CN106033761B - 具有非平面光学界面的背面照度图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有非平面光学界面的背面照度图像传感器。公开了一种图像传感器包括：基板，具有前表面和背表面；多个光电检测器，邻近前表面形成；多个接触焊盘，处于前表面并与光电检测器电耦合；以及多个光操纵部件，设置在背表面的一部分上。所述光电检测器被配置为响应于通过光操纵部件并通过背表面的所述部分入射的光而生成电信号。背表面的所述部分具有非平面形状。

Description

具有非平面光学界面的背面照度图像传感器

技术领域

本发明涉及图像传感器，并且更具体地涉及背面照度（BSI）图像传感器。

背景技术

在摄像机模块中使用的紧凑图像传感器装置在本领域中是公知的。一个或多个透镜被用于把光聚焦到图像传感器表面上。透镜还可以被用于诸如放大、缩小、聚焦调节、广角和许多其它光学效果之类的功能。然而，透镜还可能引入不同类型的光学像差。一种光学像差尤其是珀兹伐场曲（Petzval Field Curvature），其中与光学轴正交的平坦物体不能被聚焦到平坦图像传感器上。将需要把一个或多个附加场曲校正元件引入透镜组中以抵消光学系统的场曲。

图1图示不具有任何焦点面校正光学元件的常规图像传感器系统1。图像传感器系统1包括把光聚焦到图像传感器3上的透镜2。透镜2的聚焦面4实际上不是完美平面，而是稍微弯曲的，从而在处于系统1的中心的光适当地聚焦到图像传感器3上时，离开透镜中心轴的光稍微聚焦在图像传感器3的上方。这个像差使由图像传感器捕获的图像的质量降级。

校正这个类型像差的一个解决方案是添加一个或多个场曲校正元件到透镜组，使得聚焦面4是平面并且位于图像传感器3的平表面处。弯曲校正元件的一个示例是场矫平透镜5，如图2中所示的。然而，使用弯曲校正元件增加光学系统的复杂性，增加光学系统高度，引入附加的失效点（例如，像差校正元件可能被误调，具有不平坦表面等），可能引入附加失真，可能减小亮度以及可能导致其他负面效果。

另一解决方案是重新配置图像传感器以更好地匹配弯曲聚焦面，从而使得透镜组中的光学元件的数量能够被减小。例如，美国专利6,556,349公开了在图像传感器上方使用透明基板，图像传感器在每个光电检测器上方具有不同尺寸或高度的微透镜。美国专利6,486,917和7,923,793公开了把图像传感器弯曲或接合成凹表面。然而，这些解决方法引入了其它问题，诸如串扰、结构高度、减小的热应力容限、专用的制造工具需要、减小的三维集成电路（3D IC）能力等。

发明内容

上面提到的问题和需要由如下图像传感器解决，该图像传感器包括：基板，具有前表面和背表面；多个光电检测器，邻近前表面形成；多个接触焊盘，处于前表面并与光电检测器电耦合；以及多个光操纵部件，设置在背表面的一部分上。所述光电检测器被配置为响应于通过光操纵部件并通过背表面的所述部分入射的光而生成电信号。背表面的所述部分具有非平面形状。

通过审阅说明书、权利要求和附图，本发明的其它目的和特征将变得显而易见。

附图说明

图1是常规图像传感器的侧截面图。

图2是具有场矫平透镜的常规图像传感器的侧截面图。

图3A-E是示出形成本发明的图像传感器的过程步骤的侧截面图。

图4是示出由图像传感器的微透镜对光进行聚焦的侧截面图。

图5是示出图像传感器的替代实施例的侧截面图。

图6是示出图像传感器的替代实施例的侧截面图。

图7是示出图像传感器的替代实施例的侧截面图。

图8是示出图像传感器的替代实施例的侧截面图。

具体实施方式

本发明涉及图像传感器和制造图像传感器的方法，该图像传感器在不需要任何附加光学元件的情况下减少像差。图3A-3E图示形成该图像传感器的步骤。

图3A图示开始结构，其是常规图像传感器晶片。应当理解的是，虽然仅示出了一个图像传感器10，但是一次在单个晶片上形成多个图像传感器10，其中晶片稍后被单颗化成个体传感器管芯，每个管芯包含图像传感器10中的一个。图像传感器10包括基板（例如硅）12，基板12分别具有相对的前表面14和背表面16。多个光电检测器18（例如光电二极管）邻近前表面14形成，并且被配置为响应于通过背表面16接收到光而生成电信号。电路20邻近光电检测器18形成以用于操作光电检测器和/或提供来自光电检测器18的电信号给接合焊盘22，接合焊盘22形成在前表面14用于芯片外导电。光电检测器18被配置在二维阵列中，优选地但非必须地采用具有变化的横向维度尺寸的检测器18。任何光电检测器尺寸变化可以是随机的或伪随机的。如图3A中所示，位于阵列中心的光电检测器18与位于阵列外围或接近外围的检测器18相比具有较小的横向尺寸。图3A中示出的类型的图像传感器10在本领域中是公知的并且通常被称为背面超度（BSI）传感器，因为这些光电检测器被配置为检测和测量通过基板12的与前表面14相对的背表面16进入的光。

处理器基板24被附接到基板12的前表面14。处理器24可以是陶瓷或晶体硅材料。处理器基板24可以可选地包含诸如晶体管、（一个或多个）电路层和（一个或多个）互连之类的附加部件。这些可选特征可以在附接到图像传感器晶片之前或之后形成在永久处理器中。基板12的厚度可以使用施加到背表面16的机械磨削、化学机械研磨（CMP）、湿法刻蚀、大气下游等离子体（ADP）、干法化学刻蚀（DCE）或上面提到工艺的组合或（一个或多个）任何另一种合适的硅减薄（thinning）方法而被减小。如果需要，处理器基板也可以以这种方式被减薄。产生的结构在图3B中示出。

背表面16然后被选择性刻蚀以形成表面16的弯曲凹部16a，弯曲凹部16a将用作光学界面，该光学界面与稍后附接的透镜组的光学设计兼容。透镜组光学设计（下面讨论）将规定这个表面的最优形状。弯曲表面部16a可以通过沉积光刻胶、图案化光刻胶和然后刻蚀暴露的硅来形成。图案化和刻蚀过程可以重复多次以实现表面部16a的期望外形。图3C中示出产生的结构。

颜色滤波器26和/或（一个或多个）其它光学增强层（诸如防反射层、量子点等）可以被沉积在光电检测器18的成像区域上方的背表面部16a上。然后使用标准制造技术（诸如光刻和刻蚀）把微透镜形成在颜色滤波器26上。这些部件可以被统称为光操纵部件。产生的结构在图3D中示出。

然后透镜组件30被安装到基板12，并且包括外壳32，在外壳32中容纳一个或多个透镜34。（一个或多个）透镜34把进入的光36向下聚焦到聚焦面，该聚焦面具有匹配微透镜/滤波器28/26的弯曲定位和/或基板背表面部16a的小弯曲和位置。背表面部16a的弯曲凹形状消除对任何场矫平透镜的需要并且消除失真和其它光学像差，而不需要位于图像传感器上方的附加光学元件。另外，基板12在光电检测器18和背表面16之间的部分在阵列的外围处针对光电检测器更厚，这提高了这些检测器的量子吸收。这个配置允许图像传感器10更接近（一个或多个）透镜34。通过作为距传感器中心的距离的函数（这是可选的）来变化光电检测器18、颜色滤波器26和微透镜28的横向尺寸，放大和缩小能力、量子效率和成像过程的许多其它方面可以被提高。

图4图示每个微透镜28如何将进入的光通过背表面部16a，通过基板12的材料并且聚焦到相应的光电检测器18上。图5图示替代实施例，其中垂直延伸光屏蔽材料层38被形成在光电检测器18上方的基板12中，从而在光电检测器18上方直接创建光井。对于通过特定微透镜28进入的任何光，光屏蔽材料38反射进入的光，使得它到达针对该微透镜28的光电检测器18（即，为了防止光电检测器之间的串扰）。

图6图示另一实施例，其中背表面16的弯曲部16b是凸形状而不是凹形状。该凸形状可以提供广角视野。此外，这个实施例的界面结构可以简化透镜设计。

图7图示另一实施例，其中背表面16包括相对于表面16的其余部分的凹进阶梯16c，而不是弯曲形状。阶梯16c相对于表面16的其余部分的深度可以大体上沿着（一个或多个）透镜的聚焦面的弯曲。附加地或替代地，阶梯16c相对于表面16的其余部分的深度可以与光电检测器18的横向尺寸相关（即光电检测器和基板12的背表面16之间的距离随光电检测器的横向尺寸的变化而变化）。例如，如图7中所示，光电检测器的横向尺寸越大，光电检测器越远离背表面16（即，对于具有更大横向尺寸的光电检测器，在光电检测器上方存在更多的基板材料，并且因此存在更多的光必须穿过的材料）。可以使用本领域已知的光刻刻蚀技术把凹进阶梯16c形成到背表面16中。阶梯化结构将帮助防止位于外围的较大像素和位于传感器中心的较小像素（位于凹进的阶梯上）之间的串扰。此外，这个配置实现了针对在传感器外围区域中的更好光灵敏度的更薄颜色滤波器，以及在传感器中央的更厚颜色滤波器，而安装到其的微透镜的高度不必凹进相同的量或根本不凹进，如图8中所示。

要理解的是，本发明不限于上面描述和这里说明的（一个或多个）实施例，而是包含落入所附权利要求范围内的任何和所有变化。例如，这里对本发明的提及不意图限制任何权利要求或权利要求术语的范围，而是相反地仅提及可以被一个或多个权利要求覆盖的一个或多个特征。上面描述的材料、过程和数值示例仅是示例性的，并且不应当被认为限制权利要求。另外，根据权利要求和说明书显而易见的是，方法步骤不必全都按照图示或要求保护的精确顺序来执行，而是以允许图像传感器组件正确形成的任何顺序来执行。单个材料层可以被形成为多个这种或类似材料的层，并且反之亦然。最后，虽然背表面16已被示出为具有弯曲凹形状、弯曲凸形状或阶梯形状，但是背表面16能够包括这些或与把光聚焦到传感器上的光学系统兼容的任何其它合适的非平面形状中两个或更多个的组合。

应当注意的是，如这里使用的，术语“在……上方”和“在……上”都在内包括“直接在……上”（他们之间不设置中间材料、元件或空间）和“间接在……上”（他们之间设置中间材料、元件或空间）。同样地，术语“邻近”包括“直接邻近”（他们之间不设置中间材料、元件或空间）和“间接邻近”（他们之间设置中间材料、元件或空间）。“安装到”包括“直接安装到”（他们之间不设置中间材料、元件或空间）和“间接安装到”（他们之间设置中间材料、元件或空间），并且“电耦合”包括“直接电耦合到”（他们之间没有把元件电连接在一起的中间材料或元件）和“间接电耦合到”（他们之间具有把元件电连接在一起的中间材料或元件）。例如，“在基板上方”形成元件可以包括直接在基板上形成元件而在他们之间不具有中间材料/元件，以及间接在基板上形成元件，在他们之间具有一个或多个中间材料/元件。

Claims (12)

1.一种图像传感器，包括：

基板，具有前表面和背表面；

多个光电检测器，邻近前表面形成并且设置在平面中；

多个接触焊盘，处于前表面并与光电检测器电耦合；

多个光操纵部件，设置在背表面的一部分上；

其中所述光电检测器被配置为响应于通过光操纵部件并通过背表面的所述部分入射的光而生成电信号；

其中背表面的所述部分具有弯曲凸或弯曲凹形状，使得与多个光电检测器的中心邻近的背表面和光电检测器之间的基板的量不同于与多个光电检测器的周边邻近的背表面和光电检测器之间的基板的量。

2.根据权利要求1的图像传感器，还包括：

电路，邻近前表面并电耦合在多个光电检测器和多个接触焊盘之间。

3.根据权利要求1的图像传感器，还包括：

附接到前表面的第二基板。

4.根据权利要求1的图像传感器，其中光操纵部件包括颜色滤波器。

5.根据权利要求1的图像传感器，其中光操纵部件包括微透镜。

6.根据权利要求1的图像传感器，其中光操纵部件包括：

直接安装在背表面的所述部分上的颜色滤波器，以及

直接安装在颜色滤波器上的微透镜。

7.根据权利要求1的图像传感器，还包括：

透镜组件，该透镜组件包括：

外壳，安装在背表面上，以及

一个或多个透镜，位于外壳中并且被定位成把光聚焦到所述多个光操纵部件上。

8.根据权利要求7的图像传感器，其中所述一个或多个透镜具有弯曲聚焦面，弯曲聚焦面被定位在所述多个光操纵部件处或在背表面的所述部分处。

9.根据权利要求8的图像传感器，其中弯曲聚焦面的形状和背表面的所述部分的弯曲凸或弯曲凹形状是相同的。

10.根据权利要求1的图像传感器，还包括：

多个光屏蔽材料层，每个从背表面延伸到光学检测器中的一个并且被配置为通过反射把进入的光从背表面引导到所述一个光学检测器。

11.根据权利要求1的图像传感器，其中：

光电检测器的一部分具有第一横向尺寸；

光电检测器的另一部分具有第二横向尺寸；并且第一横向尺寸小于第二横向尺寸。

12.根据权利要求11的图像传感器，其中所述光电检测器的部分与所述光电检测器的另一部分相比被设置为更接近背表面。