专利名称：图像传感器的具有2晶体管结构的单位像素及其制造方法
技术领域：
本发明涉及图像传感器的单位像素，更具体地，涉及其内的光电 二极管与像素阵列区域分隔开的图像传感器的单位像素及其制造方法。
背景技术：
根据其内所包含的晶体管的数量，用于传统图像传感器的像素被粗略地分为3晶体管像素、4晶体管像素和5晶体管像素。根据晶体管的数量，图1至图3示出了用于图像传感器的典型像 素结构。图1示出了 3晶体管结构。图2和图3示出了 4晶体管结构。如图1至图3所示，由于像素电路中晶体管的存在，填充因数自 然地减小，该填充因数为在像素的整个面积上由光电二极管所占据的 面积。通常，考虑到每种半导体制造工艺的生产率，二极管的填充因 数的范围是20%至45%。因此，损失了在对应于该像素整个面积的大 约55%至80%的其余面积上入射的光线。为了使光学数据的损失降到最小，在图像传感器的制造工艺中， 微透镜被用于每个单位像素，从而使光学数据可被聚集在每个像素的 光电二极管上。微透镜的增益被定义为使用了微透镜的传感器的灵敏 度相对于未使用微透镜的图像传感器的灵敏度的增量。假定普通二极管的填充因数约为30%,则微透镜增益为未使用微 透镜的图像传感器的灵敏度的2.5至2.8倍。然而，像素尺寸已减小至 4口x4口，甚至减小至3口x3口。更进一步地，随着2.8口x2.8口或2.5口x2.5口 的小尺寸像素的出现，从像素尺寸为3.4口x3.4口时开始，微透镜增益显 著地由未使用微透镜的图像传感器的灵敏度的2.8倍下降至1.2倍。这 是由微透镜的衍射现象所引起的。衍射现象的水平是由像素尺寸的作 用和微透镜的位置决定的。
当像素尺寸逐渐地减小时，微透镜的衍射现象变得更加严重，因 此使微透镜增益降低至小于或等于图像传感器的灵敏度的1.2倍，这 将导致以下现象，光线聚集看起来没有任何作用。这是最近公认的灵 敏度退化的原因。通常，用于图像传感器的像素尺寸的减小将导致用于光电二极管 的区域的减小。光电二极管的区域与光电二极管的可用电荷的数量密 切相关。因此，当光电二极管的尺寸减小时，可用电荷的数量减少。 光电二极管的可用电荷的数量是决定图像传感器动态范围的基本特 征，因此可用电荷数量的减少直接影响了传感器的图像质量。当制造像素尺寸小于3.2口x3.2口的图像传感器时，其灵敏度下降，并且传感器 相对于光线的动态范围也下降，从而使图像质量退化。在采用了图像传感器的摄像模块的制造工艺中使用外部透镜。在 这种情况下，光线基本垂直地入射在像素阵列的中心部分上。然而， 光线较少地垂直入射在像素阵列的边缘部分上。当角度开始由垂直角 度偏离预定的度数时，光线被聚集在处于光电二极管所用区域之外的 微透镜上，该区域是为了聚集而预设置的。这将造成昏暗的图像，更 严重的是，当光线被聚集在邻近像素的光电二极管上时，色度将改变。最近，随着具有从0.3兆像素和1.3兆像素至2兆像素和3兆像素 的图像传感器的发展，动态放大/缩小功能以及自动聚焦功能被期望包 含在迷你摄像模块中。各功能的特性在于，当完成每个功能时，光线的入射角在边缘部 分显著地变化。传感器的色度或亮度需独立于入射角的变化。然而， 随着像素尺寸的减小，传感器无法应付入射角的变化。目前，传感器 可实现自动聚焦功能，但动态放大/缩小功能还无法实现。因此，难以 使提供缩放功能的迷你摄像模块得到发展。
发明内容
技术问题为了解决上述问题，本发明的目的在于提供 一 种用于图像传感器 的具有2晶体管结构的单位像素，在微型像素的制造中，该图像传感
器灵敏度的下降远小于传统的情况，且能够处理以不同角度入射到光电二极管上的光。技术方案根据本发明的一方面，提供了一种用于图像传感器的具有2晶体管结构的单位像素，包括光电二极管，其含有与半导体材料类型相反的杂质；复位晶体管，连接至所述光电二极管，以对所述光电二极管进行初始化；以及选择晶体管，连接至所述光电二极管，从而具有 对像素和外部引出电路之间的连接进行控制的功能和读出所述像素的 信息的功能。
图1至图3示出了根据典型用于图像传感器的晶体管的数量的像 素结构；图4示出了根据本发明实施方式的用于图像传感器的具有2晶体 管结构的单位像素；图5示出了根据本发明另一实施方式的用于图像传感器的具有2晶体管结构的单位像素；图6示出了根据本发明的另一实施方式，在具有以2晶体管构造的像素阵列区域的图像传感器内彼此相连的多个单位像素；图7是示出了图6的操作的时序图；图8示出了根据本发明实施方式的用于图像传感器的具有2晶体 管结构的单位像素的物理结构；以及图9示出了根据本发明另一实施方式的用于图像传感器的具有2 晶体管结构的单位像素的物理结构。
具体实施方式
在下文中，将参照附图对本发明进行详细描述。图4示出了根据本发明实施方式的用于图像传感器的具有2晶体 管结构的单位像素，该单位像素包括光电二极管PD、复位晶体管Rx、 以及具有选择和读出功能的晶体管Sx。 含有与半导体材料类型相反的杂质的光电二极管的阴极电极，被连接至复位晶体管Rx的源极以及具有选择和读出功能的晶体管Sx的栅极。复位晶体管Rx对光电二极管PD进行初始化，并且具有选择/读 出功能的晶体管Sx具有以下功能，即对像素和外部引出电路之间的连 接进行控制并读出像素信息。可对复位晶体管Rx和具有选择/读出功能的晶体管Sx施加不同的 电压源。图5示出了根据本发明另一实施方式的用于图像传感器的具有2 晶体管结构的单位像素，该单位像素包括光电二极管PD、复位晶体管 Rx、以及具有选择和读出功能的晶体管Sx。含有与半导体材料类型相反的杂质的光电二极管的阴极电极，被 连接至复位晶体管Rx的源极以及具有选择和读出功能的晶体管Sx的 栅极。复位晶体管Rx的漏极和具有选择/读出功能的晶体管Sx的漏极相 互连接，并且对其施加共用电压源。复位晶体管Rx对光电二极管进行初始化，并且具有选择/读出功 能的晶体管Sx具有以下功能，即对像素和外部引出电路之间的连接进 行控制，从而向外部引出电路提供像素的信息。图6示出了根据本发明另一实施方式，在具有以2晶体管构造的 像素阵列区域的图像传感器内彼此相连的多个单位像素，该多个单位像素的像素输出相互连接。图7是示出了图6的操作的时序图。只有当对线路进行读取时，才将VDD (电压源)或任意电压施加 到线路上。电流源由线路选择信号控制。图8示出了根据本发明实施方式的用于图像传感器的具有2晶体 管结构的单位像素的物理结构。在p型半导体衬底上，形成正-负(PN)结，以形成光电二极管 PD,并且形成了用于对光电二极管进行初始化的复位晶体管Rx的栅 极。而且，用于向复位晶体管Rx的漏极施加寻址信号的VDD或任意 电压被施加于复位晶体管RX的漏极，并且形成了具有选择/读出功能的晶体管Sx，该功能用于向具有选择/读出功能的晶体管Sx的栅极提 供光电二极管PD的信息。图9示出了根据本发明另一实施方式的用于图像传感器的具有2 晶体管结构的单位像素的物理结构。在p型半导体衬底上，形成PN结，以形成光电二极管PD,并且 形成了用于对光电二极管进行初始化的复位晶体管Rx的栅极。而且， 形成了具有选择/读出功能的晶体管Sx,该功能用于向具有选择和读出 功能的晶体管的漏极施加寻址信号，并且还用于向具有选择/读出功能 的晶体管Sx的栅极提供光电二极管PD的信息。复位晶体管Rx和具有选择/读出功能的晶体管Sx具有共用的连接层。尽管结合本发明的示例性实施方案对本发明进行了详细地说明和 描述，但本领域技术人员可以理解，在不脱离权利要求所限定的本发 明的精神和范围的情况下，可对本发明进行各种形式上和细节上的变 化。工业适用性因此，本发明的优点在于孔径表面增大且像素尺寸减小，从而使 灵敏度增加。而且，由于晶体管数量的减少，使得光电二极管的填充 因数显著增大，从而使灵敏度增大且成本降低。
权利要求
1.一种用于图像传感器的具有2晶体管结构的单位像素，包括光电二极管，其含有与半导体材料类型相反的杂质；复位晶体管，连接至所述光电二极管，以对所述光电二极管进行初始化；以及具有选择和读出功能的晶体管，连接至所述光电二极管，从而具有对像素和外部引出电路之间的连接进行控制的功能和读出所述像素的信息的功能。
2. 如权利要求1所述的用于图像传感器的具有2晶体管结构的单 位像素，其中只有当所述复位晶体管和具有选择和读出功能的所述晶 体管对线路进行读取时，才对所述复位晶体管和具有选择和读出功能 的所述晶体管的线路施加VDD (电压源)或任意电压。
3. 如权利要求1所述的用于图像传感器的具有2晶体管结构的单 位像素，其中所述复位晶体管和具有选择和读出功能的所述晶体管具 有共用的连接层。
全文摘要
本发明公开了一种具有以光电二极管和2晶体管构造的像素的单位像素，该单位像素用于图像传感器。该用于图像传感器的具有2晶体管结构的单位像素包括含有与半导体材料类型相反的杂质的光电二极管；复位晶体管，连接至光电二极管，以对光电二极管进行初始化；以及具有选择和读出功能的晶体管，连接至光电二极管，从而具有对像素和外部引出电路之间的连接进行控制的功能和读出像素的信息的功能。因此，孔径表面增大且像素尺寸减小，从而使灵敏度增大。而且，由于晶体管数量的减少，光电二极管的填充因数显著增大，从而使灵敏度增大且成本降低。
文档编号H01L27/146GK101213670SQ200680023576
公开日2008年7月2日 申请日期2006年6月21日 优先权日2005年6月28日
发明者李道永 申请人:(株)赛丽康