圖像傳感器和電子器件的制作方法
【專利摘要】一種圖像傳感器可以包括：光電轉換元件；傳輸門，其形成在光電轉換元件之上；多個有源柱體，其通過穿過傳輸門與光電轉換元件電耦接；復位晶體管，其與多個有源柱體耦接；以及源極跟隨器晶體管，其具有與多個有源柱體之中的一個或更多個有源柱體電耦接的柵極。
【專利說明】圖像傳感器和電子器件
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求名稱為“IMAGESENSOR HAVING VERTICAL TRANSFER GATE ANDELECTRONIC DEVICE HAVING THE SAME (具有垂直傳輸門的圖像傳感器和具有所述圖像傳感器的電子器件)”，并且于2014年11月21日提交的申請號為10-2014-0163321的韓國專利申請的優先權，其全部內容通過引用合并于此。
技術領域
[0003]本發明的示例性實施例涉及一種半導體器件制造技術，且更具體而言，涉及一種具有垂直傳輸門的圖像傳感器和具有所述圖像傳感器的電子器件。
【背景技術】
[0004]圖像傳感器是一種將光學圖像轉換成電信號的器件。近來，隨著計算機產業和通信產業的發展，在各種領域對具有改善性能的圖像傳感器的需求已經增加，各種領域諸如數碼照相機、便攜式攝像機、個人通信系統(PCS)、游戲機、監控攝像機、醫療微型攝像機以及機器人。
【發明內容】
[0005]各種實施例針對一種具有改善性能的圖像傳感器以及一種具有所述圖像傳感器的電子器件。
[0006]在一個實施例中，一種圖像傳感器可以包括:光電轉換元件；傳輸門，其形成在光電轉換元件之上；多個有源柱體，其通過穿過傳輸門與光電轉換元件電耦接；復位晶體管，其與多個有源柱體耦接；以及源極跟隨器晶體管，其具有與多個有源柱體之中的一個或更多個有源柱體電耦接的柵極。圖像傳感器還可以包括:濾色器層，其形成在入射光被引入到光電轉換元件中的入射表面之上；以及微透鏡，其形成在濾色器之上。
[0007]傳輸門可以包括:柵電極，其形成在光電轉換元件之上；以及電荷阻擋層，其被插設在柵電極與光電轉換元件之間，以及在柵電極與多個有源柱體之間。柵電極可以包圍多個有源柱體的所有側壁。此外，柵電極可以包括:第一柵電極，其包圍多個有源柱體的第一組的所有側壁，其中，第一組包括與源極跟隨器晶體管的柵極耦接的一個或更多個有源柱體；以及第二柵電極，其包圍多個有源柱體的第二組的所有側壁，所述第二組與第一組不同。傳輸門可以形成在與入射光被引入到光電轉換元件中的入射表面相對的表面之上。
[0008]復位晶體管可以包括:第一復位晶體管，其與多個有源柱體的第一組電耦接，其中，第一組包括與源極跟隨器晶體管的柵極耦接的一個或更多個有源柱體；以及第二復位晶體管，其與多個有源柱體的第二組電耦接，第二組與第一組不同。
[0009]有源柱體中的每個可以具有有源柱體在平衡狀態下被完全耗盡的臨界尺寸。有源柱體中的每個可以包括:溝道區，其與光電轉換元件耦接，并且被傳輸門包圍；以及浮置擴散區，其與溝道區耦接，并且突出于傳輸門之上。此外，溝道區可以具有未摻雜狀態，在未摻雜狀態下溝道區未被摻雜有雜質。此外，溝道區可以具有摻雜狀態，在摻雜狀態下溝道區摻雜有雜質，溝道區具有與浮置擴散區相同的導電類型，以及具有比浮置擴散區低的雜質摻雜濃度。
[0010]光電轉換元件可以包括彼此垂直重疊并且具有不同的導電類型的第一雜質區和第二雜質區，以及第一雜質區可以與多個有源柱體電耦接。
[0011]在一個實施例中，一種圖像傳感器可以包括:光電轉換元件；多個有源柱體，其形成在光電轉換元件之上，并且與光電轉換元件電耦接；傳輸門，其形成在光電轉換元件之上以包圍多個有源柱體；第一復位晶體管，其與多個有源柱體的第一組電耦接；以及第二復位晶體管，其與多個有源柱體的第二組電耦接，第二組與第一組不同。所述圖像傳感器還可以包括:源極跟隨器晶體管，其具有與有源柱體的第一組電耦接的柵極。
[0012]傳輸門可以包括:柵電極，其形成在光電轉換元件之上；以及電荷阻擋層，其被插設在柵電極與光電轉換元件之間，以及在柵電極與多個有源柱體之間。柵電極可以包圍多個有源柱體的所有側壁。此外，柵電極可以包括:第一柵電極，其包圍多個有源柱體的第一組的所有側壁；以及第二柵電極，其包圍多個有源柱體的第二組的所有側壁。傳輸門可以形成在與入射光被引入到光電轉換元件中的入射表面相對的表面之上。
[0013]多個有源柱體中的每個可以具有有源柱體在平衡狀態下完全耗盡的臨界尺寸。多個有源柱體中的每個可以包括:溝道區，其與光電轉換元件耦接，并且被傳輸門包圍；以及浮置擴散區，其與溝道區耦接，以及突出于傳輸門之上。溝道區可以具有未摻雜狀態，在未摻雜狀態下溝道區未被摻雜有雜質。溝道區可以具有摻雜狀態，在摻雜狀態下溝道區摻雜有雜質，溝道區具有與浮置擴散區相同的導電性，以及具有比浮置擴散區低的雜質摻雜濃度。
[0014]光電轉換元件可以包括彼此垂直重疊并且具有不同的導電類型的第一雜質區和第二雜質區，以及第一雜質區可以與多個有源柱體電耦接。
[0015]在一個實施例中，一種圖像傳感器可以包括:光電轉換元件；第一傳輸單元和第二傳輸單元，其共享光電轉換元件，并且每個包括并聯耦接的一個或更多個傳輸晶體管；第一復位晶體管，其與第一傳輸單元耦接；源極跟隨器晶體管，其具有與第一傳輸單元和第一復位晶體管之間的浮置擴散節點耦接的柵極；以及第二復位晶體管，其與第二傳輸單元耦接。
[0016]第一傳輸單元和第二傳輸單元可以響應于相同的傳輸信號而導通/關斷，以及第一復位晶體管和第二復位晶體管可以響應于相同的復位信號而導通/關斷。
[0017]第一傳輸單元和第二傳輸單元響應于不同的傳輸信號而導通/關斷，而第一復位晶體管和第二復位晶體管可以響應于相同的復位信號而導通/關斷。
[0018]在一個實施例中，一種電子器件可以包括:光學透鏡；圖像傳感器，其具有多個單元像素；以及信號處理電路，其適于處理來自圖像傳感器的輸出信號。多個單元像素中的每個可以包括:光電轉換元件；傳輸門，其形成在光電轉換元件之上；多個有源柱體，其通過穿過傳輸門與光電轉換元件電耦接；復位晶體管，其與多個有源柱體耦接；以及源極跟隨器晶體管，其具有與多個有源柱體之中的一個或更多個有源柱體電耦接的柵極。
【附圖說明】
[0019]圖1是圖示根據本發明的一個實施例的包括單元像素的圖像傳感器的框圖。
[0020]圖2是圖示根據第一實施例的圖像傳感器的單元像素的等同電路圖。
[0021]圖3A是圖示根據本發明的第一實施例的圖像傳感器的單元像素的立體圖。
[0022]圖3B是圖示根據本發明的圖像傳感器的單元像素的立體圖。
[0023]圖4A至圖4F是圖示對于在根據第一實施例的圖像傳感器的單元像素中的多個有源柱體的形狀的修改的平面圖。
[0024]圖5是圖示根據第二實施例的圖像傳感器的單元像素的等同電路圖。
[0025]圖6是圖示根據第二實施例的圖像傳感器的單元像素的立體圖。
[0026]圖7是圖示根據一個實施例的電子器件的框圖。
【具體實施方式】
[0027]以下將參照附圖更詳細地描述各種實施例。然而，本發明可以用不同的方式實施，而不應解釋為限制于本文所列的實施例。確切地說，提供這些實施例使得本公開充分與完整，并向本領域技術人員充分傳達本發明的范圍。在本公開中，相同的附圖標記在本發明的不同附圖和實施例中表示相似的部分。
[0028]附圖不一定按比例繪制，并且在某些情況下，可以夸大比例以清楚地示出實施例的特征。當第一層被稱作在第二層“上”或在襯底“上”時，它不僅指的是第一層直接形成在第二層上或在襯底上的情況，還指的是在第一層與第二層之間或在第一層與襯底之間存在第三層的情況。
[0029]將光學圖像轉換成電信號的圖像傳感器可以被分成電荷耦合器件(CCD)和CMOS圖像傳感器(CIS)。CMOS圖像傳感器(CIS)由于其簡單的驅動方法和與CMOS處理技術的兼容性的原因可以降低制造成本。因而，CIS將被作為一個實例用于描述以下實施例。CIS可以將由光電轉換元件產生的光電荷，經由傳輸晶體管傳送至浮置擴散區。傳輸晶體管可以包括溝道區，溝道區摻雜有預定的雜質，以便提高傳輸門的門可控性或者導通/關斷特性。由于NMOS晶體管通常用作傳輸晶體管，所以傳輸晶體管的溝道區可以摻雜有P型雜質。
[0030]近來，已經提出了垂直傳輸門，以進一步地提高傳輸晶體管的門可控性或者導通/關斷特性。為了實施垂直傳輸門，溝道區必然具有垂直結構。因而，隨著單元像素尺寸的減小，用于用雜質摻雜溝道區的摻雜工藝變得更加復雜，并且降低了生產率。此外，摻雜雜質的隨機摻雜波動(RDF)可能強烈，以增加信噪比(SNR)。此外，具有垂直傳輸門的傳輸晶體管可以減小浮置擴散區的面積(或者容量)，由此進一步增加了 SNR。
[0031]因而，本發明的以下實施例可以防止具有垂直傳輸門的圖像傳感器的SNR增加，并且提供具有改善性能的圖像傳感器以及具有所述圖像傳感器的電子器件。
[0032]圖1是圖示根據本發明的一個實施例的包括單元像素的圖像傳感器的框圖。
[0033]如圖1中所示，根據本發明的實施例的圖像傳感器可以包括像素陣列110和信號處理器120。像素陣列110可以響應于入射光來產生電信號。像素陣列110可以包括被二維布置成矩陣形狀的多個單元像素100。以下將描述單元像素100的物理結構和電路結構。
[0034]信號處理器120可以通過處理從像素陣列110產生的電信號來產生圖像數據。信號處理器120可以包括:行驅動器121、相關耦合采樣器(⑶S) 122、模數轉換器(ADC) 123以及定時控制器129。
[0035]行驅動器121可以與像素陣列110的每個行耦接，并且產生用于驅動每個行的驅動信號。例如，行驅動器121可以基于行來驅動包括在像素陣列110中的多個單元像素100。
[0036]⑶S 122可以通過使用電容器、開關等計算參考電壓與輸出電壓之間的差來執行相關雙采樣，參考電壓指示單元像素100的復位狀態，輸出電壓指示與入射光相對應的信號分量，以及CDS 122可以輸出與有效信號分量相對應的模擬采樣信號。CDS 122可以包括多個CDS電路，每個CDS電路與像素陣列110的列線中相應的一個耦接，并且輸出與在每個列的有效信號分量相對應的模擬采樣信號。
[0037]ADC 123可以將與有效信號分量相對應的模擬采樣信號轉換成數字圖像信號。ADC123可以包括參考信號發生器124、比較器125、計數器126和緩沖器127。參考信號發生器124可以產生具有恒定斜率的斜坡信號，并且將斜坡信號作為參考信號提供至比較器125。比較器125可以將在相應的列從⑶S 122輸出的模擬米樣信號與從參考信號發生器124產生的斜坡信號進行比較，以及基于有效信號分量輸出具有轉換時間的比較信號。計數器126可以通過執行計數操作來產生計數信號，并且將計數信號提供至緩沖器127。緩沖器127可以包括與相應的列線耦接的多個鎖存器電路，響應于相應的比較信號的轉換時間來在相應的列鎖存從計數器126輸出的計數信號，以及將鎖存的計數信號作為數字圖像數據輸出。
[0038]根據一個實施例，ADC 123還可以包括加法器電路，加法器電路被配置成接收從⑶S 122輸出的模擬采樣信號。緩沖器127還可以包括多個信號線緩沖器。
[0039]定時控制器129可以控制行驅動器121、⑶S 122和ADC 123的操作定時。定時控制器129可以將定時信號和控制信號提供至行驅動器121、⑶S 122和ADC 123。
[0040]參見圖1，描述了圖像傳感器執行模擬雙采樣。然而，根據實施例，圖像傳感器可以執行數字雙采樣(DDS)。在數字雙采樣中，當像素被復位時，用于信號分量的模擬信號和用于復位分量的模擬信號被轉換成數字信號，并且將這兩個數字信號之間的差提取為有效信號分量。
[0041]參見圖2、3A、3B以及4A至4F，將詳細描述根據第一實施例的圖像傳感器。首先，參見圖2，將描述根據第一實施例的圖像傳感器的電路配置和操作。
[0042]圖2是圖示根據第一實施例的圖像傳感器的單元像素的等同電路圖。
[0043]如圖2中所示，根據第一實施例的圖像傳感器的單元像素可以包括:光電轉換元件H)、傳輸晶體管Tx、復位晶體管Rx、源極跟隨器晶體管(Sx) 250、以及存取晶體管(Ax) 260ο單元像素可以包括多個傳輸晶體管Tx，并且第一傳輸單元210和第二傳輸單元220中的每個可以包括一個或更多個傳輸晶體管Tx。復位晶體管Rx可以包括與第一傳輸單元210耦接的第一復位晶體管230和與第二傳輸單元220耦接的第二復位晶體管240。
[0044]光電轉換元件ro可以包括光電二極管。光電轉換元件ro可以耦接在接地電壓端子與第一傳輸單元210和第二傳輸單元220的公共節點之間。
[0045]例如，包括在第一傳輸單元210和第二傳輸單元220中的多個傳輸晶體管Tx可以耦接在光電轉換元件H)與浮置擴散節點FD之間。第一傳輸單元210和第二傳輸單元220可以被配置成共享一個光電轉換元件PD。包括在第一傳輸單元210和第二傳輸單元220中的傳輸晶體管Tx中的每個可以具有相同的形狀或操作特性。此外，浮置擴散節點FD可以與復位晶體管Rx的一側耦接。
[0046]第一傳輸單元210和第二傳輸單元220中的每個可以包括并聯耦接的一個或更多個傳輸晶體管Tx。包括在第一傳輸單元210或第二傳輸單元220中的傳輸晶體管Tx的數目可以根據目標特性來調整。具體地，圖像傳感器的敏感性和SNR特性可以通過調整包括在第一傳輸單元210中的傳輸晶體管Tx的數目來控制。例如，當假設第一傳輸單元210包括五個傳輸晶體管Tx時，可以通過將傳輸晶體管Tx的數目增加至六個或更多個來改善SNR特性。另一方面，可以通過將傳輸晶體管Tx的數目減少至四個或更少個來改善敏感性。
[0047]第一傳輸單元210和第二傳輸單元220可以響應于傳輸信號TRF來操作。S卩，包括在第一傳輸單元210和第二傳輸單元220中的多個傳輸晶體管Tx可以被配置成共享一個傳輸門，或者多個傳輸晶體管Tx的傳輸門可以與一個導線(例如，一個傳輸線)耦接。
[0048]第一復位晶體管230可以耦接在第一傳輸單元210與電源電壓(VDD)端子之間，而第二復位晶體管240可以耦接在第二傳輸單元220與VDD端子之間。第一復位晶體管230和第二復位晶體管240可以響應于復位信號RST來操作。例如，第一復位晶體管230的柵極和第二復位晶體管240的柵極可以與一個導線(例如，一個復位線)耦接。
[0049]源極跟隨器晶體管250可以耦接在VDD端子與存取晶體管260之間，并且具有在浮置擴散節點FD與第一傳輸單元210耦接的柵極。S卩，源極跟隨器晶體管250可以不與耦接至第二傳輸單元220的浮置擴散節點FD耦接。因而，圖像傳感器的敏感性和SNR可以通過調整包括在第一傳輸單元210中的傳輸晶體管Tx的數目來控制。
[0050]存取晶體管260可以耦接在源極跟隨器晶體管250與輸出端子之間，通過所述輸出端子可以輸出像素信號POUT。
[0051]參見圖2，一種用于驅動根據第一實施例的圖像傳感器的單元像素的方法將描述如下。
[0052]首先，在入射光被阻斷的狀態下，傳輸信號TRF可以被施加至第一傳輸單元210和第二傳輸單元220，以及可以施加復位信號RST以將第一復位晶體管230和第二復位晶體管240導通。由于第一傳輸單元210和第二傳輸單元220以及第一復位晶體管230和第二復位晶體管240被導通以使浮置擴散節點FD放電，所以可以使浮置擴散節點FD復位。傳輸信號TRF和復位信號RST可以包括用于控制晶體管導通/關斷的脈沖信號。
[0053]然后，第一傳輸單元210和第二傳輸單元220以及第一復位晶體管230和第二復位晶體管240可以關斷，并且光可以入射在光電轉換元件H)上長達預定的時間。光電轉換元件ro可以使用入射光來產生電子-空穴對(EHP)，即光電荷，并且產生的光電荷可以被積聚在光電轉換元件ro中。光電荷積聚在光電轉換元件中的時間可以被稱為光電轉換元件PD 的積分時間(integrat1n time)。
[0054]即使在浮置擴散節點FD被復位之后，也可以連續地施加復位信號RST，以在積分時間期間保持第一復位晶體管230和第二復位晶體管240的導通狀態。在這種情況下，可以防止在浮置擴散節點FD未被復位時，電荷保留在浮置擴散節點FD中。此外，可以防止浮置擴散節點FD的電位在積分時間期間變化。供作參考，當浮置擴散節點FD的電位在積分時間期間變化時，SNR特性可能降低。
[0055]然后，當第一復位晶體管230和第二復位晶體管240關斷時，可以施加傳輸信號TRF,以在積分時間期間將積聚在光電轉換元件H)中的光電荷傳送至浮置擴散節點FD。可以與傳送至浮置擴散節點FD的光電荷成比例地，改變輸入至源極跟隨器晶體管250的柵極的偏置，以及源極跟隨器晶體管250的源極電位可以改變。第一傳輸單元210和第二傳輸單元220這二者都可以響應于傳輸信號TRF來導通。然而，由于源極跟隨器晶體管250的柵極與耦接至第一傳輸單元210的浮置擴散節點FD耦接，所以源極跟隨器晶體管250的源極電位可以僅響應于經由第一傳輸單元210傳送至浮置擴散節點FD的光電荷而變化。
[0056]當在源極跟隨器晶體管250的源極電位變化的狀態下，存取晶體管260響應于選擇信號SEL而導通時，可以輸出像素信號POUT。選擇信號SEL可以包括用于控制晶體管導通/關斷的脈沖信號。
[0057]在根據第一實施例的上述圖像傳感器中，第一傳輸單元210和第二傳輸單元220中的每個可以包括彼此并聯耦接的一個或更多個傳輸晶體管Tx，由此改善了由光電轉換元件H)產生的光電荷的傳輸效率。
[0058]此外，由于源極跟隨器晶體管250僅與耦接至第一傳輸單元210的浮置擴散節點FD耦接，所以可以調整包括在第一傳輸單元210中的傳輸晶體管Tx的數目，來提高圖像傳感器的敏感性和SNR。
[0059]將參照圖3A、3B以及4A至4F詳細描述具有上述等同電路的圖像傳感器的結構。圖3A是圖示根據本發明的第一實施例的圖像傳感器的單元像素的立體圖，而圖3B是圖示根據本發明的修改的圖像傳感器的單元像素的立體圖。圖3A和圖3B包括圖示單元像素的截面圖。圖4A至圖4F是圖示對于在根據第一實施例的圖像傳感器的單元像素中的多個有源柱體的形狀的修改的平面圖。
[0060]如圖3A和圖3B中所示，根據第一實施例的圖像傳感器的單元像素可以包括:光電轉換元件PD、傳輸門320、多個有源柱體330、第一復位晶體管230、第二復位晶體管240以及源極跟隨器晶體管250。傳輸門320可以形成在光電轉換元件H)之上。多個有源柱體330可以通過穿過傳輸門320而與光電轉換元件H)電耦接。多個有源柱體330可以被分成包括多個有源柱體330之中的一個或更多個有源柱體330的第一組和與第一組不同的第二組。第一復位晶體管230可以與多個有源柱體330的第一組電耦接。第二復位晶體管240可以與多個有源柱體330的第二組電耦接。源極跟隨器晶體管250可以具有與有源柱體330的第一組電耦接的柵極。圖像傳感器的單元像素還可以包括濾色器層302，其形成在入射光被引入到光電轉換元件H)中的入射表面SI之上；以及微透鏡303，其形成在濾色器層302上。
[0061]光電轉換元件H)可以形成在襯底301中或者形成在襯底301之上。光電轉換元件ro可以具有與單元像素的平面形狀相對應的板形狀。襯底301可以包括半導體材料。具體地，襯底301可以具有單晶狀態，并且包括含硅材料。
[0062]光電轉換元件ro可以包括光電二極管。光電二極管可以包括形成在襯底301中以彼此垂直重疊的一個或更多個光電轉換單元，或者形成在襯底301上的有機光電轉換層(未示出)。在本實施例中，光電轉換元件ro可以包括形成在襯底301中以便彼此垂直重疊的一個或更多個光電轉換單元。光電轉換單元可以包括具有P型導電性的第一雜質區311和具有N型導電性的第二雜質區312。第一雜質區311和第二雜質區312可以通過將雜質離子注入至襯底301中來形成。第二雜質區312可以用作傳輸晶體管Tx的結區。
[0063]參見圖3A，第一雜質區311可以形成在相應有源柱體330之間的襯底301中，以便不與有源柱體330重疊。在這種情況下，有源柱體330中的每個可以不與第一雜質區311電耦接。參見圖3B，第一雜質區311可以形成在襯底301的整個表面上，以與多個有源柱體330重疊。在這種情況下，有源柱體330中的每個可以與第一雜質區311電耦接。供作參考，盡管圖3A中的第一雜質區311被形成為與多個有源柱體330重疊，但是圖3A的結構可以具有與圖3B的結構相似的特性，在圖3B中第一雜質區311不與多個有源柱體330重疊。這是因為第一雜質區311比與第一雜質區311接觸的其他雜質區具有減小的厚度和更低的雜質慘雜濃度。
[0064]傳輸門320可以形成在入射光被引入到光電轉換元件F1D中的入射表面SI的相對表面S2上。傳輸門320可以采用板形狀形成在光電轉換元件H)之上。此時，如圖4A至圖4F中所示，傳輸門320可以具有覆蓋光電轉換元件H)的相對表面S2的形狀。傳輸門320可以用作反射層，其將穿過光電轉換元件ro逸出至外部的入射光反射在光電轉換元件ro上，由此增加了光電轉換元件H)的量子效率。因而，由于傳輸門320具有覆蓋光電轉換元件PD的相對表面S2的形狀，所以可以有效地增加光電轉換元件H)的量子效率。傳輸門320可以包括用作反射層的金屬性材料。
[0065]傳輸門320可以包括柵電極321和電荷阻擋層322。柵電極321可以形成在光電轉換元件ro之上，以便包圍多個有源柱體330的所有側壁，并且電荷阻擋層322可以被插設在柵電極321與光電轉換元件H)之間，以及柵電極321與多個有源柱體330之間。由于多個有源柱體330被一個柵電極321包圍，所以所有的傳輸晶體管Tx都可以響應于傳輸信號TRF來操作。柵電極321可以包括金屬性材料，而電荷阻擋層322可以包括絕緣材料。
[0066]有源柱體330中的每個可以包括溝道區331和浮置擴散區332。溝道區331可以與光電轉換元件ro電耦接，并且被傳輸門320包圍，以及浮置擴散區332可以與溝道區331電耦接，以便突出于傳輸門320之上。
[0067]有源柱體330中的每個可以包括與襯底301相同的材料。例如，有源柱體330中的每個可以通過刻蝕襯底301來形成，并且包括單晶含硅材料。有源柱體330中的每個可以具有各種形狀。例如，參見圖4A至圖4F，有源柱體330中的每個可以具有各種幾何形狀，諸如矩形柱體、多邊形柱體、圓形柱體、橢圓形柱體、環形柱體和十字形柱體。此時，有源柱體330中的每個可以具有相同的形狀或者不同的形狀。照此，具有各種形狀的有源柱體330中的每個可以具有臨界尺寸(CD)，在該臨界尺寸溝道區331可以在傳輸晶體管Tx關斷的狀態下完全耗盡。傳輸晶體管Tx的關斷狀態可以指示沒有偏置被施加至傳輸門320的平衡狀態。例如，當有源柱體330中的每個具有圓柱形形狀，即圓形柱體時，圓形柱體可以具有30nm或者更小的直徑，以便完全耗盡。這是為了防止在傳輸晶體管Tx的關斷狀態下發生泄漏電流。即，可以防止噪聲的發生，以改善SNR特性。
[0068]浮置擴散區332可以與形成在有源柱體330的每個之上的雜質區相對應。一個或更多個浮置擴散區332可以彼此耦接，以用作浮置擴散節點FD。S卩，多個有源柱體330 (每個有源柱體330包括浮置擴散區332)可以被分成與第一復位晶體管230耦接的第一組和與第二復位晶體管240耦接的第二組。與第一復位晶體管230耦接的一個或更多個浮置擴散區332可以用作用于控制源極跟隨器晶體管250的導通/關斷的浮置擴散節點FD。浮置擴散區332可以具有與光電轉換元件H)的第二雜質區312相同的導電類型。例如，浮置擴散區332可以包括摻雜有N型雜質的N型雜質區。
[0069]在每個有源柱體330中，溝道區331可以被設定成未摻雜狀態，在未摻雜狀態下溝道區331未被摻雜雜質。例如，溝道區331可以由本征半導體形成。另一方面，每個有源柱體330中的溝道區331可以摻雜有雜質，并且具有與浮置擴散區332相同的導電類型。此時，溝道區331可以具有比浮置擴散區332低的雜質摻雜濃度。由于溝道區331未被摻雜，或者摻雜有具有與浮置擴散區332相同的導電性的雜質，所以可以防止在傳輸晶體管Tx關斷的狀態下泄漏電流的發生。即，可以防止噪聲的發生，以改善SNR特性。
[0070]根據第一實施例的圖像傳感器的單元像素可以防止在通過CD的傳輸晶體管Tx的關斷狀態和每個有源柱體330中的溝道區331的摻雜狀態下泄漏電流的發生，由此改善了圖像傳感器的SNR特性。
[0071]此后，將參照圖5和圖6來描述根據第二實施例的圖像傳感器。在第二實施例中，與第一實施例相同的部件由相同的附圖標記來表示，并且在本文中省略了其詳細描述。即，以下描述將集中于第一實施例與第二實施例之間的差別。
[0072]圖5是圖示根據第二實施例的圖像傳感器的單元像素的等同電路圖。圖6是圖示根據第二實施例的圖像傳感器的單元像素的立體圖，包括其截面圖。
[0073]如圖5和圖6中所示，根據第二實施例的圖像傳感器的單元像素與第一實施例的不同之處在于，第一傳輸單元510和第二傳輸單元520分別響應于第一傳輸信號TRFl和第二傳輸信號TRF2來導通/關斷。具體地，第一傳輸單元510可以響應于第一傳輸信號TRFl來導通/關斷，而第二傳輸單元520可以響應于第二傳輸信號TRF2來導通/關斷。因而，包括在第一傳輸單元510中的多個傳輸晶體管Tx可以被配置成共享一個傳輸門，或者傳輸晶體管Tx的傳輸門可以與一個導線耦接。此外，包括在第二傳輸單元520中的多個傳輸晶體管Tx可以共享一個傳輸門，或者傳輸晶體管Tx的傳輸門可以與一個導線耦接。
[0074]隨后，參見圖5，一種驅動根據第二實施例的圖像傳感器的單元像素的方法將描述如下。
[0075]首先，第一傳輸信號TRFl和第二傳輸信號TRF2可以在入射光被阻擋的狀態下，分別被施加至第一傳輸單元510和第二傳輸單元520，并且可以施加復位信號RST以導通第一復位晶體管230和第二復位晶體管240。由于第一傳輸單元510和第二傳輸單元520以及第一復位晶體管230和第二復位晶體管240被導通以使浮置擴散節點FD放電，所以浮置擴散節點FD可以被復位。第一傳輸信號TRFl和第二傳輸信號TRF2以及復位信號RST可以包括用于控制晶體管的導通/關斷的脈沖信號。第一傳輸信號TRFl和第二傳輸信號TRF2可以彼此相同。
[0076]然后，第一傳輸單元510和第二傳輸單元520以及第一復位晶體管230和第二復位晶體管240可以關斷，并且光可以入射在光電轉換元件H)上長達預定的時間。光電轉換元件ro可以使用入射光來產生電子-空穴對(EHP)，即光電荷，并且產生的光電荷可以被積聚在光電轉換元件ro中。光電荷積聚在光電轉換元件ro中的時間可以被稱為光電轉換元件F1D的積分時間。
[0077]即使在浮置擴散節點FD復位之后，還可以連續地施加復位信號RST，以在積分時間期間保持第一復位晶體管230和第二復位晶體管240的導通狀態。在這種情況下，可以防止在浮置擴散節點FD未被復位時，電荷保留在浮置擴散節點FD中。此外，可以防止浮置擴散節點FD的電位在積分時間期間變化。供作參考，當浮置擴散節點FD的電位在積分時間期間變化時，可以降低SNR特性。
[0078]然后，由于在第一復位晶體管230和第二復位晶體管240關斷的狀態下僅施加了第一傳輸信號TRF1，所以積聚在光電轉換元件H)中的光電荷可以在積分時間期間經由第一傳輸單元510傳送至浮置擴散節點FD。此時，由于未施加第二傳輸信號TRF2，所以第二傳輸單元520中的多個傳輸晶體管Tx的所有溝道區都可以保持完全耗盡的狀態。可以與傳送至浮置擴散節點FD的光電荷成比例地，改變輸入至源極跟隨器晶體管250的柵極的偏置，并且源極跟隨器晶體管250的源極電位可以變化。此時，由于僅施加了第一傳輸信號TRF1，所以源極跟隨器晶體管250的源極電位可以僅響應于經由第一傳輸單元510傳送至浮置擴散節點FD的光電荷而變化。由于僅將光電荷傳送至與源極跟隨器晶體管250的柵極耦接的浮置擴散節點FD的第一傳輸單元510導通，所以可以改善光電荷的傳輸效率和源極跟隨器晶體管對光電荷的響應速度。
[0079]當在源極跟隨器晶體管250的源極電位變化的狀態下，存取晶體管260響應于選擇信號SEL而導通時，可以輸出像素信號POUT。選擇信號SEL可以包括用于控制晶體管的導通/關斷的脈沖信號。
[0080]在根據第二實施例的上述圖像傳感器中，第一傳輸單元510和第二傳輸單元520中的每個可以包括彼此并聯耦接的一個或更多個傳輸晶體管Tx，由此改善了由光電轉換元件H)產生的光電荷的傳輸效率。
[0081]此外，由于源極跟隨器晶體管250僅與耦接至第一傳輸單元510的浮置擴散節點FD耦接，所以可以調整包括在第一傳輸單元510中的傳輸晶體管Tx的數目，以改善圖像傳感器的所需敏感性和SNR。
[0082]此外，由于第一傳輸單元510和第二傳輸單元520分別響應于傳輸信號TRFl和第TRF2來操作，所以在保證各種操作特性的同時可以降低功耗。
[0083]然后，參見圖6，將描述具有等同電路的圖像傳感器的結構。
[0084]根據第二實施例的圖像傳感器的單元像素可以包括:光電轉換元件H)、第一傳輸門320A、第二傳輸門320B、多個有源柱體330、第一復位晶體管230、第二復位晶體管240以及源極跟隨器晶體管250。第一傳輸門320A和第二傳輸門320B可以形成在光電轉換元件PD之上。多個有源柱體330可以通過穿過第一傳輸門320A和第二傳輸門320B與光電轉換元件ro電耦接。多個有源柱體330可以被分成包括多個有源柱體330之中的一個或更多個有源柱體330的第一組和與第一組不同的第二組。第一復位晶體管230可以與多個有源柱體330的第一組電耦接。第二復位晶體管240可以與多個有源柱體330的第二組電耦接。源極跟隨器晶體管250可以具有與有源柱體330的第一組電耦接的柵極。圖像傳感器的單元像素還可以包括濾色器層302，其形成在入射光被引入到光電轉換元件H)中的入射表面S3之上；以及微透鏡303，其形成在濾色器層302上。
[0085]第二實施例與第一實施例的不同之處在于，傳輸門被分離成第一傳輸門320A和第二傳輸門320B，第一傳輸門320A包括包圍有源柱體330的第一組的第一柵電極321A，第二傳輸門320B包括包圍有源柱體330的第二組的第二柵電極321B。具體地，第一傳輸門320A可以包括第一柵電極32IA和第一電荷阻擋層322A，而第二傳輸門320B可以包括第二柵電極321B和第二電荷阻擋層322B。第一柵電極321A可以在光電轉換元件H)之上，包圍多個有源柱體330之中的與第一復位晶體管230耦接的有源柱體330的第一組的所有側壁。第二柵電極321B可以包圍多個有源柱體330之中的與第二復位晶體管240耦接的有源柱體330的第二組的所有側壁。第一電荷阻擋層322A可以被插設在第一柵電極321A與光電轉換元件H)之間，以及第一柵電極321A與有源柱體330的第一組之間。第二電荷阻擋層322B可以被插設在第二柵電極32IB與光電轉換元件H)之間，以及在第二柵電極32IB與有源柱體330的第二組之間。包括被第一柵電極321A包圍的有源柱體330的第一組的傳輸晶體管Tx可以響應于第一傳輸信號TRFl而導通/關斷，以及包括被第二柵電極321B包圍的有源柱體330的第二組的傳輸晶體管Tx可以響應于第二傳輸信號TRF2而導通/關斷。第一柵電極32IA和第二柵電極32IB可以包括金屬性材料，而第一電荷阻擋層322A和第二電荷阻擋層322B可以包括絕緣材料。
[0086]根據第二實施例的圖像傳感器的單元像素防止在通過CD的傳輸晶體管Tx的關斷狀態和每個有源柱體330的溝道區331的摻雜狀態下發生泄漏電流，由此改善了圖像傳感器的SNR特性。
[0087]根據第一實施例和第二實施例的圖像傳感器可以被應用于各種電子器件。此后，參見圖7，將描述根據一個實施例的包括圖像傳感器的電子器件。圖7圖示了能夠獲取靜物圖像的數字靜物照相機。
[0088]圖7是圖示根據一個實施例的電子器件的框圖。
[0089]如圖7中所示，根據實施例的電子器件可以包括:光學透鏡410、圖像傳感器411、驅動電路412以及信號處理電路413。圖像傳感器411可以根據本發明的第一實施例和第二實施例來配置。
[0090]光學透鏡410可以將從物體入射的光聚焦到圖像傳感器411的成像表面上。因而，與光信號相對應的電荷可以被積聚在圖像傳感器411中。驅動電路412可以將傳輸操作信號供應至圖像傳感器411。圖像傳感器411的信號傳輸可以響應于從驅動電路412供應的定時信號或者驅動信號來執行。信號處理電路413可以處理各種圖像信號。經處理的圖像信號可以被儲存在諸如存儲器之類的存儲媒介中，或者被輸出至監視器。
[0091]根據本發明的實施例，由于第一傳輸單元和第二傳輸單元中的每個包括一個或更多個并聯耦接的傳輸晶體管，所以圖像傳感器可以改善由光電轉換元件產生的光電荷的傳輸效率。
[0092]此外，由于源極跟隨器晶體管與耦接至第一傳輸單元的浮置擴散節點耦接，所以可以容易地改善圖像傳感器的敏感性和SNR特性。
[0093]此外，圖像傳感器可以防止在通過CD的傳輸晶體管的關斷狀態和每個有源柱體的溝道區的摻雜狀態下發生泄漏電流，由此改善了 SNR特性。
[0094]盡管已經出于說明性的目的描述了各種實施例，但是對于本領域技術人員顯而易見的是，在不脫離所附權利要求所限定的本發明的精神和范圍的情況下，可以進行各種變化和修改。
[0095]通過本發明的實施例可以看出，本發明提供了下面技術方案:
[0096]1.一種圖像傳感器，包括:
[0097]光電轉換元件；
[0098]傳輸門，其形成在所述光電轉換元件之上；
[0099]多個有源柱體，其通過穿過所述傳輸門與所述光電轉換元件電耦接；
[0100]復位晶體管，其與所述多個有源柱體耦接；以及
[0101]源極跟隨器晶體管，其具有與所述多個有源柱體之中的一個或更多個有源柱體電耦接的柵極。
[0102]2.如技術方案I所述的圖像傳感器，還包括:
[0103]濾色器層，其形成在入射光被引入到所述光電轉換元件中的入射表面之上；以及
[0104]微透鏡，其形成在所述濾色器之上。
[0105]3.如技術方案I所述的圖像傳感器，其中，所述傳輸門包括:
[0106]柵電極，其形成在所述光電轉換元件之上；以及
[0107]電荷阻擋層，其被插設在所述柵電極與所述光電轉換元件之間，以及在所述柵電極與所述多個有源柱體之間。
[0108]4.如技術方案3所述的圖像傳感器，其中，所述柵電極包圍所述多個有源柱體的所有側壁。
[0109]5.如技術方案3所述的圖像傳感器，其中，所述柵電極包括:
[0110]第一柵電極，其包圍所述多個有源柱體的第一組的所有側壁，其中，所述第一組包括與所述源極跟隨器晶體管的柵極耦接的一個或更多個有源柱體；以及
[0111]第二柵電極，其包圍所述多個有源柱體的第二組的所有側壁，所述第二組與所述第一組不同。
[0112]6.如技術方案I所述的圖像傳感器，其中，所述傳輸門形成在與入射光被引入到所述光電轉換元件中的入射表面相對的表面之上。
[0113]7.如技術方案I所述的圖像傳感器，其中，所述復位晶體管包括:
[0114]第一復位晶體管，其與所述多個有源柱體的第一組電耦接，其中，所述第一組包括與所述源極跟隨器晶體管的柵極耦接的一個或更多個有源柱體；以及
[0115]第二復位晶體管，其與所述多個有源柱體的第二組電耦接，所述第二組與所述第一組不同。
[0116]8.如技術方案I所述的圖像傳感器，其中，所述有源柱體中的每個具有臨界尺寸，在所述臨界尺寸所述有源柱體在平衡狀態下被完全耗盡。
[0117]9.如技術方案I所述的圖像傳感器，其中，所述有源柱體中的每個包括:
[0118]溝道區，其與所述光電轉換元件耦接，并且被所述傳輸門包圍；以及
[0119]浮置擴散區，其與所述溝道區耦接，并且突出于所述傳輸門之上。
[0120]10.如技術方案9所述的圖像傳感器，其中，所述溝道區具有未摻雜狀態，在所述未摻雜狀態下所述溝道區未被摻雜有雜質。
[0121]11.如技術方案9所述的圖像傳感器，其中，所述溝道區具有摻雜狀態，在所述摻雜狀態下所述溝道區摻雜有雜質，所述溝道區具有與所述浮置擴散區相同的導電類型，以及具有比所述浮置擴散區低的雜質摻雜濃度。
[0122]12.如技術方案I所述的圖像傳感器，其中，所述光電轉換元件包括彼此垂直重疊并且具有不同的導電類型的第一雜質區和第二雜質區，以及所述第一雜質區與所述多個有源柱體電耦接。
[0123]13.一種圖像傳感器，包括:
[0124]光電轉換元件；
[0125]多個有源柱體，其形成在所述光電轉換元件之上，并且與所述光電轉換元件電耦接;
[0126]傳輸門，其形成在所述光電轉換元件之上以包圍所述多個有源柱體；
[0127]第一復位晶體管，其與所述多個有源柱體的第一組電耦接；以及
[0128]第二復位晶體管，其與所述多個有源柱體的第二組電耦接，所述第二組與所述第一組不同。
[0129]14.如技術方案13所述的圖像傳感器，還包括:
[0130]源極跟隨器晶體管，其具有與所述有源柱體的第一組電耦接的柵極。
[0131]15.如技術方案13所述的圖像傳感器，其中，所述傳輸門包括:
[0132]柵電極，其形成在所述光電轉換元件之上；以及
[0133]電荷阻擋層，其被插設在所述柵電極與所述光電轉換元件之間，以及在所述柵電極與所述多個有源柱體之間。
[0134]16.如技術方案15所述的圖像傳感器，其中，所述柵電極包圍所述多個有源柱體的所有側壁。
[0135]17.如技術方案15所述的圖像傳感器，其中，所述柵電極包括:
[0136]第一柵電極，其包圍所述多個有源柱體的第一組的所有側壁；以及
[0137]第二柵電極，其包圍所述多個有源柱體的第二組的所有側壁。
[0138]18.如技術方案13所述的圖像傳感器，其中，所述傳輸門形成在與入射光被引入到所述光電轉換元件中的入射表面相對的表面之上。
[0139]19.如技術方案13所述的圖像傳感器，其中，所述多個有源柱體中的每個具有臨界尺寸，在所述臨界尺寸所述有源柱體在平衡狀態下被完全耗盡。
[0140]20.如技術方案13所述的圖像傳感器，其中，所述多個有源柱體中的每個包括:
[0141]溝道區，其與所述光電轉換元件耦接，并且被所述傳輸門包圍；以及
[0142]浮置擴散區，其與所述溝道區耦接，并且突出于所述傳輸門之上。
[0143]21.如技術方案20所述的圖像傳感器，其中，所述溝道區具有未摻雜狀態，在所述未摻雜狀態下所述溝道區未被摻雜有雜質。
[0144]22.如技術方案20所述的圖像傳感器，其中，所述溝道區具有摻雜狀態，在所述摻雜狀態下所述溝道區摻雜有雜質，所述溝道區具有與所述浮置擴散區相同的導電性，以及具有比所述浮置擴散區低的雜質摻雜濃度。
[0145]23.如技術方案13所述的圖像傳感器，其中，所述光電轉換元件包括彼此垂直重疊并且具有不同的導電類型的第一雜質區和第二雜質區，以及所述第一雜質區與所述多個有源柱體電耦接。
[0146]24.一種圖像傳感器，包括:
[0147]光電轉換元件；
[0148]第一傳輸單元和第二傳輸單元，其共享所述光電轉換元件，并且每個包括并聯耦接的一個或更多個傳輸晶體管；
[0149]第一復位晶體管，其與所述第一傳輸單元耦接；
[0150]源極跟隨器晶體管，其具有與所述第一傳輸單元和所述第一復位晶體管之間的浮置擴散節點耦接的柵極；以及
[0151]第二復位晶體管，其與所述第二傳輸單元耦接。
[0152]25.如技術方案24所述的圖像傳感器，其中，所述第一傳輸單元和所述第二傳輸單元響應于相同的傳輸信號而導通/關斷，以及所述第一復位晶體管和所述第二復位晶體管響應于相同的復位信號而導通/關斷。
[0153]26.如技術方案24所述的圖像傳感器，其中，所述第一傳輸單元和所述第二傳輸單元響應于不同的傳輸信號而導通/關斷，以及所述第一復位晶體管和所述第二復位晶體管響應于相同的復位信號而導通/關斷。
[0154]27.—種電子器件，包括:
[0155]光學透鏡；
[0156]圖像傳感器，其具有多個單元像素；以及
[0157]信號處理電路，其適于處理來自所述圖像傳感器的輸出信號，
[0158]其中，所述多個單元像素中的每個包括:
[0159]光電轉換元件；
[0160]傳輸門，其形成在所述光電轉換元件之上；
[0161]多個有源柱體，其通過穿過所述傳輸門與所述光電轉換元件電耦接；
[0162]復位晶體管，其與所述多個有源柱體耦接；以及
[0163]源極跟隨器晶體管，其具有與所述多個有源柱體之中的一個或更多個有源柱體電耦接的柵極。
【主權項】
1.一種圖像傳感器，包括: 光電轉換元件； 傳輸門，其形成在所述光電轉換元件之上； 多個有源柱體，其通過穿過所述傳輸門與所述光電轉換元件電耦接； 復位晶體管，其與所述多個有源柱體耦接；以及 源極跟隨器晶體管，其具有與所述多個有源柱體之中的一個或更多個有源柱體電耦接的柵極。2.如權利要求1所述的圖像傳感器，還包括: 濾色器層，其形成在入射光被引入到所述光電轉換元件中的入射表面之上；以及 微透鏡，其形成在所述濾色器之上。3.如權利要求1所述的圖像傳感器，其中，所述傳輸門包括: 柵電極，其形成在所述光電轉換元件之上；以及 電荷阻擋層，其被插設在所述柵電極與所述光電轉換元件之間，以及在所述柵電極與所述多個有源柱體之間。4.如權利要求3所述的圖像傳感器，其中，所述柵電極包圍所述多個有源柱體的所有側壁。5.如權利要求3所述的圖像傳感器，其中，所述柵電極包括: 第一柵電極，其包圍所述多個有源柱體的第一組的所有側壁，其中，所述第一組包括與所述源極跟隨器晶體管的柵極耦接的一個或更多個有源柱體；以及 第二柵電極，其包圍所述多個有源柱體的第二組的所有側壁，所述第二組與所述第一組不同。6.如權利要求1所述的圖像傳感器，其中，所述傳輸門形成在與入射光被引入到所述光電轉換元件中的入射表面相對的表面之上。7.如權利要求1所述的圖像傳感器，其中，所述復位晶體管包括: 第一復位晶體管，其與所述多個有源柱體的第一組電耦接，其中，所述第一組包括與所述源極跟隨器晶體管的柵極耦接的一個或更多個有源柱體；以及 第二復位晶體管，其與所述多個有源柱體的第二組電耦接，所述第二組與所述第一組不同。8.一種圖像傳感器，包括: 光電轉換元件； 多個有源柱體，其形成在所述光電轉換元件之上，并且與所述光電轉換元件電耦接； 傳輸門，其形成在所述光電轉換元件之上以包圍所述多個有源柱體； 第一復位晶體管，其與所述多個有源柱體的第一組電耦接；以及第二復位晶體管，其與所述多個有源柱體的第二組電耦接，所述第二組與所述第一組不同。9.一種圖像傳感器，包括: 光電轉換元件； 第一傳輸單元和第二傳輸單元，其共享所述光電轉換元件，并且每個包括并聯耦接的一個或更多個傳輸晶體管； 第一復位晶體管，其與所述第一傳輸單元耦接； 源極跟隨器晶體管，其具有與所述第一傳輸單元和所述第一復位晶體管之間的浮置擴散節點耦接的柵極；以及 第二復位晶體管，其與所述第二傳輸單元耦接。10.一種電子器件，包括: 光學透鏡； 圖像傳感器，其具有多個單元像素；以及 信號處理電路，其適于處理來自所述圖像傳感器的輸出信號， 其中，所述多個單元像素中的每個包括: 光電轉換元件； 傳輸門，其形成在所述光電轉換元件之上； 多個有源柱體，其通過穿過所述傳輸門與所述光電轉換元件電耦接； 復位晶體管，其與所述多個有源柱體耦接；以及 源極跟隨器晶體管，其具有與所述多個有源柱體之中的一個或更多個有源柱體電耦接的柵極。
【文檔編號】H01L27/146GK106033762SQ201510106786
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月11日
【發明人】吳東姸
【申請人】愛思開海力士有限公司