CN116454101A - 竖直转移结构 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及竖直转移结构。例如用于图像传感器及电子装置的像素包含形成在半导体衬底中的光电二极管、浮动扩散区及选择性地将所述光电二极管耦合到所述浮动扩散区的转移结构。所述转移结构包含：转移门，其形成在所述半导体衬底上；以及竖直沟道结构，其包含形成在所述转移门与所述光电二极管之间的所述半导体衬底中的间隔开的第一掺杂区。每一间隔开的第一掺杂区以第一掺杂剂浓度掺杂有第一型掺杂剂。所述间隔开的第一掺杂区形成在以第二掺杂剂浓度掺杂有不同导电类型的第二型掺杂剂的第二掺杂区中。

Description

竖直转移结构
技术领域
本公开大体上涉及图像传感器，且特定来说但不排他性地，涉及用于图像传感器的竖直转移结构。
背景技术
图像传感器无处不在。它们广泛用于数码相机、蜂窝电话、监控相机以及医疗、汽车及其它应用中。用以制造图像传感器的技术持续高速进步。例如，对更高分辨率及更低功率消耗的需求促成这些装置的进一步小型化及集成化。这些趋势也有助于增加像素计数。
在像素架构中，在像素深处形成光电二极管可改进全阱容量，减少白色像素(WP)，且实现更小布局。在此类实施例中，通常利用竖直转移门以将电荷载流子从光电二极管转移到其它像素元件(例如，浮动扩散区)。竖直转移门通常通过在半导体衬底中蚀刻柱形或单片形凹口、在所述凹口中沉积氧化物层且接着在氧化物层上的所述凹口中的沉积导电栅极材料来形成。然而，与平面转移门相比，此类竖直转移门具有更大数目的表面，通过蚀刻，例如等离子体蚀刻产生所述表面会将表面缺陷引入到半导体衬底中，这又引起白色像素及其它有害效应。此外，在积分周期期间选择竖直转移门的栅极控制电压通常需要光晕与白色像素之间的折衷。
本公开提供解决这些缺点的结构。
以上信息仅作为背景信息来呈现以辅助理解本公开。关于任何以上内容是否可能适用于关于本公开的现有技术，未做出决定，且未做出断言。
发明内容
一方面，本公开提供一种像素，其包括：光电二极管，其形成在半导体衬底中且具有带有PD掺杂剂浓度的光电二极管掺杂区，其中所述光电二极管具有第一导电类型，其中所述半导体衬底具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型；浮动扩散区，其形成在所述半导体衬底中且具有所述第一导电类型的FD掺杂剂浓度，其中所述FD掺杂剂浓度高于所述PD掺杂剂浓度；及转移结构，其选择性地将所述光电二极管耦合到所述浮动扩散区，其中所述转移结构包括：转移门，其形成在所述半导体衬底上；及竖直沟道结构，其包括形成在所述转移门与所述光电二极管之间的所述半导体衬底中的间隔开的第一掺杂区，其中每一间隔开的第一掺杂区以第一掺杂剂浓度掺杂有所述第二导电类型的第一型掺杂剂，其中所述间隔开的第一掺杂区形成在以第二掺杂剂浓度掺杂有所述第一导电类型的第二型掺杂剂的第二掺杂区中，其中所述第二掺杂剂浓度大于所述PD掺杂剂浓度，小于所述第一掺杂剂浓度，且小于所述FD掺杂剂浓度。
另一方面，本公开进一步提供一种图像传感器，其包括：根据本公开的任一实施例所述的多个像素，其中每一像素通过形成在所述半导体衬底中的隔离结构与所述多个像素中的邻近像素分开；及控制电路，其可操作地耦合到所述多个像素中的每一像素，所述控制电路经配置以控制所述多个像素。
附图说明
参考下图描述本发明的非限制性及非穷举性实施例，其中贯穿各个视图类似参考数字是指类似部件，除非另有指定。
图1是说明根据本公开的教示的图像传感器的实施例的框图。
图2是根据本公开的教示的体现转移结构的代表性像素的图布局。
图3A是体现根据本公开的教示的转移结构的沿着等效于图2中所展示的线AA'的截面线截取的像素的一部分的第一截面视图。
图3B是沿着等效于图2中所展示的线BB'的截面线截取的图3A的像素的第二截面视图。
图3C是沿着等效于图2中所展示的线CC'的截面线截取的图3A的像素的第三截面视图。
贯穿附图的若干视图，对应参考字符指示对应组件。所属领域的技术人员将明白，图中的元件是为简单及清楚起见而说明且不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件被夸大以帮助改进对本发明的各个实施例的理解。另外，通常未描绘在商业上可行的实施例中有用或必需的常见但易于理解的元件以便促进对本发明的这些各个实施例的更清楚观察。
具体实施方式
本公开涉及图像传感器，且特定来说，涉及用于图像传感器的竖直转移结构。为了促进理解，本公开在互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器的背景下描述竖直转移结构。然而，应明白，本发明不应限于用于CMOS图像传感器的竖直转移结构，而是可应用于非CMOS图像传感器。在以下描述中，阐述众多特定细节以提供对所述实例的透彻理解。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没有所述特定细节中的一或多者的情况下，或使用其它方法、组件、材料等来实践。在其它例子中，未详细地展示或描述众所周知的结构、材料、或操作以避免模糊某些方面。
贯穿本说明书对“一实施例”或“一些实施例”的引用意味着结合所述实施例所描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书通篇出现的短语“在一些实施例中”或“在一实施例中”不一定都是指同一实例。此外，任何实施例的特定特征、结构或特性可与任何其它实施例的任何特征组合以实现在本公开的范围内的又其它实施例。
本公开提及关于不同实施例(包含设备及方法)的数个术语。具有类似名称的术语具有关于不同实施例的类似含义，除非明确地指出。类似地，本公开利用数个技术术语。这些术语具有其在其所源自的领域中的普通含义，除非本文中具体地定义或其使用上下文将清楚地另有建议。应注意，贯穿本文档可互换地使用元素名称及符号(例如，Si与硅)；然而，两者具有相同含义。具有类似名称的术语关于不同实施例具有类似含义，除非明确地指出。
为便于描述，在本文中可使用空间相对术语，例如“在...下面”、“在...下方”、“下”、“在...下”、“在...上方”、“上”等以描述一个元件或特征与另一(些)元件或特征的关系，如图中所说明。将理解，除图中所描绘的定向以外，空间相对术语还意在涵盖装置在使用或操作中的不同定向。例如，如果图中的装置被翻转，那么被描述为“在其它元件或特征下方”、“在其它元件或特征下面”或“在其它元件或特征下”的元件将被定向为“在其它元件或特征上方”。因此，实例性术语“在...下方”及“在...下”可涵盖在...上方及在...下方两个定向。装置可以其它方式定向(旋转九十度或按其它定向)且可相应地解释本文中所使用的空间相对描述词。另外，还将理解，当一层被称为“在两个层之间”时，其可为所述两个层之间的唯一层，或也可存在一或多个中介层。
在本公开中，术语“半导体衬底”或“衬底”是指用于在其上形成半导体装置的任何类型的衬底，包含单晶衬底、绝缘体上半导体(SOI)衬底、掺杂硅体衬底及半导体上外延膜(EPI)衬底等。术语半导体衬底也可指由一或多种半导体形成的衬底，所述半导体经受在所述衬底中形成区及/或结的预处理步骤，包含蚀刻、材料沉积及离子植入。此外，尽管将主要关于与硅基半导体材料(例如，硅及硅与锗及/或碳的合金)相容的材料及工艺来描述各个实施例，但本技术在这方面不受限制。相反，可使用任何类型的半导体材料，例如砷化镓、砷化铟镓及所属领域的技术人员已知的其它半导体材料来实施各个实施例。
应明白，术语“光电二极管掺杂区”可对应于半导体衬底内的区，所述区已例如通过离子植入而被掺杂以具有相对于半导体衬底的多数电荷载流子类型相反的电荷载流子类型(即，导电类型)，使得掺杂区(例如，本文中被称为光电二极管掺杂区)的外周形成光电二极管的PN结或PIN结。例如，形成在P型半导体衬底中的N掺杂区形成对应光电二极管区。在一些实施例中，光电二极管可进一步包含钉扎区(例如，安置在半导体衬底的侧与具有和光电二极管区导电类型相反的导电类型的光电二极管掺杂区之间的掺杂区)以形成钉扎光电二极管。例如，当光电二极管掺杂区是N型导电性且半导体衬底也是P型导电性时，钉扎区可具有P型导电性。
本申请案还可引用数量及数目。除非具体地陈述，否则此类数量及数目不应被认为是限制性的，而是代表与本申请案相关联的可能数量或数目。而且，在这方面，本申请案可使用术语“多个”来指代数量或数目。在这方面，术语“多个”意指多于一的任何数目，例如二、三、四、五等。术语“约”、“近似”、“接近”等表示所陈述值的正或负5％。出于本公开的目的，短语“A、B及C中的至少一者”例如表示(A)、(B)、(C)、(A及B)、(A及C)、(B及C)或(A、B及C)，包含列出大于三个元件时的所有进一步可能排列。短语“A、B或C中的至少一者”具有相同含义。
图1是说明具有像素120的像素阵列102的代表性图像传感器100的一个实例的图。如所展示，像素阵列102耦合到读出电路系统104(其耦合到功能逻辑106)及控制电路108。
像素阵列102是像素120(例如，像素P1、P2...、Pn)的二维(“2D”)阵列。在一个实施例中，每一像素120是互补金属氧化物半导体(“CMOS”)成像像素。像素阵列102可被实施为背照式图像传感器阵列。在一些实施例中，像素120中的一或多者包含如下文所描述的一或多个像素元件，其包含本文中所描述的具有竖直转移结构中的一或多者的转移结构、浮动扩散区、源极跟随器晶体管、行选择晶体管及复位晶体管。如所说明，像素120布置成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获取人、地点或物体的图像数据，接着可使用所述图像数据来再现人、地点或物体的2D图像。
在像素120已获取其图像数据或图像电荷之后，由读出电路系统104读出图像数据且将其传送到功能逻辑106。读出电路系统104可包含放大电路系统，例如，差分放大器电路系统、模/数(“ADC”)转换电路系统或其它电路系统。在一些实施例中，读出电路系统104可沿着读出列线一次读出一行图像数据(如所说明)或可使用多种其它技术(未说明)来读出图像数据，例如串行读出或同时完全并行读出所有像素。
功能逻辑106包含用于存储图像数据或甚至通过应用图像后效应(例如，裁剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它方式)来操纵图像数据的逻辑及存储器。
控制电路108耦合到像素120且包含用于控制像素120的操作特性的逻辑及存储器。例如，控制电路108可产生控制与每一像素120相关联的转移结构的操作的电压控制信号(例如，转移信号及切断信号)。例如，控制电路108可产生用于控制图像获取的快门信号。在一些实施例中，快门信号是用于同时使所有像素120能够在单个获取窗口期间同时捕获其相应图像数据的全局快门信号。在一些实施例中，快门信号是滚动快门信号，借此在连续获取窗口期间循序地启用像素120的每一行、每一列或每一群组。
图2展示代表性像素220的布局，所述像素形成例如图1的图像传感器100的图像传感器的部分，所述图像传感器自身可集成到例如智能电话、数码相机、内窥镜等的电子装置中。图2中所展示的像素布局是代表性的，且本公开的教示—特别是下文所描述的转移结构—可体现在许多其它像素布局中。
像素220至少部分地由具有有源像素区域及装置晶体管区域的半导体衬底222形成。有源像素区域包含至少一个光电二极管224、浮动扩散区226及经配置以选择性地在光电二极管224与浮动扩散区226之间形成电荷载流子沟道的转移结构250。转移结构250包含如下文详细地描述的竖直沟道结构252及转移门254。光电二极管224形成在浮动扩散区226、转移结构250下面的半导体衬底222中。在任何实施例中，为了增加光电二极管224的全阱容量，光电二极管224的部分可在装置晶体管区域中的晶体管元件下面延伸且形成在其下面，例如到达边界227a的范围，其中装置晶体管区域至少包含复位晶体管228、源极跟随器晶体管230及行选择晶体管232。在一些实施例中，光电二极管224可不在装置晶体管区域下面延伸，例如，电二极管224可到达边界227b的范围。在实施例中，光电二极管224的部分可布置且延伸到边界227a与边界227b之间的位置。
光电二极管224经配置以响应于在图像传感器的积分周期期间接收的传入光而光生及积累电荷载流子(例如，电子、空穴)。例如在图像传感器的积分周期期间，经光生电荷载流子积累在光电二极管224的电荷积累区(例如，转移门254的源极)中，可取决于施加到转移结构250(例如，转移结构250的竖直沟道结构252及转移门254)的电压而选择性地转移到浮动扩散区226(例如，转移门254的漏极)。
光电二极管224可呈各种配置，包含但不限于，钉扎光电二极管配置及部分钉扎光电二极管配置。在一些实施例中，具有与光电二极管224相反的导电性的钉扎层(例如，当光电二极管224是N型时钉扎层是P型掺杂层)安置在半导体衬底222的前表面与光电二极管224的N型光电二极管区之间，其中钉扎层耦合到接地。
浮动扩散区226耦合到转移结构250及源极跟随器晶体管230的栅极SF。浮动扩散区226聚集来自光电二极管224及任选地额外光电二极管的电荷载流子且将对应电压输出到源极跟随器晶体管230的栅极SF以用于信号读出。
转移结构250包含竖直沟道结构252及转移门254。转移门254电耦合到竖直沟道结构252。在实施例中，转移门254是形成在半导体衬底222的表面(例如，前表面或非照明表面)上的平面门电极，且竖直沟道结构252形成在转移门254下面的半导体衬底222中。转移门254安置在竖直沟道结构252与浮动扩散区226之间，且将竖直沟道结构252耦合到浮动扩散区226。转移门254及竖直沟道结构252协作以形成传导沟道，所述传导沟道选择性地将电荷载流子从光电二极管224转移到浮动扩散区226(在例如图1的控制电路108的控制电路的操作下)。浮动扩散区226又基于积累在浮动扩散区226中的电荷量来将电压输出到源极跟随器晶体管230的栅极SF。源极跟随器晶体管230响应于在其栅极SF处接收的电压而输出经放大图像信号。转移结构250(特定来说，其竖直沟道结构252)延伸到半导体衬底222中的靠近光电二极管224的深度，且因此使光电二极管224能够远离半导体衬底222的前表面埋入半导体衬底222中，这可减少或消除由表面缺陷引发的暗电流。在任何实施例中，光电二极管224可进一步形成在装置晶体管区域的部分下方及有源像素区域的部分下方。同时，转移结构250避免传统竖直转移门的缺点，即，由将竖直柱干式蚀刻到半导体衬底222中所引起的表面缺陷。下文详细地描述与转移结构250类似的代表性转移结构。
复位晶体管228耦合在电源线与浮动扩散区226之间，以在图像传感器的复位周期期间在例如来自复位晶体管228的栅极RST处的控制电路(例如，控制电路108)的复位信号的控制下对浮动扩散区226中的残余电荷进行复位(例如，放电)且将浮动扩散区226充电到预设电压，例如供应电压VDD。在复位周期期间在复位晶体管228的栅极RST处接收的复位信号的控制下，复位晶体管228可经由转移结构250将光电二极管224进一步耦合到预设电压，例如供应电压VDD。
源极跟随器晶体管230耦合在电源线与行选择晶体管232之间，且基于其栅极SF处的浮动扩散区226处的电压来调制图像信号输出，其中图像信号对应于响应于在图像传感器的积分周期期间吸收的入射光量而积累在像素220的光电二极管224中的光电子量。
行选择晶体管232在图像传感器的读出操作期间在从行选择晶体管232的栅极RS处的控制电路(例如，控制电路108)接收的行选择信号的控制下，选择性地将源极跟随器晶体管230的输出(例如，图像信号)耦合到读出列线。
沟道隔离结构234、236将装置晶体管区域中的晶体管元件与有源像素区域中的光电二极管224、转移结构250及浮动扩散区226电隔离。在一些实施例中，沟道隔离结构234、236可为电介质填充沟槽隔离结构，例如浅沟槽隔离结构或深沟槽隔离结构。在一些实施例中，沟道隔离结构234、236可为具有与光电二极管224相反的导电类型的掺杂阱隔离结构。在一些实施例中，沟道隔离结构234、236可为电介质填充沟槽隔离结构及掺杂阱隔离结构的组合。在一个实例中，电介质填充沟槽隔离结构可形成在相应掺杂阱隔离区中。
在一些实施例中，像素220可包含本文中未详细地描述的额外元件，例如一或多个额外隔离结构、晶体管、电容器、浮动扩散区等。在所说明实例中，像素220包含单个光电二极管224；然而，一些实施例包含例如通过相应的经耦合转移结构250共享共同浮动扩散区的多个光电二极管、共同源极跟随器晶体管、共同复位晶体管及共同行选择晶体管。
在操作中，在图像传感器的积分周期(也被称为曝光或积累周期)期间，光电二极管224吸收指向像素220的入射光且在其电荷积累区中光生一或多个电荷。积累在光电二极管224的电荷积累区中的经光生电荷指示入射到光电二极管224上的入射光量。在积分周期期间，转移结构250被偏置为关断。在一些实施例中，控制(例如，经由偏置电压)转移结构250以实现从光电二极管224到浮动扩散区226的光晕路径，从而允许过量经光生电荷从光电二极管224流动到浮动扩散区226，由此防止光电二极管224中的过量经光生电荷在积分周期期间流动到邻近光电二极管。在积分周期之后，一或多个转移信号例如从图1的控制电路108施加到转移结构250(例如，单独控制信号可施加到竖直沟道结构252及转移门254)，其在靠近转移门254及竖直沟道结构252的半导体衬底222中形成电荷载流子沟道且在图像传感器的电荷转移周期期间通过电荷载流子沟道将(若干)经光生电荷从光电二极管224转移到浮动扩散区226。源极跟随器晶体管230基于由经耦合浮动扩散区226输出的电压来可操作地产生图像信号。耦合到源极跟随器晶体管230的行选择晶体管232接着在读出周期期间接收到行选择信号时选择性地将图像信号耦合到相应读出列线或列位线以用于后续图像处理。
图3A-图3C展示形成在具有光电二极管324及浮动扩散区326的像素320中的代表性转移结构350的截面视图。转移结构350经配置以在光电二极管324与浮动扩散区326之间形成电荷载流子沟道，且具有与图2的转移结构250相同的结构。特定来说，图3A展示沿着等效于图2中所展示的线AA'的截面线截取的像素320及转移结构350的截面视图。图3B展示沿着等效于图2中所展示的线BB'的截面线截取的像素320及转移结构350的第二截面视图。图3C展示沿着等效于图2中所展示的线CC'的截面线截取的像素320及转移结构350的截面视图。
转向图3A，像素320包含其中形成有光电二极管324的半导体衬底322，所述光电二极管包括具有与周围半导体衬底322的导电类型(例如，P型)相反的导电类型(例如，N型)的光电二极管掺杂区。在实施例中，光电二极管掺杂区可邻近于半导体衬底322的背侧340更深地延伸到半导体衬底322中。应明白，光电二极管可包含在光电二极管掺杂区与半导体衬底322的(若干)以不同方式掺杂的区之间的结。光电二极管掺杂区及半导体衬底322的(若干)掺杂区可形成光电二极管324的积累经光生电荷的电荷积累区。应明白，光电二极管324的极性可颠倒；例如，在一些实施例中，光电二极管掺杂区可在N型半导体衬底322中经P型掺杂。光电二极管324的光电二极管掺杂区具有通常小于转移结构350的竖直沟道结构的掺杂剂浓度的PD掺杂剂浓度，如下文所描述。本申请案涉及“掺杂剂浓度”(每单位体积的电荷载流子)及“掺杂剂剂量”(每单位面积的电荷载流子)。在本文中针对像素的不同元件之间的掺杂剂浓度所描述的关系也适用于用以掺杂那些元件的掺杂剂剂量之间的关系。尽管PD掺杂剂浓度/剂量在实施例之间可能不同，但在一些实施例中，光电二极管掺杂区以约E11/cm2到约E12/cm2的PD掺杂剂剂量掺杂有掺杂剂。
在一些实施例中，光电二极管掺杂区的PD掺杂剂浓度大于半导体衬底322的掺杂剂浓度。在一些实施例中，光电二极管掺杂区的掺杂剂浓度沿着半导体衬底322的深度变动。例如，在一些实施例中，光电二极管掺杂区的浓度随着其进入半导体衬底322的深度增加(即，朝向背侧340)而减小。
任选隔离结构334、336对光电二极管324的至少部分及转移结构350定界以便将那些元件与其它像素元件(例如，邻近光电二极管)电/光隔离。在一些实施例中，隔离结构334、336由具有与光电二极管324相反且与半导体衬底322相同的导电类型的隔离阱区形成。在一些实施例中，隔离结构334、336是形成在半导体衬底322中的共同掺杂阱的部分，所述共同掺杂阱耦合到接地参考电压且具有至少与半导体衬底322一样高的掺杂剂浓度/剂量，例如掺杂有具有约E12/cm2数量级的剂量的掺杂剂。
在一些实施例中，隔离结构334、336形成在网格状互连沟槽结构中。在一些实施例中，隔离结构334、336由从半导体衬底322的背侧340朝向与背侧340相对的前侧338延伸的背侧深沟槽隔离结构形成，由此在光电二极管324与邻近光电二极管之间提供电及光学隔离。在所说明实施例中，隔离结构334、336完全从半导体衬底322的背侧340朝向前侧338延伸，由此提供光电二极管324与半导体衬底322内的邻近光电二极管之间的完全电隔离。然而，应明白，在一些实施例中，隔离结构334、336中的每一者部分地从半导体衬底322的背侧340朝向前侧338延伸，使得衬底区保持在隔离结构334、336中的每一者与半导体衬底322的前侧338之间。在一些实施例中，隔离结构334、336中的每一者包括至少部分地形成在植入掺杂阱区中的背侧深沟槽隔离结构。
转移结构350包含竖直沟道结构352及转移门354。在一些实施例中，转移门354与转移门254类似之处在于其是形成在半导体衬底322上的平面门电极。转移门354也可被称为平面转移门354且可互换地使用。在一些实施例中，转移结构350包含竖直沟道结构352但不包含转移门354。竖直沟道结构352是竖直地延伸到半导体衬底322中的一系列PN结，其可经偏置以选择性地形成将电荷载流子从光电二极管324载送到浮动扩散区326的沟道。平面转移门354形成在半导体衬底322的前侧338上(参见图3B)，可操作地耦合到竖直沟道结构352，且可经偏置(单独地或结合竖直沟道结构352)以便选择性地将电荷载流子从光电二极管324转移到浮动扩散区326(参见图3B)。下文描述每一特征。
仍参考图3A，竖直沟道结构352包含形成在半导体衬底322中及N型掺杂区360内的多个间隔开的P型掺杂区356、358，所述N型掺杂区自身形成在半导体衬底322中。如图3B及图3C中所展示，P型掺杂区356、358安置在光电二极管324与转移门354之间且在光电二极管324与浮动扩散区326之间。在一些实施例中，多个间隔开的P型掺杂区356、358包含两个此类区或由两个此类区组成以在积分周期期间完全耗尽N型掺杂区360；然而，其它实施例包含更大量间隔开的区，例如三个、四个或五个。在一些实施例中，P型掺杂区356、358彼此平行，例如，至少在平行于半导体衬底322的前侧338的水平方向及竖直方向上，例如在法向于半导体衬底322的前侧338的竖直平面中。
与包括具有竖直地延伸到半导体衬底中(例如，延伸到经蚀刻沟槽、柱或其它空隙中)的导电栅极材料的柱或单片栅极的传统竖直转移门不同，竖直沟道结构352不包含延伸到半导体衬底322中的任何导电栅极材料(尽管有接触件368、370，其可仅仅稍微延伸到半导体衬底322中)。这也适用于可操作地耦合在竖直沟道结构352与浮动扩散区326之间的平面转移门354(参见图3B)。
不同于延伸到半导体衬底322中的竖直导电栅极材料，本公开的竖直沟道结构352利用植入及掺杂的PN结来调节光电二极管324与浮动扩散区326之间的电荷载流子移动。即，竖直沟道结构352包含竖直地延伸到半导体衬底322中且形成在N型掺杂区360内的多个间隔开的P型掺杂区356、358。重申一下，竖直沟道结构352包含由N型掺杂区360在P型掺杂区356、358与半导体衬底322之间形成的多个PN结。这些结形成选择性的电荷载流子沟道且消除对常规竖直转移门的需要。有利地，不必在半导体衬底322中蚀刻将对半导体衬底322的晶格结构造成蚀刻损坏从而产生形成暗电流源的缺陷及陷阱位点的任何柱、支柱或单片沟槽。因而，可避免通常与竖直转移门相关联的蚀刻损坏且减少由此类结构引起的白色像素效应，同时使光电二极管324能够远离前侧表面338形成在半导体衬底322深处，由此抑制表面缺陷引发的白色像素问题且同时在像素320的可用区域内最大化光电二极管324的全阱容量。
每一P型掺杂区356、358可通过在N型掺杂区360内的两个或更多个位置处将P型植入物(例如，硼)植入到半导体衬底322中来形成。P型掺杂区356、358可横向地间隔开达约0.1um到约0.5um，例如约0.2um、约0.3um或约0.4um。应明白，在任何实施例中，P型掺杂区356、358之间的间距可小于或等于0.5um，例如以便完全耗尽N型掺杂区360的安置在所述P型掺杂区之间的部分。此外，每一P型掺杂区356、358具有高于光电二极管324的光电二极管掺杂区的PD掺杂剂浓度且高于N型掺杂区360的掺杂剂浓度的P型掺杂剂浓度，使得可例如在图像传感器的积分周期期间完全耗尽N型掺杂区360。每一P型掺杂区356、358的P型掺杂剂浓度低于浮动扩散区326的浓度。尽管P型掺杂剂浓度/剂量在实施例之间可能不同，但在一些实施例中，P型掺杂有具有约E13/cm2到约E14/cm2的剂量的掺杂剂。
每一P型掺杂区356、358从半导体衬底322的前侧338延伸到半导体衬底322内的约250nm到约800nm的结深Djl，且具有约0.1um到约0.5um的宽度。因此，P型掺杂区356、358形成在光电二极管324与浮动扩散区326之间且朝向光电二极管324竖直地延伸到半导体衬底322中。然而，P型掺杂区356、358终止于光电二极管324上方使得在光电二极管324与P型掺杂区356、358之间不存在直接接触。重申一下，在一些实施例中，每一间隔开的P型掺杂区356、358的远端357与光电二极管324间隔开。多个P型掺杂区356、358相对于彼此间隔开达约0.1um到约0.5um。
N型掺杂区360环绕每一P型掺杂区356、358且在P型掺杂区356、358之间以便在P型半导体衬底322与P型掺杂区356、358之间产生PN结。重申一下，N型掺杂区360具有完全形成在内部的P型掺杂区356、358，这防止P型掺杂区356、358与半导体衬底322之间的接触，由此避免短路。因此，N型掺杂区360植入及形成在半导体衬底322的前侧338表面下面且在光电二极管324与浮动扩散区326之间。N型掺杂区360进一步形成在光电二极管324与转移门354之间。N型掺杂区360从半导体衬底322的前侧338竖直地延伸到结深Dj2，所述结深Dj2大于P型掺杂区356、358相对于前侧338延伸到的结深Djl。在一些实施例中，N型掺杂区360跨越光电二极管324与转移门354之间的间距。在一些实施例中，N型掺杂区360的结深Dj2相对于前侧表面338在约300nm到约1000nm的范围内。在一些实施例中，从N型掺杂区360的结边缘到P型掺杂区356、358中的每一者的距离(即，Dj1与Dj2之间的差)是约0.1um到约0.5um。N型掺杂区360可与转移门354的靠近N型掺杂区360的边缘对准。在一个实施例中，转移门354与N型掺杂区360的一部分重叠。
N型掺杂区360可通过以低于P型掺杂区356、358的P型掺杂剂浓度但高于光电二极管324的PD掺杂剂浓度的N型掺杂剂浓度植入N型植入物(例如，磷或砷)来形成。因而，N型掺杂区360可在积分周期期间负偏置P型掺杂区356、358时被完全耗尽，且具有低于光电二极管324但高于浮动扩散区326的电势的电势，由此形成电荷载流子沟道，在电荷转移周期期间当转移门354被偏置为接通而P型掺杂区356、358以零偏置电压或若干零偏置电压偏置时，所述电荷载流子沟道允许经光生电荷流动。尽管N型掺杂剂浓度/剂量可在实施例之间变动，但在一些实施例中，用以掺杂P型掺杂区356、358的N型掺杂剂剂量是约E12/cm2到约E13/cm2。应明白，偏置电压，P型掺杂区356、358及N型掺杂区360的掺杂剂浓度以及N型掺杂区360的宽度可基于所需的光晕性能及转移效率来配置。
短暂地转向图3B及图3C，与P型掺杂区356、358(其未延伸得太深以便与光电二极管324进行接触)不同，N型掺杂区360从半导体衬底322的前侧338竖直地延伸到足以与光电二极管324进行接触的深度。在下文所描述的某些操作模式中，这使电荷载流子能够从光电二极管324转移到N型掺杂区360。
返回到图3A，N型掺杂区360的电荷载流子沟道区或沟道区362安置在P型掺杂区356、358之间。在某些操作状态(例如，积分周期)期间，当转移门354被关断时(例如，通过切断信号)，P型掺杂区356、358经偏置(例如，用负电压)以耗尽来自N型掺杂区360的沟道区362的自由电荷载流子，从而防止从光电二极管324的电荷载流子转移。在一些实施例中，在转移门354被关断之后同时偏置P型掺杂区356、358。然而，当转移门354被接通时(例如，在电荷转移周期期间)，使P型掺杂区356、358零偏置或接地使得沟道区362不再耗尽自由电荷载流子，且电荷载流子可从光电二极管324，例如沿着转移路径363经过N型掺杂区360的沟道区362、转移门354的沟道区，且到浮动扩散区326，其中转移门354的沟道区耦合到沟道区362且靠近半导体衬底322中的转移门354。在一些实施例中，转移门354的沟道区与光电二极管324与浮动扩散区326之间的沟道区362串联连接。在一些实施例中，N型掺杂区360的沟道区362从P型掺杂区356中的一者横向地延伸到另一P型掺杂区358。在一些实施例中，沟道区362在P型掺杂区356、358之间具有约0.1um到约1.0um，例如约0.2um、约0.3um、约0.4um、约0.5um、约0.6um、约0.7um、约0.8um或约0.9um的宽度。
接触区域364、366形成在P型掺杂区356、358中的每一者内。P型掺杂区356、358的接触区域364、366(分别)与导电迹线(或接触件)368、370连接，所述导电迹线邻近于前侧338，所述导电迹线又与共同金属互连件372电连通。金属互连件372可为第一金属层的部分且通过一或多个金属互连件可操作地与图像传感器的控制电路(例如，控制电路108)耦合。导电迹线368、370及金属互连件372可嵌入电介质材料层中使得金属互连件372与将转移门354连接到图像传感器的控制电路的接触件及金属互连结构电隔离。接触区域364、366是具有比P型掺杂区356、358的剩余部分更高的P型掺杂剂浓度\剂量的P型掺杂区。例如，在其中P型掺杂区356、358可掺杂有约E13到约E14/cm2的P型掺杂剂剂量的一些实施例中，接触区域364、366可掺杂有更大的P型掺杂剂剂量，例如大于约E14/cm2的掺杂剂剂量。
金属互连件372可由图像传感器或像素的控制电路电偏置以便耗尽N型掺杂区360的自由电荷载流子。偏置电压可取决于P型掺杂剂浓度、N型掺杂剂浓度及其它传感器操作参数(例如所需的光晕水平)而变动。然而，P型掺杂区356、358的代表性偏置电压可在从约-2.0V到约-0.5V、约-1.9V到约-0.6V、约-1.8V到约-0.7V、约-1.7V到约-0.8V、约-1.6V到约-0.9V、约-1.5V到约-1.0V、约-2.0V到约-1.0V、约-2.0V到约-1.5V、约-1.5V到约-0.5V或约-1.5V到约-1.0V的范围内。
转向图3B，形成在半导体衬底322的前侧338上的平面转移门354可经偏置以在半导体衬底322中靠近前侧338表面在沟道区362与浮动扩散区326之间形成沟道，使得平面转移门354的沟道串联地耦合到沟道区362且通过平面转移门354的沟道将电荷载流子从竖直沟道结构352的沟道区362转移到浮动扩散区326。
转移门354包括金属或多晶硅栅极部分，所述金属或多晶硅栅极部分形成在半导体衬底322的前侧338上沉积的隔离层374上。隔离层374由电介质材料形成，例如氧化硅或高k材料，例如具有大于约3.9的介电常数的材料(例如，Al2O3或HfO2)。在一些实施例中，隔离层374具有约到约/>的厚度。
在一些实施例中，转移门354包含安置在栅极部分周围的任选间隔件376。在一些实施例中，间隔件376基本上环绕栅极部分。在一些实施例中，间隔件376由与隔离层374类似的电介质材料形成。间隔件376可为由氧化物、氮化物或其组合形成的单层或多层堆叠结构。
在一些实施例中，光电二极管324的光电二极管掺杂区具有与N型掺杂区360相同的导电类型，当在垂直于半导体衬底的前表面338且垂直于平分多个间隔开的第一掺杂区356、358的平面(例如图3B的平面)的横截面中观察时，所述光电二极管掺杂区包含上部分325a及邻接所述上部分且从所述上部分延伸的下部分325b。下部分325b相对于前侧338具有比上部分325a更深的第一植入深度。在一些实施例中，邻近于转移结构350的光电二极管324的光电二极管掺杂区的上部分325a的掺杂剂浓度高于邻近于半导体衬底322的背侧340的光电二极管324的光电二极管掺杂区的下部分325b的浓度。在一些实施例中，光电二极管324的光电二极管掺杂区具有沿着半导体衬底322中的深度变动的梯度掺杂轮廓。上部分325a邻近于N型掺杂区360且与N型掺杂区360接触。下部分325b形成在竖直沟道结构352下方且与N型掺杂区360竖直地分开。在一些实施例中，光电二极管掺杂区的上部分325a在竖直方向上与N型掺杂区360的一部分重叠，使得在电荷转移周期期间电荷可从光电二极管掺杂区的上部分325a进入转移结构350的电荷载流子沟道362到浮动扩散区326。在一些实施例中，光电二极管324的任何部分均不与P型掺杂区356或358接触。在一些实施例中，光电二极管324的下部分在转移门354下延伸。
短暂地转向图3C，转移门354通过接触件378电连接到金属互连件380。金属互连件380可为第一金属层的部分且与金属互连件372电隔离。金属互连件380及金属互连件372可取决于布线布局而位于同一或不同金属层中。金属互连件380通过一或多个金属互连结构与图像传感器的控制电路可操作地耦合以取决于经接收转移信号或切断信号而选择性地将转移门354偏置为接通或关断。因此，转移门354可与转移结构350分开地偏置。
返回到图3B，浮动扩散区326形成为邻近转移门354的N型掺杂区。浮动扩散区326掺杂有FD掺杂剂浓度\剂量大于N型掺杂区360的N型掺杂剂浓度\剂量的N型掺杂剂。尽管FD掺杂剂浓度/剂量可在实施例之间变动，但在一些实施例中，FD掺杂剂剂量是约E15/cm2。浮动扩散区326与金属互连件344电连通(经由接触件342)。金属互连件344可为第一金属层的部分且与金属互连件372及金属互连件380电隔离。金属互连件344耦合到源极跟随器晶体管的栅极(例如，源极跟随器晶体管230的栅极SF)，所述源极跟随器晶体管基于从浮动扩散区326接收的电压来调制图像信号读出。
如上文所指出，光电二极管324的光电二极管掺杂区，P型掺杂区356、358及N型掺杂区360的相对掺杂剂浓度\剂量使能够成功地操作转移结构350。在一些实施例中，光电二极管324的光电二极管掺杂区的PD掺杂剂浓度\剂量小于N型掺杂区360的N型掺杂剂浓度\剂量及P型掺杂区356、358的P型掺杂剂浓度\剂量两者，而N型掺杂区360的N型掺杂剂浓度\剂量小于P型掺杂区356、358的P型掺杂剂浓度\剂量且小于浮动扩散区326的FD掺杂剂浓度\剂量。在一个此代表性实施例中，PD掺杂剂剂量是约E11/cm2-E12/cm2(例如，E12/cm2)，N型掺杂区360的N型掺杂剂剂量是约E12/cm2到约E13/cm2(例如，约E13/cm2)，P型掺杂区356、358的P型掺杂剂剂量是约E13/cm2到约E14/cm2(例如，约E14/cm2)，且浮动扩散区326的FD掺杂剂剂量是至少约E14/cm2(例如，约E15/cm2)。
一起转向图3B及图3C，现在将描述转移结构350的操作。
在像素320的积分周期期间，光电二极管324响应于所吸收入射光的量而在其电荷积累区中积累电荷载流子，且竖直沟道结构352及转移门354是由控制电路(例如，图1的控制电路108)偏置控制使得近似所有电荷载流子无法从光电二极管324移动通过转移结构350的沟道区。在实施例中，控制电路经由金属互连件372及接触件368、370将P型掺杂区356、358偏置到足以完全耗尽N型掺杂区360(即，安置在P型掺杂区356、358之间的区)的沟道区362中的自由电荷载流子的偏置电压。例如，在一些实施例中，控制电路(例如，图1的控制电路108)将约-2.0V到约-1V的偏置电压输出到P型掺杂区356、358。耗尽N型掺杂区360是由相对高于N型掺杂区360的P型掺杂区356、358的P型掺杂剂浓度\剂量促进。由于相对于光电二极管324的N型掺杂区360的较高N型掺杂剂浓度\剂量，N型掺杂区360的电势将减小到低于光电二极管324的电势的水平且防止电荷载流子从光电二极管324经过竖直沟道结构352。同样在积分周期期间，控制电路还可经由金属互连件380及接触件378负偏置(例如，约-0.5V到约-2V)转移门354，以将与转移门354相关联的沟道区的电势降低到低于N型掺杂区360的电势的水平，由此防止电荷载流子从竖直沟道结构352移动到浮动扩散区326的转移，且进一步引发富空穴区以钝化转移门354下的表面区，由此减少暗电流。在一些实施例中，在积分周期期间，控制电路可进一步调整施加到P型掺杂区356、358的偏置电压，从而调谐与N型掺杂区360相关联的沟道区362的电势以实现光电二极管324与浮动扩散区326之间的光晕路径，使得：(i)一或多个过量经光生电子可通过N型掺杂区360泄漏到浮动扩散区326从而防止光电二极管324饱和；以及(ii)防止过量经光生电子泄漏到邻近光电二极管324从而引起串扰。应明白，施加到P型掺杂区356、358的偏置电压可经配置以平衡光晕性能与光电二极管324的全阱容量，这是因为如果施加到P型掺杂区356、358的偏置电压足够不偏负，那么更多经积累的经光生电荷将从光电二极管324泄漏到浮动扩散区326从而影响光电二极管324的全阱容量。
在像素320的转移周期期间，由控制电路接通转移结构350及转移门354两者，即，由控制电路控制转移结构350以在P型掺杂区356、358之间形成电荷载流子沟道。特定来说，控制电路将零偏置电压输出到金属互连件372到P型掺杂区356、358使得N型掺杂区360允许电荷流过沟道区362。零偏置型掺杂区356、358又将N型掺杂区360的电势增加到高于光电二极管324的电势的水平。随后或基本上同时，由控制电路正偏置转移门354以产生电荷载流子沟道，所述电荷载流子沟道具有等于或高于半导体衬底322中位于转移门354下方的N型掺杂区360的电势的电势，转移门354电耦合到N型掺杂区360。这使电荷载流子能够从光电二极管324经过由竖直沟道结构352形成的电荷载流子沟道区362(所述电荷载流子沟道区形成在转移门354下面)，且到浮动扩散区326。
在不同的实施例中，可取决于应用而调整不同的掺杂剂浓度及偏置电压以调制光晕及电荷转移效率。然而，像素的不同元件之间的相对掺杂剂浓度在如上文所论述的实施例之间是恒定的。因此，本文中所提供的掺杂剂浓度及偏置电压是代表性的，而非限制性的。
因此，转移结构350使能够选择性地将电荷载流子从光电二极管324转移到浮动扩散区326。有利地，因为转移结构350在半导体衬底322中缺乏任何经蚀刻沟槽结构，所以其不会在半导体衬底322上产生表面缺陷。这避免了与已知竖直转移门相关联的白色像素及其它有害效应。为了澄清，在本文中所描述的实施例中的任一者中，转移门及竖直沟道结构均不包含延伸到半导体衬底322中的任何导电栅极材料，尽管有迹线及/或接触件。
对本发明的所说明实例的以上描述，包含摘要中所描述的内容，并不意在穷举性或将本发明限于所公开的精确形式。尽管本文中出于说明性目的而描述本发明的特定实例，但相关领域的技术人员将认识到，在本发明的范围内可进行各种修改。
可鉴于以上详细描述对本发明进行这些修改。随附权利要求书中所使用的术语不应被解释为将本发明限于本说明书中所公开的特定实例。相反，本发明的范围将完全由随附权利要求书确定，随附权利要求书将根据权利要求解释的既定原则来解释。

Claims (16)

1.一种像素，其包括：
光电二极管，其形成在半导体衬底中且具有带有PD掺杂剂浓度的光电二极管掺杂区，其中所述光电二极管具有第一导电类型，其中所述半导体衬底具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型；
浮动扩散区，其形成在所述半导体衬底中且具有所述第一导电类型的FD掺杂剂浓度，其中所述FD掺杂剂浓度高于所述PD掺杂剂浓度；及
转移结构，其选择性地将所述光电二极管耦合到所述浮动扩散区，其中所述转移结构包括：
转移门，其形成在所述半导体衬底上；及
竖直沟道结构，其包括形成在所述转移门与所述光电二极管之间的所述半导体衬底中的间隔开的第一掺杂区，其中每一间隔开的第一掺杂区以第一掺杂剂浓度掺杂有所述第二导电类型的第一型掺杂剂，其中所述间隔开的第一掺杂区形成在以第二掺杂剂浓度掺杂有所述第一导电类型的第二型掺杂剂的第二掺杂区中，其中所述第二掺杂剂浓度大于所述PD掺杂剂浓度，小于所述第一掺杂剂浓度，且小于所述FD掺杂剂浓度。
2.根据权利要求1所述的像素，其中所述第二掺杂区环绕所述间隔开的第一掺杂区。
3.根据权利要求1所述的像素，其中所述间隔开的第一掺杂区中的每一者从所述半导体衬底的前表面竖直地延伸到所述半导体衬底中，其中每一间隔开的第一掺杂区的远端与所述光电二极管间隔开。
4.根据权利要求3所述的像素，其中所述第二掺杂区从所述半导体衬底的所述前表面竖直地延伸到所述半导体衬底中且与所述光电二极管重叠。
5.根据权利要求1所述的像素，其中在垂直于所述半导体衬底的所述前表面且垂直于平分所述间隔开的第一掺杂区的平面的横截面中，其中所述光电二极管的所述光电二极管掺杂区包括：
上部分，其邻近于所述第二掺杂区的远端；及
下部分，其邻接所述上部分且从所述上部分延伸；
其中所述上部分接触所述第二掺杂区。
6.根据权利要求1所述的像素，其中所述间隔开的第一掺杂区彼此平行。
7.根据权利要求6所述的像素，其中所述间隔开的第一掺杂区间隔开达约0.1um到约0.5um。
8.根据权利要求1所述的像素，其中所述转移结构进一步包括在所述半导体衬底的表面处与所述间隔开的第一掺杂区中的每一者电连通的导电接触件。
9.根据权利要求8所述的像素，其中所述间隔开的第一掺杂区中的每一者具有邻近所述半导体衬底的所述表面安置且具有接触掺杂剂浓度的接触区，其中所述接触掺杂剂浓度大于所述间隔开的第一掺杂区的所述第一掺杂剂浓度。
10.根据权利要求8所述的像素，其中所述接触件经由多个导电接触件与所述间隔开的第一掺杂区中的每一者电连通。
11.根据权利要求8所述的像素，其中所述转移结构进一步包括与所述转移门电连通的第二接触件。
12.根据权利要求1所述的像素，其中所述转移门是安置在所述半导体衬底的表面上的平面转移门，其中所述转移门选择性地通过所述第二掺杂区耦合到所述光电二极管且耦合到所述浮动扩散区。
13.根据权利要求1所述的像素，其中所述转移门及所述竖直沟道结构均不包含延伸到所述半导体衬底中的任何导电栅极材料。
14.一种图像传感器，其包括：
根据权利要求1所述的多个像素，其中每一像素通过形成在所述半导体衬底中的隔离结构与所述多个像素中的邻近像素分开；及
控制电路，其可操作地耦合到所述多个像素中的每一像素，所述控制电路经配置以控制所述多个像素。
15.根据权利要求14所述的图像传感器，其中所述控制电路包括经配置以对于每一像素进行以下操作的逻辑：
在积分周期期间施加切断信号以关断所述转移门；及
当所述转移门关断时负偏置所述间隔开的第一掺杂区，由此在所述积分周期期间完全耗尽安置在所述间隔开的第一掺杂区之间的所述第二掺杂区的沟道区的自由电荷载流子。
16.根据权利要求15所述的图像传感器，其中所述控制电路进一步包括经配置以对于每一像素进行以下操作的逻辑：
在曝光周期期间施加转移信号以接通所述转移门；及
当所述转移门接通时将所述多个间隔开的第一掺杂区接地，由此在所述曝光周期期间通过所述转移门将电荷载流子从所述光电二极管转移到所述浮动扩散区。
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