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CN116325780B - 固态成像设备 - Google Patents

固态成像设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种固态成像设备，其中，多个单位像素沿行方向和列方向以矩阵的形式设置。所述固态成像设备包括通过第一工艺形成的第一像素到像素隔离区和通过与所述第一工艺不同的第二工艺形成的第二像素到像素隔离区。每个单位像素包括一个或多个光感测区域和一个或多个信号读出电路区域。每个光感测区域包括一个或多个光电二极管、一个或多个传输晶体管和浮动扩散的一部分。所述信号读出电路区域包括多个像素内晶体管。在每个单位像素中，所述浮动扩散和所述像素内晶体管由多个光电二极管和传输晶体管共用。每个光电二极管和每个传输晶体管设置在通过所述第一像素到像素隔离区和所述第二像素到像素隔离区来隔离的部分中。所述第一像素到像素隔离区和所述第二像素到像素隔离区的交叉区设置在与所述浮动扩散和所述像素内晶体管的沟道区不同的位置上。

Description

固态成像设备
技术领域
本申请涉及一种固态成像设备。
背景技术
固态成像设备可以用于将光信息转换为电信号。该固态成像设备包括以矩阵的形式设置的多个像素。为了隔离每个像素，可以提供像素到像素隔离区。
为了最小化像素大小，需要最小化像素到像素隔离区的间距。为此，还需要最小化光掩模的间距以形成像素到像素隔离区。但是，光掩模间距的最小化受到限制。
像素到像素隔离区可以通过两个工艺形成。也就是说，首先通过第一工艺形成第一像素到像素隔离区，然后通过第二工艺在偏移一半间距的位置上形成第二像素到像素隔离区。因此，像素到像素隔离区可以由光掩模的一半间距形成。
然而，在这些工艺中，在第一像素到像素隔离区和第二像素到像素隔离区的交叉区内植入剂量两次。这会影响设备的性能，并且会在输出图像上产生固定模式噪声。
发明内容
根据本申请的第一方面，提供了一种固态成像设备，其中，多个单位像素沿行方向和列方向以矩阵的形式设置。所述固态成像设备包括通过第一工艺形成的第一像素到像素隔离区和通过与所述第一工艺不同的第二工艺形成的第二像素到像素隔离区。每个单位像素包括一个或多个光感测区域和一个或多个信号读出电路区域。每个光感测区域包括一个或多个光电二极管、一个或多个传输晶体管和浮动扩散的一部分。所述信号读出电路区域包括多个像素内晶体管。在每个单位像素中，所述浮动扩散和所述像素内晶体管由多个光电二极管和传输晶体管共用。每个光电二极管和每个传输晶体管设置在通过所述第一像素到像素隔离区和所述第二像素到像素隔离区来隔离的部分中。所述第一像素到像素隔离区和所述第二像素到像素隔离区的交叉区设置在与所述浮动扩散和所述像素内晶体管的沟道区不同的位置上。
根据本申请的第二方面，所述信号读出电路区域包括一个或多个p阱电位区。所述多个像素内晶体管包括复位晶体管、源极跟随晶体管和行选择晶体管。一个或多个交叉区设置在与所述p阱电位区相同的位置上。
根据本申请的第三方面，所述信号读出电路区域沿行方向和列方向设置。
根据本申请的第四方面，所述信号读出电路区域设置在每个单位像素的边界上和所述光感测区域之间。
根据本申请的第五方面，提供了一种固态成像设备，其中，多个单位像素沿行方向和列方向以矩阵的形式设置。所述固态成像设备包括通过第一工艺形成的第一像素到像素隔离区和通过与所述第一工艺不同的第二工艺形成的第二像素到像素隔离区。每个单位像素包括一个或多个光感测区域和一个或多个信号读出电路区域。每个光感测区域包括一个或多个光电二极管、一个或多个传输晶体管和浮动扩散的一部分。所述信号读出电路区域包括多个像素内晶体管。在每个单位像素中，所述浮动扩散和所述像素内晶体管由多个光电二极管和传输晶体管共用。每个光电二极管和每个传输晶体管设置在通过所述第一像素到像素隔离区和所述第二像素到像素隔离区来隔离的部分中。所述第一像素到像素隔离区和所述第二像素到像素隔离区的交叉区设置在与所述浮动扩散不同的位置上。当所述交叉区与所述像素内晶体管的沟道区重叠时，所述重叠区的长度小于所述交叉区的一半长度。
附图说明
图1是成像系统的示例性框图。
图2是成像设备的示例性电路图。
图3示出了本申请第一实施例提供的固态成像设备的一个单位像素中的元件的布局。
图4示出了如何形成像素到像素隔离区。
图5示出了本申请第二实施例提供的固态成像设备的一个单位像素中的元件的布局。
图6示出了本申请第三实施例提供的固态成像设备的一个单位像素中的元件的布局。
图7示出了本申请第四实施例提供的固态成像设备的一个单位像素中的元件的布局。
图8示出了本申请第五实施例提供的固态成像设备的一个单位像素中的元件的布局。
图9示出了像素到像素隔离区的交叉区与像素内晶体管的沟道区重叠时产生的重叠区的容许长度。
图10A示出了截面AA'在成像设备的平面视图中的位置。
图10B示出了成像设备的截面视图。
图11是成像系统的另一示例性框图。
图12示出了相机系统的各种应用。
具体实施方式
在本申请提供的固态成像设备中，多个像素以矩阵的形式设置在衬底上。
图1是成像系统101的示例性框图。成像系统101包括像素阵列109、控制电路105、读出电路110和信号处理电路106。在像素阵列109中，多个像素以矩阵的形式设置在衬底上。控制电路105控制像素阵列109，读出电路110读出图像数据。信号处理电路106处理读出电路110读出的图像数据。
图2是成像设备的示例性电路图。该成像设备包括四个光电二极管PD1至PD4、四个传输晶体管TX1至TX4、浮动扩散FD、复位晶体管RST、源极跟随晶体管SF和行选择晶体管SEL。复位晶体管RST响应于复位信号而导通，并且使在浮动扩散FD中累积的电荷复位。光电二极管PD1至PD4通过光电转换产生与入射光量对应的电荷，并且累积产生的电荷。传输晶体管TX1至TX4中的一个传输晶体管响应于传输信号而导通，并且将在光电二极管PD1至PD4中的一个光电二极管中累积的电荷传输到浮动扩散FD。浮动扩散FD的电压由传输的电荷决定。该电压施加到源极跟随晶体管SF的栅极。源极跟随晶体管SF向行选择晶体管SEL发送与浮动扩散FD的电压对应的像素信号。行选择晶体管SEL响应于行选择信号而输出Vout作为像素信号。
图3示出了本申请第一实施例提供的固态成像设备的一个单位像素中的元件的布局。一个单位像素包括四个光感测区域和一个信号读出电路区域。例如，四个光感测区域包括两个绿光感测区域、一个蓝光感测区域和一个红光感测区域。每个光感测区域包括一个光电二极管PD、一个传输晶体管TX和浮动扩散FD的一部分。信号读出电路区域包括一个p阱电位区PW和三个像素内晶体管。如果光电二极管是n型，则隔离区和阱电位区应该是p型。如果光电二极管是p型，则隔离区和阱电位区应该是n型。三个像素内晶体管包括复位晶体管RST、源极跟随晶体管SF和行选择晶体管SEL。但是，信号读出电路区域中包括的元件的数量并不限于上述数量。
在一个单位像素中，四个光电二极管PD分别连接到四个传输晶体管TX。四个传输晶体管TX连接到浮动扩散FD。信号读出电路区域设置在光感测区域下方的单位像素的边界上。浮动扩散FD和信号读出电路由四个光电二极管PD和四个传输晶体管TX共用。
每个光感测区域通过像素到像素隔离区来隔离。像素到像素隔离区形成为网格形状，以便围绕每个光感测区域。像素到像素隔离区防止光感测区域中的信号电荷泄漏到相邻光感测区域内。当浮动扩散或像素内晶体管形成在光感测区域和相邻光感测区域之间时，像素到像素隔离区与这些元件重叠。像素到像素隔离区的深度比浮动扩散或像素内晶体管区的深度大。但是，当深像素到像素隔离区通过高能离子植入形成时，就会发生阱邻近效应，而且在硅表面附近形成高剂量区。
图4示出了如何形成像素到像素隔离区。像素到像素隔离区通过两个工艺形成。也就是说，首先通过第一工艺形成第一像素到像素隔离区(第一DPW)，然后通过第二工艺在对角线偏移一半掩模间距的位置上形成第二像素到像素隔离区(第二DPW)。因此，像素到像素隔离区可以由光掩模的一半间距形成。
在这些工艺中，在第一像素到像素隔离区和第二像素到像素隔离区的交叉区内植入剂量两次。这会影响浮动扩散和像素内晶体管的性能。
像素到像素隔离区的交叉区不放置在浮动扩散和像素内晶体管的沟道区上。交叉区可以放置在p阱电位区PW上。这样的设置将剂量对浮动扩散和像素内晶体管的性能的影响降至最低。因此，例如，抑制了源极跟随晶体管的Vth变化，减少了输出图像上的固定模式噪声，还减少了复位噪声和源极跟随晶体管的随机噪声，而且还减小了由于浮动扩散的接点泄漏引起的白色像素集群。
图5示出了本申请第二实施例提供的固态成像设备的一个单位像素中的元件的布局。在第二实施例中，信号读出电路区域设置在光感测区域下方和光感测区域右侧的单位像素的边界上。信号读出电路区域包括一个p阱电位区PW和四个像素内晶体管。四个像素内晶体管包括双转换增益晶体管DCG、复位晶体管RST、源极跟随晶体管SF和行选择晶体管SEL。可以设置另一复位晶体管RST，而不是设置双转换增益晶体管DCG。双转换增益晶体管DCG和复位晶体管RST设置在光感测区域右侧的单位像素的边界上。该构造的其余部分与第一实施例的相同。
图6示出了本申请第三实施例提供的固态成像设备的一个单位像素中的元件的布局。在第三实施例中，信号读出电路区域设置在光感测区域下方和光感测区域右侧的单位像素的边界上。信号读出电路区域包括一个p阱电位区PW和三个像素内晶体管。三个像素内晶体管包括复位晶体管RST、源极跟随晶体管SF和行选择晶体管SEL。p阱电位区PW设置在光感测区域右侧的单位像素的边界上。该构造的其余部分与第一实施例的相同。
图7示出了本申请第四实施例提供的固态成像设备的一个单位像素中的元件的布局。一个单位像素包括八个光感测区域和两个信号读出电路区域。例如，八个光感测区域包括四个绿光感测区域、两个蓝光感测区域和两个红光感测区域。每个光感测区域包括一个光电二极管PD、一个传输晶体管TX和浮动扩散FD的一部分。两个信号读出电路区域设置在上方四个光感测区域和下方四个光感测区域之间，并且设置在光感测区域下方的单位像素的边界上。光感测区域之间的信号读出电路区域包括一个p阱电位区PW和两个像素内晶体管。这两个像素内晶体管包括行选择晶体管SEL和源极跟随晶体管SF。光感测区域下方的信号读出电路区域还包括一个p阱电位区PW和两个像素内晶体管。这两个像素内晶体管包括双转换增益晶体管DCG和复位晶体管RST。可以设置另一复位晶体管RST，而不是设置双转换增益晶体管DCG。
在一个单位像素中，八个光电二极管PD分别连接到八个传输晶体管TX。八个传输晶体管TX连接到浮动扩散FD。浮动扩散FD和信号读出电路由八个光电二极管PD和八个传输晶体管TX共用。
图8示出了本申请第五实施例提供的固态成像设备的一个单位像素中的元件的布局。在第五实施例中，两个p阱电位区PW设置在光感测区域右侧的单位像素的边界上。该构造的其余部分与第四实施例的相同。
图9示出了像素到像素隔离区的交叉区与像素内晶体管的沟道区重叠时产生的重叠区的容许长度。也就是说，A≦B/2是容许的，其中，B是交叉区的长度，A是交叉区与像素内晶体管的沟道区重叠时产生的重叠区的长度。这样的设置减少了交叉区对像素内晶体管的影响。
图10A示出了截面AA'在成像设备的平面视图中的位置，图10B示出了成像设备的截面视图。参考图10B，执行后道(back end of line，BEOL)工艺，因此形成金属互连316。换句话说，形成厚绝缘薄膜，形成接触孔，沉积金属膜并图案化。然后，放置在衬底上的成像设备通过铜铜键合等键合或其它硅片间连接，连接到放置在另一衬底上的逻辑电路312。
于是，形成深沟槽隔离(deep trench isolation，DTI)304，以减少光电二极管308之间的串扰。彩色滤光片305设置在与光电二极管308对应的位置上的一层内。微透镜306设置在与光电二极管308对应的位置上。例如，光电二极管308的大小可以不同，光电二极管308可以在图10B的水平方向上交错设置。在图10B，301是浮动扩散，302是第一DPW，303是第二DPW，307是阱接触，308是隔离STI或掺杂隔离，314是传输栅极晶体管。
图11是成像系统201的另一示例性框图。成像系统201包括光学系统202(例如，一个或多个透镜)、快门器件203、固态图像传感器204、控制电路205、信号处理电路206、显示器207和存储器208。固态图像传感器204包括，例如，图1中的像素阵列109和读出电路110，在控制电路205的控制下，通过透镜202和快门器件203获取被摄体的图像数据。信号处理电路206将获取到的图像数据输出到显示器207或将图像数据存储在存储器208中。图11中的控制电路205和信号处理电路206分别对应于图1中的控制电路105和信号处理电路106。
图12示出了相机系统的各种应用。本申请实施例提供的成像设备可以应用于，例如，手机摄像头、数码相机、网络摄像头、安全监控摄像头、视频摄像机、汽车和交通摄像头、医疗摄像头和机器视觉。

Claims (5)

1.一种固态成像设备，其特征在于，多个单位像素沿行方向和列方向以矩阵的形式设置；
所述固态成像设备包括通过第一工艺形成的第一像素到像素隔离区和通过与所述第一工艺不同的第二工艺形成的第二像素到像素隔离区；
每个单位像素包括一个或多个光感测区域和一个或多个信号读出电路区域；
每个光感测区域包括一个或多个光电二极管、一个或多个传输晶体管和浮动扩散的一部分；
所述信号读出电路区域包括多个像素内晶体管；
在每个单位像素中，所述浮动扩散和所述像素内晶体管由多个光电二极管和传输晶体管共用；
每个光电二极管和每个传输晶体管设置在通过所述第一像素到像素隔离区和所述第二像素到像素隔离区来隔离的部分中；
所述第一像素到像素隔离区和所述第二像素到像素隔离区的交叉区设置在与所述浮动扩散和所述像素内晶体管的沟道区不同的位置上。
2.根据权利要求1所述的固态成像设备，其特征在于，所述信号读出电路区域包括一个或多个p阱电位区；
所述多个像素内晶体管包括复位晶体管、源极跟随晶体管和行选择晶体管；
一个或多个交叉区设置在与所述p阱电位区相同的位置上。
3.根据权利要求2所述的固态成像设备，其特征在于，所述信号读出电路区域沿行方向和列方向设置。
4.根据权利要求2所述的固态成像设备，其特征在于，所述信号读出电路区域设置在每个单位像素的边界上和所述光感测区域之间。
5.一种固态成像设备，其特征在于，多个单位像素沿行方向和列方向以矩阵的形式设置；
所述固态成像设备包括通过第一工艺形成的第一像素到像素隔离区和通过与所述第一工艺不同的第二工艺形成的第二像素到像素隔离区；
每个单位像素包括一个或多个光感测区域和一个或多个信号读出电路区域；
每个光感测区域包括一个或多个光电二极管、一个或多个传输晶体管和浮动扩散的一部分；
所述信号读出电路区域包括多个像素内晶体管；
在每个单位像素中，所述浮动扩散和所述像素内晶体管由多个光电二极管和传输晶体管共用；
每个光电二极管和每个传输晶体管设置在通过所述第一像素到像素隔离区和所述第二像素到像素隔离区来隔离的部分中；
所述第一像素到像素隔离区和所述第二像素到像素隔离区的交叉区设置在与所述浮动扩散不同的位置上；
当所述交叉区与所述像素内晶体管的沟道区重叠时，重叠区的长度小于所述交叉区的一半长度。
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