CN115692438A - 图像感测装置 - Google Patents

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CN115692438A CN202210513709.6A CN202210513709A CN115692438A CN 115692438 A CN115692438 A CN 115692438A CN 202210513709 A CN202210513709 A CN 202210513709A CN 115692438 A CN115692438 A CN 115692438A
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Abstract

本申请涉及图像感测装置。一种图像感测装置可以包括：第一传输栅极，该第一传输栅极被配置为将在光电转换区中生成的光电荷传输到第一浮置扩散区；以及第二传输栅极，该第二传输栅极被配置为将存储在第一浮置扩散区中的光电荷传输到第二浮置扩散区。第二传输栅极可以邻接第一传输栅极的侧表面，第一浮置扩散区可以邻接第二传输栅极的底表面和第一传输栅极的侧表面，并且第二浮置扩散区可以邻接第二传输栅极的一个表面，该一个表面面对第二传输栅极和第一传输栅极邻接所在的表面。

Description

图像感测装置
技术领域
本专利文件中公开的技术和实现方式总体涉及一种图像感测装置。
背景技术
图像感测装置是一种半导体装置，其用于捕获光学图像的光并将其转换成电信号，以用于显示捕获的图像并进一步处理捕获的图像。包括汽车、医疗、计算机和通信行业的各种行业和部门近来的发展在各种电子装置(例如智能手机、数码相机、游戏机、IOT(物联网)、机器人、安全摄像头和医用***头)中产生了对高性能图像感测装置的各种需求。
图像感测装置可以粗略地分为CCD(电荷耦合器件)图像感测装置和CMOS(互补金属氧化物半导体)图像感测装置。CCD图像感测装置比CMOS图像感测装置提供更高的图像质量，但是比CMOS图像感测装置具有更大的尺寸并且消耗更多的功率。与CCD图像感测装置相比，CMOS图像感测装置具有更小的尺寸并且消耗更少的功率。此外，CMOS图像感测装置和信号处理电路可以集成到单个芯片中，从而可以使电子装置小型化，同时实现生产成本的降低。这些特性使得CMOS图像感测装置更适合在移动装置中实现。
发明内容
各种实施方式涉及一种能够执行全局快门功能而不增加其尺寸的图像感测装置。
根据所公开技术的一个实施方式，一种图像感测装置包括：光电转换区，该光电转换区被构造成将入射光转换成对应于对象的光学图像的光电荷；第一传输栅极，该第一传输栅极被构造成将由光电转换区生成的光电荷传输到被构造成存储光电荷的第一浮置扩散区；以及第二传输栅极，该第二传输栅极被构造成将传输到第一浮置扩散区的光电荷传输到被构造成存储光电荷以用于读出的第二浮置扩散区，其中，第二传输栅极的第一侧表面邻接第一传输栅极的侧表面，第一浮置扩散区邻接第二传输栅极的底表面和第一传输栅极的侧表面，并且第二浮置扩散区邻接第二传输栅极的背离第二传输栅极的第一侧表面的第二侧表面。
在一些实现方式中，第一传输栅极形成在基板中并且具有第一长度，第二传输栅极形成在基板中并且具有第二长度，并且其中，第一长度大于第二长度。
在一些实现方式中，图像感测装置还可以包括邻接光电转换区、第一浮置扩散区和第一传输栅极的第一沟道。
在一些实现方式中，图像感测装置还可以包括邻接第一浮置扩散区、第二浮置扩散区和第二传输栅极的第二沟道。
在一些实现方式中，第二沟道可以沿着第二传输栅极的底表面的一部分和第二传输栅极的第二侧表面的一部分延伸。
在一些实现方式中，第二传输栅极可以比第一浮置扩散区具有更大的宽度。
在一些实现方式中，第一传输栅极可以邻接光电转换区的至少一部分。
在一些实现方式中，第一传输栅极和光电转换区可以形成在基板中，并且其中，当从基板的第一表面观看时，第一传输栅极与光电转换区交叠。
在一些实现方式中，根据施加到第一传输栅极的第一传输信号的电压电平，光电荷可以从光电转换区迁移到第一浮置扩散区。
在一些实现方式中，根据施加到第二传输栅极的第二传输信号的电压电平，光电荷可以从第一浮置扩散区迁移到第二浮置扩散区。
在一些实现方式中，第一传输信号可以对应于有效电压电平、无效电压电平和防泄漏电压电平中的一个，并且可以根据第一传输信号的电压电平调整第一传输栅极的电压电平。
在一些实现方式中，当光电荷存储在第一浮置扩散区中时，第一传输信号的电压电平是防泄漏电压电平。
在一些实现方式中，第一传输栅极和第二传输栅极可以从基板的第一表面到基板中的一定深度形成在基板中，并且其中，第一传输栅极在基板的第一表面处的面积小于第二传输栅极在基板的第一表面处的面积。
在一些实现方式中，第一传输栅极可以包括第一栅极电极和第一栅极电介质层，并且第二传输栅极可以包括第二栅极电极和第二栅极电介质层。
根据所公开技术的另一实施方式，一种图像感测装置可以包括：光电转换区，该光电转换区形成在基板中并且被构造成将入射光转换成对应于对象的光学图像的光电荷；第一传输栅极，该第一传输栅极被构造成传输光电荷，第一传输栅极邻接光电转换区并且从基板的第一表面延伸；第二传输栅极，该第二传输栅极被构造成传输光电荷，第二传输栅极邻接第一传输栅极并且从基板的第一表面延伸；第一浮置扩散区，该第一浮置扩散区被构造成存储光电荷并且邻接第一传输栅极和第二传输栅极；以及第二浮置扩散区，该第二浮置扩散区被构造成存储光电荷并且邻接第二传输栅极，其中，第一浮置扩散区邻接第一传输栅极的侧表面和第二传输栅极的底表面。
在一些实现方式中，根据施加到第一传输栅极的第一传输信号的电压电平，第一传输栅极可以将由光电转换区生成的光电荷传输到第一浮置扩散区。
在一些实现方式中，第一传输信号可以对应于有效电压电平、无效电压电平和防泄漏电压电平中的一个。
在一些实现方式中，当光电荷存储在第一浮置扩散区中时，第一传输信号可以具有防泄漏电压电平。
在一些实现方式中，根据施加到第二传输栅极的第二传输信号的电压电平，第二传输栅极可以将第一浮置扩散区的光电荷传输到第二浮置扩散区。
在一些实现方式中，第二传输信号可以对应于有效电压电平和无效电压电平中的一个。
应当理解，所公开的技术的前述一般描述和以下详细描述都是说明性和解释性的，并且旨在提供对所要求保护的公开内容的进一步解释。
附图说明
图1是示出基于所公开技术的一些实施方式的图像感测装置的框图。
图2是示出基于所公开技术的一些实施方式的图像感测装置中包括的单位像素的一部分的图。
图3是沿着图2的第一线A-A’截取的单位像素的截面图。
图4是基于所公开技术的一些实施方式的单位像素的示例电路图。
图5示出基于所公开技术的一些实施方式的响应于电势或电压变化以及传输晶体管的操作而发生的光电荷迁移的一个示例。
图6示出基于所公开技术的一些实施方式的响应于电势或电压变化以及传输晶体管的操作而发生的光电荷迁移的另一个示例。
图7示出基于所公开技术的一些实施方式的响应于电势或电压变化以及传输晶体管的操作而发生的光电荷迁移的另一个示例。
图8示出基于所公开技术的一些实施方式的响应于电势或电压变化以及传输晶体管的操作而发生的光电荷迁移的另一个示例。
具体实施方式
根据各个实施方式，图像感测装置中包括的单位像素可以包括各自具有传输栅极(transmission gate)的多个传输晶体管，从而执行全局快门操作。
此外，图像感测装置可以识别施加到单位像素中包括的第一传输栅极和第二传输栅极的传输信号，使得光电转换区中生成的光电荷易于存储和传输。
此外，第一传输栅极和第二传输栅极可以定位成彼此邻接，并且宽度小于第二传输栅极的第一浮置扩散区可以设置成邻接第二传输栅极的底表面，从而可以提供其中单位像素的尺寸减小并且沟道长度增加的图像感测装置。
此外，可以提供通过本文件直接或间接理解的各种效果。
在下文中，将参照附图描述各种实施方式。然而，应该理解，本公开不限于特定实施方式，而是包括各种变型、等同物和/或替代物。本公开的实施方式可以提供能够通过本公开直接/间接认识到的各种效果。
图1是示出基于所公开技术的一些实施方式的图像感测装置100的框图。
参照图1，图像感测装置100可以包括像素阵列110、行驱动器120、CDS(相关双采样器)130、ADC(模拟数字转换器)140、输出缓冲器150、列驱动器160和时序控制器170。图像感测装置100的组件仅仅是示例，并且如果需要，可以添加或省略组件中的至少一些。
像素阵列110可以包括布置在多行和多列之间的相应交叉点处的多个单位像素。在一个实施方式中，多个单位像素可以布置成包括行和列的2D像素阵列。在另一个实施方式中，多个单位图像像素可以布置成3D像素阵列。多个单位像素可以以单位像素或像素组为基础光信号转换成电信号，并且每个像素组内的单位像素可以共享至少一个特定的内部电路。像素阵列110可以从行驱动器120接收驱动信号，包括行选择信号、像素复位信号和传输信号。根据驱动信号，可以使像素阵列110的对应单位像素能够执行对应于行选择信号、像素复位信号或传输信号的操作。
基于由时序控制器170提供的命令和控制信号，行驱动器120可以使像素阵列110能够对对应行中包括的单位像素执行特定操作。在一个实施方式中，行驱动器120可以选择布置在像素阵列110的一行或更多行处的一个或更多个单位像素。行驱动器120可以生成行选择信号以在多行中选择一行或更多行。
行驱动器120可以顺序地使能针对对应于所选择的一行或更多行的像素的像素复位信号和传输信号。因此，作为从选定行的相应像素生成的模拟信号的参考信号和图像信号可以顺序传输到CDS 130。参考信号可以是当单位像素的感测节点(例如，浮置扩散区节点)复位时提供给CDS 130的电信号，并且图像信号可以是当由单位像素生成的光电荷累积在感测节点中时提供给CDS 130的电信号。指示像素的独有复位噪声的参考信号和指示入射光的强度的图像信号可以统称为像素信号。
CMOS图像感测装置可以对像素信号进行两次采样以消除两个采样之间的差异，从而使用相关双采样来消除像素的不期望出现的偏移值(例如，固定模式噪声)。例如，通过相关双采样，CMOS图像感测装置可以比较在由入射光生成的光电荷累积在感测节点中之前和之后获得的像素输出电压，并且消除不期望出现的偏移值，从而测量仅基于入射光的像素输出电压。在一个实施方式中，CDS 130可以顺序地采样和保持从像素阵列110提供给每一列的参考信号和图像信号。也就是说，CDS 130可以采样和保持对应于像素阵列110的每一列的参考信号和图像信号的电平。
CDS 130可以基于来自时序控制器170的控制信号，将每一列的参考信号和图像信号作为相关双采样信号传输到ADC 140。
ADC 140可以将从CDS 130输出的针对每一列的经校正的双采样信号转换成数字信号，并输出该数字信号。在一个实施方式中，ADC 140可以实现为斜坡比较型ADC。斜坡比较型ADC可以包括比较电路和计数器，比较电路被配置为将模拟像素信号与随着时间的流逝而上升或下降的斜坡信号进行比较，计数器被配置为执行计数操作直到斜坡信号与模拟像素信号匹配。在一个实施方式中，ADC 140可以将由CDS130生成的针对每一列的相关双采样信号转换成数字信号，并输出该数字信号。
ADC 140可以包括对应于像素阵列110的相应列的多个列计数器。像素阵列110的列可以联接到相应的列计数器，并且可以通过经由列计数器将对应于相应列的相关双采样信号转换成数字信号来生成图像数据。在另一个实施方式中，ADC 140可以包括一个全局计数器，并且使用从全局计数器提供的全局码来将对应于相应列的相关双采样信号转换成数字信号。
输出缓冲器150可以临时保持从ADC 140提供的基于列的图像数据，并且输出保持的图像数据。输出缓冲器150可以基于时序控制器170的控制信号临时存储从ADC 140输出的图像数据。输出缓冲器150可以作为接口进行操作，该接口补偿与联接到图像感测装置100的另一装置的传输速率或处理速度的差异。
列驱动器160可以基于时序控制器170的控制信号选择输出缓冲器150的列，并控制输出缓冲器150顺序输出临时存储在输出缓冲器150的选定列中的图像数据。在一个实施方式中，列驱动器160可以从时序控制器170接收地址信号，基于地址信号生成列选择信号，并选择输出缓冲器150的列，使得图像数据从输出缓冲器150的选定列输出到外部。
时序控制器170可以控制行驱动器120、CDS 130、ADC 140、输出缓冲器150和列驱动器160中的一个或更多个。
时序控制器170可以向行驱动器120、CDS 130、ADC 140、输出缓冲器150和列驱动器160中的一个或更多个提供图像感测装置100的相应组件的操作所需的时钟信号、用于时序控制的控制信号和用于选择行或列的地址信号。根据一个实施方式，时序控制器170可以包括逻辑控制电路、锁相环(PLL)电路、时序控制电路、通信接口电路等。
图2是示出基于所公开技术的一些实施方式的图像感测装置中包括的单位像素的一部分200的图。图2是示出基板的其中单位像素所在的一个表面的平面图。
单位像素可以包括在图1的像素阵列110中。在一个实施方式中，像素阵列110可以包括布置成行和列的多个单位像素。
单位像素可以包括光电转换区210、第一传输栅极220、第二传输栅极230和第二浮置扩散区250。尽管图中未示出，但是单位像素可以包括邻接第二传输栅极230的底表面的第一浮置扩散区。单位像素还包括晶体管区中的多个晶体管。
光电转换区210可以生成对应于入射光的光电荷。光电转换区210可以包括有机光电二极管或无机光电二极管。在另一实施方式中，光电转换区210可以包括诸如光电门的光敏元件。
在所公开技术的一些实施方式中，光电转换区210可以形成在半导体基板中，并且包括具有互补导电类型并且在垂直方向上层叠的杂质区(P型杂质区和/或N型杂质区)。
光电转换区210可以包括与第一传输栅极220、第二传输栅极230、第一浮置扩散区和第二浮置扩散区250交叠的部分。例如，光电转换区210与形成在基板中的第一传输栅极220、第二传输栅极230、第一浮置扩散区和第二浮置扩散区250交叠，并且当从基板的顶面观看时，光电转换区210的该一部分与第一传输栅极220、第二传输栅极230、第一浮置扩散区和第二浮置扩散区250交叠。结果，可以确保单位像素中的光电转换区210的光接收面积。
第一传输栅极220可以与光电转换区210交叠，因此光电转换区210中生成的光电荷可以容易地迁移到第一浮置扩散区。
第二传输栅极230可以邻接第一传输栅极220。由于第二传输栅极230形成为邻接第一传输栅极220，所以可以提高单位像素布局的自由度。
第一传输栅极220占据的面积可以小于第二传输栅极230占据的面积。由于第二传输栅极230的面积变得大于第一传输栅极220的面积，所以可以在第二传输栅极230下方确保设置有第一浮置扩散区的区域。
当第二传输栅极230比第一传输栅极220具有更大的面积时，可以在第一浮置扩散区和第二浮置扩散区250之间充分地确保第二沟道，并且光电荷可以容易地在第一浮置扩散区和第二浮置扩散区250之间传输。
第二传输栅极230可以邻接第二浮置扩散区250。在所公开技术的一些实施方式中，第二浮置扩散区250可以具有包括邻接第二传输栅极230并且比其它侧边长度更长的侧边的三角形结构。然而，本公开的范围不限于此。例如，单位像素中的至少一些可以是共享像素，并且第二浮置扩散区250可以具有诸如菱形或八边形的多边形形状。
在一些实现方式中，驱动晶体管、复位晶体管、选择晶体管可以位于单位像素的晶体管区中。下面将参照图4描述晶体管区中包括的晶体管的特征。
图3示出沿着图2的第一线A-A’截取的单位像素的截面300。
图3所示的光电转换区310可以对应于图2的光电转换区210，并且图3的第一传输栅极320可以对应于图2的第一传输栅极220。此外，图3的第二传输栅极330可以对应于图2的第二传输栅极230，并且图3的第二浮置扩散区350可以对应于图2的第二浮置扩散区250。
参照图3，光电转换区310、第一传输栅极320、第二传输栅极330、第一浮置扩散区340、第二浮置扩散区350和半导体区360形成在基板400中。
在一些实现方式中，第一传输栅极320包括第一栅极电极322和第一栅极电介质层324，并且第二传输栅极330包括第二栅极电极332和第二栅极电介质层334。
基板400可以包括半导体基板或外延层。半导体基板可以包括硅或掺杂有杂质(例如，P型杂质或N型杂质)的硅。半导体区域360可以包括基板400中的硅或掺杂有杂质的硅或外延层。
光电转换区310可以形成在基板400中。
光电转换区310可以形成为邻接第一传输栅极320的底表面。光电转换区310可以生成对应于入射光的光电荷。根据施加到第一传输栅极320的第一传输信号的电压电平，光电荷可以从光电转换区310传输到第一浮置扩散区340。
第一传输栅极320可以从基板的一个表面朝向光电转换区310延伸第一长度L1。第一长度L1可以对应于第一传输栅极320在图3的y轴方向上延伸的长度。
第一传输栅极320的底表面可以邻接光电转换区310的至少一部分，并且第一传输栅极320的至少一部分可以被光电转换区310围绕。
第一传输栅极320可以从半导体基板的一个表面形成为沟槽形状。参照图3，在一些实现方式中，第一传输栅极320形成为矩形形状，其顶部和底部宽度彼此相等。在其它实现方式中，第一传输栅极320可以形成为梯形形状，其顶部和底部宽度彼此不同。
由于第一传输栅极320被光电转换区310包围，所以第一传输栅极320和光电转换区310之间的接触面积可以增加，并且由光电转换区310生成的光电荷可以容易地迁移到第一浮置扩散区340。
第一传输栅极320可以包括第一栅极电极322和第一栅极电介质层324。
在所公开技术的一些实施方式中，第一栅极电极322可以包括导电材料。例如，导电材料可以包括多晶硅或金属(例如，铜或钨)。第一栅极电介质层324可以形成为围绕第一栅极电极322。第一栅极电介质层324可以包括高k电介质材料(例如，氧化硅和氮化硅)。
第一栅极电介质层324可以将第一栅极电极322与光电转换区310、第二传输栅极330和第一浮置扩散区340电隔离。第二传输栅极330可以从基板的一个表面朝向光电转换区310延伸第二长度L2。第二长度L2可以对应于第二传输栅极330在图3的y轴方向上延伸的长度。
第二长度L2可以小于对应于第一传输栅极320的长度的第一长度L1。由于第二长度L2设置为小于第一长度L1的值，所以第一浮置扩散区340可以形成在第二传输栅极330下方。
第二传输栅极330可以邻接第一传输栅极320的侧表面。根据一个实施方式，侧表面可以表示垂直于x轴的平面。
第二传输栅极330可以从半导体基板的一个表面形成为沟槽形状。参照图3，在一些实现方式中，第二传输栅极330形成为矩形形状，其顶部和底部宽度彼此相等。在其它实现方式中，第二传输栅极330可以形成为梯形形状，其顶部和底部宽度彼此不同。
第二传输栅极330可以包括第二栅极电极332和第二栅极电介质层334。
在所公开技术的一些实施方式中，第二栅极电极332可以包括导电材料。例如，导电材料可以包括多晶硅或金属(例如，铜或钨)。第二栅极电介质层334可以形成为围绕第二栅极电极332。第二栅极电介质层334可以包括高k电介质材料(例如，氧化硅和氮化硅)。
第二栅极电介质层334可以将第二栅极电极332与第一传输栅极320、第一浮置扩散区340和第二浮置扩散区350电隔离。
第一浮置扩散区340可以邻接第一传输栅极320的侧表面，并且邻接第二传输栅极330的底表面。换句话说，在第一浮置扩散区340中包括的表面中，垂直于x轴的表面可以邻接第一传输栅极320，并且垂直于y轴的另一表面可以邻接第二传输栅极330。
第一浮置扩散区340可以包括杂质(例如，N型杂质)掺杂区。根据一个实施方式，第一浮置扩散区340可以包括具有不同浓度并且在其中进行层叠的杂质(例如，N型杂质)掺杂区。
当施加到第一传输栅极320的第一传输信号的电压电平是有效电压电平(activevoltage level)时，第一沟道可以形成在第一浮置扩散区340和光电转换区310之间。此外，当施加到第一传输栅极320的第一传输信号的电压电平是无效电压电平时，第一沟道可以不形成在第一浮置扩散区340和光电转换区310之间。
在所公开技术的一些实施方式中，第一沟道可以在y轴方向上从光电转换区310朝向第一浮置扩散区340延伸。
光电转换区310中生成的光电荷可以沿着第一沟道迁移到第一浮置扩散区340。光电转换区310、第一传输栅极320和第一浮置扩散区340可以用作第一传输晶体管，光电转换区310和第一浮置扩散区340可以用作第一传输晶体管的两个端子，并且第一传输栅极320可以用作第一传输晶体管的栅极。
第二浮置扩散区350可以包括杂质(例如，N型杂质)掺杂区。根据一个实施方式，第二浮置扩散区350可以包括具有不同浓度并且在其中进行层叠的杂质(例如，N型杂质)掺杂区。
第二浮置扩散区350可以掺杂有具有比第一浮置扩散区340的杂质浓度更高浓度的杂质。由于第二浮置扩散区350掺杂有具有比第一浮置扩散区340的杂质浓度更高浓度的杂质，所以可以在第一浮置扩散区340和第二浮置扩散区350之间形成电势梯度。
由于光电荷从电势高的地方迁移到电势低的地方，所以光电荷可以从由于低浓度掺杂而使电势高的第一浮置扩散区340平稳地迁移到电势相对低的第二浮置扩散区350。
当施加到第二传输栅极330的第二传输信号的电压电平是有效电压电平时，第二沟道可以形成在第一浮置扩散区340和第二浮置扩散区350之间。此外，当施加到第二传输栅极330的第二传输信号的电压电平是无效电压电平时，第二沟道可以不形成在第一浮置扩散区340和第二浮置扩散区350之间。
第二沟道可以设置在第一浮置扩散区340、第二浮置扩散区350和第二传输栅极330之间。
在所公开技术的实施方式中，第一浮置扩散区340的宽度W2可以小于第二传输栅极330的宽度W1。
由于第一浮置扩散区340的宽度W2小于第二传输栅极330的宽度W1，所以形成在第一浮置扩散区340和第二浮置扩散区350之间的第二沟道可以跨越第二传输栅极330的底表面和侧表面的一部分而形成。
换句话说，第二沟道可以包括沿着第二传输栅极330的底表面形成并且在x轴方向上延伸的横向区域(lateral region)，以及沿着第二传输栅极330的侧表面形成并且在y轴方向上延伸的纵向区域(vertical region)。
由于第二沟道包括横向区域和纵向区域，所以即使单位像素尺寸减小，也可以确保第二沟道的长度。
光电荷临时存储在第一浮置扩散区340中，并且然后沿着第二沟道迁移到第二浮置扩散区350。第一浮置扩散区340、第二传输栅极330和第二浮置扩散区350可以用作第二传输晶体管，第一浮置扩散区340和第二浮置扩散区350可以用作第二传输晶体管的两个端子，并且第二传输栅极330可以用作第二传输晶体管的栅极。
在所公开技术的另一实施方式中，第一传输晶体管可以防止临时存储在第一浮置扩散区340中的光电荷泄漏到光电转换区310。
例如，在光电荷被临时存储在第一浮置扩散区340中之后，在光电荷从第一浮置扩散区340传输到第二浮置扩散区350之前，可以将具有防泄漏电压电平(anti-leakagevoltage level)的第一传输信号施加到第一传输栅极320。防泄漏电压电平可以具有与有效电压电平相反的符号。
在将具有防泄漏电压电平的第一传输信号施加到第一传输栅极320时，第一传输晶体管可以用作光电转换区310和第一浮置扩散区340之间的势垒，并且防止光电荷从第一浮置扩散区340泄漏到光电转换区310。
图4是基于所公开技术的一些实施方式的单位像素的示例电路图。
图4示出光电转换区PD、第一传输晶体管TX1、第一浮置扩散区FD1、第二传输晶体管TX2、第二浮置扩散区FD2、复位晶体管RX、驱动晶体管DX和选择晶体管SX之间的联接关系。
此外，图4示出施加到相应晶体管(例如，TX1、TX2、RX和SX)的信号TS1、TS2、RS和SEL。
第一传输晶体管TX1可以位于光电转换区PD和第一浮置扩散区FD1之间。
可以将第一传输信号TS1施加到第一传输晶体管TX1。根据第一传输信号TS1的电压电平，在光电转换区PD中生成的光电荷可以传输到第一浮置扩散区FD1。例如，第一传输信号TS1可以具有有效电压电平、无效电压电平或防泄漏电压电平。
当第一传输信号TS1具有有效电压电平时，光电荷可以从光电转换区PD传输到第一浮置扩散区FD1。
可以临时存储传输到第一浮置扩散区FD1的光电荷，直到具有有效电压电平的第二传输信号TS2施加到第二传输晶体管TX2。
单位像素可以通过临时存储光电荷的第一浮置扩散区FD1执行全局快门操作。
全局快门操作可使像素阵列(例如，图1的110)中包括的所有单位像素能够开始和结束对同一时间帧的入射光的曝光，并针对像素阵列110的每一行，输出对应于同一时间帧期间入射的光的像素信号。
在全局快门操作期间，图像感测装置100可以基于对应于同一时间帧期间入射的光的像素信号来生成目标对象的图像信号，从而防止图像失真。
在全局快门操作期间，像素阵列110中包括的所有单位像素可以同时复位，并且每个单位像素可以生成对应于在同一时间帧期间接收的入射光的光电荷。
对应于在同一时间帧期间接收的入射光的光电荷可以临时存储在相应单位像素中包括的第一浮置扩散区(例如，FD1)中。然后，当具有有效电压电平的第二传输信号TS2施加到第二传输晶体管TX2时，临时存储在第一浮置扩散区FD1中的光电荷可以传输到第二浮置扩散区FD2。可以针对像素阵列110的每一行输出对应于传输到第二浮置扩散区FD2的光电荷的像素信号。
第二传输晶体管TX2可以位于第一浮置扩散区FD1和第二浮置扩散区FD2之间。
可以将第二传输信号TS2施加到第二传输晶体管TX2。根据第二传输信号TS2的电压电平，已经存储在第一浮置扩散区FD1中的光电荷可以传输到第二浮置扩散区FD2。例如，第二传输信号TS2可以具有有效电压电平或者无效电压电平。在另一实施方式中，当光电荷临时存储在第一浮置扩散区FD1中时，施加到第一传输晶体管TX1的第一传输信号TS1可以具有防泄漏电压电平。
当第一传输信号TS1具有防泄漏电压电平时，第一传输晶体管TX1可以用作光电转换区PD和第一浮置扩散区FD1之间的电压势垒。由于第一传输晶体管TX1用作电压势垒，所以可以防止光电荷从第一浮置扩散区FD1泄漏到光电转换区PD。
传输到第二浮置扩散区FD2的光电荷可以由驱动晶体管DX放大。第二浮置扩散区FD2可以联接到驱动晶体管DX的栅极。
此外，第二浮置扩散区FD2可以联接到复位晶体管RX的一个端子。复位晶体管RX的另一端子可以联接到像素电压VDD，并且复位晶体管RX可以根据施加到复位晶体管RX的栅极的复位控制信号RS的电压电平，将单位像素中包括的光电转换区PD以及浮置扩散区FD1和FD2复位到像素电压。由于光电转换区PD和浮置扩散区FD1和FD2复位到像素电压，所以可以精确地测量响应于入射光而生成的光电荷的量。
当复位控制信号RS具有有效电压电平时，第一传输信号TS1和第二传输信号TS2可以具有有效电压电平。当复位控制信号RS、第一传输信号TS1和第二传输信号TS2具有有效电压电平时，光电转换区PD、第一浮置扩散区FD1和第二浮置扩散区FD2可以电联接并且复位到像素电压VDD。
选择晶体管SX可以根据选择控制信号SEL选择性地输出由驱动晶体管DX放大的信号。从选择晶体管SX的一个端子输出的信号可以称为像素信号Vout。
图像感测装置100可以通过从每个单位像素输出的像素信号Vout生成图像信息。
图5至图8是示出基于所公开技术的一些实施方式的响应于电势或电压变化以及传输晶体管TX1和TX2的操作而发生的光电荷迁移的示例的图。
图5示出在将单位像素复位至像素电压之后，在光电转换区PD中生成对应于入射光的光电荷的时间段中的相对电势和光电荷。当形成电势梯度时，光电荷可以从电势高的地方迁移到电势低的地方。
在一个实施方式中，第一浮置扩散区FD1可以比光电转换区PD具有更低的电势，并且第二浮置扩散区FD2可以比第一浮置扩散区FD1具有更低的电势。
在一个实施方式中，执行全局快门操作的图像感测装置100的光电转换区PD可以在曝光时间期间生成对应于入射在光电转换区PD上的光的光电荷。
在光电转换区PD中生成对应于入射光的光电荷的时间段期间，可以将具有无效电压电平的第一传输信号施加到第一传输晶体管TX1，并且可以将具有无效电压电平的第二传输信号施加到第二传输晶体管TX2。
图6示出具有有效电压电平的第一传输信号施加到第一传输晶体管TX1，并且光电荷从光电转换区PD迁移到第一浮置扩散区FD1的时间段的电势。
随着具有有效电压电平的第一传输信号施加到第一传输晶体管TX1，第一传输晶体管TX1的电压电势可以降低与第一电势VTS1相同的幅度。
随着第一传输晶体管TX1的电压电势降低，可以从光电转换区PD到第一传输晶体管TX1和第一浮置扩散区FD1形成电势梯度，并且光电荷可以从光电转换区PD迁移到浮置扩散区FD1。在该时间段期间，施加到第二传输晶体管TX2的第二传输信号可以具有无效电压电平。
图7示出光电荷临时存储在第一浮置扩散区FD1中，并且具有防泄漏电压电平的第一传输信号施加到第一传输晶体管TX1的时间段的电势。此时，施加到第二传输晶体管TX2的第二传输信号可以具有无效电压电平。
随着具有防泄漏电压电平的第一传输信号施加到第一传输晶体管TX1，第一传输晶体管TX1的电压或电势可以增加与防泄漏电势VTS1'相同的幅度。随着第一传输晶体管TX1的电压或电势增加，可以防止形成从第一浮置扩散区FD1到光电转换区PD的电势梯度。因此，当具有防泄漏电压电平的第一传输信号施加到第一传输晶体管TX1时，可以防止临时存储在第一浮置扩散区FD1中的光电荷泄漏到光电转换区PD。
在光电转换区PD中生成的光电荷可以临时存储在第一浮置扩散区FD1中，并且包括第一浮置扩散区FD1的图像感测装置可以执行从像素阵列中包括的多个单位像素输出对应于相同曝光时间的像素信号的全局快门操作。
当在输出对应于存储在第一浮置扩散区FD1中的光电荷的像素信号之前，光电荷从第一浮置扩散区FD1泄漏到光电转换区PD时，输出的像素信号可能失真。
因此，通过将第一传输晶体管TX的电压或电势增加与防泄漏电势VTS1'相同的幅度，可以防止在输出像素信号之前光电荷的泄漏，并且防止像素信号的失真。
图8示出具有有效电压电平的第二传输信号施加到第二传输晶体管TX2，并且光电荷从第一浮置扩散区FD1迁移到第二浮置扩散区FD2的时间段的电势。随着具有有效电压电平的第二传输信号施加到第二传输晶体管TX2，第二传输晶体管TX2的电压或电势可以降低与第二电势VTS2相同的幅度。
随着第二传输晶体管TX2的电压或电势降低，可以从第一浮置扩散区FD1到第二传输晶体管TX2和第二浮置扩散区FD2形成电势梯度，并且光电荷可以从第一浮置扩散区FD1迁移到第二浮置扩散区FD2。在该时间段期间，施加到第一传输晶体管TX1的第一传输信号可以具有无效电压电平。然后，对应于已经迁移到第二浮置扩散区FD2的光电荷的像素信号可以从相应单位像素输出。
虽然上面已经描述了各种实施方式，但是应当理解，所公开的实施方式仅是某些实施方式的示例。因此，基于本专利文件中公开和/或示出的内容，可以对本文描述的图像感测装置进行各种变型并且实现其它实施方式。
相关申请的交叉引用
本专利文件要求2021年7月22日提交的韩国申请No.10-2021-0096597的优先权和权益，该申请通过引用整体结合于此作为本专利文件的公开内容的一部分。

Claims (20)

1.一种图像感测装置，所述图像感测装置包括：
光电转换区，所述光电转换区被构造成将入射光转换成对应于对象的光学图像的光电荷；
第一传输栅极，所述第一传输栅极被构造成将由所述光电转换区生成的所述光电荷传输到被构造成存储所述光电荷的第一浮置扩散区；以及
第二传输栅极，所述第二传输栅极被构造成将传输到所述第一浮置扩散区的所述光电荷传输到被构造成存储所述光电荷以用于读出的第二浮置扩散区，
其中，所述第二传输栅极的第一侧表面邻接所述第一传输栅极的侧表面，
所述第一浮置扩散区邻接所述第二传输栅极的底表面和所述第一传输栅极的侧表面，并且
所述第二浮置扩散区邻接所述第二传输栅极的背离所述第二传输栅极的所述第一侧表面的第二侧表面。
2.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述第一传输栅极形成在基板中并且具有第一长度，所述第二传输栅极形成在所述基板中并且具有第二长度，并且其中，所述第一长度大于所述第二长度。
3.根据权利要求1所述的图像感测装置，所述图像感测装置还包括邻接所述光电转换区、所述第一浮置扩散区和所述第一传输栅极的第一沟道。
4.根据权利要求1所述的图像感测装置，所述图像感测装置还包括邻接所述第一浮置扩散区、所述第二浮置扩散区和所述第二传输栅极的第二沟道。
5.根据权利要求4所述的图像感测装置，其中，所述第二沟道沿着所述第二传输栅极的所述底表面的一部分和所述第二传输栅极的所述第二侧表面的一部分延伸。
6.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述第二传输栅极比所述第一浮置扩散区具有更大的宽度。
7.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述第一传输栅极邻接所述光电转换区的至少一部分。
8.根据权利要求7所述的图像感测装置，其中，所述第一传输栅极和所述光电转换区形成在基板中，并且其中，当从所述基板的第一表面观看时，所述第一传输栅极与所述光电转换区交叠。
9.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，根据施加到所述第一传输栅极的第一传输信号的电压电平，所述光电荷从所述光电转换区迁移到所述第一浮置扩散区。
10.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，根据施加到所述第二传输栅极的第二传输信号的电压电平，所述光电荷从所述第一浮置扩散区迁移到所述第二浮置扩散区。
11.根据权利要求9所述的图像感测装置，其中，所述第一传输信号对应于有效电压电平、无效电压电平和防泄漏电压电平中的一个，并且
根据所述第一传输信号的电压电平调整所述第一传输栅极的电压电平。
12.根据权利要求11所述的图像感测装置，其中，在所述光电荷存储在所述第一浮置扩散区中的情况下，所述第一传输信号的电压电平是所述防泄漏电压电平。
13.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述第一传输栅极和所述第二传输栅极从基板的第一表面到所述基板中的一定深度形成在所述基板中，并且其中，所述第一传输栅极在所述基板的所述第一表面处的面积小于所述第二传输栅极在所述基板的所述第一表面处的面积。
14.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述第一传输栅极包括第一栅极电极和第一栅极电介质层，并且
所述第二传输栅极包括第二栅极电极和第二栅极电介质层。
15.一种图像感测装置，所述图像感测装置包括：
光电转换区，所述光电转换区形成在基板中并且被构造成将入射光转换成对应于对象的光学图像的光电荷；
第一传输栅极，所述第一传输栅极被构造成传输所述光电荷，所述第一传输栅极邻接所述光电转换区并且从所述基板的第一表面延伸；
第二传输栅极，所述第二传输栅极被构造成传输所述光电荷，所述第二传输栅极邻接所述第一传输栅极并且从所述基板的所述第一表面延伸；
第一浮置扩散区，所述第一浮置扩散区被构造成存储所述光电荷并且邻接所述第一传输栅极和所述第二传输栅极；以及
第二浮置扩散区，所述第二浮置扩散区被构造成存储所述光电荷并且邻接所述第二传输栅极，
其中，所述第一浮置扩散区邻接所述第一传输栅极的侧表面和所述第二传输栅极的底表面。
16.根据权利要求15所述的图像感测装置，其中，根据施加到所述第一传输栅极的第一传输信号的电压电平，所述第一传输栅极将由所述光电转换区生成的所述光电荷传输到所述第一浮置扩散区。
17.根据权利要求16所述的图像感测装置，其中，所述第一传输信号对应于有效电压电平、无效电压电平和防泄漏电压电平中的一个。
18.根据权利要求17所述的图像感测装置，其中，当所述光电荷存储在所述第一浮置扩散区中时，所述第一传输信号具有所述防泄漏电压电平。
19.根据权利要求15所述的图像感测装置，其中，根据施加到所述第二传输栅极的第二传输信号的电压电平，所述第二传输栅极将所述第一浮置扩散区的所述光电荷传输到所述第二浮置扩散区。
20.根据权利要求19所述的图像感测装置，其中，所述第二传输信号对应于有效电压电平和无效电压电平中的一个。
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