CN108878463B - 用于相位检测自动聚焦的双光电二极管 - Google Patents

用于相位检测自动聚焦的双光电二极管 Download PDF

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Abstract

一种相位检测自动聚焦图像传感器包含安置在半导体材料中的多个光电二极管中的第一光电二极管及所述多个光电二极管中的第二光电二极管。第一钉扎阱安置在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间，并且所述第一钉扎阱包含第一沟槽隔离结构，其从所述半导体材料的第一表面延伸到所述半导体材料中达第一深度。第二沟槽隔离结构安置在所述半导体材料中并且环绕所述第一光电二极管及所述第二光电二极管。所述第二沟槽隔离结构从所述半导体材料的所述第一表面延伸到所述半导体材料中达第二深度，并且所述第二深度大于所述第一深度。

Description

用于相位检测自动聚焦的双光电二极管
技术领域
本发明大体上涉及半导体制造，其特定来说(但非排他性地)涉及CMOS图像传感器。
背景技术
图像传感器已变得无处不在。它们广泛应用于数字相机、蜂窝电话、安全摄像机，以及医疗、汽车及其它应用中。用于制造图像传感器的技术持续以迅猛的速度进步。举例来说，对更高分辨率及更低功耗的需求已促进这些装置的进一步微型化及集成化。
典型的图像传感器如下操作。来自外部场景的图像光入射到图像传感器上。图像传感器包含多个光敏元件，使得每一光敏元件吸收一部分入射图像光。包含在图像传感器中的光敏元件(例如光电二极管)各自在吸收图像光时产生图像电荷。所产生的图像电荷量与图像光的强度成比例。所产生的图像电荷可用于产生表示外部场景的图像。
图像传感器中的相位检测可通过将入射在图像传感器上的光分成成对图像并比较这两个图像来实现。可分析两幅图像的相似图案(光强度中的峰及谷)并计算分离误差。这允许图像传感器确定物体是处于前焦点还是后焦点位置。知道图像的焦点允许相机以光学、数字或类似者自动聚焦。尽管在此领域取得进展，但装置架构的改进仍然有相当大的空间。
发明内容
在一个方面中，本申请案涉及一种相位检测自动聚焦图像传感器，其包括：多个光电二极管中的第一光电二极管，所述多个光电二极管安置在半导体材料中；所述多个光电二极管中的第二光电二极管；第一钉扎阱，其安置在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间，其中所述第一钉扎阱包含第一沟槽隔离结构，其从所述半导体材料的第一表面延伸到所述半导体材料中达第一深度；及第二沟槽隔离结构，其安置在所述半导体材料中并且环绕所述第一光电二极管及所述第二光电二极管，其中所述第二沟槽隔离结构从所述半导体材料的所述第一表面延伸到所述半导体材料中达第二深度，其中所述第二深度大于所述第一深度。
在另一方面中，本申请案涉及一种图像传感器***，其包括：多个光电二极管中的第一光电二极管，所述多个光电二极管安置在半导体材料中；所述多个光电二极管中的第二光电二极管，所述多个光电二极管安置在所述半导体材料中；第一沟槽隔离结构，其安置在所述半导体材料中，所述第一沟槽隔离结构从所述半导体材料的第一表面延伸到所述半导体材料中达第一深度；第二沟槽隔离结构，其安置在所述半导体材料中并环绕所述第一光电二极管及所述第二光电二极管，其中所述第二沟槽隔离结构从所述半导体材料的所述第一表面延伸到所述半导体材料中达第二深度，其中所述第二深度大于所述第一深度；及控制电路及读出电路，其耦合到所述多个光电二极管，其中所述控制电路耦合到所述多个光电二极管以控制所述多个光电二极管的图像获取，且其中所述读出电路耦合到所述多个光电二极管以从所述多个光电二极管读取图像数据。
附图说明
参考以下诸图描述本发明的非限制性及非穷尽实例，其中相似参考数字贯穿各种视图指代相似部分，除非另有规定。
图1A到1C说明根据本发明的教示的实例图像传感器。
图2A到2C说明根据本发明的教示的实例图像传感器。
图3A到3C说明根据本发明的教示的实例图像传感器。
图4是说明根据本发明的教示的可包含图1A到3C的图像传感器的成像***的一个实例的框图。
对应参考字符贯穿附图的若干视图指示对应组件。所属领域的技术人员应了解，图式中的元件出于简单及清楚的目的而说明，且未必是按比例绘制。举例来说，图式中一些元件的尺寸相对于其它元件可被夸大以帮助提高对本发明的各种实施例的理解。此外，为了促进对本发明的这些各种实施例的更容易的观察，通常不描绘在商业上可行的实施例中有用的或必需的常见但众所周知的元件。
具体实施方式
本文描述一种涉及用于相位检测自动聚焦的双光电二极管的设备的实例。在以下描述中，阐述众多特定细节以提供对所述实例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，能够在不具有一或多个特定细节的情况下或配合其它方法、组件、材料等等实践本文所描述的技术。在其它情况下，未展示或详细地描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆某些方面。
贯穿本说明书的对“一个实例”或“一个实施例”的参考意指结合实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，贯穿本说明书的各种地方的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”的出现未必皆是指同一实例。此外，特定特征、结构或特性可以任何合适方式组合于一或多个实例中。
图1A到1C说明实例相位检测自动聚焦图像传感器100。图像传感器100包含第一光电二极管103、第二光电二极管105、第三光电二极管107、第四光电二极管109、第一钉扎阱121、第二钉扎阱123、第一沟槽隔离结构111、第二沟槽隔离结构113、金属栅格131、第一表面165、第二表面167及电荷溢出路径181。
图1A描绘图像传感器100的“正面视图”(对应于第二表面167)，但如所属领域的技术人员将了解，根据本发明的教示，图像传感器100可是正面或背面照明。如所描绘，第一光电二极管103、第二光电二极管105、第三光电二极管107及第四光电二极管109以2乘2栅格布置，并且所有光电二极管具有相等大小。所描绘的四个光电二极管利用第一钉扎阱121(其在四个光电二极管之间形成十字形结构)彼此分离。换句话说，第一光电二极管103通过第一钉扎阱121与其它三个光电二极管分离，第二光电二极管105通过第一钉扎阱121与其它三个光电二极管分离，第三光电二极管107通过第一钉扎阱121与其它三个光电二极管分离，并且第四光电二极管109通过第一钉扎阱121与其它三个光电二极管分离。所描绘的四个光电二极管与其它光电二极管(在图4中描绘)隔离，其它光电二极管可通过环绕四个光电二极管的第二钉扎阱123存在于阵列中。换句话说，四个光电二极管被第二钉扎井123包围。
图1B展示图像传感器100的“背面视图”(对应于第一表面165)。如所展示，第一沟槽隔离结构111安置在第一钉扎阱121的横向边界内。因此，第一沟槽隔离结构111在第一钉扎阱121的较宽十字形结构内形成较窄十字形结构。类似地，第二沟槽隔离结构113安置在第二钉扎阱123的横向边界内，并且第二沟槽隔离结构113环绕所描绘的四个光电二极管。
图1C展示沿着线A-A’切割的图像传感器100的横截面轮廓。如所说明，第一光电二极管103安置在半导体材料101(其在一些实例中可是Si或类似物)中，并且第二光电二极管105安置靠近第一光电二极管103。第一钉扎阱121安置在第一光电二极管103与第二光电二极管105之间，并且第一钉扎阱121包含第一沟槽隔离结构111，其从半导体材料101的第一表面165延伸到半导体材料101中达第一深度。第二沟槽隔离结构113安置在半导体材料101中并且环绕第一光电二极管103及第二光电二极管105。第二沟槽隔离结构113从半导体材料101的第一表面165延伸到半导体材料101中达第二深度。如所说明，第二深度大于第一深度。金属栅格131安置在第一表面165上，并且可用于通过防止光学串扰实现更好的信噪比。
在所描绘的实例中，第一钉扎阱121从半导体材料101的第一表面165延伸到与第一表面165相对的半导体材料101的第二表面167。类似地，第二钉扎阱123从半导体材料101的第一表面165延伸到半导体材料101的第二表面167。第二沟槽隔离结构113安置在第二钉扎阱123中。
在所描绘的实例中，通过掺杂半导体材料101形成第一钉扎阱121，并且相应地，第一钉扎阱121具有掺杂剂密度以在第一光电二极管103与第二光电二极管105之间提供电荷溢出路径181。当第一光电二极管103或第二光电二极管105中的一者产生超过图像电荷的阈值(其分别低于第一光电二极管103或第二光电二极管105的饱和值)的图像电荷时，电荷可溢出到相邻的光电二极管中以防止饱和。这允许像素仍然以其自动聚焦能力工作，即使像素吸收太多电荷来形成图像。由于每一光电二极管需要能够形成用于自动聚焦功能性的可读图像，因此允许溢出以防止任何一个光电二极管过饱和。
所描绘的实例中的各种沟槽可包含不同的材料组成。例如，第一沟槽隔离结构111可包含氧化物材料，如SiO2、HfO2、Al2O3，并且第二沟槽隔离结构113可包含氧化物材料或金属中的至少一者。在其它实例中(参见例如图2A到2C)，根据本发明的教示，沟槽可采取其它材料配置。在所描绘的实例中，第二沟槽隔离结构113可延伸到半导体材料101中达1.5μm。此外，第一沟槽隔离结构111可延伸到半导体材料101中达0.5μm。
图2A到2C说明实例图像传感器200。图2A到2C中所描绘的图像传感器200在许多方面与图1A到1C中的图像传感器100类似。然而，一个不同之处在于，第一沟槽隔离结构211及第二沟槽隔离结构213包含SiO2或金属中的至少一者，并且第一沟槽隔离结构211及第二沟槽隔离结构213具有大体上相同的材料组成。换句话说，其可含有相同的材料，但由于处理或类似者方面的缺陷，可能导致结构组成的微小差异。
也在图2C(其为沿着线B-B’切割的图像传感器200的横截面)中说明的是金属栅格231，其安置在半导体材料201的第一表面265上并且与第二沟槽隔离结构213对准。在所描绘的实例中，金属栅格231与第二沟槽隔离结构213光学对准以实现增强的信噪比(在正面照明配置中)。
图3A到3C说明实例图像传感器300A及300B。在所描绘的实例中，图像传感器300A及300B具有不同的配置，但当沿线C-C’切割时(图3C中说明)具有相同的横截面轮廓。应了解，根据本发明的教示，所展示的传感器配置与图1A到2C中所描绘的传感器配置类似。然而，此处描绘的传感器配置可在金属栅格(未被描绘以避免模糊本发明的某些方面；分别描绘为图1C及2C中的金属栅格131/231)被放置在图像传感器顶部上之后具有增强的性能。此外，使用所描绘的架构可几乎完全避免方向性图案噪声，这导致更好的信噪比。
图3A说明图像传感器300A的正面视图(例如，第二表面367)。如所展示，第一光电二极管303及第二光电二极管305并排安置在半导体材料301中，并且第一光电二极管303及第二光电二极管305由第一沟槽隔离结构311分离。此外，第一光电二极管303及第二光电二极管305由第二沟槽隔离结构313环绕。在此实例中，第一沟槽隔离结构311及第二沟槽隔离结构313两者分别安置在第一钉扎阱321及第二钉扎阱323中。同样在图3A中所描绘的实例中，第一浮动扩散部353安置在半导体材料301中，且第一转移门351耦合在第一光电二极管303与第一浮动扩散部353之间，以将来自第一光电二极管303的图像电荷转移到第一浮动扩散部353。第二浮动扩散部357安置在半导体材料301中，且第二转移门355耦合在第二光电二极管305与第二浮动扩散部357之间以将来自第二光电二极管305的图像电荷转移到第二浮动扩散部357。
图3B描绘图3A的图像传感器300A的替代传感器配置(图像传感器300B)。如所展示，第一浮动扩散部353安置在半导体材料301中，并且第一转移门351耦合在第一光电二极管303与第一浮动扩散部353之间，以将来自第一光电二极管303的图像电荷转移到第一浮动扩散部353。第二转移门355耦合在第二光电二极管305与第一浮动扩散部353之间以将来自第二光电二极管305的图像电荷转移到第一浮动扩散部353。因此，当从半导体材料301的第二表面367观察时，第一转移门351、第二转移门355及第一浮动扩散部353形成大体上“U”形结构。
此外，在所描绘的实例中，尽管第一沟槽隔离结构311及第一钉扎阱321安置在第一光电二极管303与第二光电二极管305之间，但第一沟槽隔离结构311及第一钉扎阱321仅在横向方向上在这两个二极管之间的部分延伸。因此，当从半导体材料301的第一侧356观察时，第一光电二极管303及第二光电二极管305被接合并且还形成大体上“U”形结构。更具体来说，“U”的中心部分由在第一光电二极管303与第二光电二极管305之间延伸的第一沟槽隔离结构311/第一钉扎阱321形成。
图4是说明可包含图1A到3C的图像传感器的成像***400的一个实例的框图。成像***400包含像素阵列405、控制电路421、读出电路411及功能逻辑415。在一个实例中，像素阵列405是光电二极管或图像传感器像素(例如，像素P1、P2…、Pn)的二维(2D)阵列。如所说明，光电二极管布置成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获取人员、位置、对象等等的图像数据，所述图像数据可随后用于呈现人员、位置、对象等等的2D图像。然而，光电二极管不必被布置成行及列，并且可采取其它配置。
在一个实例中，在像素阵列405中的每一图像传感器光电二极管/像素已获取其图像数据或图像电荷之后，所述图像数据由读出电路411读出且随后被转移到功能逻辑415。在各种实例中，读出电路411可包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它电路。功能逻辑415可仅存储图像数据或甚至通过应用后图像效果(例如，自动聚焦、裁剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或以其它方式)操纵图像数据。在一个实例中，读出电路411可沿读出列线一次读出一行图像数据(已说明)或可使用各种其它技术读出图像数据(未说明)，例如，串行读出或同时完全并行读出全部像素。
在一个实例中，控制电路421耦合到像素阵列405以控制像素阵列405中的多个光电二极管的操作。举例来说，控制电路421可产生用于控制图像获取的快门信号。在所描绘的实例中，所述快门信号是全局快门信号，其用于同时启用像素阵列405内的所有像素以在单个获取窗口期间同时捕获其相应图像数据。在另一实例中，图像获取与照明效果(例如闪光)同步。
在一个实例中，成像***400可包含在数码相机、手机、膝上型计算机、汽车或类似物中。另外，成像***400可耦合到其它硬件块，例如处理器(通用或其它)、存储器元件、输出(USB端口、无线发射器、HDMI端口等等)、照明/闪光、电输入(键盘、触摸显示器、跟踪板、鼠标、麦克风等等)及/或显示器。其它硬件块可将指令递送到成像***400，从成像***400提取图像数据，或操纵由成像***400供应的图像数据。
不希望本发明的所说明的实例的以上描述(包含摘要中所描述的内容)为穷尽性或将本发明限于所揭示的具体形式。尽管本文描述本发明的特定实例是出于说明性目的，但所属领域的技术人员将认识到，在本发明范围内各种修改是可能的。
依据以上详细描述可对本发明做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于本说明书中所揭示的特定实例。而是，本发明的范围全部由所附权利要求书确定，所附权利要求书应根据权利要求解释的既定原则来解释。

Claims (18)

1.一种相位检测自动聚焦图像传感器，其包括：
多个光电二极管中的第一光电二极管，所述多个光电二极管安置在半导体材料中；
所述多个光电二极管中的第二光电二极管；
第一钉扎阱，其安置在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间，其中所述第一钉扎阱包含第一沟槽隔离结构，其从所述半导体材料的第一表面延伸到所述半导体材料中达第一深度，其中所述第一钉扎阱具有掺杂剂密度以当所述第一光电二极管或所述第二光电二极管中的一者包含超过图像电荷的阈值的图像电荷时在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间提供电荷溢出路径；及
第二钉扎阱，其环绕所述第一光电二极管及所述第二光电二极管，其中所述第二钉扎阱包含第二沟槽隔离结构，其中所述第二沟槽隔离结构从所述半导体材料的所述第一表面延伸到所述半导体材料中达第二深度，其中所述第二深度大于所述第一深度。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一沟槽隔离结构安置在所述第一钉扎阱的横向边界内。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中图像电荷的所述阈值低于光电二极管饱和极限以允许所述相位检测自动聚焦。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括第三光电二极管及第四光电二极管，其中所述第一钉扎阱安置在所述第三光电二极管与第四光电二极管之间，且其中所述第二沟槽隔离结构环绕所述第一光电二极管、所述第二光电二极管、所述第三光电二极管及所述第四光电二极管。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中所述第一光电二极管及所述第二光电二极管具有光吸收区域，当从所述半导体材料的所述第一表面观察时，所述光吸收区域与所述第三光电二极管及第四光电二极管的光吸收区域具有相同的大小。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述第一沟槽隔离结构及第二沟槽隔离结构包含氧化物材料或金属中的至少一者，且其中所述第一沟槽隔离结构及所述第二沟槽隔离结构包含大体上相同的材料组成。
7.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述第一沟槽隔离结构包含氧化物材料，且所述第二沟槽隔离结构包含氧化物材料或金属中的至少一者。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一钉扎阱从所述半导体材料的所述第一表面延伸到与所述第一表面相对的所述半导体材料的第二表面，且其中所述第二钉扎阱从所述半导体材料的所述第一表面延伸到所述半导体材料的所述第二表面。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一钉扎阱仅在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间部分延伸。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其进一步包括：
第一浮动扩散部及第一转移门，所述第一转移门耦合在所述第一光电二极管与所述第一浮动扩散部之间以将来自所述第一光电二极管的图像电荷转移到所述第一浮动扩散部；及
第二浮动扩散部及第二转移门，所述第二转移门耦合在所述第二光电二极管与所述第二浮动扩散部之间以将来自所述第二光电二极管的图像电荷转移到所述第二浮动扩散部。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括：
第一浮动扩散部及第一转移门，所述第一转移门耦合在所述第一光电二极管与所述第一浮动扩散部之间以将来自所述第一光电二极管的图像电荷转移到所述第一浮动扩散部；及
第二转移门，其耦合在所述第二光电二极管与所述第一浮动扩散部之间以将来自所述第二光电二极管的图像电荷转移到所述第一浮动扩散部，其中当从所述半导体材料的所述第一表面观察时，所述第一转移门、所述第二转移门及所述第一浮动扩散部形成大体上“U”形结构。
12.一种图像传感器***，其包括：
多个光电二极管中的第一光电二极管，所述多个光电二极管安置在半导体材料中；
所述多个光电二极管中的第二光电二极管，所述多个光电二极管安置在所述半导体材料中；
第一沟槽隔离结构，其安置在所述半导体材料中，所述第一沟槽隔离结构从所述半导体材料的第一表面延伸到所述半导体材料中达第一深度；
第二沟槽隔离结构，其安置在所述半导体材料中并环绕所述第一光电二极管及所述第二光电二极管，其中所述第二沟槽隔离结构从所述半导体材料的所述第一表面延伸到所述半导体材料中达第二深度，其中所述第二深度大于所述第一深度；
第一钉扎阱，其包含安置在所述第一钉扎阱的横向边界内的所述第一沟槽隔离结构，其中所述第一钉扎阱具有掺杂剂密度以当所述第一光电二极管或所述第二光电二极管中的一者包含超过图像电荷的阈值的图像电荷时在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间提供电荷溢出路径；
第二钉扎阱，其包含安置在所述第二钉扎阱的所述横向边界内的所述第二沟槽隔离结构；及
控制电路及读出电路，其耦合到所述多个光电二极管，其中所述控制电路耦合到所述多个光电二极管以控制所述多个光电二极管的图像获取，且其中所述读出电路耦合到所述多个光电二极管以从所述多个光电二极管读取图像数据。
13.根据权利要求12所述的图像传感器***，其中图像电荷的所述阈值低于光电二极管饱和极限，且其中所述控制电路及读出电路耦合到功能逻辑以使用从所述多个光电二极管提取的不饱和图像电荷来执行相位检测自动聚焦。
14.根据权利要求12所述的图像传感器***，其进一步包括第三光电二极管及第四光电二极管，其中所述第一沟槽隔离结构安置在所述第三光电二极管与第四光电二极管之间，且其中所述第二沟槽隔离结构环绕所述第一光电二极管、所述第二光电二极管、所述第三光电二极管及所述第四光电二极管。
15.根据权利要求12所述的图像传感器***，其中所述第一沟槽隔离结构及第二沟槽隔离结构包含氧化物材料或金属中的至少一者，且其中所述第一沟槽隔离结构及所述第二沟槽隔离结构包含大体上相同的材料组成。
16.根据权利要求12所述的图像传感器***，其中所述第一沟槽隔离结构包含氧化物材料，且所述第二沟槽隔离结构包含氧化物材料或金属中的至少一者。
17.根据权利要求12所述的图像传感器***，其中所述第一沟槽隔离结构仅在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间部分延伸。
18.根据权利要求17所述的图像传感器***，其进一步包括：
第一浮动扩散部及第一转移门，所述第一转移门耦合在所述第一光电二极管与所述第一浮动扩散部之间以将来自所述第一光电二极管的图像电荷转移到所述第一浮动扩散部；及
第二转移门，其耦合在所述第二光电二极管与所述第一浮动扩散部之间以将来自所述第二光电二极管的图像电荷转移到所述第一浮动扩散部，其中当从所述半导体材料的所述第一表面观察时，所述第一转移门、所述第二转移门及所述第一浮动扩散部形成大体上“U”形结构。
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