CN107785385B - 半导体器件和图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体器件和一种图像传感器。半导体器件可以包括：衬底；衬底中的器件隔离图案，以将第一像素和第二像素彼此电隔离；器件隔离图案中的导电图案；以及器件隔离图案的侧表面上的掺杂层。掺杂层的导电类型可以与衬底的导电类型不同。

Description

半导体器件和图像传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年8月25日提交至韩国知识产权局的韩国专利申请No.10-2016-0108534的优先权，该申请的全部公开内容以引用方式并入本文中。
技术领域
本公开一般涉及半导体器件和图像传感器，更具体地，涉及半导体器件的器件隔离图案。
背景技术
图像传感器是构造为将光学图像转换为电信号的半导体器件。图像传感器可以分为两种类型：电荷耦合器件(CCD)型和互补金属氧化物半导体(CMOS)型。通常，CMOS型图像传感器可以称为“CIS”。CIS可以包括多个二维布置的像素，每个像素包括将入射光转换成电信号的光电二极管(PD)。
发明内容
本发明构思的一些实施例提供了一种半导体器件，其提供高图像质量。
根据本发明构思的一些实施例，一种半导体器件可以包括衬底；衬底中的器件隔离图案，以将第一像素和第二像素彼此电隔离；器件隔离图案中的导电图案；以及器件隔离图案的侧表面上的掺杂层。掺杂层的导电类型可以与衬底的导电类型不同。
根据本发明构思的一些实施例，一种半导体器件可以包括具有掺杂区的衬底；掺杂区中的绝缘图案，以将第一像素和第二像素彼此电隔离；以及至少部分在绝缘图案中的导电通孔。掺杂区和衬底可以形成pn节。
根据本发明构思的一些实施例，一种半导体器件可以包括：第一导电类型的衬底；衬底中的器件隔离图案；以及器件隔离图案的侧表面上的电荷捕获图案。电荷捕获图案可以包括具有不同于第一导电类型的第二导电类型的杂质。衬底可以包括第一表面和与第一表面相对的第二表面，并且器件隔离图案可以包括导电图案和绝缘图案。绝缘图案可以插入在导电图案和电荷捕获图案之间。
根据本发明构思的一些实施例，一种图像传感器可以包括衬底中的第一光电转换区和第二光电转换区以及第一光电转换区和第二光电转换区之间的器件隔离图案。器件隔离图案可以在垂直于衬底表面的竖直方向上延伸，并且器件隔离图案可以包括导电图案以及导电图案与衬底之间的绝缘图案。图像传感器还可以包括：掺杂区，其位于衬底和器件隔离图案之间并且直接接触绝缘图案；第一互连图案，其位于衬底上并电连接至掺杂区；以及第二互连图案，其位于衬底上并电连接至导电图案。
附图说明
通过以下结合附图的简要说明，将更加清晰地理解各示例性实施例，附图表示本文所述的非限制性示例性实施例。
图1是根据本发明构思的一些实施例的半导体器件的像素的电路图。
图2A是示出根据本发明构思的一些实施例的半导体器件的平面图。
图2B是沿图2A的线I-II截取的截面图。
图2C是图2B的区域III的放大截面图。
图3A、图3B、图3C和图3D是示出根据本发明构思的一些实施例的制作半导体器件的方法的截面图。
图4是示出根据本发明构思的一些实施例的半导体器件的截面图。
图5是示出根据本发明构思的一些实施例的半导体器件的框图。
图6是根据本发明构思的一些实施例的半导体器件的像素的电路图。
图7A是示出根据本发明构思的一些实施例的半导体器件的平面图。
图7B是沿图7A的线I'-II'截取的截面图。
图7C是示出根据本发明构思的一些实施例的半导体器件的截面图。
应当注意，这些附图旨在说明在特定示例性实施例中使用的方法、结构和/或材料的一般特征并对下面提供的书面描述进行补充。然而，这些附图并不是按比例缩放并且可能不能精确地反映任何给定实施例的精确结构或性能特征，并且不应理解为限定或限制示例性实施例所包含的值或属性的范围。例如，为了清楚，会减小或夸大分子、层、区和/或结构元件的相对厚度和位置。在各种附图中使用相似或相同的附图标记旨在表示存在相似或相同的元件或特征。
具体实施方式
下面将描述根据本发明构思的一些实施例的半导体器件。如本文所用，术语“和/或”包括相关所列项中的一个或多个的任意或所有组合。
图1是根据本发明构思的一些实施例的半导体器件的像素的电路图。
参考图1，半导体器件可以包括多个像素，每个像素包括光电转换区PD、第一转移晶体管Tx、第一源极跟随器晶体管Sx、第一复位晶体管Rx以及第一选择晶体管Ax。第一转移晶体管Tx、第一源极跟随器晶体管Sx、第一复位晶体管Rx以及第一选择晶体管Ax可以分别包括第一转移栅极TG、第一源极跟随器栅极SG、第一复位栅极RG以及第一选择栅极AG。就是说，该半导体器件可以是图像传感器。
光电转换区PD可以是包括n型杂质区和p型杂质区的光电二极管。半导体器件可以包括用作第一转移晶体管Tx的漏极的第一浮置扩散区FD1。第一浮置扩散区FD1还可以用作第一复位晶体管Rx的源极。第一浮置扩散区FD1可以电连接至第一源极跟随器晶体管Sx的第一源极跟随器栅极SG。第一源极跟随器晶体管Sx可以连接至第一选择晶体管Ax。
在下文中，将参考图1描述半导体器件的图像感测操作。首先，在遮光状态下，为了从第一浮置扩散区FD1将电荷放电，可以将电源电压VDD施加到第一复位晶体管Rx的漏极和第一源极跟随器晶体管Sx的漏极，并且第一复位晶体管Rx可以导通。之后，如果第一复位晶体管Rx断开并且外部光入射到光电转换区PD，则可以在光电转换区PD产生电子-空穴对。空穴可以朝着光电转换区PD的p型杂质区移动并累积在该区中，电子可以朝着光电转换区PD的n型杂质区移动并累积在该区中。如果第一转移晶体管Tx导通，则电荷(即，电子和空穴)可以转移并累积到第一浮置扩散区FD1中。累积电荷量的改变可以导致第一源极跟随器晶体管Sx的栅极偏置的变化，并且这可以导致第一源极跟随器晶体管Sx的源极电位的变化。由此，如果第一选择晶体管Ax导通，则可以读出电荷的量来作为要通过列线传输的信号。
尽管图1的像素示出为具有单个光电转换区PD和四个晶体管(即Tx、Rx、Ax和Sx)，但是本发明构思可以不限于此。在一些实施例中，可以提供多个像素，并且第一复位晶体管Rx、第一源极跟随器晶体管Sx或第一选择晶体管Ax可以由这些像素中的相邻像素所共享。在这种情况下，可以提高半导体器件的集成度。
图2A是示出根据本发明构思的一些实施例的半导体器件的平面图。图2B是沿着图2A的线I-II截取的截面图，图2C是图2B的区域III的放大截面图。在下面的描述中，为了简洁起见，可以通过相似或相同的附图标记来标示先前描述的元件，而不重复其重叠的描述。
结合图1参考图2A至图2C，半导体器件1可以包括衬底100、器件隔离图案200和光电转换区PD。半导体器件1可以是图像传感器。衬底100可以包括多个像素Px。衬底100可以包括第一表面100a和与第一表面100a相对的第二表面100b。衬底100的第一表面100a可以是上表面，衬底100的第二表面100b可以是下表面。衬底100可以是例如半导体衬底(例如，硅晶片、锗晶片或硅-锗晶片)或绝缘体上硅(SOI)衬底。衬底100可以包含第一导电类型的杂质。第一导电类型的杂质可以是例如p型杂质(例如铝(Al)、硼(B)、铟(In)和/或镓(Ga))。
光电转换区PD可以分别提供在衬底100的像素Px中。光电转换区PD的每一个可以构造为具有与图2A和图2B的光电转换区PD相同的功能和作用。每个光电转换区PD可以包括第一杂质区110和第二杂质区120。第一杂质区110可以与衬底100的第一表面100a间隔开。第一杂质区110可以是形成在衬底100中并掺杂有第一导电类型的杂质的区域。第一杂质区110可以用作阱区。第二杂质区120可以提供在第一杂质区110中。第二杂质区120可以是掺杂有第二导电类型的杂质的区域。第二导电类型的杂质可以包括n型杂质(例如磷、砷、铋和/或锑)。
第一转移栅极TG中的每一个可以提供在衬底100的第一表面100a上和每个像素Px上。第一转移栅极TG可以延伸到衬底100中。栅极绝缘层190可以分别提供在第一转移栅极TG和衬底100之间。
第一浮置扩散区FD1可以提供在第一杂质区110中。第一浮置扩散区FD1可以提供在与第一转移栅极TG之一相对应的一侧。第一浮置扩散区FD1可以是掺杂杂质的区域，其导电类型与第一杂质区110的导电类型不同。例如，第一浮置扩散区FD1可以掺杂有n型杂质。
器件隔离图案200可以提供在衬底100中以限定像素Px。器件隔离图案200可以将彼此直接相邻的像素电隔离。应当理解，如果第一像素和第二像素之间没有像素，则第一像素和第二像素彼此直接相邻。例如，器件隔离图案200可以提供在衬底100的各个像素Px之间。器件隔离图案200可以是填充从衬底100的第一表面100a凹陷的沟槽201的绝缘图案，并且可以通过深沟槽隔离技术形成。在一些实施例中，如图2B所示，器件隔离图案200的底表面的宽度W1可以大于器件隔离图案200的顶表面的宽度W2。这里，与器件隔离图案200的顶表面相比，器件隔离图案200的底表面可以与衬底100的第一表面100a共面，或者可以更靠近衬底100的第一表面100a。然而，器件隔离图案200可以不限于所示的结构(例如，宽度和平面形状)，并且可以进行各种改变。例如，器件隔离图案200可以提供为填充通过使衬底100的第二表面100b凹陷而形成的沟槽201。
器件隔离图案200可以包括绝缘图案210和导电图案220。可以沿着沟槽201的侧表面来提供绝缘图案210。绝缘图案210可以由例如含硅材料(例如，氮化硅、氧化硅和/或氮氧化硅)和/或高k电介质材料(例如氧化铪和/或氧化铝)中的至少一种形成或包括例如含硅材料和/或高k电介质材料中的至少一种。绝缘图案210的折射率可以比衬底100的折射率或掺杂层150的折射率低。这可以防止或抑制在像素Px之间发生的串扰现象。
导电图案220可以提供在绝缘图案210中。导电图案220可以是形成为穿透衬底100的至少一部分的导电通孔。导电图案220可以具有提供在绝缘图案210中并与衬底100的第二表面100b间隔开的顶表面220b。导电图案220可以由掺杂多晶硅或金属(例如，钨或铝)中的至少一种形成或包括掺杂多晶硅或金属中的至少一种。
掺杂层150可以提供在衬底100中以及器件隔离图案200的侧表面上。在一些实施例中，如图2B所示，掺杂层150可以沿着器件隔离图案200的侧表面延伸。在一些实施例中，如图2B所示，掺杂层150可以直接接触器件隔离图案200的侧表面。掺杂层150可以包含不同于衬底100的导电类型的杂质。例如，掺杂层150可以包括第二导电类型的杂质(例如，n型杂质)。掺杂层150可以包括突起151。突起151可以是衬底100的与第一表面100a相邻并掺杂有第二导电类型的一部分。在一些实施例中，突起151可以连接至提供在器件隔离图案200的侧表面上的掺杂层150的一部分。
可在衬底100的第一表面100a上形成互连层300。互连层300可以包括绝缘层350、第一互连图案310和第二互连图案320。尽管未示出，但是绝缘层350可以包括多个层。第一互连图案310可以提供在衬底100的第一表面100a上，并且可以电连接至掺杂层150。例如，第一互连图案310可以与掺杂层150的突起151接触。第一互连图案310可以包括金属层和接触插头。第一互连图案310可以用于将第一电压V1施加到掺杂层150。在一些实施例中，第一电压V1可以是正电压。在一些实施例中，第一电压V1可以是接地电压。在一些实施例中，可以提供多个第一互连图案310和多个突起151。突起151可以分别提供在像素Px上，并且第一互连图案310可以分别耦接到突起151上。第一互连图案310和突起151的布置不限于图2A所示的布置，并且可以进行各种修改。在下文中，将描述第一互连图案310中的单独一个第一互连图案310。
第二互连图案320可以提供在衬底100的第一表面100a上，并且可以电连接至导电图案220。第二互连图案320可以用于将第二电压V2施加到导电图案220。第二电压V2可以是正偏置电压。绝缘层350可以提供为覆盖第一和第二互连图案310和320。
滤色器400和微透镜900可以提供在衬底100的第二表面100b上。滤色器400和微透镜900可以分别提供在像素Px上。例如，每个滤色器400可以包括红色、蓝色和绿色滤色器之一。使用滤色器400可以允许特定波长或颜色的光选择性地入射到光电转换区PD中。网格图案555可以提供在衬底100的第二表面100b上并介于滤色器400之间。微透镜900可以提供在滤色器400上。
图3A、图3B、图3C和图3D是示出根据本发明构思的一些实施例的制作半导体器件的方法的截面图。在下面的描述中，为了简洁起见，可以通过相似或相同的附图标记来标示先前描述的元件，而不重复其重叠的描述。
参考图3A，可以制备衬底100。可在衬底100中形成光电转换区PD。可在衬底100的第一表面100a上形成掩膜层(未示出)。可以蚀刻由掩模层暴露的衬底100，以在衬底100中形成沟槽201。在形成沟槽201的处理期间，会向衬底100施加蚀刻应力。结果，在沟槽201的侧表面201c和底表面201b上会形成界面缺陷(例如，悬空键(dangling bond))。
参考图3B，可在衬底100中形成掺杂层150。例如，掺杂层150的形成可以包括在衬底100的第一表面100a上形成掩模图案800，并且通过由掩模图案800暴露的沟槽201将第二导电类型的杂质注入到衬底100中。可以通过沟槽201的侧表面201c和底表面201b将第二导电类型的杂质注入衬底100中。这里，可以通过与沟槽201相邻的第一表面100a将第二导电类型的杂质注入到衬底100的一部分中，从而形成突起151。之后，可移除掩模图案800。
参考图3C，可在沟槽201中形成构成器件隔离图案200的绝缘图案210和导电图案220。可在掺杂层150上形成绝缘图案210。绝缘图案210可以沿沟槽201的侧表面201c和底表面201b延伸。导电图案220可以形成为穿透绝缘图案210的至少一部分。导电图案220的顶表面220b可以提供在绝缘图案210中。然而，导电图案220的顶表面220b的位置不限于此。例如，导电图案220的顶表面220b可以提供在掺杂层150中或衬底100中。器件隔离图案200可以用于限定衬底100中的像素Px。
参考图3D，可在衬底100中形成第一浮置扩散区FD1。可在衬底100的第一表面100a上形成第一转移栅极TG和互连层300。之后，可在衬底100的第二表面100b上执行化学机械抛光(CMP)或研磨处理，以使衬底100变薄。如交替的长短虚线所示，可以执行衬底100的薄化以暴露绝缘图案210。
返回参考图2B，可在衬底100的第二表面100b上形成滤色器400、网格图案555和微透镜900。根据本发明构思的一些实施例，制作半导体器件1的方法可以不限于参考图3A至图3D描述的方法。例如，在一些实施例中，可以通过蚀刻衬底100的第二表面100b来形成沟槽201。在这种情况下，可以在形成沟槽201之前预先形成光电转换区PD、第一浮置扩散区FD1、第一转移栅极TG和互连层300。在下文中，将更详细地描述器件隔离图案200和掺杂层150。
参考图2B和图2C，光可以通过第二表面100b入射到衬底100中。当光电转换区PD暴露于入射光时，光电转换区PD可以产生电子-空穴对，并且在该处理中产生的电子或空穴可以用作电信号。在参考图3A描述的衬底100的蚀刻处理期间，会在沟槽201的侧表面201c处产生界面缺陷。由沟槽201的界面缺陷以及入射光也会产生电子。如果由界面缺陷产生的电子(e-)通过掺杂层150和衬底100转移到光电转换区PD，则像素Px不仅会输出光电信号还会输出噪声信号。这里，光电信号可以指由入射光产生的电信号，噪声信号可以指由界面缺陷产生的电信号。在下文中，为了描述简洁，由沟槽201的侧表面201c处的界面缺陷产生的电子(e-)将被称为噪声电子。在一些实施例中，沟槽201的界面缺陷可以包括掺杂层150和器件隔离图案200的绝缘图案210之间的界面缺陷。
掺杂层150可以形成为具有与衬底100的导电类型不同的导电类型，因此，掺杂层150和衬底100可以形成pn结。如图2C所示，pn结可以包括在掺杂层150和衬底100中形成的耗尽区DR。例如，在pn结中，作为空穴和电子复合的结果，耗尽区DR可以是形成在结界面附近的区域。作为示例，掺杂层150可以是n型，衬底100可以是p型。在这种情况下，作为掺杂层150的电子155和衬底100的空穴105的扩散和复合的结果，用作势垒的耗尽区DR可以形成在掺杂层150和衬底100之间的结界面附近。
由于用作势垒的耗尽区DR，使得由界面缺陷产生的电子(即，噪声电子e-)可能会难以从掺杂层150移动到衬底100。因此，噪声电子e-可以被捕获在掺杂层150中。当操作半导体器件1时，可以通过第二互连图案320将第二电压V2施加到导电图案220上。在第二电压V2是正偏置电压的情况下，可以增加耗尽区DR的电位差。这可导致通过耗尽区DR的噪声电子e-数量的减少(即，将在掺杂层150中捕获的噪声电子e-数量的增加)。第一互连图案310可以用于将第一电压V1施加到掺杂层150，这里，第一电压V1可以是正电压。在掺杂层150中捕获的噪声电子e-可以通过第一互连图案310耗散至外部。因此，可以防止或抑制噪声电子e-移动到光电转换区PD，从而提高半导体器件1的图像质量。
图4是示出根据本发明构思的一些实施例的半导体器件的截面图。图4是沿图2A的线I-II截取的截面图。在下面的描述中，为了简洁起见，可以通过相似或相同的附图标记来标示先前描述的元件，而不必重复其重叠的描述。
结合图2A参考图4，除了衬底100、器件隔离图案200、光电转换区PD、掺杂层150和互连层300之外，半导体器件2还可以包括器件绝缘图案250。
器件隔离图案200可以具有与衬底100的第二表面100b间隔开的顶表面220b。例如，可以将图3D的抛光或研磨处理执行为不暴露器件隔离图案200。掺杂层150可以提供在器件隔离图案200的侧表面上。掺杂层150可以包括覆盖器件隔离图案200的顶表面200b的部分。
器件绝缘图案250可提供在衬底100中。器件绝缘图案250可以通过浅沟槽隔离(STI)技术形成，并且可以具有比器件隔离图案200的厚度更小的厚度。器件绝缘图案250可以具有位于与器件隔离图案200的顶表面200b不同的水平面上的顶表面250b。例如，器件绝缘图案250的顶表面250b可以比器件隔离图案200的顶表面200b更靠近衬底100的第一表面100a。在一些实施例中，器件绝缘图案250在垂直于衬底100的第一表面100a的方向上可以具有第一长度，器件隔离图案200在该方向上具有第二长度，并且如图4所示，第一长度小于第二长度。在一些实施例中，器件绝缘图案250和器件隔离图案200可以形成如图4所示的阶梯结构。例如，器件绝缘图案250可以提供在器件隔离图案200的侧表面上，并且可以包括在平行于第一表面100a的横向方向上从器件隔离图案200延伸的部分。作为示例，器件绝缘图案250可以由与绝缘图案210相同的材料形成或包括与绝缘图案210相同的材料，并且可以物理连接至绝缘图案210。器件绝缘图案250可提供为限定有源区。例如，第一转移晶体管Tx和读出器件T中的每一个可以包括由器件绝缘图案250限定的有源区，并且第一浮置扩散区FD1和读出器件T的源极/漏极区SDR中的每一个可以是有源区的一部分。这里，读出器件T可以包括图1的第一源极跟随器晶体管Sx、第一复位晶体管Rx或第一选择晶体管Ax中的至少一个。在一些实施例中，掺杂层150可以不提供在器件绝缘图案250的侧表面和顶表面250b上。在一些实施例中，掺杂层150还可以包括提供在器件绝缘图案250和衬底100之间的部分。
图5是示出根据本发明构思的一些实施例的半导体器件的框图。在下面的描述中，为了简洁起见，可以通过相似或相同的附图标记来标示先前描述的元件，而不必重复其重叠的描述。
参考图5，半导体器件3可以包括光电转换区PD1和PD2、滤色器410和420以及光电转换层PD3。光电转换层PD3可提供在衬底100上。分别具有第一至第三波长的第一至第三光L1、L2和L3可以入射到光电转换层PD3中。第一波长和第二波长可以不同于第三波长。第一波长可以不同于第二波长。例如，第一光L1可以是红光，第二光L2可以是蓝光，第三光L3可以是绿光。
光电转换层PD3可以构造为从第三光L3产生第三光电信号S3。光电转换层PD3可以产生对应于第三光L3的第三光电信号S3。光电转换层PD3可以构造为允许第一光L1和第二光L2从其通过。当在平面视图中观察时，光电转换层PD3可以与光电转换区PD1和PD2重叠。应当理解，“在平面视图中元件A与元件B重叠”(或类似短语)意味着至少存在一条垂线，其与元件A和B两者都相交。
穿过光电转换层PD3的第一和第二光L1和L2可以入射到滤色器410和420中。滤色器410和420可包括第一滤色器410和第二滤色器420。可以在光电转换区PD1和PD2中的每一个上提供第一滤色器410和第二滤色器420中的一个。第一滤色器410可以构造为允许第一光L1从其通过并阻止第二光L2从其通过。第二滤色器420可以构造为允许第二光L2从其通过并阻止第一光L1从其通过。
光电转换区PD1和PD2可以提供在衬底100的像素Px中。光电转换区PD可以包括第一光电转换区PD1和第二光电转换区PD2。第一光电转换区PD1可以提供在第一滤色器410的底表面上，第二光电转换区PD2可以提供在第二滤色器420的底表面上。第一滤色器410可以构造为允许第一光L1入射到第一光电转换区PD1中。在第一光电转换区PD1中，第一光L1可以产生第一光电信号S1。在第二光电转换区PD2中，第二光L2可以产生第二光电信号S2。在一些实施例中，光电转换层PD3可以堆叠在光电转换区PD1和PD2上，这样可以减小半导体器件3的尺寸。
可以与参考图1所述的光电转换区PD相同的方式来操作第一光电转换区PD1和第二光电转换区PD2。在下文中，将参考图6描述光电转换层PD3的操作。
图6是根据本发明构思的一些实施例的半导体器件的像素的电路图。
参考图6，除了图1的第一转移晶体管Tx、第一源极跟随器晶体管Sx、第一复位晶体管Rx和第一选择晶体管Ax之外，在半导体器件的每个像素上还提供第二源极跟随器晶体管Sx'、第二复位晶体管Rx'和第二选择晶体管Ax'。第二源极跟随器晶体管Sx'、第二复位晶体管Rx'以及第二选择晶体管Ax'可以分别包括第二源级跟随器栅极SG'、第二复位栅极RG'以及第二选择栅极AG'。与图1中的不同，在光电转换层PD3和第二浮置扩散区FD2之间可以不提供转移栅极。
在光电转换层PD3中产生的光电荷可以转移到第二浮置扩散区FD2。第二源极跟随器晶体管Sx'、第二复位晶体管Rx'和第二选择晶体管Ax'可以构造为具有与图1的第一源极跟随器晶体管Sx、第一复位晶体管Rx和第一选择晶体管Ax实质上相同的特征(例如，在它们的操作方法和作用方面)。在一些实施例中，可以设计和提供第二源极跟随器晶体管Sx'、第二复位晶体管Rx'和第二选择晶体管Ax'以执行独立于第一转移晶体管Tx、第一源极跟随器晶体管Sx、第一复位晶体管Rx和第一选择晶体管Ax的操作。在一些实施例中，光电转换层PD3可以构造为共享图1的光电转换区PD上的第一源极跟随器晶体管Sx、第一复位晶体管Rx或第一选择晶体管Ax。在这种情况下，可以针对这种共享省略第二源极跟随器晶体管Sx'、第二复位晶体管Rx'或第二选择晶体管Ax'。
图7A是示出根据本发明构思的一些实施例的半导体器件的平面图。图7B是沿图7A的线I'-II'截取的截面图。在下面的描述中，为了简洁起见，可以通过相似或相同的附图标记来标示先前描述的元件，而不必重复其重叠的描述。
结合图5和图6参考图7A和图7B，除了衬底100、器件隔离图案200、掺杂层150、光电转换区PD1和PD2以及互连层300之外，半导体器件3还可以包括光电转换层PD3。衬底100、器件隔离图案200和掺杂层150可以提供为具有与图2A至图2C实质上相同的特征。例如，掺杂层150可以提供在衬底100和器件隔离图案200之间，并且可以包含第二导电类型的杂质。第一互连图案310可以用于将第一电压V1施加到掺杂层150。绝缘图案210可以插入在导电图案220和衬底100之间。导电图案220可以提供为穿透绝缘图案210。导电图案220的顶表面220b可以与衬底100的第二表面100b共面。
光电转换区PD1和PD2可以提供在衬底100中。第一光电转换区PD1和第二光电转换区PD2可以构造为具有与图1的光电转换区PD实质上相同的特征(例如，在它们的操作方法和作用方面)。第一光电转换区PD1可以包括第一杂质区110和第二杂质区120。第二光电转换区PD2可以包括第一杂质区110和第二杂质区120。在每个像素Px中可以提供第一光电转换区PD1和第二光电转换区PD2中的至少一个。保护层500可以提供在衬底100的第二表面100b上。保护层500可以由绝缘材料(例如，氧化硅)形成或包括绝缘材料。滤色器410和420可以提供在保护层500中。第一滤色器410和第二滤色器420可以分别提供在第一光电转换区PD1和第二光电转换区PD2上。如参考图5所述，第一滤色器410可以构造为允许第一光L1从其通过。第一光电转换层PD1可以构造为从第一光L1产生第一光电信号S1。第二滤色器420可以构造为允许第二光L2从其通过。第二光电转换区PD2可以构造为从第二光L2产生第二光电信号S2。
下电极图案610可以提供在保护层500中并且提供在滤色器410和420上。下电极图案610可以由透明导电氧化物形成或包括透明导电氧化物。连接部分550可以插入在导电图案220和下电极图案610之间。连接部分550可以电连接至导电图案220和下电极图案610。连接部分550可以由导电材料(例如，至少一种金属)形成或包含导电材料。
光电转换层PD3可提供在下电极图案610上。光电转换层PD3可以构造为具有与参考图6描述的光电转换层PD3实质上相同的特征(例如，在它们的操作方法和作用方面)。光电转换层PD3可包括有机光电转换层。光电转换层PD3可以包括被提供为构成pn结的p型有机半导体材料和n型有机半导体材料。在一些实施例中，光电转换层PD3可以包括量子点或硫族化合物材料。如参考图5所述，光电转换层PD3可以构造为吸收第三光L3，然后从第三光L3产生电子-空穴对。因此，可以不需要在光电转换层PD3上提供额外的滤色器。
可以在光电转换层PD3上提供上电极图案620。上电极图案620可以由透明导电氧化物形成或包括透明导电氧化物。上电极图案620可以施加有第三电压V3。第三电压V3可以是正偏置电压。在一些实施例中，第三电压V3可以是用于操作光电转换层PD3的操作电压。如果将第三电压V3施加到上电极图案620，则形成在光电转换层PD3中的电子或空穴可以通过下电极图案610和连接部分550转移到导电图案220。第二互连图案321可以提供在衬底100的第一表面100a上，并且可以电连接至导电图案220和第二浮置扩散区FD2。转移到导电图案220的电子或空穴可以通过第二互连图案321转移到第二浮置扩散区FD2。导电图案220可以用作输送光电转换层PD3中产生的空穴或电子的路径。第二浮置扩散区FD2可以提供在衬底100中，并且可以与衬底100的第一表面100a相邻。可以通过器件绝缘部分251将第二浮置扩散区FD2与第一浮置扩散区FD1电分离。器件绝缘部分251可以通过浅沟槽隔离(STI)技术形成，并且可以具有比器件隔离图案200的厚度更小的厚度。尽管未示出，但是图6的第二晶体管Sx'、Rx'或Ax'以及图1的晶体管Sx、Rx和Ax可以提供在衬底100的第一表面100a上。在一些实施例中，以独立的方式操作图6的晶体管Sx'、Rx'和Ax'与图1的晶体管Sx、Rx和Ax。在一些实施例中，这些晶体管中的至少一些可由光电转换层PD3以及光电转换区PD1和PD2共享。
掺杂层150可以含有与衬底100不同的杂质，因此，可以在掺杂层150和衬底100之间形成耗尽区。施加到上电极图案620的第三电压V3可以转移到导电图案220，这里，第三电压V3可以是正电压。在将正电压施加到导电图案220的情况下，可以增加耗尽区中的电位差。可以在掺杂层150中捕获噪声电子。在通过第一互连图案310将第一电压V1施加到掺杂层150的情况下，被捕获的噪声电子可以从掺杂层150流到第一互连图案310。
图7C是示出根据本发明构思的一些实施例的半导体器件的截面图。例如，图7C是沿图7A的线I'-II'截取的截面图。在下面的描述中，为了简洁起见，可以通过相似或相同的附图标记来标示先前描述的元件，而不必重复其重叠的描述。
参考图7C，半导体器件4可以包括衬底100、器件隔离图案200、掺杂层150、光电转换区PD1和PD2、光电转换层PD3、器件绝缘部分251和互连层300。导电图案220可以通过下电极图案610和连接部分550电连接至光电转换层PD3。
在一些实施例中，器件绝缘图案250和器件隔离图案200可以形成阶梯结构，如图7C所示。器件绝缘图案250可以提供在器件隔离图案200的侧表面上，并且可以物理连接至绝缘图案210。例如，器件绝缘图案250可以在平行于衬底100的第一表面100a的横向方向上从器件隔离图案200延伸。器件绝缘图案250的顶表面250b可以比器件隔离图案200的顶表面200b更靠近衬底100的第一表面100a。在一些实施例中，可以通过单个处理(即，同一处理)形成器件绝缘图案250和器件绝缘部分251。例如，器件绝缘图案250和器件绝缘部分251可以由同一材料形成或包括同一材料。器件绝缘部分251可以构造为具有与参考图7B所描述的相同的结构和功能。
根据本发明构思的一些实施例，可以提供其导电类型与衬底的导电类型不同的掺杂层，因此可以在掺杂层和衬底之间形成耗尽区。由器件隔离图案和掺杂层之间的界面缺陷产生可以噪声电子，但是它们中的一些可能不会穿过耗尽区并且会在掺杂层中被捕获。器件隔离图案可以包括施加有正电压的导电图案。可以在掺杂层中捕获更多的噪声电子。被捕获的噪声电子可以放电到第一互连图案。这可以防止或抑制噪声电子移动到光电转换区，从而提高半导体器件的图像质量。
虽然已经特别示出和描述了本发明构思的示例性实施例，但是本领域普通技术人员应该理解，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可对示例性实施例作出各种形式和细节上的修改。上述公开的主题应看作是示例性的，而不是限制性的，并且所附权利要求书旨在覆盖落入本发明构思的精神和范围内的所有变型、增强和其他实施例。因此，在法律所允许的最大程度内，通过随附权利要求及其等同物允许的最广泛的解释来确定该范围，而不应由前面的详细描述来限制或限定该范围。

Claims (22)

1.一种半导体器件，其包括：
衬底；
所述衬底中的器件隔离图案，所述器件隔离图案将第一像素和第二像素彼此电隔离；
所述器件隔离图案中的导电图案；以及
所述器件隔离图案的侧表面上的掺杂层，
其中，所述掺杂层的导电类型与所述衬底的导电类型不同，
其中，所述器件隔离图案包括绝缘图案，其位于所述导电图案和所述掺杂层之间并且包括绝缘材料，
其中，所述掺杂层位于所述绝缘图案和所述衬底之间，
其中，所述掺杂层将所述绝缘图案与所述衬底分离，并且
其中，所述绝缘图案的折射率低于所述掺杂层的折射率，
其中，所述导电图案连接至电压源，所述电压源构造为向所述导电图案施加正电压。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述掺杂层为n型。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括：
位于所述衬底上并且电连接至所述掺杂层的第一互连图案；以及
位于所述衬底的第一表面上并且电连接至所述导电图案的第二互连图案，
其中，所述第二互连图案与所述第一互连图案以及所述掺杂层间隔开。
4.根据权利要求3所述的半导体器件，其中，所述第一互连图案连接至电压源，所述电压源构造为向所述第一互连图案施加正电压。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括分别在所述第一像素和第二像素中并且在所述衬底中的第一光电转换区和第二光电转换区。
6.根据权利要求5所述的半导体器件，还包括提供在所述衬底上并与所述第一光电转换区和第二光电转换区重叠的光电转换层。
7.根据权利要求6所述的半导体器件，其中，所述导电图案电连接至所述光电转换层。
8.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括：
所述衬底中的第一浮置扩散区；
位于所述衬底上并且电连接至所述掺杂层的第一互连图案；以及
位于所述衬底的第一表面上并且电连接至所述导电图案的第二互连图案，
其中，所述第二互连图案与所述第一互连图案间隔开，并且
其中，所述第一浮置扩散区通过所述第二互连图案连接到所述导电图案。
9.根据权利要求8所述的半导体器件，还包括：
转移栅极，其位于所述衬底上并且在所述第一像素中；以及
第二浮置扩散区，其位于所述衬底中并与所述转移栅极的一侧相邻，
其中，所述第一浮置扩散区与所述第二浮置扩散区电隔离。
10.一种半导体器件，包括：
带有掺杂区的衬底；
所述掺杂区中的绝缘图案，所述绝缘图案将第一像素和第二像素彼此电隔离；以及
至少部分位于所述绝缘图案中的导电通孔，
其中，所述掺杂区和所述衬底形成pn结 ，
其中，所述掺杂区位于所述绝缘图案和所述衬底之间，
其中，所述掺杂区将所述绝缘图案与所述衬底分离，
其中，所述导电通孔连接至电压源，所述电压源构造为向所述导电通孔施加正电压。
11.根据权利要求10所述的半导体器件，还包括：
第一互连图案，其位于所述衬底的第一表面上并电连接至所述掺杂区；以及
第二互连图案，其位于所述衬底的第一表面上并且电连接至所述导电通孔，
其中，所述第二互连图案与所述第一互连图案以及所述掺杂区间隔开，并且
其中，所述第一互连图案与所述导电通孔电隔离。
12.一种半导体器件，包括：
第一导电类型的衬底，所述衬底包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
所述衬底中的器件隔离图案，所述器件隔离图案包括导电图案和绝缘图案；
电荷捕获图案，其位于所述器件隔离图案的侧表面上，所述电荷捕获图案包括具有第二导电类型的杂质，所述第二导电类型与所述第一导电类型不同；
有机光电转换层，其位于所述衬底的第二表面上，
其中，所述绝缘图案在所述导电图案和所述电荷捕获图案之间，
其中，所述电荷捕获图案具有第一侧壁和与所述第一侧壁相对的第二侧壁，所述电荷捕获图案的第一侧壁直接接触所述衬底，并且所述电荷捕获图案的第二侧壁直接接触所述绝缘图案，
其中，所述导电图案连接至电压源，所述电压源构造为向所述导电图案施加正电压。
13.根据权利要求12所述的半导体器件，还包括互连图案，其位于所述衬底的第一表面上并电连接至所述电荷捕获图案，其中所述绝缘图案的折射率低于所述电荷捕获图案的折射率。
14.根据权利要求12所述的半导体器件，其中，所述器件隔离图案在第一像素和第二像素之间，并且将所述第一像素和第二像素彼此电隔离。
15.根据权利要求12所述的半导体器件，还包括：
所述衬底中的浮置扩散区；以及
互连图案，其位于所述衬底的第一表面上并电连接至所述导电图案和所述浮置扩散区。
16.根据权利要求12所述的半导体器件，还包括器件绝缘图案，其位于所述器件隔离图案的侧表面上并物理地连接至所述绝缘图案，
其中，所述器件绝缘图案在垂直于所述衬底的第一表面的竖直方向上具有第一长度，所述器件隔离图案在所述竖直方向上具有第二长度，所述第一长度小于所述第二长度。
17.根据权利要求12所述的器件，其中，所述第二导电类型为n型。
18.一种图像传感器，包括：
衬底中的第一光电转换区和第二光电转换区；
器件隔离图案，其位于所述第一光电转换区和所述第二光电转换区之间，所述器件隔离图案在垂直于所述衬底的表面的竖直方向上延伸，并且所述器件隔离图案包括导电图案以及所述导电图案与所述衬底之间的绝缘图案；
掺杂区，其位于所述衬底和所述器件隔离图案之间，所述掺杂区与所述绝缘图案直接接触；
第一互连图案，其位于所述衬底的所述表面上并电连接至所述掺杂区；以及
第二互连图案，其位于所述衬底的所述表面上并电连接至所述导电图案，
其中，所述第二互连图案与所述第一互连图案以及所述掺杂区间隔开，
其中，所述第二互连图案将所述导电图案电连接至第一电压源，并且
其中，所述第一电压源构造为向所述第二互连图案施加第一正电压。
19.根据权利要求18所述的图像传感器，其中，所述掺杂区包括具有n型导电类型的杂质。
20.根据权利要求19所述的图像传感器，其中，所述第一互连图案将所述掺杂区电连接至第二电压源，并且
其中，所述第二电压源构造为向所述第一互连图案施加接地电压或第二正电压。
21.根据权利要求18所述的图像传感器，其中，所述器件隔离图案在竖直方向上延伸穿过所述衬底。
22.根据权利要求18所述的图像传感器，还包括：
所述衬底上的光电转换层，所述光电转换层与所述第一光电转换区和所述第二光电转换区重叠；
滤色器，其位于所述光电转换层和所述第一光电转换区之间；
电极，其位于所述光电转换层和所述滤色器之间并电连接至所述光电转换层；以及
所述第一光电转换区中的浮置扩散区，
其中，所述导电图案电连接至所述电极，并且
其中，所述第二互连图案将所述导电图案电连接至所述浮置扩散区。
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