專利名稱：具有高填充系數像素的圖像傳感器及形成圖像傳感器的方法
技術領域：
半導體圖像傳感器件在多種應用中例如數字照相機、攝像機、打印機、掃描儀等中廣泛用于捕捉圖像。這種設備包括圖像傳感器，該圖像傳感器捕捉光學信息并將光學信息轉化為電信號，然后處理、存儲該電信號，或者將該電信號處理為導致將所捕獲的圖像投射到顯示器或者打印介質上。
背景技術：
通常有兩種類型廣泛使用的圖像傳感器器件電荷耦合器件(CCD)以及CMOS圖像傳感器(CIS)器件。CCD圖像傳感器操作為低噪聲并具有高一致性，但是通常需要較高的功率消耗和低于CIS器件的操作速度。當圖像傳感器在便攜式電子器件例如包括集成的數字照相機的無線電話中使用時，較低功率消耗和較高速度性能的特性是重要的因素。在這種應用中，相比于CCD器件，CIS器件變為優選的選擇。
CIS器件包括有源像素傳感器(APS)陣列，其包括光電轉換元件的二維陣列、生成用于讀取來自APS的信號的定時信號的定時生成器、用于選擇用來讀取的像素的行驅動器、用于在所選擇的像素的輸出信號上執行校正的雙采樣過程的校正雙采樣(CDS)單元，用于比較CDS校正的信號與基準信號的比較器、用于將由比較器輸出的模擬信號轉換為數字信號的模數轉換器、用于將所轉換的數字信號轉換為數字圖像信號的數字信號處理器(DSP)、以及接收來自輸出設備的命令并且將數字圖像信號輸出到輸出設備的接口。在不同的結構中，DSP處理器可以與CIS單元集成，或者設置在與CIS單元物理地分開的設備上。
同時，高質量CIS器件，APS的每一單元像素包括光電轉換元件，例如光電二極管或光柵，用于收集入射信號的能量，以及三個或者四個讀取晶體管，取決于技術類型。在具有四個晶體管的CIS器件中，讀取晶體管包括轉移晶體管、選擇晶體管、驅動晶體管和重置晶體管。讀取晶體管操作為管理并轉移在光電轉換元件接收的能量，以將相應的數據提供到用于圖像處理的器件。在APS像素陣列上形成微透鏡陣列，每個微透鏡對應于陣列的像素，用于將入射能量聚積在相應的光電轉換元件上。
隨著朝向進一步的半導體器件集成的持續趨勢，以及隨著在成像器件的解析度上的期望增長，器件“填充系數”越來越重要。成像器件的“填充系數”是器件的像素的光電轉換元件的面積與設計為像素的總器件面積的比。期望較大的填充系數，由于這等同于用于光信號的實際光電轉換的器件的可用有源區，以及較少的可用有源區用于信號的讀取。由于CIS器件需要每單位像素三個或者四個的讀取元件，CIS器件具有比CCD器件低的填充系數。由于CIS器件的解析度增加，例如從每單位面積1百萬像素至5百萬像素，應當減小CIS器件中的單位像素的面積。然而，由于讀取元件的晶體管組件的尺寸的最小化的限制，對于每個像素所需的三個或者四個讀取元件的面積的進一步減小受到限制，因為隨著較小的元件尺寸，噪聲增大。因此，CIS器件的解析度增大，器件填充系數通常減小。
為了減輕在高解析度CIS器件中的相對低的填充系數，研發了共享型CIS傳感器。在這種共享型器件中，相鄰光電轉換器件配置為共享一個或多個讀取元件。這種共享結構對于改進器件填充系數是有效的，然而，該共享的結構還導致在器件上形成的微透鏡和相應的光電轉換元件之間的誤對準的問題。這是由于傳統的共享型CIS傳感器可以具有相鄰光電轉換元件之間的不同間隔，由于在行方向中或者在行和列方向中的共享讀取元件。此時，由于其制造的方式，微透鏡陣列通常配置為在行和列方向中具有恒定的間隔。因此，在微透鏡和像素陣列之間產生誤對準，降低圖像質量。
發明內容
本發明涉及圖像傳感器，其提供具有高填充系數的高解析度圖像數據的優勢。這部分地是通過共享型像素結構來實現的，該共享型像素結構具有在行方向上以恒定間隔排列并且在列方向上以恒定間隔排列的光電轉換元件。以這種方式，獲得微透鏡對準，同時通過利用共享型器件結構獲得較高的填充系數。
在一個方面，本發明涉及圖像傳感器，包括襯底中的光電轉換元件的陣列，該光電轉換元件被設置在分別在第一方向和第二方向中延伸的行和列中；襯底中的多個第一結隔離區，每個隔離公共行的相鄰光電轉換元件的側部，以及襯底中的多個第二結隔離區，每個隔離公共列的相鄰光電轉換元件的側部；以及襯底中的多個介質隔離區，每個隔離相鄰光電轉換元件的拐角部分。
在一個實施例中，光電轉換元件在第一方向上具有第一間隔，并在第二方向上具有第二間隔，其中對于公共行的光電轉換元件來說第一間隔基本上相同，并且其中對于公共列的光電轉換元件來說第二間隔基本上相同。
在另一實施例中，圖像傳感器還包括在光電轉換元件上形成的微透鏡陣列，該微透鏡以行和列排列，每個微透鏡具有與相應的光電轉換元件對準的焦點，其中微透鏡的焦點排列為分別在第一方向上具有第一間隔并在第二方向上具有第二間隔，它們與光電轉換元件的第一間隔基本上相同。
在另一實施例中，第一間隔等于第二間隔。
在另一實施例中，光電轉換元件包括在襯底中形成的光電有源區。
在另一實施例中，襯底包括外延層，并且其中光電轉換元件包括在外延層中形成的光電有源區。
在另一實施例中，結隔離區包括使用雜質摻雜的襯底的區域。
在另一實施例中，介質隔離區包括設置在襯底中的部分介質絕緣材料。
在另一實施例中，以淺溝道隔離(STI)和硅的局部氧化(LOCOS)工序之一形成介質隔離區。
在另一實施例中，第一方向和第二方向包括彼此垂直的水平方向和垂直方向。
在另一實施例中，行和列的至少一個中的至少兩個相鄰光電轉換元件共享公共光電有源區。
在另一實施例中，相鄰光電轉換元件每個包括由在其頂部和底部以及在其左部和右部的結隔離區所隔離的光電有源區，并且在結隔離區之間的其拐角部分的介質隔離區，介質隔離區之一被劃分為兩個介質隔離區段，通過該介質隔離區段，光電有源區連接到另一相鄰光電轉換元件，該兩個介質隔離區段的第一個相鄰于第一結隔離區以及該兩個介質隔離區段的第二個相鄰于第二結隔離區，以及公共光電有源區的連接部分通過第一和第二介質隔離區段延伸。
在另一實施例中，圖像傳感器還包括在有源區上的至少兩個轉移元件，其操作為將至少兩個相鄰光電轉換元件的公共有源區分隔為第一和第二光電轉換元件的第一和第二光電有源區。
在另一實施例中，公共行或列的兩個相鄰光電轉換元件每個具有相應的轉移元件，并且共享公共重置元件、選擇元件和驅動元件。
在另一實施例中，至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區部分，并且其中選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件之一的拐角部分的公共隔離的有源區上。
在另一實施例中，公共行或列的兩個相鄰光電轉換元件每個具有相應的轉移元件和重置元件，并且共享公共選擇元件和驅動元件。
在另一實施例中，至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件之一的拐角部分的公共隔離的有源區上。
在另一實施例中，公共行或列的四個相鄰光電轉換元件每個具有對應的轉移元件，并且共享公共重置元件、選擇元件和驅動元件。
在另一實施例中，至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件之一的拐角部分的不同的隔離的有源區上。
在另一實施例中，公共行或列的四個相鄰光電轉換元件每個具有對應的轉移元件和重置元件，并且共享公共選擇元件和驅動元件。
在另一實施例中，至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件之一的拐角部分的不同的隔離的有源區上。
在另一實施例中，公共行或列的四個相鄰光電轉換元件每個具有對應的轉移元件，并且共享公共重置元件、選擇元件和驅動元件。
在另一實施例中，至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件和驅動元件形成在公共第一隔離的有源區上，并且其中重置元件形成在第二隔離的有源區上，該第二隔離的有源區與第一隔離的有源區分開，第一和第二隔離的有源區位于相應光電轉換元件的拐角部分。
在另一實施例中，兩個公共行和列的四個相鄰光電轉換元件每個具有對應的轉移元件，并且共享公共重置元件、選擇元件和驅動元件。
在另一實施例中，至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中重置元件、選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件的拐角部分的不同的隔離的有源區上。
在另一實施例中，至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件、驅動元件和重置元件中的兩個形成在公共第一隔離的有源區上，并且其中選擇元件、驅動元件和重置元件中的另一個形成在第二隔離的有源區上，該第二隔離的有源區與第一隔離的有源區分開，第一和第二隔離的有源區位于相應光電轉換元件的拐角部分。
在另一實施例中，四個相鄰光電元件共享公共光電有源區。
在另一實施例中，圖像傳感器還包括形成在光電轉換元件上的微透鏡陣列，該微透鏡排列在行和列中，每個微透鏡具有設置在相應光電轉換元件上的焦點。
在另一實施例中，本發明涉及圖像傳感系統，包括處理器，連接到數據總線，處理由圖像傳感器輸出的圖像數據信號；存儲器，連接到數據總線，存儲并檢索由圖像傳感器輸出的圖像數據信號；以及圖像傳感器，連接到數據總線，生成圖像數據信號，包括襯底中的光電轉換元件的陣列，該光電轉換元件布置在分別在第一方向和第二方向中延伸的行和列中；襯底中的多個第一結隔離區，每個隔離公共行的相鄰光電轉換元件的側部，以及襯底中的多個第二結隔離區，每個隔離公共列的相鄰光電轉換元件的側部；以及襯底中的多個介質隔離區，每個隔離相鄰光電轉換元件的拐角部分，其中每個光電轉換元件響應于在光電轉換元件所接收的光子能量而生成電信號，該圖像數據信號包括多個光電轉換元件的輸出信號。
在一個實施例中，該系統還包括下列的至少一個媒質驅動器，連接到數據總線，在媒質上存儲圖像數據信號；以及輸入設備，連接到數據總線，在該輸入設備上控制信號被輸入處理器，用于控制圖像數據信號的處理；以及數據端口，連接到數據總線，用于將圖像數據信號轉移到外部設備。
在另一實施例中，光電轉換元件在第一方向上具有第一間隔，并在第二方向上具有第二間隔，其中對于公共行的光電轉換元件來說第一間隔基本上相同，并且其中對于公共列的光電轉換元件來說第二間隔基本上相同。
在另一實施例中，該系統還包括在光電轉換元件上形成的微透鏡陣列，該微透鏡以行和列排列，每個微透鏡具有與相應的光電轉換元件對準的焦點，其中微透鏡的焦點排列為分別在第一方向上具有第一間隔并在第二方向上具有第二間隔，它們與光電轉換元件的第一間隔基本上相同。
在另一實施例中，第一間隔等于第二間隔。
在另一實施例中，光電轉換元件包括在襯底中形成的光電有源區。
在另一實施例中，襯底包括外延層，并且其中光電轉換元件包括在外延層中形成的光電有源區。
在另一實施例中，結隔離區包括使用雜質摻雜的襯底的區域。
在另一實施例中，介質隔離區包括設置在襯底中的部分介質絕緣材料。
在另一實施例中，以淺溝道隔離(STI)和硅的局部氧化(LOCOS)工序之一形成介質隔離區。
在另一實施例中，第一方向和第二方向包括彼此垂直的水平方向和垂直方向。
在另一實施例中，行和列的至少一個中的至少兩個相鄰光電轉換元件共享公共光電有源區。
在另一實施例中，相鄰光電轉換元件每個包括由在其頂部和底部以及在其左部和右部的結隔離區所隔離的光電有源區，以及在結隔離區之間的其拐角部分的介質隔離區，介質隔離區之一被劃分為兩個介質隔離區段，通過該介質隔離區段，光電有源區連接到另一相鄰光電元件，該兩個介質隔離區段的第一個相鄰于第一結隔離區以及該兩個介質隔離區段的第二個相鄰于第二結隔離區，以及公共光電有源區的連接部分通過第一和第二介質隔離區段延伸。
在另一實施例中，在有源區上的至少兩個轉移元件，操作為將至少兩個相鄰光電轉換元件的公共有源區分隔為第一和第二光電轉換元件的第一和第二光電有源區。
在另一實施例中，公共行或列的兩個相鄰光電轉換元件每個具有相應的轉移元件，并且共享公共重置元件、選擇元件和驅動元件。
在另一實施例中，至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區部分，并且其中選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件之一的拐角部分的公共隔離的有源區上。
在另一實施例中，公共行或列的兩個相鄰光電轉換元件每個具有相應的轉移元件和重置元件，并且共享公共選擇元件和驅動元件。
在另一實施例中，至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件之一的拐角部分的公共隔離的有源區上。
在另一實施例中，公共行或列的四個相鄰光電轉換元件每個具有對應的轉移元件，并且共享公共重置元件、選擇元件和驅動元件。
在另一實施例中，至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件之一的拐角部分的不同的隔離的有源區上。
在另一實施例中，公共行或列的四個相鄰光電轉換元件每個具有對應的轉移元件和重置元件，并且共享公共的選擇元件和驅動元件。
在另一實施例中，至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件之一的拐角部分的不同的隔離的有源區上。
在另一實施例中，公共行或列的四個相鄰光電轉換元件每個具有對應的轉移元件，并且共享公共重置元件、選擇元件和驅動元件。
在另一實施例中，至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件和驅動元件形成在公共第一隔離的有源區上，并且其中重置元件形成在第二隔離的有源區上，該第二隔離的有源區與第一隔離的有源區分開，第一和第二隔離的有源區位于相應光電轉換元件的拐角部分。
在另一實施例中，兩個公共行和列的四個相鄰光電轉換元件每個具有對應的轉移元件，并且共享公共重置元件、選擇元件和驅動元件。
在另一實施例中，至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中重置元件、選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件的拐角部分的不同的隔離的有源區上。
在另一實施例中，至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件、驅動元件和重置元件中的兩個形成在公共第一隔離的有源區上，并且其中選擇元件、驅動元件和重置元件中的另一個形成在第二隔離的有源區上，該第二隔離的有源區與第一隔離的有源區分開，第一和第二隔離的有源區位于相應光電轉換元件的拐角部分。
在另一實施例中，四個相鄰光電元件共享公共光電有源區。
在另一實施例中，形成在光電轉換元件上的微透鏡陣列，該微透鏡排列在行和列中，每個微透鏡具有設置在相應光電轉換元件上的焦點。
在另一方面，本發明涉及一種形成圖像傳感器的方法，包括在襯底中設置光電轉換元件的陣列，該光電轉換元件被設置在分別在第一方向和第二方向中延伸的行和列中；在襯底中設置多個第一結隔離區，每個隔離公共行的相鄰光電轉換元件的側部，以及在襯底中設置多個第二結隔離區，每個隔離公共列的相鄰光電轉換元件的側部；以及在襯底中設置多個介質隔離區，每個隔離相鄰光電轉換元件的拐角部分。
在一個實施例中，光電轉換元件在第一方向上具有第一間隔，并在第二方向上具有第二間隔，其中對于公共行的光電轉換元件來說第一間隔基本上相同，并且其中對于公共列的光電轉換元件來說第二間隔基本上相同。
在另一實施例中，該方法還包括在光電轉換元件上形成微透鏡陣列，該微透鏡以行和列排列，每個微透鏡具有與相應的光電轉換元件對準的焦點，其中微透鏡的焦點排列為分別在第一方向上具有第一間隔并在第二方向上具有第二間隔，它們與光電轉換元件的第一間隔基本上相同。
在另一實施例中，第一間隔等于第二間隔。
在另一方面，本發明涉及圖像傳感器的光電轉換元件的陣列。在襯底中設置該元件。在陣列的行方向中和在陣列的列方向中，通過交替在襯底中的相鄰結隔離區和襯底中的介質隔離區，各個光電轉換元件與相鄰的光電轉換元件隔離。
在一個實施例中，結隔離區隔離相鄰光電轉換元件的側部，以及介質隔離區隔離相鄰光電轉換元件的拐角部分。
在另一實施例中，光電轉換元件在行方向上具有第一間隔，并在列方向上具有第二間隔，其中對于陣列的公共行的光電轉換元件來說第一間隔基本上相同，并且其中對于陣列的公共列的光電轉換元件來說第二間隔基本上相同。
從如附圖所示的本發明的優選實施例的更詳細說明，本發明的上述和其他目標、特征和優勢將顯而易見，在附圖中，相同參考標號在不同的附圖中指示相同部件。附圖不必按比例，而是重點放在說明本發明的原理上。
圖1是根據本發明的實施例的CIS圖像傳感器的框圖。
圖2是根據本發明的實施例，圖1的CIS圖像傳感器的APS陣列電路的原理圖。
圖3A和3B是根據本發明的實施例，圖2的APS陣列電路的實施例的頂層布局視圖。在圖3A中，示出了APS陣列電路的像素光電轉換元件，以及隔離相鄰像素的相應隔離區的布局。在圖9B中，額外地示出了對應于像素的讀取元件的柵的布局。
圖4A和4B是圖2的APS陣列電路的局部視圖，分別沿著圖3A的截線4a-4a’和圖3B的截線4b-4b’所取，說明根據本發明的實施例的形成成像器件的方法。
圖5是根據本發明的實施例，圖2的APS陣列電路的實施例的頂層布局視圖，說明相對于像素的定位，在像素陣列上所形成的微透鏡陣列的定位。
圖6是根據本發明的實施例，沿著圖5的截線6-6’所取的圖5的APS陣列電路的截面圖。
圖7是根據本發明的實施例，沿著對應于像素的讀取元件的柵的布局，圖2的APS陣列電路的另一實施例的頂層布局視圖，包括APS陣列電路的像素的光電轉換元件的布局，以及隔離相鄰像素的相應的隔離區。
圖8是根據本發明的另一實施例的圖1的CIS圖像傳感器的APS陣列電路的原理圖。
圖9A和9B是根據本發明的實施例，圖8的APS陣列電路的實施例的頂層布局視圖。在圖9A中，示出了APS陣列電路的像素的光電轉換元件，以及隔離相鄰像素的相應隔離區的布局。在圖9B中，額外地示出了對應于像素的讀取元件的柵的布局。
圖10是根據本發明，圖8的APS陣列電路的另一實施例的頂層布局視圖，沿著對應于像素的讀取元件的柵的布局，包括APS陣列電路的像素的光電轉換元件的布局，以及隔離相鄰像素的相應的隔離區。
圖11是根據本發明，沿著對應于像素的讀取元件的柵的布局，圖8的APS陣列電路的另一實施例的頂層布局視圖，包括APS陣列電路的像素的光電轉換元件的布局，以及隔離相鄰像素的相應的隔離區。
圖12是根據本發明，沿著對應于像素的讀取元件的柵的布局，圖8的APS陣列電路的另一實施例的頂層布局視圖，包括APS陣列電路的像素的光電轉換元件的布局，以及隔離相鄰像素的相應的隔離區。
圖13是根據本發明的系統的框圖，該系統包括包含有根據上述實施例的APS陣列電路的圖像傳感器。
具體實施例方式
現在將參照附圖更具體地說明本發明，在附圖中，示出本發明的優選實施例。然而，本發明可以以不同的形式實施，并且不應當被構建為限制于在此闡述的實施例。在整個說明書中相同標號指示相同元件。
現在將參照附圖更詳細地說明本發明，在附圖中說明了本發明的優選實施例。然而，本發明可以以不同的形式來實施，并且不應被構造為限制于在此闡述的實施例。在整個說明書中，相同的參考標號指示相同的元件。
圖1是根據本發明的實施例的CIS圖像傳感器的框圖。參考圖1，CIS圖像傳感器100包括有源像素傳感器陣列(APS)10、時序發生器20、行解碼器30、行驅動器40、校正雙采樣(CDS)單元50、模擬數字轉換器(ADC)60、鎖存器塊70和列解碼器80。APS 10包括單獨可尋址的像素的陣列，每個包括光電轉換元件，以及多個讀取元件。讀取元件包括轉移元件、選擇元件、驅動器元件和重置元件。在一個實施例中，光電轉換元件包括光電二極管或光柵。在其他實施例中，讀取元件包括晶體管。
圖2是根據本發明的實施例，圖1的CIS圖像傳感器的APS陣列電路的原理圖。在圖2的原理圖中，在行和列方向上以二維陣列排列多個單位像素P_unit(i，j)。每個單位像素P_unit(i，j)包括第一和第二光電轉換元件11a、11b、以及包括各個對應的第一和第二轉移元件15a、15b的多個讀取元件、以及共享的選擇元件19、驅動元件17和重置元件18。在該結構中，兩個相鄰的光電轉換元件每個具有相應的轉移元件，并且每兩個相應的光電轉換元件/轉移元件對共享公共選擇元件19、驅動元件17和重置元件18。重置元件18連接在電源Vdd和耦合到兩個轉移元件15a、15b的輸出的浮置擴散區FD之間，用于重置浮置擴散區FD。響應于重置信號RX(i)啟動重置元件18，并且響應于第一和第二轉移信號TX(i)a、TX(i)b啟動轉移元件15a、15b。選擇元件19和驅動元件17串聯在電源Vdd和輸出信號線Vout(j)之間。響應于選擇信號SEL(i)啟動選擇元件19，并且驅動元件17響應于存儲在浮置擴散區FD中的電荷來驅動輸出信號線Vout(j)。交替地啟動轉移元件15a、15b，以將所積聚的電荷從相應的光電轉換元件11a、11b轉移到浮置擴散區FD，并且最終轉移到輸出信號線Vout(j)。以這種方式，共享類型的CIS圖像傳感器通過利用共享類型的器件結構，獲得較高的填充系數。本發明的實施例通過確保微透鏡陣列和在下的光電子轉換元件之間的對準，進一步改進了器件成像精度，如在下文詳細說明。
圖3A和3B是根據本發明，圖2的APS陣列電路的實施例的頂層布局視圖。在圖3A中，示出了APS陣列電路的像素的光電轉換元件，以及隔離相鄰像素的相應隔離區的布局。在圖3B中，額外地示出了對應于像素的讀取元件的柵的布局。
參照圖3A和3B，在本發明的示例性實施例中，通過配置器件使得在行方向中像素間的間隔P2基本上恒定，并且使得在列方向中的像素間的間隔P1基本上恒定，而獲得微透鏡陣列和在下的光電轉換元件的對準。例如，在行方向上的間隔P2是指在行方向上的光電轉換元件的有效中心Pc之間的距離，以及在列方向上的間隔P1是指在列方向上的光電轉換元件的有效中心Pc之間的距離。在列和行方向的每一個上保持恒定的間隔P1、P2確保了可以容易地提供在列和行方向中的透鏡之間相應微透鏡陣列具有相應的周期性，同時確保微透鏡陣列和在下的光電轉換元件陣列的精確對準。盡管在本發明的實施例中，期望在行方向中的恒定間隔P2和在列方向中的恒定間隔P1，行方向中的間隔P2等于列方向中的間隔P1不是必須的，然而，這種相等的間隔P1＝P2在某些其中期望水平對垂直圖像對稱的應用中是優選的。
參照圖3A和3B，在行和列方向上排列二維的APS像素陣列。每個像素包括光電轉換元件。在行方向上相鄰的光電二極管彼此電隔離。在行方向上的相鄰光電二極管的中心具有恒定間隔P2。在列方向上的相鄰光電轉換元件11a、11b對共享公共連接的讀取有源區C-RoA。在列方向上的相鄰光電二極管的相鄰對彼此電隔離。在列方向上的相鄰光電二極管的中心具有恒定間隔P1，包括共享公共連接的讀取有源區C-RoA的兩個相鄰光電二極管，以及彼此電隔離的相鄰光電二極管。
在圖3A和3B的例子實施例中，第一像素包括第一光電轉換元件有源區PA_u1以及第二像素，該第二像素在列方向中相鄰于第一像素并且包括第二光電轉換元件有源區PA_u2。第一光電轉換元件PA_u1和第二光電轉換元件PA_u2一起包括像素單位P_unit，例如，對應于圖2的像素單位P_unit(i，j)。像素單位P_unit(i，j)包括第一光電轉換元件PA_u1、第二光電轉換元件PA_u2、連接的讀取有源區C-RoA以及隔離的讀取有源區I-RoA。用于讀取在光電轉換元件PA_u1、PA_u2所積聚的電荷的讀取元件定位在連接的讀取有源區C-RoA和隔離的讀取有源區I-RoA中。
在連接的讀取有源區C-RoA處，連接公共像素單位P_unit的第一和第二光電轉換元PA_u1、PA_u2。分別在連接的讀取有源區C-RoA，第一和第二轉移元件15a、15b的第一轉移元件有源區TA1上的第一轉移柵TG1和第二移元件有源區TA2上的第二轉移柵TG2分別控制第一和第二光電轉換元PA_u1、PA_u2和公共浮置擴散區FDA之間的電荷流。重置元件有源區RA上的重置元件18的共享的重置柵RG控制電源Vdd和公共浮置擴散區FDA之間的電荷的流，用于重置公共浮置擴散區FDA。
在隔離的讀取有源區I-RoA中，定位由公共像素單位P_unit所共享的選擇元件19和驅動元件17。驅動元件17還稱為源極跟隨元件。選擇元件19的選擇元件有源區SA上的共享選擇柵SG與驅動元件17的驅動元件有源區SFA上的共享驅動柵SFG位于隔離的讀取驅動區I-RoA之上。
公共像素單位P_unit的第一和第二光電轉換元PA_u1、PA_u2通過隔離的形式，即介質隔離區(DIR)和結隔離區(JIR)，與相鄰像素單位的相鄰光電轉換元件相隔離。DIR隔離的例子包括淺溝道隔離(STI)和硅的局部氧化(LOCOS)。在這種DIR隔離技術中，例如包含氧化物的材料的絕緣材料，被提供在溝槽中，該溝槽形成在器件襯底中到一定的深度，以確保相鄰器件元件之間的隔離。在JIR隔離中，使用P或N摻雜物質將襯底的區域摻雜至某強度和深度，使得確保相鄰器件元件之間的隔離。例如，在JIR隔離區中，例如，CIS光電轉換元件通常包括形成為一定深度的器件襯底中的n型光電二極管，以及在n型光電二極管上形成p型區域。相鄰光電轉換元件的相鄰n型光電二極管需要彼此隔離，因此，可以將例如硼或BF2的P型摻雜劑摻雜到足夠的深度，用于覆蓋n型光電二極管，以提供JIR隔離區。
DIR隔離的優勢在于，它是對于各種讀取元件的有效的隔離方案，在該例子中，所述各種讀取元件包括第一和第二轉移元件15a、15b以及共享的重置元件18、選擇元件19和驅動元件17。然而，DIR隔離需要形成具有使用目前制造技術難以減小的寬度的溝槽。此外，在DIR隔離結構的溝槽的界面處，出現襯底缺陷，這可以導致由于熱能量的暗電流的產生。因此，通常形成DIR隔離結構以包括雜質阱的緩沖區來圍繞DIR隔離結構的溝槽，以確保在溝槽的襯底缺陷中產生的暗電流不傳播超過DIR隔離結構。由圖3A的參考標記S指示這種緩沖區。
由于此原因，JIR隔離對于隔離相鄰光電源元件是有優勢的，由于可以將隔離區的寬度形成為相對地小于DIR隔離結構的溝槽的比較性寬度。此外，JIR隔離結構不是襯底缺陷的源，因此，這種JIR隔離結構與DIR隔離結構相比，對暗電流的產生較小傳導。因此對于JIR隔離結構來說，在DIR隔離結構的側面所需的緩沖區S不是需要的，導致用于光電轉換元件的增加的表面面積，并且因此對于所得器件的更大的填充系數。在行方向上延伸的JIR結構，例如圖3b的JIR結構356a、356b和356g，具有可以通過制造工序的設計規則來限定的寬度Wc。相似地，在列方向上延伸的JIR結構，例如JIR結構356c、356d、356e和356f，具有可以通過制造工序的設計規則來限定的寬度W1。在特定實施例中，W1可以等于Wc，然而，這是可選的而不是必需的。
參照圖3A和3B，可見在本實施例的本示例性結構中，光電轉換元件PA_u1、PA_u2布置在襯底的分別在第一方向和第二方向中延伸的行和列中。
多個第一結隔離區JIR356a、356b、356g形成在襯底中，每個隔離公共行的相鄰光電轉換元件PA_u1、PA_u1的側部，以及多個第二結隔離區JIR356c、356d、356e、356f形成在襯底中，每個隔離公共列的相鄰光電轉換元件PA_u1、PA_u2的側部。例如，參照圖3b，在所示的陣列結構中，在列方向上，光電轉換元件354相鄰于在其頂側部的光電轉換元件355a，并且相鄰于在其底側部的光電轉換元件355d。JIR結構356a將在其頂側部的光電轉換元件354與相鄰的光電轉換元件355a相隔離，并且JIR結構356b將在其底側部的光電轉換元件354與相鄰的光電轉換元件355d相隔離。相同的光電轉換元件354在其左側部相鄰于光電轉換元件355c，并且在其右側部相鄰于光電轉換元件355d。JIR結構356c在其左側部將光電轉換元件354與相鄰的光電轉換元件355c相隔離，并且JIR結構356d在其右側部將光電轉換元件354與相鄰的光電轉換元件355b相隔離。
還在襯底中設置多個介質隔離區DIR，每個隔離相鄰光電轉換元件的拐角部分。例如，參照圖3b，在所示的陣列結構中，光電轉換元件354相鄰于在其頂左拐角的光電轉換元件355c、355e和355a。DIR結構357a將在其頂左拐角的光電轉換元件354與相鄰的光電轉換元件355c、355e和355a相隔離。相似地，光電轉換元件354相鄰于在其頂右拐角的光電轉換元件355a、355f和355b。DIR結構357b將在其頂右拐角的光電轉換元件354與相鄰的光電轉換元件355a、355f和355b相隔離。同樣，光電轉換元件354相鄰于在其底右拐角的光電轉換元件355b、355h和355d。DIR結構357d將在其底右拐角的光電轉換元件354與相鄰的光電轉換元件355b、355h和355d相隔離。此外，光電轉換元件354相鄰于在其底左拐角的光電轉換元件355c、355g和355d。DIR結構357c將在其底左拐角的光電轉換元件354與相鄰的光電轉換元件355c、355g和355d相隔離。
在該實施例中，JIR結構356a、356c、356b和356d每個在DIR結構357a、357c、357d和357b之間，并且相鄰于DIR結構357a、357c、357d和357b地延伸。例如，JIR結構356a在DIR結構357a和357b之間延伸，JIR結構356c在DIR結構357a和357c之間延伸，等等，以在每個光電轉換元件354周圍形成連續的隔離結構。以此方式，JIR結構356a、356c、356b、356d以及DIR結構357a、357c、357d、357b彼此相鄰，因此圍繞相應的光電轉換元件354并且將該相應的光電轉換元件354與相鄰的光電轉換元件355a-355h相隔離。在行和列方向上，JIR結構356a、356b、356c、356d將光電轉換元件354的側部與相鄰光電轉換元件355a、355b、355c、355d相隔離。DIR結構357a、357b、357c、357d將光電轉換元件354的頂左、頂右、下左和下右拐角部分與相對于元件354在陣列中對角地定位的相鄰光電轉換元件355e、355f、355g、355h相隔離，并且連同在DIR結構之間延伸的JIR結構356a、356d、356b、356c，還部分地將光電轉換元件354與位于元件354側面的相鄰光電轉換元件355a、355b、355c、355d相隔離。
在所示的結構中，光電轉換元件PA_u1、PA_u2具有在第一，行，方向上的第一間隔P2，并在第二，列，方向上具有第二間隔P1。第一間隔P2對于公共行的光電轉換元件PA_u1、PA_u2來說基本上恒定，或者基本上相等，以及第二間隔P1或者對于公共列的光電轉換元件PA_u1、PA_u2來說基本上恒定，或者基本上相等。選擇光電轉換元件354、DIR隔離結構以及JIR隔離結構的尺寸，以使得確保第一間隔P2基本上恒定，并使得第二間隔P1基本上恒定。
某些DIR隔離結構，例如DIR結構357d，在光電轉換元件PA_u1、PA_u2的拐角區域中，但是允許相鄰的光電轉換元件，例如光電轉換元件344和355d的有源區相連接，并且由此共享公共浮置擴散區FDA。例如某些DIR結構包括從某位置隔開的第一和第二段310a、310b，在該位置，光電轉換元件的連接部分連接有源區PA_u1、PA_u2。在這些連接部分中，由與光電轉換元件相關聯的各個轉移柵TG控制光電轉換元件和FD區之間的電荷流動。這樣，相鄰光電轉換元件沒有被在該區域中的DIR隔離結構或JIR隔離結構真正地隔離。DIR結構357d的第一段310a在列方向中在相鄰JIR隔離結構之間延伸，以及DIR結構的第二段310b在行方向中在相鄰JIR隔離結構之間延伸，并且與第一段310a分隔。
圖4A和4B是圖2的APS陣列電路的截面圖，分別沿著圖3A的截線4a-4a’所取并且沿著圖3B的截線4b-4b’所取，說明根據本發明的實施例的形成成像器件的方法。
參照圖4A，可見在半導體襯底101上設置電勢阻擋層102。在一個例子中，襯底101包括P型襯底，用于降低暗電流的影響。電勢阻擋層102操作為阻擋暗電流注入在襯底101上或者襯底101中所形成的光電轉換元件。如在此使用，術語“襯底”指任何數目的襯底類型，包括但不限制于體半導體襯底、絕緣體上硅(SOI)結構，或者在體襯底上生長的例如單晶層的外延層。在該例子中，在襯底101上形成外延層103。對于形成光電轉換元件的有源區來說，單晶外延層是期望的，由于增高的晶體純度導致更有效的光電轉換。
接下來，根據包括STI和LOCOS技術的傳統形成技術，在襯底上形成DIR類型的隔離結構。然后形成并構圖光刻膠層PR，以覆蓋其中形成光電轉換元件的區域，并且露出其中形成DIR和JIR隔離區的區域。在該例子中可見，形成光刻膠圖形PR以露出相鄰于DIR的寬度S的溝道停止區108，以消除在DIR隔離區中所產生的暗電流的流動。
然后將雜質摻雜到外延層103中，以在連接的讀取有源區C-RoA以及隔離的讀取有源區I-RoA中分別形成P阱區106、107。同時，P阱區106、107形成為包括圍繞DIR隔離結構的寬度S的溝道停止區108。同樣，在外延層中形成場區104，以提供JIR隔離結構。在一個實施例中，雜質包括P型摻雜劑。可選地以兩個步驟執行摻雜，包括使用兩個或多個摻雜過程的高能量摻雜和低能量摻雜。
參照圖4B，在外延層103的表面上可選地形成溝道區112，用于將隨后形成的轉移元件的轉移柵TG。然后根據傳統制造技術形成并構圖用于轉移元件15a、15b的轉移柵TG、重置元件18的重置柵RG、選擇元件19的選擇柵SG和驅動元件17的源極跟隨柵SFG的柵。這些柵每一個包括柵氧化圖形134和柵電極TG、RG、SG和SFG。
接下來，通過分別使用N型雜質和P型雜質摻雜光電二極管區，形成光電轉換元件PA_u1、PA_u2的NPD和PPD區。例如通過在大約1E15和1E18之間的范圍內的摻雜濃度來形成NPD區，以及例如通過在大約1E17和1E20之間的范圍內的摻雜濃度來形成PPD區。在外延層103的表面上期望P型區PPD，以減小光電二極管區中的暗電流影響。
根據傳統技術，在柵TG、RG、SG和SFG的側壁上形成側壁隔片。然后通過以合適的濃度注入N型摻雜劑來形成浮置擴散區FD和源區/漏區116。
圖5是根據本發明的實施例，圖2的APS陣列電路的實施例的頂層布局視圖，說明相對于像素的定位，在像素陣列上所形成的微透鏡陣列的定位。圖6是根據本發明的實施例，沿著圖5的截線6-6’所取的圖5的APS陣列電路的截面圖。
參照圖5，可見在像素陣列上形成微透鏡陣列200，該微透鏡陣列200具有在行方向上恒定的間隔P2以及具有在列方向上恒定的間隔P1。選擇在行方向上的間隔P2和在列方向上的間隔P1，使得在行方向上的相鄰微透鏡200的焦點F-200之間的距離等于在像素陣列的相鄰光電轉換元件之間的行方向上的間隔P2，并且使得在列方向上的相鄰微透鏡的焦點之間的距離等于在像素陣列的相鄰光電轉換元件之間的列方向上的間隔P1。以這種方式，陣列的每個像素具有相應的微透鏡200，其焦點F-200基本上與像素的光電轉換元件PA_u1、PA_u2的中心對齊。
參照圖6，在圖4的制造過程之后，提供多層層間介質層170，包括多個水平互連145、155和垂直插塞140、150，其提供器件的各種元件之間的電互連。還在層間介質170中提供屏蔽層160，以防止入射光能量影響到讀取元件的操作。根據傳統技術，在層間介質170上設置下平坦層180、濾色鏡陣列190和上平坦層195。在上平坦層上形成微透鏡200，每個微透鏡200配置成具有與相應光電轉換元件的有效中心對齊的焦點F-200，該有效中心例如幾何中心Pc。
圖7是根據本發明，沿著對應于像素的讀取元件的柵的布局，圖2的APS陣列電路的另一實施例的頂層布局視圖，包括APS陣列電路的像素的光電轉換元件的布局，以及隔離相鄰像素的相應的隔離區。該實施例與上述圖3A和3B的實施例共享許多相似之處。在本發明的說明中將不再重復這些相似之處。本實施例的區別在于第一光電轉換元件PA_u1的有源層和第二光電轉換元件PA_u2的有源層在公共浮置擴散區FD并不電連接，如在圖3A和3B中所述的實施例中那樣。而是，在本實施例中，每個像素單位P_unit的第一和第二光電轉換元件的有源層通過DIR隔離結構所隔離。例如，第一光電轉換元件PA_u1的底、右拐角部分與第二光電轉換元件PA_u2的頂、右拐角部分通過DIR隔離結構320電隔離。在該例子中，DIR隔離結構320包括在相鄰JIR隔離區之間的行方向上延伸的體部分320a，并且進一步包括在相鄰JIR隔離區之間的列方向上延伸的第一和第二翼部分320b。
在圖7的例子實施例中，第一連接的讀取有源區C-RoA1連接到第一光電轉換元件PA_u1的有源區，并且第二連接的讀取有源區C-RoA2連接到第二光電轉換元件PA_u2的有源區。在第一連接的讀取有源區C-RoA1中，第一轉移元件的第一轉移柵TA1與第一重置元件的第一重置柵RA1位于第一浮置擴散區FDA1的相對側。在第二連接的讀取有源區C-RoA2中，第二轉移元件的第二轉移柵TA2與第二重置元件的第二重置柵RA2位于第二浮置擴散區FDA2的相對側。與上述的圖3A和3B的實施例相似，選擇元件的共享選擇柵SA以及驅動元件的共享驅動柵SFA位于隔離讀取有源區I-RoA中。該實施例提供許多與上面結合在前實施例所述的相同優點。
圖8是根據本發明的另一實施例，圖1的CIS圖像傳感器的APS陣列電路的原理圖。該實施例與上述的圖2的實施例是可比的，除了在該實施例中，像素單位P_unit(i，j)包括四個光電轉換元件11a、11b、11c、11d，以及讀取元件，其包括各個相應的第一、第二、第三和第四轉移元件15a、15b、15c、15d，以及共享的選擇元件19、驅動元件17和重置元件18。在該結構中，四個相鄰光電轉換元件每個具有相應的轉移元件，并且每四個相應的光電轉換元件/轉移元件對共享公共選擇元件19、驅動元件17和重置元件18。同樣，浮置擴散區FD對于第一、第二、第三和第四轉移元件15a、15b、15c、15d的輸出是公用的。響應于相應的第一、第二、第三和第四轉移信號TX(i)a、TX(i)b、TX(i)c、TX(i)d，該第一、第二、第三和第四轉移元件15a、15b、15c、15d啟動。
圖9A和9B是根據本發明的實施例，圖8的APS陣列電路的實施例的頂層布局視圖。在圖9A中，示出了APS陣列電路的像素的光電轉換元件，以及隔離相鄰像素的相應隔離區的布局。在圖9B中，額外地示出了對應于像素的讀取元件的柵的布局。
參照圖9A和9B，該實施例相似于上述的圖3A和3B的實施例。例外在于本實施例的像素單位P_unit包括第一光電轉換元件PA_u1、第二光電轉換元件PA_u2、第三光電轉換元件PA_u3和第四光電轉換元件PA_u4。第一至第四光電轉換元件PA_u1至PA_u4以及支持讀取元件的布局將在下文詳細描述。
如在上述的圖3A和3B的實施例中，在圖9A和9B的本實施例中，通過將器件配置為行方向上的每個像素的間隔P2基本上恒定并且使得列方向上的每個像素的間隔P1基本上恒定，獲得微透鏡陣列以及在下光電轉換元件的對準。例如，行方向上的間隔P2指在行方向上的光電轉換元件的有效中心Pc之間的距離，以及列方向上的間隔P1指在列方向上的光電轉換元件的有效中心Pc之間的距離。如上所述，在列和行方向的每一個中保持恒定的間隔P1、P2確保可以迅速提供在列和行方向上的透鏡之間具有相應的周期性的相應微透鏡陣列，同時確保微透鏡陣列和在下的光電轉換元件陣列之間的精確對準。如上所述，盡管在本發明的實施例中，在行方向上的恒定間隔P2和在列方向上的恒定間隔P1是期望的，不必需行方向上的恒定間隔P2等于列方向上的恒定間隔P1，然而，這種相等的間隔P1＝P2在其中期望水平對垂直圖像對稱的特定應用中是優選的。
參照圖9A和9B，根據本實施例的二維APS像素陣列排列在行和列方向上。每個像素包括光電轉換元件PA_u1、PA_u2、PA_u3和PA_u4。行方向上的相鄰光電轉換元件彼此電隔離。行方向上的相鄰光電轉換元件的中心具有恒定間隔P2。如在上述的圖3A和3B的實施例中，相鄰光電轉換元件對，例如，列方向中的PA_u1、PA_u2的光電轉換元件對，以及PA_u3、PA_u4的光電轉換元件對分別共享公共連接的讀取有源區C-RoA1、C-RoA2。列方向中的相鄰光電二極管的相鄰對彼此電隔離。例如，包括PA_u1和PA_u2的第一對與包括PA_u3和PA_u4的第二對電隔離。列方向中的相鄰光電二極管的中心具有恒定間隔P1，包括共享公共連接的讀取有源區C-RoA1、C-RoA2的相鄰光電二極管，以及彼此電隔離的相鄰光電二極管。
在圖9A和9B的例子實施例中，第一像素包括第一光電轉換元件PA_u1，在列方向上相鄰于第一像素的第二像素包括第二光電轉換元件PA_u2，在列方向上相鄰于第二像素的第三像素包括第三光電轉換元件PA_u3，以及在列方向上相鄰于第三像素的第四像素包括第四光電轉換元件PA_u4。一起地，第一光電轉換元件PA_u1、第二光電轉換元件PA_u2、第三光電轉換元件PA_u3和第四光電轉換元件PA_u4包括像素單位P_unit，例如，對應于圖8的像素單位P_unit(i，j)。像素單位P_unit包括第一光電轉換元件PA_u1、第二光電轉換元件PA_u2、第三光電轉換元件PA_u3、第四光電轉換元件PA_u4、第一連接的讀取有源區C-RoA1、第二連接的讀取有源區C-RoA2、第一隔離的讀取有源區I-RoA1、以及第二隔離的讀取有源區I-RoA2。用于讀取在光電轉換元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4所捕獲的能量的讀取元件位于第一和第二連接的讀取有源區C-RoA1、C-RoA2以及第一和第二隔離的讀取有源區I-RoA1、I-RoA2中。
像素單位P_unit的第一和第二光電轉換元件PA_u1、PA_u2在第一連接的讀取有源區C-RoA1處連接。在第一連接的讀取有源區C-RoA1中，第一和第二轉移元件15a、15b的第一轉移元件有源區TA1上的第一轉移柵TG1和第二轉移元件有源區TA2上的第二轉移柵TG2分別控制第一和第二光電轉換元件PA_u1、PA_u2以及公共第一浮置擴散區FDA1之間的電荷流。像素單位P_unit的第三和第四光電轉換元件PA_u3、PA_u4在第二連接的讀取有源區C-RoA1處連接。在第二連接的讀取有源區C-RoA2中，第三和第四轉移元件15c、15d的第三轉移元件有源區TA3上的第三轉移柵TG3和第四轉移元件有源區TA4上的第四轉移柵TG4分別控制第三和第四光電轉換元件PA_u3、PA_u4以及公共第二浮置擴散區FDA2之間的電荷流。第一和第二浮置擴散區FDA1、FDA2通過上層電連接，以提供用于像素單位P_unit的公共浮置擴散結點FD。
重置元件18的重置元件有源區RA上的共享重置柵RG控制電源Vdd和公共浮置擴散結點FD之間的電荷流，用于重置公共浮置擴散結點FD。在第一隔離的讀取有源區I-RoA1中，定位由公共像素單位P_unit所共享的選擇元件19。選擇元件19的選擇元件有源區SA上的共享選擇柵SG位于第一隔離的讀取有源區I-RoA1上。在第二隔離的讀取有源區I-RoA2中，定位由公共像素單位P_unit所共享的驅動元件17。驅動元件17的驅動元件有源區上的共享的驅動柵SFG位于第二隔離的讀取有源區I-RoA2上。虛擬柵DG設置在對應于第二隔離的讀取有源區I-RoA2的DIR結構上，以在形成轉移柵TG1、TG2、TG3和TG4中的圖形重復性。沒有虛擬柵的存在，可以將第三和第四轉移柵TG3、TG4形成為與第一和第二轉移柵TG1、TG2不同的尺寸，由于光學臨近效應。
如在上述的圖3A和3B的實施例中，公共像素單位P_unit的第一、第二、第三和第四光電轉換元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4通過兩種形式的隔離，即介質隔離區(DIR)和結隔離區(JIR)，來與相鄰像素單位的相鄰光電轉換元件相隔離。
參照圖9A和9B，可見在本實施例的本例子結構中，在襯底的分別在第一方向和第二方向中延伸的行和列中設置光電轉換元件PA_u1、PA_u2。在襯底中形成多個第一結隔離區JIR，每個隔離公共行的相鄰光電轉換元件的側部，例如PA_u1、PA_u1或PA_u2、PA_u2或PA_u3、PA_u3或PA_u4、PA_u4，以及多個第二結隔離區JIR形成在襯底中，每個隔離公共列的相鄰光電轉換元件的側部，例如相鄰元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4。還在襯底中設置多個介質隔離區DIR，每個隔離相鄰光電轉換元件的拐角部分。光電轉換元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4在行方向上具有第一間隔P2，并在列方向上具有第二間隔P1。對于公共行的光電轉換元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4，第一間隔P2基本上恒定，或者基本上相等，并且，對于公共列的光電轉換元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4，第二間隔P1基本上恒定，或者基本上相等。該實施例提供與上面參照先前實施例所述的相同的優勢。
圖10是根據本發明，圖8的APS陣列電路的另一實施例的頂層布局視圖，沿著對應于像素的讀取元件的柵的布局，包括APS陣列電路的像素的光電轉換元件的布局，以及隔離相鄰像素的相應的隔離區。該實施例與上述的圖9A和9B的實施例有許多相似之處。在本實施例的說明中不再重復這些相似性。本實施例中的不同在于第一光電轉換元件PA_u1的有源層和第二光電轉換元件PA_u2的有源層在公共浮置擴散區FD不電連接，像圖9A和9B所述的實施例那樣。而是，在本實施例中，每個像素單位p_unit的第一和第二光電轉換元件的有源層通過DIR隔離結構隔離。例如，第一光電轉換元件PA_u1的底、右拐角部分以及第二光電轉換元件PA_u2的頂、右拐角部分由DIR隔離結構420所電隔離。在該例子中，DIR隔離結構420包括在相鄰JIR隔離區之間的行方向上延伸的體部分420a，并且還包括在相鄰JIR隔離區之間的列方向上延伸的第一和第二翼部分420b。使用相似的DIR結構的隔離被設置在第三光電轉換元件PA_u3的有源層和第四光電轉換元件PA_u4的有源層之間。
在圖10的例子實施例中，第一連接的讀取有源區C-RoA1連接到第一光電轉換元件PA_u1的有源區，第二連接的讀取有源區C-RoA2連接到第二光電轉換元件PA_u2的有源區，第三連接的讀取有源區C-RoA3連接到第三光電轉換元件PA_u3的有源區，并且第四連接的讀取有源區C-RoA4連接到第四光電轉換元件PA_u4的有源區。在第一連接的讀取有源區C-RoA1中，第一轉移元件的第一轉移柵TG1和第一重置元件的第一重置柵RG1位于第一浮置擴散區FDA1的相對側。在第二連接的讀取有源區C-RoA2中，第二轉移元件的第二轉移柵TG2和第二重置元件的第二重置柵RG2位于第二浮置擴散區FDA2的相對側。在第三連接的讀取有源區C-RoA3中，第三轉移元件的第三轉移柵TG3和第三重置元件的第三重置柵RG3位于第三浮置擴散區FDA3的相對側。在第四連接的讀取有源區C-RoA4中，第四轉移元件的第四轉移柵TG4和第四重置元件的第四重置柵RG4位于第四浮置擴散區FDA4的相對側。與上述的圖9A和9B的實施例相似，選擇元件的共享選擇柵SG和驅動元件的共享驅動柵SFG位于第一和第二隔離的讀取有源區I-RoA1、I-RoA2中。該實施例提供與結合先前實施例所述的相同的優勢。
圖11是根據本發明，沿著對應于像素的讀取元件的柵的布局，圖8的APS陣列電路的另一實施例的頂層布局視圖，包括APS陣列電路的像素的光電轉換元件的布局，以及隔離相鄰像素的相應的隔離區。該實施例與上述圖9A和9B的實施例有許多相似之處。在本實施例的說明中不再重復這些相似之處。本實施例中的不同在于，重置元件18的重置柵RG設置在第一隔離的讀取有源區I-RoA1上，同時選擇元件19的選擇柵SG和驅動元件17的驅動柵SFG都設置在第二隔離的讀取有源區I-RoA2上。該實施例提供與結合先前實施例所述的相同的優勢。
圖12是根據本發明，沿著對應于像素的讀取元件的柵的布局，圖8的APS陣列電路的另一實施例的頂層布局視圖，包括APS陣列電路的像素的光電轉換元件的布局，以及隔離相鄰像素的相應的隔離區。該實施例是共享類型圖形傳感器的另一例子，其中四個相鄰光電轉換元件共享公共讀取元件，例如根據上述的圖8的原理圖。然而，在該實施例中，四個相鄰的光電轉換元件的像素單位P-unit并不設置為包括公共列的四個光電轉換元件，如在上述圖9A、9B、10和11的實施例中那樣。而是，在本實施例中，四個相鄰的光電轉換元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4設置為在行和列兩個方向上延伸，如所示。例如，第一和第二光電轉換元件PA_u1和PA_u2在公共第一行上彼此相鄰，并且第三和第四光電轉換元件PA_u3和PA_u4在公共第二行上彼此相鄰。同時，第一和第三光電轉換元件PA_u1和PA_u3在公共第一列上彼此相鄰，并且第二和第四光電轉換元件PA_u2和PA_u4在公共第二列上彼此相鄰。
一起地，第一光電轉換元件PA_u1、第二光電轉換元件PA_u2、第三光電轉換元件PA_u3和第四光電轉換元件PA_u4包括像素單位P_unit，例如，對應于圖8的像素單位P_unit(i，j)。像素單位P_unit包括第一光電轉換元件PA_u1、第二光電轉換元件PA_u2、第三光電轉換元件PA_u3、第四光電轉換元件PA_u4、連接的讀取有源區C-RoA、第一隔離的讀取有源區I-RoA1、第二隔離的讀取有源區I-RoA2以及第三隔離的讀取有源區I-RoA3。用于讀取在光電轉換元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4所捕獲的能量的讀取元件位于連接的讀取有源區C-RoA以及第一、第二和第三隔離的讀取有源區I-RoA1、I-RoA2、I-RoA3中。
像素單位P_unit的第一、第二、第三和第四光電轉換元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4在連接的讀取有源區C-RoA處連接。在第一連接的讀取有源區C-RoA1中，第一、第二、第三和第四轉移元件15a、15b、15c、15d的第一轉移柵TG1、第二轉移柵TG2、第三轉移柵TG3和第四轉移柵TG4分別控制第一、第二、第三和第四光電轉換元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4以及公共浮置擴散區FDA之間的電荷流。
在第一隔離的讀取有源區I-RoA1中，定位重置元件18的共享重置柵RG。重置元件18的共享重置柵RG控制電源Vdd和公共浮置擴散區FDA之間的電荷流，用于重置公共浮置擴散區FDA。在第二隔離的讀取有源區I-RoA2中，定位由公共像素單位P_unit共享的選擇元件19。選擇元件19的共享選擇柵SG位于第二隔離的讀取有源區I-RoA2上。在第三geli的讀取有源區I-RoA3中，定位由公共像素單位P_unit共享的驅動元件17。驅動元件17的共享驅動柵SFG位于第三隔離的讀取有源區I-RoA3上。如上述實施例中，在本實施例的其他結構中，共享柵的兩個位于公共隔離的讀取有源區I-RoA1、I-RoA2或I-RoA3上，并且共享柵的另一個位于剩余的隔離的讀取有源區上，或者可替換地，全部三個共享柵位于公共隔離的讀取有源區I-RoA1、I-RoA2或I-RoA3上。
如上述實施例中，公共像素單位P_unit的第一、第二、第三和第四光電轉換元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4通過兩種形式的隔離，即介質隔離區(DIR)和結隔離區(JIR)，與相鄰像素單位的相鄰光電轉換元件隔離。參照圖12，可見在襯底中形成多個第一結隔離區JIR，每個隔離公共行的相鄰光電轉換元件的側部，并且隔離公共列的相鄰光電轉換元件的側部。在襯底中還形成多個介質結隔離區DIR，每個隔離公共行的相鄰光電轉換元件的拐角部。光電轉換元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4在行方向中具有第一間隔P2并在列方向上具有第二間隔P1。對于公共行的光電轉換元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4，第一間隔P2基本恒定或基本相同，并且對于公共列的光電轉換元件PA_u1、PA_u2、PA_u3、PA_u4，第二間隔P1基本恒定或基本相同。
圖13是根據本發明，系統的框圖，該系統包括包含有根據上述實施例的APS陣列電路的圖像傳感器。系統200包括經由數據總線205連接到存儲器240的處理器220。處理器220處理由圖像傳感器210所輸出的圖像數據信號。存儲器240存儲并檢索由圖像傳感器210所輸出的圖像數據信號。例如包括軟磁盤驅動器250或CD/DVD驅動器255的媒質驅動器連接到數據總線，用于在媒質上存儲圖像數據信號。輸入/輸出設備230和數據端口連接到數據總線上，用于將控制信號從外部設備提供給處理器220，并且用于將圖像數據信號轉移到外部設備，例如顯示器。以這種方式，根據上述實施例所配置的成像器件210組合到成像系統200中，以提供上述的優點。上述的成像系統200具有許多類型電子系統中的應用，包括計算機系統、照相機系統、導航系統、視頻系統、掃描儀系統、和閉路電視系統(CCTV)。
以這種方式，所述的實施例通過提供共享類型的成像器件結構，提供增大的填充系數，同時保持行方向上的恒定間隔和列方向上的恒定間隔，使得確保在光電轉換元件之上提供的微透鏡以及該光電轉換元件之間的對準。提供DIR和JIR隔離結構，用于隔離相鄰的光電轉換元件，以獲得較高的填充系數，并且提供行和列方向上的恒定間隔。這導致較高的器件靈敏度和較低的互擾，在所捕獲的圖像中提供了增強的解析度。
盡管已經參照其優選實施例具體示出并描述了本發明，本領域技術人員將理解，在此可以在形式和細節上做出改變，而不背離如所附的權利要求書所限定的本發明的精神和范圍。
例如，盡管上述例子實施例說明了共享類型的圖像傳感器，其中四個光電轉換元件共享公共讀取元件，本發明不限制于所共享的光電轉換元件的數目，并且擴展到其他多數的共享的光電轉換元件，例如3或5的奇數數目或者6、8或以上的偶數數目。
權利要求
1.一種圖像傳感器，包括襯底中的光電轉換元件的陣列，該光電轉換元件被設置在分別在第一方向和第二方向中延伸的行和列中；襯底中的多個第一結隔離區，每個隔離公共行的相鄰光電轉換元件的側部，以及襯底中的多個第二結隔離區，每個隔離公共列的相鄰光電轉換元件的側部；以及襯底中的多個介質隔離區，每個隔離相鄰光電轉換元件的拐角部分。
2.如權利要求1的圖像傳感器，其中光電轉換元件在第一方向上具有第一間隔，并在第二方向上具有第二間隔，并且其中對于公共行的光電轉換元件來說該第一間隔基本上相同，并且其中對于公共列的光電轉換元件來說該第二間隔基本上相同。
3.如權利要求2的圖像傳感器，還包括在光電轉換元件上形成的微透鏡陣列，該微透鏡以行和列排列，每個微透鏡具有與相應的光電轉換元件對準的焦點，其中微透鏡的焦點排列為分別在第一方向上具有第一間隔并在第二方向上具有第二間隔，它們與光電轉換元件的第一間隔基本上相同。
4.如權利要求2的圖像傳感器，其中該第一間隔等于該第二間隔。
5.如權利要求1的圖像傳感器，其中光電轉換元件包括在襯底中形成的光電有源區。
6.如權利要求1的圖像傳感器，其中襯底包括外延層，并且其中光電轉換元件包括在外延層中形成的光電有源區。
7.如權利要求1的圖像傳感器，其中結隔離區包括使用雜質摻雜的襯底的區域。
8.如權利要求1的圖像傳感器，其中介質隔離區包括設置在襯底中的部分介質絕緣材料。
9.如權利要求8的圖像傳感器，其中以淺溝道隔離(STI)和硅的局部氧化(LOCOS)工序之一形成介質隔離區。
10.如權利要求1的圖像傳感器，其中第一方向和第二方向包括彼此垂直的水平方向和垂直方向。
11.如權利要求1的圖像傳感器，其中行和列的至少一個中的至少兩個相鄰光電轉換元件共享公共光電有源區。
12.如權利要求11的圖像傳感器，其中相鄰光電轉換元件每個包括由在其頂部和底部以及在其左部和右部的結隔離區所隔離的光電有源區，并且在結隔離區之間的其拐角部分的介質隔離區，介質隔離區之一被劃分為兩個介質隔離區段，通過該介質隔離區段，光電有源區連接到另一相鄰光電轉換元件，該兩個介質隔離區段的第一個相鄰于第一結隔離區以及該兩個介質隔離區段的第二個相鄰于第二結隔離區，以及公共光電有源區的連接部分通過第一和第二介質隔離區段延伸。
13.如權利要求12的圖像傳感器，還包括在有源區上的至少兩個轉移元件，其操作為將至少兩個相鄰光電轉換元件的公共有源區分隔為第一和第二光電轉換元件的第一和第二光電有源區。
14.如權利要求1的圖像傳感器，其中公共行或列的兩個相鄰光電轉換元件每個具有相應的轉移元件，并且共享公共重置元件、選擇元件和驅動元件。
15.如權利要求14的圖像傳感器，其中至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區部分，并且其中選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件之一的拐角部分的公共隔離的有源區上。
16.如權利要求1的圖像傳感器，其中公共行或列的兩個相鄰光電轉換元件每個具有對應的轉移元件和重置元件，并且共享公共選擇元件和驅動元件。
17.如權利要求16的圖像傳感器，其中至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件之一的拐角部分的公共隔離的有源區上。
18.如權利要求1的圖像傳感器，其中公共行或列的四個相鄰光電轉換元件每個具有對應的轉移元件，并且共享公共重置元件、選擇元件和驅動元件。
19.如權利要求18的圖像傳感器，其中至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件之一的拐角部分的不同的隔離的有源區上。
20.如權利要求1的圖像傳感器，其中公共行或列的四個相鄰光電轉換元件每個具有對應的轉移元件和重置元件，并且共享公共選擇元件和驅動元件。
21.如權利要求20的圖像傳感器，其中至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件的拐角部分的不同的隔離的有源區上。
22.如權利要求1的圖像傳感器，其中公共行或列的四個相鄰光電轉換元件每個具有對應的轉移元件，并且共享公共重置元件、選擇元件和驅動元件。
23.如權利要求22的圖像傳感器，其中至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件和驅動元件形成在公共第一隔離的有源區上，并且其中重置元件形成在第二隔離的有源區上，該第二隔離的有源區與第一隔離的有源區分開，該第一和第二隔離的有源區位于相應光電轉換元件的拐角部分。
24.如權利要求1的圖像傳感器，其中兩個相鄰行和列的四個相鄰光電轉換元件每個具有對應的轉移元件，并且共享公共重置元件、選擇元件和驅動元件。
25.如權利要求24的圖像傳感器，其中至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中重置元件、選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件的拐角部分的不同的隔離的有源區上。
26.如權利要求24的圖像傳感器，其中至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件、驅動元件和重置元件中的兩個形成在公共第一隔離的有源區上，并且其中選擇元件、驅動元件和重置元件中的另一個形成在第二隔離的有源區上，該第二隔離的有源區與第一隔離的有源區分開，該第一和第二隔離的有源區位于相應光電轉換元件的拐角部分。
27.如權利要求24的圖像傳感器，其中四個相鄰光電元件共享公共光電有源區。
28.如權利要求1的圖像傳感器，還包括形成在光電轉換元件上的微透鏡陣列，該微透鏡排列在行和列中，每個微透鏡具有設置在相應光電轉換元件上的焦點。
29.一種圖像傳感系統，包括處理器，連接到數據總線，處理由圖像傳感器輸出的圖像數據信號；存儲器，連接到數據總線，存儲并檢索由圖像傳感器輸出的圖像數據信號；以及圖像傳感器，連接到數據總線，生成圖像數據信號，包括襯底中的光電轉換元件的陣列，該光電轉換元件布置在分別在第一方向和第二方向中延伸的行和列中；襯底中的多個第一結隔離區，每個隔離公共行的相鄰光電轉換元件的側部，以及襯底中的多個第二結隔離區，每個隔離公共列的相鄰光電轉換元件的側部；以及襯底中的多個介質隔離區，每個隔離相鄰光電轉換元件的拐角部分，其中每個光電轉換元件響應于在光電轉換元件所接收的光子能量而生成電信號，該圖像數據信號包括多個光電轉換元件的輸出信號。
30.如權利要求29的系統，還包括下列的至少一個媒質驅動器，連接到數據總線，在媒質上存儲圖像數據信號；輸入設備，連接到數據總線，在該輸入設備上控制信號被輸入處理器，用于控制圖像數據信號的處理；以及數據端口，連接到數據總線，用于將圖像數據信號轉移到外部設備。
31.如權利要求29的系統，其中光電轉換元件在第一方向上具有第一間隔，并在第二方向上具有第二間隔，其中對于公共行的光電轉換元件來說該第一間隔基本上相同，并且其中對于公共列的光電轉換元件來說該第二間隔基本上相同。
32.如權利要求31的系統，還包括在光電轉換元件上形成的微透鏡陣列，該微透鏡以行和列排列，每個微透鏡具有與相應的光電轉換元件對準的焦點，其中微透鏡的焦點排列為分別在第一方向上具有第一間隔并在第二方向上具有第二間隔，它們與光電轉換元件的第一間隔基本上相同。
33.如權利要求30的系統，其中第一間隔等于第二間隔。
34.如權利要求29的系統，其中光電轉換元件包括在襯底中形成的光電有源區。
35.如權利要求29的系統，其中襯底包括外延層，并且其中光電轉換元件包括在外延層中形成的光電有源區。
36.如權利要求29的系統，其中結隔離區包括使用雜質摻雜的襯底的區域。
37.如權利要求29的系統，其中介質隔離區包括設置在襯底中的部分介質絕緣材料。
38.如權利要求37的系統，其中以淺溝道隔離(STI)和硅的局部氧化(LOCOS)工序之一形成介質隔離區。
39.如權利要求29的系統，其中第一方向和第二方向包括彼此垂直的水平方向和垂直方向。
40.如權利要求29的系統，其中行和列的至少一個中的至少兩個相鄰光電轉換元件共享公共光電有源區。
41.如權利要求40的系統，其中相鄰光電轉換元件每個包括由在其頂部和底部以及在其左部和右部的結隔離區所隔離的光電有源區，以及在結隔離區之間的其拐角部分的介質隔離區，介質隔離區之一被劃分為兩個介質隔離區段，通過該介質隔離區段，光電有源區連接到另一相鄰光電元件，該兩個介質隔離區段的第一個相鄰于第一結隔離區以及該兩個介質隔離區段的第二個相鄰于第二結隔離區，以及公共光電有源區的連接部分通過第一和第二介質隔離區段延伸。
42.如權利要求41的系統，還包括在有源區上的至少兩個轉移元件，操作為將至少兩個相鄰光電轉換元件的公共有源區分隔為第一和第二光電轉換元件的第一和第二光電有源區。
43.如權利要求29的系統，其中公共行或列的兩個相鄰光電轉換元件每個具有相應的轉移元件，并且共享公共重置元件、選擇元件和驅動元件。
44.如權利要求43的系統，其中至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區部分，并且其中選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件之一的拐角部分的公共隔離的有源區上。
45.如權利要求29的系統，其中公共行或列的兩個相鄰光電轉換元件每個具有相應的轉移元件和重置元件，并且共享公共選擇元件和驅動元件。
46.如權利要求45的系統，其中至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件之一的拐角部分的公共隔離的有源區上。
47.如權利要求29的系統，其中公共行或列的四個相鄰光電轉換元件每個具有對應的轉移元件，并且共享公共重置元件、選擇元件和驅動元件。
48.如權利要求47的系統，其中至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件之一的拐角部分的不同的隔離的有源區上。
49.如權利要求29的系統，其中公共行或列的四個相鄰光電轉換元件每個具有對應的轉移元件和重置元件，并且共享公共選擇元件和驅動元件。
50.如權利要求49的系統，其中至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件的拐角部分的不同的隔離的有源區上。
51.如權利要求29的系統，其中公共行或列的四個相鄰光電轉換元件每個具有對應的轉移元件，并且共享公共重置元件、選擇元件和驅動元件。
52.如權利要求51的系統，其中至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件和驅動元件形成在公共第一隔離的有源區上，并且其中重置元件形成在第二隔離的有源區上，該第二隔離的有源區與第一隔離的有源區分開，該第一和第二隔離的有源區位于相應光電轉換元件的拐角部分。
53.如權利要求29的系統，其中兩個相鄰行和列的四個相鄰光電轉換元件每個具有對應的轉移元件，并且共享公共重置元件、選擇元件和驅動元件。
54.如權利要求53的系統，其中至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中重置元件、選擇元件和驅動元件形成在光電轉換元件的拐角部分的不同的隔離的有源區上。
55.如權利要求53的系統，其中至少一個介質隔離區圍繞隔離的有源區，并且其中選擇元件、驅動元件和重置元件中的兩個形成在公共第一隔離的有源區上，并且其中選擇元件、驅動元件和重置元件中的另一個形成在第二隔離的有源區上，該第二隔離的有源區與第一隔離的有源區分開，該第一和第二隔離的有源區位于相應光電轉換元件的拐角部分。
56.如權利要求53的系統，其中四個相鄰光電元件共享公共光電有源區。
57.如權利要求29的系統，還包括形成在光電轉換元件上的微透鏡陣列，該微透鏡排列在行和列中，每個微透鏡具有設置在相應光電轉換元件上的焦點。
58.一種形成圖像傳感器的方法，包括在襯底中設置光電轉換元件的陣列，該光電轉換元件被設置在分別在第一方向和第二方向中延伸的行和列中；在襯底中設置多個第一結隔離區，每個隔離公共行的相鄰光電轉換元件的側部，以及在襯底中設置多個第二結隔離區，每個隔離公共列的相鄰光電轉換元件的側部；以及在襯底中設置多個介質隔離區，每個隔離相鄰光電轉換元件的拐角部分。
59.如權利要求58的方法，其中光電轉換元件在第一方向上具有第一間隔，并在第二方向上具有第二間隔，其中對于公共行的光電轉換元件來說該第一間隔基本上相同，并且其中對于公共列的光電轉換元件來說該第二間隔基本上相同。
60.如權利要求59的方法，還包括在光電轉換元件上形成微透鏡陣列，該微透鏡以行和列排列，每個微透鏡具有與相應的光電轉換元件對準的焦點，其中微透鏡的焦點排列為分別在第一方向上具有第一間隔并在第二方向上具有第二間隔，它們與光電轉換元件的第一間隔基本上相同。
61.如權利要求59的方法，其中第一間隔等于第二間隔。
62.一種圖像傳感器的光電轉換元件的陣列，在襯底中設置該元件，在陣列的行方向中和在陣列的列方向中，通過交替在襯底中的相鄰結隔離區和襯底中的介質隔離區，各個光電轉換元件與相鄰的光電轉換元件隔離。
63.如權利要求62的陣列，其中結隔離區隔離相鄰光電轉換元件的側部，以及其中介質隔離區隔離相鄰光電轉換元件的拐角部分。
64.如權利要求62的陣列，其中光電轉換元件在行方向上具有第一間隔，并在列方向上具有第二間隔，其中對于陣列的公共行的光電轉換元件來說該第一間隔基本上相同，并且其中對于陣列的公共列的光電轉換元件來說該第二間隔基本上相同。
全文摘要
一種圖像傳感器，包括襯底中的光電轉換元件的陣列，該光電轉換元件被設置在分別在第一方向和第二方向中延伸的行和列中；襯底中的多個第一結隔離區，每個隔離公共行的相鄰光電轉換元件的側部，以及襯底中的多個第二結隔離區，每個隔離公共列的相鄰光電轉換元件的側部；以及襯底中的多個介質隔離區，每個隔離相鄰光電轉換元件的拐角部分。在一個實施例中，光電轉換元件在第一方向上具有第一間隔，并在第二方向上具有第二間隔，其中對于公共行的光電轉換元件來說該第一間隔基本上相同，并且其中對于公共列的光電轉換元件來說該第二間隔基本上相同。
文檔編號H01L21/82GK101038927SQ20071008555
公開日2007年9月19日 申請日期2007年3月12日 優先權日2006年3月10日
發明者李錫河, 李德炯, 慎宗哲, 李康福 申請人:三星電子株式會社