CN105762158B - 具有相位差检测像素的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器包括：光电转换层；以及像素透镜，其包括多个聚光层并形成在光电转换层之上，其中，多个聚光层的上层具有比多个聚光层的下层更窄的宽度，其中，像素透镜的聚光层具有一侧彼此对准的侧壁。

Description

具有相位差检测像素的图像传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年9月3日提交的申请号为10-2014-0116949的韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
示例性实施例涉及半导体器件制造技术，并且更具体地，涉及具有相位差检测像素的图像传感器。
背景技术
图像传感器中的相位差检测利用一对像素来执行。每个像素包括阻挡光的结构。这种结构被设置在光电转换层的上部中，使得仅来自特定方向的光可以进入图像传感器。当焦点未对准时，在该对像素的输出中存在相位差。利用相位差测量技术，可以制造不需要自动聚焦(AF)传感器模块而自动地调整焦点的照相机。
然而，根据现有的技术，相位差检测像素由于光阻挡结构而导致从图像传感器的外部输入的外部信号的量减少。
发明内容
本发明的实施例针对一种包括相位差检测像素的图像传感器，其可以防止从图像传感器的外部输入的外部信号的量减少。
根据本发明的一个实施例，一种图像传感器包括：光电转换层；以及像素透镜，其包括多个聚光层并形成在光电转换层之上，其中，多个聚光层的上层具有比多个聚光层的下层更窄的宽度，其中，像素透镜的聚光层具有一侧彼此对准的侧壁。
图像传感器还可以包括形成在像素透镜之上或者之下的过滤层。多个聚光层可以具有相同的形状。多个聚光层中的每个可以是多边形形状、圆形形状、或者椭圆形形状。像素透镜的多个聚光层的上层可以具有在从多个聚光层的中心朝向对准的侧壁的方向(此后，被称作为‘第一方向’)上比多个聚光层的下层更窄的宽度，以及其中，像素透镜的多个聚光层的上层可以具有在与第一方向交叉的第二方向上比多个聚光层的下层更窄的宽度或者相同的宽度。多个聚光层之中最下面的聚光层在宽度(或者面积)上可以与光电转换层相同或更大。
根据本发明的另一个实施例，一种图像传感器包括像素阵列，其中被布置有包括至少一对相位差检测像素的多个像素，其中一对相位差检测像素中的每个包括：光电转换层；以及像素透镜，其包括多个聚光层并形成在光电转换层之上，其中，多个聚光层的上层具有比多个聚光层的下层更窄的宽度，其中，多个聚光层的第一侧壁彼此对准，以及其中，一对相位差检测像素包括第一像素和第二像素，其中，第一像素和第二像素被布置使得第一像素的多个聚光层中对准的第一侧壁面对第二像素的多个聚光层中对准的第一侧壁。
一对相位差检测像素中的每个还可以包括：形成在像素透镜之上或之下的过滤层。第一像素的过滤层可以与第二像素的过滤层相同。像素透镜的多个聚光层的上层可以具有在从多个聚光层的中心朝向对准的第一侧壁的方向(此后，被称作为‘第一方向’)上比多个聚光层的下层更窄的宽度，以及其中，像素透镜的多个聚光层的上层可以具有在与第一方向交叉的第二方向上比多个聚光层的下层更窄的宽度或者相同的宽度。多个聚光层的第二侧壁可以被形成为台阶结构，且第二侧壁与第一侧壁相对。在多个聚光层之中最下面的聚光层可以在宽度(或面积)上与光电转换层相同或更大。第一像素和第二像素可以被设置成彼此相邻或者彼此间隔开，以及其中，第一像素和第二像素可以被设置在像素阵列中相同的行或相同的列中。第一像素和第二像素可以被设置成彼此相邻或者彼此间隔开，以及其中，第一像素和第二像素可以被设置在像素阵列中不同的行或不同的列中。
根据本发明的另一个实施例，一种图像传感器包括像素阵列，其中被布置有包括至少一对相位差检测像素的多个像素，其中一对相位差检测像素包括第一像素和第二像素，以及第一像素和第二像素中的每个包括：光电转换层；以及像素透镜，其包括多个聚光层并形成在光电转换层之上，其中，多个聚光层的上层在宽度上比多个聚光层的下层更窄，其中，多个聚光层以相对于彼此偏心的方式设置，以及其中，第一像素和第二像素彼此面对。
第一像素和第二像素的每个的多个聚光层的侧壁可以被设置成在第一方向上彼此靠近，所述第一方向从聚光层的中心朝向聚光层的侧壁延伸。
根据本发明的另一个实施例，一种图像传感器包括：第一光电转换层；以及第一像素透镜，其包括第一多个聚光层、形成在第一光电转换层，其中，第一多个聚光层的相应上层在面积上比第一多个聚光层的下层更小，以及其中，第一多个聚光层的第一侧壁可以沿着垂直于第一光电转换层的上表面的垂直方向彼此对准。
图像传感器还可以包括：第二光电转换层；以及第二像素透镜，其包括第二多个聚光层、形成在第二光电转换层之上，其中，第二多个聚光层的上层在面积上比第二多个聚光层的下层更小，其中，第二像素透镜和第一像素透镜相对于彼此形成镜像。
附图说明
图1图示了常规的相位差检测像素。
图2是图示根据一个实施例的相位差检测像素的平面图。
图3是沿着图2中所示的线A-A’截取的相位差检测像素的截面图。
图4A至图4C图示了根据一个实施例的相位差检测像素中的像素透镜。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述示例性实施例。然而，实施例不应当被解释为局限于附图中所示的具体形状。在本公开中，相同的附图标记在各种附图和实施例中表示相同的部分。
附图不一定按比例绘制，且在一些情况下，可以夸大比例以清楚地说明实施例的特征。当第一层被称作在第二层“上”或在“衬底”上时，其不仅表示第一层直接形成在第二层或衬底上的情况，还表示在第一层和第二层之间、或者第一层和衬底之间存在第三层的情况。
以下实施例描述了一种包括相位差检测像素的图像传感器。具体地，实施例提供了一种包括处理由传统的图像传感器的遮蔽掩模引起的性能恶化问题的相位差检测像素的图像传感器。遮蔽掩模阻挡大量的入射光。由于仅部分入射光可以到达光电转换层来检测相位差，所以图像传感器的性能恶化。
首先，将描述如何在包括遮蔽掩模的整体相位差检测像素中检测相位差的基本原理。
图1图示了常规的相位差检测像素。
参见图1，用于检测相位差的相位差检测像素需要第一像素10和第二像素20。第一像素10和第二像素20中的每个包括：光电转换层11和21、遮蔽掩模12和22、以及微透镜13和23。遮蔽掩模12和22可以阻挡部分入射光进入光电转换层11和21。例如，遮蔽掩模12和22可以仅允许一半的入射光到达光电转换层11和21。
入射光穿过微透镜13和23，并且被引导至第一像素10和第二像素20，第一像素10和第二像素20中的每个具有光电转换层11和21。第一像素10和第二像素20中的每个具有限制来自成像透镜30的光瞳31和32的开口。开口通过限制来自成像透镜30的光瞳31和32的遮蔽掩模12和22来限定。穿过成像透镜30的光瞳31和32的入射光通过进一步穿过遮蔽掩模12和22到达第一像素10和第二像素20。遮蔽掩模12和22被称作为‘光瞳分割件’。
第一像素10和第二像素20的光瞳分割的输出彼此进行比较。光瞳分割的输出具有相同的形状，但是输出具有不同的相位，依赖于位置。这是因为经由成像透镜30的光瞳31和32进入的入射光的焦点位置不同。通过利用第一像素10和第二像素20的不同输出，即相位差，可以执行自动聚焦、测量焦距、以及实现三维图像。
在本文中，包括遮蔽掩模12和22的相位差检测像素阻挡部分入射光进入光电转换层11和21，存在的缺点在于，从外部进入的大量信号被阻挡，并且不可以到达第一像素10和第二像素20。此外，存在的另一个问题在于，相位差检测像素在低照明度环境下或者当相位差检测像素位于其中多个像素被布置成二维的像素阵列的边沿时，不执行正常操作。当利用被设置成与相位差检测像素相邻的相邻像素的信号来改善问题时，总焦点值计算时间被延迟，这又是一个问题。此外，由于要执行形成遮蔽掩模12和22的工艺，所以生产率恶化。
为了解决这些问题，实施例提供了一种不利用遮蔽掩模而能引导特定方向的入射光至光电转换层的相位差检测像素。为此，根据一个实施例的相位差检测像素中的每个采用像素透镜，该像素透镜包括多个聚光层、而不是遮蔽掩模。聚光层的上层具有比聚光层的下层更窄的宽度(或更小的面积)。聚光层被设置成偏心地朝向一侧。聚光层的侧壁可以彼此对准。聚光层可以以彼此偏心的方式被布置。
图2是图示根据一个实施例的相位差检测像素的平面图。图3是沿着图2中的线A-A’截取的相位差检测像素的截面图。图4A至图4C中的每个图示了根据一个实施例的相位差检测像素中的像素透镜。
参见图2至图4C，根据一个实施例的图像传感器可以包括多个像素被布置成二维的像素阵列。像素可以包括用于实现色彩图像的多个色彩检测像素、和用于测量焦距并实现自动聚焦和三维图像的多个相位差检测像素。
相位差检测像素可以包括接收从不同方向进入的入射光的一对像素。一对相位差检测像素用作单位像素。具体地，用于检测相位差的单位像素可以包括第一像素和第二像素。第一像素和第二像素可以被设置成彼此相邻或者彼此间隔开，并且可以被设置在像素阵列的相同行或列中。此外，第一像素和第二像素可以被设置成彼此相邻或者彼此间隔开，并且可以被设置在像素阵列的不同行或列中。
根据一个实施例的相位检测像素可以分别包括像素透镜208和209。像素透镜208和209中的每个可以包括光电转换层202、和被设置在光电转换层202之上的多个聚光层205、206和207。聚光层205、206和207的上层具有比聚光层205、206和207的下层更窄的宽度。
光电转换层202可以形成在衬底201中。形成在衬底201中的光电转换层202可以包括彼此垂直重叠的多个光电转换器。光电转换器中的每个可以是包括N型杂质区和P型杂质区的光电二极管。衬底201可以是半导体衬底，并且包括含单晶硅的材料。
像素透镜208和209聚集进入光电转换层202的入射光。为此，像素透镜208和209中的每个可以是多个聚光层205、206和207的层叠结构。在多个聚光层205、206和207之中，上层可以具有比下层更窄的宽度(或面积)。例如，像素透镜208和209可以包括聚光层205、设置在聚光层205之上并且具有比聚光层205更窄的宽度(或面积)的聚光层206、以及设置在聚光层206之上并且具有比聚光层206更窄的宽度的聚光层207。为最下面层的聚光层205的宽度(或面积)可以与光电转换层202的宽度(或面积)相同或比其更大。这种配置的优点在于，最大化在每个像素中光电转换层202的光接收面积。聚光层205、206和207的宽度(或面积)和厚度可以根据所需的聚光特性来调整。聚光层205、206和207可以包括氧化物、氮化物、氮氧化物、或者它们的组合。聚光层205、206和207可以由相同的材料或不同的材料形成。
在相位差检测像素的像素透镜208和209中，聚光层205、206和207可以使其侧壁在一侧彼此对准。第一侧壁意为在聚光层205、206和207中彼此对准的侧壁。聚光层205、206和207的第二侧壁可以形成台阶结构。第二侧壁可以与第一侧壁相对。具有彼此对准的第一侧壁的聚光层205、206和207可以被设置成彼此靠近。第一像素和第二像素彼此面对。在图3中，像素透镜208和209中的聚光层205、206和207以偏心方式布置。第一像素中的像素透镜208和第二像素中的像素透镜209被布置成彼此面对。像素透镜208和209中的聚光层205、206和207可以以镜像布置。
像素透镜208和209中的聚光层205、206和207可以是相同的形状。例如，聚光层205、206和207中的每个可以是矩形形状(见图4A和图4C)、另一种多边形形状(例如，六边形)、圆形形状(见图4B)、椭圆形形状(见图2)等。见图4A，当沿着从聚光层205、206和207的中心朝向对准的侧壁延伸的第一方向测量宽度时，每个像素透镜208或209的聚光层205、206和207的上层可以具有比聚光层205、206和207的下层更窄的宽度(或面积)。在另一个实施例中，见图4B，每个像素透镜208或209的聚光层205、206和207的上层可以在直径上比聚光层205、206和207的下层更小。
此外，见图4C，当沿着垂直于第一方向的第二方向测量宽度时，与聚光层205、206和207的下层相比，每个像素透镜208或209的聚光层205、206和207的上层可以具有更窄的宽度(见图2、4A和4B)或者相同的宽度(见图4C)。根据一个实施例的相位差检测像素还可以包括分别形成在像素透镜208和209的下部或上部中的过滤层203和204。在图3中，过滤层203和204分别形成在像素透镜208和209的下部中。过滤层203和204可以是仅使具有特定波段的入射光通过的带通滤波器。因此，过滤层203和204中的每个可以用作滤色器或红外线过滤器。第一像素中的过滤层203和第二像素中的过滤层204可以在尺寸、形状、材料、结构上相同、或者都相同，以防止由过滤层203和203引起的信号差异。
由于根据一个实施例的相位差检测像素包括像素透镜208和209，其中像素透镜208和209包括多个聚光层205、206和207，多个聚光层205、206和207的上层分别具有比下层更窄的宽度(或面积)。每个像素透镜208和209中的聚光层205、206和207具有彼此对准的第一侧壁，相位差检测像素可以选择性地使特定方向的入射光通过至光电转换层202，而不利用传统的遮蔽掩模。因此，可以防止设计遮蔽掩模使用的问题。例如，可以防止信号强度的降低。
尽管已参照如附图中所示的特定的形状和配置描述了实施例，但是应当理解的是，对形状和配置的各种替换和修改是可以的。
通过以上实施例可以看出，本申请提供了以下的技术方案。
技术方案1.一种图像传感器，包括：
光电转换层；以及
像素透镜，其包括多个聚光层并形成在所述光电转换层之上，
其中，所述多个聚光层的上层的宽度窄于所述多个聚光层的下层的宽度，
其中，所述像素透镜的所述聚光层具有一侧彼此对准的侧壁。
技术方案2.如技术方案1所述的图像传感器，还包括：
过滤层，其形成在所述像素透镜之上或之下。
技术方案3.如技术方案1所述的图像传感器，其中，所述多个聚光层具有相同的形状。
技术方案4.如技术方案3所述的图像传感器，其中，所述多个聚光层中的每个为多边形形状、圆形形状或者椭圆形形状。
技术方案5.如技术方案1所述的图像传感器，
其中，在第一方向上，所述像素透镜的所述多个聚光层的所述上层的宽度窄于所述多个聚光层的所述下层的宽度，所述第一方向是一种从所述多个聚光层的中心朝向对准的侧壁的方向，以及，
其中，在与所述第一方向交叉的第二方向上，所述像素透镜的所述多个聚光层的所述上层的宽度窄于或等于所述多个聚光层的所述下层的宽度。
技术方案6.如技术方案1所述的图像传感器，其中，所述多个聚光层之中最下面的聚光层在宽度或面积上等于或大于所述光电转换层。
技术方案7.一种图像传感器，包括：
像素阵列，其中被布置有包括至少一对相位差检测像素的多个像素，
其中，所述一对相位差检测像素中的每个相位差检测像素包括：
光电转换层；以及
像素透镜，其包括多个聚光层并形成在所述光电转换层之上，
其中，所述多个聚光层的上层的宽度窄于所述多个聚光层的下层的宽度，
其中，所述多个聚光层的第一侧壁彼此对准，以及
其中，所述一对相位差检测像素包括第一像素和第二像素，
其中，所述第一像素和所述第二像素被布置成使得所述第一像素的所述多个聚光层的对准的第一侧壁面对所述第二像素的所述多个聚光层的对准的第一侧壁。
技术方案8.如技术方案7所述的图像传感器，其中，所述一对相位差检测像素中的每个相位差检测像素还包括：
过滤层，其形成在所述像素透镜之上或之下。
技术方案9.如技术方案8所述的图像传感器，其中，所述第一像素的所述过滤层与所述第二像素的所述过滤层相同。
技术方案10.如技术方案7所述的图像传感器，
其中，在第一方向上，所述像素透镜的所述多个聚光层的所述上层的宽度窄于所述多个聚光层的所述下层的宽度，所述第一方向是一种从所述多个聚光层的中心朝向所述对准的第一侧壁的方向，以及，
其中，在与所述第一方向交叉的第二方向上，所述像素透镜的所述多个聚光层的所述上层的宽度窄于或等于所述多个光聚光层的所述下层的宽度。
技术方案11.如技术方案7所述的图像传感器，其中，所述多个聚光层的第二侧壁被形成为台阶结构，并且所述第二侧壁与所述第一侧壁相对。
技术方案12.如技术方案7所述的图像传感器，其中，所述多个聚光层之中最下面的聚光层在宽度或面积上等于或大于所述光电转换层。
技术方案13.如技术方案7所述的图像传感器，其中，所述第一像素和所述第二像素被设置成彼此相邻或彼此间隔开，以及
其中，所述第一像素和所述第二像素被设置在所述像素阵列中相同的行或相同的列中。
技术方案14.如技术方案7所述的图像传感器，其中，所述第一像素和所述第二像素被设置成彼此相邻或彼此间隔开，以及
其中，所述第一像素和所述第二像素被设置在所述像素阵列中不同的行或不同的列中。
技术方案15.一种图像传感器，包括：
像素阵列，其中被布置有包括至少一对相位差检测像素的多个像素，
其中，所述一对相位差检测像素包括第一像素和第二像素，并且所述第一像素和所述第二像素中的每个包括：
光电转换层；以及
像素透镜，其包括多个聚光层并形成在所述光电转换层之上，
其中，所述多个聚光层的上层在宽度上窄于所述多个聚光层的下层，
其中，所述多个聚光层以相对于彼此偏心的方式设置，以及
其中，所述第一像素和所述第二像素彼此面对。
技术方案16.如技术方案15所述的图像传感器，其中，所述第一像素和所述第二像素中的每个的所述多个聚光层的侧壁被设置成在第一方向上彼此靠近，所述第一方向从所述聚光层的中心朝向所述聚光层的侧壁延伸。
技术方案17.一种图像传感器，包括：
第一光电转换层；以及
第一像素透镜，其包括第一多个聚光层并形成在所述第一光电转换层之上，
其中，所述第一多个聚光层的相应上层在面积上小于所述第一多个聚光层的下层，以及
其中，所述第一多个聚光层的第一侧壁沿着垂直于所述第一光电转换层的上表面的垂直方向彼此对准。
技术方案18.如技术方案17所述的图像传感器，还包括：
第二光电转换层；以及
第二像素透镜，其包括第二多个聚光层并形成在所述第二光电转换层之上，
其中，所述第二多个聚光层的上层在面积上小于所述第二多个聚光层的下层，
其中，所述第二像素透镜和所述第一像素透镜相对于彼此形成镜像。

Claims (17)

1.一种图像传感器，包括：
光电转换层；以及
像素透镜，其包括多个聚光层并形成在所述光电转换层之上，
其中，所述多个聚光层的上层的宽度窄于所述多个聚光层的下层的宽度，
其中，所述像素透镜的所述聚光层具有一侧彼此对准的侧壁，
其中，所述多个聚光层之中最下面的聚光层在宽度或面积上等于或大于所述光电转换层。
2.如权利要求1所述的图像传感器，还包括：
过滤层，其形成在所述像素透镜之上或之下。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个聚光层具有相同的形状。
4.如权利要求3所述的图像传感器，其中，所述多个聚光层中的每个为多边形形状、圆形形状或者椭圆形形状。
5.如权利要求1所述的图像传感器，
其中，在第一方向上，所述像素透镜的所述多个聚光层的所述上层的宽度窄于所述多个聚光层的所述下层的宽度，所述第一方向是一种从所述多个聚光层的中心朝向对准的侧壁的方向，以及，
其中，在与所述第一方向交叉的第二方向上，所述像素透镜的所述多个聚光层的所述上层的宽度窄于或等于所述多个聚光层的所述下层的宽度。
6.一种图像传感器，包括：
像素阵列，其中被布置有包括至少一对相位差检测像素的多个像素，
其中，所述一对相位差检测像素中的每个相位差检测像素包括：
光电转换层；以及
像素透镜，其包括多个聚光层并形成在所述光电转换层之上，
其中，所述多个聚光层的上层的宽度窄于所述多个聚光层的下层的宽度，
其中，所述多个聚光层的第一侧壁彼此对准，以及
其中，所述一对相位差检测像素包括第一像素和第二像素，
其中，所述第一像素和所述第二像素被布置成使得所述第一像素的所述多个聚光层的对准的第一侧壁面对所述第二像素的所述多个聚光层的对准的第一侧壁。
7.如权利要求6所述的图像传感器，其中，所述一对相位差检测像素中的每个相位差检测像素还包括：
过滤层，其形成在所述像素透镜之上或之下。
8.如权利要求7所述的图像传感器，其中，所述第一像素的所述过滤层与所述第二像素的所述过滤层相同。
9.如权利要求6所述的图像传感器，
其中，在第一方向上，所述像素透镜的所述多个聚光层的所述上层的宽度窄于所述多个聚光层的所述下层的宽度，所述第一方向是一种从所述多个聚光层的中心朝向所述对准的第一侧壁的方向，以及，
其中，在与所述第一方向交叉的第二方向上，所述像素透镜的所述多个聚光层的所述上层的宽度窄于或等于所述多个聚光层的所述下层的宽度。
10.如权利要求6所述的图像传感器，其中，所述多个聚光层的第二侧壁被形成为台阶结构，并且所述第二侧壁与所述第一侧壁相对。
11.如权利要求6所述的图像传感器，其中，所述多个聚光层之中最下面的聚光层在宽度或面积上等于或大于所述光电转换层。
12.如权利要求6所述的图像传感器，其中，所述第一像素和所述第二像素被设置成彼此相邻或彼此间隔开，以及
其中，所述第一像素和所述第二像素被设置在所述像素阵列中相同的行或相同的列中。
13.如权利要求6所述的图像传感器，其中，所述第一像素和所述第二像素被设置成彼此相邻或彼此间隔开。
14.如权利要求13所述的图像传感器，其中，所述第一像素和所述第二像素被设置在所述像素阵列中不同的行和不同的列中。
15.一种图像传感器，包括：
像素阵列，其中被布置有包括至少一对相位差检测像素的多个像素，
其中，所述一对相位差检测像素包括第一像素和第二像素，并且所述第一像素和所述第二像素中的每个包括：
光电转换层；以及
像素透镜，其包括多个聚光层并形成在所述光电转换层之上，
其中，所述多个聚光层的上层在宽度上窄于所述多个聚光层的下层，
其中，所述多个聚光层以相对于彼此偏心的方式设置，以及
其中，所述第一像素和所述第二像素彼此面对。
16.如权利要求15所述的图像传感器，其中，所述第一像素和所述第二像素中的每个的所述多个聚光层的侧壁被设置成在第一方向上彼此靠近，所述第一方向从所述聚光层的中心朝向所述聚光层的侧壁延伸。
17.一种图像传感器，包括：
第一光电转换层；以及
第一像素透镜，其包括第一多个聚光层并形成在所述第一光电转换层之上，
其中，所述第一多个聚光层的相应上层在面积上小于所述第一多个聚光层的下层，以及
其中，所述第一多个聚光层的第一侧壁沿着垂直于所述第一光电转换层的上表面的垂直方向彼此对准，
其中，所述图像传感器还包括：
第二光电转换层；以及
第二像素透镜，其包括第二多个聚光层并形成在所述第二光电转换层之上，
其中，所述第二多个聚光层的上层在面积上小于所述第二多个聚光层的下层，
其中，所述第二像素透镜和所述第一像素透镜相对于彼此形成镜像。
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