一种图像传感器及其制作方法

技术领域

本申请涉及光学技术领域，并且更具体地，涉及一种图像传感器及其制作方法。

背景技术

随着移动通讯技术的发展，消费者对于设备中高像素和高性能的互补金属氧化物半导体晶体管式(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，CMOS)的图像传感器的需求日益剧增。而传统的CMOS图像传感器受制于工艺限制，尺寸缩减困难，像素密度有限。

基于此，需要一种能够有效提高图像传感器中像素密度的方案。

发明内容

本申请实施例提供了一种图像传感器，能够有效提高图像传感器中像素密度。

在本申请的第一方面，提供了一种图像传感器，包括：

像素阵列，所述像素阵列中包含有多个像素，所述像素为等腰直角三角形，相邻的两个像素共用斜边或直角边，共用斜边的两个相邻像素组成一个正方形单元，所述正方形单元沿水平或者垂直方向排布成矩阵阵列；

微透镜层，所述微透镜层由多个微透镜单元组成，所述微透镜层位于所述像素阵列上方，且，所述微透镜层覆盖所述像素阵列。

在一种实施例中，所述微透镜单元为大小相同的正方形微透镜，且组成微透镜阵列，所述正方形微透镜沿水平方向上覆盖2N

在一种实施例中，所述图像传感器中的微透镜单元中包含正方形微透镜和长方形微透镜。

在一种实施例中，所述图像传感器中还包括滤光片层，所述滤光片层位于所述像素阵列和微透镜层之间，所述滤光片层由多个滤光片单元组成，且，所述滤光片单元和所述微透镜单元形状相同且一一对应。

在一种实施例中，所述微透镜单元覆盖沿对称轴对称分布的两组像素，并将光线汇聚至所述两组像素中；所述对称分布的两组像素根据接收到的光线产生电信号，生成两个不同相位的电信号，用于沿所述对称轴的垂直方向上进行相位自动对焦。

在一种实施例中，所述对称轴的方向为水平方向、垂直方向、与水平方向夹角为45度、或者与水平方向夹角为135度角。

在一种实施例中，所述正方形微透镜覆盖一个所述正方形单元用于将光线汇聚至所述正方形单元中所包含的两个相邻像素中；所述两个相邻像素根据接收到的光线产生不同相位的电信号，用于相位自动对焦。

在一种实施例中，所述长方形微透镜覆盖一个长方形的单元组，所述长方形的单元组中包含相邻的多个正方形单元，所述长方形的微透镜用于将光线汇聚至所述相邻的正方形单元所包含的多个像素中；所述相邻的正方形单元所包含的多个像素根据接收到的光线产生不同相位的电信号，用于垂直方向或者水平方向上的相位自动对焦。

在一种实施例中，所述正方形微透镜沿与水平方向的夹角为45度的方向阵列分布，所述正方形的微透镜覆盖相邻的四个像素，用于将光线汇聚至所述四个像素中，所述四个像素根据接收到的光线产生不同相位的电信号，用于水平方向、垂直方向、与水平方向夹角为45度、或者与水平方向夹角为135度角的相位自动对焦。

在一种实施例中，相邻的两个滤光片用于透过不同波段的可见光。

在本申请的第二方面，提供了一种图像传感器的制作方法，包括：

在晶圆上确定像素区域，在所述像素区域注入第一源种，形成第一类型掺杂半导体；在所述像素区域中将第一掩模版的边框确定为注入第二源种的第一位置，并在所述第一位置上注入第二源种，形成第二类型掺杂半导体，其中，所述第一掩模版是边长为a的正方形的网格框，所述第一掩模版的正方形的排列方向为水平方向，当所述第一源种为P型源种时，第二源种为N型源种，当所述第一源种为N型源种时，第二源种为P型源种；在所述像素区域中将第二掩模版的边框确定注入第二源种的第二位置，并在所述第二位置上注入第二源种，形成第二类型掺杂半导体，所述第二掩模版是边长为

在本申请的第三方面，提供一种芯片，所述芯片中包括如第一方面所述的图像传感器。

在本申请的第四方面，提供一种指纹识别设备，所述指纹识别设备中包括如第三方面所述的芯片。

本申请实施例的技术方案，通过设置像素阵列，所述像素阵列中包含有多个像素，所述像素为等腰直角三角形，相邻的两个像素共用斜边或直角边，共用斜边的两个相邻像素组成一个正方形单元，所述正方形单元沿水平或者垂直方向排布成矩阵阵列；微透镜层，微透镜层，所述微透镜层由多个微透镜单元组成，所述微透镜层位于所述像素阵列上方，且，所述微透镜层覆盖所述像素阵列。相对于传统的正方形像素，本申请的像素密度为相应正方形像素面积的2倍，有效提高了图像传感器内的像素密度，有效提高了图像传感器的性能。

附图说明

图1为当前技术中所涉及的CMOS图像传感器的像素分布方式；

图2a是本申请实施例所提供的一种图像传感器的示意图；

图2b为本申请实施例所提供的一种包含正方形和长方形微透镜的微透镜层的示意图；

图3a至图3f即为本申请实施例所提供的在像素阵列上覆盖滤光片的示意图；

图4为本申请实施例中所提供的一种像素进行了平移之后的对称示意图；

图5为本申请实施例所提供的一种微透镜设置方式的示意图；

图6本申请实施例所提供的另一种微透镜设置方式的示意图；

图7为本申请实施例所提供的再一种微透镜设置方式的示意图；

图8a为本申请实施例所提供的一种图像传感器的制作方法的流程示意图；

图8b为本申请实施例所提供的一种像素区中第一源种注入位置的示意图；

图8c为本申请实施例所提供的一种第一掩模版的示意图；

图8d为本申请实施例所提供的第一次注入了第二源种之后的硅片及光刻胶截面示意图；

图8e为本申请实施例所提供的一种第二掩模版的示意图；

图8f为本申请实施例所提供的第一掩模版与第二掩模版组合图形的示意图；

图8g为本申请实施例所提供的第二次注入了第二源种之后的硅片及光刻胶截面示意图。

具体实施方式

传统的CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)的单个像素多为正方形或矩形并呈矩形阵列布局，如图1所示，图1为当前技术中所涉及的CMOS图像传感器的像素分布方式。由于在传统的技术中受限于工艺，尺寸缩减困难，因此像素密度很难进一步提高。基于此，本申请实施例提供一种可以进一步提高像素密度的图像传感器。

下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。如图2a所示，图2a是本申请实施例所提供的一种图像传感器的示意图，所述图像传感器中包括：

像素阵列，所述像素阵列中包含有多个像素，所述像素为等腰直角三角形，相邻的两个像素共用斜边或直角边，共用斜边的两个相邻像素组成一个正方形单元，所述正方形单元沿水平或者垂直方向排布成矩阵阵列。

微透镜层，微透镜层，所述微透镜层由多个微透镜单元组成，所述微透镜层位于所述像素阵列上方，且，所述微透镜层覆盖所述像素阵列。

容易理解，当等腰直角三角形的直角边的边长为a时，正方形单元的边长即为a，换言之，在一个正方形单元中既可以包含有2个像素，这使得本申请中的图像传感器的实际像素密度为同尺寸矩形像素的2倍，显著提高了图像传感器的像素密度。

在一种实施例中，微透镜层的多个微透镜单元可以是大小相等的正方形微透镜，且组成微透镜阵列。每一个正方形的微透镜可以沿像素阵列的行或者列上覆盖2N

例如，当N＝1时，正方形微透镜的大小与两个相邻像素组成一个正方形单元的大小相同，一个正方形微透镜正好在水平或者垂直的方向上覆盖一个正方形单元；当M＝2时，正方形微透镜的大小覆盖了相邻的4个彼此共用直角边的像素。

在另一种实施例中，微透镜层的多个微透镜单元可以是有占多数数量的正方形微透镜和少量的长方形微透镜(或者也可以没有长方形微透镜)所组成。如图2b所示，图2b为本申请实施例所提供的一种包含正方形和长方形微透镜的微透镜层的示意图。其中少量的长方形微透镜设置于正方形微透镜的阵列之中，一个长方形微透镜的大小为K倍的正方形微透镜大小，K为大于1的自然数。长方形微透镜可以是水平设置的，也可以是垂直方向上设置的，这并不会对本申请的方案造成影响。

在透镜层中均为正方形微透镜时，可以通过使用整个图像传感器上所有像素进行对焦(全像素PDAF)，达到更精准的对焦效果。在透镜层中还包含有少量的长方形的微透镜时，可以使用这些少量的长方形的微透镜来所产生的信号来进行对焦。

在一种实施例中，所述图像传感器中还包括有滤光片层，所述滤光片层位于所述像素阵列和微透镜层之间，所述滤光片层由多个滤光片单元组成，且，所述滤光片单元和所述微透镜单元形状相同且一一对应。换言之，当微透镜中的微透镜单元是沿像素阵列的行或者列上覆盖2N

此外，当微透镜单元中包长方形微透镜时，滤光片单元也会对应的设置为长方形。

如图3a至图3f所示，图3a至图3f即为本申请实施例所提供的一种在像素阵列上覆盖滤光片的示意图。在该示意图中，微透镜层未被示出，图中的不同形状的填充部分即为透过不同波段的可见光的滤光片，具体而言，可以是包括诸如用于透过三原色(红色、绿色和蓝色)的滤光片。或者，也可以根据实际需要的情形来具体设置滤光片的透光波段。

其中，图3a、图3c、图3d和图3e分别给出了滤光片沿水平方向上覆盖2、8、8、18个像素的情形(即N＝1，2，2或者3)，图3b和图3f分别给出了滤光片沿与水平方向45度夹角的方向上覆盖分别4和16个像素的情形(即M＝2或者4)。在实际应用中，还可以根据需要对N或者M取其它的数值，以满足需要。

在一种实施例中，相邻的滤光片可以设置为用于透过不同波段的可见光，以实现更为准确的图像传感，如图3a至图3f中所示，任意相邻(不包含有共同的边称为相邻)的两个正方形的滤光片所透过的光的颜色不同(即透过不同波段的可见光)。

在一种实施例中，所述微透镜层中的微透镜和所述正方形的滤光片大小相同且一一对应，即微透镜层中的微透镜同样也是与滤光片同样大小的正方形，并且覆盖于滤光片的正上方，从而每一个微透镜都可以将光线汇聚至正下方的滤光片中，使得不同的滤光片之间的光线不会互相干扰，减少噪声，提高图像传感器的性能。

进一步地，在这种将像素设置为等腰直角三角形的情形下，为了还可以对微透镜进行设置，以产生具有对应关系的电信号，来实现对应的相位自动对焦(Phase DetectionAuto Focus，PDAF)功能。具体而言，PDAF需要同一微透镜覆盖两个或以上相同且对称的像素，从而可以基于同一微透镜下不同的像素所产生的不同相位的电信号，而包含有该图像传感器的拍摄设备及可以根据所产生的不同相位的电信号来进行对焦。

在一种实施例中，当需要进行PDAF时，由于所述微透镜覆盖沿对称轴对称分布的两组像素，并将光线汇聚至所述两组像素中；

所述对称分布的两组像素根据接收到的光线产生电信号，生成两个不同相位的电信号，用于沿所述对称轴的垂直方向上进行相位自动对焦。

这里的沿对称轴对称分布可以是像素本身无需移动就可以是直接对称的，也可以是像素在发生了平移之后能够实现对称的情形。换言之，本申请中所涉及的沿对称轴对称分布实际上是指的两组像素(每组像素中可能分别包含1个或者多个像素)在各自所包含的像素分别各自进行平移之后所组合得到的形状是沿对称轴对称分布。

如图4所示，图4为本申请实施例中所提供的一种像素进行了平移之后的对称示意图。即像素1和4在进行了沿对称轴方向上的平移之后所组成的形状与像素2和3所组成的形状是对称的。

由于两组像素在对称轴方向上是对称存在的，因此能够产生相位差的原因即在于与对称轴垂直的方向上光路存在偏差，因此，可以基于对称分布的两组像素根据接收到的光线产生电信号(在同一组像素中，如果包含有多个像素时，即将多个像素所分别产生的电信号进行叠加作为该组像素所产生的电信号)，生成两个不同相位的电信号，用于沿所述对称轴的垂直方向上进行相位自动对焦

这里的对称轴的方向并不限定，在实际应用中可以是任意方向。具体而言，通常可以采用诸如为水平方向、垂直方向、与水平方向夹角为45度、或者与水平方向夹角为135度的方向。

在一种实施例中，所述微透镜层中可以包含阵列分布的正方形的微透镜，每一个正方形的微透镜覆盖一个所述正方形单元，并将光线汇聚至所述正方形单元中所包含的两个相邻像素中。如图5所示，图5为本申请实施例所提供的一种微透镜设置方式的示意图。在这种方案下，可以是微透镜对于像素的全面覆盖。此时，在进行PDAF时，可以周期性的选取部分微透镜下的像素进行PDAF计算(部分像素的PDAF)，也可以对整个传感器上所有像素进行计算(全像素PDAF)，达到更精准的对焦效果。例如，在这种情形下的PDAF，可以选用任一微透镜下的两个像素(沿与水平方向夹角为135度的方向)所产生的电信号，来对沿与水平方向夹角为45度的方向进行PDAF。

在一种实施例中，所述微透镜层中包含长方形的微透镜，所一个长方形的微透镜覆盖一个长方形的单元组，所述长方形的单元组中包含相邻的多个正方形单元，所述长方形的微透镜用于将光线汇聚至所述相邻的正方形单元所包含的多个像素中；所述相邻的正方形单元所包含的多个像素根据接收到的光线产生不同相位的电信号，用于垂直方向或者水平方向上的相位自动对焦。

如图6所示，图6本申请实施例所提供的另一种微透镜设置方式的示意图。在一个长方形的微透镜下，其覆盖了一个对应的长方形的单元组(在该实例中的单元组实际上包含了相邻的2个正方形单元，在实际应用中也可以是诸如3、4或者5等等)。在这种情形下，所述相邻的正方形单元所包含的多个像素都会根据接收到的光线产生不同相位的电信号，进而可以基于各像素所产生的电信号来用于垂直方向或者水平方向上的相位自动对焦。

例如，在这种覆盖方式下，可以采用1+2(即像素1所产生的电信号+像素2所产生的电信号)对比3+4(即像素3所产生的电信号+像素4所产生的电信号)计算垂直方向的对焦信息(因为1+2和3+4的形状是沿水平方向上对称的)，或者，也可以采用1+4对比2+3来计算水平方向的对焦信息(4平移至1的上方并所组成的形状，与2+3所组成的形状沿垂直方向上对称)。在这种实施方式中，由于采用了多个像素所产生的电信号的叠加，可以使得对焦采样信号更强，可以在更恶劣的环境下完成对焦(例如暗光下)。

此外，需要说明的是，长方形的微透镜的具体形状以及覆盖的像素的个数是可以根据实际需要来确定的，并不限于本申请所给出的具体的示例。

在一种实施例中，所述微透镜层中包含沿与水平方向的夹角为45度的方向阵列分布的正方形微透镜，所述正方形的微透镜覆盖相邻的四个像素，用于将光线汇聚至所述四个像素中。

如图7所示，图7为本申请实施例所提供的再一种微透镜设置方式的示意图。在这种实施方式下，微透镜层不再与正方形单元所重合，而是一个微透镜涉及到了4个不同的正方形单元。此时四个像素也会根据接收到的光线产生不同相位的电信号。此时，即可以采用5+6(即像素5所产生的电信号+像素6所产生的电信号)对比7+8(即像素7所产生的电信号+像素8所产生的电信号)计算水平方向的对焦信息，也可以以5+8对比6+7计算垂直方向的对焦信息。或者，还可以采用像素6对比像素8来计算与水平方向夹角为45度的方向，以及还可以采用像素5对比像素7来计算与水平方向夹角为135度的方向。

在传统的左右分割或上下分割的PDAF像素组合方式进行对焦的过程中，分别对于在水平方向或垂直方向无明显变化的物体对焦不敏感，而本发明中的方案，由于像素呈45度对置，在水平方向或垂直方向方向均存在分量，因此对于水平方向、垂直方向、45度角以及135度角的方向均有较好的对焦效果。

本申请的第二方面，本申请实施例还提供一种图像传感器的制作方法，如图8a所示，图8a为本申请实施例所提供的一种图像传感器的制作方法的流程示意图，包括：

S801，在晶圆上确定像素区域，在所述像素区域注入第一源种，形成第一类型掺杂半导体。

本方案，可以在直接在传统矩形CIS工艺流程的基础上，添加若干步骤完成制造即可。换言之，该步骤可以直接采用传统方式中的通用工艺，诸如光刻、干法刻蚀或湿法刻蚀等方法，在晶圆上定义得到像素区、隔离区、逻辑有源区等等。

在像素区全区域注入第一源种(又可以称为源种1)时，可以在像素区域不区分位置的进行诸如，也可以采用光刻图形定义像素区第一源种的注入位置，从而形成第一类型掺杂半导体；。如图8b所示，图8b为本申请实施例所提供的一种像素区中第一源种注入位置的示意图。第一源种为P型掺杂或N型掺杂中的一种。

S803，在所述像素区域中将第一掩模版的边框确定为注入第二源种的第一位置，并在所述第一位置上注入第二源种，形成第二类型掺杂半导体，其中，所述第一掩模版是边长为a的正方形的网格框，所述第一掩模版的正方形的排列方向为水平方向。

第一掩模版的形状为边长为a的正方形的网格框。如图8c所示，图8c为本申请实施例所提供的一种第一掩模版的示意图，第一掩模版的边框确定为注入第二源种的第一位置，可以通过光刻或者离子注入等方式来完成，边框所围成的区域即为光刻胶区域。

第二源种用于每个像素之间的隔离，为第一源种相反类型的注入。换言之，若第一源种为P型掺杂，则第二源种为N型掺杂；若第一源种为N型掺杂，则第二源种为P型掺杂。如图8d所示，图8d为本申请实施例所提供的第一次注入了第二源种(又可以称为源种2)之后的硅片及光刻胶截面示意图。

S805，在所述像素区域中将第二掩模版的边框确定注入第二源种的第二位置，并在所述第二位置上注入第二源种，形成第二类型掺杂半导体。

第二掩模版的形状仍然是是边长为

在像素区域中放置第二掩模版时，第二掩模版每个正方形的边与掩模版1图形的对角线重合，每个角正好落在掩模版1图形的角上(换言之，每个第二掩模版的正方形顶点都重合于所述第一掩模版的顶点之上，而部分第一掩模版的顶点则是第二掩模版的正方形的中心位置)，如图8f所示，图8f为本申请实施例所提供的第一掩模版与第二掩模版组合图形的示意图。

这样在第二次注入后，与第一次位置组合形成等腰直角的形状。需注意，第一掩模版与第二掩模版均为正方形网格，规避了常规方式中的单次光刻中的锐角图形。如图8g所示，图8g为本申请实施例所提供的第二次注入了第二源种之后的硅片及光刻胶截面示意图，该示意图中的第一源种即为第一源种。

S807，在所述像素区域中根据所述第一位置和第二位置生成等腰直角三角形的第二类型掺杂半导体网格，第二类型掺杂半导体网格与其所包围的第一类型掺杂半导体形成像素阵列，生成包含所述像素阵列的图像传感器，其中每第二类型掺杂半导体与其内部的第一类型掺杂半导体共同构成一个等腰直角三角形像素，所述等腰直角三角形像素的直角边长为a。

在该步骤即可以采用通用CMOS工艺制备像素相关器件及外围电路，金属布线、钝化层及其他等步骤，完成图像传感器的制备。

在一种实施例中，所形成的第二类型掺杂半导体的掺杂浓度大于所述第一类型掺杂半导体的掺杂浓度。实际上，由于第二类型掺杂半导体是用来形成所述等腰直角三角形像素的边界，因此将第二类型掺杂半导体的掺杂浓度大于所述第一类型掺杂半导体的掺杂浓度可以使得形成的像素阵列中的各像素更为清晰完整，不易发生信号串扰。

通过本申请实施例所提供的方案，可以制备出包含有等腰直角三角形的像素阵列，从而提高制备得到的图像传感器中所包含的像素密度，并且，在制备的过程中，直接在正方形像素的基础上，添加一层光刻及相关离子注入的方式实现，从而实现每次光刻均为直角图形，避免了避制造过程中可能出现的锐角问题。

本申请实施例的第三方面，还提供了一种芯片，所述芯片中包括如第一方面所述的图像传感器。

本申请实施例的第四方面，还提供了一种指纹识别设备，所述指纹识别设备中包括如第三方面所述的芯片。

应理解，本申请实施例中的具体的例子只是为了帮助本领域技术人员更好地理解本申请实施例，而非限制本申请实施例的范围。

应理解，在本申请实施例和所附权利要求书中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。例如，在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“上述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。