CN109148493B - 用于测量距离的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了图像传感器。一种图像传感器包括半导体衬底，该半导体衬底具有第一导电类型并包括第一表面、与第一表面相反的第二表面以及邻近第一表面的阱区。第一竖直传输栅极和第二竖直传输栅极彼此间隔开并在半导体衬底的厚度方向上从第一表面延伸以穿过阱区的至少一部分。光电转换区具有不同于第一导电类型的第二导电类型，位于阱区和第二表面之间的半导体衬底中，并在半导体衬底的厚度方向上交叠第一竖直传输栅极和第二竖直传输栅极。布线结构位于半导体衬底的第一表面上。

Description

用于测量距离的图像传感器
技术领域
本公开涉及一种图像传感器。更具体地，本公开涉及用于测量距离的图像传感器。
背景技术
一般的图像传感器不具有关于到对象的距离的信息。为了获得关于到对象的距离的精确信息，已经开发了飞行时间(ToF)图像传感器。飞行时间图像传感器可以通过测量当光被发射到对象时的时间与当从该对象反射的光被接收时的时间之间的飞行时间而获得关于到对象的距离的信息。
发明内容
本公开提供一种可使像素小型化并可提高灵敏度的用于测量距离的图像传感器。
根据本公开的一方面，一种图像传感器包括：半导体衬底；第一竖直传输栅极和第二竖直传输栅极；光电转换区；以及布线结构。半导体衬底具有第一导电类型并包括第一表面、与第一表面相反的第二表面以及邻近第一表面的阱区。第一竖直传输栅极和第二竖直传输栅极彼此间隔开并在半导体衬底的厚度方向上从第一表面延伸以穿过阱区的至少一部分。光电转换区具有不同于第一导电类型的第二导电类型。光电转换区位于阱区和第二表面之间的半导体衬底中，并在半导体衬底的厚度方向上交叠第一竖直传输栅极和第二竖直传输栅极。布线结构位于半导体衬底的第一表面上。
根据本公开的另一方面，一种图像传感器包括：布线结构；阱区；光电转换区；微透镜；以及至少两个传输栅极结构。阱区包括解调区域并位于布线结构上。光电转换区位于阱区上。微透镜位于光电转换区上。所述至少两个传输栅极结构彼此间隔开并使解调区域在其间，并且每个包括在阱区的厚度方向上延伸以穿过阱区的至少一部分的竖直传输栅极以及围绕竖直传输栅极的传输栅极绝缘膜。
根据本公开的另一方面，一种图像传感器具有背侧照明(BSI)结构，并包括：半导体衬底；多个竖直传输栅极；第一光电转换区；以及第二光电转换区。半导体衬底具有第一导电类型并包括第一表面、与第一表面相反的第二表面以及邻近第一表面的阱区。竖直传输栅极彼此间隔开并从第一表面朝向第二表面延伸以穿过阱区的至少一部分。第一光电转换区位于邻近第二表面的半导体衬底中。第二光电转换区具有不同于第一导电类型的第二导电类型，位于第一光电转换区与阱区之间，并具有比第一光电转换区的宽度小的宽度以及比第一光电转换区的杂质浓度大的杂质浓度。
附图说明
从以下结合附图的详细描述，本公开的实施方式将被更清楚地理解，附图中：
图1是根据一实施方式的系统的方框图；
图2是用于说明根据一实施方式的系统的操作的图；
图3A是示出根据一实施方式的图像传感器的单元像素的元件的剖视图；
图3B是根据一实施方式的图像传感器的单元像素的等效电路图；
图3C是示出根据一实施方式的图像传感器的单元像素的元件的俯视图；
图4A是用于说明根据一实施方式的图像传感器的用于测量距离的操作的时序图；
图4B是根据一实施方式的图像传感器的像素阵列的俯视图；
图4C和图4D是像素阵列的俯视图，用于说明根据一实施方式的图像传感器的用于测量距离的操作；
图5A是用于说明根据一实施方式的图像传感器的用于测量距离的操作的时序图；
图5B是根据一实施方式的图像传感器的像素阵列的俯视图；
图5C和图5D是像素阵列的俯视图，用于说明根据一实施方式的图像传感器的用于测量距离的操作；
图6A至图6E是示出根据一实施方式的图像传感器的单元像素的元件的剖视图；
图7A是示出根据一实施方式的图像传感器的单元像素的元件的剖视图；
图7B是根据一实施方式的图像传感器的单元像素的等效电路图；
图7C是示出根据一实施方式的图像传感器的单元像素的元件的俯视图；
图8是示出根据一实施方式的图像传感器的单元像素的元件的俯视图；
图9A是示出根据一实施方式的图像传感器的单元像素的元件的剖视图；
图9B是根据一实施方式的图像传感器的单元像素的等效电路图；
图10A是示出根据一实施方式的图像传感器的单元像素的元件的剖视图；以及
图10B是根据一实施方式的图像传感器的单元像素的等效电路图。
具体实施方式
将参照附图详细说明实施方式以充分地描述本发明构思(们)的元件和效果。
图1是根据一实施方式的系统15的方框图。
参照图1，系统15可以包括与处理器19或主机通信的成像模块17。在一些实施方式中，系统15还可以包括连接到处理器19并储存从成像模块17接收的信息诸如图像数据的存储模块20。在一些实施方式中，系统15可以被集成到一个半导体芯片中。在另一些实施方式中，成像模块17、处理器19和存储模块20的每个可以被提供为单独的半导体芯片。在一些实施方式中，存储模块20可以包括一个或更多个存储芯片。在一些实施方式中，处理器19可以包括多个处理芯片。
系统15可以是应用根据一实施方式的用于测量距离的图像传感器的低功率电子装置。系统15可以是便携式的或固定的。当系统15是便携式的时，系统15的示例可以包括移动装置、移动电话、智能手机、用户设备(UE)、平板、数字照相机、膝上计算机、台式计算机、电子智能手表、机器对机器(M2M)通讯装置、虚拟现实(VR)装置、VR模块和机器人。当系统15是固定的时，系统15的示例可以包括游戏厅的游戏机、交互式视频终端、车辆、机器视觉系统、工业机器人、VR装置和车内照相机(例如用于监控驾驶员是否困乏的照相机)。
在一些实施方式中，成像模块17可以包括光源22和图像传感器单元24。光源22可以是例如发射红外或可见光的激光二极管(LD)或发光二极管(LED)、近红外(NIR)激光器、点光源、白色灯、与单色器结合的单色光源、或另一激光源的组合。在一些实施方式中，光源22可以发射具有在从约800nm至约1000nm的范围内的波长的红外光。图像传感器单元24可以包括如在图2中示出和描述的像素阵列和辅助处理电路。
例如，处理器19可以是中央处理器(CPU)，该CPU是通用处理器。为了说明的方便，“处理器”和“CPU”可以可互换地使用。在一些实施方式中，除了CPU之外，处理器19可以是或者还包括微控制器、数字信号处理器(DSP)、图形处理单元(GPU)和/或专用集成电路(ASIC)处理器。此外，处理器19可以包括在分布式处理环境中运行的一个或更多个CPU。处理器19可以配置为取决于精简指令集计算机(RISC)ISA根据指令集架构(ISA)诸如x86ISA(例如32位版本或64位版本)
Figure BDA0001629569840000041
ISA或无内部互锁流水级的微处理器(MIPS)ISA执行指令并处理数据。例如，处理器19可以是具有除了CPU的功能之外的功能的片上系统(SoC)。
存储模块20可以是例如动态随机存取存储器(DRAM)诸如同步DRAM(SDRAM)、高带宽存储(HBM)模块或基于DRAM的三维堆叠(3DS)存储模块诸如混合式的存储器立方体(HMC)存储模块。存储模块20可以是例如固态驱动器(SSD)、DRAM模块或基于半导体的储存器，诸如静态随机存取存储器(SRAM)、相变随机存取存储器(PRAM)、电阻式随机存取存储器(RRAM)、导电桥接RAM(CBRAM)、磁RAM(MRAM)或自旋转移矩MRAM(STT-MRAM)。
图2是用于说明根据一实施方式的系统15的操作的图。
参照图2，系统15可以用于获得关于3D物体26在Z轴方向上的深度信息，该3D物体26可以是单独的物体或在场景(未示出)中的物体。在一些实施方式中，深度信息可以由处理器19基于从图像传感器单元24接收的扫描数据计算。在一些实施方式中，深度信息可以由图像传感器单元24计算。在一些实施方式中，深度信息可以被处理器19用作3D用户界面的一部分，使得系统15的用户可以在系统15中执行的游戏或应用中与3D物体26的3D图像相互作用或使用3D物体26的3D图像。
X轴是沿着系统15的前表面的水平方向，Y轴是从页面出来的竖直方向，Z轴是可朝向将被成像的3D物体26取向的深度方向。在一些实施方式中，光源22的光轴和图像传感器单元24的光轴可以平行于Z轴以便测量深度。
光源22可以如由箭头28和29标记地照射3D物体26。箭头28和29分别对应于表示光束或光辐射的路径的虚线30和31。光束或光辐射可以用于在宽的视角内执行对3D物体26的点扫描。在物体的表面上的逐行(line-by-line)扫描通过使用光辐射源来进行，该光辐射源可以是由光控制器34操作和控制的发光器件33。在光控制器34的控制下，来自发光器件33的光束可以穿过投射透镜35在3D物体26的表面上在X-Y方向上点扫描。在一些实施方式中，在点扫描期间，光斑可以沿着扫描线被投射到3D物体26的表面。投射透镜35可以是具有玻璃表面或塑料表面的会聚透镜、或者圆柱形光学元件，用于将来自发光器件33的激光束会聚在3D物体26的该表面上的一个点上。例如，投射透镜35可以是具有凸起结构的会聚透镜。然而，实施方式不限于此，另外的适合的透镜设计可以被选择用于投射透镜35。3D物体26可以位于焦点处，在该处来自发光器件33的照射光通过投射透镜35会聚在光斑上。因此，在点扫描期间，3D物体26的表面上的窄区域或点可以通过由投射透镜35会聚的光束顺序地照射。
在一些实施方式中，发光器件33可以是用于发射红外或可见光的激光二极管或发光二极管、NIR激光器、点光源、白色灯、与单色器结合的单色光源、或另一激光源的组合。发光器件33可以被固定在系统15的外壳中的一个位置处并可以在X-Y方向上旋转。发光器件33可以通过光控制器34在X-Y方向上被控制，并可以对3D物体26进行点扫描。在一些实施方式中，可见光可以是绿光。从发光器件33发出的光可以通过使用反射镜(未示出)发射到3D物体26的表面。或者，点扫描可以在没有反射镜的情况下进行。例如，光源22可以包括比图2中示出的那些元件更少或更多的元件。
从3D物体26的点扫描反射的光可以沿着由箭头36和37以及虚线38和39标记的光收集路径行进。由于来自发光器件33的光经过光收集路径被接收，所以由3D物体26的表面散射的光子或从3D物体26的表面反射的光子可以移动。在图2中，由箭头和虚线标记的各种路径是示范性的。光信号实际上行进经过的路径不限于所示的路径。
从被照射的3D物体26接收的光可以通过图像传感器单元24的集中透镜44会聚在二维(2D)像素阵列42的一个或更多个像素上。像投射透镜35一样，集中透镜44可以是用于在2D像素阵列42的一个或更多个像素上会聚从3D物体26接收的反射光的具有玻璃或塑料表面的会聚透镜或另一圆柱形光学元件。在一些实施方式中，集中透镜44可以是(但是不限于)具有凸起结构的会聚透镜。此外，为了说明的方便，2D像素阵列42是图2中的3x3像素阵列。然而，将理解，2D像素阵列42可以包括数千或数百万个(thousands or millions of)像素。2D像素阵列42可以是其中不同的像素收集不同颜色的光信号的RGB像素阵列。2D像素阵列42可以是2D传感器，诸如包括红外(IR)截止滤波器的2D RGB传感器、2D IR传感器、2DNIR传感器、2D RGBW传感器或2D RGB-IR传感器。系统15可以使用不仅用于3D物体26的3D成像(包括深度测量)而且用于3D物体26(或包括3D物体26的场景)的2D RGB彩色成像的2D像素阵列42。
2D像素阵列42可以将所接收的光子转换成电信号，并且像素阵列控制器/处理器46可以处理该电信号以确定3D物体26的3D深度图像。例如，像素阵列控制器/处理器46可以结合并计算相位信息以便测量深度。像素阵列控制器/处理器46可以包括用于控制2D像素阵列42的操作的相关电路。
处理器19可以控制光源22和图像传感器单元24的操作。例如，系统15可以包括由用户控制并在2D成像模式和3D成像模式之间切换的模式开关(未示出)。当用户通过使用模式开关选择2D成像模式时，处理器19可以启动图像传感器单元24并可以不启动光源22，因为2D成像模式使用环境光。相反，当用户通过使用模式开关选择3D成像模式时，处理器19可以启动光源22和图像传感器单元24两者，并可以在像素阵列控制器/处理器46中触发重置信号的电平的变化，并可以在环境光太强且没有在线性模式下反射时从线性模式切换到对数模式。从像素阵列控制器/处理器46接收到的已处理图像数据可以通过处理器19储存在存储模块20中。处理器19可以在系统15的显示屏(未示出)上显示由用户选择的2D或3D图像。处理器19可以用执行上述各种处理任务的软件或固件编程。在一些实施方式中，处理器19可以包括用于执行以上功能中的一些或全部的可编程的硬件逻辑电路。例如，存储模块20可以储存程序代码、查找表(lookup table)、或中间计算结果，使得处理器19可以执行相应的功能。
系统15的处理器19可以通过使用光源22沿着扫描线对3D物体26执行一维(1D)点扫描。在点扫描期间，光源22可以被处理器19控制以逐行地投射连续的光斑(或一系列光斑)到3D物体26的表面。系统15的像素阵列控制器/处理器46可以选择图像传感器诸如2D像素阵列42中的一行像素。图像传感器诸如2D像素阵列42包括布置成2D阵列的形成像平面的多个像素。被选择的像素行在像平面中形成扫描线的外极线(epipolar line)。顺带地，外极线是外极平面与像平面的交线，在该处外极平面由3D点和两个透视照相机的光心限定。像素阵列控制器/处理器46由处理器19控制以通过使用该像素行中的对应像素检测每个光斑。当从光斑反射的光通过集中透镜44会聚在两个或更多个相邻的像素上时，从光斑反射的光可以被单一像素或者一个或更多个像素检测。换言之，从两个或更多个光斑反射的光可以被集中在2D像素阵列42的单一像素中。像素阵列控制器/处理器46由处理器19控制以响应于连续光斑中的相应光斑的特定像素检测(pixel-specific detection)而产生特定像素输出(pixel-specific output)。因此，基于至少特定像素输出和由投射相应光斑的光源22使用的扫描角，像素阵列控制器/处理器46可以确定到3D物体26的表面上的相应光斑的3D距离(或深度)。
图3A是示出根据一实施方式的图像传感器1的单元像素的元件的剖视图。图3B是根据一实施方式的图像传感器1的单元像素的等效电路图。图3C是示出根据一实施方式的图像传感器1的单元像素的元件的俯视图。
为了说明的方便，剖视图和/或俯视图以及等效电路图被一起示出和说明，并且在剖视图和/或俯视图以及等效电路图中使用相同的附图标记。
参照图3A至图3C，图像传感器1包括半导体衬底210、光电转换区230、至少两个竖直传输栅极(例如第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254)以及布线结构300。半导体衬底210具有彼此相反的第一表面202和第二表面204以及邻近第一表面202的阱区220。如这里使用的术语“邻近”可以用来表示两个元件邻接诸如通过共用公共侧，但是在说明或示出时，也可以用来表示两个元件紧邻且没有图像传感器的居间元件在其间。光电转换区230位于半导体衬底210中在阱区220与第二表面204之间。所述至少两个竖直传输栅极(例如第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254)彼此间隔开，并在半导体衬底210的垂直于第一表面202和第二表面204的每个的厚度方向上延伸以穿过阱区220的至少一部分。布线结构300位于半导体衬底210的第一表面202上。布线结构300可以包括第一重置栅极RG1282、第二重置栅极RG2 284以及用于形成相关电路的布线、接触插塞和层间绝缘膜。
如图3A所示，第一表面202和第二表面204由于在半导体衬底210的相反两侧而彼此相反。第一表面202和第二表面204可以在限定半导体衬底210的相反两侧的平行或基本上平行(例如在平行的5度内)的平面中。阱区220可以通过与整个半导体衬底210共用第一表面202的部分或全部作为一侧(即边界)而邻近第一表面202。第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254可以通过具有图3A中示出的四侧中的在深度方向上延伸的最长侧而在厚度方向上延伸。如图3A所示，第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254也可以在深度方向上延伸超过第一表面202从而延伸超过阱区220。
半导体衬底210可以包括从例如硅(Si)、锗(Ge)、硅锗(SiGe)、硅碳化物(SiC)、镓砷化物(GaAs)、铟砷化物(InAs)和铟磷化物(InP)当中选择的至少一种。在一些实施方式中，半导体衬底210可以具有第一导电类型。例如，第一导电类型可以是p型。
阱区220可以位于布线结构300上。阱区220可以具有例如第一导电类型。阱区220可以通过用具有第一导电类型的杂质掺杂半导体衬底210而形成。阱区220的杂质浓度可以大于半导体衬底210的除了阱区220以外的部分的杂质浓度。
光电转换区230可以位于肼区220上。光电转换区230可以具有第二导电类型。例如，第二导电类型可以是n型。光电转换区230可以构成光电二极管(PD)。光电转换区230可以包括第一光电转换区232(D-PD)和第二光电转换区234(S-PD)。第二光电转换区234(S-PD)的杂质浓度可以大于第一光电转换区232(D-PD)的杂质浓度。由于第一光电转换区232(D-PD)相对远离半导体衬底210的第一表面202形成并且第二光电转换区234(S-PD)相对靠近半导体衬底210的第一表面202形成，所以第一光电转换区232(D-PD)和第二光电转换区234(S-PD)可以被分别称为深光电二极管(D-PD)和浅光电二极管(S-PD)。
在平行于半导体衬底210的第一表面202或第二表面204的方向上，第一光电转换区232(D-PD)的宽度可以大于第二光电转换区234(S-PD)的宽度。第一光电转换区232(D-PD)可以例如在半导体衬底210的厚度方向上交叠所有的第二光电转换区234(S-PD)。换言之，当从图3A中的页面底部的方向在深度方向上朝向页面的顶部看时，第一光电转换区232可以具有围绕第二光电转换区234的所有截面的截面。甚至换种说法，在水平方向上，第二光电转换区234在图3A中的左侧和右侧两者上具有在第一光电转换区232的宽度内的宽度。因此，如所使用的术语“交叠”表示两个可比较的元件之间的比较，诸如一个元件(例如第一光电转换区232)的横截面尺寸围绕另一元件(例如第二光电转换区234)的可比较的横截面尺寸。因此，光电转换区230中产生的光电荷可以通过从相对宽的第一光电转换区232(D-PD)移动到相对窄的第二光电转换区234(S-PD)而被集中。
所述至少两个竖直传输栅极(例如第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254)中的每个可以在半导体衬底210的厚度方向上延伸以具有在从约50nm至约500nm的范围内的长度。在一些实施方式中，阱区220的厚度可以类似于所述至少两个竖直传输栅极(例如第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254)的每个的长度。在一些实施方式中，所述至少两个竖直传输栅极(例如第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254)可以在半导体衬底210的厚度方向上延伸以完全穿过阱区220。
阱区220可以包括解调区域222。阱区220中的解调区域222可以是在该处光电转换区230中产生的光电荷由于所述至少两个竖直传输栅极(例如第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254)而移动的区域。因此，解调区域222可以包括阱区220的围绕并邻近所述至少两个竖直传输栅极(例如第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254)的部分，例如阱区220的邻近与所述至少两个竖直传输栅极(例如第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254)的面对表面相反的表面的部分。然而，为了说明的方便，仅阱区220的在彼此间隔开的所述至少两个竖直传输栅极(例如第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254)之间的部分被称为解调区域222。换言之，不管图3A中示出了什么，解调区域222还可以包括肼区220的在第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254的不彼此面对的侧上的部分。因此，所述至少两个竖直传输栅极(例如第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254)可以彼此间隔开而使解调区域222在其间。在一些实施方式中，解调区域222可以具有第一导电类型。在一些实施方式中，解调区域222可以具有第一导电类型，并可以具有与阱区220的其它部分的杂质浓度相同的杂质浓度。在另一些实施方式中，解调区域222可以具有与阱区220的其它部分的杂质浓度不同的杂质浓度。在另一些实施方式中，解调区域222可以具有第二导电类型。
用于使所述至少两个竖直传输栅极(例如第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254)和阱区220绝缘的第一传输栅极绝缘膜242和第二传输栅极绝缘膜252可以位于所述至少两个竖直传输栅极(例如第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254)周围。当图像传感器1包括两个竖直传输栅极(也就是，第一竖直传输栅极244(TG1)和第二竖直传输栅极254(TG2))时，第一竖直传输栅极244和围绕第一竖直传输栅极244的第一传输栅极绝缘膜242可以被称为第一传输栅极结构240，第二竖直传输栅极254和围绕第二竖直传输栅极254的第二传输栅极绝缘膜252可以被称为第二传输栅极结构250。第一调制电压Vmod1和第二调制电压Vmod2可以分别被施加到第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254。第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254可以分别构成第一传输晶体管TS1和第二传输晶体管TS2的部分。
光电转换区230可以在半导体衬底210的厚度方向上交叠解调区域222。换言之，当从图3A中的页面的底部在深度方向上朝向页面的顶部看的方向上观看时，光电转换区230可以具有围绕解调区域222的全部截面的截面。此外，光电转换区230可以在半导体衬底210的厚度方向上交叠包括第一竖直传输栅极244的第一传输栅极结构240和包括第二竖直传输栅极254的第二传输栅极结构250的每个。换言之，当从图3A中的页面的底部在深度方向上朝向页面的顶部看的方向上观看时，光电转换区230可以具有围绕第一传输栅极结构240和第二传输栅极结构250的全部截面的截面。例如，光电转换区230可以在半导体衬底210的厚度方向上交叠解调区域222、包括第一竖直传输栅极244的第一传输栅极结构240和包括第二竖直传输栅极254的第二传输栅极结构250的每个。换句话说，在图3A中的水平方向上，光电转换区230可以延伸到解调区域222、第一传输栅极结构240和第二传输栅极结构250的右侧和左侧两者。图3A中的水平方向对应于如这里描述的宽度方向。
在一些实施方式中，第二光电转换区234(S-PD)可以在半导体衬底210的厚度方向上交叠解调区域222。此外，第二光电转换区234(S-PD))可以在半导体衬底210的厚度方向上交叠包括第一竖直传输栅极244的第一传输栅极结构240和包括第二竖直传输栅极254的第二传输栅极结构250的每个。第一光电转换区232(D-PD)可以例如在半导体衬底210的厚度方向上交叠解调区域222、包括第一竖直传输栅极244的第一传输栅极结构240和包括第二竖直传输栅极254的第二传输栅极结构250的每个。换句话说，在图3A中的水平方向上，第二光电转换区234可以延伸到解调区域222、第一传输栅极结构240和第二传输栅极结构250的右侧和左侧两者。另外，在图3A中的水平方向上，第一光电转换区232可以延伸到解调区域222、第一传输栅极结构240和第二传输栅极结构250的右侧和左侧两者。
因此，光电转换区230中产生的光电荷可以通过从第一光电转换区232(D-PD)移动到第二光电转换区234(S-PD)而被集中，然后可以传输到解调区域222。
分别邻近第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254定位的第一电荷存储区FD1 262和第二电荷存储区FD2 272可以位于邻近第一表面202的阱区220中。在一些实施方式中，第一电荷存储区FD1 262和第二电荷存储区FD2 272可以分别具有第二导电类型。例如，第一电荷存储区FD1 262可以与第一传输栅极结构240共用平坦或实质上平坦(例如90％以上平坦)的界面，并与第一表面202共用另一平坦或实质上平坦(例如90％以上平坦)的界面。第二电荷存储区FD2 272可以与第二传输栅极结构250共用平坦或实质上平坦(例如90％以上平坦)的界面，并与第一表面202共用另一平坦或实质上平坦(例如90％平坦以上)的界面。第一电荷存储区FD1 262和第二电荷存储区FD2 272可以在第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254的与解调区域222相反的侧部位于邻近第一表面202的阱区220中。具体地，第一电荷存储区FD1 262可以位于第一竖直传输栅极244的与第二竖直传输栅极254相反的一侧(在第一竖直传输栅极244的与第二竖直传输栅极254不同的另一侧)，第二电荷存储区FD2 272可以位于第二竖直传输栅极254的与第一竖直传输栅极244相反的一侧(在第二竖直传输栅极254的与第一竖直传输栅极244不同的另一侧)。
第一电荷存储区FD1 262和第二电荷存储区FD2 272可以分别连接到第一源极跟随器晶体管SF1的栅极和第二源极跟随器晶体管SF2的栅极。第一源极跟随器晶体管SF1的源极和漏极可以分别连接到第一选择晶体管SEL1的源极和电源电压Vdd。第一输出电压Vout1可以从第一选择晶体管SEL1的漏极输出。第二源极跟随器晶体管SF2的源极和漏极可以分别连接到第二选择晶体管SEL2的源极和电源电压Vdd。第二输出电压Vout2可以从第二选择晶体管SEL2的漏极输出。第一源极跟随器晶体管SF1和第二源极跟随器晶体管SF2的源极以及第一选择晶体管SEL1和第二选择晶体管SEL2的源极可以是在图3C中由N+表示的区域。
在一些实施方式中，第一源极跟随器晶体管SF1和第二源极跟随器晶体管SF2的栅极以及第一选择晶体管SEL1和第二选择晶体管SEL2的栅极可以位于与布线结构300中的第一重置栅极RG1 282和第二重置栅极284的水平面相同的水平面处。在一些实施方式中，第一源极跟随器晶体管SF1和第二源极跟随器晶体管SF2的源极和漏极以及第一选择晶体管SEL1和第二选择晶体管SEL2的源极和漏极可以位于与阱区220中的第一电荷存储区FD1262和第二电荷存储区FD2 272的水平面相同的水平面处。
第一重置栅极RG1 282和第二重置栅极RG2 284可以分别在第一电荷存储区FD1262和第二电荷存储区FD2 272的与第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254相反的侧部位于半导体衬底210的第一表面202上。也就是，第一重置栅极RG1 282可以在第一电荷存储区FD1 262的与第一竖直传输栅极244不同的相反侧。第二重置栅极RG2 284可以在第二电荷存储区FD2 272的与第二竖直传输栅极254不同的相反侧。第一重置栅极RG1 282和第二重置栅极284可以分别构成第一重置晶体管RS1和第二重置晶体管RS2的部分。
栅绝缘膜280可以位于半导体衬底210的第一表面202与第一重置栅极RG1 282和第二重置栅极284之间。尽管栅绝缘膜280在图3A中覆盖半导体衬底210的第一表面202的大部分，但是实施方式不限于此。在一些实施方式中，栅绝缘膜280可以仅位于半导体衬底210的第一表面202与第一重置栅极RG1 282和第二重置栅极284之间。
第一重置杂质区264和第二重置杂质区274可以分别在第一重置栅极RG1 282和第二重置栅极284的与第一电荷存储区FD1 262和第二电荷存储区FD2 272相反的侧部位于邻近第一表面202的阱区220中。如所示的，第一重置杂质区264可以与第一表面202共用平坦或实质上平坦(例如90％以上平坦)的边缘，并与图像传感器1的该单元像素共用另一平坦或实质上平坦(例如90％平坦以上)的边缘。第二重置杂质区274可以与第一表面202共用平坦或实质上平坦(例如90％以上平坦)的边缘，并与图像传感器1的该单元像素共用另一平坦或实质上平坦(例如90％平坦以上)的边缘。第一重置漏极电压Vrd1和第二重置漏极电压Vrd2可以分别被施加到第一重置杂质区264和第二重置杂质区274。在一些实施方式中，第一重置漏极电压Vrd1和第二重置漏极电压Vrd2可以具有相同的电势。
图像传感器1还包括位于半导体衬底210的第二表面204上的微透镜296。微透镜296可以位于光电转换区230上。因此，半导体衬底210的第二表面204可以是光入射在其上的表面。负固定电荷层292和抗反射层294中的至少一个可以位于微透镜296与半导体衬底210的第二表面204之间。在一些实施方式中，负固定电荷层292、抗反射层294和微透镜296可以顺序堆叠在半导体衬底210的第二表面204上，使得每个以诸如平坦或实质上平坦的界面与下一个相接。在一些实施方式中，负固定电荷层292可以直接接触半导体衬底210的第二表面204并可以覆盖半导体衬底210的第二表面204。在一些实施方式中，缓冲层或滤色器层(未示出)可以进一步位于微透镜296和抗反射层294之间。
负固定电荷层292可以由具有高介电常数的材料诸如HfOx、AlOx或ZrOx形成。抗反射层294可以由例如SiON、SiC、SiCN或SiCO形成。滤色器层可以使经过微透镜296入射的光从其透射，并可以仅允许具有必需波长的光经过第二表面204入射到光电转换区230中。
根据本公开的图像传感器1可以包括所述至少两个竖直传输栅极(例如第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254)，并可以具有背侧照明(BSI)结构。因此，由于图像传感器1的像素可以被小型化并且第一传输晶体管TS1的第一竖直传输栅极TG1和第二传输晶体管TS2的第二竖直传输栅极TG2可以相对长，所以可以提高图像传感器1的解调性能和每单位面积的灵敏度。
图4A是用于说明根据一实施方式的图像传感器1的用于测量距离的操作的时序图。图4B是根据一实施方式的图像传感器1的像素阵列的俯视图。图4C和图4D是像素阵列的俯视图，用于说明根据一实施方式的图像传感器1的用于测量距离的操作。
参照图4A，来自光源22(见图2)的输出光以及被3D物体26(见图2)反射且被图像传感器1(见图3A)接收的反射光可以具有延迟时间Td。输出光可以是根据脉冲电压的脉冲光信号。在一些实施方式中，脉冲光信号可以具有从约10MHz至约100MHz的范围内的频率。
被施加到第一竖直传输栅极TG1(见图3A)的第一调制电压Vmod1可以是与脉冲光信号同步的脉冲电压。被施加到第二竖直传输栅极TG2(见图3A)的第二调制电压Vmod2可以是与脉冲光信号具有预定相位差的脉冲电压。在一些实施方式中，该相位差可以为约180°。
当反射光的脉冲信号和第一竖直传输栅极TG1的脉冲电压彼此交叠期间的时间T1与反射光的脉冲信号和第二竖直传输栅极TG2的脉冲电压彼此交叠期间的时间T2之间的差(T1-T2)增大时，所测量的距离减小。第一输出电压Vout1可以在反射光的脉冲信号和第一竖直传输栅极TG1的脉冲电压彼此交叠的时间T1期间产生，第二输出电压Vout2可以在反射光的脉冲信号和第二竖直传输栅极TG2的脉冲电压彼此交叠的时间T2期间产生。因此，图像传感器1和3D物体26之间的距离可以通过分析第一输出电压Vout1和第二输出电压Vout2之间的差异来确定，例如通过使用2相算法。第一输出电压Vout1和第二输出电压Vout2可以通过使用多个反射光脉冲信号之和以及单一反射光脉冲信号来表示。
在一些实施方式中，图像传感器1和3D物体26之间的距离可以通过使用4相算法来分析通过施加与脉冲光信号同步的脉冲电压和与脉冲光信号具有180°的相位差的脉冲电压而获得的第一输出电压Vout1和第二输出电压Vout2作为第一调制电压Vmod1和第二调制电压Vmod2、以及通过施加与脉冲光信号具有90°的相位差的脉冲电压和与脉冲光信号具有270°的相位差的脉冲电压而额外获得的第一输出电压Vout1和第二输出电压Vout2作为第一调制电压Vmod1和第二调制电压Vmod2来确定。
参照图4B和图4C，具有0°和180°的相位的反射光可以被集中在第一像素(即PIXEL1)中，具有90°和270°的相位的反射光可以被集中在第三像素(即PIXEL 3)中。例如，在第一像素(即PIXEL 1)中，第一调制电压Vmod1(见图4A)可以是与脉冲光信号同步的脉冲电压，第二调制电压Vmod2(见图4A)可以是与脉冲光信号具有180°的相位差的脉冲电压。此外，在第三像素(即PIXEL 3)中，第一调制电压Vmod1可以是与脉冲光信号具有90°的相位差的脉冲电压，第二调制电压Vmod2可以是与脉冲光信号具有270°的相位差的脉冲电压。在这种情形下，图像传感器1和3D物体26之间的距离可以通过使用4相算法、通过分析第一像素(即PIXEL 1)和第三像素(即PIXEL 3)的第一输出电压Vout1和第二输出电压Vout2(见图3A)来确定。同样地，图像传感器1和3D物体26之间的距离可以通过使用4相算法、通过分析另外两个像素(也就是第二像素(即PIXEL 2)和第四像素(即PIXEL 4))的第一输出电压Vout1和第二输出电压Vout2来确定。也就是，可以从两个像素获得一个距离信息。
参照图4D，距离可以通过分析第一像素(即PIXEL 1)和第三像素(即PIXEL 3)的第一输出电压Vout1和第二输出电压Vout2并且分析第三像素(即PIXEL 3)和另一第一像素(即PIXEL 1a)的第一输出电压Vout1和第二输出电压Vout2来确定。也就是，第三像素(即PIXEL 3)的第一输出电压Vout1和第二输出电压Vout2可以用于分析第一像素(即PIXEL 1)的第一输出电压Vout1和第二输出电压Vout2并且用于分析另一第一像素(即PIXEL 1a)的第一输出电压Vout1和第二输出电压Vout2。此外，另一第一像素(即PIXEL 1a)可以用于分析第三像素(即PIXEL 3)并用于分析另一第三像素(即PIXEL 3a)。同样地，第四像素(即PIXEL 4)可以用于分析第二像素(即PIXEL 2)和另一第二像素(即PIXEL 2a)，另一第二像素(即PIXEL 2a)可以用于分析另一第四像素(即PIXEL 4a)。
因此，考虑到整个像素阵列，由于可以从一个像素获得一个距离信息，所以可以提高对于距离信息的分辨率。
图5A是用于说明根据一实施方式的图像传感器1的用于测量距离的操作的时序图。图5B是根据一实施方式的图像传感器1的像素阵列的俯视图。图5C至图5D是像素阵列的俯视图，用于说明根据一实施方式的图像传感器1的用于测量距离的操作。
图5A至图5D是用于说明当在图3A的图像传感器1中第二重置晶体管RS2、第二源极跟随器晶体管SF2和第二选择晶体管SEL2不运行并且仅第一重置晶体管RS1、第一源极跟随器晶体管SF1和第一选择晶体管SEL1运行时图像传感器1的用于测量距离的操作的视图。
参照图5A，来自光源22(见图2)的输出光以及被3D物体26(见图2)反射且被图像传感器1(见图3A)接收的反射光可以具有延迟时间Td。输出光可以是根据脉冲电压的脉冲光信号。图像传感器1和3D物体26之间的距离可以通过顺序地施加与脉冲光信号同步的脉冲电压、与脉冲光信号具有90°的相位差的脉冲电压、与脉冲光信号具有180°的相位差的脉冲电压、以及与脉冲光信号具有270°的相位差的脉冲电压到第一竖直传输栅极TG1(见图3A)并且通过使用4相算法分析在反射光的脉冲信号和第一竖直传输栅极TG1的脉冲电压彼此交叠的时间T3期间产生的第一输出电压Vout来确定。第一输出电压Vout可以通过使用多个反射光脉冲信号之和以及单一反射光脉冲信号表示。被施加到第二竖直传输栅极TG2(见图3A)的第二调制电压Vmod2可以是与第一调制电压Vmod1具有180°的相位差的脉冲电压。
在一些实施方式中，图像传感器1和3D物体26之间的距离可以通过顺序地施加与脉冲光信号同步的脉冲电压和与脉冲光信号具有180°的相位差的脉冲电压作为第一调制电压Vmod1到第一竖直传输栅极TG1并且通过使用2相算法分析在反射光的脉冲信号和第一竖直传输栅极TG1的脉冲电压彼此交叠的时间T3期间产生的第一输出电压Vout来确定。第一输出电压Vout可以通过使用多个反射光脉冲信号之和以及单一反射光脉冲信号表示。
参照图5B和图5C，具有0°相位的反射光可以集中在第一像素(即PIXEL 1)中，具有90°相位的反射光可以集中在第二像素(即PIXEL 2)中，具有180°相位的反射光可以集中在第三像素(即PIXEL 3)中，具有270°相位的反射光可以集中在第四像素(即PIXEL 4)中。在这种情形下，图像传感器1和3D物体26之间的距离可以通过使用4相算法、通过分析第一至第四像素(即PIXEL 1、PIXEL 2、PIXEL 3和PIXEL 4)的第一输出电压Vout1(见图3A)来确定。也就是，可以从四个像素获得一个距离信息。
参照图5D，图像传感器1和3D物体26之间的距离可以通过使用4相算法、通过分析四个相邻的像素(诸如PIXEL 1、PIXEL 2、PIXEL 3和PIXEL 4；PIXEL 1b、PIXEL 2、PIXEL 3b和PIXEL 4；或PIXEL 1a、PIXEL 2a、PIXEL 3和PIXEL 4)的第一输出电压Vout1(见图3A)来确定。也就是，可以从一个像素获得一个距离信息。
尽管没有示出，但是在一些实施方式中，距离可以通过使用2相算法通过分析两个像素的第一输出电压来确定，并且在这种情形下，可以从两个像素或一个像素获得一个距离信息。
图6A至图6E是示出根据一实施方式的图像传感器1a的单元像素的元件的剖视图。在图6A至图6E中，与图3A中的那些相同的元件将不被重复地说明。
参照图6A，图像传感器1a还可以包括位于阱区220的邻近光电转换区230的部分上的第一势垒杂质区224。具体地，第一势垒杂质区224的部分可以邻近阱区220的与第一表面202相反(即在阱区220的与第一表面202的相反侧)的边界线。第一势垒杂质区224可以分别与第一传输栅极结构240和第二传输栅极结构250间隔开。
第一势垒杂质区224可以具有第一导电类型。在一些实施方式中，第一势垒杂质区224的杂质浓度可以大于阱区220的杂质浓度。第一势垒杂质区224可以防止光电转换区230中产生的光电荷移动。因此，光电转换区230中产生的光电荷可以通过移动到第一传输栅极结构240和第二传输栅极结构250以及解调区域222而被集中。
参照图6B，图像传感器1b可以包括位于与解调区域222(见图3A)对应的位置处的子阱区222a。子阱区222a可以具有第一导电类型。在一些实施方式中，子阱区222a的杂质浓度可以大于阱区220的杂质浓度。
子阱区222a可以防止光电荷在第一竖直传输栅极244与第二竖直传输栅极254之间被捕获，或者可以防止光电荷移动到不期望的位置。由于子阱区222a执行与解调区域222相同的功能，所以子阱区222a可以被称为解调区域。
尽管在图6B中图像传感器1b包括第一势垒杂质区224，但是实施方式不限于此并且第一势垒杂质区224可以被省略。
参照图6C，图像传感器1c可以包括位于解调区域222的邻近第一表面202的部分上的第二势垒杂质区226。图6C中的第二势垒杂质区226在解调区域222上，并且解调区域222是阱区220的一部分，但是在图6C中第二势垒杂质区226不是阱区220的元件。
第二势垒杂质区226可以具有第一导电类型。在一些实施方式中，第二势垒杂质区226的杂质浓度可以大于阱区220的杂质浓度。在一些实施方式中，第二势垒杂质区226的杂质浓度可以大于解调区域222的杂质浓度。
第二势垒杂质区226可以使通过所述至少两个竖直传输栅极(例如第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254)移动的光电子能够快速地储存在第一电荷存储区FD1262和第二电荷存储区FD2 272中。
参照图6D，图像传感器1d可以包括解调区域222b和第二势垒杂质区226。解调区域222b可以具有第二导电类型。在一些实施方式中，解调区域222b的杂质浓度可以小于光电转换区230的杂质浓度。
具有第二导电类型的解调区域222b可以使光电荷能够从解调区域222b与第一传输栅极结构240和第二传输栅极结构250之间的界面聚集在解调区域222b的中心部分上。因此，可以最小化光电荷在第一传输栅极结构240和第二传输栅极结构250与解调区域222b之间的界面处被捕获和丢失的可能性。
参照图6E，图像传感器1e包括具有不平坦的第二表面204a的半导体衬底210。在一些实施方式中，半导体衬底210可以在第二表面204a中具有朝向第一表面202下沉的多个凹槽212。散射诱导层214可以分别位于所述多个凹槽212中。负固定电荷层292可以围绕散射诱导层214并可以覆盖半导体衬底210的第二表面204a。因此，散射诱导层214可以与半导体衬底210的第二表面204a间隔开。如图6E所示，负固定电荷层292可以在散射诱导层214之间。散射诱导层214可以由绝缘材料诸如氧化物形成。
深沟槽绝缘结构320(DTI结构)可以位于图像传感器1e的多个像素之间。DTI结构320可以位于半导体衬底210中以围绕光电转换区230(具体地，第一光电转换区232(D-PD))。DTI结构320可以从半导体衬底210的第二表面204a朝向第一表面202延伸。在一些实施方式中，DTI结构320可以从半导体衬底210的第二表面204a朝向第一表面202延伸以与阱区220间隔开。DTI结构320可以由绝缘材料诸如例如氧化物、氮化物、氮氧化物或其组合形成。在一些实施方式中，DTI结构320可以包括导电材料层322和围绕导电材料层322的覆盖绝缘层324。导电材料层322可以由例如多晶硅、金属或金属氮化物形成。覆盖绝缘层324可以由包括氧化物、氮化物、氮氧化物或其组合的绝缘材料形成。
经过微透镜296入射到图像传感器1e中的光的部分L1可以行进到光电转换区230。经过微透镜296入射到图像传感器1e中的光的另一部分L2可以被散射诱导层214散射、然后可以被DTI结构320再次反射。因此，光L2的光路的长度可以增加并且光电转换区230的吸收率可以提高。
图像传感器1e还可以包括位于布线结构300上的后反射层310。没有被光电转换区230吸收的光L3可以被后反射层310再次反射到光电转换区230，并可以被光电转换区230吸收。
图6E的散射诱导层214、DTI结构320和后反射层310中的至少一些可以应用于图6A至图6D的图像传感器1a、1b、1c和1d。
图7A是示出根据一实施方式的图像传感器2的单元像素的元件的剖视图。图7B是根据一实施方式的图像传感器2的单元像素的等效电路图。图7C是示出根据一实施方式的图像传感器2的单元像素的元件的俯视图。在图7A至图7C中，与图3A至图6E中的那些相同的元件将不被重复地说明。
参照图7A至图7C，图像传感器2包括包含阱区220的半导体衬底210、光电转换区230、所述至少两个竖直传输栅极(例如第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254)、布线结构300、第一重置栅极RG1 282、第一重置杂质区264、第一电荷存储区FD1 262和第二电荷存储区FD2 272。第一电荷存储区FD1 262可以连接到源极跟随器晶体管SF的栅极。源极跟随器晶体管SF的源极和漏极可以连接到选择晶体管SEL的源极和电源电压Vdd。输出电压Vout可以从选择晶体管SEL的漏极输出。第一重置栅极RG1 282可以构成重置晶体管RS的部分。第一重置漏极电压Vrd1和第二重置漏极电压Vrd2可以分别被施加到第一重置杂质区264和第二电荷存储区272。在一些实施方式中，第一重置漏极电压Vrd1和第二重置漏极电压Vrd2可以具有相同的电势。
图像传感器2的操作可以与当第二重置晶体管RS2、第二源极跟随器晶体管SF2和第二选择晶体管SEL2不运行并且仅第一重置晶体管RS1、第一源极跟随器晶体管SF1和第一选择晶体管SEL1运行(如关于图5A至图5D描述地)时图3A的图像传感器1的操作基本上相同，因此将不给出其详细说明。
也就是，图像传感器2可以不包括在图像传感器1中不运行的第二重置晶体管RS2、第二源极跟随器晶体管SF2和第二选择晶体管SEL2，并可以包括分别对应于在图像传感器1中运行的第一重置晶体管RS1、第一源极跟随器晶体管SF1和第一选择晶体管SEL1的重置晶体管RS、源极跟随器晶体管SF和选择晶体管SEL。
图8是示出根据一实施方式的图像传感器3的单元像素的元件的俯视图。
参照图8，图像传感器3包括彼此间隔开并在半导体衬底210(见图3A)的厚度方向上延伸的四个竖直传输栅极(即第一至第四竖直传输栅极TG1、TG2、TG3和TG4)。第一至第四竖直传输栅极TG1、TG2、TG3和TG4可以彼此间隔开而使解调区域222在其间(即在第一至第四竖直传输栅极TG1、TG2、TG3、TG4中的任何两个之间)。第一至第四传输栅极绝缘膜TOX1、TOX2、TOX3和TOX4可以分别位于第一至第四竖直传输栅极TG1、TG2、TG3和TG4周围。第一至第四电荷存储区FD1、FD2、FD3和FD4、第一至第四重置栅极RG1、RG2、RG3和RG4、第一至第四重置漏极电压Vrd1、Vrd2、Vrd3和Vrd4被施加到其的杂质区、第一至第四源极跟随器晶体管SF1、SF2、SF3和SF4、以及第一至第四选择晶体管SEL1、SEL2、SEL3和SEL4可以被定位为对应于第一至第四竖直传输栅极TG1、TG2、TG3和TG4。第一至第四输出电压Vo1、Vo2、Vo3和Vo4可以分别从第一至第四选择晶体管SEL1、SEL2、SEL3和SEL4的漏极输出。
图像传感器3的沿着第一竖直传输栅极TG1和第三竖直传输栅极TG3或第二竖直传输栅极TG2和第四竖直传输栅极TG4截取的剖视图与图3A的图像传感器1的剖视图基本上相同，因此将不给出其详细说明。
在图像传感器3中，与脉冲光信号同步的脉冲电压、与脉冲光信号具有90°的相位差的脉冲电压、与脉冲光信号具有180°的相位差的脉冲电压、以及与脉冲光信号具有270°的相位差的脉冲电压可以分别被施加到第一至第四竖直传输栅极TG1、TG2、TG3和TG4。因此，图像传感器3可以通过使用4相位算法通过分析从一个像素获得的第一至第四输出电压Vo1、Vo2、Vo3和Vo4来确定图像传感器3与3D物体26(见图2)之间的距离。
图9A是示出根据一实施方式的图像传感器4的单元像素的元件的剖视图。图9B是根据一实施方式的图像传感器4的单元像素的等效电路图。在图9A和图9B中，与图3A和图3B中的元件相同的元件将不被重复地说明。
参照图9A和图9B，图像传感器4还包括位于邻近第一表面202的阱区220中的第一存储扩散区SD1 266和第二存储扩散区SD2 276。第一存储扩散区SD1 266在第一电荷存储区FD1 262和第一竖直传输栅极244之间。第二存储扩散区SD2 276在第二电荷存储区FD2272和第二竖直传输栅极254之间。图像传感器4还包括位于半导体衬底210的第一表面202上的第一水平传输栅极TG3 286和第二水平传输栅极TG4 288。第一水平传输栅极TG3 286在宽度方向上位于第一电荷存储区FD1 262和第一存储扩散区SD1 266之间，并在深度方向上偏移。第二水平传输栅极TG4 288在宽度方向上位于第二电荷存储区272和第二存储扩散区276之间，并在深度方向上偏移。
第一电荷存储区FD1 262和第二电荷存储区FD2 272可以分别连接到第一源极跟随器晶体管SF1的栅极和第二源极跟随器晶体管SF2的栅极。
由于图像传感器4还包括第一存储扩散区SD1 266和第二存储扩散区276以及第一水平传输栅极TG3 286和第二水平传输栅极288，所以图像传感器4可以用作全局快门。此外，由于图像传感器4包括包含第一竖直传输栅极244和第二竖直传输栅极254以及第一水平传输栅极TG3 286和第二水平传输栅极288的四个传输栅极，所以可以降低噪声。
图10A是示出根据一实施方式的图像传感器4a的单元像素的元件的剖视图。图10B是根据一实施方式的图像传感器4a的单元像素的等效电路图。在图10A和10B中，与图9A和图9B中的元件相同的元件将不被重复地说明。
参照图10A和图10B，与图9A和图9B的图像传感器4不同，在图像传感器4a中，一个源极跟随器晶体管SF和一个选择晶体管SEL连接到第一电荷存储区FD1 262和第二电荷存储区FD2 272，并且一个重置晶体管RS连接到第一电荷存储区FD1 262和第二电荷存储区FD2 272。也就是，第一存储扩散区SD1 266和第一电荷存储区FD1 262以及第二存储扩散区SD2276和第二电荷存储区FD2 272可以共用一个源极跟随器晶体管SF、一个选择晶体管SEL和一个重置晶体管RS。
根据本公开的图像传感器可以包括至少两个竖直传输栅极，并可以具有BSI结构。因此，由于图像传感器的像素可以被小型化并且传输晶体管的栅极可以相对长，所以图像传感器的灵敏度可以提高。
尽管用于测试距离的图像传感器已经参照其实施方式被具体示出和描述，但是将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种变化而没有脱离权利要求书的精神和范围。
本申请要求于2017年6月15日在韩国知识产权局提交的第10-2017-0075815号韩国专利申请的优先权，其公开内容通过引用被整体地结合于此。

Claims (17)

1.一种图像传感器，包括：
半导体衬底，具有第一导电类型并包括彼此相反的第一表面和第二表面以及邻近所述第一表面的阱区，其中所述半导体衬底具有形成在所述第二表面中以朝向所述第一表面下沉的多个凹槽；
第一竖直传输栅极和第二竖直传输栅极，彼此间隔开并在所述半导体衬底的厚度方向上从所述第一表面延伸以穿过所述阱区的至少一部分；
光电转换区，具有不同于所述第一导电类型的第二导电类型，位于所述阱区和所述第二表面之间的所述半导体衬底中，并在所述半导体衬底的所述厚度方向上交叠所述第一竖直传输栅极和所述第二竖直传输栅极；
布线结构，位于所述半导体衬底的所述第一表面上；
负固定电荷层、抗反射层和微透镜，顺序堆叠在所述半导体衬底的所述第二表面上；以及
多个散射诱导层，分别位于所述多个凹槽中并由绝缘材料形成，
其中所述负固定电荷层围绕所述多个散射诱导层使得所述多个散射诱导层和所述半导体衬底的所述第二表面彼此间隔开。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述光电转换区包括第一光电转换区以及位于所述第一光电转换区与所述阱区之间并具有比所述第一光电转换区的宽度小的宽度的第二光电转换区。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述第二光电转换区在所述半导体衬底的所述厚度方向上交叠所述第一竖直传输栅极和所述第二竖直传输栅极。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述第二光电转换区的杂质浓度大于所述第一光电转换区的杂质浓度。
5.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述第一光电转换区在所述半导体衬底的所述厚度方向上交叠所述第二光电转换区的全部。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
深沟槽绝缘体(DTI)结构，围绕所述光电转换区并从所述半导体衬底的所述第二表面朝向所述第一表面延伸。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括位于所述布线结构上的后反射层。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
第一电荷存储区和第二电荷存储区，每个具有所述第二导电类型并位于邻近所述第一表面的所述阱区中而彼此间隔开。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述第一电荷存储区位于所述第一竖直传输栅极的与所述第二竖直传输栅极相反的一侧，并且
所述第二电荷存储区位于所述第二竖直传输栅极的与所述第一竖直传输栅极相反的一侧。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，其中在其间具有180°的相位差的脉冲电压被分别施加到所述第一竖直传输栅极和所述第二竖直传输栅极。
11.一种图像传感器，包括：
布线结构；
阱区，包括解调区域并位于所述布线结构上且与所述布线结构接触；
光电转换区，位于所述阱区上；
微透镜，位于所述光电转换区上；
至少两个传输栅极结构，彼此间隔开并使所述解调区域在其间，并且每个包括在所述阱区的厚度方向上延伸以穿过所述阱区的至少一部分的竖直传输栅极以及围绕所述竖直传输栅极的传输栅极绝缘膜；以及
多个第一势垒杂质区，位于所述阱区的除了所述解调区域以外的部分上并邻近所述光电转换区以与所述至少两个传输栅极结构间隔开，所述第一势垒杂质区具有比所述阱区的杂质浓度大的杂质浓度。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，还包括：
第二势垒杂质区，位于所述解调区域的邻近所述布线结构的部分上并具有比所述阱区的所述杂质浓度大的杂质浓度。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述解调区域的在所述第二势垒杂质区上的部分具有与所述阱区和所述第二势垒杂质区的每个的导电类型不同的导电类型。
14.根据权利要求11所述的图像传感器，其中所述光电转换区包括邻近所述微透镜定位的第一光电转换区以及邻近所述阱区定位的第二光电转换区，
其中所述第一光电转换区的杂质浓度小于所述第二光电转换区的杂质浓度，所述第一光电转换区的宽度大于所述第二光电转换区的宽度。
15.一种具有背侧照明(BSI)结构的图像传感器，该图像传感器包括：
半导体衬底，具有第一导电类型并包括第一表面、与所述第一表面相反的第二表面以及邻近所述第一表面的阱区，其中所述半导体衬底具有形成在所述第二表面中以朝向所述第一表面下沉的多个凹槽；
多个竖直传输栅极，彼此间隔开并从所述第一表面朝向所述第二表面延伸以穿过所述阱区的至少一部分；
第一光电转换区，位于邻近所述第二表面的所述半导体衬底中；以及
第二光电转换区，具有不同于所述第一导电类型的第二导电类型，位于所述第一光电转换区与所述阱区之间，并具有比所述第一光电转换区的宽度小的宽度以及比所述第一光电转换区的杂质浓度大的杂质浓度，
负固定电荷层、抗反射层和微透镜，顺序堆叠在所述半导体衬底的所述第二表面上；以及
多个散射诱导层，分别位于所述多个凹槽中并由绝缘材料形成，
其中所述负固定电荷层围绕所述多个散射诱导层使得所述多个散射诱导层和所述半导体衬底的所述第二表面彼此间隔开。
16.根据权利要求15所述的图像传感器，其中所述半导体衬底的所述第二表面是光入射在其上的表面。
17.根据权利要求15所述的图像传感器，其中所述第二光电转换区在所述半导体衬底的厚度方向上交叠所述多个竖直传输栅极的每个，并且所述第一光电转换区交叠所述第二光电转换区的全部。
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