提供入射光的增强衍射的其中具有光栅结构的图像传感器的制作方法

相关申请的交叉引用

该申请要求于2018年9月3日提交的韩国专利申请no.10-2018-0104648的优先权，其公开内容通过引用结合于此。

本公开涉及图像传感器，并且具体地涉及以改善的灵敏度感测包括相对长波长光的入射光的图像传感器。

背景技术：

图像传感器是将光学图像转换为装置内的电信号的电子装置。随着计算机和通信行业的最近发展，对诸如数码相机、便携式摄像机、个人通信系统、游戏机、安全相机、医疗应用的微型相机和/或机器人等各种应用中的高性能图像传感器的需求增加。另外，最近正在开发用于实现三维图像和/或彩色图像的图像传感器。

技术实现要素：

本发明的一些实施例提供了一种图像传感器，其对包括相对长波长光的入射光具有改善的灵敏度。例如，在这些实施例的一些中，提供了一种图像传感器，其包括半导体衬底，该半导体衬底具有在其上的光接收表面和在其中的相邻位置处的多个间隔开的光电转换区域。还在光接收表面附近提供光栅结构，其与多个间隔开的光电转换区域中的每一个相对地延伸。该光栅结构可包括具有相同的高度和相同的宽度的多个间隔开的光栅图案。光学透明层设置在光栅结构上。

根据本发明的另外的实施例，多个间隔开的光栅图案彼此间隔开均匀的距离。并且，在一些情况下，相邻光栅图案之间的间距可以等于光栅图案的宽度的两倍。有利地，在本发明的另外的实施例中，光栅结构被构造为响应于入射在其上的光，产生到光电转换区域的±1阶或更高阶衍射光，同时相对地抑制零阶衍射光。在进一步的实施例中，光栅结构包括半导体材料。光栅结构还可包括相对于半导体衬底具有较低折射率的较宽范围的材料。

根据本发明的进一步的实施例，多个间隔开的光电转换区域中的每一个通过相应的像素分离结构与相邻的光电转换区域分离。在一些实施例中，这些像素分离结构可以完全延伸穿过半导体衬底。

根据本发明的另外的实施例，图像传感器可包括：半导体衬底，其具有彼此面对的第一表面和第二表面，并且包括多个像素区域；光电转换区域，其分别设置在半导体衬底的像素区域上；光栅图案，其设置在半导体衬底的第一表面上并且彼此间隔开均匀的距离；以及光学透明层，其设置为覆盖光栅图案。光栅图案可具有实质相同的宽度和实质相同的高度，以实现所需的光衍射特性。

图像传感器的另外的实施例可包括：第一导电类型的半导体衬底；光电转换区域，其设置在半导体衬底中并且被掺杂以具有第二导电类型；以及光栅结构，其设置在半导体衬底上。光栅结构可包括光栅图案，其被构造为向光电转换区域提供通过入射光的衍射产生的衍射光并优先抑制零阶衍射光。

附图说明

通过以下结合附图的简要描述，将更清楚地理解示例实施例。附图表示如本文所述的非限制性示例实施例。

图1是示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器系统的示意图。

图2是示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的框图。

图3是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。

图4是示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的示意平面图。

图5和图6是各自沿着图4的线a-a’截取的并且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。

图7是示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器中提供的光栅结构的图。

图8是根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的示意平面图。

图9是根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的示意平面图。

图10示出了沿着图9的线a-a’和线b-b’截取的并且示出了根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的一对截面图。

图11a、图11b和图11c是示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的示意平面图。

图12a和图12b是示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的示意平面图。

图13是沿着图12a的线c-c’截取的并且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。

图14和图15是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。

应注意，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，这些附图不是按比例绘制的，并且可能不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涵盖的值或属性的范围。例如，为了清楚起见，可以减小或夸大分子、层、区域和/或结构元件的相对厚度和位置。在各个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

现在将参考附图更全面地描述本发明构思的示例实施例，附图中示出了示例实施例。

图1是示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器系统的示意图。参考图1，根据本发明构思的一些实施例的图像传感器系统可被构造为将光照射到对象0、感测从对象0反射的光、以及计算到对象0的光学深度或距离d。图像传感器系统可包括：光源1，其将光发送到对象0；图像传感器2，其感测从对象0反射的光；以及定时控制器3，其被构造为向光源1和图像传感器2提供同步信号。

光源1可向对象0发射脉冲光学信号。在一些实施例中，光源1可被构造为发射红外光、微波或可见光。发光二极管(led)、激光二极管(ld)或有机发光二极管(oled)可用于光源1。

图像传感器2可形成为感测从对象0反射的光并且将关于光学深度的信息输出到对象0。类似于红外相机，光学深度信息可用于实现三维图片。此外，图像传感器2可包括深度像素和可见光像素，并且在这种情况下，可实现三维彩色图像。

定时控制器3可控制光源1和图像传感器2的操作。例如，定时控制器3可被构造为使光源1的发光操作与图像传感器2的光接收操作同步。

图2是示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的框图。参考图2，图像传感器可包括有源像素传感器阵列(aps)10、行解码器20、行驱动器30、列解码器40、控制器50、相关双采样器(cds)60、模数转换器(adc)70和输入/输出(i/o)缓冲器80。

有源像素传感器阵列10可包括二维地布置的多个单位像素，并且可用于将光信号转换为电信号。有源像素传感器阵列10可由从行驱动器30传送的多个驱动信号(例如，像素选择信号、复位信号和电荷转移信号)驱动。可以将转换的电信号提供给相关双采样器60。

行驱动器30可被构造为基于由行解码器20解码的信息生成用于驱动单位像素的驱动信号，然后将驱动信号传送到有源像素传感器阵列10。当以矩阵形式(即，以行和列)布置单位像素时，可以将驱动信号提供给各个行。控制器50可以向行解码器20和列解码器40提供定时信号和控制信号。

相关双采样器60可被构造为接收在有源像素传感器阵列10中生成的电信号，然后执行保持和采样所接收的电信号的操作。例如，相关双采样器60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，然后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70可被构造为将包含关于从相关双采样器60输出的差值电平的信息的模拟信号转换为数字信号，然后输出数字信号。

i/o缓冲器80可被构造为锁存数字信号，然后基于由列解码器40解码的信息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)。

图3是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3，有源像素传感器阵列10可包括以行和列二维地布置的多个单位像素p。在每个单位像素p中，可以通过入射光产生电信号，并且可以通过连接到单位像素p的电荷转移线tg、复位线rg和像素选择线sg传送的驱动信号来控制每个单位像素p的操作。

每个单位像素p可包括转移晶体管tx和逻辑晶体管rx、sx和dx。这里，逻辑晶体管可包括复位晶体管rx、选择晶体管sx、以及源极跟随器晶体管或放大晶体管ax。

转移晶体管tx可包括转移栅电极tg、光电转换器件pd、以及电荷存储节点或浮置扩散区域fd。光电转换器件pd可被构造为与外部入射光的量成比例地生成光电荷并且存储光电荷。在一些实施例中，光电转换器件pd可以以光电二极管、光电晶体管、光电栅极、钉扎光电二极管(ppd)或者它们任何组合的形式提供。

转移晶体管tx可以将累积地存储在光电转换器件pd中的电荷转移到电荷存储节点fd。转移晶体管tx可以由通过电荷转移线tg提供的电荷转移信号控制。电荷存储节点fd可被构造为累积地存储在光电转换器件pd中产生的光电荷，并且源极跟随器晶体管ax的栅电极的电势可以根据存储在电荷存储节点fd中的光电荷的量而改变。

复位晶体管rx可被构造为周期性地释放存储在电荷存储节点fd中的光电荷。例如，复位晶体管rx的栅电极可以连接到复位线rg，复位信号被提供给复位线rg。复位晶体管rx的漏电极可以连接到电荷存储节点fd，并且复位晶体管rx的源电极可以连接到电源电压vdd。如果通过复位信号使复位晶体管rx导通，则可将连接到复位晶体管rx的源电极的电源电压vdd传输到电荷存储节点fd。换句话说，如果复位晶体管rx导通，则可以释放存储在电荷存储节点fd中的光电荷，并且可以复位电荷存储节点fd。

源极跟随器晶体管ax可被构造为放大电荷存储节点fd的电势的改变，并且通过选择晶体管sx将放大的信号或像素信号输出到输出线vout。源极跟随器晶体管ax可以是源极跟随器缓冲放大器，其被构造为与通过其栅电极输入的光电荷的量成比例地产生源极-漏极电流。源极跟随器晶体管ax的栅电极可以连接到电荷存储节点fd，源极跟随器晶体管ax的漏电极可以连接到电源电压vdd，并且源极跟随器晶体管ax的源电极可以连接到选择晶体管sx的漏电极。

选择晶体管sx可用于选择单位像素px的每一行以进行读取操作。选择晶体管sx的选择栅电极可以连接到选择线sg，选择信号被提供给选择线sg。如果通过选择信号使选择晶体管sx导通，则可以将通过源极跟随器晶体管ax的源电极输出的像素信号输出到输出线vout。

尽管图3示出了其中每个单位像素p被构造为具有四个晶体管的示例，但是单位像素p可被构造为具有三个或五个晶体管结构或类似于四个晶体管结构的光栅结构。

图4是示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的示意平面图。图5和图6是各自沿着图4的线a-a’截取以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7是示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器中提供的光栅结构的图。

参考图4和图5，根据本发明构思的一些实施例的图像传感器可包括光电转换层、读出电路层200和光学透明层300。当在垂直截面中观察时，光电转换层可设置在读出电路层200和光学透明层300之间。

光电转换层可包括半导体衬底100、限定像素区域pr的像素分离结构103、以及设置在像素区域pr中的光电转换区域110。

详细地，半导体衬底100可具有两个相对的表面(例如，第一表面或正面100a和第二表面或背面100b)。在一些实施例中，可以为半导体衬底100提供在第一导电类型的体硅衬底上形成第一导电类型(例如，p型)的外延层的衬底，并且在制造图像传感器的工艺期间，可以去除体硅衬底。例如，仅具有p型外延层的衬底可用作半导体衬底100。在某些实施例中，半导体衬底100可以是其中设置有第一导电类型的阱区域的体(bulk)半导体衬底。

半导体衬底100可包括由像素分离结构103限定的多个像素区域pr。像素区域pr可以布置在两个不同的方向(例如，第一方向d1和第二方向d2)上或者布置为矩阵形状。

当在平面图中观察时，像素分离结构103可设置为包围每个像素区域pr。例如，像素分离结构103可包括在第一方向d1上彼此平行延伸的第一部分、以及在第二方向d2上彼此平行延伸以与第一部分交叉的第二部分。

像素分离结构103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或者包括这种绝缘材料，并且可包括一个或多个绝缘层。例如，像素分离结构103可由氧化硅、氮化硅、未掺杂的多晶硅、空气或它们的任何组合形成，或者可包括氧化硅、氮化硅、未掺杂的多晶硅、空气或它们的任何组合。在一些实施例中，像素分离结构103的形成可包括图案化第一表面100a和/或第二表面100b以在半导体衬底100中形成深沟槽，然后用绝缘材料填充深沟槽。

可以设置像素分离结构103以穿透半导体衬底100。例如，像素分离结构103的垂直厚度可以实质上等于半导体衬底100的垂直厚度。在某些实施例中，像素分离结构103的垂直厚度可以小于半导体衬底100的垂直厚度。换句话说，半导体衬底100的第二表面100b可以与像素分离结构103间隔开。在某些实施例中，像素分离结构103可以是通过用第二导电类型的杂质掺杂第一导电类型的半导体衬底100而形成的杂质区域。

光电转换区域110可以分别设置在半导体衬底100的像素区域pr中。光电转换区域110可在第一方向d1和第二方向d2上二维地布置。在一些实施例中，光电转换区域110可通过将杂质注入到半导体衬底100中来形成，并且可形成为具有与半导体衬底100的第一导电类型不同的第二导电类型。在这种情况下，第一导电类型的半导体衬底100和第二导电类型的光电转换区域110可形成用作光电二极管的pn结。外部入射光可在光电转换区域110中被转换为电信号。

读出电路层200可设置在半导体衬底100的第一表面100a上。读出电路层200可包括读出电路(例如，mos晶体管)，其电连接到光电转换区域110。

例如，在每个像素区域pr中，转移栅电极tg可设置在半导体衬底100的第一表面100a上，此外，还可在半导体衬底100的第一表面100a上设置参考图3描述的读出电路。这里，读出电路层200可包括先前参考图3描述的复位晶体管rx、选择晶体管sx和源极跟随器晶体管ax。

作为示例，当在平面图中观察时，转移栅电极tg可位于每个像素区域pr的中心区域。转移栅电极tg的一部分可放置在半导体衬底100中，并且栅极绝缘层可插入在转移栅电极tg和半导体衬底100之间。浮置扩散区域fd可设置在半导体衬底100的位于转移栅电极tg的一侧的一部分中。浮置扩散区域fd可通过将杂质注入到半导体衬底100中来形成，并且可具有与半导体衬底100的导电类型不同的导电类型。例如，浮置扩散区域fd可以是n型杂质区域。

层间绝缘层210可堆叠在半导体衬底100的第一表面100a上，以覆盖读出电路的mos晶体管和转移栅电极tg。层间绝缘层210可由例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅中的至少一种形成或者可包括这些中的至少一种。连接线215可设置在每个层间绝缘层210上，并且可通过接触插塞电连接到读出电路。

在一些实施例中，在每个像素区域pr中，可在半导体衬底100的第二表面100b上设置光栅结构105。光栅结构105可包括交替布置的多个光栅图案105a和多个凹陷区域105b。光栅图案105a可被设置为具有均匀的宽度(例如，第一宽度a)，并且可以彼此间隔开均匀的距离(例如，第一距离b)。换句话说，每个凹陷区域105b的宽度可对应于第一距离b。凹陷区域105b可具有与半导体衬底100的第二表面100b实质上平行的底表面。换句话说，光栅图案105a可具有均匀的高度h。将参考图7更详细地描述光栅结构105的结构。

在一些实施例中，长波长的入射光l可通过光栅结构105在半导体衬底100中衍射，以形成衍射光dl，其具有±1或更高的阶数并且以倾斜方向入射。由于折射率的改变，在穿过光栅图案105a和凹陷区域105b的光之间可能存在180°的相位差，因此，可最小化零阶衍射光并且可仅产生±1阶或更高阶衍射光。此外，如图4所示，可在与光栅图案105a的延伸方向(即，第二方向d2)垂直的方向(即，第一方向d1)上产生衍射光dl。

作为示例，光栅图案105a可以是线形图案，其彼此平行并且在第二方向d2上延伸。换句话说，当在平面图中观察时，光栅图案105a可设置为与每个光电转换区域110交叉。

如图5所示，可通过在半导体衬底100的第二表面100b上形成蚀刻掩模图案并使用蚀刻掩模图案各向异性地蚀刻半导体衬底100的第二表面100b来形成光栅结构105。换句话说，光栅结构105的光栅图案105a可以是半导体衬底100的一部分，这意味着光栅图案105a和半导体衬底100可以由相同的半导体材料形成。

如图6所示，光栅结构105可包括多个介电图案115a，它们在半导体衬底100的第二表面100b上彼此间隔开。例如，光栅结构105可包括介电图案115a和凹陷区域115b，凹陷区域115b由介电图案115a的侧表面和半导体衬底100的第二表面100b限定。作为示例，介电图案115a的形成可包括在半导体衬底100的第二表面100b上沉积介电层和图案化介电层。这里，介电图案115a可由折射率与半导体衬底100的折射率不同的介电材料形成或者包括这种介电材料。作为示例，介电图案115a可由折射率低于半导体衬底100(例如，硅)的折射率的绝缘材料(例如，氧化硅)形成。

光学透明层300可设置在设置有光栅结构105的半导体衬底100的第二表面100b上。光学透明层300可包括第一平坦化绝缘层311、滤光器层313、第二平坦化绝缘层315和微透镜317。

第一平坦化绝缘层311可覆盖半导体衬底100的设置有光栅结构105的第二表面100b。换句话说，第一平坦化绝缘层311可设置为填充光栅结构105的凹陷区域105b和115b。第一平坦化绝缘层311可由折射率不同于半导体衬底100的折射率的绝缘材料形成或者包括这种绝缘材料。例如，第一平坦化绝缘层311可由折射率低于硅的折射率的绝缘材料形成。例如，第一平坦化绝缘层311可具有约1.4至约4.0的折射率。

滤光器层313可被构造为使外部入射光的一部分(例如，特定波长范围的光)通过。例如，滤光器层313可被构造为允许外部入射光的红外光朝向光电转换区域110传播。在这种情况下，光电转换区域110可被构造为感测红外光并且产生电信号。

第二平坦化绝缘层315可由例如al2o3、cef3、hfo2、ito、mgo、ta205、tio2、zro2、si、ge、znse、zns和pbf2中的至少一种形成或者可包括这些中的至少一种。或者，第二平坦化绝缘层315可由具有高折射率的有机材料(例如，硅氧烷树脂、苯并环丁烯(bcb)、聚酰亚胺、丙烯酸、聚对二甲苯c、聚(甲基丙烯酸甲酯)(pmma)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)等)中的至少一种形成或者包括这种具有高折射率的有机材料中的至少一种。在某些实施例中，第二平坦化绝缘层315可由例如钛酸锶(srtio3)、聚碳酸酯、玻璃、溴、蓝宝石、立方氧化锆、铌酸钾(knbo3)、莫桑石(sic)、磷化镓(iii)(gap)、砷化镓(iii)(gaas)等中的至少一种形成或者可包括这些中的至少一种。

微透镜317可设置在第二平坦化绝缘层315上以分别面对光电转换区域110。微透镜317可在两个不同的方向(例如，第一方向d1和第二方向d2)上二维地布置。微透镜317可具有带有特定曲率半径的向上凸起的形状。微透镜317可被构造为改变入射到图像传感器中的光的传播路径并且会聚入射光。微透镜317可由光学透明树脂形成或包括光学透明树脂。

在一些实施例中，约750nm或更长的长波长光可入射到光电转换区域110中，并且在这种情况下，长波长光可具有大于半导体衬底100的厚度的穿透深度。在一些实施例中，长波长的入射光l可被光栅结构105衍射，以形成入射到光电转换区域110中的衍射光dl。

参考图7，根据本发明构思的一些实施例的光栅结构105可被构造为具有与光栅图案105a的宽度a和光栅图案105a的距离b之和对应的周期λ(即，a＝a+b)。光栅结构105可具有填充因子(ff)，其被定义为光栅图案105a的宽度a与光栅结构105的周期λ的比率。换句话说，光栅结构105的填充因子(ff)可由下面的公式1给出。

[公式1]

ff＝a/(a+b)

在一些实施例中，光栅结构105可被设计为具有50％的填充因子。换句话说，光栅图案105a的宽度a可实质上等于光栅图案105a的距离b。作为示例，光栅结构105的周期a可在约0.6μm至约0.9μm的范围内。

穿过光栅结构105的衍射光dl可具有由下面的公式2给出的相位差(△φ)。

[公式2]

δφ＝(n1-n2)h2π/λ

其中，λ是入射光的波长，n1-n2是折射率之间的差，并且h是光栅图案的高度。此外，n1是光栅图案的折射率，并且n2是设置在光栅图案之间的材料(例如，第一平坦化绝缘层311)的折射率。

在一些实施例中，光栅结构105的高度h可确定为实现180°的相位差(△φ)。作为示例，光栅结构105的高度h可在约0.2μm至约0.4μm的范围内。

在一些实施例中，衍射光dl的角度θ可由下面的公式3给出。

[公式3]

sinθ＝mλ/nλ

其中，λ是入射光的波长，m是光栅的阶数，n是光栅图案的折射率，并且λ是光栅结构的周期。

在一些实施例中，光栅结构105可形成为具有50％的填充因子和180°的相位差，并且在这种情况下，光栅结构105可产生±1或更高阶的衍射光dl，而没有零阶衍射光。在一些实施例中，光栅结构105可被构造为抑制零阶和偶数阶衍射光并且向光电转换区域110提供奇数阶衍射光dl。换句话说，如图5和图6所示，衍射光dl可以以与半导体衬底100的表面倾斜的角度提供给半导体衬底100。因此，可增加朝向光电转换区域110传播的入射光的传播路径的长度，并且这可使得可以提高光电转换区域110中的光学吸收效率(例如，量子效率)。

作为示例，在约940nm波长的入射光l入射到光栅结构105中的情况下，光栅结构105的周期λ可以是约0.6μm，光栅图案105a的宽度a可以是约为0.3μm，并且光栅图案105a的高度h可以是约0.25μm。

为了简明描述，可通过相同的附图标记来标识与先前描述的实施例中的元件类似的元件，而不重复其重复描述。

图8是根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的示意平面图。参考图5和图8，光栅结构105可设置在半导体衬底100的第二表面100b上，并且光栅结构105可包括多个光栅图案105a和在光栅图案105a之间的多个凹陷区域105b，每个光栅图案105a具有第一宽度a。这里，当在平面图中观察时，光栅图案105a和凹陷区域105b可在与第一方向d1和第二方向d2两者成一角度倾斜的倾斜方向上延伸。根据图8所示的实施例，光栅结构105可在与光栅图案105a的延伸方向垂直的方向上产生衍射光dl。

图9是根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的示意平面图。图10是沿着图9的线a-a’和线b-b’截取以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。参考图9和图10，光栅结构105可设置在每个像素区域pr中，并且光栅结构105可包括光栅图案105a和凹陷区域105b。这里，光栅图案105a可包括同心设置的多个圆形图案。每个圆形图案可具有第一宽度a并且可以彼此间隔相同的距离b。

根据图9和图10中所示的实施例，光栅结构105的周期、填充因子和高度在所有方向上可以是相同的。由于在光栅结构105中产生的衍射光dl在与光栅图案105a的延伸方向垂直的方向上产生，所以可在所有方向上产生衍射光dl。因此，光电转换区域110的量子效率在所有方向上可以是均匀的。

图11a、图11b和图11c是示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的示意平面图。参考图11a和图11b，光栅结构105可设置在每个像素区域pr中，并且光栅结构105可包括光栅图案105a和凹陷区域105b。光栅图案105a可在第一方向d1和第二方向d2两者上具有第一宽度a，并且可在第一方向d1和第二方向d2两者上彼此间隔开相同的距离b。在一些实施例中，当在平面图中观察时，每个光栅图案105a可具有矩形形状、圆形形状或多边形形状。参考图11a，光栅图案105a可沿第一方向d1和第二方向d2或以矩阵形状布置。参考图11b，光栅图案105a可布置成棋盘形状。参考图11c，光栅图案105a可布置成在与第一方向d1和第二方向d2两者都倾斜的对角线方向上彼此间隔开相同的距离b。如图11a、图11b和图11c所示，光栅结构105可在第一方向d1和第二方向d2上具有实质上相同的周期、填充因子和高度。

图12a和图12b是示出根据本发明构思的一些实施例的图像传感器的示意平面图。图13是沿着图12a的线c-c’截取以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。参考图12a和图13，可设置像素分离结构103a以限定多个像素区域pr，每个像素区域pr包括由隔离结构103b限定的光接收区域r1和光阻挡区域r2。隔离结构103b可在第一方向d1或第二方向d2上与每个像素区域pr交叉。

当在垂直截面中观察时，像素分离结构103a和隔离结构103b可从半导体衬底100的第一表面100a垂直延伸到第二表面100b。隔离结构103b的垂直厚度可实质上等于像素分离结构103a的垂直厚度。

在每个像素区域pr的光接收区域r1中，光栅结构105可设置在半导体衬底100的第二表面100b上。光栅结构105可包括多个光栅图案105a和在光栅图案105a之间的多个凹陷区域105b，每个光栅图案105a具有第一宽度a。光栅图案105a可以是线图案，它们彼此平行并且在第二方向d2上延伸，如先前参考图4和图8所述。在某些实施例中，如图12b所示，光栅结构105可包括沿第一方向d1和第二方向d2布置的多个光栅图案105a。另外，光栅结构105可以以棋盘形状布置或在对角线方向或倾斜方向上布置，如先前参考图11b和图11c所述。

在一些实施例中，光栅结构105可被设计为向光电转换区域110提供±1阶或更高阶衍射光dl，而没有零阶衍射光。因此，当在平面图中观察时，由光栅结构105产生的衍射光dl可在与光栅图案105a的延伸方向垂直的方向上(例如，在第一方向d1上)传播。换句话说，可防止或抑制入射光入射到每个像素区域pr的光阻挡区域r2中。

此外，在光阻挡区域r2中，光阻挡图案320可设置在半导体衬底100的第二表面100b上。光阻挡图案320可被构造为反射入射光并且防止入射光入射到半导体衬底100的第二表面100b中。换句话说，由于光阻挡图案320，可防止入射光入射到每个像素区域pr的光阻挡区域r2中。光阻挡图案320可由金属材料(例如，钨或铝)中的至少一种形成或者可包括这种金属材料中的至少一种。在通过图案化半导体衬底100形成光栅图案105a的情况下，可在光阻挡图案320和半导体衬底100之间设置缓冲绝缘层312。或者，在参考图6所述使用介电层形成光栅结构的情况下，可在介电层中设置光阻挡图案320。

在每个像素区域pr的光阻挡区域r2中，信号处理电路tr可设置在半导体衬底100的第一表面100a上。信号处理电路tr可包括至少一个mos晶体管，并且它们可被构造为执行保持和采样从光接收区域r1产生的电信号的操作。此外，读出电路层200可包括电容器cap，其用于保持或存储从光接收区域r1产生的电信号。电容器cap可包括顶部电极和底部电极以及它们之间的介电层。在这种情况下，图像传感器可被构造为使得全局快门操作是可能的。

图14和图15是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。参考图14，第一光栅结构107可设置在半导体衬底100的第一表面100a上。像先前参考图4至图7所述的那样，第一光栅结构107可包括交替布置的多个第一光栅图案107a和多个第一凹陷区域107b。第一凹陷区域107b可以填充有折射率低于半导体衬底100的折射率的材料。

反射层205可设置在半导体衬底100的第一表面100a上，并且抗反射层310可设置在半导体衬底100的第二表面100b上。反射层205可覆盖第一光栅结构107并且可包括金属材料(例如，钨(w)或铝(al))中的至少一种。抗反射层310可由氧化硅、氮氧化硅和氮化硅中的至少一种形成或者可包括氧化硅、氮氧化硅和氮化硅中的至少一种。

如上所述，第一光栅结构107可被设计为引起长波长的入射光l的衍射并且抑制零阶衍射光。例如，第一光栅图案107a的宽度a可与第一光栅图案107a之间的距离b实质上相同。第一光栅图案107a可具有实质上均匀的高度h。如上所述，第一光栅结构107可包括在特定方向(例如，在x方向、y方向或对角线方向上)延伸的线图案，或者可包括同心圆形图案。另外，第一光栅结构107可彼此间隔开以形成阵列形状的布置，如先前参考图11a、图11b和图11c所述。

在一些实施例中，约750nm或更长的长波长入射光l可通过光学透明层300入射到半导体衬底100中，并且在这种情况下，长波长入射光l的穿透深度可大于半导体衬底100的厚度。长波长入射光l可被设置在半导体衬底100的第一表面100a上的反射层205反射，并且在这种情况下，反射光可被第一光栅结构107衍射以形成再次进入光电转换区域110的衍射光dl。

参考图15，第一光栅结构107可设置在半导体衬底100的第一表面100a上，并且第二光栅结构105可设置在半导体衬底100的第二表面100b上。

第一光栅结构107可包括交替布置的多个第一光栅图案107a和多个第一凹陷区域107b。第一凹陷区域107b可填充有折射率低于半导体衬底100的折射率的材料。

第二光栅结构105可包括交替布置的多个第二光栅图案105a和多个第二凹陷区域105b。第二凹陷区域105b可填充有折射率低于半导体衬底100的折射率的第一平坦化绝缘层311。

第一光栅结构107和第二光栅结构105可被设计为引起长波长的入射光l的衍射并且抑制零阶衍射光。第一光栅图案107a和第二光栅图案105a可具有实质上相同的周期。

如上所述，第一光栅结构107和第二光栅结构105可包括在特定方向上(例如，在x方向、y方向或对角线方向上)延伸的线图案，或者可包括同心圆形图案。另外，第一光栅图案107a和第二光栅图案105a可以是在相同方向上延伸的线图案。在某些实施例中，第一光栅图案107a可设置为与第二光栅图案105a交叉。在某些实施例中，第一光栅结构107和第二光栅结构105可彼此间隔开以形成阵列形状的布置，如参考图11a、图11b和图11c所述。

根据本发明构思的一些实施例，第二光栅结构105可被构造为衍射通过光学透明层300入射的入射光，并且将由衍射产生的第一衍射光dl1提供给光电转换区域110。第一光栅结构107可被构造为衍射由反射层反射的光并且将由衍射产生的第二衍射光dl2提供给光电转换区域110。

如上所述，由于由半导体衬底100的第一光栅结构107和第二光栅结构105衍射的第一衍射光dl1和第二衍射光dl2被提供给光电转换区域110，因此可以提高光电转换区域110的量子效率。

根据本发明构思的一些实施例，图像传感器可包括引起入射光衍射的光栅结构，并且在这种情况下，由光栅结构产生的衍射光可在倾斜于半导体衬底的表面的方向上入射到光电转换区域中。因此，可以增加入射光的传播路径的长度并且可以提高光电转换区域中的光学吸收效率(例如，量子效率)。

在一些实施例中，光栅结构可被构造为允许光各向同性地入射到光电转换区域中，并且在这种情况下，可以抑制彼此相邻的像素区域之间的串扰。

虽然已经具体示出和描述了本发明构思的示例实施例，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节的改变。