本發(fā)明涉及一種影像感測器像素結(jié)構(gòu)，特別是涉及一種背照式(back side illumination，以下簡稱為BSI)的影像感測器像素結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

隨著電腦和通訊工業(yè)的發(fā)展，高效率影像感測器的需求隨之增加，其可應(yīng)用在各種領(lǐng)域，例如數(shù)碼相機、攝錄象機、個人通訊系統(tǒng)、游戲元件、監(jiān)視器、醫(yī)療用的微相機、機器人等。

BSI影像感測器為現(xiàn)今一種常見的高效率影像感測裝置，且由于BSI影像感測器可以整合于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制作工藝制作，因此具有制作成本較低、元件尺寸較小以及集成度較高的優(yōu)點。此外，BSI影像感測器還具有低操作電壓、低功率消耗、高量子效率(quantum efficiency)、低噪聲(read-out noise)以及可根據(jù)需要進行隨機存取(random access)等優(yōu)勢，因此已廣泛應(yīng)用在現(xiàn)有的電子產(chǎn)品上。

隨著元件尺寸的持續(xù)縮小以及半導(dǎo)體制作工藝的進步，BSI影像感測器的尺寸日益微縮。但是，除了尺寸要求之外，BSI影像感測器更面臨諸多要求如光電轉(zhuǎn)換效率(photo-electric conversion efficiency)、靈敏度(sensitivity)、低噪聲(noise)等。簡單地說，BSI影像感測器仍然需要不停的改良。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一目的在于提供一種BSI影像感測器像素結(jié)構(gòu)，以解決上述問題。

為達上述目的，本發(fā)明提供一種BSI影像感測器像素結(jié)構(gòu)，該BSI影像感測器像素結(jié)構(gòu)包含有一基底、一形成于該基底內(nèi)的感光元件、二個氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(oxide-semiconductor field effect transistor，以下簡稱為OS FET)元件、以及一電容。該基底包含有一正面與一背面，而該感光元件即用以接收一穿過該基底的該背面的入射光。該二個OS FET元件設(shè)置于該基底 的該正面上，且直接設(shè)置于該感光元件上。該電容設(shè)置于該基底的該正面上，且直接設(shè)置于該感光元件與該二個OS FET元件上。該二個OS FET元件與該感光元件重疊，而該電容與該感光元件以及該二個OS FET元件重疊。

本發(fā)明另提供一種影像感測器像素結(jié)構(gòu)，包含有一基底、一形成于該基底內(nèi)的感光元件、一充電控制(charge control)OS FET元件、一放電控制(discharge control)OS FET元件、以及一電容。該基底包含有一正面與一背面，而該感光元件即用以接收一穿過該基底的該正面或該背面的入射光。該充電控制OS FET元件設(shè)置于該基底的該正面上，且電連接至該感光元件。該放電控制OS FET元件設(shè)置于該基底的該正面上，且電連接至該充電控制OS FET元件。該電容也設(shè)置于該基底的該正面上，且電連接至該充電控制OS FET元件與該放電控制OS FET元件。

根據(jù)本發(fā)明所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)以及BSI影像感測器像素結(jié)構(gòu)，在基底的正面提供二個與感光元件以及電容電連接的OS FET元件。從結(jié)構(gòu)上來說，由于這二個OS FET元件重疊設(shè)置于感光元件之上，而電容重疊設(shè)置于這二個OS FET元件之上，故感光元件、OS FET元件、電容形成一堆疊結(jié)構(gòu)，也就是說OS FET元件以及電容的設(shè)置并不占用任何基底面積。而從電性關(guān)系上來說，上述二個OS FET元件分別作為一充電控制元件與一放電控制元件，當(dāng)該放電控制OS FET元件開啟時，可將電容內(nèi)的電荷清除；而當(dāng)充電控制OS FET元件開啟時，可將得自于感光元件的電荷儲存于電容中，并進行讀取。此外，這些電荷即使在充電控制OS FET元件關(guān)閉時，仍可有效儲存于電容之中。由于OS FET元件可避免短通道效應(yīng)，故其具有極低的漏電流，因此OS FET元件的使用可有效降低影像感測器和/或BSI影像感測器的功率消耗。簡單地說，本發(fā)明所提供的影像感測器和/或BSI影像感測器像素結(jié)構(gòu)可在不占用有限而珍貴的基底面積的前提下，有效降低影像感測器和/或BSI影像感測器的功率消耗。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)的一優(yōu)選實施例的示意圖；

圖2為本發(fā)明所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)選實施例的示意圖；

圖3為本發(fā)明所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)的一變化型的示意圖；

圖4為本發(fā)明的一優(yōu)選實施例所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)的一電路圖；

圖5為本發(fā)明另一優(yōu)選實施例所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)的一電路圖。

主要元件符號說明

10 影像感測器像素結(jié)構(gòu)

12 工作模塊

100 基底

102 隔離結(jié)構(gòu)

104 MOS晶體管元件

106 MOS電容

110 感光元件

120 內(nèi)層介電層

122 接觸插塞

130 內(nèi)連線結(jié)構(gòu)

132 介電層

134 金屬層

136 介層插塞

140C 充電控制OS FET元件

140D 放電控制OS FET元件

142a 第一柵極結(jié)構(gòu)

142b 第二柵極結(jié)構(gòu)

1420 第一柵極電極

1422 第一柵極介電層

1424 氧化物半導(dǎo)體層

1426 第二柵極介電層

1428 第二柵極電極

144a 第一源極電極

144b 第二源極電極

146a 第一漏極電極

146b 第二漏極電極

150 電容

160 感測電路和/或ADC電路

具體實施方式

請參閱圖1至圖2，圖1至圖2分別為本發(fā)明所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)的優(yōu)選實施例的示意圖。如圖1所示，本優(yōu)選實施例所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)10包含有一基底100，基底100可以例如是一硅基底、一含硅(silicon-containing)基底、一三五族覆硅(III-V group-on-silicon)基底例如氮化鎵覆硅(GaN-on-silicon)基底、一石墨烯覆硅基底(graphene-on-silicon)或一硅覆絕緣(silicon-on-insulator，SOI)基底等，但不限于此?；?00包含一正面100F與一相對的背面100B?；?00內(nèi)形成有多個感光元件110，例如一光電二極管(photodiode)?；?00內(nèi)還包含多個隔離結(jié)構(gòu)102，用以隔離感光元件110，避免噪聲(noise)的產(chǎn)生。隔離結(jié)構(gòu)102內(nèi)可填入折射率不同于基底100的材料，因此隔離結(jié)構(gòu)102不僅可用以隔離感光元件110，甚至可用來將入射光反射進入感光元件110，以更提升光電轉(zhuǎn)換率。另外需注意的是，為清楚表示本優(yōu)選實施例所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)10，圖1中僅繪示出單一像素結(jié)構(gòu)，但熟悉該項技術(shù)的人士應(yīng)可根據(jù)圖1的揭露輕易思及基底100內(nèi)其他像素的結(jié)構(gòu)組成。此外，在本發(fā)明的實施例中描述的像素結(jié)構(gòu)可以依需要按照常規(guī)的視頻圖形陣列(video graphics array，VGA)、高分辨(high definition，HD)、全高分辨(full HD，F(xiàn)HD)、或四倍超高分辨(4k ultra high definition，4k UHD，或簡稱4k)方法布置成二維陣列，例如640×480陣列、1280×720陣列、1920×1080陣列、或3820×2160陣列，但不限于此。

如圖1所示，基底100的正面100F上，可依需求設(shè)置至少一金屬氧化物半導(dǎo)體(metal-oxide-semiconductor，以下簡稱為MOS)晶體管元件104以及一MOS電容106，但熟悉該項技術(shù)的人士應(yīng)知基底100的正面100F上所包含的組成元件并不限于此。舉例來說，基底100的正面100F上也可包含一n井電容?；?00的正面100F上，還設(shè)置有一內(nèi)層介電層(interlayer dielectric，以下簡稱為ILD)層120，以及多個設(shè)置于ILD層120內(nèi)，用以實體以及電連接MOS晶體管104、MOS電容106以及感光元件110的接觸插塞122。熟悉該項技術(shù)的人士應(yīng)知，上述隔離結(jié)構(gòu)102、感光元件110、MOS晶體管104、MOS電容106、ILD層120以及接觸插塞122等組成元件可通 過半導(dǎo)體前段制作工藝(front-end-of-line，F(xiàn)EOL)完成，故在此不予贅述。

請仍然參閱圖1。在基底100的正面100F上，還設(shè)置有一內(nèi)連線結(jié)構(gòu)(interconnection structure)130。內(nèi)連線結(jié)構(gòu)130包含多層的層間介電層以及層間金屬介電層(inter-metal dielectric，IMD)等介電層132以及多層金屬層134與介層插塞136。介電層132例如為氧化層，而金屬層134與介層插塞136則例如由鋁或銅所組成，但本發(fā)明并不以此為限。簡單地說，內(nèi)連線結(jié)構(gòu)130的建構(gòu)，通過進行形成各介電層132、在各介電層132內(nèi)形成凹槽(未繪示)、在凹槽內(nèi)填入金屬材料如鋁或銅等(未繪示)以形成金屬層134與介層插塞136等步驟的循環(huán)制作工藝而形成的堆疊結(jié)構(gòu)。

請仍然參閱圖1。更重要的是，本優(yōu)選實施例所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)10還包含有二個OS FET元件140C、140D、以及一電容150，設(shè)置于基底100的正面100F上，且設(shè)置于金屬內(nèi)連線結(jié)構(gòu)130之內(nèi)。如圖1所示，OS FET元件140C、140D直接設(shè)置于感光元件110上，且與感光元件110重疊；而電容150直接設(shè)置該感光元件110與OS FET元件140C、140D上，且與感光元件110以及OS FET元件140C、140D重疊。另外，如圖1所示，OS FET元件140C、140D形成于內(nèi)連線結(jié)構(gòu)130的同一介電層132內(nèi)，但是上述OS FET元件140C、140D與電容150形成于內(nèi)連線結(jié)構(gòu)130的不同介電層132內(nèi)。另外，在本優(yōu)選實施例中，OS FET元件140C、140D雖是形成內(nèi)連線結(jié)構(gòu)130的金屬層間介電(inter-metal dielectric，IMD)層132之內(nèi)，但也可形成于ILD層120之內(nèi)。

OS FET元件140C可包含一第一柵極結(jié)構(gòu)142a、一第一源極電極144a、與一第一漏極電極146a，而OS FET元件140D可包含一第二柵極結(jié)構(gòu)142b、一第二源極電極144b、與一第二漏極電極146b。在本優(yōu)選實施例中，OS FET元件140C、140D可以是雙重柵極(double gate)型態(tài)。因此，如圖1所示，OS FET元件140C、140D的第一柵極結(jié)構(gòu)142a與第二柵極結(jié)構(gòu)142b分別包含一第一柵極電極1420、一第一柵極介電層1422、一氧化物半導(dǎo)體層1424、一第二柵極介電層1426、以及一第二柵極電極1428。在本優(yōu)選實施例中，第一柵極結(jié)構(gòu)142a與第二柵極結(jié)構(gòu)142b的第一柵極電極1420、第一源極電極144a、第一漏極電極146a、第二源極電極144b以及第二漏極電極146b可與內(nèi)連線結(jié)構(gòu)130中的金屬層134同時形成，并且包含與金屬層134相同的材料。另外，第二柵極電極1428可包含與第一柵極電極1420相同的 材料。第一柵極介電層1422與第二柵極介電層1426可包含氧化硅、氮氧化硅、氧化鋁、氮氧化鋁、氧化鉿、氧化鎵等，但不限于此。在本優(yōu)選實施例中，氧化物半導(dǎo)體層1424可包含氧化銦(indium oxide)、氧化錫(tin oxide)、氧化鋅(zinc oxide)；二元金屬氧化物(two-component metal oxide)的In-Zn類氧化物(In-Zn-based oxide)、Sn-Zn類氧化物、Al-Zn類氧化物、Zn-Mg類氧化物、Sn-Mg類氧化物、In-Mg類氧化物、In-Ga類氧化物；三元金屬氧化物(three-component metal oxide)的In-Ga-Zn類氧化物(In-Ga-Zn-based oxide，也稱為IGZO)、In-Al-Zn類氧化物、In-Sn-Zn類氧化物、Sn-Ga-Zn類氧化物、Al-Ga-Zn類氧化物、Sn-Al-Zn類氧化物、In-Hf-Zn類氧化物、In-La-Zn類氧化物、In-Ce-Zn類氧化物、In-Pr-Zn類氧化物、In-Nd-Zn類氧化物、In-Sm-Zn類氧化物、In-Eu-Zn類氧化物、In-Gd-Zn類氧化物、In-Tb-Zn類氧化物、In-Dy-Zn類氧化物、In-Ho-Zn類氧化物、In-Er-Zn類氧化物、In-Tm-Zn類氧化物、In-Yb-Zn類氧化物、In-Lu-Zn類氧化物；以及四元金屬氧化物(four-component metal oxide)的In-Sn-Ga-Zn類氧化物(In-Sn-Ga-Zn-based oxide)、In-Hf-Ga-Zn類氧化物、In-Al-Ga-Zn類氧化物、In-Sn-Al-Zn類氧化物、In-Sn-Hf-Zn類氧化物、In-Hf-Al-Zn類氧化物等。此外，熟悉該項技術(shù)的人士應(yīng)知，上述所指的各類氧化物，例如In-Ga-Zn類氧化物是指作為主要成分具有In、Ga和Zn的氧化物，對In、Ga、Zn的比率沒有限制。除上述材料之外，氧化物半導(dǎo)體層1424優(yōu)選可以包含一C軸配向結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體(C axis aligned crystalline oxide semiconductor，即CAAC-OS)層。

除此之外，本優(yōu)選實施例所提供的電容150包含一金屬-絕緣層-金屬(metal-insulator-metal，MIM)電容，但不限于此。然而，熟悉該項技術(shù)的人士應(yīng)知，本優(yōu)選實施例所提供的電容150也可需要包含一多層金屬-絕緣層-金屬(multi-level MIM)電容。另外，如圖1所示，本優(yōu)選實施例中，第一漏極電極146與第二源極電極144b可為一相同的金屬層。而在本優(yōu)選實施例的一變化型中，同時作為第一漏極電極146與第二源極電極144b的金屬層還可直接作為電容150的一下電極。

上述內(nèi)連線結(jié)構(gòu)130、OS FET元件140C、140D、以及電容150等組成元件可通過半導(dǎo)體后段制作工藝(back-end-of-line，BEOL)完成，在此不予贅述。

請參閱圖2，圖2為本發(fā)明所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)10的另一優(yōu)選 實施例的示意圖。由于圖2中僅有OS FET元件140C、140D與前述實施例不同，故相同組成結(jié)構(gòu)不再贅述。在本優(yōu)選實施例中，OS FET元件140C可包含一第一柵極結(jié)構(gòu)142a、一第一源極電極144a、與一第一漏極電極146a，而OS FET元件140D可包含一第二柵極結(jié)構(gòu)142b、一第二源極電極144b、與一第二漏極電極146b。如圖2所示，OS FET元件140C、140D也是雙重柵極型態(tài)的元件，因此第一柵極結(jié)構(gòu)142a與第二柵極結(jié)構(gòu)142b分別包含一第一柵極電極1420、一第一柵極介電層1422、一氧化物半導(dǎo)體層1424、一第二柵極介電層1426、一第二柵極電極1428。在本優(yōu)選實施例中，第一柵極結(jié)構(gòu)142a與第二柵極結(jié)構(gòu)142b的第一柵極電極1420與第二柵極電極1428可與內(nèi)連線結(jié)構(gòu)130中的金屬層134同時形成，并且包含與金屬層134相同之材料。另外，第一柵極介電層1422、第二柵極介電層1426以及氧化物半導(dǎo)體層1424的材料可同前述優(yōu)選實施例，故于此不再贅述。如圖2所示，在本優(yōu)選實施例中，第一漏極電極146a與第二源極電極144b由不同的金屬層構(gòu)成，并通過其他的金屬層134與介層插塞136彼此電連接，且更電連接至電容150。

另外，請更參閱圖3。圖3為本發(fā)明所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)10的變化型的示意圖。需注意的是，圖3中僅繪示一OS FET元件140C的結(jié)構(gòu)，但熟悉該項技術(shù)的人士應(yīng)可根據(jù)圖3的說明輕易了解另一OS FET元件140D的結(jié)構(gòu)關(guān)系。如前所述，OS FET元件140C可包含一第一柵極結(jié)構(gòu)142a、一第一源極電極144a、與一第一漏極電極146a。根據(jù)本變化型，OS FET元件140C為一單一柵極型態(tài)的結(jié)構(gòu)。因此如圖3所示，第一柵極結(jié)構(gòu)142a包含一柵極電極1420、一柵極介電層1422與一氧化物半導(dǎo)體層1424。柵極電極1420可與內(nèi)連線結(jié)構(gòu)130中的金屬層134同時形成，并且包含與金屬層134相同的材料，但不限于此。柵極介電層1422與氧化物半導(dǎo)體層1424可分別包含上述材料，故于此不再贅述。而源極電極144a以及漏極電極146a也可包含與金屬層134相同的材料，但不限于此。

另外值得注意的是，當(dāng)本優(yōu)選實施例所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)10為一BSI影像感測器像素結(jié)構(gòu)10時，基底100可由背面100B薄化，且基底100的背面100B上可包含平坦層、抗反射層、彩色濾光陣列、微透鏡等組成結(jié)構(gòu)。由于上述組成元件為該領(lǐng)域中具通常知識者所熟知，故于此不再贅述，且未示于圖中。是以，感光元件110可用以接收一穿過基底100的背面 100B的入射光。

此外，電容150可通過金屬層134和/或介層插塞136電連接至OS FET元件140C、140D，而OS FET元件140C、140D則可通過金屬層134、介層插塞136以及接觸插塞122電連接至感光元件110。上述電連接關(guān)系將于后續(xù)詳細說明，故此處先不予贅述。

請重新參閱圖1與圖2。根據(jù)本發(fā)明所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)和/或BSI影像感測器像素結(jié)構(gòu)10，在基底100的正面100F提供二個與感光元件110以及電容150電連接的OS FET元件140C、140D。如圖1與圖2所示，由于這二個OS FET元件140C、140D重疊設(shè)置于感光元件110之上，而電容150重疊設(shè)置于這二個OS FET元件140C、140D之上，故感光元件110、OS FET元件140C、140D、電容150形成一堆疊結(jié)構(gòu)，故OS FET元件140C、140D與電容150的設(shè)置并未增加一個像素結(jié)構(gòu)所需的面積。換句話說，感光元件110、OS FET元件140C、140D、電容150形成的堆疊結(jié)構(gòu)可維持影像感測器的集成度。

接下來請參閱圖4，圖4為本發(fā)明所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)10的電路圖。此外，可同時參閱圖1、圖2與圖4，以更了解本發(fā)明所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)10的電性關(guān)系。如前所述，本發(fā)明所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)10提供了設(shè)置于基底100內(nèi)的感光元件110、設(shè)置于基底100正面100F且與感光元件110重疊的二個OS FET元件140C、140D、以及設(shè)置于基底100正面100F且與感光元件110和二個OS FET元件140C、140D重疊的電容150。更詳細的說，前述二個OS FET元件140C、140D分別為一充電控制(charge control)OS FET元件140C與一放電控制(discharge control)OS FET元件140D。如圖1、圖2以及圖4所示，充電控制OS FET元件140C電連接至感光元件110，放電控制OS FET元件140D電連接至充電控制OS FET元件140C，而電容150則電連接至充電控制OS FET元件140C與放電控制OS FET元件140D。

以下將更詳細說明感光元件110、充電控制OS FET元件140C、放電控制OS FET元件140D、以及電容150的電連接關(guān)系。首先需知的是，如圖1至圖3所示，充電控制OS FET元件140C可包含一第一柵極結(jié)構(gòu)142a、一第一源極電極144a、與一第一漏極電極146a，而OS FET元件140D可包含一第二柵極結(jié)構(gòu)142b、一第二源極電極144b、與一第二漏極電極146b。如 前所述，充電控制OS FET元件140C與放電控制OS FET元件140D可以是單一柵極型態(tài)的元件或雙重柵極型態(tài)的元件，因此第一柵極結(jié)構(gòu)142a與第二柵極結(jié)構(gòu)142b的組成型態(tài)可參考圖1至圖3所示，于此不再贅述。如圖4所示，根據(jù)本發(fā)明的一實施例，充電控制OS FET元件140C的第一源極電極144a電連接至感光元件110，而其第一漏極電極146a則電連接至放電控制OS FET元件140D的第二源極電極144b與電容150。由此可知，電容150與放電控制OS FET元件140D并聯(lián)，且并聯(lián)的電容150與放電控制OS FET元件140D更與充電控制OS FET元件140C與感光元件110串聯(lián)，如圖4所示。

另外，本優(yōu)選實施例所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)10，還可包含至少一感測電路(sense circuit)和/或一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(Analog-to-digital converter circuit，以下簡稱為ADC circuit)160，電連接至充電控制OS FET元件140C與放電控制OS FET元件140D。

請繼續(xù)參閱圖4。根據(jù)本優(yōu)選實施例所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)10，當(dāng)放電控制OS FET元件140D開啟時，可將電容150內(nèi)的電荷清除；而當(dāng)充電控制OS FET元件140C開啟時，可將得自于感光元件110的電荷儲存于電容150中，并由感測電路和/或ADC電路160進行讀取。此外，這些電荷即使在充電控制OS FET元件140C關(guān)閉時，仍可有效儲存于電容150之中。由于OS FET元件140C、140D可避免短通道效應(yīng)，故其具有極低的漏電流，因此OS FET元件140C、140D的使用可有效降低影像感測器和/或BSI影像感測器的功率消耗。更重要的是，由于電荷可儲存于電容150中，以及OS FET元件140C、140D具有極低漏電流等特性，本優(yōu)選實施例所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)10可省卻高速存儲器(high speed memory)以及補償模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(compensation ADC)電路的設(shè)置，故可更加簡化影像感測器像素結(jié)構(gòu)10的制作工藝與產(chǎn)品設(shè)計。

另外值得注意的是，本優(yōu)選實施例所提供的影像感測器像素結(jié)構(gòu)10并不僅使用于BSI影像感測器，上述電路結(jié)構(gòu)也可用于正照式(front side illumination，以下簡稱為FSI)影像感測器。因此，感光元件110可用以接收一穿過基底100的正面100F或背面100B的入射光。

接下來請參閱圖5，圖5為本發(fā)明另一優(yōu)選實施例所提供的一影像感測器像素結(jié)構(gòu)的電路圖。根據(jù)本優(yōu)選實施例，與感光元件110電連接的OS FET 元件140C、140D以及電容150甚或感測電路和/或ADC電路160可視為一工作模塊(working module)12，而每一感光元件110所對應(yīng)的工作模塊12的數(shù)目可依需要并聯(lián)增加，以更提升影像感測器的電性表現(xiàn)，如圖5所示。

綜上所述，本發(fā)明所提供的影像感測器和/或BSI影像感測器像素結(jié)構(gòu)可通過OS FET元件(包含充電控制OS FET元件與放電控制OS FET元件)的設(shè)置，在不占用有限而珍貴的芯片面積的前提下，有效降低影像感測器和/或BSI影像感測器的功率消耗。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，都應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。