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CN1941390A - 具有两个半导体层的像素、图像传感器及图像处理系统 - Google Patents

具有两个半导体层的像素、图像传感器及图像处理系统 Download PDF

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CN1941390A CNA2006101389031A CN200610138903A CN1941390A CN 1941390 A CN1941390 A CN 1941390A CN A2006101389031 A CNA2006101389031 A CN A2006101389031A CN 200610138903 A CN200610138903 A CN 200610138903A CN 1941390 A CN1941390 A CN 1941390A
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Abstract

本发明公开了一种图像传感器，该图像传感器包含具有两个图形化半导体层的像素。顶部图形化半导体层包含填充因子基本上为100％的像素的光电元件。底部图形化半导体层包含用于探测、复位、放大和传输从光电元件接收的信号电荷的晶体管。可通过层间绝缘层将顶部和底部图形化半导体层彼此分隔，该层间绝缘层可包含用于传导形成于图形化半导体层内的器件之间以及来自外部器件的信号的金属互连。

Description

具有两个半导体层的像素、图像传感器及图像处理系统
技术领域
本发明涉及图像传感器，具体地涉及图像传感器的像素。
背景技术
数码相机现在成为最流行的消费类电子之一。图像传感器的“百万像素”能力和色彩灵敏度目前已经成为限制数码相机所摄取图像的图像质量的限制因素。图像传感器的作用为，将由光学透镜聚焦到图像传感器上的(可见)光转变成电学信号而摄取并显示高质量的图像。此外，相当于数字图像传感器中非常快的“快门速度”或“胶片速度”是高端数码相机的重要卖点并可以增强图像质量(例如，减小由于目标或相机移动引起的模糊)。
典型的图像传感器包括具有多个(阵列)像素的像素阵列。各个像素包括光电二极管，其响应于入射在其上的光子(即光)而产生信号电荷；以及电子器件，用于从光电二极管传输和输出该信号电荷。根据信号电荷的传输和输出方式，图像传感器可粗略地分成两种类型，即，电荷耦合器件(CCD，下文中称为“CCD图像传感器”)以及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(下文中称为“CMOS图像传感器”)。CCD图像传感器使用多个MOS电容器用于积累、传输和输出电荷。通过对MOS电容器的电极施加适当的电压，各个像素的信号电荷通过MOS电容器被连续地传输。CMOS图像传感器使用多个晶体管，由光电二极管产生的信号电荷通过这些晶体管被转换成各个像素上的电压并从各个像素输出。
CCD图像传感器通常具有优于CMOS图像传感器的噪声和图像质量，但CMOS图像传感器通常具有比CCD图像传感器低的产品成本和低的功耗。换而言之，CMOS图像传感器优点为功耗低、电压和电流的单一性、与组合CMOS电路的兼容性(例如，集成在相同芯片上)、图像数据的随机存取、以及采用CMOS技术标准而实现的低生产成本。因此，CMOS图像传感器各种应用中的市场份额正在增长，例如数码相机、智能手机、个人数字助理(PDA)、笔记本电脑、监控照相机、条形码探测器、高清晰电视机、儿童玩具等。
图1为传统图像传感器的像素阵列一部分的平面视图。参考图1，多个像素形成于半导体基板的有源区13周围，有源区彼此电绝缘(类似“半导体岛”)，各个有源区包括一个光电二极管和多个晶体管。各个有源区13可划分成包括该光电二极管的第一有源区13A和包括该多个晶体管的第二有源区13B。在第二有源区13B上排列了传输栅极21、复位栅极23、源随栅极25和选择栅极27。传输栅极21毗邻第一有源区13A。在第二有源区13A内形成的介于传输栅极21和复位栅极23之间的杂质区域用做浮动扩散区29，该浮动扩散区29电连接到源随栅极25。在第二有源区13B内形成的介于复位栅极23和源随栅极25之间的杂质区域用于复位扩散区域31。第二有源区13B中存在介于源随栅极25和选择栅极27之间的杂质区域33，第二有源区13B中还存在位于选择栅极27外部的杂质区域35。由栅极以及栅极两侧的杂质区域形成各个晶体管。
接着参考图2描述典型像素的垂直剖面结构。图2为沿图1的线I-I’截取的一个像素的剖面视图。参考图2，光电二极管包括形成于第一有源区13A内的N型区域17和P型区域19。浮动扩散(FD)区29经局部互连37而电连接到源随栅极25。
在传统像素的常规结构中，需要在相同的有源区13内形成光电二极管和栅极并将其一部分(例如13B)分配给这些晶体管。因此，有源区13只有一部分，即第一有源区13A被用于光电二极管。因此，传统图像传感器存在由于代表像素中光电二极管所占据面积的填充因子的限制。
“填充因子”表示感光的光电二极管相对于整个像素的尺寸，为对光敏感的表面部分。大的填充因子是理想的，因为填充因子越大，芯片将摄取更多的光，最多可达100％。这有助于改善信噪比(SNR)。由于各个像素中需要另外的电子元件(例如晶体管)，“填充因子”趋于非常小，特别是对于每个像素具有更多晶体管的有源像素传感器(Active Pixel Sensor)。为了克服这个限制，一些人已经提出了将微透镜阵列放置于传感器的顶部上，但这增加了生产成本。此外，在传统图像传感器中，入射到目标像素上的光，特别是从斜角入射的光，会被目标像素或栅的互连反射并可能到达相邻像素，导致串扰效应或失真。
发明内容
本发明的各种实施方案提供了具有多个像素的图像传感器，所述像素包括两个图形化半导体层。顶部(第二)图形化半导体层包括具有填充因子基本上为100％的像素的光电元件(例如光电二极管)，并可包括一个或多个晶体管。底部(第一)图形化半导体层包括用于探测、复位、放大和传输从光电元件接收的信号电荷的晶体管。顶部和底部图形化半导体层可通过层间绝缘层而彼此分离，该层间绝缘层可包括金属互连，用于传导形成于图形化半导体层内的这些器件之间以及来自外部器件的信号。
本发明的示范性实施方案提供了具有改善架构的像素、具有该像素的图像传感器、以及采用该图像传感器的图像处理系统。
本发明的一些实施方案提供了一种图像传感器，其包括：第一和第二半导体图形(即，第一和第二图形化半导体层)，其间插入了层间绝缘层；形成于第二半导体图形内的光电元件；以及形成于第一半导体图形内的至少一个以上晶体管，电连接到光电元件并读出从光电元件产生的信号电荷。
该光电元件可以为光电二极管，其包括：形成于第二半导体图形内的N型区域以及形成于第二半导体图形内并包围N型区域的P型区域。
该图像传感器可进一步包括分别形成于第一和第二半导体图形内的第一和第二电荷收集区域(彼此电连接)，用于收集在光电元件内产生的信号电荷。该一个以上晶体管可工作地与第一及第二电荷收集区域耦合。该至少一个以上晶体管可包括用于读出及复位第一及第二电荷收集区域的第一晶体管和第二晶体管。该第一和第二晶体管通过公共漏极彼此连接。第一晶体管的栅极电连接到第一和第二电荷收集区域。第一电荷收集区域用做第二晶体管的源极。
该图像传感器可进一步包括第二半导体图形内(例如，在光电二极管下)的传输栅极，用于将信号电荷从光电元件传输到第一和第二电荷收集区域。
该光电元件可以是二极管，其包括：形成于第二半导体图形内的N型区域，以及形成于第二半导体图形内并包围N型区域的P型区域。第二电荷收集区域可形成于传输栅极外部的P型区域内，与N型区域分隔(分离)。
该图像传感器可进一步包括形成于第二半导体图形上(例如，直接形成在该第二半导体图形上)的彩色滤波器。光电元件可直接接触第二半导体图形。光电元件可与该彩色滤波器之间插入缓冲层。
本发明的其他实施方案提供了一种图像传感器，其包括：第一和第二半导体图形(即，第一和第二图形化半导体层)，其间插入了层间绝缘层；光电元件(例如，光电二极管)，位于第二半导体图形内；传输栅极，位于第二半导体图形内光电元件之下，用于将信号电荷从光电元件传输到第二半导体图形内的第二电荷收集区域；第一电荷收集区域，位于第一半导体图形内并电连接到第二电荷收集区域；源随栅极，位于第一半导体图形内并电连接到第一和第二电荷收集区域；第一源和漏区，位于第一半导体图形内源随栅极的两侧；以及复位栅极，位于第一半导体图形内第一漏区和第一电荷收集区域之间。
该光电元件可以是二极管，其包括：形成于第二半导体图形内的N型区域以及形成于第二半导体图形内从而包围N型区域的P型区域。第一电荷收集区域形成于第二半导体图形内传输栅极外部并与N型区域分隔。
层间绝缘层可包括第一和第二层间绝缘层。第一电荷收集区域通过下述部件而电连接到第二电荷收集区域：第一接触插塞，贯穿第一层间绝缘层并电连接到第二电荷收集区域、局部导电图形，形成于第一层间绝缘层上并电连接到第一接触插塞、以及第二接触插塞，贯穿第二层间绝缘层并将第一电荷收集区域与局部导电图形电连接。
该局部导电图形与第三接触插塞电连接，该第三接触插塞贯穿第一层间绝缘层并电连接到源随栅极。
层间绝缘层可包括金属互连，用于对传输栅极和复位栅极施加偏压。
该图像传感器可进一步包括：形成于第一半导体图形内的第二漏区；以及形成于第一半导体图形内第二漏区和第一源区之间的选择栅极。层间绝缘层可包括用于对选择栅极施加偏压的金属互连。
本发明另外其他实施方案提供了一种包括多个像素的图像传感器，各个像素包括：形成于第二半导体图形内(即，第二图形化半导体层内)的光电元件，以及至少一个以上晶体管，形成于第一半导体图形内(即，第一图形化半导体层内)并可工作地耦合到光电元件，其中第一半导体图形与第二半导体图形分隔(分离)或电绝缘。
本发明的另外实施方案提供了一种图像处理系统，其包括：处理器；以及可工作地耦合到处理器的图像传感器。图像传感器包括多个像素。各个像素包括：形成于第二半导体图形内(即，第二图形化半导体层内)的光电元件，以及至少一个以上晶体管，形成于第一半导体图形内(即，第一图形化半导体层内)并可工作地耦合到光电元件，其中第一半导体图形与第二半导体图形分隔(分离)或电绝缘。
通过参考本说明书的其余部分以及附图，可以实现对本发明的本质和优点的进一步理解。
下面将参考附图更加详细地描述本发明的示范性实施方案。然而可以以不同形式实施本发明，本发明不应被理解成受限于这里所描述的这些实施方案。相反，提供这些实施方案的目的是使本公开内容变得详尽彻底，并全面地向本领域技术人员传达本发明的范围。
在图示中，为了说明清楚而夸大了各层和区域的尺寸。将会了解，当层(或膜)被称为位于另一层或基板上时，其可以直接位于该另外层或基板上，或者也可以存在中间层。此外，将会了解，当一层被称为位于另一层下时，其可以直接位于该另外层下，或者也可以存在一个以上中间层。此外还可以理解，当层被称为位于两个层之间时，这两层之间可能仅存在该层，或者也可以存在一个以上中间层。相同的参考数字总是指代相同的元件。可以理解，尽管术语第一、第二、第三等在此用于描述诸如区域、膜、层等的各种元件，但这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于相互区分这些元件。例如，第一层可以用术语第二层表示，类似地，第二层可用术语第一层表，示而不脱离本公开的教导。
在本说明书中，例如，句子“第一元件可工作地与第二元件耦合”是指第一元件的特定端子直接或者通过导电区域间接地连接到第二元件的特定端子。例如，第一与/或第二元件不限于此处术语上的实施描述，而是可以用于说明晶体管、杂质区域、或各种导电互连。
在描述中，例如，句子“晶体管可工作地与光电二极管耦合”可代表光电二极管的杂质区域用做晶体管的源区或漏区，光电二极管的杂质区域电连接到晶体管的源区或漏区，或者光电二极管的杂质区域电连接到晶体管的栅极。
在描述中，例如，句子“第一和第二晶体管可工作地彼此耦合”可理解为，施加到第一晶体管栅极的电压直接或者通过第三晶体管或诸如金属互连的导体间接地被传递到第二晶体管的端子或节点，例如栅极、源区或漏区。备选地，这句话可以表明第一晶体管的端子或节点与第二晶体管的端子或节点电连接。
在这里的说明书中，“半导体基板”、“半导体层”、“半导体图形”或“基板”将用于代表基于半导体的结构。这种基于半导体的结构可包括硅层、硅层置于绝缘层上的绝缘体上硅(S01)、掺杂或未掺杂硅层、由外延生长技术形成的外延层或者其它半导体构造。
尽管本发明的示范性实施方案适用于所有类型的图像传感器，本文的实施描述将以CMOS图像传感器为示例进行说明，从而理解本发明的特征。
附图说明
本公开内容包括附图以提供对本发明的进一步理解，附图被包括在内并组成本说明书的一部分。这些图示说明了本发明的示范性实施方案，并与这些描述一起用于解释本发明的原理。图中：
图1为典型图像传感器的像素阵列的一部分的剖面视图；
图2为沿图1的剖面线I-I’截取的像素剖面视图；
图3为根据本发明实施方案的图像传感器中像素的透视图；
图4为图3的图像传感器的像素阵列的一部分的剖面视图；
图5为沿图4的剖面线II-II’截取的像素剖面视图；
图6为包括图3、4和5的像素的图像传感器的方框图；以及
图7为具有图6所示图像传感器的系统的方框图。
具体实施方式
图3为根据本发明实施方案的图像传感器中像素的透视图。参考图3，根据本发明实施方案的像素101包括光电二极管115，以及与光电二极管115可工作地耦合的传输、复位、源跟随和选择晶体管。根据本发明的这个实施方案，像素101的元件排列在被彼此分隔的分离第一及第二半导体图形111和113内。在本发明的这个示范性实施方案中，光电二极管115和传输晶体管置于第二半导体图形113内，而复位、源跟随以及选择晶体管置于第一半导体图形111内。传输晶体管的栅极217置于光电二极管115下。因此，像素的填充因子不受传输、复位、源跟随和选择晶体管的存在及尺寸的影响。
根据这个实施方案，由于第二半导体图形113完全用于光电二极管115，可以获得基本上100％的填充因子。
在本实施方案中，由于包括这些晶体管的第一半导体图形111不影响填充因子，第一半导体图形111可形成与第二半导体图形113相同的尺寸。因此，可以改善像素的1/f噪声特性以及光收集性能(例如，速度)。此外，电荷收集区域411_1和411_2可被放大以延展其动态范围。
光电二极管15包括形成于第二半导体图形113内的第一导电区域113n(例如，N型区域)以及包围第一导电区域113n的第二导电区域113p(例如P型区域)。在本实施方案中，响应于入射到第二半导体图形113上的光子而产生作为信号电荷的电子-空穴对，且电子集聚在N型区域113n内。由于N型区域113n被P型区域113p完全包围，N型区域113n向外的电子泄漏被最小化。
传输栅极217置于毗邻N型区域113n的栅绝缘层317下，栅绝缘层317插在传输栅极217和N型区域113n之间。可以看出，该传输晶体管包括传输栅极217，且第二电荷收集区域411_2和N型区域113n置于传输栅极217的两侧上。如果施加偏压使传输栅极217导通，则积累在N型区域113n内的电荷(例如，电子)被传输到起着浮动扩散区域功能的第二电荷收集区域411_2。第二电荷收集区域4112形成于传输栅极217外部的第二半导体图形113内，掺杂了N型杂质。
在第一半导体图形111上，形成了复位栅极211、源随栅极213和选择栅极215，这些栅极分别形成于第一半导体图形111上的栅绝缘层311、313和315上。第一半导体图形111内的杂质区域为源/漏区。栅极与栅极两侧的杂质区域构成晶体管。例如，复位晶体管包括复位栅极21以及复位栅极21两侧的杂质区域411_1和413。源跟随晶体管包括源随栅极213和源随栅极213两侧的杂质区域413和415。选择晶体管包括选择栅极215和选择栅极215两侧的杂质区域415和417。(来自未示出的电源的)VDD电压施加到复位栅极211和源随栅极213之间的杂质区域413。
复位晶体管的杂质区域411_1电连接到第二电荷收集区域411_2，充当浮动扩散区域(类似于第二电荷收集区域411_2)。换而言之，复位晶体管的杂质区域411_1积累从光电二极管115传输的电荷(考虑到信号电荷首先集聚在此处，因此在下文中该杂质区域称为第一电荷收集区域)。当偏压施加到复位栅极211时，导电沟道形成于第一半导体图形111内复位栅极211下，保留在第一和第二电荷收集区域411_1和411_2内的信号电荷流入连接到复位晶体管杂质区域413的电源(未显示)。该像素由此被触发。
(源跟随晶体管的)源随栅极213电连接到第一和第二电荷收集区域411_1和411_2。第一和第二电荷收集区域411_1和411_2以及源随栅极213通过局部导电图形611及接触插塞511、513和711而相互连接，形成公共节点。因此，在源跟随晶体管的杂质区域415出现信号电压，该信号电压对应于(例如，正比于)集聚在第一和第二电荷收集区域411_1和411_2内的信号电荷的数量。当偏压施加到选择晶体管的选择栅极215时，(在杂质区域415的)信号电压被传输到选择晶体管的输出端子，即，传输到杂质区域417。传输到选择晶体管的输出端子417的该信号被外围电路探测和处理(未示出)。由外围电路执行的信号处理操作对于本领域技术人员而言是公知的，将参考下面的图6描述该操作。
包括这些复位、源跟随和选择晶体管的第一半导体图形111可以是P型硅半导体基板。形成于第一半导体图形111内的晶体管可通过下述步骤形成：例如，沉积和图形化各栅绝缘层和导电层，并注入离子杂质以形成杂质区域。栅极的导电层不限于该示范性实施方案，可由其它材料形成或形成其它结构，例如多晶硅或多晶硅与硅化物的多层。当第一半导体图形111为P型时，N型离子杂质被注入以形成晶体管的源/漏区域。
将参考图5详细描述，层间绝缘层(911，见图5，未在图3中示出)插在第一和第二半导体图形111和113之间。
可通过在层间绝缘层(图5所示911)上沉积导电层并图形化该导电层，由此形成传输栅极217。可通过光刻工艺进行该导电层的图形化。可由膜沉积技术形成覆盖(绝缘)传输栅极217的栅绝缘层317。可通过例如化学气相沉积(CVD)或等离子体增强CVD或者外延生长的膜沉积技术，形成置于第二层间绝缘层(图5所示815)上并覆盖该第二层间绝缘层上的传输栅极217和栅绝缘层317的第二半导体图形113，其中形成方法不限于这些示例。
可通过将离子注入到第二半导体图形113内而形成光电二极管115。例如，可通过注入离子杂质以形成N型区域113n以及注入离子杂质以形成顶部P型区域113p，由此制造光电二极管113(在形成了掺P型杂质的第二半导体图形113之后)。根据本实施方案，光电二极管113构成垂直PNP结构，由此避免图像滞后的效应。
可通过将离子杂质注入第二半导体图形113内并以传输栅极217为离子注入掩模，由此形成充当浮动扩散区域的第二电荷收集区域411_2。
光电二极管115和第二电荷收集区域411_2的离子注入步骤可按照恰当的顺序进行。
可通过图形化层间绝缘层(图5所示811、813)以形成接触孔且随后用导电材料填充这些接触孔，由此形成接触插塞511、513和517。可通过(在层间绝缘层811上)沉积并图形化导电层形成局部导电图形611。分别连接到第一电荷收集区域411 1和源随栅极213的接触插塞511和513可在同时形成，贯穿层间绝缘层811。
未示出的互连置于第一和第二半导体图形111及113之间，从而对复位栅极211、选择栅极215和传输栅极217施加偏压。可在形成局部导电图形611时形成未示出的互连。
在形成分别连接到第一电荷收集区域411_1和源随栅极213的接触插塞511和513时，可同时形成连接到选择栅极215的接触插塞(未示出)。并且，在形成接触插塞711从而将局部导电图形611与第二电荷收集区域4112连接的同时，还可以形成接触插塞(未示出)从而将传输栅极217与将偏压传导到传输栅极217的互连连接。
在备选模式中，用于形成接触插塞、互连和局部导电图形的工艺顺序可以发生变化。根据本实施方案，由于用于向多个栅极施加偏压的互连形成于光电二极管115下，因此可以确保互连的不对准容限，提供了排列这些互连的灵活性。
在本示范性实施方案中，彩色滤波器可置于光电二极管上，从而最小化其间的光学和电学串扰。此外，由于光电二极管非常靠近或接触彩色滤波器并具有大的填充因子，因此不需要聚光的微透镜。
光屏蔽图形可形成于光电二极管下而不降低像素的填充因子，并可以更加有效地最小化电学干扰。
可在完成几乎所有的金属互连之后形成该光电二极管。因此，由于光电二极管上没有金属接触，可以最小化该光电二极管的暗电流水平。
图4为说明图3的图像传感器的像素阵列一部分的剖面视图，图5为沿图4中剖面线II-II’截取的图4的阵列中像素的剖面视图。
参考图4，包括复位栅极211、源随栅极213和选择栅极215的第一半导体图形111位于第二半导体图形113下，并被第二半导体图形113完全覆盖。因此，由包括光电二极管115的第二半导体图形113的尺寸决定该像素的尺度。第二半导体图形113可完全被用于光电二极管115。如图4所示，栅极宽度(或者有源区的宽度)可以沿y轴扩大为第一半导体图形111的延展，晶体管的性能通过宽度扩大而得到改善。第一半导体图形111的宽度可被延长，从而使第一半导体图形111的尺寸和第二半导体图形113的尺寸相同。另外，由于第一半导体图形111置于包括光电二极管115的第二半导体图形113下，因此可允许采用各种方式修改第一半导体图形111的配置而不减小填充因子。例如，在以各种方式改变第一半导体图形111的配置时，可以设计出适于最佳晶体管性能而不减小填充因子的沟道图形。
此外，由于传输栅极127置于光电二极管115下，传输栅极127的栅极长度可进行各种设计以得到最佳传输效率。
可以从图5看到图3和图4的像素的剖面图。在图5中，参考数字811和813表示第一和第二层间绝缘层，并用参考数字911统称这些层间绝缘层。参考数字1111表示彩色滤波器。第一和第二层间绝缘层811和813可由例如掺硼(B)和磷(P)的硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)、掺硼的硼硅酸盐玻璃(BSG)、掺磷的磷硅酸盐玻璃(PSG)、未掺杂的硅酸盐玻璃(USG)或气相沉积的氧化硅形成。彩色滤波器可由传统工艺形成。
参考图5，彩色滤波器1111排列成靠近或直接接触光电二极管115的顶部。在图1或2所示的传统图像传感器中，因为各种互连排列在光电二极管上方，彩色滤波器必然与光电二极管分隔(在其上)。传统图像传感器使用微透镜增大光读出效率。此外，由于传统图像传感器中彩色滤波器和光电二极管之间的距离，穿过彩色滤波器的光除了到达目标像素之外还可到达相邻像素。在本发明的示范性实施方案中，由于彩色滤波器1111置于靠近或直接接触光电二极管115，穿过彩色滤波器的光实质上完全入射到光电二极管115上。此外，在本发明的示范性实施方案中，由于光电二极管直接位于彩色滤波器下，因此无需在像素中形成微透镜。
图6为包括图3、4和5的像素的图像传感器2080的方框图。参考图6，像素阵列2000包括排列成矩阵的多个像素。像素阵列2000的矩阵包括多行和多列像素。行驱动器2100响应于行解码器2200的输出而选择像素阵列2000中特定行的像素，列驱动器2600响应于列解码器2700的输出而选择像素阵列2000中特定列的像素。CMOS图像传感器由控制器2500控制。控制器2500控制行解码器2200、行驱动器2100、列解码器2700和列驱动器2600。
从各个像素输出的信号包括像素复位信号Vrst和像素图像信号Vsig。像素复位信号Vrst对应于当像素处于复位状态时电荷收集区域的电势。像素图像信号Vsig对应于从图像产生的信号电荷已经被传输到电荷收集区域之后电荷收集区域的电势。由采样/保持电路2610读取像素复位信号Vrst和像素图像信号Vsig。放大器(AMP)2620根据复位信号Vrst和图像信号Vsig产生差值信号Vrst-Vsig。该差值信号被模数转换器(ADC)2750转换成数字信号。图像处理器2800根据该数字化差分信号产生数字图像。图像传感器2080可被包括在半导体芯片(例如晶片3000)内。
图7为包括图6的图像传感器的处理器基系统4000的方框图。处理器基系统400可以是可采用图像传感器4080的任何数字电路。处理器基系统不限于此，而可以是计算机系统、照相机系统、蜂窝电话、扫描仪、电视电话、监视系统、机器视觉系统、车辆导航系统、自动聚焦系统、星象跟踪系统、运动探测系统、图像稳定系统、数据压缩系统或者兼容图像传感器的其它系统。
系统4000包括经总线4040与多个器件或外围设备通信的处理器4020(例如，中央处理器CPU)。耦合到总线4040的器件(外围设备)为例如输入/输出单元4060和图像传感器4080，为系统4000提供了输入/输出通信。耦合到总线4040的器件包括至少一种外围存储器，例如RAM 4100、硬盘驱动器(HDD)4120、软盘驱动器(FDD)4140和光盘(CD)驱动器4160。图像传感器4080从处理器4020或从系统4000的另外器件接收控制信号作为数据。图像传感器4080基于接收到的控制信号或数据为处理器4020提供了定义图像的数据信号，处理器4020处理从图像传感器4080供给的信号。
因此在本发明的示范性实施方案中，由于第二半导体图形113被完全用于光电二极管，因此可以获得基本上100％的填充因子。
在本发明的示范性实施方案中，(见图3、4和5)包括晶体管的第一半导体图形111并不影响填充因子，并可形成与第二半导体图形113相同的尺寸(面积)。因此可以改善1/f噪声特性并改善光读出操作的性能。此外，本发明的示范性实施方案便于放大电荷收集区域411_1和411_2，从而扩展动态范围。
在本发明的示范性实施方案中，光电二极管113构成了避免图像滞后的垂直PNP结构。在传统图像传感器中，当先前的帧(图像)保留在未来的帧内时，即，当像素未被彻底复位时，发生图像滞后。
在本发明的示范性实施方案中，由于第一半导体图形111置于包括光电二极管115的第二半导体图形113下，可允许以各种方式修改第一半导体图形111的配置而不减小填充因子。例如，通过各种形式变更第一半导体图形111的配置，可以设计出适于晶体管最佳性能的沟道图形。
在本发明的示范性实施方案中，由于彩色滤波器置于靠近或者直接接触光电二极管，穿过彩色滤波器的光完全入射到目标光电二极管上。
在本发明的示范性实施方案中，由于光电二极管直接位于彩色滤波器下，因此可以彻底省略设于传统图像传感器中的微透镜。
在本发明的示范性实施方案中，在光电二极管下形成光屏蔽图形并不降低像素的填充因子，并可以更有效地最小化电学干扰。
在本实施方案中，在形成几乎所有的金属互连之后形成光电二极管。因此，由于光电二极管上没有金属接触，所以可以最小化其暗电流水平。
上述主题被认为是阐述性而非限制性的，权利要求旨在覆盖落入本发明的精神和范围内的所有这种修改、增强及其它实施方案。因此，在法律所允许的最大范围内，本发明的范围由权利要求及其等同特征的最宽的允许解释确定，且不受前述详细描述的约束和限制。
本专利申请主张2005年9月29日提交的韩国专利申请2005-91293的优先权，该专利申请的全部内容在此引用作为参考。

Claims (23)

1.一种图像传感器，包括：
第一图形化半导体层；
第二图形化半导体层；
层间绝缘层，夹置在所述第一图形化半导体层和所述第二图形化半导体层之间；
光电元件，形成于所述第二图形化半导体层内；以及
形成于所述第一图形化半导体层内的至少一个晶体管。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中形成于所述第一图形化半导体层内的至少一个晶体管电连接到所述光电元件并读出从所述光电元件产生的信号电荷。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述电元件为光电二极管，包括：形成于所述第二图形化半导体层内的N型区域以及形成于所述第二图形化半导体层内的P型区域。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述P型区域包围所述N型区域。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，进一步包括：
分别形成于所述第一和第二图形化半导体层内且彼此电连接的第一和第二电荷收集区域，用于接收在所述光电元件内产生的信号电荷，
其中所述至少一个晶体管电连接到所述第一及第二电荷收集区域。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中电连接到所述第一和第二电荷收集区域的所述至少一个晶体管包括：
用于感测所述第一及第二电荷收集区域的第一晶体管；
用于复位所述第一及第二电荷收集区域的第二晶体管；
其中所述第一和第二晶体管通过公共漏极彼此电连接，
其中所述第一晶体管的栅极电连接到所述第一和第二电荷收集区域，以及
所述第一电荷收集区域用做所述第二晶体管的源极。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，进一步包括：
传输栅极，形成于所述第二图形化半导体层内，用于将所述信号电荷从所述光电元件传输到所述第二电荷收集区域。
8.根据权利要求5所述的图像传感器，进一步包括：
传输栅极，形成于所述第二图形化半导体层内，用于将所述信号电荷从所述光电元件传输到所述第一和第二电荷收集区域。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述光电元件为二极管，其包括：形成于所述第二图形化半导体层内的N型区域；以及形成于所述第二图形化半导体层内并包围所述N型区域的P型区域。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中所述第二电荷收集区域形成于与所述N型区域分隔的所述P型区域内。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，进一步包括直接形成于所述第二图形化半导体层上的彩色滤波器。
12.一种图像传感器，包括：
第一图形化半导体层；
第二图形化半导体层；
层间绝缘层，夹置在所述第一图形化半导体层和所述第二图形化半导体层之间；
光电元件，形成于所述第二图形化半导体层内；以及
传输栅极，形成于所述第二图形化半导体层内，用于将信号电荷从所述光电元件传输到所述第一图形化半导体层内的第二电荷收集区域。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述电元件为二极管，其包括：形成于所述第二图形化半导体层内的N型区域以及形成于所述第二图形化半导体层内并包围所述N型区域的P型区域，以及
其中第一电荷收集区域形成于所述第二图形化半导体层内并与所述N型区域分隔，所述第一电荷收集区域电连接到所述第二电荷收集区域。
14.根据权利要求12所述的图像传感器，进一步包括：
第一电荷收集区域，形成于所述第一图形化半导体层内并电连接到所述第二电荷收集区域；
源随栅极，形成于所述第一图形化半导体层内并电连接到所述第一和第二电荷收集区域；
第一源和漏区，形成于所述第一图形化半导体层内所述源随栅极的两侧；以及
复位栅极，形成于所述第一图形化半导体层内所述第一漏区和第一电荷收集区域之间。
15.根据权利要求14所述的图像传感器，其中所述层间绝缘层包括第一和第二层间绝缘层；
其中所述第一电荷收集区域通过下述部件而电连接到所述第二电荷收集区域：
第一接触插塞，贯穿所述第一层间绝缘层并电连接到所述第二电荷收集区域；
局部导电图形，形成于所述第一层间绝缘层上并电连接到所述第一接触插塞；以及
第二接触插塞，贯穿所述第二层间绝缘层并将所述第一电荷收集区域与所述局部导电图形电连接。
16.根据权利要求15所述的图像传感器，其中所述局部导电图形与第三接触插塞电连接，所述第三接触插塞贯穿所述第一层间绝缘层并电连接到所述源随栅极。
17.根据权利要求14所述的图像传感器，其中所述层间绝缘层包括金属互连，用于对所述传输栅极和复位栅极施加偏压。
18.根据权利要求14所述的图像传感器，进一步包括：
形成于所述第一图形化半导体层内的第二漏区；以及
形成于所述第一图形化半导体层内在所述第二漏区和第一源区之间的选择栅极。
19.根据权利要求18所述的图像传感器，其中所述层间绝缘层包括用于对所述选择栅极施加偏压的金属互连。
20.根据权利要求12所述的图像传感器，进一步包括直接形成于所述第二图形化半导体层上的彩色滤波器。
21.一种图像传感器，包括：
像素，包含：
形成于第二图形化半导体层内的光电元件；以及
至少一个晶体管，形成于电连接到所述光电元件的所述第一图形化半导体层内，所述第一图形化半导体层与第二图形化半导体层电绝缘。
22.一种图像处理系统，包括：
处理器；以及
可工作地连接到所述处理器的图像传感器，
其中所述图像传感器包括多个像素，
其中各个像素包括：
形成于第二图形化半导体层内的光电元件，以及至少一个晶体管，形成于第一图形化半导体层内并电连接到光电元件，所述第一图形化半导体层与第二图形化半导体层分隔。
23.根据权利要求19所述的图像处理系统，其中所述光电元件为二极管，其包括：形成于所述第二图形化半导体层内的N型区域；以及形成于所述第二图形化半导体层内并包围所述N型区域的P型区域。
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