CN114944406A - 图像感测装置 - Google Patents

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Abstract

一种图像感测装置可以包括：基板，该基板包括被配置为响应于入射光以产生与入射光的强度相对应的光电荷的光电转换层；多个掺杂区，所述多个掺杂区沿着光电荷的迁移路径设置并且掺杂有不同掺杂浓度的掺杂剂；以及栅极介电层，该栅极介电层设置在基板上方并且具有与多个掺杂区交叠的栅极介电层部分，该栅极介电层部分具有沿着光电荷的迁移路径增加的变化厚度。

Description

图像感测装置
技术领域
本专利文档中公开的技术和实现总体上涉及包括像素的图像感测装置，所述像素包括被配置为向感测节点传送光电荷的晶体管。
背景技术
图像感测装置是用于通过使用对光起反应的光敏半导体材料将光转换成电信号来捕获光学图像的装置。随着汽车、医疗、计算机和通信行业的发展，在诸如智能电话、数码相机、游戏机、IoT(物联网)、机器人、安保摄像机和医疗微型相机之类的各个领域中，对高性能图像感测装置的需求日益增长。
图像感测装置大致可以分为CCD(电荷耦合器件)图像感测装置和CMOS(互补金属氧化物半导体)图像感测装置。CCD图像感测装置提供更好的图像质量，但与CMOS图像感测装置相比，它们往往消耗更多电力并且尺寸更大。CMOS图像感测装置与CCD图像感测装置相比尺寸更小且消耗更少电力。此外，CMOS传感器使用CMOS制造技术制造，因此可以将光敏元件和其它信号处理电路集成到单个芯片中，使得能够以更低成本生产小型化的图像感测装置。由于这些原因，正在为包括移动装置在内的许多应用开发CMOS图像感测装置。
发明内容
所公开技术的各种实施方式涉及具有增强的光电荷传输特性的图像感测装置。
在实施方式中，一种图像感测装置可以包括：基板，该基板包括被配置为响应于入射光以产生与入射光的强度相对应的光电荷的光电转换层；多个掺杂区，所述多个掺杂区沿着光电荷的迁移路径设置并掺杂有不同掺杂浓度的掺杂剂；以及栅极介电层，该栅极介电层设置在基板上方并且具有与多个掺杂区交叠的栅极介电层部分，该栅极介电层部分具有沿光电荷的迁移路径增加的变化厚度。
在实施方式中，一种图像感测装置可以包括：第一区，该第一区设置在基板中并且被配置为响应于入射光而产生光电荷；第二区和第三区，该第二区和该第三区沿着光电荷的迁移路径设置并且具有沿着光电荷的迁移路径降低的掺杂浓度；第四区，该第四区设置为累积通过第二区和第三区传送的光电荷；以及栅极介电层，该栅极介电层具有与第二区和第三区交叠的部分，栅极介电层的所述部分具有沿着光电荷的迁移路径增加的厚度。
根据所公开技术的实施方式，可以沿光电荷的迁移方向调整栅极介电层的厚度，这可以降低暗电流并提高光电荷传输效率。
此外，可以提供通过本文档直接或间接理解的各种效果。
附图说明
图1是例示了根据所公开技术的实施方式的图像感测装置的框图。
图2是例示了图1中所示的像素阵列中包括的像素的实施方式的图。
图3是例示了图2中所示的像素的截面的实施方式的图。
图4是例示了图2中所示的像素的截面的另一实施方式的图。
图5是例示了比较例中在光电荷传输时段中的电位分布的图。
图6是例示了在所公开技术的实施方式中在光电荷传输时段中的电位分布的曲线图。
具体实施方式
本专利文档提供了包括能够调整灵敏度的像素的图像感测装置的实现和示例，其基本上解决了由于相关技术的限制和缺点而导致的一个或更多个问题。所公开技术的一些实现涉及其中有效地布置有能够调节灵敏度的像素的图像感测装置。所公开的技术提供了图像感测装置的各种实现方式，该图像感测装置能够通过改变像素的布局结构而无需增加每个像素的尺寸或者无需使用可能产生噪声的电容器，来获得低灵敏度模式所需的电容。
现在将参照所公开技术的实施方式详细进行说明，在附图中示出了实施方式的示例。尽可能地，贯穿附图将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。虽然本公开易于进行各种修改和替代形式，但是在附图中以示例的方式示出了其具体实施方式。
图1是例示了根据所公开技术的实施方式的图像感测装置100的框图。
参照图1，图像感测装置100可以包括像素阵列110、行驱动器120、相关双采样器(CDS)130、模数转换器(ADC)140、输出缓冲器150、列驱动器160和定时控制器170。仅通过示例的方式讨论图1所示的图像感测装置100的组件，并且本专利文档涵盖许多其它改变、替换、变型、变更和修改。
像素阵列110可以包括以行和列布置的多个单位成像像素。在一个示例中，多个单位成像像素可以布置成包括行和列的二维像素阵列。在另一示例中，多个单位成像像素可以布置成三维像素阵列。多个单位成像像素可以以单位像素为基础或以像素组为基础将光信号转换为电信号，其中像素组中的单位像素共享至少特定内部电路。像素阵列110可以从行驱动器120接收包括行选择信号、像素复位信号和传输信号的驱动信号。一旦接收到驱动信号，像素阵列110中的相应的单位成像像素可以被激活以执行与行选择信号、像素复位信号和传输信号相对应的操作。
行驱动器120可以基于由诸如定时控制器170之类的控制器电路所提供的命令和控制信号，来激活像素阵列110以对相应行中的成像像素执行特定操作。在一些实现中，行驱动器120可以选择布置在像素阵列110的一行或更多行中的一个或更多个成像像素。行驱动器120可以生成行选择信号，以选择多个行当中的一行或更多行。行驱动器120可以依次使能用于复位与至少一个被选行相对应的成像像素的像素复位信号和用于与至少一个被选行相对应的像素的传输信号。因此，作为由被选行的每个成像像素所生成的模拟信号的参考信号和图像信号可以被依次传送到CDS 130。参考信号可以是在成像像素的感测节点(例如，浮置扩散节点)被复位时提供给CDS 130的电信号，而图像信号可以是在由成像像素产生的光电荷累积在感测节点中时提供给CDS 130的电信号。指示每个像素的独特复位噪声的参考信号和指示入射光强度的图像信号可以根据需要统称为像素信号。
CMOS图像传感器可以使用相关双采样(CDS)，以通过对像素信号采样两次来消除这两个样本之间的差异，从而去除被称为固定模式噪声的不期望的像素偏移值。在一个示例中，相关双采样(CDS)可以通过将入射光所产生的光电荷累积在感测节点中之前和之后所获得的像素输出电压进行比较，来去除不期望的像素偏移值，使得能够仅测量基于入射光的像素输出电压。在所公开技术的一些实施方式中，CDS 130可以依次采样并保持从像素阵列110提供给多条列线中的每一条的参考信号和图像信号的电压电平。即，CDS 130可以采样并保持与像素阵列110的每一列相对应的参考信号和图像信号的电压电平。
在一些实现中，CDS 130可以基于来自定时控制器170的控制信号，将每列的参考信号和图像信号作为相关双采样信号传送给ADC 140。
ADC 140用于将模拟CDS信号转换为数字信号。在一些实现中，ADC 140可以被实施为斜坡比较型ADC。斜坡比较型ADC可以包括用于将模拟像素信号与诸如斜坡上升或下降的斜坡信号之类的参考信号进行比较的比较器电路以及进行计数直到斜坡信号的电压与模拟像素信号匹配的定时器。在所公开技术的一些实施方式中，ADC 140可以将CDS 130针对每一列所生成的相关双采样信号转换为数字信号，并输出该数字信号。ADC 140可以基于每一列的相关双采样信号和从定时控制器170提供的斜坡信号来执行计数操作和计算操作。以这种方式，ADC 140可以消除或减少在生成数字图像数据时从成像像素产生的诸如复位噪声之类的噪声。
ADC 140可以包括多个列计数器。像素阵列110的每列联接至列计数器，并且可以通过使用列计数器将从每一列接收到的相关双采样信号转换为数字信号来生成图像数据。在所公开技术的另一实施方式中，ADC 140可以包括全局计数器以使用从全局计数器提供的全局码将与列相对应的相关双采样信号转换为数字信号。
输出缓冲器150可以临时保持从ADC 140提供的基于列的图像数据，以输出图像数据。在一个示例中，输出缓冲器150基于定时控制器170的控制信号输出从ADC 140提供给输出缓冲器150并存储在输出缓冲器150中的图像数据。输出缓冲器150可以提供接口以补偿图像感测装置100与其它装置之间的数据速率差异或传输速率差异。
一旦接收到来自定时控制器170的控制信号，列驱动器160可以选择输出缓冲器的列，并且依次输出临时存储在输出缓冲器150的被选列中的图像数据。在一些实现中，一旦接收到来自定时控制器170的地址信号，列驱动器160可以基于地址信号生成列选择信号并选择输出缓冲器150的列，从输出缓冲器150的被选列输出图像数据作为输出信号。
定时控制器170可以控制行驱动器120、ADC 140、输出缓冲器150和列驱动器160的操作。
定时控制器170可以为行驱动器120、CDS 130、ADC 140、输出缓冲器150和列驱动器160提供图像感测装置100的各个组件的操作所需的时钟信号、用于定时控制的控制信号、以及用于选择行或列的地址信号。在所公开技术的实施方式中，定时控制器170可以包括逻辑控制电路、锁相环(PLL)电路、定时控制电路、通信接口电路等。
图2是例示了图1中所示的像素阵列中所包括的像素的实施方式的图。
参照图2，像素200对应于图1的像素阵列110中包括的单位像素的一种实现，并且可以将入射光的强度转换成电信号。像素200可以是被配置为将与特定波段(例如，红、蓝或绿)相对应的入射光的强度转换为电信号的颜色感测像素，或者是被配置为将从目标对象反射和入射的调制光的强度转换为电信号的距离感测像素。在该实现中，像素200对应于具有4-TR(晶体管)结构的颜色感测像素。然而，其它实现也是可行的，并且所公开的技术可以应用于各种像素，每个像素包括被配置为将响应于光的强度而从光电转换元件产生的光电荷传输到浮置扩散区的传输晶体管。
像素200可以包括光电转换元件PD、传输晶体管TX、浮置扩散区FD、复位晶体管RX、驱动晶体管DX和选择晶体管SX。
光电转换元件PD可以连接在接地端子和传输晶体管TX之间，并根据光电效应生成并累积与入射光的强度相对应的光电荷。接地端子可以是被配置为提供接地电压的端子。光电转换元件PD可以实现为光电二极管、光电晶体管、光电栅、钉扎光电二极管或其组合。在图2中，光电二极管被例示作为光电转换元件PD。由光电转换元件PD累积的光电荷可以通过传输晶体管TX被传输到浮置扩散区FD。
传输晶体管TX可以连接在光电转换元件PD和浮置扩散区FD之间，并且根据施加到其栅极的传输信号TG而导通。当传输信号TG具有激活电压(或逻辑高电平)时，传输晶体管TX可以导通，以向浮置扩散区FD传输光电转换元件PD中累积的光电荷。当传输信号TG具有非激活电压(或逻辑低电平)时，传输晶体管TX可以截止，以不向浮置扩散区FD传输光电转换元件PD中累积的光电荷。
浮置扩散区FD可以被配置为存储光电荷，使得可以将光电荷转换为电压。浮置扩散区FD可以实现为结电容器。例如，浮置扩散区FD可以在具有第一导电类型(例如，p型)的基板内掺杂有第二导电类型(例如，n型)的杂质。
复位晶体管RX可以连接在电源电压VDD和浮置扩散区FD之间，并且根据施加到其栅极的像素复位信号RG而导通。电源电压VDD可以指示提供给像素阵列110的预定电压(例如，2.5V)。当像素复位信号RG具有激活电压(或逻辑高电平)时，复位晶体管RX可以导通，以泄放浮置扩散区FD中累积的光电荷作为电源电压VDD，从而将浮置扩散区FD复位为电源电压VDD。当像素复位信号RG具有非激活电压(或逻辑低电平)时，复位晶体管RX可以截止，以将浮置扩散区FD与电源电压VDD电隔离。
驱动晶体管DX可以联接在电源电压VDD和选择晶体管SX之间，并且具有联接至浮置扩散区FD的栅极。因此，驱动晶体管DX可以向选择晶体管SX传送与浮置扩散区FD的电位相对应的电信号。
选择晶体管SX可以执行以像素阵列110的行为单位选择要读取的像素的功能。选择晶体管SX可以根据施加到其栅极的行选择信号SEL而导通，并且输出电信号作为输出电压Vout，该电信号由驱动晶体管DX提供并且对应于浮置扩散区FD的电位。
像素200可以在多个操作时段中操作。在实施方式中，多个操作时段可以包括复位时段、第一读出时段、光电荷累积时段、光电荷传输时段和第二读出时段。可以依次处理多个操作时段，或者可以同时并行地处理至少一些操作时段。在一些实现中，可以以各种方式修改多个操作时段。
复位时段可以指示浮置扩散区FD被复位到电源电压VDD的时段。在复位时段期间，复位晶体管RX可以导通以将浮置扩散区FD复位到电源电压VDD。此时，传输晶体管TX也可以导通，以向浮置扩散区FD传送光电转换元件PD中累积的光电荷，从而泄放光电荷。
第一读出时段可以指示将与复位的浮置扩散区FD的电位相对应的电信号输出为输出电压Vout的时段。也就是说，可以紧接在复位时段之后进行第一读出时段。在第一读出时段期间，选择晶体管SX可以导通。在第一读出时段中输出的输出电压Vout可以指示参照图1描述的参考信号。
光电荷累积时段可以指示光电转换元件PD响应于入射光的强度而生成并累积光电荷的时段。在光电荷累积时段期间，传输晶体管TX可以截止，使得由光电转换元件PD产生的光电荷累积在光电转换元件PD中。
光电荷传输时段可以指示通过传输晶体管TX向浮置扩散区FD传输光电转换元件PD中累积的光电荷的时段。在光电荷传输时段期间，复位晶体管RX可以截止，并且传输晶体管TX可以导通，使得光电转换元件PD中积累的光电荷迁移并累积在浮置扩散区FD中。
第二读出时段可以指示将与其内累积有光电荷的浮置扩散区FD的电位相对应的电信号输出为输出电压Vout的时段。即，可以紧接在光电荷传输时段之后执行第二读出时段。在第二读出时段期间，选择晶体管SX可以导通。在第二读出时段中输出的输出电压Vout可以指示参照图1描述的图像信号。
图3是例示了图2中所示的像素的截面的实施方式的图。
图3例示了包括图2所示的光电转换元件PD、传输晶体管TX和浮置扩散区FD的图像感测装置的截面300。
参照截面300，图像感测装置可以包括基板310、光电转换层320、钉扎层330、浮置扩散区340、栅极介电层350和栅极360。光电转换层320和钉扎层330可以对应于光电转换元件PD，浮置扩散区340可以对应于浮置扩散区FD，并且栅极介电层350和栅极360可以对应于传输晶体管TX的栅极。栅极介电层350和栅极360可以形成或设置在基板310上方的布线层中。钉扎层330和浮置扩散区340可以分别对应于传输晶体管TX的两端。
基板310可以具有正面和背面。图3所示的基板310的顶面可以表示正面，而基板310的底面可以表示背面。像素200可以具有通过背面接收入射光的背面照明结构或者通过正面接收入射光的正面照明结构。
基板310可以形成为p基板或通过在p基板中外延生长p型杂质而获得的p外延层，并且包括作为掺杂在基板310中的杂质层的光电转换层320、钉扎层330和浮置扩散区340。
光电转换层320可以吸收入射光，并且生成并积累与入射光强度相对应的光电荷325。光电转换层320可以是掺杂有n型杂质的区域或包括掺杂有n型杂质的区域。
钉扎层330可以是或包括沿着基板310的表面(例如，正面)掺杂有浓度比基板310更高的p型杂质的区域，并且用于抑制暗电流的产生。钉扎层330可以形成在基板310的表面与光电转换层320之间。在一些实现中，钉扎层330具有与光电转换层320基本相同的宽度。在一些实现中，钉扎层330具有基本与光电转换层320相对应的面积。在一些实现中，光电转换层320和钉扎层330中的任何一个可以具有比另一个更大的宽度。钉扎层330的至少一部分可以与形成传输晶体管TX的栅极介电层350和栅极360交叠。
作为蚀刻工艺产生的缺陷电子流的暗电流可以在基板310的表面流动，从而产生意外的噪声。当未形成钉扎层330并且光电转换层320抵靠基板310的表面或形成为接近基板310的表面时，光电转换层320的光电荷325可以有助于暗电流，从而在像素信号中产生噪声。具体而言，在入射光的发光强度相对低的低亮度条件下，这种噪声可以主要作用于像素信号。
通过形成在基板310的表面处的钉扎层330，钉扎层330的空穴能够抑制缺陷电子的流动，从而降低暗电流。钉扎层330的掺杂浓度的增加可以改进暗电流降低效果。然而，如果钉扎层330的掺杂程度过高并且钉扎层330与其中形成有传输晶体管TX的沟道的区域(即，钉扎层330与浮置扩散区340之间的区域)之间的掺杂浓度差显著增加，则通过钉扎层330向传输晶体管TX的沟道传送光电转换层320的光电荷325的效率可能降低，以使传输晶体管TX的滞后特性劣化。
因此，在所公开技术的实现中，钉扎层330可以被划分为第一掺杂区332、第二掺杂区334、第三掺杂区336和第四掺杂区338。第一掺杂区332至第三掺杂区336可以与栅极介电层350交叠，并且第四掺杂区338可以不与栅极介电层350交叠。
在第一掺杂区332至第四掺杂区338当中，第四掺杂区338可以具有最高杂质掺杂浓度，并且杂质掺杂浓度可以从第一掺杂区332向第三掺杂区336降低。在一些实现中，杂质掺杂浓度可以以阶梯状方式从第一掺杂区332向第三掺杂区336降低。第三掺杂区336可以具有比基板310高的掺杂浓度。当传输晶体管TX导通时，光电转换层320的光电荷325可以通过图3所示的迁移路径向浮置扩散区340传送。因此，光电荷325可以通过钉扎层330的与传输晶体管TX的栅极360交叠的内部区域而迁移。由于沿着迁移路径布置的第一掺杂区332至第三掺杂区336具有例如以阶梯状方式降低的掺杂浓度，所以能够改进传输晶体管TX的滞后特性。此外，远离光电荷325的迁移路径设置的第四掺杂区338可以具有最高的掺杂浓度，从而进一步提高钉扎层330的暗电流降低效果。
图3例示了钉扎层330被形成为具有不同掺杂浓度的四个区域的实施方式。然而，钉扎层330的具有不同掺杂浓度的区域数量不限于四个，并且其它实现也是可行的。因此，钉扎层330可以包括具有不同掺杂浓度的N个区域，其中N是除4之外的正整数。
浮置扩散区340可以形成在包括第一导电类型(p型)杂质的基板310中并且掺杂有第二导电类型(n型)杂质。浮置扩散区340可以具有与基板310相关的结电容器，并且累积通过传输晶体管TX的沟道传送的光电荷325。浮置扩散区340的至少一部分可以与形成传输晶体管TX的栅极介电层350和栅极360中的每一个交叠。
栅极介电层350可以将抵靠在栅极介电层350上的栅极360与基板310、钉扎层330和浮置扩散区340电隔离。在一些实现中，栅极介电层350可以是或包括氧化层。在一些实现中，可以使用除氧化层之外的其它介电材料来注入栅极介电层350。
栅极介电层350的一侧可以与浮置扩散区340交叠，而栅极介电层350的另一侧可以与钉扎层330交叠。
栅极介电层350可以包括具有不同厚度的第一介电区352、第二介电区354和第三介电区356。在一些实现中，栅极介电层350可以具有沿着光电荷325的迁移路径增加的厚度。在一些实现中，栅极介电层的厚度可以以阶梯状方式增加，但是其它实现也是可行的。在如图3所示的实现中，第一介电区352至第三介电区356和浮置扩散区340可以沿平行于基板310的表面的方向设置。
第一介电区352可以与第一掺杂区332交叠，并具有第一厚度T1。第二介电区354可以与第二掺杂区334交叠，并且具有大于第一厚度T1的第二厚度T2。第三介电区356可以与第三掺杂区336、基板310和浮置扩散区340交叠，并且具有大于第二厚度T2的第三厚度T3。
栅极360可以设置在第一介电区352至第三介电区356上方，并且被配置为接收一个传输信号TG。由于第一介电区352至第三介电区356具有彼此不同的厚度，因此如下所讨论的，施加至栅极360的传输信号TG以不同水平影响光电荷的钉扎。
在光电荷累积时段中，栅极360可以接收具有第一电压的传输信号TG。第一电压可以对应于使传输晶体管TX截止的非激活电压。例如，第一电压可以是负电压。在实施方式中，在除了光电荷累积时段之外的时段中用于传输信号TG的非激活电压可以是接地电压。
当第一电压被施加至栅极360时，钉扎层330内的空穴可以在钉扎层330和栅极介电层350之间的边界周围累积(或钉扎)，从而减少暗电流。由于掺杂浓度从第三掺杂区336向第一掺杂区332增加，因此空穴的数量从第一掺杂区332到第三掺杂区336增加。栅极介电层350的厚度从第三介电区356朝向第一介电区352减小，因此，与第三掺杂区336相比，施加至栅极360的电压强烈地作用在第一掺杂区332上。由于电压更强烈地作用在与存在相对更少空穴的第二掺杂区334和第三掺杂区336相比而存在更多空穴的第一掺杂区332上，因此能够有效地钉扎第一掺杂区332至第三掺杂区336的空穴。如果栅极介电层350具有单一厚度(例如，T3)，则在包含相对大量空穴的区域(例如，对应于第一掺杂区332的区域)中可能无法有效地钉扎空穴，这可能导致产生暗电流。
在一些实现中，可以在光电转换层320下方设置微透镜(未示出)，以使入射光朝向光电转换层320的中央会聚。由于微透镜，光电荷325可以会聚在光电转换层320的中央周围。通过从第三介电区356向相对靠近光电转换层320的中央的第一介电区352减小栅极介电层350的厚度，能够通过栅极360将空穴有效地钉扎在相对靠近光电转换层320的中央的第一掺杂区332中。因此，可以减少由会聚在光电转换层320的中央周围的光电荷325产生暗电流。
在光电荷传输时段中，栅极360可以接收具有第二电压的传输信号TG。第二电压可以对应于使传输晶体管TX导通的激活电压。例如，第二电压可以是正电压。
当向栅极360施加第二电压时，光电转换层320中累积的光电荷325可以被向上抽吸到钉扎层330并穿过钉扎层330。然后，光电荷325可以通过在栅极介电层350下方形成于钉扎层330和浮置扩散区340之间的传输晶体管TX的沟道迁移到浮置扩散区340。
如上所述，由于微透镜，光电荷325可以集中地累积在光电转换层320的中央周围。栅极介电层350的厚度可以从第三介电区356向相对靠近光电转换层320的中央的第一介电区352减小，使得可以有效地朝向钉扎层330向上抽吸通过栅极360会聚在光电转换层320的中央的光电荷325。
如上所述，第一掺杂区332至第三掺杂区336可以具有例如以阶梯状方式降低的掺杂浓度，以改进传输晶体管TX的滞后特性。因此，第一掺杂区332至第三掺杂区336可以具有例如以阶梯状方式减小的电位。具有相对高掺杂浓度的第一掺杂区332可以具有比光电转换层320更高的电位，从而形成电位袋以中断光电荷325从光电转换层320向第一掺杂区332的平稳迁移。然而，根据实施方式，具有小于第三厚度T3的第一厚度T1的第一介电区352可以设置在第一掺杂区332上方，从而增加了栅极360的电压的影响。因此，可以降低第一掺杂区332的电位以去除电位袋。此外，为了防止在第二掺杂区334与电位被具有第一厚度T1的第一介电区352降低的第一掺杂区332之间形成电位袋，具有小于第三厚度T3的第二厚度T2的第二介电区354可以设置在第二掺杂区334上方，从而降低第二掺杂区334的电位。此外，第二厚度T2可以设置为大于第一厚度T1的值，使得在第三掺杂区336与电位被具有第二厚度T2的第二介电区354降低的第二掺杂区334之间不形成电位袋。因此，第一厚度T1至第三厚度T3可以通过实验决定，以在防止在光电荷325的迁移路径中形成电位袋的同时不使传输晶体管TX的滞后特性劣化。
根据实施方式，与传输晶体管TX的栅极交叠的钉扎层可以形成为具有例如以阶梯状方式朝向浮置扩散区340减小的掺杂浓度，并且可以设置其厚度例如以阶梯状方式朝向浮置扩散区340增加以与钉扎层的浓度相对应的栅极介电层，以减少暗电流并提高光电荷传输效率。
栅极360可以接收传输信号TG，并控制栅极介电层350的下部区域的电位。在一些实现中，栅极360可以是多晶硅电极或金属电极。其它实现方式也是可行的，因此可以以各种方式实现栅极360。
图4是例示了图2中例示的像素的截面的另一实施方式的图。
图4示出了包括图2所示的光电转换元件PD、传输晶体管TX和浮置扩散区FD的图像感测装置的截面400。
参照截面400，图像感测装置可以包括基板410、光电转换层420、钉扎层430、浮置扩散区440、栅极介电层450、栅极460和硅区470。光电转换层420和钉扎层430可以对应于光电转换元件PD，浮置扩散区440可以对应于浮置扩散区FD，并且栅极介电层450和栅极460可以对应到传输晶体管TX的栅极。钉扎层430和浮置扩散区440可以分别对应于传输晶体管TX的两端。
浮置扩散区440、栅极介电层450、栅极460和硅区470可以形成或设置在基板410上方的布线层中。
由于基板410、光电转换层420、钉扎层430、浮置扩散区440、栅极介电层450和栅极460的功能、结构和材料与已经参照图3描述的基板310、光电转换层320、钉扎层330、浮置扩散区340、栅极介电层350和栅极360的功能、结构和材料相似，因此以下描述将集中于它们之间的不同之处。
在截面400中，浮置扩散区440可以不形成在基板410中，而是形成在基板410上方以与基板410间隔开。在该实现中，由于浮置扩散区440和传输晶体管TX的沟道设置在基板410上方而不是在基板410中，因此光电转换层420能够占据更大的面积，从而可以提高光电转换效率。
钉扎层430可以跨基板410的一个表面与光电转换层420之间的区域而形成。钉扎层430的尺寸(或面积)可以对应于光电转换层420的尺寸(或面积)。在一些实现中，与图3的钉扎层330不同，钉扎层430可以具有恒定的掺杂浓度。在一些实现中，钉扎层430可以具有掺杂浓度不同的不同部分。例如，钉扎层430可以包括形成在硅区470的底部下方并具有第一掺杂浓度的第一杂质区和不与硅区470交叠且具有与第一掺杂浓度不同的第二掺杂浓度的第二杂质区。在一些实现中，第一掺杂浓度可以低于第二掺杂浓度。在一些实现中，第二杂质区可以设置在硅区470的边缘附近或其它位置。利用具有不同掺杂浓度的钉扎层430，能够防止传输晶体管TX的滞后特性的劣化。
浮置扩散区440可以形成在基板410上方，以与基板410间隔开预定距离。浮置扩散区440可以设置为与光电转换层420的中心轴或者微透镜(未示出)的光轴交叠，以将入射光会聚在光电转换层420上。因为光电荷425会聚在光电转换层420的中央，所以这是为了通过在光电荷425会聚的区域附近设置浮置扩散区440来提高光电荷传输效率。
在形成于基板410中的钉扎层430与形成在基板410上方的浮置扩散区440之间，可以设置硅区470。
硅区470可以根据传输晶体管TX的操作形成沟道，使得能够向浮置扩散区440传送光电转换层420中累积的光电荷425。当传输晶体管TX导通时，沟道可以形成为与位于硅区470的侧面上的介电区452、454和456相邻。为了形成这样的沟道，硅区470可以包括第一导电类型(例如，p型)的杂质。
硅区470可以被栅极介电层450围绕。虽然未示出，但是在平面图中，栅极介电层450可以具有围绕硅区470的至少一部分或全部的环形形状。
硅区470可以包括第一掺杂区472、第二掺杂区474和第三掺杂区476。第一掺杂区472至第三掺杂区476可以掺杂有具有不同掺杂浓度的杂质，并且具有例如以阶梯状方式从第一掺杂区472向第三掺杂区476降低的掺杂浓度，这使得可以改进传输晶体管TX的滞后特性。
栅极介电层450可以将栅极460与基板410、钉扎层430和硅区470电隔离。栅极介电层450可以包括第一介电区452、第二介电区454、第三介电区456和第四介电区458。
第一介电区452至第三介电区456可以层叠在钉扎层430和浮置扩散区440之间，并且具有不同的厚度。在如图4所示的实现中，第一介电区452至第三介电区456以及浮置扩散区440可以在与基板410的表面垂直的垂直方向上设置。
第一介电区452可以与第一掺杂区472交叠，并具有第四厚度T4。第二介电区454可以与第二掺杂区474交叠，并且具有大于第四厚度T4的第五厚度T5。第三介电区456可以与第三掺杂区476交叠，并且具有大于第五厚度T5的第六厚度T6。因此，硅区470的宽度可以从第一掺杂区472朝向第三掺杂区476减小。
被配置为接收一个传输信号TG的栅极460可以设置为抵靠在第一介电区452至第三介电区456的侧表面上。硅区470被设置为被第一介电区452至第三介电区456围绕，并且施加至栅极460的电压的影响可以随着相应介电区具有更小的厚度而增加。
第四介电区458可以设置在栅极460和钉扎层430之间，并且具有与第一介电区452相同的第四厚度。然而，其它实现也是可行的。
在光电荷累积时段中，栅极460可以接收具有第一电压的传输信号TG。第一电压可以对应于使传输晶体管TX截止的非激活电压。例如，第一电压可以是负电压。
当第一电压被施加至栅极460时，钉扎层430内的空穴可以累积(或钉扎)在钉扎层430和栅极介电层450之间的边界周围，从而减少暗电流。
浮置扩散区440可以接收正偏压以升高浮置扩散区440的电位，使得在光电荷累积时段中光电转换层420的光电荷425不向浮置扩散区440迁移。
在光电荷传输时段中，栅极460可以接收具有第二电压的传输信号TG。第二电压可以对应于使传输晶体管TX导通的激活电压。例如，第二电压可以是正电压。
当第二电压被施加至栅极460时，累积在光电转换层420中的光电荷425可以被向上抽吸到钉扎层430并且穿过钉扎层430。然后，光电荷425可以通过形成在栅极介电层450内部的硅区470中的传输晶体管TX的沟道向浮置扩散区440迁移。
浮置扩散区440可以接收负偏压以降低浮置扩散区440的电位，使得在光电荷传输时段中光电转换层420的光电荷425能够平稳地向浮置扩散区440迁移。
如上所述，第一掺杂区472至第三掺杂区476可以具有以阶梯状方式降低的掺杂浓度，以改进传输晶体管TX的滞后特性。因此，第一掺杂区472至第三掺杂区476可以具有以阶梯状方式减小的电位。此时，具有相对高掺杂浓度的第一掺杂区472可以具有比光电转换层420和钉扎层430更高的电位，从而形成电位袋以中断光电荷425从光电转换层420向第一掺杂区472的平稳迁移。然而，根据实施方式，具有小于第六厚度T6的第四厚度T4的第一介电区452可以设置在第一掺杂区472的侧表面上，使得栅极460的电压的影响增加。因此，可以降低第一掺杂区472的电位以去除电位袋。此外，为了防止在第二掺杂区474与电位通过具有第四厚度T4的第一介电区452而降低的第一掺杂区472之间形成电位袋，具有小于第六厚度T6的第五厚度T5的第二介电区454可以设置在第二掺杂区474的侧表面上，从而降低第二掺杂区474的电位。此外，第五厚度T5可以设置为大于第四厚度T4的值，使得在第三掺杂区476与电位通过具有第五厚度T5的第二介电区454而降低的第二掺杂区474之间不形成电位袋。即，第四厚度T4至第六厚度T6可以通过实验决定，以在防止在光电荷425的迁移路径中形成电位袋的同时不使传输晶体管TX的滞后特性劣化。
根据实施方式，与传输晶体管TX的栅极交叠的硅区470可以形成为具有例如以阶梯状方式朝向浮置扩散区440减小的掺杂浓度，并且可以设置其厚度例如以阶梯状方式朝向浮置扩散区440增加以对应于硅区470的浓度的栅极介电层，以提高光电荷传输效率。
栅极460可以接收传输信号TG，并控制栅极介电层450的底部区域和侧面区域的电位。栅极460可以是多晶硅电极或金属电极，但其它实现方式也是可行的。
图5是例示了当如图3或图4所示的栅极介电层350或450具有均匀厚度(例如，T3或T6)时(以下称为比较例)在光电荷传输时段期间的电位分布的曲线图。图6是例示了当栅极介电层350或450具有基于如图3或图4所示的实现的变化厚度时在光电荷传输时段期间的电位分布的曲线图。
图5所示的第一区域①至第五区域⑤可以对应于图3和图4中所示的第一区域①至第五区域⑤。因此，第一区域①可以对应于光电转换层320或420，第二区域②可以对应于具有相对高掺杂浓度的区域332或472，第三区域③可以对应于具有中等掺杂浓度的区域334或474，第四区域④可以对应于具有相对低掺杂浓度的区域336或476，并且第五区域⑤可以对应于浮置扩散区340或440。
图5所示的电位分布可以对应于施加至传输晶体管TX的传输信号TG具有激活电压的情况。因此，根据具有激活电压的传输信号TG，在第一区域①中累积的光电荷可以通过第二区域②至第四区域④传送到第五区域⑤。
为了改进传输晶体管TX的滞后特性，第二区域②至第四区域④可以具有以阶梯状方式降低的掺杂浓度，因此具有以阶梯状方式降低的电位。
在比较例中，由于具有相对高掺杂浓度的第二区域②可以具有比第一区域①的电位更高的电位，因此可以形成电位袋以中断光电荷从第一区域①到第二区域②的平稳迁移。由于电位袋，一些光电荷可能留在第一区域①中，从而在像素信号中产生噪声。
图6例示了与栅极介电层350或450具有如图3或图4的实施方式中那样在光电荷的迁移方向上例如以阶梯状方式增加的厚度的情况对应的光电荷传输时段的电位分布。
具有相对小厚度的介电区352或452可以被设置为与第二区域②交叠，使得栅极360或460的电压的影响增加。因此，可以降低第二区域②的电位以去除电位袋。此外，可以调整与第三区域③交叠以具有从第二区域②向第四区域④以阶梯状方式减小的电位的介电区354或454的厚度，以改进传输晶体管TX的滞后特性。
在定时控制器170的控制下，由行驱动器120生成提供给图2至图6中描述的像素的控制信号(例如，传输信号TG、像素复位信号RG、行选择信号SEL、正偏压或负偏压等)。
虽然以上已经描述了各种实施方式，但是可以基于在本专利文档中公开/例示的内容做出所描述的实施方式的变型和其它实施方式。
相关申请的交叉引用
本专利文档要求于2021年2月16日向韩国知识产权局提交的韩国申请No.10-2021-0020218的优先权和权益，所述韩国申请通过引用将其全部内容并入本文中。

Claims (20)

1.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
基板，该基板包括响应于入射光以产生与所述入射光的强度相对应的光电荷的光电转换层；
多个掺杂区，所述多个掺杂区沿着所述光电荷的迁移路径设置并且掺杂有不同掺杂浓度的掺杂剂；以及
栅极介电层，该栅极介电层设置在所述基板上方并且具有与所述多个掺杂区交叠的栅极介电层部分，该栅极介电层部分具有沿着所述光电荷的所述迁移路径增加的变化厚度。
2.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述多个掺杂区包括沿着所述光电荷的所述迁移路径设置的第一掺杂区、第二掺杂区和第三掺杂区，并且
所述栅极介电层包括与所述第一掺杂区交叠的第一介电区、与所述第二掺杂区交叠的第二介电区、以及与所述第三掺杂区交叠的第三介电区。
3.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中，所述第一介电区具有小于所述第二介电区的厚度的第一厚度，并且
所述第二介电区具有小于所述第三介电区的厚度的第二厚度。
4.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中，所述第一掺杂区具有高于所述第二掺杂区的掺杂浓度的第一掺杂浓度，并且
所述第二掺杂区具有高于所述第三掺杂区的掺杂浓度的第二掺杂浓度。
5.根据权利要求2所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括栅极，该栅极接收用于向浮置扩散区传输所述光电荷以累积所述光电荷的传输信号，
其中，所述第一介电区至所述第三介电区抵靠所述栅极。
6.根据权利要求5所述的图像感测装置，其中，在所述光电转换层产生并累积所述光电荷的光电荷累积时段期间，提供给所述栅极的所述传输信号具有使传输晶体管截止的负电压。
7.根据权利要求5所述的图像感测装置，其中，在从所述光电转换层向所述浮置扩散区传输所述光电荷的光电荷传输时段期间，提供给所述栅极的所述传输信号具有使传输晶体管导通的正电压。
8.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中，所述第一掺杂区至所述第三掺杂区被包括在钉扎层中，该钉扎层设置在所述光电转换层与所述基板的一个表面之间。
9.根据权利要求8所述的图像感测装置，其中，所述钉扎层具有与所述光电转换层相对应的面积。
10.根据权利要求8所述的图像感测装置，其中，所述钉扎层还包括不与所述栅极介电层交叠的第四掺杂区，并且
所述第四掺杂区具有比所述第一掺杂区更高的掺杂浓度。
11.根据权利要求8所述的图像感测装置，其中，所述第三掺杂区具有比所述基板更高的掺杂浓度。
12.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中，所述第一掺杂区至所述第三掺杂区被包括在硅区中，该硅区设置在所述光电转换层和与所述基板的一个表面间隔开预定距离的浮置扩散区之间。
13.根据权利要求12所述的图像感测装置，其中，所述硅区被所述栅极介电层围绕。
14.根据权利要求12所述的图像感测装置，其中，所述硅区具有从所述第一掺杂区向所述第三掺杂区减小的宽度。
15.根据权利要求12所述的图像感测装置，其中，所述浮置扩散区在所述光电转换层产生并累积所述光电荷的光电荷累积时段期间，接收正偏压以使得所述光电荷不向所述浮置扩散区迁移。
16.根据权利要求12所述的图像感测装置，其中，所述浮置扩散区在从所述光电转换层向所述浮置扩散区传输所述光电荷的光电荷传输时段期间，接收负偏压以使得所述光电荷平稳地向所述浮置扩散区迁移。
17.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
第一区，该第一区设置在基板中并且响应于入射光而产生光电荷；
第二区和第三区，该第二区和该第三区沿着所述光电荷的迁移路径设置并且具有沿着所述光电荷的所述迁移路径降低的掺杂浓度；
第四区，该第四区设置为累积通过所述第二区和所述第三区传送的光电荷；以及
栅极介电层，该栅极介电层具有与所述第二区和所述第三区交叠的部分，该栅极介电层的所述部分具有沿着所述光电荷的所述迁移路径增加的厚度。
18.根据权利要求17所述的图像感测装置，其中，所述第一区和所述第二区被构造且连接以使得在从光电转换元件向浮置扩散区传输所述光电荷的光电荷传输时段中，所述第一区具有比所述第二区的电位更高的电位。
19.根据权利要求17所述的图像感测装置，其中，所述第二区、所述第三区和所述第四区沿着平行于所述基板的表面的方向设置。
20.根据权利要求17所述的图像感测装置，其中，所述第二区、所述第三区和所述第四区沿着垂直于所述基板的表面的方向设置。
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