TWI567962B - 具有光學隔離之儲存電晶體 - Google Patents

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TWI567962B
TWI567962B TW105101416A TW105101416A TWI567962B TW I567962 B TWI567962 B TW I567962B TW 105101416 A TW105101416 A TW 105101416A TW 105101416 A TW105101416 A TW 105101416A TW I567962 B TWI567962 B TW I567962B
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賢敏 伊
剛 陳
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Description

具有光學隔離之儲存電晶體
本發明大體係關於半導體裝置。更具體而言，本發明之實例係關於具有全域快門之影像感測器像素單元。
對於高速影像感測器，一全域快門可用於擷取快速移動物件。一全域快門通常使得影像感測器中之所有像素單元能夠同時擷取影像。對於較緩慢移動物件，使用更常見之滾動快門。一滾動快門通常依序擷取影像。舉例而言，可循序啟用一二維(「2D」)像素單元陣列內之各列，使得一單一列內之各像素單元同時擷取影像，但以一滾動順序啟用各列。因而，像素單元之各列在一不同之影像獲取窗期間擷取影像。對於緩慢移動物件，各列之間的時間差可產生影像失真。對快速移動物件，一滾動快門可造成沿著物件之移動軸之一可感知延長失真。
為實施一全域快門，儲存電容器或儲存電晶體可用於在影像電荷等待自像素單元陣列讀出之同時暫時儲存由陣列中之各像素單元獲取之該影像電荷。當使用一全域快門時，一轉移電晶體通常用於將影像電荷從光電二極體轉移至儲存電晶體，且接著使用一輸出電晶體來將所儲存影像電荷從儲存電晶體轉移至像素單元之一讀出節點。影響具有一全域快門之一影像感測器像素單元中之效能之因素包含全域快門效率、暗電流、白色像素及影像滯後。一般言之，全域快門像素效 能隨全域快門效率改良而改良。全域快門效率為信號電荷可儲存在儲存節點中而不被雜光及/或電串擾污染之良好程度之一測量。
101‧‧‧儲存電晶體
103‧‧‧半導體材料
105‧‧‧儲存區
106‧‧‧間隔件
107‧‧‧電介質層
109‧‧‧閘極電極
111‧‧‧間層
113‧‧‧光學隔離結構/光學隔離層
115‧‧‧襯裏層
117‧‧‧覆蓋層
121‧‧‧頂側
123‧‧‧底側
127‧‧‧電接觸件
200‧‧‧像素單元
201‧‧‧儲存電晶體
203‧‧‧全域快門電晶體
205‧‧‧光電二極體
207‧‧‧轉移電晶體
209‧‧‧輸出電晶體
215‧‧‧浮動擴散
217‧‧‧重設電晶體
219‧‧‧列選擇電晶體
220‧‧‧光學隔離結構
221‧‧‧放大器電晶體
223‧‧‧位元線
300‧‧‧成像系統/影像感測器
301‧‧‧像素陣列
303‧‧‧控制電路
305‧‧‧功能邏輯
307‧‧‧讀出電路
C1‧‧‧行
C2‧‧‧行
C3‧‧‧行
C4‧‧‧行
C5‧‧‧行
Cx‧‧‧行
GS‧‧‧全域快門信號
P1‧‧‧像素
P2‧‧‧像素
P3‧‧‧像素
Pn‧‧‧像素
R1‧‧‧列
R2‧‧‧列
R3‧‧‧列
R4‧‧‧列
R5‧‧‧列
Ry‧‧‧列
RST‧‧‧重設信號
VGS‧‧‧電壓
VRESET‧‧‧重設電壓
參考隨附圖式描述本發明之非限制性且非詳盡性實例，其中相同元件符號指代貫穿各種視圖之相同零件，除非另有規定。
圖1A係繪示根據本發明之教示之一儲存電晶體之一俯視圖之一個實例之一示意圖。
圖1B係繪示根據本發明之教示如沿著線A-A’切割之圖1A中之實例儲存電晶體之一橫截面視圖。
圖2係繪示根據本發明之教示之包含一儲存電晶體之一像素單元之一個實例之一示意圖。
圖3係繪示根據本發明之教示之包含一像素陣列之一成像系統之一個實例之一圖，該像素陣列具有包含一儲存電晶體之像素單元。
熟習此項技術者將暸解，圖中之元件出於簡化及清楚之目的而繪示且未必按比例繪製。舉例而言，圖中之一些元件之尺寸可相對於其他元件誇示以幫助改良對本發明之各種實施例之理解。而且，通常未描繪對於在商業上可行之實施例中有用或必需之常見但容易理解之元件以便促進對本發明之此等各種實施例之一較少阻礙之查看。
如將展示，揭示關於具有光學隔離之儲存電晶體之方法及設備。在以下描述中，闡述數種特定細節以便提供對本發明之一透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到，可在無一或多個特定細節的情況下或使用其他方法、組件、材料等等來實踐本文描述之技術。在其他例項中，未詳細展示或描述熟知之結構、材料或操作以避免使特定態樣模糊。
貫穿本說明書對「一項實施例」、「一實施例」、「一個實例」或 「一實例」之參考意謂結合實施例或實例描述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實施例或實例中。因此，貫穿此說明書之各種位置中出現之短語(諸如)「在一項實施例中」或「在一個實例中」並不必要皆係指代相同實施例或實例。此外，特定特徵、結構或特性可在一或多個實施例或實例中以任何適當方式組合。
如將展示，揭示包含藉由一光學隔離結構及覆蓋層圍繞之一儲存電晶體之一全域快門像素單元。光學隔離結構及覆蓋層將儲存電晶體與進入儲存電晶體之雜入射光隔離。儲存電晶體對入射光之吸收使影像品質降級，此係由於非所要電洞電子對使儲存於儲存電晶體中之影像電荷受污染。因此，透過添加光學隔離結構，改良全域快門效率，此係由於儲存於儲存電晶體中之影像電荷保持未被非所要光子污染。
圖1A係繪示一儲存電晶體101之一俯視圖之一個實例之一示意圖。包含間層111、覆蓋層117及光學隔離結構113。在所描繪之實例中，光學隔離結構113包圍閘極電極(例如，閘極電極109)之周邊。襯裏層115安置於間層111與光學隔離結構113之間。此外，電接觸件127描繪為連接至覆蓋層117。在一個實例中，覆蓋層117及電接觸件127可包含金屬。
圖1B為繪示如沿著線A-A'切割之圖1A中之實例儲存電晶體101之一橫截面圖。在一個實例中，儲存電晶體101包含安置於半導體材料103中之儲存區105、安置於間層111之底側123中之閘極電極109、安置於儲存區105及閘極電極109之間的電介質層107、安置於間層111中之光學隔離結構113及接近間層111之頂側121安置之覆蓋層117。在所描繪之實例中，光學隔離結構113從間層111之頂側121延伸至閘極電極109，且光學隔離結構113鄰接閘極電極109之一周邊且接觸閘極電極109。另外，覆蓋層117覆蓋藉由光學隔離結構113包圍之一體積。 在一個實例中，光學隔離結構113電耦合至閘極電極109，且光學隔離結構113電耦合至覆蓋層117。在另一或相同實例中，覆蓋層117經由電接觸件127電耦合至閘極電極109。
在一個實例中，光學隔離層113及覆蓋層117遮蔽閘極電極109且防止入射光到達儲存電晶體101且防止入射光藉由儲存電晶體101吸收。如圖1B中描繪之實例中展示，根據本發明之教示，光學隔離結構113上之入射光被反射而非行進至儲存電晶體101。若入射光將到達儲存電晶體101，則其可被半導體材料103吸收而導致電洞電子對之形成。此等電洞電子對可更改保存於儲存電晶體101中之影像電荷，從而導致具有增加之雜訊或其他形式之電子降級之影像。
在一個實例中，光學隔離結構113包括鎢。然而，在另一或相同實例中，光學隔離結構113可包含其他金屬及/或二元/三元合金。此外，襯裏層115可安置於間層111與光學隔離結構113之間。襯裏層115可包含鈦、氮及/或兩者之一合金。然而，襯裏層115亦可由其他金屬及/或二元/三元合金組成。
在一個實例中，光學隔離結構113在儲存區105、電介質層107及閘極電極109皆已形成於半導體材料103中/上之後形成。一旦裝置架構之上述層處在適當位置中，則沈積間層111。在沈積間層111之後，對間層111進行蝕刻(濕式或乾式)以產生包圍且接觸閘極電極109之一溝槽。接著使用襯裏層115為溝槽加襯裏。在一個實例中，經由熱蒸發、化學氣相沈積或原子層沈積而沈積襯裏層115。在沈積襯裏層115之後，可藉由將一材料(諸如鎢)沈積於溝槽中來形成光學隔離結構113，使得襯裏層115安置於光學隔離結構113與間層111之間。在另一實例中，其他氧化物、半導體及/或金屬可用於形成光學隔離結構113。可經由化學機械拋光從間層111之前側121移除過量光學隔離結構113。一旦間層111之表面不含過量光學隔離結構113，則可沈積覆 蓋層117。
應瞭解，儲存電晶體101可包含未在圖1A及圖1B中描繪之其他元件。在一個實例中，儲存電晶體101亦可包含安置於半導體材料103中之一或多個額外隔離結構，以隔離儲存區105使其免受電子干擾且防止入射光到達儲存區105。此等隔離結構可在半導體材料103中接近儲存電晶體101而安置，以將儲存區105之一側壁與雜入射光及/或半導體材料103中之雜散電荷隔離。在另一或相同實例中，一可選間隔件106可安置於閘極電極109與光學隔離結構113之間。間隔件106可由一絕緣體(例如一半導體氧化物、半導體氮化物、金屬氧化物或類似物)組成。在一個實例中，間隔件106可為氮化矽。在另一實例中，間隔件106可為氧化矽。
圖2為繪示包含儲存電晶體201之像素單元200之一個實例之一示意圖。如所描繪之實例中展示，像素單元200亦包含全域快門電晶體203、光電二極體205、轉移電晶體207、輸出電晶體209、一浮動擴散215、一重設電晶體217、一放大器電晶體221及耦合至一位元線223之一列選擇電晶體219。在一個實例中，使用一源極跟隨器耦合電晶體實施放大器電晶體221。如所描繪之實例中展示，全域快門電晶體203在一VGS電壓與光電二極體205之間耦合。
在操作中，影像電荷在入射光進入光電二極體205時在光電二極體205中累積且經轉換成電洞電子對。全域快門電晶體203經耦合以藉由回應於一全域快門信號GS選擇性地將光電二極體205耦合至電壓VGS而選擇性地耗盡已在光電二極體205中累積之影像電荷。替代地，可透過轉移電晶體207將在光電二極體205中累積之影像電荷轉移至儲存電晶體201以讀出為影像資料。轉移電晶體207可在光電二極體205與儲存電晶體201之間耦合以將影像電荷選擇性地從光電二極體205轉移至儲存電晶體201。
在所描繪之實例中，儲存電晶體201繪示為使用一光學隔離結構220隔離。在一個實例中，根據本發明之教示，光學隔離結構220幫助防止入射光到達儲存電晶體201。
圖2中之實例亦繪示輸出電晶體209耦合至儲存電晶體201之一輸出以將影像電荷選擇性地從儲存電晶體201轉移至浮動擴散215。一重設電晶體217在一重設電壓VRESET與浮動擴散215之間耦合以回應於一重設信號RST選擇性地重設浮動擴散215中之電荷。在所描繪之實例中，放大器電晶體221包含耦合至浮動擴散215之一放大器閘極以將浮動擴散215上之信號放大以自像素單元200輸出影像資料。列選擇電晶體219在位元線223與放大器電晶體221之間耦合以將影像資料輸出至位元線223。
在一個實例中，複數個光電二極體可共用相同浮動擴散。在此實例中，各光電二極體可具有其自身之快門電晶體、轉移電晶體及輸出電晶體。可藉由將一電壓施加至各轉移電晶體之閘極而將電荷按順序或同時從複數個光電二極體轉移至其各自儲存電晶體。類似地，可藉由將一電壓施加至各輸出電晶體之閘極而將電荷按順序或同時從個別儲存電晶體轉移至共用浮動擴散。
圖3為繪示包含像素陣列301之一成像系統300之一個實例之一圖，像素陣列301具有包含一儲存電晶體之像素單元(例如，像素單元200)。在像素陣列301中，像素陣列301中之各像素(例如，像素P1、P2......Pn)包含安置於一半導體材料(例如，半導體材料103)中之一光電二極體(例如，光電二極體205)及經耦合以自光電二極體接收影像電荷之一儲存電晶體(例如，儲存電晶體201)。如所描繪之實例中所展示，影像感測器300亦可包含讀出電路307、功能邏輯305及控制電路303。在一個實例中，像素陣列301為包含列(例如，列R1至Ry)及行(例如，行C1至Cx)之個別像素(例如，像素P1、P2......Pn)之一二維 (2D)陣列。在一個實例中，應瞭解，像素P1、P2......Pn可為如在圖2中討論之個別像素單元(例如，像素單元200)之實例。像素陣列301可用於獲取一人、地點、物件等等之影像資料，其接著可用於呈現人、地點、物件等等之一2D影像。在一個實例中，在像素陣列301中之各影像感測器像素已獲取其影像資料或影像電荷之後，影像電荷接著藉由讀出電路307讀出且轉移至功能邏輯305。在一個實例中，讀出電路307經耦合以從一浮動擴散(例如，浮動擴散215)讀出影像電荷，且功能邏輯305耦合至讀出電路307以對影像電荷執行邏輯操作。
在各種實例中，讀出電路307可包含放大電路、類比數位(ADC)轉換電路或其他。功能邏輯305可僅儲存影像資料或甚至藉由應用後影像效果(例如，剪裁、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)來操縱影像資料。在一個實例中，讀出電路307可沿著讀出行線(所繪示)一次讀出一列影像資料，或可使用各種其他技術(未繪示)(諸如串列讀出或同時完全並行讀出所有像素)讀出影像資料。
在一個實例中，控制電路303經耦合以控制像素陣列301中之像素(例如，P1、P2、P3等等)之操作。舉例而言，控制電路303可產生用於控制影像獲取之一快門信號。在一個實例中，快門信號係一全域快門信號，其用於同時使像素陣列301內之所有像素能夠在一單一獲取窗期間同時擷取其等之各自影像資料。在另一實例中，快門信號係一滾動快門信號，使得像素之各列、行或群組在連續獲取窗期間被循序啟用。在另一實例中，影像獲取與照明效果(例如，一閃光)同步。
在一個實例中，成像系統300可包含於一數位攝影機、蜂巢式電話、膝上型電腦或類似物中。另外，成像系統300可經耦合至其他硬體元件，諸如一處理器、記憶體元件、輸出(USB埠、無線發射器、HDMI埠等等)、照明/閃光、電子輸入(鍵盤、觸摸顯示器、觸控板、滑鼠、麥克風等等)及/或顯示器。其他硬體元件可將指令遞送至成像 系統300、自成像系統300提取影像資料或操縱藉由成像系統300供應之影像資料。
本發明之所繪示之實例之以上描述(包含在摘要中描述之內容)不旨在係詳盡性的或限於所揭示之精確形式。雖然已出於闡釋性目的在本文中描述本發明之特定實施例及實例，但在不脫離本發明之更廣泛之精神及範疇之情況下，各種等效修改係可能的。實際上，根據本發明之教示，應瞭解，出於解釋目的提供特定實例結構、材料、使用情況等等且亦可在其他實施例及實例中採用替代例。
鑒於以上實施方式，可對本發明之實例做出此等修改。在隨附申請專利範圍中使用之術語不應解釋為將本發明限於說明書及申請專利範圍中揭示之特定實施例。實情係，範疇完全由根據申請專利範圍解釋之已建立規則來理解之隨附申請專利範圍判定。因此，本說明書及圖應被視為闡釋性而非限制性的。
101‧‧‧儲存電晶體
103‧‧‧半導體材料
105‧‧‧儲存區
106‧‧‧間隔件
107‧‧‧電介質層
109‧‧‧閘極電極
111‧‧‧間層
113‧‧‧光學隔離結構/光學隔離層
115‧‧‧襯裏層
117‧‧‧覆蓋層
121‧‧‧頂側
123‧‧‧底側
127‧‧‧電接觸件

Claims (20)

  1. 一種儲存電晶體，其包括：一儲存區，其安置於一半導體材料中；一閘極電極，其安置在一間層之一底側中接近該儲存區；一電介質層，其安置於該儲存區與該閘極電極之間；一光學隔離結構，其安置於該間層中，其中該光學隔離結構從該間層之一頂側延伸至該閘極電極，且其中該光學隔離結構鄰接該閘極電極之一周邊且接觸該閘極電極；及一覆蓋層，其接近該間層之該頂側而安置，其中該覆蓋層覆蓋藉由該光學隔離結構包圍之一體積。
  2. 如請求項1之儲存電晶體，其中該光學隔離結構電耦合至該閘極電極，且其中該光學隔離結構電耦合至該覆蓋層。
  3. 如請求項1之儲存電晶體，其中該覆蓋層經由電接觸件電耦合至該閘極電極。
  4. 如請求項1之儲存電晶體，其中該光學隔離結構包括鎢。
  5. 如請求項1之儲存電晶體，其進一步包括安置於該間層與該光學隔離結構之間的一襯裏層。
  6. 如請求項5之儲存電晶體，其中該襯裏層包含鈦。
  7. 如請求項5之儲存電晶體，其中該襯裏層包含金屬氮化物。
  8. 一種儲存電晶體，其包括：一儲存區，其安置於一半導體材料中；一電介質層，其安置於該半導體材料上；一閘極電極，其接近該儲存區而安置，其中該電介質層安置於該半導體材料與該閘極電極之間；一間層，其安置於該閘極電極上，其中該閘極電極安置於該 電介質層與該間層之間；一光學隔離結構，其安置於該間層中且鄰接該閘極電極之一周邊；及一覆蓋層，其安置於該間層中而與該光學隔離結構接觸以防止入射光到達該儲存區。
  9. 如請求項8之儲存電晶體，其中該光學隔離結構電耦合至該閘極電極，且其中該光學隔離結構電耦合至該覆蓋層。
  10. 如請求項8之儲存電晶體，其中該覆蓋層經由電接觸件電耦合至該閘極電極。
  11. 如請求項8之儲存電晶體，其中該覆蓋層包括金屬。
  12. 如請求項8之儲存電晶體，其中該光學隔離結構及該覆蓋層遮蔽該閘極電極且防止該入射光到達該儲存區。
  13. 如請求項8之儲存電晶體，其中該間層安置於該閘極電極與該覆蓋層之間。
  14. 一種成像系統，其包括：一像素陣列，其中該像素陣列中之各像素包含：一光電二極體，其安置於一半導體材料中以回應於引導至該光電二極體之入射光累積影像電荷；及一儲存電晶體，其經耦合以從該光電二極體接收該影像電荷，其中該儲存電晶體包含：一儲存區，其安置於該半導體材料中；一閘極電極，其在一間層之一底側中接近該儲存區而安置；一電介質層，其安置於該儲存區與該閘極電極之間；一光學隔離結構，其安置於該間層中，其中該光學隔離結構從該間層之一頂側延伸至該閘極電極，且其中該光學隔離 結構鄰接該閘極電極之一周邊；及一覆蓋層，其接近該間層之該頂側而安置，其中該覆蓋層覆蓋藉由該光學隔離結構包圍之一體積。
  15. 如請求項14之成像系統，其進一步包括在該光電二極體與該儲存電晶體之間耦合之一轉移電晶體以將該影像電荷選擇性地從該光電二極體轉移至該儲存電晶體。
  16. 如請求項14之成像系統，其進一步包括經耦合以從該光電二極體選擇性地耗盡該影像電荷之一全域快門電晶體。
  17. 如請求項14之成像系統，其進一步包括耦合至該儲存電晶體以將該影像電荷選擇性地從該儲存電晶體轉移至一浮動擴散之一輸出電晶體。
  18. 如請求項17之成像系統，其進一步包括：讀出電路，其經耦合以從該浮動擴散讀出該影像電荷；及功能邏輯，其耦合至該讀出電路以對該影像電荷執行邏輯操作。
  19. 如請求項14之成像系統，其進一步包括控制電路以控制該像素陣列中之該等像素之操作。
  20. 如請求項14之成像系統，其進一步包括安置於該閘極電極與該光學隔離結構之間的一間隔件。
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