图像感测装置的制作方法

[0001]
本专利文档中公开的技术和实现涉及图像感测装置。


背景技术：

[0002]
图像感测装置是用于将光学图像转换成电信号的半导体装置。随着汽车、医疗、计算机和通信行业的发展，在诸如数码相机、便携式摄像机、个人通信系统(pcs)、游戏机、监控摄像头、微型医疗相机、机器人等的各种设备中，对高性能图像传感器的需求不断增长。


技术实现要素：

[0003]
除其它特征和益处之外，所公开的技术的实施方式涉及一种能够通过改善像素阵列中透光层的结构特性来减少相邻成像像素之间的串扰的图像感测装置。
[0004]
根据所公开的技术的实施方式，图像感测装置可以包括：基板层，该基板层中形成有光电转换元件的阵列；栅格结构，其设置在基板层上方，以将基板上方的空间划分为不同的感测区域，每个栅格结构包括空气层；滤色器，其用于填充栅格结构之间的空间的底部，滤色器比空气层具有更高的折射率；以及透镜层，其设置在栅格结构和滤色器上方，使得透镜层的一部分填充栅格结构之间的空间的顶部，透镜层比滤色器具有更高的折射率。
附图说明
[0005]
图1是例示基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置的框图的示例。
[0006]
图2是例示沿着图1所示的线a-a'截取的像素阵列的截面图的示例。
[0007]
图3是例示图2所示的栅格结构、滤色器层和透镜层的截面图的示例。
[0008]
图4是例示基于所公开的技术的一些实现的透镜层的构成材料的结构图的示例。
[0009]
图5a至图5f是例示用于形成图3的结构的过程的截面图的示例。
[0010]
图6是例示图2所示的栅格结构、滤色器层和透镜层的截面图的示例。
具体实施方式
[0011]
现在将详细参考一些实施方式，其示例在附图中示出。尽可能地，在所有附图中使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。
[0012]
图1是例示基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置的框图的示例。
[0013]
参照图1，图像感测装置可以包括像素阵列100、相关双采样器(cds)200、模数转换器(adc)300、缓冲器400、行驱动器500、定时发生器600、控制寄存器700和斜坡信号发生器800。
[0014]
像素阵列100可以包括以二维(2d)阵列布置的多个单位像素(px)。在一个示例中，单位像素在彼此垂直的第一方向和第二方向上布置。每个单位像素(px)可以包括光敏元件，以将入射到单位像素上的光转换成电信号(在本专利文档中被称为像素信号)，并且可以通过列线将像素信号输出到诸如相关双采样器(cds)200之类的电信号处理电路。像素阵
列100还可以包括沿2d阵列的行和列布置的行信号线和列信号线，并且单位像素(px)联接到行信号线和列信号线。
[0015]
在一些实现中，图像感测装置可以使用相关双采样器(cds)以通过对像素信号采样两次从而在这两个采样之间取差来去除像素的偏移值。例如，相关双采样器(cds)可以通过比较光入射在像素上之前和之后获得的像素输出电压而去除像素的偏移值，从而可以实际测量仅基于入射光的像素信号。相关双采样器(cds)200可以保持和采样从像素阵列100的像素(px)接收的电图像信号。例如，相关双采样器(cds)200可以响应于从定时发生器600接收的时钟信号来执行参考电压电平和接收到的电图像信号的电压电平的采样，并且可以将与参考电压电平和接收到的电图像信号的电压电平之间的差相对应的模拟信号发送给模数转换器(adc)300。
[0016]
在一些实现中，adc 300可以使用参考信号(例如，斜坡信号)来使用参考信号多次采样输入信号(例如，像素信号)，并且通过对时钟脉冲的数量进行计数直至交叉点为止来对采样的输入信号进行模数转换。例如，adc 300可以在输入信号高于参考信号的时间段期间对时钟脉冲进行计数，并且一旦检测到交叉点(参考信号与输入信号的交叉)就停止对时钟脉冲进行计数。
[0017]
在一些实现中，模数转换器(adc)300可以将从斜坡信号发生器800接收的斜坡信号与从相关双采样器(cds)200接收的采样信号进行比较，并且因此可以输出指示斜坡信号和采样信号之间的比较结果的比较信号。模数转换器(adc)300可以基于从定时发生器600接收的时钟信号来对斜坡信号和采样信号的交叉点的数量进行计数，并且可以生成指示交叉点的数量的计数器输出。
[0018]
缓冲器400可以存储从模数转换器(adc)300接收的数字信号。缓冲器400还可以感测和放大每个数字信号以输出每个经放大的数字信号。因此，缓冲器400可以包括存储器(未示出)和诸如感测放大器之类的放大器电路(未示出)。存储器可以存储与多个单位像素(px)的输出信号相关联的计数器输出。感测放大器可以感测和放大从存储器接收的电信号。
[0019]
行驱动器500可以响应于定时发生器600的输出信号以行线为基础驱动像素阵列100。例如，行驱动器500可以生成选择信号以选择多条行线中的任何一条。
[0020]
定时发生器600可以生成定时信号以控制行驱动器500、相关双采样器(cds)200、模数转换器(adc)300和斜坡信号发生器800。
[0021]
控制寄存器700可以生成控制信号以控制斜坡信号发生器800、定时发生器600和缓冲器400。
[0022]
斜坡信号发生器800可以响应于从定时发生器600接收的控制信号而生成将与由像素生成的电信号(例如，上面讨论的采样信号)进行比较的斜坡信号。
[0023]
图2是例示沿图1所示的线a-a'截取的像素阵列100的截面图的示例。
[0024]
图像感测装置的像素阵列100可以包括基板层110、缓冲层120、至少一个滤色器层130、栅格结构140和透镜层150。
[0025]
基板层110可以包括由合适的半导体材料制成的半导体基板。在一些实现中，半导体基板110可以包括单晶硅或类似材料。半导体基板110可以至少在一些区域中包括p型杂质。在基板层110中，形成多个光电转换元件112，使得器件隔离膜114将每个光电转换元件
112与相邻的光电转换元件112隔离。
[0026]
每个光电转换元件112可以包括有机光电二极管或无机光电二极管。在一些实现中，光电转换元件112可以包括在基板层110内垂直层叠的两个或更多个杂质区域。例如，每个光电转换元件112可以包括其中n型杂质区域和p型杂质区域垂直层叠的光电二极管。n型杂质区域和p型杂质区域可以通过离子注入而形成。器件隔离膜114可以包括深沟槽隔离(dti)结构。
[0027]
缓冲层120可以用作平坦化层以在形成于基板层110的结构具有不平坦表面的地方为随后的制造过程提供平坦的表面。在一些实现中，缓冲层120对于光电转换元件112要检测的光基本上是透明的。此外，缓冲层120可以用作抗反射膜以允许通过透镜层150和滤色器层130接收到的入射光穿过基板层110的光电转换元件112。缓冲层120可以包括通过层叠具有不同折射率的不同材料层而形成的多层结构。例如，缓冲层120可以包括通过层叠至少一个氮化物膜和至少一个氧化物膜而形成的多层结构。氮化物膜可以包括硅氮化物膜(si
x
n
y
，其中“x”和“y”中的每个是自然数)或硅氮氧化物膜(si
x
o
y
n
z
，其中“x”、“y”和“z”中的每个是自然数)。氧化物膜可以包括由未掺杂的硅酸盐玻璃(usg)膜和超低温氧化物(ulto)膜中的任一种形成的单层结构，或者可以包括通过层叠usg膜和ulto膜而形成的多层结构。在后一种情况下，可以通过将栅格结构140的覆盖膜延伸到每个滤色器层130的下部区域来形成氧化物膜。在一个示例中，可以在形成栅格结构140的覆盖膜时形成缓冲层120的氧化物膜。
[0028]
滤色器层130可以包括位于光电转换元件112上方的滤光器，以对光电转换元件112要检测的光进行过滤。在一些实现中，滤色器层130可以透射特定波长的可见光，同时阻挡其它波长的光。滤色器层130可以包括多个滤色器。每个单位像素(px)至少包括一个滤色器，并且滤色器可以形成为填充栅格结构140之间的间隙的下部。滤色器层130可以包括多个红滤色器(r)、多个绿滤色器(g)和多个蓝滤色器(b)。每个红滤色器(r)可以仅透射可见光的rgb光当中的红光。每个绿滤色器(g)可以仅透射可见光的rgb光当中的绿光。每个蓝滤色器(b)可以仅透射可见光的rgb光当中的蓝光。红滤色器(r)、绿滤色器(g)和蓝滤色器(b)可以以拜耳图案形状布置。另选地，滤色器层130可以包括多个青滤色器、多个黄绿滤色器和多个品红滤色器。
[0029]
每个栅格结构140可以设置在彼此相邻的滤色器r、g和b之间，并且可以防止在滤色器r、g和b之间发生光学串扰。栅格结构140可以形成为使得它与滤色器r、g和b的侧壁接触。在一些实现中，每个栅格结构140可以形成为包括金属层、低折射率层(诸如，空气的层或空气层)、支撑膜和覆盖膜的混合结构。在下文中将详细描述栅格结构140的详细结构。
[0030]
在所公开的技术的一些实施方式中，基于一些实施方式的每个栅格结构140可以从每个滤色器层130的顶表面向上突出。例如，滤色器r、g、和b中的每一个的高度可以占据栅格结构140的高度的约2/3。
[0031]
透镜层150可以包括设置在滤色器层130和栅格结构140上方的多个微透镜(和/或多个片上透镜)。多个微透镜可以会聚从外部接收到的入射光束并且可以将光引导至滤色器层130。
[0032]
在所公开的技术的一些实施方式中，透镜层150包括形成在每个滤色器上方并且在相邻的栅格结构之间的底部，以及形成在栅格结构和透镜层150的底部上方的顶部。
[0033]
图3是例示图2所示的栅格结构、滤色器层和透镜层的截面图的示例。
[0034]
如图3所示，栅格结构140可以包括金属层142、诸如空气的层或空气层之类的低折射率层144、支撑膜146和覆盖膜148。
[0035]
金属层142可以包括阻挡金属层142a和形成在阻挡金属层142a上方的钨层142b。阻挡金属层142a可以包括钛(ti)和/或氮化钛(tin)，或者可以包括包含钛(ti)和氮化钛(tin)的层叠结构。
[0036]
在一些实现中，空气层144可以形成在覆盖膜148的侧表面之间。在一些实现中，空气层144可以形成在金属层142上方，并且支撑膜146可以形成在空气层144上方。
[0037]
支撑膜146可以用于维持栅格结构140的形状以保持不变，并且可以防止覆盖膜148在用于在栅格结构140中形成空气层144的过程中塌陷。支撑膜146可以包括不具有光吸收特性的绝缘膜。支撑膜146可以包括硅氮氧化物膜(si
x
o
y
n
z
，其中“x”、“y”和“z”中的每一个是自然数)、硅氧化物膜(si
x
o
y
，其中“x”和“y”中的每一个是自然数)、以及硅氮化物膜(si
x
n
y
，其中，“x”和“y”中的每一个是自然数)中的至少一种。
[0038]
覆盖膜148可以包括形成在栅格结构140的最外部以围绕或覆盖金属层142、空气层144和支撑膜146的材料膜。覆盖膜148可以延伸至滤色器层130的下部区域。在一些实现中，形成在滤色器层130下方的覆盖膜121可以用作缓冲层120的一部分。覆盖膜148可以包括包含氧化物膜的多层结构。例如，覆盖膜148可以包括由两个氧化物膜组成的双氧化物膜，或者可以由通过层叠至少一个氧化物膜和不同于该氧化物膜的其它材料膜而形成的多层结构形成。在所公开的技术的一些实施方式中，覆盖膜148的氧化物膜可以包括诸如氧化硅膜(sio2)之类的超低温氧化物(ulto)膜。在一个示例中，ulto膜可以包括通过使用化学气相沉积的低温氧化工艺形成的氧化物膜。
[0039]
如上所述，滤色器层130形成在相邻的栅格结构140之间的空间中。在所公开的技术的一些实施方式中，滤色器层130可以形成为填充相邻的栅格结构140之间的空间的底部。在一些实现中，滤色器层130可以形成在空间的底表面上，直到与每个栅格结构140的高度的大约2/3对应的高度。如下所述，在所公开的技术的一些实施方式中，插置于相邻的栅格结构140之间的每个空间的上部填充有透镜层150。
[0040]
滤色器层130的折射率(n2)可以高于诸如空气的层或空气层之类的低折射率层144的折射率(n1)，并且可以低于透镜层150的折射率(n3)(即，n1＜n2＜n3)。例如，滤色器层130的折射率(n2)可以大于1并且等于或小于1.6。换句话说，滤色器层130的折射率可以高于占据栅格结构140的大部分的空气层144的折射率(n1＝1)。
[0041]
透镜层150可以以透镜层150形成于相邻的栅格结构140之间的间隙中的方式形成在滤色器层130和栅格结构140上方。在一个示例中，透镜层150的下部可以形成在栅格结构140的低折射率层144(例如，空气的层)之间。
[0042]
具体地，透镜层150可以由具有比滤色器层130的折射率(n2)高的折射率(n3)的特定材料形成。例如，透镜层150可以包括具有高于1.6的折射率(n3)的特定材料。
[0043]
如上所述，可以形成折射率比滤色器层130的折射率高的透镜层150，使得透镜层150的底部形成在栅格结构140的空气层144之间。透镜层150的底部可以被构造为增加通过滤色器层130并聚焦到光电转换元件112上的光量。在一些实现中，入射光的全部或很大一部分可以被反射而不会穿透空气层144，并且可以在光电转换元件112中收集到经反射的入
射光中的全部或很大一部分。
[0044]
根据斯涅尔定律，当光通过介质之间的边界时，依据两种介质的相对折射率，光将被折射至更小的角度或更大的角度。因此，在第一材料层的折射率大于第二材料层的折射率的情况下，当光从第一材料层行进到第二材料层时，可以发生全反射。
[0045]
通常，虽然滤色器层的折射率高于空气层的折射率，但是滤色器层的折射率并不足够大以进行全反射。因此，穿过滤色器的光束到达空气栅格，其中的一些可以穿过空气栅格，到达相邻的像素。
[0046]
在公开的技术的一些实施方式中，透镜层150可以由比滤色器层130具有更高折射率的材料形成，并且透镜层150的一些部分可以设置在栅格结构140之间。因此，通过具有高折射率的透镜层150朝向栅格结构140传播的光束可以被反射向期望的像素，同时防止光到达不期望的相邻像素。
[0047]
图4例示了基于所公开的技术的一些实现的透镜层150的示例。在一些实施方式中，透镜层150可以包括聚酰亚胺基树脂，在该聚酰亚胺基树脂中具有高折射率的微粒(例如，纳米颗粒)均匀地分散在聚合物层中。另选地，透镜层150可以包括由高折射率材料颗粒和树脂的混合物形成的材料层。
[0048]
在所公开的技术的一些实施方式中，高折射率材料可以包括诸如氧化钛(tio2)、氧化钽(tao2、ta2o5)、氧化锆(zro2)、氧化锌(zno)、氧化锡(sno)、氧化铝(al2o3)、氧化镧(la2o3)、氧化铯(ceo2)和氧化钇(y2o3)之类的高折射率金属氧化物材料中的至少一种。
[0049]
图5a至图5f是例示用于形成图3的结构的过程的截面图的示例。
[0050]
参照图5a，可以在形成有光电转换元件112的基板层110上方顺序形成阻挡金属层142a'、金属膜142b'、牺牲膜144'和支撑材料层146'。
[0051]
在所公开的技术的一些实施方式中，阻挡金属材料142a'可以包括钛(ti)和/或氮化钛(tin)，或者可以包括包含钛(ti)和氮化钛(tin)的层叠结构。金属层142b'可以包括钨(w)。牺牲膜148可以包括含碳的旋涂碳(soc)膜。支撑材料层146'可以包括硅氮氧化物膜(si
x
o
y
n
z
，其中“x”、“y”和“z”中的每一个是自然数)、硅氧化物膜(si
x
o
y
，其中“x”和“y”中的每一个是自然数)、以及硅氮化物膜(si
x
n
y
，其中“x”和“y”中的每一个是自然数)中的至少一种。
[0052]
随后，可以在支撑材料层146'上方形成用于限定栅格区域的掩模图案149。
[0053]
参照图5b，可以使用掩模图案149作为蚀刻掩模来形成阻挡金属层142a、金属层142、牺牲膜图案144”和支撑膜146的层叠结构。
[0054]
随后，可以在层叠结构和基板层110上方形成第一覆盖膜148a和121a。
[0055]
第一覆盖膜148a和121a中的每一个可以包括诸如ulto膜之类的氧化物膜。另外，第一覆盖膜148a和121a中的每一个可以具有使得通过将在后续等离子体工艺中要使用的气体与牺牲膜图案144”的碳结合而形成的分子可以容易地排放到外部的厚度。
[0056]
参照图5c，在形成图5b所示的结构之后，可以实施等离子体工艺，使得可以去除牺牲膜图案144”，并且可以在去除了牺牲膜图案144”的位置处形成空气层144。
[0057]
在一些实现中，可以使用包括氧气、氮气或氢气中的至少一种的气体(例如，o2、n2、h2、co、co2或ch4)来实施等离子体工艺。
[0058]
如果使用o2等离子体工艺，则氧自由基(o*)可以通过第一覆盖膜148a流入牺牲膜
图案144”中，并且包括在牺牲膜图案144”中的氧自由基(o*)可以与牺牲膜图案144”的碳结合，结果形成co或co2。形成的co或co2可以通过第一覆盖膜148a排放到外部。结果，可以去除牺牲膜图案144”，并且可以在从中去除了牺牲膜图案144”的位置处形成空气层144。
[0059]
厚度薄的第一覆盖膜148a可能在随后的去除牺牲膜图案144”的过程中塌陷。因此，为了防止第一覆盖膜148a的塌陷而与牺牲膜图案144”的蚀刻无关，可以在牺牲膜144”上方形成支撑膜146，并且可以在其上实施等离子体处理。
[0060]
随后，可以在第一覆盖膜148a上方形成一个第二覆盖膜148b，并且可以在第一覆盖膜121a上方形成另一个第二覆盖膜121b，从而形成栅格结构140。
[0061]
在一些实现中，第一覆盖膜148a或121a形成为足够薄以通过上述等离子体工艺去除牺牲膜图案144”，从而形成空气层144。因此，基于一些实施方式的第一覆盖膜148a或121a可以形成得尽可能薄。
[0062]
在一些情况下，单独的第一覆盖膜148a可能在结构上弱，因此在后续的热退火工艺或其它工艺中有可能会塌陷。因此，在所公开的技术的一些实施方式中，在完成等离子体工艺之后，可以在第一覆盖膜148a和121a上方附加形成第二覆盖膜148b和121b。如图5c所示，覆盖膜148和121可以包括第一覆盖膜和第二覆盖膜。
[0063]
参照图5d，可以形成滤色器材料以填充栅格结构140之间的每个间隙，并且可以蚀刻滤色器材料的一些部分，从而可以在栅格结构140之间形成滤色器层130。可通过o2除渣工艺处理部分地去除或蚀刻滤色器材料。
[0064]
在这种情况下，每个滤色器层130可以被蚀刻到与每个栅格结构140的高度的2/3相对应的高度。也就是说，在栅格结构140之间的间隙的上部区域不形成滤色器层130。
[0065]
参照图5e，可以在滤色器层130和栅格结构140上方形成透镜材料膜152，从而可以用透镜材料膜152填充栅格结构140之间的每个间隙。
[0066]
透镜材料层152可以包括聚酰亚胺基树脂，在该聚酰亚胺基树脂中具有高折射率的微粒(例如，纳米颗粒)均匀地分散在聚合物中。另选地，透镜材料层152可以包括由高折射率材料颗粒和树脂的混合物形成的材料层。
[0067]
在所公开的技术的一些实施方式中，高折射率材料可以包括诸如氧化钛(tio2)、氧化钽(例如，tao2或ta2o5)、氧化锆(zro2)、氧化锌(zno)、氧化锡(sno)、氧化铝(al2o3)、氧化镧(la2o3)、氧化铯(ceo2)和氧化钇(y2o3)之类的高折射率金属氧化物材料中的至少一种。
[0068]
随后，可以在透镜材料膜152上方形成与各个单位像素相对应的微透镜154。例如，微透镜154可以形成于透镜材料膜152上方，同时以与滤色器之间距离相同的距离的间隔彼此间隔开。
[0069]
参照图5f，在首先使用微透镜154作为蚀刻掩模来蚀刻透镜材料膜152之后，可以去除残留的微透镜154，从而形成透镜层150。
[0070]
图6是例示图2所示的栅格结构、滤色器层和透镜层的截面图的示例。
[0071]
参照图6，滤色器层130的各个滤色器层(r、g、b)可以根据相应颜色的波长具有不同的高度。
[0072]
例如，绿滤色器(g)可以形成在比蓝滤色器(b)更高的位置，而红滤色器(r)可以形成在比绿滤色器(g)更高的位置。
[0073]
从以上描述显而易见的是，基于所公开的技术的一些实施方式实现的图像感测装
置能够有效地防止相邻像素之间发生串扰。
[0074]
本领域的技术人员将理解，在不脱离本公开的精神和实质特征的情况下，可以以不同于本文阐述的方式的其它特定方式来实现实施方式。因此，以上实施方式在所有方面被解释为示例性的而非限制性的。本公开的范围应由所附权利要求及其合法等同物确定，而不由上述描述确定。此外，旨在包含落入所附权利要求的含义和等同范围内的所有变型。另外，本领域技术人员将理解，在所附权利要求书中彼此未明确引用的权利要求可以组合呈现为实施方式，或者在提交申请后通过后续修改作为新的权利要求包括进来。
[0075]
尽管已经描述了许多示例性实施方式，但是应当理解，本领域技术人员可以设计出落入本公开原理的精神和范围内的各种其它修改和实施方式。具体地，在本公开、附图和所附权利要求的范围内的组成部件和/或布置中的各种变型和修改也是可以的。除了组成部件和/或布置的变型和修改之外，替代使用对本领域技术人员也是显而易见的。
[0076]
相关申请的交叉引用
[0077]
本专利文档要求于2019年8月28日提交的韩国专利申请no.10-2019-0106001的优先权和权益，其全部内容作为本专利文档的公开内容的一部分通过引用结合于此。