CN105390512A - 图像传感器及具有该图像传感器的电子装置 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器可以包括：基板，其包括光电转换元件；像素透镜，其形成于基板之上并包括多个聚光层，在多个聚光层中下部层具有比上部层更大的面积；滤色层，其覆盖像素透镜；以及抗反射结构，其形成于滤色层之上。

Description

图像传感器及具有该图像传感器的电子装置
相关申请的交叉引用
本申请要求分别于2014年8月22日和2015年4月6日提交的申请号为10-2014-0109587和10-2015-0048436的韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明的示例性实施例涉及一种半导体器件制造技术，更具体地，涉及一种包括具有多层阶梯结构的聚光构件的图像传感器，以及一种具有该图像传感器的电子装置。
背景技术
图像传感器是指将光学图像转换为电信号的装置。近来，由于计算机工业和通信工业的发展，对具有改进性能的图像传感器的需求在诸如数字相机、摄影机、PCS(个人通信***)、游戏机、安防摄影机、医疗微型摄影机和机器人等各种领域中均已增加。
发明内容
各种实施例针对一种具有改进性能的图像传感器，以及一种具有该图像传感器的电子装置。
在实施例中，一种图像传感器可以包括：基板，其包括光电转换元件；像素透镜，其形成在基板之上并包括多个聚光层，在所述多个聚光层中下部层具有比上部层更大的面积；滤色层，其覆盖像素透镜；以及抗反射结构，其形成在滤色层之上。图像传感器还可以包括聚焦层，其提供在光电转换元件与像素透镜之间。而且，图像传感器还可以包括抗反射层，其形成在像素透镜之上。
聚焦层可以具有比像素透镜更大的折射率。聚焦层可以具有与像素透镜相同的面积或更大的面积。像素透镜与光电转换元件之间的焦距可以与聚焦层的厚度成反比。像素透镜可以具有多层阶梯结构。由上部层暴露的下部层可以具有比入射光的波长小的宽度。由上部层暴露的下部层可以具有比其色彩通过滤色层分离的入射光的波长小的宽度。多个聚光层可以具有相同形状且彼此平行布置。上部层可以具有与下部层相同的厚度或比下部层小的厚度。上部层可以具有与下部层相同的折射率或比下部层小的折射率。滤色层可以覆盖像素透镜的整个表面，并具有平坦顶表面。滤色层可以具有比像素透镜更小的折射率。抗反射结构可以包括抗反射层或半球形透镜。
在实施例中，一种电子装置可以包括：光学***；图像传感器，其适用于从光学***接收光并包括像素阵列，在所述像素阵列中多个单位像素以矩阵形状布置；以及信号处理单元，其适用于处理从图像传感器输出的信号。每个单位像素可以包括：基板，其包括光电转换元件；像素透镜，其形成在基板之上并包括多个聚光层，在所述多个聚光层中下部层具有比与上部层更大的面积；滤色层，其覆盖像素透镜；以及抗反射结构，其形成在滤色层之上。电子装置还可以包括聚焦层，其提供在光电转换元件与像素透镜之间。
聚焦层可以具有比像素透镜更大的折射率。滤色层可以具有比像素透镜更小的折射率。像素透镜与光电转换元件之间的焦距可以与聚焦层的厚度成反比。由上部层暴露的下部层可以具有比入射光的波长小的宽度。
附图说明
图1为示意性示出根据本发明实施例的图像传感器的框图。
图2A为示出根据本发明实施例的图像传感器的单位像素的剖面图。
图2B为示出本发明另一实施例的剖面图。
图3A至图3C为示出根据本发明实施例的聚焦层和像素透镜的透视图。
图4A至图4D为根据本发明实施例的在聚焦层中的抗反射层和像素透镜的剖面图。
图5为简要示出包括根据本发明实施例的图像传感器的电子装置的示图。
具体实施方式
以下将参照附图详细地描述各种实施例。然而，本发明可以不同形式体现，且不应被理解为限于文中所阐述的实施例。更切地说，提供这些实施例以使本公开全面且完整，并向本领域技术人员充分传达本发明的范围。贯穿本公开，相同的参考标记在本发明的各种示图和实施例中指示相同的部分。
附图不必成比例，且在某些实例中，比例可以经放大以清楚例示实施例的特征。当第一层被称为在第二层“上”或在基板“上”时，不仅是指第一层直接形成在第二层或基板上的情况，而且是指第三层存在于第一层与第二层或基板之间的情况。
本发明的实施例提供一种具有改进性能的图像传感器，以及一种具有该图像传感器的电子装置。当单位像素中的聚光效率改进时，图像传感器的性能相应地改进。一般来说，图像传感器可以包括多个单位像素。每个单位像素可以包括半球型微透镜(ML)，其安装在光电转换元件之上。通过微透镜，入射光可以被会聚并被传输到光电转换元件中。单位像素的聚光效率可以取决于微透镜的质量。可以根据微透镜与光电转换元件之间的焦距来控制聚光效率。
在常规微透镜中，微透镜与光电转换元件之间的焦距可能在改变微透镜的曲率的工艺期间改变。因此，不容易控制焦距。
可以通过回流透镜形成材料(例如光刻胶(resist))的工艺形成微透镜。在这样的工艺中，难以形成具有所需曲率的半球形。此外，由于微透镜形成在滤色层之上，因此适用材料受到限制。此外，回流工艺可能需要高成本、可能仅形成为半球形，并且在形成具有对称和均匀形状的微透镜中可能有困难。这可能增加串扰(crosstalk)。
本发明的下列实施例提供一种在单位像素中具有改进的聚光效率的图像传感器，以及一种具有该图像传感器的电子装置。对于这种结构，每个单位像素可以包括像素透镜，其具有形成在光电转换元件之上的多个聚光层。所述多个聚光层的下部层具有比所述多个聚光层的上部层更大的面积或关键尺寸(criticaldimension，CD)。因此，像素透镜可以具有多层阶梯结构。具有多层阶梯结构的像素透镜呈现亚波长光学或亚波长效应，并且能够如同半球形微透镜那样会聚入射光。像素透镜能够将光有效地会聚在有限面积内。因此，根据实施例的像素透镜在提升图像传感器的集成中是有利的，并能够容易地改变焦距。根据亚波长光学，能够在小于入射光的一半波长的空间尺度中得到光学效应。
图1为示意性例示根据本发明实施例的图像传感器的框图。
如图1中所例示的，根据本发明实施例的图像传感器可以包括像素阵列100、相关双采样(correlateddoublesampling，CDS)120、模拟-数字转换器(ADC)130、缓冲器140、行驱动器150、时序发生器160、控制寄存器170和斜坡信号发生器180。像素阵列100可以包括以矩阵形状布置的多个单位像素110。
时序发生器160可以产生用于控制行驱动器150、CDS120、ADC130和斜坡信号发生器180的一个或更多个控制信号。控制寄存器170可以产生用于控制斜坡信号发生器180、时序发生器160和缓冲器140的一个或更多个控制信号。
行驱动器150可以基于行线驱动像素阵列100。例如，行驱动器150可以产生用于选择多个行线中的任意一个行线的选择信号。每个单位像素110可以感测入射光并经由列线将图像复位信号和图像信号输出到CDS120。CDS120可以对图像复位信号和图像信号执行采样。
ADC130可以将从斜坡信号发生器180输出的斜坡信号与从CDS120输出的采样信号相比较，并输出比较信号。根据从时序发生器160提供的时钟信号，ADC130可以计数比较信号的电平转换时间，并将计数值输出到缓冲器140。斜坡信号发生器180可以在时序发生器160的控制下操作。
缓冲器140可以储存从ADC130输出的多个数字信号，然后感测并放大数字信号。因此，缓冲器140可以包括存储器(未示出)和感测放大器(未示出)。存储器可以用于储存计数值。计数值与从多个单位像素110输出的信号相关。感测放大器可以用于感测并放大从存储器输出的计数值。
在上述图像传感器中，每个单位像素可以包括能够改进聚光效率的像素透镜。在下文中，将参照附图详细说明包括像素透镜的单位像素。
图2A为示出根据本发明实施例的图像传感器的单位像素的剖面图，而图2B为示出本发明另一实施例的剖面图。图3A至图3C为示出根据本发明实施例的聚焦层和像素透镜的示例的透视图。
如图2A、图2B和图3A至图3C中所例示的，每个单位像素110可以包括基板210、聚焦层230、像素透镜240、滤色层250和抗反射结构260或270。基板210可以包括光电转换元件220。聚焦层230可以形成在基板210之上。像素透镜240可以形成在聚焦层230之上并包括多个聚光层。在所述多个聚光层中，下部层具有比上部层更大的面积或关键尺寸(CD)。滤色层250可以形成在聚焦层230之上以便覆盖像素透镜240。抗反射结构260或270可以形成在滤色层250之上。
在本实施例中，像素透镜240可以包括第一聚光层241，其形成在聚焦层230之上，以及第二聚光层242，其形成在第一聚光层241之上并且具有比第一聚光层241更小的面积。第一聚光层241可以形成下部层，而第二聚光层242可以形成上部层。因此，第一聚光层和下部层可以由相同的标记241表示，而第二聚光层和上部层可以由相同的标记242表示。
基板210可以包括半导体基板。半导体基板可以具有单晶态，并包括含硅材料。即，基板210可以包括单晶含硅材料。
光电转换元件220可以包括光电二极管。例如，形成在基板210之上的光电转换元件220可以包括垂直层叠的多个光电转换层(未示出)。光电转换层中的每个均可以用作包括N型杂质区和P型杂质区的光电二极管。
聚焦层230可以用于调整通过像素透镜240会聚的入射光到达光电转换元件220的距离(即，焦距)。由于聚焦层230，因此可以在不改变曲率的情况下调整焦距，不同于使用具有给定曲率的半球形微透镜来调整焦距的常规装置。此外，可以在有限空间内设定更短的焦距。焦距可以与聚焦层230的厚度T成反比。例如，焦距可以随着聚焦层230的厚度T增大而缩短，并随着聚焦层230的厚度T减小而延长。
为了将经由像素透镜240会聚的入射光有效地传输到光电转换元件220，聚焦层230可以具有与像素透镜240相同的面积或比像素透镜240大的面积。聚焦层230可以具有与每个单位像素110相应的形状。因此，在相邻单位像素110之间，聚焦层230可以彼此接触。例如，聚焦层230可以具有矩形形状。
为了将经由像素透镜240会聚的入射光更有效地传输到光电转换元件220，聚焦层230可以具有比像素透镜240更大的折射率。至于聚焦层230，可以应用具有比像素透镜240更大的折射率的任何材料。
由于聚焦层230位于滤色层250的底部，因此能够应用在典型半导体制造工艺中所使用的各种材料。例如，能够用作聚焦层230的透明材料可以包括诸如氧化硅、氮化硅和氮化钛等无机材料，。聚焦层230可以具有单层结构或多层结构，在多层结构中层叠具有不同折射率的透明材料。当聚焦层230具有多层结构时，聚焦层230的折射率可以根据位置而变化。。位于较低高度水平的层的折射率可以具有比位于较高高度水平的层更高的折射率。
像素透镜240可以用作聚光构件以会聚入射光。为了改进聚光效率，像素透镜240可以具有多层结构，在多层结构中层叠两个或更多个聚光层241和242。上部层242可以具有比下部层241更小的面积或CD。因此，像素透镜240可以具有多层阶梯结构。当像素透镜240具有多层阶梯结构时，宽度(即，宽度W1和W2)上的差异，可以小于入射光的波长。即，在像素透镜中，由上部层暴露的下部层具有比入射光的波长小的宽度。更具体地，宽度(即，上部层242与下部层241之间的宽度W1和W2)上的差异可以小于其色彩通过滤色层250分离的入射光的波长。通过该结构，具有多层阶梯结构的像素透镜240能够如同常规半球形透镜那样会聚光。这基于亚波长光学。宽度W1和W2分别在两端介于上部层242与下部层241之间形成阶梯宽度，并且可以彼此相等(W1＝W2)或彼此不同(W1≠W2)。
多个聚光层241和242可以具有相同形状，且彼此平行布置。具体而言，多个聚光层241和242可以具有圆形形状、包括四边形的多边形形状等等。
为了进一步改进聚光效率，上部层242的厚度t2可以等于下部层241的厚度t1(t1＝t2)，或小于下部层241的厚度t1(t1>t2)。此外，为了进一步改进聚光效率，上部层242可以具有与下部层241相同的折射率或比下部层241小的折射率。多个聚光层241和242可以包括透明材料。当上部层242和下部层241具有相同的折射率时，上部层242和下部层241可以由相同材料形成。
由于多个聚光层241和242，即，像素透镜240位于滤色层250的底部，因此可以应用在典型半导体制造工艺中所使用的各种材料。例如，能够用作多个聚光层241和242的透明材料可以包括诸如氧化硅、氮化硅和氮化钛等无机材料，。聚光层241和242可以具有单层结构或多层结构，在多层结构中层叠具有不同折射率的透明材料。当提供多个聚光层时，聚光层的折射率可以根据位置而变化。位于较高高度水平的聚光层的折射率可以小于位于较低高度水平的聚光层的折射率。即，聚光层的折射率可以随着聚光层邻近光电转换元件220或聚焦层230而增大。
用于色彩分离的滤色层250可以形成在聚焦层230之上以覆盖像素透镜240，并具有平坦表面。由于滤色层250与像素透镜240接触并覆盖像素透镜240，因此能够改进滤色层250与像素透镜240之间的光传输。即，能够改进聚光效率。滤色层250可以包括红色滤光片、绿色滤光片、蓝色滤光片、青色滤光片、黄色滤光片、品红色滤光片、红外线通滤光片(infraredpassfilter)、红外线截止滤光片(infraredcutofffilter)、白色滤光片或其组合。为了进一步改进聚光效率，滤色层250可以具有比像素透镜240更小的折射率。
抗反射结构260或270可以形成在滤色层250之上，并包括抗反射层260或半球形透镜270。抗反射层260可以包括具有不同折射率并交替层叠一次或更多次的两个或更多个材料层。半球形透镜270不仅可以防止入射光的反射，而且可以会聚入射在像素透镜240上的光。
随着具有上述结构的图像传感器包括具有多层阶梯结构的像素透镜240，能够改进单位像素110中的聚光效率。此外，随着滤色层250具有用于覆盖像素透镜240的形状，能够进一步改进单位像素110中的聚光效率。随着单位像素110中的聚光效率改进，还能够改进光电转换元件220中的量子效率。结果，能够改进图像传感器的性能。
在根据本发明实施例的图像传感器中，聚焦层和像素透镜可以具有其中层叠多个材料层的结构。因此，抗反射层可以容易地安装在相应层之间。抗反射层可以防止入射光从表面反射，从而防止由于光强度的降低而引起的聚光效率的降低。然而，在包括半球形微透镜的图像传感器中，可以限制抗反射层的形成位置。在下文中，将参照图4A至图4D详细说明抗反射层。在图4A至图4D中分别示出的第一反射层至第五抗反射层可以表示具有不同折射率的两个或更多个材料层被交替层叠一次或更多次。
图4A至图4D为示出根据本发明实施例的抗反射层的剖面图。
首先，如图4A中所示出的，第一抗反射层281可以形成在聚焦层230之下。具体而言，第一抗反射层281可以形成在聚焦层230与包括光电转换元件的基板之间。再者，第二抗反射层282可以形成在聚焦层230与像素透镜240之间。第一抗反射层281和第二抗反射层282可以在聚焦层230形成之前和之后通过沉积工艺形成。
如图4B中所示出的，第三抗反射层283可以形成在像素透镜240之上。具体而言，第三抗反射层283可以形成在像素透镜240与滤色层之间。第三抗反射层283可以在像素透镜240形成之后通过沉积工艺形成。可以以这样的方式执行沉积工艺，即第三抗反射层283沿着该结构表面具有恒定厚度。
如图4C中所示出的，第四抗反射层284可以形成在第一聚光层241之上。第五抗反射层285可以形成在第二聚光层242之上。第四抗反射层284和第五抗反射层285可以随着第一聚光层241和第二聚光层242分别形成而同时形成。当第一聚光层241和第二聚光层242彼此具有不同折射率时，第四抗反射层284可以在第一聚光层241与第二聚光层242之间的边界表面处防止表面反射。
如图4D中所示出的，可以形成所有的第一抗反射层281至第五抗反射层285。在根据本发明实施例的图像传感器中，聚焦层230和像素透镜240可以具有其中层叠多个材料层的结构。因此，抗反射层可以容易地安装在相应层之间。这样的结构能够进一步改进聚光效率。
根据本发明实施例的图像传感器可以在各种电子装置或***中使用。在下文中，将参照图5说明根据适用于相机的本发明实施例的图像传感器。
图5为简要示出包括根据本发明实施例的图像传感器的电子装置的示图。参照图5，包括根据本发明实施例的图像传感器的电子装置可以包括能够拍摄静态图像或动态图像的相机。该电子装置可以包括光学***或光学透镜310、快门单元311、用于控制/驱动图像传感器300及快门单元311的驱动单元313以及信号处理单元312。
光学***310可以从物体到图像传感器300的像素阵列100(参照图1)引导图像光(即，入射光)。光学***310可以包括多个光学透镜。快门单元311可以为图像传感器300控制光照射时段和遮光时段。驱动单元313可以控制图像传感器300的传输操作和快门单元311的快门操作。信号处理单元312可以以各种方式处理从图像传感器300输出的信号。经处理的图像信号Dout可以储存在储存媒体(诸如，存储器)中，或输出到监视器等等。
根据本发明实施例，图像传感器可以包括像素透镜，以改进单位像素中的聚光效率。此外，随着滤色层具有用于覆盖像素透镜的形状，能够进一步改进单位像素中的聚光效率。
根据实施例，改进单位像素中的聚光效率并改进光电转换元件中的量子效率。结果，能够改进图像传感器的性能。
虽然已为例示性目的说明各种实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离如所附权利要求中所限定的本发明的精神与范围的情况下，可以做各种变化和修改。
通过以上实施例可以看出，本发明提供以下技术方案。
技术方案1.一种图像传感器，包括：
基板，其包括光电转换元件；
像素透镜，其形成在基板之上并包括多个聚光层，在所述多个聚光层中，下部层具有比上部层更大的面积；
滤色层，其覆盖像素透镜；以及
抗反射结构，其形成在滤色层之上。
技术方案2.如技术方案1所述的图像传感器，还包括：
聚焦层，其提供在光电转换元件与像素透镜之间。
技术方案3.如技术方案2所述的图像传感器，其中，聚焦层具有与比像素透镜更大的折射率。
技术方案4.如技术方案2所述的图像传感器，其中，聚焦层具有与像素透镜相同的面积或比像素透镜大的面积。
技术方案5.如技术方案2所述的图像传感器，其中，像素透镜与光电转换元件之间的焦距与聚焦层的厚度成反比。
技术方案6.如技术方案1所述的图像传感器，其中，像素透镜具有多层阶梯结构。
技术方案7.如技术方案1所述的图像传感器，其中，由上部层暴露的下部层具有比入射光的波长小的宽度。
技术方案8.如技术方案1所述的图像传感器，其中，由上部层暴露的下部层具有比其色彩通过滤色层分离的入射光的波长小的宽度。
技术方案9.如技术方案1所述的图像传感器，其中，所述多个聚光层具有相同形状且彼此平行布置。
技术方案10.如技术方案1所述的图像传感器，其中，上部层具有与下部层相同的厚度或比下部层小的厚度。
技术方案11.如技术方案1所述的图像传感器，其中，上部层具有与下部层相同的折射率或比下部层小的折射率。
技术方案12.如技术方案1所述的图像传感器，还包括：
抗反射层，其形成在像素透镜之上。
技术方案13.如技术方案1所述的图像传感器，其中，滤色层覆盖像素透镜的整个表面，并具有平坦顶表面。
技术方案14.如技术方案1所述的图像传感器，其中，滤色层具有与比像素透镜更小的折射率。
技术方案15.如技术方案1所述的图像传感器，其中，抗反射结构包括抗反射层或半球形透镜。
技术方案16.一种电子装置，包括：
光学***；
图像传感器，其适用于从光学***接收光并包括像素阵列，在所述像素阵列中，多个单位像素以矩阵形状布置；以及
信号处理单元，其适用于处理从图像传感器输出的信号，
其中，每个单位像素包括：
基板，其包括光电转换元件；
像素透镜，其形成在基板之上并包括多个聚光层，在所述多个聚光层中，下部层具有比上部层更大的面积；
滤色层，其覆盖像素透镜；以及
抗反射结构，其形成在滤色层之上。
技术方案17.如技术方案16所述的电子装置，还包括：
聚焦层，其提供在光电转换元件与像素透镜之间。
技术方案18.如技术方案17所述的电子装置，其中，聚焦层具有比像素透镜更大的折射率，以及
其中，滤色层具有比像素透镜更小的折射率。
技术方案19.如技术方案17所述的电子装置，其中，像素透镜与光电转换元件之间的焦距与聚焦层的厚度成反比。
技术方案20.如技术方案16所述的电子装置，其中，由上部层暴露的下部层具有比入射光的波长小的宽度。

Claims (10)

1.一种图像传感器，包括：
基板，其包括光电转换元件；
像素透镜，其形成在基板之上并包括多个聚光层，在所述多个聚光层中，下部层具有比上部层更大的面积；
滤色层，其覆盖像素透镜；以及
抗反射结构，其形成在滤色层之上。
2.如权利要求1所述的图像传感器，还包括：
聚焦层，其提供在光电转换元件与像素透镜之间。
3.如权利要求2所述的图像传感器，其中，聚焦层具有与比像素透镜更大的折射率。
4.如权利要求2所述的图像传感器，其中，聚焦层具有与像素透镜相同的面积或比像素透镜大的面积。
5.如权利要求2所述的图像传感器，其中，像素透镜与光电转换元件之间的焦距与聚焦层的厚度成反比。
6.如权利要求1所述的图像传感器，其中，像素透镜具有多层阶梯结构。
7.如权利要求1所述的图像传感器，其中，由上部层暴露的下部层具有比入射光的波长小的宽度。
8.如权利要求1所述的图像传感器，其中，由上部层暴露的下部层具有比其色彩通过滤色层分离的入射光的波长小的宽度。
9.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个聚光层具有相同形状且彼此平行布置。
10.一种电子装置，包括：
光学***；
图像传感器，其适用于从光学***接收光并包括像素阵列，在所述像素阵列中，多个单位像素以矩阵形状布置；以及
信号处理单元，其适用于处理从图像传感器输出的信号，
其中，每个单位像素包括：
基板，其包括光电转换元件；
像素透镜，其形成在基板之上并包括多个聚光层，在所述多个聚光层中，下部层具有比上部层更大的面积；
滤色层，其覆盖像素透镜；以及
抗反射结构，其形成在滤色层之上。
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