CN117957659A - 一种固态成像设备以及一种电子装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种固态成像设备(100)，包括：第一导电型半导体的半导体层(160)；光电转换部分(170)，其中，所述光电转换部分包括第一侧(171)和与所述第一侧(171)相对的第二侧(172)，并且在所述第一侧(171)与所述半导体层(160)接触；电荷传输栅极器件，所述电荷传输栅极器件电连接到所述光电转换部分(170)，并将存储在所述光电转换部分(170)中的电荷传输到浮置扩散区域(300)，其中，所述光电转换部分(170)至少包括所述第一导电型半导体的第一子区域(181)和第二导电型半导体的第二子区域(182)，所述第二导电型半导体不同于所述第一导电型半导体，在所述光电转换部分(170)的所述第一侧(171)，所述第一子区域(181)和所述第二子区域(182)与所述半导体层(160)接触，所述第一子区域(181)在垂直于所述第一侧(171)的法线方向上的厚度小于所述第二子区域(182)在垂直于所述第一侧(171)的法线方向上的厚度，所述电荷传输栅极器件包括第一电荷传输栅极器件(450)和第二电荷传输栅极器件(550)。

Description

一种固态成像设备以及一种电子装置
技术领域
本发明涉及一种固态成像设备以及一种电子装置。
背景技术
作为使用光电转换元件检测电磁辐射并产生电荷的固态成像设备(图像传感器)，电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide，CMOS)图像传感器已投入实际应用。CCD图像传感器和CMOS图像传感器作为数码相机、摄像机、监控摄像机、医用内窥镜、个人计算机(personalcomputer，PC)、移动电话和其它便携式终端(移动设备)以及其它各种类型的电子装置的部件得到了广泛的应用。
CCD图像传感器和CMOS图像传感器使用光电二极管作为光电转换元件，但采用不同的方法传输光电转换后的信号电荷。在CCD图像传感器中，信号电荷通过垂直传输部分(垂直CCD，即VCCD)和水平传输部分(水平CCD，即HCCD)传输到输出部分，然后转换为电信号并放大。与此相反，在CMOS图像传感器中，针对包括光电二极管的每个像素转换的电荷被放大并作为读出信号输出。
当像素尺寸较小时，由于面积有限，满阱容量变小。由于强光问题，较低的满阱容量会导致低动态范围和低信噪比SNR。
专利文献1公开了一种固态成像设备，所述固态成像设备包括：衬底，所述衬底具有第一衬底侧和位于所述第一衬底侧相反的一侧上的第二衬底侧；光电转换部分，所述光电转换部分包括第一导电型半导体层，所述第一导电型半导体层埋入所述衬底中并具有接收光的光电转换功能和电荷积累功能；第二导电型分离层，所述第二导电型分离层形成在所述光电转换部分中的所述第一导电型半导体层的侧部中；一个电荷传输栅极部分，所述一个电荷传输栅极部分能够传输在所述光电转换部分中积累的电荷，其中，所述光电转换部分在所述第一导电型半导体层的至少一部分中，包括至少一个第二导电型半导体层，所述第二导电型半导体层在垂直于所述衬底的法线方向上形成至少一个子区域，并且与所述第一导电型半导体层一起具有结电容分量，所述一个电荷传输栅极部分可以传输在所述光电转换部分中的所述子区域中积累的电荷。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本专利公开第2018-139269A号
【本发明要解决的问题】
然而，专利文献1在第二衬底侧和第二导电型半导体层之间保持n型层，并且第二衬底侧和第二导电型半导体层是p型层，因此，在光电二极管(photodiode，PD)中，将第二导电型半导体层配置在电荷传输栅极器件侧附近存在限制，导致满阱容量(full wellcapacity，FWC)改善较低。
因此，本发明是鉴于上述问题而完成的，本发明的目的在于提供一种能够进一步提高满阱容量(full well capacity，FWC)的固态成像设备和电子装置。
【解决问题的方法】
本发明是基于上述见解而完成的，其主旨如下。
一种固态成像设备，所述种固态成像设备包括：
第一导电型半导体的半导体层；
光电转换部分，所述光电转换部分包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，并且在所述第一侧与所述半导体层接触；
电荷传输栅极器件，所述电荷传输栅极器件电连接到所述光电转换部分，并将存储在所述光电转换部分中的电荷传输到浮置扩散区域，
其中，所述光电转换部分至少包括所述第一导电型半导体的第一子区域和第二导电型半导体的第二子区域，所述第二导电型半导体不同于所述第一导电型半导体，
在所述光电转换部分的所述第一侧，所述第一子区域和所述第二子区域与所述半导体层接触，
所述第一子区域在垂直于所述第一侧的法线方向上的厚度小于所述第二子区域在垂直于所述第一侧的法线方向上的厚度，
所述电荷传输栅极器件包括第一电荷传输栅极器件和第二电荷传输栅极器件。
根据【1】所述的固态成像设备，其特征在于，
所述第一子区域的平行于所述第一侧的至少一个截面区域大于所述第一子区域的平行于所述第一侧的另一个截面区域。
根据【1】或【2】所述的固态成像设备，其特征在于，
所述第一子区域包括中间p阱部分，
所述中间P阱部分的平行于所述第一侧的截面区域大于所述第一子区域在所述第一侧的区域。
根据【3】所述的固态成像设备，其特征在于，
所述中间p阱部分在垂直于所述第一侧的法线方向上的厚度大于0μm并且小于或等于3.0μm。
根据【1】至【4】任一项所述的固态成像设备，其特征在于，所述固态成像设备还包括：
分离层，所述分离层形成在所述光电转换部分的所述部分中，
其中，所述分离层是第一导电型半导体的分离层。
根据【5】所述的固态成像设备，其特征在于，
所述分离层的平行于所述第一侧的至少一个截面区域大于所述分离层的平行于所述第一侧的另一个截面区域。
根据【5】或【6】所述的固态成像设备，其特征在于，
所述分离层与所述半导体层接触，并且包括深p阱部分，
所述深P阱部分的平行于所述第一侧的截面区域大于所述分离层与所述半导体层接触的部分的区域。
根据【5】至【7】中任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述分离层的至少一个区域与所述分离层的其它区域的掺杂浓度不同。
根据【5】至【8】任一项所述的固态成像设备，其特征在于，所述固态成像设备还包括：
深沟槽隔离部分，所述深沟槽隔离部分从光电转换部分的所述第二侧的一侧埋入所述分离层内。
根据【9】所述的固态成像设备，其特征在于，
所述深沟槽隔离部分埋入所述半导体层内。
根据【9】或【10】所述的固态成像设备，其特征在于，
所述深沟槽隔离部分埋入所述第二子区域内。
根据【9】至【11】中任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述深沟槽隔离部分是结隔离或STI隔离。
根据【1】至【12】中任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述第一电荷传输栅极器件和所述第二电荷传输栅极器件电连接在所述半导体层与所述光电转换部分的相对侧。
根据【1】至【13】中任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述第一子区域的至少一个区域与所述第一子区域的其它区域的掺杂浓度不同。
根据【1】至【14】中任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述第二子区域的至少一个区域与所述第二子区域的其它区域的掺杂浓度不同。
根据【1】至【15】中任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述第一电荷传输栅极和所述第二电荷传输栅极在所述半导体层中具有嵌入部分。
根据【1】至【16】任一项所述的固态成像设备，其特征在于，所述固态成像设备还包括：
第二分离层，所述第二分离层与所述光电转换部分的所述第二侧接触，并且所述第二分离层是第一导电型半导体的分离层。
根据【1】至【17】中任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述第二子区域的平行于所述第一侧的至少一个截面区域是简单连接的。
根据【1】至【18】任一项所述的固态成像设备，其特征在于，所述固态成像设备还包括：
电路，所述电路包括：
浮置扩散，所述浮置扩散电连接到所述第一电荷传输栅极器件和所述第二电荷传输栅极器件，双转换设备，所述双转换设备电连接到所述浮置扩散，
复位设备，所述复位设备通过所述双转换设备电连接到所述浮置扩散。
根据【1】至【19】中任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述电路还包括电连接到所述浮置扩散的源极跟随器设备以及电连接到所述源极跟随器设备的行选择设备。
根据【1】至【20】中任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
在所述光电转换部分的所述第一侧，所述第二子区域至少包括第一区域表面和与所述第一区域表面分开放置的第二区域表面，所述第一子区域的至少一部分与所述第一区域表面接触，并且所述第一子区域的至少一部分与所述第二区域表面接触，
所述第一电荷传输栅极器件至少设置在所述第一区域表面中，所述第二电荷传输栅极器件至少设置在所述第二区域表面中。
一种电子装置，其特征在于，所述电子装置包括：
根据【1】至【21】中任一项所述的固态成像设备。
本发明的效果
如上所述，根据本发明，可以提供一种能够进一步提高满阱容量(full wellcapacity，FWC)的固态成像设备和电子装置。
附图说明
图1是示出根据本发明的第一实施例的像素中的主要部分的配置的示例的简化截面图。
图2是示出根据本发明的第一实施例的像素的示例的电路图。
图3是根据本发明的第二实施例的成像***的框图。
图4是示出根据本发明的第二实施例的固态成像设备的示例的电路图。
图5是根据本发明的第二实施例的示例性电路布局的俯视图。
图6是沿图5的线A-A’的电路布局的示例的截面图。
图7是形成图5的像素传感器的方法的流程图。
图8是根据本发明的一个示例的通过3D工艺和设备模拟而模拟的像素中心的静电电位分布以及满阱容量的模拟结果。
图9是根据本发明的第三实施例的示例性电路布局的俯视图。
图10是示出根据本发明的第三实施例的固态成像设备的示例的电路图。
图11是根据本发明的第四实施例的示例性电路布局的俯视图。
图12是示出根据本发明的第五实施例的固态成像设备中的主要部分的配置的示例的简化截面图。
图13是根据本发明的第六实施例的示例性电路布局的俯视图。
图14是示出根据本发明的第七实施例的固态成像设备中的主要部分的配置的示例的简化截面图。
图15是示出根据本发明的第八实施例的固态成像设备中的主要部分的配置的示例的简化截面图。
图16是示出根据本发明的第九实施例的固态成像设备中的主要部分的配置的示例的简化截面图。
图17是示出根据本发明的第十实施例的固态成像设备中的主要部分的配置的示例的简化截面图。
图18是示出根据本发明的第十一实施例的固态成像设备中的主要部分的配置的示例的简化截面图。
图19是示出根据本发明的第十二实施例的装置中的主要部分的配置的示例的简化截面图。
图20是示出根据本发明的实施例的固态成像设备的示意图。
图21是根据本发明的实施例的电子装置的框图。
图22是应用本发明的图像传感器的技术的示例。
具体实施方式
下面将参考附图对本发明的实施例进行详细描述。此外，在本说明书和附图中，具有基本相同的功能和配置的相同组成元件由相同附图标记表示，并且将省略重复描述。
<<<固态成像设备>>>
首先，将详细描述根据本发明的实施例的固态成像设备100。根据本发明的该实施例的固态成像设备100包括以下特征：第一导电型半导体的半导体层160；光电转换部分170，所述光电转换部分包括第一侧171和与所述第一侧171相对的第二侧172，并且在所述第一侧171与所述半导体层160接触；电荷传输栅极器件，所述电荷传输栅极器件电连接到所述光电转换部分170，并将存储在所述光电转换部分170中的电荷传输到浮置扩散300区域，其中，所述光电转换部分170至少包括所述第一导电型半导体的第一子区域181和第二导电型半导体的第二子区域182，所述第二导电型半导体不同于所述第一导电型半导体，在所述光电转换部分170的所述第一侧171，所述第二子区域182至少包括第一区域表面和与所述第一区域表面分开放置的第二区域表面，所述第一子区域181的至少一部分与所述第一区域表面接触，并且所述第一子区域181的至少一部分与所述第二区域表面接触，其中，所述第一子区域181在垂直于所述第一侧171的法线方向上的厚度小于所述第二子区域182在垂直于所述第一侧171的法线方向上的厚度，所述电荷传输栅极器件包括第一电荷传输栅极器件450和第二电荷传输栅极器件550，所述第一电荷传输栅极器件450至少设置在所述第一区域表面中，所述第二电荷传输栅极器件550至少设置在所述第二区域表面中。
<<第一实施例>>
图1是示出根据本发明的第一实施例的像素中的主要部分的配置的示例的简化截面图。如图1所示，根据本发明的第一实施例的固态成像设备100包括光电二极管(photodiode，PD)150、第一电荷传输栅极器件450和第二电荷传输栅极器件550。第一电荷传输栅极器件450和第二电荷传输栅极器件550电连接到光电二极管(photodiode，PD)。
<光电二极管(photodiode，PD)>
如图1所示，光电二极管(photodiode，PD)150包括半导体层160、光电转换部分170、分离层180、滤色器250、微透镜350和深沟槽隔离173部分。光电转换部分170包括第一侧171和与第一侧171相对的第二侧172。光电转换部分170在第一侧171与半导体层160接触。分离层180形成在光电转换部分170的一部分中。深沟槽隔离173部分从光电转换部分170的第二侧172的一侧埋入分离层180内。滤色器250在第二侧172与光电转换部分170接触。微透镜350与滤色器250接触。在本实施例中，光电二极管(photodiode，PD)150是钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)。
(半导体层)
如图1所示，半导体层160是第一导电型半导体。第一导电型半导体可以是p型半导体或n型半导体。在图1中，在本实施例中，半导体层160是p型半导体。半导体层160与光电转换部分170和分离层180接合。半导体层160的掺杂浓度优选地大于分离层180的掺杂浓度。
(光电转换部分)
如图1所示，光电转换部分170包括第一导电型半导体的第一子区域181和第二导电型半导体的第二子区域182。第二导电型半导体与第一导电型半导体不同。如图1所示，第一子区域181是p型半导体，第二子区域182是n型半导体。第二子区域182具有深PD层1821和浅PD层1822。浅PD层1822被第一子区域181分为两个区域。即，浅PD层1822的两个区域不彼此接触。浅PD层1822的掺杂浓度优选地小于分离层180的掺杂浓度。
在光电转换部分170的第一侧171，第二子区域182包括第一区域表面(图1中的表面‘A’)和与第一区域表面分开放置的第二区域表面(图1中的表面‘B’)。即，第一区域表面和第二区域表面不彼此接触。第一区域表面和第二区域表面是浅PD层1822与半导体层160接触的表面。第一子区域181的至少一部分与第一区域表面接触，第一子区域181的至少一部分与第二区域表面接触。即，第一区域表面和第二区域表面被第一子区域181划分。如图1所示，第一子区域181与半导体层160接触。深PD层1821是简单连接的。即，深PD层1821仅形成为一个区域，而深PD层1821不分为两个或两个以上的区域。
第一子区域181与第二子区域182接触。第一子区域181与浅PD层1822和深PD层1821接触。第一子区域181和第二子区域182的接合部分形成pn结。pn结具有结电容。如图1所示，在第一子区域181与浅PD层1822之间存在至少两个pn结。另外，在第一子区域181与深PD层1821之间存在一个pn结。浅PD层1822与分离层180接触。第二子区域182的结构也可以是单层结构。此外，第二子区域182的结构可以是三层或三层以上的多层结构。
浅PD层1822和分离层180的接合部分形成pn结。如图1所示，在分离层180和浅PD层1822之间存在至少两个pn结。深PD层1821与分离层180接触。深PD层1821和分离层180的接合部分形成pn结。如图1所示，在分离层180和深PD层1821之间存在至少两个pn结。深PD层1821与第一子区域181所划分的浅PD的两个部分都接触。深PD层1821电连接到第一子区域181所划分的浅PD的两个部分。
第一子区域181在垂直于光电转换部分170的第一侧171的法线方向上的厚度小于第二子区域182在垂直于光电转换部分170的第一侧171的法线方向上的厚度。即，第一子区域181不从光电转换部分170的第二侧172露出。
(分离层)
在本实施例中，分离层180形成在光电转换部分170的部分中。分离层180的所述部分覆盖光电转换部分170，使得光电转换不与除分离层180之外的其它部分接触。分离层180覆盖深PD层1821和浅PD层1822。分离层180是p型半导体。
(深沟槽隔离部分)
如图1所示，深沟槽隔离173部分从光电转换部分170的第二侧172的一侧埋入分离层180内。深沟槽隔离173部分可以是物理隔离部分。在平行于第一侧171法线方向上，深沟槽隔离173部分的高度大于深PD层1821的高度。分离层180形成在深沟槽隔离173部分和光电转换部分170之间。深沟槽隔离173部分在垂直于第一侧171的法线方向上与光电转换部分170的第一子区域181重叠。深沟槽隔离173部分在垂直于第一侧171的法线方向上与光电转换部分170的浅PD层1822重叠。
(滤色器)
滤色器250的类型不受限制，可以使用任何已知的滤色器250。滤色器250可以包括红色滤光器、绿色滤光器和蓝色滤光器。
(微透镜)
微透镜350的类型不受限制，可以使用任何已知的微透镜350。
<电荷传输栅极器件>
在本实施例中，固态成像设备100包括第一电荷传输栅极器件450和第二电荷传输栅极器件550。即，固态成像设备100包括两个电荷传输栅极器件。第一电荷传输栅极器件450和第二电荷传输栅极器件550传输存储在光电转换部分170中的电荷，该光电转换部分连接到浮置扩散300区域。第一电荷传输栅极器件450和第二电荷传输栅极器件550不传输存储在固态成像设备100的其它像素中的电荷。第一电荷传输栅极器件450电连接到浅PD层1822的一部分。第二电荷传输栅极器件550电连接到浅PD层1822的另一部分。第一电荷传输栅极器件450传输穿过浅PD层1822的第一区域表面的电荷。第二电荷传输栅极器件550传输穿过浅PD层1822的第二区域表面的电荷。第一电荷传输栅极器件450还可用于传输穿过浅PD层1822的第二区域表面的电荷。第二电荷传输栅极器件550还可用于传输穿过浅PD层1822的第一区域表面的电荷。第一电荷传输栅极和第二电荷传输栅极可以在半导体层160中具有嵌入部分。第一电荷传输栅极和第二电荷传输栅极可以是垂直传输栅极。
<电路>
图2是示出根据本发明的第一实施例的像素的示例的电路图。如图2所示，根据本发明的第一实施例的固态成像设备100的像素包括光电二极管(photodiode，PD)150、第一电荷传输栅极器件450、第二电荷传输栅极器件550、浮置扩散300区域、双转换设备400、复位设备500、源极跟随器设备600、行选择设备700和电流源800。浮置扩散300区域电连接到第一电荷传输栅极器件450和第二电荷传输栅极器件550。双转换设备400电连接到浮置扩散300区域。复位设备500通过双转换设备400电连接到浮置扩散300区域。源极跟随器设备600电连接到浮置扩散300区域。行选择设备700电连接到源极跟随器设备600。结隔离或STI隔离可用于划分固态成像设备100的设备元件。
(光电二极管(photodiode，PD))
光电二极管(photodiode，PD)150产生并积累与入射的电磁辐射量相应的量的信号电荷(此处是电子)。下面将对信号电荷包括电子且每个晶体管都是n型晶体管的情况进行说明，但信号电荷可以是空穴，某些晶体管也可以是p型晶体管。此外，本实施例在每个晶体管在多个光电二极管之间共享的情况下以及采用没有选择晶体管的三晶体管(three-transistor，3Tr)像素的情况下也是有效的。
作为光电二极管(photodiode，PD)150，可以使用钉扎光电二极管(pinnedphotodiode，PPD)。在形成光电二极管(photodiode，PD)150的衬底表面上，由于悬空键或其它缺陷，存在表面电平，因此，热能产生大量电荷(暗电流)，从而无法再读出正确的信号。在钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)中，光电二极管(photodiode，PD)150的电荷积累部分埋入衬底中，因此可以减少暗电流进入信号中。
然而，在尺寸相对较大且纵横长宽比相对较大的情况下，例如，像素约为3μm平方像素的情况下，积累的电荷主要限于在靠近光电二极管(photodiode，PD)150部分(光电转换部分170)的位置的垂直方向(衬底的法线方向:衬底的深度方向)上的pn结电容，因此难以有效地增加存储容量。
因此，在根据本实施例的固态成像设备100中，在钉扎光电二极管(pinnedphotodiode，PPD)的光电转换部分170中，为了增加存储容量，通过划分光电转换层(例如，N层)，以使得在垂直于像素内部半导体层160的法线方向(水平方向)上存在多个pn结部分，来提供多个子区域。光电二极管(photodiode，PD)150的其它配置与上述固态成像设备100中的光电二极管(photodiode，PD)150的配置相同。
(电荷传输栅极器件)
根据本实施例的固态成像设备100采用一种配置，该配置能够读出通过包括传输晶体管TG-Tr的两个电荷传输栅极器件积累在光电转换部分170中的电荷。因此，在根据本实施例的固态成像设备100中，可以在降低噪声和提高灵敏度的同时提高满阱容量(fullwell capacity，FWC)。因此，可以在不降低光学特性的情况下扩大动态范围。
第一电荷传输栅极器件450和第二电荷传输栅极器件550可以由传输晶体管TG-Tr构成。可以构成第一电荷传输栅极器件450和第二电荷传输栅极器件550，包括：n层，该n层形成浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域，在光电转换部分170中的子区域中形成的存储容量部分中积累的电荷传输到该浮置扩散区域；p层，该p层形成在半导体层160和形成浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域的n层之间；栅电极(gate electrode，GT)，该栅电极通过至少在半导体层160上的绝缘膜形成。
构成第一电荷传输栅极器件450和第二电荷传输栅极器件550的两个传输晶体管TG-Tr连接在光电二极管(photodiode，PD)150和浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域之间。两个传输晶体管TG-Tr是通过控制信号TG控制的。两个传输晶体管TG-Tr在控制信号TG处于高电平(H)并且变为导电状态的周期中被选择，将经受了光电转换的并在光电二极管(photodiode，PD)150中积累的电荷(电子)传输到浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域。
(浮置扩散)
浮置扩散300区域可以是n型半导体。浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域可以电连接到可变容量部分，该可变容量部分连接到浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域并且可以响应于容量改变信号CS来改变浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域的容量。
(双转换设备)
双转换设备400(dual conversion device，DCG)可以连接在复位设备500(resetdevice，RST)和浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域之间，以便通过组合两种类型的增益来实现高动态范围。双转换设备400(dual conversion device，DCG)可以由MOS晶体管构成。在一些实施例中，可以移除双转换设备400。
(复位设备)
复位设备500(reset device，RST)选择性地复位在FD中积累的电荷。复位设备500(reset device，RST)可以由MOS晶体管构成。
(源极跟随器设备)
源极跟随器设备600(source follower，SF)可以连接在行选择设备700(row-select device，SEL)和浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域之间。源极跟随器设备600(source follower，SF)可以由MOS晶体管或JFET构成。
(行选择设备)
行选择设备700(row-select device，SEL)可以连接在源极跟随器设备600(source follower，SF)和电流源800之间。行选择设备700(row-select device，SEL)可以由MOS晶体管构成。
(电流源)
电流源800可以连接在行选择设备700(row-select device，SEL)和地之间。作为电流源800，可以使用已知的电流源800。
(衬底)
固态成像设备100的元件可以设置在衬底上(图中未示出)。半导体衬底可以由半导体材料(例如，硅或锗)组成。在一些实施例中，衬底可以由至少一种或多种其它辐射敏感材料组成，例如，硅锗、碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、铟、锑、绝缘体上半导体或其组合。
通常，光电二极管的n区域(第二子区域182)必须完全耗尽。耗尽电位(电压)必须足够低，才能完成电荷传输。最大耗尽电位必须在第一电荷传输栅极器件450和第二电荷传输栅极器件550附近。为了使存储容量最大，在满足上述空间电荷密度条件之后，需要使光电转换部分170的第二子区域182的浓度最大。然而，如果光电转换部分170的第二子区域182中的杂质量增加，则光电二极管(photodiode，PD)150电位变深并且读出电压升高。因此，第二子区域182的浓度是有限制的。
因此，通过在光电转换部分170中的n区域(第二子区域182)处设置p区域(第一子区域181)，该p区域在垂直于半导体层160的法线方向X上具有比像素间距短的耗尽层距离Wd，可以增加具有较低耗尽电压Vapp的光电转换部分170中的存储容量。因此，提高了相同读出电压时的饱和输出。
此外，满阱容量(full well capacity，FWC)是固态成像设备100s的重要关键性能指标之一。在高强度强光下，较低的满阱容量会导致动态范围(dynamic range，DR)较低并且信噪比(signal to noise ratio，SNR)较低。因此，更高的满阱容量总是首选。然而，其它关键性能指标正在与满阱容量竞争。强烈要求在面积有限的情况下尽可能提高满阱容量。
根据本发明的本实施例，每个像素具有一个光电二极管的深部(photodiode，DPD)，并且从中间到设备侧存在多个光电二极管(photodiode，SPD)区域，即通过垂直放置p型分离层来实现，如图1所示。该深部从设备侧的光敏表面延伸到光电二极管的中间深度。这种结构可以提高光电二极管中的pn结电容，从而提高满阱容量。在这种情况下，细分的浅光电二极管(shallow photodiode，SPD)应该具有分离的传输栅极，其电荷传输能力足够高，并进一步提高满阱容量(full well capacity，FWC)。像素电路也如图2所示。
另外，根据本发明的本实施例，光电转换部分170的第一子区域181与半导体层160接触，半导体层160的半导体类型与光电转换部分170的第一子区域181的半导体类型相同。因此，可以防止***的垂直p型层浮置或p型层与p阱电极之间的电阻过高。因此，pn结电容变得更高，满阱容量(full well capacity，FWC)提高更多。
<<第二实施例>>
<成像***>
下面将参考附图对本发明的第二实施例进行详细说明。图3是根据本发明的第二实施例的成像***201的框图。如图3所示，成像***201包括控制电路205、像素阵列209、读出电路210和信号处理电路206。像素阵列209是二维像素阵列。每个像素可以是图2所示的成像设备。像素按行(R1至Ry)和列(C1至Cx)排列，以获取被摄体的图像数据。控制电路205控制像素阵列209，例如，生成快门信号。图像数据由读出电路210通过位线读出并发送到信号处理电路206。
在本实施例中，成像***201例如由CMOS图像传感器201A构成。在本实施例中，成像***201包括根据第一实施例的固态成像设备100。此外，在本实施例中，固态成像设备100具有在像素阵列209中设置成矩阵的像素，作为光电转换元件。在本实施例中，光电转换元件是光电转换部分170。每个像素由光电二极管(photodiode，PD)150形成。在本实施例中，光电二极管是钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)。光电二极管(photodiode，PD)150的构造可以与本发明的第一实施例中的光电二极管(photodiode，PD)150的构造相同。
例如，可以构成CMOS图像传感器201A中的每个像素，针对一个光电二极管，包括四个元件，即包括传输晶体管的传输元件、包括复位晶体管的复位元件、包括源极跟随器晶体管的源极跟随器元件(放大元件)和包括选择晶体管的选择元件，作为有源元件。此外，每个像素可以设置一个溢出栅极(溢出晶体管)，用于在光电二极管的积累周期内释放从光电二极管溢出的溢出电荷。此外，每个像素可以设置有双转换设备400(dual conversiondevice，DCG)。
传输晶体管可以连接在光电二极管和输出节点之间，输出节点包括浮置扩散300区域层(floating diffusion，FD)。在光电二极管的电荷积累周期中，传输晶体管可以保持在非导电状态。在将光电二极管中积累的电荷传输到浮置扩散300区域的传输周期中，将控制信号提供给栅极，由此控制信号保持在导电状态并将在光电二极管中光电转换后的电荷传输到浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域。
复位晶体管连接在电源线和浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域之间。当在其栅极处给出复位使用控制信号时，复位晶体管将浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域的电位复位为电源线的电位。
浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域连接到源极跟随器晶体管的栅极。源极跟随器晶体管通过选择晶体管连接到垂直信号线，并且与像素部分外部的负载电路的恒流源800一起构成源极跟随器。此外，将控制信号(地址信号或选择信号)提供给选择晶体管的栅极，从而接通选择晶体管。当接通选择晶体管时，源极跟随器晶体管放大浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域的电位，并根据该电位向垂直信号线输出电压。通过垂直信号线，将从像素输出的电压输出到由列并行处理部分构成的像素信号读出电路210。
此外，在每个像素中，作为光电二极管(photodiode，PD)150，广泛使用钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)。在形成光电二极管(photodiode，PD)150的衬底表面上，由于悬空键或其它缺陷，存在表面电平，因此，热能产生大量电荷(暗电流)，从而无法再读出正确的信号。在钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)中，光电二极管(photodiode，PD)150的电荷积累部分埋入衬底中，因此可以减少暗电流进入信号中。注意，光电二极管(photodiode，PD)150的灵敏度可以通过例如改变曝光时间等来改变。
例如，通过形成n型半导体区域，并且在该n型半导体区域的表面(即与绝缘膜的界面附近)上形成具有浓杂质浓度以抑制暗电流的浅p型半导体区域，来构成钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)。
<电路>
图4是示出根据本发明的第二实施例的像素的示例的电路图。如图2所示，电路具有四组PD和TX，这四组PD和TX共享像素内设备并且可以是图3中的像素。光电二极管(photodiode，PD)150将电磁辐射转换为电荷。电荷通过传输栅极器件(transfer gatedevice，TX)选择性地发送到浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域。FD层连接到源极跟随器(source follower，SF)设备600(SF)的栅极，输出信号(Vout)通过行选择设备(rowselect device，SEL)发送到信号线。电流源800(Icolumn)连接在SEL和接地之间。因此，如果TX和SEL的栅极导通，则在信号线上获取与来自PD的电信号对应的输出信号。复位设备500(reset device，RST)选择性地复位在FD中积累的电荷。双转换(dual conversiongain，DCG)设备可以连接在RST和FD层之间，也变通过组合两种类型的增益来实现高动态范围。如果是n型光电二极管，AVSS1可以接地或者是–5.0V至0V范围内的负电压。在一些实施例中，光电二极管是p型，像素到像素隔离是n型。
在本实施例中，构成读出电路210，使得读出电路能够在一个读周期中执行第一转换增益模式读操作和第二转换增益模式读操作，第一转换增益模式读操作根据由可变容量部分设置的第一容量以第一转换增益读出像素信号，第二转换增益模式读操作根据由可变容量部分设置的第二容量(不同于第一容量)以第二转换增益读出像素信号。即，提供本实施例中的固态成像设备100，作为具有宽动态范围的固态成像设备100，该固态成像设备在一个读周期内在像素内部的第一转换增益(例如，高转换增益)模式和第二转换增益(低转换增益)模式之间切换的同时，输出关于在一个积累周期(曝光周期)中光电转换后的电荷(电子)的信号，并输出亮信号和暗信号。
本实施例中的读出电路210基本上在用于释放光电二极管和浮置扩散300区域中的电荷的复位周期之后的积累周期中执行第一转换增益模式读操作和第二转换增益模式读操作。此外，在本实施例中，读出电路210在至少一个传输周期之后的读周期中执行第一转换增益模式读操作或第二转换增益模式读操作中的至少一个，该至少一个传输周期在复位周期之后的读周期之后。即，在传输周期之后的读周期中，有时同时执行第一转换增益模式读操作和第二转换增益模式读操作。
在普通像素读出操作中，通过读出电路210的驱动，执行快门扫描操作，然后执行读取扫描操作。在读取扫描周期中执行第一转换增益模式(HCG)读操作和第二转换增益模式(LCG)读操作。
均包括光电二极管(光电转换元件)和像素内放大器的多个像素设置在包括N行M列的二维矩阵中。
像素具有例如光电二极管(photodiode，PD)150，作为光电转换部分170(光电转换元件)。对于该光电二极管(photodiode，PD)150，提供由传输晶体管TG-Tr构成的第一电荷传输栅极器件450、由传输晶体管TG-Tr构成的第二电荷传输栅极器件550、由复位晶体管RST-Tr构成的复位设备500、由源极跟随器晶体管SF-Tr构成的源极跟随器设备600以及由选择晶体管SEL-Tr构成的行选择设备700中的每一个。
此外，像素可以具有可变容量部分，该可变容量部分连接到浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域(浮置扩散300区域层)并且可以响应于容量改变信号CS来改变浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域的容量。
光电二极管(photodiode，PD)150产生并积累与入射的电磁辐射量相应的量的信号电荷(此处是电子)。下面，将对信号电荷包括电子且每个晶体管都是n型晶体管的情况进行说明，但信号电荷可以包括空穴，某些晶体管也可以是p型晶体管。此外，本实施例在每个晶体管在多个光电二极管之间共享的情况下以及采用没有选择晶体管的三晶体管(three-transistor，3Tr)像素的情况下也是有效的。
在每个像素中，作为光电二极管(photodiode，PD)150，可以使用钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)。在形成光电二极管(photodiode，PD)150的衬底表面上，由于悬空键或其它缺陷，存在表面电平，因此，热能产生大量电荷(暗电流)，从而无法再读出正确的信号。在钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)中，光电二极管(photodiode，PD)150的电荷积累部分埋入衬底中，因此可以减少暗电流进入信号中。
然而，在尺寸相对较大且纵横长宽比相对较大的情况下，例如，在约为3μm平方像素的情况下，积累的电荷主要限于在靠近光电二极管(photodiode，PD)150部分(光电转换部分170)的位置的垂直方向(半导体层160的法线方向:半导体层160的深度方向)上的pn结电容，因此难以有效地增加存储容量。
因此，在本实施例的固态成像设备100中，在钉扎光电二极管(pinnedphotodiode，PPD)的光电转换部分170中，为了增加存储容量，通过划分光电转换层(例如，N层)，以使得在垂直于像素内部的衬底的法线方向(水平方向)上存在多个pn结部分，来提供多个子区域。本发明的第二实施例的其它效果与第一实施例的效果相同。
图5是根据本发明的本实施例的示例性电路布局的俯视图。如图5所示，光电二极管(photodiode，PD)150被垂直***的中间深度p阱(middledepth p-well，MPW)分为两部分，传输栅极也分为两部分。使用划分的传输栅极的原因是通过减小与浮置扩散300区域接触的栅极区域来减小由于GIDL而导致的浮置扩散300区域中的漏电流。GIDL对于这种架构至关重要，因为传输栅极偏置在曝光期间保持负值，以抑制传输栅极区域引起的暗电流。在一些实施例中，MPW的宽度范围为0.1μm至0.5μm。垂直***的中间深度p阱(middledepth p-well，MPW)是光电转换部分170的第一子区域181。
如图5所示，像素集2091中有4个子像素。像素集2091可以对应于图3中的成像***201的像素阵列209中的一个像素(P1，P2，P3，……)。像素集2091具有左上子像素2092、左下子像素2093、右上子像素2094和右下子像素2095。每个子像素具有第一电荷传输栅极器件450和第二电荷传输栅极器件550。第一电荷传输栅极器件450通过布线2099连接到第二电荷传输栅极器件550。左上子像素2092的垂直***的中间深度p阱连接到左下子像素2093的垂直***的中间深度p阱。右上子像素2094的垂直***的中间深度p阱连接到右下子像素2095的垂直***的中间深度p阱。
图6是沿图5的线A-A’的示例性电路布局的截面图。如图6所示，线A-A’与左下子像素2093和右下子像素2095交叉。左下子像素2093具有光电二极管(photodiode，PD)150、第一电荷传输栅极器件450和第二电荷传输栅极器件550。左下子像素2093的光电二极管(photodiode，PD)150包括半导体层160、光电转换部分170、分离层180、滤色器250、微透镜350、深沟槽隔离173、防反射183和金属栅格185。如图6所示，左下子像素2093与右下子像素2095共享分离层180。垂直***的中间深度p阱(middledepth p-well，MPW)通过浅p阱(shallow p-well，SPW)、钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)和P+源极/漏极电连接到AVSS1。MPW的深度范围为0.0μm以上到小于或等于3.0μm。在本实施例中，第一子区域181的平行于第一侧171的至少一个截面区域可以大于第一子区域181的平行于第一侧171的另一个截面区域。第一子区域181的至少一个区域与第一子区域181的其它区域的掺杂浓度不同。此外，第一子区域181具有中间p阱部分1811(middle p-well portion，MPW)和浅中间p阱部分1812。中间p阱部分1811(middle p-well portion，MPW)的平行于第一侧171的截面区域可以大于第一子区域181在第一侧171的区域。如图6所示，中间p阱部分1811(middlep-well portion，MPW)与半导体层160分开放置。浅中间p阱部分1812的掺杂浓度大于中间p阱部分1811(middle p-well portion，MPW)的掺杂浓度。
在本实施例中，分离层180的平行于第一侧171的至少一个截面区域可以大于分离层180的平行于第一侧171的另一个截面区域。此外，分离层180与半导体层160接触。分离层180具有深p阱部分，深p阱部分的平行于第一侧171的截面区域大于分离层180与半导体层160接触的部分的区域。如图6所示，深p阱部分与半导体层160分开放置。在本实施例中，分离层180的至少一个区域与分离层180的其它区域的掺杂浓度不同。如图6所示，分离层180具有浅p阱区域1801(shallow p-well，SPW)和深p阱区域1802(deep p-well，DPW)。浅p阱区域1801(shallow p-well，SPW)的掺杂浓度大于深p阱区域1802(deep p-well，DPW)的掺杂浓度。
深沟槽隔离173部分从光电转换部分170的第二侧172的一侧埋入分离层180的深p阱部分内。深沟槽隔离173部分不穿透分离层180的深p阱部分。在分离层180的深p阱部分和深沟槽隔离173部分之间存在防反射183部分。深沟槽隔离173部分具有板部分1731和埋入部分。板部分1731放置在光电转换部分170的第二侧172。板部分1731覆盖左下子像素2093和右下子像素2095。在板部分1731和光电转换部分170之间存在防反射183部分。板部分1731连接左下子像素2093的深沟槽隔离173部分和右下子像素2095的未埋入与左下子像素2093共用的分离层180中的深沟槽隔离173部分。
<成像***的控制方法>
在下文中，将详细描述根据本发明的第二实施例的成像***201的控制方法。复位设备500由复位晶体管RST-Tr构成。复位晶体管RST-Tr连接在电源线AVDD和浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域之间，并通过控制信号RST控制。如图4所示，复位晶体管RST-Tr可以连接在电源线AVDD和浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域之间，并且也可以通过控制信号RST来控制。电源线AVDD可以连接到源极跟随器设备600。电源线AVDD可以连接到行选择设备700的栅极。复位晶体管RST-Tr在控制信号RST为H电平时被选中并且进入导电状态，并将浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域复位到电源线AVDD(或VRst)的电位。
注意，如稍后将解释的，本实施例可以被构造为使得用作双转换设备400的第一合并晶体管(P1，P2，……，Pn，Pn+1)也具有作为复位设备500的功能。此外，还可以采用这样的构造，其中，通过第一合并晶体管(Pn，Pn+1)连接的多个像素(在本示例中为四个)中的所有像素共享由第一合并晶体管(Pn+1)形成的复位设备500，该第一合并晶体管在复位周期PR中释放浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域。
源极跟随器设备600由源极跟随器晶体管SF-Tr构成。行选择设备700由选择晶体管SEL-Tr构成。源极跟随器晶体管SF-Tr和选择晶体管SEL-Tr(行选择设备700)串联连接在电源线AVDD和垂直信号线Vout之间。源极跟随器晶体管SF-Tr的栅极连接到浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域。选择晶体管SEL-Tr是通过控制信号SEL控制的。选择晶体管SEL-Tr在控制信号SEL处于H电平(高电平)时被选中并且进入导电状态。因此，源极跟随器晶体管SF-Tr向垂直信号线Vout输出列输出的读出信号VSL，该读出信号是通过将浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域中的电荷转换为具有与电荷量(电位)相对应的增益的电压信号而获得的。由于例如传输晶体管TG-Tr、复位晶体管RST-Tr和选择晶体管SEL-Tr的栅极以行为单位连接，因此对于一行像素，这些操作是同时并行地执行的。
如图3所示，像素阵列209排列成Y行(R1，R2，……)和X列(C1，C2，……)。Y和X是正整数。因此，控制线LSEL、LRST和LTG各有Y条，垂直信号线Vout有X条。例如，控制线LSEL、LRST和LTG可以被配置为一条行扫描控制线。一个像素(RX，RY)是图5中的像素集2091。
控制电路205A可以具有垂直扫描电路和定时控制电路205A。垂直扫描电路在定时控制电路205A的控制下，通过快门行和读取行中的行扫描控制线驱动像素。此外，垂直扫描电路根据地址信号输出行选择信号，该行选择信号具有用于读取信号的读取行的行地址和用于复位光电二极管(photodiode，PD)150中积累的电荷的快门行的行地址。
读出电路210可以具有读取部分和水平扫描电路。在普通像素读出操作中，通过水平扫描电路驱动读取部分，来进行快门扫描。随后，进行读取扫描。
接下来，将描述在本实施例中的普通像素读出操作时快门扫描和读取扫描的操作定时。
用于控制选择晶体管SEL-Tr的接通(导电)状态和断开(非导电)状态的控制信号SEL在快门扫描周期PSHT被设置为L电平(低电平)，从而选择晶体管SEL-Tr保持非导电状态，而在读取扫描周期PRDO被设置为H电平，从而选择晶体管SEL-Tr保持导电状态。此外，在快门扫描周期PSHT中，控制信号TG在控制信号RST为H电平的预定期间内被设置为H电平，从而光电二极管(photodiode，PD)150和浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域通过复位晶体管RST-Tr和传输晶体管TG-Tr复位。
在读取扫描周期PRDO中，控制信号RST被设置为H电平，从而浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域通过复位晶体管RST-Tr复位。在该复位周期PR之后的读周期PRD1中，读出处于复位状态的信号。在读周期PRD1之后，对于预定的周期，控制信号TG被设置为H电平，从而光电二极管(photodiode，PD)150中积累的电荷通过传输晶体管TG-Tr传输到浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域。在该传输周期PT之后的读周期PRD2中，读出与积累的电子(电荷)相对应的信号。
注意，在本实施例中的普通像素读出操作中，积累周期(曝光周期)EXP是从在快门扫描周期PSHT中复位光电二极管(photodiode，PD)150和浮置扩散300(floatingdiffusion，FD)区域以将控制信号TG切换到L电平直到再次将控制信号TG切换到L电平的周期，以在读取扫描周期PRDO中结束传输周期PT。
读出电路210可以构成为包括多个列信号处理电路2061(未示出)，这些列信号处理电路被设置为对应于像素阵列209的列输出，使得在多个列信号处理电路2061之间可以进行列并行处理。
读出电路210可以构成为包括相关双采样(correlated double sampling，CDS)电路或模数转换器(analog-to-digital converter，ADC：AD转换器)、放大器(amplifier，AMP)和采样/保持(sample/hold，S/H)电路等。
以这种方式，读出电路210例如可以包括ALC，用于将像素阵列209的列输出的读出信号Vout转换为数字信号。否则，在读出电路210中，例如，可以设置放大器(amplifier，AMP)，用于放大像素阵列209的列输出的读出信号Vout。此外，在读出电路210中，例如，可以设置采样/保持(sample/hold，S/H)电路，用于采样和保持像素阵列209的列输出的读出信号Vout。
水平扫描电路扫描在多个列信号处理电路2061中处理的信号，例如，读出电路210中的ALC，将结果传输到水平方向，并将该结果输出到未示出的信号处理电路206。
定时控制电路205A生成像素阵列209、垂直扫描电路、读取部分、水平扫描电路等中的信号处理所需的定时信号。
上面对固态成像设备100中各部件的配置和功能进行了简要说明。接下来，将详细说明根据本实施例的双转换设备400的配置以及与之相关的读出处理等。双转换设备400由可变容量部分构成。
此外，如上所述，在每个像素集2091中的钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)的光电转换部分170中，为了增加存储容量，由n层构成的光电转换层被p层划分，以提供多个子区域(第一子区域181和第二子区域182)，从而在像素集2091内部垂直于半导体层160的法线方向(水平方向)上具有多个pn结部分。通过以这种方式在每个像素集2091的钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)中由p层(第一导电型半导体)在垂直于半导体层160的法线方向上形成两个子区域(第一子区域181和第二子区域182)，即使使用低偏置电压也可以实现完全耗尽。此外，在本实施例的固态成像设备100中，可以读出由两个传输晶体管TG-Tr构成的电荷传输部分积累在子区域中的电荷。因此，可以在降低噪声和提高灵敏度的同时增加存储容量，并且可以在不降低光学特性的情况下扩大动态范围。
在本实施例中，通过示例进行描述了，即通过使用行选择晶体管依次读出均存储在像素阵列209中包括的所有子像素中的子像素电荷，并且读出数据，作为由像素阵列209中的所有子像素组成的帧。然而，可替换地，可以通过使用本实施例的像素来实现图像传感器，该图像传感器通过称为“事件驱动型”的方法操作，而不是读出作为帧的数据。事件驱动的图像传感器可以响应于入射在像素集2091上的电磁波强度的变化而以异步方式随时输出数据。具体地，例如，如果入射到光电二极管上的电磁波生成的并存储在光电二极管中的子像素电荷超过预定的阈值，则可以将电磁波强度超过阈值的事件或电磁波强度的数据连同子像素的坐标和定时信息一起输出。当像素集2091中只有一个子像素时，可以读取该子像素，作为像素集2091。
如上所述，在本实施例的固态成像设备100中，钉扎光电二极管(pinnedphotodiode，PPD)具有：第一导电型半导体的半导体层160；光电转换部分170，该光电转换部分具有第一侧171和与第一侧171相对的第二侧172，并且在第一侧171与半导体层160接触；电荷传输栅极器件，该电荷传输栅极器件电连接到光电转换部分170，并将存储在光电转换部分170中的电荷传输到浮置扩散300区域。另外，光电转换部分170至少包括第一导电型半导体的第一子区域181和由第二导电型半导体构成的第二子区域182，第二导电型半导体不同于第一导电型半导体。此外，电荷传输栅极器件具有第一电荷传输栅极器件450和第二电荷传输栅极器件550，第一电荷传输栅极器件450设置在至少第一区域表面中，第二电荷传输栅极器件550设置在至少第二区域表面中。此外，在本实施例的固态成像设备100中，在钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)中，为了增加存储容量，由n层构成的光电转换部分170被p层划分，以提供多个子区域(第一子区域181和第二子区域182)，从而在像素集2091内部垂直于半导体层160的法线方向上具有多个pn结部分(结部分)。
这样，在第一实施例的钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)中，通过由p层(第一导电型半导体)在垂直于半导体层160的法线方向上形成两个子区域(第一子区域181和第二子区域182)，与不形成子区域的比较例相比，即使使用低偏置电压也可以实现完全耗尽。因此，在本实施例的固态成像设备100中，可以在降低噪声和提高灵敏度的同时增加存储容量，并且可以在不降低光学特性的情况下扩大动态范围。
此外，满阱容量(full well capacity，FWC)是固态成像设备100s的重要关键性能指标之一。在强光下，较低的满阱容量会导致低动态范围(dynamic range，DR)和低信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)。因此，更高的满阱容量总是首选。然而，其它关键性能指标正在与满阱容量竞争。强烈要求在面积有限的情况下尽可能提高满阱容量。
根据本发明的本实施例，每个像素具有一个光电二极管(photodiode，FD)的深部，并且从中间到设备侧存在多个光电二极管(photodiode，FD)层，即通过垂直放置p型分离层来实现，如图1所示。该深部从设备侧的光敏表面扩展到光电二极管的中间深度。这种结构可以提高光电二极管中的pn结电容，然后提高满阱容量。在这种情况下，细分的浅光电二极管(shallow photodiode，SPD)应该具有分离的传输栅极，其电荷传输能力足够高，并进一步提高满阱容量(full well capacity，FWC)。
另外，根据本发明的本实施例，光电转换部分170的第一子区域181与半导体层160接触，半导体层160的半导体类型与光电转换部分170的第一子区域181的半导体类型相同。因此，可以防止***的垂直p型层浮置或p型层与p阱电极之间的电阻过高。因此，pn结电容变得更高，满阱容量(full well capacity，FWC)提高更多。
另外，根据第一实施例，可以获得这样的效果：一个读周期内，在像素集2091内部在高转换增益模式和低转换增益模式之间切换的同时，可以输出在一个积累周期(曝光周期)中光电转换后的电荷(电子)的信号，从而输出亮信号和暗信号，可以消除在高转换增益模式和低转换增益模式时的复位噪声，可以实现动态范围的扩展，同时抑制运动物体失真的发生，因此可以实现更高的图像质量。
此外，根据本实施例，可以灵活地切换连接的浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域的数量，因此，该配置在动态范围的扩展性方面是优异的。此外，像素集2091中的像素共享浮置扩散300(floating diffusion，FD)区域。此外，每个像素集2091中的晶体管数量较少。因此，可以提高PD开口率并提高光电转换灵敏度和饱和电子的数量。
<<第三实施例>>
在下文中，将参考附图详细描述根据本发明的第三实施例的固态成像设备100A。图9是根据本发明的第三实施例的示例性电路布局的俯视图。如图9所示，固态成像设备100A的第一子区域181具有x方向部分1813和y方向部分1814。x方向部分1813与y方向部分1814交叉。第一子区域181在俯视图上呈十字形。像素集2091中有4个子像素。像素集2091可以对应于图3中的成像***201的像素阵列209中的一个像素(P1，P2，P3，……)。像素集2091具有左上子像素2092、左下子像素2093、右上子像素2094和右下子像素2095。每个像素具有第一电荷传输栅极器件450、第二电荷传输栅极器件550、第三电荷传输栅极器件650和第四电荷传输栅极器件750。浅PD层1822被每个像素的第一子区域181的x方向和y方向分为4部分。本实施例可以进一步增大光电二极管中的pn结电容，进而有助于满阱容量的进一步提高。这种配置对像素层的叠加误差表现出更强的鲁棒性。
图10是示出根据本发明的第三实施例的像素的示例的电路图。图10中的电路是图9中根据本发明的第三实施例的示例性电路布局的等效电路。与图4中第二实施例的电路相比，光电二极管(photodiode，PD)150电连接到四个电荷传输栅极器件。即，像素集2091中有16个电荷传输栅极器件。
<<第四实施例>>
在下文中，将参考附图详细描述根据本发明的第四实施例的固态成像设备100B。图11是根据本发明的第四实施例的示例性电路布局的俯视图。像素集2091具有左上子像素2092、左下子像素2093、右上子像素2094和右下子像素2095。每个像素具有第一电荷传输栅极器件450和第二电荷传输栅极器件550。浅光电二极管被第一子区域181分为两部分。如图11所示，第一子区域181可以是垂直***的中间深度p阱(middledepth p-well，MPW)。
如图11所示，像素集2091具有左上子像素2092、左下子像素2093、右上子像素2094和右下子像素2095。每个子像素具有第一电荷传输栅极器件450和第二电荷传输栅极器件550。第一电荷传输栅极器件450通过布线2099连接到第二电荷传输栅极器件550。左上子像素2092的垂直***的中间深度p阱连接到右下子像素2095的垂直***的中间深度p阱。右上子像素2094的垂直***的中间深度p阱连接到左下子像素2093的垂直***的中间深度p阱。左上子像素2092、左下子像素2093、右上子像素2094和右下子像素2095的垂直***的中间深度p阱在俯视图上呈十字形。本实施例可以进一步增大光电二极管中的pn结电容，进而有助于满阱容量的进一步提高。这种配置对像素层的叠加误差表现出更强的鲁棒性。
<<第五实施例>>
在下文中，将参考附图详细描述根据本发明的第五实施例的固态成像设备100C。图12是示出根据本发明的第五实施例的像素中的主要部分的配置的示例的简化截面图。如图12所示，第一电荷传输栅极器件450和第二电荷传输栅极器件550具有嵌入到光电转换部分170中的部分。当浅光电二极管被第一子区域181分为两部分时，第一电荷传输栅极器件450嵌入与第二电荷传输栅极器件550不同的部分。如图12所示，栅极绝缘体190放置在第一电荷传输栅极器件450和浅光电二极管之间以及第二电荷传输栅极器件550和浅光电二极管之间。该实施例可以增强电荷传输能力，并且可以提高满阱容量。
<<第六实施例>>
在下文中，将参考附图详细描述根据本发明的第六实施例的固态成像设备100D。图13是根据本发明的第六实施例的示例性电路布局的俯视图。如图13所示，垂直***的中间p阱区域不包括在浮置扩散300区域中。即，垂直***的中间p阱区域与浮置扩散300区域分开放置。在光电转换部分170的第一侧171，第一子区域设置为从分离层突出。第二子区域182几乎分为两个区域。本实施例可以进一步改善由浮置扩散300区域泄漏引起的固定图案噪声。
<<第七实施例>>
在下文中，将参考附图详细描述根据本发明的第七实施例的固态成像设备100E。图14是示出根据本发明的第七实施例的像素中的主要部分的配置的示例的简化截面图。如图14所示，在垂直***的中间p阱区域中形成深沟槽隔离173。防反射183部分的负电荷可以有助于光电二极管电容。防反射183部分可以是薄膜形状。深沟槽隔离173部分埋入光电转换部分170的深PD层1821内。深沟槽隔离173部分从光电转换部分170的第二侧172的一侧埋入光电转换部分170的第一子区域181内。深PD被深沟槽隔离173分为两部分。本实施例可以进一步提高满阱容量。
<<第八实施例>>
在下文中，将参考附图详细描述根据本发明的第八实施例的固态成像设备100F。图15是示出根据本发明的第八实施例的像素中的主要部分的配置的示例的简化截面图。如图15所示，深沟槽隔离173具有全深度。即，深沟槽隔离173部分从光电转换部分170的第二侧172的一侧埋入半导体层160内。全深度的深沟槽隔离173可以由正面或背面制成。背面表示页面的背面，正面表示页面的正面。通过本实施例，可以提高抗模糊性能。此外，由于具有较大的抗模糊设计裕度，可以进一步提高满阱容量。
<<第九实施例>>
在下文中，将参考附图详细描述根据本发明的第九实施例的固态成像设备100G。图16是示出根据本发明的第九实施例的像素中的主要部分的配置的示例的简化截面图。在本实施例中，光电转换部分170的第二子区域182具有极深p阱区域174。极深p阱区域174由第一导电型半导体形成。在本实施例中，极深p阱区域174由p型半导体形成。极深p阱区域174放置在深PD层1821和防反射183部分之间。极深p阱区域174与深PD层1821接触。极深p阱区域174的掺杂浓度小于第一子区域181的掺杂浓度。从深PD层1821到背面形成极深p阱区域174。背面是光电转换部分170的第一侧171。即，在光电转换部分170的第一侧171上形成极深p阱区域174。此外，分离层180也延伸至背面。该实施例可以通过增加有效光敏电压来进一步提高满阱容量。
<<第十实施例>>
在下文中，将参考附图详细描述根据本发明的第十实施例的固态成像设备100H。图17是示出根据本发明的第十实施例的像素中的主要部分的配置的示例的简化截面图。与第九实施例相比，本实施例的深沟槽隔离173埋入极深p阱区域174中。本实施例的深沟槽隔离173穿透极深p阱区域174。分离层180延伸至光电转换部分170的深PD层1821。从深PD层1821到背面形成极深p阱区域174。背面是光电转换部分170的第一侧171。该实施例可以通过增加有效光敏电压来进一步提高满阱容量。
<<第十一实施例>>
在下文中，将参考附图详细描述根据本发明的第十一实施例的固态成像设备100I。图18是示出根据本发明的第十一实施例的像素中的主要部分的配置的示例的简化截面图。与第十实施例相比，本实施例的深沟槽隔离173埋入深PD层1821中。本实施例的深沟槽隔离173穿透深PD层1821。分离层180延伸至光电转换部分170的浅PD层1822。从深PD层1821到背面形成极深p阱区域174。背面是光电转换部分170的第一侧171。如图18所示，极深p阱区域174的深度可以等于或小于第一子区域181。极深p阱区域174的深度是指第一子区域181在垂直于第一侧171的法线方向上的厚度。该实施例可以通过增加有效光敏电压来进一步提高满阱容量。
<<第十二实施例>>
在下文中，将参考附图详细描述根据本发明的第十二实施例的固态成像设备100J。图19是示出根据本发明的第十二实施例的装置中的主要部分的配置的示例的简化截面图。如图19所示，根据本发明的第十二实施例的固态成像设备100具有第二集成电路芯片850。
图20是示出根据本发明的实施例的固态成像设备100J的示意图。首先，可以参考图20中的A描述典型的固态成像设备100。典型的固态成像设备100J包括像素阵列、控制电路和用于信号处理的逻辑电路，这些都安装在单个半导体芯片上。通常，图像传感器包括像素阵列和控制电路。像素阵列可以是正面照明，也可以是背面照明。
如图20中的B所示，另一方面，根据本发明的实施例的固态成像设备100包括：安装在第一半导体芯片部分上的像素阵列和控制电路(控制区域)；安装在第二半导体芯片部分上的逻辑电路，该逻辑电路包括用于信号处理的信号处理电路。第一半导体芯片部分和第二半导体芯片部分彼此电连接，并且可以形成单个半导体芯片，以提供固态成像设备100。
如图20中的C所示，在根据本发明的实施例的固态成像设备100中，像素阵列可以安装在第一半导体芯片部分上。此外，控制电路和包括信号处理电路的逻辑电路可以安装在第二半导体芯片部分上。第一半导体芯片部分和第二半导体芯片部分可以彼此电连接，并且可以形成单个半导体芯片，以提供固态成像设备100。
如图20中的D所示，在根据本发明的实施例的固态成像设备100中，像素阵列安装在第一半导体芯片部分上。此外，存储器电路可以安装在第二半导体芯片部分上。然后，控制电路和包括信号处理电路的逻辑电路可以安装在第三半导体芯片部分上。第一半导体芯片部分与第二半导体芯片部分和第三半导体芯片部分可以电连接，并且可以形成单个半导体芯片或两个半导体芯片，以提供固态成像设备100。
如图20中的E所示，在根据本发明的实施例的固态成像设备100中，像素阵列可以安装在第一半导体芯片部分上。此外，像素电路可以安装在第二半导体芯片部分上。然后，控制电路和包括信号处理电路的逻辑电路可以安装在第三半导体芯片部分上。第一半导体芯片部分与第二半导体芯片部分和第三半导体芯片部分可以电连接，并且可以形成单个半导体芯片或两个半导体芯片，以提供固态成像设备100。
根据本发明的实施例的固态成像设备100可以同时应用于正面照明型图像传感器和背面照明型图像传感器。
<<<电子装置>>>
在下文中，将参考附图详细描述根据本发明的实施例的电子装置。上面解释的固态成像设备100可以作为成像设备应用于电子装置，例如，数码相机、摄像机、便携式终端、或监控摄像机、用于医用内窥镜的摄像头。
图21是根据本发明的实施例的电子装置的框图。如图21所示，电子装置200A包括透镜201A、成像元件202A、DSP电路203A、帧存储器204A、显示单元205A、记录单元206A、操作单元207A和电源单元208A。此外，在电子装置200A中，DSP电路203A、帧存储器204A、显示单元205A、记录单元206A、操作单元207A和电源单元208A通过总线209彼此连接。
例如，成像元件202A对应于固态成像设备100。DSP电路203A是用于处理从成像元件202A提供的信号的相机信号处理电路。DSP电路203A输出通过处理来自成像元件202A的信号而获得的图像数据。帧存储器204A以帧为单位暂时保存由DSP电路203A处理的图像数据。显示单元205A包括例如面板型显示设备，例如，液晶面板和有机电致发光(ElectroLuminescence，EL)面板，并且显示由成像元件202成像的运动图像或静止图像。记录单元206A将由成像元件202A成像的运动图像或静止图像的图像数据记录到半导体存储器或硬盘等记录介质中。操作单元207A根据用户的操作输出关于电子装置200A的各种功能的操作指令。电源单元208A将作为DSP电路203A、帧存储器204A、显示单元205A、记录单元206A和操作单元207A的操作电源的各种电源适当地供应给作为供应目标的这些部件。图22是应用本发明的图像传感器的技术的示例。
<<<用于制造电子装置的方法>>>
在下文中，将参考附图详细描述根据本发明的用于制造电子装置的实施例的方法。图7是形成图5的像素传感器的方法的流程图。如图7所示，根据本发明的实施例的用于制造电子装置的方法具有以下步骤：在半导体衬底中形成像素设备区域隔离结构；在半导体衬底中形成像素传感器的深光电二极管阱；在像素传感器阱中形成多个浅光电二极管阱，其中，多个浅光电二极管阱被垂直***的中间深度p阱划分；在半导体衬底的正面上形成传输晶体管和像素设备晶体管；在多个光电检测器之间的像素阱区域中形成浮置扩散节点；在半导体衬底的正面形成互连结构；将互连结构接合到第二集成芯片；在半导体衬底中形成深沟槽隔离结构；形成防反射层，在防反射层上形成多个滤色器，在滤色器之间形成多个栅格结构，并在滤色器上形成多个微透镜。
衬底包括半导体材料，例如，硅或锗。在一些实施例中，衬底可以包括至少一种或多种其它光敏材料，例如，硅锗、碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、铟、锑、绝缘体上半导体或其组合。
在一些实施例中，第一子区域可以具有介于约5×1016个原子/cm3和约5×1018个原子/cm3之间的掺杂浓度。在一些实施例中，分离层可以具有介于约5×1016个原子/cm3和约5×1018个原子/cm3之间的掺杂浓度。在一些实施例中，深PD层可以具有介于约5×1015个原子/cm3和约5×1017个原子/cm3之间的掺杂浓度。在一些实施例中，分离层的峰值掺杂浓度可以大于深PD层的峰值掺杂浓度。
【示例】
接下来，将描述本发明的示例。示例中的条件是为了确认本发明的可行性和效果而采用的一个条件示例，但本发明并不限于这一个条件示例。只要实现本发明的目的，本发明就可以采用各种条件，而不脱离本发明的主旨。
图8是根据本发明的一个示例的通过3D工艺和设备模拟而模拟的像素中心的静电电位分布以及满阱容量的模拟结果。在设备模拟中，像素尺寸为1.0μm。如图8所示，模拟结果清楚地显示了两个浅光电二极管区域(shallow photodiode，SPD)靠近正面，光电二极管电位从SPD平滑地连接到一个大深光电二极管(deep photodiode，DPD)。此外，模拟结果表明，满阱容量提高了35％。
虽然上面已经描述和说明了本发明的优选实施例，但应当理解，这些是本发明的示例性实施例，不应被认为是限制性的。在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以进行添加、省略、替换和其它修改。因此，本发明不应被认为受上述描述的限制，而仅受所附权利要求书的范围的限制。根据本发明的实施例的控制装置可以是具有液压或电动致动器的机器人。
【工业适用性】
根据本发明，可以提供一种能够进一步提高满阱容量(full well capacity，FWC)的固态成像设备和电子装置。因此，本发明的工业适用性高。
【附图标记的简要说明】
固态成像设备100、光电二极管(photodiode，PD)150、半导体层160、光电转换部分170、第一侧171、第二侧172、深沟槽隔离173、板部分1731、极深p阱区域174、分离层180、第一子区域181、中间p阱部分1811、浅中间p阱部分1812、第二子区域182、深PD层1821、浅PD层1822、滤色器250、微透镜350、第一电荷传输栅极器件450、第二电荷传输栅极器件550、第三电荷传输栅极器件650、第四电荷传输栅极器件750、光电二极管(photodiode，PD)150、浮置扩散300、双转换设备400、复位设备500、源极跟随器设备600、行选择设备700、电流源800、成像***201、控制电路205、像素阵列209、读出电路210、信号处理电路260、像素集2091、左上子像素2092、左下子像素2093、右上子像素2094、右下子像素2095、防反射183部分、金属栅格185、布线2099、透镜201A、成像元件202A、DSP电路203A、帧存储器204A、显示单元205A、记录单元206A、操作单元207A、电源单元208A、总线209A。

Claims (22)

1.一种固态成像设备，其特征在于，所述固态成像设备包括：
第一导电型半导体的半导体层；
光电转换部分，所述光电转换部分包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，并且在所述第一侧与所述半导体层接触；
电荷传输栅极器件，所述电荷传输栅极器件电连接到所述光电转换部分，并将存储在所述光电转换部分中的电荷传输到浮置扩散区域，
其中，所述光电转换部分至少包括所述第一导电型半导体的第一子区域和第二导电型半导体的第二子区域，所述第二导电型半导体不同于所述第一导电型半导体，
在所述光电转换部分的所述第一侧，所述第一子区域和所述第二子区域与所述半导体层接触，
所述第一子区域在垂直于所述第一侧的法线方向上的厚度小于所述第二子区域在垂直于所述第一侧的法线方向上的厚度，
所述电荷传输栅极器件包括第一电荷传输栅极器件和第二电荷传输栅极器件。
2.根据权利要求1所述的固态成像设备，其特征在于，
所述第一子区域的平行于所述第一侧的至少一个截面区域大于所述第一子区域的平行于所述第一侧的另一个截面区域。
3.根据权利要求1或2所述的固态成像设备，其特征在于，
所述第一子区域包括中间p阱部分，
所述中间P阱部分的平行于所述第一侧的截面区域大于所述第一子区域在所述第一侧的区域。
4.根据权利要求3所述的固态成像设备，其特征在于，
所述中间p阱部分在垂直于所述第一侧的法线方向上的厚度大于0μm并且小于或等于3.0μm。
5.根据权利要求1至4任一项所述的固态成像设备，其特征在于，所述固态成像设备还包括：
分离层，所述分离层形成在所述光电转换部分的部分中，
其中，所述分离层是第一导电型半导体的分离层。
6.根据权利要求5所述的固态成像设备，其特征在于，
所述分离层的平行于所述第一侧的至少一个截面区域大于所述分离层的平行于所述第一侧的另一个截面区域。
7.根据权利要求5或6所述的固态成像设备，其特征在于，
所述分离层与所述半导体层接触，并且包括深p阱部分，
所述深P阱部分的平行于所述第一侧的截面区域大于所述分离层与所述半导体层接触部分的区域。
8.根据权利要求5至7任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述分离层的至少一个区域与所述分离层的其它区域的掺杂浓度不同。
9.根据权利要求5至8任一项所述的固态成像设备，其特征在于，所述固态成像设备还包括：
深沟槽隔离部分，所述深沟槽隔离部分从光电转换部分的所述第二侧的一侧埋入所述分离层内。
10.根据权利要求9所述的固态成像设备，其特征在于，
所述深沟槽隔离部分埋入所述半导体层内。
11.根据权利要求9或10所述的固态成像设备，其特征在于，
所述深沟槽隔离部分埋入所述第二子区域内。
12.根据权利要求9至11任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述深沟槽隔离部分是结隔离或STI隔离。
13.根据权利要求1至12任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述第一电荷传输栅极器件和所述第二电荷传输栅极器件电连接在所述半导体层与所述光电转换部分的相对侧。
14.根据权利要求1至13任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述第一子区域的至少一个区域与所述第一子区域的其它区域的掺杂浓度不同。
15.根据权利要求1至14任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述第二子区域的至少一个区域与所述第二子区域的其它区域的掺杂浓度不同。
16.根据权利要求1至15任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述第一电荷传输栅极和所述第二电荷传输栅极在所述半导体层中具有嵌入部分。
17.根据权利要求1至16任一项所述的固态成像设备，其特征在于，所述固态成像设备还包括：
第二分离层，所述第二分离层与所述光电转换部分的所述第二侧接触，并且所述第二分离层是第一导电型半导体的分离层。
18.根据权利要求1至17任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述第二子区域的平行于所述第一侧的至少一个截面区域是简单连接的。
19.根据权利要求1至18任一项所述的固态成像设备，其特征在于，所述固态成像设备还包括：
电路，所述电路包括：
浮置扩散，所述浮置扩散电连接到所述第一电荷传输栅极器件和所述第二电荷传输栅极器件，
双转换设备，所述双转换设备电连接到所述浮置扩散，
复位设备，所述复位设备通过所述双转换设备电连接到所述浮置扩散。
20.根据权利要求1至19任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
所述电路还包括电连接到所述浮置扩散的源极跟随器设备以及电连接到所述源极跟随器设备的行选择设备。
21.根据权利要求1至20任一项所述的固态成像设备，其特征在于，
在所述光电转换部分的所述第一侧，所述第二子区域至少包括第一区域表面和与所述第一区域表面分开放置的第二区域表面，所述第一子区域的至少一部分与所述第一区域表面接触，并且所述第一子区域的至少一部分与所述第二区域表面接触，
所述第一电荷传输栅极器件至少设置在所述第一区域表面中，所述第二电荷传输栅极器件至少设置在所述第二区域表面中。
22.一种电子装置，其特征在于，所述电子装置包括：
根据权利要求1至21中任一项所述的固态成像设备。
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