專利名稱：光感測(cè)區(qū)及外圍電路區(qū)相互隔離的主動(dòng)取像元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種光感測(cè)區(qū)及外圍電路區(qū)相互隔離的CMOS影像傳感器的主動(dòng)取像元件，尤指一種可減少遺漏電流并提高填充因子的主動(dòng)取像元件。
背景技術(shù)：
互補(bǔ)式金氧半導(dǎo)體(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)影像傳感器(image sensing region)為普遍的固態(tài)影像感測(cè)元件，且CMOS影像傳感器已有日漸取代載子偶合裝置(charge-coupled device，CCD)的趨勢(shì)。由于CMOS影像傳感器的是以傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制程制作，因此具有制作成本較低以及元件尺寸較小的優(yōu)點(diǎn)，此外，CMOS影像傳感器還具有高量子效率(quantum efficiency)以及低噪聲(read-out noise)等優(yōu)勢(shì)，因此已廣泛應(yīng)用在個(gè)人計(jì)算機(jī)相機(jī)(PC camera)以及數(shù)碼相機(jī)(digital camera)等電子產(chǎn)品上。
請(qǐng)參考圖1以及圖2，圖1為先前CMOS影像傳感器的主動(dòng)取像元件10的示意圖，圖2為圖1主動(dòng)取像元件10的電路圖。主動(dòng)取像元件10包含有一個(gè)感光二極管D1，用來(lái)感測(cè)光照的強(qiáng)度，以及三個(gè)金屬氧化半導(dǎo)體(metal-oxide semiconductor，MOS)晶體管M1-M3，分別用來(lái)作為列選擇開(kāi)關(guān)(row selector)M1、電流汲取元件(current source follower)M2以及重置元件(reset MOS)M3。感光二極管D1會(huì)依據(jù)其光感測(cè)區(qū)所接收的光線產(chǎn)生光電流，而列選擇開(kāi)關(guān)M1用來(lái)選擇是否輸出感光二極管D1所產(chǎn)生的光電流。電流汲取元件M2依據(jù)感光二極管D1的電荷(charge)來(lái)調(diào)變電流汲取元件M2的輸出端。而重置元件M3用來(lái)重置感光二極管D1，意即當(dāng)重置元件M3導(dǎo)通時(shí)，使感光二極管D1的電壓維持于一固定電壓值，其值不受光感測(cè)區(qū)接收光而改變，而當(dāng)重置元件M3關(guān)閉時(shí)，感光二極管D1的電壓才隨著光感測(cè)區(qū)接收光而改變。
主動(dòng)取像元件10的制程是符合標(biāo)準(zhǔn)CMOS制程，其優(yōu)點(diǎn)在于成本低以及元件尺寸較小，但其缺點(diǎn)在于重置元件M3與感光二極管D1之間的擴(kuò)散區(qū)(diffusion)會(huì)產(chǎn)生遺漏電流的問(wèn)題，以及填充因子(fill factor)降低的問(wèn)題。一般而言，填充因子越高代表解析度越高，填充因子的方程式如下ff=AvA×100%]]>其中ff表示填充因子；A表示整個(gè)主動(dòng)取像元件的面積；Av表示光感測(cè)區(qū)的面積。
而遺漏電流產(chǎn)生于空乏區(qū)與隔離區(qū)的高斜率處相接之處。以下將針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中，遺漏電流的問(wèn)題以及影響填充因子降低的問(wèn)題作說(shuō)明。
請(qǐng)參考圖3，圖3為圖1主動(dòng)取像元件10延切線3-3’方向的剖面圖(cross sectional diagram)，現(xiàn)有感光二極管D1制程包含一P型基底12、一N型淺摻雜區(qū)16、一N型深摻雜區(qū)18，以及一淺溝隔離區(qū)(shallow trenchisolation，STI)20，P型基底12以及N型淺摻雜區(qū)16之間有一空乏區(qū)14。當(dāng)空乏區(qū)14與淺溝隔離區(qū)20的平坦處相接觸時(shí)，并不會(huì)產(chǎn)生遺漏電流，因此如圖3所示，主動(dòng)取像元件10延切線3-3’之處并不會(huì)產(chǎn)生遺漏電流。
請(qǐng)參考圖4，圖4為圖1主動(dòng)取像元件10延切線4-4’方向的剖面圖?？辗^(qū)14一端與N型深摻雜區(qū)18相接觸，另一端與淺溝隔離區(qū)20的平坦處相接觸，由于空乏區(qū)14在此處并沒(méi)有與淺溝隔離區(qū)20的高斜率處接觸，因此此處亦不會(huì)產(chǎn)生遺漏電流。
請(qǐng)參考圖5以及圖6，圖5為圖1主動(dòng)取像元件10延切線5-5’方向的剖面圖，圖6為圖5主動(dòng)取像元件10的立體圖。如圖6所示，由于空乏區(qū)14一端會(huì)跨越淺溝隔離區(qū)20的高斜率處(如圖5中所圈選出標(biāo)示為15之處)，因此會(huì)形成一PN接面(PN junction)，而PN接面則會(huì)產(chǎn)生顯著的遺漏電流。
為進(jìn)一步說(shuō)明該P(yáng)N接面，請(qǐng)?jiān)俅螀㈤唸D3及圖4，當(dāng)朝切線5-5’上方看去的時(shí)候，即會(huì)看到如圖3的剖面圖，然而當(dāng)朝切線5-5’下方看去的時(shí)候，即會(huì)看到如圖4的剖面圖，因此在圖5左邊的淺溝隔離區(qū)20的高斜率處15，即會(huì)產(chǎn)生該P(yáng)N接面，而造成顯著的遺漏電流。
由于影像處理是依據(jù)感光二極管D1產(chǎn)生的光電流來(lái)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的影像灰階，因此顯著的遺漏電流會(huì)使影像處理產(chǎn)生的影像灰階具有明顯的誤差。
請(qǐng)參考圖7以及圖8，圖7為可克服遺漏電流問(wèn)題的主動(dòng)取像元件30的示意圖，圖8為圖7主動(dòng)取像元件30延切線8-8’方向的剖面圖。圖8中空乏區(qū)14的兩端皆與N型深摻雜區(qū)18相接觸，其可避免空乏區(qū)14跨越淺溝隔離區(qū)20的高斜率處而形成PN接面，因此可避免產(chǎn)生顯著的遺漏電流，但卻降低了填充因子。請(qǐng)參考圖7，由于空乏區(qū)14的兩端皆與N型深摻雜區(qū)18相接觸，因此圖7中光感測(cè)區(qū)面積(虛線部分)小于圖1的光感測(cè)區(qū)面積(虛線部分)，意即圖7的填充因子小于圖1的填充因子，即主動(dòng)取像元件30的填充因子降低了。主動(dòng)取像元件30雖然可解決遺漏電流的問(wèn)題，相對(duì)地卻降低了填充因子。
如上所述，圖1主動(dòng)取像元件10的填充因子雖然較大，但由于重置元件M3與感光二極管D1之間的擴(kuò)散區(qū)會(huì)產(chǎn)生遺漏電流，如圖5。而圖7主動(dòng)取像元件30雖可解決遺漏電流的問(wèn)題，但相對(duì)地卻降低了填充因子。因此需要一種可解決遺漏電流問(wèn)題以及提高填充因子的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種光感測(cè)區(qū)及外圍電路區(qū)相互隔離的CMOS影像傳感器的主動(dòng)取像元件，以解決上述的問(wèn)題。
本發(fā)明的主動(dòng)取像元件包含一基底，一光感測(cè)區(qū)，一外圍電路區(qū)以及一隔離區(qū)(isolation region)。該光感測(cè)區(qū)以及該外圍電路區(qū)形成于該基底上，該隔離區(qū)形成于該光感測(cè)區(qū)以及該外圍電路區(qū)之間，并隔離該光感測(cè)區(qū)及該外圍電路區(qū)。該光感測(cè)區(qū)用來(lái)依據(jù)接收的光線產(chǎn)生光電流。該外圍電路區(qū)包含一第一晶體管，其源極連接于一字符線，該第一晶體管用來(lái)選擇是否輸出該光感測(cè)區(qū)儲(chǔ)存的資料，一第二晶體管，其柵極連接于該光感測(cè)區(qū)，源極連接于該第一晶體管的漏極，漏極連接于一電壓源，以及一第三晶體管，其源極連接于該光感測(cè)區(qū)，漏極連接于該電壓源，該第三晶體管用來(lái)重置該光感測(cè)區(qū)。


圖1為現(xiàn)有CMOS影像傳感器的主動(dòng)取像元件的示意圖。
圖2為圖1主動(dòng)取像元件的電路圖。
圖3為圖1主動(dòng)取像元件延切線3-3’方向的剖面圖。
圖4為圖1主動(dòng)取像元件延切線4-4’方向的剖面圖。
圖5為圖1主動(dòng)取像元件延切線5-5’方向的剖面圖。
圖6為圖1主動(dòng)取像元件延切線5-5’方向剖面的立體圖。
圖7為可克服圖1主動(dòng)取像元件的遺漏電流問(wèn)題的主動(dòng)取像元件的示意圖。
圖8為圖7主動(dòng)取像元件延切線8-8’方向的剖面圖。
圖9為本發(fā)明主動(dòng)取像元件的示意圖。
符號(hào)說(shuō)明10、30、40 主動(dòng)取像元件 12 基底14 空乏區(qū) 15 高斜率處16、18 摻雜區(qū) 20 淺溝隔離區(qū)42 金屬導(dǎo)線 44 外圍電路區(qū)46 光感測(cè)區(qū) 48 隔離區(qū)D1 感光二極管 M1、M2、M3 晶體管
具體實(shí)施例方式
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明將CMOS影像傳感器的主動(dòng)取像元件重新設(shè)計(jì)。請(qǐng)參考圖9，圖9為本發(fā)明CMOS影像傳感器的主動(dòng)取像元件40的示意圖，其相對(duì)應(yīng)的電路圖仍為圖2。主動(dòng)取像元件40包含一基底12，一光感測(cè)區(qū)46、一外圍電路區(qū)44以及一隔離區(qū)48。光感測(cè)區(qū)46、外圍電路區(qū)44及隔離區(qū)48形成于基底12上，且隔離區(qū)48形成于光感測(cè)區(qū)46以及外圍電路區(qū)44之間，并隔離光感測(cè)區(qū)46及外圍電路區(qū)44。
光感測(cè)區(qū)46包含一第一擴(kuò)散區(qū)16，形成于基底12上，一第二擴(kuò)散區(qū)18，形成于第一擴(kuò)散區(qū)16上，第二擴(kuò)散區(qū)18的摻雜濃度大于第一擴(kuò)散區(qū)16的摻雜濃度，以及一空乏區(qū)14，形成于第一擴(kuò)散區(qū)16及基底12之間，用來(lái)接收光線以產(chǎn)生光電流。
外圍電路區(qū)44包含一第一晶體管M1，其源極連接于一字符線，第一晶體管M1用來(lái)選擇是否輸出光感測(cè)區(qū)46儲(chǔ)存的資料，一第二晶體管M2，其柵極連接于光感測(cè)區(qū)46，源極連接于第一晶體管M1的漏極，漏極連接于一電壓源VDD，以及一第三晶體管M3，其源極連接于光感測(cè)區(qū)46，漏極連接于電壓源VDD，第三晶體管M3用來(lái)重置光感測(cè)區(qū)46。之前已詳述此三個(gè)晶體管的運(yùn)作，于此不再贅述。
由于本發(fā)明將光感測(cè)區(qū)46以及外圍電路區(qū)44隔離開(kāi)來(lái)，感光二極管D1與第二晶體管M2的柵極以及與第三晶體管M3的源極的連結(jié)利用金屬導(dǎo)線42連結(jié)起，意即第二晶體管M2的柵極經(jīng)由金屬導(dǎo)線42連接于光感測(cè)區(qū)46的第二擴(kuò)散區(qū)18，第三晶體管M3的源極亦經(jīng)由金屬導(dǎo)線42連接于光感測(cè)區(qū)46的第二擴(kuò)散區(qū)18。相較于現(xiàn)有技術(shù)，先前技術(shù)利用擴(kuò)散連結(jié)(diffusionconnection)以連結(jié)起第三晶體管M3以及感光二極管D1，因而會(huì)產(chǎn)生漏移電流，而本發(fā)明是利用金屬導(dǎo)線42來(lái)連結(jié)第三晶體管M3的源極與光感測(cè)區(qū)46的第二擴(kuò)散區(qū)18，此可避免如圖5形成PN接面而產(chǎn)生漏移電流的問(wèn)題。
請(qǐng)?jiān)賲⒖紙D1、圖7以及圖9，根據(jù)本發(fā)明主動(dòng)取像元件40的新布局，感光二極管D1的光感測(cè)區(qū)的面積(圖9中虛線部分)較圖1以及圖7中的光感測(cè)面積(虛線部分)大，因此可提高填充因子，進(jìn)而提高解析度。
另外，本發(fā)明主動(dòng)取像元件40的基底12為P型基底，光感測(cè)區(qū)46的第一擴(kuò)散區(qū)16以及第二擴(kuò)散區(qū)18為N型。而外圍電路區(qū)44中的三個(gè)晶體管M1-M3為NMOS，請(qǐng)一并參考圖2與圖9，由于圖9的布局，因此第一晶體管M1的漏極及第二晶體管M2的源極為同一摻雜區(qū)，且第二晶體管M2的漏極與第三晶體管M3的漏極為同一摻雜區(qū)。形成于光感測(cè)區(qū)46以及外圍電路區(qū)44之間的隔離區(qū)48為一淺溝隔離絕緣層(shallow trench isolation layer)或?yàn)橐粓?chǎng)氧化層(field oxide layer)，用以隔離光感測(cè)區(qū)46及外圍電路區(qū)44。注意的是，除了光感測(cè)區(qū)46及外圍電路區(qū)44之間有此隔離區(qū)48，光感測(cè)區(qū)46及外圍電路區(qū)44周圍亦有隔離區(qū)以隔離不同的元件，其材料亦為淺溝隔離絕緣層或?yàn)閳?chǎng)氧化層。此外，本發(fā)明的實(shí)施例雖以NMOS做為M1-M3的材料，然而本發(fā)明并不限制于此，亦可以PMOS做為M1-M3的材料進(jìn)行均等變化與修改而實(shí)施之。
相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明將光感測(cè)區(qū)46以及外圍電路區(qū)44隔離開(kāi)來(lái)，亦即將晶體管M3與感光二極管D1分隔開(kāi)，其可解決因晶體管M3與感光二極管D1之間擴(kuò)散區(qū)所產(chǎn)生的遺漏電流的問(wèn)題，意即不再有空乏區(qū)與隔離區(qū)的高斜率處相接觸形成PN接面而產(chǎn)生遺漏電流(如圖5以及圖6所示)。此外，由于擴(kuò)散區(qū)完整地在空乏區(qū)的范圍之內(nèi)，(如圖9的光感測(cè)區(qū)46所示)，填充因子可大幅地提高，因而使解析度提高。
權(quán)利要求
1.一種光感測(cè)區(qū)及外圍電路區(qū)相互隔離的主動(dòng)取像元件，其特征在于，包含一基底；一光感測(cè)區(qū)，形成于該基底上，用來(lái)依據(jù)接收的光線產(chǎn)生光電流；一外圍電路區(qū)，形成于該基底上，該外圍電路區(qū)包含一第一晶體管，其源極連接于一字符線，該第一晶體管用來(lái)選擇是否輸出該光感測(cè)區(qū)儲(chǔ)存的資料；一第二晶體管，其柵極連接于該光感測(cè)區(qū)，源極連接于該第一晶體管的漏極，漏極連接于一電壓源；以及一第三晶體管，其源極連接于該光感測(cè)區(qū)，漏極連接于該電壓源，該第三晶體管用來(lái)重置該光感測(cè)區(qū)；以及一隔離區(qū)(isolation region)，形成于該光感測(cè)區(qū)及該外圍電路區(qū)之間，并隔離該光感測(cè)區(qū)及該外圍電路區(qū)。
2.如權(quán)利要求1所述的主動(dòng)取像元件，其特征在于，該光感測(cè)區(qū)包含有一第一擴(kuò)散區(qū)，形成于該基底上；一第二擴(kuò)散區(qū)，形成于該第一擴(kuò)散區(qū)上，該第二擴(kuò)散區(qū)的摻雜濃度大于該第一擴(kuò)散區(qū)的摻雜濃度；以及一空乏區(qū)，形成于該第一擴(kuò)散區(qū)及該基底之間，用來(lái)接收光線以產(chǎn)生光電流。
3.如權(quán)利要求2所述的主動(dòng)取像元件，其特征在于，該第二晶體管的柵極經(jīng)由一金屬導(dǎo)線連接于該光傳感器的第二擴(kuò)散區(qū)，該第三晶體管的源極亦經(jīng)由一金屬導(dǎo)線連接于該光感測(cè)區(qū)的第二擴(kuò)散區(qū)。
4.如權(quán)利要求2所述的主動(dòng)取像元件，其特征在于，該基底為P型，該第一及第二擴(kuò)散區(qū)為N型，該三晶體管為NMOS。
5.如權(quán)利要求1所述的主動(dòng)取像元件，其特征在于，該第一晶體管的漏極及該第二晶體管的源極為同一摻雜區(qū)，且該第二晶體管的漏極與該第三晶體管的漏極為同一摻雜區(qū)。
6.如權(quán)利要求1所述的主動(dòng)取像元件，其特征在于，該隔離區(qū)為一淺溝隔離絕緣層及一場(chǎng)氧化層其中任一。
全文摘要
一種CMOS影像傳感器的主動(dòng)取像元件，其包含一基底，一光感測(cè)區(qū)，一外圍電路區(qū)以及一隔離區(qū)。該光感測(cè)區(qū)以及該外圍電路區(qū)形成于該基底上，該隔離區(qū)形成于該光感測(cè)區(qū)以及該外圍電路區(qū)之間，并隔離該光感測(cè)區(qū)及該外圍電路區(qū)。該光感測(cè)區(qū)用來(lái)依據(jù)接收的光線產(chǎn)生光電流。該外圍電路區(qū)包含一第一晶體管，其源極連接于一字符線，該第一晶體管用來(lái)選擇是否輸出該光感測(cè)區(qū)儲(chǔ)存的資料，一第二晶體管，其柵極連接于該光感測(cè)區(qū)，源極連接于該第一晶體管的漏極，漏極連接于一電壓源，以及一第三晶體管，其源極連接于該光感測(cè)區(qū)，漏極連接于該電壓源，該第三晶體管用來(lái)重置該光感測(cè)區(qū)。
文檔編號(hào)H04N5/335GK1731584SQ200410055108
公開(kāi)日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2004年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月4日
發(fā)明者謝志成 申請(qǐng)人:原相科技股份有限公司