本申請(qǐng)要求于2015年12月4日提交的第10-2015-0172319號(hào)韓國(guó)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，該韓國(guó)專利申請(qǐng)通過(guò)引用全部并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的示例性實(shí)施例涉及一種半導(dǎo)體器件，更具體地，涉及一種包括垂直傳輸門的圖像傳感器。

背景技術(shù)：

圖像傳感器將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。近來(lái)，由于計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)和通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)于諸如數(shù)碼相機(jī)、攝錄相機(jī)、PCS(個(gè)人通信系統(tǒng))、游戲機(jī)、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、醫(yī)用微型攝像機(jī)和機(jī)器人的各種設(shè)備來(lái)講，對(duì)具有改善的性能的圖像傳感器的需求增加。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

各種實(shí)施例針對(duì)一種具有改善的性能的圖像傳感器。

在實(shí)施例中，圖像傳感器可以包括：光電轉(zhuǎn)換元件，包括第一雜質(zhì)區(qū)和第二雜質(zhì)區(qū)，其中，第一雜質(zhì)區(qū)接觸襯底的第一表面，其中，第二雜質(zhì)區(qū)具有與第一雜質(zhì)區(qū)互補(bǔ)的導(dǎo)電性，并且形成在襯底內(nèi)和在第一雜質(zhì)區(qū)之下；柱體，形成在光電轉(zhuǎn)換元件之上；傳輸門，形成在光電轉(zhuǎn)換元件之上以包圍柱體；以及通道層，形成在傳輸門和柱體之間，并且接觸光電轉(zhuǎn)換元件，其中，通道層接觸第一雜質(zhì)區(qū)，并且具有與第二雜質(zhì)區(qū)相同的導(dǎo)電性。

此外，根據(jù)實(shí)施例的圖像傳感器還可以包括：濾色器層，形成在襯底的入射表面之上，其中，襯底的入射表面與襯底的第一表面相對(duì)，其中，入射光經(jīng)由濾色器層被引入并傳播到光電轉(zhuǎn)換元件；以及聚光構(gòu)件，形成在濾色器層之上。

第一雜質(zhì)區(qū)可以包圍第二雜質(zhì)區(qū)。第一雜質(zhì)區(qū)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，并且第一部分的厚度可以小于第二部分的厚度。第二雜質(zhì)區(qū)可以具有漸變的摻雜分布，使得第二雜質(zhì)區(qū)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(cè)壁、傾斜側(cè)壁或形狀不規(guī)則的側(cè)壁。柱體可以包括絕緣材料。通道層可以與整個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件疊置。通道層可以包括摻雜多晶硅。傳輸門可以包括暴露通道層的開口。

在實(shí)施例中，圖像傳感器可以包括：光電轉(zhuǎn)換元件，形成在襯底內(nèi)；傳輸門，形成 在光電轉(zhuǎn)換元件之上，并且具有穿過(guò)傳輸門的通孔；浮置擴(kuò)散層，形成在傳輸門之上；通道層，間隙填充通孔，響應(yīng)于施加至傳輸門的信號(hào)將光電轉(zhuǎn)換元件電耦合到浮置擴(kuò)散層，并且以耗盡模式操作；以及電容器，形成在浮置擴(kuò)散層之上。

此外，根據(jù)實(shí)施例的圖像傳感器還可以包括：層間介電層，形成在襯底之上，并且覆蓋傳輸門、浮置擴(kuò)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(guò)層間介電層，并且將傳輸門、浮置擴(kuò)散層和電容器之中的每個(gè)電耦合到邏輯電路層。

光電轉(zhuǎn)換元件可以包括形成在襯底之上的第一雜質(zhì)區(qū)、第二雜質(zhì)區(qū)和第三雜質(zhì)區(qū)，其中，第一雜質(zhì)區(qū)和第三雜質(zhì)區(qū)具有彼此相同的導(dǎo)電性，其中，第二雜質(zhì)區(qū)具有與第一雜質(zhì)區(qū)互補(bǔ)的導(dǎo)電性，其中，第一雜質(zhì)區(qū)包圍著第二雜質(zhì)區(qū)，其中，第三雜質(zhì)區(qū)設(shè)置在通道層和第二雜質(zhì)區(qū)之間。通道層可以具有與第二雜質(zhì)區(qū)相同的導(dǎo)電性。第三雜質(zhì)區(qū)的厚度可以小于與傳輸門接觸的第一雜質(zhì)區(qū)的厚度。第二雜質(zhì)區(qū)可以具有漸變的摻雜分布，使得摻雜濃度沿載流子傳送方向增加。傳輸門可以包括柵電極以及包圍柵電極的柵極介電層。柵極介電層可以包括：第一柵極介電層，形成在柵電極和光電轉(zhuǎn)換元件之間；第二柵極介電層，形成在柵電極和浮置擴(kuò)散層之間；以及第三柵極介電層，形成在柵電極和通道層之間。第一柵極介電層和第二柵極介電層中的每個(gè)可以包括低K材料，以及其中，第三柵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，以及其中，第一電極可以包括浮置擴(kuò)散層。

附圖說(shuō)明

圖1是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器的框圖。

圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器的平面圖。

圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器的沿圖2所示的線A-A'截取的截面圖。

圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器的平面圖。

圖5A至5C是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的應(yīng)用于圖像傳感器的通道結(jié)構(gòu)的透視圖。

圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器的截面圖。

圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器的截面圖。

圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器的平面圖。

圖9是沿圖8所示的線A-A'截取的截面圖。

圖10是示出了根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器的平面圖。

圖11是示意性地示出了包括圖1所示的圖像傳感器的電子器件的視圖。

具體實(shí)施例

下面將參考附圖更詳細(xì)地描述各個(gè)實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以以不同的形式實(shí)施，而且不應(yīng)解釋為局限于本文所闡述的實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例使得本公開將是徹底的且完整的，這些實(shí)施例將把本發(fā)明的范圍充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。貫穿本公開，相同的附圖標(biāo)記在本發(fā)明的各種實(shí)施例和附圖中始終指代相同的部分。

附圖無(wú)需按比例，且在某些情況下，比例可以被夸大，以清楚地示出實(shí)施例的特征。當(dāng)?shù)谝粚颖环Q作“在”第二層“上”或者“在”襯底“上”時(shí)，其不僅可以表示第一層直接形成在第二層或襯底上的情況，也可以表示在第一層與第二層或襯底之間存在第三層的情況。

本發(fā)明的以下實(shí)施例提供一種具有改善的性能的圖像傳感器及其制造方法。具有改善的性能的圖像傳感器意為能夠提供高分辨率的圖像的圖像傳感器。由于為了提供高分辨率的圖像，需要包括多個(gè)高度集成像素的圖像傳感器，因此在根據(jù)實(shí)施例的圖像傳感器中，多個(gè)像素中的每個(gè)可以包括具有垂直傳輸門的傳輸晶體管，以及可以具有其中傳輸晶體管與光電轉(zhuǎn)換元件層疊的形狀。

圖1是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器的框圖。

如圖1所示，圖像傳感器可以包括像素陣列100、相關(guān)雙采樣(CDS)單元120、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)130、緩沖器140、行驅(qū)動(dòng)器150、時(shí)序發(fā)生器160、控制寄存器170以及斜坡信號(hào)發(fā)生器180。像素陣列100可以包括布置為矩陣的多個(gè)單位像素110。

時(shí)序發(fā)生器160可以產(chǎn)生一個(gè)或更多個(gè)控制信號(hào)以控制行驅(qū)動(dòng)器150、CDS單元120、ADC 130和斜坡信號(hào)發(fā)生器180?？刂萍拇嫫?70可以產(chǎn)生一個(gè)或更多個(gè)控制信號(hào)以控制斜坡信號(hào)發(fā)生器180、時(shí)序發(fā)生器160和緩沖器140。

行驅(qū)動(dòng)器150可以逐行地驅(qū)動(dòng)像素陣列100。例如，行驅(qū)動(dòng)器150可以產(chǎn)生選擇信號(hào)以選擇多個(gè)行線中的任意一個(gè)行線。每個(gè)單位像素110可以感測(cè)入射光，并通過(guò)列線將圖像重置信號(hào)和圖像信號(hào)輸出至CDS單元120。CDS單元120可以響應(yīng)于圖像重置信號(hào)和圖像信號(hào)執(zhí)行采樣。

ADC 130可以將從斜坡信號(hào)發(fā)生器180輸出的斜坡信號(hào)與從CDS單元120輸出的采樣信號(hào)進(jìn)行比較，并輸出比較信號(hào)。根據(jù)從時(shí)序發(fā)生器160提供的時(shí)鐘信號(hào)，ADC 130可以對(duì)比較信號(hào)的電平轉(zhuǎn)變次數(shù)計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)值輸出至緩沖器140。斜坡信號(hào)發(fā)生器180可以在時(shí)序發(fā)生器160的控制下操作。

緩沖器140可以儲(chǔ)存從ADC 130輸出的多個(gè)數(shù)字信號(hào)，然后感測(cè)并放大該數(shù)字信 號(hào)。因此，緩沖器140可以包括存儲(chǔ)器(未示出)和感測(cè)放大器(未示出)。存儲(chǔ)器可以儲(chǔ)存計(jì)數(shù)值。計(jì)數(shù)值可以表示從多個(gè)單位像素110輸出的信號(hào)。感測(cè)放大器可以感測(cè)并放大從存儲(chǔ)器輸出的計(jì)數(shù)值。

為了提供高分辨率的圖像，必然應(yīng)當(dāng)增加集成在像素陣列100內(nèi)的單位像素110的數(shù)量。即，應(yīng)當(dāng)在有限的區(qū)域內(nèi)設(shè)置更多的單位像素110，因而應(yīng)當(dāng)減小單位像素110的物理尺寸。然而，由于圖像傳感器以通過(guò)每個(gè)單位像素響應(yīng)于入射光而產(chǎn)生的像素信號(hào)為基礎(chǔ)來(lái)操作，所以當(dāng)單位像素110的物理尺寸減小時(shí)，單位像素110的特性劣化。

因此，在根據(jù)本發(fā)明的以下實(shí)施例中，將參考附圖詳細(xì)地描述這樣的圖像傳感器，其由于集成度增加而能夠促進(jìn)高度集成并且避免特性的劣化。

圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器的平面圖。圖3是沿圖2所示的線A-A'截取的截面圖。圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器的平面圖。圖5A至圖5C是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的應(yīng)用于圖像傳感器的通道結(jié)構(gòu)的透視圖。

如圖2和圖3所示，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器可以包括：光電轉(zhuǎn)換元件203，形成在襯底200內(nèi)；傳輸門208，形成在光電轉(zhuǎn)換元件203之上，并且具有穿過(guò)傳輸門208的一個(gè)或更多個(gè)通孔207；浮置擴(kuò)散層214，形成在傳輸門208之上；通道結(jié)構(gòu)210，間隙填充每個(gè)通孔207，并且響應(yīng)于施加至傳輸門208的信號(hào)將光電轉(zhuǎn)換元件203電耦合到浮置擴(kuò)散層214；以及電容器217，形成在浮置擴(kuò)散層214之上。

此外，圖像傳感器可以包括：層間介電層209，形成于襯底200之上，并且覆蓋傳輸門208、浮置擴(kuò)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(guò)層間介電層209，并且將傳輸門208、浮置擴(kuò)散層214和電容器217之中的每個(gè)電耦合到邏輯電路層220。此外，圖像傳感器可以包括：濾色器層218，與傳輸門208相對(duì)地定位，并形成在入射表面S1之上，入射光通過(guò)入射表面S1被引入并進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換元件203；以及聚光構(gòu)件219，形成在濾色器層218之上。

在下文中，將詳細(xì)地描述每個(gè)部件。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像傳感器可以包括形成在襯底200內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換元件203。襯底200可以包括半導(dǎo)體襯底。半導(dǎo)體襯底可以處于單晶狀態(tài)，以及可以包括含硅材料。即，襯底200可以包括單晶的含硅材料。襯底200可以為通過(guò)減薄工藝獲得的薄襯底。例如，襯底200可以為通過(guò)減薄工藝獲得的薄的體硅襯底。

光電轉(zhuǎn)換元件203可以包括光電二極管。具體地，光電轉(zhuǎn)換元件203可以包括第一雜質(zhì)區(qū)201和第二雜質(zhì)區(qū)202，第二雜質(zhì)區(qū)202具有與第一雜質(zhì)區(qū)201互補(bǔ)的導(dǎo)電類型，并且接觸通道結(jié)構(gòu)210。第二雜質(zhì)區(qū)202可以形成在第一雜質(zhì)區(qū)201內(nèi)。因此，第一雜 質(zhì)區(qū)201可以包圍第二雜質(zhì)區(qū)202，第二雜質(zhì)區(qū)202的一部分可以穿過(guò)第一雜質(zhì)區(qū)201以接觸通道結(jié)構(gòu)210。第一雜質(zhì)區(qū)201可以為P型，第二雜質(zhì)區(qū)202可以為N型。

在垂直方向上，第二雜質(zhì)區(qū)202可以具有均勻的摻雜分布或漸變的分布，在漸變的分布中，摻雜濃度根據(jù)載流子傳輸方向逐漸增加。在后者情況下，由光電轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生的光電荷可以被更有效地傳輸至傳輸門208。在此，傳輸門208的載流子傳送方向?yàn)槊鎸?duì)入射表面S1的方向。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像傳感器可以包括：濾色器層218，形成在襯底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可以用于分離顏色，并且包括紅色濾色器、綠色濾色器、藍(lán)色濾色器、藍(lán)綠色濾色器、黃色濾色器、品紅色濾色器、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(shù)位透鏡或半球形透鏡。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像傳感器可以包括形成在光電轉(zhuǎn)換元件203之上的傳輸門208。形成在襯底200(其處形成有光電轉(zhuǎn)換元件203)之上的傳輸門208可以具有平板形狀，并且可以與光電轉(zhuǎn)換元件203疊置。即，傳輸門208可以具有平板形狀，并且形成為與每個(gè)單位像素相對(duì)應(yīng)。

這樣，由于光電轉(zhuǎn)換元件203和傳輸門208在垂直方向上層疊，因此可以提高集成度。傳輸門208可以形成在與入射表面相對(duì)地定位的表面S2之上。因此，傳輸門208可以用作關(guān)于光電轉(zhuǎn)換元件203的背反射層。在這種情況下，光電轉(zhuǎn)換元件203可以提高量子效率。

此外，傳輸門208可以包括一個(gè)或更多個(gè)穿過(guò)傳輸門208的通孔207。通道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)210可以為具有三邊或更多邊的多邊形柱狀、圓形柱狀、環(huán)形柱狀或筒形。

如圖2所示，傳輸門208可以具有單個(gè)通孔207。在這種情況下，通孔207可以設(shè)置在傳輸門208的中心部。在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖4所示，傳輸門208可以具有多個(gè)通孔207，多個(gè)通孔207可以以矩陣狀設(shè)置在傳輸門208內(nèi)。多個(gè)通孔207中的每個(gè)的平面形狀可以相同或不同。

此外，傳輸門208可以包括柵電極205和柵極介電層206，柵極介電層206形成在柵電極205的全部表面上以密封柵電極205。即，柵電極205可以通過(guò)柵極介電層206與諸如光電轉(zhuǎn)換元件203、浮置擴(kuò)散層214等的相鄰結(jié)構(gòu)絕緣。柵電極205可以包括半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體材料包括硅或金屬材料。

包圍柵電極205的柵極介電層206可以具有均勻的厚度。即，設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換元件 203和柵電極205之間的第一柵極介電層206A、設(shè)置在柵電極205和浮置擴(kuò)散層214之間的第二柵極介電層206B以及形成在柵電極205的側(cè)壁上的第三柵極介電層206C可以具有彼此相同的厚度。

第一柵極介電層206A、第二柵極介電層206B和第三柵極介電層206C可以由彼此相同的材料形成。例如，第一柵極介電層206A、第二柵極介電層206B和第三柵極介電層206C中的每個(gè)可以包括高K(高介電常數(shù))材料。在此，“高K”材料意為介電常數(shù)高于氧化硅的材料。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像傳感器可以包括穿過(guò)傳輸門208并電耦合到光電轉(zhuǎn)換元件203的通道結(jié)構(gòu)210。通道結(jié)構(gòu)210可以間隙填充傳輸門208的通孔207。于是，通道結(jié)構(gòu)210可以具有柱狀。供參考，參考圖5A至圖5C描述的通道結(jié)構(gòu)210可以應(yīng)用于其他實(shí)施例。

具體地，如圖3和圖5A所示，通道結(jié)構(gòu)210可以包括：通道層211，形成在通孔207的側(cè)壁上，并且具有環(huán)形柱狀；以及密封層212，間隙填充剩余的通孔207。環(huán)形柱狀可以便于通道層211在斷開狀態(tài)下完全耗盡。因此，能夠提高傳輸門208的柵極可控性。例如，斷開狀態(tài)意為任何偏壓都沒有施加于傳輸門208的平衡態(tài)。

此外，如圖5B所示，通道結(jié)構(gòu)210可以包括：通道層211，形成在通孔207的側(cè)壁和底表面上，并且具有筒形；以及密封層212，間隙填充剩余的通孔207。具有筒形的通道層211可以具有在斷開狀態(tài)下足以完全耗盡的線寬，從而可以提高傳輸門208的柵極可控性。此外，可以增加光電轉(zhuǎn)換元件203接觸通道層211的區(qū)域，從而可以減小通道電阻率。

此外，通道結(jié)構(gòu)210可以包括：密封層212，與通孔207的側(cè)壁間隔開并形成在通孔207內(nèi)；以及通道層211，形成在通孔207的側(cè)壁上和通孔207的底部之上，并且具有倒轉(zhuǎn)的筒形。即，在通道層211中，具有相對(duì)大的接觸面積的表面與浮置擴(kuò)散層214接觸，具有相對(duì)小的接觸面積的表面與光電轉(zhuǎn)換元件接觸。

此外，如圖5C所示，通道結(jié)構(gòu)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可以通過(guò)簡(jiǎn)單的工藝來(lái)形成，并且具有足以在斷開狀態(tài)下使通道完全耗盡的線寬。

在上述通道結(jié)構(gòu)210中，通道層211可以包括含硅材料。例如，通道層211可以包括多晶硅。具體地，通道層211可以包括未摻雜有任何雜質(zhì)的不摻雜多晶硅或者摻雜有P型雜質(zhì)的P型多晶硅。

在這種情況下，傳輸晶體管可以以增強(qiáng)模式操作。此外，通道層211可以包括摻雜有N型雜質(zhì)的多晶硅。在這種情況下，傳輸晶體管可以以耗盡模式操作，并且改善在斷 開狀態(tài)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(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像傳感器可以包括形成在傳輸門208之上的浮置擴(kuò)散層214。響應(yīng)于入射光從光電轉(zhuǎn)換元件203產(chǎn)生的光電荷存儲(chǔ)在浮置擴(kuò)散層214中。浮置擴(kuò)散層214可以電耦合到穿過(guò)傳輸門208的一個(gè)或更多個(gè)通道結(jié)構(gòu)210。即，浮置擴(kuò)散層214可以與一個(gè)或更多個(gè)通孔207疊置。浮置擴(kuò)散層214可以具有平板形并且與傳輸門208疊置，以便提供足夠的存儲(chǔ)空間，即，足夠的電容量。

在此，浮置擴(kuò)散層214的面積可以小于傳輸門208的面積。這是為了提供用于形成耦合到傳輸門208的第一接觸器C1的空間。浮置擴(kuò)散層214可以包括包含硅或金屬材料的半導(dǎo)體材料。例如，浮置擴(kuò)散層214可以包括摻雜有第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)(即，N型雜質(zhì))的多晶硅。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像傳感器可以包括形成在浮置擴(kuò)散層214之上的第二電極216。第二電極216可以具有與浮置擴(kuò)散層214疊置的平板形，并且具有比浮置擴(kuò)散層214小的面積。介電層215設(shè)置在兩個(gè)電極之間，即，設(shè)置在浮置擴(kuò)散層214和第二電極216之間。

浮置擴(kuò)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(kuò)散層214、第二電極216和介電層215組合形成電容器217。兩個(gè)電極中的任何一個(gè)，例如，第一電極，可以包括浮置擴(kuò)散層214。因此，介電層215和第二電極216可以具有比浮置擴(kuò)散層214小的面積。這是為了提供用于形成耦合到浮置擴(kuò)散層214的第二接觸器C2的空間。

此外，電容器217可以用于進(jìn)一步增加浮置擴(kuò)散層214的電容量。而且，電容器217可以用于改善浮置擴(kuò)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(shí)施例中，為了通過(guò)使用電容器217來(lái)改善浮置擴(kuò)散層214的特性，當(dāng)浮置擴(kuò)散層214在積分時(shí)間之前被重置時(shí)，浮置擴(kuò)散層214應(yīng)當(dāng)用與經(jīng)重置晶體管輸入的初始電壓對(duì)應(yīng)的電荷來(lái)充電。當(dāng)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(kuò)散層214的時(shí)間不足時(shí)，浮置擴(kuò)散層214可能未被完全重置。在這種情況下，可以通過(guò)經(jīng)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(kuò)散層214被完全重置。可以在重置晶體管被激活之后以及傳輸晶體管被激活之前，施加初始化電壓。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像傳感器可以包括層間介電層209和邏輯電路層220。層間介電層209覆蓋傳輸門208、浮置擴(kuò)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(gè)或更多個(gè)的層疊層。

邏輯電路層220可以包括信號(hào)處理電路，信號(hào)處理電路處理響應(yīng)于入射光在像素內(nèi)產(chǎn)生的像素信號(hào)。雖然未在圖中示出，但信號(hào)處理電路可以包括相關(guān)雙采樣單元120、模數(shù)轉(zhuǎn)換器130、緩沖器140、行驅(qū)動(dòng)器150、時(shí)序發(fā)生器160、控制寄存器170、斜坡信號(hào)發(fā)生器180等。見圖1。

此外，信號(hào)處理電路可以包括多個(gè)晶體管、多層線路、多層層間介電層209以及將它們彼此耦接的多個(gè)插塞。此外，除信號(hào)處理電路之外，邏輯電路層220還可以具有包括圖像處理等的應(yīng)用處理器(AP)。例如，邏輯電路層220可以包括圖像信號(hào)處理器(ISP)。

此外，邏輯電路層220可以以晶片鍵合工藝來(lái)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(gè)層，并且具有其中用于信號(hào)處理的邏輯電路通過(guò)晶片鍵合工藝被層疊的層疊結(jié)構(gòu)，從而提高圖像傳感器的集成度。

上述的根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像傳感器有助于高度集成而無(wú)特性劣化。

在下文中，將參考圖6和圖7描述上述的根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的圖像傳感器的一些變型。供參考，圖6和圖7是沿圖2所示的線A-A'截取的截面圖，為了方便起見，圖3所示的相同元件被指定相同的附圖標(biāo)記。

圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器的截面圖。如圖6所示，在根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器中，傳輸門208可以包括柵極介電層206和被柵極介電層206密封的柵電極205。柵極介電層206可以包括第一柵極介電層206A、第二柵極介電層206B和第三柵極介電層206C。在此，第一柵極介電層206A、第二柵極介電層206B和第三柵極介電層206C可以具有彼此不同的厚度，并且包括彼此不同的材料。

具體地，第一柵極介電層206A和第二柵極介電層206B可以具有大于第三柵極介電層206C的厚度。這可以改善柵電極205和相鄰結(jié)構(gòu)之間的電絕緣特性。由于第三柵極介電層206C用作柵電極205和通道結(jié)構(gòu)210之間的柵極介電層，因此第三柵極介電層206C常常被固定為特定厚度。然而，隨著設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換元件203和柵電極205之間的第一柵極介電層206A的厚度以及在浮置擴(kuò)散層214和柵電極205之間的第二柵極介電層206B的厚度增加，電絕緣特性可以得到改善。例如，隨著第一柵極介電層206A和第二柵極介電層206B的厚度增加，寄生電容可以減小，因而改善信噪比特性。

此外，為了進(jìn)一步改善電絕緣特性，第一柵極介電層206A和第二柵極介電層206B可以包括低K(低介電常數(shù))材料。這里，“低K”意為比氧化硅的介電常數(shù)低的介電常數(shù)。接觸通道結(jié)構(gòu)210的第三柵極介電層206C可以包括高K材料。上述的根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器可以有助于高度集成而無(wú)特性劣化。

圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器的另一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器的截面圖。如圖7所示，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換元件203可以包括第一雜質(zhì)區(qū)201和第二雜質(zhì)區(qū)202。第一雜質(zhì)區(qū)201可以包圍第二雜質(zhì)區(qū)202。而且，第二雜質(zhì)區(qū)202的一部分穿過(guò)第一雜質(zhì)區(qū)201，并且接觸通道結(jié)構(gòu)210。

在此，根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器還可以包括形成在襯底200中的第三雜質(zhì)區(qū)204，第三雜質(zhì)區(qū)204具有與第一雜質(zhì)區(qū)201相同的導(dǎo)電類型，并且設(shè)置在第二雜質(zhì)區(qū)202和通道結(jié)構(gòu)210之間。

具體地，第三雜質(zhì)區(qū)204可以形成在襯底200的接觸通道結(jié)構(gòu)的表面，并且用于抑制暗電流的產(chǎn)生。在此，接觸入射表面S1并與襯底200的表面S2相對(duì)地定位的第一雜質(zhì)區(qū)201也可以用于抑制暗電流的產(chǎn)生。在這種情況下，由于第三雜質(zhì)區(qū)204具有與第二雜質(zhì)區(qū)202互補(bǔ)的導(dǎo)電類型，所以第三雜質(zhì)區(qū)204優(yōu)選具有比接觸襯底200的相對(duì)表面S2的第一雜質(zhì)區(qū)201小的厚度，以在光電轉(zhuǎn)換元件203和通道結(jié)構(gòu)210之間傳輸載流子。例如，第三雜質(zhì)區(qū)204可以具有50nm或更小的厚度。上述的根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器可以有助于高度集成而無(wú)特性劣化。

圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器的平面圖，圖9是沿圖8所示的線A-A'截取的截面圖。此外，圖10是示出了根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器的變型的平面圖。

如圖8和圖9所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像傳感器可以包括：光電轉(zhuǎn)換元件303，形成在襯底300中；一個(gè)或更多個(gè)柱體310，形成在光電轉(zhuǎn)換元件303之上；通道層320，形成在柱體310之上以接觸光電轉(zhuǎn)換元件303；以及傳輸門330，形成在通道層320之上并且包圍柱體310的側(cè)表面。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像傳感器中，襯底300可以包括半導(dǎo)體襯底。半導(dǎo)體襯底可以處于單晶狀態(tài)且包括含硅材料。即，襯底300可以包括單晶含硅材料。并且，襯底300可以為通過(guò)減薄工藝獲得的薄襯底。例如，襯底300可以為通過(guò)減薄工藝獲得的薄的體硅襯底。

光電轉(zhuǎn)換元件303可以包括光電二極管。具體地，光電轉(zhuǎn)換元件303可以包括第一雜質(zhì)區(qū)301和第二雜質(zhì)區(qū)302。第二雜質(zhì)區(qū)302具有與第一雜質(zhì)區(qū)301互補(bǔ)的導(dǎo)電性。例如，第一雜質(zhì)區(qū)301可以為P型，第二雜質(zhì)區(qū)302可以為N型。第二雜質(zhì)區(qū)302可以形成在第一雜質(zhì)區(qū)301內(nèi)。

因此，第一雜質(zhì)區(qū)301可以具有包圍第二雜質(zhì)區(qū)302的形狀。第一雜質(zhì)區(qū)301可以接觸入射表面S1和相對(duì)表面S2，并且用于防止在襯底300的表面之上出現(xiàn)暗電流。此外，第一雜質(zhì)區(qū)301可以用作將相鄰的像素彼此隔離的結(jié)隔離。第二雜質(zhì)區(qū)302可以在 垂直方向上具有均勻的摻雜分布，或者可以具有其中雜質(zhì)的摻雜濃度沿載流子傳送方向而增加的漸變的分布。在后者情況下，能夠?qū)⒃诠怆娹D(zhuǎn)換元件303中產(chǎn)生的光電荷更有效地傳送到傳輸門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(zhuǎn)換元件303的方向(S1->S2)。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像傳感器可以包括形成在光電轉(zhuǎn)換元件303之上的一個(gè)或更多個(gè)柱體310。通過(guò)調(diào)節(jié)柱體310的高度，柱體310可以用于增加傳輸晶體管的通道長(zhǎng)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(cè)壁或傾斜側(cè)壁。具有傾斜側(cè)壁的柱體310可以具有角錐體的截頭錐體的形狀。在另一個(gè)實(shí)施例中，柱體310的側(cè)壁可以具有不規(guī)則結(jié)構(gòu)。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(gè)柱體310。在這種情況下，柱體310可以設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換元件303的中心部。這是為了將光電轉(zhuǎn)換元件303中產(chǎn)生的光電荷有效地傳送到通道層320。在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖10所示，單元像素可以包括多個(gè)柱體310。多個(gè)柱體310耦合到浮置擴(kuò)散(FD)。多個(gè)柱體310可以布置為矩陣形狀。多個(gè)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(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像傳感器可以包括形成在光電轉(zhuǎn)換元件303之上并包圍柱體310的側(cè)壁的傳輸門330。由于傳輸門330具有包圍柱體310的側(cè)壁的形狀，所以可以采用垂直通道。傳輸門330可以具有與光電轉(zhuǎn)換元件303疊置的平板形狀。因此，傳輸門330可以具有與單元像素對(duì)應(yīng)的平板形狀。這樣，光電轉(zhuǎn)換元件303和傳輸門330在圖像傳感器中沿垂直方向?qū)盈B，從而可以增加集成度。傳輸門330可以形成在相對(duì)表面S2之上。因此，傳輸門330還可以用作關(guān)于光電轉(zhuǎn)換元件303的背側(cè)反射層。在這種情況下，能夠增加光電轉(zhuǎn)換元件303的量子效率。

傳輸門330可以包圍柱體310的側(cè)壁，傳輸門330的一部分可以延伸到柱體310的上表面。即，傳輸門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(kuò)散(FD)之間提供電接觸。

當(dāng)如圖10所示地設(shè)置多個(gè)柱體310時(shí)，傳輸門330可以包括與多個(gè)柱體310中的每個(gè)相對(duì)應(yīng)的多個(gè)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。

傳輸門330可以包括柵極介電層331和在柵極介電層331之上的柵電極332。柵極介電層331可以具有均勻的厚度且包括絕緣材料。具體地，柵極介電層331可以包括具有絕緣特性的高K材料。例如，柵極介電層331可以包括氧化物、氮化物、氮氧化物或 它們的組合。柵電極332可以包括半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體材料包括硅或金屬材料。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像傳感器可以包括通道層320，通道層320電耦合到光電轉(zhuǎn)換元件303并形成在柱體310的暴露表面之上。通道結(jié)構(gòu)320可以具有倒轉(zhuǎn)的筒形?？蛇x擇地，通道層320可以具有這樣的形狀：通道層320接觸光電轉(zhuǎn)換元件303的端部延伸到襯底300，以增加光電轉(zhuǎn)換元件303和通道層320之間的接觸面積。延伸到襯底300的通道層320可以設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換元件303和傳輸門330之間。即，在單元像素內(nèi)，通道層320可以為覆蓋包括柱體310的襯底300的整個(gè)相對(duì)表面S2的形狀。因此，通道層320可以與整個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件303疊置。

通道層320可以具有僅接觸光電轉(zhuǎn)換元件303的第一雜質(zhì)區(qū)301的形狀。因此，通道層320不與光電轉(zhuǎn)換元件303的第二雜質(zhì)區(qū)302接觸。由于通道層320和光電轉(zhuǎn)換元件303的第一雜質(zhì)區(qū)301具有彼此互補(bǔ)的導(dǎo)電類型，因此與通道層320接觸的第一雜質(zhì)區(qū)301可以具有相對(duì)小的厚度，以便于載流子從光電轉(zhuǎn)換元件303傳送到通道層320。

通道層320可以包括含硅材料。例如，通道層320可以包括多晶硅。具體地，通道層320可以包括未摻雜有雜質(zhì)的未摻雜多晶硅或者摻雜有P型雜質(zhì)的P型多晶硅。在這種情況下，傳輸晶體管可以以增強(qiáng)模式操作。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像傳感器中，通道層320可以包括摻雜有N型雜質(zhì)的多晶硅。在這種情況下，傳輸晶體管可以以耗盡模式操作，并且改善在斷開狀態(tài)下的暗電流特性。此外，通道層320可以具有與光電轉(zhuǎn)換元件303的第一雜質(zhì)區(qū)301互補(bǔ)的導(dǎo)電類型。通道層320和第一雜質(zhì)區(qū)301在平衡狀態(tài)下可以是結(jié)絕緣的。

具體地，多晶硅具有很多陷阱位點(diǎn)。當(dāng)多晶硅用作通道層320時(shí)，陷阱位點(diǎn)可以起到產(chǎn)生暗電流的源的作用。為了改善暗電流特性，優(yōu)選地采用摻雜有雜質(zhì)的多晶硅而不是未摻雜多晶硅作為通道層320。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)使用摻雜的雜質(zhì)可以消除陷阱位點(diǎn)。當(dāng)增加雜質(zhì)的摻雜濃度時(shí)，可以消除更多的陷阱位點(diǎn)，并且可以更有效地改善暗電流特性。

然而，在應(yīng)用摻雜有P型雜質(zhì)的多晶硅作為通道層320的情況下，在增加雜質(zhì)的摻雜濃度時(shí)，傳輸晶體管的閾電壓也增加，因而可以減少柵極控制。在將摻雜有N型雜質(zhì)的多晶硅應(yīng)用為通道層320并且傳輸晶體管以耗盡模式操作的情況下，傳輸門330可以處于斷開狀態(tài)。即，在積分時(shí)間期間在通道層320中產(chǎn)生的暗電流可以被提取到浮置擴(kuò)散(FD)，在積分時(shí)間，光電荷響應(yīng)于入射光而在光電轉(zhuǎn)換元件303中產(chǎn)生。在此，由于光電轉(zhuǎn)換元件303的第一雜質(zhì)區(qū)301具有與通道層320互補(bǔ)的導(dǎo)電類型，光電轉(zhuǎn)換元件303中產(chǎn)生的光電荷未被提取到通道層320，而在光電轉(zhuǎn)換元件303內(nèi)累積。

在傳輸門330的導(dǎo)通狀態(tài)下，通道層320的電場(chǎng)延伸到光電轉(zhuǎn)換元件303，因而通道層320可以電耦合到光電轉(zhuǎn)換元件303。此后，在光電轉(zhuǎn)換元件303內(nèi)累積的光電荷 可以經(jīng)由通道層320傳輸?shù)礁≈脭U(kuò)散(FD)。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像傳感器可以包括濾色器層340和聚光構(gòu)件350，濾色器層340與傳輸門330相對(duì)并形成在入射表面S1之上，入射光在入射表面S1處被引入至光電轉(zhuǎn)換元件303中，聚光構(gòu)件350形成在濾色器層340之上。濾色器層340可以用于分離顏色，并且包括紅色濾色器、綠色濾色器、藍(lán)色濾色器、藍(lán)綠色濾色器、黃色濾色器、品紅色濾色器、白色濾色器、黑色濾色器、紅外截止濾色器等。聚光構(gòu)件350可以包括數(shù)位透鏡或半球形透鏡。

本技術(shù)可以提供一種有助于高度集成而無(wú)器件特性劣化的圖像傳感器。具體地，可以有效地改善暗電流特性。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器可以用于各種電子器件或系統(tǒng)。下文將參考圖11描述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包括圖像傳感器的攝像機(jī)。

圖11是示意性地示出了包括圖1所示的圖像傳感器的電子器件的視圖。參照?qǐng)D11，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包括圖像傳感器的電子器件可以是能夠攝取靜態(tài)圖像或動(dòng)態(tài)圖像的攝像機(jī)。該電子器件可以包括光學(xué)系統(tǒng)或光學(xué)透鏡410、快門單元411、驅(qū)動(dòng)單元413和信號(hào)處理單元412，驅(qū)動(dòng)單元413用于控制/驅(qū)動(dòng)圖像傳感器400和快門單元411。

光學(xué)系統(tǒng)410可以將來(lái)自物體的圖像光引導(dǎo)至圖像傳感器400的像素陣列100。光學(xué)系統(tǒng)410可以包括多個(gè)光學(xué)透鏡?？扉T單元411可以控制圖像傳感器400的光照射時(shí)間和光遮蔽時(shí)間。驅(qū)動(dòng)單元413可以控制圖像傳感器400的傳輸操作和快門單元411的快門操作。信號(hào)處理單元412可以以各種方式處理從圖像傳感器400輸出的信號(hào)。經(jīng)過(guò)處理的圖像信號(hào)Dout可以存儲(chǔ)在諸如存儲(chǔ)器的儲(chǔ)存介質(zhì)中，或者輸出到監(jiān)視器等。

如上所述，圖像傳感器可以有助于高度集成而無(wú)圖像傳感器的特性劣化。

雖然，已經(jīng)出于說(shuō)明的目的描述了不同的實(shí)施例，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，在不背離如權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以作出各種改變和變型。