CN112670306A - Cmos图像传感器中的垂直栅极结构及布局 - Google Patents

Cmos图像传感器中的垂直栅极结构及布局 Download PDF

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Abstract

本申请案涉及CMOS图像传感器中的垂直栅极结构及布局。一种像素单元包含掩埋于半导体材料的第一侧底下且经耦合以响应于入射光而光生图像电荷的光电二极管。转移栅极安置于所述光电二极管上方且包含从所述第一侧向所述半导体材料中延伸第一距离的垂直转移栅极部分。浮动扩散区域安置在所述半导体材料中接近于所述转移栅极，所述转移栅极经耦合以响应于转移控制信号而将所述图像电荷从所述光电二极管朝向所述半导体材料的所述第一侧及向所述浮动扩散区域中转移。具有第一栅极的第一像素晶体管安置在所述光电二极管上方接近于所述半导体材料的所述第一侧。所述第一栅极具有在所述半导体材料的所述第一侧处横向环绕所述浮动扩散区域及所述转移栅极的环圈形结构。

Description

CMOS图像传感器中的垂直栅极结构及布局
技术领域
本发明大体来说涉及图像传感器，且更具体来说涉及具有垂直栅极结构的图像传感器像素单元。
背景技术
CMOS图像传感器(CIS)已变得无所不在。其广泛地用于数字静态相机、蜂窝式电话、安全相机以及医疗、汽车及其它应用中。用于制造图像传感器的技术一直继续快速地进展。对较高分辨率及较低功率消耗的需求已促进了这些装置的进一步小型化及集成。随着对图像传感器的需求不断升高，图像传感器中的像素单元的隔离与高包装密度及噪声性能已变得越来越具挑战性。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种像素单元，其包括：光电二极管，其掩埋于半导体材料中所述半导体材料的第一侧底下，其中所述光电二极管经耦合以响应于入射光而光生图像电荷；转移栅极，其安置在所述光电二极管上方接近于所述半导体材料的所述第一侧，其中所述转移栅极包含从所述第一侧朝向所述光电二极管向所述半导体材料中延伸第一距离的垂直转移栅极部分；浮动扩散区域，其安置在所述半导体材料中在所述半导体材料的所述第一侧处接近于所述转移栅极，其中所述转移栅极经耦合以响应于转移控制信号而将所述图像电荷从所述光电二极管朝向所述半导体材料的所述第一侧及向所述浮动扩散区域中转移；及复位栅极，其安置在所述光电二极管上方接近于所述半导体材料的所述第一侧，其中所述复位栅极具有在所述半导体材料的所述第一侧处横向环绕所述浮动扩散区域及所述转移栅极的环圈形结构，其中所述复位栅极经耦合以响应于复位控制信号而使所述像素单元复位。
本发明的另一方面涉及一种成像系统，其包括：像素单元的像素阵列，其中所述像素单元中的每一者包含：光电二极管，其掩埋于半导体材料中所述半导体材料的第一侧底下，其中所述光电二极管经耦合以响应于入射光而光生图像电荷；转移栅极，其安置在所述光电二极管上方接近于所述半导体材料的所述第一侧，其中所述转移栅极包含从所述第一侧朝向所述光电二极管向所述半导体材料中延伸第一距离的垂直转移栅极部分；浮动扩散区域，其安置在所述半导体材料中在所述半导体材料的所述第一侧处接近于所述转移栅极，其中所述转移栅极经耦合以响应于转移控制信号而将所述图像电荷从所述光电二极管朝向所述半导体材料的所述第一侧及向所述浮动扩散区域中转移；及复位栅极，其安置在所述光电二极管上方接近于所述半导体材料的所述第一侧，其中所述复位栅极具有在所述半导体材料的所述第一侧处横向环绕所述浮动扩散区域及所述转移栅极的环圈形结构，其中所述复位栅极经耦合以响应于复位控制信号而使所述像素单元复位；控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素单元读出图像数据。
本发明的又一方面涉及一种像素单元，其包括：光电二极管，其掩埋于半导体材料中所述半导体材料的第一侧底下，其中所述光电二极管经耦合以响应于入射光而光生图像电荷；转移栅极，其安置在所述光电二极管上方接近于所述半导体材料的所述第一侧，其中所述转移栅极包含从所述第一侧朝向所述光电二极管向所述半导体材料中延伸第一距离的垂直转移栅极部分；浮动扩散区域，其安置在所述半导体材料中在所述半导体材料的所述第一侧处接近于所述转移栅极，其中所述转移栅极经耦合以响应于转移控制信号而将所述图像电荷从所述光电二极管朝向所述半导体材料的所述第一侧及向所述浮动扩散区域中转移；及第一像素晶体管，其具有安置在所述光电二极管上方接近于所述半导体材料的所述第一侧的第一栅极，其中所述第一栅极具有在所述半导体材料的所述第一侧处横向环绕所述浮动扩散区域及所述转移栅极的环圈形结构。
附图说明
参考以下图描述本发明的非限制性及非穷尽性实施例，其中除非另有规定，否则遍及各个视图，相似参考编号是指相似部件。
图1A是根据本发明的教示具有垂直栅极结构的像素单元的一个实例的平面图。
图1B是根据本发明的教示具有垂直栅极结构的像素单元的另一实例的平面图。
图2A是图解说明根据本发明的教示的具有垂直栅极结构的像素单元的一个实例的一部分的横截面图。
图2B是图解说明根据本发明的教示具有垂直栅极结构的像素单元的另一实例的一部分的横截面图。
图3是图解说明根据本发明的教示具有多个光电二极管及垂直栅极结构的像素单元的一个实例的示意图。
图4是图解说明根据本发明的教示包含具有像素单元的像素阵列的成像系统的一个实例的图式，所述像素单元具有垂直栅极结构。
遍及图式的数个视图，对应参考字符指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是为简单及清晰起见而图解说明的，且未必按比例绘制。举例来说，为帮助改进对本发明的各种实施例的理解，各图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件而被放大。而且，通常不描绘商业上可行的实施例中有用或必需的常见而众所周知的元件以便促进对本发明的这些各种实施例的较不受阻碍的观看。
具体实施方式
揭示针对于具有垂直栅极结构的像素单元的设备。在以下说明中，陈述众多特定细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在不具有所述特定细节中的一或多者的情况下实践或者可利用其它方法、组件、材料等来实践。在其它例子中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。
在本说明书通篇中对“一个实例”或“一个实施例”的提及意指结合所述实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，在本说明书通篇的各个位置中短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”的出现未必全部是指同一实例。此外，在一或多个实例中可以任何适合方式组合所述特定特征、结构或特性。
可在本文中为易于说明而使用例如“底下”、“下面”、“下部”、“下方”、“上面”、“上部”等空间相对术语来描述如图中所图解说明的一个元件或特征相对于另一(些)元件或特征的关系。将理解，除了图中描绘的定向外，所述空间相对术语还打算涵盖装置在使用或操作时的不同定向。举例来说，如果翻转各图中的装置，那么描述为在其它元件或特征“下面”或“底下”或者“下方”的元件那时将定向为在其它元件或特征“上面”。因此，示范性术语“下面”及“下方”可涵盖上面及下面的定向两者。装置可以其它方式定向(旋转90度或处于其它定向)且相应地解释本文中所使用的空间相对描述语。另外，还将理解，当将层称为位于两个层“之间”时，其可为两个层之间的仅有层，或者还可存在一或多个介入层。
遍及本说明书，使用数个技术术语。这些术语将呈现其在其所属领域中的普通含义，除非本文中另外具体定义或其使用的上下文将另外清晰地暗示。应注意，在本文件中，元件名称及符号可互换使用(例如，Si与硅)；然而，其两者具有相同含义。
如将论述，根据本发明的教示的实例提供一种像素单元，所述像素单元具有使用掩埋式光电二极管上方的垂直栅极结构的像素晶体管的对称布局。在各种实例中，所述像素单元还包含形成于掩埋式光电二极管上面的像素晶体管(例如复位晶体管、源极跟随器晶体管及行选择晶体管)的至少一或多个额外栅极结构。在实例中，根据本发明的教示，所述栅极结构具有圆形或闭环形或环圈形结构以提供掩埋式光电二极管上方的具有经改进隔离及低随机电报信号(RTS)噪声的对称像素单元布局。
为了图解说明，图1A是根据本发明的教示具有垂直栅极结构的像素单元100A的一个实例的平面图。在各种实例中，像素单元100A是布置成图像传感器的像素阵列的多个像素单元中的一者。如所描绘实例中所展示，像素单元100A包含掩埋于半导体材料104的前侧表面底下的多个光电二极管，包含光电二极管PD1 102A、光电二极管PD2 102B、光电二极管PD3 102C及光电二极管PD4 102D。应注意，在所描绘实例中，像素单元100A包含四个光电二极管PD1 102A、PD2 102B、PD3 102C及PD4 102D。然而，在其它实例中，像素单元100A可包含不同数目个光电二极管。例如，在另一实例中，像素单元100A可包含八个光电二极管，而在另一实例中，像素单元100A可包含一个光电二极管等。
继续图1A中所描绘的实例，像素单元100A还包含多个转移晶体管的多个转移栅极，包含转移栅极TX1 106A、转移栅极TX2 106B、转移栅极TX3 106C及转移栅极TX4 106D，其中的每一者安置在多个光电二极管PD1 102A、PD2 102B、PD3 102C或PD4 102D中的相应一者上方且接近于半导体材料104的前侧。如下文将更详细地描述，每一转移栅极TX1106A、TX2 106B、TX3 106C及TX4 106D包含从所述前侧朝向相应下伏掩埋式光电二极管PD1102A、PD2 102B、PD3 102C或PD4 102D向半导体材料104中延伸一距离的垂直转移栅极部分。
像素单元100A还包含安置在半导体材料104中在半导体材料104的前侧处接近于多个转移栅极TX1 106A、TX2 106B、TX3 106C及TX4 106D的浮动扩散区域108。在实例中，单个浮动扩散区域108在多个转移栅极TX1 106A、TX2 106B、TX3 106C及TX4 106D以及多个光电二极管PD1 102A、PD2 102B、PD3 102C及PD4 102D当中共享。在操作期间，多个转移栅极TX1 106A、TX2 106B、TX3 106C及TX4 106D中的每一者经耦合以响应于相应转移控制信号而将在每一相应光电二极管PD1 102A、PD2 102B、PD3 102C或PD4 102D中光生的图像电荷朝向半导体材料104的前侧及向共享浮动扩散区域108中转移。
如所图解说明实例中所展示，复位晶体管的复位栅极110安置在多个光电二极管PD1102A、PD2 102B、PD3 102C及PD4 102D上方接近于半导体材料104的前侧。在一个实例中，复位栅极110具有在半导体材料104的前侧处横向环绕或完全围封单个共享浮动扩散区域108以及转移栅极TX1 106A、TX2 106B、TX3 106C及TX4 106D的环圈形结构。出于本发明的目的，环圈形结构可解释为具有围封及/或横向环绕内部特征(在复位栅极110的例子中，包含例如共享浮动扩散部108及转移栅极TX1 106A、TX2 106B、TX3 106C及TX4 106D)的圆形、正方形或其它闭环形结构。复位晶体管耦合到浮动扩散区域108，如下文将进一步详细地描述。在操作期间，复位栅极110经耦合以响应于复位控制信号而使像素单元100A复位。
在所描绘实例中，像素单元100A还包含具有源极跟随器栅极112的源极跟随器晶体管(或放大晶体管)，源极跟随器栅极112安置在多个光电二极管PD1 102A、PD2 102B、PD3102C及PD4 102D上方接近于半导体材料104的前侧。如所展示，源极跟随器栅极112也具有在半导体材料104的前侧处横向环绕复位栅极110的环圈形结构。源极跟随器栅极112经配置以横向环绕浮动扩散区域108以及转移栅极TX1 106A、TX2 106B、TX3 106C及TX4 106D。换句话说，源极跟随器栅极112的栅极宽度或周长布置为大于复位栅极110的栅极宽度或周长。如下文将进一步详细地描述，源极跟随器栅极112耦合到浮动扩散区域108以响应于存储在浮动扩散区域108中的图像电荷而产生图像数据。
在所描绘实例中，像素单元100A还包含具有至少一个行选择栅极114A的行选择晶体管，至少一个行选择栅极114A安置成接近于源极跟随器栅极112且接近于半导体材料104的前侧，使得源极跟随器晶体管的源极跟随器栅极112安置成在半导体材料104的前侧处横向位于复位晶体管的复位栅极110与行选择晶体管的行选择栅极114A之间。在操作期间，行选择栅极114A经耦合以响应于行选择信号而将从源极跟随器接收的图像数据输出到输出位线。
如图1A中所描绘的实例中所图解说明，像素单元100A包含两个行选择栅极114A，例如，第一行选择栅极(左侧行选择栅极)及第二行选择栅极(右侧行选择栅极)。在一个实施例中，第一行选择栅极及第二行选择栅极可例如通过金属线连接及输出(例如，从行选择晶体管的漏极)到同一输出位线，以增加行选择晶体管的有效沟道宽度且借此提高行选择晶体管的操作速度。在一个实施例中，行选择栅极114A中的仅一者耦合到源极跟随器晶体管，且其它行选择栅极保持浮动，以提供像素单元100A与相邻像素单元的像素电路之间的进一步隔离。
图1A中所描绘的实例还展示像素单元100A以隔离区域116为边界。在各种实例中，隔离区域116将像素单元100A与像素阵列中的相邻像素单元隔离。在一个实例中，隔离区域116可包含P型植入隔离以将像素100A的电路元件与像素阵列中的其它像素单元的相邻电路隔离。在一个实例中，隔离区域116可包含形成于半导体材料104的前侧上且提供像素100A与像素阵列中的相邻像素单元的像素电路之间的电隔离的浅沟槽隔离(STI)结构或深沟槽隔离(DTI)结构(例如，前侧深沟槽隔离)。
如可从图1A中所展示的设计布局了解，复位栅极110与源极跟随器栅极112的同心及环圈形栅极结构以及在掩埋式光电二极管PD1 102A、PD2 102B、PD3 102C及PD4 102D的顶部上行选择栅极114A在源极跟随器栅极112外侧的对称放置在不需要晶体管之间的浅沟槽隔离(STI)结构的情况下为像素单元100A提供紧凑且对称的设计布局，这使得包含多个像素单元100A的像素阵列的高包装密度成为可能。此外，如所展示，源极跟随器栅极112的环圈形结构在复位晶体管的复位栅极110的环圈形结构及经围封转移晶体管的横向外侧的定位导致源极跟随器栅极112具有大的装置宽度及相对小的装置栅极长度。如此，将了解，根据本发明的教示，源极跟随器栅极112的栅极面积及跨导(gm)增加，这提供经提升源极跟随器操作速度以及经减小随机电报传感器(RTS)噪声。另外，通过使复位栅极110为围封光电二极管PD1 102A、PD2 102B、PD3 102C及PD4 102D的环圈形结构，由偏置操作诱发的对复位栅极110的冲击(例如，复位噪声)与对经围封光电二极管PD1 102A、PD2 102B、PD3 102C及PD4 102D的冲击基本上相同，借此减小像素变化。
图1B是根据本发明的教示具有垂直栅极结构的像素单元100B的另一实例的平面图。注意，图1B的像素单元100B可为图1A的像素单元100A的另一实例，且下文所提及的类似命名及编号的元件类似于如上文所描述而耦合及起作用。实际上，将了解，图1B的像素单元100B与图1A的像素单元100A共享许多相似之处。如此，将了解，为了简洁起见且为了避免使本发明的教示模糊，本文中将详细地描述像素单元100A与像素单元100B之间的仅有的差异。
例如，图1B的像素单元100B与图1A的像素单元100A之间的一个差异是图1B的像素单元100B包含行选择晶体管的行选择栅极114B，行选择栅极114B也具有在半导体材料104的前侧处横向环绕源极跟随器栅极112的环圈形结构。源极跟随器栅极112在半导体材料104的前侧处横向环绕复位栅极110、浮动扩散区域108及转移栅极TX1 106A、TX2106B、TX3106C及TX4 106D。换句话说，图1B的像素单元100B的复位栅极110、源极跟随器栅极112及行选择栅极114B全部具有横向环绕安置于每一相应环圈形结构内侧的像素单元元件的环圈形结构。
图2A是图解说明根据本发明的教示包含垂直栅极结构的像素单元200A的一个实例的一部分的横截面图。应注意，图2A的像素单元200A可为图1A的像素单元100A及/或图1B的像素单元100B的实例，且下文所提及的类似命名及编号的元件类似于如上文所描述而耦合及起作用。将了解，图2A中所展示的横截面图可为沿着图1A到1B的虚线X-X’穿过像素单元100A或像素单元100B的转移栅极106B、复位栅极110、源极跟随器栅极112及行选择栅极114A或114B的横截面的实例。
如图2A中所描绘的实例中所展示，像素单元200A包含掩埋于半导体材料204中半导体材料204的第一侧218底下的光电二极管PD 202。在一个实例中，半导体材料204可包含硅、硅锗、经掺杂硅(例如，p型经掺杂硅或n型经掺杂硅)或者另一适合半导体材料。光电二极管PD 202经耦合以响应于入射光222而光生图像电荷224。在一个实例中，光生图像电荷224可包含电子，其在图2A中以“e-”符号图解说明。
在一个实例中，光电二极管PD 202可包含掩埋于半导体材料204的第一侧218下面的深N型钉扎光电二极管(例如，DNPPD)区域226。在实例中，入射光222被引导穿过半导体材料的第二侧220进入光电二极管PD 202中。在实例中，第一侧218是半导体材料204的前侧且第二侧220是半导体材料204的后侧。继续所图解说明实例，光电二极管PD 202还可包含形成于半导体材料204中且安置成邻近于DNPPD区域226及接近于转移栅极206的垂直转移栅极部分232的N型钉扎光电二极管(例如，NPPD)区域228A。在其它实例中，将了解，像素200A中的掺杂剂及电荷载子的极性可取决于像素单元设计而反转，且本发明中所描述的实例是出于解释目的而提供。如将论述，NPPD区域228A提供电荷通道230以响应于经耦合以由转移栅极206接收的相应转移控制信号TXn而将光生图像电荷224从光电二极管PD 202朝向半导体材料204的第一侧218(例如，前侧)及向浮动扩散区域208中转移。
如实例中所展示，转移栅极206安置在光电二极管PD 202上方且接近于半导体材料204的第一侧218。在所图解说明实例中，转移栅极206包含从第一侧218朝向光电二极管PD 202向半导体材料204中延伸第一距离或第一深度的垂直转移栅极部分232。浮动扩散区域208安置在半导体材料204中在半导体材料204的第一侧218处接近于转移栅极206。如上文在图1A到1B中所描绘的实例中所描述，浮动扩散部208环绕转移栅极206且因此在图2A的横截面图解说明中展示为在第一侧218处在半导体材料204中的转移栅极206的两侧上。在操作期间，转移栅极206经耦合以响应于相应转移控制信号TXn而将图像电荷224从光电二极管PD 202穿过由NPPD区域228A提供的电荷通道230朝向半导体材料204的第一侧218及向浮动扩散区域208中转移。
在所描绘实例中，应注意，提供电荷通道230的NPPD区域228A图解说明为在转移栅极206的复位栅极210侧(例如，图2A中的右侧)上。将了解，在另一实例中，电荷通道230还可或替代地位于转移栅极206的相对侧(例如，图2A中的左侧)上，这在图2A中以表示替代NPPD区域228B的虚线图解说明。
如所描绘实例中所展示，复位晶体管的复位栅极210也安置在光电二极管PD 202上方接近于半导体材料204的第一侧218。经掺杂区域236形成为在半导体材料204中接近于复位栅极210，如所展示。在实例中，经掺杂区域236耦合到电压供应器(例如，VDD)且充当复位栅极210的漏极区域(D)。如此，在操作期间，复位栅极210经耦合以响应于经耦合以由复位栅极210接收的复位控制信号RST通过使浮动扩散部208中以及光电二极管PD 202中的图像电荷224复位而使像素单元200A复位。
继续所描绘实例，源极跟随器晶体管的源极跟随器栅极212安置在光电二极管PD202上方接近于半导体材料204的第一侧218且接近于经掺杂区域236及复位栅极210，如所展示。经掺杂区域238也形成为在半导体材料204中接近于源极跟随器栅极212，如所展示。在实例中，经掺杂区域238充当源极跟随器栅极210的源极区域(S)，且经掺杂区域236还充当源极跟随器栅极212的漏极区域(D)。此外，所描绘实例还展示源极跟随器栅极212通过电耦合件242耦合到浮动扩散区域208，如所展示。在一个实例中，电耦合件242可通过包含于金属层中的触点及导体来提供，所述金属层安置在形成于半导体材料204的第一侧218上面的层间电介质中。如此，在操作期间，源极跟随器栅极212通过电耦合件242耦合到浮动扩散区域208以响应于存在于浮动扩散区域208中的图像电荷224而在源极区域(例如，经掺杂区域238)中产生图像数据。
继续所描绘实例，行选择晶体管的行选择栅极214安置成接近于经掺杂区域238及源极跟随器栅极212，如所展示。在实例中，经掺杂区域238安置在源极跟随器栅极212与行选择栅极214之间且接近于半导体材料204的第一侧218，如所展示。另外，源极跟随器栅极212安置成在半导体材料204的第一侧218处横向位于复位栅极210与行选择栅极214之间。经掺杂区域240也形成为在半导体材料204中接近于行选择栅极214，如所展示。在实例中，经掺杂区域238还充当行选择栅极214的源极区域(S)，且经掺杂区域240充当行选择栅极214的漏极区域(D)。如此，在操作期间，行选择栅极214经耦合以响应于经耦合以由行选择栅极214接收的行选择信号RS而将由源极跟随器栅极212在经掺杂区域238中产生的图像数据输出到输出位线244，输出位线244耦合到经掺杂区域240。
图2A中所描绘的实例展示像素单元200A还包含安置于半导体材料204与转移栅极206(其包含垂直转移栅极部分232)、复位栅极210、源极跟随器栅极212及行选择栅极214之间的绝缘衬里234。在各种实例中，绝缘衬里234可包含氧化物材料或类似物以在半导体材料204与转移栅极206、复位栅极210、源极跟随器栅极212及行选择栅极214之间提供绝缘层。
在一个实例中，经掺杂区域236、238及240是N型经掺杂区域且可在半导体材料204中具有与第一侧218相距大约
Figure BDA0002709622130000091
的深度。在一个实例中，光电二极管PD 202的DNPPD区域226形成于半导体材料204中与第一侧218相距大约
Figure BDA0002709622130000092
的深度处。
图2B是图解说明根据本发明的教示具有垂直栅极结构的像素单元200B的另一实例的一部分的横截面图。应注意，图2B的像素单元200B可为图2A的像素单元200A及/或图1A的像素单元100A及/或图1B的像素单元100B的另一实例，且下文所提及的类似命名及编号的元件类似于如上文所描述而耦合及起作用。将了解，图2B中所展示的横截面图也可为沿着图1A到1B的虚线X-X’穿过像素单元100A或像素单元100B的转移栅极106B、复位栅极110、源极跟随器栅极112及行选择栅极114A、114B的横截面的实例。实际上，将了解，图2B的像素单元200B与图2A的像素单元200A共享许多相似之处。如此，将了解，为了简洁起见且为了避免使本发明的教示模糊，本文中将详细地描述像素单元200A与像素单元200B之间的仅有的差异。
如所展示，图2B的像素单元200B与图2A的像素单元200A之间的一个差异是像素200B的复位栅极210、源极跟随器栅极212及行选择栅极214还分别包含垂直复位栅极部分246、垂直源极跟随器栅极部分248及垂直行选择栅极部分250，其从半导体材料204的第一侧218(例如，前侧)朝向第二侧220(例如，后侧)向半导体材料204中延伸第二距离或第二深度。在一个实例中，垂直复位栅极部分246、垂直源极跟随器栅极部分248及垂直行选择栅极部分250可具有在半导体材料204中与第一侧218相距10nm到300nm的深度。在一个实例中，垂直转移栅极部分232可具有在半导体材料204中与第一侧218相距大约
Figure BDA0002709622130000093
或350nm的深度。在一个实例中，垂直转移栅极部分232、垂直复位栅极部分246、垂直源极跟随器栅极部分248及垂直行选择栅极部分250中的每一者向半导体材料204中延伸的深度可为相同的。在一个实例中，垂直转移栅极部分232、垂直复位栅极部分246、垂直源极跟随器栅极部分248及垂直行选择栅极部分250中的每一者向半导体材料204中延伸的深度可为不同的。
在一个实例中，应注意，垂直转移栅极部分232、垂直复位栅极部分246、垂直源极跟随器栅极部分248及垂直行选择栅极部分250可在制作期间通过在半导体材料204中形成垂直沟槽、用绝缘衬里234涂佈沟槽及第一侧218且然后用适合栅极材料填充沟槽而形成。将了解，根据各种实例，像素200B中所包含的沟槽栅极结构是可扩缩的，且可通过围绕像素单元200B的布局周围挖沟槽而形成有1个、2个或3个沟槽晶体管。
图3是图解说明根据本发明的教示具有多个光电二极管及垂直栅极结构的像素单元300的一个实例的示意图。应注意，图3的像素单元300可为图2A的像素单元200A及/或图2B的像素单元200B及/或图1A的像素单元100A及/或图1B的像素单元100B的另一实例，且下文所提及的类似命名及编号的元件类似于如上文所描述而耦合及起作用。
如图3中所描绘的实例中所展示，像素单元300包含多个光电二极管，包含光电二极管PD1 302A、光电二极管PD2 302B、光电二极管PD3 302C及光电二极管PD4 302D。在其它实例中，将了解，像素单元300可包含较少数目个光电二极管(例如，在一个实例中，一个光电二极管)或较大数目个光电二极管(例如，在另一实例中，八个光电二极管)。在图3中所图解说明的实例中，光电二极管PD1 302A、PD2 302B、PD3 302C及PD4 302D经配置以响应于入射光而光生图像电荷。
包含转移晶体管306A、转移晶体管306B、转移晶体管306C及转移晶体管306D的多个转移晶体管各自耦合于浮动扩散部FD 308与光电二极管PD1 302A、PD2 302B、PD3 302C及PD4 302D中的相应一者之间。在实例中，浮动扩散部FD 308是在光电二极管PD1 302A、PD2 302B、PD3 302C及PD4 302D以及转移晶体管306A、306B、306C及306D当中共享的单个浮动扩散部。在操作中，转移晶体管306A、306B、306C或306D中的每一者经耦合以响应于相应转移控制信号TX1、TX2、TX3或TX4而将在每一相应光电二极管PD1 302A、PD2 302B、PD3302C或PD4 302D中光生的图像电荷转移到共享浮动扩散部FD 308。
源极跟随器晶体管(或放大晶体管)SF 312具有耦合到共享浮动扩散部FD 308的栅极端子。在实例中，源极跟随器晶体管SF 312的漏极端子耦合到供应电压(例如，VDD)。如此，源极跟随器晶体管SF 312经耦合以响应于存储在浮动扩散部FD 308中的光生图像电荷而在源极跟随器晶体管SF 312的源极端子处产生图像数据。
行选择晶体管314耦合于源极跟随器晶体管SF 312的源极端子与输出位线344之间，如所展示。如此，行选择晶体管314经耦合以响应于行选择控制信号RS而选择性地输出源极跟随器晶体管SF 312的源极端子处的图像数据。
像素单元300还包含耦合于供应电压(例如，VRST)与浮动扩散部FD 308之间的复位晶体管310。举例来说，复位晶体管310的漏极端子耦合到供应电压VRST且复位晶体管310的源极端子耦合到浮动扩散部FD 308。复位晶体管310的源极端子进一步通过对应转移晶体管306A、306B、306C及306D耦合到浮动扩散部FD 308、光电二极管PD1 302A、PD2 302B、PD3 302C及PD4 302D。如此，复位晶体管310经耦合以响应于复位控制信号RST而使像素单元300复位。例如，复位晶体管可经配置以例如在集成之前或在模/数转换(ADC)读出操作之后使浮动扩散部FD 308中以及光电二极管PD1 302A、PD2 302B、PD3 302C及PD4 302D中的电荷复位。在一个实例中，供应电压VRST及供应电压VDD可为相同的且是从电压供应源提供。
总之，在各种实例中，图像传感器包含根据本发明的教示具有至少一个像素单元的像素阵列，所述至少一个像素单元可为图2A的像素单元200A及/或图2B的像素单元200B及/或图1A的像素单元100A及/或图1B的像素单元100B的另一实例。
像素单元包含半导体材料、至少一光电二极管、至少一转移晶体管、浮动扩散区域及第一像素晶体管。在一个实施例中，半导体材料可包含硅、硅锗或另一适合半导体材料。在一个实例中，半导体材料可包含经掺杂硅衬底，例如p型经掺杂硅衬底或n型经掺杂硅衬底。半导体材料具有第一侧(例如，前侧)及与第一侧相对的第二侧(例如，后侧)。
光电二极管掩埋于半导体材料中半导体材料的第一侧底下。光电二极管经耦合以响应于入射光而光生图像电荷。在一个实例中，光电二极管响应于通过半导体材料的第二侧接收的入射光而光生图像电荷。
转移晶体管具有安置在光电二极管上方接近于半导体材料的第一侧的转移栅极，且转移栅极包含经布置以从第一侧朝向光电二极管向半导体材料中延伸第一距离或第一深度的垂直转移栅极部分。浮动扩散区域安置在半导体材料中在半导体材料的第一侧处接近于转移栅极。转移栅极经耦合以响应于转移控制信号而将图像电荷从光电二极管朝向半导体材料的第一侧及向浮动扩散区域中转移。
在其它实例中，在不背离本发明的教示的情况下，像素单元可包含两个、四个、八个或更多个光电二极管，这取决于像素阵列布置及/或性能要求，例如，分辨率、图像传感器的动态范围。在一个实施例中，像素单元包含四个光电二极管及四个转移晶体管，如图1A到1B中所图解说明。四个转移晶体管中的每一者经配置以响应于在其转移栅极处接收的转移控制信号而将每一光电二极管耦合到浮动扩散区域以将光生图像电荷从相应光电二极管朝向浮动扩散区域转移。
第一像素晶体管耦合到浮动扩散区域。第一像素晶体管具有安置在光电二极管上方接近于半导体材料的第一侧的第一栅极。第一像素晶体管的第一栅极具有经配置以在半导体材料的第一侧处横向环绕或围封浮动扩散区域及转移栅极的环圈形结构(例如，圆形、正方形或其它闭环形结构)。
在一些实施例中，像素单元可进一步包含第二像素晶体管及第三像素晶体管。第二像素晶体管耦合到浮动扩散区域。第二像素晶体管具有安置在光电二极管上方接近于半导体材料的第一侧的第二栅极。第二像素晶体管的第二栅极具有横向环绕第一像素晶体管的第一栅极的环圈形结构。第三像素晶体管具有第三栅极，所述第三栅极安置成接近于第二像素晶体管的第二栅极、接近于半导体材料的第一侧，使得第二像素晶体管的第二栅极安置成在半导体材料的第一侧处横向位于第一像素晶体管的第一栅极与第三像素晶体管的第三栅极之间，例如图1A中所图解说明。
在一个实例中，第三像素晶体管的第三栅极也具有在半导体材料的第一侧处横向环绕第二像素晶体管的第二栅极的环圈形结构，例如图1B中所图解说明。
在一个实例中，第一像素晶体管可为复位晶体管且第一栅极可为复位栅极。复位晶体管耦合到像素单元中的浮动扩散区域及一或多个光电二极管以例如在图像传感器的复位操作期间响应于在复位栅极处接收的复位控制信号而使像素单元复位。第二像素晶体管可为源极跟随器，且第二栅极可为耦合到浮动扩散区域以响应于存储在浮动扩散区域中的图像电荷而产生图像数据的源极跟随器栅极。第三像素晶体管可为行选择晶体管。第三栅极可为行选择栅极，其耦合到输出位线且例如在图像传感器的读出操作期间响应于行选择信号而将图像数据输出到输出位线。
在一些实施例中，复位晶体管的复位栅极、源极跟随器晶体管的源极跟随器栅极及行选择晶体管的行选择栅极分别包含垂直复位栅极部分、垂直源极跟随器栅极部分及垂直行选择栅极部分。垂直复位栅极部分、垂直源极跟随器栅极部分及垂直行选择栅极部分中的每一者可经布置以从半导体材料的第一侧朝向第二侧向半导体材料中延伸第二距离或第二深度(例如图2B中所图解说明)，以进一步增加复位晶体管、源极跟随器晶体管及行选择晶体管的栅极长度且进一步改进与像素晶体管相关联的随机电报信号(RTS)噪声。
图4是图解说明根据本发明的教示包含具有像素单元的像素阵列的成像系统452的一个实例的图式，所述像素单元具有垂直栅极结构。如所描绘实例中所展示，成像系统452包含耦合到控制电路460及读出电路456(其耦合到功能逻辑458)的像素阵列454。
在一个实例中，像素阵列454为图像传感器像素单元400(例如，像素P1、P2、P3、…、Pn)的二维(2D)阵列。应注意，图4的每一像素单元400可为图3的像素单元300及/或图2A的像素单元200A及/或图2B的像素单元200B及/或图1A的像素单元100A及/或图1B的像素单元100B的实例，且下文所提及的类似命名及编号的元件类似于如上文所描述而耦合及起作用。如所图解说明，每一像素单元400被布置成一行(例如，行R1到Ry)及一列(例如，列C1到Cx)中以获取人、地点、对象等的图像数据，然后可使用所述图像数据来再现所述人、地点、对象等的2D图像。
在一个实例中，在每一像素单元400已获取其图像数据或图像电荷之后，图像数据由读出电路456通过输出位线444读出且然后传送到功能逻辑458。在各种实施例中，读出电路456可包含放大电路、模/数转换(ADC)电路或其它。功能逻辑458可包含用于存储图像数据或甚至通过应用图像后效应(例如，剪裁、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵图像数据的逻辑及存储器。在一个实例中，读出电路456可沿着读出列输出位线444(所图解说明)一次读出一行图像数据或可使用例如串行读出或对所有像素同时进行的全并行读出的各种其它技术(未图解说明)来读出图像数据。
在一个实例中，控制电路460耦合到像素阵列454且可包含用于控制像素阵列454的操作特性的逻辑及存储器。在一个实例中，控制电路460可经耦合以产生上文所论述的用于控制每一像素单元400的图像获取的全局快门及/或控制信号。在具有全局快门的实例中，根据本发明的教示，全局快门及控制信号同时启用像素阵列454内的所有像素单元400以在单个获取窗期间将图像电荷从每一光电二极管全局转移到相应全局快门存储晶体管。
在一个实例中，成像系统452可包含在数码相机、移动电话、膝上型计算机等中。另外，成像系统452可耦合到其它硬件，例如处理器(通用或其它)、存储器元件、输出(USB端口、无线发射器、HDMI端口等)、照明设备/闪光灯、电输入(键盘、触控显示器、跟踪垫、鼠标、麦克风等)及/或显示器。其它硬件可将指令递送到成像系统452、从成像系统452提取图像数据或操纵由成像系统452供应的图像数据。
包含发明摘要中所描述内容的本发明的所图解说明实例的以上说明并不打算为穷尽性的或限于所揭示的精确形式。虽然出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但可在不背离本发明的较宽广精神及范围的情况下做出各种等效修改。实际上，应了解，特定实例电压、电流、频率、功率范围值、时间等是出于解释目的而提供，且在根据本发明的教示的其它实施例及实例中也可采用其它值。
鉴于上文详细说明，可对本发明的实例做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于说明书及权利要求书中所揭示的特定实施例。而是，所述范围将完全由所附权利要求书来确定，权利要求书将根据权利要求解释的所建立原则加以理解。因此，本说明书及各图应视为说明性的而非限定性的。

Claims (29)

1.一种像素单元，其包括：
光电二极管，其掩埋于半导体材料中所述半导体材料的第一侧底下，其中所述光电二极管经耦合以响应于入射光而光生图像电荷；
转移栅极，其安置在所述光电二极管上方接近于所述半导体材料的所述第一侧，其中所述转移栅极包含从所述第一侧朝向所述光电二极管向所述半导体材料中延伸第一距离的垂直转移栅极部分；
浮动扩散区域，其安置在所述半导体材料中在所述半导体材料的所述第一侧处接近于所述转移栅极，其中所述转移栅极经耦合以响应于转移控制信号而将所述图像电荷从所述光电二极管朝向所述半导体材料的所述第一侧及向所述浮动扩散区域中转移；及
复位栅极，其安置在所述光电二极管上方接近于所述半导体材料的所述第一侧，其中所述复位栅极具有在所述半导体材料的所述第一侧处横向环绕所述浮动扩散区域及所述转移栅极的环圈形结构，其中所述复位栅极经耦合以响应于复位控制信号而使所述像素单元复位。
2.根据权利要求1所述的像素单元，其进一步包括安置在所述光电二极管上方接近于所述半导体材料的所述第一侧的源极跟随器栅极，其中所述源极跟随器栅极具有在所述半导体材料的所述第一侧处横向环绕所述复位栅极的环圈形结构，其中所述源极跟随器栅极耦合到所述浮动扩散区域以响应于存储在所述浮动扩散区域中的所述图像电荷而产生图像数据。
3.根据权利要求2所述的像素单元，其进一步包括行选择栅极，所述行选择栅极安置成接近于所述源极跟随器栅极、接近于所述半导体材料的所述第一侧，使得所述源极跟随器栅极安置成在所述半导体材料的所述第一侧处横向位于所述复位栅极与所述行选择栅极之间，其中所述行选择栅极经耦合以响应于行选择信号而将所述图像数据输出到输出位线。
4.根据权利要求3所述的像素单元，其进一步包括安置于所述半导体材料与所述转移栅极、所述复位栅极、所述源极跟随器栅极及所述行选择栅极之间的绝缘衬里。
5.根据权利要求3所述的像素单元，其中所述行选择栅极具有在所述半导体材料的所述第一侧处横向环绕所述源极跟随器栅极的环圈形结构。
6.根据权利要求3所述的像素单元，其中所述复位栅极、所述源极跟随器栅极及所述行选择栅极分别包含从所述第一侧朝向所述半导体材料的第二侧向所述半导体材料中延伸第二距离的垂直复位栅极部分、垂直源极跟随器栅极部分及垂直行选择栅极部分，其中所述半导体材料的所述第二侧与所述半导体材料的所述第一侧相对。
7.根据权利要求6所述的像素单元，其中所述半导体材料的所述第一侧是所述半导体材料的前侧，且其中所述半导体材料的所述第二侧是所述半导体材料的后侧。
8.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述光电二极管包括掩埋于所述半导体材料中所述半导体材料的所述第一侧下面的深钉扎光电二极管区域。
9.根据权利要求8所述的像素单元，其中所述光电二极管进一步包括安置成邻近于所述深钉扎光电二极管区域且接近于所述半导体材料中所述转移栅极的所述垂直转移栅极部分的钉扎光电二极管区域，其中所述钉扎光电二极管区域提供电荷通道以响应于所述转移控制信号而将所述图像电荷从所述光电二极管朝向所述半导体材料的所述第一侧及向所述浮动扩散区域中转移。
10.根据权利要求1所述的像素单元，
其中所述光电二极管是多个光电二极管中的一者，且其中所述转移栅极是包含于所述像素单元中的多个转移栅极中的一者，其中所述多个转移栅极中的每一者安置在所述多个光电二极管中的相应一者上方接近于所述半导体材料的所述第一侧，其中所述多个转移栅极中的每一者包含从所述第一侧朝向所述多个光电二极管中的所述相应一者向所述半导体材料中延伸所述第一距离的相应垂直转移栅极部分，
其中所述浮动扩散区域安置成在所述半导体材料的所述第一侧处接近于所述多个转移栅极，使得所述浮动扩散区域在所述多个转移栅极及所述多个光电二极管当中共享，且
其中所述多个转移栅极中的每一者经耦合以响应于多个转移控制信号中的相应一者而将所述图像电荷从所述多个光电二极管中的所述相应一者朝向所述半导体材料的所述第一侧及向所述浮动扩散区域中转移。
11.根据权利要求10所述的像素单元，其中所述多个二极管包含四个光电二极管，且其中所述多个转移栅极包含四个转移栅极。
12.一种成像系统，其包括：
像素单元的像素阵列，其中所述像素单元中的每一者包含：
光电二极管，其掩埋于半导体材料中所述半导体材料的第一侧底下，其中所述光电二极管经耦合以响应于入射光而光生图像电荷；
转移栅极，其安置在所述光电二极管上方接近于所述半导体材料的所述第一侧，其中所述转移栅极包含从所述第一侧朝向所述光电二极管向所述半导体材料中延伸第一距离的垂直转移栅极部分；
浮动扩散区域，其安置在所述半导体材料中在所述半导体材料的所述第一侧处接近于所述转移栅极，其中所述转移栅极经耦合以响应于转移控制信号而将所述图像电荷从所述光电二极管朝向所述半导体材料的所述第一侧及向所述浮动扩散区域中转移；及
复位栅极，其安置在所述光电二极管上方接近于所述半导体材料的所述第一侧，其中所述复位栅极具有在所述半导体材料的所述第一侧处横向环绕所述浮动扩散区域及所述转移栅极的环圈形结构，其中所述复位栅极经耦合以响应于复位控制信号而使所述像素单元复位；
控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及
读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素单元读出图像数据。
13.根据权利要求12所述的成像系统，其进一步包括耦合到所述读出电路以存储来自所述多个像素单元中的每一者的所述图像数据的功能逻辑。
14.根据权利要求12所述的成像系统，其进一步包括安置在所述光电二极管上方接近于所述半导体材料的所述第一侧的源极跟随器栅极，其中所述源极跟随器栅极具有在所述半导体材料的所述第一侧处横向环绕所述复位栅极的环圈形结构，其中所述源极跟随器栅极耦合到所述浮动扩散区域以响应于存储在所述浮动扩散区域中的所述图像电荷而产生图像数据。
15.根据权利要求14所述的成像系统，其进一步包括行选择栅极，所述行选择栅极安置成接近于所述源极跟随器栅极、接近于所述半导体材料的所述第一侧，使得所述源极跟随器栅极安置成在所述半导体材料的所述第一侧处横向位于所述复位栅极与所述行选择栅极之间，其中所述行选择栅极经耦合以响应于行选择信号而将所述图像数据输出到输出位线。
16.根据权利要求15所述的成像系统，其进一步包括安置于所述半导体材料与所述转移栅极、所述复位栅极、所述源极跟随器栅极及所述行选择栅极之间的绝缘衬里。
17.根据权利要求15所述的成像系统，其中所述行选择栅极具有在所述半导体材料的所述第一侧处横向环绕所述源极跟随器栅极的环圈形结构。
18.根据权利要求15所述的成像系统，其中所述复位栅极、所述源极跟随器栅极及所述行选择栅极分别包含从所述第一侧朝向所述半导体材料的第二侧向所述半导体材料中延伸第二距离的垂直复位栅极部分、垂直源极跟随器栅极部分及垂直行选择栅极部分，其中所述半导体材料的所述第二侧与所述半导体材料的所述第一侧相对。
19.根据权利要求18所述的成像系统，其中所述半导体材料的所述第一侧是所述半导体材料的前侧，且其中所述半导体材料的所述第二侧是所述半导体材料的后侧。
20.根据权利要求12所述的成像系统，其中所述光电二极管包括掩埋于所述半导体材料中所述半导体材料的所述第一侧下面的深钉扎光电二极管区域。
21.根据权利要求20所述的成像系统，其中所述光电二极管进一步包括安置成邻近于所述深钉扎光电二极管区域且接近于所述半导体材料中所述转移栅极的所述垂直转移栅极部分的钉扎光电二极管区域，其中所述钉扎光电二极管区域提供电荷通道以响应于所述转移控制信号而将所述图像电荷从所述光电二极管朝向所述半导体材料的所述第一侧及向所述浮动扩散区域中转移。
22.根据权利要求12所述的成像系统，
其中所述光电二极管是多个光电二极管中的一者，且其中所述转移栅极是包含于所述像素单元中的多个转移栅极中的一者，其中所述多个转移栅极中的每一者安置在所述多个光电二极管中的相应一者上方接近于所述半导体材料的所述第一侧，其中所述多个转移栅极中的每一者包含从所述第一侧朝向所述多个光电二极管中的所述相应一者向所述半导体材料中延伸所述第一距离的相应垂直转移栅极部分，
其中所述浮动扩散区域安置成在所述半导体材料的所述第一侧处接近于所述多个转移栅极，使得所述浮动扩散区域在所述多个转移栅极及所述多个光电二极管当中共享，且
其中所述多个转移栅极中的每一者经耦合以响应于多个转移控制信号中的相应一者而将所述图像电荷从所述多个光电二极管中的所述相应一者朝向所述半导体材料的所述第一侧及向所述浮动扩散区域中转移。
23.根据权利要求22所述的成像系统，其中所述多个二极管包含四个光电二极管，且其中所述多个转移栅极包含四个转移栅极。
24.一种像素单元，其包括：
光电二极管，其掩埋于半导体材料中所述半导体材料的第一侧底下，其中所述光电二极管经耦合以响应于入射光而光生图像电荷；
转移栅极，其安置在所述光电二极管上方接近于所述半导体材料的所述第一侧，其中所述转移栅极包含从所述第一侧朝向所述光电二极管向所述半导体材料中延伸第一距离的垂直转移栅极部分；
浮动扩散区域，其安置在所述半导体材料中在所述半导体材料的所述第一侧处接近于所述转移栅极，其中所述转移栅极经耦合以响应于转移控制信号而将所述图像电荷从所述光电二极管朝向所述半导体材料的所述第一侧及向所述浮动扩散区域中转移；及
第一像素晶体管，其具有安置在所述光电二极管上方接近于所述半导体材料的所述第一侧的第一栅极，其中所述第一栅极具有在所述半导体材料的所述第一侧处横向环绕所述浮动扩散区域及所述转移栅极的环圈形结构。
25.根据权利要求24所述的像素单元，其中所述第一像素晶体管耦合到所述浮动扩散区域。
26.根据权利要求24所述的像素单元，其进一步包括第二像素晶体管，所述第二像素晶体管具有安置在所述光电二极管上方接近于所述半导体材料的所述第一侧的第二栅极，其中第二像素晶体管的所述第二栅极具有在所述半导体材料的所述第一侧处横向环绕所述第一栅极的环圈形结构。
27.根据权利要求26所述的像素单元，其进一步包括具有第三栅极的第三像素晶体管，所述第三栅极安置成接近于所述第二像素晶体管的所述第二栅极、接近于所述半导体材料的所述第一侧，使得所述第二像素晶体管的所述第二栅极安置成在所述半导体材料的所述第一侧处横向位于所述第一像素晶体管的所述第一栅极与所述第三像素晶体管的所述第三栅极之间。
28.根据权利要求27所述的像素单元，其中所述第三像素晶体管的所述第三栅极具有在所述半导体材料的所述第一侧处横向环绕所述第二像素晶体管的所述第二栅极的环圈形结构。
29.根据权利要求27所述的像素单元，
其中所述第一像素晶体管是复位晶体管，且所述第一栅极是复位栅极，其中所述复位栅极经耦合以响应于复位控制信号而使所述像素单元复位，
其中所述第二像素晶体管是源极跟随器，且所述第二栅极是源极跟随器栅极，所述源极跟随器栅极耦合到所述浮动扩散区域以响应于存储在所述浮动扩散区域中的所述图像电荷而产生图像数据，且
其中所述第三像素晶体管是行选择晶体管，且所述第三栅极是行选择栅极，所述行选择栅极经耦合以响应于行选择信号而将所述图像数据输出到输出位线。
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