CN115207004A - 图像传感器 - Google Patents

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裵炯轸
申胜浩
吴暎宣
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Abstract

一种图像传感器包括：基板，包括第一表面和面向所述第一表面的第二表面；第一光电二极管，位于所述基板的第一区域中并且从入射在所述第一区域上的光生成光电荷；第二光电二极管，位于所述基板的第二区域中并且从入射在所述第二区域上的光生成光电荷；以及隔离结构，限定所述第一光电二极管所在的所述第一区域和所述第二光电二极管所在的所述第二区域，并且在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间延伸。所述第二区域的面积小于所述第一区域的面积，所述隔离结构的第一端与所述第二表面共面，并且所述隔离结构在垂直方向上从所述基板的所述第二表面朝向所述基板的所述第一表面延伸。

Description

图像传感器
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求于2021年4月9日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2021-0046523的优先权，其公开内容通过引用整体地并入本文。
技术领域
本发明构思涉及一种图像传感器，并且更具体地，涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
背景技术
LED闪烁抑制(LFM)图像传感器可具有宽动态范围(WDR)。为了实现WDR，LFM图像传感器可包括具有不同灵敏度的多个光电二极管。光电二极管接收光并生成光电荷。在高照度下，由一个光电二极管生成的光电荷可能朝向具有不同灵敏度的相邻光电二极管移动。具有不同灵敏度的光电二极管之间的晕染(blooming)现象可能使图像失真。
发明内容
本发明构思提供一种对于更宽的宽动态范围(WDR)和更高的信噪比(SNR)具有减少的晕染的图像传感器。
根据本发明构思的一个方面，提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括：基板，所述基板包括第一表面和面向所述第一表面的第二表面；第一光电二极管，所述第一光电二极管位于所述基板的第一区域中并且从入射在所述第一表面的所述第一区域上的光生成光电荷；第二光电二极管，所述第二光电二极管位于所述基板的第二区域中并且从入射在所述第一表面的第二区域上的光生成光电荷；以及隔离结构，所述隔离结构限定所述第一光电二极管所位于的所述第一区域和所述第二光电二极管所位于的所述第二区域，并且在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间延伸。所述第二区域的面积小于所述第一区域的面积，所述隔离结构的第一端与所述第二表面共面，并且所述隔离结构在垂直方向上从所述基板的第二表面朝向所述基板的第一表面延伸。
根据本发明构思的一个方面，提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括：基板，所述基板包括第一表面和面向所述第一表面的第二表面；第一灵敏度光电二极管，所述第一灵敏度光电二极管设置在所述基板中并且具有第一灵敏度；第二灵敏度光电二极管，所述第二灵敏度光电二极管设置在所述基板中并且具有比所述第一灵敏度光电二极管的第一灵敏度低的第二灵敏度；以及隔离结构，所述隔离结构被配置为使所述第一灵敏度光电二极管和所述第二灵敏度光电二极管彼此电隔离。所述隔离结构在垂直方向上从所述基板的所述第二表面完全穿透所述基板至所述基板的所述第一表面。
根据本发明构思的一个方面，提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括：基板，所述基板包括面向彼此的第一表面和第二表面；第一微透镜，所述第一微透镜位于所述第一表面的第一区域上；第二微透镜，所述第二微透镜位于所述第一表面的第二区域上；第一光电二极管，所述第一光电二极管位于所述基板的在所述第一微透镜下方的部分中；第二光电二极管，所述第二光电二极管位于所述基板的在所述第二微透镜下方的部分中；隔离结构，所述隔离结构在垂直方向上从所述第二表面朝向所述第一表面延伸并且围绕所述第一光电二极管和所述第二光电二极管中的每一者；第一转移门，所述第一转移门从所述基板的第二表面延伸到所述基板中并且电连接到所述第一光电二极管；以及第二转移门，所述第二转移门从所述基板的所述第二表面延伸到所述基板中并且电连接到所述第二光电二极管。所述第二微透镜的面积小于所述第一微透镜的面积。
附图说明
根据以下结合附图进行的详细描述，将更清楚地理解本发明构思的实施例，在附图中：
图1是根据本发明构思的实施例的图像传感器的框图；
图2是根据本发明构思的实施例的包括在图像传感器中的像素的电路图；
图3是根据本发明构思的实施例的包括在图像传感器中的像素的电路图；
图4是根据本发明构思的实施例的图像传感器的俯视图；
图5是沿着图4的线A-A'截取的根据本发明构思的实施例的图像传感器的截面图；
图6是沿着图4的线B-B'截取的根据本发明构思的实施例的图像传感器的截面图；
图7是根据本发明构思的实施例的图像传感器的俯视图；
图8是根据本发明构思的实施例的图像传感器的俯视图；
图9是沿着图4的线A-A'截取的根据本发明构思的实施例的图像传感器的截面图；
图10是沿着图4的线B-B'截取的根据本发明构思的实施例的图像传感器的截面图；
图11A至图11C是示出了根据本发明构思的实施例的制造图像传感器的方法的截面图；以及
图12A至图12F是示出了根据本发明构思的实施例的制造图像传感器的方法的截面图。
具体实施方式
图1是根据本发明构思的实施例的图像传感器100的框图。
图像传感器100可安装在电子装置上。例如，图像传感器100可安装在诸如相机、智能电话、可穿戴装置、物联网(IoT)装置、家用电器、平板个人计算机(PC)、个人数字助理(PDA)、便携式多媒体播放器(PMP)、导航装置、无人机和高级驾驶员辅助系统(ADAS)的电子装置上。
参考图1，图像传感器100可包括像素阵列1110、行驱动器1120、读出电路1130、斜坡信号生成器1140、定时控制器1150和信号处理器1190。读出电路1130可包括模数转换(ADC)电路1131和数据总线1132。
像素阵列1110可包括按行和列布置的多个像素PX。每个像素PX可将光转换成电信号。像素阵列1110可连接到多条行线RoL和多条列线CL。
行驱动器1120逐行驱动像素阵列1110。行驱动器1120可对从定时控制器1150接收到的行控制信号(例如，地址信号)进行译码并且响应于译码后的行控制信号而选择行线RoL中的至少一条行线RoL。例如，行驱动器1120可生成用于选择行线RoL中的至少一条行线RoL的选择信号。像素阵列1110从通过从行驱动器1120提供的选择信号选择的一行像素PX输出像素信号，例如像素电压。
斜坡信号生成器1140可生成以预定斜率增加或减小的斜坡信号RAMP。在一些实施例中，斜坡信号RAMP的电压电平可以预定斜率增加或减小。斜坡信号生成器1140可向读出电路1130的ADC电路1131提供斜坡信号RAMP。
读出电路1130可从像素PX当中的由行驱动器1120选择的行的像素PX读出像素信号。像素信号可包括重置信号或图像信号(或感测信号)。读出电路1130可基于来自斜坡信号生成器1140的斜坡信号RAMP将通过列线CL从像素阵列1110接收到的重置信号和图像信号转换成数字数据，从而逐行生成并输出与像素PX相对应的像素值。
ADC电路1131可将从像素阵列1110接收到的像素信号(例如，像素电压)转换成作为数字信号的像素值。ADC电路1131可包括分别与列线CL相对应的多个ADC，并且这些ADC可将从分别对应的列线CL接收到的重置信号和图像信号与斜坡信号RAMP进行比较并且基于这种比较的结果生成像素值。例如，ADC可从图像信号去除重置信号并且生成指示由像素PX检测到的光的量的像素值。
ADC电路1131可包括多个相关双采样(CDS)电路和多个计数器电路。CDS电路可将通过列线CL接收到的像素信号与斜坡信号RAMP进行比较并且输出比较的结果。CDS电路可根据CDS方案对由像素PX提供的像素信号进行采样和保持，对特定噪声(例如，重置信号)的电平和根据图像信号的电平进行双采样，并且基于与特定噪声的电平和图像信号的电平之间的差相对应的电平生成比较信号。在一些实施例中，CDS电路可包括一个或更多个比较器。可将比较器实现为运算跨导放大器(OTA)(或差分放大器)。ADC电路1131可包括多个增量重置采样(DRS)电路。DRS电路可通过根据DRS方案读出图像信号然后读出重置信号来对像素信号进行采样。
由ADC电路1131生成的多个像素值可通过数据总线1132作为图像数据IDT被输出。数据总线1132可暂时存储从ADC电路1131输出的像素值，然后将其输出。数据总线1132可包括多个列存储器(例如，多个缓冲存储器)和列译码器。例如，列中的每个像素可耦接到对应的列存储器。存储在列存储器中的多个像素值可在列译码器的控制下作为图像数据IDT被输出。例如，可将图像数据IDT提供给图像传感器100内部或外部的信号处理器1190。
在一些实施例中，图像传感器100还可包括用于当像素PX的操作模式在读出周期期间发生改变时增加或减小偏置电流的偏置电流控制器(未示出)。多个偏置电流控制器可分别连接到列线CL。
信号处理器1190可对图像数据IDT执行各种操作，诸如降噪处理、增益调整、波形公式化、插值处理、白平衡处理、伽玛处理和边缘强调处理。在一些实施例中，像素阵列1110可在一个帧周期期间在多种模式下操作，并且信号处理器1190可从数据总线1132接收分别与这些模式相对应的多条图像数据IDT，并且合并多条图像数据IDT，从而生成具有高动态范围的图像。在一些实施例中，信号处理器1190可设置在图像传感器100外部的处理器中。
图2是根据本发明构思的实施例的包括在图像传感器中的像素PX的电路图。
像素PX可包括多个光电二极管，例如第一光电二极管LPD和第二光电二极管SPD。像素PX还可包括第一转移门(transfer gate)LTG、第二转移门STG、重置晶体管RG、驱动晶体管DX、选择晶体管SX、增益控制晶体管DRG和开关晶体管SW。像素PX还可包括多个浮置扩散区域，例如，第一浮置扩散区域FD1、第二浮置扩散区域FD2和第三浮置扩散区域FD3。像素PX还可包括电容器C1。
第一光电二极管LPD和第二光电二极管SPD可响应于入射光而生成光电荷。例如，光电荷可包括电子和空穴。第一光电二极管LPD和第二光电二极管SPD可具有不同灵敏度。例如，第一光电二极管LPD的灵敏度可高于第二光电二极管SPD的灵敏度。如上所述，可将其中一个像素PX包括具有不同灵敏度的第一光电二极管LPD和第二光电二极管SPD的结构称为分裂(split)光电二极管结构。
第一转移门LTG的第一源极/漏极可连接到第一光电二极管LPD，而第一转移门LTG的第二源极/漏极可连接到第一浮置扩散区域FDl。第一转移门LTG可响应于第一转移控制信号LTS将由第一光电二极管LPD生成的光电荷转移到第一浮置扩散区域FD1。
增益控制晶体管DRG的第一源极/漏极可连接到第一浮置扩散区域FDl，而增益控制晶体管DRG的第二源极/漏极可连接到第二浮置扩散区域FD2。可通过转换增益信号CGS使增益控制晶体管DRG导通或关断。当增益控制晶体管DRG导通时，第一浮置扩散区域FD1和第二浮置扩散区域FD2彼此连接。第一浮置扩散区域FD1和第二浮置扩散区域FD2彼此连接以形成连接的浮置扩散区域，并且第一光电二极管LPD和第二光电二极管SPD中的每一个可将光电荷转移到该连接的浮置扩散区域。与如果第一浮置扩散区域FD1和第二浮置扩散区域FD2彼此不连接相比，连接的浮置扩散区域可具有增加的电容。当电容增加时，第一光电二极管LPD和第二光电二极管SPD中的每一者的转换增益可减小。相反，当增益控制晶体管DRG关断时，第一浮置扩散区域FD1和第二浮置扩散区域FD2彼此分离，并且与如果第一浮置扩散区域FD1和第二浮置扩散区域FD2彼此连接相比，第一浮置扩散区域FD1和第二浮置扩散区域FD1中的每一者的电容减小，因此，与如果第一浮置扩散区域FD1和第二浮置扩散区域FD2彼此连接相比，第一光电二极管LPD和第二光电二极管SPD中的每一者的转换增益可增加。这里，转换增益是指将浮置扩散区域中累积的电荷转换为电压的速率。当电容增加时，转换增益减小。
第二转移门STG的第一源极/漏极可连接到第二光电二极管SPD，并且第二转移门STG的第二源极/漏极可连接到第三浮置扩散区域FD3。第二转移门STG可响应于第二转移控制信号STS将由第二光电二极管SPD生成的光电荷转移到第三浮置扩散区域FD3。
电容器Cl的第一电极可连接到第三浮置扩散区域FD3，而电容器Cl的第二电极可连接到像素电压VPIX。在实施例中，可对电容器C1的第二电极施加除像素电压VPIX以外的电压。由第二光电二极管SPD生成并且从第二光电二极管SPD溢出的光电荷可累积在电容器C1中。
开关晶体管SW的第一源极/漏极可连接到第二浮置扩散区域FD2，而开关晶体管SW的第二源极/漏极可连接到第三浮置扩散区域FD3。开关晶体管SW可响应于开关控制信号SWS将第二浮置扩散区域FD2和第三浮置扩散区域FD3彼此连接。
可对重置晶体管RG的第一源极/漏极施加重置电压(例如，像素电压VPIX)，而重置晶体管RG的第二源极/漏极可连接到第二浮置扩散区域FD2。重置晶体管RG可响应于重置控制信号RS重置在第一浮置扩散区域FD1、第二浮置扩散区域FD2和第三浮置扩散区域FD3中的至少一个中累积的光电荷。在实施例中，重置电压可与像素电压VPIX不同。
驱动晶体管DX的第一源极/漏极可连接到选择晶体管SX，而驱动电压(例如，像素电压VPIX)施加到驱动晶体管DX的第二源极/漏极。驱动晶体管DX可基于由连接到列线CL的电流源CS生成的偏置电流IL作为源极跟随器而操作。驱动晶体管DX可输出与在第一浮置扩散区域FD1、第二浮置扩散区域FD2和第三浮置扩散区域FD3中的至少一个中累积的电荷的量相对应的电压。
选择晶体管SX的第一源极/漏极可连接到驱动晶体管DX，而选择晶体管SX的第二源极/漏极可连接到列线CL。选择晶体管SX可响应于选择信号SEL向列线CL输出包括重置信号或图像信号的像素信号。
根据本发明构思的实施例，可根据转换增益信号CGS在高转换增益(HCG)模式或低转换增益(LCG)模式下读出由第一光电二极管LPD生成的光电荷。例如，在HCG模式下，转换增益信号CGS可具有无效电平，并且增益控制晶体管DRG可关断。因此，第一浮置扩散区域FD1和第二浮置扩散区域FD2可彼此不连接。在LCG模式下，转换增益信号CGS可具有有效电平，并且增益控制晶体管DRG可导通。因此，第一浮置扩散区域FD1和第二浮置扩散区域FD2可彼此连接并且电容可增加，因此转换增益可减小。
可在用于读出在第二光电二极管SPD中累积的光电荷的第一模式或用于读出从第二光电二极管SPD溢出的光电荷的第二模式下读出由第二光电二极管SPD生成的光电荷，并将其存储在电容器Cl中。
第一光电二极管LPD可在HCG模式下生成与对应于最低照度的第一照度区间相对应的第一像素信号并且在LCG模式下生成与对应于比第一照度区间的照度高的照度的第二照度区间相对应的第二像素信号。第二光电二极管SPD可在第一模式下生成与对应于比第二照度区间的照度高的照度的第三照度区间相对应的第三像素信号并且在第二模式下生成与对应于最高照度的第四照度区间相对应的第四像素信号。可将第一像素信号至第四像素信号合并到一个图像中，并且合并后的图像可具有高动态范围。此外，当第二光电二极管SPD的曝光时间增加时，可实现LED闪烁抑制(LFM)。
图3是根据本发明构思的实施例的包括在图像传感器中的像素PXa的电路图。在下文中，将描述图2所示的像素PX与图3所示的像素PXa之间的差异。
像素PXa可包括第一开关晶体管SW1和第二开关晶体管SW2，而不是图2所示的开关晶体管SW。像素PXa还可包括第四浮置扩散区域FD4。
第二转移门STG的第一源极/漏极可连接到第二光电二极管SPD，而第二转移门STG的第二源极/漏极可连接到第四浮置扩散区域FD4。第二转移门STG可响应于第二转移控制信号STS将由第二光电二极管SPD生成的光电荷转移到第四浮置扩散区域FD4。
第一开关晶体管SW1的第一源极/漏极可连接到第三浮置扩散区域FD3，而第一开关晶体管SW1的第二源极/漏极可连接到第四浮置扩散区域FD4。第一开关晶体管SW1可响应于第一开关控制信号SWS1将第三浮置扩散区域FD3和第四浮置扩散区域FD4彼此连接。当第三浮置扩散区域FD3和第四浮置扩散区域FD4彼此连接时，电容可增加，并且转换增益可减小。
第二开关晶体管SW2的第一源极/漏极可连接到第四浮置扩散区域FD4，而第二开关晶体管SW2的第二源极/漏极可连接到第二浮置扩散区域FD2。第二开关晶体管SW2可响应于第二开关控制信号SWS2将第二浮置扩散区域FD2和第四浮置扩散区域FD4彼此连接。
根据本发明构思的实施例，当在第一模式下读出由第二光电二极管SPD生成的光电荷时，第一开关控制信号SWS1可具有无效电平，并且第一开关晶体管SW1可关断。因此，第三浮置扩散区域FD3和第四浮置扩散区域FD4可彼此不连接，并且转换增益在第一模式下可以是相对高的。当在第二模式下读出由第二光电二极管SPD生成的光电荷时，第一开关控制信号SWS1可具有有效电平，并且第一开关晶体管SW1可导通。因此，由于第三浮置扩散区域FD3和第四浮置扩散区域FD4可彼此连接，所以电容可增加，并且转换增益在第二模式下可以是相对低的。
可通过在第二模式下使用具有高电容的电容器Cl进一步加宽动态范围。在图2所示的实施例中，具有高电容的电容器C1会减小转换增益，从而减小信噪比(SNR)。然而，在图3所示的实施例中，通过使用第一开关晶体管SW1使具有高电容的电容器C1与第四浮置扩散区域FD4分离，可防止由于具有高电容的电容器C1而导致的转换增益减小。因此，由于在第一模式下的高转换增益，SNR可以增加。
图4是根据本发明构思的实施例的图像传感器100的俯视图。图5是沿着图4的线A-A'截取的根据本发明构思的实施例的图像传感器100的截面图。图6是沿着图4的线B-B'截取的根据本发明构思的实施例的图像传感器100的截面图。
参考图4至图6，图像传感器100可包括：基板110，其具有第一表面F1和第二表面F2；位于基板110内部的第一光电二极管LPD和第二光电二极管SPD；以及隔离结构150，其在第一光电二极管LPD与第二光电二极管SPD之间延伸。在一些实施例中，图像传感器100还可包括第一转移门LTG和第二转移门STG。在一些实施例中，图像传感器100还可包括位于基板110的第二表面F2处的重置晶体管RG、选择晶体管SX、驱动晶体管DX、开关晶体管SW和增益控制晶体管DRG。在一些实施例中，图像传感器100还可包括位于基板110内部的第一浮置扩散区域FD1、第二浮置扩散区域FD2和第三浮置扩散区域FD3(参考图2)。在一些实施例中，图像传感器100还可包括位于基板110的第二表面F2上的前表面结构130。在一些实施例中，图像传感器100还可包括位于基板110的第一表面F1上的抗反射层161、位于抗反射层161上的围栏(fence)163和滤色器170、以及位于围栏163和滤色器170上的第一微透镜180L和第二微透镜180S。
基板110可包括面向彼此的第一表面F1和第二表面F2。第一表面F1可以是通过第一微透镜180L或第二微透镜180S透射的光进入基板110所经过的表面。基板110可包括诸如IV族半导体材料、III-V族半导体材料和II-VI族半导体材料的半导体材料或者可由诸如IV族半导体材料、III-V族半导体材料和II-VI族半导体材料的半导体材料形成。IV族半导体材料可包括例如硅(Si)、锗(Ge)或硅-锗(SiGe)。III-V族半导体材料可包括例如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)、砷化铟(InAs)、锑化铟(InSb)或砷化铟镓(InGaAs)。II-VI族半导体材料可包括例如碲化锌(ZnTe)或硫化镉(CdS)。
第一光电二极管LPD位于基板110内部并且可被配置为从入射在基板110的第一表面F1的第一区域RL上的光生成光电荷。第一光电二极管LPD可位于基板110d的在第一区域RL下方的部分内部。第二光电二极管SPD位于基板110内部并且可被配置为从入射在基板110的第一表面F1的第二区域RS上的光生成光电荷。第二光电二极管SPD可位于基板110的在第二区域RS下方的部分内部。
第二区域RS的面积可小于第一区域RL的面积。因此，对于相同强度的入射光，第二光电二极管SPD相比于第一光电二极管LPD会生成较少的光电荷。换句话说，第二光电二极管SPD的灵敏度可低于第一光电二极管LPD的灵敏度。因此，第一光电二极管LPD可具有相对高的灵敏度并且生成与相对低的照度相对应的像素信号，而第二光电二极管SPD可具有相对低的灵敏度并且生成与相对高的照度相对应的像素信号。
在一些实施例中，如图4所示，当从上方观察时(即，当在俯视图中观察图像传感器100时)，第一区域RL可具有八边形形状，而第二区域RS可具有四边形形状。然而，第一区域RL和第二区域RS的形状不限于此。例如，第一区域RL和第二区域RS的形状可各自为圆形或四边形。
隔离结构150可通过完全穿透基板110在垂直方向(Z方向)上从基板110的第二表面F2延伸到基板110的第一表面F1并且在第一光电二极管LPD与第二光电二极管SPD之间延伸。当从上方观察时，隔离结构150可围绕第一光电二极管LPD和第二光电二极管SPD。例如，当从上方观察时，隔离结构150可围绕或者可限定第一光电二极管LPD和第二光电二极管SPD中的每一个。因此，隔离结构150可使第一光电二极管LPD和第二光电二极管SPD彼此隔离。因此，可防止由第一光电二极管LPD和第二光电二极管SPD中的一个生成的光电荷向第一光电二极管LPD和第二光电二极管SPD中的另一个移动的晕染现象。
如图4和图6所示，隔离结构150还可在彼此相邻的两个第一光电二极管LPD之间延伸。隔离结构150可围绕彼此相邻的两个第一光电二极管LPD。例如，隔离结构150可围绕或者可限定彼此相邻的两个第一光电二极管LPD中的每一个。彼此相邻的两个第一光电二极管LPD可位于基板110的在基板110的第一表面F1的彼此相邻的两个第一区域RL下方的相应部分中。彼此相邻的两个第一光电二极管LPD可被配置为分别从入射在彼此相邻的两个第一区域RL上的光束生成光电荷。彼此相邻的两个第一区域RL可具有彼此相同的面积。
隔离结构150的在彼此相邻的两个第一光电二极管LPD之间的部分可从基板110的第二表面F2完全穿透基板110到基板110的第一表面F1。因此，隔离结构150可使彼此相邻的两个第一光电二极管LPD彼此分开。因此，可防止由任何第一光电二极管LPD生成的光电荷向相邻的第一光电二极管LPD移动的晕染现象。
隔离结构150的第一端可与基板110的第二表面F2共面，而隔离结构150的第二端可与基板110的第一表面F1共面。隔离结构150的第一端在第一水平方向(X方向)上的宽度W2可大于隔离结构150的第二端在第一水平方向(X方向)上的宽度W1。隔离结构150在第一水平方向(X方向)上的宽度W可在垂直方向(即，Z方向)上从基板110的第二表面F2朝向基板110的第一表面F1减小。在一些实施例中，隔离结构150在第一水平方向(X方向)上的宽度W可在垂直方向上逐渐地减小。
隔离结构150可包括导电层151和隔离绝缘层152。导电层151可通过从基板110的第二表面F2延伸到基板110的第一表面F1来完全穿透基板110。隔离绝缘层152可在导电层151与基板110之间延伸以使导电层151与基板110电隔离。导电层151可包括诸如多晶硅和金属的导电材料或者可由诸如多晶硅和金属的导电材料形成。隔离绝缘层152可包括氧化硅、氮化硅、金属氧化物或其组合或者可由氧化硅、氮化硅、金属氧化物或其组合形成。
第一转移门LTG可从基板110的第二表面F2延伸到基板110中并且可电连接到第一光电二极管LPD。如图4所示，当从上方观察时，第一转移门LTG可与基板110的第一表面F1的第一区域RL的中心交叠。
第二转移门STG可从基板110的第二表面F2延伸到基板110中并且可电连接到第二光电二极管SPD。如图4所示，当从上方观察时，第二转移门STG可与基板110的第一表面F1的第二区域RS的中心交叠。
重置晶体管RG、选择晶体管SX、驱动晶体管DX、开关晶体管SW和增益控制晶体管DRG可布置在基板110的第二表面F2处。另外，第一浮置扩散区域FD1、第二浮置扩散区域FD2和第三浮置扩散部区域FD3(参见图2)可布置在基板110内部。
前表面结构130可设置在基板110的第二表面F2上。前表面结构130可包括电线134、电容器Cl以及围绕电线134和电容器C1的绝缘层136。电线134可包括钨、铝、铜、硅化钨、硅化钛、氮化钨、氮化钛或掺杂多晶硅或者可由钨、铝、铜、硅化钨、硅化钛、氮化钨、氮化钛或掺杂多晶硅形成。电容器C1可存储由第二光电二极管SPD生成并溢出的光电荷。绝缘层136可包括诸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或低k材料的绝缘材料或者可由诸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或低k材料的绝缘材料形成。
低k材料可包括例如以下各项中的至少一种或者可由例如以下各项中的至少一种形成：可流动氧化物(FOX)、东燃硅氮烷(TOSZ)、未掺杂硅石玻璃(USG)、硼硅玻璃(BSG)、磷硅玻璃(PSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)、等离子体增强原硅酸四乙酯(PETEOS)、氟硅酸盐玻璃(FSG)、碳掺杂氧化硅(CDO)、干凝胶、气凝胶、无定形氟化碳、有机硅酸盐玻璃(OSG)、聚对二甲苯、双苯并环丁烯(BCB)、SiLK、聚酰亚胺、多孔聚合物材料和它们的组合，但不限于此。
抗反射层161可设置在基板110的第一表面F1上。抗反射层161可包括以下各项或者可由以下各项形成：氧化铪(HfO2)、氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化镧(La2O3)、氧化镨(Pr2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钷(Pm2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化铕(Eu2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化铽(Tb2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化钬(Ho2O3)、氧化铥(Tm2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化镥(Lu2O3)、氧化钇(Y2O3)或它们的组合。
围栏163可设置在抗反射层161上。当从上方观察时，围栏163可与隔离结构150交叠。围栏163可包括金属或低折射率材料或者可由金属或低折射率材料形成。例如，低折射率材料可包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、丙烯酸硅酯、醋酸丁酸纤维素(CAB)、二氧化硅(silica)、氟硅丙烯酸酯(FSA)或其中分散有二氧化硅颗粒的聚合物材料。围栏163可围绕多个滤色器170。例如，围栏163可围绕多个滤色器170中的每一个滤色器。
滤色器170可布置在抗反射层161上并且可通过围栏163彼此隔离。例如，滤色器170可包括绿色滤色器、蓝色滤色器和红色滤色器。在一些实施例中，例如，滤色器170可包括青色滤色器、品红色滤色器和黄色滤色器。
第一微透镜180L和第二微透镜180S可布置在滤色器170和围栏163上。如图4所示，当从上方观察时，第一微透镜180L可与基板110的第一表面F1的第一区域RL交叠，而第二微透镜180S可与基板110的第一表面F1的第二区域RS交叠。第一微透镜180L可会聚入射光，并且由第一微透镜180L会聚的光可经由滤色器170和第一区域RL入射在第一光电二极管LPD上。第二微透镜180S可会聚入射光，并且由第二微透镜180S会聚的光可经由滤色器170和第二区域RS入射在第二光电二极管SPD上。第一微透镜180L和第二微透镜180S可包括例如诸如苯乙烯类树脂、丙烯酸树脂、苯乙烯-丙烯酸共聚物类树脂和硅氧烷类树脂的树脂类材料或者可由例如诸如苯乙烯类树脂、丙烯酸树脂、苯乙烯-丙烯酸共聚物类树脂和硅氧烷类树脂的树脂类材料形成。
图7是根据本发明构思的实施例的图像传感器100a的俯视图。图8是根据本发明构思的实施例的图像传感器100b的俯视图。在下文中，将描述图4所示的图像传感器100、图7所示的图像传感器100a和图8所示的图像传感器100b之间的差异。
参考图4、图7和图8，当从上方观察时，重置晶体管RG、选择晶体管SX、驱动晶体管DX、开关晶体管SW和增益控制晶体管DRG的布置可变化。图4、图7和图8所示的重置晶体管RG、选择晶体管SX、驱动晶体管DX、开关晶体管SW和增益控制晶体管DRG的布置仅仅是示例并且不限于此。
例如，在图4中，重置晶体管RG可位于在第三水平方向(Dl方向)上与第一转移门LTG相邻的区域处，选择晶体管SX可位于在与第四水平方向(D2方向)相反的方向上与第一转移门LTG相邻的区域处，驱动晶体管DX可位于在与第三水平方向(D1方向)相反的方向上与第一转移门LTG相邻的区域处，并且开关晶体管SW和增益控制晶体管DRG可位于在第四水平方向(D2方向)上与第一转移门LTG相邻的区域处。
例如，在图7中，重置晶体管RG可位于在与第四水平方向(D2方向)相反的方向上与第一转移门LTG相邻的区域处，选择晶体管SX和驱动晶体管DX可分别位于在第三水平方向(D1方向)和与第三水平方向(D1方向)相反的方向上与第一转移门LTG相邻的相对区域处，并且开关晶体管SW和增益控制晶体管DRG可位于在第四水平方向(D2方向)上与第一转移门LTG相邻的区域处。
例如，在图8中，重置晶体管RG和增益控制晶体管DRG可位于在第四水平方向(D2方向)上与第一转移门LTG相邻的区域处，开关晶体管SW可位于在与第四水平方向(D2方向)相反的方向上与第一转移门LTG相邻的区域处，并且驱动晶体管DX和选择晶体管SX可分别位于在第三水平方向(D1方向)和与第三水平方向(D1方向)相反的方向上与第一转移门LTG相邻的相对区域处。
图9是沿着图4的A-A'线截取的根据本发明构思的实施例的图像传感器100c的截面图。图10是沿着图4的B-B'线截取的根据本发明构思的实施例的图像传感器100c的截面图。在下文中，将描述图4至图6所示的图像传感器100与图9和图10所示的图像传感器100c之间的差异。
参考图9和图10，图像传感器100c可包括隔离结构150c而不是图4至图6所示的隔离结构150。隔离结构150c可包括在第一光电二极管LPD与第二光电二极管LPD之间延伸的一部分和在彼此相邻的两个第一光电二极管LPD之间延伸的一部分。
如图9所示，隔离结构150c的在第一光电二极管LPD与第二光电二极管SPD之间延伸的部分可在垂直方向(Z方向)上从基板110的第二表面F2朝向基板110的第一表面F1延伸。然而，隔离结构150c的在第一光电二极管LPD与第二光电二极管SPD之间延伸的部分可在垂直方向(Z方向)上仅部分地穿透基板110而不是完全穿透基板110。相反，如图10所示，隔离结构150c的在彼此相邻的两个第一光电二极管LPD之间的部分可在垂直方向(Z方向)上从基板110的第二表面F2朝向基板110的第一表面F1完全穿透基板110。
图11A至图11C是示出了根据本发明构思的实施例的制造图像传感器的方法的截面图。图11A至图11C是与图4的线A-A'相对应的截面图。
参考图11A，制备具有第二表面F2和第三表面F3的基板110。可在基板110的第二表面F2上形成掩模图案(未示出)，并且可通过使用掩模图案作为蚀刻掩模从基板110的第二表面F2去除基板110的一部分来在基板110中形成沟槽150T。此后，可去除掩模图案。因为从基板110的第二表面F2蚀刻基板110的一部分以形成沟槽150T，所以沟槽150T的底部的宽度W3可小于沟槽150T的顶部的宽度。沟槽150T的宽度W可在从基板110的第二表面F2朝向基板110的第三表面F3的方向上减小。在一些实施例中，沟槽150T的宽度W可在从基板110的第二表面F2朝向基板110的第三表面F3的方向上逐渐地减小。
此后，在第二表面F2和沟槽150T上形成隔离绝缘层152。在隔离绝缘层152上形成导电层151以填充沟槽150T的剩余部分。可通过平坦化工艺去除隔离绝缘层152和导电层151的一部分，例如，以暴露基板110的第二表面F2。因此，可形成隔离结构150。隔离结构150的顶部可与基板110的第二表面F2共面。隔离结构150可被形成为从基板110的第二表面F2朝向基板110的第三表面F3延伸。然而，隔离结构150可以不到达第三表面F3。例如，隔离结构150可仅部分地穿透基板110而不是完全穿透基板110。
接下来，可通过对基板110的第二表面F2执行的离子注入工艺来形成第一光电二极管LPD和第二光电二极管SPD。
参考图11B，可形成从基板110的第二表面F2延伸到基板110中并且电连接到第一光电二极管LPD的第一转移门LTG以及从基板110的第二表面F2延伸到基板110中并且电连接到第二光电二极管SPD的第二转移门STG。
可在基板110的第二表面F2上形成选择晶体管SX、驱动晶体管DX、重置晶体管RG、开关晶体管SW和增益控制晶体管DRG。接下来，可在基板110的第二表面F2上形成前表面结构130。例如，绝缘层136、电线314和电容器C1可被形成为构成前表面结构130。
参考图11C，可上下颠倒图11B的所得结构。接下来，可通过平坦化工艺从基板110的第三表面F3(参考图11B)去除基板110的一部分，例如，以暴露导电层151。因此，可形成基板110的第一表面F1。隔离结构150可通过从基板110的第二表面F2延伸到基板110的第一表面F1而完全穿透基板110。隔离结构150的第一端可与基板的第二表面F2共面，而隔离结构150的第二端可与基板110的第一表面F1共面。
参考图5，可在基板110的第一表面F1上形成抗反射层161。接下来，可在抗反射层161上形成围栏163。接下来，可在抗反射层161上形成滤色器170。接下来，可在滤色器170和围栏163上形成第一微透镜180L，使得当从上方观察时第一微透镜180L与第一光电二极管LPD交叠。另外，可在滤色器170和围栏163上形成第二微透镜180S，使得当从上方观察时第二微透镜180S与第二光电二极管SPD交叠。因此，可制造图像传感器100。
图12A至图12F是示出了根据本发明构思的实施例的制造图像传感器的方法的截面图。图12A、图12C和图12E是沿着图4的线A-A'截取的截面图，而图12B、图12D和图12F是沿着图4的线B-B'截取的截面图。
参考图12A和图12B，制备具有第二表面F2和第三表面F3的基板110。可通过从基板110的第二表面F2去除基板110的一部分来形成第一沟槽150T1。另外，可通过从基板110的第二表面F2去除基板110的一部分来形成第二沟槽150T2。第一沟槽150T1的深度D1可小于第二沟槽150T2的深度D2。
接下来，在基板110的第二表面F2、第一沟槽150Tl和第二表面F2上形成隔离绝缘层152。接下来，在隔离绝缘层152上形成导电层151以填充第一沟槽150T1和第二沟槽150T2的剩余部分。接下来，可通过平坦化工艺去除隔离绝缘层152和导电层151的一部分，例如，以暴露基板110的第二表面F2。因此，可形成隔离结构150c。隔离结构150c可被形成为从基板110的第二表面F2朝向基板110的第三表面F3延伸。然而，隔离结构150c可以不到达第三表面F3。例如，隔离结构150c可仅部分地穿透基板110而不是完全穿透基板110。
可通过对基板110的第二表面F2执行的离子注入工艺来形成第一光电二极管LPD和第二光电二极管SPD。第一沟槽150T1可在第一光电二极管LPD与第二光电二极管SPD之间延伸，而第二沟槽150T2可在彼此相邻的两个第一光电二极管LPD之间延伸。
参考图12C和图12D，可形成从基板110的第二表面F2延伸到基板110中并且电连接到第一光电二极管LPD的第一转移门LTG，并且可形成从基板110的第二表面F2延伸到基板110中并且电连接到第二光电二极管SPD的第二转移门STG。
另外，可在基板110的第二表面F2上形成选择晶体管SX、驱动晶体管DX、重置晶体管RG、开关晶体管SW和增益控制晶体管DRG。接下来，可在基板110的第二表面F2上形成前表面结构130。例如，绝缘层136、电线314和电容器C1可被形成为构成前表面结构130。
参考图12E和图12F，可上下颠倒图12C和图12D的所得结构。接下来，可通过平坦化工艺从第三表面F3(参考图12C和图12D)去除基板110的一部分，例如，以暴露第二沟槽150T2中的导电层151的一部分。因此，可形成基板110的第一表面F1。如图12E所示，第一沟槽150T1中的隔离结构150c的一部分可以不到达基板110的第一表面F1。例如，第一沟槽150T1中的隔离结构150c的一部分可仅部分地穿透基板110而不是完全穿透基板110。相反，第二沟槽150T2中的隔离结构150c的一部分可通过从基板110的第二表面F2延伸到基板110的第一表面F1而完全穿透基板110。第二沟槽150T2中的隔离结构150c的部分的第一端可与基板110的第二表面F2共面，而第二沟槽150T2中的隔离结构150c的部分的第二端可与基板110的第一表面F1共面。
参考图9和图10，可在基板110的第一表面F1上形成抗反射层161。接下来，可在抗反射层161上形成围栏163。接下来，可在抗反射层161上形成滤色器170。接下来，可在滤色器170和围栏163上形成第一微透镜180L，使得当从上方观察时第一微透镜180L与第一光电二极管LPD交叠。此外，可在滤色器170和围栏163上形成第二微透镜180S，使得当从上方观察时第二微透镜180S与第二光电二极管SPD交叠。因此，可制造图像传感器100c。
虽然已参考本发明构思的实施例特别示出并描述了本发明构思，但是应理解，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可在其中做出形式和细节上的各种变化。

Claims (20)

1.一种图像传感器，所述图像传感器包括：
基板，所述基板包括第一表面和面向所述第一表面的第二表面；
第一光电二极管，所述第一光电二极管位于所述基板的第一区域中并且被配置为从入射在所述第一表面的所述第一区域上的光生成光电荷；
第二光电二极管，所述第二光电二极管位于所述基板的第二区域中并且被配置为从入射在所述第一表面的所述第二区域上的光生成光电荷；以及
隔离结构，所述隔离结构限定所述第一光电二极管所在的所述第一区域和所述第二光电二极管所在的所述第二区域，并且在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间延伸，
其中，所述第二区域的面积小于所述第一区域的面积，
其中，所述隔离结构的第一端与所述基板的所述第二表面共面，并且
其中，所述隔离结构在垂直方向上从所述基板的所述第二表面朝向所述基板的所述第一表面延伸。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，所述隔离结构的至少一部分在所述垂直方向上从所述基板的所述第一表面完全穿透所述基板至所述基板的所述第二表面。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，当在俯视图中观察时，所述隔离结构围绕所述第一光电二极管和所述第二光电二极管中的每一者。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，当在俯视图中观察时，所述第一区域具有八边形形状，并且所述第二区域具有四边形形状。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，所述图像传感器还包括：
第三光电二极管，所述第三光电二极管位于所述基板的第三区域中并且被配置为从入射在所述第一表面的所述第三区域上的光生成光电荷，
其中，所述第三区域的面积与所述第一区域的面积相同，并且
其中，所述隔离结构还限定所述基板的所述第三区域，在所述第三光电二极管与所述第一光电二极管之间且在所述第三光电二极管与所述第二光电二极管之间延伸。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，
其中，所述隔离结构在所述第三光电二极管与所述第一光电二极管之间的第一部分在所述垂直方向上从所述基板的所述第二表面完全穿透所述基板至所述基板的所述第一表面，并且
其中，所述隔离结构在所述第三光电二极管与所述第二光电二极管之间的第二部分以及所述隔离结构在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间的第三部分在所述垂直方向上从所述基板的所述第二表面朝向所述基板的所述第一表面部分地穿透所述基板。
7.根据权利要求5所述的图像传感器，
其中，所述隔离结构在所述第三光电二极管与所述第一光电二极管之间的第一部分、所述隔离结构在所述第三光电二极管与所述第二光电二极管之间的第二部分、以及所述隔离结构在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间的第三部分在所述垂直方向上从所述基板的所述第二表面完全穿透所述基板至所述基板的所述第一表面。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，所述图像传感器还包括：
第一转移门，所述第一转移门从所述基板的所述第二表面延伸到所述基板中并且电连接到所述第一光电二极管；以及
第二转移门，所述第二转移门从所述基板的所述第二表面延伸到所述基板中并且电连接到所述第二光电二极管。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，
其中，当在俯视图中观察时，所述第一转移门与所述第一区域的中心交叠，并且所述第二转移门与所述第二区域的中心交叠。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，所述第一光电二极管的灵敏度高于所述第二光电二极管的灵敏度。
11.一种图像传感器，所述图像传感器包括：
基板，所述基板包括第一表面和面向所述第一表面的第二表面，光入射在所述第一表面上；
第一灵敏度光电二极管，所述第一灵敏度光电二极管设置在所述基板中并且具有第一灵敏度；
第二灵敏度光电二极管，所述第二灵敏度光电二极管设置在所述基板中并且具有比所述第一灵敏度光电二极管的第一灵敏度低的第二灵敏度；以及
隔离结构，所述隔离结构被配置为使所述第一灵敏度光电二极管和所述第二灵敏度光电二极管彼此电隔离，
其中，所述隔离结构在垂直方向上从所述基板的所述第二表面完全穿透所述基板至所述基板的所述第一表面。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，所述图像传感器还包括：
增益控制晶体管，所述增益控制晶体管被配置为将用于将由所述第一灵敏度光电二极管生成的光电荷转换成电压的转换增益切换为第一转换增益和第二转换增益中的一个，所述第一转换增益大于所述第二转换增益。
13.根据权利要求11所述的图像传感器，所述图像传感器还包括：
电容器，所述电容器被配置为存储由所述第二灵敏度光电二极管生成的光电荷中的至少一些光电荷。
14.根据权利要求11所述的图像传感器，所述图像传感器还包括：
开关晶体管，所述开关晶体管被配置为将用于将由所述第二灵敏度光电二极管生成的光电荷转换成电压的转换增益切换为第一转换增益和第二转换增益中的一个，所述第一转换增益大于所述第二转换增益。
15.根据权利要求11所述的图像传感器，
其中，所述隔离结构的第一端与所述第二表面共面。
16.根据权利要求15所述的图像传感器，
其中，所述隔离结构的第二端与所述第一表面共面。
17.根据权利要求16所述的图像传感器，
其中，所述隔离结构的所述第一端在与所述垂直方向垂直的水平方向上的宽度大于所述隔离结构的所述第二端在所述水平方向上的宽度。
18.根据权利要求11所述的图像传感器，
其中，所述隔离结构包括：
导电层，所述导电层在所述垂直方向上从所述基板的所述第二表面完全穿透所述基板至所述基板的所述第一表面；以及
隔离绝缘层，所述隔离绝缘层位于所述导电层与所述基板之间。
19.一种图像传感器，所述图像传感器包括：
基板，所述基板包括面向彼此的第一表面和第二表面；
第一微透镜，所述第一微透镜位于所述第一表面的第一区域上；
第二微透镜，所述第二微透镜位于所述第一表面的第二区域上；
第一光电二极管，所述第一光电二极管位于所述基板的在所述第一微透镜下方的部分中；
第二光电二极管，所述第二光电二极管位于所述基板的在所述第二微透镜下方的部分中；
隔离结构，所述隔离结构在垂直方向上从所述第二表面朝向所述第一表面延伸并且围绕所述第一光电二极管和所述第二光电二极管中的每一者；
第一转移门，所述第一转移门从所述基板的所述第二表面延伸到所述基板中并且电连接到所述第一光电二极管；以及
第二转移门，所述第二转移门从所述基板的所述第二表面延伸到所述基板中并且电连接到所述第二光电二极管，
其中，所述第二微透镜的面积小于所述第一微透镜的面积。
20.根据权利要求19所述的图像传感器，
其中，所述隔离结构在与所述垂直方向垂直的水平方向上的宽度在所述垂直方向上从所述第二表面朝向所述第一表面减小。
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