CN111508979A - 图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器可以包括：像素隔离结构，设置在半导体衬底中，用于限定第一像素区域；第一光电转换区域和第二光电转换区域，设置在第一像素区域中；以及分离结构，设置在第一像素区域中，在第一光电转换区域与第二光电转换区域之间。像素隔离结构可以包括：第一像素隔离部分，在第二方向上彼此间隔开并在第一方向上纵向延伸；以及第二像素隔离部分，在第一方向上彼此间隔开并在第二方向上纵向延伸以连接到第一像素隔离部分。分离结构可以在第一方向和第二方向上与像素隔离结构间隔开，并且在与第一方向和第二方向垂直的第三方向上至少部分地与第一光电转换区域和第二光电转换区域处于相同的水平。

Description

图像传感器
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2019年1月30日在韩国知识产权局递交的韩国专利申请No.10-2019-0011793的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及图像传感器，具体涉及具有自动聚焦(AF)功能的图像传感器。
背景技术
图像传感器是将光学图像转换为电信号的设备。随着计算机和通信行业的不断发展，对诸如智能电话、可穿戴设备、数码相机、个人通信系统、游戏机、安全摄像机、用于医疗应用的微型摄像机和/或机器人等各种应用中的高性能图像传感器的需求不断增加。
通常，图像传感器可以分类为电荷耦合器件(CCD)传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。由于CMOS图像传感器可以以简单的方式操作，并且可以作为与信号处理电路集成的单个芯片提供，因此可以减小具有CMOS图像传感器的产品的尺寸。另外，由于其相对低的功耗特性，CMOS图像传感器易于应用于具有有限电池容量的电子设备。此外，CMOS图像传感器的分辨率随着技术发展而增加，因此CMOS图像传感器的使用正在迅速增长。
发明内容
本发明构思的实施例提供了一种具有改进的光学和电学特性的图像传感器。
根据本发明构思的实施例，一种图像传感器可以包括：像素隔离结构，设置在半导体衬底中，用于限定第一像素区域；第一光电转换区域和第二光电转换区域，设置在第一像素区域中；以及分离结构，设置在第一像素区域中，在第一光电转换区域与第二光电转换区域之间。像素隔离结构可以包括：第一像素隔离部分，在第二方向上彼此间隔开并在第一方向上纵向延伸；以及第二像素隔离部分，在第一方向上彼此间隔开并在第二方向上纵向延伸以连接到第一像素隔离部分。分离结构可以在第一方向和第二方向上与像素隔离结构间隔开，并且在与第一方向和第二方向垂直的第三方向上至少部分地与第一光电转换区域和第二光电转换区域处于相同的水平上。
根据本发明构思的实施例，一种图像传感器可以包括：第一导电类型的半导体衬底；像素隔离结构，设置在半导体衬底中，用于限定第一像素区域和第二像素区域；第一光电转换区域和第二光电转换区域，第一光电转换区域和第二光电转换区域为第二导电类型，并且设置在第一像素区域和第二像素区域中的每一个的半导体衬底中；第一分离结构，设置在第一像素区域中并在第一像素区域的第一光电转换区域与第二光电转换区域之间；以及分离杂质区域，设置在第二像素区域中并在第二像素区域的第一光电转换区域与第二光电转换区域之间。分离杂质区域在第一方向上延伸以与第二像素区交叉，并且分离结构在第一方向上延伸并与像素隔离结构间隔开，并且至少部分地与第一像素的第一光电转换区域和第二光电转换区域处于相同的竖直水平上。
根据本发明构思的实施例，一种图像传感器可以包括：像素隔离结构，设置在半导体衬底中，用于限定多个像素区域，当在平面图中观察时，像素隔离结构包围每个像素区域；第一光电转换区域和第二光电转换区域，设置在每个像素区域中；以及分离结构，设置在像素区域之中的第一像素区域中的第一光电转换区域与第二光电转换区域之间，并与像素隔离结构间隔开。像素隔离结构可以包括第一突出部分，第一突出部分朝向像素区域之中的第二像素区域的中心突出并且在第一方向上彼此面对。
附图说明
根据以下结合附图进行的简要描述，将更清楚地理解示例实施例。附图表示本文所述的非限制性示例实施例。
图1是示出了根据本发明构思的实施例的图像传感器的框图。
图2是示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的示意性平面图。
图3是示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的电路图。
图4A和图4B是示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的滤色器阵列的平面图。
图5A、图5C、图5D和图5E是各自示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。
图5B是示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的一部分的放大平面图。
图6A、图6B、图6C和图6D是分别沿图5A的线I-I′、II-II′和III-III′截取的截面图，示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列。
图7A、图7B和图7C是分别沿图5A的线I-I′截取的截面图，示出根据本发明构思的实施例的图像传感器。
图8A、图9A、图10A和图10C是各自示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。
图8B、图9B和图10B是分别沿图8A、图9A和图10A的线I-I′截取截面图，示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列。
图11A和图11B是示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图和截面图，并且图11B是沿图11A的线 I-I′截取的截面图。
图12A、图12B、图12C和图12D是各自示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的平面图。
图13A和图13B是各自示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。
图14A和图14B是沿图13A的线I-I′和II-II′截取的截面图，示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列。
图15A、图15B、图15C和图15D是各自示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。
图16A、图16B、图16C和图16D是各自示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。
图17A、图17B和图17C是沿图16A的线I-I′、II-II′和III-III′截取的截面图，示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列。
图18A、图18B、图18C、图18D、图18E和图18F是示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。
图19A和图19B是沿图19A的线I-I′和II-II′截取的截面图，示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列。
应当注意，这些附图旨在说明在某些示例实施例中使用的方法、结构和/或材料的一般特性，并补充下面提供的书面描述。然而，这些附图并不是按比例的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性，并且不应被解释为限定或限制示例实施例所包含的值或性质的范围。例如，为了清楚起见，分子、层、区域和/或结构元件的相对厚度和定位可被减小或夸大。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
现在将参照示出了示例性实施例的附图来更全面地描述本发明构思的示例实施例。
图1是示出了根据本发明构思的实施例的图像传感器的框图。
参考图1，图像传感器可以包括有源像素传感器阵列1、行解码器2、行驱动器3、列解码器4、定时发生器5、相关双采样器(CDS) 6、模数转换器(ADC)7和输入/输出(I/O)缓冲器8。
有源像素传感器阵列1可以包括二维布置的用于将光信号转换为电信号的多个单位像素。有源像素传感器阵列1可以由从行驱动器3 发送的多个驱动信号(例如像素选择信号、复位信号和电荷传输信号) 来驱动。转换后的电信号可以提供给CDS 6。
在一些实施例中，图像传感器可以检测要入射到有源像素传感器阵列1中的光的相位差，并且可以使用相位差检测来执行自动聚焦操作。有源像素传感器阵列1的每个单位像素可以根据要入射到一对光电转换器件中的光的相位差来生成并输出聚焦信号。聚焦信号可以用于执行自动聚焦操作或用于调整成像设备的镜头的位置。
行驱动器3可以基于由行解码器2解码的结果，将用于驱动多个单位像素的驱动信号提供给有源像素传感器阵列1。在单位像素以矩阵形状排列的情况下，可以将驱动信号提供给单位像素的各行。
定时发生器5可以向行解码器2和列解码器4提供定时和控制信号。
CDS 6可以接收在有源像素传感器阵列1中生成的电信号，并执行对接收的电信号进行保持和采样的操作。例如，CDS 6可以对特定噪声电平和电信号的信号电平执行双采样操作，以输出与噪声电平和信号电平之间的差相对应的差电平。
ADC 7可以将与从CDS 6输出的差电平相对应的模拟信号转换为数字信号，然后可以将转换后的数字信号输出到I/O缓冲器8。
I/O缓冲器8可以锁存数字信号，并且可以基于由列解码器4解码的结果将锁存的数字信号顺序输出到图像信号处理单元(未示出)。
图2是示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的示意性平面图。
参考图2，图像传感器可以包括像素阵列区域R1和焊盘区域R2。
可以在像素阵列区域R1中布置多个单位像素P，多个单位像素P 在两个不同方向(例如，第一方向D1和第二方向D2，可以是水平方向)上二维地布置。像素阵列区域R1的每个单位像素P可以被配置为输出由入射光产生的电信号。
像素阵列区域R1可以包括中心区域CR和包围中心区域CR的边缘区域ER。当在平面图中观察时，边缘区域ER可以设置在中心区域CR的顶侧、底侧、右侧和左侧。
入射到像素阵列区域R1的边缘区域ER中的光的角度可以不同于入射到像素阵列区域R1的中心区域CR中的光的角度。
用于输入或输出控制信号和光电信号的多个导电焊盘CP可以设置在焊盘区域R2中。当在平面图中观察时，焊盘区域R2可以被设置为包围像素阵列区域R1，并且这可以使得能够容易地将图像传感器连接到外部设备。在一些实施例中，边缘区域ER包括图像传感器的单位像素P之中的最靠近焊盘区域R2的焊盘且与焊盘区域R2的焊盘相邻的单位像素P。
图3是示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的电路图。
参照图3，有源像素传感器阵列1可以包括以行方向和列方向排列或以矩阵形状排列的多个单位像素P。单位像素P可以包括第一光电转换器件PD1和第二光电转换器件PD2、第一传输晶体管TX1和第二传输晶体管TX2以及逻辑晶体管RX、SX和AX。这里，逻辑晶体管可以包括复位晶体管RX、选择晶体管SX和放大晶体管AX。第一传输晶体管TX1和第二传输晶体管TX2的栅电极、复位晶体管RX 和选择晶体管SX可以分别连接到驱动信号线TG1、TG2、RG和SG。
第一传输晶体管TX1可以包括第一传输栅极TG1和第一光电转换器件PD1，并且第二传输晶体管TX2可以包括第二传输栅极TG2 和第二光电转换器件PD2。第一传输晶体管TX1和第二传输晶体管 TX2可以共享电荷检测节点FD(例如，浮动扩散区域)。
第一光电转换器件PD1和第二光电转换器件PD2可以生成与外部入射光的量成比例的光电荷，然后将生成的光电荷存储在其中。第一光电转换器件PD1和第二光电转换器件PD2中的每一个可以以光电二极管、光电晶体管、光栅极、钉扎的光电二极管(PPD)或其任何组合的形式提供。
第一传输栅极TG1和第二传输栅极TG2可以用于控制将存储在第一光电转换器件PD1和第二光电转换器件PD2中的光电荷传输到电荷检测节点FD(例如，浮动扩散区域)的操作。第一传输栅极TG1 和第二传输栅极TG2可以被施加彼此互补的信号。第一传输栅极TG1和第二传输栅极TG2可以用于选择性地将来自第一光电转换器件PD1 和第二光电转换器件PD2之一的光电荷传输到电荷检测节点FD。
从第一光电转换器件PD1和第二光电转换器件PD2传输的光电荷可以累积地存储在电荷检测节点FD中。放大晶体管AX可以由存储在电荷检测节点FD中的光电荷的量来控制。
复位晶体管RX可以被配置为周期性地放电或复位存储在电荷检测节点FD中的光电荷。例如，复位晶体管RX可以包括漏电极和源电极，漏电极和源电极分别连接到电荷检测节点FD和施加有电源电压VDD的节点。如果复位晶体管RX导通，则可以通过复位晶体管 RX的源电极将电源电压VDD施加到电荷检测节点FD。因此，存储在电荷检测节点FD中的光电荷可以通过复位晶体管RX被放电到电源电压VDD，因此电荷检测节点FD可以被复位。
放大晶体管AX可以放大电荷检测节点FD的电位的变化，并且可以将由选择晶体管SX放大的信号或像素信号输出到输出线VOUT。放大晶体管AX可以是源极跟随器缓冲放大器，其被配置为与提供给其栅电极的光电荷的量成比例地生成源-漏电流。放大晶体管AX的栅电极可以连接到电荷检测节点FD，放大晶体管AX的漏极可以连接到电源电压VDD，并且放大晶体管AX的源极可以连接到选择晶体管 SX的漏极。
选择晶体管SX可以用于选择单位像素P的对应行以进行读取操作。如果选择晶体管SX导通，则施加到放大晶体管AX的漏电极的电源电压VDD可以被施加到选择晶体管SX的漏电极。
图4A和图4B是示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的滤色器阵列的平面图。
参考图4A，有源像素传感器阵列1可以包括分别与单位像素对应的滤色器。每个单位像素可以包括红色滤光器R、绿色滤光器G或蓝色滤光器B中的一个。例如，单位像素可以是包括红色滤光器R的红色像素、包括蓝色滤光器B的蓝色像素或者包括绿色滤光器G的绿色像素。红色像素的红色滤光器R可以被配置为允许红光通过，并且在这种情况下，可以在红色像素的光电转换器件中生成与红色光相对应的光电子。蓝色像素的蓝色滤光器R可以被配置为允许蓝光通过，并且在这种情况下，可以在蓝色像素的光电转换器件中生成与蓝色光相对应的光电子。绿色像素的绿色滤光器R可以被配置为允许绿光通过，并且在这种情况下，可以在绿色像素的光电转换器件中生成与绿色光相对应的光电子。在某些实施例中，有源像素传感器阵列1的单位像素可以包括品红色(Mg)、黄色(Y)和青色(Cy)滤光器。
作为示例，滤色器R、G和B可以布置为形成拜耳图案，其中绿色滤光器G的数量是红色滤光器R或蓝色滤光器B的数量的两倍。例如，拜耳图案可以包括滤色器组，每个滤色器组包括以2×2配置布置的四个滤色器，或者包括在一个对角线方向上布置的两个绿色滤光器G以及在另一个对角线方向上布置的蓝色滤光器B和红色滤光器 R。红色滤光器R和蓝色滤光器B中的每一个可以设置在一对绿色滤光器G之间。拜耳图案的滤色器组可以在第一方向D1和第二方向D2 上重复布置。
参考图4B，有源像素传感器阵列1可以包括颜色像素和深度像素。每个颜色像素可以包括红色滤光器R、绿色滤光器G或蓝色滤光器B中的一个。每个深度像素可以包括红外滤光器Z，允许红外光通过。
红色滤光器R、绿色滤光器G和蓝色滤光器B以及红外滤光器Z 可以构成多个滤光器组，多个滤光器组在第一方向D1和第二方向D2 上重复布置，并且每个滤光器组可以包括以2x2配置排列的四个滤光器。在一个实施例中，深度像素可以设置在相邻的一对颜色像素之间。
不同波长的光可以分别入射到单位像素中(或单位像素上)。如上所述，颜色像素可以被配置为从可见光生成光电子。深度像素的红外滤光器Z可以被配置为允许红外光通过，并且深度像素的光电转换器件可以被配置为从红外光生成光电子。通过使用感测红外光的深度像素，可以计算从成像设备到对象的距离并获得对象的三维图像。
图5A、图5C、图5D和图5E是各自示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。图5B是示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的一部分的放大平面图。图6A、图6B、图6C和图6D是分别沿图5A的线I-I′、II-II′和III-III′截取的截面图，示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列。
参考图5A和图5B以及图6A至图6D，根据本发明构思的实施例的图像传感器可以包括光电转换层10、读出电路层20和光学透明层30。当在截面图中观察时，光电转换层10可以设置在读出电路层 20和光学透明层30之间。光学透明层30也可以称为光学转换层或光学处理层。
光电转换层10可以包括半导体衬底100以及设置在半导体衬底 100中的第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b。半导体衬底100可以具有彼此相对的第一或前表面100a和第二或后表面100b。半导体衬底100可以是第一导电类型的，并且第一光电转换区域110a 和第二光电转换区域110b可以是杂质区域，其掺杂有与第一导电类型不同的第二导电类型(例如，n型)的杂质。第一光电转换区域110a 和第二光电转换区域110b可以被配置为将外部入射光转换为电信号。
读出电路层20可以设置在半导体衬底100的第一表面100a上。读出电路层20可以包括连接到光电转换层10的读出电路(例如，MOS 晶体管)。读出电路层20可以对光电转换层10转换的电信号执行信号处理操作。详细地，MOS晶体管和连接到MOS晶体管的导线210可以设置在半导体衬底100的第一表面100a上。导线210与在导线210 之间插入的层间绝缘层220可以堆叠在彼此上，并且位于不同水平处的导线210可以通过接触插塞(例如，导电插塞，未示出)彼此连接。
光学透明层30可以设置在半导体衬底100的第二表面100b上。光学透明层30可以包括滤色器阵列和微透镜阵列。光学透明层30可以被配置为执行光学处理操作或光学转换，诸如集中和过滤从外部入射的光的操作，并且将光提供给光电转换层10。
滤色器阵列可以包括红色滤光器320R、绿色滤光器320G和蓝色滤光器320B，如参考图4A所述。在某些实施例中，滤色器阵列可以包括不同颜色的滤色器(例如，青色、品红色或黄色)。在某些实施例中，滤色器阵列可以包括红外滤光器，如参考图4B所述。
微透镜阵列可以包括多个微透镜330，其用于集中从外部入射的光。当在平面图中观察时，微透镜330可以在两个不同方向(例如，第一方向D1和第二方向D2)上二维布置。
在一个实施例中，半导体衬底100可以是第一导电类型(例如， p型)的体硅晶片，在其上提供有第一导电类型的外延层。在一个实施例中，可以在制造图像传感器期间去除体硅衬底，并且在这种情况下，p型外延层可以用作半导体衬底100。在某些实施例中，半导体衬底100可以是体半导体晶片，其中形成有第一导电类型的阱。
半导体衬底100可以包括多个像素区域PG1、PG2、PB和PR，其由像素隔离结构101限定。像素区域PG1、PG2、PB和PR可以以矩阵形状或在两个不同方向(例如，第一方向D1和第二方向D2)上排列。作为示例，多个像素区域可以包括第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR，并且入射到第一像素区域至第三像素区域 PG1、PG2、PB和PR的光可以具有不同的波长范围。在一些实施例中，每个像素区域包括图像传感器的单独的单位像素或传感器元件(例如，图像传感器的最小可寻址感光元件)。因此，每个像素区域PG1、 PG2、PB或PR可以表示并且可以被称为单位像素或像素。
在一个实施例中，第一像素区域PG1和PG2可以分别在第一方向D1和第二方向D2上与第二像素区域PB和第三像素区域PR邻近地设置。第一像素区域PG1和PG2可以相对于彼此布置在对角线方向上。第二像素区域PB可以在第一方向D1和第二方向D2上与第一像素区域PG1和PG2邻近，并且第三像素区域PR可以在第一方向 D1和第二方向D2上与第一像素区域PG1和PG2邻近。第一波长的光可以入射到第一像素区域PG1和PG2中，并且具有比第一波长短的第二波长的光可以入射到第二像素区域PB中。具有比第一波长长的第三波长的光可以入射到第三像素区域PR中。例如，绿光可以入射到第一像素区域PG1和PG2中，红光可以入射到第二像素区域PB 中，并且蓝光可以入射到第三像素区域PR中。光的不同波长可以是由光学透明层30中使用的滤光器产生的。
当在平面图中观察时，像素隔离结构101可以包围第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的每一个。详细地，如图5B 所示，像素隔离结构101可以包括：多个第一像素隔离部分101a，其在第一方向D1(例如，纵向)上延伸并且在第二方向D2上彼此间隔开；以及第二像素隔离部分101b，其在第二方向D2(例如，纵向) 上延伸以与第一像素隔离部分101a交叉(例如，相交并连接)并且在第一方向D1上彼此间隔开。被描述为在特定方向上“纵向”延伸的制品、层或者制品或层的部分具有在该特定方向上的长度和与该方向垂直的宽度，其中长度大于宽度。第一像素隔离部分101a和第二像素隔离部分101b中的每一个可以具有第一宽度W1。针对每个单位像素的第一像素隔离部分101a之间的距离L1可以与针对每个单位像素的第二像素隔离部分101b之间的距离相同，但是本发明不限于此。像素隔离部分可以被称为像素隔离壁或像素隔离屏障。
第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的每个像素区域可以由一对第一像素隔离部分101a和一对第二像素隔离部分 101b限定。在一个实施例中，第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、 PB和PR中的每一个的宽度可以对应于相邻的第一像素隔离部分101a 之间的距离或相邻的第二像素隔离部分101b之间的距离L1。应当注意，四个像素区域PG1、PG2、PB和PR可以分别称为第一像素区域至第四像素区域，其中第一像素区域PG1和第二像素区域PG2是第一类型的像素区域(例如，包括第一滤色器)，第三像素区域PB是第二类型的像素区域(例如，包括第二滤色器)，并且第四像素区域PR 是第三类型的像素区域(例如，包括第三滤色器)。
像素隔离结构101可以由折射率低于半导体衬底100(例如，硅) 的折射率的绝缘材料形成，并且可以包括一个或多个绝缘层。例如，像素隔离结构101可以由氧化硅层、氮化硅层、未掺杂的多晶硅层、气态材料或其任何组合形成。像素隔离结构101的形成可以包括：图案化半导体衬底100的第一表面100a和/或第二表面100b以形成深沟槽，并用绝缘材料填充深沟槽。
像素隔离结构101可以穿透半导体衬底100。像素隔离结构101 的竖直厚度可以与半导体衬底100的竖直厚度基本相同。作为另一示例，像素隔离结构101可以从半导体衬底100的第一表面100a朝向第二表面100b竖直延伸，并且可以与半导体衬底100的第二表面100b 间隔开，因此可以不一直延伸到半导体衬底100的第二表面100b。
像素隔离结构101可以在半导体衬底100的第一表面100a附近具有第一宽度(例如，垂直于纵向延伸方向)，并在半导体衬底100 的第二表面100b附近具有第二宽度，第二宽度大于第一宽度。另外，像素隔离结构101的宽度可以在从半导体衬底100的第二表面100b 朝向第一表面100a的方向上逐渐减小。
像素隔离结构101可以防止由入射光在第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的每一个像素区域中产生的光电荷通过随机漂移过程进入与该每一个像素区域相邻的第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的其他像素区域。例如，像素隔离结构101可以防止在第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和 PR中的相邻像素区域之间发生串扰现象。
在一些实施例中，第一光电转换区域110a和第二光电转换区域 110b设置在第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR的每个像素区域中。第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b可以是掺杂有杂质的杂质区域，并且具有与半导体衬底100的第一导电类型不同的第二导电类型(例如，n型)。第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b以及第一导电类型的半导体衬底100可以构成一对光电二极管。例如，半导体衬底100和第一光电转换区域110a 或第二光电转换区域110b可以构成用作光电二极管的pn结。在光入射到构成光电二极管的第一光电转换区域110a和第二光电转换区域 110b中的情况下，可以与入射光的强度成比例地产生光电荷。
在第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的每一个中，在从第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b输出的电信号之间可以存在相位差。在图像传感器中，从一对第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b输出的电信号之间的相位差可以用于计算到对象的距离，以确定对象是聚焦还是离焦，确定离焦的程度，并自动调整图像传感器的焦距。
在第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的每一个中，分离结构103、105和107可以设置在第一光电转换区域110a 和第二光电转换区域110b之间。例如，每个分离结构103、105和107 可以至少部分地设置在与第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b相同的竖直水平上(例如，在与第一水平方向和第二水平方向垂直的第三方向上)。分离结构103、105和107可以防止入射到第一光电转换区域110a中的光进入第二光电转换区域110b，反之亦然。例如，分离结构103、105和107中的每一个可以防止第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的对应一个中的第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间的串扰现象。在一个实施例中，分离结构103、105和107中的每一个可以位于像素区域PG1、 PG2、PB和PR中的对应一个的中心。在本说明书中，每个像素区域 PG1、PG2、PB和PR的中心可以指的是与相邻的第一像素隔离部分 101a等距且也与相邻的第二像素隔离部分101b等距的点。每个分离结构103、105和107可以关于其对应像素区域的中心左右对称或径向对称。
在一些实施例中，可以在第一像素区域PG1和PG2中的每一个中设置第一分离结构103，可以在第二像素区域PB中设置第二分离结构105，并且可以在第三像素区域PR中设置第三分离结构107。
详细地，在每个第一像素区域PG1和PG2中，第一分离结构103 可以设置在第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间。当在平面图中观察时，第一分离结构103可以具有在第二方向D2上延伸的线形，并且当在透视图中观察时，第一分离结构103可以具有板状。第一分离结构103可以设置为在像素隔离结构101的第一像素隔离部分101a之间纵向延伸，并且可以与像素隔离结构101的第一像素隔离部分101a间隔开。第一分离结构103在第二方向D2上的长度可以小于像素隔离结构101的第一像素隔离部分101a之间的距离L1。第一分离结构103可以具有第二宽度W2，其小于像素隔离结构101 的第一宽度W1。
第一分离结构103可以从半导体衬底100的第二表面100b朝向第一表面100a竖直延伸，并且第一分离结构103的竖直深度可以小于像素隔离结构101的竖直深度。第一分离结构103可以描述为第一分隔壁或屏障。
当在平面图中观察时，第二分离结构105可以包括：沿第二方向 D2延伸的第一分离部分105a；和沿第一方向D1延伸并与第一分离部分105a交叉或相交的第二分离部分105b。第二分离结构105可以与像素隔离结构101间隔开。第二分离结构105在第一方向D1和第二方向D2上的长度L2和L3可以小于像素隔离结构101的第一像素隔离部分101a之间的距离L1。在一个实施例中，第一分离部分105a在第二方向D2上的长度L2可以等于第二分离部分105b在第一方向D1 上的长度L3。第二分离结构105的第一分离部分105a和第二分离部分105b中的每一个可以具有第二宽度W2，第二宽度W2小于像素隔离结构101的第一宽度W1。
在第二像素区域PB中，第二分离结构105的第一分离部分105a 可以设置在第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间，并且当在平面图中观察时，第二分离部分105b可以与第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b部分地重叠。
由于第二分离结构105包括彼此交叉的第一分离部分105a和第二分离部分105b，所以入射到第二像素区域PB中的光可以通过第二分离结构105在第一方向D1和第二方向D2两者上反射。即使入射光被第二分离结构105以漫射(diffused)方式反射，在第一方向D1上从第二像素区域PB朝向与之相邻的第一像素区域PG1传播的光的量也可以基本上等于在第二方向D2上从第二像素区域PB朝向与之相邻的第一像素区域PG2传播的光的量。因此，可以防止或抑制噪声水平依据第一像素区域PG1和PG2的位置而改变。此外，由于第二分离结构105与像素隔离结构101间隔开，因此可以减少可能由第二分离结构105引起的入射光的漫反射。
第三分离结构107可以由折射率不同于第一分离结构103和第二分离结构105的材料形成，或者可以具有与第一分离结构103不同的形状。第三分离结构107可以是掺杂有杂质的分离杂质区域，并且具有与半导体衬底100相同的导电类型。
当在平面图中观察时，第三分离结构107可以具有在第二方向 D2上延伸的线形，并且可以接触像素隔离结构101。本文中描述为彼此“接触”或“相接触”的制品是彼此直接相邻并且是接触的。当在截面图中观察时，第三分离结构107可以从半导体衬底100的第二表面 100b朝向第一表面100a竖直延伸。在一个实施例中，当从半导体衬底100的第二表面100b测量时，第三分离结构107的深度可以大于第一分离结构103和第二分离结构105的深度。
由于第三分离结构107由第一导电类型的杂质区域形成，所以第三分离结构107可以用作第一光电转换区域110a和第二光电转换区域 110b之间的势垒。因此，可以防止在第一光电转换区域110a中产生的光电荷扩散到第二光电转换区域110b中，或者防止在第二光电转换区域110b中产生的光电荷扩散到第一光电转换区域110a中。另外，由于与第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b类似，第三分离结构107由半导体材料形成，所以入射到第三像素区域PR中的光可以不被第三分离结构折射并且可以被第三分离结构反射，因此可以减少彼此相邻的第一像素区域PG1和PG2之间的串扰现象。可能在第三像素区域PR和与其相邻的第一像素区域PG1和PG2之间发生的串扰现象可以在第一方向D1和第二方向D2上变得基本相同。例如，可以减少与分别在第一方向D1和第二方向D2上与第三像素区域PR相邻的第一像素区域RG1和第一像素区域RG2中发生的串扰现象相关联的差异。因此，可以防止或抑制噪声水平依据第一像素区域PG1 和第二像素区域PG2的位置而改变。
在第一像素区域PG1和PG2中的每一个中，第一分离结构103 可以防止在第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间发生串扰现象，并且可以减少由第一分离结构103引起的入射光的漫反射。
第二分离结构105可以减少在第一方向D1和第二方向D2上发生的串扰现象，并且可以减少由第二分离结构105引起的入射光的漫反射。
第一分离结构103和第二分离结构105以及像素隔离结构101可以同时形成。例如，可以通过图案化半导体衬底100的第二表面100b 以在半导体衬底100中形成沟槽并用绝缘材料填充沟槽，来形成第一分离结构103和第二分离结构105。
由于第一分离结构103和第二分离结构105的第二宽度W2小于像素隔离结构101的第一宽度W1，所以第一分离结构103和第二分离结构105的竖直深度可以小于像素隔离结构101的竖直深度。
第一分离结构103和第二分离结构105可以包括与像素隔离结构 101相同的绝缘材料。第一分离结构103和第二分离结构105可以由折射率低于半导体衬底100的折射率的绝缘材料形成。例如，第一分离结构103和第二分离结构105可以由氧化硅层、氮化硅层、未掺杂的多晶硅层、气态材料或其任何组合形成。
此外，在第一像素区域PG1、PG2和第二像素区域PB中的每一个中，虚设分离杂质区域102可以设置在第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间并且在第一分离结构103和第二分离结构 105下方。可以通过使用离子注入工艺将与半导体衬底100具有相同导电类型(例如，p型)的杂质注入到半导体衬底100中来形成虚设分离杂质区域102。由于虚设分离杂质区域102可以用作势垒，所以入射光可以分离地提供给第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b。
此外，根据本发明构思的一些实施例，在第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的每一个中，扩散区域FD可以设置在第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间。在第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的每一个中，可以通过使用例如离子注入工艺将第二导电类型的杂质注入到半导体衬底 100的第一表面100a中来形成浮动扩散区域FD。
在半导体衬底100的第一表面100a上，第一传输栅电极TG1可以设置在第一光电转换区域110a和浮动扩散区域FD之间，并且第二传输栅电极TG2可以设置在第二光电转换区域110b和浮动扩散区域 FD之间。
在一个实施例中，第一传输栅电极TG1和第二传输栅电极TG2 中的每一个的一部分可以设置在半导体衬底100中，并且栅极绝缘层可以插入在第一传输栅电极TG1和第二传输栅电极TG2与半导体衬底100之间。
浮动扩散区域FD可以设置在第一传输栅电极TG1和第二传输栅电极TG2之间的半导体衬底100中。浮动扩散区域FD可以通过在半导体衬底100中执行离子注入工艺来形成，并且可以具有与半导体衬底100不同的导电类型。例如，浮动扩散区域FD可以是n型杂质区域。
层间绝缘层220可以堆叠在半导体衬底100的第一表面100a上，并且层间绝缘层220可以覆盖构成读出电路的MOS晶体管以及第一传输栅电极TG1和第二传输栅电极TG。层间绝缘层220可以包括例如氧化硅、氮化硅和/或氮氧化硅。导线210可以分别设置在层间绝缘层220上，并且导线210可以通过接触插塞电连接到读出电路。
滤色器320G、320B和320R以及微透镜330可以设置在半导体衬底100的第二表面100b上。另外，平坦化绝缘层301可以设置在半导体衬底100的第二表面100b与滤色器320G、320B和320R之间。滤色器320G、320B和320R以及微透镜330可以设置为分别对应于第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR。
滤色器320G、320B和320R可以包括红色、绿色或蓝色的滤色器，如参考图4A至图4B所述。与此不同，滤色器可以具有其他颜色，例如青色、品红色或黄色。在实施例中，绿色滤光器320G可以设置在第一像素区域PG1和PG2上，蓝色滤光器320B可以设置在第二像素区域PB上，并且红色滤光器320R可以设置在第三像素区域PR上。
微透镜330可以具有凸起形状并且可以用于集中入射到第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的光。在实施例中，当在平面图中观察时，每个微透镜330可以与一对第一光电转换区域 110a和第二光电转换区域110b重叠。
网格图案310可以设置在滤色器320G、320B和320R之间。类似于像素隔离结构101，当在平面图中观察时，网格图案310可以具有网格或网形状。分离图案310可以由金属材料(例如，钨或铝)形成。
根据图5C所示的实施例，在第一像素区域PG1和PG2中的每一个中，类似于第二分离结构105，第一分离结构103可以包括：沿第二方向D2延伸的第一分离部分103a；以及沿第一方向D1延伸且与第一分离部分103a交叉的第二分离部分103b。
根据图5D所示的实施例，在第一像素区域至第三像素区域PG1、 PG2、PB和PR中，第一分离结构至第三分离结构103、105和107 中的每一个可以包括：在第二方向D2上延伸的第一分离部分103a、 105a或107a；以及在第一方向D1上延伸并与第一分离部分103a、105a或107a交叉的第二分离部分103b、105b或107b。
根据图5E所示的实施例，在第一像素区域PG1和PG2中的每一个中，第一分离结构103可以设置在第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间。当在平面图中观察时，第一分离结构103可以具有在第二方向D2上延伸的线形。第二分离结构105和第三分离结构107中的每一个可以是分离杂质区域，其为第一导电类型并且设置在第一光电转换区110a和第二光电转换区110b之间的半导体衬底100 中。
在以下实施例中，为了简洁起见，先前描述的元件可以由相同的附图标记标识，而不重复其冗余描述。
图7A、图7B和图7C各自是沿图5A的线I-I′截取的截面图，示出根据本发明构思的实施例的图像传感器。
参照图7A，像素隔离结构101可以包括：第一绝缘层111，其以恒定的厚度覆盖深沟槽的内表面(例如，它可以沿着半导体衬底100 的形成沟槽的表面共形地形成)；以及第二绝缘层113，其填充具有第一绝缘层111的沟槽。第一绝缘层111和第二绝缘层113可以由不同的材料形成。
像素隔离结构101可以从半导体衬底100的第二表面100b朝向第一表面100a竖直延伸，并且像素隔离结构101的底表面可以与半导体衬底100的第一表面100a间隔开。这样，像素隔离结构101的深度可以小于半导体衬底100的厚度。
第一分离结构103和第二分离结构105可以由与像素隔离结构 101的第一绝缘层111相同的材料形成。
参照图7B，像素隔离结构101可以包括彼此具有不同折射率的第一折射层112和第二折射层114。第一折射层112可以与半导体衬底 100接触，并且第二折射层114可以设置在第一折射层112中。由于折射率的差异，倾斜地入射到像素隔离结构101的光可以在第一折射层112和第二折射层114的界面处被折射。例如，第一折射层112可以由绝缘材料(例如，氧化硅或氮化硅)形成，并且第二折射层114 可以由多晶硅层或金属层形成或包括多晶硅层或金属层。第一分离结构103和第二分离结构105可以由与像素隔离结构101的第一反射层112相同的材料形成。
参照图7C，像素隔离结构101可以在半导体衬底100的第一表面 100a附近具有第一宽度，并且在半导体衬底100的第二表面100b附近具有第二宽度，这里，第二宽度可以小于第一个宽度。另外，像素隔离结构101的宽度可以在从半导体衬底100的第一表面100a朝向第二表面100b的方向上逐渐减小。
图8A、图9A、图10A和图10C是各自示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。图8B、图9B和图10B是分别沿图8A、图9A和图10A的线I-I′截取的截面图，示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列。
如上所述，可以在第一像素区域PG1和PG2中的每一个中设置第一分离结构103，可以在第二像素区域PB中设置第二分离结构105，并且可以在第三像素区域PR中设置第三分离结构107。
参照图8A和图8B，第一分离结构103可以包括：第一分离部分 103a，沿第二方向D2延伸；以及第二分离部分103b，与第一分离部分103a交叉，在第一方向D1上延伸并具有突出形状。这里，第一分离部分103a和第二分离部分103b中的一个可以与像素隔离结构101 间隔开，并且第一分离部分103a和第二分离部分103b中的另一个可以连接到像素隔离结构101。第二分离部分103b的纵轴长度L3可以短于第一分离部分103a的纵轴长度L2。
第一分离部分103a可以在第二方向D2上延伸，可以位于第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间，并且可以连接到像素隔离结构101的第一像素隔离部分101a。第一分离部分103a可以具有长度L2，当在第二方向D2上测量时，长度L2与第一像素隔离部分101a之间的距离L1(例如，参见图5B)相同。第一分离部分103a 可以设置为与第一像素区域PG1和PG2中的每一个交叉，并且可以用于减小第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间的串扰问题。第一分离结构103的第二分离部分103b可以提供在第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间延伸的交叉结构，该交叉结构类似于像素隔离结构101的第一像素隔离部分101a和第二像素隔离部分101b的交叉结构。入射光可以入射到第一像素区域PG1和 PG2中的每一个的中心，并且入射光可以被第一分离结构103反射或者可以在第一方向D1和第二方向D2上被第一分离结构103分开。
此外，由于第一分离结构103在第一方向D1上与像素隔离结构 101间隔开，因此入射光可以不在像素隔离结构101与第一分离结构 103的第二分离部分103b之间的部分中被反射，并且入射光可以被第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b吸收。因此，可以增加入射到第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b中的光量，并且这可以增加从每个像素区域PG1、PG2、PB和PR的第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b输出的信号之间的差异。通过比较从第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b输出的信号，可以改善控制透镜位置的自动聚焦操作中的操作特性。
由于像素隔离结构101具有由彼此相交的第一像素隔离部分101a 和第二像素隔离部分101b形成的交叉结构，因此像素隔离结构101 可以在第一像素隔离部分101a和第二像素隔离部分101b彼此相交的区域处具有最大深度。此外，当像素隔离结构101以及第一分离结构 103和第二分离结构105同时形成时，可以将基本相同的工艺环境提供给每个像素区域PG1、PG2、PB和PR的中心部分。
第二分离结构105可以包括第一分离部分105a和第二分离部分 105b，第一分离部分105a在第二方向D2上与第二像素区域PB交叉，第二分离部分105b在第一方向D1上与第二像素区域PB交叉。第二分离结构105的第二分离部分105b可以与第一分离部分105a以及第一像素区域PG1和第二像素区域PG2和PB交叉。第二分离结构105 可以减小在第一方向D1上彼此相邻的像素区域间的串扰与在第二方向D2上彼此相邻的像素区域间的串扰之间的差异。
如上所述，当在平面图中观察时，第三分离结构107可以在第二方向D2上延伸，并且可以是分离杂质区域，该分离杂质区域为第一导电类型并且设置在第一光电转换区域110a和第二光电转换区域 110b之间的半导体衬底100中。入射到第三像素区域PR中的光可以通过势垒被分离地提供给第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b，而没有由第三分离结构107引起的漫反射问题。因此，可能在第三像素区域PR和与其相邻的第一像素区域PG1和PG2之间发生的串扰现象可以在第一方向D1和第二方向D2上变得基本相同。
参考图9A和图9B，第二分离结构105和第三分离结构107在其结构和材料方面可以是相同的。详细地，当在平面图中观察时，第二分离结构105和第三分离结构107可以在第二方向D2上延伸，并且可以是分离杂质区域，该分离杂质区域为第一导电类型并且设置在第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间的半导体衬底100 中。在第二像素区域PB和第三像素区域PR中的每一个中，串扰现象可以在第一方向D1和第二方向D2上以对称方式发生。
参照图10A和图10B，在第一像素区域PG1和PG2中的每一个中，第一分离结构103可以在第一方向D1和第二方向D2两者上与像素隔离结构101间隔开。因此，可以向第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b提供光，而在第一像素区域PG1和PG2中的每一个的边缘部分处没有漫反射。另外，在第二像素区域PB中，第二分离结构105可以在第一方向D1和第二方向D2两者上与像素隔离结构 101间隔开。
参照图10C，在第一像素区域PG1和PG2中的每一个中，第一分离结构103可以与像素隔离结构101间隔开，并且第一分离结构103 可以包括：在第二方向D2上延伸的第一分离部分103a；以及第二分离部分103b，从第一分离部分103a延伸并具有在第一方向D1上延伸和突出的形状。当在平面图中观察时，第二像素区域PB的第二分离结构105和第三像素区域PR的第三分离结构107可以在第二方向D2 上延伸，并且可以是分离杂质区域，该分离杂质区域为第一导电类型并且设置在第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间的半导体衬底100中。
图11A和图11B是示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图和截面图。图11B是沿图11A的线I-I′截取的截面图。图12A、图12B、图12C和图12D是各自示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的平面图。
如上所述，可以在第一像素区域PG1和PG2中的每一个中设置第一分离结构103，可以在第二像素区域PB中设置第二分离结构105，并且可以在第三像素区域PR中设置第三分离结构107。
参照图11A和图11B以及图12A至图12C，像素隔离结构101 可以包括沿第一方向D1延伸的第一像素隔离部分101a、沿第二方向 D2延伸的第二像素隔离部分101b、以及从第一像素隔离部分101a突出的突出部分101P。这里，突出部分101P可以朝向第三像素区域PR 的中心或沿第二方向D2突出。作为另一示例，如图12D所示，像素隔离结构101的突出部分101P可以设置在第二像素区域PB和第三像素区域PR中的每一个中。在第二像素区域PB和第三像素区域PR中的每一个中，像素隔离结构101的突出部分101P可以设置在第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间，并且可以具有在第二方向D2上突出的形状。
当在平面图中观察时，第三分离结构107可以设置在像素隔离结构101的突出部分101P之间，并且可以在第二方向D2上延伸。第三分离结构107可以是分离杂质区域，该分离杂质区域为第一导电类型并且设置在第一光电转换区110a和第二光电转换区110b之间的半导体衬底100中。第三分离结构107在第二方向D2上的长度可以小于像素隔离结构101的第一像素隔离部分101a之间的距离。
像素隔离结构101的突出部分101P可以防止形成在第三像素区域PR的第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b与邻近像素隔离结构101的部分之间的各个结劣化。另外，像素隔离结构101 的突出部分101P可以物理地反射第三像素区域PR的边缘处的入射光，因此在第三像素区域PR中可以减少第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间的串扰现象。
此外，第一分离结构103和第二分离结构105可以在第一方向 D1和第二方向D2上与像素隔离结构101间隔开，如图11A和图11B 所示。这里，第一分离结构103可以具有线性结构，并且第二分离结构105可以具有交叉结构。
作为另一示例，第一分离结构103和第二分离结构105可以连接到像素隔离结构101，如图12A所示。换句话说，第一分离结构103 可以被设置为在第二方向D2上与第一像素区域PG1和PG2交叉。第二分离结构105可以被设置为在第一方向D1和第二方向D2上与第二像素区域PB交叉。
作为另一示例，第一分离结构103可以包括第一分离部分103a 和第二分离部分103b，第一分离部分103a在第二方向D2上延伸并连接到像素隔离结构101，第二分离部分103b设置为横过第一分离部分 103a并且与像素隔离结构101间隔开，如图12B和图12C所示。这里，如图12B所示，第二分离结构105可以在第一方向D1和第二方向D2上与第二像素区域PB交叉，并且可以连接到像素隔离结构101。备选地，如图12C所示，第二分离结构105可以包括彼此交叉的第一分离部分105a和第二分离部分105b，但是可以与像素隔离结构101 间隔开。
图13A和图13B是各自示出了根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。图14A和图14B是沿图13A 的线I-I′和II-II′截取的截面图，示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列。
参照图13A、图14A和图14B，像素隔离结构101可以包括沿第一方向D1延伸的第一像素隔离部分101a、沿第二方向D2延伸的第二像素隔离部分101b、以及从第一像素隔离部分101a突出的突出部分101P。这里，每个突出部分101P可以朝向第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的对应一个的中心或沿第二方向D2 突出。
像素隔离结构101的突出部分101P可以设置在第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的每一个中。在第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的每一个中，像素隔离结构 101的突出部分101P可以设置在第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间，并且可以具有在第二方向D2上突出的形状。
在第一像素区域PG1和PG2中，第一分离结构103可以设置在像素隔离结构101的突出部分101P之间，如图13A和图13B所示。这里，第一分离结构103可以包括沿第二方向D2延伸的第一分离部分103a、和沿第一方向D1延伸且与第一分离部分103a交叉的第二分离部分103b，如图13A所示。备选地，第一分离结构103可以具有在第二方向D2上延伸的线形，如图13B所示。
在第二像素区域PB中，如图13A和图13B所示，第二分离结构 105可以设置在像素隔离结构101的突出部分101P之间，并且可以包括彼此交叉的第一分离部分105a和第二分离部分105b。
在第三像素区域PR中，第三分离结构107可以是分离杂质区域，该分离杂质区域为第一导电类型并且设置在第一光电转换区110a和第二光电转换区110b之间的半导体衬底100中，如图13A和图13B 所示。这里，分离杂质区域可以设置在像素隔离结构101的突出部分 101P之间。
图15A、图15B、图15C和图15D是各自示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。
如上所述，可以在第一像素区域PG1和PG2中的每一个中设置第一分离结构103，可以在第二像素区域PB中设置第二分离结构105，并且可以在第三像素区域PR中设置第三分离结构107。
参照图15A至图15D，像素隔离结构101可以包括沿第一方向 D1延伸的第一像素隔离部分101a、沿第二方向D2延伸的第二像素隔离部分101b、从第一像素隔离部分101a沿第二方向D2突出的第一突出部分101Pa、以及从第二像素隔离部分101b沿第一方向D1突出的第二突出部分101Pb。这里，第一突出部分101Pa和第二突出部分 101Pb可以具有朝向第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和 PR中的每一个的中心而部分突出的形状。在第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的每一个中，像素隔离结构101的突出部分101P可以设置在第一光电转换区域110a和第二光电转换区域 110b之间。
参照图15A、图15B和图15D，在第一像素区域PG1和PG2中的每一个中，第一分离结构103可以包括彼此交叉的第一分离部分 103a和第二分离部分103b。第一分离结构103的第一分离部分103a 可以设置在像素隔离结构101的第一突出部分101Pa之间，并且第一分离结构103的第二分离部分103b可以设置在像素隔离结构101的第二突出部分101P之间。备选地，第一分离结构103可以具有在像素隔离结构101的第一突出部分101Pa之间沿第二方向D2延伸的线形，如图15C所示。
参照图15A、图15C和图15D，在第三像素区域PR中，第三分离结构107可以是分离杂质区域，该分离杂质区域为第一导电类型并且设置在第一光电转换区110a和第二光电转换区110b之间的半导体衬底100中。这里，分离杂质区域可以设置在像素隔离结构101的突出部分101P之间。
根据图15A至图15D所示的实施例，在第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的每一个中，光可以被第一分离结构至第三分离结构103、105和107反射，并且可以被分离地提供给第一光电转换区110a和第二光电转换区110b。此外，由于光可以入射到第一分离结构至第三分离结构103、105和107与像素隔离结构101 之间的区域中，因此可以增加吸收到第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b的光量。
图16A、图16B、图16C和图16D是各自示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。图17A、图17B 和图17C是沿图16A的线I-I′、II-II′和III-III′截取的截面图，示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列。
参照图16A、图17A、图17B和图17C，第一光电转换区域至第四光电转换区域110a、110b、110c和110d可以设置在第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的每一个中。第一光电转换区域至第四光电转换区域110a、110b、110c和110d可以是杂质区域，该杂质区域掺杂有杂质并且具有与半导体衬底100的导电类型不同的第二导电类型(例如，n型)。在第一像素区域至第三像素区域PG1、 PG2、PB和PR中的每一个中，第一光电转换区域至第四光电转换区域110a、110b、110c和110d可以在第一方向D1和第二方向D2上彼此间隔开。
参照图16A和图16B，在第一像素区域PG1和PG2中的每一个中，第一分离结构1.03可以设置在第一光电转换区域至第四光电转换区域110a、110b、110c和110d之间，并且在第二像素区域PB中，第二分离结构105可以设置在第一光电转换区域至第四光电转换区域110a、110b、110c和110d之间。
参照图16A，在第三像素区域PR中，可以在半导体衬底100中设置沿第二方向D2延伸的第一分离杂质区域和沿第一方向D1延伸的第二分离杂质区域。第一分离杂质区域可以设置在第一光电转换区 110a和第二光电转换区110b之间以及在第三光电转换区110c和第四光电转换区110d之间。第二分离杂质区域可以设置在第一光电转换区 110a和第三光电转换区110c之间以及在第二光电转换区110b和第四光电转换区110d之间。像素隔离结构101可以包括在第二方向D2上从第一像素隔离部分101a突出的第一突出部分101Pa、和在第一方向 D1上从第二像素隔离部分101b突出的第二突出部分101Pb，如参考图15A所述。
在第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的每一个中，像素隔离结构101的第一突出部分101Pa可以设置在第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间以及在第三光电之间转换区域110c和第四光电转换区域110d之间。像素隔离结构101的第一突出部分101Pb可以被配置在第一光电转换区域110a和第三光电转换区域110c之间以及在第二光电转换区域110b和第四光电转换区域 110d之间。
在图16C的实施例中，可以省略图16A的像素隔离结构101的第一突出部分101Pa和第二突出部分101Pb。
参照图16B，在第三像素区域PR中，第三分离结构107可以设置在第一光电转换区域至第四光电转换区域110a、110b、110c和110d 之间，并且第三分离结构107可以具有与第一分离结构103和第二分离结构105相同的材料和结构。也就是说，第一光电转换区域至第四光电转换区域110a、110b、110c和110d可以设置在第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的每一个中，并且第一分离结构至第三分离结构103、105和107可以包括设置成彼此交叉的第一分离部分1.03a、105a和107a以及第二分离部分103b、105b和107b。另外，像素隔离结构101可以包括在第二方向D2上从第一像素隔离部分101a突出的第一突出部分101Pa、和在第一方向D1上从第二像素隔离部分101b突出的第二突出部分101Pb，如参考图15A所述。
参考图16D，可以省略图16B的像素隔离结构101的第一突出部分101Pa和第二突出部分101Pb。
图18A、图18B、图18C、图18D、图18E和图18F是示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。图19A和图19B是沿图19A的线I-I′和II-II′截取的截面图，示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列。
参照图18A、图19A和图19B，第一像素区域至第三像素区域 PG1、PG2、PB和PR中的每一个中的第一分离结构至第三分离结构 103、105和107的平面位置可以根据有源像素传感器阵列中的第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR的位置而改变。
如先前参考图2所述，像素阵列区域R1可以包括中心区域CR 和边缘区域ER。在设置在边缘区域ER中的第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中，第一分离结构至第三分离结构103、 105和107可以朝向中心区域CR移位，如图18A和图18B所示。
详细地，参考图18A和图18B，当在平面图中观察时，第一分离结构103的中心C1可以相对于每个第一像素区域PG1和PG2的中心 PC1偏移，并且第二分离结构105的中心C2可以相对于第二像素区域PB的中心PC2偏移。这里，第一分离结构103的中心C1可以是第一分离部分103a和第二分离部分103b的相交点，并且第二分离结构105的中心C2可以是第一分离部分105a和第二分离部分105b的相交点。
如图18A和图18B所示，就与第一像素隔离部分101a中的相应的第一像素隔离部分101a在第一方向D1上的距离而言，第一分离结构103可以被定位成彼此不同。如图18A和图18B所示，就与第一像素隔离部分101a中的相应的第一像素隔离部分101a在第一方向D1 上的距离而言，第一分离结构103可以被定位成彼此不同。
此外，如图18A和图18B所示，当在平面图中观察时，设置为分别与像素区域PG1、PG2、PB和PR对应的微透镜330可以朝向像素阵列区域R1的中心区域CR移位(例如，参见图2)。当在平面图中观察时，微透镜330的中心MC可以相对于像素区域的中心PC1和 PC2中的对应一个偏移。备选地，当在平面图中观察时，微透镜330 的中心MC可以相对于第一分离结构103的中心C1偏移。
微透镜330的中心MC与每个像素区域PG1、PG2、PB和PR的中心PC1或PC2之间的水平距离可以基本上等于第一分离结构103 的中心与第一分离结构103的中心与第一像素区域PG1和PG2中的每一个的中心PC1或PC2之间的水平距离。备选地，微透镜330的中心MC与每个像素区域PG1、PG2、PB和PR的中心PCI或PC2之间的水平距离可以不同于第一分离结构103的中心与第一分离结构103 的中心C1与第一像素区域PG1和PG2中的每一个的中心PCI之间的水平距离。
参照图18A，在像素阵列区域R1的边缘区域ER中(例如，参见图2)，第一分离结构103和第二分离结构105的中心可以分别相对于第一像素区域PG1、PG2和第二像素区域PB的中心偏移，并且由分离杂质区域组成的第三分离结构107的中心相对于第三像素区域PR 的中心不偏移。
当在平面图中观察时，第一分离结构103的中心可以与第一像素区域PG1和PG2中的每一个的中心间隔开第一水平距离。当在平面图中观察时，第二分离结构105的中心可以与第二像素区域PB的中心间隔开第二水平距离，该第二水平距离基本上等于第一水平距离。
第二像素区域PB的中心与第二像素区域PB中的第二分离结构 105的中心之间的水平距离可以不同于第一像素区域PG1和PG2中的每一个的中心与第一像素区PG1和PG2中的第一分离结构103的中心之间的水平距离。
参照图18B，第一分离结构至第三分离结构103、105和107的中心可以分别相对于第一像素区域至第三像素区域PG1、PG2、PB和 PR的中心偏移。
此外，参考图18A和图18B，像素隔离结构101可以包括第一像素隔离部分101a和第二像素隔离部分101b以及第一突出部分101Pa 和第二突出部分101Pb。在图18A中，第一突出部分101Pa和第二突出部分101Pb可以局部地朝向每个像素区域的中心突出。相反，在图18B中，第一突出部分101Pa和第二突出部分101Pb可以局部地朝向每个分离结构103、105和107的中心突出。
参考图18C和图18D，可以省略图18A和图18B的像素隔离结构101的第一突出部分101Pa和第二突出部分101Pb。在每个第一像素区域PG1中，第一分离结构103可以设置在第一光电转换区域110a 和第二光电转换区域110b之间。在第二像素区域PB中，包括彼此交叉的第一分离部分105a和第二分离部分105b的第二分离结构105可以设置在第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间。在像素阵列区域R1的边缘区域ER中(例如，参见图2)，第一分离结构103和第二分离结构105的中心可以分别相对于第一像素区域PG1、 PG2和第二像素区域PB的中心偏移。此外，当在平面图中观察时，设置为分别与像素区域PG1、PG2、PB和PR对应的微透镜330可以朝向(例如，图2的)像素阵列区域R1的中心区域CR移位。
参照图18E和图18F，第一光电转换区域至第四光电转换区域 110a、110b、110c和110d可以设置在第一像素区域至第三像素区域 PG1、PG2、PB和PR中的每一个中。
参照图18E，包括彼此交叉的第一分离部分和第二分离部分103a 和103b或105a和105b的第一分离结构103或第二分离结构105可以设置在第一像素区域PG1、PG2和第二像素区域PB中的每一个中。参照图18F，包括彼此交叉的第一分离部分和第二分离部分103a和103b或105a和105b的第一分离结构103或第二分离结构105可以设置在第一像素区域和第三像素区域PG1、PG2、PB和PR中的每一个中。
如上所述，在(例如，图2的)像素阵列区域R1的边缘区域ER 中，图18E和图18D所示的第一分离结构至第三分离结构103、105 和107的中心可以分别相对于第一像素区域PG1、PG2和第二像素区域PB的中心偏移。此外，当在平面图中观察时，设置为分别与像素区域PG1、PG2、PB和PR对应的微透镜330可以朝向(例如，图2 的)像素阵列区域R1的中心区域CR移位。
根据本发明构思的实施例，第一光电转换区域和第二光电转换区域之间的分离结构可以减小在第一方向上彼此相邻的像素区域间的串扰与在第二方向上彼此相邻的像素区域间的串扰之间的差异。因此，可以防止或抑制噪声水平依据像素区域的位置而改变。此外，由于分离结构与像素隔离结构间隔开，所以光可以入射到分离结构和像素隔离结构之间的第一光电转换区域和第二光电转换区域中。因此，可以增加入射到第一光电转换区域和第二光电转换区域中的光量，并且这可以增加从每个像素区域的第一光电转换区域和第二光电转换区域输出的信号之间的差异。通过比较从第一光电转换区域和第二光电转换区域输出的信号，可以改善控制透镜位置的自动聚焦操作中的操作特性。
简而言之，根据本发明构思的实施例，可以改善每个像素区域中的串扰特性并且可以改善图像传感器的自动聚焦操作特性。
尽管已经具体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将会理解，在不脱离所附权利要求书的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行变化。
为便于描述，空间上的相对术语，诸如”前″、”后″、″下″、″在...... 上方″、″上″等在本文中可以用来描述如在附图中所示的一个元件或者特征与另一个或多个元件或者特征的关系。将理解的是，空间相对术语除了包括附图中示出的定向之外，还意在包含设备在使用或操作中的不同定向。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为在其他元件或者特征“下方”或者“之下”的元件将被定向在其他元件或者特征的“上方”。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方向)，且可以相应地解释本文中使用的空间相对描述符。
此外，“第一”、“第二”、“第三”等的序数可以简单地用作某些元件、步骤等的标签，以将这些元件、步骤等彼此区分开。在说明书中未使用“第一”、“第二”等描述的术语在权利要求中仍可称为“第一”或“第二”。另外，用特定序数(例如，特定权利要求中的“第一”)引用的术语可以在别处以不同的序数(例如，说明书或另一权利要求中的“第二”)来描述。
当涉及朝向、布局、位置、形状、尺寸、量或其他度量时本文使用的术语例如“相同”、“相等”、“平面”或“共面”不必表示完全相同的朝向、布局、位置、形状、尺寸、量或其他度量，而是意在包含例如在由于制造工艺而可能发生的可接受变化内几乎相同的朝向、布局、位置、形状、尺寸、量或其他度量。除非上下文或其他陈述另有说明，否则术语“基本上”在本文中可以用于强调该含义。例如，被描述为“基本上相同”、“基本上相等”或“基本上平面”的项可以是完全相同、相等或平面的，或者可以在例如由于制造工艺而可能发生的可接受变化内是相同、相等或平面的。

Claims (25)

1.一种图像传感器，包括：
像素隔离结构，设置在半导体衬底中，用于限定第一像素区域；
第一光电转换区域和第二光电转换区域，设置在所述第一像素区域中；以及
分离结构，设置在所述第一像素区域中，在所述第一光电转换区域与所述第二光电转换区域之间，
其中，所述像素隔离结构包括：第一像素隔离部分，在第二方向上彼此间隔开并在第一方向上纵向延伸；以及第二像素隔离部分，在所述第一方向上彼此间隔开并在所述第二方向上纵向延伸以连接到所述第一像素隔离部分，并且
其中，所述分离结构在所述第一方向和所述第二方向上与所述像素隔离结构间隔开。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述像素隔离结构的第一像素隔离部分和第二像素隔离部分中的每一个具有第一宽度，并且
所述分离结构具有小于所述第一宽度的第二宽度。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述像素隔离结构具有距所述半导体衬底的第一表面的第一深度，并且
所述分离结构具有小于所述第一深度的第二深度。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述分离结构包括：第一分离部分，设置在所述第一光电转换区域与所述第二光电转换区域之间并在所述第一方向上纵向延伸；以及第二分离部分，与所述第一分离部分交叉。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，所述分离结构的第一分离部分具有平行于所述第一方向的纵轴，
所述分离结构的第二分离部分具有平行于所述第二方向的纵轴，并且
所述第一分离部分的纵轴的长度大于所述第二分离部分的纵轴的长度。
6.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，当在平面图中观察时，所述分离结构的第二分离部分与所述第一光电转换区域和所述第二光电转换区域部分地重叠。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述像素隔离结构和所述分离结构由相同的绝缘材料形成。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中，所述分离结构位于在所述第二方向上距所述第二像素隔离部分中的各部分不同的距离处，并且位于在所述第一方向上距所述第一像素隔离部分中的各部分不同的距离处。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，当在平面图中观察时，所述分离结构的中心相对于所述第一像素区域的中心偏移。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括设置在所述半导体衬底的第一表面上的微透镜，
其中，当在平面图中观察时，所述微透镜的中心相对于所述第一像素区域的中心偏移。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括设置在所述半导体衬底的第一表面上的微透镜，
其中，当在平面图中观察时，所述微透镜的中心和所述分离结构的中心相对于所述第一像素区域的中心偏移。
12.一种图像传感器，包括：
第一导电类型的半导体衬底；
像素隔离结构，设置在所述半导体衬底中，用于限定第一像素区域和第二像素区域；
第一光电转换区域和第二光电转换区域，所述第一光电转换区域和所述第二光电转换区域为第二导电类型，并且设置在所述第一像素区域和所述第二像素区域中的每一个的所述半导体衬底中；
第一分离结构，设置在所述第一像素区域中并在所述第一像素区域的第一光电转换区域与第二光电转换区域之间；以及
分离杂质区域，设置在所述第二像素区域中并在所述第二像素区域的第一光电转换区域与第二光电转换区域之间，
其中，所述分离杂质区域在第一方向上纵向延伸，以与所述第二像素区域交叉，并且
其中，所述第一分离结构在所述第一方向上纵向延伸，并与所述像素隔离结构间隔开。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，当在所述第一方向上测量时，所述第一分离结构的长度短于所述分离杂质区域的长度。
14.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述半导体衬底还包括由所述像素隔离结构限定的第三像素区域，
所述图像传感器还包括第二分离结构，所述第二分离结构设置在所述第三像素区域中设置的所述第一光电转换区域与所述第二光电转换区域之间，并且
所述第二分离结构与所述第一分离结构和所述分离杂质区域中的一个由相同的材料形成。
15.根据权利要求14所述的图像传感器，其中，所述第二分离结构与所述第一分离结构由相同的材料形成，并且
所述第二分离结构包括第一分离部分和第二分离部分，所述第一分离部分和所述第二分离部分与所述像素隔离结构间隔开并且设置成彼此交叉。
16.根据权利要求14所述的图像传感器，其中，所述第一像素区域设置为在所述第一方向上邻近所述第二像素区域，并且设置为在与所述第一方向交叉的第二方向上邻近所述第三像素区域。
17.根据权利要求14所述的图像传感器，其中，当在平面图中观察时，所述第一分离结构的中心与所述第一像素区域的中心间隔开第一水平距离，并且
当在平面图中观察时，所述第二分离结构的中心与所述第三像素区域的中心间隔开第二水平距离，所述第二水平距离不同于所述第一水平距离。
18.根据权利要求14所述的图像传感器，其中，当在平面图中观察时，所述第一分离结构的中心与所述第一像素区域的中心间隔开第一水平距离，并且
当在平面图中观察时，所述第二分离结构的中心与所述第三像素区域的中心间隔开所述第一水平距离。
19.根据权利要求12所述的图像传感器，还包括：第三光电转换区域和第四光电转换区域，所述第三光电转换区域和所述第四光电转换区域为第二导电类型并且设置在所述第一像素区域和所述第二像素区域中的每一个的半导体衬底中，
其中，所述第一分离结构设置在所述第一像素区域的第一光电转换区域至第四光电转换区域之间，并且
所述分离杂质区域设置在所述第二像素区域的第一光电转换区域至第四光电转换区域之间。
20.一种图像传感器，包括：
像素隔离结构，设置在半导体衬底中，用于限定多个像素区域，当在平面图中观察时，所述像素隔离结构包围每个像素区域；
第一光电转换区域和第二光电转换区域，设置在每个像素区域中；以及
分离结构，设置在所述像素区域之中的第一像素区域中的第光电转换区域与第二光电转换区域之间，并与所述像素隔离结构间隔开，
其中，所述像素隔离结构包括第一突出部分，所述第一突出部分朝向所述像素区域之中的第二像素区域的中心突出并且在第一方向上彼此面对。
21.根据权利要求20所述的图像传感器，其中，所述分离结构具有在所述第一方向上延伸的线形，
所述像素隔离结构具有第一宽度，并且
所述分离结构和所述第一突出部分具有第二宽度，所述第二宽度小于所述第一宽度。
22.根据权利要求20所述的图像传感器，其中，当在平面图中观察时，所述第一突出部分设置在所述第一光电转换区域与所述第二光电转换区域之间。
23.根据权利要求20所述的图像传感器，其中，所述分离结构在所述第一方向上设置在所述像素隔离结构的第一突出部分之间。
24.根据权利要求20所述的图像传感器，其中，所述像素隔离结构还包括第二突出部分，所述第二突出部分朝向所述像素区域中的至少一个的中心突出，并且所述第二突出部分在与所述第一方向交叉的第二方向上彼此面对。
25.根据权利要求20所述的图像传感器，其中，所述分离结构包括：第一分离部分，在所述第一方向上延伸；以及第二分离部分，在第二方向上延伸以与所述第一分离部分交叉。
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