CN106847838B - 包括垂直传输门的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器包括：光电转换元件，包括第一杂质区和第二杂质区，其中，第一杂质区接触衬底的第一表面，其中，第二杂质区具有与第一杂质区互补的导电性，并且形成在衬底内和在第一杂质区之下；柱体，形成在光电转换元件之上；传输门，形成在光电转换元件之上以包围柱体；以及通道层，形成在传输门和柱体之间，并且接触光电转换元件，其中，通道层接触第一杂质区，并且具有与第二杂质区相同的导电性。

Description

包括垂直传输门的图像传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年12月4日提交的第10-2015-0172319号韩国专利申请的优先权，该韩国专利申请通过引用全部并入本文。
技术领域
本发明的示例性实施例涉及一种半导体器件，更具体地，涉及一种包括垂直传输门的图像传感器。
背景技术
图像传感器将光学图像转换为电信号。近来，由于计算机产业和通信产业的发展，对于诸如数码相机、摄录相机、PCS(个人通信系统)、游戏机、监控摄像机、医用微型摄像机和机器人的各种设备来讲，对具有改善的性能的图像传感器的需求增加。
发明内容
各种实施例针对一种具有改善的性能的图像传感器。
在实施例中，图像传感器可以包括：光电转换元件，包括第一杂质区和第二杂质区，其中，第一杂质区接触衬底的第一表面，其中，第二杂质区具有与第一杂质区互补的导电性，并且形成在位于衬底内的第一杂质区内；柱体，形成在光电转换元件之上；传输门，形成在光电转换元件之上以包围柱体；以及通道层，形成在传输门和柱体之间，并且接触光电转换元件，其中，通道层接触第一杂质区，并且具有与第二杂质区相同的导电性。
此外，根据实施例的图像传感器还可以包括：滤色器层，形成在衬底的入射表面之上，其中，衬底的入射表面与衬底的第一表面相对，其中，入射光经由滤色器层被引入并传播到光电转换元件；以及聚光构件，形成在滤色器层之上。
第一杂质区可以包围第二杂质区。第一杂质区可以包括接触通道层的第一部分和除第一部分之外的第二部分，并且第一部分的厚度可以小于第二部分的厚度。第二杂质区可以具有渐变的掺杂分布，使得第二杂质区的掺杂浓度沿载流子传送方向逐渐增加。柱体可以是多边形柱体、圆形柱体或椭圆形柱体。柱体可以具有垂直侧壁、倾斜侧壁或形状不规则的侧壁。柱体可以包括绝缘材料。通道层可以与整个光电转换元件叠置。通道层可以包括掺杂多晶硅。传输门可以包括暴露通道层的开口。
在实施例中，图像传感器可以包括：光电转换元件，形成在衬底内；传输门，形成在光电转换元件之上，并且具有穿过传输门的通孔；浮置扩散层，形成在传输门之上；通道层，间隙填充通孔，响应于施加至传输门的信号将光电转换元件电耦合到浮置扩散层，并且以耗尽模式操作；以及电容器，形成在浮置扩散层之上。
此外，根据实施例的图像传感器还可以包括：层间介电层，形成在衬底之上，并且覆盖传输门、浮置扩散层和电容器；逻辑电路层，形成在层间介电层之上；以及接触器，穿过层间介电层，并且将传输门、浮置扩散层和电容器之中的每个电耦合到逻辑电路层。
光电转换元件可以包括形成在衬底内的第一杂质区和第二杂质区、以及形成在衬底中的第三杂质区，其中，第一杂质区和第三杂质区具有彼此相同的导电性，其中，第二杂质区具有与第一杂质区互补的导电性，其中，第一杂质区包围着第二杂质区，其中，第三杂质区设置在通道层和第二杂质区之间。通道层可以具有与第二杂质区相同的导电性。第三杂质区的厚度可以小于与传输门接触的第一杂质区的厚度。第二杂质区可以具有渐变的掺杂分布，使得掺杂浓度沿载流子传送方向增加。传输门可以包括栅电极以及包围栅电极的栅极介电层。栅极介电层可以包括：第一栅极介电层，形成在栅电极和光电转换元件之间；第二栅极介电层，形成在栅电极和浮置扩散层之间；以及第三栅极介电层，形成在栅电极和通道层之间。第一栅极介电层和第二栅极介电层中的每个可以包括低K材料，以及其中，第三栅极介电层可以包括高K材料。电容器可以包括第一电极、介电层和第二电极的层叠，以及其中，第一电极可以包括浮置扩散层。
附图说明
图1是示意性地示出了根据本发明的一个实施例的图像传感器的框图。
图2是示出了根据本发明的一个实施例的图像传感器的平面图。
图3是示出了根据本发明的一个实施例的图像传感器的沿图2所示的线A-A'截取的截面图。
图4是示出了根据本发明的一个实施例的图像传感器的平面图。
图5A至5C是示出了根据本发明的一个实施例的应用于图像传感器的通道结构的透视图。
图6是示出了根据本发明的另一个实施例的图像传感器的截面图。
图7是示出了根据本发明的另一个实施例的图像传感器的截面图。
图8是示出了根据本发明的又一个实施例的图像传感器的平面图。
图9是沿图8所示的线A-A'截取的截面图。
图10是示出了根据本发明的又一个实施例的图像传感器的平面图。
图11是示意性地示出了包括图1所示的图像传感器的电子器件的视图。
具体实施例
下面将参考附图更详细地描述各个实施例。然而，本发明可以以不同的形式实施，而且不应解释为局限于本文所阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底的且完整的，这些实施例将把本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。贯穿本公开，相同的附图标记在本发明的各种实施例和附图中始终指代相同的部分。
附图无需按比例，且在某些情况下，比例可以被夸大，以清楚地示出实施例的特征。当第一层被称作“在”第二层“上”或者“在”衬底“上”时，其不仅可以表示第一层直接形成在第二层或衬底上的情况，也可以表示在第一层与第二层或衬底之间存在第三层的情况。
本发明的以下实施例提供一种具有改善的性能的图像传感器及其制造方法。具有改善的性能的图像传感器意为能够提供高分辨率的图像的图像传感器。由于为了提供高分辨率的图像，需要包括多个高度集成像素的图像传感器，因此在根据实施例的图像传感器中，多个像素中的每个可以包括具有垂直传输门的传输晶体管，以及可以具有其中传输晶体管与光电转换元件层叠的形状。
图1是示意性地示出了根据本发明的一个实施例的图像传感器的框图。
如图1所示，图像传感器可以包括像素阵列100、相关双采样(CDS)单元120、模数转换器(ADC)130、缓冲器140、行驱动器150、时序发生器160、控制寄存器170以及斜坡信号发生器180。像素阵列100可以包括布置为矩阵的多个单位像素110。
时序发生器160可以产生一个或更多个控制信号以控制行驱动器150、CDS单元120、ADC 130和斜坡信号发生器180。控制寄存器170可以产生一个或更多个控制信号以控制斜坡信号发生器180、时序发生器160和缓冲器140。
行驱动器150可以逐行地驱动像素阵列100。例如，行驱动器150可以产生选择信号以选择多个行线中的任意一个行线。每个单位像素110可以感测入射光，并通过列线将图像重置信号和图像信号输出至CDS单元120。CDS单元120可以响应于图像重置信号和图像信号执行采样。
ADC 130可以将从斜坡信号发生器180输出的斜坡信号与从CDS单元120输出的采样信号进行比较，并输出比较信号。根据从时序发生器160提供的时钟信号，ADC 130可以对比较信号的电平转变次数计数，并将计数值输出至缓冲器140。斜坡信号发生器180可以在时序发生器160的控制下操作。
缓冲器140可以储存从ADC 130输出的多个数字信号，然后感测并放大该数字信号。因此，缓冲器140可以包括存储器(未示出)和感测放大器(未示出)。存储器可以储存计数值。计数值可以表示从多个单位像素110输出的信号。感测放大器可以感测并放大从存储器输出的计数值。
为了提供高分辨率的图像，必然应当增加集成在像素阵列100内的单位像素110的数量。即，应当在有限的区域内设置更多的单位像素110，因而应当减小单位像素110的物理尺寸。然而，由于图像传感器以通过每个单位像素响应于入射光而产生的像素信号为基础来操作，所以当单位像素110的物理尺寸减小时，单位像素110的特性劣化。
因此，在根据本发明的以下实施例中，将参考附图详细地描述这样的图像传感器，其由于集成度增加而能够促进高度集成并且避免特性的劣化。
图2是示出了根据本发明的一个实施例的图像传感器的平面图。图3是沿图2所示的线A-A'截取的截面图。图4是示出了根据本发明的另一个实施例的图像传感器的平面图。图5A至图5C是示出了根据本发明的一个实施例的应用于图像传感器的通道结构的透视图。
如图2和图3所示，根据一个实施例的图像传感器可以包括：光电转换元件203，形成在衬底200内；传输门208，形成在光电转换元件203之上，并且具有穿过传输门208的一个或更多个通孔207；浮置扩散层214，形成在传输门208之上；通道结构210，间隙填充每个通孔207，并且响应于施加至传输门208的信号将光电转换元件203电耦合到浮置扩散层214；以及电容器217，形成在浮置扩散层214之上。
此外，图像传感器可以包括：层间介电层209，形成于衬底200之上，并且覆盖传输门208、浮置扩散层214和电容器217；逻辑电路层220，形成在层间介电层209之上；以及接触器C1、C2和C3，穿过层间介电层209，并且将传输门208、浮置扩散层214和电容器217之中的每个电耦合到逻辑电路层220。此外，图像传感器可以包括：滤色器层218，与传输门208相对地定位，并形成在入射表面S1之上，入射光通过入射表面S1被引入并进入光电转换元件203；以及聚光构件219，形成在滤色器层218之上。
在下文中，将详细地描述每个部件。根据本发明的实施例的图像传感器可以包括形成在衬底200内的光电转换元件203。衬底200可以包括半导体衬底。半导体衬底可以处于单晶状态，以及可以包括含硅材料。即，衬底200可以包括单晶的含硅材料。衬底200可以为通过减薄工艺获得的薄衬底。例如，衬底200可以为通过减薄工艺获得的薄的体硅衬底。
光电转换元件203可以包括光电二极管。具体地，光电转换元件203可以包括第一杂质区201和第二杂质区202，第二杂质区202具有与第一杂质区201互补的导电类型，并且接触通道结构210。第二杂质区202可以形成在第一杂质区201内。因此，第一杂质区201可以包围第二杂质区202，第二杂质区202的一部分可以穿过第一杂质区201以接触通道结构210。第一杂质区201可以为P型，第二杂质区202可以为N型。
在垂直方向上，第二杂质区202可以具有均匀的掺杂分布或渐变的分布，在渐变的分布中，掺杂浓度根据载流子传输方向逐渐增加。在后者情况下，由光电转换元件产生的光电荷可以被更有效地传输至传输门208。在此，传输门208的载流子传送方向为面对入射表面S1的方向。
根据本发明的实施例的图像传感器可以包括：滤色器层218，形成在衬底200的入射表面S1之上；以及聚光元件219，形成在滤色器层218之上。滤色器层218可以用于分离颜色，并且包括红色滤色器、绿色滤色器、蓝色滤色器、蓝绿色滤色器、黄色滤色器、品红色滤色器、白色滤色器、黑色滤色器、红外截止滤色器等。聚光元件219可以包括数位透镜或半球形透镜。
根据本发明的实施例的图像传感器可以包括形成在光电转换元件203之上的传输门208。形成在衬底200(其处形成有光电转换元件203)之上的传输门208可以具有平板形状，并且可以与光电转换元件203叠置。即，传输门208可以具有平板形状，并且形成为与每个单位像素相对应。
这样，由于光电转换元件203和传输门208在垂直方向上层叠，因此可以提高集成度。传输门208可以形成在与入射表面相对地定位的表面S2之上。因此，传输门208可以用作关于光电转换元件203的背反射层。在这种情况下，光电转换元件203可以提高量子效率。
此外，传输门208可以包括一个或更多个穿过传输门208的通孔207。通道结构210间隙填充通孔207。通孔207的平面形状可以为具有三边或更多边的多边形、圆形或椭圆形。因此，间隙填充通孔207的通道结构210可以为具有三边或更多边的多边形柱状、圆形柱状、环形柱状或筒形。
如图2所示，传输门208可以具有单个通孔207。在这种情况下，通孔207可以设置在传输门208的中心部。在另一个实施例中，如图4所示，传输门208可以具有多个通孔207，多个通孔207可以以矩阵状设置在传输门208内。多个通孔207中的每个的平面形状可以相同或不同。
此外，传输门208可以包括栅电极205和栅极介电层206，栅极介电层206形成在栅电极205的全部表面上以密封栅电极205。即，栅电极205可以通过栅极介电层206与诸如光电转换元件203、浮置扩散层214等的相邻结构绝缘。栅电极205可以包括半导体材料，半导体材料包括硅或金属材料。
包围栅电极205的栅极介电层206可以具有均匀的厚度。即，设置在光电转换元件203和栅电极205之间的第一栅极介电层206A、设置在栅电极205和浮置扩散层214之间的第二栅极介电层206B以及形成在栅电极205的侧壁上的第三栅极介电层206C可以具有彼此相同的厚度。
第一栅极介电层206A、第二栅极介电层206B和第三栅极介电层206C可以由彼此相同的材料形成。例如，第一栅极介电层206A、第二栅极介电层206B和第三栅极介电层206C中的每个可以包括高K(高介电常数)材料。在此，“高K”材料意为介电常数高于氧化硅的材料。
根据本发明的实施例的图像传感器可以包括穿过传输门208并电耦合到光电转换元件203的通道结构210。通道结构210可以间隙填充传输门208的通孔207。于是，通道结构210可以具有柱状。供参考，参考图5A至图5C描述的通道结构210可以应用于其他实施例。
具体地，如图3和图5A所示，通道结构210可以包括：通道层211，形成在通孔207的侧壁上，并且具有环形柱状；以及密封层212，间隙填充剩余的通孔207。环形柱状可以便于通道层211在断开状态下完全耗尽。因此，能够提高传输门208的栅极可控性。例如，断开状态意为任何偏压都没有施加于传输门208的平衡态。
此外，如图5B所示，通道结构210可以包括：通道层211，形成在通孔207的侧壁和底表面上，并且具有筒形；以及密封层212，间隙填充剩余的通孔207。具有筒形的通道层211可以具有在断开状态下足以完全耗尽的线宽，从而可以提高传输门208的栅极可控性。此外，可以增加光电转换元件203接触通道层211的区域，从而可以减小通道电阻率。
此外，通道结构210可以包括：密封层212，与通孔207的侧壁间隔开并形成在通孔207内；以及通道层211，形成在通孔207的侧壁上和通孔207的底部之上，并且具有倒转的筒形。即，在通道层211中，具有相对大的接触面积的表面与浮置扩散层214接触，具有相对小的接触面积的表面与光电转换元件接触。
此外，如图5C所示，通道结构210可以包括具有柱状且间隙填充通孔207的通道层211。具有柱状的通道层211可以通过简单的工艺来形成，并且具有足以在断开状态下使通道完全耗尽的线宽。
在上述通道结构210中，通道层211可以包括含硅材料。例如，通道层211可以包括多晶硅。具体地，通道层211可以包括未掺杂有任何杂质的不掺杂多晶硅或者掺杂有P型杂质的P型多晶硅。
在这种情况下，传输晶体管可以以增强模式操作。此外，通道层211可以包括掺杂有N型杂质的多晶硅。在这种情况下，传输晶体管可以以耗尽模式操作，并且改善在断开状态下的暗电流特性。密封层212可以包括绝缘材料。例如，密封层212可以包括氧化物、氮化物、氮氧化物或它们的组合。
根据本发明的实施例的图像传感器可以包括形成在传输门208之上的浮置扩散层214。响应于入射光从光电转换元件203产生的光电荷存储在浮置扩散层214中。浮置扩散层214可以电耦合到穿过传输门208的一个或更多个通道结构210。即，浮置扩散层214可以与一个或更多个通孔207叠置。浮置扩散层214可以具有平板形并且与传输门208叠置，以便提供足够的存储空间，即，足够的电容量。
在此，浮置扩散层214的面积可以小于传输门208的面积。这是为了提供用于形成耦合到传输门208的第一接触器C1的空间。浮置扩散层214可以包括包含硅或金属材料的半导体材料。例如，浮置扩散层214可以包括掺杂有第二导电类型杂质(即，N型杂质)的多晶硅。
根据本发明的实施例的图像传感器可以包括形成在浮置扩散层214之上的第二电极216。第二电极216可以具有与浮置扩散层214叠置的平板形，并且具有比浮置扩散层214小的面积。介电层215设置在两个电极之间，即，设置在浮置扩散层214和第二电极216之间。
浮置扩散层214和第二电极216也可以被称为第一电极和第二电极。浮置扩散层214、第二电极216和介电层215组合形成电容器217。两个电极中的任何一个，例如，第一电极，可以包括浮置扩散层214。因此，介电层215和第二电极216可以具有比浮置扩散层214小的面积。这是为了提供用于形成耦合到浮置扩散层214的第二接触器C2的空间。
此外，电容器217可以用于进一步增加浮置扩散层214的电容量。而且，电容器217可以用于改善浮置扩散层214的操作特性。另外，电容器217的第二电极216可以耦合到能够施加偏压的第三接触器C3。在实施例中，为了通过使用电容器217来改善浮置扩散层214的特性，当浮置扩散层214在积分时间之前被重置时，浮置扩散层214应当用与经重置晶体管输入的初始电压对应的电荷来充电。当初始电压未提供足够的电流，或者将初始电压提供给浮置扩散层214的时间不足时，浮置扩散层214可能未被完全重置。在这种情况下，可以通过经由第三接触器C3将初始化电压施加到电容器217的第二电极216，使浮置扩散层214被完全重置。可以在重置晶体管被激活之后以及传输晶体管被激活之前，施加初始化电压。
根据本发明的实施例的图像传感器可以包括层间介电层209和逻辑电路层220。层间介电层209覆盖传输门208、浮置扩散层214和电容器217。逻辑电路层220形成在层间介电层209之上。层间介电层209可以是单层，或者是包括氧化物、氮化物和氮氧化物中的任一个或更多个的层叠层。
逻辑电路层220可以包括信号处理电路，信号处理电路处理响应于入射光在像素内产生的像素信号。虽然未在图中示出，但信号处理电路可以包括相关双采样单元120、模数转换器130、缓冲器140、行驱动器150、时序发生器160、控制寄存器170、斜坡信号发生器180等。见图1。
此外，信号处理电路可以包括多个晶体管、多层线路、多层层间介电层209以及将它们彼此耦接的多个插塞。此外，除信号处理电路之外，逻辑电路层220还可以具有包括图像处理等的应用处理器(AP)。例如，逻辑电路层220可以包括图像信号处理器(ISP)。
此外，逻辑电路层220可以以晶片键合工艺来形成。逻辑电路层220可以键合到多层层间介电层209。因此，逻辑电路层220可以包括多个层，并且具有其中用于信号处理的逻辑电路通过晶片键合工艺被层叠的层叠结构，从而提高图像传感器的集成度。
上述的根据本发明的实施例的图像传感器有助于高度集成而无特性劣化。
在下文中，将参考图6和图7描述上述的根据本发明的第一实施例的图像传感器的一些变型。供参考，图6和图7是沿图2所示的线A-A'截取的截面图，为了方便起见，图3所示的相同元件被指定相同的附图标记。
图6是示出了根据本发明的另一个实施例的图像传感器的截面图。如图6所示，在根据本发明的另一个实施例的图像传感器中，传输门208可以包括栅极介电层206和被栅极介电层206密封的栅电极205。栅极介电层206可以包括第一栅极介电层206A、第二栅极介电层206B和第三栅极介电层206C。在此，第一栅极介电层206A、第二栅极介电层206B和第三栅极介电层206C可以具有彼此不同的厚度，并且包括彼此不同的材料。
具体地，第一栅极介电层206A和第二栅极介电层206B可以具有大于第三栅极介电层206C的厚度。这可以改善栅电极205和相邻结构之间的电绝缘特性。由于第三栅极介电层206C用作栅电极205和通道结构210之间的栅极介电层，因此第三栅极介电层206C常常被固定为特定厚度。然而，随着设置在光电转换元件203和栅电极205之间的第一栅极介电层206A的厚度以及在浮置扩散层214和栅电极205之间的第二栅极介电层206B的厚度增加，电绝缘特性可以得到改善。例如，随着第一栅极介电层206A和第二栅极介电层206B的厚度增加，寄生电容可以减小，因而改善信噪比特性。
此外，为了进一步改善电绝缘特性，第一栅极介电层206A和第二栅极介电层206B可以包括低K(低介电常数)材料。这里，“低K”意为比氧化硅的介电常数低的介电常数。接触通道结构210的第三栅极介电层206C可以包括高K材料。上述的根据本发明的另一个实施例的图像传感器可以有助于高度集成而无特性劣化。
图7是示出了根据本发明的图像传感器的另一个实施例的图像传感器的截面图。如图7所示，根据本发明的另一个实施例的图像传感器的光电转换元件203可以包括第一杂质区201和第二杂质区202。第一杂质区201可以包围第二杂质区202。而且，第二杂质区202的一部分穿过第一杂质区201，并且接触通道结构210。
在此，根据本发明的又一个实施例的图像传感器还可以包括形成在衬底200中的第三杂质区204，第三杂质区204具有与第一杂质区201相同的导电类型，并且设置在第二杂质区202和通道结构210之间。
具体地，第三杂质区204可以形成在衬底200的接触通道结构的表面，并且用于抑制暗电流的产生。在此，接触入射表面S1并与衬底200的表面S2相对地定位的第一杂质区201也可以用于抑制暗电流的产生。在这种情况下，由于第三杂质区204具有与第二杂质区202互补的导电类型，所以第三杂质区204优选具有比接触衬底200的相对表面S2的第一杂质区201小的厚度，以在光电转换元件203和通道结构210之间传输载流子。例如，第三杂质区204可以具有50nm或更小的厚度。上述的根据本发明的另一个实施例的图像传感器可以有助于高度集成而无特性劣化。
图8是示出了根据本发明的又一个实施例的图像传感器的平面图，图9是沿图8所示的线A-A'截取的截面图。此外，图10是示出了根据本发明的又一个实施例的图像传感器的变型的平面图。
如图8和图9所示，根据本发明的实施例的图像传感器可以包括：光电转换元件303，形成在衬底300中；一个或更多个柱体310，形成在光电转换元件303之上；通道层320，形成在柱体310之上以接触光电转换元件303；以及传输门330，形成在通道层320之上并且包围柱体310的侧表面。
在根据本发明的实施例的图像传感器中，衬底300可以包括半导体衬底。半导体衬底可以处于单晶状态且包括含硅材料。即，衬底300可以包括单晶含硅材料。并且，衬底300可以为通过减薄工艺获得的薄衬底。例如，衬底300可以为通过减薄工艺获得的薄的体硅衬底。
光电转换元件303可以包括光电二极管。具体地，光电转换元件303可以包括第一杂质区301和第二杂质区302。第二杂质区302具有与第一杂质区301互补的导电性。例如，第一杂质区301可以为P型，第二杂质区302可以为N型。第二杂质区302可以形成在第一杂质区301内。
因此，第一杂质区301可以具有包围第二杂质区302的形状。第一杂质区301可以接触入射表面S1和相对表面S2，并且用于防止在衬底300的表面之上出现暗电流。此外，第一杂质区301可以用作将相邻的像素彼此隔离的结隔离。第二杂质区302可以在垂直方向上具有均匀的掺杂分布，或者可以具有其中杂质的掺杂浓度沿载流子传送方向而增加的渐变的分布。在后者情况下，能够将在光电转换元件303中产生的光电荷更有效地传送到传输门330。在此，载流子传送方向可以为从入射光被引入处的入射表面S1延伸至光电转换元件303的方向(S1->S2)。
根据本发明的实施例的图像传感器可以包括形成在光电转换元件303之上的一个或更多个柱体310。通过调节柱体310的高度，柱体310可以用于增加传输晶体管的通道长度。
柱体310可以为具有三边或更多边的多边形、圆形或椭圆形的平面形状。柱体310可以具有垂直侧壁或倾斜侧壁。具有倾斜侧壁的柱体310可以具有角锥体的截头锥体的形状。在另一个实施例中，柱体310的侧壁可以具有不规则结构。柱体310可以包括绝缘材料。例如，柱体310可以包括氧化物、氮化物、氮氧化物或它们的组合。
如图8所示，单元像素可以包括一个柱体310。在这种情况下，柱体310可以设置在光电转换元件303的中心部。这是为了将光电转换元件303中产生的光电荷有效地传送到通道层320。在另一个实施例中，如图10所示，单元像素可以包括多个柱体310。多个柱体310耦合到浮置扩散(FD)。多个柱体310可以布置为矩阵形状。多个柱体310可以具有彼此相同的形状，或具有彼此不同的形状。
根据本发明的实施例的图像传感器可以包括形成在光电转换元件303之上并包围柱体310的侧壁的传输门330。由于传输门330具有包围柱体310的侧壁的形状，所以可以采用垂直通道。传输门330可以具有与光电转换元件303叠置的平板形状。因此，传输门330可以具有与单元像素对应的平板形状。这样，光电转换元件303和传输门330在图像传感器中沿垂直方向层叠，从而可以增加集成度。传输门330可以形成在相对表面S2之上。因此，传输门330还可以用作关于光电转换元件303的背侧反射层。在这种情况下，能够增加光电转换元件303的量子效率。
传输门330可以包围柱体310的侧壁，传输门330的一部分可以延伸到柱体310的上表面。即，传输门330可以具有暴露柱体310的上表面的一部分的开口333。开口333将在形成在柱体310的上表面之上的通道层320和浮置扩散(FD)之间提供电接触。
当如图10所示地设置多个柱体310时，传输门330可以包括与多个柱体310中的每个相对应的多个开口333。开口333的平面形状可以与柱体310的平面形状相同。即，开口333可以为具有三边或更多边的多边形、圆形或椭圆形的平面形状。
传输门330可以包括栅极介电层331和在栅极介电层331之上的栅电极332。栅极介电层331可以具有均匀的厚度且包括绝缘材料。具体地，栅极介电层331可以包括具有绝缘特性的高K材料。例如，栅极介电层331可以包括氧化物、氮化物、氮氧化物或它们的组合。栅电极332可以包括半导体材料，半导体材料包括硅或金属材料。
根据本发明的实施例的图像传感器可以包括通道层320，通道层320电耦合到光电转换元件303并形成在柱体310的暴露表面之上。通道结构320可以具有倒转的筒形。可选择地，通道层320可以具有这样的形状：通道层320接触光电转换元件303的端部延伸到衬底300，以增加光电转换元件303和通道层320之间的接触面积。延伸到衬底300的通道层320可以设置在光电转换元件303和传输门330之间。即，在单元像素内，通道层320可以为覆盖包括柱体310的衬底300的整个相对表面S2的形状。因此，通道层320可以与整个光电转换元件303叠置。
通道层320可以具有仅接触光电转换元件303的第一杂质区301的形状。因此，通道层320不与光电转换元件303的第二杂质区302接触。由于通道层320和光电转换元件303的第一杂质区301具有彼此互补的导电类型，因此与通道层320接触的第一杂质区301可以具有相对小的厚度，以便于载流子从光电转换元件303传送到通道层320。
通道层320可以包括含硅材料。例如，通道层320可以包括多晶硅。具体地，通道层320可以包括未掺杂有杂质的未掺杂多晶硅或者掺杂有P型杂质的P型多晶硅。在这种情况下，传输晶体管可以以增强模式操作。
在根据本发明的实施例的图像传感器中，通道层320可以包括掺杂有N型杂质的多晶硅。在这种情况下，传输晶体管可以以耗尽模式操作，并且改善在断开状态下的暗电流特性。此外，通道层320可以具有与光电转换元件303的第一杂质区301互补的导电类型。通道层320和第一杂质区301在平衡状态下可以是结绝缘的。
具体地，多晶硅具有很多陷阱位点。当多晶硅用作通道层320时，陷阱位点可以起到产生暗电流的源的作用。为了改善暗电流特性，优选地采用掺杂有杂质的多晶硅而不是未掺杂多晶硅作为通道层320。这是因为通过使用掺杂的杂质可以消除陷阱位点。当增加杂质的掺杂浓度时，可以消除更多的陷阱位点，并且可以更有效地改善暗电流特性。
然而，在应用掺杂有P型杂质的多晶硅作为通道层320的情况下，在增加杂质的掺杂浓度时，传输晶体管的阈电压也增加，因而可以减少栅极控制。在将掺杂有N型杂质的多晶硅应用为通道层320并且传输晶体管以耗尽模式操作的情况下，传输门330可以处于断开状态。即，在积分时间期间在通道层320中产生的暗电流可以被提取到浮置扩散(FD)，在积分时间，光电荷响应于入射光而在光电转换元件303中产生。在此，由于光电转换元件303的第一杂质区301具有与通道层320互补的导电类型，光电转换元件303中产生的光电荷未被提取到通道层320，而在光电转换元件303内累积。
在传输门330的导通状态下，通道层320的电场延伸到光电转换元件303，因而通道层320可以电耦合到光电转换元件303。此后，在光电转换元件303内累积的光电荷可以经由通道层320传输到浮置扩散(FD)。
根据本发明的实施例的图像传感器可以包括滤色器层340和聚光构件350，滤色器层340与传输门330相对并形成在入射表面S1之上，入射光在入射表面S1处被引入至光电转换元件303中，聚光构件350形成在滤色器层340之上。滤色器层340可以用于分离颜色，并且包括红色滤色器、绿色滤色器、蓝色滤色器、蓝绿色滤色器、黄色滤色器、品红色滤色器、白色滤色器、黑色滤色器、红外截止滤色器等。聚光构件350可以包括数位透镜或半球形透镜。
本技术可以提供一种有助于高度集成而无器件特性劣化的图像传感器。具体地，可以有效地改善暗电流特性。
根据本发明的一个实施例的图像传感器可以用于各种电子器件或系统。下文将参考图11描述根据本发明的一个实施例的包括图像传感器的摄像机。
图11是示意性地示出了包括图1所示的图像传感器的电子器件的视图。参照图11，根据本发明的一个实施例的包括图像传感器的电子器件可以是能够摄取静态图像或动态图像的摄像机。该电子器件可以包括光学系统或光学透镜410、快门单元411、驱动单元413和信号处理单元412，驱动单元413用于控制/驱动图像传感器400和快门单元411。
光学系统410可以将来自物体的图像光引导至图像传感器400的像素阵列100。光学系统410可以包括多个光学透镜。快门单元411可以控制图像传感器400的光照射时间和光遮蔽时间。驱动单元413可以控制图像传感器400的传输操作和快门单元411的快门操作。信号处理单元412可以以各种方式处理从图像传感器400输出的信号。经过处理的图像信号Dout可以存储在诸如存储器的储存介质中，或者输出到监视器等。
如上所述，图像传感器可以有助于高度集成而无图像传感器的特性劣化。
虽然，已经出于说明的目的描述了不同的实施例，但对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不背离如权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种改变和变型。

Claims (19)

1.一种图像传感器，包括：
光电转换元件，包括第一杂质区和第二杂质区，其中，第一杂质区接触衬底的第一表面，其中，第二杂质区具有与第一杂质区互补的导电性，并且形成在位于衬底中的第一杂质区内；
柱体，形成在光电转换元件之上；
传输门，形成在光电转换元件之上以包围柱体；以及
通道层，形成在传输门和柱体之间，并且接触光电转换元件，
其中，通道层接触第一杂质区，并且具有与第二杂质区相同的导电性。
2.如权利要求1所述的图像传感器，还包括：
滤色器层，形成在衬底的入射表面之上，其中，衬底的入射表面与衬底的第一表面相对，其中，入射光经由滤色器层引入并传播到光电转换元件；以及
聚光构件，形成在滤色器层之上。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其中，第一杂质区包围第二杂质区。
4.如权利要求1所述的图像传感器，其中，第一杂质区包括接触通道层的第一部分和除第一部分之外的第二部分，并且第一部分具有比第二部分的厚度小的厚度。
5.如权利要求1所述的图像传感器，其中，第二杂质区具有渐变的掺杂分布，使得第二杂质区的掺杂浓度沿载流子传送方向逐渐增加。
6.如权利要求1所述的图像传感器，其中，柱体是多边形柱体、圆形柱体或椭圆形柱体。
7.如权利要求1所述的图像传感器，其中，柱体具有垂直侧壁、倾斜侧壁或形状不规则的侧壁。
8.如权利要求1所述的图像传感器，其中，柱体包括绝缘材料。
9.如权利要求1所述的图像传感器，其中，通道层与整个光电转换元件叠置。
10.如权利要求1所述的图像传感器，其中，通道层包括掺杂多晶硅。
11.如权利要求1所述的图像传感器，其中，传输门包括暴露通道层的开口。
12.一种图像传感器，包括：
光电转换元件，形成在衬底内；
传输门，形成在光电转换元件之上，并且具有穿过传输门的通孔；
浮置扩散层，形成在传输门之上；
通道层，间隙填充通孔，响应于施加至传输门的信号将光电转换元件电耦合到浮置扩散层，并且以耗尽模式操作；以及
电容器，形成在浮置扩散层之上，
其中，光电转换元件包括形成在衬底之上的第一杂质区和第二杂质区，
其中，光电转换元件进一步包括设置在通道层和第二杂质区之间、与第一杂质区导电性相同的第三杂质区。
13.如权利要求12所述的图像传感器，还包括：
层间介电层，形成在衬底之上，并且覆盖传输门、浮置扩散层和电容器；
逻辑电路层，形成在层间介电层之上；以及
接触器，穿过层间介电层，并且将传输门、浮置扩散层和电容器之中的每个电耦合到逻辑电路层。
14.如权利要求12所述的图像传感器，
其中，第二杂质区具有与第一杂质区互补的导电性，
其中，第一杂质区包围第二杂质区。
15.如权利要求14所述的图像传感器，其中，第三杂质区具有比与传输门接触的第一杂质区的厚度小的厚度。
16.如权利要求14所述的图像传感器，其中，第二杂质区具有渐变的掺杂分布，使得掺杂浓度沿载流子传送方向增加。
17.如权利要求12所述的图像传感器，其中，传输门包括：
栅电极；以及
栅极介电层，包围栅电极，
其中，栅极介电层包括：
第一栅极介电层，形成在栅电极和光电转换元件之间；
第二栅极介电层，形成在栅电极和浮置扩散层之间；以及
第三栅极介电层，形成在栅电极和通道层之间。
18.如权利要求17所述的图像传感器，其中，第一栅极介电层和第二栅极介电层中的每个包括低介电常数材料，以及
其中，第三栅极介电层包括高介电常数材料。
19.如权利要求12所述的图像传感器，其中，电容器包括第一电极、介电层和第二电极的层叠，以及
其中，第一电极包括浮置扩散层。
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