用于圖像傳感器的光敏電容器像素的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本申請(qǐng)案涉及用于圖像傳感器的光敏電容器像素。揭示一種圖像傳感器像素及圖像傳感器以及制造圖像傳感器像素及圖像傳感器的方法。所述圖像像素包含光敏電容器及晶體管網(wǎng)絡(luò)。所述光敏電容器包含電極、導(dǎo)電層、電介質(zhì)層以及光敏半導(dǎo)體材料。所述導(dǎo)電層被安置在所述電極周?chē)?，且所述電介質(zhì)層形成于所述導(dǎo)電層與所述電極之間。所述光敏半導(dǎo)體材料是用于響應(yīng)于圖像光產(chǎn)生圖像信號(hào)且被安置于所述電介質(zhì)層與所述電極之間。所述晶體管網(wǎng)絡(luò)經(jīng)耦合以從所述光敏電容器的所述電極讀出所述圖像信號(hào)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
用于圖像傳感器的光敏電容器像素
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明大體上涉及圖像感測(cè)，且更特定來(lái)說(shuō)涉及作為圖像傳感器內(nèi)的像素的光敏 電容器。
【背景技術(shù)】
[0002] 圖像傳感器是一種將光(呈光學(xué)圖像的形式)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)的電子裝置。現(xiàn)代圖 像傳感器通常為半導(dǎo)體電荷耦合裝置（"CCD"）或使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（"CMOS"）技術(shù) 制造的有源像素傳感器。
[0003] 在許多現(xiàn)代電子裝置中CMOS圖像傳感器已經(jīng)變得無(wú)處不在。手機(jī)、膝上型計(jì)算機(jī) 及相機(jī)都可利用CMOS圖像傳感器作為主要的圖像/光檢測(cè)方法。裝置制造者正努力減小成 本及提高圖像傳感器的性能以滿足零售及商業(yè)需求?，F(xiàn)有CMOS圖像傳感器制造與標(biāo)準(zhǔn)CMOS 制造過(guò)程不同，其給制造圖像傳感器添加了額外的步驟、時(shí)間及成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明一方面涉及一種圖像傳感器像素，其包括:光敏電容器，其包括:沿著軸延 伸的電極;安置在所述電極周?chē)膶?dǎo)電層；電介質(zhì)層，其形成于所述導(dǎo)電層與所述電極之間 使得所述導(dǎo)電層不接觸所述電極；以及光敏半導(dǎo)體材料，其用于響應(yīng)于圖像光產(chǎn)生圖像信 號(hào)，其中所述光敏半導(dǎo)體材料安置于所述電介質(zhì)層與所述電極之間；以及晶體管網(wǎng)絡(luò)，其經(jīng) 耦合以從所述光敏電容器的所述電極讀出所述圖像信號(hào)。
[0005] 在本發(fā)明的另一方面，一種圖像傳感器包括:具有前側(cè)及背側(cè)的半導(dǎo)體襯底層;沿 著所述半導(dǎo)體襯底層的所述前側(cè)耦合的互連層；用于捕獲圖像的像素陣列，其中所述像素 陣列中的每一像素包含晶體管網(wǎng)絡(luò)及光敏電容器，且其中沿著所述半導(dǎo)體襯底層的所述前 側(cè)安置所述晶體管網(wǎng)絡(luò)，且所述光敏電容器安置于所述互連層內(nèi)且經(jīng)定位以成為前側(cè)照明 的，所述光敏電容器包括:沿著軸延伸的電極，導(dǎo)電層安置在所述電極的周?chē)?；形成于所?導(dǎo)電層與所述電極之間的電介質(zhì)層；以及光敏半導(dǎo)體材料，其用于響應(yīng)于圖像光產(chǎn)生圖像 信號(hào)，其中所述光敏半導(dǎo)體材料安置于所述電介質(zhì)層與所述電極之間，所述晶體管網(wǎng)絡(luò)經(jīng) 耦合以從所述光敏電容器的所述電極讀出所述圖像信號(hào)。
[0006] 在本發(fā)明的另一方面，一種制造用于圖像傳感器的像素陣列的方法包括:沿著半 導(dǎo)體襯底的前側(cè)在所述半導(dǎo)體襯底層中形成晶體管網(wǎng)絡(luò);針對(duì)所述像素陣列中的每個(gè)像素 形成接觸元件，其中每一接觸元件電耦合到所述晶體管網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的晶體管;在所述半導(dǎo)體襯 底層的所述前側(cè)上方形成互連層，其中所述互連層是用于協(xié)助控制所述晶體管網(wǎng)絡(luò)，且其 中所述互連層包含覆蓋所述接觸元件的電介質(zhì)；在所述互連層中形成腔，其中在所述接觸 元件上方形成所述腔;沿著所述腔的腔壁形成導(dǎo)電層;在所述腔內(nèi)的所述導(dǎo)電層上方形成 電介質(zhì)層;在所述腔內(nèi)且在所述電介質(zhì)層上方沉積光敏半導(dǎo)體材料;在所述接觸元件上方 形成電極腔，其中所述電極腔延伸到所述接觸元件;運(yùn)用導(dǎo)電材料至少局部填充所述電極 腔以形成電極，其中所述電極、所述導(dǎo)電層及所述光敏半導(dǎo)體材料形成光敏電容器，所述光 敏電容器經(jīng)配置以響應(yīng)于圖像光而改變由所述接觸元件接收的圖像信號(hào)。
【附圖說(shuō)明】
[0007] 參考以下圖式描述本發(fā)明的非限制及非詳盡實(shí)施例，其中貫穿各種視圖相似的元 件符號(hào)指代相似部件，除非另有說(shuō)明。
[0008] 圖1為示意性說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例的框圖，所述成像 系統(tǒng)包含像素陣列，所述像素陣列包含光敏電容器像素。
[0009] 圖2說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包含于像素中的光敏電容器的一個(gè)實(shí)例。
[0010]圖3A到31展示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于制造光敏電容器像素的實(shí)例過(guò)程。
[0011] 圖4說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的耦合到包含于像素中的晶體管的柵極的光敏電容 器的一個(gè)實(shí)例。
[0012] 圖5展示在像素中使用低溫多晶硅及透明電極的現(xiàn)有方法的示意模型。
[0013] 圖6說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包含光敏電容器的像素的示意模型。
[0014] 圖7A到B說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包含耦合到像素的晶體管的柵極的光敏電容 器的像素的示意模型。
[0015] 圖7C說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于操作圖7A中說(shuō)明的像素的實(shí)例時(shí)序圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 本文中描述圖像傳感器像素及包含光敏電容器的圖像傳感器的實(shí)施例。在本發(fā)明 中還描述制造及操作包含光敏電容器的像素的方法。在以下描述中，陳述眾多特定細(xì)節(jié)以 提供對(duì)實(shí)施例的詳盡理解。然而，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可無(wú)需運(yùn)用所述特定細(xì)節(jié) 中的一或多者或運(yùn)用其它方法、組件、材料等等而實(shí)踐本文中描述的技術(shù)。在其它情況中， 未詳細(xì)展示或描述眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作以避免使某些方面模糊。
[0017] 貫穿此說(shuō)明書(shū)對(duì)"一個(gè)實(shí)施例"、"實(shí)施例"的參考意味著與所述實(shí)施例相結(jié)合而描 述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，貫穿此說(shuō)明書(shū)在多個(gè) 地方出現(xiàn)短語(yǔ)例如"在一個(gè)實(shí)施例中"或"在實(shí)施例中"并不一定都指代相同的實(shí)施例。此 外，在一或多個(gè)實(shí)施例中特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性可以任何合適的方式組合。
[0018] 圖1為示意性說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像系統(tǒng)100的一個(gè)實(shí)例的框圖，成像系 統(tǒng)100包含光敏電容器像素的像素陣列102。成像系統(tǒng)100包含像素陣列102、控制電路108、 讀出電路104及功能邏輯106。如所描繪的實(shí)例中展示，成像系統(tǒng)100包含耦合到控制電路 108的像素陣列102及讀出電路104。讀出電路104耦合到功能邏輯106?？刂齐娐?08耦合到 像素陣列1 〇 2以控制像素陣列10 2的操作特性以便捕獲通過(guò)由像素陣列10 2接收的圖像光產(chǎn) 生的圖像。舉例來(lái)說(shuō)，控制電路108可產(chǎn)生用于控制圖像采集的一快門(mén)信號(hào)或多個(gè)快門(mén)信 號(hào)。
[0019] 在一個(gè)實(shí)例中，像素陣列102為圖像傳感器或像素110(舉例來(lái)說(shuō)，像素P1、P2…… Pn)的二維(2D)陣列。在一個(gè)實(shí)例中，每一像素110包含光敏電容器，其耦合到晶體管以協(xié)助 讀出。如說(shuō)明，每一像素110被布置成行(舉例來(lái)說(shuō)，行R1到Ry)及列(舉例來(lái)說(shuō)，列C1到Cx)以 采集個(gè)人、位置、物體等等的圖像數(shù)據(jù)，接著可使用所述圖像數(shù)據(jù)再現(xiàn)所述個(gè)人、位置、物體 等等的圖像。
[0020] 在一個(gè)實(shí)例中，在每一像素110已采集其圖像數(shù)據(jù)或圖像電荷之后，接著由讀出電 路104通過(guò)讀出列112讀出圖像數(shù)據(jù)且將其轉(zhuǎn)移到功能邏輯106。在各種實(shí)例中，讀出電路 104可包含放大電路、模/數(shù)(ADC)轉(zhuǎn)換電路或其它。功能邏輯106可簡(jiǎn)單存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)或甚 至通過(guò)應(yīng)用后圖像效果(舉例來(lái)說(shuō)，剪裁、旋轉(zhuǎn)、消除紅眼、調(diào)整亮度、調(diào)整對(duì)比度或其它)操 縱所述圖像數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)例中，讀出電路104可沿著讀出列線一次讀出一行圖像數(shù)據(jù)（已 說(shuō)明），或可使用例如串行讀出或同時(shí)全并行讀出所有像素的多種其它技術(shù)(未說(shuō)明）來(lái)讀 出所述圖像數(shù)據(jù)。
[0021] 圖2說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包含于像素210中的光敏電容器230的實(shí)例的橫截 面。像素210為像素110的一個(gè)實(shí)例。像素210包含光敏電容器230,光敏電容器230包含電極 235、導(dǎo)電層233、電介質(zhì)層232及光敏半導(dǎo)體材料231。電極235用作光敏電容器230的一個(gè)導(dǎo) 體或"板"，且導(dǎo)電層233用作光敏電容器230的第二導(dǎo)體或"板"。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電層 233成形為像一根管。電介質(zhì)層232使導(dǎo)電層233從光敏半導(dǎo)體材料231隔離，光敏半導(dǎo)體材 料231安置于電極235與電介質(zhì)層232之間。在一個(gè)實(shí)施例中，光敏半導(dǎo)體材料231包含低溫 多晶硅。在一個(gè)實(shí)施例中，光敏半導(dǎo)體材料231包含非晶多晶硅。非晶多晶硅通常阻斷大于 650nm的波長(zhǎng)。使用非晶多晶硅作為光敏半導(dǎo)體材料231可能允許消除像素410上方的紅外 濾波器以拒絕非可見(jiàn)光譜以上的光。導(dǎo)電層233可為金屬，例如氮化鈦（"TiN"）或氮化鉭 ("TaN"）。
[0022]在操作上，光敏半導(dǎo)體材料231沿著電極235沿著其延伸的軸接收?qǐng)D像光205。圖像 光205可在遇到光敏半導(dǎo)體材料231之前傳播通過(guò)鈍化層243。圖像光205還可在遇到光敏半 導(dǎo)體材料231之前穿過(guò)未知的額外光學(xué)器件(舉例來(lái)說(shuō)，透鏡)及濾波器(舉例來(lái)說(shuō)，彩色濾 光器）。光敏半導(dǎo)體材料231響應(yīng)于接收?qǐng)D像光205產(chǎn)生呈光電子形式的圖像信號(hào)。所述光電 子經(jīng)由電極235(且在所說(shuō)明的實(shí)施例中經(jīng)由金屬連接件236)流動(dòng)到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)221。在曝光 持續(xù)時(shí)間（又稱(chēng)為"積分時(shí)期"）之后，由電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)221中的圖像信號(hào)產(chǎn)生的圖像電荷可 被轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)漏極223且最終由讀出電路讀出。轉(zhuǎn)移晶體管641包含柵極227、電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn) 221及浮動(dòng)擴(kuò)散223。為了將圖像電荷從電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)221轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散223,通過(guò)將電壓 施加到柵極227激活轉(zhuǎn)移晶體管641。通常，負(fù)電壓將激活P型晶體管而正電壓(超過(guò)閾值電 壓)將激活N型晶體管。
[0023]在圖2中，沿著半導(dǎo)體襯底280的前側(cè)281安置轉(zhuǎn)移晶體管641。前側(cè)281與半導(dǎo)體襯 底280的背側(cè)282相對(duì)。半導(dǎo)體襯底280可為P摻雜硅，且存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)221及浮動(dòng)擴(kuò)散223可為N摻 雜的。圖2展示像素210為前側(cè)照明像素，且所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可將包含于像素陣列210中 的圖像傳感器視為前側(cè)照明圖像傳感器，因?yàn)閳D像光205將在遇到背側(cè)282之前遇到襯底 280的前側(cè)281。相比之下，背側(cè)照明圖像傳感器通常薄化半導(dǎo)體襯底的背側(cè)，使得存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn) 221(用作光電二極管)從經(jīng)薄化的半導(dǎo)體襯底的背側(cè)接收?qǐng)D像光。具有常規(guī)光電二極管像 素的背側(cè)照明圖像傳感器通常提供比具有常規(guī)光電二極管像素的前側(cè)照明圖像傳感器好 的光學(xué)效率，因?yàn)閳D像光無(wú)須行進(jìn)通過(guò)吸收一部分圖像光的互連層（用于控制光電二極管 的讀出）。
[0024]在圖2中，圖像光205無(wú)須通過(guò)互連層行進(jìn)到光電二極管。實(shí)情是，圖像光205遇到 光敏電容器230的光敏半導(dǎo)體材料231，而無(wú)需行進(jìn)通過(guò)包含金屬層251、252及層間電介質(zhì) 290的互連層。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，電極235沿著軸延伸且光敏半導(dǎo)體材料231被同軸安置 在電極235周?chē)?。在一個(gè)實(shí)施例中，電極235為圓柱形的，盡管在其它實(shí)施例中其可被不同地 成形。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，光敏半導(dǎo)體材料231被成形為集中在電極沿其延伸的軸周?chē)?倒截錐。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，所述倒截錐的較寬端經(jīng)定位以接收?qǐng)D像光205。較寬端與最 靠近電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)221的所述倒截錐的較窄端相對(duì)。
[0025]在一個(gè)實(shí)施例中，電極235由高度摻雜(N+)的低溫多晶硅組成。在另一實(shí)施例中， 電極235為金屬。在一個(gè)實(shí)施例中，電介質(zhì)層232為高K電介質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施例中，電介質(zhì)層 232為具有固定的負(fù)電荷的帶負(fù)電荷的材料。負(fù)電荷層可誘導(dǎo)電介質(zhì)層232與光敏半導(dǎo)體材 料231的界面處的耗盡區(qū)，此將防止光生電子過(guò)濾進(jìn)入電介質(zhì)層中。實(shí)情為，光生電子將更 可能朝向電極235流動(dòng)且最終進(jìn)入電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)221中。當(dāng)然，電介質(zhì)層232還用作導(dǎo)電層 233與光敏半導(dǎo)體材料231之間的非導(dǎo)電緩沖層。在一個(gè)實(shí)施例中，針對(duì)負(fù)電荷層使用鉿鋁 氧化物。
[0026]圖3A到31展示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于制造光敏電容器像素210的實(shí)例過(guò)程。 應(yīng)理解，所揭示的用以制造一個(gè)像素的技術(shù)可用以在半導(dǎo)體襯底上制造光敏電容器像素陣 列。
[0027]圖3A展示可為P摻雜硅的半導(dǎo)體襯底280。支撐每一像素的晶體管網(wǎng)絡(luò)形成于襯底 280中，盡管圖3A中并未展示所有晶體管。下文將結(jié)合圖6及7A論述晶體管網(wǎng)絡(luò)且其可取決 于所實(shí)施的特定實(shí)施例而不同。晶體管641包含存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)221、柵極227及浮動(dòng)擴(kuò)散223?？墒?用常規(guī)方法沿著襯底280的前側(cè)281形成存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)221、柵極227及浮動(dòng)擴(kuò)散223以形成CMOS 晶體管(舉例來(lái)說(shuō)，擴(kuò)散或植入）。也可沿著襯底280的前側(cè)281形成晶體管網(wǎng)絡(luò)中的其它晶 體管（圖3A中未展示）。
[0028]在所說(shuō)明的實(shí)施例中，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)221包含P釘扎層262,其可減小襯底280與形成于 圖3B中的層間電介質(zhì)290之間的界面處的暗電流。接觸層261形成于存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)221中。與存儲(chǔ) 節(jié)點(diǎn)221的N-摻雜相比，接觸層261可為N+摻雜的。
[0029]圖3B展示在實(shí)例制造過(guò)程中的下一階段。在圖3B中，高K電介質(zhì)層263形成在電荷 存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)221上方且互連層形成在半導(dǎo)體襯底280的前側(cè)281上。互連層協(xié)助控制像素晶體 管網(wǎng)絡(luò)以讀出光敏電容器?；ミB層包含金屬層251及252,也包含層間電介質(zhì)290。接觸元件 236經(jīng)形成以連接到接觸層261。接觸元件236可經(jīng)形成作為第一金屬層251的形成部分。在 圖3B中，接觸元件236包含向下延伸到接觸層261的變黑的矩形。在接觸元件236形成之后， 層間電介質(zhì)290形成在接觸元件236上方。在層間電介質(zhì)290形成在金屬層上方之后，腔293 形成于接觸元件236上方的層間電介質(zhì)290中。
[0030]圖3C展示實(shí)例制造過(guò)程中的另一階段。在圖3C中，導(dǎo)電層233被沉積于腔293中、腔 293的側(cè)壁上以及層間電介質(zhì)290上。在一些實(shí)施例中，在導(dǎo)電層233前形成薄緩沖電介質(zhì)層 (未展示），使得導(dǎo)電層233形成在薄緩沖電介質(zhì)層上。在圖3D中，將導(dǎo)電層233的底部部分從 腔293的底板移除。舉例來(lái)說(shuō)，可通過(guò)圖案化蝕刻移除導(dǎo)電層233的底部部分。在圖3E中，電 介質(zhì)層232形成在腔293內(nèi)的導(dǎo)電層233上方。
[0031]在圖3F中，在腔內(nèi)且在電介質(zhì)層232上方形成光敏半導(dǎo)體材料231。在一個(gè)實(shí)施例 中，光敏半導(dǎo)體材料231為低溫多晶硅。當(dāng)多晶硅形成時(shí)，第一沉積部分可包含比隨后沉積 部分高的摻雜濃度(在一個(gè)實(shí)例中為P摻雜）。此導(dǎo)致具有梯度的低溫多晶硅沿著沿著電介 質(zhì)層232的光敏半導(dǎo)體材料231的外部部分具有增加的摻雜濃度。導(dǎo)電層233可為反射的以 將所接收的圖像光205重新引導(dǎo)到光敏半導(dǎo)體材料231中。
[0032] 在圖3G中，電極腔237形成在接觸元件236上方。在圖3G中，電極腔237通過(guò)層間電 介質(zhì)290、電介質(zhì)232以及光敏半導(dǎo)體材料231延伸到接觸元件236。
[0033]在圖3H中，電極腔237填充有導(dǎo)電材料以形成電極235。在其它實(shí)施例中，腔237可 僅經(jīng)局部填充以形成電極235。在所說(shuō)明的過(guò)程中，腔237界定電極235的形狀。腔237及電極 235可為圓柱形。電極235可為金屬或N+多晶硅。在電極235形成于電極腔237中之后，頂部電 介質(zhì)層243形成在導(dǎo)電層233、光敏半導(dǎo)體材料231及電介質(zhì)層232上方。
[0034]圖31展示制造過(guò)程中的下一階段。在圖31中，接合墊層253及遮光元件241形成在 頂部電介質(zhì)層243上方?？蓮南嗤慕饘賹訄D案化接合墊層253及遮光元件241。可通過(guò)頂部 電介質(zhì)層243形成導(dǎo)電通孔247以將電信號(hào)(舉例來(lái)說(shuō)，偏置電壓)提供到導(dǎo)電層233。
[0035]圖5展示在像素501中使用低溫多晶硅及透明電極的現(xiàn)有方法的示意性模型。在像 素501中，模型化為二極管的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)（SN)耦合到轉(zhuǎn)移晶體管TX以讀出光電二極管。具有透 明導(dǎo)電電極的多晶硅形成也耦合到轉(zhuǎn)移晶體管的肖特基(Schottky)二極管。當(dāng)圖像光遇到 多晶硅時(shí)，由多晶硅產(chǎn)生的光電子影響存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的圖像電荷，可接著由轉(zhuǎn)移晶體管將圖 像電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散。
[0036]與圖5相比，圖6說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包含光敏電容器230的像素601的示意 性模型。像素601包含耦合到轉(zhuǎn)移晶體管641的光敏電容器230。轉(zhuǎn)移晶體管641包含電荷存 儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)221及浮動(dòng)擴(kuò)散223。電極235/236耦合到電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)221。電極235/236為光敏電容 器230的一個(gè)"板"，且導(dǎo)電層233為光敏電容器230的另一"板"。當(dāng)光敏電容器230接收?qǐng)D像 光205時(shí)，在光敏半導(dǎo)體材料231中產(chǎn)生呈光電子形式的圖像信號(hào)。由光敏半導(dǎo)體材料231產(chǎn) 生的圖像信號(hào)將修改電極235/236及對(duì)應(yīng)電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)221上的電勢(shì)。轉(zhuǎn)移晶體管641包含 于經(jīng)耦合以從電極235/236讀出圖像電荷的晶體管網(wǎng)絡(luò)中。在圖6中，晶體管網(wǎng)絡(luò)包含轉(zhuǎn)移 晶體管(TX Tl)641、復(fù)位晶體管(RST T2)642、源極跟隨器晶體管(SF T3)643以及行選擇晶 體管（SEL Τ4)644。轉(zhuǎn)移晶體管網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)將圖像電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散223來(lái)讀出圖像信 號(hào)。晶體管643放大圖像信號(hào)且當(dāng)晶體管644被激活時(shí)，可將所述放大的信號(hào)讀出到讀出列 上?？墒褂闷秒妷?57偏置導(dǎo)電層233。當(dāng)復(fù)位晶體管642被啟用時(shí)復(fù)位晶體管642可復(fù)位 浮動(dòng)擴(kuò)散223。導(dǎo)電層233上的偏置電壓657可為供給電極235/236更高電勢(shì)的負(fù)電壓，使得 當(dāng)由圖像光205產(chǎn)生光電子時(shí)其將朝向電極235流動(dòng)。
[0037]復(fù)位晶體管Τ2642在復(fù)位信號(hào)RST的控制下耦合于復(fù)位電壓VRST與浮動(dòng)擴(kuò)散Π )223 之間以復(fù)位像素601 (舉例來(lái)說(shuō)，使ro放電或充電到預(yù)先設(shè)定的電壓）。復(fù)位電壓VRST被固定 到根據(jù)像素601的特定實(shí)施方案的預(yù)先設(shè)定的電壓。浮動(dòng)擴(kuò)散ro 223經(jīng)耦合以控制SF晶體 管T3643的柵極。SF晶體管T3耦合于電源軌VDD與行選擇晶體管T4644之間。SF晶體管T3643 操作作為將高阻抗連接提供到浮動(dòng)擴(kuò)散FD 223的源極跟隨器。在一個(gè)實(shí)施例中，由控制電 路108產(chǎn)生TX信號(hào)、RST信號(hào)及SEL信號(hào)。
[0038]圖4說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的耦合到包含于像素410中的晶體管的柵極427的光 敏電容器230的一個(gè)實(shí)例。像素410為像素110的一個(gè)實(shí)例。圖4類(lèi)似于圖31中說(shuō)明的像素，除 了電極235/236耦合到包含漏極421、源極423及柵極427的源極跟隨器晶體管743的柵極427 之外。當(dāng)圖像光205在光敏半導(dǎo)體材料231中產(chǎn)生圖像信號(hào)時(shí)，其修改柵極427上的電勢(shì)?？?與圖31中說(shuō)明的像素類(lèi)似地制造圖4中說(shuō)明的像素。像素410與像素210的不同之處在于，電 極235及觸點(diǎn)236耦合到柵極而不是耦合到電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。
[0039]圖7A說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的像素701的示意性模型，像素701包含耦合到像素 410的晶體管743的柵極427的光敏電容器230。當(dāng)柵極427上的電勢(shì)由圖像信號(hào)修改時(shí)，在源 極423中產(chǎn)生放大的圖像信號(hào)。讀出圖像信號(hào)的晶體管網(wǎng)絡(luò)包含源極跟隨器晶體管SF 743 及經(jīng)耦合以將放大的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)移到所說(shuō)明的讀出列的行選擇晶體管SEL 744。復(fù)位晶體 管742任選地包含于晶體管網(wǎng)絡(luò)中且在曝光時(shí)期之后耦合到復(fù)位電極235/236及柵極427。
[0040] 圖7B展示光敏電容器C1230及電容器C2748的示意性模型，電容器C2748為晶體管 743的柵極電容。在光敏半導(dǎo)體材料231中產(chǎn)生電子的圖像光205用作兩個(gè)串聯(lián)的電容器之 間的電流源。如果電容器C2小于C1，就在跨越C2748的較大的電壓中反射C1230上的小的電 壓變化。通過(guò)以下給出串聯(lián)電容器的總電容：
[0041]
[0042] 其中CT為串聯(lián)的C1及C2的總電容。通過(guò)以下給出跨越C1230的電壓：
[0043]
[0044] 其中VI為跨越C1230的電壓且VB為偏置電壓757。通過(guò)以下給出跨越晶體管743的 柵極的電壓：
[0045]
[0046] 其中V2為跨越C2748的電壓。源極跟隨器晶體管中的柵極電容通常為小的，且因此 C2748的電容可經(jīng)設(shè)計(jì)以在C2748與C1230之間拆分偏置電壓757。如果源極跟隨器743為N 型，偏置電壓757就將為正電壓。可經(jīng)由耦合到接合墊253的通孔將偏置電壓757施加到導(dǎo)電 層 233。
[0047] 圖7C說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的像素701的操作方法的實(shí)例時(shí)序圖。在時(shí)間零處， 偏置電壓757為低(舉例來(lái)說(shuō)，在零與-1.0V之間），行選擇晶體管SEL 744為低（未啟用），且 節(jié)點(diǎn)747(晶體管743的柵極427)為低。在時(shí)間tl處，行選擇晶體管SEL 744被啟用，其將基線 信號(hào)781讀出到讀出列。在時(shí)間t2處，行選擇晶體管SEL 744被禁用，且導(dǎo)電層233被偏置到 反射到節(jié)點(diǎn)747上的正偏置電壓（舉例來(lái)說(shuō)，3伏）。在時(shí)間t2與t3之間（像素701的積分時(shí) 期），節(jié)點(diǎn)747上的電壓降低，因?yàn)殡娮佑捎绊懝饷舭雽?dǎo)體材料231的圖像光205產(chǎn)生。在時(shí)間 t2與t3之間高強(qiáng)度圖像光205將增大節(jié)點(diǎn)747上的電壓斜坡，而在時(shí)間t2與t3之間低強(qiáng)度圖 像光205將減小節(jié)點(diǎn)747上的電壓斜坡。在t3處，行選擇晶體管SEL 744被啟用，其將圖像信 號(hào)782讀出到讀出列。在時(shí)間t4處，偏置電壓757被驅(qū)動(dòng)為低，且行選擇晶體管SEL 744被禁 用?？蓮膱D像信號(hào)782減去基線信號(hào)781以產(chǎn)生噪聲校正信號(hào)。如果復(fù)位晶體管742包含于像 素701中的晶體管網(wǎng)絡(luò)中，在時(shí)間t4之后其就將經(jīng)脈沖化以復(fù)位節(jié)點(diǎn)747。
[0048] 使用所揭示的包含光敏電容器的像素的圖像傳感器可比常規(guī)方法與標(biāo)準(zhǔn)邏輯及 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（"DRAM"）制造更加兼容。特定來(lái)說(shuō)，所揭示的像素?zé)o需深植入及針對(duì) 常規(guī)CMOS圖像傳感器使用的特殊隔離過(guò)程。另外，由于光敏元件(光敏電容器230)在制造結(jié) 束時(shí)形成，所以其避免當(dāng)前用以在常規(guī)背側(cè)照明CMOS圖像傳感器中形成像素的晶片處理及 薄化。此外，可運(yùn)用兩個(gè)像素實(shí)施圖4中的實(shí)施例及圖7A中的模型，其中常規(guī)方法需要晶體 管網(wǎng)絡(luò)中的三個(gè)或四個(gè)像素以讀出每一像素。減少晶體管數(shù)目可增大用于像素中的光敏材 料的區(qū)域，借此提高圖像傳感器的性能。
[0049] 可運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件及硬件實(shí)施上文闡釋的操作像素及圖像傳感器的方法。所描述 的技術(shù)可組成體現(xiàn)于有形或非暫時(shí)機(jī)器(舉例來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī))可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)內(nèi)的機(jī)器可執(zhí) 行的指令，當(dāng)由機(jī)器執(zhí)行所述指令時(shí)將導(dǎo)致機(jī)器執(zhí)行所描述的操作。另外，所述過(guò)程可體現(xiàn) 于硬件內(nèi)，例如專(zhuān)用集成電路（"ASIC")或其它。
[0050] 有形非暫時(shí)機(jī)器可讀存儲(chǔ)介質(zhì)包含提供（即，存儲(chǔ))呈由機(jī)器(舉例來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)、 網(wǎng)絡(luò)裝置、個(gè)人數(shù)字助理、制造工具、具有一或多個(gè)處理器的集合的任何裝置等等)可存取 形式的信息的任何機(jī)構(gòu)。舉例來(lái)說(shuō)，機(jī)器可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)包含可錄/不可錄的介質(zhì)(舉例來(lái) 說(shuō)，只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、磁盤(pán)存儲(chǔ)介質(zhì)、光盤(pán)存儲(chǔ)介質(zhì)、快閃存儲(chǔ)器裝 置等等)〇
[0051] 本發(fā)明所說(shuō)明的實(shí)施例的上文描述，包含說(shuō)明書(shū)摘要中所描述的內(nèi)容，不希望為 詳盡的或?qū)⒈景l(fā)明限制于所揭示的精確形式。雖然出于說(shuō)明的目的，本文中描述本發(fā)明的 特定實(shí)施例及實(shí)例，但相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，各種等效修改為 可能的。
[0052]鑒于上文詳細(xì)的描述，可對(duì)本發(fā)明做出這些修改。所附權(quán)利要求書(shū)中所使用的術(shù) 語(yǔ)不應(yīng)被解釋為將本發(fā)明限制于說(shuō)明書(shū)中揭示的特定實(shí)施例。實(shí)情是，本發(fā)明的范圍將完 全由所附權(quán)利要求確定，所述權(quán)利要求應(yīng)根據(jù)權(quán)利要求解釋的公認(rèn)原則來(lái)解釋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種圖像傳感器像素，其包括： 光敏電容器，其包括： 沿著軸延伸的電極； 安置在所述電極周?chē)膶?dǎo)電層； 電介質(zhì)層，其形成于所述導(dǎo)電層與所述電極之間使得所述導(dǎo)電層不接觸所述電極；以 及 光敏半導(dǎo)體材料，其用于響應(yīng)于圖像光產(chǎn)生圖像信號(hào)，其中所述光敏半導(dǎo)體材料安置 于所述電介質(zhì)層與所述電極之間；以及 晶體管網(wǎng)絡(luò)，其經(jīng)耦合以從所述光敏電容器的所述電極讀出所述圖像信號(hào)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素，其中所述晶體管網(wǎng)絡(luò)包含具有浮動(dòng)擴(kuò)散的 轉(zhuǎn)移晶體管及耦合到所述光敏電容器的所述電極的電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，其中當(dāng)所述轉(zhuǎn)移晶體管 被激活時(shí)所述轉(zhuǎn)移晶體管將由所述圖像信號(hào)產(chǎn)生的圖像電荷從所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到 所述浮動(dòng)擴(kuò)散。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器像素，其中所述電極包含高度摻雜的多晶硅，且其 中以與所述高度摻雜的多晶硅相同的摻雜極性輕度摻雜所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素，其中所述晶體管網(wǎng)絡(luò)包含具有耦合到所述 光敏電容器的所述電極的柵極的源極跟隨器晶體管，其中所述源極跟隨器晶體管響應(yīng)于所 述電極上的所述圖像信號(hào)產(chǎn)生放大的圖像信號(hào)，且其中所述晶體管網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步包含經(jīng)耦合 以將所述放大的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)移到讀出線的行選擇晶體管。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器像素，其中所述晶體管網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步包含復(fù)位晶體 管，所述復(fù)位晶體管經(jīng)耦合以當(dāng)所述復(fù)位晶體管被激活時(shí)復(fù)位所述源極跟隨器晶體管的所 述柵極。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素，其中所述導(dǎo)電層同軸地纏繞在所述電極周 圍。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素，其中所述電介質(zhì)層符合所述導(dǎo)電層的形狀。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素，其中所述電介質(zhì)層為高K電介質(zhì)層。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素，其中所述電介質(zhì)層包含負(fù)電荷層以誘導(dǎo)所 述電介質(zhì)層與所述光敏半導(dǎo)體材料的界面處的耗盡區(qū)。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的圖像傳感器像素，其中所述負(fù)電荷層包含鉿鋁氧化物。11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素，其中所述導(dǎo)電層對(duì)所述圖像光為反射的。12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素，其中所述導(dǎo)電層形成截錐，且其中所述截 錐的寬端經(jīng)定位以接收所述圖像光，所述寬端相對(duì)所述截錐的較窄端安置。13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素，其中在具有增大的摻雜濃度的梯度下在沿 著所述電介質(zhì)層安置的所述光敏半導(dǎo)體材料的外部部分中摻雜所述光敏半導(dǎo)體材料。14. 一種圖像傳感器，其包括： 具有前側(cè)及背側(cè)的半導(dǎo)體襯底層； 沿著所述半導(dǎo)體襯底層的所述前側(cè)耦合的互連層； 用于捕獲圖像的像素陣列，其中所述像素陣列中的每一像素包含晶體管網(wǎng)絡(luò)及光敏電 容器，且其中沿著所述半導(dǎo)體襯底層的所述前側(cè)安置所述晶體管網(wǎng)絡(luò)，且所述光敏電容器 安置于所述互連層內(nèi)且經(jīng)定位以成為前側(cè)照明的，所述光敏電容器包括： 沿著軸延伸的電極，導(dǎo)電層安置在所述電極的周?chē)? 形成于所述導(dǎo)電層與所述電極之間的電介質(zhì)層；以及 光敏半導(dǎo)體材料，其用于響應(yīng)于圖像光產(chǎn)生圖像信號(hào)，其中所述光敏半導(dǎo)體材料安置 于所述電介質(zhì)層與所述電極之間，所述晶體管網(wǎng)絡(luò)經(jīng)耦合以從所述光敏電容器的所述電極 讀出所述圖像信號(hào)。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的圖像傳感器，其中所述導(dǎo)電層同軸纏繞在所述電極周?chē)?6. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的圖像傳感器，其中所述電介質(zhì)層為高K電介質(zhì)層。17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的圖像傳感器，其中所述電介質(zhì)層包含負(fù)電荷層以誘導(dǎo)所述 電介質(zhì)層與所述光敏半導(dǎo)體材料的界面處的耗盡區(qū)。18. -種制造用于圖像傳感器的像素陣列的方法，所述方法包括： 沿著半導(dǎo)體襯底的前側(cè)在所述半導(dǎo)體襯底層中形成晶體管網(wǎng)絡(luò)； 針對(duì)所述像素陣列中的每個(gè)像素形成接觸元件，其中每一接觸元件電耦合到所述晶體 管網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的晶體管； 在所述半導(dǎo)體襯底層的所述前側(cè)上方形成互連層，其中所述互連層是用于協(xié)助控制所 述晶體管網(wǎng)絡(luò)，且其中所述互連層包含覆蓋所述接觸元件的電介質(zhì)； 在所述互連層中形成腔，其中在所述接觸元件上方形成所述腔； 沿著所述腔的腔壁形成導(dǎo)電層； 在所述腔內(nèi)的所述導(dǎo)電層上方形成電介質(zhì)層； 在所述腔內(nèi)且在所述電介質(zhì)層上方沉積光敏半導(dǎo)體材料； 在所述接觸元件上方形成電極腔，其中所述電極腔延伸到所述接觸元件； 運(yùn)用導(dǎo)電材料至少局部填充所述電極腔以形成電極，其中所述電極、所述導(dǎo)電層及所 述光敏半導(dǎo)體材料形成光敏電容器，所述光敏電容器經(jīng)配置以響應(yīng)于圖像光而改變由所述 接觸元件接收的圖像信號(hào)。19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述導(dǎo)電層對(duì)所述圖像光為反射的。20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述接觸元件耦合到轉(zhuǎn)移晶體管的電荷存儲(chǔ)節(jié) 點(diǎn)，其中所述轉(zhuǎn)移晶體管經(jīng)耦合以當(dāng)所述轉(zhuǎn)移晶體管被激活時(shí)將由所述光敏電容器產(chǎn)生的 圖像電荷轉(zhuǎn)移到所述半導(dǎo)體襯底層內(nèi)的浮動(dòng)擴(kuò)散。21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述接觸元件耦合到響應(yīng)于由所述光敏電容器 產(chǎn)生的圖像電荷而產(chǎn)生放大的圖像信號(hào)的源極跟隨器晶體管的控制端子。22. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其進(jìn)一步包括： 在于所述腔壁上沉積所述導(dǎo)電層之前在所述腔壁上形成緩沖電介質(zhì)層。23. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其進(jìn)一步包括： 在形成所述電介質(zhì)層之前移除安置在所述腔的底板上的所述導(dǎo)電層的底部部分。24. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述光敏半導(dǎo)體材料包含非晶硅。25. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述在所述腔內(nèi)沉積所述光敏半導(dǎo)體材料包含 在所述沉積的開(kāi)始處比所述沉積的結(jié)束處更多地?fù)诫s所述光敏半導(dǎo)體材料。26. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其進(jìn)一步包括： 在所述導(dǎo)電層、所述光敏半導(dǎo)體材料及所述電介質(zhì)層上方形成頂部電介質(zhì)層；以及 通過(guò)所述頂部電介質(zhì)層形成到所述導(dǎo)電層的導(dǎo)電通孔以用于將電信號(hào)提供到所述導(dǎo) 電層。27.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述形成所述接觸元件包含在所述電介質(zhì)層內(nèi) 形成金屬接觸層。
【文檔編號(hào)】H01L31/08GK105990385SQ201610072734
【公開(kāi)日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2016年2月2日
【發(fā)明人】楊武璋, 劉家穎, 熊志偉, 艾群詠, 戴森·H·戴, 多米尼克·馬塞提
【申請(qǐng)人】全視科技有限公司