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TW200818476A - Image sensor with improved color crosstalk - Google Patents

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TW200818476A
TW200818476A TW096112169A TW96112169A TW200818476A TW 200818476 A TW200818476 A TW 200818476A TW 096112169 A TW096112169 A TW 096112169A TW 96112169 A TW96112169 A TW 96112169A TW 200818476 A TW200818476 A TW 200818476A
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Description

200818476 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種固態影像感測器，且更特定而言本發 明係關於-種包括用光吸收彩色渡光片覆蓋之小像素的互 補金氧半導體（CMOS)影像感測器。 【先前技術】
ϋ 現代CMOS影像感測器之典型象素包括一光電二極體（更 特定而言，一插接（pinned)光電二極體）及四個電晶體◊光 電二極體收集光生電荷’該光生電荷稍後由一電荷轉移電 晶體在適當瞬間轉移至一浮動擴散（FD)節點上。該fd節點 充當電荷偵測節點。在電荷轉移之前，FD節點需要重置至 一適當參考電壓。該重置引起可能通常被添加至一出現在 FD節點上之信號的kTC雜訊。因此，有必要讀取fd節點上 之電壓兩次，第一次在電荷轉移之前，及第二次在電荷轉 移之後。此操作被稱為CDS(相關二重取樣）。CDS操作允 許感測僅由自光電二極體轉移之電荷所引起之節點上的電 壓差。 源極隨耦器（SF)電晶體經由一連接sFD節點之SF電晶體 之閘極、一連接至一電源電壓（Vdd)端子之汲極，及一經 由定址電晶體連接至一共用行感測線之源極來感測]?13節點 上之電壓。為此，通常有必要在一標準CM〇s影像感測器 之每一像素中倂入4個電晶體。頒予Paul ρ· Lee等人之發明 名稱為"Active Pixel Sensor lntegrated with pinned Photodiode”之美國專利申請案第5,625,21〇號描述一種具有 119685.doc 200818476 一插接光電二極體的例示性4T像素電路。 在現代CMOS感測器設計中，用於若干光電二極體之電 路可共用，如可在頒予R· M. Guidash等人之發明名稱為 lfActive Pixel Sensor with Wired Floating Diffusions and Shared Amplifier”的美國專利申請案第6,657,665 m號中例 示性地找到。在此專利申請案中，雙像素包括位於一感測 裔影像陣列之相鄰列中且共用相同電路之兩個光電二極 大多數現代CMOS影像感測器中之色彩感測藉由將適當 彩色濾光片置放於光電二極體上來完成，如圖1中所展 示。藍色濾光片101吸收綠光及紅光且僅讓藍光光子進入 下方光電二極體區域。類似地，綠色濾光片1 〇2吸收藍光 及紅光且僅讓綠光光子進入下方矽塊體。元件符號1〇3表 示紅色濾、光片。藍光及綠光光子具有高能量，且因此通 常在一自矽塊體之表面至其一確定區域1〇4所界定之深度 Xg範圍内非常快速地被吸收。另一方面，紅光光子且有低 月b畺且穿透比以上區域104更深之區域。更特定而言，在 產生任何光電子之前，紅光光子可穿透至一在一位於深度 Xepi之磊晶基板區域與一重度摻雜之p+型基板1〇6之間的 介面105。參考字母，’Xr”表示介面1〇5離矽塊體（亦即，重 度摻雜之P +型基板1〇6)之表面的深度。 當在重度摻雜之P+型基板1〇6中產生電子1〇7時，電子 1 〇7非常快速地與位於重度摻雜之p+型基板i 〇6中之電洞再 結合且不能夠被收集在”紅色”光電二極體中。另一方面， 119685.doc 200818476 非耗腿猫晶層109中所產生之電子1〇8具有比電子1〇7更長 的可I，且在非耗盡磊晶層109中側向及垂直地自由擴散 直至电子1〇8抵達耗盡區域11〇之邊界為止。耗盡區域 之邊界位於離矽塊體之表面的深度Xdl處。 田電子111進入耗盡區域11 〇時，電子111快速地被掃掠 至位於形成有N型摻雜層112之區域中的各別光電二極體勢 井中。光電二極體由]^型摻雜層112及p+型插接層113緊接 矽塊體之表面來形成。此結構被稱為插接光電二極體。 型插接層113各自沿各別淺溝槽隔離（STI)區域114之側邊及 底部延伸、各自藉由蝕刻矽塊體而形成，以將感光單元與 對應電路彼此分離及絕緣。用二氧化矽填充STI區域丨14。 一氧化石夕亦覆蓋光電二極體表面區域且在轉移閘極下 方延伸。元件符號115及116分別表示填充STI區域114之二 氧化石夕及在轉移閘極117下方延伸且同時覆蓋光電二極體 表面區域之二氧化矽。轉移閘極117由多晶矽形成。 當將適當偏壓經由對應連接118(僅示意性地展示）施加至 轉移閘極117中的每一者時，儲存在光電二極體勢井中之 電子電荷被轉移至藉由摻雜N+型摻雜劑所形成之各別fd 節點119上。FD節點119通常經受一電壓變化。此電壓變化 隨後被適當放大器（SF)感測到，該等適當放大器（SF)由各 別導線120(亦僅示意性地展示）個別連接至fd節點119。電 壓變化表示一所要信號。光電二極體及轉移閘極117通常 由另一層121覆盖’其中另一層121由二氧化石夕或多層二氧 化石夕形成，且在彩色濾光片之前之其他透明薄膜沈積於頂 119685.doc 200818476 部。隨後可將顯微透鏡（未圖示）沈積於藍色濾光片1〇1、綠 色濾光片102及紅色濾光片J 〇3之頂部以將光聚焦於光電二 極體之表面區域上。
如可自圖1容易理解，由非耗盡磊晶層i 〇9中之紅光所產 生之電子亦可側向地擴散且進入相鄰光電二極體之耗盡區 域110。此現象通常引起非吾人所樂見之色彩串擾，因為 紅色光生電子通常終止於錯誤之"綠色"或"藍色"光電二極 體之光電二極體勢井中。此色彩串擾可在像素之側向尺寸 小於2 μιη且垂直尺寸保持在約5 μηι之小尺寸像素中為顯著 的。色彩串擾可藉由減少磊晶層之厚度(亦即，介面1〇5之 深度Xr)且從而減小非耗盡蟲晶層1〇9之厚纟或將位於深度 XcU的耗盡區域110之邊界延伸至深度xd2來減小。 然而，以上所描述之兩種方法可能具有一些限制。淺蟲 晶厚度引起過多紅光電子產生於重度推雜之？+型基板ι〇6 中且因此與重度摻雜之P+型基板1〇6中之電润再結合。結 果’紅光電子可對信號不起作用。通常需要使蟲晶厚度約 5 · 0 μηι或更大以具有一良好”紅，，光響應。 一直延伸至介面1G5之厚耗盡亦可引起限制。完成厚耗 盡所必要之磊晶層的輕度摻雜可增加暗電流產生，且可導 致位於接近表面之Ρ+型插接層113與重度摻雜之ρ+型基板 _之不連續性及分離，如由針對此位準之蟲晶推雜之分 離的耗盡層邊界122所指示。當觀測到不連續且分離之ρ + 型插接層⑴時，有必要由一些其他構件(例如，置放於像 素頂部之金屬導線）提供其他電連接至ρ+型插接層⑴。此 119685.doc 200818476 率等電達接可降低像素孔#效率及因此降低最終像素量子效 【發明内容】 本發明之特定實施例提供—種包括小尺寸料 色彩串擾之影像感測器(例如 ：义 像感測器)。 補-乳.V體(CMOS)影 根據本發明之一態樣，提供一 ^ S 弟一傳導性類型 之一基板:配置於該基板上之第—及第二像素，及一形成 於對應於该第一像素的該基板一 £域中而非對應於該第 -象素的該基板之一區域中之電位障的影像感測器。 【實施方式】 根據本發明之各種實施例，小像素尺寸感測ϋ的效能得 以改良，且經改良之效能對色彩串擾之減少起作用。此效 應可藉由在接收藍光及綠光之像素下方但不在接收紅光之 像素下方倂入-深南能量硼植入或由在ρ型蟲晶生長期間 所應用之低能量粒子植入來達成。 植入之摻雜在一基板結構中形成一小電位障，該小電位 障引導及聚焦切塊體（亦即，基板結構）深處之由紅光所 產生之彼等載子以流動至"紅色"光電二極體（在紅色濾光片 下方之光電二極體）中且被收集在"紅色”光電二極體中。深 度硼植入亦重定向由穿透不完全藍色及綠色濾光片且產生 在藍色”及”綠色”光電二極體下方之矽塊體深處之載子的 剩餘紅光所產生之載子，以便使在"藍色"及"綠色"光電二 極體下方產生之載子流動至，，紅色"發光二極體中。 119685.doc 200818476 除了由紅色光生載子所引起之色彩串擾之減少之外，亦 可減少由不完全藍色及綠色濾光片所引起之色彩串擾。因 此’有可能建立具有非常小之尺寸、高效能及減少之色彩 串擾的像素之CMOS感測器陣列。 圖2說明根據本發明之一實施例之包括具有光電二極體 及對應轉移電晶體之像素之影像感測器的簡化橫截面圖。 監色濾光片201、綠色濾光片202及紅色濾光片203形成於 一形成於光電二極體區域上方的層間透明介電結構2〇4上 方。P型摻雜層217連同N型摻雜層210—起形成插接光電 二極體區域。P+型摻雜層217各自在一包括淺溝槽隔離 (STI)區域206之側邊及底部之矽塊體（例如，重度摻雜p+型 基板218)的曝露表面上方延伸。用基於氧化物之材料207 填充STI區域206。基於氧化物之層205各自覆蓋矽塊體之 表面且在各別轉移閘極2 〇 8下方延伸。轉移閘極2 〇 §由諸如 多晶石夕之導電材料形成。N+型摻雜層2〇9形成連接至各別 感測放大器（未圖示）之FD區域。 當光電二極體（更特定而言，插接光電二極體）耗盡所有 電荷時’耗盡區域211形成於插接光電二;極體下方之深度 Xdl處。一咼能量硼植入用於形成一 p型摻雜層212作為一 電位障。該P型摻雜層2丨2位於”藍色，，及”綠色”光電二極體 下方之深度Xg處，其中綠光及藍光光子之大多數已被轉換 成電子215。此等電子215向上漂移短距離至耗盡區域2ΐι 之邊界且被快速掃掠至位於摻雜層210中之光電二極體 勢井中。由於可使垂直擴散距離非常短，因此側向擴展及 119685.doc -10- 200818476 從而色彩串擾之機率小。紅色光生電子216亦直接向上擴 散，由於P型摻雜層212形成針對紅色光生電子216之小電 位P早且防止其側向擴展。此外，在？型摻雜層212下方之其 他紅色光生電子214亦不能克服電位障且需要、繞過電位障 擴散至"紅色"光電二極體勢井。因此，可改良由不完全彩 色濾光片所引起之色彩串擾。 為此，一蟲晶層可具有一適當足夠之深度&以用於將紅 〇 《充分轉換成電子而無需折衷以減少至錯誤光電二極體中 ㈣向擴展。可縣晶基板介面213置放至料體中比習 知^晶基板介面甚至更深處以改良紅光至電子之轉換。參 考字母Xepi表不磊晶基板介面2〗3所位於的深度。亦可 針對-最小化暗電流及P+型摻雜層217至p+型摻雜層218之 良好導電連接而最優化蟲晶層之深度。因&，料體像素 縱橫比（其為有效像切厚度相比像素水平尺寸）可經增加 而並不產生與習知方法相比較之對色彩串擾之不利效應。 如所熟知’紅光之波長最大’且按綠光及藍光之順序下 3。，此，紅色光生電荷可產生於比P型磊晶層之深度更 ^策又處口此，考慮到此事實，將P型摻雜層212形成 於離矽塊體之表面的適當深度Xg處。 由於以上描述未論述像素電路且僅聚焦力光電二極體 上，因此應理解，一共用像素電路亦可用於本發明之此實 施=。每-像素可具有一共用電路以讀取光生電荷作為一 電H ’且該共用電路可經由一共用浮動擴散節點讀取光 119685.doc 200818476 Ο
熟習此項技術者亦應清楚，可容易地將本發明之 α 例調適成代表本發明之另一實施例的3Τ像素結構。此外， 熟習此項技術者應清楚，Ρ型摻雜層212不必由高能量粒子 植入來植入。相反地，Ρ型摻雜層212可在磊晶層生長期間 形成。蟲晶生長可停止於在深度Xr與深度Xg之間所界定的 深度處。棚可由一低能量離子植入來植入或由一些其他方 法來沈積。之後，磊晶生長可繼續直至抵達原始深度&為 止。此方法代表本發明之另一實施例。 此外，熟習此項技術者應清楚，ρ型摻雜層212可形成於 "綠色，，發光二極體下方之深度又8處，且另一類似p型摻雜 層可形成於"藍色"發光二極體下方比深度Xg更淺之深度 Xb(未圖示）處。此方法代表本發明之另一實施例。 在本實施例中，源於在基板結構（例如，矽塊體）之深區 域中所產生之載子的色彩串擾可藉由將充當一電位障之ρ 型推雜層置放於，，綠色"及”藍色”發光二極體下方且不置放 於紅色#光一極體下方來最小化。因此，能夠提供一固 態影像感測器，更特定而言，具有小像素尺寸、對紅光之 良好響應’及杈少發生色彩串擾的CM〇s影像感測器。 本發明之各種實_針對具有針對小像素尺寸之改良串 擾的像素’此藉由將在"綠色"及”藍色”發光二極體下方且 不在”紅色"發光二極體下方倂入深p型層來完成。然而， 此改良意欲為說明性且非限制性的，且應注意，熟習此項 技術者可根據以上教示進行修改及變化。因此，將理解可 對所揭示之本發明之特定實施例進行在由所附申請專利範 119685.doc 200818476 圍所界定的本發明之範轉及精神範圍内之改變。 【圖式簡單說明】 圖1說明CMOS影像感測器中用彩色濾光片覆蓋之習知像 素之簡化橫截面圖。 圖2說明根據本發明之實施例之CMOS影像感測器中用彩 色濾光片覆蓋之像素的簡化橫截面圖。 【主要元件符號說明】
101 藍色濾光片 102 綠色濾光片 103 紅色濾光片 104 中心區域 105 介面 106 P+型基板 107 電子 108 電子 109 非耗盡磊晶層 110 耗盡區域 111 電子 112 N型摻雜層 113 p+型插接層 114 淺溝槽隔離（STI)區域 115 一氧化石夕 116 二氧化石夕 117 轉移閘極 119685.doc 200818476 118 連接 119 FD節點 120 導線 層 121 122 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 耗盡層邊界 藍色滤光片 綠色濾光片 紅色渡光片 介電結構 基於氧化物之層 淺溝槽隔離（STI)區域 基於氧化物之材料 轉移閘極 N+型摻雜層 N型摻雜層 耗盡區域 P型摻雜層 蠢晶基板介面 電子 電子 電子 P+型摻雜層 P+型基板 119685.doc -14-

Claims (1)

  1. 200818476 十、申請專利範圍： 1· 一種影像感測器，其包含·· 一基板，其為一第一傳導性類型； 二及第二像素，其配置於該基板上；及 -電位障’其形成於對應於該第一像 2 =而非對應於該第二像素的該基板之二：之 .、^項1之影像感測器，其中該電位障包含—第一傳 ‘性類型之摻雜層。 3. 如請求項1之影像感測 其 T °哀弟—像素對一具有一 =長長於該第-像素所作出響應之色彩的色彩作出響 4. 如請求項丨之影像感測器， 红 弟一像素包含一針對 ㈣^ 收彩色濾光片，且該第-像素包含一針 …' Μ色或其組合之第二光吸收彩色據光片。 5. =求们之影像感測器，其中該第—像素及該第二像 合—共用電路以讀取光生電荷作為-電作號。 6·= 青求項!之影像感测器’其中該第一像素及；第二像 ”自包含一發光二極體以收集光生電荷。 7.:請求们之影像感測器，其中該第一像素及該第二像 Χ、自匕^ 一浮動擴散節點以彳貞測光生電荷。 8· ^ ^項7之影像感測器，其中該浮動擴散節點包含一 /、用浮動擴散節點。 月长項8之影像感測器’其中該第一像素及該第二像 “各自包含一轉移閘極以將光生電荷轉移至該共用浮動 U9685.doc 200818476 擴散節點。 10 · 士口言青工百 貝6之影像感測器，其中該光電二極體包含一插 接光電二極體。 11 ·如自青求^ 1 、 、1之影像感測器，其中該基板包含一形成於該 之P型磊晶層，該基板包含一重度P+型摻雜基 板。 12·如明求項11之影像感測器，其中該第一像素包含一光電 η ° _ 乂收集光生電荷，且該電位障形成於該P型磊晶 曰 “ p型磊晶層形成於由該光電二極體界定之一耗 盡區域下方。 13 ·如清求項1之旦^ /条 子描入 測器’其中該電位障由-高能量離 子植入用摻雜劑來_。 雕 14 ·如清求項11之寻彡 晶声之，其中該電位障由在該p型蟲 雜。 ^之—離子植人或擴散用摻雜劑來摻 119685.doc
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