专利名称：电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器(logarithmic mode CMOS image sensor)，且特别是有关于一种具有横向双载子晶体管结构的电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器。
电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器即是互补式金氧半导体影像传感器中的其中一种，请参考
图1。电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器主要由NMOS晶体管101，103，105以及光二极管107所构成。此电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器主要为利用NMOS晶体管101的栅极直接接到最高电压Vdd，此时NMOS晶体管101的栅极与源极间的电压差与NMOS晶体管101的漏极的电流形成对数关系，这使得输出电压Vout与光二极管接受的照光强度也形成对数关系，此电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器因此而具有很高的动态范围，即影像对比非常强烈。
电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器虽具有高灵敏度以及快的切换速度，但光二极管107接受在一般常用范围的光照后所产生的光电流在经过NMOS晶体管101时太小，导致电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的输出电压Vout被限制在一个极小的压差范围(约0.2V～0.5V)，故在电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器后段且用以分辨其输出电压Vout的模拟/数字转换电路较难得以实现(因为当模拟/数字转换电路分辨一个位的像素时，因电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的输入电压范围为1V，若以8位的模拟/数字转换器转换，电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的输出电压Vout必须具有1/2560.004V)。
本发明则是针对电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的光二极管在照光时，其所产生的光电流造成数极式的互补式金氧半导体影像传感器的输出电压被限制在一个极小范围的问题所提出。
本发明提出一种电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器，包括第一MOS晶体管、第二MOS晶体管、第三MOS晶体管以及感测装置。其中，第一MOS晶体管具有栅极端、第一连接端以及第二连接端，而第一晶体管的栅极端与第一连接端耦接于最高电压。第二MOS晶体管具有栅极端、第一连接端以及第二连接端，而第二MOS晶体管的栅极端与第一MOS晶体管的第二连接端耦接于一节点，且第二MOS晶体管的第一连接端耦接最高电压。第三MOS晶体管也具有栅极端、第一连接端以及第二连接端，而第三MOS晶体管的栅极端耦接一列选择信号，且第三MOS晶体管的第一连接端耦接第二MOS晶体管的第二连接端，此外，第三MOS晶体管的第二连接端为一电压输出端。感测装置则包括了PMOS晶体管以及横向双载子接面晶体管，其中PMOS晶体管具有栅极端、第一连接端以及第二连接端，PMOS晶体管的第一连接端耦接此节点，PMOS晶体管的第一连接端耦接地，PMOS晶体管的栅极端耦接电压控制信号，且其中横向PNP双载子接面晶体管的发射极连接端耦接此节点，而横向PNP双载子接面晶体管的集电极连接端耦接地，且横向PNP双载子接面晶体管的基极浮置。
本发明另外提出一种应用于电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的感测元件，包括基板、井、第一注入区、第二注入区、第三注入区以与栅极。其中，井具有与基板不同的离子，且井位于基板之中。第一注入区具有连接端，并掺杂与井不同的离子，而第一注入区位于井中，且第一注入区的连接端耦接地。第二注入区具有连接端，并掺杂与第一注入区相同的离子，而第二注入区位于井中且间隔相邻第一注入区，此外，第二注入区的连接端耦接电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的负载晶体管的源/漏极连接端。第三注入区则掺杂与井相同的离子，而第三注入区位于井中且间隔相邻第二注入区于第一注入区与第二注入区之间的另一侧。至于栅极，则位于第一注入区与第二注入区之间的上方，且栅极用以控制第一注入区、井以及第二注入区间的接面导通与否。
值得注意的是，本发明更通过调整负载晶体管(上述第一MOS晶体管)的宽/长比以使得电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器能具有极大的输出电压范围。
综上所述，本发明通过将电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的感测元件，由公知的光二极管替换为具有双载子接面晶体管结构的感测装置，以及通过调整负载晶体管的宽/长比，使得此具有双载子接面晶体管结构的感测装置的电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的感测元件与公知相比，确实能大大改善对于光的感应，以提高输出电压的范围。
图3为根据本发明较佳实施例的电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的简单电路图；图4a为公知光二极管的元件侧面图；图4b为根据本发明较佳实施例中的感应装置的元件侧面图；图5a为公知光二极管的元件俯视图；图5b为根据本发明较佳实施例中的感应装置的元件俯视图；图5c为根据本发明较佳实施例中的感应装置的另一布局的元件俯视图；图6a为图1中，公知的电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器使用宽/长为1/1的负载晶体管时，节点1对应于其照光光度的电压分布图；图6b为图1中，公知的电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器使用宽/长为0.3/7.5的负载晶体管时，节点1对应于其照光光度的电压分布图；图6c为图3中，根据本发明较佳实施例的电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器使用宽/长为0.3/7.5的负载晶体管时，节点1对应于其照光光度的电压分布图；以及图7为根据本发明较佳实施例与公知的节点1对应于电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的照光光度的电压分布图。
101，103，105，301，303，305NMOS晶体管107光二极管201～217设计流程的步骤
307感测装置(包括了PMOS晶体管以及寄生的横向PNP双载子接面晶体管)401，403，409，411P型注入区405，413N型注入区405，415栅极本发明的设计流程大致如图2所示，首先是步骤201，收集有关电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的数据。接下来是步骤203，定义电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的元件参数，如宽/长(W/L)比等....。接下来是步骤205，探讨元件参数特性的变因。接下来是步骤207，新型影像传感器的结构设计与探讨。接下来是步骤209，定义出工艺。接下来是步骤211，元件特性的仿真(可使用Trusprem4或Medici软件仿真)，而通过此步骤211，若元件特性并不适合，可再跳回步骤205重作元件参数特性变因的讨论以及接下来的步骤。接下来是步骤213，元件的等效电路与读取电路的仿真(可使用Hspice软件仿真)，若元件的等效电路或读取电路并不适合，可再跳回步骤207重作新型影像传感器的结构设计与探讨。接下来是步骤215，当元件等效电路与读取电路仿真成功后，进行光罩的制作以及布局验证。当上述步骤进行完毕，即为最后一个步骤，完成元件与量测电路的设计。
根据上述设计流程，本发明主要的技术特征可分为两部分，第一部分为以具有双载子接面晶体管结构的感测装置取代光二极管作为新架构的电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的感测元件。第二部分为调整电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的负载晶体管的元件参数。
请参考图3。图3中，此较佳实施例中的电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器仍具有NMOS晶体管301、303以及305，而感测装置307则取代了图1中的光二极管107，且感测装置307更耦接一电压控制信号。其中，此电压控制信号通常为电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器中的最高电压Vdd，为控制感测装置307中PMOS晶体管的导通与否(如果PMOS晶体管导通，将使感测装置的输出电压的压差范围减少)。
通过光二极管107的元件侧面图(请参考图4a)，与感测装置307的元件侧面图(请参考图4b)可清楚了解光二极管107与感测装置307在结构上的不同。在图4a中，光二极管107主要由P型注入区403、N井405以及P型基板所组成。其中，N井405耦接于图1中的节点1。而在图4b中，感测装置307主要由P型注入区409、411、N型注入区413、N井417、栅极415以及P型基板407所组成。其中，位于P型注入区409与P型注入区411之间上方的栅极415耦接一电压控制信号，且P型注入区409、411分别耦接于地以及图3中的节点1。而N型注入区则浮置。此外，要补充的是，节点1为电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器中负载晶体管的源极与源极随耦器的栅极相耦接的点。
另外，值得一提的是感测装置307的结构，可在布局(layout)上与光二极管107相比，有着不同的变化，请参考图5a及图5b，或是5a及图5c。其中，图5a为公知光二极管的元件俯视图。图5b为根据本发明较佳实施例中的感应装置的元件俯视图。图5c为根据本发明较佳实施例中的感应装置的另一布局的元件俯视图。
在此较佳实施例中，感测装置307为在0.25μm的标准CMOS工艺下，一个具有横向双载子接面(包括PNP型或是NPN型)晶体管结构的光感应元件。
请再分别参考图4a以及图4b。根据公式推导，图4a中的光二极管107与图4b中的感测装置307在受相同光度的光照下，分别在P型基底401、N井405间与P型基底407、N井417间产生光电流，且感测装置307与光二极管107相比，其电流放大增益为25。因此，第一部分以具有双载子接面晶体管结构的感测装置取代光二极管作为新架构的电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的感测元件的技术特征大大的改善了电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器对光的响应。也因此，熟悉此技术的，应用此技术特征应于被动式影像传感器时，也可改善对光响应的程度。
至于本发明第二部分的技术特征调整电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的负载晶体管的元件参数。请分别参考第6a、6b以及6c图。在图6a中，为图1中使用光二极管107以及宽/长为1/1的负载晶体管(NMOS晶体管101)的电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器，在节点1相对于数码相机一般光度范围(0Lux～10000Lux)的电压分布图。在图6b中，为图1中使用光二极管107以及宽/长为0.3/7.5的负载晶体管(NMOS晶体管101)的电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器，在节点1相对于数码相机一般光度范围的电压分布图。而在图6c中，为图3中使用具双载子接面晶体管结构且电流放大增益系数β为25的感测装置307以及宽/长为0.3/7.5的负载晶体管(NMOS晶体管301)的电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器，在节点1相对于数码相机一般光度范围的电压分布图。
由图6a，图6b中可知，当负载晶体管的宽/长改变时，的确会影响节点1对应光二极管107照光光度的电压范围，即影响电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器对应照光光度的输出电压范围。而在图6c中，可以发现的是，节点1的电压分布与图6a以及图6b相比，不论在范围以及幅度方面，均大于图6a以及图6b。而此原因在于，当负载晶体管的宽/长在宽越小、长越大的情况下，可使由P型注入区输出的极小光电流通过负载晶体管时，负载晶体管易由次起始区转变为饱和区，以达到数极式的互补式金氧半导体影像传感器具有极大的输出电压范围。
此外，根据实验研究，在此较佳实施例中，当图3中感测装置307其以多晶硅为材质的栅极415的宽度WB变化时，将使得感测装置307具有不同的顺偏增益(forward gain)，结果如表一。
表一故，根据上述，可以得到如图7所示，节点1电压在光二极管或是具有双载子接面晶体管结构的感测装置对应于不同照光光度时，其电压分布的情况。显而易见的是，当电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器使用具有双载子接面晶体管结构的感测装置，且调整负载晶体管的宽/长值时，节点1的输出电压分布范围最广，也就是电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器可以得到较公知范围大的多的输出电压。
综合上述，本发明通过将电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的感测元件，将公知的光二极管替换为具有双载子接面晶体管结构的感测装置，并通过调整负载晶体管的宽/长比，使得此具有双载子接面晶体管结构的感测装置的电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的感测元件与公知相比，确实能大大改善对于光的感应，以提高输出电压的范围。
权利要求
1.一种电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器，其特征是，该传感器包括一第一MOS晶体管，具有栅极端、第一连接端以及第二连接端，该第一晶体管的栅极端与第一连接端耦接于一最高电压；一第二MOS晶体管，具有栅极端、第一连接端以及第二连接端，该第二MOS晶体管的栅极端与该第一MOS晶体管的第二连接端耦接于一节点，且该第二MOS晶体管的第一连接端耦接该最高电压；一第三MOS晶体管，具有栅极端、第一连接端以及第二连接端，该第三MOS晶体管的栅极端耦接一列选择信号，且该第三MOS晶体管的第一连接端耦接该第二MOS晶体管的第二连接端，而该第三MOS晶体管的第二连接端为一电压输出端；以及一感测装置，包括一PMOS晶体管以及一横向PNP双载子接面晶体管，其中该PMOS晶体管具有栅极端、第一连接端以及第二连接端，该PMOS晶体管的第一连接端耦接该节点，且该PMOS晶体管的第二连接端耦接一地，而该PMOS晶体管的栅极端耦接一电压控制信号，其中该横向PNP双载子接面晶体管的发射极连接端耦接该节点，该横向PNP双载子接面晶体管的集电极连接端耦接一地，而该栅极位于该横向PNP双载子接面晶体管的基极连接端浮置。
2.如权利要求1所述的电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器，其特征是，在一合理范围下，将该第一MOS晶体管的一宽/长比调整为该宽/长比中的长越大，且该宽/长比中的宽越小。
3.如权利要求2所述的电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器，其特征是，该宽/长比为0.3/7.5。
4.如权利要求1所述的电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器，其特征是，该PMOS晶体管的栅极的材质为一多晶硅。
5.如权利要求1所述的电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器，其特征是，该PMOS晶体管可以一NMOS晶体管所取代，该横向PNP双载子接面晶体管可以一横向NPN双载子接面晶体管取代，其中，该NMOS晶体管具有栅极端、第一连接端以及第二连接端，该NMOS晶体管的第一连接端耦接该节点，且该NMOS晶体管的第二连接端耦接该地，而该NMOS晶体管的栅极端耦接该电压控制信号，其中该横向NPN双载子接面晶体管的集电极端耦接该节点，该横向NPN双载子接面晶体管的发射极端耦接该地，该横向NPN双载子晶体管的基极端浮置。
6.一种应用于电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的感测元件，其特征是，包括一基板；一井，该井掺杂与该基板不同的离子，且该井位于该基板中；一第一注入区，该第一注入区具有连接端，并掺杂与该井不同的离子，该第一注入区位于该井中，且该第一注入区的连接端耦接一地；一第二注入区，该第二注入区具有连接端，并掺杂与该第一注入区相同的离子，该第二注入区位于该井中且间隔相邻该第一注入区，而第二注入区的连接端耦接该电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的一负载晶体管的源/漏极连接端；一第三注入区，该第三注入区掺杂与该井相同的离子，而该第三注入区位于该井中且间隔相邻该第二注入区于该第一注入区与该第二注入区之间的另一侧；以及一栅极，该栅极位于该该第一注入区与该第二注入区之间的上方，且该栅极用以控制该第一注入区、该井以及该第二注入区间的接面导通与否。
7.如权利要求6所述的应用于电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的感测元件，其特征是，该基板掺杂一P型离子以及一N型离子中，两者择一。
8.如权利要求6所述的应用于电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的感测元件，其特征是，该井掺杂一P型离子以及一N型离子中，两者择一。
9.如权利要求6所述的应用于电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的感测元件，其特征是，该第一注入区以及该第二注入区与该基板相比，具有较高的一离子浓度。
10.如权利要求6所述的应用于电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的感测元件，其特征是，该第三注入区与该井相比，具有较高的一离子浓度。
11.如权利要求6所述的应用于电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的感测元件，其特征是，该栅极的材质为一多晶硅。
12.如权利要求6所述的应用于电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器的感测元件，其特征是，该栅极的长度介于0.25μm与0.5μm之间。
全文摘要
一种电流放大的对数极式互补金氧半导体影像传感器具有第一至第三晶体管以及感测装置。其中第一晶体管栅极端以及第一连接端耦接于最高电压。第二晶体管栅极端与第一晶体管第二连接端耦接于一节点，且第二晶体管第一连接端耦接最高电压。第三晶体管栅极端耦接列选择信号，且第三晶体管第一连接端耦接第二晶体管第二连接端，此外，第三晶体管第二连接端为一电压输出端。感测装置中PMOS晶体管第一连接端耦接此节点，且此PMOS晶体管第二连接端耦接地，其栅极端耦接电压控制信号，而其中的横向PNP双载子接面晶体管发射极连接端耦接此节点，且此横向PNP双载子接面晶体管集电极连接端耦接地，此横向PNP双载子接面晶体管的基极浮置。
文档编号H01L27/14GK1469486SQ0212622
公开日2004年1月21日 申请日期2002年7月16日 优先权日2002年7月16日
发明者赖良维, 金雅琴 申请人:双汉科技股份有限公司