CN110911433B - 图像传感器及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种图像传感器和一种电子设备。所述图像传感器的至少一个像素包括光电二极管、浮动扩散部以及位于所述光电二极管和浮动扩散部之间的传输晶体管，其中，所述光电二极管具有载流子积聚区，所述传输晶体管的栅极延伸至所述载流子积聚区，且所述栅极沿背离所述浮动扩散部的方向延伸且与所述载流子积聚区的一半以上宽度范围相交。由于载流子通过栅极周围半导体基底中的快速传输通道传输更快，因而通过延长传输晶体管的栅极沿背离浮动扩散部的方向与载流子积聚区的相交范围，便于载流子积聚区的载流子及时从快速传输通道传输到浮动扩散区，总体上可以提高载流子的传输效率，有助于优化图像传感器的性能。

Description

图像传感器及电子设备
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种图像传感器及一种电子设备。
背景技术
图像传感器现已广泛应用于日常生活及安防、交通、医疗等领域，例如可以应用在诸如数码相机、便携电话、安全摄像机等电子设备上。对图像传感器尤其是CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属-氧化物-半导体)图像传感器的制造技术及性能的研究也得到了持续快速的发展。
图像传感器通常包括由众多像素排布而成的像素阵列，其中每个像素具有光感应元件，通常为光电二极管(Photo Diode，PD)，其接受入射光线并产生与入射光量相应的载流子。现有技术中，光电二极管产生的载流子被传输至位于半导体基底横向方向上另一位置的浮动扩散部(Floating Diffusion，FD)，其中，在光电二极管和浮动扩散部之间会设置传输晶体管，传输晶体管被传输门控制。
但是，在某些应用场合，为了提高单个像素的光吸收效率，在图像传感器的像素中会设置横向尺寸(或横向宽度)较大的光电二极管，对于这类图像传感器，光电二极管产生的载流子(即信号电荷)包括位于相对距离垂直传输管较远的载流子，这部分载流子在传输时，需要通过不显著的电势差横向缓慢扩散到传输晶体管附近，然后再被快速传输到垂直传输管另一侧的浮动扩散部，载流子的整体传输效率较为低下，对于图像传感器的优化是不利的。
发明内容
为了提高图像传感器中像素中的载流子的传输效率，以优化图像传感器的性能，本发明提供一种图像传感器。另外还提供一种包括所述图像传感器的电子设备。
一方面，本发明提供一种图像传感器，所述图像传感器包括多个像素，至少一个所述像素包括：
形成于半导体基底中的光电二极管，所述光电二极管具有载流子积聚区；
浮动扩散部，与所述光电二极管并列设置于半导体基底中，所述浮动扩散部延伸到所述半导体基底表面；以及
位于所述光电二极管和所述浮动扩散部之间的传输晶体管，所述传输晶体管用于将所述载流子积聚区的载流子转移至所述浮动扩散部；
其中，所述传输晶体管的栅极沿纵向延伸至所述半导体基底中的载流子积聚区，且所述栅极沿背离所述浮动扩散部的方向延伸并与所述载流子积聚区的一半以上宽度范围相交。
可选的，所述栅极与所述载流子积聚区的50％～80％的宽度范围相交。
可选的，所述栅极与所述载流子积聚区的80％～100％的宽度范围相交。
可选的，所述传输晶体管的栅极包括设置于所述半导体基底中的垂直传输栅极和凸出于所述半导体基底表面且与所述垂直传输栅极连为一体的栅极凸出部分，其中，所述垂直传输栅极沿背离所述浮动扩散部的方向延伸且与所述载流子积聚区的一半以上宽度范围相交。
可选的，所述载流子积聚区为形成于所述半导体基底的P阱内的N-区；所述像素还包括位于所述载流子积聚区上方且向上延伸到所述半导体基底表面的P+区。
可选的，所述浮动扩散部包括形成于所述半导体基底中且向上延伸至所述半导体基底表面的N+区。
可选的，所述像素还包括形成于所述垂直传输栅极周围的半导体基底中的P-界面改善区。
可选的，所述图像传感器还包括：
复位晶体管，用于将所述浮动扩散部恢复到一参考电压；
源跟随晶体管，受所述浮动扩散部的电位控制而打开或关闭；以及
行选择晶体管，用于将所述像素中的信号读出到列位线。
可选的，所述图像传感器为CMOS图像传感器。
一个方面，本发明提供一种电子设备，所述电子设备配置有上述图像传感器。
本发明提供的图像传感器，其中至少一个像素包括光电二极管、浮动扩散部以及位于所述光电二极管和浮动扩散部之间的传输晶体管，其中，所述光电二极管具有载流子积聚区，所述传输晶体管的栅极延伸至所述载流子积聚区，且所述栅极沿背离所述浮动扩散部的方向延伸并与所述载流子积聚区的一半以上宽度范围相交。由于载流子通过栅极周围半导体基底中的快速传输通道传输更快，因而通过延长传输晶体管的栅极沿背离浮动扩散部的方向与载流子积聚区的相交范围，便于载流子积聚区的载流子及时从快速传输通道传输到浮动扩散区，总体上可以提高载流子的传输效率，有助于优化图像传感器的性能。
本发明提供的电子设备，包括本发明提供的图像传感器，因而具有与所述图像传感器类似的优点。
附图说明
图1A是一种图像传感器的像素的平面示意图。
图1B是沿图1A中AA'方向的剖面示意图。
图2A是本发明实施例的图像传感器中的一个像素的平面示意图。
图2B是沿图2A中BB'方向的剖面示意图。
图2C是沿图2A中CC'方向的剖面示意图。
附图标记说明：
100、200-半导体基底；110、210-光电二极管；111、211-载流子积聚区；220-像素分隔区；120-栅极；121、221-栅极氧化层；222-界面改善区；230-列位线；201-快速传输通道。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的图像传感器及电子设备作进一步详细说明。根据下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
为了更清楚地说明本发明的图像传感器的特点，首先结合附图介绍一种图像传感器的结构。图1A是一种图像传感器的像素的平面示意图。图1B是沿图1A中AA'方向的剖面示意图。参照图1A和图1B，该像素包括光电二极管110，光电二极管110用于将入射光转换为载流子(即信号电荷)，载流子积聚的区域为载流子积聚区111，在载流子积聚区111右侧的半导体基底100表面设置有浮动扩散部FD，载流子积聚区111的载流子可以在控制信号作用下被转移至浮动扩散部FD，浮动扩散部FD接收的载流子引起其电位的变化，进而可以控制与浮动扩散部FD连接的源跟随晶体管SF(source follower transisitor)导通或者关闭。浮动扩散部FD另外受复位晶体管RST(reset transisitor)控制，根据时序信号可以将浮动扩散部FD复位，以等待下一次的载流子传输。所述像素还可包括行选择晶体管RS(row selecttransisitor)，行选择晶体管RS用于像素寻址，并将像素中的信号读出到列位线。该像素结构中，传输晶体管Tx用于在传输门控制下将载流子积聚区111的载流子传输到浮动扩散部FD。传输晶体管Tx的栅极120与半导体基底100之间设置有栅极氧化层121，栅极120包括延伸至半导体基底100中的部分，即垂直传输栅极(Vertical Transfer Gate，VTG)。
图1A和图1B所示的像素结构仍然存在不足。具体来说，按照该像素结构，传输晶体管Tx设置地较窄且远离载流子积聚区111的左端。对于尺寸较小的光电二极管，积聚在载流子积聚区111范围内的载流子从载流子积聚区111移动到浮动扩散部FD的距离较短，总体来看载流子传输时间短，对像素性能的影响较小。但是，对于如图1A所示的光电二极管110，其载流子积聚区111在半导体基底100的横向上跨越的宽度较大，对于相对地位于图1A中左端的载流子来说，到达浮动扩散部FD经过的距离较长，参照图1B，位于所述左端的载流子(示为e)需要以根据电势差先沿半导体基底100的横向缓慢移动到达垂直传输栅极VTG附近(如图1B中段虚线所示，速度表示为v-L)，然后再通过垂直传输栅极VTG周围的快速传输通道(如图1B中点虚线表示，速度表示为v-H)快速传输到浮动扩散部FD。其中，到达垂直传输栅极VTG附近之前的移动时间占全部传输时间的比例很大，从整体上影响了载流子的传输效率，在控制像素读取信号时，需要预留足够的时间以便于每个积分周期内积聚的载流子被转移完全，限制了电路设计灵活度，也影像图像质量，因而限制了图像传感器性能的优化。本发明即是为了解决该问题而提出的。
图2A是本发明实施例的图像传感器中的一个像素的平面示意图。图2B是沿图2A中BB'方向的剖面示意图。图2C是沿图2A中CC'方向的剖面示意图。以下结合图2A、图2B和图2C对本发明一实施例中的图像传感器进行说明。
具体的，本实施例中，图像传感器在半导体基底200上形成，所述半导体基底200可以是本领域公知的任意合适的底材，例如可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅(Si)、锗(Ge)、锗硅(SiGe)、碳硅(SiC)、碳锗硅(SiGeC)、砷化铟(InAs)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或者其它III/V化合物半导体，还包括这些半导体构成的多层结构等，或者为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)，或者还可以为双面抛光硅片(Double Side PolishedWafers，DSP)，也可为氧化铝等的陶瓷基底、石英或玻璃基底等。本实施例中半导体基底200例如为硅晶圆。按照在半导体基底200的表面内的分布范围不同来区分，所述图像传感器可以包括像素区域以及外围电路区域(未示出)，其中像素区域可以包括阵列分布的多个像素。外围电路区域具体可以分区域设置水平驱动电路、垂直驱动电路、列信号处理电路(具体包括平行排列的多条列位线)、控制电路等。
本实施例的图像传感器例如为CMOS图像传感器，每个像素用来将入射光线转换为电信号输出，因而均包括具有光电转换功能的光电二极管210以及控制载流子的读出的多个像素晶体管。在另一实施例中，所述光电二极管也可以用于连接到电荷耦合(CCD)图像传感器。对于在像素区域分布的众多像素，本实施例以其中的一个像素进行说明，该像素采用了如图2A至图2C所示的结构。可以理解，像素区域的众多像素中，部分像素也可以采用与下面所描述的如图2A至图2C所示的结构不同的设计。
参照图2A至图2C，对于本实施例所描述的像素，其包括形成于半导体基底200中的光电二极管210、形成于半导体基底200中且延伸至半导体基底表面的浮动扩散部FD以及位于所述光电二极管210和所述浮动扩散部FD之间的传输晶体管Tx，其中，所述光电二极管210包括载流子积聚区211，所述浮动扩散部FD沿半导体基底200的横向与所述载流子积聚区211并列设置，所述传输晶体管Tx用于将所述载流子积聚区211的载流子转移至所述浮动扩散部FD，并且，所述传输晶体管Tx的栅极沿纵向延伸至所述载流子积聚区211，且所述栅极沿背离所述浮动扩散部FD的方向延伸并与所述载流子积聚区211的一半以上宽度范围相交。
在半导体基底200中设置的光电二极管210可以为两层结构，例如是在P型半导体基底中形成的N型植入光电二极管，或者是在N型半导体基底中形成的P型植入光电二极管，所述光电二极管也可以是三层结构，例如以pnp或者npn方式设置的PIN型光电二极管。所述光电二极管也可以是多层结构。本实施例中，所述光电二极管210例如为N型植入光电二极管，其中，载流子积聚区211为形成于所述半导体基底200的P阱内的N-区，相应的，所述像素还包括位于所述载流子积聚区211上方且向上延伸至所述半导体基底100表面的P+区，该P+区作为光电二极管210的连接层。此外，在光电二极管210的边界，半导体基底200中还设置有像素分隔区220，所述像素分隔区220例如为P-或P+区。在另一实施例中，所述光电二极管例如为P型植入光电二极管，相应的，其载流子积聚区为形成于半导体基底的N阱内的P-区，所述像素设置有位于所述载流子积聚区211上方且延伸至所述半导体基底100表面的N+区，位于光电二极管的边界的像素分隔区为N-或N+区。位于所述载流子积聚区211上方且延伸至所述半导体基底100表面的P+区或N+区除了提供光电二极管的一个连接端以外，还具有减少半导体基底表面的晶格缺陷从而减小暗电流的作用。在此处以及后续的描述中，N-表示具有相对较低浓度的N型掺杂物，N+表示具有相对较高浓度的N型掺杂物，P-表示具有相对较低浓度的P型掺杂物，P+表示具有相对较高浓度的N型掺杂物。“较高浓度”是相对于“较低浓度”来说的，例如“较高浓度”可以是“较低浓度”的十倍左右。对于硅基底来说，N型掺杂物例如为砷或磷等，P型掺杂物例如为硼或铟等。
所述传输晶体管Tx用于将所述载流子积聚区211积聚的载流子传输至所述浮动扩散部FD，具体来说，在积分周期内，光电二极管210响应入射光而产生载流子(即信号电荷，简称为载流子)，这些载流子会被存储在载流子积聚区211内。经过积分周期后，通过打开传输晶体管Tx的传输门施加高电压脉冲，即可以将存储在载流子积聚区211内的电荷(图2B中的e)传输至浮置扩散部FD。在积聚的载流子均被传输到浮置扩散部FD后，关闭传输晶体管Tx直到下一次积分周期后再打开。传输晶体管Tx优选为具有垂直传输栅极VTG的垂直传输管，垂直传输栅极VTG的采用可以使同样像素范围内光电二极管210的开口率增大，而且能够增大单位体积的饱和电荷量。垂直传输栅极VTG设置在半导体基底200中形成的沟槽内，本实施例中，所述沟槽延伸至载流子积聚区211的顶部，沟槽周围的半导体基底表面用来设置光电二极管的连接层。另外，传输晶体管Tx还包括与垂直传输栅极VTG一体连接且凸出于半导体基底200表面的栅极部分(称为栅极凸出部分)，以与外部信号连接。栅极的材料例如为多晶硅。并且，在半导体基底200中用于设置垂直传输栅极VTG的沟槽的内表面形成有栅极氧化层221，以隔离多晶硅和半导体基底200。本实施例中，为了对垂直传输栅极VTG的界面态进行调整，抑制由于沟槽内表面的晶格缺陷和畸变引起的暗电流，在半导体基底200中位于所述垂直传输栅极VTG周围的区域，形成有界面改善区222，界面改善区222可以通过设置杂质离子注入而形成为P-界面改善区，此处的P-界面改善区中的离子可以与构成缺陷的电荷结合，因而可以起到降低或避免在栅极氧化层221和半导体基底200之间界面生成的暗电流的功能。
浮置扩散部FD设置于传输晶体管Tx背离光电二极管210的一侧，具体的，本实施例中，所述浮动扩散部FD包括形成于所述半导体基底200中且延伸至所述半导体基底200表面的N+区，该N+区靠近传输晶体管Tx的凸出于半导体基底200表面的栅极凸出部分。本实施例中，浮置扩散部FD对应于像素分隔区220上方形成，具体的，浮置扩散部的N+区形成在位于P-设置的像素分隔区220上方的N阱(设置为N-区)表面。
参照图2A和图2B，本实施例的图像传感器还可以包括在半导体基底200上设置的复位晶体管RST、源跟随晶体管SF以及行选择晶体管RS。具体来说，浮置扩散部FD接收的载流子会改变其电位，因而可以通过电位信号控制与其连接的源跟随晶体管SF打开或关闭，源跟随晶体管SF为放大晶体管，行选择晶体管RS和源跟随晶体管SF串联连接在电源电压VDD和列位线230之间，所述行选择晶体管RS被用来确定像素的位置，选择性地在列位线230上读出对应像素的信号。经过列位线230读取信号后，所述复位晶体管RST将所述浮动扩散部FD恢复到一参考电压(例如为VDD)，等待下一次的载流子传输过程。
如上文所述，对于需要沿半导体基底100的平面横向扩散的载流子来说，如果距离传输晶体管Tx的垂直传输栅极VTG较远，到达快速传输通道(速度v-H)之前的传输速度(v-L)是比较慢的，因而会限制像素内的载流子整体传输效率的提高。本实施例中，参照图2A至图2C，传输晶体管Tx的栅极被设置为沿背离所述浮动扩散部FD的方向延伸且与光电二极管210的载流子积聚区211的一半以上宽度范围相交。此时载流子从传输晶体管的栅极附近被传输至浮置扩散部的通道如图2B中的快速传输通道201所示。具体的，在光电二极管210响应入射光而产生载流子的积分周期内后，通过打开传输晶体管Tx的传输门施加高电压脉冲，靠近垂直传输栅极VTG的载流子更快地进入沿垂直传输栅极VTG外周的快速传输通道201，从而以较快的速度(v-H)传输到浮置扩散部FD，相对于如图1A和图1B所示的像素结构，载流子积聚区211中各个区域的载流子从载流子积聚区211到达浮置扩散部FD的时间大大缩短，因而可以提高传输效率，而且载流子的传输更易于控制，提高了控制电路的设计灵活性，也有利于提高图像传感器的像素的质量。
作为一个示例，可以设置传输晶体管Tx的栅极沿背离所述浮动扩散部FD的方向延伸且与光电二极管210的载流子积聚区211的50％～80％的宽度范围相交。作为另一个示例，传输晶体管Tx的栅极沿背离所述浮动扩散部FD的方向延伸且与光电二极管210的载流子积聚区211的80％～100％的宽度范围相交。传输晶体管Tx的栅极可以从宽度方向贯穿光电二极管210的整个载流子积聚区211。
上述结构的像素在制作时，在所述载流子积聚区211和浮动扩散部FD之间形成传输晶体管Tx时，参照图2A至图2C，可以包括如下步骤：
首先，在半导体基底200中要形成垂直传输栅极VTG的区域制作沟槽，所述沟槽沿所述半导体基底200的纵向延伸至在光电二极管区域的载流子积聚区211，并且，为了获得满足快速传输要求的垂直传输栅极VTG，所述沟槽沿背离要形成浮动扩散部FD区域的方向与载流子积聚区211的一半以上宽度范围相交；
然后，为了抑制由于沟槽内表面的晶格缺陷和畸变引起的暗电流，沟槽内表面进行杂质离子注入，以在沟槽内壁的半导体基底200中形成界面改善区222；
接着，在所述沟槽内表面形成栅极氧化层221，以隔离半导体基底200和后续填充在沟槽中的栅极材料；
然后，对应于所述沟槽的位置制作所述传输晶体管Tx的栅极，本实施例中，先在沟槽中填充栅极材料如多晶硅，填满所述沟槽，并突出于半导体基底200表面，然后再对半导体基底表面的多晶硅进行图形化，去除多余的部分；本实施例中，可以采用于如图1B所示的栅极结构相同的光罩进行光刻并对半导体基底表面的多晶硅进行图形化，成本较低，此外，在形成传输晶体管Tx的栅极的过程中，可以同时制作复位晶体管的栅极。
制作完成的传输晶体管Tx的栅极包括填充在沟槽中的部分，即垂直传输栅极VTG，其不仅仅位于突出半导体基底表面部分的下方，还沿背离所述浮动扩散部FD的方向延伸且与所述载流子积聚区211的一半以上宽度范围相交。参照图2A和图2C，考虑到降低对像素开口率的影响，在半导体基底200的平面内，垂直传输栅极VTG以长条状沿背离所述浮动扩散部FD的方向延伸，垂直于延伸方向的宽度较延伸方向上的长度小，以减少对入射光的遮挡，所述垂直传输栅极和传输晶体管栅极凸出于半导体基底表面的部分(即栅极凸出部分)沿平行于所述半导体基底方向的截面形成T形。由于垂直传输栅极VTG在长度方向上与载流子积聚区211的相交范围较大，在其周围的半导体基底中形成的快速传输通道较长，使载流子的横向传输速度大大提高，可以使转移载流子至浮动扩散部FD的速率提高，因而仍然可以提高传输效率。上述沟槽以及垂直传输栅极VTG的具体形状以及与载流子积聚区的相交范围可以根据需要调整。
本实施例还包括一种电子设备，所述电子设备配置有上述图像传感器。所述电子设备可以将上述图像传感器设置于相机模块(或摄像模块)中。所述电子设备可以是各种配置相机模块的设备，例如数码相机、便携电话、安全摄像机、游戏机等等。具体的，所述相机模块可设置有光学透镜、上述图像传感器以及驱动电路等。入射光通过所述光学透镜进入图像传感器的像素，并通过光电二极管在积分周期内累积载流子并被读取，驱动电路向所述图像传感器提供驱动信号，光电二极管中积聚的载流子通过驱动电路的驱动信号(包括时序信号)将载流子定时传输到浮动扩散部FD，进而在列位线读出。本实施例中，对于图像传感器中的部分或全部像素，其中传输晶体管中的垂直传输栅极VTG较长，其沿背离所述浮动扩散部FD的方向延伸且与光电二极管的载流子积聚区的一半以上宽度范围相交，使得即使载流子积聚区范围较大，距离浮动扩散部FD较远，各个位置的载流子可以较快地通过形成于垂直传输栅极VTG侧面半导体基底中的快速传输通道传输，从而可以提高像素中的载流子传输效率，有助于优化图像传感器的性能，进而有助于提高应用的电子设备的成像质量。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括多个像素，至少一个所述像素包括：
形成于半导体基底中的光电二极管，所述光电二极管具有载流子积聚区；
浮动扩散部，与所述光电二极管并列设置于半导体基底中，所述浮动扩散部向上延伸到所述半导体基底表面；以及
位于所述光电二极管和所述浮动扩散部之间的传输晶体管，所述传输晶体管用于将所述载流子积聚区的载流子转移至所述浮动扩散部；
其中，所述传输晶体管的栅极从所述半导体基底上向下延伸至所述半导体基底中的载流子积聚区，所述栅极在平行于所述半导体基底表面的平面内延伸且为T形，所述T形的两个边均与所述载流子积聚区相交，所述栅极沿背离所述浮动扩散部的方向延伸并与所述载流子积聚区的80％～100％的宽度范围相交。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述传输晶体管的栅极包括设置于所述半导体基底中的垂直传输栅极和凸出于所述半导体基底表面且与所述垂直传输栅极连为一体的栅极凸出部分，其中，所述垂直传输栅极沿背离所述浮动扩散部的方向延伸且与所述载流子积聚区的一半以上宽度范围相交。
3.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述载流子积聚区为形成于所述半导体基底的P阱内的N-区；所述像素还包括位于所述载流子积聚区上方且向上延伸到所述半导体基底表面的P+区。
4.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述浮动扩散部包括形成于所述半导体基底中且向上延伸至所述半导体基底表面的N+区。
5.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述像素还包括形成于所述垂直传输栅极周围的半导体基底中的P-界面改善区。
6.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述像素还包括：
复位晶体管，用于将所述浮动扩散部恢复到一参考电压；
源跟随晶体管，受所述浮动扩散部的电位控制而打开或关闭；以及
行选择晶体管，用于将所述像素中的信号读出到列位线。
7.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器为CMOS图像传感器。
8.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备配置有如权利要求1至7任一项所述的图像传感器。
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