图像感测装置的制作方法

文档序号：25530423发布日期：2021-06-18 20:21阅读：62来源：国知局

本专利文档中公开的技术和实现总体上涉及图像感测装置。

背景技术：

图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的装置。随着汽车、医疗、计算机和通信行业的最新发展，在诸如数码相机、便携式摄像机、个人通信系统(pcs)、游戏机、监控摄像头、微型医疗相机、机器人等的各种装置中对高性能图像传感器的需求日益增长。

一种非常常见类型的图像感测装置是基于ccd(电荷耦合器件)的图像传感器，该图像传感器已经长期占据图像传感器领域，另一种常见类型的图像感测装置是基于cmos(互补金属氧化物半导体)的图像传感器，它现在占据图像传感器领域。由于比ccd图像传感器的一些优势(包括功耗更低、生产成本更低和尺寸更小)，cmos图像传感器现在被广泛使用。cmos图像传感器的这些特性使这些传感器更好地适于诸如智能电话、数码相机等的移动装置中的实现。

技术实现要素：

所公开的技术的各种实施方式涉及用于通过增大基板中空穴的迁移率来提高感测速度的图像感测装置。

在所公开的技术的实施方式中，图像感测装置可以包括：半导体基板，其被配置为响应于入射的光而产生电荷载流子；多个控制区，其由半导体基板支撑并且被配置为在半导体基板中引起多数载流子电流，以控制少数载流子的移动；以及多个检测区，其形成为与控制区相邻并且被配置为捕获在半导体基板中移动的少数载流子。每个控制区可以包括上部、下部和设置在上部和下部之间的中间部。中间部可以比上部和下部中的每个具有更小的水平截面轮廓。

在所公开的技术的另一实施方式中，图像感测装置可以包括：半导体基板；像素阵列，其由半导体基板支撑，并且被构造为包括以行和列连续布置的多个单位像素，单位像素被构造为通过入射光的光电转换而产生载流子并检测所产生的载流子中的少数载流子。单位像素可以包括：第一控制区和第二控制区，其被配置为在半导体基板中产生一定方向的多数载流子的电流，以使少数载流子在半导体基板中在与多数载流子电流相反的方向上移动；以及第一检测区和第二检测区，其被配置为捕获通过多数载流子电流在半导体基板中移动的少数载流子。第一控制区和第二控制区中的每个包括具有相同的水平截面轮廓的上部和下部，以及设置在上部和下部之间的中间部，该中间部具有尺寸与上部和下部中的每个不同的水平截面轮廓。

应当理解，所公开的技术的前述概括描述和以下详细描述都是示例性和解释性的，并且旨在提供对所要求保护的本公开的进一步解释。

附图说明

图1是例示基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置的示例的框图。

图2例示了基于所公开的技术的一些实现的图1所示的像素阵列中所包含的单位像素的平面图和截面图。

图3a至图3d是例示基于所公开的技术的一些实现的用于形成图2中所示的控制区和检测区的方法的截面图。

图4是例示基于所公开的技术的其它实现的控制区和检测区的示例的截面图。

具体实施方式

为了使用图像传感器获取三维(3d)图像，需要3d图像的颜色信息以及目标对象与图像传感器之间的距离(或深度)。

在获取与目标对象和图像传感器之间的距离相关联的信息中，图像传感器可以使用被动方法或主动方法。

被动方法可以仅使用目标对象的图像信息来计算目标对象与图像传感器之间的距离，而不向目标对象提供光信号。被动方法可以应用于立体相机。

与被动方法不同，主动方法可以使用由激光或led提供的人造光信号来测量目标对象与图像传感器之间的距离。这种主动方法的示例可以包括三角测量方法和飞行时间(tof)方法。在已经从与图像传感器间隔开预定距离的光源(例如，激光源或led)向目标发送光信号之后，三角测量方法可以检测从目标对象反射的光并使用检测到的光计算目标对象与图像传感器之间的距离。在已经从光源向目标对象发送光信号之后，tof方法可以测量从目标对象反射并返回到图像传感器的光信号的往返行程时间，以计算目标对象与图像传感器之间的距离。

本专利文档提供了能够通过增加基板中的空穴的迁移率来提高图像感测装置的感测速度的图像感测装置的实现和示例。在所公开的技术的一些实现中，图像感测装置能够增加电流辅助光子解调器(capd)像素结构中的空穴的迁移率，从而使图像感测装置的光效率提高。所公开的技术提供了能够通过增加空穴的迁移率来提高感测装置的感测速度的图像感测装置的各种实现。

现在将详细参照一些实施方式进行说明，其示例在附图中示出。尽可能地，在整个附图中将使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。在以下描述中，将省略并入本文的相关已知配置或功能的详细描述，以避免使主题变得模糊。

图1是例示基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置的示例的框图。

在一些实现中，图像感测装置可以使用飞行时间(tof)原理来测量距离。在一个示例中，tof传感器可以通过用调制光源照射目标对象并观察反射光来工作。照射和反射之间的相移被测量并被转换为目标对象与tof传感器之间的距离。图像感测装置可以包括光源100、透镜模块200、像素阵列300和控制电路400。

当从控制电路400接收到时钟信号mls时，光源100可以将光发射到目标对象1。在一个示例中，光源100可以是用于发射红外光或可见光的激光二极管(ld)或发光二极管(led)。在另一示例中，光源100可以是近红外激光器(nir)、点光源、与白灯组合的单色光源或单色仪以及其它激光源的组合中的任何一种。例如，光源100可以发射具有800nm至1000nm的波长的红外光。尽管图1为了便于描述而仅示出了一个光源100，但是所公开的技术的范围或精神不限于此，并且也可以在透镜模块200的附近布置多个光源。

透镜模块200可以收集从目标对象1反射的光，并且可以允许所收集的光聚焦到像素阵列300的像素(px)上。透镜模块200可以包括具有由玻璃或塑料形成的表面的聚焦透镜或具有由玻璃或塑料形成的表面的其它圆柱形光学元件。透镜模块200可以包括具有凸结构的聚焦透镜。

像素阵列300可以包括以二维(2d)阵列连续布置的单位像素(px)，在二维阵列中单位像素以行和列布置。单位像素(px)可以形成在半导体基板中。每个单位像素(px)可以将通过透镜模块200接收的光转换成与所接收的光相对应的电信号，并且输出电信号作为像素信号。在一些实现中，至少一个单位像素(px)可以产生指示到目标对象1的距离而不是指示目标对象1的颜色的像素信号。产生这样的像素信号的单位像素(px)可以是用于通过使用调制电场以引导光生电荷载流子来检测由入射光在基板中产生的电荷载流子的电流辅助光子解调器(capd)像素。例如，每个单位像素(px)可以包括检测区和控制区。在掺杂的半导体区中，通过设计掺杂区中的掺杂剂，在n型和p型电荷载流子当中，一种类型的电荷载流子与另一种类型的电荷载流子相比是多数载流子。例如，检测区可以被配置为检测通过入射光在单位像素中产生的少数载流子(例如，p掺杂区中的电子)，并且相应控制区可以形成用于将电子引导到基板中的检测区的多数载流子电流(例如，空穴电流)。在该实现和其它实现中，控制区可以具有罐形或葫芦形的截面轮廓，以增加多数载流子(例如，p型掺杂区中的空穴)的迁移率。

控制电路400可以控制光源100，使得可以在正确的定时向目标对象1发送光。控制电路400还可以通过操作像素阵列300的单位像素(px)来处理与从目标对象1反射的光相对应的每个像素信号，并且可以测量到目标对象1的表面的距离。

在一些实现中，控制电路400可以包括行解码器410、光源驱动器420、定时控制器430、光栅(photogate)控制器440和逻辑电路450。

行解码器410可以响应于从定时控制器430产生的定时信号来激活像素阵列300的单位像素(px)。例如，行解码器410可以产生能够选择多条行线中的至少一条的控制信号。控制信号可以包括用于控制选择晶体管的选择信号和用于控制传输栅(transfergate)的传输(tx)信号。

光源驱动器420可以响应于来自定时控制器430的控制信号而产生能够操作光源100的时钟信号mls。光源驱动器420可以向光栅控制器440提供时钟信号mls或关于时钟信号mls的信息。

定时控制器430可以产生定时信号以控制行解码器410、光源驱动器420、光栅控制器440和逻辑电路450。

光栅控制器440可以响应于定时控制器430的控制信号而产生光栅控制信号，并且可以将光栅控制信号施加至像素阵列300。尽管图1为了便于描述而仅例示了光栅控制器440，但是代替光栅控制器440或除了光栅控制器440之外，控制电路400可以包括光电二极管控制器，该光电二极管控制器响应于定时控制器430的控制信号而产生多个光电二极管控制信号，然后向像素阵列300发送光电二极管控制信号。

逻辑电路450可以基于定时控制器430的定时信号来处理从像素阵列300接收的像素信号，并且因此可以计算到目标对象1的距离。逻辑电路450可以包括用于对从像素阵列300产生的像素信号执行相关双采样(cds)的相关双采样器(cds)电路。此外，逻辑电路450可以包括用于将cds电路的输出信号转换成数字信号的模数转换器(adc)。

图2例示了基于所公开的技术的一些实现的图1所示的像素阵列300中包含的单位像素的一个示例的平面图和截面图。

在一些实现中，像素阵列300可以包括在第一方向和第二方向上连续布置的单位像素(px)。在一个示例中，第二方向垂直于第一方向。

在一些实现中，像素阵列300可以包括多个子像素阵列(px_s)，其中每个子像素阵列包括相邻的单位像素和多个像素晶体管阵列(tr_s)。

在一个实现中，每个子像素阵列(px_s)可以包括在第一方向上布置的多个单位像素(px)作为一维子像素阵列。每个单位像素(px)可以包括彼此邻近或彼此相邻的一对信号检测器320和330。

基板310可以包括具有或不具有杂质或掺杂材料的半导体基板。例如，基板310可以包括多数载流子为空穴且少数载流子为电子的p型半导体基板。基板310可以包括光入射到其上的第一表面和背对第一表面的第二表面。信号检测器320和330可以形成在第二表面处。

信号检测器320可以包括控制区322和检测区324。另一信号检测器330可以包括控制区332和检测区334。

控制区322和332中的每个可以包括p型杂质区。控制区322和332中的每个可以包括p+扩散区和p阱。控制区322和332可以通过导线联接至行解码器410，并且因此可以经由这样的导线从行解码器410接收解调控制信号。例如，用作不同解调控制信号的不同电平的控制电压可以施加到控制区322和332。多数载流子(例如，空穴)可以通过控制区322和332之间的电势或电压差而向基板310中的低电压区域移动，并且通过入射光在基板310中产生的少数载流子(例如，电子)可以沿与多数载流子电流(空穴电流)相反的方向移动。

检测区324和334中的每个可以包括n型杂质区。检测区324和334中的每个可以包括n+扩散区和n阱。在信号检测器320和330中的每个中，形成为环形的检测区324可以围绕控制区322，并且形成为环形的检测区334可以围绕控制区332。尽管图2通过示例例示了检测区324和334中的每个形成为八边形的环形，但是所公开的技术的范围或精神不限于此，并且每个检测区324或334也可以形成为圆形或任何多边形。另外，检测区324可以在不完全形成环形的情况下不完全围绕控制区322，并且检测区324的至少一部分可以被隔离。检测区334可以具有不完全围绕控制区332的形状，留出检测区334的至少一部分与检测区334的其它部分断开。

当由入射到基板310上的光产生的少数载流子(例如，电子)根据多数载流子电流移动时，检测区324和334可以捕获少数载流子。施加到检测区324和334的电压可以彼此相同。在这种情况下，施加到检测区324和334的电压可以高于施加到控制区322的电压，并且可以小于施加到控制区332的电压。

控制区322和332以及检测区324和334形成在有源区中，有源区可以由器件隔离膜314限定。形成有控制区322和332的有源区以及形成有检测区324和334的另一有源区可以通过器件隔离膜314而彼此隔离。可以通过在由器件隔离膜314隔离的有源区中注入p型杂质或n型杂质来形成控制区322和332以及检测区324和334。器件隔离膜314可以形成为浅沟槽隔离(sti)结构，其中用绝缘材料填充通过将基板310的第二表面蚀刻至预定深度而形成的沟槽。器件隔离膜314可以包括氧化物膜。

如图2的截面图所示，基于所公开的技术的一些实施方式实现的控制区322和332中的每个可以包括：包括顶表面的上部；包括底表面的下部；以及设置在上部和下部之间的中间部。在一些实现中，上部的宽度(w1)可以与下部的宽度(w2)相同或相似，并且中间部的宽度(w3)可以比上部的宽度(w1)和下部的宽度(w2)中的每个窄。在一些实现中，控制区322和332中的每个可以形成为沙漏形。例如，控制区322和332中的每个的上部和下部的水平截面轮廓彼此相同或相似，而控制区322和332中的每个的中间部的水平截面轮廓比控制区322和332中的每个的上部和下部中的每个的水平截面轮廓窄。在实现中，中间部的宽度(w3)可以大约是上部的宽度(w1)和下部的宽度(w2)的一半(w3≒1/2×w1，w3≒1/2×w2)。

如图2所示，检测区324和334中的每个的垂直截面图可以与控制区322和332中的每个的垂直截面图相同。

像素晶体管阵列(tr_s)可以位于在第二方向上与子像素阵列(px_s)相邻。像素晶体管阵列(tr_s)可以包括沿第一方向布置的多个像素晶体管340。像素晶体管阵列(tr_s)中包含的像素晶体管340可以从相邻子像素阵列(px_s)的单位像素(px)中读出像素信号，以向列线输出所读取的像素信号。例如，像素晶体管340可以读出与由检测区324和334所捕获的少数载流子(例如，电子)相对应的像素信号。

像素晶体管340可以包括在第一方向上布置的传输晶体管、复位晶体管、源极跟随器晶体管和选择晶体管。像素晶体管340可以形成在由器件隔离膜314限定的有源区中。

传输晶体管可以联接到检测区324和334，以基于传输控制信号向浮置扩散(fd)区传递由检测区324和334所捕获的电荷载流子。复位晶体管可以基于复位信号来复位浮置扩散(fd)区。源极跟随器晶体管可以产生与浮置扩散(fd)区处的电压电平相对应的像素信号。选择晶体管可以根据选择信号向列线输出从源极跟随器晶体管产生的像素信号。可以通过不同的列线输出与由检测区324所捕获的电荷载流子相对应的像素信号和与由另一检测区334所捕获的电荷载流子相对应的像素信号。可以从行解码器410接收传输控制信号、复位信号和选择信号。

可以在基板310的第一表面上方形成用于允许入射光会聚到基板310上的透镜层(未示出)。透镜层可以包括每单位像素(px)形成的多个微透镜。

可以在基板310的第二表面上方形成导线。每条导线可以包括铝(al)、铜(cu)或钨(w)，或者al、cu和w中的两种或更多种的组合。导线可以联接到控制区322和332、检测区324和334或像素晶体管340。

可以如下面参照附图所讨论地，来检测由入射光在图2所示的单位像素中产生的电子。

在示例场景中，第一控制电压(例如，2v)施加到第一控制区322，第二控制电压(例如，0v)施加到第二控制区332，并且检测电压(例如，1v)施加到第一检测区324和第二检测区334中的每个。

第一控制电压和第二控制电压之间的电压差可以在基板310中创建从第一控制区322到第二控制区332的方向的电场。电场使得与在基板310中创建的多数载流子相对应的空穴从一个位置向另一位置移动，从而使得可以在基板310中形成从第一控制区322流向第二控制区332的空穴电流。

这样的空穴电流可以使得通过这样的入射光在基板310中产生的电子向第一控制区322移动。

在这种情况下，假设控制区322和332中的每个的垂直截面轮廓形成为图2所示的沙漏形，控制区322和332中的每个的电通量密度的变化可以导致基板310的上部中空穴的迁移率程度的增加。

例如，在第一控制区322中，中间部可以具有较小宽度以在中间部中形成较高的电通量密度，并且上部和下部中的每个可以具有较大的宽度以在上部和下部中的每个中形成较低的电通量密度。因此，穿过第一控制区322的电力线可以在穿过具有较高电通量密度的中间部之后穿过具有较低电通量密度的下部。

如上所述，在电力线穿过具有较低电通量密度的下部之后，由电力线产生的电场可以会聚在基板310的上部上。例如，电力线可首先会聚在第一控制区322的中间部上，然后在第一控制区322的下部中广泛地散开，使得由电力线产生的电场可以更大地影响基板310的上部。因此，如图2所示的粗虚线箭头所指示的，空穴电流可以会聚在基板310的上部上。

在这种情况下，空穴在基板310中行进的距离减小，因此电子可以更快地移动至第一控制区322。换句话说，空穴的迁移率(即，移动能力)可以增加，使得能够通过增加这种电子的移动速度来增大传感器的感测速度。

图3a至图3d是例示基于所公开的技术的一些实现的用于形成图2所示的控制区和检测区的方法的截面图。

参照图3a，可以在半导体基板310上方形成掩模图案350，以限定控制区322和332以及检测区324和334。

在一些实现中，掩模图案350可以包括光致抗蚀剂图案。

参照图3b，可以使用掩模图案350作为蚀刻掩模，将基板310蚀刻到预定深度，从而形成器件隔离沟槽352。

在一些实现中，沟槽352被形成为使得沟槽352的深度比每个控制区的高度和每个检测区的高度浅。在一个示例中，沟槽352的深度可以是要形成的每个控制区的高度或要形成的每个检测区的高度的大约一半。换句话说，可以将器件隔离沟槽352蚀刻至预定深度，使得沟槽352的深度大约是控制区322和332中的每个的高度或者检测区324和334中的每个的高度的一半。

参照图3c，可以将设置有沟槽352的基板浸入koh溶液或tmah(四甲基氢氧化铵)溶液中。

如果将基板浸入koh或tmah溶液中，则可以通过koh或tmah溶液蚀刻沟槽352的内表面。在这种情况下，沟槽352可以被蚀刻为使得沟槽352由于蚀刻速度的差异而具有菱形(diamondshape)，该蚀刻速度的差异是由于晶片的结晶方向的不同而引起的。也就是说，菱形沟槽354被形成为限定其中将形成控制区和检测区的有源区356和358。

参照图3d，形成绝缘材料以填充沟槽354，形成器件隔离膜314，并且可以将杂质注入到有源区356和358中。

例如，可以将p型杂质注入到有源区356中以形成控制区322和332。可以将n型杂质注入到有源区358中以形成检测区324和334。

图4是例示基于所公开的技术的其它实现的控制区和检测区的示例的截面图。

尽管信号检测器320和330中包含的控制区322和332中的每个的垂直截面图被例示为具有如图3所示的沙漏形，但是所公开的技术的范围或精神不限于此，并且检测区324'和334'中的至少一些可以具有不同于沙漏形的形状。

举例来说，每个控制区具有沙漏形，以用于由控制区更有效地产生空穴电流。在一些实现中，不产生空穴电流的检测区可以具有不同于沙漏形的形状。

检测区324'和334'中的每个可以具有不对称的垂直截面轮廓，使得每个检测区324'或334'的内表面的垂直截面图不同于每个检测区324'或334'的外表面的垂直截面图。在这种情况下，内表面可以是指与控制区相邻的侧表面，并且外表面可以是指位于比内表面离控制区更远的另一侧表面。

例如，检测区324'和334'中的每个的内表面可以与控制区322和332的侧表面以相同方式形成为其中中间部凹入的凹形。检测区324'和334'中的每个的外表面可以以对角线形成，其中每个检测区324'或334'的外表面在向下方向上逐渐向外侧(即，远离控制区的方向)倾斜。

从以上描述中显而易见的是，根据所公开的技术的实施方式的图像感测装置能够增加capd(电流辅助光子解调器)像素结构中的空穴迁移率，从而增加图像感测装置的光效率。

另外，根据所公开的技术的实施方式的图像感测装置能够通过增加空穴的迁移率来增加感测装置的感测速度。

本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的精神和实质特征的情况下，实施方式可以以不同于本文阐述的方式的其它特定方式来实施。因此，以上实施方式在所有方面被解释为示例性的而非限制性的。本公开的范围应由所附权利要求及其合法等同物来确定，并非由以上描述来确定。此外，落入所附权利要求的含义和等同范围内的全部变型旨在被涵盖于其中。另外，本领域技术人员将理解，在所附权利要求中彼此没有明确引用的权利要求可以组合作为实施方式呈现，或者在提交申请后通过后续修改作为新的权利要求包括进来。

尽管已经描述了许多示例性实施方式，但是应当理解，本领域技术人员可以设计出将落入本公开原理的精神和范围内的大量其它修改和实施方式。具体地，可以对组成部件和/或布置进行在本公开、附图及所附权利要求的范围内的多种变型和修改。除了组成部件和/或布置中的变型和修改之外，替代使用对本领域技术人员也将是显而易见的。