計示意圖。圖3中浮動擴散節點區域包括器件隔離區，如Locos(矽的局部氧化區)或STI。此外，該傳輸電晶體是非對稱的，其包括作為源極的光電二極體、傳輸門以及作為漏極的浮動擴散節點。在該實施方案中，在浮動擴散節點上的溝道寬度Wfd小於光電二極體上的溝道寬度Wpd。
圖4也是本發明一實施方案中像素的布局設計示意圖。圖4中布局設計與圖3中的相似並具有類似的元件，其主要區別在於浮動擴散節點的位置，然而，這種不同不會影響圖4中電路的性能。
本發明的浮動擴散節點可放置在任意位置，這不影響器件的性能。圖3所示實施方案中浮動擴散節點放置在左邊或右邊，而圖4中所示浮動擴散節點放置在中間。另外，本發明中的浮動擴散節點可以是溝道寬度Wfd小於Wpd的任何形態。本發明也可應用於所謂的共享單元結構，其中浮動擴散節點被兩個或更多個光電二極體所共享。
在圖3和圖4的實施方案中，浮動擴散節點被器件隔離區如Locos或STI所包圍，損耗區沒有超越隔離區，特別是在傳輸門的寬度方向上。因此，在傳輸門和浮動擴散節點之間的寄生電容被有效地減少。此外，減小Wfd，使得浮動節點電容會隨其面積的減小而減小，從而使其自身的靈敏度更高。
界定浮動擴散區域的器件隔離區必須在傳輸門長度方向上與傳輸門重疊，但重疊長度Lovl小於傳輸門長度Lgate。如果沒有重疊，如圖5所示，該損耗區沿著傳輸門擴展，傳輸門與浮動節點之間的寄生電容就會增加。
圖6A和6B是傳輸後浮動擴散節點寬度Wfd與信號轉換增益以及像素電壓的函數關係的模擬結果示圖。信號轉換增益是當電子從光電二極體傳輸到浮動擴散節點時浮動擴散節點上電壓的變化。該電壓變化乘以傳輸電子總數，與信號電壓相對應。粗略估算，該轉換增益與浮動擴散節點的電容量成反比。在這些模擬中，與源極跟隨電晶體(source follower transistor)連接相關的寄生電容被假定為0(如圖1所示)，該模擬採用圖3所示結構完成。
如圖6A中所示，轉換增益幾乎與Wfd成反比。另一方面，光電二極體的電壓在傳輸後幾乎不變，儘管其與Wfd不相同。這就是說，噪音(kTC噪音)和信號飽和度水平並沒有受到Wfd值減小的影響。所以，本發明中所得到的高靈敏度並沒有破壞如低信噪比和低飽和度等性能標準。
圖7A和7B是圖3裝置的兩種可能的A-A′剖面視圖，其中STI被採用作器件隔離區。圖7A中所示的信號電荷是電子。該光電二極體包括n型電荷累計層、p型表面屏蔽層和p型襯底，形成管腳光電二極體。該管腳光電二極體具有低黑暗電流和低噪音的優點。當然，無表面屏蔽層典型光電二極體也可用於本發明。圖7B所示本發明實施方案中的信號電荷是空穴。
圖8是本發明像素實施方案的另一布局設計示意圖。其中Wpd＜Wfd，0＜Lovl＜Lgate。當電荷轉移時如果光電二極體的完全耗盡勢能遠大於光電二極體的勢能，也即傳輸門的電壓高，那麼除正常的信號電荷外，與kTC噪音和圖像延遲相關的一些噪音電荷會累積在浮動擴散節點。在圖8中，浮動擴散節點一側的Wfd比光電二極體一側的Wpd寬。這種結構在電荷從光電二極體傳輸到浮動擴散節點的方向上可以得到逐步拓寬的電流路徑，這樣可以有效地降低了kTC噪音和圖像延遲。利用檢驗晶片測得信噪比S/N的改進超過20％，而沒有發現如高的暗電流和高噪音等副作用。
上述對本發明實施方式的描述，包括說明書摘要中的描述，並非是窮舉式的，也不是要將本發明嚴格局限在所描述的方式中。儘管此處為了進行說明而給出了一些具體的實施方式，但相關領域的熟練人員可以意識到，在本發明的範圍內，完全可能有各種等同的改進方案。
例如，此處所舉的各種數值和電壓值僅僅是便於說明和解釋；本發明的其它實施方案可採用與上述數值不同的數值。
參照上述的說明，可以進行這些改動。下面權利要求中所使用的術語不應當解釋為將本發明局限為說明書和權利要求書中所給出的具體實施方式
。相反，本發明的保護範圍完全取決於權利要求書。
上述對本發明的實施方案進行了詳細地描述以便理解；然而，本領域的一般技術人員完全可以在不偏離本發明的精神和保護範圍的前提下，進行其它的改變或改進。因而，除權利要求書之外，本發明的保護範圍不受其它限制。
權利要求
1.一種固體成像裝置，其包括具有第一導電類型的半導體襯底；形成在該半導體襯底、定義有源區域的器件隔離區；放置在器件區域中、被器件隔離區包圍的光電轉換元件；放置在所述器件區域中具有第二導電類型的檢測區；以及在所述器件區域中的傳輸門，用以將光電轉換元件所產生的電荷傳輸至檢測區；其中，所述檢測區的溝道寬度不同於所述光電轉換元件的溝道寬度。
2.如權利要求1所述的固體成像裝置，其特徵在於，所述的檢測區的溝道寬度小於所述的光電轉換元件的溝道寬度。
3.如權利要求1所述的固體成像裝置，其特徵在於，所述的檢測區的溝道寬度大於所述的光電轉換元件的溝道寬度。
4.如權利要求1所述的固體成像裝置，其特徵在於，所述的檢測區具有任意的幾何形狀。
5.如權利要求1所述的固體成像裝置，其特徵在於，所述的檢測區相對於通過所述光電區長度方向的直線是不對稱的，而該光電區相對於該直線是對稱的。
6.如權利要求1所述的固體成像裝置，其特徵在於，所述的檢測區相對於通過所述光電區長度方向且將該光電區平分的直線是不對稱的。
7.如權利要求1所述的固體成像裝置，其特徵在於，所述的傳輸門覆蓋一個區域，在該區域中，所述檢測區的溝道寬度不同於所述光電轉換元件的溝道寬度。
8.如權利要求1所述的固體成像裝置，其特徵在於，所述的器件隔離區是STI。
9.如權利要求1所述的固體成像裝置，其特徵在於，所述的器件隔離區是Locos(矽的局部氧化區)。
10.如權利要求1所述的固體成像裝置，其特徵在於，所述的光電轉換元件是光電二極體。
11.一種CMOS圖像傳感器，其包括具有第一導電類型的半導體襯底；形成在該半導體襯底、定義有源區域的器件隔離區；放置在該有源區域中、被所述器件隔離區包圍的光電轉換元件；放置在所述有源區域中、具有摻雜區域的第二導電類型的檢測區；以及在器件區域中的傳輸門，用以將所述光電轉換元件所產生的電荷傳輸至所述檢測區；其中，所述檢測區的溝道寬度不同於所述光電轉換元件的溝道寬度。
12.如權利要求11所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述的檢測區的溝道寬度小於所述的光電轉換元件的溝道寬度。
13.如權利要求11所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述的檢測區的溝道寬度大於所述的光電轉換元件的溝道寬度。
14.如權利要求11所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述的檢測區具有任意的幾何形狀。
15.如權利要求11所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述的檢測區相對於通過所述光電區長度方向的直線是不對稱的，而該光電區相對於該直線是對稱的。
16.如權利要求11所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述的檢測區相對於通過所述光電區長度方向且將該光電區平分的直線是不對稱的。
17.如權利要求11所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述的傳輸門覆蓋一個區域，在該區域中，所述檢測區的溝道寬度不同於所述光電轉換元件的溝道寬度。
18.如權利要求11所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述的器件隔離區是STI。
19.如權利要求11所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述的器件隔離區是Locos。
20.如權利要求11所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述的光電轉換元件是光電二極體。
21.一種形成在半導體襯底上的有源像素，其包括形成在該半導體襯底上、定義有源區域的隔離區；形成在所述有源區域的光電轉換元件；形成在所述有源區域的輸出節點；形成在所述輸出節點和所述光電轉換元件之間的傳輸門，其中，該輸出節點的溝道寬度不同於所述的光電轉換元件的溝道寬度。
22.如權利要求21所述的有源像素，其特徵在於，所述的檢測區的溝道寬度小於所述的光電轉換元件的溝道寬度。
23.如權利要求21所述的有源像素，其特徵在於，所述的檢測區的溝道寬度大於所述的光電轉換元件的溝道寬度。
24.如權利要求21所述的有源像素，其特徵在於，所述的檢測區具有任意的幾何形狀。
25.如權利要求21所述的有源像素，其特徵在於，所述的檢測區相對於通過所述光電區長度方向的直線是不對稱的，而該光電區相對於該直線是對稱的。
26.如權利要求21所述的有源像素，其特徵在於，所述的檢測區相對於通過所述光電區長度方向且將該光電區平分的直線是不對稱的。
27.如權利要求21所述的有源像素，其特徵在於，所述的傳輸門覆蓋一個區域，在該區域中，所述檢測區的溝道寬度不同於所述光電轉換元件的溝道寬度。
28.如權利要求21所述的有源像素，其特徵在於，所述的器件隔離區是STI。
29.如權利要求21所述的有源像素，其特徵在於，所述的器件隔離區是Locos。
30.如權利要求21所述的有源像素，其特徵在於，所述的光電轉換元件是光電二極體。
全文摘要
本發明提供了一種採用不對稱傳輸電晶體的有源像素單元，如固體成像裝置、CMOS圖像傳感器以及形成在半導體襯底上的有源像素等，該有源像素單元採用一種可以減小CMOS圖像傳感器中浮動擴散節點電容的方法，以改善圖像傳感器的靈敏度。當減小寄生電容如傳輸門和浮動節點之間的電容時，所得到的器件的設計要求是檢測區域的溝道寬度不同於光電轉換元件的溝道寬度，但製備這種器件的要求並不高於製備傳統器件時的要求。
文檔編號H04N5/335GK1722457SQ20051007877
公開日2006年1月18日 申請日期2005年6月14日 優先權日2004年6月14日
發明者野崎秀俊, 真鍋宗平 申請人:豪威科技有限公司