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TWI714081B - 與垂直電晶體結合之垂直溢位汲極 - Google Patents

與垂直電晶體結合之垂直溢位汲極 Download PDF

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TWI714081B
TWI714081B TW108115977A TW108115977A TWI714081B TW I714081 B TWI714081 B TW I714081B TW 108115977 A TW108115977 A TW 108115977A TW 108115977 A TW108115977 A TW 108115977A TW I714081 B TWI714081 B TW I714081B
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源偉 鄭
剛 陳
杜立 毛
戴森 H 戴
林德賽 葛蘭特
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美商豪威科技股份有限公司
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Abstract

一種影像感測器像素包含：一光電二極體，其安置於一半導體材料中以回應於入射於該半導體材料之一背側上之光而產生影像電荷；以及一釘紮層，其安置於該半導體材料中並耦合至該光電二極體。該像素亦包含一垂直溢位汲極，其安置於該半導體材料中並且耦合至該釘紮層，使得該釘紮層安置於該垂直溢位汲極與該光電二極體之間。一浮動擴散部靠近該光電二極體安置於該半導體材料中，及一垂直轉移電晶體部分安置於該半導體材料中並且耦合至該光電二極體，以回應於施加至該垂直轉移電晶體之閘極端子之一轉移信號而將該影像電荷自該光電二極體轉移至該浮動擴散部。

Description

與垂直電晶體結合之垂直溢位汲極
本發明大體上係關於影像感測器，且特定言之(但非排他性地)係關於CMOS影像感測器。
影像感測器已變得無處不在。其廣泛應用於數位靜態相機、蜂巢電話、安全攝影機，以及醫療、汽車及其他應用中。用於製造影像感測器之技術持續以迅猛之速度進步。舉例而言，對更高解析度及更低功耗之需求已促進此等裝置之進一步微型化及積體化。
典型影像感測器如下操作。來自外部場景之影像光入射於影像感測器上。影像感測器包含複數個光敏元件，使得各光敏元件吸收入射影像光之一部分。包含在影像感測器中之光敏元件(例如光電二極體)各在吸收影像光之後產生影像電荷。所產生之影像電荷量與影像光之強度成比例。所產生之影像電荷可用於產生表示外部場景之一影像。
電串擾(例如，不期望地在像素之間流動之電子)仍然係影像感測器技術之主要問題。因此，非常期望減少或消除串擾之裝置架構。
100:影像感測器像素
101:半導體材料
103:光電二極體
105:釘紮層
107:垂直溢位汲極
109:垂直轉移電晶體
111:浮動擴散部
113:閘極氧化物
115:淺溝渠隔離結構
117:深隔離阱
200:四電晶體(4T)像素架構
203:光電二極體
209:轉移電晶體
221:重設電晶體
229:源極隨耦器電晶體
233:列選擇電晶體
300:成像系統
305:像素陣列
311:讀出電路
315:功能邏輯
321:控制電路
參考以下諸圖描述本發明之非限制性及非窮舉實例，其中相似元件符號貫穿各種視圖指代相似部分，除非另有規定。
圖1描繪根據本發明之教示之影像感測器像素之一截面。
圖2描繪根據本發明之教示之可包含圖1之影像感測器像素之一電路圖。
圖3繪示根據本發明之教示之可包含圖1及2之態樣之一成像系統之一個實例之一方塊圖。
對應參考字元貫穿附圖之若干視圖指示對應組件。熟習此項技術者應瞭解，圖式中之元件出於簡單及清楚之目的而繪示，且未必係按比例繪製。舉例而言，圖式中一些元件之尺寸相對於其他元件可被誇大以幫助提高對本發明之各種實施例之理解。此外，為促進對本發明之此等各種實施例之更容易之觀察，通常不描繪在商業上可行之實施例中有用或必需之常見但眾所周知之元件。
本文描述係關於與一垂直電晶體結合之一垂直溢位汲極之設備及系統之實例。在以下描述中，闡述諸多特定細節以提供對該實例之一透徹理解。然而，熟習此項技術者將認識到，能夠在不具有一或多個特定細節之情況下或配合其他方法、組件、材料等等實踐本文所描述之技術。在其他情況下，未展示或詳細地描述眾所周知之結構、材料或操作以避免混淆某些態樣。
貫穿本說明書之對「一個實例」或「一個實施例」之參考意指結合實例所描述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一個 實例中。因此，貫穿本說明書之各種地方之片語「在一個實例中」或「在一個實施例中」之出現未必皆係指同一實例。此外，特定特徵、結構或特性可以任何適合方式組合於一或多個實例中。
本發明將一垂直溢位汲極(VOD)以及一「埋藏」光電二極體(例如，具有迫使電荷載流子遠離表面陷阱之一淺植入物)及垂直轉移電晶體應用於一背側照射(BSI)影像感測器。一般而言，此結構達成更好BSI影像感測器效能度量，其包含更少模糊、更少電串擾、改良全域重設及減少之脈衝時間。
圖1描繪根據本發明之教示之一影像感測器像素100之一截面。如所展示，影像感測器像素100包含半導體材料101、光電二極體103、釘紮層105、垂直溢位汲極107、垂直轉移電晶體109、浮動擴散部111、閘極氧化物113、淺溝渠隔離結構115及深隔離阱117(例如，一P型隔離「iso」阱)。
如所展示，埋藏光電二極體103安置於半導體材料101中以回應於入射於半導體材料101之一背側上之光而產生影像電荷。釘紮層105靠近前側安置於半導體材料101中，並且耦合至光電二極體103。垂直溢位汲極107安置於半導體材料101中，並且耦合至釘紮層105，使得釘紮層105安置於垂直溢位汲極107與光電二極體103之間。浮動擴散部111靠近光電二極體103安置於半導體材料101中。垂直轉移電晶體109部分安置於半導體材料101中，並且耦合至光電二極體103以回應於施加至垂直轉移電晶體109之閘極端子之轉移信號而將影像電荷自光電二極體103轉移至浮動擴散部111中。此外，光電二極體103可包含一第一多數電荷載流子類型(例如，n型)，釘紮層105可包含一第二多數電荷載流子類型(例 如，p型)，並且垂直溢位汲極107可包含第一多數電荷載流子類型(例如，n型)。如所展示，釘紮層105堆疊在光電二極體103之上，並且與光電二極體103接觸，並且垂直溢位汲極107堆疊在釘紮層105之上，並且與釘紮層105接觸。在所描繪實例中，垂直溢位汲極107之橫向邊界自淺溝渠隔離結構115部分朝向垂直轉移電晶體109延伸，而釘紮層105之橫向邊界自淺溝渠隔離結構115延伸至閘極氧化物113(其埋藏在半導體材料101中，並環繞垂直轉移電晶體109之閘極電極)。
在一些實例中，垂直溢位汲極107耦合至光電二極體103，以防止光電二極體103因影像電荷而變得過飽和。由於影像電荷自光電二極體103流至釘紮層105，流至垂直溢位汲極107，將導致像素100「白化(whiteout)」之額外影像電荷被轉移至垂直溢位汲極107。因此，一有意義/可用之影像信號仍然可自光電二極體103讀出，即使光電二極體103接收太多光。在一些實例中，垂直溢位汲極107可耦合至接地，以便去除額外影像電荷。在一些實例中，垂直溢位汲極107可耦合至一可變電壓源以選擇性地去除多餘電荷，並控制像素100之飽和位準。
在所繪示之實例中，閘極氧化物113安置於半導體材料101之與背側相對之前側上。應瞭解，「前側」通常係具有最多電路之晶圓/晶片之側。閘極氧化物113(例如，氧化矽、氧化鉿或類似者)延伸至半導體材料101中，使得閘極氧化物113安置於半導體材料101與延伸至半導體材料101中之垂直轉移電晶體109之部分之間。如所展示，垂直溢位汲極107安置於閘極氧化物113與釘紮層105之間。如所繪示，垂直轉移電晶體109延伸至半導體材料101之前側中，且垂直轉移電晶體109之閘極端子大體上係「T」形。浮動擴散部111至少部分安置於「T」之水平部分之下。在 一些實例中，可在半導體材料101中蝕刻一溝渠以形成垂直轉移電晶體109。然後，可氧化溝渠(以形成一閘極介電質)，且接著在溝渠中沈積一導電材料以形成閘極電極。垂直轉移電晶體109之閘極端子可包含摻雜多晶矽或類似者。在所描繪實例中，垂直轉移電晶體109之垂直部分延伸至半導體材料101中達大於釘紮層105及垂直溢位汲極107組合之深度之一深度。垂直轉移電晶體109之垂直部分接觸釘紮層105及光電二極體103兩者。
如所繪示，淺溝渠隔離結構115延伸至半導體材料101之前側中，並且至少部分環繞光電二極體103。當淺溝渠隔離結構115延伸至半導體材料101中時，淺溝渠隔離結構115之截面可為大體上梯形的並且逐漸變細。在所描繪實例中，淺溝渠隔離結構115包含半導體材料101中之一溝渠並且至少部分填充有一個氧化物。淺溝渠隔離結構115亦可包含金屬(例如，由氧化物環繞之金屬芯，使得氧化物安置於金屬與半導體材料101之間)，並且如所展示，淺溝渠隔離結構115與釘紮層105及垂直溢位汲極107兩者接觸。如所展示，P-iso阱117自淺溝渠隔離結構115及垂直轉移閘極109之閘極電極延伸至半導體材料101之背側。換言之，淺溝渠隔離結構115及深P-iso阱117在半導體材料101中接觸並垂直對準。深P-iso阱117可包含半導體材料101之一摻雜區。在一個實施例中，深P-iso阱117連接至P+釘紮層105，因此其等電接地在一起。
圖2描繪根據本發明之教示之用於可含有圖1之像素之一影像感測器之一實例四電晶體(4T)像素架構200。4T像素架構200包含光電二極體203、轉移電晶體209、浮動擴散部211、重設電晶體221、源極隨耦器電晶體229及列選擇電晶體233。應瞭解，針對真正之4T像素架構， 僅需要一個光電二極體203及一個轉移電晶體209；然而，此處描述係四光二極體變體。
在所描繪實例中，複數個光電二極體203安置於半導體材料201(例如，矽)中以回應於入射光而產生影像電荷，並且浮動擴散部211亦靠近光電二極體203安置於半導體材料201中。轉移電晶體209耦合至光電二極體203，以回應於施加至轉移電晶體209之轉移閘極之轉移信號而將影像電荷自光電二極體203轉移至浮動擴散部211中。轉移電晶體209可循序導通以將電荷自光電二極體203一次一個轉移至浮動擴散部211。源極隨耦器電晶體229之閘極電極耦合至浮動擴散部211以放大浮動擴散部211上之一電荷。重設電晶體221耦合至浮動擴散部211以重設浮動擴散部211中之影像電荷(回應於施加至閘極電極之一重設信號)，且列選擇電晶體233耦合至源極隨耦器電晶體229以輸出影像信號。
在所描繪實例中，存在四個光電二極體203及四個轉移電晶體209。然而，在其他實例中，每浮動擴散部211可存在任意數目個光電二極體203及轉移電晶體209，包含一個、兩個、三個、五個或六個。此外，受益於本發明之一般技術者將瞭解，此處描繪之4T像素架構200可重複任何次數以形成影像感測器。
圖3繪示根據本發明之教示之可包含圖1及2之態樣之一成像系統300之一個實例之一方塊圖。成像系統300包含像素陣列305、控制電路321、讀出電路311及功能邏輯315。在一個實例中，像素陣列305係光電二極體或影像感測器像素(例如，像素P1、P2…、Pn)之一二維(2D)陣列。如所繪示，光電二極體配置成列(例如，列R1至Ry)及行(例如，行C1至Cx)以獲取人員、位置、物件等等之影像資料，該影像資料可隨後用 於呈現人員、位置、物件等等之一2D影像。然而，光電二極體不必被配置成列及行，並且可以採取其他組態。
在一個實例中，在像素陣列305中之各影像感測器光電二極體/像素已獲取其影像資料或影像電荷之後，該影像資料由讀出電路311讀出且隨後被轉移至功能邏輯315。在各種實例中，讀出電路311可包含放大電路、類比轉數位(ADC)轉換電路或其他電路。功能邏輯315可僅儲存影像資料或甚至藉由應用後影像效果(例如，自動聚焦、裁剪、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或以其他方式)操縱影像資料。在一個實例中，讀出電路311可沿讀出行線一次讀出一列影像資料(已繪示)或可使用各種其他技術讀出影像資料(未繪示)，例如，串列讀出或同時完全並行讀出全部像素。
在一個實例中，控制電路321耦合至像素陣列305以控制像素陣列305中之複數個光電二極體之操作。舉例而言，控制電路321可產生用於控制影像獲取之一快門信號。在所描繪實例中，快門信號係一捲動快門信號。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可包含於數位相機、手機、膝上型電腦、汽車或類似物中。另外，成像系統300可耦合至其他硬體塊，諸如一處理器(通用或其他)、記憶體元件、輸出(USB埠、無線發射器、HDMI埠等等)、照明/閃光、電輸入(鍵盤、觸摸顯示器、跟蹤板、滑鼠、麥克風等等)及/或顯示器。其他硬體塊可將指令傳送至成像系統300，自成像系統300提取影像資料，或操縱由成像系統300供應之影像資料。
不希望本發明之所繪示之實例之以上描述(包含摘要中所描 述之內容)為窮舉性或將本發明限於所揭示之具體形式。儘管本文描述本發明之特定實例係出於繪示性目的，但熟習此項技術者將認識到，在本發明範疇內各種修改係可行的。
依據以上詳細描述可對本發明做出此等修改。隨附申請專利範圍中使用之術語不應瞭解釋為將本發明限於本說明書中所揭示之特定實例。實情係，本發明之範疇全部由隨附申請專利範圍判定，隨附申請專利範圍應根據申請專利範圍解釋之既定原則來解釋。
100:影像感測器像素
101:半導體材料
103:光電二極體
105:釘紮層
107:垂直溢位汲極
109:垂直轉移電晶體
111:浮動擴散部
113:閘極氧化物
115:淺溝渠隔離結構
117:深隔離阱

Claims (22)

  1. 一種影像感測器像素，其包括：一光電二極體，其安置於一半導體材料中以回應入射於該半導體材料之一背側上之光而產生影像電荷；一釘紮層，其安置於該半導體材料中並耦合至該光電二極體；一垂直溢位(overflow)汲極，其安置於該半導體材料中且於該半導體材料之一前側與該釘紮層之間，並耦合至該釘紮層，使得該釘紮層安置於該垂直溢位汲極與該光電二極體之間；一浮動擴散部，其靠近該光電二極體安置於該半導體材料中；及一垂直轉移電晶體，其部分安置於該半導體材料中並且耦合至該光電二極體，以回應於施加至該垂直轉移電晶體之一閘極端子之一轉移信號而將該影像電荷自該光電二極體轉移至該浮動擴散部。
  2. 如請求項1之影像感測器像素，其進一步包括一閘極氧化物，該閘極氧化物安置於該半導體材料之與該背側相對之該前側上，並延伸至該半導體材料中使得該閘極氧化物安置於該半導體材料與延伸至該半導體材料中之該垂直轉移電晶體之一部分之間。
  3. 如請求項2之影像感測器像素，其中該垂直轉移電晶體延伸至該半導體材料之該前側中。
  4. 如請求項3之影像感測器像素，其進一步包括一淺溝渠隔離結構，該淺溝 渠隔離結構延伸至該半導體材料之該前側中並且至少部分環繞該光電二極體。
  5. 如請求項4之影像感測器像素，其中該淺溝渠隔離結構在該半導體材料中包含至少部分填充有一個氧化物之一溝渠。
  6. 如請求項4之影像感測器像素，其進一步包括自該淺溝渠隔離結構延伸至該半導體材料之該背側之一深隔離阱。
  7. 如請求項6之影像感測器像素，其中該深隔離阱包含該半導體材料之一摻雜區。
  8. 如請求項1之影像感測器像素，其中該垂直轉移電晶體之閘極端子大體上為「T」形。
  9. 如請求項1之影像感測器像素，其中該光電二極體包含一第一多數電荷載流子類型，該釘紮層包含一第二多數電荷載流子類型，並且該垂直溢位汲極包含該第一多數電荷載流子類型。
  10. 如請求項9之影像感測器像素，其中該第一多數電荷載流子類型係n型，且其中該第二多數電荷載流子類型係p型，且其中該垂直溢位汲極安置於該背側與該光電二極體之間。
  11. 如請求項1之影像感測器像素，其中該垂直溢位汲極之第一橫向邊界 小於該釘紮層之第二橫向邊界，以將該光電二極體從該垂直溢位汲極分隔開。
  12. 如請求項1之影像感測器像素，其中該垂直溢位汲極耦合至接地或一可變電壓源。
  13. 一種影像感測器系統，其包括：複數個像素，其安置於一半導體材料中，該複數個像素經定位以透過該影像感測器之一背側接收光並產生影像電荷，其中該複數個像素中之各像素包含：一光電二極體，其安置於該半導體材料中；一釘紮層，其安置於該半導體材料中並耦合至該光電二極體；一垂直溢位汲極，其安置於該半導體材料中且於該半導體材料之一前側與該釘紮層之間，並耦合至該釘紮層，使得該釘紮層安置於該垂直溢位汲極與該光電二極體之間；一浮動擴散部，其靠近該光電二極體安置於該半導體材料中；及一垂直轉移電晶體，其部分安置於該半導體材料中並且耦合至該光電二極體，以回應於施加至該垂直轉移電晶體之一閘極端子之一轉移信號而將該影像電荷自該光電二極體轉移至該浮動擴散部；及讀出電路，其耦合至該複數個像素以自該複數個像素讀出該影像電荷；及控制電路，其耦合至該複數個像素以控制該複數個像素之操作。
  14. 如請求項13之影像感測器系統，其進一步包括：一重設電晶體，其耦合至該浮動擴散部以重設該浮動擴散部中之該影像電荷；及一源極隨耦器電晶體，其耦合至該浮動擴散部以放大該浮動擴散部上之該影像電荷以用於利用讀出電路讀出。
  15. 如請求項14之影像感測器系統，其進一步包括經耦合以接收自該讀出電路讀出之影像資料之功能邏輯，且其中該功能邏輯經耦合以改變該影像資料。
  16. 如請求項13之影像感測器系統，其進一步包括一閘極氧化物，該閘極氧化物安置於該半導體材料之與該背側相對之該前側上，並延伸至該半導體材料中使得該閘極氧化物安置於該半導體材料與延伸至該半導體材料中之該垂直轉移電晶體之一部分之間。
  17. 如請求項16之影像感測器系統，其中該垂直轉移電晶體延伸至該半導體材料之該前側中。
  18. 如請求項17之影像感測器系統，其進一步包括一淺溝渠隔離結構，該淺溝渠隔離結構延伸至該半導體材料之該前側並且至少部分環繞該光電二極體。
  19. 如請求項18之影像感測器系統，其中該淺溝渠隔離結構在該半導體材料中包含填充有一個氧化物之一溝渠。
  20. 如請求項18之影像感測器系統，其進一步包括自該淺溝渠隔離結構延伸至該半導體材料之該背側之一深隔離阱。
  21. 如請求項20之影像感測器系統，其中該深隔離阱包含該半導體材料之一摻雜區。
  22. 如請求項13之影像感測器系統，其中該垂直轉移電晶體之該閘極端子大體上為「T」形。
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