TWI690069B - 包括垂直傳輸閘的圖像感測器 - Google Patents

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郭坪水
權永俊
羅民基
朴聖根
禹東鉉
李次寧
李浩領
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韓商愛思開海力士有限公司
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Abstract

一種圖像感測器包括：光電轉換元件，包括第一雜質區和第二雜質區，其中，第一雜質區接觸基底的第一表面，第二雜質區具有與第一雜質區互補的導電性，並且第二雜質區形成在基底內及形成在第一雜質區之下；柱體，形成在光電轉換元件之上；傳輸閘，形成在光電轉換元件之上以包圍柱體；以及通道層，形成在傳輸閘和柱體之間，並且接觸光電轉換元件，其中，通道層接觸第一雜質區，並且具有與第二雜質區相同的導電性。

Description

包括垂直傳輸閘的圖像感測器
本發明主張的優先權為在2015年12月4日在韓國智慧財產權局提出的申請案，其韓國專利申請號為10-2015-0172319，在此併入其全部參考內容。
本發明的示例性實施例關於一種半導體裝置，更具體地，關於一種包括垂直傳輸閘的圖像感測器。
圖像感測器將光學圖像轉換為電訊號。近來，由於電腦產業和通訊產業的發展，對於諸如數位相機、攝錄相機、PCS(個人通訊系統)、遊戲機、監控攝像機、醫用微型攝像機和機器人的各種設備來講，對具有改善的效能的圖像感測器的需求增加。
各種實施例針對一種具有改善的效能的圖像感測器。
在實施例中，圖像感測器可以包括：光電轉換元件，包括第一雜質區和第二雜質區，其中，第一雜質區接觸基底的第一表面，第二雜質區具有與第一雜質區互補的導電性，並且第二雜質區形成在基底內及形成在第一雜質區之下；柱體，形成在光電轉換元件之上；傳輸閘，形成在光電轉換元件之上以包圍柱體；以及通道層，形成在傳輸閘和柱體之間，並且接觸光電轉換元件，其中，通道層接觸第一雜質區，並且具有與第二雜質區相同的導電性。
此外，根據實施例的圖像感測器還可以包括：濾色器層，形成在基底的入射表面之上，其中，基底的入射表面與基底的第一表面相對，入射光經由濾色器層被引入並傳播到光電轉換元件；以及聚光構件，形成在濾色器層之上。
第一雜質區可以包圍第二雜質區。第一雜質區可以包括接觸通道層的第一部分和除第一部分之外的第二部分，並且第一部分的厚度可以小於第二部分的厚度。第二雜質區可以具有漸變的摻雜分佈，使得第二雜質區的摻雜濃度沿載流子傳送方向逐漸增加。柱體可以是多邊形柱體、圓形柱體或橢圓形柱體。柱體可以具有垂直側壁、傾斜側壁或形狀不規則的側壁。柱體可以包括絕緣材料。通道層可以與整個光電轉換元件疊置(overlap)。通道層可以包括摻雜多晶矽。傳輸閘可以包括暴露通道層的開口。
在實施例中，圖像感測器可以包括：光電轉換元件，形成在基底內；傳輸閘，形成在光電轉換元件之上，並且具有穿過傳輸閘的通孔；浮置擴散層，形成在傳輸閘之上；通道層，間隙填充(gap-filling)通孔，且回應於施加至傳輸閘的訊號將光電轉換元件電耦合到浮置擴散層，並以耗盡(depletion)模式操作；以及電容器，形成在浮置擴散層之上。
此外，根據實施例的圖像感測器還可以包括：層間介電層，形成在基底之上，並且覆蓋傳輸閘、浮置擴散層和電容器；邏輯電路層，形成在層間介電層之上；以及接觸器，穿過層間介電層，並且將傳輸閘、浮置擴散層和電容器電耦合到邏輯電路層。
光電轉換元件可以包括形成在基底之上的第一雜質區、第二雜質區和第三雜質區，其中，第一雜質區和第三雜質區具有彼此相同的導電性，第二雜質區具有與第一雜質區互補的導電性，第一雜質區包圍著第二雜質區，第三 雜質區設置在通道層和第二雜質區之間。通道層可以具有與第二雜質區相同的導電性。第三雜質區的厚度可以小於與傳輸閘接觸的第一雜質區的厚度。第二雜質區可以具有漸變的摻雜分佈，使得摻雜濃度沿載流子傳送方向增加。傳輸閘可以包括閘電極以及包圍閘電極的閘極介電層。閘極介電層可以包括：第一閘極介電層，形成在閘電極和光電轉換元件之間；第二閘極介電層，形成在閘電極和浮置擴散層之間；以及第三閘極介電層，形成在閘電極和通道層之間。第一閘極介電層和第二閘極介電層可以包括低K材料，以及第三閘極介電層可以包括高K材料。電容器可以包括第一電極、介電層和第二電極的層疊，以及第一電極可以包括浮置擴散層。
100‧‧‧像素陣列
110‧‧‧單位像素
120‧‧‧相關雙採樣(CDS)單元
130‧‧‧類比數位轉換器(ADC)
140‧‧‧緩衝器
150‧‧‧行驅動器
160‧‧‧時序產生器
170‧‧‧控制暫存器
180‧‧‧斜坡訊號產生器
200‧‧‧基底
201‧‧‧第一雜質區
202‧‧‧第二雜質區
203‧‧‧光電轉換元件
204‧‧‧第三雜質區
205‧‧‧閘電極
206‧‧‧閘極介電層
206A‧‧‧第一閘極介電層
206B‧‧‧第二閘極介電層
206C‧‧‧第三閘極介電層
207‧‧‧通孔
208‧‧‧傳輸閘
209‧‧‧層間介電層
210‧‧‧通道結構
211‧‧‧通道層
212‧‧‧密封層
214‧‧‧浮置擴散層
215‧‧‧介電層
216‧‧‧第二電極
217‧‧‧電容器
218‧‧‧濾色器層
219‧‧‧聚光構件
220‧‧‧邏輯電路層
300‧‧‧基底
301‧‧‧第一雜質區
302‧‧‧第二雜質區
303‧‧‧光電轉換元件
310‧‧‧柱體
320‧‧‧通道層
330‧‧‧傳輸閘
331‧‧‧閘極介電層
332‧‧‧閘電極
333‧‧‧開口
340‧‧‧濾色器層
350‧‧‧聚光構件
400‧‧‧圖像感測器
410‧‧‧光學系統
411‧‧‧快門單元
412‧‧‧訊號處理單元
413‧‧‧驅動單元
C1‧‧‧接觸器
C2‧‧‧接觸器
C3‧‧‧接觸器
S1‧‧‧入射表面
S2‧‧‧相對表面
FD‧‧‧浮置擴散
Dout‧‧‧圖像訊號
〔圖1〕是示意性地示出了根據本發明的一個實施例的圖像感測器的方塊圖。
〔圖2〕是示出了根據本發明的一個實施例的圖像感測器的平面圖。
〔圖3〕是示出了根據本發明的一個實施例的圖像感測器的沿圖2所示的線A-A'截取的剖面圖。
〔圖4〕是示出了根據本發明的一個實施例的圖像感測器的平面圖。
〔圖5A至圖5C〕是示出了根據本發明的一個實施例的應用於圖像感測器的通道結構的透視圖。
〔圖6〕是示出了根據本發明的另一個實施例的圖像感測器的剖面圖。
〔圖7〕是示出了根據本發明的另一個實施例的圖像感測器的剖面圖。
〔圖8〕是示出了根據本發明的又一個實施例的圖像感測器的平面圖。
〔圖9〕是沿圖8所示的線A-A'截取的剖面圖。
〔圖10〕是示出了根據本發明的又一個實施例的圖像感測器的平面圖。
〔圖11〕是示意性地示出了包括圖1所示的圖像感測器的電子裝置的視圖。
下面將參考附圖更詳細地描述各個實施例。然而，本發明可以以不同的形式實施，而且不應解釋為侷限於本文所闡述的實施例。相反，提供這些實施例使得本公開將是徹底的且完整的，這些實施例將把本發明的範圍充分地傳達給本發明所屬技術領域中具有通常知識者。貫穿本公開，相同的元件符號在本發明的各種實施例和附圖中始終指代相同的部分。
附圖無需按比例，且在某些情況下，比例可以被誇大，以清楚地示出實施例的特徵。當第一層被稱作“在”第二層“上”或者“在”基底“上”時，其不僅可以表示第一層直接形成在第二層或基底上的情況，也可以表示在第一層與第二層或基底之間存在第三層的情況。
本發明的以下實施例提供一種具有改善的效能的圖像感測器及其製造方法。具有改善的效能的圖像感測器意為能夠提供高解析度的圖像的圖像感測器。由於為了提供高解析度的圖像，需要包括多個高度集成像素的圖像感測器，因此在根據實施例的圖像感測器中，各該像素可以包括具有垂直傳輸閘的傳輸電晶體，以及可以具有其中傳輸電晶體與光電轉換元件層疊的形狀。
圖1是示意性地示出了根據本發明的一個實施例的圖像感測器的方塊圖。
如圖1所示，圖像感測器可以包括像素陣列100、相關雙採樣(CDS,correlated double sampling)單元120、類比數位轉換器(ADC,analog- digital converter)130、緩衝器140、行驅動器150、時序產生器160、控制暫存器170以及斜坡訊號產生器180。像素陣列100可以包括佈置為矩陣的多個單位像素110。
時序產生器160可以產生一個或更多個控制訊號以控制行驅動器150、CDS單元120、ADC 130和斜坡訊號產生器180。控制暫存器170可以產生一個或更多個控制訊號以控制斜坡訊號產生器180、時序產生器160和緩衝器140。
行驅動器150可以逐行地驅動像素陣列100。例如，行驅動器150可以產生選擇訊號以選擇多個行線中的任意一個行線。每個單位像素110可以感測入射光，並透過列線將圖像重置訊號和圖像訊號輸出至CDS單元120。CDS單元120可以回應於圖像重置訊號和圖像訊號執行採樣。
ADC 130可以將從斜坡訊號產生器180輸出的斜坡訊號與從CDS單元120輸出的採樣訊號進行比較，並輸出比較訊號。根據從時序產生器160提供的時脈訊號，ADC 130可以對比較訊號的位準轉變次數計數，並將計數值輸出至緩衝器140。斜坡訊號產生器180可以在時序產生器160的控制下操作。
緩衝器140可以儲存從ADC 130輸出的多個數位訊號，然後感測並放大該數位訊號。因此，緩衝器140可以包括記憶體(圖未示)和感測放大器(圖未示)。記憶體可以儲存計數值。計數值可以表示從多個單位像素110輸出的訊號。感測放大器可以感測並放大從記憶體輸出的計數值。
為了提供高解析度的圖像，必然應當增加集成在像素陣列100內的單位像素110的數量。即，應當在有限的區域內設置更多的單位像素110，因 而應當減小單位像素110的實體尺寸。然而，由於圖像感測器以透過每個單位像素回應於入射光而產生的像素訊號為基礎來操作，所以當單位像素110的實體尺寸減小時，單位像素110的特性劣化。
因此，在根據本發明的以下實施例中，將參考附圖詳細地描述這樣的圖像感測器，其由於集成度增加而能夠促進高度集成並且避免特性的劣化。
圖2是示出了根據本發明的一個實施例的圖像感測器的平面圖。圖3是沿圖2所示的線A-A'截取的剖面圖。圖4是示出了根據本發明的另一個實施例的圖像感測器的平面圖。圖5A至圖5C是示出了根據本發明的一個實施例的應用於圖像感測器的通道結構的透視圖。
如圖2和圖3所示，根據一個實施例的圖像感測器可以包括：光電轉換元件203，形成在基底200內；傳輸閘208，形成在光電轉換元件203之上，並且具有穿過傳輸閘208的一個或更多個通孔207；浮置擴散層214，形成在傳輸閘208之上；通道結構210，間隙填充每個通孔207，並且回應於施加至傳輸閘208的訊號將光電轉換元件203電耦合到浮置擴散層214；以及電容器217，形成在浮置擴散層214之上。
此外，圖像感測器可以包括：層間介電層209，形成於基底200之上，並且覆蓋傳輸閘208、浮置擴散層214和電容器217；邏輯電路層220，形成在層間介電層209之上；以及接觸器C1、C2和C3，穿過層間介電層209，並且將傳輸閘208、浮置擴散層214和電容器217電耦合到邏輯電路層220。此外，圖像感測器可以包括：濾色器層218，與傳輸閘208相對地定位，並形成在入射表面S1之上，入射光透過入射表面S1被引入並進入光電轉換元件203；以及聚光構件219，形成在濾色器層218之上。
在下文中，將詳細地描述每個部件。根據本發明的實施例的圖像感測器可以包括形成在基底200內的光電轉換元件203。基底200可以包括半導體基底。半導體基底可以處於單晶狀態，以及可以包括含矽材料。即，基底200可以包括單晶的含矽材料。基底200可以為透過減薄程序獲得的薄基底。例如，基底200可以為透過減薄程序獲得的薄體矽基底。
光電轉換元件203可以包括光電二極體。具體地，光電轉換元件203可以包括第一雜質區201和第二雜質區202，第二雜質區202具有與第一雜質區201互補的導電類型，並且接觸通道結構210。第二雜質區202可以形成在第一雜質區201內。因此，第一雜質區201可以包圍第二雜質區202，第二雜質區202的一部分可以穿過第一雜質區201以接觸通道結構210。第一雜質區201可以為P型，第二雜質區202可以為N型。
在垂直方向上，第二雜質區202可以具有均勻的摻雜分佈或漸變的分佈，在漸變的分佈中，摻雜濃度根據載流子傳輸方向逐漸增加。在後者情況下，由光電轉換元件產生的光電荷可以被更有效地傳輸至傳輸閘208。在此，傳輸閘208的載流子傳送方向為面對入射表面S1的方向。
根據本發明的實施例的圖像感測器可以包括：濾色器層218，形成在基底200的入射表面S1之上；以及聚光元件219，形成在濾色器層218之上。濾色器層218可以用於分離顏色，並且包括紅色濾色器、綠色濾色器、藍色濾色器、藍綠色濾色器、黃色濾色器、紫紅色濾色器、白色濾色器、黑色濾色器、紅外截止濾色器等。聚光元件219可以包括數位透鏡或半球形透鏡。
根據本發明的實施例的圖像感測器可以包括形成在光電轉換元件203之上的傳輸閘208。形成在基底200的光電轉換元件203之上的傳輸閘 208可以具有平板形狀，並且可以與光電轉換元件203疊置。即，傳輸閘208可以具有平板形狀，並且形成為與每個單位像素相對應。
這樣，由於光電轉換元件203和傳輸閘208在垂直方向上層疊，因此可以提高集成度。傳輸閘208可以形成在與入射表面相對地定位的表面S2之上。因此，傳輸閘208可以用作關於光電轉換元件203的背反射層。在這種情況下，光電轉換元件203可以提高量子效率。
此外，傳輸閘208可以包括一個或更多個穿過傳輸閘208的通孔207。通道結構210間隙填充通孔207。通孔207的平面形狀可以為具有三邊或更多邊的多邊形、圓形或橢圓形。因此，間隙填充通孔207的通道結構210可以為具有三邊或更多邊的多邊形柱狀、圓形柱狀、環形柱狀或筒形。
如圖2所示，傳輸閘208可以具有單個通孔207。在這種情況下，通孔207可以設置在傳輸閘208的中心部。在另一個實施例中，如圖4所示，傳輸閘208可以具有多個通孔207，多個通孔207可以以矩陣狀設置在傳輸閘208內。各該通孔207的平面形狀可以相同或不同。
此外，傳輸閘208可以包括閘電極205和閘極介電層206，閘極介電層206形成在閘電極205的全部表面上以密封閘電極205。即，閘電極205可以透過閘極介電層206與諸如光電轉換元件203、浮置擴散層214等的相鄰結構絕緣。閘電極205可以包括半導體材料，半導體材料包括矽或金屬材料。
包圍閘電極205的閘極介電層206可以具有均勻的厚度。即，設置在光電轉換元件203和閘電極205之間的第一閘極介電層206A、設置在閘電極205和浮置擴散層214之間的第二閘極介電層206B以及形成在閘電極205的側壁上的第三閘極介電層206C可以具有彼此相同的厚度。
第一閘極介電層206A、第二閘極介電層206B和第三閘極介電層206C可以由彼此相同的材料形成。例如，第一閘極介電層206A、第二閘極介電層206B和第三閘極介電層206C可以包括高K(高介電常數)材料。在此，“高K”材料意為介電常數高於氧化矽的材料。
根據本發明的實施例的圖像感測器可以包括穿過傳輸閘208並電耦合到光電轉換元件203的通道結構210。通道結構210可以間隙填充傳輸閘208的通孔207。於是，通道結構210可以具有柱狀。供參考，參考圖5A至圖5C描述的通道結構210可以應用於其他實施例。
具體地，如圖3和圖5A所示，通道結構210可以包括：通道層211，形成在通孔207的側壁上，並且具有環形柱狀；以及密封層212，間隙填充剩餘的通孔207。環形柱狀可以便於通道層211在斷開狀態(off-state)下完全耗盡。因此，能夠提高傳輸閘208的閘極可控性。例如，斷開狀態意為任何偏壓都沒有施加於傳輸閘208的平衡狀態。
此外，如圖5B所示，通道結構210可以包括：通道層211，形成在通孔207的側壁和底表面上，並且具有筒形；以及密封層212，間隙填充剩餘的通孔207。在斷開狀態下，筒形的通道層211可以具有足以完全耗盡的線寬，從而可以提高傳輸閘208的閘極可控性。此外，可以增加光電轉換元件203接觸通道層211的區域，從而可以減小通道電阻率。
此外，通道結構210可以包括：密封層212，與通孔207的側壁間隔開並形成在通孔207內；以及通道層211，形成在通孔207的側壁上和通孔207的底部之上，並且具有倒轉的筒形。即，在通道層211中，具有相對大的接觸面積的表面與浮置擴散層214接觸，具有相對小的接觸面積的表面與光電轉 換元件接觸。
此外，如圖5C所示，通道結構210可以包括具有柱狀且間隙填充通孔207的通道層211。具有柱狀的通道層211可以透過簡單的程序來形成，並且具有足以在斷開狀態下使通道完全耗盡的線寬。
在上述通道結構210中，通道層211可以包括含矽材料。例如，通道層211可以包括多晶矽。具體地，通道層211可以包括未摻雜有任何雜質的不摻雜多晶矽或者摻雜有P型雜質的P型多晶矽。
在這種情況下，傳輸電晶體可以以增強(enhancement)模式操作。此外，通道層211可以包括摻雜有N型雜質的多晶矽。在這種情況下，傳輸電晶體可以以耗盡模式操作，並且改善在斷開狀態下的暗電流特性。密封層212可以包括絕緣材料。例如，密封層212可以包括氧化物、氮化物、氮氧化物或它們的組合。
根據本發明的實施例的圖像感測器可以包括形成在傳輸閘208之上的浮置擴散層214。響應於入射光從光電轉換元件203產生的光電荷儲存在浮置擴散層214中。浮置擴散層214可以電耦合到穿過傳輸閘208的一個或更多個通道結構210。即，浮置擴散層214可以與一個或更多個通孔207疊置。浮置擴散層214可以具有平板形狀並且與傳輸閘208疊置，以便提供足夠的儲存空間(即足夠的電容量)。
在此，浮置擴散層214的面積可以小於傳輸閘208的面積。這是為了提供用於形成耦合到傳輸閘208的第一接觸器C1的空間。浮置擴散層214可以包括包含矽或金屬材料的半導體材料。例如，浮置擴散層214可以包括摻雜有第二導電類型雜質(即，N型雜質)的多晶矽。
根據本發明的實施例的圖像感測器可以包括形成在浮置擴散層214之上的第二電極216。第二電極216可以具有與浮置擴散層214疊置的平板形狀，並且具有比浮置擴散層214小的面積。介電層215設置在兩個電極之間(即設置在浮置擴散層214和第二電極216之間)。
浮置擴散層214和第二電極216也可以被稱為第一電極和第二電極。浮置擴散層214、第二電極216和介電層215組合形成電容器217。兩個電極中的任何一個(例如第一電極)可以包括浮置擴散層214。因此，介電層215和第二電極216可以具有比浮置擴散層214小的面積。這是為了提供用於形成耦合到浮置擴散層214的第二接觸器C2的空間。
此外，電容器217可以用於進一步增加浮置擴散層214的電容量。而且，電容器217可以用於改善浮置擴散層214的操作特性。另外，電容器217的第二電極216可以耦合到能夠施加偏壓的第三接觸器C3。在實施例中，為了透過使用電容器217來改善浮置擴散層214的特性，當浮置擴散層214在積分時間之前被重置時，浮置擴散層214應當用與經重置電晶體輸入的初始電壓對應的電荷來充電。當初始電壓未提供足夠的電流，或者將初始電壓提供給浮置擴散層214的時間不足時，浮置擴散層214可能未被完全重置。在這種情況下，可以透過經由第三接觸器C3將初始化電壓施加到電容器217的第二電極216，使浮置擴散層214被完全重置。可以在重置電晶體被啟動之後以及傳輸電晶體被啟動之前，施加初始化電壓。
根據本發明的實施例的圖像感測器可以包括層間介電層209和邏輯電路層220。層間介電層209覆蓋傳輸閘208、浮置擴散層214和電容器217。邏輯電路層220形成在層間介電層209之上。層間介電層209可以是單層， 或者是包括氧化物、氮化物和氮氧化物中的任一個或更多個的層疊層。
邏輯電路層220可以包括訊號處理電路，訊號處理電路處理響應於入射光在像素內產生的像素訊號。雖然未在圖中示出，但訊號處理電路可以包括相關雙採樣單元120、類比數位轉換器130、緩衝器140、行驅動器150、時序產生器160、控制暫存器170、斜坡訊號產生器180等。見圖1。
此外，訊號處理電路可以包括多個電晶體、多層線路、多層層間介電層209以及將它們彼此耦接的多個插塞。此外，除訊號處理電路之外，邏輯電路層220還可以具有包括影像處理等的應用處理器(AP,application processor)。例如，邏輯電路層220可以包括圖像訊號處理器(ISP,image signal processor)。
此外，邏輯電路層220可以以晶片鍵合程序來形成。邏輯電路層220可以鍵合到多層層間介電層209。因此，邏輯電路層220可以包括多個層，並且具有其中用於訊號處理的邏輯電路透過晶片鍵合程序被層疊的層疊結構，從而提高圖像感測器的集成度。
上述的根據本發明的實施例的圖像感測器有助於高度集成而無特性劣化。
在下文中，將參考圖6和圖7描述上述的根據本發明的第一實施例的圖像感測器的一些變型。供參考，圖6和圖7是沿圖2所示的線A-A'截取的剖面圖，為了方便起見，圖3所示的相同元件被指定相同的元件符號。
圖6是示出了根據本發明的另一個實施例的圖像感測器的剖面圖。如圖6所示，在根據本發明的另一個實施例的圖像感測器中，傳輸閘208可以包括閘極介電層206和被閘極介電層206密封的閘電極205。閘極介電層206可以包括第一閘極介電層206A、第二閘極介電層206B和第三閘極介電層206C。 在此，第一閘極介電層206A、第二閘極介電層206B和第三閘極介電層206C可以具有彼此不同的厚度，並且包括彼此不同的材料。
具體地，第一閘極介電層206A和第二閘極介電層206B可以具有大於第三閘極介電層206C的厚度。這可以改善閘電極205和相鄰結構之間的電絕緣特性。由於第三閘極介電層206C用作閘電極205和通道結構210之間的閘極介電層，因此第三閘極介電層206C常常被固定為特定厚度。然而，隨著設置在光電轉換元件203和閘電極205之間的第一閘極介電層206A的厚度以及在浮置擴散層214和閘電極205之間的第二閘極介電層206B的厚度增加，電絕緣特性可以得到改善。例如，隨著第一閘極介電層206A和第二閘極介電層206B的厚度增加，寄生電容可以減小，因而改善訊噪比特性。
此外，為了進一步改善電絕緣特性，第一閘極介電層206A和第二閘極介電層206B可以包括低K(低介電常數)材料。這裡，“低K”意為比氧化矽的介電常數低的介電常數。接觸通道結構210的第三閘極介電層206C可以包括高K材料。上述的根據本發明的另一個實施例的圖像感測器可以有助於高度集成而無特性劣化。
圖7是示出了根據本發明的圖像感測器的另一個實施例的圖像感測器的剖面圖。如圖7所示，根據本發明的另一個實施例的圖像感測器的光電轉換元件203可以包括第一雜質區201和第二雜質區202。第一雜質區201可以包圍第二雜質區202。而且，第二雜質區202的一部分穿過第一雜質區201，並且接觸通道結構210。
在此，根據本發明的又一個實施例的圖像感測器還可以包括形成在基底200中的第三雜質區204，第三雜質區204具有與第一雜質區201相同 的導電類型，並且設置在第二雜質區202和通道結構210之間。
具體地，第三雜質區204可以形成在基底200的接觸通道結構的表面，並且用於抑制暗電流的產生。在此，接觸入射表面S1並與基底200的表面S2相對地定位的第一雜質區201也可以用於抑制暗電流的產生。在這種情況下，由於第三雜質區204具有與第二雜質區202互補的導電類型，所以第三雜質區204優選具有比接觸基底200的相對表面S2的第一雜質區201小的厚度，以在光電轉換元件203和通道結構210之間傳輸載流子。例如，第三雜質區204可以具有50nm或更小的厚度。上述的根據本發明的另一個實施例的圖像感測器可以有助於高度集成而無特性劣化。
圖8是示出了根據本發明的又一個實施例的圖像感測器的平面圖，圖9是沿圖8所示的線A-A'截取的剖面圖。此外，圖10是示出了根據本發明的又一個實施例的圖像感測器的變型的平面圖。
如圖8和圖9所示，根據本發明的實施例的圖像感測器可以包括：光電轉換元件303，形成在基底300中；一個或更多個柱體310，形成在光電轉換元件303之上；通道層320，形成在柱體310之上以接觸光電轉換元件303；以及傳輸閘330，形成在通道層320之上並且包圍柱體310的側表面。
在根據本發明的實施例的圖像感測器中，基底300可以包括半導體基底。半導體基底可以處於單晶狀態且包括含矽材料。即，基底300可以包括單晶含矽材料。並且，基底300可以為透過減薄程序獲得的薄基底。例如，基底300可以為透過減薄程序獲得的薄體矽基底。
光電轉換元件303可以包括光電二極體。具體地，光電轉換元件303可以包括第一雜質區301和第二雜質區302。第二雜質區302具有與第一雜 質區301互補的導電性。例如，第一雜質區301可以為P型，第二雜質區302可以為N型。第二雜質區302可以形成在第一雜質區301內。
因此，第一雜質區301可以具有包圍第二雜質區302的形狀。第一雜質區301可以接觸入射表面S1和相對表面S2，並且用於防止在基底300的表面之上出現暗電流。此外，第一雜質區301可以用作將相鄰的像素彼此隔離的隔離接面(junction isolation)。第二雜質區302可以在垂直方向上具有均勻的摻雜分佈，或者可以具有其中雜質的摻雜濃度沿載流子傳送方向而增加的漸變的分佈。在後者情況下，能夠將在光電轉換元件303中產生的光電荷更有效地傳送到傳輸閘330。在此，載流子傳送方向可以為從入射光被引入處的入射表面S1延伸至光電轉換元件303的方向(S1→S2)。
根據本發明的實施例的圖像感測器可以包括形成在光電轉換元件303之上的一個或更多個柱體310。透過調節柱體310的高度，柱體310可以用於增加傳輸電晶體的通道長度。
柱體310可以為具有三邊或更多邊的多邊形、圓形或橢圓形的平面形狀。柱體310可以具有垂直側壁或傾斜側壁。具有傾斜側壁的柱體310可以具有角錐體的截頭錐體的形狀。在另一個實施例中，柱體310的側壁可以具有不規則結構。柱體310可以包括絕緣材料。例如，柱體310可以包括氧化物、氮化物、氮氧化物或它們的組合。
如圖8所示，單元像素可以包括一個柱體310。在這種情況下，柱體310可以設置在光電轉換元件303的中心部。這是為了將光電轉換元件303中產生的光電荷有效地傳送到通道層320。在另一個實施例中，如圖10所示，單元像素可以包括多個柱體310。多個柱體310耦合到浮置擴散(FD,floating diffusion)。多個柱體310可以佈置為矩陣形狀。多個柱體310可以具有彼此相同的形狀，或具有彼此不同的形狀。
根據本發明的實施例的圖像感測器可以包括形成在光電轉換元件303之上並包圍柱體310的側壁的傳輸閘330。由於傳輸閘330具有包圍柱體310的側壁的形狀，所以可以採用垂直通道。傳輸閘330可以具有與光電轉換元件303疊置的平板形狀。因此，傳輸閘330可以具有與單元像素對應的平板形狀。這樣，光電轉換元件303和傳輸閘330在圖像感測器中沿垂直方向層疊，從而可以增加集成度。傳輸閘330可以形成在相對表面S2之上。因此，傳輸閘330還可以用作關於光電轉換元件303的背側反射層。在這種情況下，能夠增加光電轉換元件303的量子效率。
傳輸閘330可以包圍柱體310的側壁，傳輸閘330的一部分可以延伸到柱體310的上表面。即，傳輸閘330可以具有暴露柱體310的上表面的一部分的開口333。開口333將在形成在柱體310的上表面之上的通道層320和浮置擴散(FD)之間提供電接觸。
當如圖10所示地設置多個柱體310時，傳輸閘330可以包括與各該柱體310相對應的多個開口333。開口333的平面形狀可以與柱體310的平面形狀相同。即，開口333可以為具有三邊或更多邊的多邊形、圓形或橢圓形的平面形狀。
傳輸閘330可以包括閘極介電層331和在閘極介電層331之上的閘電極332。閘極介電層331可以具有均勻的厚度且包括絕緣材料。具體地，閘極介電層331可以包括具有絕緣特性的高K材料。例如，閘極介電層331可以包括氧化物、氮化物、氮氧化物或它們的組合。閘電極332可以包括半導體材 料，半導體材料包括矽或金屬材料。
根據本發明的實施例的圖像感測器可以包括通道層320，通道層320電耦合到光電轉換元件303並形成在柱體310的暴露表面之上。通道結構320可以具有倒轉的筒形。可選擇地，通道層320可以具有這樣的形狀：通道層320接觸光電轉換元件303的端部延伸到基底300，以增加光電轉換元件303和通道層320之間的接觸面積。延伸到基底300的通道層320可以設置在光電轉換元件303和傳輸閘330之間。即，在單元像素內，通道層320可以為覆蓋包括柱體310的基底300的整個相對表面S2的形狀。因此，通道層320可以與整個光電轉換元件303疊置。
通道層320可以具有僅接觸光電轉換元件303的第一雜質區301的形狀。因此，通道層320不與光電轉換元件303的第二雜質區302接觸。由於通道層320和光電轉換元件303的第一雜質區301具有彼此互補的導電類型，因此與通道層320接觸的第一雜質區301可以具有相對小的厚度，以便於載流子從光電轉換元件303傳送到通道層320。
通道層320可以包括含矽材料。例如，通道層320可以包括多晶矽。具體地，通道層320可以包括未摻雜有雜質的未摻雜多晶矽或者摻雜有P型雜質的P型多晶矽。在這種情況下，傳輸電晶體可以以增強模式操作。
在根據本發明的實施例的圖像感測器中，通道層320可以包括摻雜有N型雜質的多晶矽。在這種情況下，傳輸電晶體可以以耗盡模式操作，並且改善在斷開狀態下的暗電流特性。此外，通道層320可以具有與光電轉換元件303的第一雜質區301互補的導電類型。通道層320和第一雜質區301在平衡狀態下可以是接面隔離(junction-isolated)的。
具體地，多晶矽具有很多陷阱位點。當多晶矽用作通道層320時，陷阱位點可以起到產生暗電流的源的作用。為了改善暗電流特性，優選地採用摻雜有雜質的多晶矽而不是未摻雜多晶矽作為通道層320。這是因為透過使用摻雜的雜質可以消除陷阱位點。當增加雜質的摻雜濃度時，可以消除更多的陷阱位點，並且可以更有效地改善暗電流特性。
然而，在應用摻雜有P型雜質的多晶矽作為通道層320的情況下，在增加雜質的摻雜濃度時，傳輸電晶體的閾電壓也增加，因而可以減少閘極控制。在將摻雜有N型雜質的多晶矽應用為通道層320並且傳輸電晶體以耗盡模式操作的情況下，傳輸閘330可以處於斷開狀態。即，在積分時間期間在通道層320中產生的暗電流可以被提取到浮置擴散(FD)，在積分時間，光電荷回應於入射光而在光電轉換元件303中產生。在此，由於光電轉換元件303的第一雜質區301具有與通道層320互補的導電類型，光電轉換元件303中產生的光電荷未被提取到通道層320，而在光電轉換元件303內累積。
在傳輸閘330的導通狀態下，通道層320的電場延伸到光電轉換元件303，因而通道層320可以電耦合到光電轉換元件303。此後，在光電轉換元件303內累積的光電荷可以經由通道層320傳輸到浮置擴散(FD)。
根據本發明的實施例的圖像感測器可以包括濾色器層340和聚光構件350，濾色器層340與傳輸閘330相對並形成在入射表面S1之上，入射光在入射表面S1處被引入至光電轉換元件303中，聚光構件350形成在濾色器層340之上。濾色器層340可以用於分離顏色，並且包括紅色濾色器、綠色濾色器、藍色濾色器、藍綠色濾色器、黃色濾色器、紫紅色濾色器、白色濾色器、黑色濾色器、紅外截止濾色器等。聚光構件350可以包括數位透鏡或半球形透鏡。
本技術可以提供一種有助於高度集成而無裝置特性劣化的圖像感測器。具體地，可以有效地改善暗電流特性。
根據本發明的一個實施例的圖像感測器可以用於各種電子裝置或系統。下文將參考圖11描述根據本發明的一個實施例的包括圖像感測器的攝像機。
圖11是示意性地示出了包括圖1所示的圖像感測器的電子裝置的視圖。參照圖11，根據本發明的一個實施例的包括圖像感測器的電子裝置可以是能夠攝取靜態圖像或動態圖像的攝像機。該電子裝置可以包括光學系統或光學透鏡410、快門單元411、驅動單元413和訊號處理單元412，驅動單元413用於控制/驅動圖像感測器400和快門單元411。
光學系統410可以將來自物體的圖像光引導至圖像感測器400的像素陣列100。光學系統410可以包括多個光學透鏡。快門單元411可以控制圖像感測器400的光照射時間和光遮蔽時間。驅動單元413可以控制圖像感測器400的傳輸操作和快門單元411的快門操作。訊號處理單元412可以以各種方式處理從圖像感測器400輸出的訊號。經過處理的圖像訊號Dout可以儲存在諸如記憶體的儲存介質中，或者輸出到監視器等。
如上所述，圖像感測器可以有助於高度集成而無圖像感測器的特性劣化。
雖然，已經出於說明的目的描述了不同的實施例，但對於本發明所屬技術領域中具有通常知識者而言顯而易見的是，在不背離如申請專利範圍所限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以作出各種改變和變型。
300‧‧‧基底
301‧‧‧第一雜質區
302‧‧‧第二雜質區
303‧‧‧光電轉換元件
310‧‧‧柱體
320‧‧‧通道層
330‧‧‧傳輸閘
331‧‧‧閘極介電層
332‧‧‧閘電極
333‧‧‧開口
340‧‧‧濾色器層
350‧‧‧聚光構件
S1‧‧‧入射表面
S2‧‧‧相對表面
FD‧‧‧浮置擴散

Claims (19)

  1. 一種圖像感測器，包括：光電轉換元件，包括第一雜質區和第二雜質區，其中，該第一雜質區接觸基底的第一表面，該第二雜質區具有與該第一雜質區互補的導電性，且該第二雜質區形成在該基底內及形成在該第一雜質區之下；柱體，形成在該光電轉換元件之上；傳輸閘，形成在該光電轉換元件之上以包圍該柱體；以及通道層，形成在該傳輸閘和該柱體之間，並且接觸該光電轉換元件，其中，該通道層接觸該第一雜質區，並且具有與該第二雜質區相同的導電性。
  2. 如請求項1所述的圖像感測器，還包括：濾色器層，形成在該基底的入射表面之上，其中，該基底的入射表面與該基底的第一表面相對，入射光經由該濾色器層引入並傳播到該光電轉換元件；以及聚光構件，形成在該濾色器層之上。
  3. 如請求項1所述的圖像感測器，其中，該第一雜質區包圍該第二雜質區。
  4. 如請求項1所述的圖像感測器，其中，該第一雜質區包括第一部分和第二部分，該第一部分接觸該通道層，除該第一部分之外的部分為該第二部分，並且該第一部分的厚度小於該第二部分的厚度。
  5. 如請求項1所述的圖像感測器，其中，該第二雜質區具有漸變的摻雜分佈，使得該第二雜質區的摻雜濃度沿載流子傳送方向逐漸增加。
  6. 如請求項1所述的圖像感測器，其中，該柱體是多邊形柱體、圓形柱體 或橢圓形柱體。
  7. 如請求項1所述的圖像感測器，其中，該柱體具有垂直側壁、傾斜側壁或形狀不規則的側壁。
  8. 如請求項1所述的圖像感測器，其中，該柱體包括絕緣材料。
  9. 如請求項1所述的圖像感測器，其中，該通道層與整個該光電轉換元件疊置。
  10. 如請求項1所述的圖像感測器，其中，該通道層包括摻雜多晶矽。
  11. 如請求項1所述的圖像感測器，其中，該傳輸閘包括暴露該通道層的開口。
  12. 一種圖像感測器，包括：光電轉換元件，形成在基底內；傳輸閘，形成在該光電轉換元件之上，並且具有穿過該傳輸閘的通孔；浮置擴散層，形成在該傳輸閘之上；通道層，間隙填充該通孔，且回應於施加至該傳輸閘的訊號將該光電轉換元件電耦合到該浮置擴散層，並以耗盡模式操作；以及電容器，形成在該浮置擴散層之上其中，該光電轉換元件包括形成在該基底之上的第一雜質區和第二雜質區；其中，該通道層接觸該第二雜質區並且該通道層具有與該第二雜質區相同的導電性。
  13. 如請求項12所述的圖像感測器，還包括： 層間介電層，形成在該基底之上，並且覆蓋該傳輸閘、該浮置擴散層和該電容器；邏輯電路層，形成在該層間介電層之上；以及接觸器，穿過該層間介電層，並且將該傳輸閘、該浮置擴散層和該電容器電耦合到該邏輯電路層。
  14. 如請求項12所述的圖像感測器，其中，該光電轉換元件更包括形成在該基底之上的第三雜質區，其中，該第一雜質區和該第三雜質區具有彼此相同的導電性，該第二雜質區具有與該第一雜質區互補的導電性，該第一雜質區包圍該第二雜質區，該第三雜質區設置在該通道層和該第二雜質區之間。
  15. 如請求項14所述的圖像感測器，其中，該第三雜質區的厚度小於與該傳輸閘接觸的該第一雜質區的厚度。
  16. 如請求項14所述的圖像感測器，其中，該第二雜質區具有漸變的摻雜分佈，使得摻雜濃度沿載流子傳送方向增加。
  17. 如請求項12所述的圖像感測器，其中，該傳輸閘包括：閘電極；以及閘極介電層，包圍該閘電極，其中，該閘極介電層包括：第一閘極介電層，形成在該閘電極和該光電轉換元件之間；第二閘極介電層，形成在該閘電極和該浮置擴散層之間；以及第三閘極介電層，形成在該閘電極和該通道層之間。
  18. 如請求項17所述的圖像感測器，其中，該第一閘極介電層和該第二閘極介電層包括低介電常數材料，以及該第三閘極介電層包括高介電常數材料。
  19. 如請求項12所述的圖像感測器，其中，該電容器包括第一電極、介電層和第二電極的層疊，以及該第一電極包括該浮置擴散層。
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