图像感测装置

技术领域

本专利文档中公开的技术和实现总体上涉及图像感测装置。

背景技术

图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的装置。随着汽车、医疗、计算机和通信行业的最新发展，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、医疗微型相机、机器人等的各种装置中对高性能图像传感器的需求日益增长。

发明内容

所公开的技术的各种实施方式涉及一种用于通过最小化邻近像素之间的串扰来增加光效率的图像感测装置。

在所公开的技术的实施方式中，图像感测装置可以包括：像素阵列，其包括多个单位像素，每个单位像素被构造为响应于入射光而将入射光转换为电信号，并且来自像素阵列的电信号表示由像素阵列捕获的图像。像素阵列可以包括：多个滤色器，其相对于多个单位像素放置，并且被配置为对入射光进行过滤以透射要被多个单位像素接收的预定波长的光；多个栅格结构，其设置在多个滤色器之间，并被配置为防止在相邻的滤色器之间发生光学串扰；以及透镜层，其设置在滤色器和栅格结构上方，并被配置为引导入射光以会聚在多个滤色器上。透镜层可以包括：多个主微透镜，其被定位为在空间上分别对应于多个单位像素，使得每个主微透镜将入射光引导至对应的单位像素；以及至少一个边缘微透镜，其设置为与主微透镜偏移，以至少部分地与相邻的主微透镜共同交叠，并且被配置为将入射在主微透镜上的光线向对应的单位像素折射，以改善图像感测。

根据所公开的技术的另一实施方式，图像感测装置可以包括：多个滤色器，其形成为对入射光进行过滤以透射预定波长的光；多个主微透镜，其以主微透镜被设置为一对一地对应于滤色器的方式分别设置在多个滤色器上方；以及至少一个边缘微透镜，其以至少一个边缘微透镜至少部分地与多个主微透镜共同交叠的方式被设置为在相邻的主微透镜之间并与相邻的主微透镜交叠。

应当理解，所公开的技术的前述概括描述和以下详细描述二者都是示例性和解释性的，并且旨在提供对所要求保护的本公开的进一步解释。

附图说明

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示例的框图。

图2是例示基于所公开的技术的一些实现的图1所示的像素阵列中所形成的单位像素的透镜层的示例的平面图。

图3是例示基于所公开的技术的一些实现的沿着图2所示的线A-A′截取的单位像素的示例的截面图。

图4A是例示基于所公开的技术的一些实现的入射在主微透镜的未布置有边缘微透镜的边缘区域上的光的传播方向的示例的概念图。

图4B是例示基于所公开的技术的一些实现的入射在主微透镜的布置有边缘微透镜的边缘区域上的光的传播方向的示例的概念图。

图5A至图5C是例示基于所公开的技术的一些实现的用于形成图3所示的透镜层的方法的示例的截面图。

图6A至图6F是例示基于所公开的技术的一些实现的用于形成图3所示的透镜层的方法的其它示例的截面图。

图7是例示基于所公开的技术的一些实现的在图1所示的像素阵列中形成的单位像素的透镜层的示例的平面图。

图8是例示基于所公开的技术的一些实现的在图1所示的像素阵列中形成的单位像素的透镜层的另一示例的平面图。

图9是例示基于所公开的技术的一些实现的在图1所示的像素阵列中形成的单位像素的透镜层的又一示例的平面图。

具体实施方式

本专利文档提供了图像感测装置的实现和示例，其能够通过在主微透镜的边缘区域插入附加微透镜使得附加微透镜与主微透镜的边缘区域或死区(dead zone)交叠来增加设置在成像像素阵列上方的微透镜的光收集效率。所公开的技术可以在一些实施方式中使用，以实现通过使邻近像素之间的串扰最小化而能够增加光效率的图像感测装置。

现在将参照一些实施方式详细进行说明，其示例在附图中示出。在整个附图中，将尽可能使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。在以下描述中，将省略在本文中并入的相关已知配置或功能的详细描述，以避免使主题变得模糊。

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。

在一些实现中，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。

像素阵列100可以包括在二维(2D)阵列中以行和列连续布置的单位像素(PX)。每个单位像素(PX)可以将入射光转换成电信号以生成像素信号，该像素信号通过列线发送给相关双采样器(CDS)200。每个单位像素(PX)可以包括形成在基板中的光电转换元件。在一些实现中，单位像素(PX)形成在基板上，该基板包括光入射在其上的第一表面和背离第一表面的第二表面。透镜层布置在光电转换元件上方以使光线会聚在光电转换元件上。透镜层可以包括特定结构，该特定结构使得入射在单位像素(PX)的边缘区域上的光能够会聚在光电转换元件上。

相关双采样器(CDS)200可以用于通过对像素信号采样两次以去除这两个采样之间的差异，来去除不期望的像素的偏移值。在一些实现中，相关双采样器(CDS)200可以保持并采样从像素阵列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，执行对接收的电图像信号的电压电平和参考电压电平的采样，并且可以生成与接收的电图像信号的电压电平和参考电压电平之间的差相对应的模拟信号。模拟信号被发送给模数转换器(ADC)300以进行数字化。

模数转换器(ADC)300用于将模拟信号转换为数字信号。模数转换器(ADC)300的示例可以包括将模拟像素信号与诸如斜坡上升或斜坡下降的斜坡信号之类的参考信号进行比较的斜坡比较型模数转换器，以及进行计数直到斜坡信号的电压与模拟信号匹配为止的定时器。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，以确定斜坡信号的电压电平与采样信号的电压电平是否匹配。模数转换器(ADC)300可以从定时发生器600接收时钟信号以对时钟信号进行计数，直到斜坡信号的电压电平与采样信号的电压电平匹配为止，并且可以向缓冲器400输出计数值作为转换后的数字信号。

缓冲器400可以临时存储从模数转换器(ADC)300接收的每个数字信号，并且可以感测并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)和感测放大器(未示出)。存储器可以存储作为从多个单位像素(PX)的输出信号转换来的数字信号的计数值。感测放大器可以感测并放大从存储器接收的每个计数值。

行驱动器500可以响应于定时发生器600的输出信号，以行线为基础选择性地激活像素阵列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。

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的操作。

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的操作。

斜坡信号发生器800可以响应于从控制寄存器700接收的控制信号和从定时发生器600接收的定时信号而生成斜坡信号，以控制从缓冲器400输出的图像信号。

图2是例示基于所公开的技术的一些实现的在图1所示的像素阵列100中形成的单位像素的透镜层的示例的平面图。图3是例示基于所公开的技术的一些实现的沿着图2所示的线A-A′截取的单位像素的示例的截面图。

参照图2和图3，图像感测装置的像素阵列100可以包括基板110、缓冲层120、滤色器层130、栅格结构140和透镜层150。

基板110可以包括具有彼此背离的第一表面和第二表面的半导体基板。半导体基板110可以包括单晶状态的材料。在一个示例中，半导体基板110可以包括含硅材料。也就是说，半导体基板110可以包括含单晶硅的材料。半导体基板110可以包括在其中扩散或注入的P型杂质。半导体基板层110可以包括光电转换元件112，使得每个单位像素(PX)包括通过器件隔离膜114与相邻光电转换元件隔离的光电转换元件112中的一个。

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。光电转换元件112可以包括垂直层叠在基板110中的杂质区域。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在彼此的顶部上的光电二极管。N型杂质区域和P型杂质区域可以通过离子注入形成。器件隔离膜114可以包括深沟槽隔离(DTI)结构。

缓冲层120可以用作用于平坦化在基板110的第一表面上方形成的层的平坦化层。此外，缓冲层120可以用作允许通过透镜层150和滤色器层130接收的入射光向光电转换元件112传输的抗反射膜。缓冲层120可以包括通过层叠具有不同折射率的不同材料形成的多层结构。例如，缓冲层120可以包括通过将氮化物膜122和氧化物膜124层叠在彼此的顶部上而形成的多层结构。氮化物膜122可以包括氮化硅膜(Si

滤色器层130可以包括位于光电转换元件112上方的滤光器，以对要由光电转换元件112检测的光进行过滤。在一些实现中，滤色器层130可以透射一定波长的可见光，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)包括被构造为填充栅格结构140之间的间隙的下部的至少一个滤色器。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光中的红光。每个绿滤色器(G)可以仅透射可见光的RGB光中的绿光。每个蓝滤色器(B)可以仅透射可见光的RGB光中的蓝光。在实现中，红滤色器(R)，绿滤色器(G)和蓝滤色器(B)可以以拜耳图案布置。在另一实现中，滤色器层130可以包括多个青滤色器、多个黄滤色器和多个品红滤色器。

栅格结构140可以布置在相邻滤色器之间的间隔处，以防止在滤色器之间发生光学串扰。在示例性实现中，栅格结构140可以以混合结构形成，该混合结构包括金属层142、设置在金属层142上方的诸如空气层144之类的低折射率材料层、以及覆盖膜146。覆盖膜146可以是栅格结构140的被构造为覆盖金属层142和空气层144的最外层。覆盖膜146可以形成为延伸到滤色器层130的下部。在这种情况下，形成于滤色器层130下方的覆盖膜146可以用作缓冲层120的一部分124。在另一示例实现中，也可以在不包括空气层的情况下形成栅格结构140。

透镜层150可以形成在滤色器层130和栅格结构140上方，以使得入射光能够会聚在滤色器层130的滤色器上。透镜层150可以包括外涂层152、边缘微透镜154和主微透镜156。

外涂层152可以用作用于使由栅格结构140和滤色器层130形成的层平坦化的平坦化层。难以控制滤色器层130的厚度(高度)以及栅格结构140的厚度，使得所得结构的表面不平坦。可以在滤色器层130和栅格结构140上方形成外涂层152，以为随后形成的微透镜层提供平坦的表面。

在一些实现中，外涂层152可以由与主微透镜156的材料相同的材料形成。例如，外涂层152可以包括光致抗蚀剂材料或氧化物膜。

所公开的技术可以在一些实施方式中实现，以提供一种图像感测装置，该图像感测装置能够通过在主微透镜(例如，主微透镜156)的边缘区域处插入附加微透镜(例如，边缘微透镜154)来增加设置在成像像素阵列上的微透镜的光收集效率。

边缘微透镜154可以使入射在主微透镜156的边缘区域上的光线折射，以将折射光朝向对应的单位像素的光电转换元件112引导。

当在垂直平面中观察时，边缘微透镜154可以形成在主微透镜156和外涂层152之间。例如，边缘微透镜154可以形成在主微透镜156和外涂层152之间，使得边缘微透镜154可以与主微透镜156的边缘区域垂直交叠。每个边缘微透镜154可以形成为圆顶形状，该圆顶形状具有平坦的底表面和具有弯曲轮廓的凸形顶表面。

当在水平面中观察时，边缘微透镜154可以形成为圆形，并且边缘微透镜154的中央部分可以以一个边缘微透镜154可以与相邻主微透镜156的边缘区域交叠的方式位于相邻主微透镜156之间的边界区域。在实现中，边缘微透镜154可以布置在两个相邻主微透镜156之间的边界区域。例如，通过设置在相邻滤色器之间的栅格结构140可以与边缘微透镜154的中央部分垂直交叠的方式，边缘微透镜154可以在第一方向(例如，X轴方向)和垂直于第一方向的第二方向(例如，Y轴方向)上彼此间隔开预定距离。也就是说，一个边缘微透镜154可以与两个相邻主微透镜156的边缘区域交叠。在另一实现中，边缘微透镜154可以如将参照图7讨论地布置在四个相邻主微透镜156之间的边界区域处。

在所公开的技术的一些实施方式中，边缘微透镜154可以由比主微透镜156具有更高折射率的材料形成。

每个单位像素包括一个主微透镜156，以将光线引导至对应的单位像素的滤色器层130。例如，主微透镜156可以一对一地分别对应于单位像素，并且可以形成在对应的像素区域中的外涂层152和边缘微透镜154上方。

主微透镜156可以划分为中央区域和围绕中央区域的边缘区域。主微透镜156的边缘区域可以形成为与边缘微透镜154部分交叠。例如，形成为与穿过主微透镜156的中央区域的X轴和Y轴相交的边缘区域可以形成为与对应的边缘微透镜154交叠。主微透镜156的中央部分可以形成为与光电转换元件112的中央部分交叠。

入射到主微透镜156的形成为与边缘微透镜154交叠的边缘区域上的光线可以朝向滤色器层130折射。

主微透镜156可以包括比边缘微透镜154具有更低的折射率的透光材料。例如，主微透镜156可以包括光致抗蚀剂材料或氧化物膜。

图4A是例示基于所公开的技术的一些实现的入射在主微透镜的未布置有边缘微透镜的边缘区域上的光的传播方向的示例的概念图。图4B是例示基于所公开的技术的一些实现的入射在主微透镜的布置有边缘微透镜的边缘区域上的光的传播方向的示例的概念图。

在下文中将参照图4A和图4B描述基于所公开的技术的一些实现的边缘微透镜的功能和操作。

参照图4A，如果不存在边缘微透镜154，则入射在主微透镜156的边缘区域上的光可以从主微透镜156的表面折射，并且折射的光可以穿过主微透镜156和外涂层152。

相比之下，如图4B所示，如果边缘微透镜154设置在主微透镜156下方，则入射在主微透镜156的边缘区域上的光可以被主微透镜156初次折射，然后可以被边缘微透镜156二次折射。

由于边缘微透镜154比主微透镜156的折射率更高并且具有曲率，因此与仅穿过主微透镜156的其它光线相比，由边缘微透镜154折射的光线可以具有更小的折射角。可以依据边缘微透镜154的折射率、边缘微透镜154的曲率半径(RoC)、以及边缘微透镜154的其它特性，来调整由边缘微透镜154折射的光线的折射角。

如果贯穿透镜层150的光线具有小的折射角，则与具有大折射角的光线相比，在缓冲层120中的光散射程度能够变得相对较小。因此，能够减少由缓冲层120中的光散射引起的光学串扰，同时增加会聚在光电转换元件112上的光线的量。

另外，即使外涂层152由与主微透镜156的材料相同的材料形成，在外涂层152与主微透镜156之间的边界区域处仍可能发生光散射。然而，如果通过边缘微透镜154减小入射在外涂层152上的光线的入射角，则可以发生更少的光散射。因此，由于使用了边缘微透镜154，能够有效地减少由外涂层152引起的光学串扰。

图5A至图5C是例示基于所公开的技术的一些实现的用于形成图3所示的透镜层的方法的示例的截面图。

参照图5A，可以在包括滤色器层130和栅格结构140的下部结构上方形成外涂层152。

滤色器层130和栅格结构140可以如上所述地形成。

外涂层152可以用作用于使包括滤色器层130和栅格结构140的层平坦化的平坦化层，并且可以包括光致抗蚀剂材料。

随后，可以在外涂层152上方的要形成边缘微透镜的区域中形成高折射率材料图案154′。高折射率材料图案154′可以包括比要在后续工艺中形成的主微透镜具有更高折射率的材料。例如，每个高折射率材料图案154′可以包括聚酰亚胺基树脂，在聚酰亚胺基树脂中具有高折射率材料的微颗粒(例如，纳米颗粒)以微粒的形式均匀分散在聚合物层中。在这种情况下，高折射率材料可以包括例如氧化钛(TiO

参照图5B，通过对高折射率材料图案154′进行热回流工艺，可以在外涂层152上方形成圆顶形状的边缘微透镜154。

随后，可以在边缘微透镜154之间形成用于形成主微透镜的有机材料图案156′。例如，有机材料图案156′可以包括光致抗蚀剂图案。

参照图5C，对有机材料图案156′执行热回流工艺，使得可以在外涂层152和边缘微透镜154上方形成圆顶形状的主微透镜156。以此方式，主微透镜156的边缘区域可以形成为与边缘微透镜154交叠。

图6A至图6F是例示基于所公开的技术的一些实现的用于形成图3所示的透镜层的方法的其它示例的截面图。

参照图6A，可以在包括滤色器层130和栅格结构140的下部结构上形成外涂层152。

随后，可以在外涂层152上方形成高折射率材料层157。高折射率材料层157可以包括例如氧化钛(TiO

随后，可以在高折射率材料层157上方的要形成边缘微透镜的区域中形成有机材料图案158。例如，每个有机材料图案158可以包括光致抗蚀剂图案。

参照图6B，对有机材料图案158执行热回流工艺，使得可以在高折射率材料层157上方形成圆顶形状的边缘透镜掩模图案158′。

参照图6C，可以使用边缘透镜掩模图案158′作为蚀刻掩模来蚀刻下部的高折射率材料层157，从而在外涂层152上方形成圆顶形状的边缘微透镜154。

随后，可以在外涂层152和边缘微透镜154上方形成绝缘层159。在这种情况下，绝缘层159可以包括比每个边缘微透镜154具有更低折射率的氧化物膜。

参照图6D，可以在绝缘层159上方的要形成主微透镜的区域中形成有机图案156′。例如，每个有机图案156′可以包括光致抗蚀剂图案。

参照图6E，对有机图案156′执行热回流工艺，从而在绝缘层159上方形成圆顶形状的主透镜掩模图案156″。

参照图6F，可以使用主透镜掩模图案156″作为蚀刻掩模来蚀刻设置在主透镜掩模图案156″下方的下绝缘层159，使得在外涂层152和边缘微透镜154上方形成圆顶形状的主微透镜156。在这种情况下，主微透镜156的边缘区域可以形成为与边缘微透镜154交叠。

图7是例示基于所公开的技术的一些实现的在图1所示的像素阵列中形成的单位像素的透镜层的示例的平面图。

在一些实现中，每个边缘微透镜154的中央部分可以以边缘微透镜154可以被定位为跨越四个邻近的主微透镜156的边缘区域的方式位于对应的主微透镜156之间的边界区域处。

例如，每个边缘微透镜154可以以边缘微透镜154的中央部分可以位于四个相邻的主微透镜156之间的边界区域(即，死区)并且可以与四个主微透镜156的边缘区域部分地交叠的方式形成为圆形圆顶形状。

在这种情况下，边缘微透镜154的中央部分可以形成为与特定区域交叠，在该特定区域中在X轴方向延伸的一个栅格结构140和在Y轴方向延伸的另一栅格结构140被布置为彼此交叉。

除了图7中所示的边缘微透镜的结构以外的其余结构与图3的结构相似或相同，并且如此，为了便于描述，本文将省略其详细描述。

图8是例示基于所公开的技术的一些实现的在图1所示的像素阵列中形成的单位像素的透镜层的另一示例的平面图。

在一些实现中，每个边缘微透镜154可以形成为与彼此相邻的邻近的主微透镜156的边缘区域交叠，并且可以形成为与除了主微透镜156的中央区域以外的主微透镜156交叠的栅格形状。例如，在仅每个主微透镜156的中央区域形成为圆形的情况下，边缘微透镜154形成为与死区交叠，使得边缘微透镜154可以形成为与边缘区域(例如，整个边缘区域)交叠的单个集成透镜形状。

除了图8中所示的边缘微透镜的结构以外的其余结构与图3的结构相似或相同，并且如此，为了便于说明，本文将省略其详细说明。

图9是例示基于所公开的技术的一些实现的在图1所示的像素阵列中形成的单位像素的透镜层的又一示例的平面图。

在一些实现中，在每个边缘微透镜154可以形成为与栅格结构140的形状相同的栅格形状，每个边缘微透镜154可以比每个栅格结构140具有更大的宽度。例如，在仅每个主微透镜156的中央区域形成为矩形形状的情况下，边缘微透镜154形成为与死区交叠，使得边缘微透镜154可以形成为与边缘区域交叠的单个集成透镜形状。

除了图9中所示的边缘微透镜的结构以外的其余结构可以与图3的结构相似或相同，并且如此，为了便于说明，本文将省略其详细说明。

从上面的描述中显而易见的是，基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置能够通过使邻近像素之间的光学串扰最小化来增加光收集效率。

本领域技术人员将理解，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施实施方式。

尽管已经描述了许多示例性实施方式，但是应当理解，可以基于所公开的和/或所例示的内容来设计出许多其它变型和实施方式。

相关申请的交叉引用

本专利文档要求于2019年12月17日提交的韩国专利申请No.10-2019-0168712的优先权及权益，其全部内容通过引用合并于此，作为本专利文档公开的一部分。