图像感测装置的制作方法

1.本专利文档中公开的技术和实现方式总体涉及图像感测装置。


背景技术：

2.图像感测装置被用在电子装置中以将光学图像转换成电信号。随着汽车、医疗、计算机和通信工业的最近发展，对高度集成的、更高性能的图像传感器的需求在诸如数码相机、可携式摄像机、个人通信系统(pcs)、视频游戏控制台、监视摄像头、医疗微型摄像头、机器人等各种电子装置中迅速增加。


技术实现要素：

3.所公开的技术的各种实施方式涉及一种能够通过调整转换增益来实现低照度和高照度特性的图像感测装置。
4.根据所公开的技术的实施方式，图像感测装置可以包括：像素阵列，其包括多个单位像素块，每个单位像素块包括布置在像素阵列中并且被构造为将光转换成光电荷的多个单位图像感测像素。每个单位像素块可以包括第一子像素块和转换增益电容器，第一子像素块包括被构造为保持光电荷的第一浮置扩散区域和共享第一浮置扩散区域的多个单位图像感测像素，并且转换增益电容器被布置为与第一子像素块的一侧相邻。转换增益电容器可以包括：杂质区域，其联接至接收转换增益信号的输入节点；以及栅极，其被构造为围绕杂质区域并且联接至第一浮置扩散区域，以响应于转换增益信号的改变而改变第一浮置扩散区域的增益。
5.根据所公开的技术的另一实施方式，一种图像感测装置可以包括：至少一个光电转换元件，其被配置为通过转换入射光来生成光电荷；浮置扩散区域，其被配置为存储由至少一个光电转换元件生成的光电荷；至少一个传输晶体管，其被配置为基于传输信号将光电荷传输到浮置扩散区域；以及转换增益电容器，其联接至浮置扩散区域以基于转换增益信号调整与浮置扩散区域相关联的电容以在不同转换增益值之间进行切换。转换增益电容器可以包括：杂质区域，其被配置为接收转换增益信号；以及栅极，其被构造为围绕杂质区域并且联接至浮置扩散区域。
6.应当理解，所公开的技术的前述一般性描述和以下详细描述是例示性和解释性的，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
7.图1是例示基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置的示例布局的示意图。
8.图2是例示基于所公开的技术的一些实现方式的具有8共享像素结构的单位像素块的示例的布局图。
9.图3是例示基于所公开的技术的一些实现方式的图2中所示的单位像素块的示例
的电路图。
10.图4是例示包括在栅极两侧的源极区域/漏极区域的示例金属氧化物半导体(mos)电容器和基于所公开的技术的一些实现方式而实现的包括围绕源极区域/漏极区域的环形栅极的另一示例mos电容器的示意图。
11.图5a是例示基于所公开的技术的一些实现方式的沿着图2中所示的线x-x’截取的单位像素块的示例的截面图。
12.图5b是例示基于所公开的技术的一些实现方式的沿着图2中所示的线y-y’截取的单位像素块的示例的截面图。
具体实施方式
13.本专利文档提供了图像感测装置的实现方式和示例，并且可以实现所公开的特征以在成像应用中实现一个或更多个优点。所公开的技术的一些实现方式提出了能够通过调整转换增益来实现低照度和高照度特性的图像感测装置的设计。
14.图1是例示基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置的示例的框图。
15.参照图1，图像感测装置可以包括像素阵列100、相关双采样器(cds)200、模数转换器(adc)300、缓冲器400、行驱动器500、定时发生器600、控制寄存器700和斜坡信号发生器800。
16.像素阵列100可以包括以包括列和行的矩阵形状布置的多个单位像素块(pb)。每个单位像素块(pb)可以包括被配置为彼此共享浮置扩散区域和像素晶体管的多个单位像素。例如，在一些实现方式中，单位像素块(pb)可以被形成为多像素结构，其中多个单位像素共享提供在单位像素块pb的多个单位像素中生成的光电荷的像素块读出的公共浮置扩散区域、复位晶体管(rx)、输出像素块读出的源极跟随器晶体管(dx)和选择单位像素块的选择晶体管(sx)。传感器中的其余单位像素被类似地分组和构造为像素块，其中每个像素块中的单位像素共享公共电路部。具体地，图2和图3示出了8个相邻单位像素被分组为形成一个单位像素块pb的示例，并且pb中的8个单位像素当中的4个单位像素共享一个浮置扩散区域，并且其余的4个单位像素可以共享另一浮置扩散区域。每个单位像素可以包括用于通过对从外部接收的入射光信号的转换来生成光电荷的光电转换元件。每个单位像素可以包括用于将从光电转换元件生成的光电荷发送至浮置扩散区域的传输晶体管。每个单位像素块(pb)可以包括转换增益电容器以调整转换增益。在这种情况下，如下所述，转换增益电容器可以包括其中源极和漏极被形成为单个公共结并且栅极被形成为围绕公共结的金属氧化物半导体(mos)电容器。单位像素块(pb)可以通过列线将与单位像素的电图像信号相对应的像素信号输出到相关双采样器(cds)200。
17.如上所述，每个单位像素px可以将像素信号输出到相关双采样器(cds)200。cmos图像传感器可以使用相关双采样(cds)通过对像素信号采样两次以去除这两个样本之间的差异来去除像素的不期望的偏移值。在一个示例中，相关双采样(cds)可以通过比较在光信号入射到像素上之前和之后获得的像素输出电压来去除像素的不期望的偏移值，使得能够测量仅基于入射光的像素输出电压。在所公开的技术的一些实施方式中，相关双采样器(cds)200可以依次采样并保持从像素阵列100提供到多条列线中的每一条的图像信号和参考信号的电压电平。例如，相关双采样器(cds)200可以响应于从定时发生器600接收的时钟
信号而执行所接收的像素信号的电压电平和参考电压电平的采样，并且可以将与所接收的像素信号的电压电平和参考电压电平之间的差相对应的模拟信号发送到模数转换器(adc)300。
18.模数转换器(adc)300可以用于将模拟cds信号转换为数字信号。在一些实现方式中，adc 300可以被实现为斜坡比较型adc。斜坡比较型adc可以包括用于将模拟像素信号与诸如斜升或斜降的斜坡信号之类的参考信号进行比较的比较器电路，以及进行计数直到斜坡信号的电压与模拟像素信号匹配的定时器。在所公开的技术的一些实施方式中，adc 300可以将由cds 200针对每一列生成的相关双采样信号转换为数字信号，并且输出数字信号。adc 300可以基于针对每一列的相关双采样信号和从斜坡信号发生器800接收的斜坡信号来执行计数操作和计算操作。以此方式，adc 300可以在生成数字图像数据时消除或减少从成像像素产生的诸如复位噪声之类的噪声。
19.adc 300可以包括多个列计数器。像素阵列100的每一列被联接至列计数器，并且可以通过使用列计数器将从每一列接收的相关双采样信号转换为数字信号来生成图像数据。在所公开的技术的另一实施方式中，adc 300可以包括全局计数器，以使用从全局计数器提供的全局码将对应于列的相关双采样信号转换为数字信号。
20.缓冲器400可以临时保持或锁存从模数转换器(adc)300接收的数字信号中的每一个，可以感测或检测并且放大数字信号中的每一个，并且可以输出经放大的数字信号中的每一个。因此，缓冲器400可以包括存储器(未示出)和感测放大器(未示出)。存储器可以存储计数值，并且计数值可以与多个单位像素px的输出信号相关联。感测放大器可以感测和放大从存储器接收的每个计数值。
21.行驱动器500可以用于响应于定时发生器600的输出信号而驱动像素阵列100。在一些实现方式中，行驱动器500可以选择被布置在像素阵列100的一个或更多个行中的一个或更多个成像像素。行驱动器500可以生成行选择信号以在多个行当中选择一个或更多个行。行解码器500可以依次使能用于复位与至少一个被选行相对应的成像像素的像素复位信号以及针对与至少一个被选行相对应的像素的传输信号。
22.定时发生器600可以生成定时信号以控制行驱动器500、相关双采样器(cds)200、模数转换器(adc)300和斜坡信号发生器800。
23.控制寄存器700可以生成控制信号以控制斜坡信号发生器800、定时发生器600和缓冲器400。
24.斜坡信号发生器800可以响应于控制寄存器700的控制信号和从定时发生器600接收的定时信号而生成斜坡信号，并且可以将斜坡信号输出到模数转换器(adc)300。
25.图2是例示基于所公开的技术的一些实现方式的具有形成8共享像素结构的8个相邻单位像素的单位像素块(pb)的特定实现方式的示例的布局图。图3是例示图2中的特定示例实现方式中所示的单位像素块(pb)的等效电路的电路图。
26.参照图2和图3，每个单位像素块(pb)可以包括多个单位像素px1至px8、多个浮置扩散区域fd1和fd2、源极跟随器晶体管dx、选择晶体管sx、复位晶体管rx和转换增益电容器110。
27.在一些实现方式中，转换增益电容器110可以是联接至浮置扩散区域的附加电容器。双转换增益电容器可以用于调整浮置扩散区域的转换增益。例如，图像感测装置可以包
括双转换增益电容器，其被选择性地切换为启用和停用以将相应的图像感测像素置于低增益模式或高增益模式。
28.单位像素px1、px2、px3、px4、px5、px6、px7和px8可以分别包括光电转换元件pd1、pd2、pd3、pd4、pd5、pd6、pd7和pd8以及传输晶体管tx1、tx2、tx3、tx4、tx5、tx6、tx7和tx8。这里，光电转换元件pd1至pd8中的每一个可以响应入射光而生成光电荷。如图2中所例示的，四个传输晶体管tx1至tx4可以响应于传输(tx)信号而将由对应的光电转换元件pd1至pd4生成的光电荷发送至它们共享的公共浮置扩散区域fd1，并且四个传输晶体管tx5至tx8可以响应于传输(tx)信号而将由对应的光电转换元件pd5至pd8生成的光电荷发送至浮置扩散区域fd2。单位像素px1可以包括光电转换元件pd1和响应于传输信号而将由光电转换元件pd1生成的光电荷发送至浮置扩散区域fd1的传输晶体管tx1。单位像素px2可以包括光电转换元件pd2和响应于传输信号而将由光电转换元件pd2生成的光电荷发送至浮置扩散区域fd1的传输晶体管tx2。单位像素px3可以包括光电转换元件pd3和响应于传输信号而将由光电转换元件pd3生成的光电荷发送至浮置扩散区域fd1的传输晶体管tx3。单位像素px4可以包括光电转换元件pd4和响应于传输信号而将由光电转换元件pd4生成的光电荷发送至浮置扩散区域fd1的传输晶体管tx4。单位像素px5可以包括光电转换元件pd5和响应于传输信号而将由光电转换元件pd5生成的光电荷发送至浮置扩散区域fd2的传输晶体管tx5。单位像素px6可以包括光电转换元件pd6和响应于传输信号而将由光电转换元件pd6生成的光电荷发送至浮置扩散区域fd2的传输晶体管tx6。单位像素px7可以包括光电转换元件pd7和响应于传输信号而将由光电转换元件pd7生成的光电荷发送至浮置扩散区域fd2的传输晶体管tx7。单位像素px8可以包括光电转换元件pd8和响应于传输信号而将由光电转换元件pd8生成的光电荷发送至浮置扩散区域fd2的传输晶体管tx8。
29.光电转换元件pd1至pd8中的每一个可以包括光电二极管。在一些实现方式中，光电转换元件pd1至pd8中的每一个可以包括p型杂质区域和n型杂质区域。例如，可以通过垂直层叠p型杂质区域和n型杂质区域在基板中形成光电转换元件pd1至pd8中的每一个。
30.浮置扩散区域fd1和fd2中的每一个可以被形成在基板的上部中。浮置扩散区域fd1可以临时存储通过传输晶体管tx1至tx4接收的光电荷。浮置扩散区域fd2可以临时存储通过传输晶体管tx5至tx8接收的光电荷。浮置扩散区域fd1和浮置扩散区域fd2可以通过导线(例如，金属线)彼此联接，以实现用于收集由像素块pb中的光电转换元件pd1、pd2、pd3、pd4、pd5、pd6、pd7和pd8生成的光电荷的单个浮置扩散区域。另外，浮置扩散区域fd1和fd2可以通过导线联接至源极跟随器晶体管dx的栅极和复位晶体管rx的源极区域/漏极区域。
31.传输晶体管tx1至tx4可以联接至对应的光电转换元件pd1至pd4和浮置扩散区域fd1。传输晶体管tx5至tx8可以联接至对应的光电转换元件pd5至pd8和浮置扩散区域fd2。例如，传输晶体管tx1、tx2、tx3或tx4的一个端子可以联接至光电转换元件pd1、pd2、pd3或pd4，并且传输晶体管tx1、tx2、tx3或tx4的另一端子可以联接至浮置扩散区域fd1，并且传输晶体管tx1、tx2、tx3或tx4可以响应于施加到传输栅极的传输信号而将由光电转换元件pd1、pd2、pd3或pd4生成的光电荷发送至浮置扩散区域fd1。传输晶体管tx5、tx6、tx7或tx8的一个端子可以联接至光电转换元件pd5、pd6、pd7或pd8，并且传输晶体管tx5、tx6、tx7或tx8的另一端子可以联接至浮置扩散区域fd2，并且传输晶体管tx5、tx6、tx7或tx8可以响应于施加到传输栅极的传输信号而将由光电转换元件pd5、pd6、pd7或pd8生成的光电荷发送
至浮置扩散区域fd2。
32.在一些实现方式中，多个单位像素px1至px8以及浮置扩散区域fd1和fd2可以被布置为使得四个单位像素围绕浮置扩散区域。在一个示例中，单位像素px1至px4在彼此间隔开预定距离的同时围绕浮置扩散区域fd1，并且单位像素px5到px8在彼此间隔开预定距离的同时围绕浮置扩散区域fd2。
33.在下面的描述中，浮置扩散区域fd1和围绕浮置扩散区域fd1的四个单位像素px1至px4被称为子像素块pb_s1，并且浮置扩散区域fd2和围绕浮置扩散区域fd2的四个单位像素px5至px8被称为子像素块pb_s2。
34.在一些实现方式中，单位像素块(pb)可以包括在y轴方向上彼此间隔开预定距离的子像素块pb_s1和pb_s2。子像素块pb_s1和pb_s2可以以相同(或相似)的方式布置，并且具有彼此相同(或相似)的尺寸。
35.在一些实现方式中，源极跟随器晶体管dx和选择晶体管sx彼此联接，并且源极跟随器晶体管dx联接至浮置扩散fd区域fd1和fd2。在一个示例中，源极跟随器晶体管dx和选择晶体管sx可以被布置为与子像素块pb_s1相邻(例如，沿着子像素块pb_s1的一侧)。在一些实现方式中，源极跟随器晶体管dx和选择晶体管sx可以在共享有源区域的同时彼此串联联接并且如图2中所例示沿x轴方向布置。源极跟随器晶体管dx的一个端子(例如，源极区域或漏极区域)可以联接至像素电压(v
p
)节点，并且选择晶体管sx的一个端子(例如，源极区域或漏极区域)可以联接至输出节点(out)。换句话说，源极跟随器晶体管dx和选择晶体管sx可以串联联接在像素电压(v
p
)节点和输出节点(out)之间。源极跟随器晶体管dx的栅极可以联接至浮置扩散区域fd1和fd2。
36.在一些实现方式中，复位晶体管rx和转换增益电容器110可以形成在与其中形成源极跟随器晶体管dx和选择晶体管sx的区域不同的区域中。在一个示例中，复位晶体管rx和转换增益电容器110可以被布置在子像素块pb_s1和pb_s2之间(例如，沿着子像素块pb_s1的另一侧)。这里，复位晶体管rx和转换增益电容器110可以在x轴方向上彼此间隔开预定距离。在一个示例中，复位晶体管rx和转换增益电容器110通过形成在通过蚀刻基板而形成的沟槽中的器件隔离结构而隔离。在另一示例中，复位晶体管rx和转换增益电容器110可以由通过将杂质注入到基板中而形成的杂质区域(例如，结隔离结构)来隔离。这种结隔离结构可以用于将转换增益电容器110与复位晶体管rx，其它晶体管tx、dx和sx以及浮置扩散区域fd1和fd2隔离。
37.转换增益电容器110可以形成为包括mos电容器。在一些实现方式中，转换增益电容器110可以包括一个集成杂质区域(即，类似于晶体管的源极区域或漏极区域的掺杂半导体区域)114和形成为围绕杂质区域(源极区域或漏极区域)114的栅极112。在一个示例中，栅极112可以被形成为环形形状。在另一示例中，栅极112可以形成为矩形环状。
38.在示例中，mos电容器的源极区域/漏极区域可以通过经由导线电连接形成在栅极两侧的源极区域/漏极区域而形成。在所公开的技术的一些实现方式中，转换增益电容器110的源极区域/漏极区域可以形成为单个集成杂质区域114，并且转换增益电容器110的栅极112可以具有围绕集成杂质区域(源极区域或漏极区域)114的环形形状。以此方式，与源极区域/漏极区域在栅极两侧的mos电容器相比，mos电容器可以在相对更小或更窄的区域中形成。
39.图4是例示包括在栅极两侧的源极区域/漏极区域的示例mos电容器和包括基于所公开的技术的一些实现方式而实现的围绕源极区域/漏极区域的环形形状栅极的另一示例mos电容器的示意图。
40.参照图4，针对相邻器件之间的器件隔离，相邻器件之间的距离应该足够长。例如，相邻晶体管的源极区域/漏极区域应该彼此间隔开至少预定距离。在一些实现方式中，为了便于描述，下文中将相邻晶体管的源极区域/漏极区域之间的距离被定义为最小间隔距离。在其中杂质用于器件隔离的结隔离结构中，这种最小间隔距离可能会进一步增加长度。
41.然而，如果如上所述栅极被构造为围绕源极区域/漏极区域，则可以充分地保持最小间隔距离，并且栅极的形成区域可以在尺寸上扩展。因此，基于所公开的技术的一些实现方式的mos电容器可以具有更大的电容。换句话说，在一些实现方式中，如果形成具有相同电容的mos电容器，那么mos电容器中的每一个的尺寸可以相对较小，使得mos电容器也可以形成在更小或更窄的区域中。
42.转换增益电容器110的栅极112可以包括诸如多晶硅或金属之类的导电材料。杂质区域114可以被构造为通过导线接收转换增益信号(s
dcg
)。因此，杂质区域114可以联接至输入节点以通过其接收转换增益信号(s
dcg
)。栅极112通过导线联接至浮置扩散区域fd1和fd2以及复位晶体管rx的源极区域/漏极区域。在这种设计下，浮置扩散区域fd1和fd2以及转换增益电容器110共同构成有效的单个公共浮置扩散节点cfd。在一些实现方式中，转换增益电容器110可以用于基于对施加到转换增益电容器110的杂质区域114的转换增益信号(s
dcg
)的调整来调整公共浮置扩散节点cfd的电容。由于公共浮置扩散节点cfd可以具有如上所述的不同电容中的一个，因此可以通过调整图像感测装置的转换增益来将基于所公开的技术的一些实施方式而实现的图像感测装置置于低增益模式或高增益模式中。
43.复位晶体管rx可以响应于复位信号而将浮置扩散区域fd1和fd2中的每一个初始化为像素电压(v
p
)电平。
44.在图2中以示例的方式示出了形成源极跟随器晶体管dx和选择晶体管sx的位置以及形成复位晶体管rx和转换增益电容器110的位置。在另一实现方式中，复位晶体管rx和转换增益电容器110也可以沿着y轴方向形成在子像素块pb_s1的一个区域中，并且源极跟随器晶体管dx和选择晶体管sx也可以形成在位于与形成复位晶体管rx和转换增益电容器110的一个区域相对的另一区域(即，子像素块pb_s1和pb_s2之间的区域)中。在一些实现方式中，在单位像素块(pb)中，晶体管dx、sx和rx以及转换增益电容器110也可以沿着x轴方向形成在子像素块pb_s1和pb_s2的一个区域中。
45.尽管上面讨论的转换增益电容器110在8个共享像素当中，但是应当注意，转换增益电容器110也可以在4个共享像素当中。例如，每个单位像素块(pb)可以包括像素晶体管dx、sx和rx，转换增益电容器110和子像素块pb_s1。
46.图5a是例示沿着图2所示的线x-x’截取的单位像素块的示例的截面图。图5b是例示沿着图2所示的线y-y’截取的单位像素块的示例的截面图。
47.参照图5a和图5b，包括单位像素块(pb)的基板10可以包括第一表面和面向第一表面或与第一表面相对的第二表面。
48.在一些实现方式中，转换增益电容器110和复位晶体管rx可以在基板10的第一表面上设置在子像素块pb_s1和pb_s2之间。转换增益电容器110可以包括在基板10的第一表
面处形成的延伸到基板10的第一表面下方的一定深度的杂质区域114以及形成为围绕杂质区域114的栅极112。尽管由于图5a和图5b示出了截面所以图5a和图5b中的每一个中所示的栅极112彼此分离，但是应当注意，每个栅极112也可以是图2中所示的环形栅极的一部分。复位晶体管rx的源极区域132和漏极区域134可以在基板10的第一表面处形成为延伸到基板10的第一表面下方的一定深度。
49.转换增益电容器110和复位晶体管rx可以通过器件隔离结构120彼此分离。在这种情况下，器件隔离结构120可以包括通过将p型杂质注入到基板10的上部中而形成的结隔离结构。
50.尽管在图5a和图5b中未示出，但是其中形成晶体管tx、dx和sx的有源区域也可以通过结隔离结构彼此隔离。因此，在一些实现方式中，可以不在单位像素块(pb)中形成能够将转换增益电容器110和晶体管tx、dx、sx和rx彼此隔离的沟槽形器件隔离结构。
51.如从以上描述显而易见的，基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置能够通过调整转换增益将图像感测装置置于高增益模式或低增益模式来在低照度模式和高照度模式之间进行切换。在调整转换增益时，基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置使用包括围绕源极区域/漏极区域的环形栅极的转换增益mos电容器，从而在不增加转换增益mos电容器的尺寸的情况下增加电容。
52.尽管已经描述了多个例示性实施方式，但是应当理解，可以基于本专利文档中描述和/或示出的内容来设计所公开的实施方式和其它实施方式的各种修改。
53.相关申请的交叉引用
54.本专利文档要求于2020年8月13日提交的韩国专利申请第10-2020-0101719号的优先权和权益，其全部内容作为本专利文档公开的一部分通过引用并入本文。