TWI685094B - 用於高動態範圍成像之具有嵌入式***像素之像素陣列 - Google Patents

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Abstract

一種像素單元包含一第二光電二極體，該第二光電二極體在半導體材料中橫向環繞一第一光電二極體。該第一光電二極體及該第二光電二極體經調適以回應於入射光而光生影像電荷。一浮動擴散部安置於該半導體材料中，接近該第二光電二極體之一外周界。一第一轉移閘極接近該半導體材料而安置於介於該第一光電二極體與該第二光電二極體之間的一第一通道區域上方。該第一轉移閘極經耦合以將該影像電荷自該第一光電二極體轉移至該第二光電二極體。一第二轉移閘極接近該半導體材料而安置於介於該第二光電二極體與該浮動擴散部之間的一第二通道區域上方。該第二轉移閘極經耦合以將該影像電荷自該第二光電二極體轉移至該浮動擴散部。

Description

用於高動態範圍成像之具有嵌入式***像素之像素陣列
本發明一般而言係關於影像感測器，且更特定而言，本發明針對於高動態範圍影像感測器。
標準影像感測器具有約60 dB至70 dB之一有限動態範圍。然而，真實世界之明度動態範圍大得多。舉例而言，自然場景通常橫跨90 dB及90 dB以上之一範圍。為同時擷取明亮高光及暗淡陰影中之細節，影像感測器中已使用高動態範圍(HDR)技術來增大所擷取動態範圍。增大動態範圍之最常見技術係將使用標準(低動態範圍)影像感測器以不同曝光設定捕獲之多個曝光合併成一單個線性HDR影像，此產生比一單個曝光影像大得多之一動態範圍影像。
另一HDR技術將不同曝光積分時間或不同光敏性(舉例而言，藉由***中性密度濾光器)併入至一單個影像感測器中。單個影像感測器在單個影像感測器中實際上可具有2個、3個、4個或甚至更多個不同曝光。因此，多個曝光影像可使用此HDR影像感測器在一單次拍攝中獲得。然而，與一正常全解析度影像感測器相比，使用此HDR感測器會降低總體影像解析度。舉例而言，對於將4個不同曝光組合於一個影像感測器中之一HDR感測器，每一HDR影像將係全解析度影像之僅四分之一解析度。
實施HDR影像感測器之其他方法呈現諸多其他挑戰。此等其他方法並非空間高效的，且難以小型化至一較小間距以達成更高解析度。另外，由於此等HDR影像感測器中之諸多感測器之不對稱佈局，因此減小像素之大小及間距來達成高解析度影像感測器會產生串擾及其他不希望副作用，諸如在間距被減小時可發生於此等影像感測器中之對角線耀斑。此外，諸多HDR影像感測器需要具有極大全井容量(FWC)之結構來適應大動態範圍。然而，大FWC要求導致滯後、白色像素(WP)、暗電流(DC)及其他不希望問題。因此，此等其他HDR成像方法因難以縮放之高FWC要求亦不適合用於高解析度。
揭示針對於用於高動態範圍成像之具有嵌入式***二極體像素單元之一像素陣列之方法及設備。在以下說明中，陳述眾多具體細節以提供對實施例之一透徹理解。然而，熟習此項技術者將認識到，本文中所闡述之技術可在不具有該等具體細節中之一或多者之情況下實踐，或者可藉助其他方法、組件、材料等來實踐。在其他例項中，未詳細展示或闡述眾所周知之結構、材料或操作以避免使某些態樣模糊。
在本說明書通篇中對「一項實例」或「一項實施例」之提及意指結合該實例所闡述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實例中。因此，在本說明書通篇之各個地方中出現之片語「在一項實例中」或「在一項實施例中」未必全部係指同一實例。此外，在一或多項實例中可以任何適合方式組合該等特定特徵、結構或特性。
貫穿本說明書，使用數個術語。此等術語將呈現其在其所屬領域中之普通含義，除非本文中另外具體定義或其使用之內容脈絡將另外清晰地表明。應注意，在本文件中，元件名稱及符號可互換地使用(例如，Si與矽)；然而，其兩者具有相同含義。
如將展示，揭示包含可用於高動態範圍成像之嵌入式***二極體之像素單元之實例。在各種實例中，嵌入式***二極體結構包含以與其他已知***二極體設計相比具有增大之對稱性之一佈局嵌入一大光電二極體中之一小光電二極體，此會減少可因相鄰像素單元之間的串擾而發生之對角線耀斑問題。在將小光電二極體嵌入大光電二極體中之情況下，空間得到更高效使用，從而允許更小間距及更高解析度之高動態範圍(HDR)像素陣列。如將展示，根據本發明之教示，小光電二極體可用於感測明亮或高強度光條件，而大光電二極體可用於感測較暗淡之低至中等強度光條件，以達成HDR成像。
為進行圖解說明， 圖 1圖解說明根據本發明之教示之圖解說明一實例性HDR系統100之一方塊圖，實例性HDR系統100使用具有嵌入式***二極體像素單元之一像素陣列來偵測低/中等及高強度照明。成像系統100可實施為互補金屬氧化物半導體(「CMOS」)影像感測器。如 圖 1中所圖解說明之實例中所展示，成像系統100包含耦合至控制電路108及讀出電路104 (其耦合至功能邏輯106)之像素陣列102。
像素陣列102之所圖解說明實施例係成像感測器或像素單元110 (例如，像素單元P1、P2、...、Pn)之一個二維(「2D」)陣列。在一項實例中，根據本發明之教示，每一像素單元包含可用於HDR成像之嵌入式***二極體。如所圖解說明，每一像素單元110配置至一列( 例如，列R1至Ry)及一行( 例如，行C1至Cx)中以獲取一人、地方或物件等之影像資料，然後可使用該影像資料來再現該人、地方或物件等之一影像。如下文將更詳細闡述，根據本發明之教示，每一像素單元110 ( 例如，像素單元P1、P2、…、Pn)可包含一實質上對稱***二極體設計，其中一小光電二極體嵌入一大光電二極體中以提供HDR成像。
在一項實例中，在每一像素單元110已獲取其影像資料或影像電荷之後，影像資料由讀出電路104透過讀出行位元線112而讀出且然後被傳送至功能邏輯106。在各種實施例中，讀出電路104可包含放大電路(未圖解說明)、包含類比轉數位轉換(ADC)電路之一行讀出電路或其他電路。功能邏輯106可僅儲存影像資料或甚至藉由應用影像後效應( 例如，裁剪、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)來操縱影像資料。在一項實例中，讀出電路104可沿著讀出行線一次讀出一列影像資料(所圖解說明)，或可使用多種其他技術來讀出影像資料(未圖解說明)，諸如一串列讀出或同時對所有像素之一全並列讀出。
在一項實例中，控制電路108耦合至像素陣列102以控制像素陣列102之操作特性。舉例而言，在一項實例中，控制電路108產生轉移閘極信號及其他控制信號以控制影像資料自像素陣列102之每一嵌入式***二極體像素單元110之大光電二極體及小光電二極體之傳送及讀出。另外，控制電路108可產生一快門信號來控制影像獲取。在一項實例中，該快門信號係用於同時啟用像素陣列102內之所有像素以在一單個獲取窗期間同時擷取其各別影像資料之一全域快門信號。在另一實例中，快門信號係一滾動快門信號，使得在連續獲取窗期間依序啟用每一像素列、每一像素行或每一像素群組。快門信號亦可確立一曝光時間，該曝光時間係快門保持打開之時間長度。在一項實施例中，針對訊框中之每一者，曝光時間設定為相同的。
圖 2係根據本發明之教示之具有一嵌入式***二極體設計之一實例性像素單元210之一說明性示意圖。應瞭解， 圖 2之像素單元210可為 圖 1之一像素單元110之一實例，且下文所提及之類似地命名及編號之元件可類似於如上文所闡述而耦合及起作用。像素單元210之所圖解說明實例包含一第一光電二極體214及一第二光電二極體216。在一項實例中，第一光電二極體214及第二光電二極體216係***二極體，且第一光電二極體214係嵌入第二光電二極體216中之一小光電二極體(SPD)，第二光電二極體216係一大光電二極體(LPD)。在操作中，第一光電二極體SPD 214與第二光電二極體LPD 216經耦合以回應於入射光而光生影像電荷。較小之第一光電二極體SPD 214可用於感測明亮或高強度光條件，而較大之第二光電二極體LPD 216可用於感測較暗淡之低至中等強度光條件，以提供一高動態範圍(HDR)影像之影像資料。
像素單元210亦包含耦合於第一光電二極體SPD 214與第二光電二極體LPD 216之間的一第一轉移閘極218及耦合於第二光電二極體LPD 216與浮動擴散部FD 222之間的一第二轉移閘極220。第一轉移閘極218經耦合以回應於一第一轉移閘極信號TX1而將影像電荷自第一光電二極體SPD 214轉移至第二光電二極體LPD 216。第二轉移閘極220經耦合以回應於一第二轉移閘極信號TX2而將影像電荷自第一光電二極體SPD 214轉移至第二光電二極體LPD 216。一重設電晶體228耦合至浮動擴散部FD 222以回應於一重設信號RST而重設像素單元210 ( 例如，將第一光電二極體SPD 214及第二光電二極體LPD 216以及浮動擴散部FD 222放電或充電至一預設電壓)。一放大器電晶體224之閘極端子耦合至浮動擴散部以回應於浮動擴散部FD 222中之影像電荷而產生一影像資料信號。在所圖解說明實例中，放大器電晶體224經耦合為一耦合源極隨耦器(SF)之電晶體。一列選擇電晶體226耦合至放大器電晶體SF 224以回應於一列選擇信號RS而將影像資料信號輸出至一輸出位元線212，該輸出位元線耦合至讀出電路，諸如 圖 1之讀出電路104。
在另一實施例中，一雙浮動擴散電晶體230可視情況耦合於浮動擴散部FD 222與重設電晶體228之間，且亦可視情況包含一電容器C 232並將電容器C 232耦合至雙浮動擴散電晶體230。在操作中，雙浮動擴散電晶體230經調適以回應於一雙浮動擴散信號DFD而將電容器C 232耦合至浮動擴散部FD 222以為像素單元210提供額外動態範圍能力(若需要)。然而，在另一實施例中，應瞭解，若第一光電二極體SPD 214之全井容量(FWC)藉助相應地調整光電二極體摻雜劑分佈而充分大，則可免除雙浮動擴散電晶體230及電容器C 232。
圖 3係根據本發明之教示之一實例性嵌入式***二極體像素單元310之一部分之一佈局視圖或俯視圖。應瞭解， 圖 3之像素單元310可為 圖 2之像素單元210之一實例或 圖 1之像素單元110之一實例，且下文所提及之類似地命名及編號之元件可類似於如上文所闡述而耦合及起作用。如 圖 3中所繪示之實例中所展示，像素單元310包含安置於半導體材料338中之一第一光電二極體SPD 314及一第二光電二極體LPD 316。在操作中，第一光電二極體SPD 314係一小光電二極體，且第二光電二極體LPD 316係一大光電二極體，且兩者經調適以回應於入射光而光生影像。在一項實例中，第一光電二極體SPD 314及一第二光電二極體LPD 316係n型釘紮光電二極體(NPPD)。如所圖解說明實例中所展示，第二光電二極體LPD 316包含一第一子區域NPPD 316A及一第二子區域虛擬相位(VP) NPPD 316B，兩者具有不同摻雜分佈且下文將更詳細闡述。在操作中，第一光電二極體SPD 314係一小光電二極體，且第二光電二極體LPD 316係一大光電二極體，且兩者經調適以回應於入射光而光生影像電荷( 例如，展示為電荷e -336A、336B及336C)。
如所繪示實例中所圖解說明，第一光電二極體SPD 314嵌入或形成於第二光電二極體LPD 316內。第一光電二極體SPD 314及第二光電二極體LPD 316實質上圍繞第一光電二極體SPD 314之中心對稱，使得第二光電二極體LPD 316係一外光電二極體且第一光電二極體SPD 314係居中位於外光電二極體內之一內光電二極體。因此，第二光電二極體LPD 316在半導體材料338中橫向環繞第一光電二極體SPD 314，使得第二光電二極體LPD 316在半導體材料338中具有接近第一光電二極體SPD 314之一外周界之一內周界。如所展示，像素單元310之嵌入式設計實現了與其他不對稱***二極體佈局相比空間更高效之一對稱緊湊佈局。實際上，在一項實例中，像素單元310之間距為約0.9 µm，且嵌入式第一光電二極體SPD 314之間距小於約0.3 µm。
一浮動擴散部FD 322安置於半導體材料338中，接近第二光電二極體316之一外周界。一第一轉移閘極TX1 318接近半導體材料338而安置於介於第一光電二極體SPD 314與第二光電二極體LPD 316之間的一第一通道區域(未展示)上方。在操作中，第一轉移閘極TX1 318經耦合以回應於一第一轉移閘極信號而將影像電荷( 例如，電荷336A)自第一光電二極體SPD 314轉移至第二光電二極體LPD 316。一第二轉移閘極TX2 320接近半導體材料338而安置於介於第二光電二極體LPD 316與浮動擴散部FD 322之間的一第二通道區域(未展示)上方。第二轉移閘極TX2 320經耦合以回應於一第二轉移閘極信號而將影像電荷( 例如，電荷336C)自第二光電二極體LPD 316轉移至浮動擴散部FD 322。
如 圖 3中所繪示之實例中所圖解說明，像素單元310亦包含一淺溝渠隔離(STI)區域334，該STI區域安置於半導體材料338中介於第一光電二極體SPD 314與第二光電二極體LPD 316之間，以將第一光電二極體SPD 314與第二光電二極體LPD 316彼此隔離。當然應瞭解，在轉移閘極TX1 318及TX2 320下方不存在STI區域334以便允許影像電荷336A自第一光電二極體SPD 314轉移至第二光電二極體LPD 316以及影像電荷336C自第二光電二極體LPD 316轉移至浮動擴散部FD 322。如下文進一步論述，第一光電二極體SPD 314與第二光電二極體LPD 316可進一步用安置於半導體材料338中環繞第一光電二極體SPD 314及第二光電二極體LPD 316之p井( 圖 3中不可見)來隔離。
圖 3亦圖解說明：在一項實例中，第二光電二極體LPD 316在第二光電二極體LPD 316之與第一轉移閘極TX1 318及第二轉移閘極TX2 320橫向相對之一側上之一區域中包含一間隙334，使得第二光電二極體LPD 316中之一摻雜劑濃度遠離第一轉移閘極TX1 318及第二轉移閘極TX2 320朝向間隙334而減小。特定而言，在製造處理期間，第二光電二極體LPD 316中之摻雜劑在熱處理步驟期間將自毗鄰經植入區域朝向間隙334而擴散以覆蓋該間隙。因此，摻雜劑濃度在第二光電二極體LPD 316之接近距第一轉移閘極TX1 318及第二轉移閘極TX2 320最遠之間隙334之區域中可進一步減小。
如所繪示實例中所展示，間隙334自第二光電二極體LPD 316之輸出周界朝向第二光電二極體LPD 316之內周界橫向延伸。換言之，如 圖 3中之實例中所展示，間隙334在第二光電二極體LPD 316之與第一轉移閘極TX1 318及第二轉移閘極TX2 320相對之外周界上形成一部分凹口。應瞭解，在另一實例中，間隙334可自第二光電二極體LPD 316之外周界完全地延伸至第二光電二極體LPD 316之內周界，此在 圖 3中藉助間隙334之虛線區域被完全地移除而指示。
如先前所提及，第一光電二極體SPD 314及第二光電二極體LPD 316係n型釘紮光電二極體(NPPD)。第一光電二極體SPD 314及第二光電二極體LPD 316以接近半導體材料338之一前側表面之較淺NPPD植入區域以及在 圖 3中可見之較淺NPPD植入區域下方之位於半導體材料338中之深NPPD (DNPPD)植入區域( 圖 3中不可見)實施。另外，第二光電二極體LPD 316之較淺NPPD植入區域以第一子區域NPPD 316A及第二子區域VP NPPD 316B實施。如所繪示實例中所展示，間隙334安置於第一子區域NPPD 316A中，且第一轉移閘極TX1 318及第二轉移閘極TX2 320接近第二子區域VP NPPD 316B而安置。
在一項實例中，第二子區域VP NPPD 316B具有比第一子區域NPPD 316A高之一摻雜劑濃度。第一子區域NPPD 316A與第二子區域VP NPPD 316B之間的不同摻雜劑濃度促成第二光電二極體LPD 316中之一電場梯度，該電場梯度朝向第一轉移閘極TX1 318及第二轉移閘極TX2 320而驅動電荷載子( 例如，電荷336B)，從而減小像素單元310之滯後問題。實際上，如 圖 3中所圖解說明，由於第一子區域NPPD 316A與第二子區域VP NPPD 316B之間所產生之電場梯度，因此電子(e -)電荷載子336B在第二光電二極體LPD 316中自第一子區域 NPPD 316A朝向第二子區域VP NPPD 316B、朝向第一轉移閘極TX1 318及第二轉移閘極TX2 320被驅動。在第一光電二極體SPD 314中，NPPD植入濃度係均勻的，但可不同於第二光電二極體LPD 316之NPPD及VP NPPD植入濃度分佈。
圖 4係根據本發明之教示之沿著 圖 3中所圖解說明之實例性嵌入式***二極體像素單元310之虛線A-A’之一實例性像素單元410之一部分之一切口之一剖面圖或側視圖。因此，應瞭解， 圖 4之像素單元410可為 圖 3之像素單元310之一實例、或 圖 2之像素單元210之一實例、或 圖 1之像素單元110之一實例，且下文所提及之類似地命名及編號之元件可類似於如上文所闡述而耦合及起作用。如 圖 4中所繪示之實例中所展示，像素單元410包含安置於半導體材料438中之一第一光電二極體SPD 414及一第二光電二極體LPD 416。如所圖解說明實例中所展示，入射光452穿過半導體材料438之一背側454被引導至第一光電二極體SPD 414，且入射光450穿過背側454被引導至第二光電二極體。在操作中，第一光電二極體SPD 414係一小光電二極體，且第二光電二極體LPD 416係一大光電二極體，且兩者經調適以回應於入射光而光生影像。
在 圖 4中所繪示之實例中，第一光電二極體SPD 414係一n型釘紮光電二極體(NPPD)，該NPPD包含位於半導體材料438中之接近半導體材料438之前側456之一淺區域NPPD 414A。第一光電二極體SPD 414亦包含位於半導體材料438中之在淺區域NPPD 414A下方且介於第一光電二極體SPD 414之淺區域NPPD 414A與半導體材料438之背側454之間的一深NPPD區域(DNPPD) 414B。
在實例中，第二光電二極體LPD 416係一外光電二極體，且第一光電二極體SPD 414係一內光電二極體，使得第二光電二極體LPD 416在半導體材料438中橫向環繞第一光電二極體SPD 414，且使得第二光電二極體LPD 416在半導體材料438中具有接近第一光電二極體SPD 414之一外周界之一內周界。
一浮動擴散部FD 422安置於半導體材料438中，接近第二光電二極體LPD 416之一外周界。一第一轉移閘極TX1 418接近半導體材料438之前側456而安置於介於第一光電二極體SPD 414與第二光電二極體LPD 416之間的一第一通道區域460上方。第一轉移閘極TX1 418經耦合以透過第一通道區域460將影像電荷自第一光電二極體SPD 414轉移至第二光電二極體LPD 416。一第二轉移閘極TX2 420接近半導體材料438之前側456而安置於介於第二光電二極體LPD 416與浮動擴散部FD 422之間的一第二通道區域462上方。第二轉移閘極TX2 420經耦合以將影像電荷自第二光電二極體LPD 416轉移至浮動擴散部FD 422。在一項實例中，一薄閘極氧化物層448安置於第一轉移閘極TX1 418及第二轉移閘極TX2 420與半導體材料438之前側456之間。
第二光電二極體LPD 416亦係一n型釘紮光電二極體(NPPD)，且包含位於半導體材料438中之接近半導體材料438之前側456之一第一淺子區域NPPD 416A。在實例中，第一淺子區域NPPD 416A對應於 圖 3中之第一淺子區域NPPD 316A，且因此接近間隙334。 圖 4中之第二光電二極體LPD 416亦包含位於半導體材料438中之接近第一轉移閘極TX1 418及第二轉移閘極TX2 420且接近半導體材料438之前側456之一第二淺子區域VP NPPD 416B。第二光電二極體LPD 416亦包含位於半導體材料438中之在第二光電二極體LPD 416之第一淺子區域NPPD 416A及第二淺子區域VP NPPD 416B下方且介於第一淺子區域NPPD 416A及第二淺子區域VP NPPD 416B與半導體材料438之背側454之間的一深NPPD區域DNPPD 416C。注意，在 圖 4中，半導體材料438中似乎存在兩個深區域DNPPD 416C。然而，應瞭解，此等係同一區域，此乃因由於該區域環繞第一光電二極體SPD 414，因而剖面與同一區域相交兩次，如在 圖 3中用虛線A-A’圖解說明。
在 圖 4中所展示之實例中，第二光電二極體LPD 416之第二淺子區域VP NPPD 416B包含一虛擬相位植入，使得第二光電二極體LPD 416之第二淺子區域VP NPPD 416B具有比第二光電二極體LPD 416之第一淺子區域NPPD 416A高之一摻雜劑濃度，從而促成第二光電二極體LPD 416中之電場梯度，該電場梯度將電子自第一淺子區域NPPD 416A朝向第一轉移閘極TX1 418及第二轉移閘極TX2 420驅動至第二光電二極體LPD 416之第二淺子區域VP NPPD 416B中。
如所繪示實例中所展示，像素單元410亦包含一p井(PW)區域444，該PW區域安置於半導體材料438中圍繞第一光電二極體SPD 414介於第一光電二極體SPD 414與第二光電二極體LPD 416之間，以將第一光電二極體與第二光電二極體彼此隔離。另外，一第二p井區域445安置於半導體材料438中環繞第二光電二極體LPD 416，以隔離第二光電二極體LPD 416。像素單元410亦包含一淺溝渠隔離(STI)區域442，該STI區域安置於半導體材料438中接近前側456介於第一光電二極體SPD 414與第二光電二極體LPD 416之間，以將第一光電二極體SPD 414與第二光電二極體LPD 416彼此隔離。另外，像素單元410進一步包含背側深溝渠隔離(BDTI)結構440，該等BDTI結構安置於半導體材料438中自半導體材料438之背側454朝向半導體材料438之一前側456延伸，以將第一光電二極體SPD 414與第二光電二極體LPD 416隔離。
圖 4中所圖解說明之實例性像素單元410亦展示：一微透鏡446安置於半導體材料438之背側454上方且在像素單元410之第一光電二極體SPD 414及第二光電二極體LPD 416上方居中。在一項實例中，微透鏡446具有一彎曲馬鞍形剖面，該剖面包含一較薄內區域，在 圖 4中標示為SPD區域，該區域在第一光電二極體SPD 414上方對準，使得通過較薄內SPD區域之入射光452自微透鏡446被引導穿過半導體材料438之背側454且進入至第一光電二極體SPD 414中。微透鏡446之馬鞍形剖面亦包含一較厚外區域，在 圖 4中標示為LPD區域，該區域環繞較薄內SPD區域且在第二光電二極體LPD 416上方對準，使得通過較厚外LPD區域之入射光450由微透鏡446聚焦穿過半導體材料438之背側454且進入至第二光電二極體LPD 416中。應瞭解，將進入微透鏡446之彎曲LPD區域之入射光450重定向或聚焦至第二光電二極體416中有助於減小或消除否則將由進入像素陣列之一相鄰像素單元之入射光450/452中之任一者造成之不希望串擾。
圖 5A-5C展示根據本發明之教示之用以製造一實例性微透鏡546之一實例性製程之剖面圖。應瞭解， 圖 5A-5C之微透鏡446可為 圖 4之像素單元410中、或 圖 3之像素單元310之實例中、或 圖 2之像素單元210之實例中、或 圖 1之像素單元110之實例中所包含之微透鏡446之一實例，且下文所提及之類似地命名及編號之元件可類似於如上文所闡述而耦合及起作用。
如 圖 5A中所繪示之實例中所展示，微透鏡546最初係一微透鏡材料層，諸如，舉例而言，適合用作一微透鏡之一聚合物層或其他材料。
圖 5B展示：然後在微透鏡材料層之中心中形成、蝕刻或以其他方式薄化微透鏡546之一內區域(其標示為SPD區域)。在經薄化中心SPD區域外部之外區域保持較厚且界定微透鏡546之LPD區域。
圖 5C展示：然後使微透鏡546之微透鏡材料熱回流，此致使微透鏡546之形狀發生彎曲，從而產生微透鏡546之馬鞍形剖面。因此，外LPD區域如所展示為較厚且彎曲的，且環繞較薄內SPD區域。如所論述，微透鏡546如先前在 圖 1-4中所闡述在一像素單元上方對準，使得較厚外LPD區域在LPD光電二極體上方對準，且較薄SPD區域在下伏像素單元之SPD光電二極體上方居中且對準。通過微透鏡546之較厚外LPD區域之入射光被聚焦至下伏LPD光電二極體中，且通過微透鏡546之SPD區域之入射光被引導至下伏像素單元之SPD光電二極體中。
圖 6係根據本發明之教示之圖解說明一實例性嵌入式***二極體像素單元中之信號之一時序圖660。應瞭解， 圖 6中所闡述之信號可為 圖 4之實例性像素單元410、或 圖 3之像素單元310之實例、或 圖 2之像素單元210之實例、或 圖 1之像素單元110之實例中所包含之信號，且下文所提及之類似地命名及編號之元件可類似於如上文所闡述而耦合及起作用。舉例而言，如 圖 2中所展示，像素單元210包含一AVDD電壓供應器信號258、經耦合以控制重設電晶體228之一重設信號RST、經耦合以控制第一轉移閘極218之一第一轉移閘極信號TX1及經耦合以控制第二轉移閘極220之一第二轉移閘極信號TX2。對應地， 圖 6展示一AVDD電壓供應器信號658、一重設信號628、一第一轉移閘極信號TX1 618及一第二轉移閘極信號TX2 620。
在時間T0處，AVDD電壓供應器信號658作用。在時間T1處，重設信號RST 628、第二轉移閘極控制信號TX2 620及第一轉移閘極控制信號TX1 618全部同時接通。在時間T2處，重設信號RST 628、第二轉移閘極控制信號TX2 620及第一轉移閘極控制信號TX1 618全部同時關斷。因此，第一轉移閘極、第二轉移閘極及重設電晶體全部經調適成被接通，且然後在入射光積分於第一SPD光電二極體及第二LPD光電二極體中之前被同時關斷，以重設浮動擴散部以及第一光電二極體及第二光電二極體。
在操作中，在像素於時間T1與T2之間已重設之後，積分在時間T2與T5之間發生於LPD光電二極體中，且積分在時間T2與T9之間發生於SPD光電二極體中。然而，在於時間T5與T6之間開始讀出LPD光電二極體之前，浮動擴散部FD在時間T3與T4之間可被重設，其中重設信號RST 628在時間T3處接通且在時間T4處關斷。然後，在時間T5處，第二轉移閘極控制信號TX2 620接通，從而允許LPD光電二極體中光生之影像電荷在時間T5與時間T6之間轉移至浮動擴散部，以進行較低強度入射光自LPD光電二極體之一高轉換增益(HCG)讀出。然後在時間T6處關斷第二轉移閘極控制信號TX2 620。
在於時間T9與T10之間讀出SPD光電二極體之前，浮動擴散部FD及LPD光電二極體在時間T7與T8之間可被重設，其中重設信號RST 628及第二轉移閘極信號TX2 620在時間T7處接通且重設信號RST 628在時間T8處關斷。第二轉移閘極控制信號TX2 620在時間T8處保持接通，且然後在時間T9處，第一轉移閘極信號TX1 618亦接通，使得第一轉移閘極TX1及第二轉移閘極TX2兩者同時接通，從而允許SPD光電二極體中之影像電荷透過第一轉移閘極TX1被轉移至LPD光電二極體，且然後透過第二轉移閘極TX2 (其在時間T9處保持接通)被轉移至浮動擴散部FD，以進行較高強度入射光自SPD光電二極體之一低轉換增益(LCG)讀出。然後在時間T10處，LPD光電二極體及SPD光電二極體兩者均已被讀出，且第一轉移閘極控制信號TX1 618及第二轉移閘極控制信號TX2 620被關斷。
包含發明摘要中所闡述內容之本發明之所圖解說明實例之以上說明並非意欲為窮盡性的或將本發明限制於所揭示之精確形式。儘管出於說明性目的而在本文中闡述了本發明之特定實例，但如熟習此項技術者將認識到，可在本發明之範疇內做出各種修改。
可鑒於以上詳細說明對本發明做出此等修改。隨附申請專利範圍中所使用之術語不應理解為將本發明限制於本說明書中所揭示之特定實例。而是，本發明之範疇將完全由隨附申請專利範圍來決定，申請專利範圍將根據申請專利範圍解釋之既定原則來加以理解。
100              實例性高動態範圍(HDR)系統/成像系統 102              像素陣列 104              讀出電路 106              功能邏輯 108              控制電路 110              像素單元/嵌入式***二極體像素單元 112              讀出行位元線 210              實例性像素單元/像素單元 212              輸出位元線 214              第一光電二極體/第一光電二極體SPD/較小之第一光電二極體SPD 216              第二光電二極體/第二光電二極體LPD/較大之第二光電二極體LPD 218              第一轉移閘極 220              第二轉移閘極 222              浮動擴散部FD 224              放大器電晶體/放大器電晶體源極隨耦器(SF) 226              列選擇電晶體 228              重設電晶體 230              雙浮動擴散電晶體 232              電容器 258              電壓供應器信號 310              實例性嵌入式***二極體像素單元/像素單元 314              第一光電二極體SPD/嵌入式第一光電二極體SPD 316              第二光電二極體LPD/第二光電二極體 316A           第一子區域n型釘紮光電二極體(NPPD)/第一淺子區域NPPD 316B            第二子區域虛擬相位(VP) n型釘紮光電二極體(NPPD) 318              第一轉移閘極/轉移閘極 320              第二轉移閘極/轉移閘極 322              浮動擴散部FD 334              淺溝渠隔離(STI)區域/間隙 336A           電荷電子/電荷/影像電荷 336B            電荷電子/電荷/電子電荷載子 336C            電荷電子/電荷/影像電荷 338              半導體材料 410              實例性像素單元/像素單元 414              第一光電二極體SPD 414A           淺區域n型釘紮光電二極體(NPPD) 414B            深n型釘紮光電二極體區域(DNPPD) 416              第二光電二極體LPD/第二光電二極體 416A           第一淺子區域n型釘紮光電二極體(NPPD) 416B            第二淺子區域虛擬相位n型釘紮光電二極體(VP NPPD) 416C            深n型釘紮光電二極體區域DNPPD/深區域DNPPD 418              第一轉移閘極 420              第二轉移閘極 422              浮動擴散部FD 438              半導體材料 440              背側深溝渠隔離(BDTI)結構 442              淺溝渠隔離(STI)區域 444              p井(PW)區域 445              第二p井區域 446              微透鏡 448              薄閘極氧化物層 450              入射光 452              入射光 454              背側 456              前側 460              第一通道區域 462              第二通道區域 546              實例性微透鏡/微透鏡 618              第一轉移閘極信號/第一轉移閘極控制信號 620              第二轉移閘極信號/第二轉移閘極控制信號 628              重設信號 658              電壓供應器信號 660              時序圖 A-A’            虛線 AVDD         電壓供應器信號 C                 電容器 C1至Cx        行 DFD            雙浮動擴散信號 P1、P2、…、Pn      像素單元 R1至Ry        列 RS               列選擇信號 RST             重設信號 T0               時間 T1               時間 T2               時間 T3               時間 T4               時間 T5               時間 T6               時間 T7               時間 T8               時間 T9               時間 T10             時間 TX1             第一轉移閘極信號/第一轉移閘極/轉移閘極/第一轉移閘極控制信號 TX2             第二轉移閘極信號/第二轉移閘極/轉移閘極/第二轉移閘極控制信號
參考下圖闡述本發明之非限制性及非窮盡性實施例，其中除非另有規定，否則貫穿各個視圖，相似元件符號係指相似部件。
圖 1係根據本發明之教示之圖解說明一實例性高動態範圍(HDR)成像系統之一方塊圖，該HDR成像系統使用具有嵌入式***二極體像素單元之一像素陣列來偵測高強度照明。
圖 2係根據本發明之教示之具有嵌入式***二極體之一實例性像素單元之一說明性示意圖。
圖 3係根據本發明之教示之一實例性嵌入式***二極體像素單元之一佈局視圖。
圖 4係根據本發明之教示之一實例性嵌入式***二極體像素單元之一剖面圖。
圖 5A-5C展示根據本發明之教示之用以製造一嵌入式***二極體像素單元中所包含之一實例性微透鏡之一實例性製程之剖面圖。
圖 6係根據本發明之教示之圖解說明一實例性嵌入式***二極體像素單元中之信號之一時序圖。
貫穿圖式之數個視圖，對應參考字符指示對應組件。技術人員將瞭解，圖中之元件係為簡單及清晰起見而圖解說明，且未必按比例繪製。舉例而言，為幫助改良對本發明之各種實施例之理解，各圖中之元件中之某些元件之尺寸可能相對於其他元件而被放大。此外，通常不繪示在一商業上可行之實施例中有用或必需之常見而眾所周知之元件以便促進對本發明之此各種實施例之一較不受阻礙之觀看。
310        實例性嵌入式***二極體像素單元/像素單元 314        第一光電二極體SPD/嵌入式第一光電二極體SPD 316        第二光電二極體LPD/第二光電二極體 316A     第一子區域n型釘紮光電二極體(NPPD)/第一淺子區域NPPD 316B      第二子區域虛擬相位(VP) n型釘紮光電二極體(NPPD) 318        第一轉移閘極/轉移閘極 320        第二轉移閘極/轉移閘極 322        浮動擴散部FD 334        淺溝渠隔離(STI)區域/間隙 336A     電荷電子/電荷/影像電荷 336B      電荷電子/電荷/電子電荷載子 336C      電荷電子/電荷/影像電荷 338        半導體材料 A-A’      虛線 TX1       第一轉移閘極信號/第一轉移閘極/轉移閘極/第一轉移閘極控制信號 TX2       第二轉移閘極信號/第二轉移閘極/轉移閘極/第二轉移閘極控制信號

Claims (31)

  1. 一種像素單元，其包括： 一第一光電二極體，其安置於一半導體材料中； 一第二光電二極體，其安置於該半導體材料中，其中該第二光電二極體係一外光電二極體，且該第一光電二極體係一內光電二極體，使得該第二光電二極體在該半導體材料中橫向環繞該第一光電二極體，其中該第二光電二極體在該半導體材料中具有接近該第一光電二極體之一外周界之一內周界，其中該第一光電二極體及該第二光電二極體經調適以回應於入射光而光生影像電荷； 一浮動擴散部，其安置於該半導體材料中，接近該第二光電二極體之一外周界； 一第一轉移閘極，其接近該半導體材料而安置於介於該第一光電二極體與該第二光電二極體之間的一第一通道區域上方，其中該第一轉移閘極經耦合以將該影像電荷自該第一光電二極體轉移至該第二光電二極體；及 一第二轉移閘極，其接近該半導體材料而安置於介於該第二光電二極體與該浮動擴散部之間的一第二通道區域上方，其中該第二轉移閘極經耦合以將該影像電荷自該第二光電二極體轉移至該浮動擴散部。
  2. 如請求項1之像素單元，其進一步包括： 一第一p井區域，其安置於該半導體材料中介於該第一光電二極體與該第二光電二極體之間，以將該第一光電二極體與該第二光電二極體彼此隔離；及 一第二p井區域，其安置於該半導體材料中環繞該第二光電二極體，以隔離該第二光電二極體。
  3. 如請求項1之像素單元，其進一步包括一淺溝渠隔離(STI)區域，該STI區域安置於該半導體材料中介於該第一光電二極體與該第二光電二極體之間，以將該第一光電二極體與該第二光電二極體彼此隔離。
  4. 如請求項1之像素單元，其中該第二光電二極體在該第二光電二極體之與該第一轉移閘極及該第二轉移閘極橫向相對之一側上之一區域中包含一間隙，使得該第二光電二極體中之一摻雜劑濃度遠離該第一轉移閘極及該第二轉移閘極朝向該間隙而減小。
  5. 如請求項4之像素單元，其中該間隙自該第二光電二極體之輸出周界朝向該第二光電二極體之該內周界橫向延伸。
  6. 如請求項5之像素單元，其中該間隙自該第二光電二極體之該外周界完全地延伸至該第二光電二極體之該內周界。
  7. 如請求項1之像素單元，其中該入射光穿過該半導體材料之一背側被引導至該第一光電二極體及該第二光電二極體。
  8. 如請求項1之像素單元，其中該第一光電二極體係一n型釘紮光電二極體(NPPD)，該NPPD包括： 一淺區域，其位於該半導體材料中，接近該半導體材料之一前側；及 一深區域，其位於該半導體材料中在該淺區域下方且介於該第一光電二極體之該淺區域與該半導體材料之該背側之間，且 其中該第二光電二極體係一n型釘紮光電二極體(NPPD)，該NPPD包括： 一第一淺區域，其位於該半導體材料中，接近間隙且接近該半導體材料之該前側；及 一第二淺區域，其位於該半導體材料中，接近該第一轉移閘極及該第二轉移閘極且接近該半導體材料之該前側；及 一深區域，其位於該半導體材料中在該第二光電二極體之該第一淺區域及該第二淺區域下方且介於該第一淺區域及該第二淺區域與該半導體材料之該背側之間。
  9. 如請求項8之像素單元，其中該第二光電二極體之該第二淺區域包含一虛擬相位植入，使得該第二光電二極體之該第二淺區域具有比該第二光電二極體之該第一淺區域高之一摻雜劑濃度，從而促成該第二光電二極體中之一電場梯度，該電場梯度在該第二光電二極體中將電子朝向該第一轉移閘極及該第二轉移閘極而驅動。
  10. 如請求項7之像素單元，其進一步包括背側深溝渠隔離(BDTI)結構，該等BDTI結構安置於該半導體材料中自該半導體材料之該背側朝向該半導體材料之一前側延伸，以將該第一光電二極體與該第二光電二極體隔離。
  11. 如請求項7之像素單元，其進一步包括一微透鏡，該微透鏡安置於該半導體材料之該背側上方且在該第一光電二極體及該第二光電二極體上方居中，其中該微透鏡具有一馬鞍形剖面，該馬鞍形剖面包含： 一較薄內區域，其在該第一光電二極體上方對準，使得通過該較薄內區域之該入射光自該微透鏡被引導穿過該半導體材料之該背側進入至該第一光電二極體中；及 一較厚外區域，其環繞該較薄內區域且在該第二光電二極體上方對準，使得通過該較厚外區域之該入射光由該微透鏡聚焦穿過該半導體材料之該背側進入至該第二光電二極體中。
  12. 如請求項1之像素單元，其進一步包括： 一重設電晶體，其耦合至該浮動擴散部以回應於一重設信號而重設該像素單元； 一放大器電晶體，其具有耦合至該浮動擴散部之一閘極端子以回應於該浮動擴散部中之該影像電荷而產生一影像資料信號；及 一列選擇電晶體，其耦合至該放大器電晶體以回應於一列選擇信號而將該影像資料信號輸出至一輸出位元線。
  13. 如請求項12之像素單元，其進一步包括： 一雙浮動擴散電晶體，其耦合於該浮動擴散部與該重設電晶體之間；及 一電容器，其耦合至該雙浮動擴散電容器，其中該雙浮動擴散電晶體經調適以回應於一雙浮動擴散信號而將該電容器耦合至該浮動擴散部。
  14. 如請求項12之像素單元，其中該重設電晶體、該第一轉移閘極及該第二轉移閘極全部經調適成被接通，且然後在該入射光積分於該第一光電二極體及該第二光電二極體中之前被同時關斷，以重設該浮動擴散部以及該第一光電二極體及該第二光電二極體。
  15. 如請求項14之像素單元，其中該第二轉移閘極經調適成被接通，且然後在該入射光由該第二光電二極體積分之後被關斷，以讀出該第二光電二極體中光生之該影像電荷，以進行較低強度入射光自該第二光電二極體之一高轉換增益(HCG)讀出。
  16. 如請求項15之像素單元，其中該第一轉移閘極及該第二轉移閘極進一步經調適以在該較低強度入射光自該第二光電二極體之該HCG讀出之後且在該入射光由該第一光電二極體積分之後被同時接通，以將該第一光電二極體中光生之該影像電荷轉移至該第二光電二極體，及讀出自該第一光電二極體轉移至該第二光電二極體之該影像電荷，以進行較高強度入射光自該第一光電二極體之一低轉換增益(LCG)讀出。
  17. 如請求項15之像素單元，其中該重設電晶體進一步經調適成被接通以重設該浮動擴散部，之後接通該第二轉移閘極以進行該HCG讀出。
  18. 如請求項16之像素單元，其中該重設電晶體及該第二轉移閘極兩者進一步經調適以在該HCG讀出之後被同時接通，以在該HCG讀出之後且在該第一轉移閘極及該第二轉移閘極被同時接通之前重設該浮動擴散部及該第二光電二極體以進行該LCG讀出。
  19. 一種高動態範圍(HDR)成像系統，其包括： 像素單元之一像素陣列，其中該像素單元中之每一者包含： 一第一光電二極體，其安置於一半導體材料中； 一第二光電二極體，其安置於該半導體材料中，其中該第二光電二極體係一外光電二極體，且該第一光電二極體係一內光電二極體，使得該第二光電二極體在該半導體材料中橫向環繞該第一光電二極體，其中該第二光電二極體在該半導體材料中具有接近該第一光電二極體之一外周界之一內周界，其中該第一光電二極體及該第二光電二極體經調適以回應於入射光而光生影像電荷； 一浮動擴散部，其安置於該半導體材料中，接近該第二光電二極體之一外周界； 一第一轉移閘極，其接近該半導體材料而安置於介於該第一光電二極體與該第二光電二極體之間的一第一通道區域上方，其中該第一轉移閘極經耦合以將該影像電荷自該第一光電二極體轉移至該第二光電二極體；及 一第二轉移閘極，其接近該半導體材料而安置於介於該第二光電二極體與該浮動擴散部之間的一第二通道區域上方，其中該第二轉移閘極經耦合以將該影像電荷自該第二光電二極體轉移至該浮動擴散部； 一控制電路，其耦合至該像素陣列以控制該像素陣列之操作；及 一讀出電路，其耦合至該像素陣列以自複數個像素讀出影像資料。
  20. 如請求項19之HDR成像系統，其進一步包括耦合至該讀出電路以儲存來自該像素陣列之影像資料之功能邏輯。
  21. 如請求項19之HDR成像系統，其中每一像素單元進一步包括： 一第一p井區域，其安置於該半導體材料中介於該第一光電二極體與該第二光電二極體之間，以將該第一光電二極體與該第二光電二極體彼此隔離；及 一第二p井區域，其安置於該半導體材料中環繞該第二光電二極體，以隔離該第二光電二極體。
  22. 如請求項19之HDR成像系統，其中每一像素單元進一步包括一淺溝渠隔離(STI)區域，該STI區域安置於該半導體材料中介於該第一光電二極體與該第二光電二極體之間，以將該第一光電二極體與該第二光電二極體彼此隔離。
  23. 如請求項19之HDR成像系統，其中該第二光電二極體在該第二光電二極體之與該第一轉移閘極及該第二轉移閘極橫向相對之一側上之一區域中包含一間隙，使得該第二光電二極體中之一摻雜劑濃度遠離該第一轉移閘極及該第二轉移閘極朝向該間隙而減小。
  24. 如請求項23之HDR成像系統，其中該間隙自該第二光電二極體之輸出周界朝向該第二光電二極體之該內周界橫向延伸。
  25. 如請求項24之HDR成像系統，其中該間隙自該第二光電二極體之該外周界完全地延伸至該第二光電二極體之該內周界。
  26. 如請求項19之HDR成像系統，其中該入射光穿過該半導體材料之一背側被引導至該第一光電二極體及該第二光電二極體。
  27. 如請求項26之HDR成像系統，其中該第一光電二極體係一n型釘紮光電二極體(NPPD)，該NPPD包括： 一淺區域，其位於該半導體材料中，接近該半導體材料之一前側；及 一深區域，其位於該半導體材料中在該淺區域下方且介於該第一光電二極體之該淺區域與該半導體材料之該背側之間，且 其中該第二光電二極體係一n型釘紮光電二極體(NPPD)，該NPPD包括： 一第一淺區域，其位於該半導體材料中，接近間隙且接近該半導體材料之該前側；及 一第二淺區域，其位於該半導體材料中，接近該第一轉移閘極及該第二轉移閘極且接近該半導體材料之該前側；及 一深區域，其位於該半導體材料中在該第二光電二極體之該第一淺區域及該第二淺區域下方且介於該第一淺區域及該第二淺區域與該半導體材料之該背側之間。
  28. 如請求項27之HDR成像系統，其中該第二光電二極體之該第二淺區域包含一虛擬相位植入，使得該第二光電二極體之該第二淺區域具有比該第二光電二極體之該第一淺區域高之一摻雜劑濃度，從而促成該第二光電二極體中之一電場梯度，該電場梯度在該第二光電二極體中將電子朝向該第一轉移閘極及該第二轉移閘極而驅動。
  29. 如請求項26之HDR成像系統，其中每一像素單元進一步包括背側深溝渠隔離(BDTI)結構，該BDTI結構安置於該半導體材料中自該半導體材料之該背側朝向該半導體材料之一前側延伸，以將該第一光電二極體與該第二光電二極體隔離。
  30. 如請求項26之HDR成像系統，其中每一像素單元進一步包括一微透鏡，該微透鏡安置於該半導體材料之該背側上方且在該第一光電二極體及該第二光電二極體上方居中，其中該微透鏡具有一馬鞍形剖面，該馬鞍形剖面包含： 一較薄內區域，其在該第一光電二極體上方對準，使得通過該較薄內區域之該入射光自該微透鏡被引導穿過該半導體材料之該背側進入至該第一光電二極體中；及 一較厚外區域，其環繞該較薄內區域且在該第二光電二極體上方對準，使得通過該較厚外區域之該入射光由該微透鏡聚焦穿過該半導體材料之該背側進入至該第二光電二極體中。
  31. 如請求項19之HDR成像系統，其中每一像素單元進一步包括： 一重設電晶體，其耦合至該浮動擴散部以回應於一重設信號而重設該像素單元； 一放大器電晶體，其具有耦合至該浮動擴散部之一閘極端子以回應於該浮動擴散部中之該影像電荷而產生一影像資料信號；及 一列選擇電晶體，其耦合至該放大器電晶體以回應於一列選擇信號而將該影像資料信號輸出至耦合至該讀出電路之一輸出位元線。
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