專利名稱：圖像傳感器的具有2晶體管結(jié)構(gòu)的單位像素及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器的單位像素，更具體地，涉及其內(nèi)的光電 二極管與像素陣列區(qū)域分隔開的圖像傳感器的單位像素及其制造方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)其內(nèi)所包含的晶體管的數(shù)量，用于傳統(tǒng)圖像傳感器的像素被粗略地分為3晶體管像素、4晶體管像素和5晶體管像素。根據(jù)晶體管的數(shù)量，圖1至圖3示出了用于圖像傳感器的典型像 素結(jié)構(gòu)。圖1示出了 3晶體管結(jié)構(gòu)。圖2和圖3示出了 4晶體管結(jié)構(gòu)。如圖1至圖3所示，由于像素電路中晶體管的存在，填充因數(shù)自 然地減小，該填充因數(shù)為在像素的整個(gè)面積上由光電二極管所占據(jù)的 面積。通常，考慮到每種半導(dǎo)體制造工藝的生產(chǎn)率，二極管的填充因 數(shù)的范圍是20%至45%。因此，損失了在對應(yīng)于該像素整個(gè)面積的大 約55%至80%的其余面積上入射的光線。為了使光學(xué)數(shù)據(jù)的損失降到最小，在圖像傳感器的制造工藝中， 微透鏡被用于每個(gè)單位像素，從而使光學(xué)數(shù)據(jù)可被聚集在每個(gè)像素的 光電二極管上。微透鏡的增益被定義為使用了微透鏡的傳感器的靈敏 度相對于未使用微透鏡的圖像傳感器的靈敏度的增量。假定普通二極管的填充因數(shù)約為30%,則微透鏡增益為未使用微 透鏡的圖像傳感器的靈敏度的2.5至2.8倍。然而，像素尺寸已減小至 4口x4口，甚至減小至3口x3口。更進(jìn)一步地，隨著2.8口x2.8口或2.5口x2.5口 的小尺寸像素的出現(xiàn)，從像素尺寸為3.4口x3.4口時(shí)開始，微透鏡增益顯 著地由未使用微透鏡的圖像傳感器的靈敏度的2.8倍下降至1.2倍。這 是由微透鏡的衍射現(xiàn)象所引起的。衍射現(xiàn)象的水平是由像素尺寸的作 用和微透鏡的位置決定的。
當(dāng)像素尺寸逐漸地減小時(shí)，微透鏡的衍射現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重，因 此使微透鏡增益降低至小于或等于圖像傳感器的靈敏度的1.2倍，這 將導(dǎo)致以下現(xiàn)象，光線聚集看起來沒有任何作用。這是最近公認(rèn)的靈 敏度退化的原因。通常，用于圖像傳感器的像素尺寸的減小將導(dǎo)致用于光電二極管 的區(qū)域的減小。光電二極管的區(qū)域與光電二極管的可用電荷的數(shù)量密 切相關(guān)。因此，當(dāng)光電二極管的尺寸減小時(shí)，可用電荷的數(shù)量減少。 光電二極管的可用電荷的數(shù)量是決定圖像傳感器動態(tài)范圍的基本特 征，因此可用電荷數(shù)量的減少直接影響了傳感器的圖像質(zhì)量。當(dāng)制造像素尺寸小于3.2口x3.2口的圖像傳感器時(shí)，其靈敏度下降，并且傳感器 相對于光線的動態(tài)范圍也下降，從而使圖像質(zhì)量退化。在采用了圖像傳感器的攝像模塊的制造工藝中使用外部透鏡。在 這種情況下，光線基本垂直地入射在像素陣列的中心部分上。然而， 光線較少地垂直入射在像素陣列的邊緣部分上。當(dāng)角度開始由垂直角 度偏離預(yù)定的度數(shù)時(shí)，光線被聚集在處于光電二極管所用區(qū)域之外的 微透鏡上，該區(qū)域是為了聚集而預(yù)設(shè)置的。這將造成昏暗的圖像，更 嚴(yán)重的是，當(dāng)光線被聚集在鄰近像素的光電二極管上時(shí)，色度將改變。最近，隨著具有從0.3兆像素和1.3兆像素至2兆像素和3兆像素 的圖像傳感器的發(fā)展，動態(tài)放大/縮小功能以及自動聚焦功能被期望包 含在迷你攝像模塊中。各功能的特性在于，當(dāng)完成每個(gè)功能時(shí)，光線的入射角在邊緣部 分顯著地變化。傳感器的色度或亮度需獨(dú)立于入射角的變化。然而， 隨著像素尺寸的減小，傳感器無法應(yīng)付入射角的變化。目前，傳感器 可實(shí)現(xiàn)自動聚焦功能，但動態(tài)放大/縮小功能還無法實(shí)現(xiàn)。因此，難以 使提供縮放功能的迷你攝像模塊得到發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供 一 種用于圖像傳感器 的具有2晶體管結(jié)構(gòu)的單位像素，在微型像素的制造中，該圖像傳感
器靈敏度的下降遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的情況，且能夠處理以不同角度入射到光電二極管上的光。技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于圖像傳感器的具有2晶體管結(jié)構(gòu)的單位像素，包括光電二極管，其含有與半導(dǎo)體材料類型相反的雜質(zhì)；復(fù)位晶體管，連接至所述光電二極管，以對所述光電二極管進(jìn)行初始化；以及選擇晶體管，連接至所述光電二極管，從而具有 對像素和外部引出電路之間的連接進(jìn)行控制的功能和讀出所述像素的 信息的功能。


圖1至圖3示出了根據(jù)典型用于圖像傳感器的晶體管的數(shù)量的像 素結(jié)構(gòu)；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的用于圖像傳感器的具有2晶體 管結(jié)構(gòu)的單位像素；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的用于圖像傳感器的具有2晶體管結(jié)構(gòu)的單位像素；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，在具有以2晶體管構(gòu)造的像素陣列區(qū)域的圖像傳感器內(nèi)彼此相連的多個(gè)單位像素；圖7是示出了圖6的操作的時(shí)序圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的用于圖像傳感器的具有2晶體 管結(jié)構(gòu)的單位像素的物理結(jié)構(gòu)；以及圖9示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的用于圖像傳感器的具有2 晶體管結(jié)構(gòu)的單位像素的物理結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式
在下文中，將參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的用于圖像傳感器的具有2晶體 管結(jié)構(gòu)的單位像素，該單位像素包括光電二極管PD、復(fù)位晶體管Rx、 以及具有選擇和讀出功能的晶體管Sx。 含有與半導(dǎo)體材料類型相反的雜質(zhì)的光電二極管的陰極電極，被連接至復(fù)位晶體管Rx的源極以及具有選擇和讀出功能的晶體管Sx的柵極。復(fù)位晶體管Rx對光電二極管PD進(jìn)行初始化，并且具有選擇/讀 出功能的晶體管Sx具有以下功能，即對像素和外部引出電路之間的連 接進(jìn)行控制并讀出像素信息?？蓪?fù)位晶體管Rx和具有選擇/讀出功能的晶體管Sx施加不同的 電壓源。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的用于圖像傳感器的具有2 晶體管結(jié)構(gòu)的單位像素，該單位像素包括光電二極管PD、復(fù)位晶體管 Rx、以及具有選擇和讀出功能的晶體管Sx。含有與半導(dǎo)體材料類型相反的雜質(zhì)的光電二極管的陰極電極，被 連接至復(fù)位晶體管Rx的源極以及具有選擇和讀出功能的晶體管Sx的 柵極。復(fù)位晶體管Rx的漏極和具有選擇/讀出功能的晶體管Sx的漏極相 互連接，并且對其施加共用電壓源。復(fù)位晶體管Rx對光電二極管進(jìn)行初始化，并且具有選擇/讀出功 能的晶體管Sx具有以下功能，即對像素和外部引出電路之間的連接進(jìn) 行控制，從而向外部引出電路提供像素的信息。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式，在具有以2晶體管構(gòu)造的 像素陣列區(qū)域的圖像傳感器內(nèi)彼此相連的多個(gè)單位像素，該多個(gè)單位像素的像素輸出相互連接。圖7是示出了圖6的操作的時(shí)序圖。只有當(dāng)對線路進(jìn)行讀取時(shí)，才將VDD (電壓源)或任意電壓施加 到線路上。電流源由線路選擇信號控制。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的用于圖像傳感器的具有2晶體 管結(jié)構(gòu)的單位像素的物理結(jié)構(gòu)。在p型半導(dǎo)體襯底上，形成正-負(fù)(PN)結(jié)，以形成光電二極管 PD,并且形成了用于對光電二極管進(jìn)行初始化的復(fù)位晶體管Rx的柵 極。而且，用于向復(fù)位晶體管Rx的漏極施加尋址信號的VDD或任意 電壓被施加于復(fù)位晶體管RX的漏極，并且形成了具有選擇/讀出功能的晶體管Sx，該功能用于向具有選擇/讀出功能的晶體管Sx的柵極提 供光電二極管PD的信息。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的用于圖像傳感器的具有2 晶體管結(jié)構(gòu)的單位像素的物理結(jié)構(gòu)。在p型半導(dǎo)體襯底上，形成PN結(jié)，以形成光電二極管PD,并且 形成了用于對光電二極管進(jìn)行初始化的復(fù)位晶體管Rx的柵極。而且， 形成了具有選擇/讀出功能的晶體管Sx,該功能用于向具有選擇和讀出 功能的晶體管的漏極施加尋址信號，并且還用于向具有選擇/讀出功能 的晶體管Sx的柵極提供光電二極管PD的信息。復(fù)位晶體管Rx和具有選擇/讀出功能的晶體管Sx具有共用的連接層。盡管結(jié)合本發(fā)明的示例性實(shí)施方案對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)地說明和 描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在不脫離權(quán)利要求所限定的本發(fā) 明的精神和范圍的情況下，可對本發(fā)明進(jìn)行各種形式上和細(xì)節(jié)上的變 化。工業(yè)適用性因此，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于孔徑表面增大且像素尺寸減小，從而使 靈敏度增加。而且，由于晶體管數(shù)量的減少，使得光電二極管的填充 因數(shù)顯著增大，從而使靈敏度增大且成本降低。
權(quán)利要求
1.一種用于圖像傳感器的具有2晶體管結(jié)構(gòu)的單位像素，包括光電二極管，其含有與半導(dǎo)體材料類型相反的雜質(zhì)；復(fù)位晶體管，連接至所述光電二極管，以對所述光電二極管進(jìn)行初始化；以及具有選擇和讀出功能的晶體管，連接至所述光電二極管，從而具有對像素和外部引出電路之間的連接進(jìn)行控制的功能和讀出所述像素的信息的功能。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于圖像傳感器的具有2晶體管結(jié)構(gòu)的單 位像素，其中只有當(dāng)所述復(fù)位晶體管和具有選擇和讀出功能的所述晶 體管對線路進(jìn)行讀取時(shí)，才對所述復(fù)位晶體管和具有選擇和讀出功能 的所述晶體管的線路施加VDD (電壓源)或任意電壓。
3. 如權(quán)利要求1所述的用于圖像傳感器的具有2晶體管結(jié)構(gòu)的單 位像素，其中所述復(fù)位晶體管和具有選擇和讀出功能的所述晶體管具 有共用的連接層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有以光電二極管和2晶體管構(gòu)造的像素的單位像素，該單位像素用于圖像傳感器。該用于圖像傳感器的具有2晶體管結(jié)構(gòu)的單位像素包括含有與半導(dǎo)體材料類型相反的雜質(zhì)的光電二極管；復(fù)位晶體管，連接至光電二極管，以對光電二極管進(jìn)行初始化；以及具有選擇和讀出功能的晶體管，連接至光電二極管，從而具有對像素和外部引出電路之間的連接進(jìn)行控制的功能和讀出像素的信息的功能。因此，孔徑表面增大且像素尺寸減小，從而使靈敏度增大。而且，由于晶體管數(shù)量的減少，光電二極管的填充因數(shù)顯著增大，從而使靈敏度增大且成本降低。
文檔編號H01L27/146GK101213670SQ200680023576
公開日2008年7月2日 申請日期2006年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月28日
發(fā)明者李道永 申請人:(株)賽麗康