CN109728015A - 具有减少的建立时间的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

提供了包括能够在非常短的时间内建立输出电压以实现高速图像传感器的结构的图像传感器。该图像传感器包括：像素区域，其中设置光电二极管(PD)和传输晶体管(Tr)，传输晶体管(Tr)被配置为将PD中累积的电荷传输到浮置扩散(FD)区域；以及Tr区域，其与像素区域相邻设置，并包括第一Tr、第二Tr和第三Tr，其中设置在第一Tr的第一栅电极下方的第一栅极氧化物膜和设置在第二Tr的第二栅电极下方的第二栅极氧化物膜包括比传输Tr的栅极氧化物膜薄的沟道氧化物膜。

Description

具有减少的建立时间的图像传感器
技术领域
本发明构思总体上涉及传感器，更具体地，涉及具有减少的建立时间(settingtime)的图像传感器。
背景技术
图像传感器通常包括布置为二维阵列的多个单位像素。通常，单位像素可以包括单个光电二极管和多个像素晶体管(Tr)。所述多个像素晶体管可以包括例如传输Tr(TGTr)、复位Tr(RG Tr)、源极跟随器Tr(SF Tr)和选择Tr(SEL Tr)。随着设备变得更紧凑/集成且像素尺寸变得更精细，图像传感器中正在使用共用像素结构，并且正在开发能够高速拍摄图像的高速图像传感器。
发明内容
本发明构思的一些实施方式提供了一种图像传感器，其包括：像素区域，其中设置光电二极管(PD)和传输晶体管(Tr)，传输晶体管(Tr)被配置为将PD中累积的电荷传输到浮置扩散(FD)区域；以及Tr区域，其与像素区域相邻设置，并包括第一Tr、第二Tr和第三Tr，其中设置在第一Tr的第一栅电极下方的第一栅极氧化物膜和设置在第二Tr的第二栅电极下方的第二栅极氧化物膜包括比传输Tr的栅极氧化物膜薄的沟道氧化物膜。
本发明构思的另外的实施方式提供了一种图像传感器，其包括：像素区域，其中布置有共用像素和传输晶体管(Tr)，在像素区域中浮置扩散(FD)区域由至少两个光电二极管(PD)共用，并且传输晶体管(Tr)对应于PD；以及Tr区域，其与像素区域相邻设置，并在其中布置有与共用像素对应的第一Tr、第二Tr和第三Tr，其中设置在第一Tr的第一栅电极下方的第一栅极氧化物膜包括比传输Tr的栅极氧化物膜薄的第一沟道氧化物膜。
本发明构思的又一些实施方式提供了一种图像传感器，其包括：共用像素，其具有多个光电二极管(PD)共用一个浮置扩散(FD)区域的结构；以及像素Tr，其对应于共用像素并包括传输Tr、第一Tr、第二Tr和第三Tr，这里，设置在第一Tr的第一栅电极下方的第一栅极氧化物膜包括比传输Tr的栅极氧化物膜薄的第一沟道氧化物膜。
附图说明
本发明构思的实施方式将由以下结合附图的详细描述被更清楚地理解，附图中：
图1A是根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器的单位像素的电路图。
图1B是图1A的电路图中的源极跟随器晶体管部分的电路图。
图1C是示出图1A的电路图中的电压建立时间的概念的信号波形图。
图2A是根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器的共用单位像素的电路图。
图2B是与图2A的电路图对应的共用单位像素的示意性俯视图。
图2C是沿图2B的线I-I'和II-II'获得的剖视图。
图2D是以放大的方式示出图2C的源极跟随器(SF)晶体管(Tr)的剖视图。
图3A至3E是根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器中的应用各种类型的栅极氧化物膜的SF Tr的俯视图。
图4A是根据本发明构思的一些实施方式的具有共用像素结构的图像传感器的电路图。
图4B是与图4A的电路图对应的共用单位像素的示意性俯视图。
图4C是沿图4B的线III-III'获得的剖视图。
图5A和5B分别是沿图2B和4B的线I-I'和III-III'截取的根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器中的Tr区域的剖视图。
图6A至6E是示出根据本发明构思的一些实施方式的在图3A的SF Tr结构的制造中的工艺步骤的剖视图。
图7A至7D是示出根据本发明构思的一些实施方式的在图3C的SF Tr结构的制造中的工艺步骤的剖视图。
具体实施方式
图1A是根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器的单位像素的电路图，图1B是图1A的电路图中的源极跟随器晶体管部分的电路图，图1C是示出图1A的电路图中的电压建立时间的概念的信号波形图。
参照图1A至1C，根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器100可以包括单位像素中的像素区域(见图2B中的PA)和晶体管(Tr)区域(见图2B中的TA)。光电二极管(PD)110、传输(TG)Tr 130和浮置扩散(FD)区域120可以布置在像素区域中，而复位(RG)Tr 140、源极跟随器(SF)Tr 150和选择(SEL)Tr 160可以布置在Tr区域中。根据一些实施方式的图像传感器100包括多个单位像素，并且单位像素可以在第一方向(x方向)和第二方向(y方向)上以二维阵列结构布置。同时，TG Tr 130、RG Tr 140、SF Tr 150和SEL Tr 160被称为像素Tr。
PD 110是P-N结二极管。PD 110可以产生与入射光的量成比例的电子(其为负电荷)和空穴(其为正电荷)。TG Tr 130可以将PD 110中产生的电荷传输到FD区域120，RG Tr140可以周期性地重置储存在FD区域120中的电荷。SF Tr 150是根据FD区域120中所充的电荷而缓冲信号的缓冲放大器，SEL Tr 160是用作可选择对应像素的开关的Tr。
根据一些实施方式的图像传感器100可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。然而，图像传感器100不限于CIS。在根据一些实施方式的图像传感器100中，SFTr 150的栅极氧化物膜(见图2D的256)可以包括比其它像素Tr 130、140和160的栅极氧化物膜(见图2C或2D的位于栅电极232、242或262下方的206)薄的沟道氧化物膜。因此，图像传感器100可以基于SF Tr 150的薄沟道氧化物膜而减少输出电压Vout的建立时间。结果，可以实现可高速操作的高速图像传感器。
具体地，当栅极电压Vin施加到SF Tr 150的栅电极时，源极电压Vs根据栅极电压Vin而改变。另一方面，因为FD区域120连接到SF Tr 150的栅电极，所以栅极电压Vin可以基本上等于FD区域120的电压。在这些实施方式中，虽然单位像素的输出电压Vout对应于SELTr 160的源极电压，但是图1B中省略了SEL Tr 160并且仅显示了输出电压Vout。
在SF Tr 150中，源极电压Vs可以与栅极电压Vin具有如下面的等式1所示的关系。
Vs＝0.9×(Vin－0.5)-----------------------等式1
基于等式1，可以直接获得栅极-源极电压Vgs，其是栅电极与源极之间的电压。例如，当栅极电压Vin为2.5V时，根据等式1，源极电压Vs为1.8V，因而栅极-源极电压Vgs可以为0.7V。
通常，当制造Tr时，栅极氧化物膜的厚度可以基于最大栅极-源极电压来确定。同时，在先前的图像传感器中，栅极氧化物膜形成为在所有像素Tr中具有相同的厚度，因而栅极氧化物膜形成为具有根据拥有最大栅极-源极电压(例如TG Tr 130的栅极-源极电压)的Tr的厚度。然而，如以上参照等式1所述，SF Tr 150的栅极-源极电压Vgs可以显著低于TGTr 130的栅极-源极电压Vgs。例如，TG Tr 130的栅极-源极电压Vgs可以等于或高于3V，而SF Tr 150的栅极-源极电压Vgs可以低于或等于1.5V。当然，TG Tr 130和SF Tr 150的栅极-源极电压Vgs不限于上述值。
同时，为了实现高速图像传感器，输出电压Vout的建立时间需要较短。输出电压Vout的建立时间取决于输出电压Vout线的RC延迟，其中电容可最显著地受到输出电压Vout线自身的电容影响，并且电阻可最显著地受到SF Tr 150的输出电阻影响。假设输出电压Vout线自身的电容在一定程度上恒定，则需要减小SF Tr 150的输出电阻以减少RC延迟。通常，Tr的输出电阻与跨导gm的倒数成比例，因而需要增大跨导gm以减小Tr的输出电阻。另一方面，跨导gm与Tr的栅极氧化物膜的厚度成反比。
换言之，随着SF Tr 150的栅极氧化物膜的厚度减小，SF Tr 150的输出电阻减小，因而输出电压Vout线的RC延迟减少。结果，可以缩短输出电压Vout的建立时间。在这些实施方式中，最终输出电压Vout是在建立时间测量的电压。建立时间越短，输出电压Vout输出越快，因而图像传感器的操作速度提高。换言之，根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器100可以通过减小SF Tr 150的沟道区域上的栅极氧化物膜的厚度而减少输出电压Vout的建立时间，从而实现高速图像传感器。
将参照图1C的信号波形图简要描述输出电压Vout的建立时间。当TG Tr 130在导通时间Ton导通并在关断时间Toff关断时，如中间信号波形图所示，漏极侧电压(即FD区域120的电压或SF Tr 150的电压)可以具有相对小的RC延迟。另一方面，如从底部信号波形图可以看出，输出电压Vout可以具有相当大的RC延迟。如上所述，输出电压Vout的RC延迟可显著地受到SF Tr 150的输出电阻的影响。
同时，建立时间可以是指输出电压Vout与最终正常状态值之间的差异落入所要求的％范围内的时间。例如，当要求百分之一的范围内的差异时，建立时间可以被设定为时间常数(τ＝RC)的约5倍。如底部信号波形图中的实线所示，当RC延迟增加时，建立时间Tset1会增加。另一方面，如虚线所示，当RC延迟减少时，建立时间Tset2减少。结果，通过经由减小SF Tr 150的栅极氧化物膜的厚度而减小输出电阻，可以减少输出电压Vout的RC延迟，从而缩短输出电压Vout的建立时间。
在这些实施方式中，当形成多个Tr时，用于形成具有两个厚度的栅极氧化物膜的方案被称为双栅极氧化物膜方案，用于形成具有三个厚度的栅极氧化物膜的方案被称为三栅极氧化物膜方案。因为SF Tr 150包括具有与其它像素Tr 130、140和160的栅极氧化物膜的厚度不同的厚度的沟道氧化物膜，所以根据一些实施方式的图像传感器100可以被认为是应用双栅极氧化物膜方案中的一种的结构。
图2A是根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器的共用单位像素的电路图，图2B是与图2A的电路图对应的共用单位像素的示意性俯视图，图2C是沿图2B的线I-I'和II-II'获得的剖视图，图2D是以放大的方式示出图2C的SF Tr的剖视图。为了简洁起见，在此可以不重复对以上关于图1A和1B讨论的相似元件的描述。
参照图2A至2D，根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器200可以包括像素区域PA和Tr区域TA。像素区域PA中可以布置四个像素，并且Tr区域TA中可以布置除TG Tr230之外的Tr 240、250和260。在图像传感器200中，可以认为一个PD 210对应于一个像素。因此，除非另有说明，否则PD 210和像素被认为是相同的元件。
在根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器200中，四个像素可以构成一个4-共用像素SP。例如，4-共用像素SP可以具有其中四个PD 210(PD1至PD4)围绕并共用一个FD区域220的结构。虽然图2B中仅显示了一个4-共用像素SP，但是根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器200包括多个4-共用像素SP，并且所述多个4-共用像素SP可以在第一方向(x方向)和第二方向(y方向)上以二维阵列结构布置。
如图2A的电路图中所示，在4-共用像素SP中，一个FD区域220可以由四个PD 210通过分别与四个PD 210对应的TG Tr 230共用。具体地，与第一PD 210-1(PD1)对应的第一TGTr 230-1(TG1)、与第二PD 210-2(PD2)对应的第二TG Tr 230-2(TG2)、与第三PD 210-3(PD3)对应的第三TG Tr 230-3(TG3)和与第四PD 210-4(PD4)对应的第四TG Tr 230-4(TG4)可以共用FD区域220作为公共漏极区域。
在4-共用像素SP中共用的原理不仅包括四个PD 210共用一个FD区域220的原理，而且还包括四个PD 210共用除TG Tr 230以外的像素Tr 240、250和260的原理。换言之，构成4-共用像素SP的四个PD 210可以共用RG Tr 240、SF Tr 250和SEL Tr 260。RG Tr 240、SF Tr 250和SEL Tr 260可以在Tr区域TA中设置在第二方向(y方向)上。然而，取决于像素区域PA中的PD 210和TG Tr 230的布置，RG Tr 240、SF Tr 250和SEL Tr 260可以在第一方向(x方向)上布置。
根本地，除了RG Tr 240、SF Tr 250和SEL Tr 260由4个PD 210共用之外，RG Tr240、SF Tr 250和SEL Tr 260的结构和操作可以与布置在图1A的图像传感器100的每个像素中的RG Tr 140、SF Tr 150和SEL Tr 160的结构和操作基本相同。
具体地，如图2C和2D所示，RG Tr 240可以包括栅电极242、源极/漏极区域SD和沟道区域CH。间隔物244可以设置在栅电极242的两个侧壁上。虽然未示出，但是盖绝缘膜可以设置在栅电极242的顶表面上。源极/漏极区域SD可以设置在衬底201的上部中，并且可以包括低浓度杂质区域202和高浓度杂质区域204。沟道区域CH可以设置在栅电极242下方的衬底201的上部中。栅极氧化物膜可以插置在沟道区域CH与栅电极242之间。例如，氧化物膜206的设置在衬底201上和栅电极242下方的部分可以被包括在栅极氧化物膜中。
SEL Tr 260可以包括栅电极262、源极/漏极区域SD和沟道区域CH。间隔物264可以设置在栅电极262的两个侧壁上。栅电极262、源极/漏极区域SD和沟道区域CH的结构与以上关于RG Tr 240描述的结构相同。器件隔离膜208可以设置在Tr区域TA外部。器件隔离膜208可以是例如浅沟槽隔离(STI)层。
SF Tr 250可以包括栅电极252、源极/漏极区域SD、沟道区域CH和间隔物254。SFTr 250的尺寸可以大于其它像素Tr 230、240和260的尺寸。例如，SF Tr 250的栅电极252的长度可以大于其它像素Tr 230、240和260的栅电极232、242和262的长度。在这些实施方式中，栅电极的长度可以被定义为源极区域与漏极区域之间的距离。
SF Tr 250的栅极氧化物膜256可以包括比其它像素Tr 230、240和260的栅极氧化物膜薄的沟道氧化物膜256ch。例如，栅极氧化物膜256可以包括沟道氧化物膜256ch以及围绕沟道氧化物膜256ch的外部氧化物膜256out。沟道氧化物膜256ch的第一厚度t1可以小于外部氧化物膜256out的第二厚度t2。另一方面，外部氧化物膜256out的第二厚度t2可以与其它像素Tr 230、240和260的栅极氧化物膜的厚度基本相同。
同时，如在图2D中可以看出，在此设置沟道氧化物膜256ch的沟道区域CH的顶表面S1可以低于在此设置氧化物膜206的源极/漏极区域SD的顶表面S2。例如，沟道区域CH的顶表面S1可以具有第一高度H1，源极/漏极区域SD的顶表面S2可以具有第二高度H2，第二高度H2大于第一高度H1。这是形成沟道氧化物膜256ch的结果，下面将参照图6A至6E给出其详细描述。
基于SF Tr 250的栅极氧化物膜256的结构，栅电极252可以具有其中与沟道氧化物膜256ch对应的部分向下突出的结构。例如，栅电极252的与沟道氧化物膜256ch对应的部分的厚度可以相对较大，而栅电极252的与外部氧化物膜256out对应的部分的厚度可以相对较小。
像素区域PA的第二TG Tr 230-2可以包括栅电极232、间隔物234、第二PD 210-2、FD区域220和沟道区域CH。第二PD 210-2和FD区域220可以分别对应于第二TG Tr 230-2的源极区域和漏极区域。第二PD 210-2可以包括在衬底201的上部中的p型半导体区域212和在衬底201的下部中的n型半导体区域214。第二TG Tr 230-2的栅极氧化物膜可以具有与外部氧化物膜256out的第二厚度基本相同的第二厚度t2。其它TG Tr 230-1、230-3和230-4可以具有与第二TG Tr 230-2的结构基本相同的结构。
同时，参照图2A，将简要描述像素Tr 230、240、250和260之间的连接关系。四个PD210可以构成分别与四个PD 210对应的四个TG Tr 230的源极区域。FD区域220构成TG Tr230的公共漏极区域，并且可以经由配线280连接到RG Tr 240的源极区域。此外，FD区域220可以经由配线280连接到SF Tr 250的栅电极。RG Tr 240的漏极区域和SF Tr 250的漏极区域可以被共用并连接到电源电压Vpix。SF Tr 250的源极区域和SEL Tr 260的漏极区域可以彼此共用。输出电压Vout可以连接到SEL Tr 260的源极区域。换言之，SEL Tr 260的源极区域的电压可以经由列线输出作为输出电压Vout。
在根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器200中，单位共用像素可以包括一个4-共用像素SP以及与其对应的Tr区域TA的像素Tr 240、250和260，并且TG Tr 230可以布置在4-共用像素SP中，其中TG Tr 230的数量对应于共用PD 210的数量。根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器200可以是例如CMOS图像传感器CIS。
同时，虽然以上关于其中四个像素构成一个4-共用像素SP的结构给出了描述，但是图像传感器200的共用像素的结构不限于此。例如，在根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器200中，共用像素可以具有其中两个像素构成一个2-共用像素的结构或者其中八个像素构成一个8-共用像素的结构。
如上所述，在根据一些实施方式的图像传感器200中，SF Tr 250的栅极氧化物膜256可以包括比其它像素Tr 230、240和260的栅极氧化物膜薄的沟道氧化物膜256ch。因此，根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器200可以实现具有用于输出电压Vout的短的建立时间的能够高速操作的高速图像传感器。
图3A至3E是根据一些实施方式的图像传感器中应用各种类型的栅极氧化物膜的SF Tr的俯视图。为了简洁起见，在此可以不重复对以上关于图1A至2D讨论的相似元件的描述。
参照图3A，在根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器200a中，在SF Tr250a中，栅极氧化物膜包括沟道氧化物膜256ch-a，其中，如虚线矩形所示，沟道氧化物膜256ch-a可以被栅电极252完全覆盖，并且可以仅设置在源极区域与漏极区域之间。在一些实施方式中，可以认为栅极氧化物膜具有与栅电极252的尺寸基本相同的尺寸，并且可以将其应用于下面的实施方式。
参见图3B，在根据一些实施方式的图像传感器200b中，在SF Tr 250b中，栅极氧化物膜包括沟道氧化物膜256ch-b，其中，如虚线矩形所示，沟道氧化物膜256ch-b可以被栅电极252完全覆盖，并设置在源极区域与漏极区域之间。此外，与图3A的沟道氧化物膜256ch-a相比，沟道氧化物膜256ch-b可以沿着栅电极252的宽度方向进一步延伸。其中宽度方向是指与从源极区域朝向漏极区域的方向垂直的方向。
参照图3C，在根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器200c中，在SF Tr250c中，栅极氧化物膜包括沟道氧化物膜256ch-c，其中，如虚线矩形所示，沟道氧化物膜256ch-c可以在栅电极252的长度方向上从栅电极252的两个侧表面延伸并突出。其中长度方向是指从源极区域朝向漏极区域的方向。因此，SF Tr 250c的栅极氧化物膜可以仅包括沟道氧化物膜256ch-c的中央部分。另一方面，沟道氧化物膜256ch-c可以沿着栅电极252的宽度方向仅设置在源极区域与漏极区域之间。
参照图3D，在根据一些实施方式的图像传感器200d中，在SF Tr 250d中，栅极氧化物膜包括沟道氧化物膜256ch-d，其中，如虚线矩形所示，沟道氧化物膜256ch-d可以在栅电极252的宽度方向上从栅电极252的两个侧表面延伸并突出。因此，SF Tr 250d的栅极氧化物膜可以仅包括沟道氧化物膜256ch-d的中央部分。另一方面，沟道氧化物膜256ch-d可以沿着栅电极252的长度方向仅设置在源极区域与漏极区域之间。
参照图3E，在根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器200e中，在SF Tr250e中，栅极氧化物膜包括沟道氧化物膜256ch-e，其中，如虚线矩形所示，沟道氧化物膜256ch-e可以沿着栅电极252的长度方向和宽度方向从栅电极252的全部四个侧表面延伸并突出。沟道氧化物膜256ch-e的水平剖面面积可以大于栅电极252的水平剖面面积，并且整个栅电极252可以设置在沟道氧化物膜256ch-e的上部中。此外，SF Tr 250e的栅极氧化物膜可以被包括在沟道氧化物膜256ch-e中。
另一方面，沟道氧化物膜256ch越宽，SF Tr 250的诸如高速操作和降噪的TR特性会越好。然而，通过考虑PD 210，随着沟道氧化物膜256ch变宽，来自PD 210的泄漏电流会增加。因此，通过一起考虑PD 210的Tr特性和泄漏电流，具有适当尺寸和适当结构的沟道氧化物膜可以应用于SF Tr 250。
此外，虽然图3A至3E显示了五种类型的沟道氧化物膜，但是沟道氧化物膜的形状不限于此。例如，只要沟道氧化物膜的至少一部分设置在SF Tr 250的栅电极252下方，沟道氧化物膜就可以布置成各种形式。
图4A至4C分别是根据一些实施方式的具有共用像素结构的图像传感器的电路图、与其对应的共用单位像素的示意性俯视图、以及沿图4B的线III-III'获得的剖视图。为了简洁起见，在此可以不重复对以上关于图1A至2D讨论的相似元件的描述。
参照图4A至4C，因为根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器200f包括两个SF Tr 250-1和250-2，所以图像传感器200f可以不同于图2A的图像传感器200。具体地，根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器200f可以包括第一SF Tr 250-1(SF1)和与第一SF Tr 250-1(SF1)相邻的第二SF Tr 250-2(SF2)。此外，因为图像传感器200f包括两个SF Tr 250-1和250-2，所以它们之间的配线连接关系可以不同于图2A的图像传感器200中的配线连接关系。
例如，将参照图4A的电路图简要描述像素Tr 230、240、250-1、250-2和260的连接关系。PD 210、TG Tr 230和FD区域220之间的连接关系可以与图2A的电路图中的连接关系基本相同。FD区域220可以通过第一配线280a连接到第一SF Tr 250-1和第二SF Tr 250-2的栅电极以及RG Tr 240的源极区域。
第二SF Tr 250-2和RG Tr 240的漏极区域可以彼此共用，经由第二配线280b连接到第一SF Tr 250-1的漏极区域，并且电源电压Vpix可以施加于此。第一SF Tr 250-1和第二SF Tr 250-2的源极区域可以彼此共用，并经由第三配线280c连接到SEL Tr 260的漏极区域。输出电压Vout可以连接到SEL Tr 260的源极区域。换言之，SEL Tr 260的源极区域的电压可以通过列线输出作为输出电压Vout。
同时，在图2B和2C中，RG Tr 240和SEL Tr 260设置在SF Tr 250的两个相反侧上。然而，在根据一些实施方式的图像传感器200f中，RG Tr 240和SEL Tr 260可以设置在两个SF Tr 250-1和250-2的一侧上。这可以是共用两个SF Tr 250-1和250-2的源极/漏极区域的结果。通常，当布置奇数个SF Tr时，RG Tr和SEL Tr可以布置在SF Tr的两侧上。相反，当布置偶数个SF Tr时，RG Tr和SEL Tr可以布置在SF Tr的一侧上。此外，如可以在图4C中看出，当RG Tr 240和SEL Tr 260设置在两个SF Tr 250-1和250-2的一侧上时，器件隔离膜208可以设置在RG Tr 240与SEL Tr 260之间。
在根据本发明构思的一些实施方式的图像传感器200f中，两个SF Tr 250-1和250-2的栅极氧化物膜可以分别包括薄的沟道氧化物膜256ch-1和256ch-2。具体地，第一SFTr 250-1的栅极氧化物膜可以包括第一沟道氧化物膜256ch-1和外部氧化物膜，而第二SFTr 250-2的栅极氧化物膜可以包括第二沟道氧化物膜256ch-2和外部氧化物膜。此外，第一沟道氧化物膜256ch-1和第二沟道氧化物膜256ch-2可以比外部氧化物膜或其它像素Tr230、240和260的栅极氧化物膜更薄。在这些实施方式中，如以上参照图2C和2D所述，在栅极氧化物膜当中，外部氧化物膜可以被定义为氧化物膜206的设置在第一沟道氧化物膜256ch-1和第二沟道氧化物膜256ch-2外部并且在栅电极下方的部分。在根据一些实施方式的图像传感器200f中，两个SF Tr 250-1和250-2的第一沟道氧化物膜256ch-1和第二沟道氧化物膜256ch-2的每个的形状可以如以上参照图3A至3E所述地变化。
图5A和5B分别是沿图2B和4B的线I-I'和III-III'截取的根据一些实施方式的图像传感器中的Tr区域的剖视图。为了简洁起见，在此可以不重复对以上关于图1A至2D讨论的相似元件的描述。
参照图5A，根据一些实施方式的图像传感器200g可以与图2A的图像传感器200不同在于，SEL Tr 260a的栅极氧化物膜包括沟道氧化物膜266ch。具体地，在根据一些实施方式的图像传感器200g中，SF Tr 250的栅极氧化物膜可以包括沟道氧化物膜256ch，并且SELTr 260a的栅极氧化物膜可以包括沟道氧化物膜266ch。SF Tr 250和SEL Tr 260a的沟道氧化物膜256ch和266ch可以比外部氧化物膜或其它像素Tr 230和240的栅极氧化物膜更薄。在根据一些实施方式的图像传感器200g中，SELTr 260a的沟道氧化物膜266ch的形状可以如以上参照图3A至3E所述地变化。此外，SEL Tr 260a的沟道氧化物膜266ch可以具有与沟道氧化物膜256ch的厚度基本相同的厚度。
在根据一些实施方式的图像传感器200g中，因为SF Tr 250和SEL Tr 260a包括薄的沟道氧化物膜256ch和266ch，所以可以进一步减小SF Tr 250的输出电阻。结果，根据一些实施方式的图像传感器200g可以进一步缩短输出电压Vout线的RC延迟和输出电压Vout的建立时间，从而更有助于高速图像传感器的实现。
此外，在根据一些实施方式的图像传感器200g中，SEL Tr 260a包括沟道氧化物膜266ch，并且SEL Tr 260a的沟道氧化物膜266ch可以比SF Tr 250的沟道氧化物膜256ch更厚。在这些实施方式中，根据一些实施方式的图像传感器200g可以被认为是应用三栅极氧化物膜方案中的一种的结构。
参照图5B，根据一些实施方式的图像传感器200h可以与图4C的图像传感器200f不同在于，SEL Tr 260a的栅极氧化物膜包括沟道氧化物膜266ch。具体地，在根据一些实施方式的图像传感器200h中，两个SF Tr 250-1和250-2的栅极氧化物膜分别包括沟道氧化物膜256ch-1和256ch-2。此外，SEL Tr 260a的栅极氧化物膜可以包括沟道氧化物膜266ch。两个SF Tr 250-1和250-2以及SEL Tr 260a的沟道氧化物膜256ch-1、256ch-2和266ch可以比外部氧化物膜或其它像素Tr 230和240的栅极氧化物膜更薄。在根据一些实施方式的图像传感器200h中，SEL Tr 260a的沟道氧化物膜266ch的形状可以如以上参照图3A至3E所述地变化。
图6A至6E是示出在图3A的SF Tr结构的制造中的工艺步骤的剖视图。为了简洁起见，在此可以不重复对以上关于图1A至2D讨论的相似元件的描述。
参照图6A，第一氧化物膜206a形成在衬底201上。衬底201可以是硅晶片、外延晶片或绝缘体上硅(SOI)晶片。当然，衬底201不限于上述晶片。另一方面，衬底201可以包括例如p型杂质。例如，衬底201可以是p型衬底。然而，衬底201不限于p型衬底。
虽然未示出，但是可以对衬底201执行离子注入工艺，因而可以形成PD和阱区域。PD和/或阱区域也可以在形成单元隔离结构之后被形成。例如，单元隔离结构可以形成为深沟槽隔离(DTI)结构。
沟槽可以通过在衬底201的顶表面上形成掩模图案并经由使用该掩模图案作为蚀刻掩模蚀刻衬底201的上部而形成。接着，填充沟槽的绝缘层被形成，并且可以执行诸如化学机械抛光(CMP)和/或回蚀刻的平坦化工艺。衬底201的顶表面可以通过平坦化工艺被暴露，并且浅沟槽隔离(STI)层(见图2C中的208)可以被形成。
接着，第一氧化物膜206a形成在衬底201的整个顶表面上。第一氧化物膜206a可以是例如硅氧化物膜。当然，第一氧化物膜206a的材料不限于硅氧化物。第一氧化物膜206a可以具有几十埃至几百埃的厚度。当然，第一氧化物膜206a的厚度不限于上述值。同时，第一氧化物膜206a可以通过使用热氧化法形成。由于第一氧化物膜206a通过使用热氧化法形成，因此衬底201的硅可以被部分地消耗，因而在形成第一氧化物膜206a之后的衬底201的顶表面可以低于衬底201的初始顶表面。
参照图6B，掩模图案形成在第一氧化物膜206a上，第一沟槽T1通过使用该掩模图案作为蚀刻掩模蚀刻第一氧化物膜206a而形成。形成在第一氧化物膜206b中的第一沟槽T1暴露衬底201的顶表面，并且可以如图6B所示具有第一宽度W1。
参照图6C，在形成第一沟槽T1之后，再次通过使用热氧化法而形成第二氧化物膜206th。因为第二氧化物膜206th通过使用热氧化法形成，所以第二氧化物膜206th的在其中暴露衬底201的第一沟槽T1'处的部分可以相对较厚，而第二氧化物膜206th的被第一氧化物膜206b覆盖的部分可以相对较薄。同时，第二氧化物膜206th的在第一沟槽T1'处的部分的厚度可以小于第一氧化物膜206b的厚度。例如，第二氧化物膜206th的在第一沟槽T1'处的部分的厚度可以小于或等于第一氧化物膜206b的厚度的2/3。然而，第二氧化物膜206th的厚度不限于此。
如上所述，在使用热氧化法的情况下，可以消耗衬底201的硅，因而衬底201的顶表面可以由于第二氧化物膜206th的形成而降低。例如，在形成第二氧化物膜206th之前的衬底201的顶表面由虚线表示。此外，因为第二氧化物膜206th在第一沟槽T1'处较厚地形成，所以消耗了大量的硅，因而衬底201的在第一沟槽T1'处的部分的顶表面可以低于衬底201的其余部分的顶表面。
同时，因为第一氧化物膜206b和第二氧化物膜206th包括基本相同的材料，所以第一氧化物膜206b和第二氧化物膜206th可以不区别于彼此。因此，在下面的附图中，不区分地显示了第一氧化物膜206b和第二氧化物膜206th。如图6D所示，第二氧化物膜206th在第一沟槽T1'中构成沟道氧化物膜256ch，并且第一氧化物膜206b和第二氧化物膜206th可以在其它地方一起构成一个氧化物膜206。
参照图6D，栅电极导电膜252l形成在氧化物膜206和沟道氧化物膜256ch上。栅电极导电膜252l可以包括金属或多晶硅。栅电极导电膜252l可以相对较厚，并且厚度为几百埃或更大。同时，如图6D所示，凹陷R可以形成在栅电极导电膜252l的顶表面上，对应于第一沟槽T1'。然而，因为在形成第二氧化物膜206th之后剩余的第一沟槽T1'非常浅，所以栅电极导电膜252l的顶表面的凹陷R可以几乎不出现。
参照图6E，掩模图案形成在栅电极导电膜252l上，并且栅电极导电膜252l通过使用该掩模图案作为蚀刻掩模被蚀刻，从而形成栅电极232、242、252和262。SF Tr(见图2C中的250)的栅电极252可以形成在其中设置沟道氧化物膜256ch的部分处。
同时，SF Tr的栅电极252的长度L可以大于第一宽度W1。因此，栅电极252可以完全覆盖沟道氧化物膜256ch并覆盖氧化物膜206的在沟道氧化物膜256ch外部的部分。沟道氧化物膜256ch外部由栅电极252覆盖的部分对应于外部氧化物膜256out，并且可以与沟道氧化物膜256ch一起构成SF Tr的栅极氧化物膜256。
SF Tr的沟道氧化物膜256ch的结构可以对应于图3A、3B和3D的图像传感器200a、200b和200d的SF Tr 250a、250b和250d的沟道氧化物膜256ch-a、256ch-b和256ch-c的结构。同时，其它像素Tr 230、240和260的栅电极232、242和262形成在氧化物膜206上，因而其它像素Tr 230、240和260的栅极氧化物膜可以具有与氧化物膜206的厚度基本相同的厚度。
图7A至7D是在图3C的SF Tr结构的制造中的工艺步骤的剖面。为了简洁起见，在此可以不重复对以上关于图1A至2D和图6A至6E讨论的相似元件的描述。
参照图7A，如以上参照图6A至6E所述，第三氧化物膜206a'通过使用热氧化法形成在衬底201上，并且第三氧化物膜206a'通过使用掩模被蚀刻，从而在第三氧化物膜206a'中形成暴露衬底201的顶表面的第二沟槽T2。然而，第二沟槽T2可以具有第二宽度W2，第二宽度W2可以大于图6B中的第一沟槽T1的第一宽度W1。
参照图7B，在形成第二沟槽T2之后，如以上参照图6C所述，再次使用热氧化法形成第四氧化物膜。通过形成第四氧化物膜，沟道氧化物膜256ch'可以形成在第二沟槽T2'中。另一方面，第三氧化物膜和第四氧化物膜可以彼此结合并在其它地方构成一个氧化物膜206'。
接着，参照图7C，如以上参照图6D所述，栅电极导电膜252l'形成在氧化物膜206'和沟道氧化物膜256ch'上。同时，如图7C所示，凹陷R'可以形成在栅电极导电膜2521'的顶表面上。然而，因为在形成第四氧化物膜之后剩余的第二沟槽T2'非常浅，所以栅电极导电膜252l'的顶表面上的凹陷R'可以几乎不出现。
参照图7D，掩模图案形成在栅电极导电膜252l'上，并且栅电极导电膜252l'通过使用该掩模图案作为蚀刻掩模被蚀刻，从而形成栅电极232、242、252和262。SF Tr(见图2C中的250)的栅电极252可以形成在其中设置沟道氧化物膜256ch'的部分处。
同时，SF Tr的栅电极252的长度L可以小于第二宽度W2。栅电极252可以仅覆盖沟道氧化物膜256ch'的一部分，因而沟道氧化物膜256ch'的由栅电极252覆盖的中央部分可以构成SF Tr的栅极氧化物膜。
SF Tr的沟道氧化物膜256ch'的结构可以对应于图3C和3E的图像传感器200c和200e的SF Tr 250c和250e的沟道氧化物膜256ch-c和256ch-e的结构。同时，如以上参照图6E所述，其它像素Tr 230、240和260的栅电极232、242和262形成在氧化物膜206'上，因而其它像素Tr 230、240和260的栅极氧化物膜可以具有与氧化物膜206'的厚度基本相同的厚度。
在根据本发明构思的图像传感器中，SF Tr的栅极氧化物膜可以包括比其它像素Tr的栅极氧化物膜更薄的沟道氧化物膜。因此，根据本发明构思的图像传感器可以基于SFTr的薄的沟道氧化物膜而缩短输出电压Vout的建立时间。结果，可以实现能够高速操作的高速图像传感器。
虽然已经参照本发明构思的实施方式具体显示和描述了本发明构思，但是将理解，可以在其中进行在形式和细节上的各种改变而不背离所附权利要求的精神和范围。
本申请要求享有2017年10月30日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2017-0142564号的权益，其公开通过引用全文在此合并。

Claims (20)

1.一种图像传感器，包括：
像素区域，其包括光电二极管和传输晶体管，所述传输晶体管被配置为将所述光电二极管中累积的电荷传输到浮置扩散区域；以及
晶体管区域，其与所述像素区域相邻，包括第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管，
其中所述第一晶体管的第一栅电极下方的第一栅极氧化物膜和所述第二晶体管的第二栅电极下方的第二栅极氧化物膜包括比所述传输晶体管的栅极氧化物膜薄的沟道氧化物膜。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一晶体管的所述沟道氧化物膜被所述第一栅电极完全覆盖。
3.根据权利要求2所述的图像传感器：
其中所述第一晶体管包括源极区域和漏极区域以及沟道区域，所述源极区域和所述漏极区域在衬底的上部中位于所述第一栅电极的两侧，所述沟道区域在所述第一栅电极下方位于所述衬底的所述上部中；以及
其中所述第一晶体管的所述沟道氧化物膜设置在所述沟道区域中，或者沿着与从所述源极区域朝向所述漏极区域的长度方向垂直的宽度方向延伸出所述沟道区域。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一栅极氧化物膜包括围绕所述第一晶体管的所述沟道氧化物膜的外部氧化物膜，并且所述外部氧化物膜具有与所述传输晶体管的所述栅极氧化物膜的厚度基本相同的厚度。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一晶体管的所述沟道氧化物膜的至少一部分从所述第一栅电极的侧表面向外突出。
6.根据权利要求1所述的图像传感器：
其中所述第一晶体管包括源极区域和漏极区域以及沟道区域，所述源极区域和所述漏极区域在衬底的上部中位于所述第一栅电极的两侧，所述沟道区域在所述第一栅电极下方位于所述衬底的所述上部中；以及
其中所述第一晶体管的所述沟道氧化物膜沿着从所述源极区域朝向所述漏极区域的长度方向从所述第一栅电极的两个侧表面延伸、沿着垂直于所述长度方向的宽度方向从所述第一栅电极的两个侧表面延伸、或者沿着所述长度方向和所述宽度方向两者从所述第一栅电极的两个侧表面延伸。
7.根据权利要求1所述的图像传感器：
其中所述第一晶体管包括源极区域和漏极区域以及沟道区域，所述源极区域和所述漏极区域在衬底的上部中位于所述第一栅电极的两侧，所述沟道区域在所述第一栅电极下方位于所述衬底的所述上部中；以及
其中所述沟道区域的顶表面低于所述源极区域和所述漏极区域的顶表面。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一栅电极的与所述第一晶体管的所述沟道氧化物膜对应的部分向下突出。
9.根据权利要求1所述的图像传感器：
其中所述第一晶体管是源极跟随器晶体管，所述第二晶体管是选择晶体管，所述第三晶体管是复位晶体管；
其中所述复位晶体管、所述源极跟随器晶体管和所述选择晶体管由共用所述浮置扩散区域的光电二极管共用；以及
其中所述复位晶体管、所述源极跟随器晶体管和所述选择晶体管按所述复位晶体管、所述源极跟随器晶体管和所述选择晶体管的第一布置顺序、或所述源极跟随器晶体管、所述复位晶体管和所述选择晶体管的第二布置顺序布置在所述晶体管区域中。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中按所述第二布置顺序彼此相邻的两个源极跟随器晶体管布置在所述晶体管区域中。
11.一种图像传感器，包括：
像素区域，其中布置有共用像素和传输晶体管，在所述像素区域中浮置扩散区域由至少两个光电二极管共用，并且所述传输晶体管对应于所述至少两个光电二极管；以及
晶体管区域，其与所述像素区域相邻，并且在其中布置有与所述共用像素对应的第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管，
其中所述第一晶体管的第一栅电极下方的第一栅极氧化物膜包括比所述传输晶体管的栅极氧化物膜薄的第一沟道氧化物膜。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，其中所述第一沟道氧化物膜被所述第一栅电极完全覆盖并且布置在所述第一晶体管的沟道区域上。
13.根据权利要求11所述的图像传感器，其中所述第一栅极氧化物膜包括外部氧化物膜，所述外部氧化物膜从所述第一沟道氧化物膜向外延伸并且具有与所述传输晶体管的所述栅极氧化物膜的厚度基本相同的厚度。
14.根据权利要求11所述的图像传感器，其中所述第一沟道氧化物膜的至少一部分未被所述第一栅电极覆盖。
15.根据权利要求11所述的图像传感器，其中在所述第二晶体管的第二栅电极下方的第二栅极氧化物膜包括第二沟道氧化物膜，所述第二沟道氧化物膜具有与所述第一沟道氧化物膜的厚度基本相同的厚度。
16.根据权利要求11所述的图像传感器：
其中所述第一晶体管包括源极区域和漏极区域以及沟道区域，所述源极区域和所述漏极区域在衬底的上部中位于所述第一栅电极的两侧，所述沟道区域在所述第一栅电极下方位于所述衬底的所述上部中；以及
其中所述沟道区域的顶表面低于所述源极区域和所述漏极区域的顶表面。
17.一种图像传感器，包括：
共用像素，其具有多个光电二极管共用一个浮置扩散区域的结构；以及像素晶体管，其对应于所述共用像素并且包括传输晶体管、第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管，
其中所述第一晶体管的第一栅电极下方的第一栅极氧化物膜包括比所述传输晶体管的栅极氧化物膜薄的第一沟道氧化物膜。
18.根据权利要求17所述的图像传感器，其中所述第一沟道氧化物膜被所述第一栅电极完全覆盖、或者所述第一沟道氧化物膜的至少一部分从所述第一栅电极的侧表面突出。
19.根据权利要求17所述的图像传感器，其中所述第二晶体管的第二栅电极下方的第二栅极氧化物膜包括第二沟道氧化物膜，所述第二沟道氧化物膜具有与所述第一沟道氧化物膜的厚度基本相同的厚度。
20.根据权利要求17所述的图像传感器，其中所述第一栅电极的与所述第一晶体管的所述第一沟道氧化物膜对应的部分向下突出。
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