专利名称：光感测区及外围电路区相互隔离的主动取像元件的制作方法
技术领域：
本发明提供一种光感测区及外围电路区相互隔离的CMOS影像传感器的主动取像元件，尤指一种可减少遗漏电流并提高填充因子的主动取像元件。
背景技术：
互补式金氧半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)影像传感器(image sensing region)为普遍的固态影像感测元件，且CMOS影像传感器已有日渐取代载子偶合装置(charge-coupled device，CCD)的趋势。由于CMOS影像传感器的是以传统的半导体制程制作，因此具有制作成本较低以及元件尺寸较小的优点，此外，CMOS影像传感器还具有高量子效率(quantum efficiency)以及低噪声(read-out noise)等优势，因此已广泛应用在个人计算机相机(PC camera)以及数码相机(digital camera)等电子产品上。
请参考图1以及图2，图1为先前CMOS影像传感器的主动取像元件10的示意图，图2为图1主动取像元件10的电路图。主动取像元件10包含有一个感光二极管D1，用来感测光照的强度，以及三个金属氧化半导体(metal-oxide semiconductor，MOS)晶体管M1-M3，分别用来作为列选择开关(row selector)M1、电流汲取元件(current source follower)M2以及重置元件(reset MOS)M3。感光二极管D1会依据其光感测区所接收的光线产生光电流，而列选择开关M1用来选择是否输出感光二极管D1所产生的光电流。电流汲取元件M2依据感光二极管D1的电荷(charge)来调变电流汲取元件M2的输出端。而重置元件M3用来重置感光二极管D1，意即当重置元件M3导通时，使感光二极管D1的电压维持于一固定电压值，其值不受光感测区接收光而改变，而当重置元件M3关闭时，感光二极管D1的电压才随着光感测区接收光而改变。
主动取像元件10的制程是符合标准CMOS制程，其优点在于成本低以及元件尺寸较小，但其缺点在于重置元件M3与感光二极管D1之间的扩散区(diffusion)会产生遗漏电流的问题，以及填充因子(fill factor)降低的问题。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表示整个主动取像元件的面积；Av表示光感测区的面积。
而遗漏电流产生于空乏区与隔离区的高斜率处相接之处。以下将针对现有技术中，遗漏电流的问题以及影响填充因子降低的问题作说明。
请参考图3，图3为图1主动取像元件10延切线3-3’方向的剖面图(cross sectional diagram)，现有感光二极管D1制程包含一P型基底12、一N型浅掺杂区16、一N型深掺杂区18，以及一浅沟隔离区(shallow trenchisolation，STI)20，P型基底12以及N型浅掺杂区16之间有一空乏区14。当空乏区14与浅沟隔离区20的平坦处相接触时，并不会产生遗漏电流，因此如图3所示，主动取像元件10延切线3-3’之处并不会产生遗漏电流。
请参考图4，图4为图1主动取像元件10延切线4-4’方向的剖面图。空乏区14一端与N型深掺杂区18相接触，另一端与浅沟隔离区20的平坦处相接触，由于空乏区14在此处并没有与浅沟隔离区20的高斜率处接触，因此此处亦不会产生遗漏电流。
请参考图5以及图6，图5为图1主动取像元件10延切线5-5’方向的剖面图，图6为图5主动取像元件10的立体图。如图6所示，由于空乏区14一端会跨越浅沟隔离区20的高斜率处(如图5中所圈选出标示为15之处)，因此会形成一PN接面(PN junction)，而PN接面则会产生显著的遗漏电流。
为进一步说明该PN接面，请再次参阅图3及图4，当朝切线5-5’上方看去的时候，即会看到如图3的剖面图，然而当朝切线5-5’下方看去的时候，即会看到如图4的剖面图，因此在图5左边的浅沟隔离区20的高斜率处15，即会产生该PN接面，而造成显著的遗漏电流。
由于影像处理是依据感光二极管D1产生的光电流来产生相对应的影像灰阶，因此显著的遗漏电流会使影像处理产生的影像灰阶具有明显的误差。
请参考图7以及图8，图7为可克服遗漏电流问题的主动取像元件30的示意图，图8为图7主动取像元件30延切线8-8’方向的剖面图。图8中空乏区14的两端皆与N型深掺杂区18相接触，其可避免空乏区14跨越浅沟隔离区20的高斜率处而形成PN接面，因此可避免产生显著的遗漏电流，但却降低了填充因子。请参考图7，由于空乏区14的两端皆与N型深掺杂区18相接触，因此图7中光感测区面积(虚线部分)小于图1的光感测区面积(虚线部分)，意即图7的填充因子小于图1的填充因子，即主动取像元件30的填充因子降低了。主动取像元件30虽然可解决遗漏电流的问题，相对地却降低了填充因子。
如上所述，图1主动取像元件10的填充因子虽然较大，但由于重置元件M3与感光二极管D1之间的扩散区会产生遗漏电流，如图5。而图7主动取像元件30虽可解决遗漏电流的问题，但相对地却降低了填充因子。因此需要一种可解决遗漏电流问题以及提高填充因子的方法。
发明内容
本发明提供一种光感测区及外围电路区相互隔离的CMOS影像传感器的主动取像元件，以解决上述的问题。
本发明的主动取像元件包含一基底，一光感测区，一外围电路区以及一隔离区(isolation region)。该光感测区以及该外围电路区形成于该基底上，该隔离区形成于该光感测区以及该外围电路区之间，并隔离该光感测区及该外围电路区。该光感测区用来依据接收的光线产生光电流。该外围电路区包含一第一晶体管，其源极连接于一字符线，该第一晶体管用来选择是否输出该光感测区储存的资料，一第二晶体管，其栅极连接于该光感测区，源极连接于该第一晶体管的漏极，漏极连接于一电压源，以及一第三晶体管，其源极连接于该光感测区，漏极连接于该电压源，该第三晶体管用来重置该光感测区。
图1为现有CMOS影像传感器的主动取像元件的示意图。
图2为图1主动取像元件的电路图。
图3为图1主动取像元件延切线3-3’方向的剖面图。
图4为图1主动取像元件延切线4-4’方向的剖面图。
图5为图1主动取像元件延切线5-5’方向的剖面图。
图6为图1主动取像元件延切线5-5’方向剖面的立体图。
图7为可克服图1主动取像元件的遗漏电流问题的主动取像元件的示意图。
图8为图7主动取像元件延切线8-8’方向的剖面图。
图9为本发明主动取像元件的示意图。
符号说明10、30、40 主动取像元件 12 基底14 空乏区 15 高斜率处16、18 掺杂区 20 浅沟隔离区42 金属导线 44 外围电路区46 光感测区 48 隔离区D1 感光二极管 M1、M2、M3 晶体管
具体实施例方式
为了解决现有技术中存在的问题，本发明将CMOS影像传感器的主动取像元件重新设计。请参考图9，图9为本发明CMOS影像传感器的主动取像元件40的示意图，其相对应的电路图仍为图2。主动取像元件40包含一基底12，一光感测区46、一外围电路区44以及一隔离区48。光感测区46、外围电路区44及隔离区48形成于基底12上，且隔离区48形成于光感测区46以及外围电路区44之间，并隔离光感测区46及外围电路区44。
光感测区46包含一第一扩散区16，形成于基底12上，一第二扩散区18，形成于第一扩散区16上，第二扩散区18的掺杂浓度大于第一扩散区16的掺杂浓度，以及一空乏区14，形成于第一扩散区16及基底12之间，用来接收光线以产生光电流。
外围电路区44包含一第一晶体管M1，其源极连接于一字符线，第一晶体管M1用来选择是否输出光感测区46储存的资料，一第二晶体管M2，其栅极连接于光感测区46，源极连接于第一晶体管M1的漏极，漏极连接于一电压源VDD，以及一第三晶体管M3，其源极连接于光感测区46，漏极连接于电压源VDD，第三晶体管M3用来重置光感测区46。之前已详述此三个晶体管的运作，于此不再赘述。
由于本发明将光感测区46以及外围电路区44隔离开来，感光二极管D1与第二晶体管M2的栅极以及与第三晶体管M3的源极的连结利用金属导线42连结起，意即第二晶体管M2的栅极经由金属导线42连接于光感测区46的第二扩散区18，第三晶体管M3的源极亦经由金属导线42连接于光感测区46的第二扩散区18。相较于现有技术，先前技术利用扩散连结(diffusionconnection)以连结起第三晶体管M3以及感光二极管D1，因而会产生漏移电流，而本发明是利用金属导线42来连结第三晶体管M3的源极与光感测区46的第二扩散区18，此可避免如图5形成PN接面而产生漏移电流的问题。
请再参考图1、图7以及图9，根据本发明主动取像元件40的新布局，感光二极管D1的光感测区的面积(图9中虚线部分)较图1以及图7中的光感测面积(虚线部分)大，因此可提高填充因子，进而提高解析度。
另外，本发明主动取像元件40的基底12为P型基底，光感测区46的第一扩散区16以及第二扩散区18为N型。而外围电路区44中的三个晶体管M1-M3为NMOS，请一并参考图2与图9，由于图9的布局，因此第一晶体管M1的漏极及第二晶体管M2的源极为同一掺杂区，且第二晶体管M2的漏极与第三晶体管M3的漏极为同一掺杂区。形成于光感测区46以及外围电路区44之间的隔离区48为一浅沟隔离绝缘层(shallow trench isolation layer)或为一场氧化层(field oxide layer)，用以隔离光感测区46及外围电路区44。注意的是，除了光感测区46及外围电路区44之间有此隔离区48，光感测区46及外围电路区44周围亦有隔离区以隔离不同的元件，其材料亦为浅沟隔离绝缘层或为场氧化层。此外，本发明的实施例虽以NMOS做为M1-M3的材料，然而本发明并不限制于此，亦可以PMOS做为M1-M3的材料进行均等变化与修改而实施之。
相较于现有技术，本发明将光感测区46以及外围电路区44隔离开来，亦即将晶体管M3与感光二极管D1分隔开，其可解决因晶体管M3与感光二极管D1之间扩散区所产生的遗漏电流的问题，意即不再有空乏区与隔离区的高斜率处相接触形成PN接面而产生遗漏电流(如图5以及图6所示)。此外，由于扩散区完整地在空乏区的范围之内，(如图9的光感测区46所示)，填充因子可大幅地提高，因而使解析度提高。
权利要求
1.一种光感测区及外围电路区相互隔离的主动取像元件，其特征在于，包含一基底；一光感测区，形成于该基底上，用来依据接收的光线产生光电流；一外围电路区，形成于该基底上，该外围电路区包含一第一晶体管，其源极连接于一字符线，该第一晶体管用来选择是否输出该光感测区储存的资料；一第二晶体管，其栅极连接于该光感测区，源极连接于该第一晶体管的漏极，漏极连接于一电压源；以及一第三晶体管，其源极连接于该光感测区，漏极连接于该电压源，该第三晶体管用来重置该光感测区；以及一隔离区(isolation region)，形成于该光感测区及该外围电路区之间，并隔离该光感测区及该外围电路区。
2.如权利要求1所述的主动取像元件，其特征在于，该光感测区包含有一第一扩散区，形成于该基底上；一第二扩散区，形成于该第一扩散区上，该第二扩散区的掺杂浓度大于该第一扩散区的掺杂浓度；以及一空乏区，形成于该第一扩散区及该基底之间，用来接收光线以产生光电流。
3.如权利要求2所述的主动取像元件，其特征在于，该第二晶体管的栅极经由一金属导线连接于该光传感器的第二扩散区，该第三晶体管的源极亦经由一金属导线连接于该光感测区的第二扩散区。
4.如权利要求2所述的主动取像元件，其特征在于，该基底为P型，该第一及第二扩散区为N型，该三晶体管为NMOS。
5.如权利要求1所述的主动取像元件，其特征在于，该第一晶体管的漏极及该第二晶体管的源极为同一掺杂区，且该第二晶体管的漏极与该第三晶体管的漏极为同一掺杂区。
6.如权利要求1所述的主动取像元件，其特征在于，该隔离区为一浅沟隔离绝缘层及一场氧化层其中任一。
全文摘要
一种CMOS影像传感器的主动取像元件，其包含一基底，一光感测区，一外围电路区以及一隔离区。该光感测区以及该外围电路区形成于该基底上，该隔离区形成于该光感测区以及该外围电路区之间，并隔离该光感测区及该外围电路区。该光感测区用来依据接收的光线产生光电流。该外围电路区包含一第一晶体管，其源极连接于一字符线，该第一晶体管用来选择是否输出该光感测区储存的资料，一第二晶体管，其栅极连接于该光感测区，源极连接于该第一晶体管的漏极，漏极连接于一电压源，以及一第三晶体管，其源极连接于该光感测区，漏极连接于该电压源，该第三晶体管用来重置该光感测区。
文档编号H04N5/335GK1731584SQ200410055108
公开日2006年2月8日 申请日期2004年8月4日 优先权日2004年8月4日
发明者谢志成 申请人:原相科技股份有限公司