一种图像传感器及其形成方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，具体地涉及一种图像传感器及其形成方法。


背景技术：

2.图像传感器是将光学图像信号转换为电信号的半导体器件。在种类繁多的图像传感器中，互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，简称cmos)图像传感器(cmos image sensor，简称cis)因其体积小、功耗低、价格低廉的优点而得到广泛应用。
3.现有的cmos图像传感器(可简称为图像传感器)主要包括前照式(front-sideillumination，简称fsi)cmos图像传感器和后照式(back-sideillumination，简称bsi)cmos图像传感器两种。其中，后照式cmos图像传感器因其更好的光电转换效果而获得的更广泛的应用，所述后照式cmos图像传感器也可以称为背照式cmos图像传感器。
4.目前，高像素图像传感器芯片受到市场热捧。从市场销售、市场营销的角度，便携式电子装置厂商、智能手机厂商多将摄像头的性能参数、像素数量作为主打卖点，在推出新产品时从广告效益方面突出图像传感器芯片的高像素，近年来智能手机的像素数量从1600万像素提升至4800万、6400万像素、甚至1亿像素，像素数量的增多对应的像素单元的尺寸变小，从1.75微米(um)降到现在的0.7um，而当像素单元尺寸较小的时候，像素单元进光量变小，接受到的信号变弱，像素单元上微透镜之间的光信号串扰问题加重。且为了要实现pd的功能需求，解决光信号的串扰问题，会在像素设计的时候，引入深度隔离(dti)。另外，小尺寸的像素单元，会导致图像传感器的满阱容量降低，图像传感器的性能较差。若仍采用大尺寸的像素单元则会导致图像传感器芯片的尺寸变大、模组高度变高，与智能手机轻薄化的应用需求方向矛盾。因此，如何兼容营销高像素图像传感器芯片与兼顾图像传感器芯片性能成为亟待解决的问题。
5.专利cn106257678b提供一种cmos图像传感器，通过设置与光电二极管一一对应的微透镜阵列，微透镜阵列中设置多个微透镜，并且在微透镜阵列中，对应光电二极管边缘区域的微透镜尺寸小于对应光电二极管中央区域的微透镜尺寸，以实现增加光通量，提高光敏度的技术效果。本发明人对专利cn106257678b中提出的技术方案与技术效果进行仿真验证，以微透镜阵列包含3个微透镜，且中央微透镜尺寸大，边缘微透镜尺寸小作为示例，与像素单元对应单个微透镜的传统结构进行验证对比，图1是专利cn106257678b中的技术方案与传统微透镜方案的对比验证结果。具体的，如图1所示，分别用图像传感器中央微透镜区域与边缘微透镜区域在单个微透镜和微透镜阵列中的光敏度进行比对，对于单个微透镜来说，中央微透镜区域为单个微透镜的中央区域，边缘微透镜区域为单个微透镜的边缘区域。由图中可以看出，像素单元对应单个透镜的光敏度约为78％，像素单元对应微透镜阵列的光敏度约为60％，当把微透镜设置为多个微透镜组成的微透镜阵列时，并不能提高光敏度，反而会致使光敏度降低。显然，经技术验证，专利cn106257678b提出的技术方案并不能达到增加光通量、提供光敏度的技术效果。


技术实现要素：

6.本发明解决的技术问题是提供一种改进的图像传感器及其形成方法。
7.为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器，包括：半导体衬底；多个光电二极管，位于所述半导体衬底内；多个微透镜阵列，位于所述半导体衬底表面，每个微透镜阵列对应一光电二极管，每个所述微透镜阵列由n行与n列的微透镜组成，n≥2；其中，排布在所述微透镜阵列中的同行微透镜或同列微透镜或同一对角线的微透镜尺寸相同。
8.可选地，每个所述微透镜阵列中的微透镜尺寸相同。
9.可选地，每个所述微透镜阵列由2行与2列的4个微透镜组成，位于同一对角线的微透镜的尺寸两两相同。
10.可选地，每个所述微透镜阵列由2行与2列的4个微透镜组成，位于同一行的两个微透镜的尺寸两两相同。
11.可选地，每个所述微透镜阵列由2行与2列的4个微透镜组成，位于同一列的两个微透镜的尺寸两两相同。
12.可选地，每个所述微透镜阵列由3行与3列的9个微透镜组成，位于同一行的三个微透镜的尺寸相同。
13.可选地，每个所述微透镜阵列由3行与3列的9个微透镜组成，位于同一列的三个微透镜的尺寸相同。
14.可选地，所述微透镜为凸透镜形状，凸透镜的底面平坦。
15.本发明还提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底内具有光电二极管；在所述半导体衬底表面设置多个微透镜阵列，每个所述微透镜阵列与一所述光电二极管对应，每个所述微透镜阵列由n行与n列的微透镜组成，n≥2；其中，排布在所述微透镜阵列中的同行微透镜或同列微透镜或同一对角线的微透镜尺寸相同。
16.可选地，还包括在所述半导体衬底和微透镜阵列之间形成滤光片的步骤。
17.可选地，形成所述微透镜阵列包括以下步骤：在与每个所述光电二极管对应的滤光片上形成栅栏，所述栅栏由若干相互间隔的条状结构组成，相邻所述条状结构之间具有间隙，每个所述间隙与一预定形成的所述微透镜对应；沉积微透镜材料，以填充所述间隙；去除所述栅栏；回流所述微透镜材料，以形成多个所述微透镜。
18.可选地，所述栅栏由若干行或若干列相交的条状结构组成，相邻所述条状结构之间为方形间隙。
19.可选地，所述微透镜为凸透镜形状，凸透镜的底面平坦。
20.与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
21.通过将微透镜阵列设置为多个尺寸的微透镜，使像素数量成倍增加，从而满足市场对高像素的需求，同时又避免了因像素尺寸过小导致的感光性能弱、芯片性能下降的问题，既满足营销、市场需求又保证像素单元的成像性能；
22.通过将具有多个微透镜的微透镜阵列对应一个感光二极管，从而在满足像素数量的情况下，提升感光单元的面积，从而提升像素的灵敏度，解决由于单个像素因为分辨率要求，单位面积下降而带来的信噪比的损失。
附图说明
23.图1是专利cn106257678b中的技术方案与传统微透镜方案的对比验证结果。
24.图2是本发明实施例一提供的图像传感器的局部俯视图；
25.图3是图2所示图像传感器中沿虚线的剖面结构示意图；
26.图4是本发明实施例一种图像传感器的形成方法的流程图；
27.图5是本发明实施例二提供的图像传感器的局部俯视图；
28.图6是本发明实施例三提供的图像传感器的局部俯视图；
29.图7是本发明实施例四提供的图像传感器的局部俯视图；
30.图8是本发明实施例五提供的图像传感器的局部俯视图；
31.图9是本发明实施例六提供的图像传感器的局部俯视图。
具体实施方式
32.为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种图像传感器及其形成方法，通过于像素单元上设置多个微透镜，既满足营销、市场需求又保证像素单元的成效性能。
33.在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。
34.以下结合具体实施例对本发明进一步阐述。
35.实施例一
36.如图2所示，本发明提供一种图像传感器，包括：半导体衬底10；多个光电二极管(未绘出)，位于半导体衬底10内；多个微透镜阵列11，位于半导体衬底10表面，每个微透镜阵列11对应一光电二极管，每个所述微透镜阵列由n行与n列的微透镜组成，n≥2；其中，排布在微透镜阵列11中的同行微透镜或同列微透镜或同一对角线的微透镜尺寸相同。
37.微透镜阵列中的微透镜呈行列方式排布，至少包括两行与两列，可根据实际情况进行合理的选择。在本实施例中，如图2所示，微透镜阵列由2行与2列的微透镜组成，即微透镜阵列11包括微透镜111、112、113及114。其中，微透镜111与微透镜113位于同一对角线上，微透镜112与微透镜114位于同一对角线上，微透镜111与微透镜113的尺寸相同，微透镜112与微透镜114的尺寸相同，微透镜111、113与微透镜112、114的尺寸不相同。当然，微透镜111、112、113及114的尺寸也可以都相同，即每个微透镜阵列中的微透镜尺寸相同，也可以根据实际需要进行设计。
38.进一步地，微透镜阵列中的微透镜边缘相连，可减少光损耗。微透镜为凸透镜形状，凸透镜的底面平坦。
39.图4是本发明提供的图像传感器的形成方法的流程图。具体地，参照图2及图3，所述图像传感器的形成方法可以包括如下步骤：
40.首先，提供半导体衬底10，在所述半导体衬底10内具有光电二极管12；
41.然后，在所述半导体衬底10表面设置多个微透镜阵列11，每个所述微透镜阵列11与一所述光电二极管12对应，每个所述微透镜阵列11由n行与n列的微透镜组成，n≥2；其
中，排布在所述微透镜阵列11中的同行微透镜或同列微透镜或同一对角线的微透镜尺寸相同。
42.进一步地，在形成微透镜之前，还可以包括：在半导体衬底表面设置滤光片的步骤。滤光片的位置与光电二极管的位置一一对应。滤光片可设置为拜耳阵列或4c阵列，以过滤在每个波长范围内的光。
43.作为示例，形成微透镜阵列包括以下步骤：首先，在与每个光电二极管12对应的半导体衬底表面形成栅栏，栅栏由若干相互间隔的条状结构对应，相邻条状结构支架具有间隙，每个间隙与一预定形成的微透镜对应，该条状结构可由任何相对之后沉积的微透镜材料具有较大的刻蚀可选比的材料构成，该条状结构具有一定的高度。为了保证之后栅栏去除时的工艺操作简单，且为了使得预定形成的微透镜之间不存在间隙，可控制条状结构的宽度，使其具有相对较窄的宽度。之后，沉积微透镜材料，以填充所述间隙。接着，去除所述栅栏，根据栅栏的材料选择合适的去除方法，例如可以刻蚀的方法，该刻蚀具有栅栏材料比微透镜材料大的刻蚀选择比，在去除栅栏的同时对微透镜材料不会造成刻蚀损耗。回流所述微透镜材料，以形成多个微透镜，通过加热的方式实现所述回流。例如，将温度加热到微透镜材料的玻璃软化温度以上，在表面张力的作用下，微透镜材料的表面转变为半球型。具体的回流温度可根据实际使用的微透镜材料进行合理选择，在此不做具体限制。最终，形成的微透镜为凸透镜形状。微透镜的底面平坦，且位于所述衬底上。可根据实际需要制作的微透镜的数量、尺寸、高度等选择合适的栅栏。
44.进一步地，若预定形成的微透镜阵列由若干行和若干列的微透镜组成，则所述栅栏由若干行和若干列相交的条状结构组成，相邻所述条状结构之间具有方形间隙。进一步，所述方形可以为正方形，也可以为其他形状例如矩形。
45.根据上述方法，形成了本发明提供的图像传感器。
46.实施例二
47.本实施例提供一种图像传感器，如图5所示，其技术方案与实施例一相似，与实施例一不同的是，微透镜的大小排布不同。
48.具体的，请参照图5，本实施例提供的图像传感器，微透镜阵列20由2行与2列的微透镜组成，及包括微透镜211、212、213及214。其中，微透镜211与微透镜212位于第一行，微透镜213与微透镜214位于第二行，微透镜211与微透镜212的尺寸相同，微透镜213与微透镜214的尺寸相同，微透镜211、212与微透镜213、214的尺寸不相同。
49.其他技术方案与实施例一相同，在此不再赘述。
50.实施例三
51.本实施例提供一种图像传感器，如图6所示，其技术方案与实施例一相似，与实施例一不同的是，微透镜的大小排布不同。
52.具体的，请参照图6，本实施例提供的图像传感器，微透镜阵列30由2行与2列的微透镜组成，即包括微透镜311、312、313及314。其中，微透镜311与微透镜313位于第一列，微透镜312与微透镜314位于第二列，微透镜311与微透镜313的尺寸相等，微透镜312与微透镜314的尺寸相同，微透镜311、313与微透镜312、314的尺寸不相同。
53.其他技术方案与实施例一、实施例二相同，在此不再赘述。
54.实施例四
55.本实施例提供一种图像传感器，如图7所示，其技术方案与实施例一相似，与实施例一不同的是，微透镜的数量与大小排布不同。
56.具体的，请参照图7，本实施例提供的图像传感器，微透镜阵列40由3行与3列的微透镜组成，即包括微透镜411、412、413、414、415、416、417、418及419。其中，微透镜411与微透镜415、419位于同一对角线上，微透镜413与微透镜415、417位于另一对角线上，微透镜411、415、419、413、417的尺寸相同，微透镜412、414、416、418的尺寸相同，微透镜411、415、419、413、417与微透镜412、414、416、418的尺寸不相同。
57.其他技术方案与实施例一相同，在此不再赘述。
58.实施例五
59.本实施例提供一种图像传感器，如图8所示，其技术方案与实施例四相似，与实施例四不同的是，微透镜的大小排布不同。
60.具体的，请参照图8，本实施例提供的图像传感器，微透镜阵列50由3行与3列的微透镜组成，即包括微透镜511、512、513、514、515、516、517、518及519。其中，微透镜511与微透镜514、517位于第一列，微透镜512与微透镜515、518位于第二列，微透镜513、516、519位于第三列，微透镜511、514、517的尺寸相同，微透镜512、515、518的尺寸相同，微透镜513、516、519的尺寸相同，微透镜511、514、517与微透镜512、515、518及微透镜513、516、519的尺寸互不相同。
61.其他技术方案与实施例四相同，在此不再赘述。
62.实施例六
63.本实施例提供一种图像传感器，如图9所示，其技术方案与实施例四相似，与实施例四不同的是，微透镜的大小排布不同。
64.具体的，请参照图9，本实施例提供的图像传感器，微透镜阵列60由3行与3列的微透镜组成，即包括微透镜611、612、613、614、615、616、617、618及619。其中，微透镜611与微透镜612、613位于第一行，微透镜614与微透镜615、616位于第二行，微透镜617与微透镜618、619位于第三行。其中，同一行的微透镜尺寸相同，即微透镜611、612、613的尺寸相同，微透镜614、615、616的尺寸相同，微透镜617、618、619的尺寸相同，微透镜611、612、613与微透镜614、615、616及微透镜617、618、619的尺寸互不相同。
65.其他技术方案与实施例四相同，在此不再赘述。
66.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。