图像传感器像素和图像传感器

图像传感器像素和图像传感器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2021年8月5日提交的韩国专利申请no.10-2021-0103429的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明构思涉及图像捕获装置，并且更具体地，涉及互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器。


背景技术：

4.图像传感器可以是将光学图像转换为电信号的半导体装置。计算机和通信行业的最新进展已经引起在诸如数字相机、摄像机、pcs(个人通信系统)、游戏设备、安全相机、医用微型相机等的各种消费电子设备中对高性能图像传感器的强烈需求。图像传感器通常可以分类为电荷耦合器件(ccd)型和互补金属氧化物半导体(cmos)型。cmos型图像传感器缩写为cis(cmos图像传感器)。cis具有多个二维布置的像素，并且每个像素包括光电二极管(pd)。光电二极管用于将入射光转换成电信号。
5.为了检测具有与可见光的波长范围不同的波长范围的光，最近已经研究了使用与传统半导体光电器件不同的光电器件的图像传感器。


技术实现要素：

6.本发明构思的一些实施例提供了一种对于检测除了可见光辐射之外的短波红外(swir)辐射具有提高的效率的图像传感器。
7.本发明构思的一些实施例提供了一种具有用于感测可见光的像素和用于感测短波红外(swir)辐射的像素的散布阵列的混合图像传感器。
8.在本发明构思的一些实施例中，提供了一种图像传感器像素，所述图像传感器像素包括衬底和光电转换层，所述衬底在其光接收表面上具有像素电极，所述光电转换层包括钙钛矿材料并且位于所述像素电极上。在这些实施例中，透明电极也设置在所述光电转换层上。并且，提供了垂直电极，所述垂直电极电连接到像素电极并且至少部分地延伸穿过所述衬底，所述衬底中包括电连接到所述垂直电极的浮置扩散区域。在这些实施例的一些实施例中，所述光电转换层包括钙钛矿层、在所述像素电极和所述钙钛矿层之间延伸的第一阻挡层以及在所述透明电极和所述钙钛矿层之间延伸的第二阻挡层。
9.另外，所述第一阻挡层可以包括在所述第一阻挡层和所述钙钛矿层之间的第一界面处感应第一势垒的材料，所述第一势垒优先阻挡在所述钙钛矿层内产生的电子跨所述第一界面转移。相比之下，所述第二阻挡层可以包括在所述第二阻挡层和所述钙钛矿层之间的第二界面处感应第二势垒的材料，所述第二势垒优先阻挡在所述钙钛矿层内产生的空穴跨所述第二界面转移。为了实现这些目标，所述第一阻挡层可以包括从由nio、moo3和v2o5组成的组中选择的至少一种材料，并且所述第二阻挡层可以包括从由tio2、hfo2、sno2和zno组
成的组中选择的至少一种材料。所述钙钛矿材料还可以具有abx3、a2bx4、a3bx5、a4bx6、abx4或a
n-1bn
x
3n 1
的材料结构，其中：(i)n是2至6的范围内的正整数，(ii)a包括从由na、k、rb、cs和fr组成的组中选择的至少一种，(iii)b包括从二价过渡金属、稀土金属、碱土金属、ga、in、al、sb、bi和po中选择的至少一种，并且(iv)x包括从cl、br和i中选择的至少一种。
10.根据本发明构思的附加实施例，一种图像传感器可以包括像素阵列，所述像素阵列包括多个像素。所述多个像素均可以包括具有彼此相对的第一表面和第二表面的衬底。所述多个像素可以包括多个第一像素和至少一个第二像素。所述第一像素和所述第二像素可以沿着与所述衬底的所述第一表面平行的第一方向和第二方向布置。每个所述第一像素可以包括位于所述衬底中的光电转换区域。所述第二像素可以包括顺序地堆叠在所述衬底的所述第二表面上的像素电极、光电转换层和透明电极。所述光电转换层可以包括钙钛矿层。
11.根据本发明构思的其他实施例，一种图像传感器可以包括：像素电极、光电转换层和透明电极，所述像素电极、所述光电转换层和所述透明电极顺序地堆叠在衬底上；垂直电极，所述垂直电极在所述衬底和所述像素电极之间延伸；以及浮置扩散区域，所述浮置扩散区域位于所述衬底中。所述光电转换层可以在所述像素电极和所述透明电极之间延伸。所述垂直电极可以连接到所述像素电极和所述浮置扩散区域。所述光电转换层可以包括：钙钛矿层；第一阻挡层，所述第一阻挡层位于所述像素电极和所述钙钛矿层之间；以及第二阻挡层，所述第二阻挡层位于所述透明电极和所述钙钛矿层之间。
附图说明
12.图1示出了根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的简化框图。
13.图2示出了根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的电路图。
14.图3示出了根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的截面图。
15.图4示出了图3中描绘的光电转换层的简化能带图。
16.图5示出了根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的电路图。
17.图6示出了根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的平面布局图。
18.图7示出了沿着图6的线i-i'截取的截面图。
19.图8示出了沿着图6的线i-i'截取的替代截面图，以显示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器。
20.图9示出了沿着图6的线i-i'截取的替代截面图，以显示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器。
21.图10示出了沿着图6的线i-i'截取的替代截面图，以显示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器。
22.图11示出了根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的平面布局图。
23.图12示出了沿着图11的线ii-ii'截取的截面图。
具体实施方式
24.现在，下面将参考附图详细描述本发明构思的一些实施例。
25.图1示出了显示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的简化框图。参考图1，图像传感器可以包括有源像素传感器阵列1、行译码器2、行驱动器3、列译码器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/输出缓冲器8。有源像素传感器阵列1可以包括可以被配置为将光信号转换为电信号的多个二维布置的像素。有源像素传感器阵列1可以由从行驱动器3提供的诸如像素选择信号、复位信号和电荷转移信号的多个驱动信号驱动。另外，相关双采样器6可以被提供由有源像素传感器阵列1转换的电信号。行驱动器3可以根据从行译码器2获得的译码结果向有源像素传感器阵列1提供用于驱动若干像素的若干驱动信号。在多个像素以矩阵形状布置的情况下，可以为每行提供驱动信号。
26.定时发生器5可以将定时和控制信号提供到行译码器2和列译码器4。相关双采样器(cds)6可以接收从有源像素传感器阵列1生成的电信号，并且可以对所接收的电信号进行保持和采样。相关双采样器6可以执行双采样操作以对电信号的特定噪声电平和信号电平进行采样，然后可以输出与噪声电平和信号电平之间的差相对应的差值电平。模数转换器7可以将与从相关双采样器6接收的差值电平相对应的模拟信号转换为数字信号，然后输出转换后的数字信号。输入/输出缓冲器8可以锁存数字信号，然后响应于从列译码器4获得的译码结果，将锁存的数字信号顺序地输出到图像信号处理单元(未示出)。
27.图2示出了显示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的电路图。参考图1和图2，有源像素传感器阵列1可以包括以矩阵形状布置的多个像素px。每个像素px可以包括光电转换元件pd和浮置扩散区域fd。光电转换元件pd可以与外部入射光的量成比例地产生和累积光电荷。根据本发明构思的一些实施例，光电转换元件pd可以使用空穴作为载流子，在这种情况下，第一电压v1可以被施加到光电转换元件pd的一个电极。第一电压v1可以大于0v，例如，可以为大约3v。浮置扩散区域fd可以连接到光电转换元件pd的另一电极。浮置扩散区域fd可以累积并存储从光电转换元件pd生成和转移的电荷。每个像素px可以包括复位晶体管rx、选择晶体管sx和驱动晶体管dx。复位晶体管rx和选择晶体管sx可以分别包括复位栅极rg和选择栅极sg。
28.复位晶体管rx可以定期地复位在浮置扩散区域fd中累积的电荷。浮置扩散区域fd可以连接到复位晶体管rx的一个电极。可以将复位电压v
rst
施加到复位晶体管rx的另一电极。复位电压v
rst
可以不同于电源电压v
dd
。当复位晶体管rx导通时，复位晶体管rx可以向浮置扩散区域fd提供复位电压v
rst
。因此，当复位晶体管rx导通时，可以耗尽在浮置扩散区域fd中累积的电荷，因此，浮置扩散区域fd可以复位。
29.驱动晶体管dx可以由在浮置扩散区域fd中累积的光电荷的量控制。驱动晶体管dx可以用作源极跟随器缓冲放大器。电源电压v
dd
可以施加到驱动晶体管dx的一个电极，并且驱动晶体管dx的另一电极可以连接到选择晶体管sx的一个电极。驱动晶体管dx可以放大浮置扩散区域fd的电位的变化，并且可以将放大后的电位输出到输出线v
out
。选择晶体管sx可以选择要读出的每一行像素px。当选择晶体管sx导通时，可以向驱动晶体管dx的一个电极施加电源电压v
dd
。
30.图2通过示例的方式描绘了包括一个光电转换元件pd以及三个晶体管rx、dx和sx的单位像素px，但是根据本发明构思的图像传感器不限于此。例如，相邻的像素px可以共享
复位晶体管rx、驱动晶体管dx和/或选择晶体管sx，使得图像传感器可以更高度集成。
31.图3示出了显示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的截面图。图4示出了图3中描绘的光电转换层的简化能带图。参考图3，图像传感器可以包括被配置为检测短波红外(swir)辐射的像素px。像素px可以设置为多个，并且多个像素px可以以矩阵形状布置，如参考图2所讨论的。像素px可以被配置为如参考图2所讨论的那样操作。
32.像素px可以包括衬底100、位于衬底100中的源极/漏极区sd和位于衬底100中的浮置扩散区域fd。衬底100可以是半导体衬底(例如，硅衬底、锗衬底、硅锗衬底、ii-vi族化合物半导体衬底或iii-v族化合物半导体衬底)或绝缘体上硅(soi)衬底。源极/漏极区sd和浮置扩散区域fd可以设置为与衬底100的顶表面100u相邻。衬底100可以具有第一导电型，并且源极/漏极区sd和浮置扩散区域fd可以具有不同于第一导电型的第二导电型。例如，第一导电型可以是p型，并且第二导电型可以是n型。源极/漏极区sd和浮置扩散区域fd可以是掺杂有第二导电型(例如，n型)的杂质的区域。
33.像素px还可以包括位于衬底100的顶表面100u上的栅电极ge1和ge2，并且还可以包括位于衬底100与栅电极ge1和ge2之间的栅极电介质图案gi。栅电极ge1和ge2中的第一栅电极ge1可以设置在浮置扩散区域fd与一个源极/漏极区sd之间，并且栅电极ge1和ge2中的第二栅电极ge2可以设置在相应的源极/漏极区sd之间。第一栅电极ge1、一个源极/漏极区sd和浮置扩散区域fd可以构成参考图2讨论的复位晶体管rx，并且第一栅电极ge1可以对应于参考图2讨论的复位栅极rg。第二栅电极ge2和对应的源极/漏极区sd可以构成参考图2讨论的选择晶体管sx和驱动晶体管dx之一。当第二栅电极ge2和对应的源极/漏极区sd构成选择晶体管sx时，第二栅电极ge2可以对应于参考图2讨论的选择栅极sg。栅电极ge1和ge2可以包括导电材料(例如，掺杂半导体材料和金属中的一种或更多种)，并且栅极电介质图案gi可以包括电介质材料(例如，氧化硅)。
34.像素px还可以包括位于衬底100的顶表面100u上的布线图案110和垂直电极125。布线图案110可以包括连接到源极/漏极区sd的导电接触112和连接到导电接触112的导电线114。每个导电接触112可以电连接到相应的源极/漏极区sd并且电连接到相应的导电线114。垂直电极125可以电连接到浮置扩散区域fd。导电接触112、导电线114和垂直电极125可以包括导电材料。像素px还可以包括位于衬底100的顶表面100u上并且覆盖栅电极ge1和ge2、布线图案110以及垂直电极125的层间电介质层120。层间电介质层120可以包括电介质材料，诸如氧化硅、氮化硅、氧化铝和氧化铪。
35.像素px还可以包括位于层间电介质层120上的光电转换层140、位于光电转换层140和层间电介质层120之间的像素电极130以及位于光电转换层140上的透明电极150。光电转换层140可以介于像素电极130和透明电极150之间。像素电极130可以连接到垂直电极125。光电转换层140可以通过像素电极130和垂直电极125电连接到浮置扩散区域fd。光电转换层140可以构成参考图2讨论的光电转换元件pd，并且从光电转换层140生成的电荷可以通过像素电极130和垂直电极125转移到浮置扩散区域fd。像素电极130可以包括从tin、tan、cu、氧化铟锡(ito)、au和ag中选择的至少一种，并且透明电极150可以包括从氧化铟锡(ito)、氧化铟锌(izo)、zno、sno2中选择的至少一种。光电转换层140可以在垂直于衬底100的顶表面100u的方向上具有厚度140t，并且光电转换层140的厚度140t可以例如小于大约500nm。
36.光电转换层140可以包括顺序堆叠在像素电极130上的第一阻挡层142、钙钛矿层144和第二阻挡层146。第一阻挡层142可以介于钙钛矿层144和像素电极130之间，并且第二阻挡层146可以介于钙钛矿层144和透明电极150之间。
37.钙钛矿层144可以包括具有abx3、a2bx4、a3bx5、a4bx6、abx4或a
n-1bn
x
3n 1
的结构的钙钛矿材料，其中，n是在2至6的范围内的整数。符号a可以包括从na、k、rb、cs、fr和其任何衍生物中选择的至少一种。符号b可以包括从二价过渡金属、稀土金属、碱土金属、ga、in、al、sb、bi和po中选择的至少一种。例如，符号b可以包括从sn、ge、ga、in、al、sb、bi、po、eu、yb、ca和sr中选择的至少一种。符号x可以包括从cl、br和i中选择的至少一种。钙钛矿层144可以包括例如cssni3。
38.第一阻挡层142可以是阻挡从钙钛矿层144产生的电子的移动的势垒层，并且第二阻挡层146可以是阻挡从钙钛矿层144产生的空穴的移动的势垒层。例如，第一阻挡层142可以包括从nio、moo3和v2o5中选择的至少一种化合物，并且第二阻挡层146可以包括从tio2、hfo2、sno2和zno中选择的至少一种化合物。
39.参考图4中的(a)，当没有偏压施加到像素电极130和透明电极150时，第一阻挡层142可以提供阻挡电子移动的势垒，并且第二阻挡层146可以提供阻挡空穴移动的势垒。参考图4中的(b)，当向像素电极130和透明电极150施加反向偏压时，第一阻挡层142和第二阻挡层146中的每一者的势垒可以变得更高，以阻挡从钙钛矿层144产生的电子和空穴的移动。参考图4中的(c)，当向像素电极130和透明电极150施加正向偏压时，第一阻挡层142和第二阻挡层146中的每一者的势垒可以变低，从而由于从钙钛矿层144产生的电子和空穴的移动而产生电流流动。根据本发明构思的一些实施例，第一阻挡层142和第二阻挡层146可以用于使像素px中的漏电流最小化。
40.返回参考图3，像素px还可以包括顺序地堆叠在透明电极150上的保护层160和微透镜300。保护层160可以保护透明电极150和光电转换层140，并且可以包括电介质材料。微透镜300可以设置在保护层160上。微透镜300可以沿着与衬底100的顶表面100u垂直的方向与光电转换层140垂直地交叠。
41.在操作期间，入射光可以通过红外滤光器进入微透镜。经滤波的入射光可以是短波红外(swir)辐射。经滤波的入射光可以被微透镜300会聚，并且可以入射在光电转换层140上。光电转换层140可以从经滤波的入射光(即，短波红外辐射)生成并累积光电荷，因此，像素px可以被配置为检测短波红外(swir)辐射。
42.根据本发明构思，像素px可以被配置为检测短波红外(swir)辐射，并且像素px的光电转换层140可以包括钙钛矿层144。因为光电转换层140包括展现出相对高的电荷迁移率的钙钛矿材料，所以可以容易地检测短波红外(swir)辐射。另外，因为光电转换层140包括能够被蚀刻的钙钛矿材料，所以通过蚀刻工艺容易实现将像素px的光电转换层140与相邻像素px的光电转换层140隔离。因此，可以容易地实现相邻的像素px之间的隔离。
43.另外，光电转换层140还可以包括第一阻挡层142和第二阻挡层146。第一阻挡层142和第二阻挡层146可以提供阻挡从钙钛矿层144产生的电子和空穴的移动的势垒，因此，可以在像素px中使漏电流最小化。因此，可以提供包括具有提高的用于检测短波红外辐射的效率的像素的图像传感器。
44.图5示出了显示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的有源像素传感器
阵列的电路图。参考图1和图5，有源像素传感器阵列1可以包括以矩阵形状布置的多个像素px1和px2。像素px1和px2可以包括彼此相邻的(红色、绿色、蓝色)rgb像素px1和ir像素px2。
45.每个rgb像素px1可以包括转移晶体管(transfer transistor)tx和逻辑晶体管。逻辑晶体管可以包括第一复位晶体管rx1、第一选择晶体管sx1和第一驱动晶体管dx1。转移晶体管tx、第一复位晶体管rx1和第一选择晶体管sx1可以分别包括转移栅极tg、第一复位栅极rg1和选择栅极sg。每个rgb像素px1还可以包括第一光电转换元件pd1和第一浮置扩散区域fd1。
46.第一光电转换元件pd1可以与外部入射光的量成比例地产生并累积光电荷。第一光电转换元件pd1可以是包括p型杂质区域和n型杂质区域的硅光电二极管。转移晶体管tx可以将在第一光电转换元件pd1中产生的电荷转移到第一浮置扩散区域fd1中。第一浮置扩散区域fd1可以累积并存储从第一光电转换元件pd1产生和转移的电荷。第一驱动晶体管dx1可以由在第一浮置扩散区域fd1中累积的光电荷的量来控制。
47.第一复位晶体管rx1可以定期地复位在第一浮置扩散区域fd1中累积的电荷。第一复位晶体管rx1的一个电极可以连接到第一浮置扩散区域fd1，并且第一复位晶体管rx1的另一电极可以连接到第一复位电压v
rst1
。例如，第一复位电压v
rst1
可以与电源电压v
dd
相同。当第一复位晶体管rx1导通时，第一浮置扩散区域fd1可以被提供连接到第一复位晶体管rx1的另一电极的第一复位电压v
rst1
。因此，当第一复位晶体管rx1导通时，可以耗尽在第一浮置扩散区域fd1中累积的电荷，因此，可以使第一浮置扩散区域fd1复位。
48.如本领域技术人员将理解的，第一驱动晶体管dx1可以用作源极跟随器缓冲放大器。第一驱动晶体管dx1可以放大第一浮置扩散区域fd1的电位的变化，并且可以将放大后的电位输出到输出线v
out
。第一选择晶体管sx1可以选择要读出的每一行rgb像素px1。当第一选择晶体管sx1导通时，电源电压v
dd
可以施加到第一驱动晶体管dx1的一个电极。与所示的不同，相邻的rge像素px1可以共享第一复位晶体管rx1、第一驱动晶体管dx1和/或第一选择晶体管sx1，由此提高图像传感器集成度。
49.ir像素px2可以包括第二光电转换元件pd2和第二浮置扩散区域fd2。第二光电转换元件pd2可以与外部入射光的量成比例地产生并累积光电荷。第一电压v1可以施加到第二光电转换元件pd2的一个电极。第一电压v1可以大于0v，例如，可以为大约3v。第二浮置扩散区域fd2可以连接到第二光电转换元件pd2的另一电极。第二浮置扩散区域fd2可以累积并存储从第二光电转换元件pd2产生和转移的电荷。ir像素px2可以包括第二复位晶体管rx2、第二选择晶体管sx2和第二驱动晶体管dx2。第二复位晶体管rx2和第二选择晶体管sx2可以分别包括第二复位栅极rg2和选择栅极sg。
50.ir像素px2可以与参考图2讨论的单位像素px相同地配置。在这种情况下，第二光电转换元件pd2、第二浮置扩散区域fd2、第二复位晶体管rx2、第二选择晶体管sx2和第二驱动晶体管dx2可以与图2的光电转换元件pd、浮置扩散区域fd、复位晶体管rx、选择晶体管sx和驱动晶体管dx基本上相同。施加到第二复位晶体管rx2的第二复位电压v
rst2
可以对应于图2的复位电压v
rst
。例如，第二复位电压v
rst2
可以不同于电源电压v
dd
。
51.图6示出了显示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的平面图。图7示出了沿着图6的线i-i'截取的截面图。参考图6和图7，图像传感器可以包括多个像素px1和px2，并且多个像素px1和px2可以以矩阵形状布置。多个像素px1和px2可以包括第一像素
px1和至少一个第二像素px2。第一像素px1可以对应于图6的rgb像素px1，并且可以被配置为与rgb像素px1相同地操作。第二像素px2可以对应于图6的ir像素px2，并且可以被配置成与ir像素px2相同地操作。
52.多个像素px1和px2均可以包括衬底100。衬底100可以是半导体衬底(例如，硅衬底、锗衬底、硅锗衬底、ii-vi族化合物半导体衬底或iii-v族化合物半导体衬底)或绝缘体上硅(soi)衬底。衬底100可以具有彼此相对的第一表面100a和第二表面100b。多个像素px1和px2可以沿着彼此相交并且与衬底100的第一表面100a平行的第一方向d1和第二方向d2布置。多个像素px1和px2可以彼此直接相邻。第二像素px2可以在第一方向d1上与一个第一像素px1相邻，并且在第二方向d2上与另一个第一像素px1相邻。
53.每个第一像素px1可以包括设置在衬底100中的光电转换区域105。衬底100可以具有第一导电型，并且光电转换区域105可以是掺杂有具有与第一导电型不同的第二导电型的杂质的杂质区域，使得在转换区域105和周围的衬底100之间建立p-n整流结。例如，第一导电型和第二导电型可以分别为p型和n型。在这种情况下，具有第二导电型的杂质可以包括n型杂质，例如磷、砷、铋和锑中的一种或更多种。光电转换区域105和衬底100之间的p-n整流结可以构成用作图5的第一光电转换元件pd1的光电二极管。
54.每个第一像素px1还可以包括位于衬底100的第一表面100a上的转移栅电极tg、位于衬底100与转移栅电极tg之间的栅极电介质图案gi以及设置为与衬底100的第一表面100a相邻的第一浮置扩散区域fd1。第一浮置扩散区域fd1可以在转移栅电极tg的一侧设置在衬底100中。第一浮置扩散区域fd1可以是掺杂有具有与第一导电型不同的第二导电型的杂质(或n型杂质)的区域。转移栅电极tg的下部可以沿着与衬底100的第一表面100a垂直的第三方向d3延伸到衬底100中。转移栅电极tg的上部可以从衬底100的第一表面100a向上突出。栅极电介质图案gi可以介于转移栅电极tg与衬底100的第一表面100a之间，并且可以延伸到衬底100中以介于衬底100和转移栅电极tg之间。转移栅电极tg和第一浮置扩散区域fd1可以构成图6的转移晶体管tx，并且转移栅电极tg可以对应于图6的转移栅极tg。转移栅电极tg可以包括导电材料(例如，掺杂半导体材料和金属中的一种或更多种)，并且栅极电介质图案gi可以包括电介质材料(例如，氧化硅)。
55.每个第一像素px1还可以包括位于衬底100的第一表面100a上的布线图案110。布线图案110可以包括导电接触112和连接到导电接触112的导电线114。第一浮置扩散区域fd1可以通过相应的导电接触112电连接到相应的导电线114。导电接触112和导电线114可以包括导电材料。
56.每个第一像素px1还可以包括设置在衬底100的第一表面100a上并且覆盖转移栅电极tg和布线图案110的层间电介质层120。层间电介质层120可以包括电介质材料，诸如氧化硅、氮化硅、氧化铝和氧化铪。
57.每个第一像素px1还可以包括设置在衬底100的第二表面100b上的网格图案175、下电介质层180、平坦化层185、滤色器200、上电介质层190和微透镜300。网格图案175可以设置在衬底100的第二表面100b上，并且可以沿着第三方向d3与光电转换区域105偏移。网格图案175可以位于多个像素px1和px2之间的边界上，并且当在平面图中观察时，网格图案175可以围绕多个像素px1和px2中的每一者。当衬底100接收入射在其第二表面100b上的光时，网格图案175可以引导光朝向光电转换区域105行进。网格图案175可以包括金属(例如，
钨)。尽管未示出，但是附加的电介质层可以设置在网格图案175和衬底100的第二表面100b之间。下电介质层180可以设置在衬底100的第二表面100b上，由此覆盖网格图案175。下电介质层180可以在相邻的网格图案175之间延伸并且覆盖衬底100的第二表面100b。下电介质层180可以包括电介质材料(例如，氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的一种或更多种)。
58.平坦化层185可以设置在下电介质层180和滤色器200之间。平坦化层185可以包括光学透明电介质材料(例如，氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的一种或更多种)。滤色器200可以设置在平坦化层185上，并且可以沿着第三方向d3(垂直于衬底表面)与光电转换区域105垂直交叠。滤色器200可以是对入射光的可见光透明的可见光滤色器。光电转换区域105可以接收穿过滤色器200的可见光，并且可以从可见光产生并累积光电荷。因此，第一像素px1也可以被配置为检测可见光。
59.第一像素px1的滤色器200可以被配置为对具有不同波长范围的可见光透明。例如，一个第一像素px1的滤色器200可以被配置为允许红光通过其穿过，另一第一像素px1的滤色器200可以被配置为允许绿光通过其穿过，并且又一第一像素px1的滤色器200可以被配置为允许蓝光通过其穿过。
60.上电介质层190可以设置在滤色器200和微透镜300之间。上电介质层190可以包括电介质材料(例如，氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的一种或更多种)。微透镜300可以设置在上电介质层190上，并且可以沿着第三方向d3与光电转换区域105垂直交叠。微透镜300可以会聚外部入射光，并且通过微透镜300入射的光可以通过滤色器200朝向光电转换区域105行进。
61.第二像素px2可以包括邻近于衬底100的第一表面100a设置的源极/漏极区sd和第二浮置扩散区域fd2。源极/漏极区sd和第二浮置扩散区域fd2可以具有与衬底100的第一导电型不同的第二导电型。源极/漏极区sd和第二浮置扩散区域fd2可以是被掺杂有具有第二导电型(例如，n型)的杂质的区域。
62.第二像素px2还可以包括设置在衬底100的第一表面100a上的栅电极ge，并且还可以包括在栅电极ge和衬底100的第一表面100a之间延伸的栅极电介质图案gi。栅电极ge可以设置在源极/漏极区sd和第二浮置扩散区域fd2之间。栅电极ge、源极/漏极区sd和第二浮置扩散区域fd2可以构成图5的第二复位晶体管rx2，并且栅电极ge可以对应于图5的第二复位栅极rg2。栅电极ge可以包括导电材料(例如，掺杂半导体材料和金属中的一种或更多种)，并且栅极电介质图案gi可以包括电介质材料(例如，氧化硅)。
63.第二像素px2还可以包括位于衬底100的第一表面100a上的布线图案110。源极/漏极区sd可以通过相应的导电接触112电连接到相应的导电线114。第二像素px2还可以包括设置在衬底100的第一表面100a上的层间电介质层120，并且还可以包括设置在衬底100的第二表面100b上的网格图案175和下电介质层180。层间电介质层120可以覆盖栅电极ge和布线图案110。下电介质层180可以覆盖网格图案175，并且可以在相邻的网格图案175之间延伸以覆盖衬底100的第二表面100b。
64.第二像素px2还可以包括至少部分地穿透衬底100的垂直电极125。垂直电极125可以(直接地或间接地)电连接到第二浮置扩散区域fd2。垂直电极125可以沿着第三方向d3穿透衬底100和下电介质层180。垂直电极125可以在相邻的网格图案175之间穿透下电介质层180。垂直电极125可以包括低电阻率的导电材料。尽管未示出，但是垂直电极125和衬底100
之间可以设置有包括电介质材料的电极阻挡物。垂直电极125可以通过电极阻挡物与衬底100绝缘。
65.第二像素px2还可以包括顺序地堆叠在下电介质层180上的像素电极130、光电转换层140、透明电极150和保护层160。像素电极130可以介于下电介质层180和光电转换层140之间，并且透明电极150可以设置在光电转换层140和保护层160之间。光电转换层140可以设置在像素电极130和透明电极150之间。垂直电极125可以穿透下电介质层180以与像素电极130连接。光电转换层140可以包括顺序地堆叠在像素电极130上的第一阻挡层142、钙钛矿材料层144和第二阻挡层146。第一阻挡层142可以介于钙钛矿材料层144和像素电极130之间，并且第二阻挡层146可以介于钙钛矿层144和透明电极150之间。像素电极130、光电转换层140、透明电极150和保护层160可以与关于图3和图4讨论的像素电极130、光电转换层140、透明电极150和保护层160基本上相同。
66.第二像素px2的像素电极130、光电转换层140、透明电极150和保护层160可以设置在每个第一像素px1的平坦化层185的一侧。平坦化层185可以覆盖包括在第二像素px2中的像素电极130、光电转换层140、透明电极150和保护层160的侧表面。
67.第二像素px2还可以包括位于保护层160上的上电介质层190。例如，每个第一像素px1的上电介质层190可以延伸到第二像素px2的保护层160上。第二像素px2的上电介质层190可以覆盖第一像素px1的至少一个滤色器200的侧表面。
68.第二像素px2还可以包括位于上电介质层190上的微透镜300。微透镜300可以沿着第三方向d3与光电转换层140垂直交叠。第二像素px2的微透镜300可以通过红外滤光器接收外部入射光。经滤波的入射光可以是短波红外(swir)辐射。经滤波的入射光可以被微透镜300会聚，并且可以入射在光电转换层140上。光电转换层140可以从经滤波的入射光(即，短波红外辐射)生成并累积光电荷，因此，第二像素px2可以被配置为检测短波红外(swir)辐射。
69.根据本发明构思，第一像素px1可以被配置为检测可见光(通过滤色器)，并且第二像素px2(或第二像素)可以被配置为检测短波红外(swir)辐射。第二像素px2的光电转换层140可以包括钙钛矿层144。因为第二像素px2的光电转换层140包括展现出相对高的电荷迁移率的钙钛矿材料，所以可以容易地检测短波红外(swir)辐射。另外，因为第二像素px2的光电转换层140包括能够被蚀刻的钙钛矿材料，所以通过蚀刻工艺容易地实现将第二像素px2的光电转换层140与第一像素px1隔离。因此，可以容易地在同一衬底100上水平地布置检测可见光的第一像素px1和检测短波红外(swir)辐射的第二像素px2。
70.以下将讨论根据本发明构思的一些实施例的制造图像传感器的方法。为了描述简洁起见，将进行省略以避免对参考图6和图7讨论的图像传感器的重复说明。
71.参考图7，可以在衬底100中形成每个第一像素px1的光电转换区域105。可以在衬底100的第一表面100a上形成每个第一像素px1的转移栅电极tg、栅极电介质图案gi和第一浮置扩散区域fd1，并且可以在衬底100的第一表面100a上形成第二像素px2的栅电极ge、栅极电介质图案gi、源极/漏极区sd和第二浮置扩散区域fd2。可以在衬底100的第一表面100a上形成像素px1和px2中的每一者的布线图案110，并且可以在衬底100的第一表面100a上形成层间电介质层120以覆盖布线图案110。
72.可以在衬底100的第二表面100b上形成像素px1和px2中的每一者的网格图案175，
并且可以在衬底100的第二表面100b上形成下电介质层180以覆盖像素px1和px2中的每一者的网格图案175。可以在下电介质层180和衬底100中形成第二像素px2的垂直电极125。垂直电极125可以形成为沿着第三方向d3穿透下电介质层180和衬底100，由此连接到第二浮置扩散区域fd2。
73.可以在第二像素px2的下电介质层180上形成第二像素px2的像素电极130、光电转换层140、透明电极150和保护层160。像素电极130可以电连接到垂直电极125。例如，第二像素px2的像素电极130、光电转换层140、透明电极150和保护层160的形成可以包括：在衬底100的其上形成有下电介质层180的第二表面100b上顺序地形成像素电极层、光电转换层、透明电极层和保护层；以及蚀刻像素电极层、光电转换层、透明电极层和保护层以在第二像素px2的下电介质层180上形成像素电极130、光电转换层140、透明电极150和保护层160。在这种情况下，因为光电转换层140包括钙钛矿层144，所以可以容易地蚀刻光电转换层140，因此可以容易地将第二像素px2的光电转换层140与第一像素px1隔离。
74.可以在每个第一像素px1的下电介质层180上形成平坦化层185。平坦化层185可以形成为覆盖第二像素px2的像素电极130、光电转换层140、透明电极150和保护层160的侧表面。可以在每个第一像素px1的平坦化层185上形成滤色器200。可以形成上电介质层190以覆盖第一像素px1的滤色器200和第二像素px2的保护层160。可以在像素px1和px2中的每一者的上电介质层190上形成微透镜300。
75.图8示出了沿着图6的线i-i'截取的截面图，以显示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器。为了描述简洁起见，以下将集中于与参考图6和图7讨论的图像传感器的不同之处。
76.参考图6和图8，多个像素px1和px2中的每一者还可以包括穿透衬底100的深隔离图案170。深隔离图案170可以沿着与衬底100的第一表面100a垂直的第三方向d3穿透衬底100。衬底100的第一表面100a可以暴露深隔离图案170的底表面，并且衬底100的第二表面100b可以暴露深隔离图案170的顶表面。深隔离图案170可以设置在第一像素px1之间以及第二像素px2和其相邻的第一像素px1之间。深隔离图案170可以设置在第一像素px1的光电转换区域105之间，并且可以防止相邻的第一像素px1之间的串扰。
77.深隔离图案170可以包括穿透衬底100的至少一部分的半导体图案176和177、位于半导体图案176和177上的掩埋电介质图案179以及介于衬底100与半导体图案176和177之间的侧电介质图案173。侧电介质图案173可以从半导体图案176和177的侧表面延伸到掩埋电介质图案179的侧表面上。半导体图案176和177可以包括穿透衬底100的至少一部分的第一半导体图案177和位于第一半导体图案177与侧电介质图案173之间的第二半导体图案176。第一半导体图案177可以覆盖第二半导体图案176并且可以接触侧电介质图案173。掩埋电介质图案179可以设置在第一半导体图案177上。第一半导体图案177可以在掩埋电介质图案179和第二半导体图案176之间延伸，并且可以接触侧电介质图案173。
78.第一半导体图案177和第二半导体图案176均可以包括掺杂有杂质的半导体材料。杂质可以具有p型或n型导电型。例如，第一半导体图案177和第二半导体图案176均可以包括掺杂有硼的多晶硅。侧电介质图案173和掩埋电介质图案179均可以包括例如氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的一种或更多种。
79.浅隔离图案171可以设置为与衬底100的第一表面100a相邻。多个像素px1和px2均
可以包括由浅隔离图案171限定的有源区。浅隔离图案171可以包括例如从氧化硅层、氮化硅层和氮氧化硅层中选择的至少一种。每个第一像素px1的转移栅电极tg、栅极电介质图案gi和第一浮置扩散区域fd1可以设置在每个第一像素px1的有源区上。第二像素px2的栅电极ge、栅极电介质图案gi、源极/漏极区sd和第二浮置扩散区域fd2可以设置在第二像素px2的有源区上。
80.深隔离图案170可以穿透浅隔离图案171，由此延伸到衬底100中。深隔离图案170的掩埋电介质图案179可以设置在浅隔离图案171中。掩埋电介质图案179可以穿透浅隔离图案171，由此接触半导体图案176和177。深隔离图案170的侧电介质图案173可以在浅隔离图案171和掩埋电介质图案179之间延伸。另外，像素px1和px2中的每一者的网格图案175可以沿着第三方向d3与深隔离图案170垂直交叠。除了上面讨论的之外，根据本实施例的图像传感器可以与参考图6和图7讨论的图像传感器基本上相同。
81.图9示出了沿着图6的线i-i'截取的截面图，以显示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器。为了描述简洁起见，以下将集中于与参考图6和图7讨论的图像传感器的不同之处。参考图6和图9，多个像素px1和px2中的每一者还可以包括穿透衬底100的一部分的深隔离图案170。深隔离图案170可以在沿着第三方向d3从衬底100的第二表面100b朝向衬底100的第一表面100a延伸的同时穿透衬底100的一部分。深隔离图案170可以设置在第一像素px1之间以及第二像素px2和其相邻的第一像素px1之间。深隔离图案170可以设置在第一像素px1的光电转换区域105之间，并且可以防止相邻的第一像素px1之间的串扰。
82.深隔离图案170可以包括穿透衬底100的一部分的半导体图案176和177，并且还可以包括位于衬底100与半导体图案176和177之间的侧电介质图案173。侧电介质图案173可以从半导体图案176和177的侧表面并且沿着半导体图案176和177的底表面延伸。侧电介质图案173可以介于衬底100与半导体图案176和177的侧表面之间，并且可以在衬底100与半导体图案176和177的底表面之间延伸。半导体图案176和177可以包括穿透衬底100的一部分的第一半导体图案177和位于第一半导体图案177与侧电介质图案173之间的第二半导体图案176。第一半导体图案177、第二半导体图案176和侧电介质图案173可以分别包括与参考图6和图8讨论的第一半导体图案177、第二半导体图案176和侧电介质图案173的材料相同的材料。
83.浅隔离图案171可以设置为与衬底100的第一表面100a相邻。多个像素px1和px2均可以包括由浅隔离图案171限定的有源区。每个第一像素px1的转移栅电极tg、栅极电介质图案gi和第一浮置扩散区域fd1可以设置在每个第一像素px1的有源区上。第二像素px2的栅电极ge、栅极电介质图案gi、源极/漏极区sd和第二浮置扩散区域fd2可以设置在第二像素px2的有源区上。
84.深隔离图案170可以沿着第三方向d3与浅隔离图案171间隔开，并且可以沿着第三方向d3与浅隔离图案171垂直交叠。像素px1和px2中的每一者的网格图案175可以沿着第三方向d3与深隔离图案170垂直交叠。除了上面讨论的之外，根据本实施例的图像传感器可以与参考图6和图7讨论的图像传感器基本上相同。
85.图10示出了沿着图6的线i-i'截取的截面图，以显示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器。为了描述简洁起见，以下将集中于与参考图6和图7讨论的图像传感器的不同之处。
86.参考图6和图10，每个第一像素px1可以包括位于衬底100的第二表面100b上的转移栅电极tg、位于衬底100和转移栅电极tg之间的栅极电介质图案gi以及设置为与衬底100的第二表面100b相邻的第一浮置扩散区域fd1。除了转移栅电极tg、栅极电介质图案gi和第一浮置扩散区域fd1设置在衬底100的第二表面100b上之外，转移栅电极tg、栅极电介质图案gi和第一浮置扩散区域fd1可以与参考图6和图7讨论的转移栅电极tg、栅极电介质图案gi和第一浮置扩散区域fd1基本上相同。
87.每个第一像素px1还可以包括位于衬底100的第二表面100b上的布线图案110。布线图案110可以包括导电接触112和连接到导电接触112的导电线114。除了布线图案110设置在衬底100的第二表面100b上之外，布线图案110可以与参考图6和图7讨论的布线图案110基本上相同。每个第一像素px1还可以包括层间电介质层120，层间电介质层120设置在衬底100的第二表面100b上并且覆盖转移栅电极tg和布线图案110。除了层间电介质层120设置在衬底100的第二表面100b上之外，层间电介质层120可以与参考图6和图7讨论的层间电介质层120基本上相同。
88.每个第一像素px1还可以包括顺序地设置在衬底100的第二表面100b上的滤色器200、上电介质层190和微透镜300。滤色器200、上电介质层190和微透镜300可以顺序地堆叠在层间电介质层120上。布线图案110和层间电介质层120可以设置在滤色器200和衬底100的第二表面100b之间。滤色器200、上电介质层190和微透镜300可以与参考图6和图7讨论的滤色器200、上电介质层190和微透镜300基本上相同。
89.第二像素px2可以包括设置为衬底100的第二表面100b相邻的源极/漏极区sd和第二浮置扩散区域fd2。除了源极/漏极区sd和第二浮置扩散区域fd2设置为与衬底100的第二表面100b相邻之外，源极/漏极区sd和第二浮置扩散区域fd2可以与参考图6和图7讨论的源极/漏极区sd和第二浮置扩散区域fd2基本上相同。
90.第二像素px2还可以包括设置在衬底100的第二表面100b上的栅电极ge1和ge2，并且还可以包括位于衬底100的第二表面100b与栅电极ge1和ge2之间的栅极电介质图案gi。栅电极ge1和ge2中的第一栅电极ge1可以设置在第二浮置扩散区域fd2与一个源极/漏极区sd之间，并且栅电极ge1和ge2中的第二栅电极ge2可以设置在相应的源极/漏极区sd之间。第一栅电极ge1、一个源极/漏极区sd和第二浮置扩散区域fd2可以构成参考图5讨论的第二复位晶体管rx2，并且第一栅电极ge1可以对应于参考图5讨论的第二复位栅极rg2。第二栅电极ge2和相应的源极/漏极区sd可以构成参考图5讨论的第二选择晶体管sx2和第二驱动晶体管dx2中的一者。当第二栅电极ge2和相应的源极/漏极区sd构成第二选择晶体管sx2时，第二栅电极ge2可以对应于参考图5讨论的选择栅极sg。
91.第二像素px2还可以包括位于衬底100的第二表面100b上的布线图案110和层间电介质层120。源极/漏极区sd均可以通过相应的导电接触112电连接到相应的导电线114。
92.第二像素px2还可以包括穿透层间电介质层120的垂直电极125。垂直电极125可以电连接到第二浮置扩散区域fd2，并且可以沿着第三方向d3穿透层间电介质层120。
93.第二像素px2还可以包括顺序地堆叠在衬底100的第二表面100b上和层间电介质层120上的像素电极130、光电转换层140、透明电极150和保护层160。像素电极130、光电转换层140、透明电极150和保护层160可以与关于图6和图7讨论的像素电极130、光电转换层140、透明电极150和保护层160基本上相同。
94.第二像素px2的像素电极130、光电转换层140、透明电极150和保护层160可以设置在每个第一像素px1的滤色器200的一侧和上电介质层190的一侧。滤色器200和上电介质层190可以覆盖第二像素px2的像素电极130、光电转换层140、透明电极150和保护层160的侧表面。第二像素px2还可以包括位于保护层160上的微透镜300。除了上面讨论的之外，根据本实施例的图像传感器可以与参考图6和图7讨论的图像传感器基本上相同。
95.图11示出了显示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的平面图。图12示出了沿着图11的线ii-ii'截取的截面图。为了描述简洁起见，以下将集中于与参考图1至图10讨论的图像传感器的不同之处。
96.参考图11和图12，图像传感器可以包括：衬底100，包括像素阵列区域ar、光学黑色区域ob和焊盘区域pr；布线层20，位于衬底100的第一表面100a上；基体衬底40，位于布线层20上；以及光学透射层30，位于衬底100的第二表面100b上。布线层20可以设置在基体衬底40和衬底100的第一表面100a之间。布线层20可以包括与衬底100的第一表面100a相邻的上布线层21，并且还可以包括位于上布线层21和基体衬底40之间的下布线层23。像素阵列区域ar可以包括多个像素区域pxr和设置在多个像素区域pxr之间的深隔离图案170。像素阵列区域ar还可以包括位于衬底100的第二表面100b上的防反射层400和电介质层410。防反射层400和电介质层410可以设置在网格图案175和衬底100的第二表面100b之间。像素阵列区域ar可以被配置为与参考图1至图10讨论的图像传感器基本上相同。
97.第一连接结构50、第一接触81和块体滤色器(bulk color filter)90可以设置在衬底100的光学黑色区域ob上。第一连接结构50可以包括第一遮光图案51、第一分隔图案53和第一覆盖图案55。第一遮光图案51可以设置在衬底100的第二表面100b上。第一遮光图案51可以覆盖电介质层410，并且可以共形地覆盖第三沟槽tr3和第四沟槽tr4中的每一者的内壁。第一遮光图案51可以穿透光电转换层10和上布线层21。第一遮光图案51可以连接到包括在光电转换层10中的深隔离图案170的半导体图案176和177，并且可以连接到上布线层21和下布线层23中的布线线路。因此，第一连接结构50可以将光电转换层10电连接到布线层20。第一遮光图案51可以包括金属材料(例如，钨)。第一遮光图案51可以阻挡入射在光学黑色区域ob上的光。
98.第一接触81可以填充第三沟槽tr3的未被占据的部分。第一接触81可以包括金属材料(例如，铝)。第一接触81可以连接到深隔离图案170的半导体图案176和177。可以通过第一接触81向半导体图案176和177施加偏压。第一分隔图案53可以填充第四沟槽tr4的未被占据的部分。第一分隔图案53可以穿透光电转换层10以及布线层20的一部分。第一分隔图案53可以包括电介质材料。第一覆盖图案55可以设置在第一分隔图案53上。第一覆盖图案55可以包括与深隔离图案170中包括的掩埋电介质图案179的材料相同的材料。
99.块体滤色器90可以设置在第一连接结构50和第一接触81上。块体滤色器90可以覆盖第一连接结构50和第一接触81。第一保护层71可以位于块体滤色器90上并且包封块体滤色器90。
100.附加光电转换区域105'和虚设区域111可以均设置在光学黑色区域ob的相应的像素区域pxr中。附加光电转换区域105'可以是掺杂有具有与衬底100的第一导电型不同的第二导电型(例如，n型)的杂质的区域。附加光电转换区域105'可以具有与像素阵列区域ar的多个像素区域pxr中的光电转换区域105的结构类似的结构，但是可以不执行与光电转换区
域105的操作相同的操作(例如，光的接收和电信号的生成)。虚设区111可以不掺杂杂质。
101.第二连接结构60、第二接触83和第二保护层73可以设置在衬底100的焊盘区域pr上。第二连接结构60可以包括第二遮光图案61、第二分隔图案63和第二覆盖图案65。
102.第二遮光图案61可以设置在衬底100的第二表面100b上。第二遮光图案61可以覆盖电介质层410，并且可以共形地覆盖第五沟槽tr5和第六沟槽tr6中的每一者的内壁。第二遮光图案61可以穿透光电转换层10和上布线层21。第二遮光图案61可以连接到下布线层23中的布线线路。因此，第二连接结构60可以将光电转换层10电连接到布线层20。第二遮光图案61可以包括金属材料(例如，钨)。第二遮光图案61可以阻挡入射在焊盘区域pr上的光。
103.第二接触83可以填充第五沟槽tr5的未被占据的部分。第二接触83可以包括金属材料(例如，铝)。第二接触83可以用作图像传感器和外部装置之间的电连接路径。第二分隔图案63可以填充第六沟槽tr6的未被占据的部分。第二分隔图案63可以穿透光电转换层10以及布线层20的一部分。第二分隔图案63可以包括电介质材料。第二覆盖图案65可以设置在第二分隔图案63上。第二覆盖图案65可以包括与深隔离图案170中包括的掩埋电介质图案179的材料相同的材料。第二保护层73可以覆盖第二连接结构60。
104.经由第二接触83施加的电流可以通过第二遮光图案61、布线层20中的布线线路和第一遮光图案51朝向深隔离图案170的半导体图案176和177流动。从像素阵列区域ar的多个像素区域pxr中的光电转换区域105产生的电信号可以通过布线层20中的布线线路、第二遮光图案61和第二接触83向外传送。
105.根据本发明构思，可以提供一种包括具有提高的用于检测短波红外辐射的效率的像素的图像传感器。另外，可以提供一种其中检测可见光的第一像素和检测短波红外辐射的第二像素水平地布置在同一衬底上的图像传感器。
106.前述描述提供了用于说明本发明构思的一些实施例。因此，本发明构思不限于上述实施例，并且本领域普通技术人员将理解，在不脱离本发明构思的精神和基本特征的情况下，可以在其中进行形式和细节上的变化。