CN104681571A - 图像传感器和图像传感器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供图像传感器和图像传感器系统。该图像传感器包括：半导体基板，具有沟槽并且具有第一导电类型；光电转换层，形成在沟槽下面的半导体基板中以具有第二导电类型；第一和第二转移栅电极，设置在沟槽中并且被栅极绝缘层覆盖；第一电荷检测层，形成在邻近第一转移栅电极的半导体基板中；以及第二电荷检测层，形成在邻近第二转移栅电极的半导体基板中。

Description

图像传感器和图像传感器系统
技术领域
本公开涉及图像传感器，更具体地，涉及能够实现三维图像的图像传感器。
背景技术
图像传感器是将光学图像转换成电信号的装置。在各种应用诸如例如数字照相机、摄像放像机、个人通信系统、游戏机、安全摄像机、用于医学应用的微型照相机和/或机器人中，对于高性能图像传感器的需求增加。此外，近来正在开发用于实现三维和/或彩色图像的图像传感器。
发明内容
本发明构思的示例实施方式可以提供一种图像传感器，其能够实现具有提高的分辨率的三维图像。
根据本发明构思的示例实施方式，一种图像传感器可以包括：半导体基板，具有沟槽并且具有第一导电类型；光电转换层，形成在沟槽下面的半导体基板中，以具有与第一导电类型相反的第二导电类型；第一和第二转移栅电极，每个至少部分地在沟槽中；栅极绝缘层，至少部分地在沟槽中并且插置在第一和第二转移栅电极与光电转换层之间；第一电荷检测层，在邻近第一转移栅电极的半导体基板中；以及第二电荷检测层，在邻近第二转移栅电极的半导体基板中。
在示例实施方式中，沟槽在半导体基板的顶表面中，第一和第二转移栅电极的底表面可以比第一和第二电荷检测层的底表面更靠近半导体基板的底表面。
在示例实施方式中，沟槽可以竖直地延伸到半导体基板中，第一和第二转移栅电极可以在竖直方向上比第一和第二电荷检测层进一步延伸到半导体基板中。
在示例实施方式中，在平面图中看时，第一和第二转移栅电极可以重叠光电转换层。
在示例实施方式中，第一和第二转移栅电极之间的间隔可以小于第一转移栅电极的宽度。
在示例实施方式中，沟槽可以在半导体基板的顶表面中，该图像传感器还可以包括：互连层，在半导体基板的顶表面上，互连层包括多条线；以及光学过滤层，在半导体基板的底表面上。
根据本发明构思的示例实施方式，一种图像传感器可以包括：半导体基板，具有第一导电类型，该半导体基板包括颜色像素区域和深度像素区域；第一光电转换层，在半导体基板的颜色像素区域中，该第一光电转换层具有与第一导电类型相反的第二导电类型；颜色像素转移栅电极，在第一光电转换层上；第二光电转换层，在半导体基板的深度像素区域中，该第二光电转换层具有第二导电类型；第一和第二深度像素转移栅电极，在第二光电转换层上；第一电荷检测层，在第一深度像素转移栅电极的与第二深度像素转移栅电极相反的一侧的半导体基板中；以及第二电荷检测层，在第二深度像素转移栅电极的与第一深度像素转移栅电极相反的一侧。颜色像素转移栅电极可以至少部分地在半导体基板的顶表面中的第一沟槽中。
在示例实施方式中，第一和第二深度像素转移栅电极的至少一个至少部分地在半导体基板的顶表面中的第二沟槽中。
在示例实施方式中，第一和第二电荷检测层的底表面可以比第一和第二深度像素转移栅电极的底表面更靠近半导体基板的顶表面。
在示例实施方式中，颜色像素转移栅电极可以具有与第一和第二深度像素转移栅电极的顶表面基本上共面的顶表面。
在示例实施方式中，颜色像素转移栅电极可以设置在第一光电转换层的中心区域上方并且覆盖该中心区域。
在示例实施方式中，图像传感器还可以包括在颜色像素转移栅电极的一侧的半导体基板中的电荷检测层，该电荷检测层具有第二导电类型。
在示例实施方式中，第一和第二深度像素转移栅电极可以设置在第二光电转换层上方并且至少部分地覆盖该第二光电转换层。
在示例实施方式中，第一和第二深度像素转移栅电极之间的距离可以小于第一深度像素转移栅电极的宽度。
在示例实施方式中，颜色像素转移栅电极的宽度可以小于第一和第二深度像素转移栅电极中每个的宽度。
在示例实施方式中，第一光电转换层的第一竖直深度可以不同于第二光电转换层的第二竖直深度。
在示例实施方式中，图像传感器还可以包括：在半导体基板的顶表面上设置的互连层，互连层包括多条竖直层叠的线；以及在半导体基板的底表面上设置的光学过滤层。
在示例实施方式中，光学过滤层可以包括：第一光学过滤层，在颜色像素区域上使可见光通过；以及第二光学过滤层，在深度像素区域上使红外光通过。
根据本发明构思的示例实施方式，一种图像传感器系统可以包括：光源，配置为朝向物体发射光；图像传感器，配置为感测从物体反射的光；以及时序控制器，配置为向光源和图像传感器提供同步脉冲信号。图像传感器可以包括：半导体基板，具有在其顶表面中的沟槽；第一和第二转移栅电极，在沟槽中；光电转换层，在第一和第二转移栅电极下面的半导体基板中；第一电荷检测层，在邻近第一转移栅电极的半导体基板中；以及第二电荷检测层，在邻近第二转移栅电极的半导体基板中。
在示例实施方式中，时序控制器可以配置为分别向第一和第二转移栅电极提供具有180度的相位差的第一和第二脉冲信号，图像传感器系统可以被配置为基于第一和第二电荷检测层之间的电势差来计算从光源到物体的距离。
在示例实施方式中，图像传感器可以被配置为使得当第一和第二转移信号被施加于第一和第二转移栅电极时，由第一和第二转移栅电极感生的电场彼此分离。
根据本发明构思的额外的示例实施方式，提供一种图像传感器，该图像传感器包括：半导体基板，具有顶表面和底表面；第一和第二电荷检测层，在半导体基板中；沟槽，在半导体基板的顶表面中在第一和第二电荷检测层之间竖直凹进；在沟槽中的第一和第二转移栅电极，第一和第二转移栅电极彼此横向地间隔开并且在第一和第二电荷检测层之间；以及光电转换层，在第一和第二转移栅电极下面的半导体基板中。光电转换层的顶表面比第一和第二电荷检测层的底表面更靠近半导体基板的底表面。
在示例实施方式中，图像传感器还可以包括在沟槽的侧壁上的栅极绝缘层。
在示例实施方式中，沟槽可以包括第一沟槽和邻近第一沟槽的第二沟槽，第一转移栅电极可以在第一沟槽中，第二转移栅电极可以在第二沟槽中。
在示例实施方式中，第一转移栅电极的侧壁的至少一部分可以相对于竖直延伸穿过半导体基板的顶表面的平面倾斜。
在示例实施方式中，沟槽的底表面可以比第一和第二电荷检测层的底表面更靠近半导体基板的底表面。
附图说明
从以下结合附图的详细描述，示例实施方式将被更清楚地理解。附图显示了如在此描述的非限制性的示例实施方式。在图中：
图1是示出根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器系统的示意图；
图2是根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器的框图；
图3是在根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器中的深度像素的电路图；
图4是在根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器中的深度像素的示意性平面图；
图5是沿着图4的线I-I'截取的截面图；
图6是示出在根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器中的深度像素的操作的时序图；
图7是示出在根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器的操作期间电势的分布的截面图；
图8是示出根据本发明构思的另一示例实施方式的图像传感器的传感器阵列的示意性平面图；
图9是示出根据本发明构思的示例实施方式的图8的传感器阵列的实施例的电路图；
图10是示出根据本发明构思的示例实施方式的图8的传感器阵列的实施例的平面图；
图11是沿着图10的线I-I'和II-II'截取的截面图；
图12是沿着图10的线I-I'和II-II'截取的截面图，其示出图像传感器的修改方案；
图13是示出根据本发明构思的另一示例实施方式的图像传感器的传感器阵列的平面图；
图14是沿着图13的线I-I'和II-II'截取的截面图；
图15是示出根据本发明构思的另一示例实施方式的图像传感器的传感器阵列的示意性平面图；
图16是示出根据本发明构思的示例实施方式的图15的传感器阵列的实施例的电路图；
图17是示出根据本发明构思的示例实施方式的图15的传感器阵列的实施例的平面图；
图18是示出根据本发明构思的另一示例实施方式的图像传感器的传感器阵列的示意性平面图；
图19是示出根据本发明构思的示例实施方式的图18的传感器阵列的实施例的电路图；
图20是示出根据本发明构思的示例实施方式的图18的传感器阵列的实施例的平面图；
图21至图27是示出根据本发明构思的示例实施方式的制造图像传感器的方法的截面图；
图28是示出具有根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器的电子装置的框图；
图29是示出具有根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器的电子产品的示意图。
上述附图示出了在某些示例实施方式中使用的方法、结构和/或材料的一般特性，并且补充了以下提供的书面描述。然而，这些图没有按比例绘制并可以不精确地反映任何给出实施方式的精确结构或性能特征，而且不应被解释为限定或限制由示例实施方式包含的数值范围或性能。例如，为了清晰，可以减小或夸大层、区域和/或结构元件的相对厚度和位置。在不同图中的类似或相同附图标记的使用旨在表示类似或相同元件或特征的存在。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述本方面构思的示例实施方式，在附图中显示出示例实施方式。然而，本发明构思的示例实施方式可以实施为多种不同的形式，并且不应被理解为限于此处阐述的实施方式；而是，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的普通技术人员。
将理解，当一元件被称为“连接”或“联接”到另一元件时，它可以直接连接或联接到所述另一元件或者可以存在居间元件。相反，当一元件被称为“直接连接”或“直接联接”到另一元件时，没有居间元件存在。用于描述元件或层之间的关系的其它词语应该以类似的方式解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”，“相邻”与“直接相邻”，“在……上”与“直接在……上”)。在此使用时，术语“和/或”包括一个或多个相关列举项目的任意和所有组合。
将理解，虽然术语“第一”、“第二”等可以用于此来描述不同的元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部分。因而，以下讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分，而不脱离示例实施方式的教导。
为了便于描述，可以在此使用空间关系术语，诸如“在……下面”、“在……下”、“下”、“在……上”、“上”等来描述一个元件或特征与另一元件或特征如图中所示的关系。将理解，空间关系术语旨在包含除了图中所描绘的取向之外，装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果在图中的装置被翻转，则被描述为在其它元件或特征“下”或“下面”的元件可以取向为在所述其它元件或特征“上”。因而，示例性术语“在……下”能够涵盖上和下两种取向。装置可以被另外地取向(旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间关系描述语可以被相应地解释。
在此使用的术语仅用于描述特定实施方式，不意欲限制示例实施方式。在此使用时，单数形式“一”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文清晰地另外表示。还将理解，如果在此使用，术语“包括”和/或“包含”表示所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。
在此参考截面图示描述了本发明构思的示例实施方式，其中截面图示是示例实施方式的理想化实施方式(和中间结构)的示意性图示。因此，由于例如制造技术和/或公差引起的图示形状的偏离是可以预期的。因而，本发明构思的示例实施方式不应被理解为限于在此示出的区域的具体形状，而是将包括例如由制造引起的形状的偏差。
除非另外地定义，在此使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明构思的示例实施方式所属的领域中的普通技术人员通常理解的相同含义。还将理解，术语(诸如在通用字典中所定义的那些)应被理解为具有与在相关领域的背景中的含义一致的含义，将不被理解为理想化或过度正式的意义，除非在此清楚地如此定义。
此处描述的图像传感器可以被实施在微电子器件诸如集成电路中，其中多个器件被集成在同一微电子器件中。因此，此处示出的截面图(或多个截面图)可以在微电子器件中的两个方向(其不需要正交)上重复。因而，实施根据此处描述的不同实施方式的器件的微电子器件的平面图可以包括基于微电子器件的功能而成阵列和/或二维图案的多个器件。
图1是示出根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器系统的示意图。
参考图1，根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器系统可以配置为将光照射到物体O上，感测从物体O反射的光，并计算到物体O的光学深度或者距离。图像传感器系统可以包括配置为将光照射到物体O上的光源1、配置为感测从物体O反射的光的图像传感器2、以及配置为使光源1和图像传感器2同步的时序控制器3。
光源1可以发射脉冲光信号至物体O上。在示例实施方式中，光源1可以配置为发射红外线、微波和/或可见光。例如，发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和/或有机发光二极管(OLED)可以被用于光源1。
图像传感器2可以配置为检测从物体O反射的光并且输出关于物体O的光学深度信息。光学深度信息可以用于实现三维成像装置。图像传感器2可具有深度像素和可见光像素二者。
时序控制器3可以控制光源1和图像传感器2的操作。例如，时序控制器3可以配置为使由光源1输出的光的时序与图像传感器2的操作时序同步。
图2是根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器的框图。
参考图2，图像传感器可以包括有源像素传感器阵列(PSA)10、行解码器20、行驱动器30、列解码器40、时序产生器50、相关双采样器(CDS)60、模拟-数字转换器(ADC)70、以及输入/输出(I/O)缓冲器80。
在示例实施方式中，像素传感器阵列10可以包括多个二维布置的深度像素。像素传感器阵列10还可以包括多个颜色像素(color pixel)。像素传感器阵列10可以通过从行驱动器30传输到像素传感器阵列10的多种驱动信号诸如像素选择信号、复位信号和电荷转移信号被驱动。在像素传感器阵列10中产生的电信号可以被提供到相关双采样器60。
行驱动器30可以根据从行解码器20获得的解码结果而将用于驱动几个单位像素的几个驱动信号提供至像素传感器阵列10。在单位像素布置成矩阵形状的情形下，驱动信号可以被供给到相应的行。
时序产生器50可以向行解码器20和列解码器40提供时序和控制信号。
相关双采样器60可以接收由像素传感器阵列10产生的电信号，并且可以保持并采样所接收的电信号。相关双采样器60可以执行电信号的信号电平和噪声电平的二次采样操作，从而输出与噪声电平与信号电平之间的差异相应的差异电平(difference level)。
模拟-数字转换器70可以将与从相关双采样器60输出的差异电平相应的模拟信号转换成数字信号，然后输出转换后的数字信号。
I/O缓冲器80可以锁存数字信号，然后根据从列解码器40获得的解码结果而将锁存的数字信号依次输出至图像信号处理单元(未示出)。
图3是根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器的深度像素的电路图。
参考图3，每个深度像素可以包括光电转换器件PD、第一读取器件、以及第二读取器件。
光电转换器件PD可以自入射光产生电荷并且存储该电荷。入射到深度像素中的光可以是从物体反射的光，如以上参考图1所描述的。在深度像素中，光电转换器件PD可以共同连接到第一和第二读取器件。光电转换器件PD可以以例如光电二极管、光电晶体管、光栅极、箝位光电二极管、或其任意组合的形式提供。为了简化起见，以下的描述将参考其中光电二极管被用作光电转换器件PD的本实施方式的示例。
第一读取器件可以包括第一转移晶体管TX1、第一复位晶体管RX1、第一驱动晶体管DX1、以及第一选择晶体管SX1。第二读取器件可以包括第二转移晶体管TX2、第二复位晶体管RX2、第二驱动晶体管DX2、以及第二选择晶体管SX2。
第一转移晶体管TX1可以被第一转移信号TG1控制，第二转移晶体管TX2可以被第二转移信号TG2控制。第一转移信号TG1可以配置为具有从第二转移信号TG2的相位偏移180度的相位。在光电转换器件PD中产生的电荷可以分别通过第一和第二转移晶体管TX1和TX2被传输到第一和第二电荷检测节点FD1和FD2。被传输的电荷可以被存储或聚集在第一和第二电荷检测节点FD1和FD2中以控制第一和第二驱动晶体管DX1和DX2的操作。
第一和第二复位晶体管RX1和RX2可以周期性地分别从第一和第二电荷检测节点FD1和FD2释放电荷。第一和第二复位晶体管RX1和RX2的源极电极可以分别连接到第一和第二电荷检测节点FD1和FD2，其漏极电极可以连接到被供给有电源电压VDD的电源电压端子。第一和第二复位晶体管RX1和RX2可以分别通过施加到第一和第二复位信号RG1和RG2的电压驱动。在第一复位晶体管RX1通过第一复位信号RG1导通的情形下，电源电压VDD可以经由第一复位晶体管RX1被施加到第一电荷检测节点FD1以从第一电荷检测节点FD1释放电荷。类似地，在第二复位晶体管RX2通过第二复位信号RG2导通的情形下，电源电压VDD可以经由第二复位晶体管RX2被施加到第二电荷检测节点FD2，由此从第二电荷检测节点FD2释放电荷。
第一和第二驱动晶体管DX1和DX2可以用作放大与存储在第一和第二电荷检测节点FD1和FD2中的电荷有关的信号的源极跟随器缓冲放大器。
第一和第二选择晶体管SX1和SX2可以被第一和第二选择信号SG1和SG2控制。在第一和第二选择晶体管SX1和SX2被导通的情形下，通过第一和第二驱动晶体管DX1和DX2放大的信号可以经由第一和第二输出线Vout1和Vout2而被输出到外部装置(例如图像信号处理单元)。在图像信号处理单元中，从第一和第二输出线Vout1和Vout2输出的信号可以被用于获得与物体有关的深度信息。
图4是在根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器中的深度像素的示意性平面图。图5是沿着图4的线I-I'截取的截面图。
参考图4和图5，半导体基板100可具有第一导电类型并且具有顶表面和底表面。
在示例实施方式中，半导体基板100可以由p型外延层103和高掺杂的p型层105'形成。高掺杂的p型层105'可以形成半导体基板100的底表面。高掺杂的p型层105'可具有比p型外延层103高的p型杂质浓度。高掺杂的p型层105'可以帮助减小或防止在半导体基板100的底表面的电势由于缺陷(诸如硅的悬键或由蚀刻应力导致的表面缺陷或界面陷阱)而降低，并帮助减小耗尽阱形成的可能性。在示例实施方式中，p型外延层103的最远离高掺杂的p型层105'的表面可以被定义为半导体基板100的顶表面，高掺杂的p型层105'的与p型外延层103相对的表面可以被定义为半导体基板100的底表面。在其它实施方式中，半导体基板100可以是具有p型杂质阱的块晶片。
半导体基板100可以包括由器件隔离层(未示出)限定的有源区。在示例实施方式中，有源区可以包括光入射到其的光接收区LR、以及用于第一和第二读取器件的第一和第二逻辑有源区ACT1和ACT2。光接收区LR可以设置在第一和第二逻辑有源区ACT1和ACT2之间。光接收区LR以及第一和第二逻辑有源区ACT1和ACT2的形状和位置不限于上述示例。
在示例实施方式中，光电转换层110可以形成在半导体基板100的光接收区LR中。在示例实施方式中，光电转换层110可以包括形成在半导体基板100中的n型区，以与半导体基板100一起组成光电二极管。在光入射到光电转换层110的n型区中的情形下，电荷可以产生并且被存储在其中。
此外，在光接收区LR中，半导体基板100可具有形成在其中的沟槽T。沟槽T可以通过各向异性地蚀刻半导体基板100的顶表面的一部分而形成。光电转换层110可以形成在沟槽T下面的半导体基板100中。
第一和第二转移栅电极130a和130b可以设置在沟槽T中，而栅极绝缘层121插置在半导体基板100与第一和第二转移栅电极130a、130b之间。第一和第二转移栅电极130a和130b可以在沟槽T中彼此间隔开，栅极间绝缘层141可以插置在第一和第二转移栅电极130a和130b之间。第一转移栅电极130a的宽度可以小于沟槽T的宽度的大约1/2，第一转移栅电极130a的宽度可以与第二转移栅电极130b的宽度基本上相同。此外，第一和第二转移栅电极130a和130b之间的间隔可以小于第一和第二转移栅电极130a和130中每个的宽度。在平面图中看时，第一和第二转移栅电极130a和130b可以至少部分地覆盖光电转换层110。
在示例实施方式中，第一电荷检测层150a可以设置在第一转移栅电极130a的与第二转移栅电极130b相反的一侧，第二电荷检测层150b可以设置在第二转移栅电极130b的与第一转移栅电极130a相反的一侧。在平面图中看时，光电转换层110以及第一和第二转移栅电极130a、130b可以设置在第一和第二电荷检测层150a和150b之间。
第一和第二电荷检测层150a和150b可以存储通过第一和第二转移栅电极130a和130b传输的电荷。第一和第二电荷检测层150a和150b可以通过用n型杂质掺杂半导体基板100而形成。第一和第二电荷检测层150a和150b的n型杂质浓度可以比光电转换层110的n型杂质浓度高。在示例实施方式中，第一和第二电荷检测层150a和150b可以形成为具有在半导体基板100的底表面上方的与第一和第二转移栅电极130a和130b的底表面处于不同距离处的底表面。例如，从半导体基板100的顶表面到第一和第二电荷检测层150a和150b的竖直深度可以小于从半导体基板100的顶表面的沟槽T的竖直深度。这里，第一和第二电荷检测层150a和150b的竖直深度可以被认为是半导体基板100的顶表面与第一和第二电荷检测层150a和150b的底表面之间的距离。
第一复位晶体管RX1可以包括第一复位栅电极131a，该第一复位栅电极131a可以设置在半导体基板100的顶表面上并且可以与第一转移栅电极130a间隔开。第一电荷检测层150a可以形成在半导体基板100的位于第一复位栅电极131a与第一转移栅电极130a之间的部分中。第二复位晶体管RX2可以包括第二复位栅电极131b，该第二复位栅电极131b可以设置在半导体基板100的顶表面上并且可以与第二转移栅电极130b间隔开。第二电荷检测层150b可以形成为半导体基板100的位于第二转移栅电极130b与第二复位栅电极131b之间的部分中。
第一驱动晶体管DX1和第一选择晶体管SX1可以设置在第一逻辑有源区ACT1中。例如，第一驱动栅电极133a和第一选择栅电极135a可以设置在第一逻辑有源区ACT1中，源极/漏极杂质区可以形成在第一逻辑有源区ACT1的没有被第一驱动栅电极133a和第一选择栅电极135a覆盖的部分中。
第二驱动晶体管DX2和第二选择晶体管SX2可以设置在第二逻辑有源区ACT2中。例如，第二驱动栅电极133b和第二选择栅电极135b可以设置在第二逻辑有源区ACT2中，源极/漏极杂质区可以形成在第二逻辑有源区ACT2的没有被第二驱动栅电极133b和第二选择栅电极135b覆盖的部分中。
在根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器中，光学透明层170可以设置在半导体基板100的底表面上。光学透明层170可以包括平坦化层171和光学过滤层175。此外，虽然未示出，但是光学透明层170还可以包括聚集入射光的微透镜。因为光学透明层170设置在半导体基板100的底表面上，所以光RL能够经由半导体基板100的底表面入射到光电转换层110中并且在光电转换层110中产生电荷。
例如，平坦化层171可以设置在半导体基板100的底表面与光学过滤层175之间。平坦化层171可以由其折射率高于硅氧化物的折射率的材料形成，这可使得可以提高图像传感器的光敏性。例如，平坦化层171可以由具有从大约1.4至大约4.0的范围内的折射率的材料形成。在示例实施方式中，平坦化层171可以由Al2O3、CeF3、HfO2、ITO、MgO、Ta2O5、TiO2、ZrO2、Si、Ge、ZnSe、ZnS或PbF2形成。在其它实施方式中，平坦化层171可以由具有高折射率的有机材料例如硅氧烷树脂、苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺材料、丙烯酸材料、聚对二甲苯C、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)形成。此外，平坦化层171可以由例如钛酸锶(SrTiO3)、聚碳酸酯、玻璃、溴、蓝宝石、三氧化锆、铌酸钾(KNbO3)、碳化硅(SiC)、磷化镓(III)(GaP)、或砷化镓(III)(GaAs)形成，或者可以包括上述材料。
光学过滤层175可以允许具有特定波长范围的光通过。例如，光学过滤层175可以配置为允许来自外部源的红外光朝向深度像素传播。光学过滤层175还可以配置为防止其它类型的光诸如可见光和紫外光进入深度像素。
图6是示出在根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器中的深度像素的操作的时序图。图7是示出在操作期间在图像传感器中的电势的分布的截面图。
参考图1、图6和图7，脉冲光信号EL可以从光源1发射至物体上。虽然脉冲光信号EL在图6的示例中具有矩形脉冲波形，但是将理解的是，在其它实施方式中，脉冲波形可具有不同的形状，诸如例如正弦波。
光信号EL的小部分可以被物体反射，从而形成入射到深度像素中的反射光RL。反射光RL相对于光信号EL被延迟。当光信号EL入射在物体上时，第一转移信号TG1可以与光信号EL同步地被施加到第一转移栅电极130a，第二转移信号TG2(其相对于第一转移信号TG1具有180度的相位差)可以被施加到第二转移栅电极130b。换言之，第一和第二转移信号TG1和TG2可以交替地被激活。例如，当高电压被施加到第一转移栅电极130a时，低电压可以被施加到第二转移栅电极130b。
详细地，如果第一转移信号TG1的高电压部分被施加到第一转移栅电极130a，则在光电转换层110中产生的光电荷可以被转移到第一电荷检测层150a。在第一电荷检测层150a中存储的光电荷可以以电信号的形式通过第一读取器件输出。类似地，如果第二转移信号TG2的高电压部分被施加到第二转移栅电极130b，则光电转换层110中产生的光电荷可以被转移到第二电荷检测层150b。在第二电荷检测层150b中存储的光电荷可以以电信号的形式通过第二读取器件输出。
从相应的第一和第二电荷检测层150a和150b输出的电荷的量将取决于反射光RL入射在图像传感器上的时间长度以及第一和第二转移信号TG1和TG2被激活的时间长度而变化。例如，延迟时间td，其表示光信号EL的激活与入射在图像传感器上的反射光RL之间的延迟，可以由分别存储在第一和第二电荷检测层150a和150b中的电荷量Q1和Q2之差而计算出。电荷量Q1是基于图6中EL和RL均在其高位期间的时间长度t1，电荷量Q2是基于图6中EL在其低位而RL在其高位期间的时间长度t2。换言之，从第一和第二电荷检测层150a和150b输出的信号(其表示在这些层中存储的电荷)之间的差异，可以被用于计算光源和物体之间的距离或光学深度。详细地，光源和物体之间距离D(例如，图1的距离D)可以使用关系式td＝2D/c获得，其中c是光速。
从第一和第二读取器件输出的信号之差越大，物体的光学深度的准确性越高并且深度像素的解调对比度(demodulation contrast，DC)性能越好。这里，DC性能可以通常由从第一和第二读取器件输出的信号之差除以从第一和第二读取器件输出的信号的总和而给出。这意味着从第一和第二读取器件输出的信号之差越大，从光电转换层110转移到第一或第二电荷检测层150a或150b的电荷的损失越少。
根据本发明构思的示例实施方式，在图像传感器的操作期间，高电压(例如，大约2.5V至3V的电压)可以被施加到第一转移栅电极130a，低电压(例如，大约0V至1.5V的电压)可以被施加到第二转移栅电极130b。在此情形下，半导体基板100中的电势可具有一分布，诸如图7中所示的分布。同时，静电压(例如，大约2.5V至3.0V的电压)可以被施加到第一和第二电荷检测层150a和150b。因此，静电场(static field)可以在半导体基板100的与第一和第二电荷检测层150a和150b相邻的区域中感生。
被施加到第一转移栅电极130a的高电压可以导致光电转换层110的电势的非零梯度，因而在光电转换层110中产生的电荷可以朝向第一电荷检测层150a转移。在检测转移到第一电荷检测层150a的电荷的操作期间，由于由第二电荷检测层150b产生的静电场的存在，在光电转换层110中产生的电荷的小部分可以转移到第二电荷检测层150b中。这种现象可以随着第二电荷检测层150b与第一转移栅电极130a之间的距离减小而增强。
根据本发明构思的示例实施方式，因为第一和第二转移栅电极130a和130b形成在沟槽中，所以第一转移栅电极130a和第二电荷检测层150b之间的有效距离可以增加。因而，在从第一电荷检测层150a检测电荷的操作期间，由于施加高电压到第一转移栅电极130a而感生的电场F1可以不连接到由于施加静电压到第二电荷检测层150b而感生的电场F2。因此，在从第一电荷检测层150a检测电荷的操作期间，可以抑制在光电转换层110中产生的电荷移动到第二电荷检测层150b中的数目。换言之，在从第一电荷检测层150a检测电荷的操作期间，可以选择性地增强通过施加高电压到第一转移栅电极130a而感生的电场F1和抑制通过施加静电压到第二电荷检测层150b而感生的电场F2。结果，在从第一电荷检测层150a检测电荷的操作期间，可以减少或防止电场F1和F2混合，这使得可以提高电荷检测操作的精确性并且提高图像传感器的深度像素的DC性能。
图8是示出根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器的传感器阵列的示意性平面图。图9是示出根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器的传感器阵列的电路图。图10是示出根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器的传感器阵列的平面图。图11是沿着图10的线I-I'和II-II'截取的截面图。图12是沿着图10的线I-I'和II-II'截取的截面图，其示出根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器的修改方案。
参考图8，图像传感器可以包括传感器阵列，在该传感器阵列中设置多个单位像素R、G、B和Z，其布置成矩阵。在示例实施方式中，传感器阵列可以包括颜色像素R、G和B以及深度像素Z，颜色像素可以包括红色、绿色和蓝色像素R、G和B。每个单位像素R、G、B和Z可以配置为感测具有特定波长范围的光。在图示的实施方式中，每个深度像素Z设置在颜色像素R、G和B中的两个相邻像素之间(例如，在水平方向的两个B像素之间以及在竖直方向上的两个R像素之间)。在此实施方式中，单位像素R、G、B和Z均可以具有基本上相同的面积。
参考图9，每个颜色像素R、G和B可以包括第一光电转换器件和色彩读取器件，每个深度像素可以包括第二光电转换器件以及第一和第二深度读取器件。
详细地，每个颜色像素R、G和B可以包括第一光电转换器件PD1、转移晶体管TX、复位晶体管RX、驱动晶体管DX以及选择晶体管SX。
第一光电转换器件PD1可以配置为接收可见光并产生电荷，电荷的量取决于所接收的可见光的强度。例如，第一光电转换器件PD1可以是光电二极管、光电晶体管、光栅极、箝位光电二极管(PPD)及其任意组合的其中之一。
第一光电转换器件PD1可以连接到转移晶体管TX，转移晶体管TX可以配置为控制电荷从第一光电转换器件PD1到电荷检测节点FD的传输。转移晶体管TX可以被电荷转移信号TG控制。
电荷检测节点FD可以存储从第一光电转换器件PD1转移的电荷。电荷检测节点FD可以电连接到驱动晶体管DX，电荷检测节点FD的电势可以通过驱动晶体管DX放大并且可以以电信号的形式输出。电荷检测节点FD可以连接到复位晶体管RX，电荷检测节点FD的电势可以经由复位晶体管RX而周期性地复位。复位晶体管RX可以被复位信号RG控制。复位晶体管RX的源极电极可以连接到电荷检测节点FD，复位晶体管RX的漏极电极可以连接到电源电压VDD。当复位晶体管RX通过复位信号RG导通时，电源电压VDD可以经由复位晶体管RX被传递到电荷检测节点FD，并且电荷检测节点FD中的电荷可以通过此操作而被释放。
驱动晶体管DX可以配置为用作放大和输出从电荷检测节点FD传输的电信号的源极跟随器缓冲放大器。
选择晶体管SX可以将输出线Vout选择性地连接至颜色像素R、G和B，这使得可以从颜色像素R、G和B选择性地输出电信号。选择晶体管SX可以由选择信号SG控制。例如，当选择晶体管SX导通时，驱动晶体管DX的漏极电极的电势可以经由选择晶体管SX的漏极电极而输出到输出线Vout。
在某些实施方式中，驱动信号TG、RG和SG可以基本上同时被施加到在传感器阵列的相同行中的颜色像素R、G和B。在传感器阵列的相同列中的颜色像素R、G和B可以共用输出线Vout中的相应一条。
在本实施方式中，每个深度像素Z可以在结构和操作方面与图3的深度像素相同。也就是说，每个深度像素Z，如参考图3所描述的，可以包括第二光电转换器件PD2、第一和第二转移晶体管TX1和TX2(例如，图3的第一和第二转移晶体管TX1和TX2)、第一和第二复位晶体管RX1和RX2(例如，图3的第一和第二复位晶体管RX1和RX2)、第一和第二驱动晶体管DX1和DX2(例如，图3的第一和第二驱动晶体管DX1和DX2)以及第一和第二选择晶体管SX1和SX2(例如，图3的第一和第二选择晶体管SX1和SX2)。
在本实施方式中，驱动信号TG1、TG2、RG1、RG2、SG1和SG2(例如，图3的驱动信号TG1、TG2、RG1、RG2、SG1和SG2)可以基本上同时被施加到传感器阵列的相同行的部分深度像素Z。在传感器阵列的相同列中的深度像素Z可以共用相应的一对第一和第二输出线Vout1和Vout2(例如，图3的第一和第二输出线Vout1和Vout2)。
参考图10和图11，半导体基板100可以包括颜色像素区Pc和深度像素区Pz。颜色像素区Pc可以包括红色、绿色和蓝色像素区。半导体基板100可具有第一导电类型并且具有相反的顶表面和底表面。在示例实施方式中，半导体基板100可以是p型外延层，并且高掺杂的p型层105可以邻近半导体基板100的底表面设置。
在示例实施方式中，在颜色像素区Pc中，半导体基板100可以包括第一光接收区LR1和由器件隔离层(未示出)限定的逻辑有源区ACT。在深度像素区Pz中，半导体基板100可以包括第二光接收区LR2和由器件隔离层(未示出)限定的第一和第二逻辑有源区ACT1和ACT2。
第一光电转换层110a可以形成在第一光接收区LR1中。第一光电转换层110a可以包括形成在半导体基板100中以与p型外延层一起组成光电二极管的n型掺杂层。第一光电转换层110a可以配置为自入射在其中的可见光产生电荷并存储该电荷。
第二光电转换层110b可以形成在第二光接收区LR2中。第二光电转换层110b可以包括形成在半导体基板100中以与p型外延层一起组成光电二极管的n型掺杂层。第二光电转换层110b可以配置为自入射在其中的红外光产生电荷并存储该电荷。在示例实施方式中，第二光电转换层110b的n型杂质浓度可以与第一光电转换层110a的n型杂质浓度基本上相同。备选地，第一和第二光电转换层110a和110b可以形成为具有彼此不同的n型杂质浓度。
在示例实施方式中，第一和第二光电转换层110a和110b可以形成为具有基本上相同的竖直深度，如图11所示。这里，第一和第二光电转换层110a和110b的竖直深度可以是从半导体基板100的顶表面到第一和第二光电转换层110a和110b的底表面的距离。在其它实施方式中，如图12所示，第一和第二光电转换层110a和110b可以形成为具有彼此不同的竖直深度。可见光的穿透深度比红外光的穿透深度短。从这个意义上说，在光经由半导体基板100的底表面入射的情形下，第一光电转换层110a可以形成为具有比第二光电转换层110b的深度大的深度。
第一沟槽T1可以形成在半导体基板100的颜色像素区Pc中，第二沟槽T2可以形成在半导体基板100的深度像素区Pz中。第一和第二沟槽T1和T2可以形成为接近或穿过半导体基板100的顶表面。在示例实施方式中，第一沟槽T1可具有比第二沟槽T2的宽度小的宽度，第一沟槽T1可以形成在第一光电转换层110a的中心区域中。第二沟槽T2可以在第二光电转换层110b上方。第一和第二沟槽T1和T2的底表面可以定位在半导体基板100中的基本上相同的竖直深度处。在某些实施方式中，第一和第二沟槽T1和T2的竖直深度可以取决于单位像素的性能而变化(例如，彼此不同)。
在示例实施方式中，转移栅电极130可以设置在第一沟槽T1中而栅极绝缘层121插置在其间，第一和第二转移栅电极130a和130b可以设置在第二沟槽T2中而栅极绝缘层121插置在其间。每个第一和第二转移栅电极130a和130b的宽度可以小于第二沟槽T2的宽度的一半。此外，栅极间绝缘层141可以插置在第一和第二转移栅电极130a和130b之间。
当在平面图中看时，设置在颜色像素区Pc中的转移栅电极130可以仅覆盖第一光电转换层110a的一部分。相反，设置在深度像素区Pz中的第一和第二转移栅电极130a和130b可以覆盖所有的或基本上所有的第二光电转换层110b。在一些实施方式中，第一和第二转移栅电极130a和130b的顶表面可以与转移栅电极130的顶表面基本上共面。
在颜色像素区Pc中，电荷检测层150可以在转移栅电极130的一侧形成在半导体基板100中。在深度像素区Pz中，第一电荷检测层150a可以在第一转移栅电极130a的一侧形成在半导体基板100中，第二电荷检测层150b可以在第二转移栅电极130b的一侧形成在半导体基板100中。在深度像素区Pz中，第二光电转换层110b可以插置在第一和第二电荷检测层150a和150b之间。
电荷检测层150以及第一和第二电荷检测层150a和150b可以通过用n型杂质掺杂半导体基板100而形成。在示例实施方式中，第一和第二电荷检测层150a和150b可具有比第二光电转换层110b的n型杂质浓度高的n型杂质浓度。第一和第二电荷检测层150a和150b的底表面可以被定位在半导体基板100中比第一和第二转移栅电极130a和130b的竖直深度小的竖直深度处。
在颜色像素区Pc中，复位栅电极131可以邻近电荷检测层150设置。在深度像素区Pz中，第一复位栅电极131a可以邻近第一电荷检测层150a设置，第二复位栅电极131b可以邻近第二电荷检测层150b设置。
驱动晶体管和选择晶体管可以设置在颜色像素R、G和B的逻辑有源区ACT中。例如，驱动栅电极133和选择栅电极135可以设置为交叉逻辑有源区ACT，源极/漏极杂质区可以形成在逻辑有源区ACT的位于驱动栅电极133和选择栅电极135每个的两侧的部分中。第一驱动晶体管和第一选择晶体管可以设置在深度像素Z的第一逻辑有源区ACT1中。例如，第一驱动栅电极133a和第一选择栅电极135a可以设置在第一逻辑有源区ACT1上，源极/漏极杂质区可以形成在第一逻辑有源区ACT1的位于第一驱动栅电极133a和第一选择栅电极135a每个的两侧的部分中。此外，第二驱动晶体管和第二选择晶体管可以设置在深度像素Z的第二逻辑有源区ACT2中。例如，第二驱动栅电极133b和第二选择栅电极135b可以设置在第二逻辑有源区ACT2上，源极/漏极杂质区可以形成在第二逻辑有源区ACT2的位于第二驱动栅电极133b和第二选择栅电极135b每个的两侧的部分中。
在示例实施方式中，互连结构160可以设置在半导体基板100的具有颜色像素R、G和B以及深度像素Z的顶表面上，光学透明层170可以设置在半导体基板100的底表面上。
在示例实施方式中，互连结构160可以包括竖直地层叠在半导体基板100的顶表面上的金属线165、竖直地连接金属线165的接触插塞163、以及层间绝缘层161。层间绝缘层161和金属线165可以重复地层叠在半导体基板100的顶表面上。在示例实施方式中，金属线165的布置可以相对于第一和第二光电转换层110a和110b没有依赖性或者具有弱依赖性。例如，金属线165可以设置为交叉第一和第二光电转换层110a和110b。
在示例实施方式中，光学透明层170可以包括平坦化层171、第一光学过滤层173以及第二光学过滤层175。
平坦化层171可以与半导体基板100的底表面直接接触。平坦化层171可以由其折射率高于硅氧化物的折射率的材料形成，这可使得可以提高图像传感器的光敏性。例如，平坦化层171可以由具有从大约1.4至大约4.0的范围内的折射率的材料形成。
第一光学过滤层173可以形成在颜色像素区Pc中并且允许可见光进入颜色像素中。第一光学过滤层173可以包括配置为实现红色、绿色和蓝色的滤色器。备选地，第一光学过滤层173可以包括配置为实现其他颜色(例如，青色、品红色或黄色)的滤色器。第二光学过滤层175可以形成在深度像素区Pz上并且允许红外光进入深度像素中。第二光学过滤层175可以配置为允许外部的红外光朝向深度像素前进。换言之，光学过滤层175可以配置为防止可见光和紫外光进入深度像素中。
此外，虽然未示出，但是微透镜可以形成在第一和第二光学过滤层173和175上。
图13是示出根据本发明构思的另一示例实施方式的图像传感器的传感器阵列的平面图。图14是沿着图13的线I-I'和II-II'截取的截面图。
参考图13和图14，如以上参考图8至图11所描述的，传感器阵列可以包括颜色像素R、G和B以及深度像素Z。在图13和图14的以下描述中，之前描述的元件可以通过类似或相同的附图标记识别，为了简洁起见，不再重复其描述。
在图13和图14的实施方式中，颜色像素区Pc的转移栅电极130可以设置在第一光电转换层110a的一侧。转移栅电极130的底表面可以位于半导体基板100的顶表面上。换言之，转移栅电极130的底表面可以位于比设置在深度像素区Pz中的第一和第二转移栅电极130a和130b的底表面高的水平处。
图15是示出根据本发明构思的另一示例实施方式的图像传感器的传感器阵列的示意性平面图。图16是图15的图像传感器的传感器阵列的实施例的电路图。图17是图15的图像传感器的传感器阵列的实施例的平面图。
参考图15、图16和图17，传感器阵列可以包括颜色像素R、G和B以及深度像素Z。颜色像素R、G和B可以包括红色像素R、绿色像素G以及蓝色像素B。每个单位像素R、G、B和Z可以配置为感测具有特定波长范围的光。在本实施方式中，深度像素可具有比每个颜色像素大的面积，颜色像素可以布置在深度像素周围。
如参考图8至图11所描述的，每个颜色像素R、G和B可以包括第一光电转换器件PD1、转移晶体管TX、复位晶体管RX、驱动晶体管DX以及选择晶体管SX。颜色像素R、G和B的结构和操作可以与以上参考图8至图11描述的相同。
如参考图3所描述的，深度像素Z可以包括第二光电转换器件PD2、第一和第二转移晶体管TX1和TX2、第一和第二复位晶体管RX1和RX2、第一和第二驱动晶体管DX1和DX2以及第一和第二选择晶体管SX1和SX2。在深度像素Z中，第一和第二转移栅电极130a和130b可以在第一和第二电荷检测层150a和150b之间，并且可具有位于第一和第二电荷检测层150a和150b的底表面下面的底表面。这使得可以在从第一和第二电荷检测层150a和150b检测电荷时，抑制由第一和第二转移栅电极130a和130b引起的电干扰。
图18是示出根据本发明构思的其它示例实施方式的图像传感器的传感器阵列的示意性平面图。图19是图18的传感器阵列的实施例的电路图。图20是图18的传感器阵列的实施例的平面图。
参考图18、图19和图20，传感器阵列可以包括颜色像素R、G和B以及深度像素Z。颜色像素R、G和B可以包括红色像素R、绿色像素G以及蓝色像素B。每个单位像素R、G、B和Z可以配置为感测具有特定波长范围的光。在本实施方式中，深度像素Z可具有比每个颜色像素R、G和B大的面积。颜色像素R、G和B可以设置为具有矩阵形状的布置，深度像素Z可以平行于行方向设置并且可以与特定行的颜色像素R、G和B接触。
此外，在本实施方式中，每个颜色像素R、G和B可以包括第一光电转换器件PD1和转移晶体管TX，复位晶体管RX、驱动晶体管DX和选择晶体管SX可以被彼此邻近的一对第一光电转换器件PD1共用。此外，彼此邻近的一对转移晶体管TX可以共同连接到电荷检测节点FD。
在颜色像素R、G和B中，半导体基板100可以包括第一颜色光接收区CLR1、第二颜色光接收区CLR2、以及共同连接到第一和第二颜色光接收区CLR1和CLR2的逻辑有源区ACT。如参考图11所描述的，第一光电转换层110a可以形成在每个第一和第二颜色光接收区CLR1和CLR2中。每个颜色像素R、G和B可以包括设置在第一和第二颜色光接收区CLR1和CLR2与逻辑有源区ACT之间的转移栅电极130(例如，图11的转移栅电极130)。电荷检测层150(例如，图11的电荷检测层150)可以设置在逻辑有源区ACT中，电荷检测层150可以共用彼此邻近的一对第一光电转换层110a。
图21至图27是示出根据本发明构思的示例实施方式的制造图像传感器的方法的截面图。
参考图21，半导体基板100可以包括颜色像素区Pc和深度像素区Pz。半导体基板100可具有第一导电类型并且可具有相反的顶表面和底表面。
在示例实施方式中，半导体基板100可以包括其上设置有p型外延层103的p型块基板101。在半导体基板100中，p型深阱105可以通过用p型杂质高掺杂p型外延层103而形成。例如，p型深阱105可以在p型外延层103和块基板101之间。p型深阱105可具有比p型块基板101和p型外延层103的杂质浓度高的杂质浓度。在示例实施方式中，p型外延层103的与p型深阱层相反的表面可以被定义为半导体基板100的顶表面，p型块基板101的与p型深阱层相反的表面可以被定义为半导体基板100的底表面。
如上所述，半导体基板100可以包括p型块基板101和生长在p型块基板101上的p型外延层103，但是本发明构思的示例实施方式不限于此。例如，代替p型块基板101，可以使用n型块基板。此外，在半导体基板100中，代替p型外延层103，可以使用形成在块基板101中的p型阱。在其它实施方式中，半导体基板100可以是绝缘体上硅(SOI)晶片。此外，半导体基板100可以以上述示例的组合的形式提供。
器件隔离层(未示出)可以形成在半导体基板100中以限定光接收区LR1和LR2(例如，图10中的光接收区LR1和LR2)以及逻辑有源区ACT、ACT1和ACT2(例如，图10中的逻辑有源区ACT、ACT1和ACT2)。器件隔离层可以使用例如浅沟槽隔离(STI)或硅的局部氧化(LOCOS)工艺形成在半导体基板100的顶表面中。
在光接收区LR1和LR2上，沟槽T1和T2可以形成在半导体基板100中。第一沟槽T1可以形成在颜色像素区Pc中，第二沟槽T2可以形成在深度像素区Pz中。
在示例实施方式中，第一和第二沟槽T1和T2可以同时形成在半导体基板100中。在其它实施方式中，第一和第二沟槽T1和T2可以顺序地形成。
例如，第一和第二沟槽T1和T2的形成可以包括：在半导体基板100的顶表面上形成掩模图案(未示出)，以及使用掩模图案作为蚀刻掩模而各向异性地蚀刻半导体基板100。掩模图案可以包括暴露颜色像素区Pc的一部分的一开口以及暴露深度像素区Pz的一部分的另一开口。第一和第二沟槽T1和T2可具有倾斜的侧壁。在示例实施方式中，在从半导体基板100的顶表面测量时，第二沟槽T2可具有比第一沟槽T1的宽度大的宽度，第一和第二沟槽T1和T2可具有相同的深度。此外，第一和第二沟槽T1和T2可具有在p型外延层103中并且与p型深阱105间隔开的底表面。第一和第二沟槽T1和T2的深度可以取决于图像传感器的操作条件或所需特性而不同地变化。例如，第一和第二沟槽T1和T2的深度可以彼此不同。
参考图22，第一光电转换层110a可以形成在颜色像素区Pc中，第二光电转换层110b可以形成在深度像素区Pz中。
在示例实施方式中，第一和第二光电转换层110a和110b的形成可以包括：在半导体基板100的顶表面上形成掩模图案以暴露第一和第二沟槽T1和T2，然后利用掩模图案作为离子注入掩模图案而将n型杂质注入到半导体基板100中以在第一和第二沟槽T1和T2附近形成n型掺杂层。每个n型掺杂层可以与p型外延层一起组成光电二极管。此外，当在平面图中看时，第一沟槽T1可以重叠一部分第一光电转换层110a，第二沟槽T2可以重叠基本上所有的第二光电转换层110b。第一和第二光电转换层110a和110b的形成还可以包括在半导体基板100的邻近第一和第二沟槽T1和T2的区域中形成p型掺杂层。
在示例实施方式中，n型掺杂层可以同时形成在颜色像素区Pc和深度像素区Pz上。因此，第一光电转换层110a的n型杂质浓度可以与第二光电转换层110b的n型杂质浓度基本上相同。备选地，第一光电转换层110a的形成之后可以是第二光电转换层110b的形成。在此情形下，第一光电转换层110a的n型杂质浓度可以不同于第二光电转换层110b的n型杂质浓度。
如上所述，在第一和第二沟槽T1和T2的形成之后，可以形成第一和第二光电转换层110a和110b，但是本发明构思的示例实施方式可以不限于此。例如，在第一和第二光电转换层110a和110b的形成之后，可以形成第一和第二沟槽T1和T2。
参考图23，栅极绝缘层121和栅极导电层123可以顺序地形成在半导体基板100的顶表面上以及第一和第二沟槽T1和T2中。栅极绝缘层121可以共形地形成在第一和第二沟槽T1和T2的内表面上，栅极导电层123可以形成为填充第一和第二沟槽T1和T2的剩余部分。
在示例实施方式中，栅极绝缘层121可以是氧化物层，其可以通过热氧化工艺形成。例如，栅极绝缘层121可以通过利用O2的干法氧化工艺或利用H2O的湿法氧化工艺而形成。在其它实施方式中，栅极绝缘层121可以由SiO2、SiON、SiN、Al2O3、Si3N4、GexOyNz、GexSiyOz或高-k材料中的至少一种形成或者可以包括上述材料中的至少一种。这里，高-k材料可以包括HfO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O5、硅酸铪、硅酸锆或其任何组合，并且可以利用原子层沉积工艺形成。此外，栅极绝缘层121可以通过层叠从由列举材料组成的组中选出的至少两种材料而形成。
在示例实施方式中，栅极导电层123可以由掺杂多晶硅或金属(例如，钨(W)、钛(Ti)或钛氮化物(TiN))中的至少一种形成，或者可以包括上述材料中的至少一种。栅极导电层123可以通过具有优良的台阶覆盖性能的层形成技术(例如，化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD))形成。
此后，栅极导电层123的顶表面可以通过例如各向异性蚀刻工艺或化学机械抛光(CMP)工艺被平坦化。
参考图24，栅极导电层123可以被图案化以在颜色像素区Pc中形成转移栅电极130以及在深度像素区Pz中形成第一和第二转移栅电极130a和130b。
转移栅电极130可以形成在第一沟槽T1中，当在平面图中看时，转移栅电极130可以重叠一部分第一光电转换层110a。第一和第二转移栅电极130a和130b可以形成在第二沟槽T2中，并且可以在第二沟槽T2彼此间隔开。每个第一和第二转移栅电极130a和130b可具有比第二沟槽T2的宽度的大约1/2小的宽度。第一转移栅电极130a的第一侧壁的至少一部分可以相对于竖直地延伸穿过半导体基板100的平面倾斜，第二转移栅电极130b的第一侧壁的至少一部分可以相对于竖直地延伸穿过半导体基板100的平面倾斜。
在示例实施方式中，在颜色像素区Pc中形成转移栅电极130期间，参考图10描述的复位栅电极131、驱动栅电极133和选择栅电极135可以与转移栅电极130一起形成。此外，在深度像素区Pz中形成第一和第二转移栅电极130a和130b期间，第一和第二复位栅电极131a和131b、第一和第二驱动栅电极133a和133b、以及第一和第二选择栅电极135a和135b可以与第一和第二转移栅电极130a和130b一起形成。
参考图25，电荷检测层150可以形成在颜色像素区Pc中，第一和第二电荷检测层150a和150b可以形成在深度像素区Pz中。
例如，电荷检测层150可以通过将n型杂质注入到复位栅电极131与转移栅电极130之间的半导体基板100中而形成。第一电荷检测层150a可以通过将n型杂质沿着第一转移栅电极130a的一侧注入到半导体基板100中而形成，第二电荷检测层150b可以通过将n型杂质沿着第二转移栅电极130b的一侧注入到半导体基板100中而形成，使得第一和第二转移栅电极130a、130b在第一和第二电荷检测层150a、150b之间。
在示例实施方式中，第一和第二电荷检测层150a和150b可以形成为具有比第二光电转换层110b的离子注入深度小的离子注入深度(或突出范围)。例如，第一和第二电荷检测层150a和150b可以通过其底表面位于第一和第二转移栅电极130a和130b的底表面上方的方式而形成。此外，第一和第二电荷检测层150a和150b可以形成为具有比第二光电转换层110b的n型杂质浓度高的n型杂质浓度。
参考图26，互连结构160可以形成在设置有颜色像素和深度像素的半导体基板100的顶表面上。在示例实施方式中，互连结构160可以包括竖直地层叠在半导体基板100的顶表面上的金属线165、竖直地连接金属线165的接触插塞163以及层间绝缘层161。
例如，层间绝缘层161可以形成为覆盖半导体基板100的顶表面，然后，金属线165可以形成在层间绝缘层161上并且可以连接到颜色像素和深度像素。层间绝缘层161和金属线165可以重复地层叠在半导体基板100的顶表面上。在示例实施方式中，金属线165可以布置为关于第一和第二光电转换层110a和110b没有相关性或具有弱的相关性。例如，金属线165可以设置为交叉第一和第二光电转换层110a和110b。
层间绝缘层161可以由具有优良的间隙填充性能的材料形成并且可以被平坦化以具有平坦的顶表面。在示例实施方式中，层间绝缘层161可以由高密度等离子体(HDP)氧化物、Tonen SilaZene(TOSZ)、玻璃上旋涂(SOG)或未掺杂的石英玻璃(USG)形成，或者可以包括上述材料。
金属线165可以通过在层间绝缘层161上沉积金属层并且图案化该金属层而形成。在示例实施方式中，金属线165可以由从由铜(Cu)、铝(Al)、钨(W)、钛(Ti)、钼(Mo)、钽(Ta)、钛氮化物(TiN)、钽氮化物(TaN)、锆氮化物(ZrN)、钨氮化物(TiN)及其任意合金组成的组中选出的至少一种形成，或者可以包括从上述材料中选出的至少一种。
参考图27，支撑基板SP可以与互连结构160接合。
例如，支撑基板SP可以接合在层间绝缘层161上，层间绝缘层161的顶表面被平坦化或是平坦的。支撑基板SP可以在减薄半导体基板100的后续工艺中支撑半导体基板100，由此防止半导体基板100中的组件在后续工艺中变形。例如，块基板(例如，晶片)或塑料基板可以被用作支撑基板SP。
此后，可以对具有第一和第二光电转换层110a和110b的半导体基板100执行减薄工艺。在减薄工艺中，块基板101可以接地或被抛光，然后可以被各向异性地和/或各向同性地蚀刻。例如，块基板101的减薄工艺可以包括：反转半导体基板100，然后利用研磨机或化学机械抛光(CMP)系统机械地去除一部分块基板101。p型块基板101可以在减薄工艺的机械去除步骤中被去除。此后，可以对半导体基板100的剩余部分执行各向异性或各向同性蚀刻步骤，以控制半导体基板100的剩余厚度。在某些实施方式中，可以在利用HF、HNO3和CH3COOH的混合物的湿法蚀刻工艺中执行半导体基板100的蚀刻步骤。在p型深阱105形成在p型外延层103中的情形下，p型深阱105可以被用作减薄工艺的蚀刻停止层。
作为减薄工艺的结果，p型块基板101和p型深阱105可以全部被去除，使得仅p型外延层103留在半导体基板100上。备选地，减薄工艺可以仅部分地去除p型深阱105，使得除p型外延层103之外，一部分p型深阱105也保留。
在减薄工艺之后，p型外延层103可具有邻近互连结构160的顶表面以及通过减薄工艺暴露的与顶表面相反的底表面。作为减薄半导体基板100的工艺的结果，入射光能够以减小的传播长度入射到第一和第二光电转换层110a和110b中，这使得可以改善第一和第二光电转换层110a和110b的光敏度。此外，减薄工艺可以通过使半导体基板100的剩余厚度在适于入射光的波长的范围内的方式执行，这是因为入射光的穿透深度取决于入射光的波长。
在半导体基板100的减薄工艺之后，可以执行整治工艺(curing process)以从半导体基板100的暴露底表面或者从p型外延层103去除表面缺陷。固化工艺可以包括从半导体基板100化学地去除表面缺陷。在利用这样的基于化学的整治工艺的情形下，缓冲绝缘层(未示出)可以形成在半导体基板100的底表面上而表面缺陷被从半导体基板100的底表面去除。
在执行减薄工艺以使得仅p型外延层103留在半导体基板100上的情形下，高掺杂p型层(未示出)可以形成在p型外延层103的底表面上。高掺杂p型层的存在可以有助于减少可由p型外延层103的表面缺陷产生的暗电流。
随后，光学透明层170可以形成在半导体基板100的底表面上，如图11所示。例如，光学透明层170的形成可以包括形成平坦化层171、第一光学过滤层173和第二光学过滤层175。
平坦化层171可以由其折射率高于硅氧化物的折射率的材料形成，这便于提高图像传感器的光敏性。例如，平坦化层171可以由具有从大约1.4至大约4.0的范围内的折射率的材料形成。例如，平坦化层171可以由Al2O3、CeF3、HfO2、ITO、MgO、Ta2O5、TiO2、ZrO2、Si、Ge、ZnSe、ZnS或PbF2形成。在另一情形下，平坦化层171可以由具有高折射率的有机材料形成，例如，硅氧烷树脂、苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺材料、丙烯酸材料、聚对二甲苯C、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
第一光学过滤层173可以形成在颜色像素区Pc的平坦化层171上。第一光学过滤层173可以包括选择性地允许可见光朝向第一光电转换层110a传播的滤色器。例如，第一光学过滤层173可以包括配置为实现红色、绿色和蓝色的滤色器。备选地，第一光学过滤层173可以包括配置为实现其他颜色(例如，青色、品红色或黄色)的滤色器。滤色器可以由光致抗蚀剂图案形成或者可以包括光致抗蚀剂图案，该光致抗蚀剂图案被染色以具有分别对应于颜色像素的颜色。
第二光学过滤层175可以形成在深度像素区Pz的平坦化层171上。第二光学过滤层175可以包括选择性地允许红外光朝向第二光电转换层110b传播的材料。此外，虽然未示出，但是微透镜可以形成在第一和第二光学过滤层173和175上。
图28是示出具有根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器的电子装置的框图。电子装置可以是例如数字照相机或移动装置之一。
参考图28，电子装置1000可以包括图像传感器1100、处理器1200、存储器1300、显示器1400以及总线1500。如图28所示，图像传感器1100可以响应处理器1200的控制信号而采集外部图像。处理器1200可以通过总线1500而在存储器1300中存储采集的图像信息。处理器1200可以输出存储在存储器1300中的图像，以在显示器1400上显示图像。
电子装置1000可以包括计算机系统、照相机系统、扫描仪、机械表系统、导航系统、可视电话、监控系统、自动聚焦系统、追踪系统、运动监控系统(motion monitoring systems)以及图像稳定系统，但是不限于此。此外，在电子装置1000被应用到移动装置的情形下，可以还设置电池以向移动装置供给工作功率。
图29是显示具有根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器的电子装置的一示例的图示。如图29所示，根据本发明构思的示例实施方式的图像传感器可以被应用以实现移动电话2000。备选地，图像传感器可以被用于实现智能电话、个人数字助理(PDA)、便携式多媒体播放器(PMP)、数字多媒体广播(DMB)装置、全球定位系统(GPS)、掌上型游戏机、便携式计算机、上网本、无线电话、数字音乐播放器、存储卡或可以配置为无线接收或发送数据的其它电子产品。
根据本发明构思的示例实施方式，提供感测从物体反射的光并由此实现物体的三维图像的图像传感器。在该图像传感器中，第一和第二转移栅电极可以设置于半导体基板的在第一和第二电荷检测层之间的沟槽中。第一和第二电荷检测层可具有与第一和第二转移栅电极的底表面竖直间隔开的底表面。因此，在图像传感器的操作中，在从第一电荷检测层检测电荷的操作期间，可以选择性地增强通过向第一转移栅电极施加高电压而感生的电场，同时抑制通过向第二电荷检测层施加静电压而感生的另一电场。换言之，在从第一和第二电荷检测层检测电荷的操作期间，可以通过由转移栅电极和电荷检测层感生的电场而抑制电荷混合。结果，可以提高图像传感器的三维图像(例如，深度像素的DC性能)的准确性。
在上述实施方式中，第一和第二转移栅电极被设置在沟槽中。将理解，在其它实施方式中，沟槽可以包括第一沟槽和第二沟槽，第一转移栅电极可以在第一沟槽中，第二转移栅电极可以在第二沟槽中。
虽然已经特别显示并描述了本发明构思的示例实施方式，但是本领域的普通技术人员将理解，可以在形式和细节中进行各种改变而不脱离权利要求书的精神和范围。
本申请要求享有2013年10月31日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2013-0131345号的优先权，其公开通过全文引用结合于此。

Claims (25)

1.一种图像传感器，包括：
半导体基板，包括沟槽，所述半导体基板具有第一导电类型；
光电转换层，在所述沟槽下面的所述半导体基板中，所述光电转换层具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型；
第一和第二转移栅电极，所述第一和第二转移栅电极的每个至少部分地在所述沟槽中；
栅极绝缘层，至少部分地在所述沟槽中并且插置在所述第一和第二转移栅电极与所述光电转换层之间；
第一电荷检测层，在邻近所述第一转移栅电极的所述半导体基板中；以及
第二电荷检测层，在邻近所述第二转移栅电极的所述半导体基板中。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述沟槽在所述半导体基板的顶表面中，其中所述第一和第二转移栅电极的底表面比所述第一和第二电荷检测层的底表面更靠近所述半导体基板的底表面。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述沟槽竖直地延伸到所述半导体基板中，其中所述第一和第二转移栅电极在竖直方向上比所述第一和第二电荷检测层进一步延伸到所述半导体基板中。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中在平面图中，所述第一和第二转移栅电极重叠所述光电转换层。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一和第二转移栅电极之间的间隔小于所述第一转移栅电极的宽度。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述沟槽在所述半导体基板的顶表面中，所述图像传感器还包括：
在所述半导体基板的所述顶表面上的互连层，所述互连层包括多条线；以及
光学过滤层，设置在所述半导体基板的底表面上。
7.一种图像传感器，包括：
半导体基板，具有第一导电类型，所述半导体基板包括颜色像素区域和深度像素区域；
第一光电转换层，在所述半导体基板的所述颜色像素区域中，所述第一光电转换层具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型；
颜色像素转移栅电极，在所述第一光电转换层上；
第二光电转换层，在所述半导体基板的所述深度像素区域中，所述第二光电转换层具有所述第二导电类型；
第一和第二深度像素转移栅电极，在所述第二光电转换层上；
第一电荷检测层，在所述第一深度像素转移栅电极的与所述第二深度像素转移栅电极相反的一侧的所述半导体基板中；以及
第二电荷检测层，在所述第二深度像素转移栅电极的与所述第一深度像素转移栅电极相反的一侧的所述半导体基板中，
其中所述颜色像素转移栅电极至少部分地在所述半导体基板的顶表面中的第一沟槽中，所述第一和第二深度像素转移栅电极中的至少一个至少部分地在所述半导体基板的所述顶表面中的第二沟槽中。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述第一和第二电荷检测层的底表面比所述第一和第二深度像素转移栅电极的底表面更靠近所述半导体基板的所述顶表面。
9.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述颜色像素转移栅电极具有与所述第一和第二深度像素转移栅电极的顶表面共面的顶表面。
10.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述颜色像素转移栅电极设置在所述第一光电转换层的中心区域上方并且覆盖所述中心区域。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，还包括在所述颜色像素转移栅电极的一侧的所述半导体基板中的电荷检测层，所述电荷检测层具有所述第二导电类型。
12.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述第一和第二深度像素转移栅电极设置在所述第二光电转换层上方并且至少部分地覆盖所述第二光电转换层。
13.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述第一和第二深度像素转移栅电极之间的距离小于所述第一深度像素转移栅电极的宽度。
14.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述颜色像素转移栅电极的宽度小于所述第一和第二深度像素转移栅电极中每个的宽度。
15.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述第一光电转换层的第一竖直深度不同于所述第二光电转换层的第二竖直深度。
16.根据权利要求7所述的图像传感器，还包括，
在所述半导体基板的所述顶表面上的互连层，所述互连层包括多条竖直层叠的线；以及
在所述半导体基板的所述底表面上的光学过滤层。
17.根据权利要求16所述的图像传感器，其中所述光学过滤层包括：
第一光学过滤层，在所述颜色像素区域上使可见光通过；以及
第二光学过滤层，在所述深度像素区域上使红外光通过。
18.一种图像传感器系统，包括：
光源，配置为朝向物体发射光；
图像传感器，配置为感测从所述物体反射的光；以及
时序控制器，配置为向所述光源和所述图像传感器提供同步脉冲信号，
其中所述图像传感器包括：
半导体基板，具有在其顶表面中的沟槽；
第一和第二转移栅电极，在所述沟槽中；
光电转换层，在所述第一和第二转移栅电极下面的所述半导体基板中；
第一电荷检测层，在邻近所述第一转移栅电极的所述半导体基板中；以及
第二电荷检测层，在邻近所述第二转移栅电极的所述半导体基板中。
19.根据权利要求18所述的图像传感器系统，其中所述时序控制器配置为分别向所述第一和第二转移栅电极提供具有180度的相位差的第一和第二脉冲信号，以及
所述图像传感器系统被配置为基于所述第一和第二电荷检测层之间的电势差来计算从所述光源到所述物体的距离。
20.根据权利要求19所述的图像传感器系统，其中所述图像传感器被配置为使得当第一和第二转移信号被施加于所述第一和第二转移栅电极时，由所述第一和第二转移栅电极感生的电场彼此分离。
21.一种图像传感器，包括：
半导体基板，具有顶表面和底表面；
第一电荷检测层，在所述半导体基板中；
第二电荷检测层，在所述半导体基板中；
沟槽，在所述半导体基板的顶表面中在所述第一和第二电荷检测层之间竖直凹进；
第一和第二转移栅电极，在所述沟槽中，所述第一和第二转移栅电极彼此横向地间隔开并且在所述第一和第二电荷检测层之间；以及
光电转换层，在所述第一和第二转移栅电极下面的所述半导体基板中，
所述光电转换层的顶表面比所述第一和第二电荷检测层的底表面更靠近所述半导体基板的所述底表面。
22.根据权利要求21所述的图像传感器，还包括在所述沟槽的侧壁上的栅极绝缘层。
23.根据权利要求21所述的图像传感器，其中所述沟槽包括第一沟槽和邻近所述第一沟槽的第二沟槽，其中所述第一转移栅电极在所述第一沟槽中，所述第二转移栅电极在所述第二沟槽中。
24.根据权利要求21所述的图像传感器，其中所述第一转移栅电极的侧壁的至少一部分相对于竖直延伸穿过所述半导体基板的所述顶表面的平面倾斜。
25.根据权利要求21所述的图像传感器，其中所述沟槽的底表面比所述第一和第二电荷检测层的底表面更靠近所述半导体基板的所述底表面。
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