CN112635500A - 图像感测装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种图像感测装置。该图像感测装置包括：半导体基板、多个信号检测器、绝缘层和至少一个栅极。半导体基板包括第一表面和与第一表面相对的第二表面，并且响应于入射在第一表面上的光而产生信号载流子。多个信号检测器形成于半导体基板上，并且多个信号检测器的位置相比于靠近半导体基板的第一表面而言更靠近第二表面，并且多个信号检测器利用电位差来检测信号载流子。绝缘层设置在半导体基板的第二表面处，并且将信号检测器彼此隔离。至少一个栅极设置于被插置在信号检测器之间的绝缘层处，并将到达半导体基板的第二表面的光反射回半导体基板。

Description

图像感测装置
技术领域
本专利文件中公开的技术和实现方式总体上涉及一种图像感测装置。
背景技术
图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的半导体装置。近年来，随着计算机工业和通信工业的不断发展，对高质量和高性能图像传感器的需求与诸如数码相机、便携式摄像机、个人通信系统(PCS)、视频游戏机、监控相机、医疗微型相机、机器人等的各种电气装置一起迅速增长。
为了使用图像传感器获取三维(3D)图像，需要3D图像的颜色信息以及目标对象与图像传感器之间的距离(或深度)。
用于获取关于目标对象与图像传感器之间的距离的信息的方法可以分为被动方法和主动方法。
被动方法可以在不向目标对象发射光的情况下仅使用目标对象的图像信息来计算目标对象与图像传感器之间的距离。被动方法可以应用于立体相机。
主动方法可以分类为三角测量法(triangulation method)、飞行时间(TOF)法等。在已经从与图像传感器间隔开预定距离的光源(例如，激光源)发射光之后，三角测量法可以感测从目标对象反射的光，并且可以使用感测结果来计算目标对象与图像传感器之间的距离。在已经从光源向目标对象发射光之后，TOF方法可以测量光从目标对象反射并返回到图像传感器的持续时间，从而TOF方法可以使用测量结果计算目标对象与图像传感器之间的距离。
图像传感器可以分类为基于CCD(电荷耦合器件)的图像传感器和基于CMOS(互补金属氧化物半导体)的图像传感器。CMOS图像传感器可以制造为比CCD图像传感器具有更低的功耗、更低的生产成本和更小的尺寸。因此，CMOS图像传感器已被广泛用于例如智能电话、数码相机等的移动装置中。
发明内容
本公开的技术涉及一种测量诸如从图像感测装置到目标对象的距离之类的深度信息的图像感测装置。
本公开的技术涉及一种包括与线路层(或互连层)的布局结构无关地自由形成的反射结构的图像感测装置。
根据本公开的技术的实施方式，图像感测装置可以包括：半导体基板，其包括第一表面和与第一表面相对的第二表面，并且被配置为响应于入射在第一表面上的光而产生信号载流子；多个信号检测器，其形成于半导体基板上，并且多个信号检测器的位置相比于靠近半导体基板的第一表面而言更靠近第二表面，并且多个信号检测器被配置为利用电位差来检测信号载流子；绝缘层，其设置在半导体基板的第二表面处，并且被配置为将信号检测器彼此隔离；以及至少一个栅极，其设置于被插置在信号检测器之间的绝缘层处，并被配置成将到达半导体基板的第二表面的光反射回半导体基板。
根据所公开技术的另一实施方式，图像感测装置可以包括：像素阵列，其包括在第一方向和垂直于第一方向的第二方向上连续布置的多个单位像素，该单位像素被配置为响应于入射到半导体基板上的光的接收而产生信号载流子。像素阵列可以包括：子像素阵列，每个子像素阵列包括在第一方向上布置的单位像素，以及设置在单位像素之间的一个或更多个栅极，该一个或更多个栅极被配置为将光反射到半导体基板中；以及像素晶体管阵列，其在第二方向上设置于子像素阵列之间，并且包括在第一方向上布置的像素晶体管，并且像素晶体管被配置为读出从单位像素获取的光电转换信号，该光电转换信号对应于信号载流子。
应当理解，本公开的技术的前述一般描述和以下详细描述都是示例性和解释性的，并且旨在提供对所要求保护的本公开的进一步解释。
附图说明
当结合附图考虑以下详细描述时，本公开的技术的上述和其他特征以及有益方面将变得显而易见。
图1是例示了基于本公开的技术的一些实现方式的图像感测装置的框图的示例。
图2是例示了基于本公开的技术的一些实现方式的在图1中所示的像素阵列中所包含的单位像素的示例的示意图。
图3是例示了基于本公开的技术的一些实现方式的沿着图2所示的线A-A′截取的像素阵列的示例的截面图。
图4是例示了基于本公开的技术的一些实现方式的在图1中所示的像素阵列中所包含的单位像素的另一示例的示意图。
具体实施方式
本专利文件提供基本上解决了由于相关技术的局限性和缺点引起的一个或更多个问题的图像感测装置的实现和示例。本公开技术的一些实现方式提出了用于提高入射光的使用效率的图像感测装置的设计。本公开技术的一些实现方式提出了具有能够与线路层的布局结构无关地自由形成的反射结构的图像感测装置的设计。
现在将详细参考某些实施方式，这些实施方式的示例在附图中示出。通常，在整个附图中将使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。在以下描述中，将省略对结合于此的相关已知配置或功能的详细描述，以避免使主题变得模糊。
图1是例示了根据本公开的技术的实施方式的图像感测装置的框图。
参照图1，图像感测装置可以使用飞行时间(TOF)技术来测量距离。图像感测装置可以包括光源100、透镜模块200、像素阵列300和控制电路400。
光源100可以在从控制电路400接收到时钟信号MLS(调制光信号)时向目标对象1发射光。光源100可以是用于发射红外光或可见光的激光二极管(LD)或发光二极管(LED)，或者可以是近红外激光(NIR)、点光源、与白灯或单色仪(monochromator)组合的单色光源、和/或其他激光源的组合中的任何一种。例如，光源100可以发射具有800nm至1000nm的波长的红外光。虽然为了便于描述，图1仅示出了一个光源100，但是其他实现方式也是可以的。例如，也可以在透镜模块200附近布置多个光源。
透镜模块200可以收集从目标对象1反射的光，并且可以使所收集的光聚焦在像素阵列300的像素(PX)上。透镜模块200可以包括具有由玻璃或塑料形成(或者包括玻璃或塑料)的表面的聚焦透镜，或者可以包括具有由玻璃或塑料形成(或者包括玻璃或塑料)的表面的其他圆柱体光学元件。透镜模块200可以包括具有凸形结构的聚焦透镜。
像素阵列300可以包括以包括列方向和垂直于列方向的行方向的二维(2D)结构布置的单位像素(PX)。单位像素(PX)可以形成在半导体基板中，并且每个单位像素(PX)可以将通过透镜模块200接收的光转换成与接收的光相对应的电信号，使得每个单位像素可以输出像素信号。在这种情况下，像素信号可以是用于指示到目标对象1的距离的信号，而不是指示目标对象1的颜色的信号。每个单位像素(PX)可以是用于使用电场的电位电平之间的差来检测由入射光导致的在基板中产生的信号载流子的电流辅助光子解调器(Current-Assisted Photonic Demodulato，CAPD)像素。光入射在单位像素(PX)的基板的第一表面上。像素阵列300可以包括反射结构，以将已经穿透基板的入射光反射回基板。反射结构可以包括在信号检测器之间形成在基板的第二表面(面对第一表面)上的虚设栅极(dummygate)，在信号检测器中包括控制区和检测区。
控制电路400可以通过控制光源100来向目标对象1发射光，通过驱动像素阵列300的单位像素(PX)来处理与从目标对象1反射的光相对应的每个像素信号，并测量距目标对象1的表面的距离。
控制电路400可以包括行解码器410、光源驱动器420、时序控制器430、光电门(photogate)控制器440和逻辑电路450。
行解码器410可以响应于从时序控制器430生成的时序信号来驱动像素阵列300的单位像素(PX)。例如，行解码器410可以生成能够选择多条行线中的至少一条的控制信号。控制信号可以包括用于控制选择晶体管的选择信号和用于控制传输栅的传输(Tx)信号。
光源驱动器420可以响应于来自时序控制器430的控制信号而生成能够驱动光源100的时钟信号MLS。光源驱动器420可以将时钟信号MLS或关于时钟信号MLS的信息提供给光电门控制器440。
时序控制器430可以生成时序信号以控制行解码器410、光源驱动器420、光电门控制器440和逻辑电路450。
光电门控制器440可以响应于时序控制器430的控制信号而生成光电门控制信号，并且可以向像素阵列300提供光电门控制信号。虽然为了便于描述，图1仅例示了光电门控制器440，但是控制电路400可以包括光电二极管控制器，该光电二极管控制器响应于时序控制器430的控制信号而生成多个光电二极管控制信号，并且然后向像素阵列300发送光电二极管控制信号。
逻辑电路450可以在时序控制器430的控制下处理从像素阵列300接收的像素信号，并且因此可以计算距目标对象1的距离。逻辑电路450可以包括用于对从像素阵列300产生的像素信号执行相关双采样(CDS)的相关双采样器(CDS)电路。另外，逻辑电路450可以包括用于将CDS电路的输出信号转换成数字信号的模数转换器(ADC)。
图2是例示了图1所示的像素阵列300中所包含的单位像素的示例的示意图。图3是例示了沿图2所示的线A-A′截取的像素阵列300的示例的截面图。
参照图2和图3，像素阵列300可以包括在第一方向和垂直于第一方向的第二方向上连续布置的单位像素(PX)。
例如，像素阵列300可以包括多个子像素阵列(PX_S)和多个像素晶体管阵列(TR_S)。
每个子像素阵列(PX_S)可以包括在第一方向上布置的多个单位像素(PX)。每个单位像素(PX)可以包括彼此连续或相邻设置的一对信号检测器320和330。信号检测器320可以包括控制区322和检测区324。与信号检测器320相邻布置的另一信号检测器330可以包括控制区332和检测区334。用于光反射的虚设栅极340可以设置在两个信号检测器320和330之间。虚设栅极340还可以设置在相邻的单位像素(PX)之间。
控制区322和332中的每个可以包括P型杂质区。控制区322和332中的每个可以包括P(+)扩散区和P阱。检测区324和334中的每个可以包括N型杂质区。检测区324和334中的每个可以包括N(+)扩散区和N阱。控制区322和332中的每个可以通过导线372联接到行解码器410，并且可以从行解码器410接收解调控制信号。在每个单位像素(PX)中，施加至控制区322的解调控制信号与施加至控制区332的另一解调控制信号之间的电位差可以产生控制由入射光导致的在基板310中产生的信号载流子的流动的电场(或空穴电流)。在一些实现中，控制区322和332可以基于解调控制信号而在基板310中产生多个载流子电流(空穴电流)。当由施加到基板310的入射光产生的信号载流子(电子)响应于空穴电流而移动时，检测区324和334可以捕获移动的信号载流子。
信号检测器320的检测区324可以形成为围绕控制区322。信号检测器330的检测区334可以形成为围绕控制区332。尽管为了便于描述，图2中所示的检测区324和334中的每个形成为八边形的条带形状，但是其他实现方式也是可以的。因此，每个检测区324或334也可以根据需要形成为圆形形状或任何多边形形状。在一些实现方式中，检测区324可以形成为不完全围绕控制区322的形状。在一些实现方式中，检测区324中的至少一些部分可以被隔断(isolated)。检测区334也可以形成为不完全围绕控制区332的形状。在一些实现方式中，检测区334的至少一些部分可以被隔断。
可以通过绝缘层314来限定其中形成有控制区322和332以及检测区324和334的有源区。例如，控制区322和332以及检测区324和334可以通过绝缘层314而被物理隔离。绝缘层314可以形成为浅沟槽隔离(STI)结构，在该浅沟槽隔离(STI)结构中，绝缘材料被掩埋在将基板310的第二表面蚀刻至预定深度时所形成的沟槽中。绝缘层314可以包括氧化物膜。
在子像素阵列(PX_S)中的每个中，用于光反射的虚设栅极340可以形成在设置于信号检测器320和330之间的绝缘层314上。例如，用于光反射的虚设栅极340可以形成在设置于基板310的第二表面上的绝缘层上。这里，基板310的第二表面可以与光入射在其上的第一表面相对。当光已经穿透基板310而没有进行光电转换时，用于光反射的虚设栅极340可以将光反射回基板310。在一些实现方式中，虚设栅极340可以比信号检测器320和330尺寸小，并且虚设栅极340可以均匀地或均一地分布在信号检测器320和330之间的区域中。尽管图2所示的虚设栅极340中的每个形成为正方形形状，但是本公开的技术不限于此。因此，根据需要，虚设栅极340也可以形成为其他形状。例如，虚设栅极340中的每个可以形成为圆形形状或除正方形形状之外的任何多边形形状。在一些实现方式中，尽管图2中所示的虚设栅极340彼此形状相同，但是应当注意，虚设栅极340也可以以彼此不同的形状形成。
像素晶体管阵列(TR_S)中的每个可以在第二方向上设置在子像素阵列(PX_S)之间。像素晶体管阵列(TR_S)中的每个可以包括在第一方向上布置的多个像素晶体管350。像素晶体管阵列(TR_S)的像素晶体管350中的每个可以从相邻子像素阵列(PX_S)的单位像素读出像素信号，并且可以将像素信号输出到列线。例如，每个像素晶体管350可以读出与由检测区324和334所捕获的信号载流子相对应的像素信号。
像素晶体管350可以包括在第一方向上布置的传输晶体管、复位晶体管、源极跟随器晶体管和选择晶体管。像素晶体管350可以形成在由绝缘层314限定的有源区中。
传输晶体管可以联接到检测区324和334，并且可以根据传输控制信号将由检测区324和334所捕获的信号载流子传输至浮置扩散(FD)区。复位晶体管可以根据复位信号来复位浮置扩散(FD)区。源极跟随器晶体管可以生成与浮置扩散(FD)区的电位大小相对应的像素信号。选择晶体管可以根据选择信号将从源极跟随器晶体管产生的像素信号输出到列线。可以通过不同的列线输出与由检测区324所捕获的信号载流子相对应的像素信号和与由另一检测区334所捕获的信号载流子相对应的像素信号。可以从行解码器410接收传输控制信号、复位信号和选择信号。
基板310可以包括半导体基板，例如，P型半导体基板。基板310可以包括在基板310的一侧的第一表面和在基板310的另一侧的与第一表面相对的第二表面。基板310的第一表面可以用作光入射表面。
具有预定深度的P型杂质区312可以形成在基板310的第一表面下方。用于会聚入射光的透镜层360可以形成在基板310的第一表面上。还可以在基板310和透镜层360之间形成抗反射膜(未示出)。透镜层360可以包括针对每个单位像素(PX)的多个微透镜。
绝缘层314和信号检测器320和330可以形成在基板310的第二表面下方。信号检测器320和330可以通过绝缘层314彼此物理隔离。
可以在绝缘层314上形成用于光反射的虚设栅极340。用于光反射的虚设栅极340中的每个可以与像素晶体管350或控制电路400具有相同的结构。在一些实现方式中，用于光反射的虚设栅极340可以形成在绝缘层314上并且可以不位于有源区中。
用于光反射的虚设栅极340中的每个可以包括栅极绝缘层342、多晶硅膜344和金属膜346。在这种情况下，金属膜346可以包括硅化物膜，例如，硅化钴(CoSix)膜或硅化镍(NiSix)膜。穿透基板310的光可以从光反射虚设栅极340的金属膜346被反射，并且可以重新入射在基板310上，如图3中的箭头所示。可以同时形成用于光反射的虚设栅极340和像素晶体管350的栅极和/或控制电路400。
可以在基板310的第二表面上形成包括多条导线372和层间绝缘层374的线路层370(也被称为互连层)。导线372可以包括用于传输操作单位像素(PX)和像素晶体管350所需的信号的导线。在一些实现方式中，导线372可以包括用于传输光电转换信号和与光电转换信号相对应的像素信号的导线。每条导线372可以包括铝(Al)、铜(Cu)或钨(W)中的至少一种。导线372可以通过接触插塞(未示出)联接到控制区322和332、检测区324和334、以及像素晶体管350。层间绝缘层374可以包括多个绝缘层的层叠结构。层间绝缘层374可以包括氧化物膜或氮化物膜中的至少一者。
图4是例示了基于本公开的技术的一些实现方式的在图1所示的像素阵列中所包含的单位像素的另一示例的示意图。
参照图4，根据本实施方式的用于光反射的虚设栅极380可以与图2所示的光反射虚设栅极350具有不同的形状。
如从图2可以看出的那样，每个光反射虚设栅极340的尺寸小于每个信号检测器320和330的尺寸，并且光反射虚设栅极340可以均匀地或均一地分布在信号检测器320和330之间。在图4中，在信号检测器320和330之间设置具有相对更大尺寸的单个虚设栅极380以用于光反射。虚设栅极380的位置可以被设置为填充信号检测器320和330之间的空间并且具有使未由虚设栅极380填充的空间最小化的尺寸。例如，用于光反射的虚设栅极380可以形成为围绕位于每个虚设栅极380两侧的信号检测器320和330的侧表面。
图2中所示的光反射虚设栅极340与图4中所示的光反射虚设栅极380仅是示例，并且光反射虚设栅极340和380的形状不限于此。因此，光反射虚设栅极340和380也可以形成为任何其他形状，只要光反射虚设栅极340和380操作以将穿透基板310的光反射回基板310即可。
用于光反射的每个虚设栅极380也可以形成为形成于绝缘层314上的栅极绝缘层、多晶硅膜和金属膜(硅化物膜)的层叠结构。在一些实现方式中，可以同时形成用于光反射的虚设栅极380、像素晶体管350的栅极和/或控制电路400。
除了图4中所示的光反射虚设栅极380之外的其余组成元件与图2的组成元件的相同，并且因此这里将省略其详细描述。
从以上描述显而易见的是，根据本公开技术的实施方式的图像感测装置能够使已经穿过半导体基板而没有进行光电转换的光重新进入半导体基板，从而提高了光的效率。
根据本公开技术的实施方式的图像感测装置能够包括与线路层的布局结构无关地自由形成的反射结构。
本领域技术人员将理解，可以以不同于本文阐述的那些方式的其他各种方式来实现这些实施方式。因此，以上实施方式在所有方面均应被解释为说明性的而非限制性的。
尽管已经描述了多个说明性实施方式，但是应当理解，基于本公开可以设计出许多其他修改和实施方式。具体地，在本公开、附图和所附权利要求的范围内，对于组成部件和/或布置的变型和修改也是可以的。除了组成部件和/或布置的变型和修改之外，替代使用也是可以的。
相关申请的交叉引用
本专利文件要求于2019年10月8日提交的韩国专利申请No.10-2019-0124645的优先权和权益，其全部内容通过引用结合于此，作为本文件的公开内容的一部分。

Claims (19)

1.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
半导体基板，该半导体基板包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，并且被配置为响应于入射在所述第一表面上的光而产生信号载流子；
多个信号检测器，该多个信号检测器形成于所述半导体基板上，并且该多个信号检测器的位置相比于靠近所述半导体基板的所述第一表面而言更靠近所述第二表面，并且该多个信号检测器被配置为利用电位差来检测所述信号载流子；
绝缘层，该绝缘层设置在所述半导体基板的所述第二表面上，并且被配置为将所述信号检测器彼此隔离；以及
至少一个栅极，该至少一个栅极设置于被插置在所述信号检测器之间的所述绝缘层处，并被配置为将到达所述半导体基板的所述第二表面的光反射回所述半导体基板。
2.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述绝缘层包括掩埋在沟槽中的绝缘材料。
3.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述至少一个栅极包括：
栅极绝缘层；
多晶硅膜，该多晶硅膜形成于所述栅极绝缘层上；以及
金属膜，该金属膜形成于所述多晶硅膜上。
4.根据权利要求3所述的图像感测装置，其中，所述金属膜包括硅化物膜。
5.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，每个所述信号检测器包括：
控制区，该控制区包括第一类型杂质，并被配置为根据控制信号而在所述半导体基板中产生空穴电流；以及
检测区，该检测区包括第二类型杂质，所述第二类型杂质的导电类型与所述第一类型杂质的导电类型相反，并且所述检测区被配置为捕获由于所述空穴电流而移动的所述信号载流子。
6.根据权利要求5所述的图像感测装置，其中，所述控制区和所述检测区通过所述绝缘层而彼此隔离。
7.根据权利要求5所述的图像感测装置，其中，所述检测区被布置为围绕所述控制区。
8.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述至少一个栅极的尺寸小于所述信号检测器的尺寸。
9.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述至少一个栅极被形成为围绕位于所述至少一个栅极两侧的所述信号检测器的侧表面。
10.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
像素阵列，该像素阵列包括在第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向上布置的多个单位像素，所述单位像素被配置为响应于入射到半导体基板上的光的接收而产生信号载流子，
其中，所述像素阵列包括：
子像素阵列，每个所述子像素阵列包括在所述第一方向上布置的单位像素，以及设置在所述单位像素之间的一个或更多个栅极，该一个或更多个栅极被配置为将光反射到所述半导体基板中；以及
像素晶体管阵列，该像素晶体管阵列在所述第二方向上设置在所述子像素阵列之间，并且包括布置在所述第一方向上的像素晶体管，并且所述像素晶体管被配置为读出从所述单位像素获取的光电转换信号，该光电转换信号对应于所述信号载流子。
11.根据权利要求10所述的图像感测装置，其中，每个所述单位像素包括：
多个信号检测器，该多个信号检测器被配置为响应于控制信号而在所述半导体基板中产生电位差，并使用所述电位差来检测所述信号载流子。
12.根据权利要求11所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括：
绝缘层，该绝缘层包括绝缘材料，并且被配置为将所述信号检测器彼此隔离。
13.根据权利要求12所述的图像感测装置，其中，所述一个或更多个栅极设置于被插置在所述信号检测器之间的所述绝缘层上。
14.根据权利要求11所述的图像感测装置，其中，所述一个或更多个栅极的尺寸小于所述信号检测器的尺寸。
15.根据权利要求11所述的图像感测装置，其中，所述一个或更多个栅极设置在所述信号检测器之间以围绕所述信号检测器的侧表面。
16.根据权利要求10所述的图像感测装置，其中，所述一个或多个栅极具有其中层叠有不同材料的结构。
17.根据权利要求16所述的图像感测装置，其中，所述像素晶体管的栅极与所述一个或更多个栅极具有相同的层叠的材料。
18.根据权利要求10所述的图像感测装置，其中，每个所述栅极包括：
栅极绝缘层；
多晶硅膜，该多晶硅膜形成于所述栅极绝缘层上；以及
金属膜，该金属膜形成于所述多晶硅膜上。
19.根据权利要求18所述的图像感测装置，其中，所述金属膜包括硅化物膜。
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