CN216871969U - 图像传感器及电子设备 - Google Patents

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CN216871969U CN202123314683.2U CN202123314683U CN216871969U CN 216871969 U CN216871969 U CN 216871969U CN 202123314683 U CN202123314683 U CN 202123314683U CN 216871969 U CN216871969 U CN 216871969U
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张盛鑫
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Abstract

本实用新型提供一种图像传感器及电子设备,图像传感器的像素阵列包括阵列排布的像素单元,像素单元包括至少两个像素,其中,至少一个第一像素的第一光电转换元件包括沿第一方向分割的两个子光电转换元件;至少一个第二像素的第二光电转换元件包括沿与第一方向不同的第二方向分割的两个子光电转换元件;其中,每一像素包括相邻设置的电荷生成收集区及信号读出电路区,且分割的两个子光电转换元件具有独立的传输晶体管及共用的浮动扩散区,以构成电荷生成收集区,信号读出电路区连接至浮动扩散区以实现信号读出。本实用新型包含左右双核像素和上下双核像素,可同时获取横向相位信息及纵向相位信息,从而实现全向双核相位对焦。

Description

图像传感器及电子设备
技术领域
本实用新型属于图像传感领域,特别是涉及一种多方向双核相位对焦的图像传感器及其制备方法。
背景技术
图像传感器是利用光电器件的光电转换功能将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。根据元件的不同,可以分为CCD(电荷耦合元件)和CMOS(金属氧化物半导体元件)两大类。随着CMOS图像传感器(CIS)设计及制造工艺的不断发展,CMOS图像传感器逐渐取代CCD图像传感器已经成为主流。
在采用基于CMOS图像传感器的设备进行拍摄时,首先需要进行像素对焦。相比较于反差对焦和激光对焦等技术,双核相位对焦技术具有对焦速度快,对焦范围广等优点,双核相位对焦技术被广泛应用到各种拍摄产品,例如,数码单眼相机与移动电话相机。然而,现有双核相位对焦方案仅能实现左右两个像素的相位信息获取,导致像素在画面纵向信息较多时,相位对焦效果一般。
应该注意,上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明,并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
实用新型内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本实用新型的目的在于提供一种图像传感器及其制备方法,用于解决现有技术中双核相位对焦技术相位对焦效果不足的问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本实用新型提供一种图像传感器,所述图像传感器包括像素阵列,所述像素阵列包括若干呈阵列排布的像素单元,所述像素单元包括至少两个像素,其中,所述至少两个像素包括:至少一个第一像素,所述第一像素包括第一光电转换元件,且所述第一光电转换元件包括沿第一方向分割的两个子光电转换元件;至少一个第二像素,所述第二像素包括第二光电转换元件,且所述第二光电转换元件包括沿与所述第一方向不同的第二方向分割的两个子光电转换元件;其中,每一所述像素包括相邻设置的电荷生成收集区及信号读出电路区,且分割的两个所述子光电转换元件具有独立的传输晶体管及共用的浮动扩散区,以构成所述电荷生成收集区,所述信号读出电路区连接至所述浮动扩散区以实现信号读出。
可选地,所述信号读出电路区包括源跟随晶体管及像素选择晶体管,其中,所述浮动扩散区设置于两个所述子光电转换元件之间,所述源跟随晶体管设置于所述信号读出电路区靠近所述浮动扩散区的一侧,且所述源跟随晶体管和所述像素选择晶体管的排布方向与两个所述子光电转换元件的排布方向一致。
可选地,所述第一像素的信号读出电路区还包括沿所述第一方向分割的两个子读出电路区,所述第二像素的信号读出电路区还包括沿所述第二方向分割的两个子读出电路区,其中,每一所述像素的所述信号读出电路区还包括增益控制晶体管和复位晶体管,分别设置于不同的所述子读出电路区中,且所述源跟随晶体管和所述像素选择晶体管分别设置于不同的所述子读出电路区中。
可选地,所述增益控制晶体管和所述复位晶体管与两个所述子光电转换元件的排布方向一致,所述复位晶体管与所述源跟随晶体管位于同一子读出电路区,所述增益控制晶体管与所述像素选择晶体管位于同一子读出电路区。
可选地,每一所述像素还包括至少一个衬底接触,设置于所述电荷生成收集区,且当存在至少两个所述衬底接触时,分布在垂直于所述子光电转换元件的分割线方向上的各所述像素的光电转换元件的两侧。
可选地,所述源跟随晶体管的栅极延伸至相邻的所述子读出电路区,且在垂直于所述子光电转换元件的分割线方向上,所述源跟随晶体管的栅极的投影与所述浮动扩散区中心的投影具有交叠。
可选地,所述第一方向与对应的所述像素的中轴线平行、垂直或倾斜交叉,所述第二方向与对应的所述像素的中轴线平行、垂直或倾斜交叉,且所述第一方向与所述第二方向垂直或倾斜交叉。
可选地,所述第一方向穿过对应的所述像素的中心,所述第二方向穿过相应的所述像素的中心。
可选地,所述第一方向与对应的所述像素的中轴线的倾斜交叉的角度小于或等于45°,所述第二方向与对应的所述像素的中轴线的倾斜交叉角度小于或等于45°。
可选地,所述至少两个像素还包括第三像素,所述第三像素包括第三光电转换元件,且所述第三光电转换元件包括沿第三方向分割的两个子光电转换元件,或/及,所述至少两个像素还包括第四像素,所述第四像素包括第四光电转换元件,且所述第四光电转换元件包括沿第四方向分割的两个子光电转换元件。
可选地,所述第三方向与相应的所述像素的中轴线平行、垂直或倾斜交叉,所述第四方向与相应的所述像素的中轴线平行、垂直或倾斜交叉;或/及,所述第三方向穿过相应的所述像素的中心,所述第四方向穿过相应的所述像素的中心;或/及,所述第三方向与相应的所述像素的中轴线的倾斜交叉的角度小于或等于45°,所述第四方向与相应的所述像素的中轴线的倾斜交叉角度小于或等于45°。
可选地,任意相邻的两个所述像素的光电转换元件均呈非相向排布;或/及,任意所述像素的所述电荷生成收集区同时对应相邻所述像素的所述电荷生成收集区及所述信号读出电路区。
可选地,所述至少两个像素包括两个所述第一像素及两个所述第二像素,以构成呈拜耳阵列排布的所述像素单元,其中,两个所述第一像素分别为红绿像素和蓝绿像素,两个所述第二像素分别为红色像素和蓝色像素。
可选地,分割的两个所述子光电转换元件之间包括自衬底的第一面朝向第二面延伸至所述衬底内部的正面隔离结构和自所述衬底的第二面朝向第一面延伸至所述衬底内部的分光隔离结构。
可选地,所述分光隔离结构的底部所在的平面与所述子光电转换元件的光电转换区的底部所在的平面之间具有间距。
可选地,所述传输晶体管包括:第一导流结构,自衬底的第一面朝向第二面延伸至所述衬底内部;第二导流结构,设置于所述衬底的所述第一面上,所述第二导流结构与所述第一导流结构连接且延伸至所述浮动扩散区;电隔离层,设置于所述第一导流结构与所述衬底及所述第二导流结构与所述衬底间。
可选地,所述浮动扩散区及对应的所述子光电转换元件设置于所述第一导流结构同侧;或/及,所述浮动扩散区及所述第一导流结构设置于对应的所述子光电转换元件边缘任意两点连线中最长的一条连线上;或/及,所述第一导流结构位于对应的所述子光电转换元件的中心。
可选地,所述第一导流结构包括自上而下设置的n个导流控制区,n为大于等于2的正整数,其中,相邻两个所述导流控制区中,上部导流控制区的纵截面形状的最小宽度大于下部导流控制区的纵截面形状的最大宽度。
可选地,所述像素还包括竖直导流辅助层,设置于所述子光电转换元件与对应的所述第一导流结构之间,其中,所述导流辅助层的电势自所述衬底的所述第二面朝所述第一面的方向变大;或/及,所述图像传感器还包括横向导流辅助层,设置于所述子光电转换元件与对应的所述第二导流结构之间,其中,所述横向导流辅助层的电势自所述第一导流结构朝所述浮动扩散区的方向变大。
可选地,所述竖直导流辅助层包括自所述衬底的所述第二面朝所述第一面的方向排布的多个离子掺杂区,且各所述离子掺杂区的掺杂浓度自所述衬底的所述第二面朝所述第一面的方向依次变小;或/及,所述横向导流辅助层包括自所述第一导流结构朝所述浮动扩散区的方向排布的多个离子掺杂区,且多个所述离子掺杂区的掺杂浓度自所述第一导流结构朝所述浮动扩散区的方向依次变小。
可选地,所述像素还包括隔离区,所述隔离区自所述衬底的第一面朝第二面延伸至所述衬底内部,并设置于各光电转换元件的***,其中,所述第一导流结构和/或竖直导流辅助层设置于所述隔离区内。
本实用新型还提供一种电子设备,所述电子设备包括如上任意一项方案所述的图像传感器。
本实用新型还提供一种如上任意一项方案所述的图像传感器的制备方法,包括步骤:提供衬底,所述衬底具有相对的第一面和第二面;自所述第一面在所述衬底中制备光电转换区,以形成对应的光电转换元件;自所述第一面制备各晶体管元件,以得到所述电荷生成收集区及信号读出电路区;自所述第二面制备分光隔离结构,以分割各所述光电转换元件形成各所述像素。
可选地,所述制备方法还包括步骤:形成所述光电转换区之前,形成自所述第一面朝第二面延伸至衬底内部的所述隔离区。
如上所述,本实用新型的图像传感器及其制备方法,具有以下有益效果:
本实用新型的图像传感器包含至少一个第一像素,该第一像素包括第一光电转换元件,且所述第一光电转换元件包括沿第一方向分割的两个子光电转换元件以及至少一个第二像素,该第二像素包括第二光电转换元件,且所述第二光电转换元件包括沿与所述第一方向不同的第二方向分割的两个子光电转换元件,即本实用新型包含左右双核像素和上下双核像素,可同时获取横向相位信息及纵向相位信息,从而实现全向双核相位对焦。
本实用新型的两个被分割像素分别设置独立的传输晶体管及共用的浮动扩散区,源跟随晶体管的栅极靠近共用的浮动扩散区设置,可有效缩短信号采集路径,降低信号损耗,同时可有效节约图像传感器的面积;进一步地,本实用新型的源跟随晶体管和所述像素选择晶体管的排布方向与两个子光电转换元件的排布方向一致,各器件在满足间距需求的同时,具有较为紧凑的布图,可进一步节约图像传感器的面积。
本实用新型增益控制晶体管和复位晶体管与两个所述子光电转换元件的排布方向一致,所述复位晶体管与所述源跟随晶体管位于同一子读出电路区,所述增益控制晶体管与所述像素选择晶体管位于同一子读出电路区,实现了基于DCG的双增益技术及器件间距需求的同时,节约了图像传感器的面积,基于增益控制晶体管与源跟随晶体管的布置可以进一步减小噪音。
本实用新型两个被分割像素的分光方向可以进一步进行倾斜调节,可以有效的实现分光及隔离,可满足不同的相位信息需求,从而大大拓展本实用新型的应用范围。
附图说明
所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解,其构成了说明书的一部分,用于说明本申请的实施方式,并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1显示为本实用新型实施例的图像传感器的像素单元的结构示意图。
图2显示为本实用新型实施例的图像传感器的像素阵列的结构示意图。
图3~图6显示为本实用新型实施例的图像传感器的不同分割方式的几种像素单元的结构示意图。
图7显示为本实用新型实施例的图像传感器像素单元的电路结构示意图。
图8显示为本实用新型实施例的图像传感器像素单元中的一个像素的布局结构示意图。
图9显示为本实用新型实施例的图像传感器的一个像素单元的布局结构示意图。
图10~图11显示为本实用新型实施例的图像传感器的传输晶体管的两种结构示意图。
图12~图13显示为本实用新型实施例的图像传感器的光电转换元件的两种隔离方式结构示意图。
元件标号说明
2 像素单元
21 第一像素
211、212 第一像素的子光电转换元件
22 第二像素
221、222 第二像素的子光电转换元件
23 第三像素
231、232 第三像素的子光电转换元件
24 第四像素
241、242 第四像素的子光电转换元件
30 浮动扩散区
31 第一传输晶体管
32 第二传输晶体管
33 源跟随晶体管
34 像素选择晶体管
35 复位晶体管
11 隔离区
141 第一导流结构
142 第二导流结构
143 电隔离层
151 第一P型掺杂区
152 第二P型掺杂区
153 第三P型掺杂区
154 第四P型掺杂区
155 第五P型掺杂区
402 正面隔离结构
403 分光隔离结构
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
应该强调,术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在,但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用,与其它实施方式中的特征相组合,或替代其它实施方式中的特征。
如在详述本实用新型实施例时,为便于说明,表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大,而且所述示意图只是示例,其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外,在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述,此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到,这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外,当一层被称为在两层“之间”时,它可以是所述两层之间仅有的层,或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中,所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例,也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例,这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想,遂图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1~图13所示,本实用新型提供一种图像传感器,所述图像传感器包括像素阵列,所述像素阵列包括若干呈阵列排布的像素单元,所述像素单元包括至少两个像素,其中,所述至少两个像素包括:至少一个第一像素21,所述第一像素21包括第一光电转换元件,且所述第一光电转换元件包括沿第一方向分割的两个子光电转换元件;至少一个第二像素22,所述第二像素22包括第二光电转换元件,且所述第二光电转换元件包括沿与所述第一方向不同的第二方向分割的两个子光电转换元件;其中,每一所述像素包括相邻设置的电荷生成收集区及信号读出电路区,且分割的两个所述子光电转换元件具有独立的传输晶体管及共用的浮动扩散区30,以构成所述电荷生成收集区,所述信号读出电路区连接至所述浮动扩散区30以实现信号读出。
如图2所示,所述像素阵列可以包含多个具有周期性且呈矩阵排布的像素单元。如图1所示,在一个实施例中,所述像素单元包括四个像素,该四个像素分别为第一像素21、第二像素22、第三像素23和第四像素24,所述第一像素21、第二像素22、第三像素23和第四像素24呈矩阵排布,在一个实施例中,所述第一像素21、第二像素22、第三像素23和第四像素24可以构成呈拜耳阵列排布的所述像素单元,所述第一像素21可以为红绿像素(Gr),所述第四像素24可以为蓝绿像素(Gb),所述第二像素22可以为红色像素(R),所述第三像素23可以为第蓝色像素(B)。
如图1所示,所述第一像素21包括第一光电转换元件,且所述第一光电转换元件包括沿第一方向分割的两个子光电转换元件211、212,所述第二像素22包括第二光电转换元件,且所述第二光电转换元件包括沿与所述第一方向不同的第二方向分割的两个子光电转换元件221、222,所述第三像素23包括第三光电转换元件,且所述第三光电转换元件包括沿第三方向分割的两个子光电转换元件231、232,所述第四像素24包括第四光电转换元件,且所述第四光电转换元件包括沿第四方向分割的两个子光电转换元件241、242。在本实施例中,所述第一方向和第四方向均被设置为水平方向,以将所述第一光电转换元件和第四光电转换元件沿水平方向平分,其可用于获取两个不同位置的左右方向的相位对焦信息,所述第二方向和第三方向均被设置为垂直方向,以将所述第二光电转换元件和第三光电转换元件沿垂直方向平分,其可用于获取两个不同位置的上下方向的相位对焦信息。其中,需要说明的是,该图1中仅代表各子光电转换元件的分割方向,并不一定代表实际的子光电转换元件的布局。另外,第一方向、第二方向、第三方向及第四方向还可以均不同,以得到不同方向的相位信息,各个方向的设定以及对应的数量均可以依据实际需求灵活设计。
本实用新型的图像传感器包含至少一个第一像素21,该第一像素21包括第一光电转换元件,且所述第一光电转换元件包括沿第一方向分割的两个子光电转换元件;以及至少一个第二像素22,该第二像素22包括第二光电转换元件,且所述第二光电转换元件包括沿与所述第一方向不同的第二方向分割的两个子光电转换元件,即本实用新型包含左右双核像素和上下双核像素,可同时获取横向相位信息及纵向相位信息,从而实现全向双核相位对焦。
如图3~图6所示,在一些其他的实施例中,所述第一方向与对应的所述像素的中轴线平行、垂直或倾斜交叉,所述第二方向与对应的所述像素的中轴线平行、垂直或倾斜交叉,且所述第一方向与所述第二方向垂直或倾斜交叉。所述第一方向穿过对应的所述像素的中心,所述第二方向穿过相应的所述像素的中心。优选地,所述第一方向与对应的所述像素的中轴线的倾斜交叉时,其角度小于或等于45°,所述第二方向与对应的所述像素的中轴线的倾斜交叉时,其角度小于或等于45°。同时,所述第三方向与相应的所述像素的中轴线平行、垂直或倾斜交叉,所述第四方向与相应的所述像素的中轴线平行、垂直或倾斜交叉;或/及,所述第三方向穿过相应的所述像素的中心,所述第四方向穿过相应的所述像素的中心;或/及,所述第三方向与相应的所述像素的中轴线的倾斜交叉的角度小于或等于45°,所述第四方向与相应的所述像素的中轴线的倾斜交叉角度小于或等于45°。
如图3所示,在一个实施例中,所述像素单元的第一方向、第二方向、第三方向和第四方向均与对应的所述像素的中轴线平行。
如图4所示,在另一个实施例中,所述像素单元的第一方向、第二方向、第三方向和第四方向与对应的所述像素的中轴线均为倾斜交叉,且所述第一方向与第四方向的倾斜方向相同,所述第二方向和第三方向的倾斜方向相同,其中,角度α1、α2、α3、α4小于或等于45°。
如图5所示,在又一个实施例中,所述第一方向与第四方向与对应的所述像素的中轴线均为倾斜交叉,所述第二方向与第三方向与对应的所述像素的中轴线平行。
如图6所示,在又一个实施例中,所述像素单元的第一方向、第二方向、第三方向和第四方向与对应的所述像素的中轴线均为倾斜交叉,且所述第一方向与第四方向的倾斜方向相反,所述第二方向和第三方向的倾斜方向相反。
本实用新型两个被分割像素的分光方向可以进一步进行倾斜调节,可满足不同的相位信息需求,从而大大拓展本实用新型的应用范围。
如图7~图9所示,在一个实施例中,每一个所述像素单元,其包含两个子光电转换元件,分别为第一子光电转换元件221和第二子光电转换元件222,两个独立的传输晶体管,分别为第一传输晶体管31和第二传输晶体管32,一个共用的浮动扩散区30、一个共用的源跟随晶体管33、一个共用的复位晶体管35、一个共用的像素选择晶体管34以及一个共用的增益控制晶体管。
图7显示为本实施例的像素单元的一个实施电路原理图,其中,所述第一子光电转换元件221的第一极接地,第二极与第一传输晶体管31的第一极连接,所述第一传输晶体管31的栅极连接控制信号Tx1,第二极连接浮动扩散区30,所述第二子光电转换元件222的第一极接地,第二极与第二传输晶体管32的第一极连接,所述第二传输晶体管32的栅极连接控制信号Tx2,第二极连接浮动扩散区30,所述复位晶体管35的第一极连接第一电源VDD,第二极连接浮动扩散区30,栅极连接复位信号Rst,所述源跟随晶体管33的栅极连接浮动扩散区30,第一极接第一电源VDD,第二极连接像素选择晶体管34的第一极,所述像素选择晶体管34的第二极连接输出信号Pixout,栅极连接选择信号Rs,当所述像素单元还设置有增益制晶体管DCG时,所述增益制晶体管(未予图示)的第一极连接浮动扩散,第二极连接所述复位晶体管35的第二极,栅极连接增益信号。
图8显示为本实用新型的一个像素的布局设计示意图,图9显示为本实用新型的一个像素单元的布局设计示意图,如图8及图9所示,所述第一像素21的信号读出电路区还包括沿所述第一方向分割的两个子读出电路区,所述第二像素22的信号读出电路区还包括沿所述第二方向分割的两个子读出电路区,所述第三像素23的信号读出电路区还包括沿所述第三方向分割的两个子读出电路区其中,所述第四像素24的信号读出电路区还包括沿所述第四方向分割的两个子读出电路区,每一所述像素的所述浮动扩散区30设置于两个所述子光电转换元件之间,所述源跟随晶体管33设置于所述信号读出电路区靠近所述浮动扩散区30的一侧,且所述源跟随晶体管33和所述像素选择晶体管34的排布方向与两个所述子光电转换元件的排布方向一致,且所述源跟随晶体管33和所述像素选择晶体管34分别设置于不同的所述子读出电路区中,每一个像素的所述增益控制晶体管和复位晶体管35,分别设置于不同的所述子读出电路区中,所述增益控制晶体管和所述复位晶体管35与两个所述子光电转换元件的排布方向一致,所述复位晶体管35与所述源跟随晶体管33位于同一子读出电路区,所述增益控制晶体管与所述像素选择晶体管34位于同一子读出电路区。
如图8所示,在一个实施例中,所述源跟随晶体管33的栅极延伸至相邻的所述子读出电路区,且在垂直于所述子光电转换元件的分割线方向上,所述源跟随晶体管33的栅极的投影与所述浮动扩散区30中心的投影具有交叠,有利于优化信号传输特性,提高器件性能。
本实用新型的两个被分割像素分别设置独立的传输晶体管及共用的浮动扩散区30,源跟随晶体管33的栅极靠近共用的浮动扩散区30设置,可有效缩短信号采集路径,降低信号损耗,同时可有效节约图像传感器的面积;进一步地,本实用新型的源跟随晶体管33和所述像素选择晶体管34的排布方向与两个子光电转换元件的排布方向一致,各器件在满足间距需求的同时,具有较为紧凑的布图,可进一步节约图像传感器的面积。
本实用新型增益控制晶体管和复位晶体管35与两个所述子光电转换元件的排布方向一致,所述复位晶体管35与所述源跟随晶体管33位于同一子读出电路区,所述增益控制晶体管与所述像素选择晶体管34位于同一子读出电路区,实现了基于DCG的双增益技术及器件间距需求的同时,节约了图像传感器的面积,基于增益控制晶体管与源跟随晶体管的布置可以进一步减小噪音。
如图9所示,本实用新型的像素单元中,任意相邻的两个所述像素的光电转换元件均呈非相向排布,即,相邻的两个像素中的光电转化元件不相邻设置。该设计可以大大降低相邻像素的光电转换元件的串扰,提高像素单元的感光精度和分别率,进一步地,所述像素单元中的任意所述像素的所述电荷生成收集区同时对应相邻所述像素的所述电荷生成收集区及所述信号读出电路区。
在一个实施例中,每一所述像素还包括至少一个衬底接触,设置于所述电荷生成收集区,且当存在至少两个所述衬底接触时,分布在垂直于所述子光电转换元件的分割线方向上的各所述像素的光电转换元件的两侧,可以提高器件对称性,提升器件整体性能,其中,图8和图9的示例中,光电转换元件两侧各布置了一个衬底接触。
如图10所示,在一个实施例中,所述传输晶体管包括:第一导流结构141,自衬底的第一面朝向第二面延伸至所述衬底内部;第二导流结构142,设置于所述衬底的所述第一面上,所述第二导流结构142与所述第一导流结构141连接且延伸至所述浮动扩散区30;电隔离层143,设置于所述第一导流结构141与所述衬底及所述第二导流结构142与所述衬底间。
在一种实施方式中,所述浮动扩散区30及对应的所述子光电转换元件设置于所述第一导流结构141同侧,同侧设置的方式可以有利于在光电转换区产生的电荷自第一导流结构传输至浮动扩散区,另外,还可以避免浮动扩散区及光电转换区设置于所述第一导流结构异侧时,浮动扩散区会增加器件***区域所需的面积的缺陷。浮动扩散区及所述光电转换区设置于所述第一导流结构同侧,可以设置为所述光电转换区中心与浮动扩散区中心的连线不会横跨过所述第一导流结构。在一种实施方式中,可以是定义浮动扩散区中心与第一导流结构中心之间的连线为x轴方向,并定义与x轴方向垂直的y轴方向,并且,第一导流结构的中心为x轴与y轴的交点,其中,光电转换区与浮动扩散区设置于y轴同侧,以使得浮动扩散区及所述光电转换区设置于所述第一导流结构同侧。另外,所述浮动扩散区30及所述第一导流结构141可以设置于对应的所述子光电转换元件边缘任意两点连线中最长的一条连线上,另外,在本实施例中,所述第一导流结构141位于对应的所述子光电转换元件的中心,参见图8。
在一实施方式中,所述第一导流结构141可以包括自上而下设置的n个导流控制区,n为大于等于2的正整数,其中,相邻两个所述导流控制区中,上部导流控制区的纵截面形状的最小宽度大于下部导流控制区的纵截面形状的最大宽度,从而通过第一导流结构的形状设计,可以优化其对传输电荷的控制,从而有利于电荷基于第一导流结构的传输控制。
如图10及12所述,所述像素还包括隔离区11,所述隔离区11自所述衬底的第一面朝第二面延伸至所述衬底内部,并设置于各光电转换元件22的***,其中,所述第一导流结构141和/或竖直导流辅助层设置于所述隔离区内。通过上述设置,可以将光电转换区设置于隔离区内的绝大部分区域,从而提高像素结构的满阱容量。在一种实施方式中,隔离区可以通过正面隔离区及背面隔离区的方式共同实现各像素的隔离,其材料及深度可以依据实际设定。
本实用新型将第一导流结构141设置于远离浮动扩散区30的位置,通过第一导流结构141与第二导流结构142共同将载流子传输到浮动扩散区30,另外,本实用新型还可以将浮动扩散区30和光电转换区设置在第一导流结构141的同侧,有利于电荷的传输;本实用新型可以通过在光电转换区的较浅区域进行掺杂,使第一导流结构141与浮动扩散区30之间的较浅的区域也形成光电转换区,从而拉大了光电转换区的深度范围;本实用新型可以使光电转换区的可以获得更高的满阱容量,并获得更好的感度。另外,所述第一导流结构141的数量可以为多个,其数量的选择以及排布设计可以依据实际需求设定。
如图11所示,所述像素还包括竖直导流辅助层,设置于所述子光电转换元件与对应的所述第一导流结构141之间,其中,所述导流辅助层的电势自所述衬底的所述第二面朝所述第一面的方向变大;同时,所述图像传感器还包括横向导流辅助层,设置于所述子光电转换元件与对应的所述第二导流结构142之间,其中,所述横向导流辅助层的电势自所述第一导流结构141朝所述浮动扩散区30的方向变大。
在一个实施例中,所述竖直导流辅助层包括自所述衬底的所述第二面朝所述第一面的方向排布的多个离子掺杂区,且各所述离子掺杂区的掺杂浓度自所述衬底的所述第二面朝所述第一面的方向依次变小;或/及,所述横向导流辅助层包括自所述第一导流结构141朝所述浮动扩散区30的方向排布的多个离子掺杂区,且多个所述离子掺杂区的掺杂浓度自所述第一导流结构141朝所述浮动扩散区30的方向依次变小。
在一个实施例中,如图11所示,所述导流辅助层15包括自所述衬底的所述第一面朝所述第二面的方向排布的多个离子掺杂区,例如,对于n型MOS结构,此处为p型掺杂区,当然,在其他结构中可以依据实际进行调整。其中,多个所述离子掺杂区的掺杂浓度自所述衬底的所述第一面朝所述第二面的方向依次变大。例如,以p型离子掺杂区为例,所述导流辅助层可以自下而上包括第一P型掺杂区151、第二P型掺杂区152及第三P型掺杂区153,其中,所述第一P型掺杂区151的掺杂浓度大于所述第二P型掺杂区152的掺杂浓度,所述第二P型掺杂区152的掺杂浓度大于所述第三P型掺杂区153的掺杂浓度。作为示例,所述横向导流辅助层包括自所述第一导流结构141朝所述浮动扩散区3016的方向排布的多个离子掺杂区,且多个所述离子掺杂区的掺杂浓度自所述第一导流结构141朝所述浮动扩散区30的方向依次变小。例如,同上述道理,以p型掺杂区为例进行说明,所述横向导流辅助层首先与上述位于所述第一导流结构侧壁的导流辅助层共用一个所述第三P型掺杂区153,所述第三P型掺杂区153设置为一个倒L型结构,所述横向导流辅助层然后自所述第一导流结构141朝所述浮动扩散区3016依次包括第四P型掺杂区154和第五P型掺杂区155,其中,所述第三P型掺杂区153的掺杂浓度大于所述第四P型掺杂区154的掺杂浓度,所述第四P型掺杂区154的掺杂浓度大于所述第五P型掺杂区155的掺杂浓度。
本实施例通过在第一导流结构与光电转换区之间(如第一导流结构侧壁)设置导流辅助层,并使所述导流辅助层的电势自所述衬底的所述第一面朝所述第二面的方向变小,从而可以使得载流子在电势作用下快速从光电转换区的内部传输至衬底表面,大大提高了载流子的传输速度,从而可以实现更大面积的光电转换区的载流子传输,可有效提高光电转换区的满阱容量。
如图12所示,分割的两个所述子光电转换元件之间可以包括自衬底的第一面朝向第二面延伸至所述衬底内部的正面隔离结构402。
如图13所示,分割的两个所述子光电转换元件之间也可以同时包括自衬底的第一面朝向第二面延伸至所述衬底内部的正面隔离结构402以及自所述衬底的第二面朝向第一面延伸至所述衬底内部的分光隔离结构403。在一示例中,通过上述设计可以得到背照式图像传感器。在一个实施例中,所述分光隔离结构403的底部所在的平面与所述子光电转换元件的光电转换区的底部所在的平面之间具有间距,从而有利于光电转换元件划分呈子光电转换元件时,有效灵活的实现光线的分割以进行相位对焦,有利于实现光电转换元件进行倾斜划分。另外,需要说明的是,正面隔离结构和分光隔离结构的材料及深度可以依据实际进行选定,在实现光电转换元件分割隔离的同时有效实现相对对焦信息的获取。
本实用新型还提供一种电子设备,所述电子设备包括如上实施例所述的图像传感器。
本实用新型还提供一种实施例所述的图像传感器的制备方法,包括步骤:提供衬底,所述衬底具有相对的第一面和第二面;自所述第一面在所述衬底中制备光电转换区,以形成对应的光电转换元件;自所述第一面制备各晶体管元件,以得到所述电荷生成收集区及信号读出电路区;自所述第二面制备分光隔离结构,以分割各所述光电转换元件形成各所述像素。
在一个实施例中,所述制备方法还包括步骤:形成所述光电转换区之前,形成自所述第一面朝第二面延伸至衬底内部的所述隔离区。
如上所述,本实用新型的图像传感器及其制备方法,具有以下有益效果:
本实用新型的图像传感器包含至少一个第一像素,该第一像素包括第一光电转换元件,且所述第一光电转换元件包括沿第一方向分割的两个子光电转换元件以及至少一个第二像素,该第二像素包括第二光电转换元件,且所述第二光电转换元件包括沿与所述第一方向不同的第二方向分割的两个子光电转换元件,即本实用新型包含左右双核像素和上下双核像素,可同时获取横向相位信息及纵向相位信息,从而实现全向双核相位对焦。
本实用新型的两个被分割像素分别设置独立的传输晶体管及共用的浮动扩散区,源跟随晶体管33的栅极靠近共用的浮动扩散区设置,可有效缩短信号采集路径,降低信号损耗,同时可有效节约图像传感器的面积;进一步地,本实用新型的源跟随晶体管和所述像素选择晶体管的排布方向与两个子光电转换元件的排布方向一致,各器件在满足间距需求的同时,具有较为紧凑的布图,可进一步节约图像传感器的面积。
本实用新型增益控制晶体管和复位晶体管与两个所述子光电转换元件的排布方向一致,所述复位晶体管与所述源跟随晶体管位于同一子读出电路区,所述增益控制晶体管与所述像素选择晶体管位于同一子读出电路区,实现了基于DCG的双增益技术及器件间距需求的同时,节约了图像传感器的面积。
本实用新型两个被分割像素的分光方向可以进一步进行倾斜调节,可满足不同的相位信息需求,从而大大拓展本实用新型的应用范围。
所以,本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效,而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (22)

1.一种图像传感器,其特征在于,所述图像传感器包括像素阵列,所述像素阵列包括若干呈阵列排布的像素单元,所述像素单元包括至少两个像素,其中,所述至少两个像素包括:
至少一个第一像素,所述第一像素包括第一光电转换元件,且所述第一光电转换元件包括沿第一方向分割的两个子光电转换元件;
至少一个第二像素,所述第二像素包括第二光电转换元件,且所述第二光电转换元件包括沿与所述第一方向不同的第二方向分割的两个子光电转换元件;
其中,每一所述像素包括相邻设置的电荷生成收集区及信号读出电路区,且分割的两个所述子光电转换元件具有独立的传输晶体管及共用的浮动扩散区,以构成所述电荷生成收集区,所述信号读出电路区连接至所述浮动扩散区以实现信号读出。
2.根据权利要求1所述的图像传感器,其特征在于,所述信号读出电路区包括源跟随晶体管及像素选择晶体管,其中,所述浮动扩散区设置于两个所述子光电转换元件之间,所述源跟随晶体管设置于所述信号读出电路区靠近所述浮动扩散区的一侧,且所述源跟随晶体管和所述像素选择晶体管的排布方向与两个所述子光电转换元件的排布方向一致。
3.根据权利要求2所述的图像传感器,其特征在于,所述第一像素的信号读出电路区包括沿所述第一方向分割的两个子读出电路区,所述第二像素的信号读出电路区包括沿所述第二方向分割的两个子读出电路区,其中,每一所述像素的所述信号读出电路区还包括增益控制晶体管和复位晶体管,分别设置于不同的所述子读出电路区中,且所述源跟随晶体管和所述像素选择晶体管分别设置于不同的所述子读出电路区中。
4.根据权利要求3所述的图像传感器,其特征在于,所述增益控制晶体管和所述复位晶体管与两个所述子光电转换元件的排布方向一致,所述复位晶体管与所述源跟随晶体管位于同一子读出电路区,所述增益控制晶体管与所述像素选择晶体管位于同一子读出电路区。
5.根据权利要求3所述的图像传感器,其特征在于,每一所述像素还包括至少一个衬底接触,设置于所述电荷生成收集区,且当存在至少两个所述衬底接触时,分布在垂直于所述子光电转换元件的分割线方向上的各所述像素的光电转换元件的两侧。
6.根据权利要求3所述的图像传感器,其特征在于,所述源跟随晶体管的栅极延伸至相邻的所述子读出电路区,且在垂直于所述子光电转换元件的分割线方向上,所述源跟随晶体管的栅极的投影与所述浮动扩散区中心的投影具有交叠。
7.根据权利要求1所述的图像传感器,其特征在于,所述第一方向与对应的所述像素的中轴线平行、垂直或倾斜交叉,所述第二方向与对应的所述像素的中轴线平行、垂直或倾斜交叉,且所述第一方向与所述第二方向垂直或倾斜交叉。
8.根据权利要求7所述的图像传感器,其特征在于,所述第一方向穿过对应的所述像素的中心,所述第二方向穿过相应的所述像素的中心。
9.根据权利要求7所述的图像传感器,其特征在于,所述第一方向与对应的所述像素的中轴线的倾斜交叉的角度小于或等于45°,所述第二方向与对应的所述像素的中轴线的倾斜交叉角度小于或等于45°。
10.根据权利要求1所述的图像传感器,其特征在于,所述至少两个像素还包括第三像素,所述第三像素包括第三光电转换元件,且所述第三光电转换元件包括沿第三方向分割的两个子光电转换元件,或/及,所述至少两个像素还包括第四像素,所述第四像素包括第四光电转换元件,且所述第四光电转换元件包括沿第四方向分割的两个子光电转换元件。
11.根据权利要求10所述的图像传感器,其特征在于,所述第三方向与相应的所述像素的中轴线平行、垂直或倾斜交叉,所述第四方向与相应的所述像素的中轴线平行、垂直或倾斜交叉;或/及,所述第三方向穿过相应的所述像素的中心,所述第四方向穿过相应的所述像素的中心;或/及,所述第三方向与相应的所述像素的中轴线的倾斜交叉的角度小于或等于45°,所述第四方向与相应的所述像素的中轴线的倾斜交叉角度小于或等于45°。
12.根据权利要求1所述的图像传感器,其特征在于,任意相邻的两个所述像素的光电转换元件均呈非相向排布;或/及,任意所述像素的所述电荷生成收集区同时对应相邻所述像素的所述电荷生成收集区及所述信号读出电路区。
13.根据权利要求1所述的图像传感器,其特征在于,所述至少两个像素包括两个所述第一像素及两个所述第二像素,以构成呈拜耳阵列排布的所述像素单元,其中,两个所述第一像素分别为红绿像素和蓝绿像素,两个所述第二像素分别为红色像素和蓝色像素。
14.根据权利要求1所述的图像传感器,其特征在于,分割的两个所述子光电转换元件之间包括自衬底的第一面朝向第二面延伸至所述衬底内部的正面隔离结构和自所述衬底的第二面朝向第一面延伸至所述衬底内部的分光隔离结构。
15.根据权利要求14所述的图像传感器,其特征在于,所述分光隔离结构的底部所在的平面与所述子光电转换元件的光电转换区的底部所在的平面之间具有间距。
16.根据权利要求1-15中任意一项所述的图像传感器,其特征在于,所述传输晶体管包括:
第一导流结构,自衬底的第一面朝向第二面延伸至所述衬底内部;
第二导流结构,设置于所述衬底的所述第一面上,所述第二导流结构与所述第一导流结构连接且延伸至所述浮动扩散区;
电隔离层,设置于所述第一导流结构与所述衬底及所述第二导流结构与所述衬底间。
17.根据权利要求16所述的图像传感器,其特征在于,所述浮动扩散区及对应的所述子光电转换元件设置于所述第一导流结构同侧;或/及,所述浮动扩散区及所述第一导流结构设置于对应的所述子光电转换元件边缘任意两点连线中最长的一条连线上;或/及,所述第一导流结构位于对应的所述子光电转换元件的中心。
18.根据权利要求16所述的图像传感器,其特征在于,所述像素还包括竖直导流辅助层,设置于所述子光电转换元件与对应的所述第一导流结构之间,其中,所述导流辅助层的电势自所述衬底的所述第二面朝所述第一面的方向变大;或/及,所述图像传感器还包括横向导流辅助层,设置于所述子光电转换元件与对应的所述第二导流结构之间,其中,所述横向导流辅助层的电势自所述第一导流结构朝所述浮动扩散区的方向变大。
19.根据权利要求18所述的图像传感器,其特征在于,所述竖直导流辅助层包括自所述衬底的所述第二面朝所述第一面的方向排布的多个离子掺杂区,且各所述离子掺杂区的掺杂浓度自所述衬底的所述第二面朝所述第一面的方向依次变小;或/及,所述横向导流辅助层包括自所述第一导流结构朝所述浮动扩散区的方向排布的多个离子掺杂区,且多个所述离子掺杂区的掺杂浓度自所述第一导流结构朝所述浮动扩散区的方向依次变小。
20.根据权利要求16所述的图像传感器,其特征在于:所述第一导流结构包括自上而下设置的n个导流控制区,n为大于等于2的正整数,其中,相邻两个所述导流控制区中,上部导流控制区的纵截面形状的最小宽度大于下部导流控制区的纵截面形状的最大宽度。
21.根据权利要求16所述的图像传感器,其特征在于:所述像素还包括隔离区,所述隔离区自所述衬底的第一面朝第二面延伸至所述衬底内部,并设置于各光电转换元件的***,其中,所述第一导流结构和/或竖直导流辅助层设置于所述隔离区内。
22.一种电子设备,其特征在于,包括如权利要求1-21中任意一项所述的图像传感器。
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