TWI704812B - 用於整體快門像素儲存節點之可變偏壓隔離結構 - Google Patents

用於整體快門像素儲存節點之可變偏壓隔離結構 Download PDF

Info

Publication number
TWI704812B
TWI704812B TW108129805A TW108129805A TWI704812B TW I704812 B TWI704812 B TW I704812B TW 108129805 A TW108129805 A TW 108129805A TW 108129805 A TW108129805 A TW 108129805A TW I704812 B TWI704812 B TW I704812B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
semiconductor material
transistor
isolation structure
storage
storage transistor
Prior art date
Application number
TW108129805A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202017364A (zh
Inventor
加圻 梁
Original Assignee
美商豪威科技股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 美商豪威科技股份有限公司 filed Critical 美商豪威科技股份有限公司
Publication of TW202017364A publication Critical patent/TW202017364A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI704812B publication Critical patent/TWI704812B/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1463—Pixel isolation structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02109—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates
    • H01L21/02112—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer
    • H01L21/02123—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material containing silicon
    • H01L21/02164—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material containing silicon the material being a silicon oxide, e.g. SiO2
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/0257—Doping during depositing
    • H01L21/02573—Conductivity type
    • H01L21/02579—P-type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/31—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to form insulating layers thereon, e.g. for masking or by using photolithographic techniques; After treatment of these layers; Selection of materials for these layers
    • H01L21/3205—Deposition of non-insulating-, e.g. conductive- or resistive-, layers on insulating layers; After-treatment of these layers
    • H01L21/32051—Deposition of metallic or metal-silicide layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/31—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to form insulating layers thereon, e.g. for masking or by using photolithographic techniques; After treatment of these layers; Selection of materials for these layers
    • H01L21/3205—Deposition of non-insulating-, e.g. conductive- or resistive-, layers on insulating layers; After-treatment of these layers
    • H01L21/321—After treatment
    • H01L21/32115—Planarisation
    • H01L21/3212—Planarisation by chemical mechanical polishing [CMP]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/76—Making of isolation regions between components
    • H01L21/765—Making of isolation regions between components by field effect
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1443—Devices controlled by radiation with at least one potential jump or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H01L27/14612—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements involving a transistor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14623—Optical shielding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/402—Field plates
    • H01L29/407—Recessed field plates, e.g. trench field plates, buried field plates
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/40—Extracting pixel data from image sensors by controlling scanning circuits, e.g. by modifying the number of pixels sampled or to be sampled
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
    • H04N25/53—Control of the integration time
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/75—Circuitry for providing, modifying or processing image signals from the pixel array
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/78—Readout circuits for addressed sensors, e.g. output amplifiers or A/D converters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14689—MOS based technologies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

一種像素單元包括安置於一半導體材料中以回應於入射光而累積影像電荷之一光電二極體，以及耦接至該光電二極體以自該光電二極體選擇性地耗盡該影像電荷之一整體快門閘極電晶體。一儲存電晶體安置於該半導體材料中以儲存該影像電荷。一隔離結構安置於該半導體材料中接近於該儲存電晶體以將該儲存電晶體之一側壁隔離於雜散光及雜散電荷。該隔離結構填充有鎢，且經耦接以接收一可變偏壓信號以控制該隔離結構之一偏壓。該可變偏壓信號在該影像電荷至該儲存電晶體之一轉移期間設定成一第一偏壓值。該可變偏壓信號在該影像電荷自該儲存電晶體之一轉移期間設定成一第二偏壓值。

Description

用於整體快門像素儲存節點之可變偏壓隔離結構
本發明大體上係關於半導體處理。更具體言之，本發明之實例係關於具有整體快門之影像感測器像素單元之半導體處理。
對於高速影像感測器，整體快門可用於捕捉快速移動物件。整體快門通常使影像感測器中之所有像素單元能夠同時捕捉影像。對於較慢移動物件，使用較常見的滾動快門。滾動快門通常按順序捕捉影像。舉例而言，可以循序地啟用二維(「2D」)像素單元陣列內之每一列，以使得單一列內之每一像素單元同時捕捉影像，但以滾動順序啟用每一列。因此，像素單元之每一列在不同影像獲取窗期間捕捉影像。對於緩慢移動物件，每一列之間的時間差可產生影像失真。對於快速移動物件，滾動快門可造成沿著物件之移動軸線之可察覺伸長失真。
為了實施整體快門，儲存電容器或儲存電晶體可用於在等待自像素單元陣列之讀出的同時臨時儲存由陣列中之每一像素單元獲取之影像電荷。當使用整體快門時，轉移電晶體通常用以將影像電荷自光電二極體轉移至儲存電晶體，並且接著輸出電晶體用以將儲存之影像電荷自儲存電晶體轉移至像素單元之讀出節點。影響具有整體快門之影像感測器像素單元中之效能的因素包括整體快門效率、暗電流、白色像素及影像滯後。大體而言，整體快門像素效能隨著整體快門效率改良而改良。整體快門效率係信號電荷可如何較好地儲存於儲存節點中而不會被寄生光及/或電串擾污染之度量。
揭示了關於具有包括偏壓切換隔離結構之整體快門像素儲存結構之像素單元的方法及設備。在以下描述中，闡述了許多特定細節以提供對實施例之透徹理解。然而，熟習此項技術者將認識到，可在沒有該等特定細節中之一或多者的情況下或使用其他方法、組件、材料等實踐本文中所描述之技術。在其他情況下，未展示或詳細描述眾所周知的結構、材料或操作以免使某些態樣混淆。
在本說明書通篇中參考「一個實例」或「一個實施例」意謂結合實例描述之特定特徵、結構或特性包括於本發明之至少一個實例中。因此，貫穿本說明書在不同位置中出現之片語「在一個實例中」或「在一個實施例中」未必都係指同一實例。此外，該等特定特徵、結構或特性可在一個或多個實例中組合。
在本說明書通篇中，使用若干技術術語。除非本文中明確定義，或其使用情境將明顯另外表明，否則此等術語將採用其在它們所出現之領域中之普通含義。應注意，元件名稱及符號在本文中可互換使用(例如Si對矽)；然而，兩者具有相同含義。
如將示出，揭示了具有包括可變偏壓隔離結構之整體快門像素儲存結構之像素單元。如將在下文進一步詳細論述，該等可變偏壓隔離結構填充有鎢，且使整體快門像素單元之儲存電晶體之側壁隔離於寄生雜散光及/或雜散電荷使其無法進入儲存電晶體。因此，整體快門效率(GSE)改良，因為儲存於儲存電晶體中之影像電荷經隔離而免於被寄生雜散光污染，此減少了由於寄生雜散光而在儲存電晶體中產生電子電洞對。另外，防止雜散電荷進入儲存電晶體，根據本發明之教示此減少了深矽電學串擾。此外，隔離結構經耦接以在像素單元之操作期間接收可變偏壓信號以控制隔離結構之偏壓，以進一步改良整體快門效率，減少暗電流，減少影像電荷至儲存電晶體之轉移之滯後，且減少影像電荷自儲存電晶體之轉移之滯後。
為了繪示，圖 1A 係繪示根據本發明之教示的具有包括可變偏壓隔離結構之整體快門像素儲存結構之像素單元100A之一個實例的示意圖。在實例中，像素單元100A可以係像素陣列中之複數個像素單元中之一者。如所描繪之實例中所示，像素單元100A包括整體快門閘極電晶體102、光電二極體104、轉移電晶體106、儲存電晶體108、輸出電晶體110、讀出節點114、重設電晶體112、放大器電晶體116，以及耦接至位元線178之列選擇電晶體118。在一個實例中，讀出節點114係安置於像素單元100A之半導體材料中之浮動擴散部。在一個實例中，放大器電晶體116係以源極隨耦器耦接電晶體實施。如圖 1A 之實例中所示，整體快門閘極電晶體102耦接於VGS 電壓與光電二極體104之間。
在操作中，整體快門閘極電晶體102經耦接以藉由回應於整體快門信號GS將光電二極體104選擇性地耦接至電壓VGS ，來選擇性地耗盡已累積於光電二極體104中之影像電荷。光電二極體104安置於半導體材料像素單元100A中以回應於經引導至光電二極體104之入射光122而累積影像電荷。在一個實例中，入射光122可經引導通過像素單元100A之半導體材料之前側。在另一實例中，應瞭解，入射光122可經引導通過像素單元100A之半導體材料之背側。影像電荷已累積於光電二極體104中，經耦接以回應於轉移電晶體控制信號TX而通過轉移電晶體106轉移至儲存電晶體108之輸入，該轉移電晶體控制信號TX經耦接以在轉移電晶體106之閘極端子處接收。
在所描繪之實例中，儲存電晶體108經繪示為藉由第一隔離結構120A及第二隔離結構120B在像素單元100A之半導體材料中隔離。如將在下文進一步詳細論述，根據本發明之教示，在一個實例中，第一隔離結構120A及第二隔離結構120B係光學不透明隔離結構，其安置成接近於儲存電晶體108以阻擋寄生雜散光及/或雜散電荷自儲存電晶體108之周圍區域進入儲存電晶體108，從而改良整體快門效率。
像素單元100亦包括經耦接以產生可變偏壓信號DTI_VSG之可變偏壓電路121。在所描繪之實例中，第一隔離結構120A及第二隔離結構120B耦接至可變偏壓電路121以接收可變偏壓信號DTI_VSG來控制第一隔離結構120A及第二隔離結構120B之偏壓。如將論述，根據本發明之教示，在像素單元100A之操作期間以可變偏壓信號DTI_VSG對第一隔離結構120A及第二隔離結構120B之偏壓之控制進一步改良整體快門效率，減少暗電流，減少影像電荷至儲存電晶體108之轉移之滯後，且減少影像電荷自儲存電晶體108之轉移之滯後。
圖 1A 中之實例亦繪示輸出電晶體110耦接至儲存電晶體108之輸出以將影像電荷自儲存電晶體108選擇性地轉移至讀出節點114，該讀出節點在所繪示之實例中係浮動擴散部FD。重設電晶體112耦接於重設電壓VRESET 與讀出節點114之間以回應於重設信號RST而選擇性地重設讀出節點114中之電荷。在實例中，放大器電晶體116包括放大器閘極，其耦接至讀出節點114以放大讀出節點114上之信號，以自像素單元100A輸出影像資料。列選擇電晶體118耦接於位元線178與放大器電晶體116之間以將影像資料輸出至位元線178。
圖 1B 係繪示根據本發明之教示的具有包括可變偏壓隔離結構之整體快門像素儲存結構之像素單元100B之另一實例的示意圖。應瞭解，圖 1B 之實例像素單元100B與圖 1A 之實例像素單元100A存在許多相似性。因此，應瞭解，下文參考之類似命名及編號之元件係有聯繫的且類似於上文所描述起作用。圖 1B 之實例像素單元100B與圖 1A 之實例像素單元100A之間的一個顯著差異係在圖 1B 之像素單元100B中，轉移電晶體106之閘極端子耦接至儲存電晶體108之閘極端子。因此，在所描繪之實例中，轉移電晶體106及儲存電晶體108兩者之組合或連接之閘極端子107經耦接以接收同一轉移儲存閘極控制信號TSG，如圖所示。另外，第一隔離結構120A及第二隔離結構120B安置成接近於像素單元100B中之轉移電晶體106及儲存電晶體108兩者。
圖 2 係繪示根據本發明之教示的具有包括可變偏壓隔離結構之整體快門像素儲存結構之像素單元200之一個實例之一部分的橫截面圖。在實例中，像素單元200可以係像素陣列中之複數個像素單元中之一者。應注意，在一個實例中，圖 2 之像素單元200係圖 1A 之像素單元100A及/或圖 1B 之像素單元100B之一部分的橫截面圖，且下文參考之類似命名及編號之元件係有聯繫的且類似於上文所描述起作用。應瞭解，圖 2 之橫截面圖示不與圖 1A 及/或圖 1B 中示出之每一個元件相交，且因此圖 1A 或圖 1B 中繪示之一些元件雖然在像素單元200中存在，但在圖 2 之橫截面圖示中可能不可見。
圖 2 中所繪示之實例示出像素單元200包括安置於半導體材料228中之儲存電晶體208。在實例中，儲存電晶體208包括儲存區278以儲存由安置於半導體材料228中之光電二極體(例如圖 1A 或圖 1B 中之光電二極體104)回應於經引導至光電二極體之入射光而累積之影像電荷。在一個實例中，半導體材料228可包括矽，且儲存區278可以係儲存電晶體208之儲存二極體，其在半導體材料228中在儲存閘極242下方形成有摻雜矽，其中閘極氧化物240安置於儲存閘極242與儲存區278之間。
圖 2 中所示之實例示出像素單元200亦包括在儲存電晶體208外部的安置於半導體材料228中之其他周圍元件。舉例而言，整體快門閘極電晶體202繪示為安置於半導體材料228中。在實例中，整體快門閘極電晶體202可用於藉由將電壓VGS 224耦接至光電二極體而自亦安置於半導體材料228中之光電二極體選擇性地耗盡影像電荷。
像素單元200亦包括安置於半導體材料228中緊靠儲存電晶體208之一或多個隔離結構，例如隔離結構220A及220B。如所描繪之實例中所示，根據本發明之教示，隔離結構220A及220B安置於半導體材料228中接近於儲存電晶體208，以將儲存電晶體208之側壁隔離於儲存電晶體208外部之半導體材料228中之寄生雜散光及/或雜散電荷。
在一個實例中，每一隔離結構220A及220B以填充有鎢234之深溝槽隔離結構形成於半導體材料228中。在一個實例中，在深溝槽隔離開口形成於半導體材料208中之後，且在以鎢234填充深溝槽隔離開口之前，在深溝槽隔離開口之內側壁上形成鈍化層230。在一個實例中，鈍化層230係P+鈍化層230。在實例中，在形成鈍化層230之後，在深溝槽隔離開口之內部側壁上在鈍化層230上形成薄氧化物231，如圖所示。隨後在深溝槽隔離開口之內部側壁上在薄氧化物231上形成氮化鈦塗層232。在一個實例中，根據本發明之教示，隨後以鎢234填充深溝槽隔離開口以形成隔離結構220A及220B。
在一個實例中，在以鎢234填充隔離結構220A及220B之後，可執行化學機械拋光(CMP)，且接著在隔離結構220A及220B上方形成保護層236。在一個實例中，保護層236包括氧化物或氮化物中之一者，例如氮化矽。圖 2 中所示之實例亦示出包括通孔246、247A、247B、250及254之通孔以及包括金屬導體244、245A、245B、248及252之金屬導體可形成於層間介電質284中接近於像素單元200之前側286，如圖所示。應瞭解，根據本發明之教示，每一隔離結構220A及220B上之保護層236保護閘極氧化物240免於被每一隔離結構220A及220B之鎢234污染。
在操作中，每一隔離結構220A及220B係光學不透明隔離結構，其阻擋寄生雜散光及/或雜散電荷進入半導體材料228中之儲存電晶體208之區。舉例而言，在像素單元200係前側照明像素單元之實例中，圖 2 繪示進入儲存電晶體208外部之半導體材料228之前側286之雜散光222A由隔離結構220A阻擋。雜散光222B可進入儲存電晶體208外部之區域中之半導體材料228，且因此光生電子電洞對，包括如圖 2 所示之電荷226。然而，隔離結構220A亦阻擋電荷226進入儲存電晶體208，如圖所示。
圖 2 中描繪之實例亦繪示像素單元200包括安置於層間介電質284中接近於半導體材料228之前側286之金屬導體及通孔。舉例而言，如所繪示實例中所示，金屬導體244、245A、245B、248及252提供通過通孔246、247A、247B、250及254分別至像素單元200之儲存電晶體208、隔離結構220A、隔離結構220B、VGS 224耦接及整體快門閘極電晶體202之對應結構的電連接。應瞭解，雜散光亦可被此等結構散射或偏轉離開。舉例而言，圖 2 中描繪之實例示出雜散光222C朝向儲存電晶體208經偏轉離開金屬導體248，且雜散光222D朝向儲存電晶體208經偏轉離開通孔250。然而，如圖所示，根據本發明之教示，隔離結構220B亦阻擋雜散光222C及222D進入儲存電晶體208。
因此，隔離結構220A及220B阻擋雜散光及/或雜散電荷自半導體材料228中之周圍區域進入儲存電晶體208係根據本發明之教示。實際上，在儲存電晶體208中不可產生包括光生電子電洞對之雜散電荷。因此，根據本發明之教示改良了整體快門效率。
另外，圖 2 中描繪之實例示出金屬導體245A及245B經耦接以接收可變偏壓信號DTI_VSG以控制接近於儲存電晶體208之隔離結構220A及220B之偏壓。在一個實例中，可變偏壓信號DTI_VSG係自可變偏壓電路(例如圖 1A 或圖 1B 之可變偏壓電路121)接收。
在一個實例中，在光電二極體及儲存電晶體208之整體重設操作期間，可變偏壓信號DTI_VSG經設定為實質上等於接地電壓(例如零伏特)。
繼續實例，隨後在入射光經引導至光電二極體以累積影像電荷的同時將可變偏壓信號DTI_VSG設定為負電壓。應瞭解，藉由在此曝光時間期間自可變偏壓信號DTI_VSG以負電壓偏壓隔離結構220A及220B，關於隔離結構220A及220B產生電場以防止電子在基板半導體材料228及儲存電晶體208之儲存區278之較深區中累積。因此，根據本發明之教示，暗電流減少，且整體快門效率改良。
繼續實例，在影像電荷通過轉移電晶體自光電二極體至儲存電晶體208之轉移期間，隨後將可變偏壓信號DTI_VSG設定為正電壓。應瞭解，藉由在影像電荷至儲存電晶體208之此轉移期間自可變偏壓信號DTI_VSG以正電壓偏壓隔離結構220A及220B，關於隔離結構220A及220B產生將轉移電晶體耦接至儲存電晶體208之電場。因此，根據本發明之教示，藉由自可變偏壓信號DTI_VSG以正電壓降低轉移電晶體與儲存電晶體208之間的電位障壁，在影像電荷至儲存電晶體208之轉移期間減少滯後。
繼續實例，隨後在影像電荷儲存於儲存電晶體208中的同時將可變偏壓信號DTI_VSG設定回至負電壓。如先前所論述，藉由在影像電荷儲存於儲存電晶體208中的同時自可變偏壓信號DTI_VSG以負電壓偏壓隔離結構220A及220B，關於隔離結構220A及220B產生之電場防止電子在基板半導體材料228及儲存電晶體208之儲存區278處之較深矽區中累積。因此，根據本發明之教示，暗電流減少，且整體快門效率改良。
繼續實例，在影像電荷通過輸出電晶體自儲存電晶體208至浮動擴散部之轉移期間，隨後將可變偏壓信號DTI_VSG設定為較強負電壓。在一個實例中，較強負電壓與在入射光經引導至光電二極體的同時及在影像電荷儲存於儲存電晶體208中的同時可變偏壓信號DTI_VSG之負電壓相比量值更大。藉由在影像電荷自儲存電晶體208轉移的同時自可變偏壓信號DTI_VSG以較強負電壓偏壓隔離結構220A及220B，關於隔離結構220A及220B產生之電場自儲存電晶體208之儲存區278之較深區推動電子以通過輸出電晶體流出。因此，根據本發明之教示，在影像電荷自儲存電晶體208之轉移期間減少滯後。
繼續實例，在像素單元200之浮動擴散部中之影像電荷之取樣操作或讀出期間，隨後將可變偏壓信號DTI_VSG設定回至實質上等於接地電壓(例如零伏特)。
在另一實例中，應瞭解，像素單元200可為背側照明式像素單元。在此實例中，應瞭解，雜散光可因此通過半導體材料228之背側288進入半導體材料228。在此實例中，應瞭解，根據本發明之教示，可視情況在半導體材料228之背側288上在儲存電晶體208上方形成屏蔽層238。如所描繪之實例中所示，根據本發明之教示，雜散光222E由屏蔽層238屏蔽而不會進入半導體材料228之背側288進入儲存電晶體208。在一個實例中，屏蔽層238可包括金屬，例如鎢。
圖 3 係繪示根據本發明之教示的與具有包括可變偏壓隔離結構之整體快門像素儲存結構之像素單元之讀出相關聯之信號波形的時序圖356。舉例而言，在一個實例中，應瞭解，時序圖356中描述之波形來自的像素單元可為圖 1A 之像素單元100A、圖 1B 之像素單元100B及/或圖 2 之像素單元200之實例，且下文參考之類似命名及編號之元件係有聯繫的且類似於上文所描述起作用。
如圖 3 中所描繪之實例中所示，時序圖356繪示根據本發明之教示在像素單元之操作期間的整體快門信號GS 302、轉移/轉移儲存閘極信號TX (TSG) 306、儲存閘極信號SG 308、可變偏壓信號DTI_VSG 321、輸出閘極信號OG 310、重設信號RST 312、取樣保持信號脈衝370及取樣保持重設脈衝372之實例。
初始地，在整體光電二極體及儲存電晶體重設操作358期間，整體快門信號GS 302、轉移/轉移儲存閘極信號TX (TSG) 306及儲存閘極信號SG 308全部為邏輯高，而輸出閘極信號OG 310、重設信號RST 312、取樣保持信號脈衝370及取樣保持重設脈衝372全部保持邏輯低。可變偏壓信號DTI_VSG 321實質上等於接地零(例如零伏特)。因此，GS閘極、TX閘極、SG閘極或TSG閘極(對於TX及SG閘極被連接之像素單元設計)耦接在一起且經脈衝至正軌道以接通彼等閘極，而OG閘極及RST閘極耦接至邏輯低以斷開彼等閘極而重設光電二極體及儲存電晶體。
在曝光時間操作360期間在光電二極體回應於入射光而累積影像電荷的同時，整體快門信號GS 302、轉移/轉移儲存閘極信號TX (TSG) 306以及儲存閘極信號SG 308、輸出閘極信號OG 310及重設信號RST 312全部設定成邏輯低，而可變偏壓信號DTI_VSG 321設定成負電壓。因此，GS閘極、TX閘極、SG閘極或TSG閘極(對於TX及SG閘極被連接之像素單元設計)、OG閘極及RST閘極一起耦接至接地以確保閘極關閉。在曝光時間操作360期間可變偏壓信號DTI_VSG 321設定成負電壓之情況下，產生電場以防止電子在基板及儲存節點處之較深矽區中累積。因此，根據本發明之教示，暗電流減少，且整體快門效率改良。如所描繪之實例中所示，在曝光時間操作360期間亦脈衝輸出閘極信號OG 310及重設信號RST 312以恰在影像電荷自光電二極體至儲存電晶體之轉移之前預充電儲存電晶體。
在自光電二極體至儲存電晶體之轉移操作362期間，整體快門信號GS 302、輸出閘極信號OG 310及重設RST信號312設定為邏輯低，轉移/轉移儲存閘極信號TX (TSG) 306及儲存閘極信號SG 308經脈衝至邏輯高，且可變偏壓信號DTI_VSG 321設定為正電壓。因此，TX閘極及SG閘極(或TSG閘極)耦接在一起且經脈衝至正軌道，從而允許電子自光電二極體轉移至儲存電晶體，而GS閘極、OG閘極及RST閘極耦接至邏輯低值以斷開彼等閘極。在影像電荷自光電二極體至儲存電晶體之轉移期間可變偏壓信號DTI_VSG 321設定成正電壓之情況下，產生將轉移電晶體耦接至儲存電晶體之電場。因此，根據本發明之教示，藉由自可變偏壓信號DTI_VSG 321以正電壓降低轉移電晶體與儲存電晶體之間的電位障壁，在影像電荷至儲存電晶體之轉移期間減少滯後。
在儲存電晶體保持時間操作364期間，整體快門信號GS 302、轉移/轉移儲存閘極信號TX (TSG) 306、儲存閘極信號SG 308、輸出閘極信號OG 310及重設RST信號312全部設定成邏輯低，而可變偏壓信號DTI_VSG 321設定回至負電壓。因此，GS閘極、TX閘極、SG閘極或TSG閘極(對於TX及SG閘極被連接之像素單元設計)、OG閘極及RST閘極一起耦接至接地以確保閘極關閉。根據本發明之教示，在儲存電晶體保持時間操作364期間可變偏壓信號DTI_VSG 321設定回至負電壓之情況下，產生之所得電場防止電子在基板及儲存節點處之較深矽區中累積，此減少暗電流且改良整體快門效率。應瞭解，在儲存電晶體保持時間操作364期間，像素陣列中之像素單元全部係逐列讀出，且儲存電晶體保持時間可變化。亦應理解，在實施相關雙取樣(CDS)之實例(如圖 3 所示)中，重設信號RST 312經脈衝，且取樣保持重設脈衝372如所示發生，以恰在儲存於儲存電晶體中之影像電荷至浮動擴散部之轉移之前自浮動擴散部取樣重設值。
在自儲存電晶體至浮動擴散部之轉移操作366期間，輸出閘極信號OG 310設定成邏輯高，且整體快門信號GS 302、轉移/轉移儲存閘極信號TX (TSG) 306、儲存閘極信號SG 308及重設信號RST 312全部設定成邏輯低，而可變偏壓信號DTI_VSG 321設定成較強負電壓。因此，OG閘極耦接至正軌道以接通，而GS閘極、TX閘極、SG閘極或TSG閘極(對於TX及SG閘極被連接之像素單元設計)及RST閘極一起耦接至接地以確保彼等閘極關閉。因此，儲存於儲存電晶體中之影像電荷現在通過輸出電晶體轉移至浮動擴散部。如圖 3 中所描繪之實例中所示，在自儲存電晶體至浮動擴散部之轉移操作366期間的較強負電壓可變偏壓信號DTI_VSG 321與在儲存電晶體保持時間操作364期間在影像電荷儲存於儲存電晶體中的同時的可變偏壓信號DTI_VSG 321之負電壓相比量值更大。根據本發明之教示，在自儲存電晶體至浮動擴散部之轉移操作366期間來自可變偏壓信號DTI_VSG 321之負電壓較強之情況下，所得電場自儲存節點之較深區推動電子以通過輸出電晶體流出，此在影像電荷自儲存電晶體之轉移期間減少滯後。
在樣本信號操作368期間，整體快門信號GS 302、轉移/轉移儲存閘極信號TX (TSG) 306、儲存閘極信號SG 308、輸出閘極信號OG 310及重設信號RST 312全部設定成邏輯低，而可變偏壓信號DTI_VSG 321設定回至實質上等於接地電壓(例如零伏特)。因此，GS閘極、TX閘極、SG閘極或TSG閘極(對於TX及SG閘極被連接之像素單元設計)、OG閘極及RST閘極一起耦接至接地以確保閘極關閉。如所描繪之實例中所示，在樣本信號操作368期間脈衝取樣保持信號SHS 370以自浮動擴散部取樣影像電荷值，以自像素單元讀出影像資料資訊。根據本發明之教示，在實施相關雙取樣(CDS)之實例中，自回應於取樣保持信號脈衝370而取樣之影像電荷值減去回應於取樣保持重設脈衝372而取樣之重設值，以自像素單元提供經校準之影像資料值。
圖 4 係繪示根據本發明之教示的包括具有複數個影像感測器像素單元之實例像素陣列476之成像系統474之一個實例的圖解，該等像素單元具有包括可變偏壓隔離結構之整體快門像素儲存結構。如所描繪之實例中所示，成像系統474包括耦接至控制電路484及讀出電路480之像素陣列476，該讀出電路耦接至功能邏輯482。
在一個實例中，像素陣列476係影像感測器像素單元(例如像素P1、P2、P3、...、Pn)之二維(2D)陣列。應注意，像素陣列476中之像素單元P1、P2、...Pn可為圖 1A 之像素單元100A、圖 1B 之像素單元100B、圖 2 之像素單元200及/或圖 3 中描述之像素單元之實例，且下文參考之類似命名及編號之元件係有聯繫的且類似於上文所描述起作用。如所繪示，每一像素單元經配置成列(例如列R1至Ry)及行(例如行C1至Cx)以獲取人、地點、物件等之影像資料，該影像資料可隨後用以呈現該人、地點、物件等之2D影像。
在一個實例中，在每一像素單元P1、P2、P3、...、Pn已獲取其影像資料或影像電荷之後，影像資料由讀出電路480通過位元線478讀出，且接著傳送至功能邏輯482。在各種實例中，讀出電路480可包括放大電路、類比至數位(ADC)轉換電路或其他電路。功能邏輯482可簡單地儲存影像資料，或者甚至藉由應用後期影像效果(例如修剪、旋轉、去除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他效果)來操控影像資料。在一個實例中，讀出電路480可沿讀出行線(所繪示)一次讀出一列影像資料，或可使用多種其他技術(未繪示)來讀出影像資料，該等技術係例如串列讀出或同時完全並列讀出所有像素。
在一個實例中，控制電路484耦接至像素陣列476以控制像素陣列476之操作特性。在一個實例中，控制電路484經耦接以產生上文所論述之整體快門信號及控制信號以用於控制每一像素單元之影像獲取。在實例中，整體快門信號及控制信號在單一獲取窗期間同時啟用像素陣列476內之所有像素單元P1、P2、P3、...Pn以自每一各別光電二極體轉移影像電荷。
本發明之所繪示實例之以上描述，包括摘要中描述之內容，並不意欲係窮盡性的或限制於所揭示之精確形式。雖然本文出於說明性目的而描述了本發明之特定實施例及實例，但在不脫離本發明之較寬精神及範疇的情況下各種等效修改係可能的。實際上，應瞭解，為了闡釋目的而提供特定實例電壓、電流、頻率、功率範圍值、時間等，且根據本發明之教示亦可在其他實施例及實例中採用其他值。
可鑒於以上詳細描述對本發明之實例作出此等修改。在以下申請專利範圍中使用之術語不應解釋為將本發明限制於說明書及申請專利範圍中所揭示之特定實施例。實際上，範疇將完全由以下申請專利範圍確定，以下申請專利範圍係根據申請專利範圍解譯之已確立原則解釋的。本說明書及圖因此應被視為說明性的而非限定性的。
100A:像素單元 100B:像素單元 102:整體快門閘極電晶體 104:光電二極體 106:轉移電晶體 107:閘極端子 108:儲存電晶體 110:輸出電晶體 112:重設電晶體 114:讀出節點 116:放大器電晶體 118:列選擇電晶體 120A:第一隔離結構 120B:第二隔離結構 121:可變偏壓電路 122:入射光 178:位元線 200:像素單元 202:整體快門閘極電晶體 208:儲存電晶體 220A:隔離結構 220B:隔離結構 222A:雜散光 222B:雜散光 222C:雜散光 222D:雜散光 222E:雜散光 224:電壓VGS 226:電荷 228:半導體材料 230:鈍化層 231:薄氧化物 232:氮化鈦塗層 234:鎢 236:保護層 238:屏蔽層 240:閘極氧化物 242:儲存閘極 244:金屬導體 245A:金屬導體 245B:金屬導體 246:通孔 247A:通孔 247B:通孔 248:金屬導體 250:通孔 252:金屬導體 254:通孔 278:儲存區 284:層間介電質 286:前側 288:背側 302:整體快門信號GS 306:轉移/轉移儲存閘極信號TX (TSG) 308:儲存閘極信號SG 310:輸出閘極信號OG 312:重設信號RST 321:可變偏壓信號DTI_VSG 356:時序圖 358:整體光電二極體及儲存電晶體重設操作 360:曝光時間操作 362:自光電二極體至儲存電晶體之轉移操作 364:儲存電晶體保持時間操作 366:自儲存電晶體至浮動擴散部之轉移操作 368:樣本信號操作 370:取樣保持信號脈衝 372:取樣保持重設脈衝 474:成像系統 476:像素陣列 478:位元線 480:讀出電路 482:功能邏輯 484:控制電路
參見以下圖式描述本發明之非限制性及非窮盡性實施例，其中除非另外規定，否則貫穿各視圖中相同的參考標號係指相同的部分。
圖 1A 係繪示根據本發明之教示的具有包括可變偏壓隔離結構之整體快門像素儲存結構之像素單元之一個實例的示意圖。
圖 1B 係繪示根據本發明之教示的具有包括可變偏壓隔離結構之整體快門像素儲存結構之像素單元之另一實例的示意圖。
圖 2 係繪示根據本發明之教示的具有包括可變偏壓隔離結構之整體快門像素儲存結構之像素單元之一個實例之一部分的橫截面圖。
圖 3 係繪示根據本發明之教示的與具有包括可變偏壓隔離結構之整體快門像素儲存結構之像素單元之讀出相關聯之信號波形的時序圖。
圖 4 係繪示根據本發明之教示的包括具有像素單元之像素陣列之成像系統之一個實例的圖解，該等像素單元具有包括可變偏壓隔離結構之整體快門像素儲存結構。
對應參考標號在圖式之若干視圖中指示對應組件。熟習此項技術者應瞭解，圖中之元件僅為簡單及清晰起見而進行示出，並且未必按比例繪製。舉例而言，圖中之一些元件之尺寸可能相對於其他元件加以放大以有助於改良對本發明之各種實施例的理解。並且，通常未描繪在商業可行之實施例中有用或必需之常見但眾所周知的元件，以便呈現本發明之此等各種實施例之遮擋較少的視圖。
200:像素單元
202:整體快門閘極電晶體
208:儲存電晶體
220A:隔離結構
220B:隔離結構
222A:雜散光
222B:雜散光
222C:雜散光
222D:雜散光
222E:雜散光
224:電壓VGS
226:電荷
228:半導體材料
230:鈍化層
231:薄氧化物
232:氮化鈦塗層
234:鎢
236:保護層
238:屏蔽層
240:閘極氧化物
242:儲存閘極
244:金屬導體
245A:金屬導體
245B:金屬導體
246:通孔
247A:通孔
247B:通孔
248:金屬導體
250:通孔
252:金屬導體
254:通孔
278:儲存區
284:層間介電質
286:前側
288:背側

Claims (34)

  1. 一種像素單元，其包含： 一光電二極體，其安置於一半導體材料中以回應於經引導至該光電二極體之入射光而累積影像電荷； 一整體快門閘極電晶體，其安置於該半導體材料中且耦接至該光電二極體以自該光電二極體選擇性地耗盡該影像電荷； 一儲存電晶體，其安置於該半導體材料中以儲存該影像電荷；以及 一隔離結構，其安置於該半導體材料中接近於該儲存電晶體以將該儲存電晶體之一側壁隔離於該儲存電晶體外部之該半導體材料中之雜散光及雜散電荷，其中該隔離結構填充有鎢，其中該隔離結構經耦接以接收一可變偏壓信號以控制該隔離結構之一偏壓，其中該可變偏壓信號在該影像電荷至該儲存電晶體之一轉移期間設定成一第一偏壓值，且其中該可變偏壓信號在該影像電荷自該儲存電晶體之一轉移期間設定成一第二偏壓值。
  2. 如請求項1之像素單元，其中該可變偏壓信號在該入射光經引導至該光電二極體以累積該影像電荷的同時設定為一第三偏壓值，且其中該可變偏壓信號在該影像電荷儲存於該儲存電晶體中的同時設定為該第三偏壓值。
  3. 如請求項2之像素單元，其中該可變偏壓信號在該儲存電晶體之一重設期間設定為一第四偏壓值，且其中該可變偏壓信號在自該像素單元的該影像電荷之一取樣期間設定為該第四偏壓。
  4. 如請求項3之像素單元，其進一步包含經耦接以產生該可變偏壓信號之一可變偏壓電路，其中該第一偏壓值等於一正電壓，其中該第三偏壓值等於一負電壓，其中該第二偏壓值等於一強負電壓，其中該第二偏壓值之該強負電壓與該第三偏壓值之該負電壓相比量值更大，且其中該第四偏壓值等於一接地電壓。
  5. 如請求項1之像素單元，其中該隔離結構係複數個隔離結構中之一者，其安置於該半導體材料中接近於該儲存電晶體以將儲存電晶體之該側壁隔離於該儲存電晶體外部之該半導體材料中之該雜散光及該雜散電荷，且經耦接以接收該可變偏壓信號以控制該隔離結構之該偏壓。
  6. 如請求項5之像素單元，其進一步包含一轉移電晶體，該轉移電晶體安置於該半導體材料中且耦接於該光電二極體與該儲存電晶體之一輸入之間以自該光電二極體選擇性地轉移該影像電荷至該儲存電晶體。
  7. 如請求項6之像素單元，其中該轉移電晶體之一閘極端子耦接至該儲存電晶體之一閘極端子，其中安置於該半導體材料中之該複數個隔離結構安置成接近於該儲存電晶體及該轉移電晶體。
  8. 如請求項1之像素單元，其進一步包含一輸出電晶體，該輸出電晶體安置於該半導體材料中且耦接至該儲存電晶體之一輸出以自該儲存電晶體選擇性地轉移該影像電荷至一讀出節點。
  9. 如請求項8之像素單元，其中該讀出節點包含安置於該半導體材料中之一浮動擴散部。
  10. 如請求項8之像素單元，其進一步包含： 一重設電晶體，其安置於該半導體材料中且耦接至該讀出節點； 一放大器電晶體，其安置於該半導體材料中且具有耦接至該讀出節點之一放大器閘極；以及 一列選擇電晶體，其安置於該半導體材料中且耦接於一位元線與該放大器電晶體之間。
  11. 如請求項1之像素單元，其中該隔離結構包括形成於該半導體材料中之一深溝槽隔離結構，其中該深溝槽隔離結構填充有該鎢。
  12. 如請求項11之像素單元，其中該隔離結構進一步包含形成於該深溝槽隔離結構之一內部側壁上方在該鎢與該半導體材料之間的一P+鈍化物。
  13. 如請求項12之像素單元，其中該隔離結構進一步包含形成於該半導體材料與該鎢之間的該P+鈍化物上方的一薄氧化物。
  14. 如請求項13之像素單元，其中該隔離結構進一步包含形成於該鎢與該半導體材料之間的該薄氧化物上方的氮化鈦塗層。
  15. 如請求項1之像素單元，其進一步包含： 一閘極氧化物層，其在該半導體材料中的該儲存電晶體之一儲存閘極與該儲存電晶體之一儲存區之間安置於該半導體材料上方；以及 一保護層，其安置於該隔離結構上方且接近於該儲存電晶體以保護該閘極氧化物層免於被該隔離結構之該鎢污染，其中安置於該隔離結構上方之該保護層包含氧化物或氮化物中之一者。
  16. 如請求項1之像素單元，其中該入射光通過該半導體材料之一前側經引導至該光電二極體。
  17. 如請求項1之像素單元，其中該入射光通過該半導體材料之一背側經引導至該光電二極體，其中該像素單元進一步包含一屏蔽層，該屏蔽層安置於該半導體材料之該背側上在該儲存電晶體上方以將該儲存電晶體屏蔽於該雜散光。
  18. 一種成像系統，其包含： 像素單元之一像素陣列，其中該等像素單元中之每一者包括： 一光電二極體，其安置於一半導體材料中以回應於經引導至該光電二極體之入射光而累積影像電荷； 一整體快門閘極電晶體，其安置於該半導體材料中且耦接至該光電二極體以自該光電二極體選擇性地耗盡該影像電荷； 一儲存電晶體，其安置於該半導體材料中以儲存該影像電荷；以及 一隔離結構，其安置於該半導體材料中接近於該儲存電晶體以將該儲存電晶體之一側壁隔離於該儲存電晶體外部之該半導體材料中之雜散光及雜散電荷，其中該隔離結構填充有鎢，其中該隔離結構經耦接以接收一可變偏壓信號以控制該隔離結構之一偏壓，其中該可變偏壓信號在該影像電荷至該儲存電晶體之一轉移期間設定成一第一偏壓值，且其中該可變偏壓信號在該影像電荷自該儲存電晶體之一轉移期間設定成一第二偏壓值； 控制電路，其耦接至該像素陣列以控制該像素陣列之操作；以及 讀出電路，其耦接至該像素陣列以自該複數個像素讀出影像資料。
  19. 如請求項18之成像系統，其進一步包含功能邏輯，該功能邏輯耦接至該讀出電路以儲存來自該複數個像素單元中之每一者之該影像資料。
  20. 如請求項18之成像系統，其中該控制電路經耦接以在一單一獲取窗期間同時啟用像素陣列中之所有該等像素單元以自每一各別光電二極體同時轉移該影像電荷。
  21. 如請求項18之成像系統，其中該可變偏壓信號在該入射光經引導至該光電二極體以累積該影像電荷的同時設定為一第三偏壓值，且其中該可變偏壓信號在該影像電荷儲存於該儲存電晶體中的同時設定為該第三偏壓值。
  22. 如請求項21之成像系統，其中該可變偏壓信號在該儲存電晶體之一重設期間設定為一第四偏壓值，且其中該可變偏壓信號在自該像素單元的該影像電荷之一取樣期間設定為該第四偏壓。
  23. 如請求項22之成像系統，其進一步包含經耦接以產生該可變偏壓信號之一可變偏壓電路，其中該第一偏壓值等於一正電壓，其中該第三偏壓值等於一負電壓，其中該第二偏壓值等於一強負電壓，其中該第二偏壓值之該強負電壓與該第三偏壓值之該負電壓相比量值更大，且其中該第四偏壓值等於一接地電壓。
  24. 如請求項18之成像系統，其中該隔離結構係複數個隔離結構中之一者，其安置於該半導體材料中接近於該儲存電晶體以將儲存電晶體之該側壁隔離於該儲存電晶體外部之該半導體材料中之該雜散光及該雜散電荷，且經耦接以接收該可變偏壓信號以控制該隔離結構之該偏壓。
  25. 如請求項24之成像系統，其中該等像素單元中之每一者進一步包含一轉移電晶體，該轉移電晶體安置於該半導體材料中且耦接於該光電二極體與該儲存電晶體之一輸入之間以自該光電二極體選擇性地轉移該影像電荷至該儲存電晶體。
  26. 如請求項25之成像系統，其中該轉移電晶體之一閘極端子耦接至該儲存電晶體之一閘極端子，其中安置於該半導體材料中之該複數個隔離結構安置成接近於該儲存電晶體及該轉移電晶體。
  27. 如請求項18之成像系統，其中該等像素單元中之每一者進一步包含一輸出電晶體，該輸出電晶體安置於該半導體材料中且耦接至該儲存電晶體之一輸出以自該儲存電晶體選擇性地轉移該影像電荷至一讀出節點。
  28. 如請求項27之成像系統，其中該讀出節點包含安置於該半導體材料中之一浮動擴散部。
  29. 如請求項27之成像系統，其中該等像素單元中之每一者進一步包含： 一重設電晶體，其安置於該半導體材料中且耦接至該讀出節點； 一放大器電晶體，其安置於該半導體材料中且具有耦接至該讀出節點之一放大器閘極；以及 一列選擇電晶體，其安置於該半導體材料中且耦接於一位元線與該放大器電晶體之間。
  30. 如請求項18之成像系統，其中該隔離結構包括形成於該半導體材料中之一深溝槽隔離結構，其中該深溝槽隔離結構填充有該鎢。
  31. 如請求項30之成像系統，其中該隔離結構進一步包含形成於該深溝槽隔離結構之一內部側壁上方在該鎢與該半導體材料之間的一P+鈍化物。
  32. 如請求項31之成像系統，其中該隔離結構進一步包含形成於該半導體材料與該鎢之間的該P+鈍化物上方的一薄氧化物。
  33. 如請求項32之成像系統，其中該隔離結構進一步包含形成於該鎢與該半導體材料之間的該薄氧化物上方的氮化鈦塗層。
  34. 如請求項18之成像系統，其中該等像素單元中之每一者進一步包含： 一閘極氧化物層，其在該半導體材料中的該儲存電晶體之一儲存閘極與該儲存電晶體之一儲存區之間安置於該半導體材料上方；以及 一保護層，其安置於該隔離結構上方且接近於該儲存電晶體以保護該閘極氧化物層免於被該隔離結構之該鎢污染，其中安置於該隔離結構上方之該保護層包含氧化物或氮化物中之一者。
TW108129805A 2018-08-22 2019-08-21 用於整體快門像素儲存節點之可變偏壓隔離結構 TWI704812B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/109,225 US10566359B1 (en) 2018-08-22 2018-08-22 Variably biased isolation structure for global shutter pixel storage node
US16/109,225 2018-08-22

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202017364A TW202017364A (zh) 2020-05-01
TWI704812B true TWI704812B (zh) 2020-09-11

Family

ID=69528367

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW108129805A TWI704812B (zh) 2018-08-22 2019-08-21 用於整體快門像素儲存節點之可變偏壓隔離結構

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10566359B1 (zh)
CN (1) CN110858598B (zh)
TW (1) TWI704812B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11121169B2 (en) * 2019-06-25 2021-09-14 Omnivision Technologies, Inc. Metal vertical transfer gate with high-k dielectric passivation lining
CN114729886A (zh) * 2019-06-28 2022-07-08 宽腾矽公司 光学和电学第二路径排斥
KR20210001733A (ko) * 2019-06-28 2021-01-06 삼성전자주식회사 디지털 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서
US11218653B2 (en) * 2019-07-09 2022-01-04 Semiconductor Components Industries, Llc Methods and circuitry for improving global shutter efficiency in backside illuminated high dynamic range image sensor pixels
US11502120B2 (en) * 2019-12-19 2022-11-15 Omnivision Technologies, Inc. Negatively biased isolation structures for pixel devices
WO2021208043A1 (zh) * 2020-04-16 2021-10-21 深圳市大疆创新科技有限公司 图像传感器及搭载图像传感器的成像装置
US20230402487A1 (en) * 2022-06-13 2023-12-14 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Deep trench isolation structure and methods for fabrication thereof

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050159007A1 (en) * 2004-01-21 2005-07-21 Neng-Kuo Chen Manufacturing method of shallow trench isolation structure
US20060043437A1 (en) * 2004-08-24 2006-03-02 Chandra Mouli Transparent metal shielded isolation for image sensors
US8294203B2 (en) * 2004-09-02 2012-10-23 Nxp B.V. Contacting and filling deep-trench-isolation with tungsten
US8835211B1 (en) * 2013-05-24 2014-09-16 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor pixel cell with global shutter having narrow spacing between gates
US20160268322A1 (en) * 2013-10-23 2016-09-15 Sony Corporation Solid-state imaging device and manufacturing method therefor, and electronic apparatus
US9484370B2 (en) * 2014-10-27 2016-11-01 Omnivision Technologies, Inc. Isolated global shutter pixel storage structure
US20170154917A1 (en) * 2015-11-30 2017-06-01 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Method of forming deep trench isolation in radiation sensing substrate and image sensor device

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7285433B2 (en) 2003-11-06 2007-10-23 General Electric Company Integrated devices with optical and electrical isolation and method for making
US20060180885A1 (en) 2005-02-14 2006-08-17 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor using deep trench isolation
US7800192B2 (en) 2008-02-08 2010-09-21 Omnivision Technologies, Inc. Backside illuminated image sensor having deep light reflective trenches
US8089036B2 (en) 2009-04-30 2012-01-03 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor with global shutter and in pixel storage transistor
US9054133B2 (en) 2011-09-21 2015-06-09 Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. High voltage trench transistor
US9160949B2 (en) 2013-04-01 2015-10-13 Omnivision Technologies, Inc. Enhanced photon detection device with biased deep trench isolation
US9064989B2 (en) 2013-08-30 2015-06-23 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited Photo diode and method of forming the same
US9281331B2 (en) 2014-06-19 2016-03-08 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. High dielectric constant structure for the vertical transfer gates of a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) image sensor
KR102244679B1 (ko) 2014-07-15 2021-04-27 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 이미지 센서의 동작 방법
US9461088B2 (en) 2014-12-01 2016-10-04 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor pixel with multiple storage nodes
US20160204158A1 (en) * 2015-01-12 2016-07-14 United Microelectronics Corp. Complementary metal oxide semiconductor image sensor device and method of forming the same
KR102662585B1 (ko) * 2017-01-09 2024-04-30 삼성전자주식회사 이미지 센서

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050159007A1 (en) * 2004-01-21 2005-07-21 Neng-Kuo Chen Manufacturing method of shallow trench isolation structure
US20060043437A1 (en) * 2004-08-24 2006-03-02 Chandra Mouli Transparent metal shielded isolation for image sensors
US8294203B2 (en) * 2004-09-02 2012-10-23 Nxp B.V. Contacting and filling deep-trench-isolation with tungsten
US8835211B1 (en) * 2013-05-24 2014-09-16 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor pixel cell with global shutter having narrow spacing between gates
US20160268322A1 (en) * 2013-10-23 2016-09-15 Sony Corporation Solid-state imaging device and manufacturing method therefor, and electronic apparatus
US9484370B2 (en) * 2014-10-27 2016-11-01 Omnivision Technologies, Inc. Isolated global shutter pixel storage structure
US20170018583A1 (en) * 2014-10-27 2017-01-19 Omnivision Technologies, Inc. Isolated global shutter pixel storage structure
US10141360B2 (en) * 2014-10-27 2018-11-27 Omnivision Technologies, Inc. Isolated global shutter pixel storage structure
US20170154917A1 (en) * 2015-11-30 2017-06-01 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Method of forming deep trench isolation in radiation sensing substrate and image sensor device

Also Published As

Publication number Publication date
CN110858598A (zh) 2020-03-03
US10566359B1 (en) 2020-02-18
TW202017364A (zh) 2020-05-01
US20200066767A1 (en) 2020-02-27
CN110858598B (zh) 2021-03-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI704812B (zh) 用於整體快門像素儲存節點之可變偏壓隔離結構
US10141360B2 (en) Isolated global shutter pixel storage structure
KR101466845B1 (ko) 고체 촬상 장치 및 카메라
US8937272B2 (en) Vertical JFET source follower for small pixel CMOS image sensors
US10567683B2 (en) Image sensor with depletion-level pixel charge transfer control
TWI443813B (zh) 全域性重設影像感應器像素
US8183604B2 (en) Solid state image pickup device inducing an amplifying MOS transistor having particular conductivity type semiconductor layers, and camera using the same device
US20130292548A1 (en) Image sensors with photoelectric films
EP3714595B1 (en) Pixel sensor cell for cmos image sensors with enhanced conversion gain at high dynamic range capability
TWI670978B (zh) 藉由升壓光電二極體驅動之成像感測器
TW201539728A (zh) 具有介電電荷捕捉裝置之影像感測器
US12015862B2 (en) Image sensor having pixels with isolated floating diffusions
TWI523214B (zh) 用於影像感測器之像素單元及成像系統
JP5167693B2 (ja) 固体撮像装置およびカメラ
US8853756B2 (en) Array of pixels with good dynamic range
US7091530B1 (en) High-speed, high-sensitivity charge-coupled device with independent pixel control of charge collection and storage
JP2012084645A (ja) 裏面照射型固体撮像装置
CN107492558A (zh) 一种超高速快门半导体影像传感器
TWI567962B (zh) 具有光學隔離之儲存電晶體
Yue DESIGN OF A BURST MODE ULTRA HIGH-SPEED LOW-NOISE CMOS IMAGE SENSOR
TW202103267A (zh) 影像感測器及捕獲數位電子影像的方法