CN116632018A - 图像传感器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种图像传感器。图像传感器包括：光电转换区，在半导体衬底中；光电荷收集区，设置在光电转换区中；浮动扩散区，在半导体衬底中，沿竖直方向与光电荷收集区间隔开；电荷倍增区，在光电荷收集区与浮动扩散区之间；以及竖直栅电极，延伸到半导体衬底中并在沿竖直方向观察时与光电荷收集区重叠。竖直栅电极的侧表面与浮动扩散区和电荷倍增区相邻。

Description

图像传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2022年2月18日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2022-0021567的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及一种图像传感器，更具体地，涉及一种利用雪崩现象的图像传感器。
背景技术
图像传感器可以是用于将光学图像转换为电信号的电子设备。随着计算机和通信行业的发展，高性能图像传感器已越来越多地应用于各种设备中，诸如数码相机、摄像机、个人通信系统(PCS)、游戏机、监控摄像头和医用微相机。此外，已经开发了用于实现三维图像以及彩色图像的图像传感器(例如，使用飞行时间(ToF)的距离传感器)。
发明内容
一个或多个实施例提供了一种具有高可靠性、高灵敏度和小尺寸的图像传感器。
根据实施例的一方面，图像传感器包括：光电转换区，在半导体衬底中；光电荷收集区，设置在光电转换区中；浮动扩散区，在半导体衬底中，沿竖直方向与光电荷收集区间隔开；电荷倍增区，在光电荷收集区与浮动扩散区之间；以及竖直栅电极，延伸到半导体衬底中并在沿竖直方向观察时与光电荷收集区重叠。竖直栅电极的侧表面与浮动扩散区和电荷倍增区相邻。
根据实施例的一方面，图像传感器包括：半导体衬底，具有第一导电类型；光电转换区，具有第二导电类型并设置在半导体衬底中；光电荷收集区，具有第二导电类型并设置在光电转换区中；浮动扩散区，具有第二导电类型并沿竖直方向与光电荷收集区间隔开；电荷倍增区，具有第一导电类型并设置在光电荷收集区与浮动扩散区之间；竖直栅电极，延伸到半导体衬底中，在沿竖直方向观察时与光电荷收集区重叠并围绕浮动扩散区和电荷倍增区；以及阳极区，具有第一导电类型并在竖直栅电极之外设置在半导体衬底中。
根据实施例的一方面，图像传感器包括：半导体衬底，具有第一导电类型；像素隔离结构，在半导体衬底中限定多个像素区；在多个像素区中的每一个像素区中设置在半导体衬底中的光电转换区，其包括具有第二导电类型的掺杂剂；光电荷收集区，具有第二导电类型并设置在光电转换区中；浮动扩散区，具有第二导电类型，在多个像素区中的每一个像素区中与半导体衬底的第一表面相邻并沿竖直方向与光电荷收集区间隔开；电荷倍增区，具有第一导电类型并设置在光电荷收集区与浮动扩散区之间；竖直栅电极，延伸到半导体衬底中，在沿竖直方向观察时与光电荷收集区重叠并围绕浮动扩散区和电荷倍增区；阳极区，具有第一导电类型并在竖直栅电极之外设置在半导体衬底中；以及多个微透镜，设置在半导体衬底的第二表面上，并分别设置在多个像素区上。
附图说明
根据以下结合附图对实施例的描述，上述和其他的方面以及特征将更加明显，其中：
图1是示出了根据一些实施例的图像传感器系统的示意图。
图2是示出了根据一些实施例的图像传感器的框图。
图3是示出了根据一些实施例的图像传感器的示意性平面图。
图4是示出了根据一些实施例的图像传感器的一部分的平面图。
图5是沿图4的线A-A′截取的截面图，示出了根据一些实施例的图像传感器。
图6是用于说明根据一些实施例的图像传感器的操作的示意图。
图7是示出了根据一些实施例的图像传感器的示意性截面图。
图8A和图8B是用于说明图7的图像传感器的操作的时序图。
图9是示出了根据一些实施例的图像传感器的截面图。
图10、图11和图12是示出了根据一些实施例的图像传感器的截面图。
图13、图14、图15和图16是示出了根据一些实施例的图像传感器的截面图。
图17和图18是示出了根据一些实施例的图像传感器的平面图。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述示例实施例。这里描述的实施例是作为示例提供的，因此，本公开不限于此，并且可以以各种其他形式来实现。以下描述中提供的每个实施例不排除与也在本文中提供的或未在本文中提供但与本公开一致的另外的示例或另外的实施例的一个或多个特征相关联。将理解的是，当一元件或层被称为在另一元件或层“上”、“连接到”或“耦接到”另一元件或层时，其可以直接在该另一元件或层上、直接连接到或耦接到该另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当一元件被称为“直接在”另一元件或层“上”、“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件或层时，不存在中间元件或层。诸如“……中的至少一个”之类的表述当在元件列表之前时修饰整个元件列表，而不是修饰列表中的单独元件。例如，表述“a、b和c中的至少一个”应该理解为仅包括a、仅包括b、仅包括c、包括a和b两者、包括a和c两者、包括b和c二者、或包括全部a、b和c。
图1是示出了根据一些实施例的图像传感器系统的示意图。
参照图1，根据一些实施例的图像传感器系统1000可以将光照射到对象1300，并且可以感测从对象1300反射的光以检测对象1300的光学深度或距离。图像传感器系统1000可以包括用于将光照射到对象1300(其与目标相对应)的光源1100，以及用于感测从对象1300反射的光的图像传感器1200。
光源1100可以将脉冲形式的光信号照射到对象1300。例如，光源1100可以使用红外光、微波、光波或超声波。根据一些实施例，发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、或有机发光二极管(OLED)可被用作光源1100。
图像传感器1200可以感测从对象1300反射的光，并且基于感测到的光输出关于对象1300的光学深度信息。图像传感器1200可以包括雪崩光电二极管(APD)或单光子雪崩二极管(SPAD)。图像传感器1200可以检测当发生雪崩放大时电流瞬时流动的时间，从而高精度地测量光学深度或距离。
从图像传感器1200获得的光学深度信息可被用于实现三维图像。图像传感器1200可以是红外光相机。此外，还可以使用图像传感器1200获得三维彩色图像，并且该三维彩色图像可以包括深度像素和可见光像素。
图2是示出了根据一些实施例的图像传感器的框图。
参照图2，图像传感器可以包括：有源像素传感器阵列1、行解码器2、行驱动器3、列解码器4、定时发生器5、相关双采样器(CDS)6、模数转换器(ADC)7、和输入/输出缓冲器(I/O缓冲器)8。
有源像素传感器阵列1可以包括二维布置的多个单位像素。每个单位像素可以将光信号转换成电信号。每个单位像素可以包括单个光电探测器和控制晶体管。
行驱动器3可以根据在行解码器2中解码出的信号，向有源像素传感器阵列1提供用于驱动多个单位像素的多个驱动信号。当单位像素是按矩阵形式布置排列的时，驱动信号可被分别提供给矩阵的各行。
定时发生器5可以向行解码器2和列解码器4提供定时信号和控制信号。
相关双采样器6可以接收有源像素传感器阵列1产生的电信号，并且可以对接收到的电信号进行保持和采样。相关双采样器6可以对特定噪声电平和电信号的信号电平进行双采样，并且可以输出与噪声电平与信号电平之间的差相对应的差分电平。
模数转换器7可以将与从相关双采样器6输出的差分电平相对应的模拟信号转换为数字信号，并且可以输出该数字信号。
I/O缓冲器8可以锁存数字信号，并且可以根据在列解码器4中解码出的信号，向图像信号处理器顺序输出锁存的数字信号。
图3是示出了根据一些实施例的图像传感器的示意性平面图。
参照图3，图像传感器可以包括像素阵列区R1和焊盘区R2。
在彼此相交的第一方向D1和第二方向D2上二维布置的多个单位像素P可以设置在像素阵列区R1中。可以从像素阵列区R1的每个单位像素P输出基于入射光而产生的电信号。
在一些实施例中，每个单位像素P可以包括光电探测器和控制晶体管。在一些实施例中，光电探测器可以包括单光子雪崩二极管(SPAD)或雪崩光电二极管(APD)。当在远大于击穿电压的电压被施加到每个单位像素P的雪崩光电二极管的状态下一个光子进入处于高压电场的PN结区域时，可能发生雪崩放大，这允许检测电流瞬时流动的时间并将其用于高精度地测量距离。
在平面图中，焊盘区R2可以围绕像素阵列区R1以有利于与外部设备的电连接。用于输入/输出控制信号和光电信号的多个导电焊盘CP可以设置在焊盘区域R2中。从单位像素P产生的电信号可以通过导电焊盘CP输出到外部设备。由外部设备提供的控制信号可以通过导电焊盘CP提供给单位像素P。
图4是示出了根据一些实施例的图像传感器的一部分的平面图。图5是沿图4的线A-A′截取的截面图，示出了根据一些实施例的图像传感器。
参照图4和图5，图像传感器可以包括多个像素区PR，并且可以在每个像素区PR中设置单个控制晶体管和单个光电检测器。
半导体衬底100可以具有彼此相对的第一表面(或前表面)100a和第二表面(或后表面)100b。例如，半导体衬底100可以包括半导体材料或化合物半导体材料，其包括硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、铟镓砷(InGaAs)、镓磷(GaP)或铟磷(InP)。
例如，半导体衬底100可以是其中具有第一导电类型(例如，p型)的外延层形成在具有第一导电类型的体硅衬底上的衬底，并且可以是具有通过在制造图像传感器的过程中去除体硅衬底而保留的p型外延层的衬底。或者，半导体衬底100可以是包括具有第一导电类型的阱的块体半导体衬底。
在半导体衬底100中可以设置像素隔离结构PIS以限定多个像素区PR。像素区PR可以按彼此相交的第一方向D1和第二方向D2进行布置。
像素隔离结构PIS可以从半导体衬底100的第一表面100a竖直延伸到半导体衬底100的第二表面100b。像素隔离结构PIS可以包括在第一方向D1上彼此平行地延伸的第一部分，以及与第一部分相交并在第二方向D2上彼此平行地延伸的第二部分。
像素隔离结构PIS可以在垂直于半导体衬底100的表面(例如，第一表面100a或第二表面100b)的方向(即，第三方向D3)上具有一长度。像素隔离结构PIS的长度可以基本等于半导体衬底100的竖直厚度。
像素隔离结构PIS可以包括衬垫绝缘图案101、导电图案103和填充绝缘图案105。
衬垫绝缘图案101可以设置在导电图案103与半导体衬底100之间。衬垫绝缘图案101可以与半导体衬底100直接接触。衬垫绝缘图案101可以包括具有比半导体衬底100的折射率低的折射率的材料。例如，衬垫绝缘图案101可以包括硅基绝缘材料(例如，氮化硅、氧化硅和/或氮氧化硅)和/或高k介电材料(例如，氧化铪和/或氧化铝)。例如，衬垫绝缘图案101可以包括多个层，并且这些层可以包括不同的材料。
导电图案103可以包括诸如多晶硅的晶体半导体材料。例如，导电图案103还可以包括掺杂在半导体材料中的掺杂剂，并且掺杂剂可以具有第一导电类型或第二导电类型。导电图案103可以包括未掺杂的多晶硅、掺杂的多晶硅、金属(例如，钨(W))、空气或以上的任何组合。在一些实施例中，可以向导电图案103施加负偏压，这可以减少在像素隔离结构PIS与半导体衬底100之间的边界处产生的暗电流。
填充绝缘图案105可以设置在导电图案103的顶表面上，并且填充绝缘图案105的顶表面在第三方向D3上可以位于与半导体衬底100的第一表面100a基本相同的水平面上。填充绝缘图案105可以包括氧化硅层、氮氧化硅层、或氮化硅层中的至少一种。
光电检测器和控制晶体管可以设置在每个像素区PR的中心部分中。在一些实施例中，光电探测器可以是雪崩光电二极管(APD)或单光子雪崩二极管(SPAD)。
详细地，光电探测器可以包括具有第一导电类型或第二导电类型的光电转换区110、具有第二导电类型的光电荷收集区130、具有第二导电类型的浮动扩散区FD、在光电荷收集区130与浮动扩散区FD之间的电荷倍增区120a、以及阳极区120b。
在每个像素区PR中，光电转换区110可以设置在半导体衬底100中。光电转换区110可以具有与半导体衬底100相同的导电类型(即，第一导电类型)，或者可以具有与半导体衬底100的第一导电类型不同的第二导电类型。例如，半导体衬底100可以是p型，而光电转换区110可以包括n型掺杂剂。可以通过入射在半导体衬底100的第二表面100b上的光在光电转换区110中产生光电荷。
在每个像素区PR中，阳极区120b可以设置在光电转换区110上。阳极区120b可以包括具有第一导电类型(例如，p型)的掺杂剂。
为了有效地收集光电荷，光电荷收集区130可以局部地设置在每个像素区PR中的光电转换区110中。光电转换区110可以吸收光，并且基于吸收的光产生光电荷。可以通过将具有与半导体衬底100的第一导电类型不同的第二导电类型的掺杂剂离子注入到半导体衬底100中来形成光电荷收集区130。例如，光电荷收集区130可以是p型衬底100内的n型掺杂区。具有第二导电类型的光电荷收集区130可以与具有第一导电类型的电荷倍增区120a形成PN结。光电荷收集区130中的掺杂剂浓度可以大于光电转换区110中的掺杂剂浓度。
浮动扩散区FD可以与光电荷收集区130沿竖直方向(即，沿第三方向D3)间隔开，并且可以设置在半导体衬底100中。浮动扩散区FD可以设置为雪崩二极管的阴极电极。在沿竖直方向观察时浮动扩散区FD可以与光电荷收集区130的一部分重叠。可以通过离子注入具有与半导体衬底100的第一导电类型不同的第二导电类型的掺杂剂来形成浮动扩散区FD。例如，浮动扩散区FD可以是n型掺杂区。当图像传感器操作时，可以从浮动扩散区FD输出像素信号，或者可以向浮动扩散区FD施加复位电压。
电荷倍增区120a可以设置在光电荷收集区130与浮动扩散区FD之间。电荷倍增区120a可以包括具有第一导电类型的掺杂剂。
在每个像素区PR中，控制晶体管可以包括竖直栅电极TG。控制晶体管可以具有在电荷倍增区120a中的与竖直栅电极TG的侧表面相邻的沟道。当图像传感器操作时，可以向竖直栅电极TG施加导通电压或截止电压。
竖直栅电极TG可以设置在从半导体衬底100的第一表面100a凹陷的竖直沟槽中。竖直栅电极TG可以具有插入在半导体衬底100中的结构。竖直栅电极TG可以将阳极区120b和浮动扩散区FD彼此隔离和分离。浮动扩散区FD可以设置在竖直栅电极TG内部，并且阳极区120b可以设置在竖直栅电极TG外部。竖直栅电极TG的底表面可以位于比半导体衬底100的第一表面100a低的水平面上，并且可以与光电荷收集区130相邻。
竖直栅电极TG可以包括设置在形成于半导体衬底100的第一表面100a中的沟槽中的下部，以及连接到所述下部并在半导体衬底100的第一表面100a上方突出的上部。竖直栅电极TG可以在基本垂直于半导体衬底100的第一表面100a的方向上形成沟道。
竖直栅电极TG可以设置在光电荷收集区130上。此外，当在平面图中观察时，竖直栅电极TG可以与光电荷收集区130重叠。
例如，当在平面图中观察时，竖直栅电极TG可以具有闭合曲线形状(即，环形形状或管形形状)。栅电极TG可以在其中心部分具有与空的空间相对应的开口(即，中空区域)。在一些实施例中，当在平面图中观察时，竖直栅电极TG可以具有在其中心部分具有开口的圆形、四边形或多边形形状。具有环形形状的竖直栅电极TG的直径R可以基本等于或大于光电荷收集区130的直径。
竖直栅电极TG可以将电荷倍增区120a和阳极区120b彼此隔离和分离。例如，电荷倍增区120a可以设置在竖直栅电极TG内部，而阳极区120b可以设置在竖直栅电极TG外部。
当在平面图中观察时，竖直栅电极TG可以围绕浮动扩散区FD和电荷倍增区120a。在这点上，浮动扩散区FD可以设置在竖直栅电极TG的开口中。
栅极绝缘层GIL可以设置在竖直栅电极TG与半导体衬底100之间。栅极绝缘层GIL可以共形地围绕半导体衬底100中的竖直栅电极TG的底表面和两侧表面。例如，栅极绝缘层GIL可以由氧化硅层、氮氧化硅层、具有高于氧化硅层的介电常数的高k介电层或其任意组合形成。
间层绝缘层140可以覆盖半导体衬底100的第一表面100a上的竖直栅电极TG。连接到浮动扩散区FD的第一接触插塞141、第二接触插塞142、以及连接到与阳极区120b连接的竖直栅电极TG的第三接触塞143可以设置在间层绝缘层140中。
金属线可以设置在间层绝缘层140上，并且第一接触插塞至第三接触插塞141、142和143可以连接到金属线。
表面绝缘层310可以设置在半导体衬底100的第二表面100b上。表面绝缘层310可以包括固定电荷层、抗反射层和平坦化层。固定电荷层可以防止因半导体衬底100的第二表面100b处存在的缺陷产生的电荷(即，电子或空穴)移动到光电转换区110中。例如，固定电荷层可以包括金属氧化物或金属氟化物，包括以下中的至少一种：铪(Hf)、锆(Zr)、铝(Al)、钽(Ta)、钛(Ti)、钇(Y)镧系元素(例如，La)。抗反射层可以防止入射在半导体衬底100上的光在半导体衬底100的第二表面100b处被反射，并且可以由具有比半导体衬底100的折射率低的折射率的材料形成。例如，抗反射层可以包括氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)和/或氧化锶钛(STO)。平坦化层可以由绝缘材料(例如，氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)和/或氮氧化硅(SiON))、和/或有机材料(例如，树脂)形成。
微透镜320可以设置在表面绝缘层310上，分别对应于像素区PR。每个微透镜320可以具有凸起形状，并且可以具有特定的曲率半径。微透镜320可以由透光树脂形成。
图6是用于解释根据一些实施例的图像传感器的操作的示意图。
参照图5和图6，在根据实施例的图像传感器的操作中，可以向阳极区120b施加高的负电压(约-6V至约-10V)，并且可以向浮动扩散区FD施加高的正电压(约+6V至约+10V)。当在这些电压条件(其中，在阳极区和浮动扩散区之间施加反向电压)下向竖直栅电极TG施加导通电压时，可以在电荷倍增区120a中形成高压电场。此时，当光子入射在光电转换区110上时，由入射光子产生的电子在经由光电荷收集区130穿过电荷倍增区120a时可以产生碰撞电离(即，产生电子-空穴对)。在这点上，基于入射光产生的载流子(电子或空穴)和由碰撞电离产生的电子和空穴可以相互碰撞以在光电荷收集区130和浮动扩散区FD之间产生大量载流子。因此，入射在光电转换区110的单个光子可以触发雪崩击穿，从而产生可测量的电流脉冲。产生的电流可以通过浮动扩散区FD输出。此外，可以通过读出电路检测电流瞬时流动的时间，从而可以高精度地测量距离。根据实施例，当向竖直栅电极TG施加导通电压时，雪崩现象可以仅在短时间内发生，从而减少了暗电流。
在输出由单个光子产生的电流之后，可以向竖直栅电极TG施加截止电压，并且可以向浮动扩散区FD施加复位电压(例如，约2.8V)以释放剩余电荷。因此，可以防止在控制晶体管截止时出现暗电流。
图7是示出了根据一些实施例的图像传感器的单位像素的示意性截面图。为了便于解释，上文描述过的组件将由相同的参考标号表示，并且将省略或简要提及对其的描述。
每个单位像素可以包括读出电路。参照图7，读出电路可以包括复位晶体管RX、源极跟随器晶体管SF、和选择晶体管SX。在一些实施例中，每个单位像素的读出电路可以设置在单独的半导体衬底上。具体地，图像传感器可以具有这样的结构：包括光电探测器(即，雪崩光电二极管)的第一芯片通过焊盘BP1和BP2直接焊接到包括读出电路的第二芯片。
更具体地，第一焊盘BP1可以电连接到浮动扩散区FD，并且复位晶体管RX的漏极端子可以电连接到第二焊盘BP2。第二焊盘BP2可以与第一焊盘BP1接合。在第一焊盘BP1和第二焊盘BP2由铜(Cu)形成的情况下，接合方法可以是Cu-Cu接合方法，并且例如，第一焊盘BP1和第二焊盘BP2可以由铝(Al)或钨(W)形成。
复位晶体管RX可以根据施加到复位栅电极的复位信号RG来周期性地复位在浮动扩散区FD中积累的电荷。复位晶体管RX的漏极端子可以连接到浮动扩散区FD，并且复位晶体管RX的源极端子可以连接到像素复位电压VDD2。当复位晶体管RX导通时，连接到复位晶体管RX的源极端子的像素复位电压VDD2可被发送到浮动扩散区FD。因此，当复位晶体管RX导通时，在浮动扩散区FD中积累的电荷可被释放并且浮动扩散区FD可被复位。在一些实施例中，像素复位电压VDD2可以是约6V或大于6V的高电压，并且像素电源电压VDD1可以是例如约3V。
源极跟随器晶体管SF可以是源极跟随器缓冲放大器，其可以产生与在浮动扩散区FD中积累的电荷量成比例的源-漏电流并且将其提供给源极跟随器栅电极。源极跟随器晶体管SF可以放大浮动扩散区FD中的电势变化，并且可以通过选择晶体管SX向输出线Vout输出放大的信号。源极跟随器晶体管SF的源极端子可以连接到像素电源电压VDD1，并且源极跟随器晶体管SF的漏极端子可以连接到选择晶体管SX的源极端子。在一些实施例中，可以向源极跟随器晶体管SF的栅电极施加与高电压相对应的像素复位电压VDD2，因此源极跟随器晶体管SF可以是包括厚的栅极绝缘层的高电压晶体管。
选择信号SEL可以选择每行要读取的单位像素。可以向行中的每个单位像素的选择晶体管SX提供选择信号SEL。当选择晶体管SX由施加到选择栅电极的选择信号SEL导通时，从源极跟随器晶体管SF的漏极端子输出的电信号可被输出到输出线Vout。
图8A和图8B是用于说明图7的图像传感器的操作的时序图。为了便于解释，上文描述过的组件将由相同的参考标号表示，并且将省略或简要提及对其的描述。
参照图8A，单位像素的操作可以包括：光积分模式(或有效积分时间)EIT，在该模式中收集关于对象(或主题)的图像的信息；以及，读出模式RO，在该模式中输出作为电信号的关于对象的图像的信息。
在光积分模式EIT和读出模式RO期间，可以施加约6V的高电压作为像素复位电压VDD2。在这点上，可以在光积分模式EIT和读出模式RO期间向复位晶体管RX的源极端子施加高电压。可以在复位了光电荷收集区130和浮动扩散区FD之后执行光积分模式EIT。
可以通过向复位晶体管RX的栅电极施加导通电压来复位浮动扩散区FD。可以在光电荷被积分之后且在施加到竖直栅电极TG的控制信号TGS被再次激活之前复位浮动扩散区FD。在读出模式RO中，可以在紧接在复位信号RG被去激活之后的第一时段T1期间检测浮动扩散区FD的复位电势，因此可以输出浮动扩散复位信号。此后，当控制信号TGS被激活(即，导通电压被施加到竖直栅电极TG)时，可能会发生雪崩现象，并且在紧接在控制信号TGS被去激活之后的第二时段T2期间可以输出像素信号。
在一些实施例中，为了引发雪崩现象，可以向阳极区120b施加负电压或者可以向浮动扩散区FD施加高电压。例如，当大约-6V或小于-6V的电压被施加到阳极区120b并且控制信号TGS被去激活(即，截止电压被施加到竖直栅电极TG)时，光电荷收集区130可以与浮动扩散区FD电隔离，并且阳极区120b的电势可被发送到光电荷收集区130，因此不会发生雪崩现象。当向阳极区120b施加0V时，每个单位像素可以在非雪崩模式下操作，起到普通光电二极管的作用。
例如，即使施加约6V或大于6V的高电压作为像素复位电压VDD2，当向竖直栅电极TG施加截止电压时，在光电荷收集区130中也不会发生雪崩现象。当施加与像素电源电压VDD1相同的电压(例如，约3V)作为像素复位电压VDD2时，每个单位像素可以在非雪崩模式下操作，起到普通光电二极管的作用。
根据实施例，如图8B所示，在光积分模式EIT期间可以施加约3V的低电压作为像素复位电压VDD2，而在读出模式RO期间可以施加约6V的高电压作为像素复位电压VDD2。因此，在光积分模式EIT期间可以向复位晶体管RX的源极端子施加低电压，而在读出模式RO期间可以向复位晶体管RX的源极端子施加高电压。在这些条件下，在读出模式RO中，可以在紧接在复位信号RX被去激活之后的第一时段T1期间检测浮动扩散区FD的复位电势，因此可以输出浮动扩散复位信号。此后，当控制信号TGS被激活(即，导通电压被施加到竖直栅电极TG)时，可能会发生雪崩现象，而在紧接在控制信号TGS被去激活之后的第二时段T2期间可以输出像素信号。
图9是示出了根据一些实施例的图像传感器的截面图。
参照图9，图像传感器可以具有芯片到芯片(C2C)结构。C2C结构可以通过下述方式来制造：在第一半导体衬底(或第一晶片)100上制造包括光电转换元件的第一芯片C1，在不同于第一半导体衬底100的第二半导体衬底200(或第二晶片)上制造包括读出电路的第二芯片C2，并通过接合方法将第一芯片C1和第二芯片C2彼此连接。例如，接合方法可以表示将形成在第一芯片C1的最上金属层中的第一焊盘BP1电连接且物理连接到形成在第二芯片C2的最上金属层中的第二焊盘BP2的方法。
更具体地，第一芯片C1可以具有与前述图像传感器相同的技术特征。在这点上，如上所述，第一芯片C1可以在每个像素区PR中包括：具有第一导电类型或第二导电类型的光电转换区110、具有第二导电类型的光电荷收集区130、具有第二导电类型的浮动扩散区FD、光电荷收集区130与浮动扩散区FD之间的电荷倍增区120a、阳极区120b和竖直栅电极TG。此外，图像传感器的第一芯片C1可以包括设置在其最上金属层中的第一焊盘BP1。第一焊盘BP1可以具有与第一芯片C1的最上第一绝缘层140的表面共面的表面。第一焊盘BP1可以通过互连线和接触插塞电连接到竖直栅电极TG、浮动扩散区FD、和阳极区120b。
第二芯片C2可以包括第二半导体衬底200、读出电路LC、连接到读出电路LC的接触插塞211、互连线213、和第二绝缘层210。此外，第二芯片C2可以包括设置在读出电路的最上金属层中的第二焊盘BP2。例如，第一焊盘BP1和第二焊盘BP2可以包括钨(W)、铝(Al)、铜(Cu)、氮化钨(WN)、氮化钽(TaN)、或氮化钛(TiN)中的至少一种。
第二焊盘BP2可以通过混合接合方法直接电连接到第一焊盘BP1。混合接合可以表示包括同种材料的两个组件在它们的界面处熔接在一起。例如，在第一焊盘BP1和第二焊盘BP2由铜(Cu)形成的情况下，第一焊盘BP1和第二焊盘BP2可以通过铜(Cu)-铜(Cu)接合方法彼此物理连接和电连接。此外，第一芯片C1的最上第一绝缘层140的表面可以通过介电材料-介电材料接合方法来接合到第二芯片C2的最上第二绝缘层210的表面。
图10、图11和图12是示出了根据一些实施例的图像传感器的截面图。在下文中，将省略或简要提及与上文提供过的描述相对应的描述。
参照图10、图11和图12，如上所述，图像传感器可以包括由设置在半导体衬底100中的像素隔离结构PIS限定的像素区PR。
如图10所示，像素隔离结构可以是形成在半导体衬底100中的具有第一导电类型的掺杂区102，并且可以通过将具有第一导电类型的掺杂剂离子注入到半导体衬底100中而形成。例如，可以通过将具有第一导电类型的掺杂剂离子注入到半导体衬底100的第一表面100a或第二表面100b中来形成像素隔离结构。
像素隔离结构可以是具有第一导电类型和高浓度的掺杂区102，因此可以在像素区PR之间形成高势垒。
如图11所示，像素隔离结构可以由具有比半导体衬底(例如，硅)100的折射率低的折射率的绝缘材料102形成并且可以包括一个或多个绝缘层。例如，像素隔离结构可以包括氧化硅层和/或氮化硅层。半导体衬底100的第一表面100a和/或第二表面100b可以被图案化以形成深沟槽，然后可以用绝缘材料填充深沟槽以形成像素隔离结构。
如图11所示，像素隔离结构可以竖直延伸完全穿过半导体衬底100。然而，实施例不限于此，像素隔离结构可以穿入半导体衬底100的一部分。例如，像素隔离结构的竖直厚度可以基本等于半导体衬底100的竖直厚度。
像素隔离结构可以在与半导体衬底100的第一表面100a相邻处具有第一宽度而在与半导体衬底100的第二表面100b相邻处具有第二宽度，并且第一宽度可以大于第二宽度，反之亦然。从半导体衬底100的第一表面100a到第二表面100b，像素隔离结构的宽度可以逐渐变小。
如图12所示，像素隔离结构PIS可以从半导体衬底100的第二表面100b向第一表面100a延伸。从半导体衬底100的第二表面100b到第一表面100a，像素隔离结构PIS的宽度可以逐渐减小。像素隔离结构PIS可以竖直穿入半导体衬底100的一部分并且可以与半导体衬底100的第一表面100a沿竖直方向间隔开。
像素隔离结构PIS可以包括衬垫绝缘图案101和导电图案103。这里，导电图案103可以具有与半导体衬底100的第二表面100b共面的表面。
图13、图14、图15和图16是示出了根据一些实施例的图像传感器的截面图。在下文中，将省略或简要提及与上文提供过的描述相对应的描述。
根据实施例，如图13和图14所示，竖直栅电极TG可以完全埋入半导体衬底100中以控制发生雪崩现象的位置。在这点上，竖直栅电极TG可以如上所述在平面图中具有环形形状并且可以完全被栅极绝缘层GIL围绕。参照图13，在竖直栅电极TG的顶表面上的栅极绝缘层GIL在第三方向D3上的厚度可以大于在竖直栅电极TG的底表面下的栅极绝缘层GIL在第三方向D3上的厚度。此外，浮动扩散区FD可以被栅极绝缘层GIL围绕。或者，如图14所示，在竖直栅电极TG的底表面下的栅极绝缘层GIL的厚度可以大于在竖直栅电极TG的侧表面上的栅极绝缘层GIL的厚度。在这种情况下，竖直栅电极TG的侧表面的一部分可以与电荷倍增区120a相邻。
根据实施例，如图15所示，在沿第三方向D3观察时竖直栅电极TG可以与除光电荷收集区130之外的整个光电转换区110重叠。可以在竖直栅电极TG的顶表面上设置厚的栅极绝缘层GIL，并且浮动扩散区FD可以被栅极绝缘层GIL围绕。栅极绝缘层GIL的一部分可以设置在竖直栅电极TG的侧表面与像素隔离结构PIS之间。此外，阳极区120b可以设置在竖直栅电极TG与光电转换区110之间。
根据实施例，如图16所示，竖直栅电极TG的一个侧表面可以与像素隔离结构PIS相邻，而竖直栅电极TG的另一侧表面可以与像素隔离结构PIS间隔开。可以在竖直栅电极TG的顶表面上设置厚的栅极绝缘层GIL，并且浮动扩散区FD可以被栅极绝缘层GIL围绕。
图17和图18是示出了根据一些实施例的图像传感器的平面图。在下文中，将省略或简要提及与上文提供过的描述相对应的描述。
参照图17，如上所述，在每个像素区PR中可以设置单个光电检测器和竖直栅电极TG。
在平面图中，竖直栅电极TG可以设置在浮动扩散区FD周围并且可以具有一部分开口的形状。在这点上，当在平面图中观察时，竖直栅电极TG可以部分地围绕浮动扩散区FD。
当在平面图中观察时，竖直栅电极TG可以具有形状、倒L形状或L形状。更具体地，竖直栅电极TG可以包括平行于第一方向D1的至少一个第一部分和平行于第二方向D2的至少一个第二部分。例如，竖直栅电极TG可以包括彼此相对的第一部分和连接第一部分的第二部分。
参照图18，竖直栅电极TG可以具有彼此间隔开的一对子-栅电极TGa和TGb，浮动扩散区FD介于该对子-栅电极TGa和TGb之间。该对子-栅电极TGa和TGb可以共同连接到单个金属线，因此可以被同时控制。
当控制晶体管导通时，可能在光电转换区与浮动扩散区之间的电荷倍增区引发雪崩现象。因此，在控制晶体管截止时暗电流可被抑制。由此，当图像传感器操作时，可以最小化光电荷的损失，从而可以提高图像传感器的可靠性。
此外，根据实施例，可以在具有环形形状的竖直栅电极内部引发雪崩现象，因此可以减小图像传感器的尺寸。
在一些实施例中，根据实施例，由图2中所示的块表示的组件中的每一个可以实现为执行上述相应功能的各种数量的硬件、软件和/或固件结构。例如，这些组件中的至少一个可以包括各种硬件组件，包括数字电路、可编程或非可编程逻辑器件或阵列、专用集成电路(ASIC)、晶体管、电容器、逻辑门、或者其他使用直接电路结构的电路，诸如存储器、处理器、逻辑电路、查找表等，其可以通过一个或多个微处理器或其他控制装置的控制来执行相应的功能。此外，这些组件中的至少一个可以包括模块、程序或代码的一部分，其包含用于执行指定逻辑功能的一个或多个可执行指令，并由一个或多个微处理器或其他控制装置执行。此外，这些组件中的至少一个可以进一步包括处理器，例如执行相应功能的中央处理单元(CPU)、微处理器等，或者可以由处理器来实现。实施例的功能方面可以在一个或多个处理器上执行的算法中实现。此外，由方框表示的组件、元件、模块或单元或处理步骤可以将任意数量的相关领域技术用于电子配置、信号处理和/或控制、数据处理等。
尽管已经具体示出和描述了示例实施例的方面，但是本领域普通技术人员将理解，在不背离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以在其中做出形式和细节上的变化。

Claims (20)

1.一种图像传感器，包括：
光电转换区，在半导体衬底中；
光电荷收集区，设置在所述光电转换区中；
浮动扩散区，在所述半导体衬底中，沿竖直方向与所述光电荷收集区间隔开；
电荷倍增区，在所述光电荷收集区与所述浮动扩散区之间；以及
竖直栅电极，延伸到所述半导体衬底中，并在沿所述竖直方向观察时与所述光电荷收集区重叠，
其中，所述竖直栅电极的侧表面与所述浮动扩散区和所述电荷倍增区相邻。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述电荷倍增区具有与所述光电荷收集区和所述浮动扩散区的导电类型不同的导电类型。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述光电荷收集区的掺杂剂浓度大于所述光电转换区的掺杂剂浓度。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括阳极区，所述阳极区设置在所述光电转换区上，并沿水平方向与所述浮动扩散区间隔开，所述竖直栅电极介于所述阳极区与所述浮动扩散区之间，
其中，所述阳极区具有与所述浮动扩散区的导电类型不同的导电类型。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，当在平面图中观察时，所述竖直栅电极具有环形形状并围绕所述浮动扩散区。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，当在平面图中观察时，所述竖直栅电极部分地围绕所述浮动扩散区。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述竖直栅电极包括一对子-栅电极，所述一对子-栅电极沿水平方向彼此平行地延伸，所述浮动扩散区介于所述一对子-栅电极之间。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括设置在所述半导体衬底中的像素隔离结构，所述像素隔离结构限定像素区，
其中，当在平面图中观察时，所述像素隔离结构围绕所述光电转换区，以及
其中，所述浮动扩散区位于所述像素区的中央部分。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，所述像素隔离结构包括：
导电图案，沿所述竖直方向延伸到所述半导体衬底中；以及
衬垫绝缘图案，在所述导电图案与所述半导体衬底之间。
10.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，所述像素隔离结构包括掺杂有具有第一导电类型的掺杂剂的掺杂区，并且
其中，所述半导体衬底具有所述第一导电类型。
11.一种图像传感器，包括：
半导体衬底，具有第一导电类型；
光电转换区，具有第二导电类型并设置在所述半导体衬底中；
光电荷收集区，具有所述第二导电类型并设置在所述光电转换区中；
浮动扩散区，具有所述第二导电类型并沿竖直方向与所述光电荷收集区间隔开；
电荷倍增区，具有所述第一导电类型并设置在所述光电荷收集区与所述浮动扩散区之间；
竖直栅电极，延伸到所述半导体衬底中，在沿所述竖直方向观察时与所述光电荷收集区重叠，并围绕所述浮动扩散区和所述电荷倍增区；以及
阳极区，具有所述第一导电类型，并在所述竖直栅电极之外设置在所述半导体衬底中。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，还包括像素隔离结构，所述像素隔离结构在所述半导体衬底中限定像素区，并且当在平面图中观察时围绕所述光电转换区。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述像素隔离结构包括：
导电图案，沿所述竖直方向延伸到所述半导体衬底中；以及
衬垫绝缘图案，在所述导电图案与所述半导体衬底之间。
14.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，所述光电荷收集区中的掺杂剂浓度大于所述光电转换区中的掺杂剂浓度。
15.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，所述光电荷收集区的宽度基本等于所述竖直栅电极的直径。
16.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，所述浮动扩散区与所述竖直栅电极的内侧表面自对准。
17.一种图像传感器，包括：
半导体衬底，具有第一导电类型；
像素隔离结构，在所述半导体衬底中，所述像素隔离结构限定多个像素区；
在所述多个像素区中的每一个像素区中设置在所述半导体衬底中的光电转换区，所述光电转换区包括具有第二导电类型的掺杂剂；
光电荷收集区，具有所述第二导电类型并设置在所述光电转换区中；
浮动扩散区，具有所述第二导电类型，在所述多个像素区中的每一个像素区中所述浮动扩散区与所述半导体衬底的第一表面相邻，并沿竖直方向与所述光电荷收集区间隔开；
电荷倍增区，具有所述第一导电类型并设置在所述光电荷收集区与所述浮动扩散区之间；
竖直栅电极，延伸到所述半导体衬底中，并围绕所述浮动扩散区和所述电荷倍增区；
阳极区，具有所述第一导电类型，并在所述竖直栅电极之外设置在所述半导体衬底中；以及
多个微透镜，设置在所述半导体衬底的第二表面上，并分别设置在所述多个像素区上。
18.根据权利要求17所述的图像传感器，其中，所述竖直栅电极在沿所述竖直方向观察时与所述光电荷收集区重叠。
19.根据权利要求17所述的图像传感器，其中，所述像素隔离结构从所述半导体衬底的所述第一表面延伸到所述半导体衬底的所述第二表面。
20.根据权利要求17所述的图像传感器，其中，所述电荷倍增区被配置为：基于反向偏压被施加在所述半导体衬底与所述光电转换区之间以及导通电压被施加到所述竖直栅电极，引发雪崩现象。
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