CN106549027B - 包括垂直传输门的图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种具有改善的特性的图像传感器。根据本发明的一个实施例的图像传感器可以包括：光电转换元件，形成在衬底内；传输门，形成在光电转换元件之上，形成在衬底的第一表面之上，并且具有至少一个通孔，其中通孔穿过传输门；浮置扩散层，形成在传输门之上；沟道结构，形成在通孔内，并且响应于施加给传输门的信号将光电转换元件电耦接到浮置扩散层；以及电容器，形成在浮置扩散层之上。

Description

包括垂直传输门的图像传感器及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年9月16日提交的第10-2015-0130812号韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明的示例性实施例涉及一种半导体器件制造技术，更具体地，涉及一种包括垂直传输门的图像传感器及其制造方法。
背景技术
图像传感器将光学图像转换为电信号。由于计算机行业和通信行业的发展，在各种领域诸如数码相机、摄录像机、个人通信***(PCS)、游戏机、监控摄像机、医学微型相机以及机器人对具有改善的性能的图像传感器的需要日益增加。
发明内容
各个实施例涉及一种具有改善的性能的图像传感器及其制造方法。
在一个实施例中，一种图像传感器可以包括：光电转换元件，形成在衬底内；传输门，形成在光电转换元件之上，形成在衬底的第一表面之上，并且具有至少一个通孔，其中通孔穿过传输门；浮置扩散层，形成在传输门之上；沟道结构，形成在通孔内，并且响应于施加给传输门的信号将光电转换元件电耦接到浮置扩散层；以及电容器，形成在浮置扩散层之上。
另外，图像传感器还可以包括：层间电介质层，形成在衬底之上，并且覆盖传输门、浮置扩散层以及电容器；逻辑电路层，形成在层间电介质层之上；以及接触部，穿过层间电介质层，并且分别将传输门、浮置扩散层和电容器电耦接到逻辑电路层。
另外，图像传感器还可以包括：滤色器层，形成在衬底的入射表面之上，其中衬底的入射表面与衬底的第一表面相对，其中入射光经由入射表面被引入光电转换元件；以及聚光构件，形成在滤色器层之上。
光电转换元件可以包括：第二杂质区，形成在衬底内；以及第一杂质区，具有与第二杂质区互补的导电类型，形成在衬底内，并且包围第二杂质区，其中，第二杂质区通过穿过第一杂质区而延伸到沟道结构。光电转换元件还可以包括：第三杂质区，形成在衬底内，具有与第一杂质区相同的导电类型，并且插置在沟道结构与第二杂质区之间。第一杂质区可以包括设置在第二杂质区与传输门之间的部分，并且其中第三杂质区可以具有比设置在第二杂质区与传输门之间的第一杂质区的部分小的厚度。第二杂质区的掺杂浓度可以沿着载流子传输方向增加。传输门可以包括栅电极以及包围栅电极的栅电介质层。栅电介质层可以包括：第一栅电介质层，形成在栅电极与光电转换元件之间；第二栅电介质层，形成在栅电极与浮置扩散层之间；以及第三栅电介质层，形成在沟道结构与栅电极之间。第一栅电介质层、第二栅电介质层以及第三栅电介质层可以具有彼此相同的厚度。第一栅电介质层和第二栅电介质层中的每个可以具有比第三栅电介质层大的厚度。第一栅电介质层和第二栅电介质层中的每个可以包括低K材料，其中，第三栅电介质层可以包括高K材料。沟道结构可以包括：沟道层，形成在通孔的侧壁之上；以及密封层，被通孔包围。通孔可以具有多边形柱体形状或圆形柱体形状。沟道层可以具有环型柱状或筒形。沟道结构可以包括具有柱形的沟道层且被形成为完全地填充通孔。传输门和浮置扩散层中的每个可以具有平板形状，其中，传输门可以具有比浮置扩散层大的面积。图像传感器还可以包括第二通孔，其中，第二通孔穿过传输门，其中，浮置扩散层与通孔叠置。电容器可以包括第一电极、电介质层和第二电极的层叠，其中，第一电极可以包括浮置扩散层。浮置扩散层和电容器中的每个可以具有平板形状，其中，浮置扩散层可以具有比电介质层和第二电极大的面积。
在一个实施例中，一种制造图像传感器的方法可以包括：在衬底内形成光电转换元件；在光电转换元件之上和在衬底的第一表面之上形成传输门；形成穿过传输门的至少一个通孔；在通孔内形成沟道结构；在传输门之上形成浮置扩散层，其中，浮置扩散层与沟道结构叠置；以及在浮置扩散层之上形成电容器。
另外，所述方法还可以包括：在衬底之上形成层间电介质层，其中，层间电介质层覆盖传输门、浮置扩散层以及电容器；形成接触部，所述每个接触部穿过层间电介质层且分别耦接到传输门、浮置扩散层和电容器；以及在层间电介质层之上形成逻辑电路层。逻辑电路层的形成可以包括：在载体晶片之上形成逻辑电路层；以及通过晶片键合工艺将逻辑电路层键合到层间电介质层。
另外，所述方法还可以包括：在衬底的入射表面之上形成滤色器层，其中入射表面的位置与衬底的第一表面相对，其中入射光经由入射表面被引入光电转换元件；以及在滤色器层之上形成聚光构件。
光电转换元件在衬底内的形成还可以包括：通过在衬底内离子注入具有第一导电类型的杂质来形成第一杂质区；通过离子注入具有与第一导电类型互补的第二导电类型的杂质来形成第二杂质区，使得第一杂质区包围第二杂质区。所述方法还包括：在形成传输门之后，在由通孔暴露出的第一杂质区内离子注入具有第二导电性类型的杂质来形成扩展区，其中第二杂质区经由扩展区耦接到通孔的底表面。所述方法还可以包括通过在扩展区离子注入具有第一导电类型的杂质，而在通孔与扩展区之间形成第三杂质区。第三杂质区可以具有比位于传输门与第二杂质区之间的第一杂质区小的厚度。传输门的形成可以包括：在光电转换元件之上形成层叠层，其中，层叠层包括第一电介质层、栅导电层和第二电介质层；通过选择性地刻蚀层叠层而在层叠层中形成通孔；以及在通孔的侧壁之上形成第三栅电介质层。第一栅电介质层、第二栅电介质层以及第三栅电介质层可以具有彼此相同的厚度。第一栅电介质层和第二栅电介质层中的每个可以具有比第三栅电介质层大的厚度。第一栅电介质层和第二栅电介质层中的每个可以包括低K材料，其中，第三栅电介质层可以包括高K材料。沟道结构的形成可以包括：形成填充通孔的沟道导电层；以及通过选择性地刻蚀沟道导电层来形成沟道层。沟道层可以具有环型柱状或筒形。所述方法还可以包括在通孔中形成密封层，其中密封层被沟道层包围。沟道层可以具有柱形且被形成为完全地填充通孔。传输门和浮置扩散层中的每个可以具有平板形状，其中，传输门可以具有比浮置扩散层大的面积。浮置扩散层可以与通孔叠置。电容器可以包括第一电极、电介质层和第二电极的层叠，其中，第一电极可以包括浮置扩散层。浮置扩散层和电容器中的每个可以具有平板形状，其中，浮置扩散层具有比电介质层和第二电极大的面积。
附图说明
图1是示意性地图示了根据本发明的一个实施例的图像传感器的框图。
图2是图示了根据本发明的一个实施例的图像传感器的平面图。
图3是图示了根据本发明的一个实施例的图像传感器的且沿着图2的线A-A'截取的截面图。
图4是图示了根据本发明的另一个实施例的图像传感器的平面图。
图5A至图5C是图示了应用于根据本发明的一个实施例的图像传感器的沟道结构的立体图。
图6是图示了根据本发明的另一个实施例的图像传感器的截面图。
图7是根据本发明的又一个实施例的图像传感器的截面图。
图8A至图8F是图示了制造根据本发明的一个实施例的图像传感器的方法的截面图。
图9是示意性地图示了包括图1所示的图像传感器的电子器件的示图。
具体实施方式
下面将参照附图更加详细地描述各个实施例。然而，本发明可以用不同的形式来实施且不应理解为限于本文所列的实施例。确切地说，提供这些实施例，使得本公开将会彻底和完整，且将会向本领域技术人员全面地传达本发明的范围。在整个说明书中，在本发明的各个附图和实施例中，相同的附图标记表示相同的部件。
附图并非按比例绘制，在某些情况下为了清楚地示出实施例的特征，可能对比例进行了夸大处理。当提及第一层在第二层“上”或在衬底“上”时，它不仅涉及第一层直接形成在第二层或衬底上的情况，也涉及在第一层与第二层或第一层与衬底之间存在第三层的情况。
本发明的下列实施例提供一种具有改善的性能的图像传感器及其制造方法。具有改善的性能的图像传感器意味着一种能提供高分辨率图像的图像传感器。由于需要一种包括多个高度集成像素的图像传感器来提供高分辨率图像，因此在根据实施例的图像传感器中，多个像素中的每个可以包括包含垂直传输门的传输晶体管，并且具有层叠了传输晶体管与光电转换元件的形状。
图1是示意性地图示了根据本发明的一个实施例的图像传感器的框图。
如图1所示，图像传感器可以包括像素阵列100、相关双采样(CDS)单元120、模数转换器(ADC)130、缓冲器140、行驱动器150、时序发生器160、控制寄存器170以及斜坡信号发生器180。像素阵列100可以包括布置为矩阵的多个单位像素110。
时序发生器160可以产生用于控制行驱动器150、CDS单元120、ADC 130以及斜坡信号发生器180的一个或更多个控制信号。控制寄存器170可以产生用于控制斜坡信号发生器180、时序发生器160以及缓冲器140的一个或更多个控制信号。
行驱动器150可以逐行驱动像素阵列100。例如，行驱动器150可以产生用于选择多个行线中的任何一个行线的选择信号。每个单位像素110可以感测入射光，且经由列线将图像重置信号和图像信号输出到CDS单元120。CDS单元120可以对图像重置信号和图像信号执行采样。
ADC 130可以比较从斜坡信号发生器180输出的斜坡信号与从CDS单元120输出的采样信号，并输出比较信号。根据从时序发生器160提供的时钟信号，ADC 130可以对比较信号的电平转变次数进行计数，并且将计数值输出到缓冲器140。斜坡信号发生器180可以在时序发生器160的控制之下操作。
缓冲器140可以储存从ADC 130输出的多个数字信号，然后感测和放大该数字信号。因此，缓冲器140可以包括存储器(未示出)和感测放大器(未示出)。存储器可以储存计数值。计数值可以表示从多个单位像素110输出的信号。感测放大器可以感测和放大从存储器输出的计数值。
为了提供高分辨率的图像，必然应当增加集成在像素阵列100中的单位像素110的数量。即，在有限的面积内应当设置更多的单位像素110，因而应当减小单位像素110的物理尺寸。然而，由于图像传感器以每个单位像素响应于入射光所产生的像素信号为基础而操作，因此如果单位像素110的物理尺寸减小，则单位像素110的特征会劣化。
因此，在根据本发明的下列实施例中，将参照附图详细描述一种图像传感器，其因集成度增加而能够促进高度集成和防止特性劣化。
图2是图示了根据本发明的一个实施例的图像传感器的平面图，而图3是图示了根据本发明的一个实施例的图像传感器的并沿着图2所示的线A-A'截取的截面图。图4是图示了根据本发明的另一个实施例的图像传感器的平面图。图5A至5C是图示了应用于根据本发明的一个实施例的图像传感器的沟道结构的立体图。
如图2和图3所示，根据一个实施例的图像传感器可以包括：光电转换元件203，形成在衬底200中；传输门208，形成在光电转换元件203之上且具有穿过传输门208的一个或更多个通孔207；浮置扩散层214，形成在传输门208之上；沟道结构210，间隙填充一个或更多个通孔207中的每个，并且响应于施加到传输门208的信号而将光电转换元件203电耦接到浮置扩散层214；以及电容器217，形成在浮置扩散层214之上。
另外，图像传感器可以包括：层间电介质层209，形成在衬底200之上且覆盖传输门208、浮置扩散层214和电容器217；逻辑电路层220，形成在层间电介质层209之上；以及接触部C1、C2和C3，穿过层间电介质层209并且将传输门208、浮置扩散层214和电容器217中的每个电耦接到逻辑电路层220。另外，图像传感器可以包括：滤色器层218，与传输门208相对且形成在入射表面S1之上，在入射表面S1，入射光被引入光电转换元件203；以及聚光构件219，形成在滤色器层218之上。
下面将详细描述每个部件。根据本发明的实施例的图像传感器可以包括形成在衬底200中的光电转换元件203。衬底200可以包括半导体衬底。半导体衬底可以是单晶状态且包括含硅材料。即，衬底200可以包括单晶含硅材料。衬底200可以是通过减薄工艺获得的薄衬底。例如，衬底200可以是通过减薄工艺获得的薄的体硅衬底。
光电转换元件203可以包括光电二极管。具体地，光电转换元件203可以包括第一杂质区201和第二杂质区202，第二杂质区202具有与第一杂质区201互补的导电类型且与沟道结构210接触。第二杂质区202可以形成在第一杂质区201中。因此，第一杂质区201可以包围第二杂质区202，且第二杂质区202的一部分可以穿过第一杂质区201以接触沟道结构210。第一杂质区201可以是P型，而第二杂质区202可以是N型。在垂直方向，第二杂质区202可以具有均匀掺杂分布或杂质浓度根据载流子传输方向而逐渐增加的分布。在后者的情况中，光电转换元件203所产生的光电荷可以更加有效地传输到传输门208。这里，传输门208的载流子传输方向是面向入射表面S1的方向。
根据本发明的实施例的图像传感器可以包括形成在衬底200的入射表面S1之上的滤色器层218以及形成在滤色器层218之上的聚光构件219。滤色器层218可以用于分离颜色，且包括红色滤色器、绿色滤色器、蓝色滤色器、蓝绿色滤色器、黄色滤色器、品红色滤色器、白色滤色器、黑色滤色器、红外截止滤色器等。聚光构件219可以包括数位透镜或半球透镜。
根据本发明的实施例的图像传感器可以包括形成在光电转换元件203之上的传输门208。形成有光电转换元件203的衬底200之上所形成的传输门208可以具有平板形状且与光电转换元件203叠置。即，传输门208可以具有平板形状且形成为与每个单元像素相对应。如此，由于光电转换元件203和传输门208沿着垂直方向层叠，可以提高集成度。传输门208可以形成在与入射表面相对的表面S2之上。因此，传输门208可以用作关于光电转换元件203的背反射层。在这种情况下，光电转换元件203可以提高量子效率。
另外，传输门208可以包括穿过传输门208的一个或更多个通孔207，且具有间隙填充通孔207的沟道结构210。通孔207的平面形状可以是具有三个边或更多边的多边形、圆形或椭圆形。因此，间隙填充通孔207的沟道结构210可以具有三个边或更多边的多边形柱状、圆形柱状、环型柱状或筒形。如图2所示，传输门208可以具有单个通孔207。在这种情况下，通孔207可以设置在传输门208的中心部分。此外，如图4所示，传输门208可以具有多个通孔207，且所述多个通孔207可以矩阵形状设置在传输门208中。所述多个通孔207中的每一个的平面形状可以彼此相同或彼此不同。
另外，传输门208可以包括栅电极205和形成在栅电极205的所有表面上以便密封栅电极205的栅电介质层206。即，栅电极205可以通过栅电介质层206与诸如光电转换元件203、浮置扩散层214等相邻结构绝缘。栅电极205可以包括含有硅或金属性材料的半导体材料。
包围栅电极205的栅电介质层206可以具有均匀的厚度。即，设置在光电转换元件203与栅电极205之间的第一栅电介质层206A、设置在栅电极205与浮置扩散层214之间的第二栅电介质层206B以及形成在栅电极205的侧壁上的第三栅电介质层206C可以具有彼此相同的厚度。
并且，第一栅电介质层206A、第二栅电介质层206B以及第三栅电介质层206C可以由彼此相同的材料形成。例如，第一栅电介质层206A、第二栅电介质层206B以及第三栅电介质层206C可以包括高K(高介电常数)材料。这里，“高K”意味着比氧化硅高的介电常数。
根据本发明的实施例的图像传感器可以包括穿过传输门208且电耦接到光电转换元件203的沟道结构210。沟道结构210可与间隙填充传输门208的通孔207。因此，沟道结构210可以具有柱状。供作参考，参照图5A至图5C说明的沟道结构210可以应用于其它实施例。
具体地，如图3和图5A所示，沟道结构210可以包括沟道层211和密封层212，沟道层211形成在通孔207的侧壁上且具有环型柱状，密封层212间隙填充剩余的通孔207。具有环型柱状的沟道层211可以便于使线宽足以用于沟道在断开状态下的完全耗尽。因此，可以改善传输门208的栅极可控性。例如，断开状态意味着不向传输门208施加任何偏压的平衡状态。
另外，如图5B所示，沟道结构210可以包括形成在通孔207的侧壁和底表面且具有筒形的沟道层211，以及间隙填充剩余的通孔207的密封层212。具有筒形的沟道层211可以具有足以在断开状态下使沟道完全耗尽的线宽，从而可以改善传输门208的栅极可控性。另外，可以增大光电转换元件203接触沟道层211的面积，从而可以降低沟道电阻率。
此外，沟道结构210可以包括密封层212和沟道层211，密封层212与通孔207的侧壁间隔开且形成在通孔207中，沟道层211形成在通孔207的侧壁和上表面且具有倒转的筒形。即，在沟道层211中，具有较大接触面积的表面与浮置扩散层214接触，而具有较小接触面积的表面与光电转换元件接触。
此外，如图5C所示，沟道结构210可以包括具有柱状且间隙填充通孔207的沟道层211。具有柱状的沟道层211可以通过简单工艺形成，并且具有足以在断开状态下使沟道完全耗尽的线宽。
在上述沟道结构210中，沟道层211可以包括含硅材料。例如，沟道层211可以包括多晶硅。具体而言，沟道层211可以包括未掺杂有任何杂质的未掺杂多晶硅或者掺杂有P型杂质的P型多晶硅。在这种情况下，传输晶体管可以在增强模式下操作。另外，沟道层211可以包括掺杂有N型杂质的多晶硅。在这种情况下，传输晶体管可以在耗尽模式下操作且改善断开状态下的暗电流特性。密封层212可以包括绝缘材料。例如，密封层212可以包括氧化物、氮化物、氮氧化物或它们的组合。
根据本发明的实施例的图像传感器可以包括形成在传输门208之上的浮置扩散层214。响应于入射光从光电转换元件203产生的光电荷被储存在浮置扩散层214中。浮置扩散层214可以电耦接到穿过传输门208的一个或更多个沟道结构210。即，浮置扩散层214可以与一个或更多个通孔207叠置。浮置扩散层214可以具有平板形状且与传输门208叠置，以提供充足的储存空间，即充足的电容量。这里，浮置扩散层214的面积可以小于传输门208的面积。这就提供了用于形成耦接到传输门208的第一接触部C1的空间。浮置扩散层214可以包括含硅或金属材料的半导体材料。例如，浮置扩散层214可以包括掺杂有第二导电类型杂质(即N型杂质)的多晶硅。
根据本发明的实施例的图像传感器可以包括形成在浮置扩散层214之上的第二电极216。第二电极216可以具有与浮置扩散层214叠置的平板形状，并且具有比浮置扩散层214小的面积。电介质层215插置在两个电极之间，即浮置扩散层214与第二电极216之间。浮置扩散层214和第二电极216还可以称为第一电极和第二电极。浮置扩散层214、第二电极216以及电介质层215组合形成电容器217。这两个电极中的任何一个，例如，第一电极可以包括浮置扩散层214。相应地，电介质层215和第二电极216可以具有比浮置扩散层214小的面积。这就提供了用于形成耦接到浮置扩散层214的第二接触部C2的空间。
另外，电容器217还可以用来增加针对浮置扩散层214的电容。此外，电容器217可以用来改善关于浮置扩散层214的操作特性。另外，电容器217的第二电极216可以耦接到能施加偏压的第三接触部C3。在一个实施例中，为了通过使用电容器217改善浮置扩散层214的特性，当浮置扩散层214在积分时间之前被重置时，浮置扩散层214应当用与经由重置晶体管输入的初始电压相对应的电荷来充电。当初始电压未提供足够的电流或初始电压未提供给浮置扩散层214足够的时间段时，浮置扩散层214可能未被完全的重置。在这种情况下，可以通过经由第三接触部C3将初始化电压施加到电容器217的第二电极216，来完全地重置浮置扩散层214。可以在重置晶体管被激活之后以及传输晶体管被激活之前，施加初始化电压。
根据本发明的实施例的图像传感器可以包括覆盖一种结构的层间电介质层209以及形成在层间电介质层209之上的逻辑电路层220，所述的结构包括传输门208、浮置扩散层214、电容器217。层间电介质层209可以是单层，或者是包括氧化物、氮化物和氮氧化物中的任何一种或更多种的层叠层。
逻辑电路层220可以包括信号处理电路，信号处理电路处理响应于入射光在像素中产生的像素信号。尽管在图中未示出，见图1，信号处理电路可以包括相关双采样单元120、模数转换器130、缓冲器140、行驱动器150、时序发生器160、控制寄存器170、斜坡信号发生器180等。另外，信号处理电路可以包括多个晶体管、多层线、多层的层间电介质层209和多个将它们彼此耦接的多个插塞。另外，除了信号处理电路之外，逻辑电路层220可以包括应用处理器(AP)，应用处理器(AP)包括图像处理等。例如，逻辑电路层220可以包括图像信号处理器(ISP)。
此外，可以在晶片键合工艺中形成逻辑电路层220。逻辑电路层220与多层的层间电介质层209键合。相应地，逻辑电路层220可以包括多个层，且具有经由晶片键合工艺层叠的用于信号处理的逻辑电路的层叠结构，由此改善图像传感器的集成度。
上述的根据本发明的实施例的图像传感器可以有助于高集成并且防止因高集成而导致的特性劣化。
下面将参照图6和图7描述上述根据本发明的第一实施例的图像传感器的一些变型。供作参考，图6和图7是沿着图2所示的线A-A’截取的截面图，且出于方便，与图3的元件相同的元件被指定了与图3的附图标记相同的附图标记。
图6是图示了根据本发明的另一个实施例的图像传感器的截面图。如图6所示，在根据本发明的另一个实施例的图像传感器中，传输门208可以包括栅电介质层206和由栅电介质层206密封的栅电极205。栅电介质层206可以包括第一栅电介质层206A、第二栅电介质层206B以及第三栅电介质层206C。这里，第一栅电介质层206A、第二栅电介质层206B和第三栅电介质层206C可以具有彼此不同的厚度，并且包括彼此不同的材料。
具体地，第一栅电介质层206A和第二栅电介质层206B可以具有比第三栅电介质层206C大的厚度。这可以改善栅电极205与相邻结构之间的电绝缘特性。因为第三栅电介质层206C用作栅电极205与沟道结构210之间的栅绝缘层，所以第三栅电介质层206C通常被固定为特定厚度。然而，随着设置在光电转换元件203与栅电极205之间的第一栅电介质层206A的厚度、以及浮置扩散层214与栅电极205之间的第二栅电介质层206B的厚度都增加，电绝缘特性可以得到改善。例如，随着第一栅电介质层206A和第二栅电介质层206B的厚度增加，它们之间的寄生电容会减小，由此改善信噪比特性。
另外，为了进一步改善电绝缘特性，第一栅电介质层206A和第二栅电介质层206B可以包括低K(低介电常数)材料。这里，“低K”意味着比氧化硅的介电常数低的介电常数。与沟道结构210接触的第三栅电介质层206C可以包括高K材料。上述的根据本发明的另一个实施例的图像传感器可以有助于高度集成并且防止因高集成而导致的特性劣化。
图7是图示了根据本发明的图像传感器的又一个实施例的图像传感器的截面图。
如图7所示，根据本发明的又一个实施例的图像传感器的光电转换元件203可以包括第一杂质区201和第二杂质区202。第一杂质区201可以包围第二杂质区202。而且，第二杂质区202的一部分穿过第一杂质区201且与沟道结构210接触。这里，根据本发明的又一个实施例的图像传感器还可以包括形成在衬底200中的第三杂质区204，第三杂质区204具有与第一杂质区201相同的导电类型，并且插置在第二杂质区202与沟道结构210之间。
具体地，第三杂质区204可以形成在与沟道结构接触的衬底200的表面，且用来抑制暗电流的产生。这里，与衬底200的入射表面S1和相对的表面S2接触的第一杂质区201也可以用来抑制暗电流的产生。在这种情况下，由于第三杂质区204具有与第二杂质区202互补的导电类型，所以第三杂质区204可以优选地具有比接触衬底200的相对表面S2的第一杂质区201小的厚度，以在光电转换元件203与沟道结构210之间传输载流子。例如，第三杂质区204可以具有50nm或更小的厚度。上述根据本发明的又一个实施例的图像传感器可以有助于高度集成并且防止因高集成而导致的特性劣化。
下面将参照附图描述制造根据本发明的一个实施例的图像传感器(即图3所示的图像传感器)的方法的示例。
图8A至图8F是图示了根据本发明的一个实施例的制造图像传感器的方法的截面图。如图8A所示，可以在衬底10中形成光电转换元件13。衬底10可以包括半导体衬底。半导体衬底可以是单晶状态且包括含硅材料。
光电转换元件13可以包括第一杂质区11和具有与第一杂质区11互补的导电类型的第二杂质区12。第一杂质区11可以形成为具有包围第二杂质区12的形状。这里，第一杂质区11可以具有P型导电性，而第二杂质区12可以具有N型导电性。可以通过用P型杂质掺杂衬底10的边缘以形成第一杂质区11且将N型杂质注入到第二杂质区12内，而使光电转换元件13形成为具有第一杂质区11包围第二杂质区12的形状。
然后，在与入射表面S1相对的表面S2(即，相对表面S2)之上形成顺序地层叠有第一电介质层14A、栅导电层15A和第二电介质层16A的多层。
如图8B所示，可以通过选择性地刻蚀顺序地层叠有第一电介质层14A、栅导电层15A和第二电介质层16A的多层来形成图案。因此，可以形成顺序地层叠有第一电介质层14A、栅导电层15A和第二电介质层16A的图案。这里，图案可以具有暴露出光电转换元件13的一个或更多个通孔19。
然后，可以通过以下方式在图案的侧壁上形成第三栅电介质层17：沿着包括具有一个或更多个通孔19的图案的结构的表面形成第三电介质层，随后对第三电介质层执行毯式刻蚀工艺，例如，回蚀工艺。第三栅电介质层17的厚度可以与第一栅电介质层14的厚度和第二栅电介质层16的厚度相同，或者比第一栅电介质层14的厚度和第二栅电介质层16的厚度小。另外，第三栅电介质层17可以由与第一栅电介质层14和第二栅电介质层16相同或不同的材料形成。
因此，可以在衬底10的相对表面S2之上形成包括第一栅电介质层14、第二电介质层16和第三栅电介质层17的栅电介质层18。而且，可以形成包括由栅电介质层18密封的栅电极15和一个或更多个通孔19的传输门20。
如图8C所示，可以通过在经由通孔19暴露出的衬底10的第一杂质区11中离子注入N型杂质，而在衬底10的表面之上扩展和暴露出第二杂质区12的一部分。即，第二杂质区12的一部分可以穿过第一杂质区11以接触通孔19的底表面。
然后，可以沿着包括传输门20的结构的表面形成沟道导电层21A。这里，沟道导电层21A可以形成为间隙填充通孔19的一部分或者完全地间隙填充通孔19。根据一种用于形成沟道导电层21A的方法，可以改变将经由后续工艺形成的沟道层的形状。例如，当沟道导电层21A间隙填充通孔19的一部分时，可以形成具有环型柱状或筒形的沟道层。当沟道导电层21A完全地间隙填充通孔19A时，可以形成具有柱状的沟道层。沟道导电层21A可以包括含硅材料。例如，沟道导电层21A可以包括多晶硅。多晶硅可以是未掺杂有任何杂质的未掺杂多晶硅。
另外，尽管在附图中未示出，但是在形成沟道导电层21A之前，可以通过在经由通孔19暴露出的衬底10的表面注入P型杂质，而形成第三杂质区，即，扩展的第二杂质区12。第三杂质区可以用来防止暗电流的产生。
如图8D所示，可以通过对沟道导电层21A执行毯式刻蚀工艺而形成具有环型柱状的沟道层21。随后，可以形成密封层22以间隙填充剩余的通孔19。密封层22可以包括绝缘材料，并且可以通过沉积工艺和平坦化工艺而形成。
因此，可以形成包括沟道层21和密封层22且穿过传输门20以接触光电转换元件13的沟道结构23。
如图8E所示，可以在传输门20之上和在沟道结构23之上形成浮置扩散层24。浮置扩散层24可以具有平板形状和比传输门20小的面积。另外，浮置扩散层24可以与穿过传输门20的沟道结构23叠置。即，当多个沟道结构23穿过传输门20时，可以形成浮置扩散层24，以便与所述多个沟道结构23中的所有沟道结构叠置。浮置扩散层24可以包括含有硅或金属性材料的半导体材料。例如，浮置扩散层24可以包括掺杂有N型杂质的多晶硅。
然后，可以在浮置扩散层24之上形成电容器27。可以将电容器27形成为顺序地层叠有第一电极、电介质层27和第二电极26的层叠结构。这里，第一电极可以是浮置扩散层24。电容器27可以具有扁平形状和比浮置扩散层24小的面积。相应地，电介质层25和第二电极26可以具有比浮置扩散层24小的面积。
如图8F所示，可以形成层间电介质层28，所述层间电介质层28覆盖包括传输门20、浮置扩散层24和电容器27的结构。层间电介质层28可以包括氧化物、氮化物、氮氧化物或它们的组合。
在载体晶片(未示出)之上形成逻辑电路层29之后，可以将层间电介质层28和逻辑电路层29键合在一起以彼此面对。逻辑电路层29可以包括信号处理电路，信号处理电路处理像素响应于入射光而产生的像素信号。尽管在图8F中未示出，见图1，信号处理电路可以包括相关双采样120、模数转换器130、缓冲器140、行驱动器150、时序发生器160、控制寄存器170、斜坡信号发生器180等。信号处理电路可以包括多个晶体管、多层线、多层的层间电介质层28和将它们彼此耦接的多个插塞。
通过执行多个晶片键合工艺，逻辑电路层29可以形成在多层结构中，并且每个逻辑电路层29可以执行彼此不同的功能。
尽管在图中未示出，但是在键合逻辑电路层29之前，可以形成穿过层间电介质层28且分别耦接到传输门20、浮置扩散层24和电容器27的第二电极26的多个接触部。所述多个接触部可以耦接到逻辑电路层29。
然后，可以在衬底10的入射表面S1之上顺序地形成滤色器层30和聚光构件31。滤色器层30可以用于分离颜色，且包括红色滤色器、绿色滤色器、蓝色滤色器、蓝绿色滤色器、黄色滤色器、品红色滤色器、白色滤色器、黑色滤色器、红外截止滤色器等。聚光构件31可以包括数位透镜或半球透镜。
随后，可以经由用于制造图像传感器的已知技术来完整地形成根据本发明的实施例的图像传感器。
根据本发明的实施例的图像传感器可以用在各种电子设备或***中。在下文，将参照图9描述应用于相机的根据本发明的一个实施例的图像传感器。
图9是示意地图示了包括图1所示的图像传感器的电子设备的示图。参见图9，包括根据本发明的一个实施例的图像传感器的电子设备可以是能够拍取静态图像或移动图像的相机。电子设备可以包括光学***或光学透镜310、快门单元311、用于控制/驱动图像传感器300和快门单元311的驱动单元313以及信号处理单元312。
光学***310可以将来自目标物的图像光引导到图像传感器300的像素阵列100。光学***310可以包括多个光学透镜。快门单元311可以控制图像传感器300的光照射时间和光遮蔽时间。驱动单元313可以控制图像传感器300的传输操作以及快门单元311的快门操作。信号处理单元可以各种方式来处理从图像传感器300输出的信号。经过处理的图像信号Dout可以储存在诸如存储器的储存介质中或者输出到监视器等。
如上所述，图像传感器可以有助于高度集成，并且防止因集成度增加而导致的劣化。
尽管出于说明的目的描述了各个实施例，但是本领域技术人员将会了然，可以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进行各种变化和修改。

Claims (21)

1.一种图像传感器，包括：
光电转换元件，形成在衬底内；
传输门，形成在光电转换元件之上，形成在衬底的第一表面之上，并且具有至少一个通孔，其中通孔穿过传输门；
浮置扩散层，形成在传输门之上；
沟道结构，形成在通孔内，并且响应于施加给传输门的信号将光电转换元件电耦接到浮置扩散层；以及
电容器，形成在浮置扩散层之上，
其中，沟道结构包括：
沟道层，形成在通孔的侧壁之上；以及
密封层，被通孔包围。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
层间电介质层，形成在衬底之上，并且覆盖传输门、浮置扩散层以及电容器；
逻辑电路层，形成在层间电介质层之上；以及
接触部，穿过层间电介质层，并且分别将传输门、浮置扩散层和电容器电耦接到逻辑电路层。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
滤色器层，形成在衬底的入射表面之上，其中，衬底的入射表面与衬底的第一表面相对，其中，入射光经由入射表面被引入光电转换元件；以及
聚光构件，形成在滤色器层之上。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，光电转换元件包括：
第二杂质区，形成在衬底内；以及
第一杂质区，具有与第二杂质区互补的导电类型，形成在衬底内，并且包围第二杂质区，
其中，第二杂质区通过穿过第一杂质区而延伸到沟道结构。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，光电转换元件还包括：
第三杂质区，形成在衬底内，具有与第一杂质区相同的导电类型，并且插置在沟道结构与第二杂质区之间。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，
其中，第一杂质区包括设置在第二杂质区与传输门之间的部分，以及
其中，第三杂质区具有比设置在第二杂质区与传输门之间的第一杂质区的部分小的厚度。
7.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，第二杂质区的掺杂浓度沿着载流子传输方向增加。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，传输门包括：
栅电极；以及
栅电介质层，包围栅电极。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，栅电介质层包括：
第一栅电介质层，形成在栅电极与光电转换元件之间；
第二栅电介质层，形成在栅电极与浮置扩散层之间；以及
第三栅电介质层，形成在沟道结构与栅电极之间。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，第一栅电介质层、第二栅电介质层以及第三栅电介质层具有彼此相同的厚度。
11.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，第一栅电介质层和第二栅电介质层中的每个具有比第三栅电介质层大的厚度。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，第一栅电介质层和第二栅电介质层中的每个包括低K材料，且
其中，第三栅电介质层包括高K材料。
13.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，通孔具有多边形柱体形状或圆形柱体形状。
14.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，沟道层具有环型柱状或筒形。
15.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，沟道结构包括具有柱形的沟道层，并且被形成为完全地填充通孔。
16.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，传输门和浮置扩散层中的每个具有平板形状，并且
其中，传输门具有比浮置扩散层大的面积。
17.根据权利要求16所述的图像传感器，还包括第二通孔，
其中，第二通孔穿过传输门，并且
其中，浮置扩散层与通孔叠置。
18.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，电容器包括第一电极、电介质层和第二电极的层叠，以及
其中，第一电极包括浮置扩散层。
19.根据权利要求18所述的图像传感器，其中，浮置扩散层和电容器中的每个具有平板形状，并且
其中，浮置扩散层具有比电介质层和第二电极大的面积。
20.一种图像传感器，包括：
光电转换元件，形成在衬底内；
传输门，形成在光电转换元件之上，形成在衬底的第一表面之上，并且具有至少一个通孔，其中通孔穿过传输门；
浮置扩散层，形成在传输门之上；
沟道结构，形成在通孔内，并且响应于施加给传输门的信号将光电转换元件电耦接到浮置扩散层；以及
电容器，形成在浮置扩散层之上，
层间电介质层，形成在衬底之上，并且覆盖传输门、浮置扩散层以及电容器；
逻辑电路层，形成在层间电介质层之上；以及
接触部，穿过层间电介质层，并且分别将传输门、浮置扩散层和电容器电耦接到逻辑电路层。
21.一种图像传感器，包括：
光电转换元件，形成在衬底内；
传输门，形成在光电转换元件之上，形成在衬底的第一表面之上，并且具有至少一个通孔，其中通孔穿过传输门；
浮置扩散层，形成在传输门之上；
沟道结构，形成在通孔内，并且响应于施加给传输门的信号将光电转换元件电耦接到浮置扩散层；以及
电容器，形成在浮置扩散层之上，
其中，光电转换元件包括：
第二杂质区，形成在衬底内；以及
第一杂质区，具有与第二杂质区互补的导电类型，形成在衬底内，并且包围第二杂质区，
其中，第二杂质区通过穿过第一杂质区而延伸到沟道结构。
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