CN101211948B - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种图像传感器及其制造方法。该图像传感器包括半导体衬底、光电二极管结构、滤色镜和微透镜。该半导体衬底包括第一区域和围绕该第一区域的第二区域，第一区域和第二区域具有多个像素区域。所述多个像素区域设置成矩阵结构。每个光电二极管结构具有位于各个像素区域中的光电二极管。所述滤色镜设置在光电二极管结构之上或上方，所述多个滤色镜分别与多个像素区域相对应，并且所述多个滤色镜的面积与光线的入射角度成反比。

Description

图像传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种图像传感器及其制造方法。 
背景技术
现有技术的图像传感器包括与各个光电二极管对应设置的滤色镜和微透镜。在现有技术的图像传感器中，微透镜的平面面积可基本上与滤色镜的平面面积相同。此外，现有技术的图像传感器的微透镜具有凸透镜形状以会聚入射光。 
但是，由于微透镜的面积通常与滤色镜的面积相同，并且微透镜具有凸透镜形状，因此入射至微透镜的光线被微透镜折射而穿过滤色镜并可入射至相邻的光电二极管，从而产生色度亮度干扰(crosstalk)。 
色度亮度干扰常常产生在像素边缘处或像素边缘附近，或者产生在图像传感器的最外围像素处或最外围像素附近，而并不产生在图像传感器的中心部分。色度亮度干扰产生在最外围像素或像素边缘而不产生在图像传感器的中心部分的原因在于：入射至像素(或图像传感器的像素区域)边缘的光线的斜率大于入射至中心部分的光线的斜率。 
发明内容
本发明实施例提供一种图像传感器及其制造方法，能够减少或消除由光线入射引起的色度亮度干扰，从而改善图像的质量。 
在一个实施例中，图像传感器包括：半导体衬底，所述半导体衬底包括第一(中心)像素区域和围绕所述第一像素区域的第二(周边)像素区域，所述像素区域具有矩阵结构；光电二极管，位于每个所述像素区域中；多个滤色镜，分别对应于所述多个像素区域，多个滤色镜的面积与光线的入射角度成反比；以及微透镜，位于所述滤色镜之上或上方。 
在另一实施例中，图像传感器的制造方法包括：制备半导体衬底，所述 半导体衬底包括第一(中心)像素区域和围绕所述第一区域的第二(周边)区域，所述像素区域具有矩阵结构；在每个所述像素区域内形成光电二极管；形成与所述多个像素区域相对应的多个滤色镜，滤色镜的面积与光线的入射角度成反比；以及在所述滤色镜之上形成微透镜。 
将在附图和下面的描述中说明本发明一个或多个实施例的细节。通过以下描述、附图和权利要求书，本发明的其它特征将变得明显。 
附图说明
图1为根据实施例的图像传感器的平面图。 
图2为沿图1中的线I-I’所取的横截面图。 
图3为示出图1中图像传感器的单位像素的平面图或者说布局图。 
图4至图6为解释根据示例性实施例的图像传感器的制造方法的横截面图。 
具体实施方式
现在将详细地对本公开的各种实施例进行说明，其实例示于附图中。 
在各种实施例的描述中，应理解的是，当某层(或膜)被称为位于另一层或衬底“之上”时，其有可能直接位于另一层或衬底上，也有可能它们中间存在其它的层。另外，也可以理解的是，当某层被称为位于另一层“之下”时，其有可能直接位于另一层下，也有可能它们中间存在其它的层。而且，还应理解的是，当某层被称为位于两层“之间”时，其有可能是位于所述两层之间仅有的层，也有可能存在一个或多个其它的层。 
图1为根据本发明示例性实施例的图像传感器的平面图。图2为沿图1中的线I-I’所取的横截面图。图3为示出图1中图像传感器的示例性单位像素的平面图。 
参考图1和图2，图像传感器100包括半导体衬底10，半导体衬底10包括：第一(中心)区域FR，具有设置成矩阵结构的多个像素区域PR；和第二(周边)区域SR，围绕该第一区域FR。第二(周边)区域SR还包括一般与第一(中心)区域FR中的像素区域PR相同的设置成矩阵结构的多个像素区域。 
参考图2，光电二极管结构部分50包括：第一至第三光电二极管结构20、30和40，分别设置在每个像素区域PR中。每个光电二极管结构包括光电二极管PD和晶体管结构TS。晶体管结构TS通常包括多个晶体管(例如每个单位像素有3至5个晶体管)。 
参考图3，包括在光电二极管结构中的每个晶体管结构TS可包括：转移晶体管Tx、复位晶体管Rx、选择晶体管Sx和存取晶体管Ax。转移晶体管Tx的漏极用作浮置扩散层FD。 
再次参考图2，在半导体衬底10上形成光电二极管结构部分50之后，接着在半导体衬底10上形成覆盖光电二极管结构部分50的绝缘层结构60。绝缘层结构60可包括布线结构65。在实施例中，绝缘层结构60可以包括在光电二极管结构部分50内。 
再次参考图2，可以在光电二极管结构部分50的绝缘层结构60上形成滤色镜层70。在实施例中，滤色镜层70包括第一滤色镜74、第二滤色镜76和第三滤色镜78。在实施例中，第一滤色镜74为绿色滤色镜，用于透射具有与绿色相对应的波长的光线；第二滤色镜76为蓝色滤色镜，用于透射具有与蓝色相对应的波长的光线；且第三滤色镜78为红色滤色镜，用于透射具有与红色相对应的波长的光线。可选择地，第一滤色镜74、第二滤色镜76和第三滤色镜78可以包括黄色、青色(cyan)和红紫色(magenta)滤色镜。 
在实施例中，第一滤色镜74设置在绝缘层结构60的与第一光电二极管结构20相对应的那一部分上；第二滤色镜76设置在绝缘层结构60的与第二光电二极管结构30相对应的那一部分上；而第三滤色镜78设置在绝缘层结构60的与第三光电二极管结构40相对应的那一部分上。 
在实施例中，第一至第三滤色镜74、76和78具有不同的平面面积，视入射光79相应的入射角而定。例如，滤色镜74、76和78的平面面积可以从图1所示的第一区域FR与第二区域SR间的边界朝向第一区域FR的中心部分逐渐减小。这是因为，入射至中心部分(或第一区域FR)内的微透镜的光线的入射角通常接近于或者大约为90度，因此，不同于入射至第二(周边)区域SR内的微透镜的光线的入射角(可以高至30到45度或更大)。 
在实施例中，第三滤色镜78具有第一平面面积，第二滤色镜76具有比 第一平面面积小的第二平面面积，而第一滤色镜74具有比第二平面面积小的第三平面面积。可选择地，如果所有的单位像素PR具有相同的面积，则位于第一(中心)区域内的滤色镜具有第一面积，位于第二(周边)区域内的滤色镜而非最外侧的滤色镜具有比第一面积稍小的第二面积(例如，在每个滤色镜与相应的光电二极管PD之间产生偏移，此偏移为从第一区域开始的距离和/或光的入射角的大致线性函数)，而最外侧的滤色镜具有比第一面积大的第三面积。 
微透镜80分别设置在第一至第三滤色镜74、76和78上。在实施例中，微透镜80包括第一微透镜82、第二微透镜84和第三微透镜86。在实施例中，第一微透镜82对应于第一光电二极管结构20和第一滤色镜74。第二微透镜84对应于第二光电二极管结构30和第二滤色镜76。第三微透镜86对应于第三光电二极管结构40和第三滤色镜78。在更进一步的实施例中，第三微透镜86的平面面积小于第三滤色镜78的平面面积。 
在示例性实施例中，上述第一至第三滤色镜74、76和78分别设置在具有相同面积的第一至第三微透镜82、84和86之下，以使得穿过第一至第三微透镜82、84、86以及第一至第三滤色镜层74、76、78的光线能够分别入射至相应的光电二极管。因此，可以减少或防止产生色度亮度干扰。 
具体而言，例如，穿过第二微透镜84的光线入射至第二滤色镜76。在此，在入射至第二微透镜84的白光中，只有蓝光在穿过第二滤色镜76之后输出。在此，穿过第二滤色镜的蓝光大部分入射至第二光电二极管结构30，但是如果没有本发明，一部分蓝光可能入射至与该第二光电二极管结构30相邻的第三光电二极管结构40。在此，指向第三光电二极管结构40的该部分蓝光穿过第三滤色镜78，并被第三滤色镜78吸收。因此，蓝光不入射至第三光电二极管结构40，从而防止了色度亮度干扰。 
因此，在可替代实施例中，位于相邻单位像素中的滤色镜的边界(例如位于与单位像素30最接近的单位像素20内的滤色镜74的边界)与两个相邻的单位像素间的边界(例如，单位像素20和30之间的垂直点划线)之间的偏移(offset)可用光吸收或光反射材料(例如金属或含有黑色颜料的光致抗蚀剂)弥补，但是通常不一定需要这种附加处理来实现本发明的技术效果。 
图4至图6为解释根据实施例的图像传感器的制造方法的横截面图。 
参照图4，在半导体衬底10上形成包括第一至第三光电二极管结构20、30、40的光电二极管结构50。第一至第三光电二极管结构20、30、40中的每一个光电二极管结构都包括光电二极管PD和晶体管结构TS。 
在半导体衬底10上形成具有光电二极管PD和晶体管结构TS的各个光电二极管结构之后，可以在半导体衬底10上形成覆盖光电二极管结构部分50的绝缘层结构60。绝缘层结构60可包括一个或多个布线结构65。绝缘层结构60可包括多个多层绝缘体，并且可以根据本领域中的已知技术(例如对沉积在绝缘体上的金属层进行光刻图案化和蚀刻，在多层绝缘体中进行镶嵌或双镶嵌金属化等等)，在上述多层绝缘体中形成布线结构65。 
如图5所示，在光电二极管结构部分50的绝缘层结构60上形成滤色镜70。在实施例中，滤色镜70包括第一滤色镜74、第二滤色镜76和第三滤色镜78。在更进一步实施例中，第一滤色镜74设置在绝缘层结构60的与第一光电二极管结构20相对应的那一部分上，该第一滤色镜74用于透射具有与绿光相对应的波长的光线；第二滤色镜76设置在绝缘层结构60的与第二光电二极管结构30相对应的那一部分上，该第二滤色镜76用于透射具有与蓝光相对应的波长的光线；而第三滤色镜78设置在绝缘层结构60的与第三光电二极管结构40相对应的那一部分上。 
在更进一步的实施例中，第一至第三滤色镜74、76和78具有不同的平面面积，视入射光79相应的入射角而定。例如，滤色镜70的平面面积可从第二区域SR朝向中心或第一区域FR逐渐减小，如图1所示。这是因为入射至中心部分(或称第一区域FR)的光线的入射角与入射至第二区域SR的光线的入射角不同。 
在实施例中，第三滤色镜78可具有第一平面面积，第二滤色镜可具有比第一平面面积小的第二平面面积，而第三滤色镜74可具有比第二平面面积小的第三平面面积。 
参考图6，微透镜80分别设置在第一至第三滤色镜74、76和78上。在实施例中，微透镜80包括第一微透镜82、第二微透镜84和第三微透镜86。在进一步实施例中，第一微透镜82对应于第一光电二极管结构20和第一滤色镜74。第二微透镜84对应于第二光电二极管结构30和第二滤色镜76。第三微透镜86对应于第三光电二极管结构40和第三滤色镜78。在实施例中， 第三位透镜86的平面面积形成为比第三滤色镜78的平面面积小。 
在更进一步实施例中，上述第一至第三滤色镜74、76和78分别设置在具有相同的面积的第一至第三微透镜82、84和86之下，以使得穿过第一至第三微透镜82、84、86以及第一至第三滤色镜层74、76、78的光线能够分别入射至相应的光电二极管。因此，如上所述，可以减少或防止产生色度亮度干扰。 
在本说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等，都意味着结合实施例所描述的特定的特征、结构、或特性被包含在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处出现的这些词语并不一定都指同一个实施例。此外，当结合任一实施例来描述特定的特征、结构、或特性时，则认为其落入本领域技术人员可以结合其它的实施例而实施这些特征、结构或特性的范围内。 
虽然以上参考本发明的多个示例性实施例而对实施例进行了描述，但应理解的是，本领域人员可以导出落入在此公开的原理的精神和范围内的其它任何改型和实施例。更具体地，可以在此公开文本、附图以及所附权利要求书的范围内对组件和/或附件组合排列中的排列进行各种变更与改型。除了组件和/或排列的变更与改型之外，本发明的其他应用对本领域技术人员而言也是显而易见的。 

Claims (12)

1.一种图像传感器，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底包括第一区域和围绕所述第一区域的第二区域，所述第一区域和所述第二区域具有多个像素区域，所述多个像素区域具有矩阵结构；
光电二极管，位于每个所述像素区域中；
多个滤色镜，与所述多个像素区域分别对应，所述多个滤色镜的面积与光线的入射角度成反比；以及
多个微透镜，位于所述多个滤色镜上。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述多个滤色镜的面积沿着从所述第一区域至所述第二区域的方向增大。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其中位于所述第二区域内的多个最外侧滤色镜的平面面积比相对应的微透镜的平面面积大。
4.如权利要求2所述的图像传感器，其中位于所述第二区域内的一个最外侧滤色镜的平面面积比相对应的微透镜的平面面积大。
5.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述微透镜的平面面积与所述像素区域的平面面积相同。
6.如权利要求4所述的图像传感器，其中所述微透镜的平面面积与相对应的所述像素区域的平面面积相同。
7.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述像素区域的形状和尺寸与所述微透镜的形状和尺寸相同，并且所述多个滤色镜的面积沿着从所述第二区域至所述第一区域的方向减小。
8.一种制造图像传感器的方法，所述方法包括：
制备半导体衬底，所述半导体衬底包括第一区域和围绕所述第一区域的第二区域，所述第一区域和所述第二区域具有多个像素区域，所述多个像素区域具有矩阵结构；
形成多个光电二极管结构，每个所述光电二极管结构包括位于每个所述像素区域内的光电二极管；
在所述多个光电二极管结构上形成多个滤色镜，所述多个滤色镜与所述多个像素区域分别对应，其中位于所述第二区域内的滤色镜的面积与位于所述第一区域内的滤色镜的面积不同并与光线的入射角度成反比；以及
在所述多个滤色镜上形成多个微透镜。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述滤色镜的面积与穿过所述滤色镜或者相应的微透镜的所述光线的入射角度成反比。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述多个滤色镜的面积从所述第一区域至所述第二区域增大。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述多个滤色镜的面积从所述第一区域至所述第二区域增大。
12.如权利要求8所述的方法，其中位于所述第二区域内的最外侧滤色镜的平面面积比相对应的微透镜的平面面积大。
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