圖像傳感器的製作方法

2023-05-23 06:19:11

相關申請的交叉引用

本申請要求2016年1月11日提交的第10-2016-0003084號、題為「圖像傳感器」的韓國專利申請的優先權，該申請通過引用整體合併於此。

背景技術：

本發明的示例性實施例總體而言涉及一種半導體器件，更具體地，涉及一種圖像傳感器。

圖像傳感器將光學圖像轉換為電信號。隨著計算機和通信產業的發展，在各種應用(諸如數位照相機、攝像機、智慧型電話、遊戲機、監控攝像機、醫用微型攝像機和機器人等)中對具有改善性能的圖像傳感器的需求有所增加。

技術實現要素：

本發明的實施例針對一種具有改善性能的圖像傳感器。

根據本發明的實施例，一種圖像傳感器可以包括：多個單位像素組；以及隔離結構，適用於在多個單位像素組之間進行絕緣。隔離結構包括：第一導電類型導電層，形成在襯底之上；以及第二導電類型拾取區，形成在第一導電類型導電層中並且設置在多個單位像素組中的每個之間。此外，隔離結構還可以包括：元件隔離層，形成在第一導電類型導電層之上並且具有與第二導電類型拾取區接觸的底表面；以及插塞，穿過元件隔離層而形成，並且連接第二導電類型拾取區。

正電壓可以被施加至第二導電類型拾取區，所述正電壓在高於接地電壓至等於或低於電源電壓的電壓範圍內變化。多個單位像素組以全局快門模式操作，正電壓可以在積分時間(integrationtime)期間被施加至第二導電類型拾取區。多個單位像素組以捲簾快門模式操作，正電壓可以一直被施加至第二導電類型拾取區。第一導電類型導電層可以包括在襯底中形成的第一導電類型阱，或者在襯底之上形成的第一導電類型外延層。每個單位像素組可以包括：光接收部分，包括多個光電轉換元件，所述多個光電轉換元件適用於響應於入射光而產生光電荷並且共用單個浮置擴散區；以及輸出部分，適用於輸出與光接收部分中產生的光電荷相對應的圖像信號。第二導電類型拾取區可以設置在每個光接收部分之間。第二導電類型拾取區可以具有點的形狀。

根據本發明的另一實施例，圖像傳感器包括：多個單位像素組；隔離結構，適用於在多個單位像素組之間進行隔離絕緣；以及第一導電類型的第一拾取區，形成在隔離結構中並且設置在多個單位像素組中的每個之間。隔離結構可以包括：第一導電類型導電層；以及第二導電類型的第二拾取區，形成在第一導電類型導電層中並且設置在多個單位像素組中的每個之間。此外，隔離結構還可以包括：元件隔離層，形成在第一導電類型導電層之上並且具有與第一拾取區和第二拾取區接觸的底表面；第一插塞，穿過元件隔離層而形成，並且連接第一拾取區；以及第二插塞，穿過元件隔離層而形成，並且連接第二拾取區。

正電壓可以被施加至第二拾取區，所述正電壓在高於接地電壓至等於或低於電源電壓的電壓範圍內變化。多個單位像素組以全局快門模式操作，正電壓可以在積分時間期間被施加至第二拾取區。多個單位像素組以捲簾快門模式操作，正電壓可以一直被施加至第二拾取區。接地電壓可以被施加至第一拾取區。第一導電類型導電層可以包括在襯底中形成的第一導電類型阱，或者在襯底之上形成的第一導電類型外延層。每個單位像素組可以包括：光接收部分，包括多個光電轉換元件，所述多個光電轉換元件適用於響應於入射光而產生光電荷並且共用單個浮置擴散區；以及輸出部分，適用於輸出與光接收部分中產生的光電荷相對應的圖像信號。第一拾取區可以設置在每個輸出部分之間。第二拾取區可以設置在每個光接收部分之間。第一拾取區和第二拾取區可以具有點的形狀。

附圖說明

圖1是示意性地圖示根據本發明的實施例的圖像傳感器的框圖。

圖2是局部地圖示根據本發明的第一實施例和第二實施例的像素陣列的俯視圖。

圖3是根據本發明的第一實施例的沿著圖2中所示的像素陣列的a-a'線截取的截面圖。

圖4是根據本發明的第二實施例的沿著圖2中所示的像素陣列的a-a'線截取的截面圖。

圖5是示意性地圖示與圖2的a-a'線相對應的勢壘的圖。

圖6是局部地圖示根據本發明的第三實施例和第四實施例的像素陣列的俯視圖。

圖7是根據本發明的第三實施例的沿著圖6中所示的像素陣列的a-a'線截取的截面圖。

圖8是根據本發明的第四實施例的沿著圖6中所示的像素陣列的a-a'線截取的截面圖。

圖9是圖示根據本發明的實施例的電子設備的示圖。

具體實施方式

以下將參照附圖詳細描述本發明的示例性實施例。

附圖不一定成比例，在某些情況下，附圖中的至少一些結構的比例可以被放大以清楚地說明所描述示例或實施方式的某些特徵。在附圖或描述中表示一個在多層結構中具有兩層或更多層的特定示例中，所示的這些層的相對位置關係或這些層的布置順序反映了所述示例或所示示例的特定實施方式，而這些層的不同的相對位置關係或布置順序可以是可能的。另外，所述或所示的多層結構的示例可以不反映在該特定多層結構中存在的所有層(例如，一個或更多個額外層可以存在於兩個所示層之間)。作為特定實施例，當所述或所示多層結構中的第一層被稱為在第二層「上」或「之上」或者在襯底「上」或「之上」，第一層不僅可以直接形成在第二層或襯底上，還可以表示一個或更多個其他的中間層可以存在於第一層和第二層或襯底之間的結構。

如下所述的本發明的各種實施例提供了具有改善性能的圖像傳感器。改善的性能可以指提供高像素圖像的能力。更具體地，其可以指抑制通常隨著圖像傳感器的集成密度增加而增加的高光溢出現象，以提供高像素圖像。

如圖1中所示，根據本發明的實施例的圖像傳感器可以包括像素陣列100、相關雙採樣單元(cds)120、模數轉換器(adc)130、緩衝器140、行驅動器150、時序發生器160、控制寄存器170和斜坡信號發生器180。像素陣列100可以包括以矩陣結構布置的多個單位像素組110(或像素)。

時序發生器160可以產生用於控制行驅動器150、相關雙採樣單元120、模數轉換器130和斜坡信號發生器180的操作的控制信號。控制寄存器170可以產生用於控制斜坡信號發生器180、時序發生器160和緩衝器140的操作的控制信號。

行驅動器150可以以行線為單位基數來驅動像素陣列100，即每次一個或更多個行線。例如，行驅動器150可以產生能夠從多個行線中選擇一個行線的選擇信號。一個或更多個單位像素組110可以耦接至每個行線，而僅一個行線可以耦接至每個單位像素組110。在圖1的實施例中，多個單位像素組110耦接至每個行線。

每個單位像素組110可以檢測入射光以經由相應的列線將圖像重置信號和圖像信號輸出至相關雙採樣單元120。相關雙採樣單元120可以對每個接收到的圖像信號和每個圖像重置信號進行採樣。一個或更多個單位像素組110可以耦接至每個列線，而僅一個列線可以耦接至每個單位像素組110。模數轉換器130可以將從斜坡信號發生器180接收的斜坡信號與從相關雙採樣單元120接收的採樣信號進行比較，以產生比較信號。模數轉換器130可以基於從時序發生器160接收的時鐘信號而對比較信號的電平轉變時間計數，以將計數值輸出至緩衝器140。斜坡信號發生器180可以在時序發生器160的控制下操作。

緩衝器140可以儲存從模數轉換器130輸出的多個計數值作為數位訊號。緩衝器140可以感測放大及輸出計數值。緩衝器140可以包括用於儲存計數值的存儲器(未示出)，所述計數值與從單位像素組110輸出的信號相關聯。緩衝器140還可以包括用於感測和放大從存儲器輸出的計數值的感測放大器(未示出)。

為了提供高解析度圖像，集成在像素陣列100中的像素的數量通常應是高的。因為，更多數量的像素應布置在有限區域以內，所以每個像素的尺寸已逐漸減小。而且，為了在更小尺寸的像素內獲得最大填充因子，已引入具有多個單位像素組110的圖像傳感器，所述單位像素組具有共用的像素結構。然而，存在不利之處，因為隨著像素尺寸減小，圖像質量也可能由於高光溢出現象而降低，在所述高光溢出現象中，光電轉換元件中產生的光電荷流入相鄰的光電轉換元件中。

以下參照附圖描述的本發明的各個實施例針對能夠抑制高光溢出現象的圖像傳感器。

圖2是具體圖示根據本發明的第一實施例和第二實施例的圖像傳感器中的像素陣列的一部分的俯視圖。圖3是根據本發明的第一實施例的沿著圖2中所示的像素陣列的a-a'線截取的截面圖。

如圖2和圖3所示，根據本發明的第一實施例，像素陣列100可以包括多個單位像素組110和用於在多個單位像素組110之間進行絕緣的隔離結構210。

在根據第一實施例的像素陣列100中，每個單位像素組110可以包括光接收部分111，被配置成響應於入射光而產生光電荷；和輸出部分113，被配置成輸出與光接收部分111中產生的光電荷的量相對應的圖像信號。

光接收部分111可以包括一個或更多個光接收單元112，其可以共用單個浮置擴散區fd。每個光接收單元112可以包括：光電轉換元件pd，被配置成響應於入射光而產生光電荷；和傳輸電晶體tx，被配置成響應於傳輸信號而將光電轉換元件pd中產生的光電荷傳送到浮置擴散區fd。光電轉換元件pd可以是任何合適的光電轉換元件。例如，光電轉換元件pd可以包括光電二極體(未示出)。根據圖2所示的第一實施例，四個光接收單元112共用單個浮置擴散區fd。四個光接收單元112可以布置成圍繞浮置擴散區fd，以優化空間利用。

輸出部分113可以響應於經由行線施加的選擇信號而將圖像信號輸出至列線。輸出部分113可以包括重置電晶體rx、源極跟隨電晶體dx和選擇電晶體sx。在每個單位像素組110中，當在列方向觀察時，輸出部分113可以位於光接收部分111的一側。例如，根據第一實施例，當在列方向觀察時，輸出部分113可以位於光接收部分111上方。

在根據第一實施例的像素陣列100中，隔離結構210可以在多個單元像素組110之間進行絕緣，同時，還可以在每個單位像素組110中的光電轉換元件pd、光發射部分111和輸出部分113之間進行隔離。隔離結構210可以包括：導電層211，形成在襯底200上；和拾取區212，形成在導電層211上並且設置在兩個相鄰的單位像素組110之間。導電層211可以是或者包括第一導電類型層。拾取區可以是或者包括第二導電類型層。第一導電類型和第二導電類型可以是相反的導電類型。例如，第一導電類型可以是p型，而第二導電類型可以是n型。

襯底200可以包括半導體襯底。半導體襯底可以包括單晶態含矽材料。例如，襯底200可以包括單晶含矽材料。

第一導電類型導電層211可以包括與襯底200材料相同的材料。例如，導電層211可以包括含矽材料。具體地，導電層211可以包括在襯底200中形成的第一導電類型阱211，或者在襯底200上形成的第一導電類型外延層。第一實施例圖示了導電層可以是第一導電類型阱211(即，p型阱211)並且p型阱可以貫穿整個襯底200而形成的情況。因此，「導電層」和「阱」將由同一參考標號「211」來表示。

在本文中，光接收部分111中的光電轉換元件pd可以在導電層211的內部形成。每個傳輸電晶體tx可以形成在導電層211的頂部上。每個光電轉換元件pd可以包括光電二極體，並且光電二級管可以具有p型雜質區201和n型雜質區202的垂直層疊。

第二導電類型拾取區212可以用於抑制高光溢出現象，並且可以設置在兩個相鄰的單位像素組110之間。拾取區212可以具有點的形狀。為了有效地抑制高光溢出現象，拾取區212可以設置在每個單位像素組110的光接收部分111的兩個相鄰的光接收單元112之間。例如，拾取區212可以位於相鄰的光電轉換元件pd之間的中心內。因此，可以有效地抑制高光溢出現象，並且可以在布局上沒有特殊變化的情況下設置拾取區212。拾取區212和浮置擴散區fd可以沿任意方向交替地布置，例如沿行方向交替布置。

為了更有效地抑制高光溢出現象，可以對拾取區212施加高於接地電壓(gnd)的正電壓。具體地，可以對拾取區212施加高於接地電壓(gnd)且等於或低於電源電壓(vdd)的正電壓。在本文中，施加至拾取區的電壓可以在上述正電壓範圍內變化。例如，施加至拾取區212的電壓可以基於暗圖像中產生的噪聲信號而改變。具體地，隨著噪聲信號增加，可以對拾取區212施加接近於電源電壓(vdd)的電平的電壓。另外，電壓被施加至拾取區212的時間點可以根據快門模式而變化。具體地，如果可以使用捲簾快門模式，則可以一直將給定電壓施加至拾取區212。另一方面，如果可以使用全局快門模式，則可以一直或者僅在積分時間期間將給定電壓施加至拾取區212。在積分時間期間施加至拾取區212的電壓可以以脈衝形式供應，這在功耗方面有利。例如，術語「積分時間」可以指可以通過將入射光照射至光電轉換元件pd上而產生光電荷的時間，例如光電轉換元件pd可暴露於入射光的時間。

如上所述，根據第一實施例的像素陣列100包括具有拾取區212的隔離結構210，這可以有效地抑制高光溢出現象。

圖4是沿著圖2的a-a』線截取的截面圖，圖示了根據本發明的第二實施例的像素陣列。為了方便說明，將使用與第一實施例中所使用的相同的參考標號，並且將省略與第一實施例中所使用的相同的元件的詳細描述。

如圖2和圖4所示，根據本發明的第二實施例的像素陣列100可以包括多個單位像素組110和用於在多個單位像素組110之間進行絕緣的隔離結構210。

在根據第二實施例的像素陣列100中，隔離結構210除了根據第一實施例的隔離結構之外，還可以包括元件隔離層213和穿過元件隔離層213而形成的插塞214。

具體地，根據第二實施例的隔離結構210可以包括：第一導電類型導電層211，形成在襯底200上；元件隔離層213，形成在導電層211上，以在多個單位像素組110之間進行絕緣；第二導電類型拾取區212，形成在導電層211中和元件隔離層213之下，並且設置在兩個相鄰的單位像素組110之間；以及多個插塞214，穿過元件隔離層213而形成，以分別電連接至拾取區212。元件隔離層213可以通過淺溝槽隔離(sti)工藝來形成。元件隔離層213可以是由任何合適的電介質材料製成的單層，例如選自一組包括氧化物、氮化物和氮氧化物及其任意組合的電介質材料中的一種。元件隔離層可以是由兩個或更多個層製成的多層，每層包括氧化物、氮化物和氮氧化物及其任意組合的一種或更多種適合的電介質材料。穿過元件隔離層213而形成的插塞214可以用於對拾取區212施加給定電壓，並且可以具有柱形，其至少部分地與拾取區212重疊。插塞214可以是錐形的，在與拾取區212的接口處具有最小的橫截面。

如上所述，根據第二實施例的像素陣列100可以包括具有拾取區212的隔離結構210，這可以有效地抑制高光溢出現象。

在後文中，將參照圖5來描述通過拾取區212可以抑制高光溢出現象的原理。圖5是示意性地圖示與圖2的a-a'線相對應的勢壘的圖。

如圖5中所示，光電子可以在光電轉換元件pd中累積，光電轉換元件pd被第一導電類型導電層211(例如p型阱211)圍繞。如果第二導電類型拾取區212(例如n型拾取區212)不存在，則p型阱中的勢壘可以如虛線所示地形成，並且在光電轉換元件pd中過量產生的光電荷將越過p型阱211的勢壘到相鄰的光電轉換元件pd，以導致高光溢出現象。

然而，如果按以上實施例中所述地來提供n型拾取區212，則即使在光電轉換元件pd中過量產生的光電荷越過p型阱211的勢壘，這些光電荷也將被施加至n型拾取區212的電壓(即，電源電壓(vdd))移除，因此將不會影響相鄰的光電轉換元件pd。

另外，n型拾取區212還可以抑制當p型阱211中產生的電荷可以流入光電轉換元件pd中時出現的暗電流。具體地，由於進入p型阱211的入射光、操作溫度的升高或一些其他原因，p型阱211中產生的少數載流子電子可以被n型拾取區212移除。

如上所述，由於n型拾取區212可以抑制高光溢出現象和暗電流的產生，因此根據本發明的實施例的包括像素陣列100的圖像傳感器可以提供清楚而清晰的圖像信號。

同時，在上述的第一實施例和第二實施例中，為了通過被施加了正電壓的拾取區212來抑制高光溢出現象，第一導電類型導電層211(例如p型阱)應保持在恆定電壓電平，例如接地電壓(gnd)電平。通常，因為施加給p型阱211的接地電壓(gnd)可以從像素陣列100的最外部來供應，所以像素陣列100的邊緣的電壓電平可以與圖像傳感器中p型阱211的電壓電平不同。由於這個原因，圖像傳感器的特性可能會劣化。因此，如下所述的本發明的第三實施例和第四實施例針對用於抑制高光溢出現象，同時無論像素陣列100的位置如何都將p型阱211的電壓電平保持在恆定電平的方法。

圖6圖示了根據本發明的第三實施例和第四實施例的像素陣列，並且更具體地，圖6是僅圖示像素陣列的一部分的俯視圖。圖7是根據的第三實施例的沿著圖6的像素陣列的a-a』線截取的截面圖。

如圖6和圖7所示，根據的第三實施例的像素陣列100可以包括：多個單位像素組110；隔離結構210，用於在多個單位像素組110之間進行隔離；以及第一導電類型的第一拾取區220，形成在隔離結構210中。在本文中，多個單位像素組110和包括第二拾取區212的隔離結構210可以與第一實施例中所述的基本相同，因此將省略其詳細描述。以供參考，在第三實施例中的第二拾取區212與第一實施例中的拾取區212基本相同。

在根據第三實施例的像素陣列100中，第一導電類型的第一拾取區220可以用於將第一導電類型導電層211(例如p型阱211)保持在恆定電壓電平，而無論像素陣列100的位置如何。可以一直對第一拾取區220施加接地電壓(gnd)。第一拾取區220可以設置在多個單位像素組110的兩個相鄰的單位像素組110之間，並且可以具有點的形狀。在本文中，第一拾取區220可以設置在兩個相鄰的輸出部分113之間，以便使用第二拾取區212來有效地抑制高光溢出現象。因此，第一拾取區220可以沿任意方向(例如，列方向)與第二拾取區212交替地布置。

如上所述，根據第三實施例，像素陣列100可以包括第一拾取區220和第二拾取區212，這可以更有效地抑制高光溢出現象。

圖8是根據本發明的第四實施例的沿著圖6的像素陣列的a-a』線截取的截面圖。

如圖6和圖8所示，根據的第四實施例的像素陣列100可以包括：多個單位像素組110；隔離結構210，用於在多個單位像素組110之間進行絕緣；以及第一導電類型的第一拾取區220，形成在隔離結構210中。在本文中，多個單位像素組110和隔離結構210可以與第二實施例中所述的基本相同，因此將省略其詳細描述。以供參考，根據第四實施例，可以包括在隔離結構210中的元件隔離層213、第二插塞214和第二拾取層212可以與上面參照第二實施例所描述的元件隔離層213、插塞214和拾取區基本相同。

在根據第四實施例的像素陣列100中，第一導電類型的第一拾取區220可以用於將第一導電類型導電層211(例如，p型阱211)保持在恆定電壓電平，而無論像素陣列100的位置如何。可以通過第一插塞222對第一拾取區220一直施加接地電壓(gnd)，所述第一插塞222穿過元件隔離層213連接至第一拾取區220。第一拾取區220可以設置在單位像素組110的兩個相鄰的單位像素組110之間，並且可以具有點的形狀。在本文中，第一拾取區220可以設置在輸出部分113的兩個相鄰的輸出部分113之間，以便使用第二拾取區212來有效地抑制高光溢出現象。因此，第一拾取區220可以沿列方向與第二拾取區212交替地布置。

如上所述，根據第四實施例，像素陣列100可以包括第一拾取區220和第二拾取區212，這可以有效地抑制高光溢出現象。

如上所述，根據本發明，使用拾取區可以抑制高光現象。

根據實施例的前述圖像傳感器可以應用至各種電子設備。在下文中，參照圖9，描述了包括根據本發明的實施例的圖像傳感器的電子設備的示例。具體地，圖9的電子設備可以是能夠捕捉靜止圖像的數位相機。

如圖9中所示，電子設備可以包括光學透鏡310、快門311、圖像傳感器300、驅動電路313和信號處理電路312。圖像傳感器300可以具有與包括圖2至圖8中所示的像素陣列100的圖像傳感器相同的配置。

光學透鏡310可以在圖像傳感器300的成像表面上形成來自物體的入射光的圖像。因此，在預定時間段期間，與信號相對應的電荷可以在圖像傳感器300中累積。驅動電路313可以將傳輸操作信號供應至圖像傳感器300。可以由從驅動電路313供應的驅動信號(或時序信號)來執行圖像傳感器300的信號傳輸。信號處理電路312可以執行各種類型的信號處理。經歷信號處理的圖像信號可以被儲存在諸如半導體存儲器件的儲存介質中，或者可以被輸出至監控器。

雖然已經針對具體實施例來描述本發明，但是對於本領域技術人員將顯而易見的是，在不脫離所附權利要求中限定的本發明的精神和/或範圍的情況下，可以做出各種改變和變型。