[发明专利]像素、相关联的图像传感器和方法

说明书

一种像素包括半导体衬底、光电二极管区域、浮动扩散区域和介电层。衬底具有形成沟槽的顶表面，沟槽由介电层做衬里，并且具有相对于顶表面的平面区域的沟槽深度。光电二极管区域在衬底中，并且包括在沟槽下方的底部光电二极管部分和与沟槽相邻的顶部光电二极管部分，顶部光电二极管部分邻接底部光电二极管部分，并且朝向平面区域延伸到小于沟槽深度的光电二极管深度。浮动扩散区域与沟槽相邻，并且具有小于沟槽深度的结深度。介电层的顶部区域在平面区域和结深度之间。介电层的底部区域在光电二极管深度和沟槽深度之间，并且比顶部区域厚。

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种像素、相关联的图像传感器及其制造方法。

背景技术

在诸如独立数码相机、移动设备、汽车部件和医疗设备的商业产品中的相机模块包括图像传感器及其像素阵列。像素阵列包括多个像素。像素阵列的像素密度是图像传感器上每单位面积的像素的数量。在操作中，相机模块的透镜在图像传感器上形成其视场中的对象的图像。对象可以被观察为入射到相机上的多个无限小的照明点源-“脉冲”。透镜将多个脉冲中的每个在像素阵列的平面处成像为多个点扩展函数-“脉冲响应”中的相应一个。由图像传感器捕获的图像的分辨率部分地取决于与脉冲响应的大小相比的像素大小。因此，一种增加相机的最大可达到的分辨率的方法是通过减小像素大小来增加像素密度。减小像素大小的动机已经导致具有垂直转移栅的像素的发展。

多个像素中的每个像素包括光电二极管区域、浮动扩散区域和转移栅。转移栅控制从光电二极管区域到浮动扩散区域的电流流动，并且可包括场效应晶体管。光电二极管区域的电势超过浮动扩散区域的电势。到达光电二极管区域的光生成光电子。导通转移栅形成导电沟道，导电沟道允许积累的光电子从光电二极管区域转移或流动到浮动扩散区域。当转移栅被脉冲到关断状态时，势垒高于光电二极管区域的势垒，因此防止光电子流向浮动扩散区域。

在一个常见的像素架构中，光电二极管和浮动扩散区域在像素内在平行于像素阵列的平面的横向方向上横向移位，其中转移栅在其间。此平面相对于与其垂直的垂直方向水平定向，垂直方向限定了到达像素阵列的正入射的方向。这种水平定向限制了像素密度可以被减小多少。因此，一种增加像素密度的方法是将光电二极管、转移栅和浮动扩散定向在具有垂直分量的方向上。这种转移栅是垂直转移栅的示例。

发明内容

具有垂直转移栅的像素的问题包括电子传输延迟和电子反向散射。本文公开的实施例改善了这些问题。

在第一方面，像素包括半导体衬底、光电二极管区域、浮动扩散区域和介电层。半导体衬底具有形成延伸到半导体衬底中的沟槽的衬底顶表面。沟槽具有相对于围绕沟槽的衬底顶表面的平面区域的沟槽深度。光电二极管区域在半导体衬底中并且包括在沟槽下方的底部光电二极管部分和顶部光电二极管部分。顶部光电二极管部分(a)与沟槽相邻，(b)邻接底部光电二极管部分，(c)在相对于平面区域小于沟槽深度的光电二极管深度处注入，以及(d)朝向底部光电二极管区域延伸并邻接底部光电二极管区域。浮动扩散区域在半导体衬底中，与沟槽相邻，并且远离平面区域延伸到小于沟槽深度的结深度。介电层为沟槽做衬里。介电层的顶部区域在平面区域和结深度之间，并且具有顶部厚度。介电层的底部区域在光电二极管深度和沟槽深度之间，并且具有超过顶部厚度的底部厚度。