CN114765193A - 图像感测装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种图像感测装置。一种图像感测装置包括：半导体基板；光电转换区域，其由半导体基板支撑并且被构造为从入射光生成电荷载流子并且使用由施加到光电转换区域的解调控制信号导致的电位差来捕获电荷载流子；以及电路区域，其由半导体基板支撑并且被设置为与光电转换区域相邻，该电路区域包括多个像素晶体管，所述多个像素晶体管生成并输出与由光电转换区域捕获的电荷载流子对应的像素信号。电路区域包括：第一阱区域，其形成为在第一方向上具有第一长度；以及第二阱区域，其形成在第一阱区域下方，使得第一阱区域的下端与第二阱区域的上端接触，并且形成为在第一方向上具有比第一长度短的第二长度。

Description

图像感测装置
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图像感测装置。
背景技术
图像传感器是通过使用对光做出反应的感光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、摄像机、个人通信系统(PCS)、游戏机、IOT(物联网)、机器人、监控相机、医疗微型相机等的各种领域中对高性能图像传感器的需求不断增加。
发明内容
所公开的技术的实施方式涉及一种可在改进深度图像特性的同时降低功耗的图像感测装置。
根据所公开的技术的实施方式，一种图像感测装置可包括：半导体基板；光电转换区域，其由半导体基板支撑并且被构造为从入射光生成电荷载流子并且使用由施加到光电转换区域的解调控制信号导致的电位差来捕获电荷载流子；以及电路区域，其由半导体基板支撑并且被设置为与光电转换区域相邻，该电路区域包括多个像素晶体管，所述多个像素晶体管生成并输出与由光电转换区域捕获的电荷载流子对应的像素信号。电路区域可包括：第一阱区域，其形成为在第一方向上具有第一长度；以及第二阱区域，其形成在第一阱区域下方，使得第一阱区域的下端与第二阱区域的上端接触，并且第二阱区域形成为在第一方向上具有比第一长度短的第二长度。
根据所公开的技术的实施方式，一种图像感测装置可包括：基板，其包括第一区域以及与第一区域相邻的第二区域；光电转换区域，其与第一区域对应形成在基板中，并且包括被构造为接收解调控制信号并创建电场的一个或更多个解调节点以及被构造为收集光生电荷载流子的一个或更多个检测节点；电路区域，其包括与第二区域对应形成在基板上以处理由所述一个或更多个检测节点收集的光生电荷载流子的电路；第一阱区域，其掺杂有第一杂质并且与第二区域对应在基板中形成在所述电路下方以具有第一宽度和第一深度；以及第二阱区域，其掺杂有第二杂质并且与第二区域对应在基板中形成在第一阱区域下方以具有距第一阱区域的底表面的第二深度和第二宽度。
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，旨在提供对所要求保护的本公开的进一步说明。
附图说明
图1是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置的示例的框图。
图2是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图1所示的像素阵列中所包括的单元像素的示例布局的图。
图3是示出基于所公开的技术的一些实现方式的包括图2所示的单元像素中所包括的抽头和像素晶体管的示例电路的图。
图4A和图4B是示出基于所公开的技术的一些实现方式的沿着图2所示的线B-B’截取的单元像素的示例的横截面图。
图5A和图5B是示出基于所公开的技术的一些实现方式的形成图4A所示的电路区域的阱结构的方法的示例的横截面图。
图6A和图6B是示出基于所公开的技术的一些实现方式的形成图4A所示的电路区域的阱结构的另一方法的示例的横截面图。
具体实施方式
本专利文献提供了图像感测装置的实现方式和示例，并且所公开的特征可被实现为在更多应用中实现一个或更多个优点。所公开的技术的一些实现方式提出了一种可降低感测所需的功耗，同时可改进深度特性的图像感测装置的设计。
现在将详细参照特定实施方式，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表示相同或相似的部分。在以下描述中，并入本文中的相关已知配置或功能的详细描述将被省略，以避免使主题模糊。
为了使用图像传感器获取三维(3D)图像，需要3D图像的颜色信息和目标对象与图像传感器之间的距离(或深度)。
使用一个或更多个图像传感器来测量关于目标对象的深度信息的方法包括三角测量方法和飞行时间(TOF)方法。在这些深度测量方法当中，TOF方法由于其宽应用范围、高处理速度和成本效率而被广泛使用。在一些实现方式中，TOF方法使用从光源发射的光和从对象反射的光来测量距离。根据是否使用光的相位差或往返时间来确定TOF传感器与对象之间的距离，TOF方法可被分类为两种不同类型：直接方法和间接方法。直接方法可使用所发射的光和反射光来计算往返时间并且使用往返时间来测量TOF传感器与目标对象之间的距离(即，深度)。间接方法可使用相位差来测量TOF传感器与目标对象之间的距离。直接方法用于测量较长的距离，因此广泛用于汽车。间接方法用于测量较短的距离，因此用于在较短的距离使用并且需要较快的处理速度的游戏机或移动相机。间接TOF传感器可使用简单的电路以低成本实现。
在一些实现方式中，间接TOF传感器可利用电流辅助光子解调器(CAPD)结构以使用通过对基板施加电压而获取的空穴电流来检测基板中已生成的电子，使得CAPD结构可更快速地检测电子。另外，CAPD可检测基板中在较深深度处形成的电子。
图1是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置ISD的示例的框图。
参照图1，图像感测装置ISD可使用间接飞行时间(TOF)方法来测量图像感测装置ISD与目标对象1之间的距离。基于一些实现方式的TOF方法可以是直接TOF方法或间接TOF方法。间接TOF方法可通过向目标对象1发射调制光，感测从目标对象1反射的光，并计算调制光与反射光之间的相位差来测量图像感测装置ISD与目标对象1之间的距离。
图像感测装置ISD可包括光源10、透镜模块20、像素阵列30和控制块40。
光源10可在从控制块40接收到调制光信号(MLS)时向目标对象1发射光。光源10可以是用于发射具有特定波长带的光(例如，近红外(NIR)光、红外(IR)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器(NIR)、点光源、与白灯或单色仪组合的单色光源和其它激光源的组合中的任一个。例如，光源10可发射具有800nm至1000nm的波长的红外光。尽管作为示例图1仅示出一个光源10，但也可在透镜模块20的附近布置多个光源。
透镜模块20可收集从目标对象1反射的光，并且可允许所收集的光聚焦到像素阵列30的像素(PX)上。例如，透镜模块20可包括具有由玻璃或塑料形成的表面的聚焦透镜或者具有由玻璃或塑料形成的表面的另一圆柱形光学元件。透镜模块20可包括被布置为将光聚焦到光轴的多个透镜。
像素阵列30可包括按行和列连续布置成二维(2D)矩阵阵列的单元像素(PX)。单元像素(PX)可形成在半导体基板上方。各个单元像素(PX)可将通过透镜模块20接收的入射光转换为与入射光线的量对应的电信号，因此可使用该电信号输出像素信号。在一些实现方式中，像素信号可指示图像感测装置ISD与目标对象1之间的距离。例如，各个单元像素(PX)可以是使用电场的电位电平之间的差来捕获通过入射光在半导体基板中生成的光电荷的电流辅助光子解调器(CAPD)像素。以下将从图2开始参照附图描述各个单元像素(PX)的结构和操作。
控制块40可通过控制光源10来向目标对象1发射光。在从目标对象1接收到反射光时，控制块40可通过操作像素阵列30的单元像素(PX)来处理与从目标对象1反射的光对应的各个像素信号，并且基于像素信号来测量图像感测装置ISD与目标对象1的表面之间的距离。
控制块40可包括行驱动器41、解调驱动器42、光源驱动器43、定时控制器(T/C)44和读出电路45。
在一些实现方式中，图像感测装置ISD可包括诸如行驱动器41和解调驱动器42的控制电路。
控制电路可响应于从定时控制器44生成的定时信号而启用像素阵列30的单元像素(PX)。
控制电路可生成用于选择和控制像素阵列30中的多行当中的至少一行的控制信号。在一些实现方式中，控制信号可包括用于在基板中生成像素电流的解调控制信号、用于控制重置晶体管的重置信号、用于控制检测节点中累积的光电荷的传输的传输信号、用于以高照度级别提供附加静电容量的浮置扩散信号、用于控制选择晶体管的选择信号。像素电流可包括用于使基板所生成的光电荷移动到检测节点的电流。
在这种情况下，行驱动器41可生成重置信号、传输信号、浮置扩散信号和选择信号，并且解调驱动器42可生成解调控制信号。在一些实现方式中，行驱动器41和解调驱动器42可以是单独的元件。在其它实现方式中，行驱动器41和解调驱动器42可被合并为设置在像素阵列30的一侧的单个元件。
光源驱动器43可响应于来自定时控制器44的控制信号而生成用于操作光源10的调制光信号MLS。调制光信号MLS可以是以预定频率调制的信号。
定时控制器44可生成定时信号以控制行驱动器41、解调驱动器42、光源驱动器43和读出电路45。
读出电路45可基于由定时控制器44提供的定时信号或其它控制信号来处理从像素阵列30接收的像素信号，并且可通过将模拟像素信号转换为数字信号来生成像素数据。为此，读出电路44可包括用于对像素阵列30所生成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，读出电路44可包括用于将CDS电路的输出信号转换为数字信号的模数转换器(ADC)。另外，读出电路45可包括缓冲电路，该缓冲电路暂时存储从模数转换器(ADC)生成的像素数据并且基于由定时控制器44提供的定时信号或其它控制信号来输出像素数据。在一些实现方式中，像素阵列30包括电流辅助光子解调器(CAPD)像素。因此，可向像素阵列30的各列指派用于传输像素信号的两条列信号线，并且用于处理从各条列线生成的像素信号的电路可与各条列线对应。
光源10可朝着图像感测装置ISD所捕获的对象或场景(例如，目标对象1)发射按预定频率调制的光(即，调制光)。图像感测装置ISD可感测从包括在场景中的目标对象1反射的调制光(即，入射光)，因此可生成各个单元像素(PX)的深度信息。调制光与入射光之间的时间延迟基于图像感测装置ISD与各个目标对象1之间的距离来确定。时间延迟可基于图像感测装置ISD所生成的信号与控制光源10的光调制信号MLS之间的相位差来确定。图像处理器(未示出)可计算图像感测装置ISD的输出信号中生成的相位差，因此可生成包括各个单元像素(PX)的深度信息的深度图像。
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30中所包括的单元像素的示例布局的示意图。
参照图2，单元像素PX可以是图1所示的多个像素(PX)中的任一个。作为示例，图2仅示出一个单元像素PX，像素阵列30中的其它像素PX可具有相同的结构并且按照与图2所示的单元像素PX相同的方式操作。
单元像素PX可包括光电转换区域100和电路区域200。
光电转换区域100可包括形成在半导体基板中的第一抽头TA(或第一解调节点)和第二抽头TB(或第二解调节点)。尽管图2将单元像素PX的光电转换区域100示出为包括两个抽头TA和TB，但是单元像素PX可包括三个或更多个抽头。在一些实现方式中，多个抽头可接收相同的解调控制信号。在其它实现方式中，多个抽头可接收具有不同相位和/或定时的解调控制信号。
尽管图2将第一抽头TA和第二抽头TB示出为布置在Y轴方向(或列方向)上，但是第一抽头TA和第二抽头TB也可布置在X轴方向(或行方向)或对角方向上。
第一抽头TA可包括第一控制节点CNA和围绕第一控制节点CNA的第一检测节点DNA。在一些实现方式中，如图2所示，第一控制节点CNA可具有八边形形状，并且第一检测节点DNA被构造为围绕八边形的第一控制节点CNA。在其它实现方式中，第一控制节点CNA可具有允许第一检测节点DNA围绕第一控制节点CNA的任何形状。
被构造为围绕第一控制节点CNA的环形结构允许第一检测节点DNA具有面向第一控制节点CNA的较大内表面。这样，第一检测节点DNA可更容易地捕获沿着第一控制节点CNA所形成的像素电流移动的电荷载流子。在其它实现方式中，第一检测节点DNA可不按完全围绕第一控制节点CNA的单个环形形状形成，而是可按照彼此分离的多个元件围绕第一控制节点CNA的方式形成。
第二抽头TB可包括第二控制节点CNB和围绕第二控制节点CNB的第二检测节点DNB。第二控制节点CNB和第二检测节点DNB可分别对应于第一控制节点CNA和第一检测节点DNA。
第一控制节点CNA和第二控制节点CNB以及第一检测节点DNA和第二检测节点DNB可形成在基板中。例如，第一控制节点CNA和第二控制节点CNB中的每一个可以是P型杂质区域，第一检测节点DNA和第二检测节点DNB中的每一个可以是N型杂质区域。
第一控制节点CNA和第一检测节点DNA可彼此间隔开与器件隔离层(ISO)的宽度对应的预定距离，器件隔离层(ISO)被构造为将第一控制节点CNA与第一检测节点DNA物理隔离。另外，第二控制节点CNB和第二检测节点DNB也可通过器件隔离层(ISO)彼此隔离。器件隔离层(ISO)可包括通过利用绝缘材料填充通过将基板蚀刻至预定深度而形成的沟槽而形成浅沟槽隔离(STI)结构。
第一抽头TA和第二抽头TB也可通过器件隔离层(ISO)彼此间隔开。
电路区域200可设置在光电转换区域100的一侧。电路区域200可包括用于生成与检测节点DNA和DNB所捕获的电荷载流子对应的像素信号的多个像素晶体管DX_A、SX_A、FDX_A、TX_A、RX_A、DX_B、SX_B、FDX_B、TX_B和RX_B。
像素晶体管DX_A、SX_A、FDX_A、TX_A和RX_A可生成与第一检测节点DNA所捕获的电荷载流子对应的像素信号，并且可输出像素信号。像素晶体管DX_A、SX_A、FDX_A、TX_A和RX_A可设置在第一抽头TA附近。
像素晶体管DX_B、SX_B、FDX_B、TX_B和RX_B可生成与第二检测节点DNB所捕获的电荷载流子对应的像素信号。像素晶体管DX_B、SX_B、FDX_B、TX_B和RX_B可设置在第二抽头TB附近。
像素晶体管DX_A、SX_A、FDX_A、TX_A、RX_A、DX_B、SX_B、FDX_B、TX_B和RX_B可布置在电路区域200中。在一个示例中，电路区域200可在一个方向(例如，如图2所示的Y方向)上延伸。在这种情况下，第一抽头TA的像素晶体管DX_A、SX_A、FDX_A、TX_A和RX_A与第二抽头TB的像素晶体管DX_B、SX_B、FDX_B、TX_B和RX_B可如图2所示彼此对称布置。可在像素晶体管SX_A和FDX_A之间形成用于对阱区域施加偏置电压VSS的触点，并且可在像素晶体管SX_B和FDX_B之间形成用于对阱区域施加偏置电压VSS的另一触点。这里，触点可包括利用导电材料填充间隙的任何类型的结构。
像素晶体管DX_A、SX_A、FDX_A、TX_A、RX_A、DX_B、SX_B、FDX_B、TX_B和RX_B可形成在有源区域ACT中。有源区域ACT可通过器件隔离层(ISO)与抽头TA和TB隔离。有源区域ACT可形成在整个电路区域200上方。例如，有源区域ACT可按照在Y轴方向上延伸的线形状形成在整个电路区域200上方。像素晶体管DX_A、SX_A、FDX_A、TX_A、RX_A、DX_B、SX_B、FDX_B、TX_B和RX_B的各个栅极端子在X方向上的宽度可比有源区域ACT窄。
在电路区域200中，阱(例如，P阱)区域可按照阱的上区域的宽度不同于阱的下区域的宽度的方式形成。例如，阱(P阱)区域可按照形成在有源区域ACT下方的阱区域的宽度(即，X方向上的宽度)小于形成在有源区域ACT中的阱区域的宽度的方式形成。
图3是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图2所示的单元像素的示例电路的图。在图3中，光电转换区域100示出沿着图2所示的线A-A’截取的光电转换区域的横截面图。电路区域200示出像素晶体管的电路图。
参照图3，第一控制节点CNA可从解调驱动器42接收第一解调控制信号(CSa)，第二控制节点CNB可从解调驱动器42接收第二解调控制信号(CSb)。第一解调控制信号(CSa)和第二解调控制信号(CSb)之间的电压差可生成像素电流(PC)，其可用于控制通过入射光在基板中生成的电荷载流子的流动。例如，当第一解调控制信号(CSa)具有高于第二解调控制信号(CSb)的电压时，像素电流(PC)可从第一控制节点CNA流向第二控制节点CNB。相反，当第一解调控制信号(CSa)具有低于第二解调控制信号(CSb)的电压时，像素电流(PC)可从第二控制节点CNB流向第一控制节点CNA。
第一检测节点DNA和第二检测节点DNB中的每一个可捕获沿着像素电流PC的流动移动的电荷载流子，并且可累积所捕获的电荷载流子。
可在第一时段和第一时段之后的第二时段期间在光电转换区域100中捕获光电荷。
在第一时段中，入射在像素PX上的光可被转换为基板中的电子-空穴对。在一些实现方式中，光电荷可包括这些光生电子。在一些实现方式中，解调驱动器42可将第一解调控制信号(CSa)供应给第一控制节点CNA，并且可将第二解调控制信号(CSb)供应给第二控制节点CNB。在一个示例中，第一解调控制信号(CSa)可具有高于第二解调控制信号(CSb)的电压。这里，第一解调控制信号(CSa)的电压可被定义为活动电压或启用电压，第二解调控制信号(CSb)的电压可被定义为非活动电压或停用电压。例如，第一解调控制信号(CSa)的电压可被设定为1.2V，第二解调控制信号(CSb)的电压可为0V。
第一解调控制信号(CSa)和第二解调控制信号(CSb)之间的电压差可在第一控制节点CNA和第二控制节点CNB之间创建电场，因此像素电流PC可从第一控制节点CNA流向第二控制节点CNB。即，基板中的空穴可朝着第二控制节点CNB移动，基板中的电子可朝着第一控制节点CNA移动。
朝着第一控制节点CNA移动的电子可被与第一控制节点CNA相邻的第一检测节点DNA捕获。因此，基板中的电子可用作电荷载流子以用于检测入射光的强度。
在第二时段中，入射在像素PX上的光可被转换为电子-空穴对。在一些实现方式中，解调驱动器42可将第一解调控制信号(CSa)供应给第一控制节点CNA，并且可将第二解调控制信号(CSb)供应给第二控制节点CNB。在一个示例中，第一解调控制信号(CSa)可具有低于第二解调控制信号(CSb)的电压。这里，第一解调控制信号(CSa)的电压可被定义为非活动电压或停用电压，第二解调控制信号(CSb)的电压可被定义为活动电压或启用电压。例如，第一解调控制信号(CSa)的电压可为0V，第二解调控制信号(CSb)的电压可被设定为1.2V。
第一解调控制信号(CSa)和第二解调控制信号(CSb)之间的电压差可在第一控制节点CNA和第二控制节点CNB之间创建电场，并且像素电流PC可从第二控制节点CNB流向第一控制节点CNA。即，基板中的空穴可朝着第一控制节点CNA移动，并且基板中的电子可朝着第二控制节点CNB移动。
朝着第二控制节点CNB移动的电子可被与第二控制节点CNB相邻的第二检测节点DNB捕获。因此，基板中的电子可用作电荷载流子以用于检测入射光的强度。
在其它实现方式中，第一时段和第二时段的顺序可变化，因此第一时段可在第二时段之后。
电路区域200可包括多个元件(像素晶体管)DX_A、SX_A、FDX_A、TX_A、RX_A、DX_B、SX_B、FDX_B、TX_B和RX_B，其被构造为将第一检测节点DNA和第二检测节点DNB所捕获的光电荷转换为电信号。电路区域200还可包括诸如金属线的互连件，其被构造为在元件DX_A、SX_A、FDX_A、TX_A、RX_A、DX_B、SX_B、FDX_B、TX_B和RX_B之间承载电信号。控制信号RST、TRG、FDG和SEL可从行驱动器41供应给电路区域200。另外，像素电压(Vpx)可以是电源电压(VDD)。
第一检测节点DNA所捕获的光电荷可被转换为电信号，如下面将讨论的。电路区域200可包括重置晶体管RX_A、转移晶体管TX_A、第一电容器C1_A、第二电容器C2_A、浮置扩散晶体管FDX_A、驱动晶体管DX_A和选择晶体管SX_A。
重置晶体管RX_A可响应于供应给其栅电极的重置信号RST的逻辑高电平而启用以进入活动状态，使得浮置扩散节点FD_A的电压和第一检测节点DNA的电压可被重置为像素电压(Vpx)电平。另外，当重置晶体管RX_A被启用(即，活动状态)时，转移晶体管TX_A也可被启用(即，活动状态)以重置浮置扩散节点FD_A。
转移晶体管TX_A可响应于供应给其栅电极的转移信号TRG的逻辑高电平而被启用(即，活动状态)，使得累积在第一检测节点DNA中的电荷可被传输至浮置扩散节点FD_A。
第一电容器C1_A可联接到浮置扩散节点FD_A，使得第一电容器C1_A可向浮置扩散节点FD_A提供预定义的静电容量。第二电容器C2_A可基于浮置扩散(FD)晶体管FDX_A的操作而选择性地联接到浮置扩散节点FD_A，使得第二电容器C2_A可向浮置扩散节点FD_A提供附加的预定义的静电容量。
第一电容器C1_A和第二电容器C2_A中的每一个可包括金属-绝缘体-金属(MIM)电容器、金属-绝缘体-多晶硅(MIP)电容器、金属-氧化物-半导体(MOS)电容器和结电容器中的至少一个。
浮置扩散晶体管FDX_A可响应于供应给其栅电极的浮置扩散信号FDG的逻辑高电平而被启用，使得浮置扩散晶体管FDX_A可将第二电容器C2_A联接到浮置扩散节点FD_A。
例如，当入射光的强度满足预定的高照度条件时，行驱动器41可导通(或启用)浮置扩散晶体管FDX_A，使得浮置扩散晶体管FDX_A进入活动状态并且浮置扩散节点FD_A可联接到第二电容器C2_A。结果，当入射光处于高照度级别时，浮置扩散节点FD_A处累积的光电荷增加，从而实现高动态范围(HDR)。
另一方面，当入射光处于相对低的照度级别时，行驱动器41可截止(或停用)浮置扩散晶体管FDX_A，使得浮置扩散节点FD_A可与第二电容器C2_A隔离。
在一些其它实现方式中，根据需要，可省略浮置扩散晶体管FDX_A和第二电容器C2_A。
驱动晶体管DX_A的漏电极联接到像素电压(Vpx)并且驱动晶体管DX_A的源电极通过选择晶体管SX_A联接到垂直信号线SL_A。驱动晶体管DX_A的栅电极联接到浮置扩散节点FD_A，使得驱动晶体管DX_A可作为源极跟随器晶体管操作以用于输出与浮置扩散节点FD_A的电位对应的电流(像素信号)。
选择晶体管SX_A可响应于供应给其栅电极的选择信号SEL的逻辑高电平而被启用(即，活动状态)，使得从驱动晶体管DX_A生成的像素信号可被输出到垂直信号线SL_A。
为了处理第二检测节点DNB所捕获的光电荷，电路区域200可包括重置晶体管RX_B、转移晶体管TX_B、第一电容器C1_B、第二电容器C2_B、浮置扩散晶体管FDX_B、驱动晶体管DX_B和选择晶体管SX_B。用于处理第二检测节点DNB所捕获的光电荷的元件的操作定时与用于处理第一检测节点DNA所捕获的光电荷的元件的操作定时不同。然而，用于处理第二检测节点DNB所捕获的光电荷的元件可与用于处理第一检测节点DNA所捕获的光电荷的元件相似或相同。
从电路区域200传送至垂直信号线SL_A的像素信号以及从电路区域200传送至垂直信号线SL_B的像素信号可使用噪声消除技术和模数(ADC)转换处理来处理，以将像素信号转换为图像数据。
尽管图3所示的重置信号RST、传输信号TRG、浮置扩散信号FDG和选择信号SEL中的每一个通过一条信号线供应给电路区域200，但是重置信号RST、传输信号TRG、浮置扩散信号FDG和选择信号SEL中的每一个可通过多条信号线(例如，两条信号线)供应给电路区域200，使得用于处理第一检测节点DNA所捕获的光电荷的元件和用于处理第二检测节点DNB所捕获的光电荷的其它元件可在不同的定时操作。
图像处理器(未示出)可处理从第一检测节点DNA所捕获的光电荷获取的图像数据以及从第二检测节点DNB所捕获的光电荷获取的图像数据，以使用这些图像数据来生成相位差。图像处理器可基于与各个像素对应的相位差来计算指示图像传感器像素与目标对象1之间的距离的深度信息，并且可生成包括与各个像素对应的深度信息的深度图像。
图4A是示出基于所公开的技术的一些实现方式的沿着图2所示的线B-B’截取的单元像素的示例的横截面图。图4B是示出基于所公开的技术的一些实现方式的沿着图2所示的线C-C’截取的单元像素的示例的横截面图。
参照图4A和图4B，在光电转换区域100中，第一控制节点CNA可包括具有不同掺杂浓度的P型杂质区域(例如，P-区域和P+区域)。例如，具有相对低的掺杂浓度的P型杂质区域(例如，P-区域)可形成在基板310中达第一深度，具有相对高的掺杂浓度的P型杂质区域(例如，P+区域)可在与上述P-型杂质注入位置相同的位置处形成在基板310中达小于第一深度的第二深度。在这种情况下，第一深度可大于第二深度。
第一检测节点DNA可具有掺杂浓度不同的N型杂质区域(例如，N-区域和N+区域)。例如，具有相对低的掺杂浓度的N型杂质区域(例如，N-区域)可被注入到基板310中达第一深度，具有相对高的掺杂浓度的N型杂质区域(例如，N+区域)可在与上述N-型杂质注入位置相同的位置处被注入到基板310中达小于第一深度的第二深度。在这种情况下，第一控制节点CNA的P-型杂质区域的深度可大于第一检测节点DNA的N-型杂质区域的深度，从而方便像素电流PC的流动。
尽管图4A仅示出第一抽头TA，但是第二抽头TB的第二控制节点CNB和第二检测节点DNB可分别具有与第一抽头TA的第一控制节点CNA和第一检测节点DNA相同的结构。
在电路区域200中，阱区域320可包括具有不同X方向宽度的上阱区域320U和下阱区域320D。
在一些实现方式中，上阱区域320U可形成在整个有源区域ACT上方。诸如像素晶体管DX_A、SX_A、FDX_A、TX_A、RX_A、DX_B、SX_B、FDX_B、TX_B和RX_B的源极/漏极区域(S/D)的杂质区域可形成在上阱区域320U中。上阱区域320U可包括P型(P-)杂质。
下阱区域320D可形成在有源区域ACT下方，以使得下阱区域320D可与上阱区域320U的底表面接触。例如，下阱区域320D可形成为从上阱区域320的底表面向下突出，使得下阱区域320D的顶表面与上阱区域320U的底表面接触。在一些实现方式中，下阱区域320D的深度可小于控制节点CNA和CNB中的每一个的深度。下阱区域320D可包括具有与上阱区域320U相同的掺杂浓度的P型(P-)杂质。
另外，下阱区域320D的宽度(X方向上的长度)可小于上阱区域320U的宽度。例如，下阱区域320D可形成为在Y方向上延伸，使得延伸的下阱区域320D的Y方向长度与上阱区域320U的Y方向长度相似或相同，延伸的下阱区域320D的宽度(X方向上的长度)小于上阱区域320U的宽度。在一些实现方式中，上阱区域320U和下阱区域320D中的每一个的Y方向长度可与对应单元像素的电路区域200的Y方向长度相同。
在形成为包括像素晶体管的传统电路区域中，阱区域当中的形成在有源区域下方的区域可按照区域的两侧与光电转换区域的器件隔离层(ISO)垂直交叠的方式延伸到器件隔离层(ISO)的下部，并且形成在有源区域下方的区域也可在向下方向上延伸。然而，在所公开的技术的一些实现方式中，在形成其中包括像素晶体管的电路区域200的阱区域320时，形成在有源区域ACT下方的下阱区域320D的宽度可小于上阱区域320U的宽度，并且下阱区域320D的深度可小于控制节点CNA和CNB中的每一个的杂质区域(P-区域)的深度。
由于如上所述下阱区域320D形成为具有较小的宽度，所以与下阱区域320D形成为具有较大的宽度的其它情况相比，阱区域320可与控制节点CNA和CNB间隔开更远。此外，当下阱区域320D形成为具有较小的深度时，阱区域320与控制节点CNA和CNB中的每一个之间的距离变长。即，如图4A所示，随着阱区域320与控制节点CNA和CNB中的每一个之间的距离增加，阱区域320与控制节点CNA和CNB中的每一个之间的电阻也增加。
如上所述，在一些实现方式中，随着阱区域320与控制节点CNA和CNB中的每一个之间的距离变长，阱区域320与控制节点CNA和CNB中的每一个之间的电阻增加，使得从控制节点CNA和CNB流向电路区域200的电流(像素电流)的泄漏减小，从而降低功耗。另外，随着像素电流的泄漏减小，像素电流可更集中到光电转换区域100中，从而改进深度特性。
然而，如果按照与下阱区域320D中相同的方式，阱区域320形成为具有较小的宽度，则在有源区域中未形成阱区域的区域(例如，边缘区域)中可能发生暗电流。因此，在一些实现方式中，上阱区域320U可完全形成在有源区域ACT中。
下阱区域320D可按照下阱区域320D的Y方向中心轴可与上阱区域320U的Y方向中心轴交叠的方式形成在上阱区域320U下方。下阱区域320D的宽度(X方向上的长度)可大于像素晶体管DX_A、SX_A、FDX_A、TX_A、RX_A、DX_B、SX_B、FDX_B、TX_B和RX_B的源极/漏极区域(S/D)的宽度。
图5A和图5B是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图4A所示的电路区域的阱结构的形成方法的示例的横截面图。为了描述方便，图5A和图5B仅示出电路区域200。
参照图5A，可在基板310上方形成用于限定电路区域200的掩模图案410。在一些实现方式中，掩模图案410可包括光刻胶图案。
随后，可使用掩模图案410通过离子注入工艺将P型(P-)杂质注入到基板310的上部达第一深度，从而形成上阱区域320U。在一些实现方式中，如图4A所示，上阱区域320U可形成至与用于将电路区域200的有源区域ACT与光电转换区域100的抽头TA和TB隔离的器件隔离层(ISO)的深度对应的预定深度。
参照图5B，可在包括上阱区域320U的基板320上方形成用于限定下阱区域320D的掩模图案420。掩模图案420可包括光刻胶图案。
随后，可使用掩模图案420通过离子注入工艺将P型(P-)杂质注入到上阱区域320的下部达第二深度，从而形成下阱区域320D。在一些实现方式中，第二深度可小于控制节点CNA和CNB的杂质区域(P-区域)的深度。
此后，可形成用于将包括上阱区域320U的有源区域ACT与光电转换区域100的抽头TA和TB隔离的器件隔离层(未示出)。在一些实现方式中，器件隔离层可形成为具有浅沟槽隔离(STI)结构。
图6A和图6B是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图4A所示的电路区域的阱结构的另一形成方法的示例的横截面图。为了描述方便，图6A和图6B仅示出电路区域200。
参照图6A，可在基板310上方形成用于限定下阱区域320D的掩模图案420。
随后，可使用掩模图案420通过离子注入将P型(P-)杂质注入到基板310中距基板310的顶表面达第二深度，从而形成杂质区域320U1和320D。在一些实现方式中，第二深度可小于控制节点CNA和CNB的杂质区域(P-区域)的深度。
尽管图6A将杂质区域320U1和320D示出为彼此不同，但是杂质区域320U1和320D可形成为具有相同的掺杂浓度。
参照图6B，可在形成有杂质区域320U1和320D的基板310上方形成掩模图案430。掩模图案430可允许电路区域200中的杂质区域320U1和320D以外的剩余区域暴露于外部。
随后，可使用掩模图案430通过离子注入将P型(P-)杂质区域320U2注入到基板310的上部中杂质区域320U1的两侧，从而形成杂质区域320U。
此后，形成器件隔离层(未示出)以将包括上阱区域320U的有源区域ACT与光电转换区域100的抽头TA和TB隔离。在一些实现方式中，器件隔离层可形成为具有浅沟槽隔离(STI)结构。
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感测装置可降低功耗并改进深度图像特性。
尽管已描述了多个例示性实施方式，但是应该理解，基于在本专利文献中描述和/或示出的内容可以想到对所公开的实施方式和其它实施方式的各种修改。
相关申请的交叉引用
本专利文献要求2021年1月12日提交的韩国专利申请No.10-2021-0003960的优先权和权益，其整体作为本专利文献的公开的一部分通过引用并入。

Claims (20)

1.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
半导体基板；
光电转换区域，该光电转换区域由所述半导体基板支撑并且从入射光生成电荷载流子并且使用由施加到所述光电转换区域的解调控制信号导致的电位差来捕获所述电荷载流子；以及
电路区域，该电路区域由所述半导体基板支撑并且被设置为与所述光电转换区域相邻，该电路区域包括多个像素晶体管，所述多个像素晶体管生成并输出与由所述光电转换区域捕获的所述电荷载流子对应的像素信号，
其中，所述电路区域包括：
第一阱区域，该第一阱区域形成为在第一方向上具有第一长度；以及
第二阱区域，该第二阱区域形成在所述第一阱区域下方，使得所述第一阱区域的下端与所述第二阱区域的上端接触，并且该第二阱区域形成为在所述第一方向上具有比所述第一长度短的第二长度。
2.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，
所述第二长度比所述多个像素晶体管的杂质区域在所述第一方向上的长度长。
3.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，
所述第一阱区域和所述第二阱区域中的每一个在垂直于所述第一方向的第二方向上延伸以具有比所述第一长度长的第三长度。
4.根据权利要求3所述的图像感测装置，其中，
所述第三长度与所述电路区域在所述第二方向上的长度相同。
5.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，
所述第一阱区域和所述第二阱区域包括掺杂浓度相同的第一杂质。
6.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，
所述第一阱区域完全形成在包括所述多个像素晶体管的有源区域中。
7.根据权利要求6所述的图像感测装置，其中，
各个所述像素晶体管的栅电极在所述第一方向上的长度比所述有源区域在所述第一方向上的长度短。
8.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述光电转换区域包括：
多个抽头，所述多个抽头通过使用所述电位差在所述半导体基板中生成像素电流来控制所述电荷载流子的移动，并且捕获通过所述像素电流移动的所述电荷载流子。
9.根据权利要求8所述的图像感测装置，其中，
所述第二阱区域形成为具有比所述多个抽头中的每一个的杂质区域更小的深度。
10.根据权利要求8所述的图像感测装置，其中，所述电路区域包括：
有源区域，该有源区域形成为包括所述多个像素晶体管并且通过器件隔离层与所述多个抽头分离。
11.根据权利要求10所述的图像感测装置，其中，
所述第二阱区域被布置为不与所述器件隔离层垂直交叠。
12.根据权利要求8所述的图像感测装置，其中，所述多个抽头包括：
第一控制节点和第二控制节点，该第一控制节点和该第二控制节点彼此间隔开预定距离，并且使用由所述解调控制信号导致的所述电位差在所述半导体基板中生成所述像素电流；
第一检测节点，该第一检测节点形成为围绕所述第一控制节点，并且捕获通过所述像素电流移动的所述电荷载流子；以及
第二检测节点，该第二检测节点形成为围绕所述第二控制节点，并且捕获通过所述像素电流移动的所述电荷载流子。
13.根据权利要求12所述的图像感测装置，其中，
所述第一控制节点和所述第二控制节点包括掺杂有不同掺杂浓度的第一杂质的杂质区域。
14.根据权利要求12所述的图像感测装置，其中，
所述第一检测节点和所述第二检测节点包括掺杂有不同掺杂浓度的第二杂质的杂质区域。
15.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
基板，该基板包括第一区域以及与所述第一区域相邻的第二区域；
光电转换区域，该光电转换区域与所述第一区域对应形成在所述基板中，并且包括一个或更多个解调节点和一个或更多个检测节点，所述一个或更多个解调节点接收解调控制信号并且创建电场，所述一个或更多个检测节点收集光生电荷载流子；
电路区域，该电路区域包括电路，所述电路与所述第二区域对应形成在所述基板上以处理由所述一个或更多个检测节点收集的所述光生电荷载流子；
第一阱区域，该第一阱区域掺杂有第一杂质并且与所述第二区域对应在所述基板中形成在所述电路下方以具有第一宽度和第一深度；以及
第二阱区域，该第二阱区域掺杂有第二杂质，该第二阱区域与所述第二区域对应在所述基板中形成在所述第一阱区域下方以具有距所述第一阱区域的底表面的第二深度和第二宽度。
16.根据权利要求15所述的图像感测装置，其中，所述第一宽度比所述第二宽度宽。
17.根据权利要求16所述的图像感测装置，其中，所述第二深度大于所述第一深度。
18.根据权利要求16所述的图像感测装置，其中，所述第二深度小于所述第一深度。
19.根据权利要求15所述的图像感测装置，其中，所述第一杂质与所述第二杂质相同。
20.根据权利要求15所述的图像感测装置，其中，所述第一阱区域具有与所述第二阱区域相同的掺杂浓度。
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