图像传感器和电子器件的制作方法
【专利摘要】一种图像传感器可以包括：光电转换元件；传输门，其形成在光电转换元件之上；多个有源柱体，其通过穿过传输门与光电转换元件电耦接；复位晶体管，其与多个有源柱体耦接；以及源极跟随器晶体管，其具有与多个有源柱体之中的一个或更多个有源柱体电耦接的栅极。
【专利说明】图像传感器和电子器件
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求名称为“IMAGESENSOR HAVING VERTICAL TRANSFER GATE ANDELECTRONIC DEVICE HAVING THE SAME (具有垂直传输门的图像传感器和具有所述图像传感器的电子器件)”，并且于2014年11月21日提交的申请号为10-2014-0163321的韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003]本发明的示例性实施例涉及一种半导体器件制造技术，且更具体而言，涉及一种具有垂直传输门的图像传感器和具有所述图像传感器的电子器件。
【背景技术】
[0004]图像传感器是一种将光学图像转换成电信号的器件。近来，随着计算机产业和通信产业的发展，在各种领域对具有改善性能的图像传感器的需求已经增加，各种领域诸如数码照相机、便携式摄像机、个人通信系统(PCS)、游戏机、监控摄像机、医疗微型摄像机以及机器人。
【发明内容】
[0005]各种实施例针对一种具有改善性能的图像传感器以及一种具有所述图像传感器的电子器件。
[0006]在一个实施例中，一种图像传感器可以包括:光电转换元件；传输门，其形成在光电转换元件之上；多个有源柱体，其通过穿过传输门与光电转换元件电耦接；复位晶体管，其与多个有源柱体耦接；以及源极跟随器晶体管，其具有与多个有源柱体之中的一个或更多个有源柱体电耦接的栅极。图像传感器还可以包括:滤色器层，其形成在入射光被引入到光电转换元件中的入射表面之上；以及微透镜，其形成在滤色器之上。
[0007]传输门可以包括:栅电极，其形成在光电转换元件之上；以及电荷阻挡层，其被插设在栅电极与光电转换元件之间，以及在栅电极与多个有源柱体之间。栅电极可以包围多个有源柱体的所有侧壁。此外，栅电极可以包括:第一栅电极，其包围多个有源柱体的第一组的所有侧壁，其中，第一组包括与源极跟随器晶体管的栅极耦接的一个或更多个有源柱体；以及第二栅电极，其包围多个有源柱体的第二组的所有侧壁，所述第二组与第一组不同。传输门可以形成在与入射光被引入到光电转换元件中的入射表面相对的表面之上。
[0008]复位晶体管可以包括:第一复位晶体管，其与多个有源柱体的第一组电耦接，其中，第一组包括与源极跟随器晶体管的栅极耦接的一个或更多个有源柱体；以及第二复位晶体管，其与多个有源柱体的第二组电耦接，第二组与第一组不同。
[0009]有源柱体中的每个可以具有有源柱体在平衡状态下被完全耗尽的临界尺寸。有源柱体中的每个可以包括:沟道区，其与光电转换元件耦接，并且被传输门包围；以及浮置扩散区，其与沟道区耦接，并且突出于传输门之上。此外，沟道区可以具有未掺杂状态，在未掺杂状态下沟道区未被掺杂有杂质。此外，沟道区可以具有掺杂状态，在掺杂状态下沟道区掺杂有杂质，沟道区具有与浮置扩散区相同的导电类型，以及具有比浮置扩散区低的杂质掺杂浓度。
[0010]光电转换元件可以包括彼此垂直重叠并且具有不同的导电类型的第一杂质区和第二杂质区，以及第一杂质区可以与多个有源柱体电耦接。
[0011]在一个实施例中，一种图像传感器可以包括:光电转换元件；多个有源柱体，其形成在光电转换元件之上，并且与光电转换元件电耦接；传输门，其形成在光电转换元件之上以包围多个有源柱体；第一复位晶体管，其与多个有源柱体的第一组电耦接；以及第二复位晶体管，其与多个有源柱体的第二组电耦接，第二组与第一组不同。所述图像传感器还可以包括:源极跟随器晶体管，其具有与有源柱体的第一组电耦接的栅极。
[0012]传输门可以包括:栅电极，其形成在光电转换元件之上；以及电荷阻挡层，其被插设在栅电极与光电转换元件之间，以及在栅电极与多个有源柱体之间。栅电极可以包围多个有源柱体的所有侧壁。此外，栅电极可以包括:第一栅电极，其包围多个有源柱体的第一组的所有侧壁；以及第二栅电极，其包围多个有源柱体的第二组的所有侧壁。传输门可以形成在与入射光被引入到光电转换元件中的入射表面相对的表面之上。
[0013]多个有源柱体中的每个可以具有有源柱体在平衡状态下完全耗尽的临界尺寸。多个有源柱体中的每个可以包括:沟道区，其与光电转换元件耦接，并且被传输门包围；以及浮置扩散区，其与沟道区耦接，以及突出于传输门之上。沟道区可以具有未掺杂状态，在未掺杂状态下沟道区未被掺杂有杂质。沟道区可以具有掺杂状态，在掺杂状态下沟道区掺杂有杂质，沟道区具有与浮置扩散区相同的导电性，以及具有比浮置扩散区低的杂质掺杂浓度。
[0014]光电转换元件可以包括彼此垂直重叠并且具有不同的导电类型的第一杂质区和第二杂质区，以及第一杂质区可以与多个有源柱体电耦接。
[0015]在一个实施例中，一种图像传感器可以包括:光电转换元件；第一传输单元和第二传输单元，其共享光电转换元件，并且每个包括并联耦接的一个或更多个传输晶体管；第一复位晶体管，其与第一传输单元耦接；源极跟随器晶体管，其具有与第一传输单元和第一复位晶体管之间的浮置扩散节点耦接的栅极；以及第二复位晶体管，其与第二传输单元耦接。
[0016]第一传输单元和第二传输单元可以响应于相同的传输信号而导通/关断，以及第一复位晶体管和第二复位晶体管可以响应于相同的复位信号而导通/关断。
[0017]第一传输单元和第二传输单元响应于不同的传输信号而导通/关断，而第一复位晶体管和第二复位晶体管可以响应于相同的复位信号而导通/关断。
[0018]在一个实施例中，一种电子器件可以包括:光学透镜；图像传感器，其具有多个单元像素；以及信号处理电路，其适于处理来自图像传感器的输出信号。多个单元像素中的每个可以包括:光电转换元件；传输门，其形成在光电转换元件之上；多个有源柱体，其通过穿过传输门与光电转换元件电耦接；复位晶体管，其与多个有源柱体耦接；以及源极跟随器晶体管，其具有与多个有源柱体之中的一个或更多个有源柱体电耦接的栅极。
【附图说明】
[0019]图1是图示根据本发明的一个实施例的包括单元像素的图像传感器的框图。
[0020]图2是图示根据第一实施例的图像传感器的单元像素的等同电路图。
[0021]图3A是图示根据本发明的第一实施例的图像传感器的单元像素的立体图。
[0022]图3B是图示根据本发明的图像传感器的单元像素的立体图。
[0023]图4A至图4F是图示对于在根据第一实施例的图像传感器的单元像素中的多个有源柱体的形状的修改的平面图。
[0024]图5是图示根据第二实施例的图像传感器的单元像素的等同电路图。
[0025]图6是图示根据第二实施例的图像传感器的单元像素的立体图。
[0026]图7是图示根据一个实施例的电子器件的框图。
【具体实施方式】
[0027]以下将参照附图更详细地描述各种实施例。然而，本发明可以用不同的方式实施，而不应解释为限制于本文所列的实施例。确切地说，提供这些实施例使得本公开充分与完整，并向本领域技术人员充分传达本发明的范围。在本公开中，相同的附图标记在本发明的不同附图和实施例中表示相似的部分。
[0028]附图不一定按比例绘制，并且在某些情况下，可以夸大比例以清楚地示出实施例的特征。当第一层被称作在第二层“上”或在衬底“上”时，它不仅指的是第一层直接形成在第二层上或在衬底上的情况，还指的是在第一层与第二层之间或在第一层与衬底之间存在第三层的情况。
[0029]将光学图像转换成电信号的图像传感器可以被分成电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器(CIS)。CMOS图像传感器(CIS)由于其简单的驱动方法和与CMOS处理技术的兼容性的原因可以降低制造成本。因而，CIS将被作为一个实例用于描述以下实施例。CIS可以将由光电转换元件产生的光电荷，经由传输晶体管传送至浮置扩散区。传输晶体管可以包括沟道区，沟道区掺杂有预定的杂质，以便提高传输门的门可控性或者导通/关断特性。由于NMOS晶体管通常用作传输晶体管，所以传输晶体管的沟道区可以掺杂有P型杂质。
[0030]近来，已经提出了垂直传输门，以进一步地提高传输晶体管的门可控性或者导通/关断特性。为了实施垂直传输门，沟道区必然具有垂直结构。因而，随着单元像素尺寸的减小，用于用杂质掺杂沟道区的掺杂工艺变得更加复杂，并且降低了生产率。此外，掺杂杂质的随机掺杂波动(RDF)可能强烈，以增加信噪比(SNR)。此外，具有垂直传输门的传输晶体管可以减小浮置扩散区的面积(或者容量)，由此进一步增加了 SNR。
[0031]因而，本发明的以下实施例可以防止具有垂直传输门的图像传感器的SNR增加，并且提供具有改善性能的图像传感器以及具有所述图像传感器的电子器件。
[0032]图1是图示根据本发明的一个实施例的包括单元像素的图像传感器的框图。
[0033]如图1中所示，根据本发明的实施例的图像传感器可以包括像素阵列110和信号处理器120。像素阵列110可以响应于入射光来产生电信号。像素阵列110可以包括被二维布置成矩阵形状的多个单元像素100。以下将描述单元像素100的物理结构和电路结构。
[0034]信号处理器120可以通过处理从像素阵列110产生的电信号来产生图像数据。信号处理器120可以包括:行驱动器121、相关耦合采样器(⑶S) 122、模数转换器(ADC) 123以及定时控制器129。
[0035]行驱动器121可以与像素阵列110的每个行耦接，并且产生用于驱动每个行的驱动信号。例如，行驱动器121可以基于行来驱动包括在像素阵列110中的多个单元像素100。
[0036]⑶S 122可以通过使用电容器、开关等计算参考电压与输出电压之间的差来执行相关双采样，参考电压指示单元像素100的复位状态，输出电压指示与入射光相对应的信号分量，以及CDS 122可以输出与有效信号分量相对应的模拟采样信号。CDS 122可以包括多个CDS电路，每个CDS电路与像素阵列110的列线中相应的一个耦接，并且输出与在每个列的有效信号分量相对应的模拟采样信号。
[0037]ADC 123可以将与有效信号分量相对应的模拟采样信号转换成数字图像信号。ADC123可以包括参考信号发生器124、比较器125、计数器126和缓冲器127。参考信号发生器124可以产生具有恒定斜率的斜坡信号，并且将斜坡信号作为参考信号提供至比较器125。比较器125可以将在相应的列从⑶S 122输出的模拟米样信号与从参考信号发生器124产生的斜坡信号进行比较，以及基于有效信号分量输出具有转换时间的比较信号。计数器126可以通过执行计数操作来产生计数信号，并且将计数信号提供至缓冲器127。缓冲器127可以包括与相应的列线耦接的多个锁存器电路，响应于相应的比较信号的转换时间来在相应的列锁存从计数器126输出的计数信号，以及将锁存的计数信号作为数字图像数据输出。
[0038]根据一个实施例，ADC 123还可以包括加法器电路，加法器电路被配置成接收从⑶S 122输出的模拟采样信号。缓冲器127还可以包括多个信号线缓冲器。
[0039]定时控制器129可以控制行驱动器121、⑶S 122和ADC 123的操作定时。定时控制器129可以将定时信号和控制信号提供至行驱动器121、⑶S 122和ADC 123。
[0040]参见图1，描述了图像传感器执行模拟双采样。然而，根据实施例，图像传感器可以执行数字双采样(DDS)。在数字双采样中，当像素被复位时，用于信号分量的模拟信号和用于复位分量的模拟信号被转换成数字信号，并且将这两个数字信号之间的差提取为有效信号分量。
[0041]参见图2、3A、3B以及4A至4F，将详细描述根据第一实施例的图像传感器。首先，参见图2，将描述根据第一实施例的图像传感器的电路配置和操作。
[0042]图2是图示根据第一实施例的图像传感器的单元像素的等同电路图。
[0043]如图2中所示，根据第一实施例的图像传感器的单元像素可以包括:光电转换元件H)、传输晶体管Tx、复位晶体管Rx、源极跟随器晶体管(Sx) 250、以及存取晶体管(Ax) 260ο单元像素可以包括多个传输晶体管Tx，并且第一传输单元210和第二传输单元220中的每个可以包括一个或更多个传输晶体管Tx。复位晶体管Rx可以包括与第一传输单元210耦接的第一复位晶体管230和与第二传输单元220耦接的第二复位晶体管240。
[0044]光电转换元件ro可以包括光电二极管。光电转换元件ro可以耦接在接地电压端子与第一传输单元210和第二传输单元220的公共节点之间。
[0045]例如，包括在第一传输单元210和第二传输单元220中的多个传输晶体管Tx可以耦接在光电转换元件H)与浮置扩散节点FD之间。第一传输单元210和第二传输单元220可以被配置成共享一个光电转换元件PD。包括在第一传输单元210和第二传输单元220中的传输晶体管Tx中的每个可以具有相同的形状或操作特性。此外，浮置扩散节点FD可以与复位晶体管Rx的一侧耦接。
[0046]第一传输单元210和第二传输单元220中的每个可以包括并联耦接的一个或更多个传输晶体管Tx。包括在第一传输单元210或第二传输单元220中的传输晶体管Tx的数目可以根据目标特性来调整。具体地，图像传感器的敏感性和SNR特性可以通过调整包括在第一传输单元210中的传输晶体管Tx的数目来控制。例如，当假设第一传输单元210包括五个传输晶体管Tx时，可以通过将传输晶体管Tx的数目增加至六个或更多个来改善SNR特性。另一方面，可以通过将传输晶体管Tx的数目减少至四个或更少个来改善敏感性。
[0047]第一传输单元210和第二传输单元220可以响应于传输信号TRF来操作。S卩，包括在第一传输单元210和第二传输单元220中的多个传输晶体管Tx可以被配置成共享一个传输门，或者多个传输晶体管Tx的传输门可以与一个导线(例如，一个传输线)耦接。
[0048]第一复位晶体管230可以耦接在第一传输单元210与电源电压(VDD)端子之间，而第二复位晶体管240可以耦接在第二传输单元220与VDD端子之间。第一复位晶体管230和第二复位晶体管240可以响应于复位信号RST来操作。例如，第一复位晶体管230的栅极和第二复位晶体管240的栅极可以与一个导线(例如，一个复位线)耦接。
[0049]源极跟随器晶体管250可以耦接在VDD端子与存取晶体管260之间，并且具有在浮置扩散节点FD与第一传输单元210耦接的栅极。S卩，源极跟随器晶体管250可以不与耦接至第二传输单元220的浮置扩散节点FD耦接。因而，图像传感器的敏感性和SNR可以通过调整包括在第一传输单元210中的传输晶体管Tx的数目来控制。
[0050]存取晶体管260可以耦接在源极跟随器晶体管250与输出端子之间，通过所述输出端子可以输出像素信号POUT。
[0051]参见图2，一种用于驱动根据第一实施例的图像传感器的单元像素的方法将描述如下。
[0052]首先，在入射光被阻断的状态下，传输信号TRF可以被施加至第一传输单元210和第二传输单元220，以及可以施加复位信号RST以将第一复位晶体管230和第二复位晶体管240导通。由于第一传输单元210和第二传输单元220以及第一复位晶体管230和第二复位晶体管240被导通以使浮置扩散节点FD放电，所以可以使浮置扩散节点FD复位。传输信号TRF和复位信号RST可以包括用于控制晶体管导通/关断的脉冲信号。
[0053]然后，第一传输单元210和第二传输单元220以及第一复位晶体管230和第二复位晶体管240可以关断，并且光可以入射在光电转换元件H)上长达预定的时间。光电转换元件ro可以使用入射光来产生电子-空穴对(EHP)，即光电荷，并且产生的光电荷可以被积聚在光电转换元件ro中。光电荷积聚在光电转换元件中的时间可以被称为光电转换元件PD 的积分时间(integrat1n time)。
[0054]即使在浮置扩散节点FD被复位之后，也可以连续地施加复位信号RST，以在积分时间期间保持第一复位晶体管230和第二复位晶体管240的导通状态。在这种情况下，可以防止在浮置扩散节点FD未被复位时，电荷保留在浮置扩散节点FD中。此外，可以防止浮置扩散节点FD的电位在积分时间期间变化。供作参考，当浮置扩散节点FD的电位在积分时间期间变化时，SNR特性可能降低。
[0055]然后，当第一复位晶体管230和第二复位晶体管240关断时，可以施加传输信号TRF,以在积分时间期间将积聚在光电转换元件H)中的光电荷传送至浮置扩散节点FD。可以与传送至浮置扩散节点FD的光电荷成比例地，改变输入至源极跟随器晶体管250的栅极的偏置，以及源极跟随器晶体管250的源极电位可以改变。第一传输单元210和第二传输单元220这二者都可以响应于传输信号TRF来导通。然而，由于源极跟随器晶体管250的栅极与耦接至第一传输单元210的浮置扩散节点FD耦接，所以源极跟随器晶体管250的源极电位可以仅响应于经由第一传输单元210传送至浮置扩散节点FD的光电荷而变化。
[0056]当在源极跟随器晶体管250的源极电位变化的状态下，存取晶体管260响应于选择信号SEL而导通时，可以输出像素信号POUT。选择信号SEL可以包括用于控制晶体管导通/关断的脉冲信号。
[0057]在根据第一实施例的上述图像传感器中，第一传输单元210和第二传输单元220中的每个可以包括彼此并联耦接的一个或更多个传输晶体管Tx，由此改善了由光电转换元件H)产生的光电荷的传输效率。
[0058]此外，由于源极跟随器晶体管250仅与耦接至第一传输单元210的浮置扩散节点FD耦接，所以可以调整包括在第一传输单元210中的传输晶体管Tx的数目，来提高图像传感器的敏感性和SNR。
[0059]将参照图3A、3B以及4A至4F详细描述具有上述等同电路的图像传感器的结构。图3A是图示根据本发明的第一实施例的图像传感器的单元像素的立体图，而图3B是图示根据本发明的修改的图像传感器的单元像素的立体图。图3A和图3B包括图示单元像素的截面图。图4A至图4F是图示对于在根据第一实施例的图像传感器的单元像素中的多个有源柱体的形状的修改的平面图。
[0060]如图3A和图3B中所示，根据第一实施例的图像传感器的单元像素可以包括:光电转换元件PD、传输门320、多个有源柱体330、第一复位晶体管230、第二复位晶体管240以及源极跟随器晶体管250。传输门320可以形成在光电转换元件H)之上。多个有源柱体330可以通过穿过传输门320而与光电转换元件H)电耦接。多个有源柱体330可以被分成包括多个有源柱体330之中的一个或更多个有源柱体330的第一组和与第一组不同的第二组。第一复位晶体管230可以与多个有源柱体330的第一组电耦接。第二复位晶体管240可以与多个有源柱体330的第二组电耦接。源极跟随器晶体管250可以具有与有源柱体330的第一组电耦接的栅极。图像传感器的单元像素还可以包括滤色器层302，其形成在入射光被引入到光电转换元件H)中的入射表面SI之上；以及微透镜303，其形成在滤色器层302上。
[0061]光电转换元件H)可以形成在衬底301中或者形成在衬底301之上。光电转换元件ro可以具有与单元像素的平面形状相对应的板形状。衬底301可以包括半导体材料。具体地，衬底301可以具有单晶状态，并且包括含硅材料。
[0062]光电转换元件ro可以包括光电二极管。光电二极管可以包括形成在衬底301中以彼此垂直重叠的一个或更多个光电转换单元，或者形成在衬底301上的有机光电转换层(未示出)。在本实施例中，光电转换元件ro可以包括形成在衬底301中以便彼此垂直重叠的一个或更多个光电转换单元。光电转换单元可以包括具有P型导电性的第一杂质区311和具有N型导电性的第二杂质区312。第一杂质区311和第二杂质区312可以通过将杂质离子注入至衬底301中来形成。第二杂质区312可以用作传输晶体管Tx的结区。
[0063]参见图3A，第一杂质区311可以形成在相应有源柱体330之间的衬底301中，以便不与有源柱体330重叠。在这种情况下，有源柱体330中的每个可以不与第一杂质区311电耦接。参见图3B，第一杂质区311可以形成在衬底301的整个表面上，以与多个有源柱体330重叠。在这种情况下，有源柱体330中的每个可以与第一杂质区311电耦接。供作参考，尽管图3A中的第一杂质区311被形成为与多个有源柱体330重叠，但是图3A的结构可以具有与图3B的结构相似的特性，在图3B中第一杂质区311不与多个有源柱体330重叠。这是因为第一杂质区311比与第一杂质区311接触的其他杂质区具有减小的厚度和更低的杂质惨杂浓度。
[0064]传输门320可以形成在入射光被引入到光电转换元件F1D中的入射表面SI的相对表面S2上。传输门320可以采用板形状形成在光电转换元件H)之上。此时，如图4A至图4F中所示，传输门320可以具有覆盖光电转换元件H)的相对表面S2的形状。传输门320可以用作反射层，其将穿过光电转换元件ro逸出至外部的入射光反射在光电转换元件ro上，由此增加了光电转换元件H)的量子效率。因而，由于传输门320具有覆盖光电转换元件PD的相对表面S2的形状，所以可以有效地增加光电转换元件H)的量子效率。传输门320可以包括用作反射层的金属性材料。
[0065]传输门320可以包括栅电极321和电荷阻挡层322。栅电极321可以形成在光电转换元件ro之上，以便包围多个有源柱体330的所有侧壁，并且电荷阻挡层322可以被插设在栅电极321与光电转换元件H)之间，以及栅电极321与多个有源柱体330之间。由于多个有源柱体330被一个栅电极321包围，所以所有的传输晶体管Tx都可以响应于传输信号TRF来操作。栅电极321可以包括金属性材料，而电荷阻挡层322可以包括绝缘材料。
[0066]有源柱体330中的每个可以包括沟道区331和浮置扩散区332。沟道区331可以与光电转换元件ro电耦接，并且被传输门320包围，以及浮置扩散区332可以与沟道区331电耦接，以便突出于传输门320之上。
[0067]有源柱体330中的每个可以包括与衬底301相同的材料。例如，有源柱体330中的每个可以通过刻蚀衬底301来形成，并且包括单晶含硅材料。有源柱体330中的每个可以具有各种形状。例如，参见图4A至图4F，有源柱体330中的每个可以具有各种几何形状，诸如矩形柱体、多边形柱体、圆形柱体、椭圆形柱体、环形柱体和十字形柱体。此时，有源柱体330中的每个可以具有相同的形状或者不同的形状。照此，具有各种形状的有源柱体330中的每个可以具有临界尺寸(CD)，在该临界尺寸沟道区331可以在传输晶体管Tx关断的状态下完全耗尽。传输晶体管Tx的关断状态可以指示没有偏置被施加至传输门320的平衡状态。例如，当有源柱体330中的每个具有圆柱形形状，即圆形柱体时，圆形柱体可以具有30nm或者更小的直径，以便完全耗尽。这是为了防止在传输晶体管Tx的关断状态下发生泄漏电流。即，可以防止噪声的发生，以改善SNR特性。
[0068]浮置扩散区332可以与形成在有源柱体330的每个之上的杂质区相对应。一个或更多个浮置扩散区332可以彼此耦接，以用作浮置扩散节点FD。S卩，多个有源柱体330 (每个有源柱体330包括浮置扩散区332)可以被分成与第一复位晶体管230耦接的第一组和与第二复位晶体管240耦接的第二组。与第一复位晶体管230耦接的一个或更多个浮置扩散区332可以用作用于控制源极跟随器晶体管250的导通/关断的浮置扩散节点FD。浮置扩散区332可以具有与光电转换元件H)的第二杂质区312相同的导电类型。例如，浮置扩散区332可以包括掺杂有N型杂质的N型杂质区。
[0069]在每个有源柱体330中，沟道区331可以被设定成未掺杂状态，在未掺杂状态下沟道区331未被掺杂杂质。例如，沟道区331可以由本征半导体形成。另一方面，每个有源柱体330中的沟道区331可以掺杂有杂质，并且具有与浮置扩散区332相同的导电类型。此时，沟道区331可以具有比浮置扩散区332低的杂质掺杂浓度。由于沟道区331未被掺杂，或者掺杂有具有与浮置扩散区332相同的导电性的杂质，所以可以防止在传输晶体管Tx关断的状态下泄漏电流的发生。即，可以防止噪声的发生，以改善SNR特性。
[0070]根据第一实施例的图像传感器的单元像素可以防止在通过CD的传输晶体管Tx的关断状态和每个有源柱体330中的沟道区331的掺杂状态下泄漏电流的发生，由此改善了图像传感器的SNR特性。
[0071]此后，将参照图5和图6来描述根据第二实施例的图像传感器。在第二实施例中，与第一实施例相同的部件由相同的附图标记来表示，并且在本文中省略了其详细描述。即，以下描述将集中于第一实施例与第二实施例之间的差别。
[0072]图5是图示根据第二实施例的图像传感器的单元像素的等同电路图。图6是图示根据第二实施例的图像传感器的单元像素的立体图，包括其截面图。
[0073]如图5和图6中所示，根据第二实施例的图像传感器的单元像素与第一实施例的不同之处在于，第一传输单元510和第二传输单元520分别响应于第一传输信号TRFl和第二传输信号TRF2来导通/关断。具体地，第一传输单元510可以响应于第一传输信号TRFl来导通/关断，而第二传输单元520可以响应于第二传输信号TRF2来导通/关断。因而，包括在第一传输单元510中的多个传输晶体管Tx可以被配置成共享一个传输门，或者传输晶体管Tx的传输门可以与一个导线耦接。此外，包括在第二传输单元520中的多个传输晶体管Tx可以共享一个传输门，或者传输晶体管Tx的传输门可以与一个导线耦接。
[0074]随后，参见图5，一种驱动根据第二实施例的图像传感器的单元像素的方法将描述如下。
[0075]首先，第一传输信号TRFl和第二传输信号TRF2可以在入射光被阻挡的状态下，分别被施加至第一传输单元510和第二传输单元520，并且可以施加复位信号RST以导通第一复位晶体管230和第二复位晶体管240。由于第一传输单元510和第二传输单元520以及第一复位晶体管230和第二复位晶体管240被导通以使浮置扩散节点FD放电，所以浮置扩散节点FD可以被复位。第一传输信号TRFl和第二传输信号TRF2以及复位信号RST可以包括用于控制晶体管的导通/关断的脉冲信号。第一传输信号TRFl和第二传输信号TRF2可以彼此相同。
[0076]然后，第一传输单元510和第二传输单元520以及第一复位晶体管230和第二复位晶体管240可以关断，并且光可以入射在光电转换元件H)上长达预定的时间。光电转换元件ro可以使用入射光来产生电子-空穴对(EHP)，即光电荷，并且产生的光电荷可以被积聚在光电转换元件ro中。光电荷积聚在光电转换元件ro中的时间可以被称为光电转换元件F1D的积分时间。
[0077]即使在浮置扩散节点FD复位之后，还可以连续地施加复位信号RST，以在积分时间期间保持第一复位晶体管230和第二复位晶体管240的导通状态。在这种情况下，可以防止在浮置扩散节点FD未被复位时，电荷保留在浮置扩散节点FD中。此外，可以防止浮置扩散节点FD的电位在积分时间期间变化。供作参考，当浮置扩散节点FD的电位在积分时间期间变化时，可以降低SNR特性。
[0078]然后，由于在第一复位晶体管230和第二复位晶体管240关断的状态下仅施加了第一传输信号TRF1，所以积聚在光电转换元件H)中的光电荷可以在积分时间期间经由第一传输单元510传送至浮置扩散节点FD。此时，由于未施加第二传输信号TRF2，所以第二传输单元520中的多个传输晶体管Tx的所有沟道区都可以保持完全耗尽的状态。可以与传送至浮置扩散节点FD的光电荷成比例地，改变输入至源极跟随器晶体管250的栅极的偏置，并且源极跟随器晶体管250的源极电位可以变化。此时，由于仅施加了第一传输信号TRF1，所以源极跟随器晶体管250的源极电位可以仅响应于经由第一传输单元510传送至浮置扩散节点FD的光电荷而变化。由于仅将光电荷传送至与源极跟随器晶体管250的栅极耦接的浮置扩散节点FD的第一传输单元510导通，所以可以改善光电荷的传输效率和源极跟随器晶体管对光电荷的响应速度。
[0079]当在源极跟随器晶体管250的源极电位变化的状态下，存取晶体管260响应于选择信号SEL而导通时，可以输出像素信号POUT。选择信号SEL可以包括用于控制晶体管的导通/关断的脉冲信号。
[0080]在根据第二实施例的上述图像传感器中，第一传输单元510和第二传输单元520中的每个可以包括彼此并联耦接的一个或更多个传输晶体管Tx，由此改善了由光电转换元件H)产生的光电荷的传输效率。
[0081]此外，由于源极跟随器晶体管250仅与耦接至第一传输单元510的浮置扩散节点FD耦接，所以可以调整包括在第一传输单元510中的传输晶体管Tx的数目，以改善图像传感器的所需敏感性和SNR。
[0082]此外，由于第一传输单元510和第二传输单元520分别响应于传输信号TRFl和第TRF2来操作，所以在保证各种操作特性的同时可以降低功耗。
[0083]然后，参见图6，将描述具有等同电路的图像传感器的结构。
[0084]根据第二实施例的图像传感器的单元像素可以包括:光电转换元件H)、第一传输门320A、第二传输门320B、多个有源柱体330、第一复位晶体管230、第二复位晶体管240以及源极跟随器晶体管250。第一传输门320A和第二传输门320B可以形成在光电转换元件PD之上。多个有源柱体330可以通过穿过第一传输门320A和第二传输门320B与光电转换元件ro电耦接。多个有源柱体330可以被分成包括多个有源柱体330之中的一个或更多个有源柱体330的第一组和与第一组不同的第二组。第一复位晶体管230可以与多个有源柱体330的第一组电耦接。第二复位晶体管240可以与多个有源柱体330的第二组电耦接。源极跟随器晶体管250可以具有与有源柱体330的第一组电耦接的栅极。图像传感器的单元像素还可以包括滤色器层302，其形成在入射光被引入到光电转换元件H)中的入射表面S3之上；以及微透镜303，其形成在滤色器层302上。
[0085]第二实施例与第一实施例的不同之处在于，传输门被分离成第一传输门320A和第二传输门320B，第一传输门320A包括包围有源柱体330的第一组的第一栅电极321A，第二传输门320B包括包围有源柱体330的第二组的第二栅电极321B。具体地，第一传输门320A可以包括第一栅电极32IA和第一电荷阻挡层322A，而第二传输门320B可以包括第二栅电极321B和第二电荷阻挡层322B。第一栅电极321A可以在光电转换元件H)之上，包围多个有源柱体330之中的与第一复位晶体管230耦接的有源柱体330的第一组的所有侧壁。第二栅电极321B可以包围多个有源柱体330之中的与第二复位晶体管240耦接的有源柱体330的第二组的所有侧壁。第一电荷阻挡层322A可以被插设在第一栅电极321A与光电转换元件H)之间，以及第一栅电极321A与有源柱体330的第一组之间。第二电荷阻挡层322B可以被插设在第二栅电极32IB与光电转换元件H)之间，以及在第二栅电极32IB与有源柱体330的第二组之间。包括被第一栅电极321A包围的有源柱体330的第一组的传输晶体管Tx可以响应于第一传输信号TRFl而导通/关断，以及包括被第二栅电极321B包围的有源柱体330的第二组的传输晶体管Tx可以响应于第二传输信号TRF2而导通/关断。第一栅电极32IA和第二栅电极32IB可以包括金属性材料，而第一电荷阻挡层322A和第二电荷阻挡层322B可以包括绝缘材料。
[0086]根据第二实施例的图像传感器的单元像素防止在通过CD的传输晶体管Tx的关断状态和每个有源柱体330的沟道区331的掺杂状态下发生泄漏电流，由此改善了图像传感器的SNR特性。
[0087]根据第一实施例和第二实施例的图像传感器可以被应用于各种电子器件。此后，参见图7，将描述根据一个实施例的包括图像传感器的电子器件。图7图示了能够获取静物图像的数字静物照相机。
[0088]图7是图示根据一个实施例的电子器件的框图。
[0089]如图7中所示，根据实施例的电子器件可以包括:光学透镜410、图像传感器411、驱动电路412以及信号处理电路413。图像传感器411可以根据本发明的第一实施例和第二实施例来配置。
[0090]光学透镜410可以将从物体入射的光聚焦到图像传感器411的成像表面上。因而，与光信号相对应的电荷可以被积聚在图像传感器411中。驱动电路412可以将传输操作信号供应至图像传感器411。图像传感器411的信号传输可以响应于从驱动电路412供应的定时信号或者驱动信号来执行。信号处理电路413可以处理各种图像信号。经处理的图像信号可以被储存在诸如存储器之类的存储媒介中，或者被输出至监视器。
[0091]根据本发明的实施例，由于第一传输单元和第二传输单元中的每个包括一个或更多个并联耦接的传输晶体管，所以图像传感器可以改善由光电转换元件产生的光电荷的传输效率。
[0092]此外，由于源极跟随器晶体管与耦接至第一传输单元的浮置扩散节点耦接，所以可以容易地改善图像传感器的敏感性和SNR特性。
[0093]此外，图像传感器可以防止在通过CD的传输晶体管的关断状态和每个有源柱体的沟道区的掺杂状态下发生泄漏电流，由此改善了 SNR特性。
[0094]尽管已经出于说明性的目的描述了各种实施例，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化和修改。
[0095]通过本发明的实施例可以看出，本发明提供了下面技术方案:
[0096]1.一种图像传感器，包括:
[0097]光电转换元件；
[0098]传输门，其形成在所述光电转换元件之上；
[0099]多个有源柱体，其通过穿过所述传输门与所述光电转换元件电耦接；
[0100]复位晶体管，其与所述多个有源柱体耦接；以及
[0101]源极跟随器晶体管，其具有与所述多个有源柱体之中的一个或更多个有源柱体电耦接的栅极。
[0102]2.如技术方案I所述的图像传感器，还包括:
[0103]滤色器层，其形成在入射光被引入到所述光电转换元件中的入射表面之上；以及
[0104]微透镜，其形成在所述滤色器之上。
[0105]3.如技术方案I所述的图像传感器，其中，所述传输门包括:
[0106]栅电极，其形成在所述光电转换元件之上；以及
[0107]电荷阻挡层，其被插设在所述栅电极与所述光电转换元件之间，以及在所述栅电极与所述多个有源柱体之间。
[0108]4.如技术方案3所述的图像传感器，其中，所述栅电极包围所述多个有源柱体的所有侧壁。
[0109]5.如技术方案3所述的图像传感器，其中，所述栅电极包括:
[0110]第一栅电极，其包围所述多个有源柱体的第一组的所有侧壁，其中，所述第一组包括与所述源极跟随器晶体管的栅极耦接的一个或更多个有源柱体；以及
[0111]第二栅电极，其包围所述多个有源柱体的第二组的所有侧壁，所述第二组与所述第一组不同。
[0112]6.如技术方案I所述的图像传感器，其中，所述传输门形成在与入射光被引入到所述光电转换元件中的入射表面相对的表面之上。
[0113]7.如技术方案I所述的图像传感器，其中，所述复位晶体管包括:
[0114]第一复位晶体管，其与所述多个有源柱体的第一组电耦接，其中，所述第一组包括与所述源极跟随器晶体管的栅极耦接的一个或更多个有源柱体；以及
[0115]第二复位晶体管，其与所述多个有源柱体的第二组电耦接，所述第二组与所述第一组不同。
[0116]8.如技术方案I所述的图像传感器，其中，所述有源柱体中的每个具有临界尺寸，在所述临界尺寸所述有源柱体在平衡状态下被完全耗尽。
[0117]9.如技术方案I所述的图像传感器，其中，所述有源柱体中的每个包括:
[0118]沟道区，其与所述光电转换元件耦接，并且被所述传输门包围；以及
[0119]浮置扩散区，其与所述沟道区耦接，并且突出于所述传输门之上。
[0120]10.如技术方案9所述的图像传感器，其中，所述沟道区具有未掺杂状态，在所述未掺杂状态下所述沟道区未被掺杂有杂质。
[0121]11.如技术方案9所述的图像传感器，其中，所述沟道区具有掺杂状态，在所述掺杂状态下所述沟道区掺杂有杂质，所述沟道区具有与所述浮置扩散区相同的导电类型，以及具有比所述浮置扩散区低的杂质掺杂浓度。
[0122]12.如技术方案I所述的图像传感器，其中，所述光电转换元件包括彼此垂直重叠并且具有不同的导电类型的第一杂质区和第二杂质区，以及所述第一杂质区与所述多个有源柱体电耦接。
[0123]13.一种图像传感器，包括:
[0124]光电转换元件；
[0125]多个有源柱体，其形成在所述光电转换元件之上，并且与所述光电转换元件电耦接;
[0126]传输门，其形成在所述光电转换元件之上以包围所述多个有源柱体；
[0127]第一复位晶体管，其与所述多个有源柱体的第一组电耦接；以及
[0128]第二复位晶体管，其与所述多个有源柱体的第二组电耦接，所述第二组与所述第一组不同。
[0129]14.如技术方案13所述的图像传感器，还包括:
[0130]源极跟随器晶体管，其具有与所述有源柱体的第一组电耦接的栅极。
[0131]15.如技术方案13所述的图像传感器，其中，所述传输门包括:
[0132]栅电极，其形成在所述光电转换元件之上；以及
[0133]电荷阻挡层，其被插设在所述栅电极与所述光电转换元件之间，以及在所述栅电极与所述多个有源柱体之间。
[0134]16.如技术方案15所述的图像传感器，其中，所述栅电极包围所述多个有源柱体的所有侧壁。
[0135]17.如技术方案15所述的图像传感器，其中，所述栅电极包括:
[0136]第一栅电极，其包围所述多个有源柱体的第一组的所有侧壁；以及
[0137]第二栅电极，其包围所述多个有源柱体的第二组的所有侧壁。
[0138]18.如技术方案13所述的图像传感器，其中，所述传输门形成在与入射光被引入到所述光电转换元件中的入射表面相对的表面之上。
[0139]19.如技术方案13所述的图像传感器，其中，所述多个有源柱体中的每个具有临界尺寸，在所述临界尺寸所述有源柱体在平衡状态下被完全耗尽。
[0140]20.如技术方案13所述的图像传感器，其中，所述多个有源柱体中的每个包括:
[0141]沟道区，其与所述光电转换元件耦接，并且被所述传输门包围；以及
[0142]浮置扩散区，其与所述沟道区耦接，并且突出于所述传输门之上。
[0143]21.如技术方案20所述的图像传感器，其中，所述沟道区具有未掺杂状态，在所述未掺杂状态下所述沟道区未被掺杂有杂质。
[0144]22.如技术方案20所述的图像传感器，其中，所述沟道区具有掺杂状态，在所述掺杂状态下所述沟道区掺杂有杂质，所述沟道区具有与所述浮置扩散区相同的导电性，以及具有比所述浮置扩散区低的杂质掺杂浓度。
[0145]23.如技术方案13所述的图像传感器，其中，所述光电转换元件包括彼此垂直重叠并且具有不同的导电类型的第一杂质区和第二杂质区，以及所述第一杂质区与所述多个有源柱体电耦接。
[0146]24.一种图像传感器，包括:
[0147]光电转换元件；
[0148]第一传输单元和第二传输单元，其共享所述光电转换元件，并且每个包括并联耦接的一个或更多个传输晶体管；
[0149]第一复位晶体管，其与所述第一传输单元耦接；
[0150]源极跟随器晶体管，其具有与所述第一传输单元和所述第一复位晶体管之间的浮置扩散节点耦接的栅极；以及
[0151]第二复位晶体管，其与所述第二传输单元耦接。
[0152]25.如技术方案24所述的图像传感器，其中，所述第一传输单元和所述第二传输单元响应于相同的传输信号而导通/关断，以及所述第一复位晶体管和所述第二复位晶体管响应于相同的复位信号而导通/关断。
[0153]26.如技术方案24所述的图像传感器，其中，所述第一传输单元和所述第二传输单元响应于不同的传输信号而导通/关断，以及所述第一复位晶体管和所述第二复位晶体管响应于相同的复位信号而导通/关断。
[0154]27.—种电子器件，包括:
[0155]光学透镜；
[0156]图像传感器，其具有多个单元像素；以及
[0157]信号处理电路，其适于处理来自所述图像传感器的输出信号，
[0158]其中，所述多个单元像素中的每个包括:
[0159]光电转换元件；
[0160]传输门，其形成在所述光电转换元件之上；
[0161]多个有源柱体，其通过穿过所述传输门与所述光电转换元件电耦接；
[0162]复位晶体管，其与所述多个有源柱体耦接；以及
[0163]源极跟随器晶体管，其具有与所述多个有源柱体之中的一个或更多个有源柱体电耦接的栅极。
【主权项】
1.一种图像传感器，包括: 光电转换元件； 传输门，其形成在所述光电转换元件之上； 多个有源柱体，其通过穿过所述传输门与所述光电转换元件电耦接； 复位晶体管，其与所述多个有源柱体耦接；以及 源极跟随器晶体管，其具有与所述多个有源柱体之中的一个或更多个有源柱体电耦接的栅极。2.如权利要求1所述的图像传感器，还包括: 滤色器层，其形成在入射光被引入到所述光电转换元件中的入射表面之上；以及 微透镜，其形成在所述滤色器之上。3.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述传输门包括: 栅电极，其形成在所述光电转换元件之上；以及 电荷阻挡层，其被插设在所述栅电极与所述光电转换元件之间，以及在所述栅电极与所述多个有源柱体之间。4.如权利要求3所述的图像传感器，其中，所述栅电极包围所述多个有源柱体的所有侧壁。5.如权利要求3所述的图像传感器，其中，所述栅电极包括: 第一栅电极，其包围所述多个有源柱体的第一组的所有侧壁，其中，所述第一组包括与所述源极跟随器晶体管的栅极耦接的一个或更多个有源柱体；以及 第二栅电极，其包围所述多个有源柱体的第二组的所有侧壁，所述第二组与所述第一组不同。6.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述传输门形成在与入射光被引入到所述光电转换元件中的入射表面相对的表面之上。7.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述复位晶体管包括: 第一复位晶体管，其与所述多个有源柱体的第一组电耦接，其中，所述第一组包括与所述源极跟随器晶体管的栅极耦接的一个或更多个有源柱体；以及 第二复位晶体管，其与所述多个有源柱体的第二组电耦接，所述第二组与所述第一组不同。8.一种图像传感器，包括: 光电转换元件； 多个有源柱体，其形成在所述光电转换元件之上，并且与所述光电转换元件电耦接； 传输门，其形成在所述光电转换元件之上以包围所述多个有源柱体； 第一复位晶体管，其与所述多个有源柱体的第一组电耦接；以及第二复位晶体管，其与所述多个有源柱体的第二组电耦接，所述第二组与所述第一组不同。9.一种图像传感器，包括: 光电转换元件； 第一传输单元和第二传输单元，其共享所述光电转换元件，并且每个包括并联耦接的一个或更多个传输晶体管； 第一复位晶体管，其与所述第一传输单元耦接； 源极跟随器晶体管，其具有与所述第一传输单元和所述第一复位晶体管之间的浮置扩散节点耦接的栅极；以及 第二复位晶体管，其与所述第二传输单元耦接。10.一种电子器件，包括: 光学透镜； 图像传感器，其具有多个单元像素；以及 信号处理电路，其适于处理来自所述图像传感器的输出信号， 其中，所述多个单元像素中的每个包括: 光电转换元件； 传输门，其形成在所述光电转换元件之上； 多个有源柱体，其通过穿过所述传输门与所述光电转换元件电耦接； 复位晶体管，其与所述多个有源柱体耦接；以及 源极跟随器晶体管，其具有与所述多个有源柱体之中的一个或更多个有源柱体电耦接的栅极。
【文档编号】H01L27/146GK106033762SQ201510106786
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2015年3月11日
【发明人】吴东姸
【申请人】爱思开海力士有限公司