CN108288623A - 图像传感器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种图像传感器，包括：光敏元件，响应于入射光来生成电荷；存储二极管，形成在衬底中，其中存储二极管存储由光敏元件生成的电荷；浮置扩散区域，形成在衬底的顶面中并且与存储二极管间隔开；以及转移栅极，至少部分地埋置在衬底的顶面的下方，其中转移栅极控制电荷从存储二极管向浮置扩散区域转移。

Description

图像传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年1月9日提交的韩国专利申请No.10-2017-0002706的优先权，其主题通过引用方式整体并入本文中。
技术领域
本发明构思涉及图像传感器、CMOS图像传感器和具有全局快门的CMOS图像传感器。
背景技术
图像传感器是一种响应于入射光而生成电信号的半导体器件。电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器是当代图像传感器的两个示例。例如，CMOS图像传感器对入射光的曝光可以由卷帘式快门系统或全局快门系统来控制。
全局快门系统通常需要复位时段，在该复位时段期间CMOS图像传感器的像素可以被曝光于入射光。各种当代CMOS图像传感器包括全局快门系统。
发明内容
本发明构思的实施例提供了一种能够使用竖直转移栅极实现全局快门的图像传感器。然而，本发明构思的实施例不仅限于本文中所阐述的所示实施例。通过参考以下给出的发明构思的详细描述，本发明构思的上述和其它实施例对于本发明构思所属领域的普通技术人员将变得更加清楚。
在一个实施例中，本发明构思提供了一种图像传感器，包括：光敏元件，响应于入射光来生成电荷；存储二极管，形成在衬底中，其中存储二极管存储由光敏元件生成的电荷；浮置扩散区域，形成在衬底的顶面中并且与存储二极管间隔开；以及转移栅极，至少部分地埋置在衬底的顶面的下方，其中转移栅极控制电荷从存储二极管向浮置扩散区域转移。
在另一实施例中，本发明构思提供了一种图像传感器，包括：衬底，具有顶面和相对的底面；沟槽，形成在衬底的顶面中；转移栅极，填充沟槽；第一电荷存储区域，形成在衬底中转移栅极的第一侧上；第二电荷存储区域，其成在衬底中转移栅极的第二侧上；以及浮置扩散区域，通过衬底的顶面而暴露，其中转移栅极响应于第一电压控制第一电荷存储区域中所存储的电荷向第二电荷存储区域转移，并且响应于不同于第一电压的第二电压控制第二电荷存储区域中所存储的电荷向浮置扩散区域转移。
在另一实施例中，本发明构思提供了一种图像传感器，包括：传感器阵列，包括分别将光信号转换成对应的电输出的像素；以及定时发生器，控制传感器阵列，其中每个像素包括响应于光信号来生成电荷的光敏元件；存储二极管，形成在衬底中、存储由光敏元件生成的电荷；浮置扩散区域，形成在衬底中并且在第一方向上与存储二极管间隔开；以及转移栅极，沿着第一方向埋置在衬底中，并且转移栅极响应于由定时发生器提供的第一转移信号控制电荷从光敏元件向存储二极管转移，并且响应于由定时发生器提供的第二转移信号控制电荷从存储二极管向浮置扩散区域转移。
附图说明
结合所附附图的描述，本发明构思的上述和其它实施例和特征将变得更加清楚，在附图中：
图1是根据本发明构思的特定实施例的图像传感器的框图；
图2是在一个实施例中进一步示出图1的传感器阵列的框图；
图3是可以用于本发明构思的特定实施例的图像传感器的等效电路图；
图4是示出了图3的图像传感器的截面图；
图5是描述了根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的示例性操作的时序图；
图6A和图6B是示出了根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的示例性操作的图；
图7A和图7B是示出了根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的示例性操作的图；
图8是示出了根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的示例性操作的图；
图9A和图9B是示出了根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的示例性操作的图；
图10是示出了根据本发明构思的另一实施例的图像传感器的图；
图11是示出了根据本发明构思的另一实施例的图像传感器的图；
图12是示出了根据本发明构思的另一实施例的图像传感器的图；
图13是示出了根据本发明构思的另一实施例的图像传感器的图；以及
图14是示出了根据本发明构思的另一实施例的图像传感器的图。
具体实施方式
下文中，将参考图1至图14中的一个或多个来描述根据本发明构思的实施例的图像传感器。
图1是根据本发明构思的实施例的图像传感器的框图。
参考图1，图像传感器包括：单位像素的传感器阵列1010、定时发生器1020、行解码器1030、行驱动器1040、相关双采样器(CDS)1050、模数转换器(ADC)1060、锁存器1070和列解码器1080。
传感器阵列1010包括二维矩阵的多个单位像素(在下文中称为“像素”)。每个像素将选择的电磁能量(在下文中统称为“光信号”)转换成对应的电输出。因此，像素的阵列提供对应的多个电输出。传感器阵列1010是由一个或多个控制信号控制(或驱动)的，控制信号包括例如来自行驱动器1040的第一转移信号(例如，行选择信号)、复位信号、和电荷转移信号等。可以经由竖直信号线将由每个像素提供的电输出传送到CDS 1050。
定时发生器1020提供被施加到行解码器1030和/或列解码器1080的一个或多个定时信号和/或控制信号。
行驱动器1040响应于由行解码器1030提供的解码结果向传感器阵列1010提供用于驱动各个像素第一转移信号。假设像素被布置成行和列的矩阵的情况，行驱动器1040可以分别地向矩阵的对应行提供第一转移信号。
CDS 1050对由传感器阵列1010提供的电输出进行保持和采样。也就是说，CDS1050对噪声的电平以及由传感器阵列1010提供的电输出的电平进行双重采样，并输出对应的模拟信号(例如，模拟信号等于由传感器阵列1010提供的噪声电平和电输出电平之间的差)。
然后，ADC 1060将由CDS 1050提供的模拟信号转换成对应的数字信号，并且输出该数字信号。
锁存器1070锁存由ADC 1060提供的数字信号，其中，响应于由列解码器1080提供的解码结果，将锁存的数字信号顺序地输出到图像信号处理(图1中未示出)。
图2是在一个实施例中进一步示出图1的传感器阵列的框图。
参考图2，传感器阵列1010包括多个像素，其中每个像素(P)是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像像素。这里，多个像素被布置成包括“i”行和“j”列的矩阵，其中i和j是正整数。
图2的传感器阵列1010能够执行全局快门操作。因此，传感器阵列1010还包括分别连接到像素1的传输线TX和选择线SEL。更具体地，传输线TX(i)到TX(i+3)和选择线SEL(i)到SEL(i+3)分别连接到传感器阵列1010中的像素行。
可以将各个传输线TX(i)到TX(i+3)、选择线SEL(i)到SEL(i+3)以及相应的i个行线和j个列线一起使用来向传感器阵列1010的每个像素提供各种控制信号。例如，假设传感器阵列1010包括“N”乘“M”个像素1，其中M和N是大于2的正整数，传感器阵列1010中可以设置N个传输线TX、N个选择线SEL以及M个列线j。尽管图2中未示出，但是传感器阵列1010中还可以设置N个第一复位线RX1、N个电源线VDD和N个第二复位线RX2。
因此，可以将传感器阵列1010理解为包括N个像素传感器行5，其中每个像素传感器行5包括多个行相邻像素。
与传感器阵列1010相关联的行寻址和/或像素行扫描功能可以由经由传输线TX和选择线SEL从行驱动器1040传送而来的各种控制信号控制。更具体地，行驱动器1040可以向传输线TX和选择线SEL中的每一个发送第一转移信号和第二转移信号，其中可以以非顺序的方式将第二转移信号传送到像素传感器行5。
在某些实施例中，第一转移信号可以用于将由于曝光于光信号而在光电二极管中累积的电荷转移到存储二极管。然后，第二转移信号可以用于将累积的电荷从存储二极管转移到浮置扩散区域。因此，在使用全局快门模式来捕获图像的情况下，可以同时将第一转移信号发送到传感器阵列1010中的所有像素1，然后将第二转移信号顺序地发送到传感器阵列1010的各个行。也就是说，在第二转移信号之前，将第一转移信号传输到像素1的每一个。
然而，在其它实施例中，图像传感器可以通过传输线TX同时传输第一转移信号和第二转移信号。也就是说，通过经由传输线TX传输具有第一电压的第一转移信号来将电荷从光电二极管转移到存储二极管，然后通过传输线TX将存储二极管中所存储的电荷传输到浮置扩散区域。在下文中，将对这个方法进行一些额外的详细描述。
尽管图1和图2中未具体示出，但是可以将传感器阵列1010的像素布置成贝尔图案或象棋马赛克图案。例如，在采用贝尔图案的情况下，传感器阵列1010中的每个像素可以被布置为接收红色光、绿色光和蓝色光中的一种，但是本发明构思不限于此。也就是说，传感器阵列1010中的像素的配置可以变化。
在另一示例中，传感器阵列1010中的每个像素可以被布置为接收两种颜色的光(即，红光和绿光或者蓝光和绿光)。在该示例中，可以在每个像素中堆叠和布置两个光敏元件及其相应的滤色器。
在又一示例中，传感器阵列1010中的每个像素可以被布置为接收三种颜色的光。在该示例中，可以在每一像素中堆叠和布置三个光敏元件及其相应的滤色器，使得每个像素可以接收三种颜色的光(例如，分别为红光、绿光和蓝光)。
图3是图像传感器的等效电路图。
参考图3，图像传感器包括光电二极管PD、存储二极管SD、第一复位晶体管RG1、第二复位晶体管RG1、转移晶体管TG、源极跟随器晶体管SF以及选择晶体管SEL。
作为接收外部光学图像的光敏元件的光电二极管PD可以生成与入射光量成比例的光电荷(在下文中称为“电荷”)。图3假设光电二极管PD作为示例性光接收元件，但是本发明构思不限于此。也就是说，可以使用不同于光电二极管PD的各种类型的光接收元件。光电二极管PD可以被实现为能够感测构成衬底外部的光并且生成电荷且将电荷存储在衬底中的电荷存储区域中的元件。
光电二极管PD连接在转移晶体管TG和接地端子GND之间，或者备选地连接在第一复位晶体管RG1和接地端子GND之间。
第一复位晶体管RG1可以用于将光电二极管PD连接到电源电压VDD，从而从光电二极管PD中去除累积的电荷。
转移晶体管TG可以使用第一转移信号和第二转移信号来在光电二极管PD、存储二极管SD和浮置扩散节点FD(例如，与构成衬底的浮置扩散区域相对应的节点)之间转移电荷。
如图4的示例中进一步示出的，转移晶体管TG可以包括竖直转移栅极20，但是通过使用具有不同电压的第一转移信号和第二转移信号，转移晶体管TG可以如同其包括两个转移栅极(即，第一转移栅极TG1和第二转移栅极TG2)一样操作。
也就是说，如图3所示，转移栅极TG可以如同其包括第一转移栅极TG1和第二转移栅极TG2一样操作，第一转移栅极TG1在光电二极管PD和存储二极管SD之间转移电荷，第二转移栅极TG2将电荷从存储二极管SD转移到浮置扩散节点FD。在下文中，将对转移晶体管TG进行一些额外的详细描述。
存储二极管SD可以用于暂时地存储在光电二极管PD中生成的电荷。图3将存储二极管SD示出为示例性光接收元件，但是本发明构思不限于此。也就是说，也可以使用不同于存储二极管SD的各种类型的光接收元件。例如，可以使用电容器来代替存储二极管SD。
第二复位晶体管RG2可以连接在浮置复位信号端子RS和浮置扩散节点FD之间，浮置复位信号端子RS提供浮置复位电压V_h。第二复位晶体管RG2可以将浮置复位信号端子RS与浮置扩散节点FD连接，由此可以将浮置扩散节点FD中的电荷转移到浮置复位信号端子RS。也就是说，响应于通过经由第二复位端子RX2提供复位信号来导通第二复位晶体管RG2，第二复位晶体管RG2将浮置复位信号端子RS与浮置扩散节点FD连接。响应于将浮置复位电压V_h传输到浮置扩散节点FD，将浮置扩散节点FD的电压复位成浮置复位电压V_h。
源极跟随器晶体管SF生成与被施加至源极跟随器晶体管SF的栅极端子的电荷量成比例的源极-漏极电流。更具体地，在浮置扩散节点FD中生成与由光电二极管PD生成的电荷量成比例的浮置扩散区域电压，并且响应于将浮置扩散电压施加到源极跟随器晶体管SF的栅极端子，可以生成与由光电二极管PD生成的电荷量成比例的源极-漏极电流。
为此，将源极跟随器晶体管SF的漏极端子连接到电源电压VDD，将源极跟随器晶体管SF的源极端子连接到选择晶体管SEL的漏极端子，并且将源极跟随器晶体管SF的栅极端子连接到浮置扩散节点FD，浮置扩散节点FD是转移晶体管TG的漏极端子和复位晶体管RX2的源极端子两者的公共端子。
选择晶体管SEL可以向列线Vout发送由源极跟随器晶体管SF生成的电流。为此，将选择晶体管SEL的漏极端子连接到源极跟随器晶体管SF的源极端子，将选择晶体管SEL的源极端子连接到列线Vout，并且将选择晶体管SEL的栅极端子连接到选择线SEL(i)。
图4是示出了根据本发明构思的实施例的图像传感器的截面图。
参考图4，图像传感器1包括衬底100、第一复位栅极10、转移栅极20、第二复位栅极20、光电二极管PD、存储二极管SD、浮置扩散区域FD、第一复位漏极40和第二复位漏极RD。
衬底100可以是例如体硅衬底或绝缘体上硅(SOI)衬底。备选地，衬底100可以是硅衬底，或者可以包括不同于硅的材料，比如硅锗、锑化铟、铅碲化合物、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓等。还备选地，衬底100可以是形成在基底衬底上的外延层。
衬底100具有第一表面(或顶面)和第二表面(或底面)，其中短语“衬底100的顶面”用于指代其上设置有第一复位栅极10和转移栅极20的表面，而短语“衬底100的底面”用于指代与第一或顶面的表面相对的表面(例如，最接近屏蔽膜500、滤色器700和微透镜710等的表面)。
可以通过绝缘膜50和51来在衬底100中限定有源区域。绝缘膜50和51的底面可以位于比衬底100的顶面更低的位置处，并且由此可以限定衬底100中的有源区域。每个隔离膜50和51可以包括例如氧化物膜、氧氮化物膜和氮化物膜中的任何一个。
转移栅极20可以形成在衬底100中。更具体地，可以在衬底100的深度方向上形成转移栅极沟槽20T，并且可以形成转移栅极20以填充转移栅极沟槽20T。在一些实施例中，转移栅极20可以与图3的转移晶体管TG的栅极电极相对应。在一些实施例中，转移栅极20可以是竖直穿过衬底100的顶面而形成的竖直转移栅极。
转移栅极20的一部分可以部分地突出于衬底100，并且转移栅极20的其余部分可以被埋置在衬底100中。更具体地，转移栅极20的上部部分可以突出于衬底100，并且转移栅极20的下部部分可以填充转移栅极沟槽20T。
图4中将转移栅极20示出为具有相同的上部宽度和下部宽度的矩形形状，但是本发明构思不限于此。也就是说，备选地，转移栅极20可以具有下部宽度窄于上部宽度的梯形形状，而这取决于转移栅极沟槽20T的形状。
转移栅极20可以包括例如导电材料。导电材料的示例包括掺杂多晶硅、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、氮化钨(WN)、钛(Ti)、钽(Ta)和钨(W)，但是本发明构思不限于此。
可以形成转移栅极绝缘膜25，以填充转移栅极沟槽20T。也就是说，转移栅极绝缘膜25可以形成在将介于衬底100和转移栅极20之间的转移栅极沟槽20T的内侧上。
转移栅极绝缘膜25可以包括例如高K材料。高K材料可以包括例如氧化铪、氧化铪硅、氧化镧、氧化镧铝等，但是本发明构思不限于此。也就是说，备选地，转移栅极绝缘材料25可以包括诸如氧化硅膜、氮化硅膜或氮氧化硅膜之类的材料。
转移栅极间隔件26可以形成在转移栅极20的两侧上。在一些实施例中，转移栅极间隔件26可以包括氮化物膜。转移栅极间隔件26可以形成在转移栅极20的两侧上，以隔离转移栅极20。
第一复位栅极10可以形成在衬底100中。更具体地，可以在衬底100的深度方向上形成复位栅极沟槽10T，并且可以形成第一复位栅极10以填充复位栅极沟槽10T。在一些实施例中，第一复位栅极10可以与图3的第一复位晶体管TG的栅极电极相对应。
第一复位栅极10的一部分可以部分地突出于衬底100，并且第一复位栅极10的其余部分可以被埋置在衬底100中。更具体地，第一复位栅极10的上部部分可以突出于衬底100，并且第一复位栅极10的下部部分可以填充复位栅极沟槽10T。
图4中将第一复位栅极10示出为具有相同的上部宽度和下部宽度的矩形形状，但是本发明构思不限于此。也就是说，备选地，第一复位栅极10可以具有下部宽度窄于上部宽度的梯形形状，而这取决于复位栅极沟槽10T的形状。
第一复位栅极10可以包括例如导电材料。导电材料的示例包括掺杂多晶硅、TiN、TaN、WN、Ti、Ta和W，但是本发明构思不限于此。
可以形成第一复位栅极绝缘膜15，以填充复位栅极沟槽10T。也就是说，第一复位栅极绝缘膜15可以形成在将介于在衬底100和第一复位栅极10之间的复位栅极沟槽10T的内侧上。第一复位栅极绝缘膜15可以包括与转移栅极绝缘膜25相同的材料。
第一复位漏极40可以形成在第一复位栅极10的第一侧上。第一复位漏极40可以通过衬底100的顶面暴露。第一复位漏极40可以连接到电源电压VDD，并且可以将光电二极管PD连接到电源电压VDD，以根据被施加到第一复位栅极10的第一复位信号RX1来复位光电二极管PD。
可以形成第一复位栅极间隔件16，以覆盖第一复位栅极10的两侧。在一些实施例中，第一复位栅极间隔件16可以包括氮化物膜。转移栅极间隔件26可以形成在转移栅极20的两侧上，以隔离转移栅极20。
光电二极管PD可以形成在衬底100的“内部”(或实质上内部)(例如，在接近衬底的第二或底面的区域中)。可以通过堆叠多个掺杂区域来形成光电二极管PD。可以通过注入n+型离子来形成光电二极管PD的下部，并且可以通过注入n型离子来形成光电二极管PD的上部。光电二极管PD可以用作光敏元件，并且还可以用作用于存储通过感测光信号而生成的电荷的存储区域。
在本发明构思的某些实施例中，将光电二极管PD形成在衬底100的第二表面(底面)的内部并且接近衬底100的第二表面(底面)。衬底100的第二表面至少部分地被屏蔽膜500覆盖，但是衬底100的第二表面中的与光电二极管PD重叠的一部分可以被屏蔽膜500暴露，以便通过滤色器700将由微透镜710收集的光信号发送到光电二极管PD。
存储二极管SD可以形成在衬底100中。可以通过堆叠多个掺杂区域来形成存储二极管SD。可以通过注入n+型离子来形成存储二极管SD的下部，并且可以通过注入n型离子来形成存储二极管SD的上部。
可以分别将光电二极管PD和存储二极管SD形成在转移栅极20的两侧上。当通过经由连接到转移栅极20的传输线TX提供的第一转移信号来驱动转移晶体管TG时，在光电二极管PD和存储二极管SD之间形成沟道，并且光电二极管PD可以将其中累积的电荷提供到存储二极管SD。也就是说，光电二极管PD可以用作转移晶体管TG的源极，并且存储二极管SD可以用作转移晶体管TG的漏极。
在一些实施例中，转移晶体管TG可以是N型晶体管。可以在衬底100中限定P型导电阱，并且可以在P型导电阱形成光电二极管PD和存储二极管SD来作为N型掺杂区域。
为了更好地理解上述内容，图3中将转移晶体管TG示出为包括第一转移晶体管TG1和第二转移晶体管TG2，并且图3中将光电二极管PD和存储二极管SD示出为分别连接到第一转移晶体管TG1的源极端子和漏极端子。
存储二极管SD可以暂时地存储由光电二极管PD提供的电荷，并且可以根据由转移晶体管TG提供的第二转移信号将所存储的电荷转移到浮置扩散区域FD。在一些实施例中，光电二极管PD可以是第一电荷存储区域，并且存储二极管SD可以是第二电荷存储区域。
因为光电二极管PD被假定为从图像传感器1接收光信号并且生成电荷，因此可以将光电二极管PD设置为与存储二极管SD相比更靠近衬底100的第二表面。
在图像传感器1中，光电二极管PD和存储二极管SD可以彼此不竖直重叠，这是因为光电二极管PD需要通过由屏蔽膜500形成的开口来接收光信号，并且存储二极管SD需要被屏蔽膜500覆盖。
浮置扩散区域FD可以形成在第一转移栅极20的附近。浮置扩散区域FD的顶面可以通过衬底100的顶面暴露。转移栅极20可以与第二复位栅极30共享浮置扩散区域FD。
存储二极管SD和浮置扩散区域FD可以由被提供给连接到转移栅极20的传输线TX的第二转移信号来控制。更具体地，暂时地存储由光电二极管PD提供的电荷的存储二极管SD可以根据第二转移信号将电荷提供到浮置扩散区域FD。因此，通过第二转移信号在存储二极管SD和浮置扩散区域FD之间形成沟道，存储二极管SD可以用作转移栅极TG的源极，并且浮置扩散区域FD可以用作转移栅极TG的漏极。
为了更好地理解上述内容，图3中将光电二极管PD和存储二极管SD示出为分别连接到转移晶体管TG的第二转移晶体管TG2的源极端子和漏极端子。
在一些实施例中，浮置扩散区域FD和存储二极管SD可以至少部分地彼此竖直地重叠。也就是说，可以在转移栅极20的深度方向上并排地设置浮置扩散区域FD和存储二极管SD。
第二复位栅极30可以形成在衬底100的第一表面上。如果通过填充在衬底100的深度方向上形成的沟槽10T和20T而在衬底100中形成了第一复位栅极10和转移栅极20，则可以仅在衬底100上形成第二复位栅极30。也就是说，第二复位栅极30的最低水平线可以高于衬底100的顶面。
第二复位栅极30可以包括例如导电材料。导电材料的示例包括掺杂多晶硅、TiN、TaN、WN、Ti、Ta和W，但是本发明构思不限于此。
第二复位栅极绝缘膜35可以形成在第二复位栅极30与衬底100的第一表面之间。第二复位栅极绝缘膜35可以包括例如高K材料。高K材料可以包括例如氧化铪、氧化铪硅、氧化镧、氧化镧铝等，但是本发明构思不限于此。也就是说，备选地，第二复位栅极绝缘材料35可以包括诸如氧化硅膜、氮化硅膜或氮氧化硅膜之类的材料。
第二复位漏极RD可以形成在第二复位栅极30的第二侧上。第二复位漏极RD和浮置扩散区域FD可以形成在第二复位栅极30的相对侧上。第二复位漏极RD可以连接到浮置复位端子RS并且可以设置有浮置复位电压V_h。
屏蔽膜500、下平坦化膜510、滤色器700、上平坦化膜520和微透镜710可以形成在衬底100的第二表面上。
屏蔽膜500可以被形成为覆盖衬底100的第二表面。更具体地，屏蔽膜500可以被形成为：仅暴露衬底100的第二表面中的与光电二极管PD重叠的一部分，并且覆盖衬底100的第二表面的其余部分。屏蔽膜500可以包括例如金属材料。
下平坦化膜510覆盖屏蔽膜500和衬底100的一部分，并且滤色器700形成在下平坦化膜510上。上平坦化膜520可以形成在滤色器700上，以平坦化其中形成了微透镜710的表面。
在一些实施例中，可以通过转移晶体管TG来控制电荷从光电二极管PD到存储二极管SD的转移或者从存储二极管SD到浮置扩散区域FD的转移。以下将详细描述向转移晶体管TG的转移栅极20提供第一转移信号和第二转移信号以转移电荷。
图5是描述了根据本发明构思的某些实施例的图4的图像传感器的示例性操作的时序图。图6A和图6B是示出了根据本发明构思的一些实施例的图4的图像传感器的示例性操作的图。
参考图5，在时刻t1处，通过第一复位端子RX1向第一复位栅极10提供第一复位信号V_rx1。第一复位信号V_rx1可以导通第一复位晶体管RG1，并且可以通过将光电晶体管PD连接到电源电压VDD来复位光电晶体管PD中累积的电荷。
此后，在时刻t2处，终止提供第一复位信号V_rx1，并且开始在光电二极管PD中累积电荷。
参考图6A和图6B，由屏蔽膜500暴露的光电二极管PD接收光信号，根据光信号的量生成电荷，并且暂时地存储所生成的电荷。图6A示出了在驱动图像传感器1期间的电荷转移。更具体地，图6A示出了将通过光电二极管PD的曝光而生成的电荷累积在光电二极管PD中。图6B示出了电荷C累积在光电二极管PD中。此时，不向转移栅极20、第二复位栅极30和第二复位漏极RD提供电压。
再次参考图5，在时刻t3处，向第二复位栅极30施加第二复位信号V_rx2。由于向第二复位栅极30施加了第二复位信号V_rx2但却没有向浮置复位端子RS施加浮置复位电压V_h，因此浮置扩散区域FD的电压可以降低。浮置扩散区域FD的电压可以防止电荷在将电荷从光电二极管PD转移到存储二极管SD期间涌入到浮置扩散区域FD中。
图7A和图7B是示出了根据本发明构思的一些实施例的图4的图像传感器的示例性操作的图。
参考图5、图7A和图7B，在时刻t4处，向转移栅极20施加第一转移信号。由于向转移栅极20施加了诸如第一转移信号之类的驱动信号，因此转移栅极TG可以被导通。在一些实施例中，第一转移信号可以具有第一电压V_tg1。
响应于转移栅极TG被导通，在光电二极管PD和存储二极管SD之间形成第一沟道Ch1。可以通过第一沟道Ch1将光电二极管PD中累积的电荷C转移到并累积在存储二极管SD中。
在时刻t3处，将浮置扩散区域FD的电压保持为较低，由此在存储二极管SD和浮置扩散区域FD之间不形成沟道。因此，在时刻t4处，可以不将存储二极管中累积的电荷C转移到浮置扩散区域FD。
更具体地，再次参考图3，在光电二极管PD和存储二极管SD之间形成沟道，在连接到转移晶体管TG的其它元件中，导通第一转移晶体管TG1，并且保持第二转移晶体管TG2截止。因此，在时刻t4处，将电荷从光电二极管PD转移到存储二极管SD，但是不将电荷从存储二极管SD转移到浮置扩散区域FD。
此后，在时刻t5处，通过复位端子RS向第二复位漏极RD施加浮置复位电压V_h，这将在下文中参考图8来描述。
图8是示出了根据本发明构思的一些实施例的图4的图像传感器的示例性操作的图。
参考图8，终止提供具有第一电压V_tg1的第一转移信号，并且终止光电二极管PD和存储二极管SD之间的电荷的转移。
由于向第二复位漏极RD提供了浮置复位电压V_h，因此浮置扩散区域FD的电压可以升高，并且浮置扩散区域FD中的电荷可以被复位。图像传感器1可以使用在浮置扩散区域FD未被充电时的浮置扩散区域FD的电压和在浮置扩散区域FD被充电时的浮置扩散区域FD的电压之间的差来生成图像信号。因此，图像传感器1可以读取浮置扩散区域FD仍未被充电时的浮置扩散区域FD的电压。
此后，在时刻tr处，可以读取复位后的浮置扩散区域FD的电压。
在一些实施例中，浮置复位电压V_h可以高于第一转移信号的电压(即，第一电压V_tg1)。
图9A和图9B是示出了根据本发明构思的一些实施例的图4的图像传感器的示例性操作的图。
参考图5、图9A和图9B，在时刻t6处，向转移晶体管TG的转移栅极20施加第二转移信号。同时，终止提供第二转移信号V_rx2，并且第二复位晶体管RG截止。在一些实施例中，第二转移信号可以具有第二电压V_tg2。
由于向转移栅极20施加了第二转移信号，因此转移栅极TG可以再次被导通。可以导通转移晶体管TG，以在存储二极管SD和浮置扩散区域FD之间形成第二沟道Ch2。可以通过第二沟道Ch2将存储二极管SD中累积的电荷C转移到浮置扩散区域FD，并且可以将电荷C充电到浮置扩散区域FD中。
更具体地，再次参考图3，在存储二极管SD和浮置扩散区域FD之间形成沟道，在连接到转移晶体管TG的其它元件中，第一转移晶体管TG1截止，并且第二转移晶体管TG2导通。因此，在时刻t6处，将电荷从存储二极管SD转移到浮置扩散区域FD，但是不将电荷从存储二极管SD转移到光电二极管PD。
在一些实施例中，用于将电荷从光电二极管PD转移到存储二极管SD的第一转移信号的电压和用于将电荷从存储二极管SD转移到浮置扩散区域FD的第二转移信号的电压可以彼此不同。也就是说，第一电压V_tg1和第二电压V_tg2可以彼此不同。更具体地，第二电压V_tg2可以低于第一电压V_tg1。
此后，在时刻t7处，终止提供第二转移信号，并且终止将电荷从存储二极管SD转移到浮置扩散区域FD。然后，在时刻ts处，读取其中累积有的电荷C的浮置扩散区域FD的电压。CDS 1050使用在时刻tr处读取的浮置扩散区域FD的电压与在时刻ts处读取的浮置扩散区域FD的电压之间的差来对浮置扩散区域FD的电压进行采样。
如上所述，图像传感器1包括单个转移栅极20，单个转移栅极20控制全部形成在衬底100中的光电二极管PD、存储二极管SD和浮置扩散区域FD之间的电荷转移。转移栅极20被形成为填充在衬底100的深度方向上形成的沟槽20T，并且可以位于与光电二极管PD、存储二极管SD和浮置扩散区域FD均相邻的位置处。
向转移栅极20提供具有不同电压(即，第一电压V_tg1和第二电压V_tg2)的第一转移信号和第二转移信号，并且作为结果，可以分别地在光电二极管PD和存储二极管SD之间和在存储二极管SD和浮置扩散区域FD之间形成沟道。
因此，由于图像传感器1无需用于在存储二极管SD和浮置扩散区域FD之间形成沟道的单独的栅极，因此衬底100上的由图像传感器1占据的面积可以缩小，这是有利于集成。
图10是示出了根据本发明构思的另一实施例的图像传感器的图。下文中将描述图10的图像传感器2，主要集中在与图4的图像传感器1的不同之处。
参考图10，第一复位栅极10沿着衬底10的深度方向的深度d1可以与转移栅极20沿着衬底10的深度方向的深度d2不同。更具体地，第一复位栅极10的深度d1可以小于转移栅极20的深度d2。在这种情况下，第一复位栅极10可以竖直地与光电二极管PD完全重叠。
图11是示出了根据本发明构思的另一实施例的图像传感器的图。下文中将描述图11的图像传感器3，主要集中在与图4的图像传感器1和图10的图像传感器2的不同之处。
参照图11，图像传感器3可以包括与图4的图像传感器1不同类型的光敏元件。
更具体地，图像传感器3可以包括外部光敏元件600，外部光敏元件600形成在衬底100的第二表面(或底面)的外部，而不是像图4的光电二极管那样，形成在衬底100的内部上。
外部光敏元件600可以形成在衬底100的第二表面上，并且可以包括两个电极(即，下电极610和上电极630)以及形成在下电极和上电极630之间的电荷生成层620。由微透镜700收集的并且穿过滤色器630的光信号L可以被提供到电荷生成层620，从而可以使得电荷生成。
在一些实施例中，可以对上电极630施加直流(DC)电压V_DC，并且可以对下电极610施加高于DC电压V_DC的电压。因此，如果通过将光信号L提供到电荷生成层620而在电荷生成层620中生成了电子e和空穴h的对，则可以将电子e提供到下电极610，并且可以将空穴h提供到上电极630。
电荷生成层620可以是例如包括有机材料的膜，但本发明构思不限于此。也就是说，备选地，电荷生成层620可以包括无机材料。
在一些实施例中，下电极610和上电极630可以具有不同的配置。更具体地，上电极630可以是透明的，但是下电极610可以是不透明的，在这种情况下，上电极630可以透射光信号L，但是下电极610不可以透射光信号L。
可以经由通路(via)402将被提供到下电极610的电子e提供到电荷存储区域CS电荷存储区域CS可以是形成在衬底100中与衬底100的第二表面相邻的区域。可以通过将n+型离子注入到衬底100中来形成电荷存储区域CS。
通路402可以由导电材料形成以填充通孔400，通孔400被形成为穿透下平坦化层501、屏蔽膜511和上平坦化层512。更具体地，通孔400的内壁由绝缘膜402覆盖，并且通路402可以填充由绝缘膜402限定的通孔400的内部空间。
外部光敏元件600的曝光可以由被施加到第一复位栅极10的第一复位信号RX1启动。可以通过通路402将通过外部光敏元件600的曝光而生成的电荷(即，电子)暂时地存储在电荷存储区域CS中。
此后，如以上关于前面的实施例所提及的，使用具有第一电压电平V_tg1的第一转移信号和具有第二电压V_tg2的第二转移信号来将电荷转移到存储二极管SD和浮置扩散区域FD。
同时，屏蔽膜511可以被形成为围绕通孔400。也就是说，屏蔽膜511可以覆盖衬底100的整个第二表面，并且仅通孔400可以通过屏蔽膜511连接到电荷存储区域CS。
图12是示出了根据本发明构思的另一实施例的图像传感器的图。下文中将描述图12的图像传感器4，主要集中在与图4的图像传感器1、图10的的图像传感器3和图11的图像传感器3的不同之处。
参照图12，电荷存储区域CS’可以具有与图11的电荷存储区域CS不同的形状。更具体地，电荷储存区域CS’可以被形成为与衬底100的第二表面间隔开。因此，电荷存储区域CS’可以被埋置在衬底100中。
通路411可以将与衬底100的第二表面间隔开的电荷存储区域CS’与下电极610电连接。通路411和填充有绝缘膜412的通孔410的侧壁可以被衬底100、电荷存储区域CS’和屏蔽膜511围绕。
图13是示出了根据本发明构思的另一实施例的图像传感器的图。下文中将描述图13的图像传感器4a，主要集中在与图4的图像传感器1、图10的图像传感器2、图11的图像传感器3和图12的图像传感器4的不同之处。
参照图13，图像传感器4a还可以包括围绕电荷存储区域CS’的掺杂区域420。掺杂区域420可以形成在衬底100中，以围绕电荷存储区域CS’。在一些实施例中，掺杂区域420可以掺杂有与电荷存储区域CS’不同的导电类型的离子。例如，在电荷存储区域CS’掺杂有n+型离子的情况下，掺杂区域420可以掺杂有P型离子。
通路411可以穿透围绕电荷存储区域CS’的掺杂区域420，并且可以将下电极610与电荷存储区域CS’电连接。
图14是示出了根据本发明构思的另一实施例的图像传感器的图。
参照图14，图像传感器5可以具有与图像传感器1、2、3、4和4a不同的结构。
更具体地，与图像传感器1、2、3、4和4a不同，图像传感器5可以不包括第一复位栅极10。也就是说，图像传感器5可以包括：在衬底100的深度方向上形成的转移栅极120；第二复位栅极30；以及电荷存储区域CS”、存储二极管SD和浮置扩散区域FD，其中电荷存储区域CS”、存储二极管SD和浮置扩散区域FD被形成为沿着衬底100的深度方向彼此竖直对齐。
图像传感器5的电荷存储区域CS”和外部光敏元件600可以具有与图11的图像传感器3的相对对应物相似的结构，只不过在图像传感器5中，电荷存储区域CS”和存储二极管SD形成在转移栅极120的同一侧上，而在图像传感器3中，电荷存储区域CS和存储二极管SD形成在转移栅极20的相对侧上。因此，图像传感器5的电荷存储区域CS”和存储二极管SD可以竖直对齐。
图像传感器5可以通过上电极630连接到第一复位端子RX1。也就是说，上电极630可以从第一复位端子RX1接收第一复位信号V_rx1。外部光敏元件600可以接收第一复位信号V_rx1，并且可以在电荷生成层620中生成电荷，并且可以将电荷转移到电荷存储区域CS”。此时，由于未对转移栅极120施加任何附加信号，因此没有电荷从电荷存储区域CS”转移到存储二极管SD。
此后，如以上关于前面的实施例所提及的，电荷从电荷存储区域CS”转移到存储二极管SD，并且从存储二极管SD转移到浮置扩散区域FD。更具体地，转移栅极120使用具有第一电压电平V_tg1的第一转移信号将电荷存储区域CS”中所存储的电荷转移到存储二极管SD。此时，如以上关于前面的实施例所提及的，向第二复位栅极RG2施加第二复位信号V_rx2，以防止电荷从存储二极管SD转移到浮置扩散区域FD。
此后，浮置扩散区域FD被复位，并且读取复位后的浮置扩散区域FD的电压。然后，转移栅极120使用具有第二电压V_tg2的第二转移信号将电荷从存储二极管SD转移到浮置扩散区域FD。此时，持续向第二复位漏极RD施加浮置复位电压V_h。
已经参考附图描述了本发明构思的某些实施例，但是本领域的普通技术人员可以理解的是，在不改变本发明构思的技术构思或本质特征的情况下，本领域普通技术人员可以以其它特定形式来执行本发明构思。本发明构思的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (20)

1.一种图像传感器，包括：
光敏元件，响应于入射光来生成电荷；
存储二极管，形成在衬底中，其中所述存储二极管存储由所述光敏元件生成的电荷；
浮置扩散区域，形成在所述衬底的顶面中并且与所述存储二极管间隔开；以及
转移栅极，至少部分地埋置在所述衬底的顶面的下方，其中所述转移栅极控制所述电荷从所述存储二极管向所述浮置扩散区域转移。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述转移栅极控制所述电荷从所述光敏元件向所述存储二极管转移。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述转移栅极响应于具有第一电压的第一转移信号全体地控制所述电荷从所述光敏元件向所述存储二极管转移，并且响应于具有不同于所述第一电压的第二电压的第二转移信号全体地控制所述电荷从所述存储二极管向所述浮置扩散区域转移。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，所述第一电压高于所述第二电压。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述光敏元件包括光电二极管，所述光电二极管形成在所述衬底的内部并接近所述衬底的底面。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述光敏元件包括外部光敏元件，所述外部光敏元件至少部分地形成在所述衬底的外部并接近所述衬底的底面。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，所述外部光敏元件包括：
第一电极，形成在所述衬底的底面上；
第二电极，形成在所述第一电极之上；以及
电荷生成层，形成在所述第一电极和所述第二电极之间。
8.根据权利要求6所述的图像传感器，还包括：
电荷存储区域，形成在所述衬底的底面中，其中所述光敏元件经由通路电连接到所述电荷存储区域。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，由所述光敏元件生成的电荷存储在所述电荷存储区域中，并且所述转移栅极控制所述电荷存储区域中所存储的电荷向所述存储二极管转移。
10.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，所述电荷存储区域、所述存储二极管以及所述浮置扩散区域相对于所述衬底的水平设置的顶面和底面竖直对齐。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
第一复位栅极，与所述转移栅极间隔开并且至少部分地埋置在所述衬底的顶面中，其中所述第一复位栅极响应于第一复位信号来复位所述光敏元件。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，还包括：
第二复位栅极，形成在所述衬底的所述顶面中，其中所述第二复位栅极和所述转移栅极设置在所述浮置扩散区域的相对侧上。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述第二复位栅极包括复位漏极，使得通过被施加到所述复位漏极的浮置复位电压来复位所述浮置扩散区域。
14.一种图像传感器，包括：
衬底，具有顶面和相对的底面；
沟槽，形成在所述衬底的顶面中；
转移栅极，填充所述沟槽；
第一电荷存储区域，形成在所述衬底中所述转移栅极的第一侧上；
第二电荷存储区域，形成在所述衬底中所述转移栅极的第二侧上；以及
浮置扩散区域，通过所述衬底的顶面而暴露，
其中，所述转移栅极响应于第一电压控制所述第一电荷存储区域中所存储的电荷向所述第二电荷存储区域转移，并且响应于不同于所述第一电压的第二电压控制所述第二电荷存储区域中所存储的电荷向所述浮置扩散区域转移。
15.根据权利要求14所述的图像传感器，还包括：
外部光敏元件，设置在所述衬底的底面上，其中，所述第一电荷存储区域电连接到所述外部光敏元件，使得所述第一电荷存储区域接收和存储响应于由所述光敏元件接收的光信号而生成的电荷。
16.根据权利要求15所述的图像传感器，还包括：
围绕所述第一电荷存储区域并且掺杂有与所述第一电荷存储区域的离子不同的导电类型的离子的区域。
17.根据权利要求14所述的图像传感器，其中，所述第一电压高于所述第二电压。
18.一种图像传感器，包括：
传感器阵列，包括分别将光信号转换成对应的电输出的像素；以及
定时发生器，控制所述传感器阵列，
其中，每个像素包括：光敏元件，响应于所述光信号来生成电荷；存储二极管，形成在所述衬底中，存储由所述光敏元件生成的电荷；浮置扩散区域，形成在所述衬底中并且在第一方向上与所述存储二极管间隔开；以及转移栅极，在所述第一方向上埋置在所述衬底中，并且
所述转移栅极响应于由所述定时发生器提供的第一转移信号控制电荷从所述光敏元件向所述存储二极管转移，并且响应于由所述定时发生器提供的第二转移信号控制电荷从所述存储二极管向所述浮置扩散区域转移。
19.根据权利要求18所述的图像传感器，其中，所述第一转移信号具有第一电压，并且所述第二转移信号具有不同于所述第一电压的第二电压。
20.根据权利要求19所述的图像传感器，其中，所述第一电压高于所述第二电压。
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