專利名稱：圖像傳感器的具有2晶體管結構的單位像素及其制造方法
技術領域：
本發明涉及圖像傳感器的單位像素，更具體地，涉及其內的光電 二極管與像素陣列區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：
根據其內所包含的晶體管的數量，用于傳統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。根據晶體管的數量，圖1至圖3示出了用于圖像傳感器的典型像 素結構。圖1示出了 3晶體管結構。圖2和圖3示出了 4晶體管結構。如圖1至圖3所示，由于像素電路中晶體管的存在，填充因數自 然地減小，該填充因數為在像素的整個面積上由光電二極管所占據的 面積。通常，考慮到每種半導體制造工藝的生產率，二極管的填充因 數的范圍是20%至45%。因此，損失了在對應于該像素整個面積的大 約55%至80%的其余面積上入射的光線。為了使光學數據的損失降到最小，在圖像傳感器的制造工藝中， 微透鏡被用于每個單位像素，從而使光學數據可被聚集在每個像素的 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，從像素尺寸為3.4口x3.4口時開始，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象所引起的。衍射現象的水平是由像素尺寸的作 用和微透鏡的位置決定的。
當像素尺寸逐漸地減小時，微透鏡的衍射現象變得更加嚴重，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 將導致以下現象，光線聚集看起來沒有任何作用。這是最近公認的靈 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致用于光電二極管 的區域的減小。光電二極管的區域與光電二極管的可用電荷的數量密 切相關。因此，當光電二極管的尺寸減小時，可用電荷的數量減少。 光電二極管的可用電荷的數量是決定圖像傳感器動態范圍的基本特 征，因此可用電荷數量的減少直接影響了傳感器的圖像質量。當制造像素尺寸小于3.2口x3.2口的圖像傳感器時，其靈敏度下降，并且傳感器 相對于光線的動態范圍也下降，從而使圖像質量退化。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。當角度開始由垂直角 度偏離預定的度數時，光線被聚集在處于光電二極管所用區域之外的 微透鏡上，該區域是為了聚集而預設置的。這將造成昏暗的圖像，更 嚴重的是，當光線被聚集在鄰近像素的光電二極管上時，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 的圖像傳感器的發展，動態放大/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，當完成每個功能時，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，傳感器無法應付入射角的變化。目前，傳感器 可實現自動聚焦功能，但動態放大/縮小功能還無法實現。因此，難以 使提供縮放功能的迷你攝像模塊得到發展。
發明內容
技術問題為了解決上述問題，本發明的目的在于提供 一 種用于圖像傳感器 的具有2晶體管結構的單位像素，在微型像素的制造中，該圖像傳感
器靈敏度的下降遠小于傳統的情況，且能夠處理以不同角度入射到光電二極管上的光。技術方案根據本發明的一方面，提供了一種用于圖像傳感器的具有2晶體管結構的單位像素，包括光電二極管，其含有與半導體材料類型相反的雜質；復位晶體管，連接至所述光電二極管，以對所述光電二極管進行初始化；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示出了根據典型用于圖像傳感器的晶體管的數量的像 素結構；圖4示出了根據本發明實施方式的用于圖像傳感器的具有2晶體 管結構的單位像素；圖5示出了根據本發明另一實施方式的用于圖像傳感器的具有2晶體管結構的單位像素；圖6示出了根據本發明的另一實施方式，在具有以2晶體管構造的像素陣列區域的圖像傳感器內彼此相連的多個單位像素；圖7是示出了圖6的操作的時序圖；圖8示出了根據本發明實施方式的用于圖像傳感器的具有2晶體 管結構的單位像素的物理結構；以及圖9示出了根據本發明另一實施方式的用于圖像傳感器的具有2 晶體管結構的單位像素的物理結構。
具體實施方式
在下文中，將參照附圖對本發明進行詳細描述。圖4示出了根據本發明實施方式的用于圖像傳感器的具有2晶體 管結構的單位像素，該單位像素包括光電二極管PD、復位晶體管Rx、 以及具有選擇和讀出功能的晶體管Sx。 含有與半導體材料類型相反的雜質的光電二極管的陰極電極，被連接至復位晶體管Rx的源極以及具有選擇和讀出功能的晶體管Sx的柵極。復位晶體管Rx對光電二極管PD進行初始化，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 接進行控制并讀出像素信息。可對復位晶體管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示出了根據本發明另一實施方式的用于圖像傳感器的具有2 晶體管結構的單位像素，該單位像素包括光電二極管PD、復位晶體管 Rx、以及具有選擇和讀出功能的晶體管Sx。含有與半導體材料類型相反的雜質的光電二極管的陰極電極，被 連接至復位晶體管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。復位晶體管Rx對光電二極管進行初始化，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 行控制，從而向外部引出電路提供像素的信息。圖6示出了根據本發明另一實施方式，在具有以2晶體管構造的 像素陣列區域的圖像傳感器內彼此相連的多個單位像素，該多個單位像素的像素輸出相互連接。圖7是示出了圖6的操作的時序圖。只有當對線路進行讀取時，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示出了根據本發明實施方式的用于圖像傳感器的具有2晶體 管結構的單位像素的物理結構。在p型半導體襯底上，形成正-負(PN)結，以形成光電二極管 PD,并且形成了用于對光電二極管進行初始化的復位晶體管Rx的柵 極。而且，用于向復位晶體管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示出了根據本發明另一實施方式的用于圖像傳感器的具有2 晶體管結構的單位像素的物理結構。在p型半導體襯底上，形成PN結，以形成光電二極管PD,并且 形成了用于對光電二極管進行初始化的復位晶體管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。盡管結合本發明的示例性實施方案對本發明進行了詳細地說明和 描述，但本領域技術人員可以理解，在不脫離權利要求所限定的本發 明的精神和范圍的情況下，可對本發明進行各種形式上和細節上的變 化。工業適用性因此，本發明的優點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，由于晶體管數量的減少，使得光電二極管的填充 因數顯著增大，從而使靈敏度增大且成本降低。
權利要求
1.一種用于圖像傳感器的具有2晶體管結構的單位像素，包括光電二極管，其含有與半導體材料類型相反的雜質；復位晶體管，連接至所述光電二極管，以對所述光電二極管進行初始化；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行控制的功能和讀出所述像素的信息的功能。
2. 如權利要求1所述的用于圖像傳感器的具有2晶體管結構的單 位像素，其中只有當所述復位晶體管和具有選擇和讀出功能的所述晶 體管對線路進行讀取時，才對所述復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. 如權利要求1所述的用于圖像傳感器的具有2晶體管結構的單 位像素，其中所述復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
本發明公開了一種具有以光電二極管和2晶體管構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晶體管結構的單位像素包括含有與半導體材料類型相反的雜質的光電二極管；復位晶體管，連接至光電二極管，以對光電二極管進行初始化；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，由于晶體管數量的減少，光電二極管的填充因數顯著增大，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 優先權日2005年6月28日
發明者李道永 申請人:(株)賽麗康