CN113571537A - 图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了图像传感器。一种图像感测装置可包括：彼此相邻布置的第一光电转换元件和第二光电转换元件，第一光电转换元件和第二光电转换元件中的每一个被配置为响应于入射光而生成光电荷；第一隔离区域，其位于第一光电转换元件和第二光电转换元件之间以将第一光电转换元件和第二光电转换元件隔离，并且被配置为接收电压以生成从第一光电转换元件或第二光电转换元件吸引光电荷的电场以将第一光电转换元件和第二光电转换元件彼此隔离；以及与第一隔离区域分离的第二隔离区域，该第二隔离区域位于第一光电转换元件和第二光电转换元件之间并且被构造为包括绝缘材料以阻挡光电荷在第一光电转换元件和第二光电转换元件之间移动。

Description

图像传感器
技术领域
本专利文献中所公开的技术和实现方式总体上涉及一种包括彼此邻接(或相邻)布置的多个像素的图像传感器。
背景技术
图像传感器是用于通过使用对光作出反应的半导体材料将光转换为电信号来捕获光学图像的装置。随着最近汽车、医疗、计算机和通信行业的发展，在诸如智能电话、数字相机、游戏机、物联网(IoT)、机器人、监控相机、医疗微型相机等的各种装置中对高性能图像传感器的需求不断增加。
图像传感器可大致分类为基于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。CCD图像传感器可创建高质量、低噪声图像，传统上在噪声特性方面优于CMOS图像传感器。然而，由于优于CCD图像传感器的某些优点(包括例如更高的帧频和快门速度)，CMOS图像传感器现在被广泛使用。另外，CMOS图像传感器和信号处理电路可被集成到单个芯片中，使得可在实现更低功耗的同时使电子装置小型化。此外，使用CMOS制造技术可导致生产成本降低。CMOS图像传感器的这些特性使得这些传感器更适合于实现在移动装置中。
发明内容
所公开的技术的各种实施方式涉及一种能够减小邻接(或相邻)像素之间的串扰的图像传感器。
根据所公开的技术的实施方式，一种图像传感器可包括：彼此相邻布置的第一光电转换元件和第二光电转换元件，第一光电转换元件和第二光电转换元件中的每一个被配置为响应于入射光而生成光电荷；第一隔离区域，其位于第一光电转换元件和第二光电转换元件之间以将第一光电转换元件和第二光电转换元件隔离，并且被配置为接收电压以生成从第一光电转换元件或第二光电转换元件吸引光电荷的电场，以便将第一光电转换元件和第二光电转换元件彼此隔离；以及与第一隔离区域分离的第二隔离区域，该第二隔离区域位于第一光电转换元件和第二光电转换元件之间并且被构造为包括绝缘材料以阻挡光电荷在第一光电转换元件和第二光电转换元件之间移动。
根据所公开的技术的另一实施方式，一种图像传感器可包括：形成为(2x2)矩阵结构的第一至第四光电转换元件，第一至第四光电转换元件中的每一个被配置为响应于接收到入射光而生成光电荷；第一隔离区域，其设置在(2x2)矩阵结构的中央部分处，并且被配置为接收电压以生成从第一至第四光电转换元件吸引光电荷的电场；以及第二隔离区域，其设置在两个相邻光电转换元件之间，并且被配置为物理地防止光电荷的移动。
将理解，所公开的技术的以上一般描述和以下详细描述二者是例示性和说明性的，并且旨在提供对所要求保护的本公开的进一步说明。
附图说明
当结合附图考虑时，所公开的技术的以上和其它特征和有益方面将参照以下详细描述而变得易于显而易见。
图1是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像传感器的示例的框图。
图2是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图1所示的像素阵列的一些部分的一个示例的示意图。
图3是示出基于所公开的技术的一些实现方式的沿着图2所示的第一切割线截取的像素阵列的一个示例的横截面图。
图4是示出基于所公开的技术的一些实现方式的沿着图2所示的第三切割线截取的像素阵列中的电位分布的概念图。
具体实施方式
本专利文献提供了图像传感器的实现方式和示例，其基本上解决了由于现有技术的限制和缺点而导致的一个或更多个问题。所公开的技术的一些实现方式涉及能够减小邻接(或相邻)像素之间的串扰的图像传感器。所公开的技术提供了图像传感器的各种实现方式，其可在电气上和物理上防止溢出的光电荷在邻接(或相邻)光电转换元件之间转移。通过这样做，可减少图像传感器中生成的噪声。
现在将详细参考所公开的技术的实施方式，其示例示出于附图中。只要可能，贯穿附图将使用相同的标号来指代相同或相似的部分。尽管本公开易于进行各种修改和替代形式，但附图中作为示例示出了其特定实施方式。
图1是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像传感器100的示例的框图。
参照图1，图像传感器100可被实现为互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。在示例中，图像传感器100可包括像素阵列110、行解码器120、相关双采样器(CDS)电路130、模数转换器(ADC)140、输出缓冲器150、列解码器160和定时控制器170。在这种情况下，图像传感器100的上述构成元件仅是示例，可根据需要向图像传感器100添加或从图像传感器100省略构成元件当中的至少一些构成元件。
像素阵列110可包括按包括行和列的二维(2D)形状布置的多个单元像素。多个单元像素可将光学信号转换为电信号。一个或更多个单元像素可共享图像传感器的至少一个电路元件，使得那些单元像素可基于共享像素操作以将光学信号转换为电信号。尽管各个单元像素或各个共享像素可对应于3T像素(每像素3个晶体管)、4T像素(每像素4个晶体管)或5T像素(每像素5个晶体管)，其它实现方式也是可能的。像素阵列110可从行解码器120接收包括行选择信号、像素重置信号、传输(Tx)信号等的驱动信号，并且可由从行解码器120接收的驱动信号驱动。
行解码器120可基于定时控制器170的控制信号来启用像素阵列110。在一些实现方式中，行解码器120可从像素阵列110选择至少一行。行解码器120可生成行选择信号以选择多行中的至少一行。行解码器120可依次启用用于重置与至少一个所选行对应的像素的像素重置信号以及用于所选像素发送像素所生成的电信号的传输(Tx)信号。结果，从所选行的各个像素生成的模拟型参考信号和图像信号可被依次发送到CDS电路130。在本专利文献的上下文中，术语“像素信号”可用于指示参考信号和图像信号。参考信号可用于从图像信号去除偏移(例如，重置噪声等)。
CMOS图像传感器可使用相关双采样(CDS)通过对像素信号采样两次以去除这两个样本之间的差来去除像素的不期望的偏移值(称为固定图案噪声)。在一个示例中，相关双采样(CDS)可通过比较在光信号入射在像素上之前和之后获得的像素输出电压以使得可仅测量基于入射光的像素输出电压来去除像素的不期望的偏移值。在所公开的技术的一些实施方式中，CDS电路130可依次采样并保持从像素阵列110传送到多条列线中的每一条的参考信号和图像信号。CDS电路130可采样并保持与像素阵列110的各列对应的参考信号和图像信号的电压电平。
在从定时控制器170接收到控制信号时，CDS电路130可将与各列的参考信号和图像信号对应的相关双采样(CDS)信号发送到ADC 140。
ADC 140用于将模拟CDS信号转换为数字信号。ADC 140的示例可包括斜坡比较型ADC，其中模拟像素信号与诸如斜升或斜降的斜坡信号的参考信号进行比较，并且定时器计数，直至斜坡信号的电压与模拟像素信号匹配。在所公开的技术的一些实施方式中，ADC140可从CDS电路130接收各列的CDS信号，可将所接收的CDS信号转换为数字信号，因此可输出数字信号。在一些实现方式中，ADC 140使用参考信号对输入信号(例如，像素信号)采样多次，并通过对直至交叉点的时钟脉冲的数量进行计数来对采样的输入信号进行模数转换。ADC 140可基于各列的CDS信号和从定时控制器170接收的斜坡信号来执行计数操作和计算操作，使得ADC 140可生成与各列对应的噪声(例如，各个像素的独特重置噪声)被去除的数字图像数据。
ADC 140可包括与像素阵列110的各个列对应的多个列计数器，并且可使用列计数器将各列的CDS信号转换为数字信号，从而导致形成图像数据。在另一实施方式中，ADC 140可包括单个全局计数器，并且可使用从全局计数器接收的全局码来将与各列对应的CDS信号转换为数字信号。
输出缓冲器150可接收从ADC 140接收的各列的图像数据。另外，输出缓冲器150可捕获所接收的图像数据，并且可输出所捕获的图像数据。在从定时控制器170接收到控制信号时，输出缓冲器150可暂时地存储从ADC 140输出的图像数据。输出缓冲器150可作为被配置为补偿图像传感器100与联接到图像传感器100的另一装置之间的数据速率差异或传输(Tx)速度差异的接口来操作。
列解码器160可在从定时控制器170接收到控制信号时选择输出缓冲器150的列，并且可依次输出暂时存储在输出缓冲器150中的图像数据。在一些实现方式中，列解码器160可从定时控制器170接收地址信号，可基于所接收的地址信号来生成列选择信号，并且可选择输出缓冲器150的列以将要输出的图像数据作为输出信号S0从输出缓冲器150的所选列输出。
定时控制器170可控制行解码器120、ADC 140、输出缓冲器150和列解码器160。
定时控制器170可将用于操作或同步图像传感器100的构成元件的时钟信号、定时控制所需的控制信号以及选择行或列所需的地址信号发送到行解码器120、列解码器160、ADC 140和输出缓冲器150。在一些实现方式中，定时控制器170可包括逻辑控制电路、锁相环(PLL)电路、定时控制电路、通信接口电路等。
图2是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图1所示的像素阵列110的一些部分的一个示例的示意图。
参照图2，像素阵列110包括由基板支撑的不同单元像素(例如，PD1至PD16)，如关于图3进一步说明的。作为示例，像素阵列110的部分200被示出为包括16个单元像素。在16个单元像素当中，图2中作为示例仅表示了4个单元像素(PX1至PX4)。包含在像素阵列110中的其它单元像素可具有相似的结构并且以相似的方式操作。另外，尽管单元像素PX1～PX4中的每一个具有布置成(2x2)矩阵结构的像素共享至少一些元件的共享像素结构，但其它实现方式也是可能的。例如，布置成阵列的多个像素可共享光电转换元件并形成单元像素。
第一单元像素PX1可包括：第一光电转换元件(PD1)210，其吸收入射光并生成光电荷；第一转移门(TX1)212，其联接到PD1以将光电荷转移出到第一浮置扩散(FD)区域214的一部分以生成PD1的像素输出；以及第一晶体管区域(TA1)216的一部分，其包括PD1的对应像素电路。具体地，图2所示的示例基于四个相邻单元像素形成共享特定像素电路元件的像素组的共享像素设计。例如，16个单元像素PX1-PX16被示出为四组，第一组为PX1、PX2、PX5和PX6，第二组为PX3、PX4、PX7和PX8，第三组为PX9、PX 10、PX13和PX14，第四组为PX11、PX12、PX15和PX16。对于各个组，四个单元像素共享用于收集所生成的光电荷的相同浮置扩散区域以及用于包括像素读出的像素操作的相同共享像素电路。例如，在一些实现方式中，四个相邻单元像素的共享像素电路可包括用于重置共享浮置扩散区域的共享重置晶体管、感测和读出共享浮置扩散区域中的信号的共享源极跟随器以及用于选择操作的共享选择晶体管。可通过控制其相应转移门(例如，TX1)来操作该共享电路以针对各个组中的四个单元像素中的每一个生成单独的单元像素输出。
第一光电转换元件210可生成并累积与图像传感器上的入射光的强度对应的光电荷。光电转换元件210可横跨尽可能大的区域布置，以增加指示光接收(Rx)效率的填充因子。例如，光电转换元件210也可被实现为光电二极管、光电晶体管、光门、钉扎光电二极管或其组合。
如果光电转换元件210被实现为光电二极管，则光电转换元件210可通过在包括P型杂质的基板中离子注入N型离子而形成为N型掺杂区域。在一些实现方式中，可通过层叠多个掺杂区域来形成光电二极管。在这种情况下，多个掺杂区域可包括P型杂质层和N型杂质层，并且N型杂质层可包括N+杂质层和N-杂质层。
第一转移门212的一个端子可与光电转换元件210交叠，第一转移门212的另一端子可与第一浮置扩散(FD)区域214交叠。第一转移门212可从行解码器120接收第一传输控制信号。第一转移门212可响应于第一传输控制信号而在第一光电转换元件210和第一浮置扩散(FD)区域214之间形成特定通道，使得光电荷可在第一光电转换元件210和第一浮置扩散(FD)区域214之间转移。即，第一转移门212可构造第一转移晶体管，该第一转移晶体管联接在第一光电转换元件210和第一浮置扩散(FD)区域214之间，然后响应于第一传输控制信号而导通或截止。
第一转移门212可包括用于电隔离的栅极绝缘层和用于接收第一传输控制信号的栅电极的层叠结构。这里，该层叠结构可设置在形成有第一光电转换元件210和第一浮置扩散(FD)区域214的基板上方。例如，栅极绝缘层可以是氧化硅膜，并且栅电极可由多晶硅形成。
第一浮置扩散(FD)区域214可存储从第一光电转换元件210接收的光电荷。另外，第一浮置扩散(FD)区域214也可存储从光电转换元件PD2、PD5和PD6接收的光电荷。因此，第一浮置扩散(FD)区域214被配置为存储从包括第一单元像素PX1、第二单元像素PX2、布置在第一单元像素PX1的左侧的邻接单元像素和布置在第二单元像素PX2的左侧的邻接单元像素的四个单元像素接收的光电荷。四个单元像素构造第一共享像素结构，该第一共享像素结构共享第一浮置扩散(FD)区域214以存储从包括在第一共享像素结构中的单元像素的光电转换元件接收的光电荷。
第一浮置扩散(FD)区域214可以是基板中掺杂有特定导电类型(例如，N型)杂质的区域。
第一晶体管区域216可设置在第一光电转换元件210的一侧，并且可包括构造第一共享像素的多个晶体管的至少一些部分。
例如，构造第一共享像素的多个晶体管可包括驱动晶体管、选择晶体管和重置晶体管。驱动晶体管可联接在选择晶体管与供应像素电压(例如，2.5V、5V等的电源电压)的像素电压节点之间，并且驱动晶体管的栅极可联接到第一浮置扩散(FD)区域214。因此，可生成与第一浮置扩散(FD)区域214的电压电平对应的电信号。选择晶体管可联接在驱动晶体管与列线之间，并且选择晶体管的栅极可从行解码器120接收选择控制信号。选择晶体管可响应于选择控制信号而将驱动晶体管所生成的电信号输出到列线。在这种情况下，列线可用作形成为在列方向上延伸的信号线，并且可以是输出图1所示的像素信号的信号线。重置晶体管可联接在像素电压节点(例如，电源电压)与第一浮置扩散(FD)区域214之间，并且重置晶体管的栅极可从行解码器120接收重置控制信号。重置晶体管可响应于重置控制信号而重置第一浮置扩散(FD)区域214的电压电平。
在一些实现方式中，除了第一晶体管区域之外，构造第一共享像素的多个晶体管可位于第二晶体管区域226中。在一个示例中，构造第一共享像素的多个晶体管中的至少一个可通过至少两个晶体管的并联连接来实现。
第二单元像素PX2可包括第二光电转换元件(PD2)220、第二转移门(TX2)222和第二晶体管区域(TA2)226。第二单元像素PX2的元件可在结构和操作方面与包括在第一单元像素中的元件基本上相同，因此本文中将省略其详细描述。第二单元像素PX2的元件可在位置方面与第一单元像素PX1的元件不同。第二单元像素PX2可关于第一单元像素PX1和第二单元像素PX2之间的边界区域与第一单元像素PX1对称布置。
第三单元像素PX3可关于第一单元像素PX1和第三单元像素PX3之间的边界区域与第一单元像素PX1对称布置。第四单元像素PX4可关于第二单元像素PX2和第四单元像素PX4之间的边界区域与第二单元像素PX2对称布置。第三单元像素PX3和第四单元像素PX4的元件可在结构和操作方面与第一单元像素PX1和第二单元像素PX2的元件基本上相同，因此本文中将省略其详细描述。
第三单元像素PX3、第四单元像素PX4、位于第三单元像素PX3的右侧的另一单元像素以及位于第四单元像素PX4的右侧的另一单元像素可共享第二浮置扩散(FD)区域234并构造第二共享像素结构。因此，第七光电转换元件PD7所生成的光电荷和第八光电转换元件PD8所生成的光电荷可被传输到第二浮置扩散(FD)区域234并累积在第二浮置扩散(FD)区域234中。
被配置为包括第五光电转换元件PD5、第五转移门TX5、第一浮置扩散(FD)区域FD1的一些部分和第一晶体管区域216的一些部分的第五单元像素可关于第一单元像素PX1和第五单元像素之间的边界区域与第一单元像素PX1对称布置。被配置为包括第六光电转换元件PD6、第六转移门TX6、第一浮置扩散(FD)区域FD1的一些部分和第二晶体管区域226的一些部分的第六单元像素可关于第二单元像素PX2和第六单元像素之间的边界区域与第二单元像素PX2对称布置。第五单元像素和第六单元像素的元件可在结构和操作方面与第一单元像素PX1和第二单元像素PX2的元件基本上相同，因此本文中将省略其详细描述。
被配置为包括第七光电转换元件PD7、第七转移门TX7、第二浮置扩散(FD)区域FD2的一些部分和第一晶体管区域216的一些部分的第七单元像素可关于第三单元像素PX3和第七单元像素之间的边界区域与第三单元像素PX3对称布置。被配置为包括第八光电转换元件PD8、第八转移门TX8、第二浮置扩散(FD)区域FD2的一些部分和第二晶体管区域226的一些部分的第八单元像素可关于第四单元像素PX4和第八单元像素之间的边界区域与第四单元像素PX4对称布置。第七单元像素和第八单元像素的元件可在结构和操作方面与第三单元像素PX3和第四单元像素PX4的元件基本上相同，因此本文中将省略其详细描述。
形成为构造第二共享像素结构的多个晶体管可位于第一晶体管区域216和第二晶体管区域226二者中。
第九至第十六单元像素可关于充当边界区域的第二晶体管区域226与第一至第八单元像素对称布置，并且第九至第十六单元像素的元件可在结构和操作方面与第一至第八单元像素的元件基本上相同，因此本文中将省略其详细描述。
多个晶体管构造包括第九、第十、第十三和第十四单元像素的第三共享像素结构，并且构造第四共享像素结构的多个晶体管包括第十一、第十二、第十五和第十六单元像素。构造第三共享像素结构和第四共享像素结构的晶体管位于第二晶体管区域226和第三晶体管区域236中。
参照图2，像素阵列的部分200还可包括第一隔离区域250和第二隔离区域260。
第一隔离区域250可设置在邻接(或相邻)光电转换元件之间。在如图2所示的示例中，当四个光电转换元件210、220、230和240布置成(2x2)矩阵结构时，浮置扩散(FD)区域不设置在(2x2)矩阵结构的中央部分处，并且第一隔离区域250可设置在由光电转换元件210、220、230和240形成的(2x2)矩阵结构的中央部分处。在一些实现方式中，第一隔离区域250可设置在将对角方向上彼此邻接或相邻的两个光电转换元件(210和240或220和230)的中央部分连接的虚拟直线被布置为彼此交叉的区域中。第二隔离区域260包括沿着水平方向延伸的部分以及沿着垂直方向延伸的另一部分。在一些实现方式中，第一隔离区域250可设置在第二隔离区域260的在水平方向上延伸的部分和第二隔离区域260的在垂直方向上延伸的另一部分被布置为彼此交叉的区域中。同样，第一隔离区域250可设置在按(2x2)矩阵结构布置的四个邻接光电转换元件PD9～PD12的中央部分处。在这种情况下，浮置扩散(FD)区域不设置在(2x2)矩阵结构的中央部分中。
在另一实施方式中，第一隔离区域250可另外不仅设置在图2所示的位置处，而且设置在邻接(或相邻)光电转换元件(例如，PD1和PD3或PD2和PD4)之间的至少一个合适位置处。通过实验获取所述至少一个合适位置，以使得邻接(或相邻)光电转换元件之间的串扰可最小化。
在另一实施方式中，在图2所示的俯视图中，第一隔离区域250可设置在与第二隔离区域260对应的位置中。在这种情况下，第一隔离区域250可具有细长形状。
在另一实施方式中，第一隔离区域250可形成为具有一个或更多个延伸部分。例如，第一隔离区域250的形状可具有从四个光电转换元件(例如、210、220、230和240)的中央部分朝着四个光电转换元件中的任两个之间的空间延伸的延伸部分。例如，第一隔离区域250可具有四个延伸部分，使得其具有类似于“+”的形状。在此示例中，四个延伸部分可包括从光电转换元件210、220、230和240的中央部分朝着光电转换元件210和230之间的空间延伸的第一延伸部分、从中央部分朝着光电转换元件210和220之间的空间延伸的第二延伸部分、从中央部分朝着光电转换元件220和240之间的空间延伸的第三延伸部分以及从中央部分朝着光电转换元件230和240之间的空间延伸的第四延伸部分。
第一隔离区域250可掺杂有特定导电类型(例如，N型)杂质。在此示例中，可通过将N型杂质注入到基板中来形成第一隔离区域250。
第一隔离区域250可接收偏置电压(Vb)作为输入，可吸收或去除引入到第一隔离区域250中的光电荷。例如，引入到第一隔离区域250中的光电荷可通过向提供偏置电压(Vb)的节点(或漏极节点)转移而被去除。例如，偏置电压(Vb)可以是电源电压。
第二隔离区域260可设置在邻接(或相邻)光电转换元件之间。可从图2看出，第二隔离区域260可形成为在第一光电转换元件210和第二光电转换元件220之间以及第三光电转换元件230和第四光电转换元件240之间在第一方向(例如，图2所示的俯视图中的水平方向)上延伸。另外，第二隔离区域260可形成为在第一光电转换元件210和第三光电转换元件230之间以及第二光电转换元件220和第四光电转换元件240之间在垂直于第一方向的第二方向(例如，图2所示的俯视图中的垂直方向)上延伸。
另外，第二隔离区域260可形成为在第五像素PX1的第五光电转换元件PD5和第一光电转换元件210之间以及第六像素PX6的第六光电转换元件PD6和第二光电转换元件220之间在第二方向上延伸。另外，第二隔离区域260可形成为在第五光电转换元件PD5和第六光电转换元件PD6之间在第一方向上延伸。
同样，第二隔离区域可形成为在设置在第七像素PX7的第七光电转换元件PD7和第三光电转换元件230之间以及第八像素PX8的第八光电转换元件PD8和第四光电转换元件240之间的同时在第二方向上延伸。另外，第二隔离区域260可形成为在第七光电转换元件PD7和第八光电转换元件PD8之间在第一方向上延伸。
另外，第二隔离区域260可形成为在设置在第一光电转换元件PD1、第三光电转换元件PD3、第五光电转换元件PD5和第七光电转换元件PD7上方的同时在第一方向上延伸。在图2中，尽管图2示出设置在第一光电转换元件PD1、第三光电转换元件PD3、第五光电转换元件PD5和第七光电转换元件PD7上方的第二隔离区域260与第一晶体管区域216交叠，但其它实现方式也是可能的。
第二隔离区域260可形成为在设置在第二光电转换元件PD2、第四光电转换元件PD4、第六光电转换元件PD6和第八光电转换元件PD8上方的同时在第一方向上延伸。在图2中，尽管图2示出设置在第二光电转换元件PD2、第四光电转换元件PD4、第六光电转换元件PD6和第八光电转换元件PD8上方的第二隔离区域260与第二晶体管区域226交叠，但其它实现方式也是可能的。
在一些实现方式中，第二隔离区域260可设置成在设置在完全围绕各个光电转换元件的外围区域的邻接(或相邻)光电转换元件之间的同时，在第一方向和第二方向中的每一个上延伸的网形状，使得邻接(或相邻)光电转换元件之间的串扰可最小化。
在另一实施方式中，第二隔离区域260可形成为不完全围绕各个光电转换元件的外围区域的形状，并且按各个光电转换元件的外围区域的至少一部分开放的方式形成。
第二隔离区域260可通过沟槽工艺形成深沟槽隔离(DTI)结构，并且可通过在DTI结构中沉积或间隙填充绝缘材料来形成。在此示例中，绝缘材料可以是氧化硅材料，并且其它实现方式也是可能的。另外，绝缘材料的折射率可不同于基板。例如，绝缘材料可具有低于基板的折射率。在一些实现方式中，可将高反射率材料(例如，银(Ag)、铝(Al)等)施加到绝缘材料的外部。在这种情况下，可关于基板的正面和背面当中的背面通过沟槽工艺形成DTI结构。在这种情况下，以下，所得DTI结构将被称为背面深沟槽隔离(B-DTI)结构。
第二隔离区域260可形成为在垂直方向上深度蚀刻，以使得第二隔离区域260可将彼此相邻的各个邻接像素电隔离或光学隔离。
图3是示出基于所公开的技术的一些实现方式的沿着图2所示的第一切割线截取的像素阵列的一个示例的横截面图。
图3是示出沿着图2所示的第一切割线A-A’截取的部分像素阵列200的示例的横截面图300。沿着图2所示的第二切割线B-B’截取的部分像素阵列200的横截面图可与图3所示的横截面图300基本上相同。
基板310可在横截面图300中示出。第一光电转换元件210、第二光电转换元件240、第一隔离区域250、第二隔离区域260和阱区域320可设置在基板310中。
在这种情况下，已经参照图2公开了第一光电转换元件210、第二光电转换元件240、第一隔离区域250和第二隔离区域260的结构和功能，因此以下将集中于图3所示的特性给出其详细描述。
第一隔离区域250可被布置为与基板310的形成有第一光电转换元件210和第二光电转换元件220的第一表面(即，顶表面或前表面)接触。另外，第二隔离区域260可形成为从与包括第一隔离区域250的第一表面相对的第二表面(即，底表面或后表面)到第一表面在垂直方向上深度蚀刻。
阱区域320可掺杂有基板310中的P型杂质。阱区域320可被设置为与光电转换元件210和240、第一隔离区域250和第二隔离区域260中的每一个接触。例如，可在形成光电转换元件210和240、第一隔离区域250和第二隔离区域260中的每一个之前形成阱区域。
第一光电转换元件210和第二光电转换元件220中的每一个可具有预定全阱容量(FWC)。在这种情况下，全阱容量(FWC)可表示能够累积光电荷的最大容量，并且可由各个元件的体积、掺杂密度等决定。如果生成并累积光电荷以超过光电转换元件的全阱容量(FWC)，则可能发生光电荷移动到光电转换元件之外的溢出现象。溢出的光电荷可转移到与对应像素邻接或相邻的另一像素，使得溢出的光电荷可在邻接像素的像素信号中生成噪声。随着像素的尺寸逐渐小型化，光电转换元件的全阱容量(FWC)也可减小，使得溢出现象可能由于减小的FWC而变得更严重。
图3示出针对图2所示的特定设计示例，光电转换元件210(PD1)或240(PD4)的相对上部和相对下部中的光电荷(由负(-)电荷表示)的流动，其中PD2和PD4在第一隔离区域250的两个相对侧在对角方向上彼此相邻并且不共享公共浮置扩散区域和像素电路。参照光电转换元件PD1或PD4的相对上部周围的光电荷的流动，当生成并累积光电荷以超过光电转换元件210或240的全阱容量(FWC)时，光电转换元件210或240的上部中出现的溢出的光电荷流到形成为接触光电转换元件210或240的阱区域320中。在这种情况下，可通过接收偏置电压(Vb)的第一隔离区域250形成电场，并且溢出的光电荷可沿着电场移动并且被吸收到第一隔离区域250中或由第一隔离区域250去除。因此，利用电压Vb电偏置的第一隔离区域250的存在可用于减少PD1和PD4之间的溢出的光电荷所导致的串扰，并且类似地，减少PD2和PD3之间的溢出的光电荷所导致的串扰。
参照光电转换元件210(PD1)或240(PD4)的相对下部周围的光电荷(由负(-)电荷表示)的流动，当生成并累积光电荷以超过光电转换元件210或240的全阱容量(FWC)时，第一光电转换元件210或240的下部中出现的溢出的光电荷可流到形成为接触光电转换元件210或240的阱区域320中。由于在大致垂直于基板310的方向(图3中的垂直方向)上深度蚀刻的第二隔离区域260的存在，溢出的光电荷可能难以流到另一像素中。第二隔离区域260通常被定位在基板310中的第一隔离区域250下方并填充有合适的绝缘材料。因此，第二隔离区域260阻挡溢出的电荷在光电转换元件210和240之间移动并且使得光电转换元件中生成的溢出的光电荷停留在光电转换元件外部的阱区域320中或停留在光电转换元件内。因此，第二隔离区域260被构造为形成物理屏障以物理地防止溢出的光电荷移动到另一像素中以在另一像素的像素信号中导致噪声。
在一些实现方式中，可另外在第一隔离区域250下方形成引导区域。引导区域可形成在第一隔离区域250的底表面与第二隔离区域260的顶表面之间的区域中，或者可形成为从第一隔离区域250的底表面延伸到第二隔离区域260的顶表面的下部。在这种情况下，在引导区域首先在基板310中形成至预定深度之后，可形成用于形成第二隔离区域260的DTI结构。
引导区域可以是掺杂密度高于阱区域320的P型(P+)杂质区域。
另外，尽管引导区域的宽度可与第一隔离区域250的宽度或第二隔离区域260的宽度基本上相同或相似，但可在各种实现方式中使用引导区域的其它几何形状和尺寸。
引导区域可防止溢出的光电荷流过第一隔离区域250的底表面和第二隔离区域260的顶表面之间的空间。引导区域可具有高于阱区域320的掺杂密度，使得引导区域可具有高于阱区域320的电位。由于充当势垒的引导区域的存在，被调度以移动通过第一隔离区域250的底表面与第二隔离区域260的顶表面之间的空间的溢出的光电荷可流到第一隔离区域250或第二隔离区域260中。
图4是示出基于所公开的技术的一些实现方式的沿着图2所示的第三切割线截取的像素阵列中的电位分布的图。
图4示出在第一光电转换元件210和第四光电转换元件240中通过入射光生成并累积光电荷时(例如，在光电荷累积时段期间)的电位分布的示例。在图4中，曲线图示出沿着Y方向的电位，并且向上意指更大的电位。如果各个晶体管截止，则可形成势垒，使得可防止电荷在源极区域和漏极区域之间流动。
在光电荷累积时段中，第一转移晶体管和第四转移晶体管中的每一个截止以形成势垒，使得可防止电荷从第一光电转换元件210流到第一浮置扩散(FD)区域214以及从第四光电转换元件240流到第二浮置扩散(FD)区域234。
第一光电转换元件210和第四光电转换元件240中的每一个可生成并累积与入射光的量对应的光电荷，使得假设光电荷被累积为超过第四光电转换元件240的全阱容量(FWC)，如图4所示。
由于第一光电转换元件210由阱区域320围绕，所以形成在第一光电转换元件210周围的阱区域320需要具有相同的电位。然而，由于用于使第一转移晶体管截止的逻辑低电压施加到第一转移门212，所以设置在第一转移门212下方的阱区域320的电位可高于设置在另一位置(例如，第一光电转换元件210与第四光电转换元件240之间的位置)的阱区域320的电位。
由于第四光电转换元件240由阱区域320围绕，所以形成在第四光电转换元件240周围的阱区域320需要具有相同的电位。然而，由于用于使第四转移晶体管截止的逻辑低电压施加到第四转移门242，所以设置在第四转移门242下方的阱区域的电位可高于设置在另一位置(例如，第一光电转换元件210与第四光电转换元件240之间的位置)的阱区域320的电位。
因此，当光电荷被累积为超过第四光电转换元件240的全阱容量(FWC)时，光电荷可溢出到第一光电转换元件210和第四光电转换元件240之间的阱区域320而非设置在第四转移门242下方的阱区域中。然而，溢出的光电荷可被引入到在接收到偏置电压(Vb)时具有较低电位的第一隔离区域250中，使得所得的溢出的光电荷可被去除。因此，溢出的光电荷可不流到第一光电转换元件210中，并且可由第一隔离区域250去除。
同样，当光电荷被累积为超过第一光电转换元件210的全阱容量(FWC)时，光电荷可溢出到阱区域320中。然而，溢出的光电荷可被引入到在接收到偏置电压(Vb)时具有较低电位的第一隔离区域250中，使得所得的溢出的光电荷可被去除。
尽管已经参照如图4所示的第一像素PX1和第二像素PX2之间的关系公开了第一隔离区域250的功能，但第一隔离区域250可基于彼此邻接或相邻的两个任意像素(例如，PX1和PX2、PX2和PX3等)之间的关系执行基本上相同的功能。
在一些实现方式中，第一隔离区域250可能并不总是接收偏置电压(Vb)，偏置电压(Vb)可仅在可能出现溢出的光电荷的时间段(例如，光电荷累积时段)中选择性地施加到第一隔离区域250。例如，偏置电压(Vb)可在浮置扩散(FD)区域被重置的重置时段、光电荷转移到浮置扩散(FD)区域的光电荷传输时段、生成与浮置扩散(FD)区域电压对应的电信号的读出时段以及不操作像素的空闲时段中的至少一个中不施加到第一隔离区域250。在这种情况下，施加偏置电压(Vb)所需的功耗可降低。
从以上描述显而易见的是，基于所公开的技术的一些实现方式的图像传感器可在电气上和物理上防止溢出的光电荷在邻接(或相邻)光电转换元件之间转移，从而导致噪声减少。
本专利文献中仅公开了所公开的技术的几个特定示例和实施方式。可基于专利文献的公开进行所公开的示例和实施方式以及其它实施方式的各种改进和变化。
相关申请的交叉引用
本专利文献要求2020年4月29日提交的韩国专利申请No.10-2020-0052730的优先权和权益，其公开作为本专利文献的公开的一部分通过引用整体并入本文。

Claims (17)

1.一种图像传感器，该图像传感器包括：
彼此相邻布置的第一光电转换元件和第二光电转换元件，所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件中的每一个被配置为响应于入射光而生成光电荷；
第一隔离区域，该第一隔离区域位于所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件之间以将所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件隔离，并且被配置为接收电压以生成从所述第一光电转换元件或所述第二光电转换元件吸引光电荷的电场以将所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件彼此隔离；以及
与所述第一隔离区域分离的第二隔离区域，该第二隔离区域位于所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件之间并且被构造为包括绝缘材料以阻挡光电荷在所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件之间移动。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一隔离区域掺杂有N型杂质。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，
所述第一隔离区域被设置为与基板的包括所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件的一个表面接触。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，所述第二隔离区域按照进一步远离所述基板的所述一个表面的方式位于所述基板中。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，
所述第二隔离区域形成为从所述基板的与所述一个表面相对的另一表面到所述基板的所述一个表面在垂直方向上深度蚀刻。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述电压对应于电源电压。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，
在所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件中的每一个生成并累积光电荷的光电荷累积时段期间，所述电压被施加到所述第一隔离区域。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，该图像传感器还包括：
引导区域，该引导区域设置在所述第一隔离区域的底表面和所述第二隔离区域的顶表面之间，该引导区域被构造为具有高于周围区域的掺杂密度以改进所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件之间的隔离。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，该图像传感器还包括：
引导区域，该引导区域被布置为延伸到所述第一隔离区域的底表面的下部和所述第二隔离区域的顶表面的下部，该引导区域被构造为具有高于周围区域的掺杂密度以改进所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件之间的隔离。
10.根据权利要求8所述的图像传感器，该图像传感器还包括：
阱区域，该阱区域形成为围绕所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件，并且被配置为与所述第一隔离区域和所述引导区域接触。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，其中，
所述引导区域包括掺杂密度高于所述阱区域的P型(P+)杂质。
12.一种图像传感器，该图像传感器包括：
形成为(2x2)矩阵结构的第一光电转换元件、第二光电转换元件、第三光电转换元件和第四光电转换元件，所述第一光电转换元件、所述第二光电转换元件、所述第三光电转换元件和所述第四光电转换元件中的每一个被配置为响应于接收到入射光而生成光电荷；
第一隔离区域，该第一隔离区域设置在所述(2x2)矩阵结构的中央部分处，并且被配置为接收电压以生成从所述第一光电转换元件、所述第二光电转换元件、所述第三光电转换元件和所述第四光电转换元件吸引光电荷的电场；以及
第二隔离区域，该第二隔离区域设置在两个相邻的光电转换元件之间，并且被配置为物理地防止光电荷的移动。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，
所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件被配置为共享第一浮置扩散节点；并且
所述第三光电转换元件和所述第四光电转换元件被配置为共享第二浮置扩散节点。
14.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述电压对应于电源电压。
15.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，
所述第二隔离区域形成为从基板的与包括所述第一隔离区域的第一表面相对的第二表面到所述基板的所述第一表面在垂直方向上深度蚀刻。
16.根据权利要求12所述的图像传感器，该图像传感器还包括：
引导区域，该引导区域设置在所述第一隔离区域的底表面和所述第二隔离区域的顶表面之间，该引导区域被构造为具有高于周围区域的掺杂密度以改进所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件之间的隔离。
17.根据权利要求16所述的图像传感器，该图像传感器还包括：
掺杂阱区域，该掺杂阱区域围绕所述第一光电转换元件、所述第二光电转换元件、所述第三光电转换元件和所述第四光电转换元件并且被构造为具有比所述引导区域的掺杂密度低的掺杂密度。
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