具有光学隔离的存储晶体管的制作方法
【专利摘要】本申请案涉及一种具有光学隔离的存储晶体管。具有存储区的存储晶体管安置在半导体材料中。栅电极在夹层的底侧中接近所述存储区而安置，且电介质层安置在所述存储区与所述栅电极之间。光学隔离结构安置在所述夹层中且所述光学隔离结构从所述夹层的顶侧延伸到所述栅电极。所述光学隔离结构还邻接所述栅电极的周边且接触所述栅电极。封盖层接近所述夹层的所述顶侧而安置，且所述封盖层封盖由所述光学隔离结构环绕的体积。
【专利说明】
具有光学隔离的存储晶体管
技术领域
[0001]本发明总体上涉及半导体装置。更具体来说，本发明的实例涉及具有全局快门的图像传感器像素单元。
【背景技术】
[0002]对于高速图像传感器，全局快门可用于捕获快速移动的对象。全局快门通常使得图像传感器中的所有像素单元能够同时捕获图像。对于较慢的移动对象，使用更常见的滚动快门。滚动快门通常依次捕获图像。例如，二维(“2D”)像素单元阵列内的每一行可循序启用，使得单一行内的每一像素单元同时捕获图像，但每一行以滚动顺序启用。因而，像素单元的每一行在不同的图像获取窗口期间捕获图像。对于缓慢的移动对象，每一行之间的时间差可产生图像失真。对快速移动的对象，滚动快门可引起沿着对象的移动轴的可感知延长失真。
[0003]为实施全局快门，存储电容器或存储晶体管可用于在等待来自像素单元阵列的读出的同时暂时存储由阵列中的每一像素单元获取的图像电荷。当使用全局快门时，转移晶体管通常用于将图像电荷从光电二极管转移到存储晶体管，且接着使用输出晶体管将所存储图像电荷从存储晶体管转移到像素单元的读出节点。影响具有全局快门的图像传感器像素单元中的性能的因素包含全局快门效率、暗电流、白色像素和图像滞后。一般来说，全局快门像素性能随着全局快门效率的提高而提高。全局快门效率为信号电荷可存储在存储节点中而不被寄生光和/或电串扰污染的良好程度的测量标准。
【发明内容】
[0004]—方面，本申请案涉及一种存储晶体管。所述存储晶体管包括:存储区，其安置在半导体材料中；栅电极，其在夹层的底侧中接近所述存储区而安置；电介质层，其安置在所述存储区与所述栅电极之间;光学隔离结构，其安置在所述夹层中，其中所述光学隔离结构从所述夹层的顶侧延伸到所述栅电极，且其中所述光学隔离结构邻接所述栅电极的周边且接触所述栅电极;及封盖层，其接近所述夹层的所述顶侧而安置，其中所述封盖层封盖由所述光学隔离结构环绕的体积。
[0005]另一方面，本申请案涉及一种存储晶体管。所述存储晶体管包括:存储区，其安置在半导体材料中；电介质层，其安置在所述半导体材料上;栅电极，其接近所述存储区而安置，其中所述电介质层安置在所述半导体材料与所述栅电极之间；夹层，其安置在所述栅电极上，其中所述栅电极安置在所述电介质层与所述夹层之间;光学隔离结构，其安置在所述夹层中且邻接所述栅电极的周边;及封盖层，其在所述夹层中安置成与所述光学隔离结构接触以防止入射光到达所述存储区。
[0006]又一方面，本申请案涉及一种成像系统。所述成像系统包括:像素阵列，其中所述像素阵列中的每一像素包含:光电二极管，其安置在半导体材料中以响应于引导到所述光电二极管的入射光积累图像电荷;及存储晶体管，其经耦合以从所述光电二极管接收所述图像电荷。所述存储晶体管包含:存储区，其安置在所述半导体材料中；栅电极，其在夹层的底侧中接近所述存储区而安置;电介质层，其安置在所述存储区与所述栅电极之间;光学隔离结构，其安置在所述夹层中，其中所述光学隔离结构从所述夹层的顶侧延伸到所述栅电极，且其中所述光学隔离结构邻接所述栅电极的周边;及封盖层，其接近所述夹层的所述顶侧而安置，其中所述封盖层封盖由所述光学隔离结构环绕的体积。
【附图说明】
[0007]参看以下图式描述本发明的非限制性且非详尽的实例，图式中除非另有说明，否则在各个视图中相同参考数字均指代相同部件。
[0008]图1A为说明根据本发明的教示的存储晶体管的俯视图的一个实例的示意图。
[0009]图1B为说明根据本发明的教示的沿线A-A’切割的图1A中的实例存储晶体管横截面视图。
[0010]图2为说明根据本发明的教示的说明包含存储晶体管的像素单元的一个实例的示意图。
[0011]图3为说明根据本发明的教示的包含像素阵列的成像系统的一个实例的图式，所述像素阵列具有包含存储晶体管的像素单元。
[0012]技术人员将理解，为了简明清晰而说明图中的元件，且所述元件不一定按比例绘制。举例来说，图中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件有所夸示，以帮助提高对本发明的各个实施例的理解。而且，往往未描述对于在商业上可行的实施例有用或必需的常见但好理解的元件以便于对本发明的这些各种实施例的受到较少阻碍的查看。
【具体实施方式】
[0013]如将展示，揭示针对具有光学隔离的存储晶体管的方法和设备。在以下描述中，陈述许多特定细节以提供对本发明的彻底理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，可在没有所述具体细节中的一或多者的情况下实施或以其它方法、组件、材料等等实践本文中描述的技术。在其它实例中，未展示或详细描述众所周知的结构、材料或操作以避免模糊某些方面。
[0014]贯穿本说明书对“一个实施例”、“实施例”、“一个实例”或“实例”的引用意指结合所述实施例或实例而描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的各种地方出现短语例如“在一个实施例中”或“在一个实例中”不一定都指代同一实施例或实例。此外，特定特征、结构或特性可在一或多个实施例或实例中以任何合适方式组合。
[0015]如将展示，揭示包含由光学隔离结构和封盖层环绕的存储晶体管的全局快门像素单元。光学隔离结构和封盖层隔离存储晶体管与进入存储晶体管的寄生入射光。存储晶体管对入射光的吸收使图像质量降级，这是因为非所要空穴-电子对使存储在存储晶体管中的图像电荷受污染。因此，通过添加光学隔离结构，提高了全局快门效率，这是因为存储在存储晶体管中的图像电荷保持未被非所要光子污染。
[0016]图1A为说明存储晶体管101的俯视图的一个实例的示意图。包含夹层111、封盖层117和光学隔离结构113。在所描绘的实例中，光学隔离结构113环绕栅电极(例如，栅电极109)的周边。衬里层115安置在夹层111与光学隔离结构113之间。此外，电接触件127描绘为连接到封盖层117。在一个实例中，封盖层117和电接触件127可包含金属。
[0017]图1B为如沿着线A-A’切割的说明图1A中的实例存储晶体管101的横截面图。在一个实例中，存储晶体管101包含安置在半导体材料103中的存储区105、安置在夹层111的底侦打23中的栅电极109、安置在存储区105和栅电极109之间的电介质层107、安置在夹层111中的光学隔离结构113以及接近夹层111的顶侧121安置的封盖层117。在所描绘的实例中，光学隔离结构113从夹层111的顶侧121延伸到栅电极109，且光学隔离结构113邻接栅电极109的周边且接触栅电极109。此外，封盖层117封盖由光学隔离结构113环绕的体积。在一个实例中，光学隔离结构113电耦合到栅电极109，且光学隔离结构113电耦合到封盖层117。在另一或同一实例中，封盖层117经由电接触件127电耦合到栅电极109。
[0018]在一个实例中，光学隔离层113和封盖层117屏蔽栅电极109并防止入射光到达存储晶体管101—且由存储晶体管101吸收。如图1B中描绘的实例中展示，根据本发明的教示，入射在光学隔离结构113上的入射光被反射而非行进到存储晶体管101。如果入射光将达到存储晶体管101，那么其可被半导体材料103吸收从而导致空穴-电子对的形成。这些空穴-电子对可更改保存在存储晶体管101中的图像电荷，从而导致具有增加的噪声或其它形式的电子降级的图像。
[0019]在一个实例中，光学隔离结构113包括钨。然而，在另一或同一实例中，光学隔离结构113可包含其它金属和/或二元/三元合金。此外，衬里层115可安置在夹层111与光学隔离结构113之间。衬里层115可包含钛、氮和/或两者的合金。然而，衬里层115也可由其它金属和/或二元/三元合金组成。
[0020]在一个实例中，光学隔离结构113在存储区105、电介质层107和栅电极109已全部形成在半导体材料103中/上之后形成。一旦装置架构的上述层处在适当位置中，就沉积夹层111。在沉积夹层111之后，对夹层111进行蚀刻(湿式或干式)以产生环绕且接触栅电极109的沟槽。接着以衬里层115给沟槽加衬里。在一个实例中，衬里层115经由热蒸发、化学气相沉积或原子层沉积而沉积。在沉积衬里层115之后，可通过将例如钨的材料沉积在沟槽中来形成光学隔离结构113，使得衬里层115安置在光学隔离结构113与夹层111之间。在另一实例中，其它氧化物、半导体和/或金属可用于形成光学隔离结构113。可经由化学机械抛光从夹层111的前侧121移除过量光学隔离结构113。一旦夹层111的表面不含过量光学隔离结构113，就可沉积封盖层117。
[0021]应了解，存储晶体管101可包含未在图1A和图1B中描绘的其它元件。在一个实例中，存储晶体管101还可包含安置在半导体材料103中的一或多个额外隔离结构，以隔离存储区105使其免受电子干扰且防止入射光到达存储区105。这些隔离结构可在半导体材料103中接近存储晶体管101而沉积，以隔离存储区105的侧壁与寄生入射光和/或半导体材料103中的杂散电荷。在另一或同一实例中，任选间隔区106可安置在栅电极109与光学隔离结构113之间。间隔区106可由例如半导体氧化物、半导体氮化物、金属氧化物或类似物组成。在一个实例中，间隔区106可为氮化硅。在另一实例中，间隔区106可为氧化硅。
[0022]图2为说明包含存储晶体管201的像素单元200的一个实例的示意图。如所描绘的实例中展示，像素单元200还包含全局快门晶体管203、光电二极管205、转移晶体管207、输出晶体管209、浮动扩散部215、复位晶体管217、放大器晶体管221和耦合到位线223的行选择晶体管219。在一个实例中，放大器晶体管221以源极跟随器耦合晶体管实施。如所描绘的实例中展不，全局快门晶体管203親合在Vgs电压与光电二极管205之间。
[0023]在操作中，图像电荷在入射光进入光电二极管205时在光电二极管205中积累且被转换成空穴-电子对。全局快门晶体管203经耦合以通过响应于全局快门信号GS选择性地将光电二极管205耦合到电压Vgs来选择性地耗尽已积累在光电二极管205中的图像电荷。替代地，可通过转移晶体管207将积累在光电二极管205中的图像电荷转移到存储晶体管201以读出为图像数据。转移晶体管207可耦合在光电二极管205与存储晶体管201之间以将图像电荷选择性地从光电二极管205转移到存储晶体管201。
[0024]在所描绘的实例中，存储晶体管201说明为使用光学隔离结构220隔离。在一个实例中，根据本发明的教示，光学隔离结构220帮助防止入射光到达存储晶体管201。
[0025]图2中的实例还说明输出晶体管209耦合到存储晶体管201的输出以将图像电荷选择性地从存储晶体管201转移到浮动扩散部215 ο复位晶体管217耦合在复位电压Vreset与浮动扩散部215之间以响应于复位信号RST选择性地复位浮动扩散部215中的电荷。在所描绘的实例中，放大器晶体管221包含耦合到浮动扩散部215的放大器栅极以将浮动扩散部215上的信号放大以输出来自像素单元200的图像数据。行选择晶体管219耦合在位线223与放大器晶体管221之间以将图像数据输出到位线223。
[0026]在一个实例中，多个光电二极管可共享同一浮动扩散部。在此实例中，每一光电二极管可具有其自身的快门晶体管、转移晶体管和输出晶体管。可通过将电压施加到每一转移晶体管的栅极而将电荷按顺序或同时从多个光电二极管转移到其相应存储晶体管。类似地，可通过将电压施加到每一输出晶体管的栅极而将电荷按顺序或同时从个别存储晶体管转移到共享浮动扩散部。
[0027]图3为说明包含像素阵列301的成像系统300的一个实例的图式，像素阵列301具有包含存储晶体管的像素单元(例如，像素单元200)。在像素阵列301中，像素阵列301中的每一像素(例如，像素P1、P2……Pn)包含安置在半导体材料(例如，半导体材料103)中的光电二极管(例如，光电二极管205)和经耦合以从光电二极管接收图像电荷的存储晶体管(例如，存储晶体管201)。如所描绘的实例中所展示，图像传感器300还可包含读出电路307、功能逻辑305和控制电路303。在一个实例中，像素阵列301为包含行(例如，行Rl到Ry)和列(例如，列Cl到Cx)的个别像素(例如，像素Pl、P2……Pn)的二维(2D)阵列。在一个实例中，应了解，像素P1、P2……Pn可为如在图2中论述的个别像素单元(例如，像素单元200)的实例。像素阵列301可用于获取人员、地点、对象等等的图像数据，其接着可用于呈现所述人员、地点、对象等等的2D图像。在一个实例中，在像素阵列301中的每一图像传感器像素已获取其图像数据或图像电荷之后，图像电荷接着由读出电路307读出且被转移到功能逻辑305。在一个实例中，读出电路307经耦合以从浮动扩散部(例如，浮动扩散部215)读出图像电荷，且功能逻辑305耦合到读出电路307以对图像电荷执行逻辑操作。
[0028]在各个实施例中，读出电路307可包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它电路。功能逻辑305可简单地存储图像数据或甚至可通过施加后期图像效果(例如，剪裁、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵图像数据。在一个实例中，读出电路307可沿读出列线一次读出一行图像数据(已说明)或可使用各种其它技术读出图像数据(未说明)，例如，串行读出或同时完全并行读出全部像素。
[0029]在一个实例中，控制电路303经耦合以控制像素阵列301中的像素(例如，Pl、P2、P3等等)的操作。例如，控制电路303可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中，所述快门信号为全局快门信号，其用于同时使像素阵列301中的全部像素能够在单一获取窗口期间同时获取其相应图像数据。在另一实例中，所述快门信号为滚动快门信号，使得像素的每一行、列或组在连续捕获窗口期间被循序地启用。在另一实例中，图像获取与例如闪光的照明效果同步。
[0030]在一个实例中，成像系统300可包含在数码相机、蜂窝电话、膝上型计算机或类似者中。此外，成像系统300可耦合到其它硬件元件，例如处理器、存储器元件、输出(USB端口、无线发射器、HDMI端口等等)、照明/闪光、电输入(键盘、触摸显示器、跟踪垫、鼠标、麦克风等等)和/或显示器。硬件的其它元件可将指令递送到成像系统300、从成像系统300提取图像数据或操纵由成像系统300供应的图像数据。
[0031]本发明的所说明实例的以上描述(包含摘要中描述的内容)并不希望为详尽或被限制为所揭示的精确形式。虽然出于说明目的而在本文描述了本发明的特定实施例及实例，但在不脱离本发明的较广精神及范围的情况下，各种等效修改是可能的。实际上，应了解，根据本发明的教示，出于解释目的提供特定实例结构、材料、使用情形等等且还可在其它实施例和实例中采用替代。
[0032]鉴于以上详细描述，可对本发明的实例做出这些修改。在所附权利要求书中使用的术语不应理解为将本发明限制为说明书及权利要求书中所揭示的特定实施例。而是，所述范围完全由所附权利要求书确定，所述权利要求书将根据权利要求阐释的已确立的原则来解释。本说明书及图因此被认为是说明性而不是限制性的。
【主权项】
1.一种存储晶体管，其包括: 存储区，其安置在半导体材料中； 栅电极，其在夹层的底侧中接近所述存储区而安置； 电介质层，其安置在所述存储区与所述栅电极之间； 光学隔离结构，其安置在所述夹层中，其中所述光学隔离结构从所述夹层的顶侧延伸到所述栅电极，且其中所述光学隔离结构邻接所述栅电极的周边且接触所述栅电极;及封盖层，其接近所述夹层的所述顶侧而安置，其中所述封盖层封盖由所述光学隔离结构环绕的体积。2.根据权利要求1所述的存储晶体管，其中所述光学隔离结构电耦合到所述栅电极，且其中所述光学隔离结构电耦合到所述封盖层。3.根据权利要求1所述的存储晶体管，其中所述封盖层经由电接触件电耦合到所述栅电极。4.根据权利要求1所述的存储晶体管，其中所述光学隔离结构包括钨。5.根据权利要求1所述的存储晶体管，其进一步包括安置在所述夹层与所述光学隔离结构之间的衬里层。6.根据权利要求5所述的存储晶体管，其中所述衬里层包含钛。7.根据权利要求5所述的存储晶体管，其中所述衬里层包含金属氮化物。8.一种存储晶体管，其包括: 存储区，其安置在半导体材料中； 电介质层，其安置在所述半导体材料上； 栅电极，其接近所述存储区而安置，其中所述电介质层安置在所述半导体材料与所述栅电极之间； 夹层，其安置在所述栅电极上，其中所述栅电极安置在所述电介质层与所述夹层之间； 光学隔离结构，其安置在所述夹层中且邻接所述栅电极的周边;及 封盖层，其在所述夹层中安置成与所述光学隔离结构接触以防止入射光到达所述存储区。9.根据权利要求8所述的存储晶体管，其中所述光学隔离结构电耦合到所述栅电极，且其中所述光学隔离结构电耦合到所述封盖层。10.根据权利要求8所述的存储晶体管，其中所述封盖层经由电接触件电耦合到所述栅电极。11.根据权利要求8所述的存储晶体管，其中所述封盖层包括金属。12.根据权利要求8所述的存储晶体管，其中所述光学隔离结构和所述封盖层屏蔽所述栅电极且防止所述入射光到达所述存储区。13.根据权利要求8所述的存储晶体管，其中所述夹层安置在所述栅电极与所述封盖层之间。14.一种成像系统，其包括: 像素阵列，其中所述像素阵列中的每一像素包含: 光电二极管，其安置在半导体材料中以响应于引导到所述光电二极管的入射光积累图像电荷;及 存储晶体管，其经耦合以从所述光电二极管接收所述图像电荷，其中所述存储晶体管包含: 存储区，其安置在所述半导体材料中； 栅电极，其在夹层的底侧中接近所述存储区而安置； 电介质层，其安置在所述存储区与所述栅电极之间； 光学隔离结构，其安置在所述夹层中，其中所述光学隔离结构从所述夹层的顶侧延伸到所述栅电极，且其中所述光学隔离结构邻接所述栅电极的周边;及 封盖层，其接近所述夹层的所述顶侧而安置，其中所述封盖层封盖由所述光学隔离结构环绕的体积。15.根据权利要求14所述的成像系统，其进一步包括耦合在所述光电二极管与所述存储晶体管之间的转移晶体管以将所述图像电荷选择性地从所述光电二极管转移到所述存储晶体管。16.根据权利要求14所述的成像系统，其进一步包括经耦合以从所述光电二极管选择性地耗尽所述图像电荷的全局快门晶体管。17.根据权利要求14所述的成像系统，其进一步包括耦合到所述存储晶体管以将所述图像电荷选择性地从所述存储晶体管转移到浮动扩散部的输出晶体管。18.根据权利要求17所述的成像系统，其进一步包括: 读出电路，其经耦合以从所述浮动扩散部读出所述图像电荷；以及 功能逻辑，其耦合到所述读出电路以对所述图像电荷执行逻辑操作。19.根据权利要求14所述的成像系统，其进一步包括控制电路以控制所述像素阵列中的所述像素的操作。20.根据权利要求14所述的成像系统，其进一步包括安置所述栅电极与所述光学隔离结构之间的间隔区。
【文档编号】H01L27/146GK105826337SQ201610034321
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年1月19日
【发明人】郑源伟, 伊贤敏, 陈刚, 杜利·毛, 戴森·H·戴
【申请人】全视科技有限公司