图像传感器的制作方法

本申请涉及图像传感器，并且更具体地说涉及具有可见光和近红外光敏感性的图像传感器。

背景技术：

图像传感器常常在电子设备诸如移动电话、相机和计算机中用来捕获图像。在典型的布置中，电子设备设置有布置成像素行和像素列的图像像素阵列。图像像素包含光电二极管以便响应于光而生成电荷。常常将电路耦接到各个像素列以读出来自图像像素的图像信号。滤色器元件通常覆盖每个光电二极管。

一些图像传感器应用(诸如安全相机)同时需要可见光和近红外(nir)图像传感器敏感性。常规系统使用物理上可移动的ir滤光器来获得近红外和可见光敏感性。然而，这是不切实际的，并且强烈需要具有可见光和近红外(nir)敏感性的低成本图像传感器。

另外，诸如自动聚焦和三维(3d)成像的一些应用可能需要电子设备提供立体和/或深度感测能力。例如，为了将感兴趣的物体带入焦点中以便捕获图像，电子设备可能需要识别电子设备与感兴趣的物体之间的距离。为了识别距离，常规电子设备使用复杂的布置。一些布置需要使用多个图像传感器以及从各种视点捕获图像的相机透镜。其它布置需要添加透镜阵列，该透镜阵列将入射光聚焦在二维像素阵列的子区域上。由于添加了诸如附加图像传感器或复杂透镜阵列的部件，这些布置导致降低的空间分辨率、增加的成本和增加的复杂性。

因此，希望提供具有可见光和近红外光敏感性以及深度感测能力的图像传感器。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：对于同时需要可见光和近红外(nir)图像传感器敏感性的图像传感器应用，常规系统使用物理上可移动的ir滤光器来获得近红外和可见光敏感性，但这是不切实际的，并且强烈需要具有可见光和近红外(nir)敏感性的低成本图像传感器，此外对于诸如自动聚焦和三维(3d)成像的一些应用可能需要电子设备提供立体和/或深度感测能力，但由于添加了诸如附加图像传感器或复杂透镜阵列的部件，这些布置导致降低的空间分辨率、增加的成本和增加的复杂性。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种具有可见光和近红外光敏感性以及深度感测能力的图像传感器。

根据一个方面，提供一种图像传感器，包括：包括半导体衬底和多个相位检测像素组，其中每个相位检测像素组包括：至少两个光敏区域，所述至少两个光敏区域在所述半导体衬底中；微透镜，所述微透镜覆盖所述至少两个光敏区域；滤色器元件，所述滤色器元件插置在所述微透镜与所述至少两个光敏区域之间；光散射结构，所述光散射结构形成在所述半导体衬底的第一侧上，其中所述至少两个光敏区域中的每一个与所述光散射结构重叠；第一隔离结构，所述第一隔离结构围绕所述相位检测像素组的外围形成；和第二隔离结构，所述第二隔离结构形成在所述相位检测像素组内的每对相邻的光敏区域之间。

根据另一个方面，提供一种图像传感器，包括：具有第一侧和相对的第二侧的半导体衬底和多个相位检测像素组，其中每个相位检测像素组包括：至少两个光敏区域，所述至少两个光敏区域在所述半导体衬底中；微透镜，所述微透镜覆盖所述至少两个光敏区域；滤色器元件，所述滤色器元件插置在所述微透镜与所述至少两个光敏区域之间；深沟槽隔离，所述深沟槽隔离围绕所述相位检测像素组的外围形成；和光散射结构，所述光散射结构形成在所述半导体衬底的所述第一侧上，其中所述光散射结构在所述相位检测像素组上具有不均匀的密度。

根据又一个方面，提供一种图像传感器，包括：半导体衬底和多个相位检测像素组，其中每个相位检测像素组包括：至少两个光敏区域，所述至少两个光敏区域在所述半导体衬底中；微透镜，所述微透镜覆盖所述至少两个光敏区域并具有中心开口；滤色器元件，所述滤色器元件插置在所述微透镜与所述至少两个光敏区域之间；和光散射结构，所述光散射结构形成在所述半导体衬底的第一侧上，其中所述微透镜的所述中心开口与所述光散射结构重叠，并且所述光散射结构不形成在所述相位检测像素组的外围部分中。

附图说明

图1是根据一个实施方案的具有图像传感器的例示性电子设备的示意图，该图像传感器可包括相位检测像素。

图2a是根据一个实施方案的具有光敏区的示例性相位检测像素的剖视图，该光敏区具有不同和非对称的角度响应。

图2b和图2c是根据一个实施方案的图2a的相位检测像素的剖视图。

图3是根据一个实施方案的相位检测像素的示例性信号输出的示意图，其中入射光以不同的入射角照射到相位检测像素。

图4a是根据一个实施方案的水平地布置的示例性相位检测像素对的顶视图。

图4b是根据一个实施方案的竖直地布置的示例性相位检测像素对的顶视图。

图4c是根据一个实施方案的示例性相位检测像素对的顶视图，该相位检测像素对竖直地布置并且被配置为检测沿着水平方向(例如，跨竖直边缘)的相位差。

图5是根据一个实施方案的用于读出图像传感器中的图像信号的示例性像素阵列以及相关联的读出电路的示意图。

图6是根据一个实施方案的具有相位检测像素组的示例性图像传感器的顶视图，这些相位检测像素组具有由单个微透镜覆盖的呈2×2布置的四个光敏区域。

图7是根据一个实施方案的示例性相位检测像素组的顶视图，该相位检测像素组具有用于增加近红外光敏感性的光散射结构。

图8是根据一个实施方案的示例性相位检测像素组的横截面侧视图，该相位检测像素组具有用于增加近红外光敏感性的光散射结构。

图9是根据一个实施方案的相位检测像素的示例性信号输出的图，该相位检测像素具有用于增加近红外光敏感性的光散射结构。

图10a是根据一个实施方案的示例性图像传感器的横截面侧视图，该图像传感器具有相位检测像素组，在相位检测像素组内的光敏区域之间具有深沟槽隔离。

图10b是根据一个实施方案的图10a的示例性图像传感器的顶视图。

图11a是根据一个实施方案的在滤色器元件之间具有复合栅格的示例性图像传感器的横截面侧视图。

图11b是根据一个实施方案的图11a的示例性图像传感器的顶视图。

图12a是根据一个实施方案的示例性图像传感器的横截面侧视图，该图像传感器具有带有前侧反射器的相位检测像素组。

图12b是根据一个实施方案的图12a的示例性图像传感器的顶视图。

图13a是根据一个实施方案的示例性图像传感器的横截面侧视图，该图像传感器具有带有不均匀分布的光散射结构的相位检测像素组。

图13b是根据一个实施方案的图13a的示例性图像传感器的顶视图。

图14a是根据一个实施方案的示例性图像传感器的横截面侧视图，该图像传感器具有相位检测像素组，该相位检测像素组具有在相位检测像素组内的光敏区域之间的深沟槽隔离和不均匀分布的光散射结构。

图14b是根据一个实施方案的图14a的示例性图像传感器的顶视图。

图15a是根据一个实施方案的示例性图像传感器的横截面侧视图，该图像传感器具有相位检测像素组，该相位检测像素组具有形成在相位检测像素组的中心部分周围的环中的背面深沟槽隔离。

图15b是根据一个实施方案的图15a的示例性图像传感器的顶视图。

图16a是根据一个实施方案的示例性图像传感器的横截面侧视图，该图像传感器具有相位检测像素组，在相位检测像素组内的光敏区域之间具有正面深沟槽隔离。

图16b是根据一个实施方案的图16a的示例性图像传感器的顶视图。

图17a是根据一个实施方案的示例性图像传感器的横截面侧视图，该图像传感器具有相位检测像素组，该相位检测像素组具有在相位检测像素组内的光敏区域之间的正面深沟槽隔离、不均匀分布的光散射结构和形成在相位检测像素组的中心部分周围的环中的背面深沟槽隔离。

图17b是根据一个实施方案的图17a的示例性图像传感器的顶视图。

图18a是根据一个实施方案的示例性相位检测像素组的横截面侧视图，该相位检测像素组包括具有开口的微透镜和被开口重叠的光散射结构。

图18b是根据一个实施方案的图18a的示例性相位检测像素组的顶视图。

图19a是根据一个实施方案的示例性相位检测像素组的横截面侧视图，该相位检测像素组包括具有开口的微透镜、被开口重叠的光散射结构、以及在围绕光散射结构的环中延伸的背面深沟槽隔离。

图19b是根据一个实施方案的图19a的示例性相位检测像素组的顶视图。

图20a是根据一个实施方案的示例性相位检测像素组的横截面侧视图，该相位检测像素组包括具有开口的微透镜、被开口重叠的光散射结构、在围绕光散射结构的环中延伸的背面深沟槽隔离、以及在围绕背面深沟槽隔离的环中延伸的正面深沟槽隔离。

图20b是根据一个实施方案的图20a的示例性相位检测像素组的顶视图。

具体实施方式

本实用新型的实施方案涉及具有自动聚焦和深度感测能力的图像传感器。图1中示出了具有相机模块的电子设备。电子设备10可以是数字相机、计算机、蜂窝电话、医疗设备或其他电子设备。相机模块12(有时称为成像设备或成像系统)可包括一个或多个图像传感器14、一个或多个快门32和一个或多个透镜28。在操作期间，透镜28(有时称为光学器件28)将光聚焦到图像传感器14上。来自透镜28的光可穿过快门32中的光圈(开口)到达图像传感器14。图像传感器14包括将光转换成数字数据的光敏元件(例如，像素)。图像传感器可具有任何数量(例如，数百、数千、数百万或更多)的像素。典型图像传感器可例如具有数百万的像素(例如，数兆像素)。例如，图像传感器14可包括偏置电路(例如，源极跟随器负载电路)、采样和保持电路、相关双采样(cds)电路、放大器电路、模拟-数字(adc)转换器电路、数据输出电路、存储器(例如，缓冲电路)、地址电路等。

可将来自图像传感器14的静态图像数据和视频图像数据提供给图像处理和数据格式化电路16。图像处理和数据格式化电路16可以用于执行图像处理功能，诸如自动聚焦功能、深度感测、数据格式化、调整白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。例如，在自动聚焦操作期间，图像处理和数据格式化电路16可以处理由图像传感器14中的相位检测像素收集的数据，以确定将感兴趣的物体集中在焦点上所需的透镜移动(例如，透镜28的移动)的幅度和方向。图像处理和数据格式化电路可用于存储校准信息，该校准信息用于帮助执行深度感测。控制电路(例如，图像处理和数据格式化电路16中的控制电路)也可包括在成像系统中以控制一个或多个透镜28和一个或多个快门32。

如果需要，图像处理和数据格式化电路16也可以用于压缩原始相机图像文件(例如，压缩成联合图像专家组或jpeg格式)。在典型的布置(有时称为片上系统(soc)布置)中，相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16在通用集成电路上实现。使用单个集成电路来实现相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16可以有助于降低成本。不过，这仅仅是示例性的。如果需要，相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16可以使用单独集成电路来实现。例如，相机传感器14和图像处理电路16可以形成在已堆叠的单独衬底上。

相机模块12可以通过路径18将采集的图像数据传送到主机子系统20(例如，图像处理和数据格式化电路16可以将图像数据传送到子系统20)。电子设备10通常向用户提供许多高级功能。例如，在计算机或高级移动电话中，可为用户提供运行用户应用的能力。为了实现这些功能，电子设备10的主机子系统20可包括存储和处理电路24以及输入-输出设备22，诸如小键盘、输入-输出端口、操纵杆和显示器。存储和处理电路24可包括易失性存储器和非易失性存储器(例如，随机存取存储器、闪存存储器、硬盘驱动器、固态驱动器等)。存储和处理电路24还可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路或其他处理电路。

可能期望提供具有深度感测能力的图像传感器(例如，以用于自动聚焦应用、3d成像应用诸如机器视觉应用等中)。为提供深度感测能力，图像传感器14可包括相位检测像素组，诸如图2a所示的像素组100(有时称为像素对100)。

图2a是像素对100的示意性剖视图。像素对100可包括第一像素和第二像素，诸如像素1和像素2。像素1和像素2可包括形成于衬底(诸如硅衬底108)中的光敏区110。例如，像素1可包括相关联的感光区，诸如光电二极管pd1，并且像素2可包括相关联的感光区，诸如光电二极管pd2。微透镜可形成在光电二极管pd1和光电二极管pd2上方，并且可用于将入射光导向光电二极管pd1和光电二极管pd2。在图2a的布置中，微透镜102覆盖两个像素区，该布置有时可称为2×1或1×2布置，因为有两个相位检测像素被连续地布置在一条直线上。微透镜102可具有宽度和长度，其中长度长于宽度。微透镜102可具有约为其宽度两倍长(例如，偏差在5％以内)的长度。微透镜102可呈纵横比为约2:1(例如，偏差在5％以内)的椭圆形。在其它实施方案中，微透镜102可以是另外的形状，诸如矩形或另外的期望形状。微透镜102可具有1:1、小于2:1、2:1、大于2:1、大于3:1的纵横比或任何其它期望的纵横比。

滤色器诸如滤色器元件104可被插置在微透镜102与衬底108之间。滤色器元件104可通过仅允许预定的波长穿过滤色器元件104来过滤入射光(例如，滤色器104可为仅对某些范围的波长透明的)。光电二极管pd1和光电二极管pd2可用于吸收由微透镜102聚焦的入射光并且产生对应于所吸收的入射光的量的像素信号。

光电二极管pd1和光电二极管pd2可各自覆盖微透镜102下面的衬底面积的大约一半(作为示例)。通过仅覆盖衬底面积的一半，每个感光区可被提供有非对称的角度响应(例如，光电二极管pd1可基于入射光到达像素对100的角度而产生不同的图像信号)。入射光相对于法线轴116到达像素对100的角度(即，入射光相对于透镜102的光轴116照射微透镜102的角度)在本文中可被称为入射角度或入射角。

在图2a的布置中，微透镜102覆盖两个像素区，该布置有时可称为2×1或1×2布置，因为有两个相位检测像素被连续地布置在一条直线上。在另选实施方案中，可将三个相位检测像素连续地布置在一条直线上，所以该布置有时可称为1×3或3×1布置。在其他实施方案中，相位检测像素可以被分组为2×2(其中四个像素由单个微透镜覆盖)、3×3(其中九个像素由单个微透镜覆盖)或2×4(其中八个像素由单个微透镜覆盖)布置。一般来讲，相位检测像素可以任何所需的方式布置。

图像传感器可使用前照式成像器布置(例如，当电路诸如金属互连电路被插置在微透镜和感光区之间时)或背照式成像器布置(例如，当感光区被插置在微透镜和金属互连电路之间时)来形成。图2a、图2b和图2c中的像素1和像素2为背照式图像传感器像素的示例仅仅是示例性的。如果需要，像素1和像素2可为前照式图像传感器像素。像素是背照式图像传感器像素的布置在本文中有时被描述为示例。

在图2b的示例中，入射光113可源自法线轴116的左侧，并且可以相对于法线轴116的角度114到达像素对100。角度114可为入射光的负角。以负角诸如角度114到达微透镜102的入射光113可被聚焦朝向光电二极管pd2。在这种情况下，光电二极管pd2可产生相对高的图像信号，而光电二极管pd1可产生相对低的图像信号(例如，因为入射光113不被聚焦朝向光电二极管pd1)。

在图2c的示例中，入射光113可源自法线轴116的右侧，并且以相对于法线轴116的角度118到达像素对100。角度118可为入射光的正角。以正角诸如角度118到达微透镜102的入射光可被聚焦朝向光电二极管pd1(例如，光不被聚焦朝向光电二极管pd2)。在这种情况下，光电二极管pd2可产生相对低的图像信号输出，而光电二极管pd1可产生相对高的图像信号输出。

光电二极管pd1和pd2的位置有时可被称为不对称位置，因为每个光敏区110的中心偏离微透镜102的光轴116(即，不与其对准)。由于衬底108中的各个光电二极管pd1和光电二极管pd2的非对称形成，每个感光区域110可具有非对称的角度响应(例如，由每个光电二极管110响应于具有给定强度的入射光产生的信号输出可基于入射角来改变)。在图3的图中，示出了像素对100的光电二极管pd1和pd2响应于不同角度入射光的像素信号输出的示例。

线160可表示光电二极管pd2的输出图像信号，而线162可表示光电二极管pd1的输出图像信号。对于负入射角，光电二极管pd2的输出图像信号可增大(例如，因为入射光被聚焦到光电二极管pd2上)，并且光电二极管pd1的输出图像信号可减小(例如，因为入射光被聚焦远离光电二极管pd1)。对于正入射角，光电二极管pd2的输出图像信号可相对小，并且光电二极管pd1的输出图像信号可相对大。

图2a、图2b和图2c的像素对100的光电二极管pd1和光电二极管pd2的尺寸和位置仅仅是示例性的。如果需要，光电二极管pd1和光电二极管pd2的边缘可位于像素对100的中心，或者可在任何方向上稍微偏移像素对100的中心。如果需要，可以减小光电二极管110的尺寸以覆盖少于像素面积的一半。

来自像素对(诸如像素对100)的输出信号可用于在自动聚焦操作期间调节相机模块12中的光学器件(例如，一个或多个透镜，诸如图1的透镜28)。可基于来自像素对100的输出信号来确定将感兴趣的物体集中在焦点上所需的透镜移动的方向和幅度。

例如，通过创建对来自透镜的一侧或另一侧的感光感的像素对，可确定相位差。这个相位差可用于确定为将感兴趣的物体集中在焦点上，图像传感器光学器件应在哪个方向调节以及调节多远。

当物体被聚焦时，来自图像传感器光学器件的两侧的光会聚以产生聚焦图像。当物体失焦时，光学器件的两侧投影的图像不会重叠，因为该图像彼此不同相。通过创建其中每个像素对来自透镜的一侧或另一侧的感光感的像素对，可确定相位差。该相位差可用于确定为使图像同相从而聚焦感兴趣的物体所需的光学器件移动的方向和幅度。用于确定相位差信息的像素组(诸如像素对100)在本文中有时称为相位检测像素或深度感测像素。

可通过将pd1的输出像素信号与pd2的输出像素信号进行比较来计算相位差信号。例如，可通过从pd2的像素信号输出减去pd1的像素信号输出(例如，通过从线160中减去线162)来确定像素对100的相位差信号。对于在小于聚焦物体距离的距离处的物体，相位差信号可为负。对于在大于聚焦物体距离的距离处的物体，相位差信号可为正。这个信息可用于自动调节图像传感器光学器件以将感兴趣的物体集中在焦点上(例如，通过使像素信号彼此同相)。

像素对100可以各种方式布置。例如，如图4a所示，像素对100的像素1(本文称为p1)和像素2(本文称为p2)可水平地取向，平行于图4a的x轴(例如，可位于像素阵列的相同行中)。在图4b的示例中，p1和p2竖直地取向，平行于图4b的y轴(例如，位于像素阵列的相同列中)。在图4c的示例中，p1和p2竖直地布置并且被配置为检测水平方向上、诸如与竖直边缘的相位差(例如，使用不透明的遮光层，诸如金属掩模30)。

如图5所示，图像传感器14可包括含有被布置成行和列的图像传感器像素122(有时在本文称为图像像素、相位检测像素或像素)的像素阵列120以及控制和处理电路124。阵列120可包含例如几百或几千行以及几百或几千列像素122。控制电路124可耦接到行控制电路126和图像读出电路128(有时称为列控制电路、读出电路、处理电路或列解码器电路)。行控制电路126可从控制电路124接收行地址，并且通过行控制路径130将对应的行控制信号，诸如复位控制信号、行选择控制信号、电荷转移控制信号、双转换增益控制信号和读出控制信号提供给像素122。可将一根或多根导线(诸如，列线132)耦接到阵列120中的像素122的每一列。列线132可用于从像素122读出图像信号以及用于将偏置信号(例如，偏置电流或偏置电压)提供给像素122。如果需要，在像素读出操作期间，可使用行控制电路126选择阵列120中的像素行，并且可沿列线132读出由该像素行中的图像像素122生成的图像信号。

图像读出电路128可通过列线132接收图像信号(例如，由像素122生成的模拟像素值)。图像读出电路128可包括用于对从阵列120读出的图像信号进行采样和暂时存储的采样保持电路、放大器电路、模拟-数字转换(adc)电路、偏置电路、列存储器、用于选择性启用或禁用列电路的锁存电路，或者耦接到阵列120中的一个或多个像素列以用于操作像素122和用于从像素122读出图像信号的其他电路。读出电路128中的adc电路可将从阵列120接收的模拟像素值转换成对应数字像素值(有时称为数字图像数据或数字像素数据)。图像读出电路128可针对一个或多个像素列中的像素通过路径125将数字像素数据提供给控制和处理电路124和/或图像处理和数据格式化电路16(图1)。

如果需要，图像像素122可包括一个或多个光敏区，以响应于图像光而生成电荷。图像像素122内的光敏区可成行成列地布置在阵列120上。图像阵列120可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列具有多个滤色器元件以允许单个图像传感器对不同颜色的光进行采样。例如，诸如阵列120中的图像像素的图像传感器像素可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器使用对应的被布置成拜耳马赛克图案的红色、绿色和蓝色图像传感器像素对红光、绿光和蓝光(rgb)进行采样。拜耳马赛克图案由重复的2×2个滤色器的单元格组成，其中两个绿色滤色器沿对角线彼此相对，并且邻近与蓝色滤色器沿对角线相对的红色滤色器。在另一个合适的示例中，拜耳图案中的绿色滤色器被替换为宽带滤色器元件(例如，黄色、品红或透明滤色器元件)。在又一个实施方案中，拜耳图案中的绿色滤色器之一可被替换为红外滤色器元件。这些示例仅仅是示例性的，并且一般来讲，可在任何所需数量的像素122上方形成任何所需颜色和任何所需图案的滤色器元件。

如果需要，阵列120可以是堆叠管芯布置的一部分，其中阵列120的像素122被划分在两个或更多个堆叠衬底之间。在这种布置中，阵列120中的每个像素122可在像素内的任何所需节点处被划分在两个管芯之间。举例来说，节点诸如浮动扩散节点可形成在两个管芯之上。包括光电二极管和耦接在光电二极管与期望节点(在本示例中，诸如浮动扩散节点)之间的电路的像素电路可以形成在第一管芯上，并且其余像素电路可以形成在第二管芯上。期望节点可形成在连接两个管芯的耦接结构(诸如导电衬垫、微型衬垫、导电互连结构或导电通孔)上(即，作为该耦接结构的一部分)。在两个管芯结合之前，耦接结构可以在第一管芯上具有第一部分，并且可以在第二管芯上具有第二部分。第一管芯和第二管芯可彼此结合，使得该耦接结构的第一部分和该耦接结构的第二部分被结合在一起并且电耦合。如果需要，耦接结构的第一部分和第二部分可彼此压缩结合。然而，这仅仅是例示性的。如果需要，可以使用任何已知的金属对金属接合技术诸如软焊或焊接，来将形成在第一管芯和第二管芯上的耦接结构的相应第一部分和第二部分接合在一起。

如上所述，像素电路中被划分到两个管芯之上的期望节点可为浮动扩散节点。另选地，所需节点可为浮动扩散区与源极跟随器晶体管栅极之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在形成有光电二极管的第一管芯上，同时耦接结构可以将浮动扩散节点连接至第二管芯上的源极跟随器晶体管)、浮动扩散区与转移晶体管源极-漏极节点之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在未设有光电二极管的第二管芯上)、源极跟随器晶体管源极-漏极节点与行选择晶体管之间的节点、或像素电路的任何其他所需节点。

图6是示出图像传感器14的示例性示意图，该图像传感器可包括具有由单个微透镜102覆盖的多个像素的相位检测像素组。如图所示，每个像素组100包括多个像素122。在该示例性示例中，每个像素组具有四个像素(p1、p2、p3和p4)。每个像素可具有相应光敏区。相应组100中的每个像素可由相同颜色的滤色器元件覆盖。例如，像素组100a中的像素p1、p2、p3和p4可由绿色滤色器元件覆盖。像素组100b中的像素p1、p2、p3和p4可由红色滤色器元件覆盖。像素组100c中的像素p1、p2、p3和p4可由蓝色滤色器元件覆盖。这个示例仅仅为示例性的。每个像素可具有相应滤色器元件，多个滤色器元件可各自覆盖每个像素组100中的多个像素，或单个滤色器元件可覆盖每个像素组100中的所有四个像素。

像素组100a可为绿色像素组，该绿色像素组形成在蓝色像素组附近、红色像素组附近并且与第二绿色像素组沿对角线相对以形成重复像素组100的单元格。这样，可形成像素组100的拜耳马赛克图案，其中每个像素组100包括被布置成两个对应相邻行和两个对应相邻列的四个子像素122。

形成单个微透镜102覆盖多个相同颜色的像素122的每个像素组100使图像传感器14能够具有相位检测能力。如结合图2a至图2c和图3所讨论，用单个微透镜覆盖多个光电二极管可为光电二极管提供对入射光的非对称的角度响应。然后可使用从像素采集的数据获得相位检测数据。在一些示例中，可比较从相位检测像素组中的两个像素采集的数据以获得相位检测数据。

可使用任何像素对来获得相位检测数据。可使用位于相同行(例如，p1和p2或者p3和p4)、位于相同列(例如，p1和p3或者p2和p4)、或彼此沿对角线相对(例如，p1和p4或者p2和p3)的像素。各种各样的可用子像素组合使图像传感器14能够检测多种类型的边缘。水平取向的相位检测像素对(例如，p1和p2)可更适合于检测场景中的竖直边缘，而竖直取向的相位检测像素对(例如，p1和p3)可更适合于检测场景中的水平边缘。类似地，彼此沿对角线相对的子像素(例如，p1和p4或者p2和p3)可适合于检测场景中的对角边缘。在某些实施方案中，图像传感器14可使用图像处理电路16以使用来自p1、p2、p3和p4的数据在所有取向上搜索边缘。另外，由于不同颜色的像素(例如，红色、蓝色、绿色等)全都具有相位检测能力，因此图像传感器14可能能够检测多种颜色的边缘。这将进一步提高图像传感器14的相位检测能力。

图6的布置使得在图像传感器的整个像素阵列中获得相位检测数据。这产生了数量更大的可用相位检测数据，从而可得到改善的相位检测。具体地讲，相位检测像素的高密度可提高整个场景中的精细细节的分辨率。在某些应用中，可使用来自整个像素阵列中的相位检测数据来形成整个所捕获的场景的深度图。

图6的布置可能对于获得可见光数据和相位检测数据两者都是有效的。然而，可能希望图像传感器14也获得近红外(nir)光数据。有多种方法为图像传感器14提供近红外光敏感性。在一个示例中，可在给定的成像像素中提供散射结构，以增强近红外光敏感性。散射结构可散射入射光，增加入射光在半导体衬底内的平均路径长度。半导体衬底内更长的平均路径长度增加了入射近红外光被半导体衬底转换成电子的机会。这增加了图像传感器对近红外光的敏感性。

图7是示例性相位检测像素组100的顶视图，该相位检测像素组包括用于增加近红外光敏感性的光散射结构。如图7所示，多个光散射结构202形成在像素组中(例如，在光敏区域p1、p2、p3和p4上方)。覆盖相位检测像素组的九个光散射结构的示例仅仅是示例性的。一般来讲，每个光敏区域可被任何所需数量的光散射结构覆盖。给定的光散射结构可重叠多于一个的光敏区域。

在图8中示出了包括光散射结构的示例性相位检测像素组100的横截面侧视图。如图8所示，像素组100包括形成在衬底108中的光敏区域，诸如光敏区域p1和p2。衬底108可由硅或另一种所需的材料(例如，硅锗)形成。微透镜102和滤色器元件104可覆盖像素组中的所有光敏区域。

另外，如图8所示，像素组100包括光散射结构202。在一个示例中，光散射结构可由折射率低于衬底108的透明材料形成。衬底108可被蚀刻以形成金字塔形凹部(或任何其他所需形状的凹部)。透明材料可填充蚀刻的凹部以形成光散射结构。光散射结构可具有圆锥形、圆柱形、金字塔形或任何其他所需的形状。光散射结构202可具有任何所需的尺寸。在一些实施方案中，衬底108的表面可被纹理化，纹理化表面用作光散射结构，用于增强近红外光敏感性。

附加钝化层204可形成在光散射结构202和滤色器元件104之间。钝化层204可包含二氧化硅、氧化钽、氧化钾、氧化铪、氧化铝、氮化硅等。平坦化层206可插置在滤色器元件104和微透镜102之间。深沟槽隔离(dti)208可围绕相位检测像素组的外围形成。

光散射结构202可重定向入射光，增加入射光在衬底内的路径长度。例如，考虑图8中的入射光210。入射光被光散射结构202重定向。因此，入射光在衬底108内行进的路径比入射光未被重定向时更长。然而，入射光被重定向到像素p2，而不是像素p1。光散射结构因此降低了来自相位检测像素组的相位检测像素数据的敏感性。

在图9的图中，示出了像素组100的像素p1和p2响应于不同角度入射光的像素信号输出的示例。类似于结合图3所示，线160可代表像素p2的输出图像信号(在不存在nir敏感性增强光散射结构的情况下)，并且线162可代表像素p1的输出图像信号(在不存在nir敏感性增强光散射结构的情况下)。如图9所示，在没有光散射结构的情况下，在两个信号160和162之间有较大的间隔。然而，线160-nir代表在存在nir敏感性增强光散射结构的情况下像素p2的输出图像信号，并且线162-nir代表在存在nir敏感性增强光散射结构的情况下像素p1的输出图像信号。如图所示，与信号160和162相比，信号160-nir和162-nir之间的差值减小。

因此，虽然将光散射结构结合到相位检测像素组中可增加像素组的nir敏感性，但是它可降低像素组的相位检测敏感性。为了实现可见光检测性能、近红外光检测性能和相位检测性能之间的平衡，光散射结构可仅结合到图像传感器中的一些像素组中。例如，在图6中，相位检测像素组根据拜耳滤色器图案布置(每个重复单元格中具有红色、蓝色和两个绿色相位检测像素组)。在一个选项中，每个重复单元格的红色相位检测像素组、蓝色相位检测像素组、以及绿色相位检测像素组之一可包括光散射结构，并且每个重复单元格的绿色相位检测像素组之一可不包括光散射结构。在这种布置中，nir敏感性优先于相位检测敏感性。在另一种布置中，每个重复单元格中的仅一个绿色相位检测像素组可包括光散射结构。在这种布置中，相位检测敏感性优先于nir敏感性。在一些情况下，为了增强nir敏感性，每个单元格中可用红外滤色器元件代替一个绿色滤色器元件。

在其他实施方案中，每个相位检测像素组可被设计成包括光散射结构，该光散射结构增加nir敏感性，同时最小化相位检测和可见光性能的破坏。

图10a是具有相位检测像素组的示例性图像传感器的横截面侧视图，该像素组具有增加的nir敏感性，并且减轻了对相位检测性能和可见光敏感性的破坏。如图10a所示，每个相位检测像素组具有与图8的相位检测像素组类似的结构。微透镜102覆盖相应的滤色器元件104和光敏区域(例如，4×4布置中的四个光敏区域)。平面化层206插置在滤色器元件104和微透镜102之间。光散射结构202形成在衬底108中。附加钝化层204(二氧化硅、氧化钽、氧化钾、氧化铪、氧化铝、氮化硅等)可形成在光散射结构202和滤色器元件104之间。

类似于图8，图10a的相位检测像素组包括形成在每对相邻的相位检测像素组之间的深沟槽隔离208-1(例如，组间dti)。然而，相位检测像素组还包括组内深沟槽隔离208-2。如图10a所示，深沟槽隔离208-2可插置在给定相位检测像素组的相应光敏区域之间。深沟槽隔离208-1和208-2可以是背面深沟槽隔离(bdti)或正面深沟槽隔离(fdti)。

背面深沟槽隔离可通过从后表面212朝向前表面214在衬底108的后表面212中蚀刻沟槽来形成。涂层、氧化物层(例如，二氧化硅层)和/或不透明层可任选地填充bdti沟槽。正面深沟槽隔离(fdti)结构可通过从前表面214朝向后表面212蚀刻沟槽到衬底108中来形成。然后用有助于隔离相邻光敏区域的材料填充沟槽。例如，fdti沟槽可用填充材料填充，诸如多晶硅、一个或多个涂层、氧化物层、不透明层和/或任何其他所需的材料。

在相位检测像素组的相邻光敏区域之间形成dti208-2使得光散射能够提高nir敏感性，同时保持相位检测性能。例如，如图10a所示，入射光可被光散射结构202重定向。在没有组内dti208-2的存在的情况下(例如，如图8所示)，入射光210将被不期望地从p1重定向到p2。然而，在图10a中，dti208-2反射入射光并将入射光保持在p1内。光散射结构通过重定向光和增加入射光的路径长度来提高nir敏感性。dti通过减少光散射引起的光敏区域之间的串扰来保持相位检测性能。

图10b是图10a的图像传感器的顶视图。图10b示出了可在像素阵列上重复的相位检测像素组的单元格。在图10b中，两个绿色相位检测像素组100g、一个红色相位检测像素组100r和一个蓝色相位检测像素组100b布置在2×2单元格中。每个相位检测像素组包括2×2布置中的四个像素(类似于图6所示)。在一些情况下，具有2×2布置的像素(或光敏区域)的相位检测像素组可改为称为具有2×2布置的子像素(或光敏区域)的相位检测像素。

如图10b所示，dti208-1形成在相邻相位检测像素组之间，并且dti208-2形成在每个相位检测像素组内的相邻光敏区域之间。

在图10b中，每个光敏区域被相应的多个(例如，3×3布置)光散射结构202覆盖。这个示例仅仅为示例性的。一般来讲，每个光敏区域可被具有任何所需形状的任何所需数量的光散射结构覆盖。类似地，包括2×2布置的光敏区域的每个相位检测像素组的图10b的示例仅仅是示例性的。每个相位检测像素组可包括1×2布置的光敏区域、3×3布置的光敏区域或任何其他所需布置的光敏区域。

另外，在相位检测像素组上方具有拜耳滤色器图案(例如，具有一个红色、一个蓝色和两个绿色滤色器元件)的图10b中的示例仅仅是示例性的。在另选实施方案中，绿色滤色器元件之一可替代为红外滤色器元件。如果需要，可使用其他滤色器图案(例如，红色、黄色、黄色、青色)。

在一些实施方案中，可在图像传感器中的相邻滤色器元件之间形成复合栅格。图11a是示例性图像传感器的横截面侧视图，在相邻滤色器元件104之间具有复合栅格216。如图11b所示，复合栅格216可形成在每对相邻的相位检测像素组100之间。复合栅格216可包括金属部分218(例如，由钨或另一种所需的材料形成)和氧化物部分220(例如，由二氧化硅或另一种所需的材料形成)。复合栅格216有时可被称为反射栅格。复合栅格可防止相位检测像素组之间的串扰。

如果需要，反射层可任选地包括在衬底的前表面处。图12a是具有正面反射器的图像传感器的横截面侧视图。如图12a所示，正面反射器224可形成在衬底108正面的电介质层222中。每个反射器224可重叠相位检测像素组的相应光敏区域。反射器224可由任何所需的材料(例如，钛或铝)形成。反射器可反射40％以上的入射光、60％以上的入射光、80％以上的入射光、80％以上的入射光、90％以上的入射光、95％以上的入射光等。电介质层222有时可被称为钝化层，并且可由任何所需的材料形成。在一些情况下，反射器224可由利用全内反射(tir)来反射光的电介质材料形成。反射器224可被称为反射层。

在图12a和图12b中，每个光敏区域与对应的分立反射器224重叠。这个示例仅仅为示例性的。如果需要，连续反射层可延伸横跨衬底的正面上的多个光敏区域(例如，横跨整个相位检测像素组、横跨相位检测像素组的整个重复单元格、横跨整个像素阵列等)。然而，将反射层分成每个光敏区域一个反射器的分立的反射器可降低图像传感器内的机械应力，并且可减轻光敏区域之间的串扰。

反射器224可将已经穿过光敏区域的光反射回光敏区域。这有效地增加了图像传感器的入射光的平均路径长度，增加了对近红外光的敏感性。然而，因为入射光被dti208-1和208-2包含在每个光敏区域内，所以相位检测性能得以保持。

在一些情况下，光散射结构可选择性地应用于每个光敏区域上方。该类型的示例在图13a和图13b中示出。如图13a和图13b所示，光散射结构202可选择性地分组在每个相位检测像素组的拐角中。这允许朝向相位检测像素组的拐角的入射光(例如，图13a中的入射光210-1)被散射，以提高近红外光敏感性。然而，省略相位检测像素组的中心的光散射结构可允许相位检测像素组的中心处的入射光(例如，图13a中的入射光210-2)不受光散射结构干扰地通过，从而保持像素的非对称的角度响应。以这种方式省略光散射结构有效地牺牲了一些nir敏感性，以换取改善的相位检测性能。

图13b的顶视图示出了光散射结构202可如何形成在相位检测像素组的拐角处，并且朝着相位检测像素组的中心被省略。在图10至图12中，光散射结构202在相位检测像素组上均匀地分布(例如，在相位检测像素组上每单位面积的光散射结构的数量是一致的)。在图13a和图13b中，光散射结构202在相位检测像素组上不均匀地分布(例如，在相位检测像素组上每单位面积的光散射结构的数量不一致)。

组内深沟槽隔离(类似于图10a所示)可结合到图13a的图像传感器中。这种类型的实施方案在图14a中示出。图14a的图像传感器包括光散射结构202的非均匀分布和组内dti208-2两者。dti208-2(其可以是正面深沟槽隔离或背面深沟槽隔离)可帮助将被光散射结构散射的入射光(例如，入射光210-1)包含在适当的光敏区域内，以获得相位检测数据。

图15a和图15b示出了另一个实施方案，其中光散射结构202被选择性地分组在每个相位检测像素组的拐角中。此外，背面深沟槽隔离(bdti)232可围绕相位检测像素组的中心形成为环形。图15b的顶视图示出了bdti232如何可以是环形的(环状的)，使得bdti横向地围绕相位检测像素组的中心。bdti可将相位检测像素组的中心部分(没有被任何光散射结构重叠)与相位检测像素组的外围部分(被非均匀分布的光散射结构重叠)分开。

背面深沟槽隔离可通过从后表面朝向前表面在衬底108的后表面中蚀刻沟槽来形成。涂层、氧化物层(例如，二氧化硅层)和/或不透明层可任选地填充bdti沟槽。bdti232可防止被光散射结构202散射的入射光(例如，210-1)在光敏区域之间交叉。

在另一个可能的实施方案中，正面深沟槽隔离(fdti)可形成在单个相位检测像素组内相邻光敏区域之间的栅格中。图16a和图16b示出了具有fdti234的图像传感器14。在相位检测像素组的相邻光敏区域之间形成fdti234使得光散射能够提高nir敏感性，同时保持相位检测性能。例如，如图16a所示，入射光210-1可被光散射结构202重定向。在不存在组内fdti234的情况下，入射光210-1将被不期望地从p1重定向到p2。然而，在图16a中，fdti234反射入射光并将入射光保持在p1内。光散射结构通过重定向光和增加入射光的路径长度来提高nir敏感性。fdti通过减少光散射引起的光敏区域之间的串扰来保持相位检测性能。

在图16b中，例如在图13b中，光散射结构202可形成在相位检测像素组的拐角处，并且朝向相位检测像素组的中心被省略。

正面深沟槽隔离(fdti)234可通过从衬底的前表面朝向衬底的后表面蚀刻沟槽到衬底108中来形成。然后用有助于隔离相邻光敏区域的材料填充沟槽。例如，fdti沟槽可用填充材料填充，诸如多晶硅、一个或多个涂层、氧化物层、不透明层和/或任何其他所需的材料。在一个示例中，在相邻相位检测像素组之间形成的dti208-1也可以是fdti。另选地，dti208-1可以是bdti。如果dti208-1是fdti，则dti208-1和fdti234可在相同的制造步骤中形成。当为fdti蚀刻沟槽时，较宽的沟槽将在相同的时间内蚀刻到更深的深度。因此，fdti234可比dti208-1窄。当蚀刻相同的时间量时，dti208-1沟槽的长度将长于fdti234沟槽的长度。具有比dti208-1更小的宽度和更短的深度的fdti234的示例仅仅是示例性的。一般来讲，fdti234可以具有任何所需的尺寸。

图17a和图17b示出了包括图13a的光散射结构的非均匀分布、图15a的bdti和图16a的fdti的示例性实施方案。fdti234和bdti232的存在可防止入射光210-2在相位检测像素组的中心处的串扰。类似于前面的实施方案，在相位检测像素组的边缘处的光210-1被bdti232包含在相应的光敏区域内。

在图10至图17中，每个光敏区域可被具有任何所需形状的任何所需数量的光散射结构覆盖。光散射结构可以均匀或非均匀的密度布置。类似地，包括2×2布置的光敏区域的每个相位检测像素组的图10至图17的示例仅仅是示例性的。每个相位检测像素组可包括1×2布置的光敏区域、3×3布置的光敏区域或任何其他所需布置的光敏区域。

另外，在相位检测像素组上方具有拜耳滤色器图案(例如，具有一个红色、一个蓝色和两个绿色滤色器元件)的图10至图17中的示例仅仅是示例性的。在另选实施方案中，绿色滤色器元件之一可替代为红外滤色器元件。如果需要，可使用其他滤色器图案(例如，红色、黄色、黄色、青色)。

如果需要，可在单个图像传感器中使用前面的实施方案的任何期望的组合。例如，图10a和图10b的组内dti可应用于本文的任何实施方案，图11a和图11b的反射栅格可应用于本文的任何实施方案，图12a和图12b的正面反射器可应用于本文的任何实施方案，等等。图10至图17所示的dti深度的示例仅仅是示例性的。深沟槽隔离不需要完全在衬底108的前表面和后表面之间延伸。深沟槽隔离可仅部分地在衬底108的前表面和后表面之间延伸。

在一些情况下，可在图像传感器中使用具有开口的微透镜，诸如环面微透镜102(有时称为环形微透镜或环状微透镜)。如果需要，也可使用包括开口的其他形状的微透镜(例如，具有中心开口的三叶草形状)。当使用环面微透镜时，较长波长的光(例如，nir光)可优先穿过微透镜的开口。因此，光散射结构202可选择性地放置在微透镜中的开口下方，如图18a和图18b所示。因此，穿过微透镜中的开口的nir光将被光散射结构202散射，从而增加nir敏感性。穿过微透镜102的微透镜材料的可见光将不会被光散射结构102散射，从而保持相位检测性能。

在另一个实施方案中，如图19a和图19b所示，当相位检测像素包括环面微透镜时，bdti可结合到衬底中。如图19a和图19b所示，bdti232可具有横向地围绕相位检测像素组的中心部分的环形形状。衬底的中心部分(在bdti232内)可被光散射结构202和微透镜102中的开口重叠。相位检测像素组的外围部分(bdti232之外)可不被任何光散射结构重叠，并且可被微透镜102的微透镜材料重叠。图19a的bdti可提高图像传感器中的相位检测性能。

在又一个实施方案中，如图20a和图20b所示，除了环面微透镜下的bdti之外，还可结合fdti。如图20a和图20b所示，fdti234可具有环形形状，其占有面积大于bdti232的占有面积。fdti234可帮助保持相位检测像素组的内部区域中的nir敏感性，同时保持相位检测像素组的外部区域中的非对称的角度响应。

根据一个实施方案，图像传感器可包括半导体衬底和多个相位检测像素组，并且每个相位检测像素组可包括：半导体衬底中的至少两个光敏区域；微透镜，其覆盖所述至少两个光敏区域；滤色器元件，其插置在微透镜和所述至少两个光敏区域之间；光散射结构，其形成在半导体衬底的第一侧上，其中所述至少两个光敏区域中的每一个都被光散射结构重叠；第一隔离结构，其围绕相位检测像素组的外围形成；和第二隔离结构，其在相位检测像素组内的每对相邻的光敏区域之间形成。

根据另一个实施方案，图像传感器还可包括围绕每个相位检测像素组的滤色器元件的外围形成的反射栅格。

根据另一个实施方案，光散射结构可均匀地分布在每个相位检测像素组上。

根据另一个实施方案，光散射结构可不均匀地分布在每个相位检测像素组上。

根据另一个实施方案，光散射结构可形成在每个相位检测像素组的拐角中，并且光散射结构可在每个相位检测像素组的中心部分上方被省略。

根据另一个实施方案，半导体衬底可具有与第一侧相对的第二侧，并且每个相位检测像素组也可包括在半导体衬底的第二侧上的反射层。

根据另一个实施方案，半导体衬底具有与第一侧相对的第二侧，每个相位检测像素组还可包括多个反射器，并且每个光敏区域可与多个反射器中的相应反射器重叠。

根据另一个实施方案，半导体衬底可具有与第一侧相对的第二侧，并且第二隔离结构可包括从第一侧延伸到第二侧的背面深沟槽隔离结构。

根据另一个实施方案，半导体衬底可具有与第一侧相对的第二侧，并且第二隔离结构可包括从第二侧朝向第一侧部分地延伸的正面深沟槽隔离结构。

根据另一个实施方案，每个相位检测像素组也可包括形成在相位检测像素组的中心部分周围的环中的背面深沟槽隔离。

根据另一个实施方案，背面深沟槽隔离结构可横向地围绕相位检测像素组的中心部分，相位检测像素组的外围部分可横向地围绕背面深沟槽隔离结构，光散射结构可重叠相位检测像素组的外围部分，并且光散射结构可不重叠相位检测像素组的中心部分。

根据一个实施方案，图像传感器可包括具有第一和第二相对侧以及多个相位检测像素组的半导体衬底。每个相位检测像素组可包括：半导体衬底中的至少两个光敏区域；微透镜，其覆盖所述至少两个光敏区域；滤色器元件，其插置在微透镜和所述至少两个光敏区域之间；深沟槽隔离，其围绕相位检测像素组的外围形成；和光散射结构，其在半导体衬底的第一侧上形成。光散射结构可在相位检测像素组上具有不均匀的密度。

根据另一个实施方案，光散射结构可不与相位检测像素组的中心部分重叠。

根据另一个实施方案，每个相位检测像素组还可包括在围绕相位检测像素组的中心部分的环中延伸的隔离结构。

根据另一个实施方案，光散射结构中没有一个可与相位检测像素组的中心部分重叠。

根据另一个实施方案，隔离结构可包括背面深沟槽隔离结构。

根据一个实施方案，图像传感器可包括半导体衬底和多个相位检测像素组。每个相位检测像素组可包括：半导体衬底中的至少两个光敏区域；微透镜，其覆盖所述至少两个光敏区域并且具有中心开口；滤色器元件，其其插置在微透镜和所述至少两个光敏区域之间；和光散射结构，其形成在半导体衬底的第一侧上。微透镜的中心开口可与光散射结构重叠，并且光散射结构可不形成在相位检测像素组的外围部分中。

根据另一个实施方案，微透镜可以是环面微透镜。

根据另一个实施方案，每个相位检测像素组还可包括在围绕光散射结构的环中延伸的背面深沟槽隔离结构。

根据另一个实施方案，每个相位检测像素组还可包括在围绕背面深沟槽隔离结构的环中延伸的正面深沟槽隔离结构。

前述内容仅仅是对本实用新型原理的示例性说明，并且本领域技术人员可以进行多种修改。上述实施方案可单个实施或以任意组合方式实施。