CN108281438A - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图像传感器及其形成方法，所述图像传感器包括：基底，包括多个像素区域、及位于相邻像素区域之间的第一深沟槽隔离，每个像素区域设置有光电转换元件；滤光层，设置于基底第一表面，包括：格栅，具有多个开口，每个开口对应基底内一个像素区域，以及设置于开口内的滤色元件；多个像素区域包括作为相位检测像素的第一像素区域和第二像素区域，第一像素区域和第二像素区域中分别设置有第二深沟槽隔离，第二深沟槽隔离和光电转换元件在第一表面均具有光接收面，使得入射至第一像素区域和第二像素区域的光一部分入射至光电转换元件的光接收面、另一部分入射至第二深沟槽隔离的光接收面。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种具有相位检测像素的图像传感器及其形成方法。
背景技术
感光区域中的部分像素点被牺牲掉，这些像素被称为掩蔽像素(Masked Pixels)。掩蔽像素通常由两个像素组成，其中左侧像素用于拍摄左边图像，右侧像素用于拍摄右边图像，将左边图像和右边图像的值与参考信号进行对比，能够判断出镜头应该向前移动或是向后移动，从而实现对焦。
掩蔽像素应用于CMOS图像传感器，通过相位检测改进照相机的聚焦，又称为“相位检测像素(Phase Detection Pixel,PDP)”。现有技术中，具有PDP的背照式(BSI)CMOS图像传感器将PDP掩模设置于复合格栅内，以实现相位检测功能。
然而，上述方法存在诸多问题，亟待改进，例如：PDP掩模上的附加氧化物导致其相位检测能力退化；PDP掩模的设置使得复合格栅尺寸变大，氧化物格栅易于干扰以特定的角度入射的光，并与滤光镜的边缘形成反射界面，改变光路，造成信号干扰；以特定的其他角度进入的光穿过滤光镜的光程减小，导致颜色的灵敏度降低等。
发明内容
本发明解决的技术问题是现有技术中的图像传感器相位检测能力退化、存在信号干扰、以及颜色的灵敏度降低等问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器，包括：基底，所述基底中设置有多个像素区域、及位于相邻的像素区域之间的第一深沟槽隔离，每个像素区域中设置有光电转换元件；以及滤光层，设置于所述基底的第一表面，所述滤光层包括：格栅，所述格栅具有多个开口，每个开口对应所述基底内的一个像素区域，以及设置于所述开口内的滤色元件；其中，所述多个像素区域包括作为相位检测像素的第一像素区域和第二像素区域，所述第一像素区域和所述第二像素区域中还分别设置有第二深沟槽隔离，所述第二深沟槽隔离和所述光电转换元件在所述基底的第一表面上均具有光接收面，使得入射至所述第一像素区域和所述第二像素区域的光的一部分能够入射至所述光电转换元件的光接收面、另一部分能够入射至所述第二深沟槽隔离的光接收面。
可选地，所述位于所述第一像素区域上的滤色元件和位于所述第二像素区域上的滤色元件具有针对相同波段的光高于其他波段的光的透射率。
可选地，所述相同波段的光包括绿光。
可选地，所述第二深沟槽隔离和所述光电转换元件在所述第一表面的光接收面的面积分别为其所在的像素区域在所述第一表面的面积的二分之一。
可选地，所述第二深沟槽隔离与所述第一深沟槽隔离的材料相同。
可选地，所述第二深沟槽隔离的材料为金属或氧化物。
可选地，还包括介电层，设置于由所述格栅与所述滤色元件构成的滤光层和所述基底之间。
可选地，所述第一像素区域和所述第二像素区域相邻设置，所述第一像素区域的第二深沟槽隔离和所述第二像素区域的第二深沟槽隔离分别与位于所述第一像素区域和所述第二像素区域之间的第一深沟槽隔离的两侧连接以形成连续的深沟槽隔离带，所述第一像素区域的光电转换元件和所述第二像素区域的光电转换元件分别位于所述深沟槽隔离带的两侧。
可选地，所述深沟槽隔离带包括金属填充物和氧化物填充物，所述金属填充物位于所述氧化物填充物形成的凹槽内。
本发明实施例还提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供基底，所述基底中设置有多个像素区域；在每个像素区域中形成光电转换元件；在所述基底内相邻的像素区域之间形成第一深沟槽隔离，在所述多个像素区域中作为相位检测像素的第一像素区域和所述第二像素区域中分别形成第二深沟槽隔离，所述第二深沟槽隔离和所述光电转换元件在所述第一表面上均具有光接收面，使得入射至所述第一像素区域和所述第二像素区域的光的一部分能够入射至所述光电转换元件的光接收面、另一部分能够入射至所述第二深沟槽隔离的光接收面；以及在所述基底的第一表面形成滤光层，包括：在所述基底的第一表面形成具有多个开口的格栅，每个开口对应所述基底内的一个像素区域，在所述开口中形成滤色元件。
可选地，在所述开口中形成滤色元件包括：在与所述第一像素区域对应的开口中形成的滤色元件和在与所述第二像素区域对应的开口中形成的滤色元件具有针对相同波段的光高于其他波段的光的透射率。
可选地，所述相同波段的光包括绿光。
可选地，形成的所述第二深沟槽隔离和所述光电转换元件在所述第一表面的光接收面的面积为其所在的像素区域在所述第一表面的面积的二分之一。
可选地，形成所述第二深沟槽隔离的材料与形成所述第一深沟槽隔离的材料相同。
可选地，形成所述第二深沟槽隔离的材料为金属或氧化物。
可选地，还包括：在所述滤光层和所述基底之间形成介电层。
可选地，所述第一像素区域和所述第二像素区域相邻设置，在所述基底内相邻的像素区域之间形成第一深沟槽隔离，在所述第一像素区域和所述第二像素区域中分别形成第二深沟槽隔离包括：形成由位于所述第一像素区域的第二深沟槽隔离、位于所述第一像素区域和所述第二像素区域之间的第一深沟槽隔离、以及位于所述第二像素区域的第二深沟槽隔离形成的连续的深沟槽隔离带，使所述第一像素区域的光电转换元件和所述第二像素区域的光电转换元件分别位于所述深沟槽隔离带的两侧。
可选地，形成所述深沟槽隔离带包括形成金属填充物和形成氧化物填充物，所述金属填充物位于所述氧化物填充物形成的凹槽内。
可选地，所述第一深沟槽隔离和所述第二深沟槽隔离在同一工艺步骤中形成。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
本发明实施例的图像传感器包括作为相位检测像素的第一像素区域和第二像素区域，所述第一像素区域和第二像素区域中分别设置有光电转换元件和第二深沟槽隔离，由于所述第二深沟槽隔离和所述光电转换元件在所述基底的第一表面上均具有光接收面，入射至所述第一像素区域和所述第二像素区域的光的一部分能够入射至所述光电转换元件的光接收面、另一部分能够入射至所述第二深沟槽隔离的光接收面，相比于其它像素区域，所述第一像素区域和所述第二像素区域的光电转换元件在所述基底的第一表面的光接收面的面积减小，相当于所述第二深沟槽隔离作为(Phase Detection Pixel,PDP)掩模遮挡了所述第一像素区域和所述第二像素区域的光接收面上的部分像素点，使得所述第一像素区域和所述第二像素区域的有效像素面积减小，所述第一像素区域和所述第二像素区域充当PDP以实现相位检测功能。此外，所述第二深沟槽隔离作为PDP掩模，能够减少栅格中氧化物结构对特定角度入射光的干扰，减少由于反射造成光路改变带来的信号干扰；延长其它特定角度入射光在滤光镜中的传播路程，增强颜色灵敏度，二者共同作用能够增强相位检测能力，以避免现有技术中将PDP掩模置于复合格栅内引起的相位检测能力退化、信号干扰、颜色的灵敏度降低等问题。
进一步地，所述第二深沟槽隔离的材料为金属，能够实现良好的挡光效果。
进一步地，所述第二深沟槽隔离的材料为氧化物，工艺简单易于实现。
进一步地，所述深沟槽隔离带包括金属填充物和氧化物填充物，所述金属填充物位于所述氧化物填充物形成的凹槽内，能够解决位于所述第一像素区域和所述第二像素区域之间的深沟槽隔离带宽度较大，不易填满的问题；此外，用金属填对所述氧化物填充物的凹槽进行填补，能够加强挡光效果。
本发明实施例的图像传感器的形成方法，在所述基底的每个像素区域内形成光电转换元件，在所述基底内邻近的像素区域之间形成第一深沟槽隔离，在作为相位检测像素的第一像素区域和第二像素区域中分别形成第二深沟槽隔离，由于所述第二深沟槽隔离和所述光电转换元件在所述第一表面上均具有光接收面，入射至所述第一像素区域和所述第二像素区域的光的一部分能够入射至所述光电转换元件的光接收面、另一部分能够入射至所述第二深沟槽隔离的光接收面，相比于其它像素区域，所述第一像素区域和所述第二像素区域的光电转换元件在所述基底的第一表面的光接收面的面积减小，相当于所述第二深沟槽隔离作为PDP掩模遮挡了所述第一像素区域和所述第二像素区域的光接收面上的部分像素点，使得所述第一像素区域和所述第二像素区域的有效像素面积减小，所述第一像素区域和所述第二像素区域充当PDP以实现相位检测功能。此外，所述第二深沟槽隔离作为PDP掩模，还能够避免现有技术中将PDP掩模置于复合格栅内引起的相位检测能力退化、信号干扰、颜色的灵敏度降低等问题。
进一步地，形成所述第二深沟槽隔离的材料与形成所述第一深沟槽隔离的材料相同，使得所述第二深沟槽隔离与所述第一深沟槽隔离能够在同一工艺步骤中同时形成。
进一步地，形成所述第二深沟槽隔离的材料为金属，能够实现良好的挡光效果。
进一步地，形成所述第二深沟槽隔离的材料为氧化物，工艺简单易于实现。
进一步地，形成所述深沟槽隔离带包括金属填充物和氧化物填充物，所述金属填充物位于所述氧化物形成的凹槽内，能够解决位于所述第一像素区域和所述第二像素区域之间的深沟槽隔离带宽度较大，不易填满的问题；此外，用金属对所述氧化物填充物的凹槽进行填补，能够加强挡光效果；所述凹槽内的金属填充物还可以和后续的金属格栅同时形成，不增加工艺成本。
进一步地，所述第一深沟槽隔离和所述第二深沟槽隔离在同一工艺步骤中形成，无需再额外形成用来遮挡所述光电转换元件的入射光线的PDP掩模，不增加工艺成本。
附图说明
图1是本发明一个实施例的图像传感器的像素区域的俯视图；
图2是本发明图1所示实施例的图像传感器沿AA1线的剖面结构示意图；
图3是本发明另一个实施例的图像传感器的剖面结构示意图；
图4是本发明另一个实施例的图像传感器的剖面结构示意图；
图5是本发明另一个实施例的图像传感器的像素区域的俯视图；
图6是本发明图5所示实施例的图像传感器沿BB1线的剖面结构示意图；
图7(a)-(h)是本发明另一些实施例的图像传感器的像素区域的俯视图；以及
图8是本发明一个实施例的图像传感器的形成方法的流程图。
具体实施方式
本发明实施例提供一种图像传感器，下面结合附图对本发明的实施例加以详细的说明。
参考图1至图2，图1是本发明一个实施例的图像传感器10的像素区域的俯视图，图2是图1所示的图像传感器10沿AA1线的剖面结构示意图。
在一些实施例中，所述图像传感器10包括：基底101，所述基底101中设置有多个像素区域(如图2中虚线框所示)、及位于相邻的像素区域之间的第一深沟槽隔离(DeepTrench Isolation,DTI)1014，每个像素区域中设置有光电转换元件1013；以及滤光层110，设置于所述基底101的第一表面101a，所述滤光层110包括：格栅111，所述格栅111具有多个开口，每个开口对应所述基底101内的一个像素区域，所述滤光层110还包括设置于所述开口内的滤色元件112。
其中，所述多个像素区域中包括用于作为相位检测像素的第一像素区域1011和第二像素区域1012，所述第一像素区域1011和所述第二像素区域1012中还分别设置有第二深沟槽隔离1015，所述第二深沟槽隔离1015和所述光电转换元件1013在所述第一表面101a上均具有光接收面，使得入射至所述第一像素区域1011和所述第二像素区域1012的光能够一部分入射至所述光电转换元件1013的光接收面、另一部分入射至所述第二深沟槽隔离1015的光接收面。
在一些实施例中，所述滤色元件112对特定波段的光的透射率高于其对其他波段的光的透射率，以实现对特定波段的光的选择性透射。所述滤色元件112可以为绿色滤光镜1121，即针对绿光的透射率高于其它波段的光，也可以为蓝色、或红色滤光镜。不同的像素区域可以对应相同或者不同波段的滤光镜。
其中，所述第一像素区域1011和所述第二像素区域1012上可以设置有针对相同波段的滤色元件，即具有针对相同波段的光高于其他波段的光的透射率的滤色元件。具体地，所述第一像素区域1011和所述第二像素区域1012上可以分别设置有绿色滤光镜1121，以透射绿光。其它实施例中，所述第一像素区域1011和所述第二像素区域1012表面还可以均设置为蓝色滤光镜(未示出)或红色滤光镜(未示出)。
在一些实施例中，位于所述第一像素区域1011的第二深沟槽隔离1015和光电转换元件1013在所述基底101的第一表面101a的光接收面的面积分别为所述第一像素区域1011在所述第一表面101a的面积的二分之一。位于所述第二像素区域1012的第二深沟槽隔离1015和光电转换元件1013在所述基底101的第一表面101a的光接收面的面积分别为所述第二像素区域1012在所述第一表面101a的面积的二分之一。
在一些实施例中，所述第二深沟槽隔离1015与所述第一深沟槽隔离1014的材料相同，可以均为金属，例如钨。在一些实施例中，所述第二深沟槽隔离1015与所述第一深沟槽隔离1014的材料可以均为氧化物，例如二氧化硅。所述第二深沟槽隔离1015的材料为氧化物时，工艺简单；所述第二深沟槽隔离1015的材料为金属时，具有较好的挡光效果。
本实施例中，所述第一像素区域1011和所述第二像素区域1012相邻设置，所述第一像素区域1011的第二深沟槽隔离1015和所述第二像素区域1012的第二深沟槽隔离1015分别与位于所述第一像素区域1011和所述第二像素区域1012之间的第一深沟槽隔离1014的两侧连接以形成连续的深沟槽隔离带，所述第一像素区域1011的光电转换元件1013和所述第二像素区域1012的光电转换元件1013分别位于所述深沟槽隔离带的两侧。
需要说明的是，上述实施例中，为了方便说明，将所述深沟槽隔离带划分为位于所述第一像素区域1011的第二深沟槽隔离1015、位于所述第一像素区域1011和所述第二像素区域1012之间的第一深沟槽隔离1014、以及位于所述第二像素区域1012的第二深沟槽隔离1015，但在实际工艺中，当所述第二深沟槽隔离1012和所述第一深沟槽隔离1011采用同种材料形成时，二者之间无界线，即所述第一像素区域1011的光电转换元件1013和所述第二像素区域1012的光电转换元件1013之间形成连续的深沟槽隔离带。
在一些实施例中，所述格栅111为复合格栅，所述复合格栅可以包括金属格栅11111和氧化物(或镧系元素(LN))格栅1112。所述金属格栅1111的材料可以为钨，所述氧化物格栅1112的材料可以为二氧化硅。
在一些实施例中，所述图像传感器还包括介电层120，设置于所述滤光层110和所述基底101之间。具体地，所述介电层120可以包括薄的氧化层、抗反射层、缓冲层和具有高介电常数(High-k)的介质层，其中所述抗反射层用于提高入射光在所述基底101的第一表面101a的透射率。所述抗反射层的材料可以为氮化硅。
在一些实施例中，所述图像传感器还包括：位于所述基底101内的浅沟槽隔离1016、位于所述基底101的第二表面101b上的栅极结构130和金属互连层140，所述第二表面101b与所述第一表面101a相对。所述栅极结构130可以包括栅氧化层(未示出)、位于所述栅氧化层上的栅电极(未示出)以及位于所述栅氧化层和所述栅电极两侧的侧墙(图中未标注)。
在一些实施例中，所述光电转换元件1013可以为光电二极管。
在一些实施例中，所述图像传感器为背照式(BSI)CMOS图像传感器。
在一些实施例中，所述像素区域可以划分为多个2行2列的像素块，每个像素块中的像素呈拜耳阵列(GRBG或GBRG)排布，即每个像素块中可以包括2个绿色、1个蓝色、和1个红色的像素。在其它实施例中，所述像素块中的像素也可以包括1个绿色、1个蓝色、1个红色和1个白色的像素，即呈RGBW矩阵。本发明对此不作限制。
在一些实施例中，所述像素块(GBRG)包括位于第一行的1个绿色像素和1个蓝色像素，位于第二行的1个红色像素和1个绿色像素，则所述第一像素区域1011和所述第二像素区域1012可以设置为位于所述像素块的第一行的两个像素，此时需要将第一行的1个绿色像素和1个蓝色像素中的蓝色像素用绿色像素来替代，即该像素块由GBRG变为GGRG(如图1示)。
由上可知，两个第二深沟槽隔离1015与其相邻的第一深沟槽隔离1014连为一体，即扩大了位于所述第一像素区域1011和第二像素区域1012之间的DTI的尺寸，与其它像素区域相比，相当于所述第一像素区域1011中的光电转换元件1013的一部分被DTI遮挡，所述第二像素区域1012中的光电转换元件1013的一部分也被DTI遮挡，且所述第一像素区域1011中的光电转换元件1013的右侧被遮挡，所述第二像素区域1012中的光电转换元件1013的左侧被遮挡，因而实现了相位检测的功能。
参考图3，是本发明另一实施例的图像传感器20的剖面结构示意图。
图3所示实施例的图像传感器20与图1所示的图像传感器10的区别仅在于：位于第一像素区域2011的光电转换元件2013和位于第二像素区域2012之间的光电转换元件2013之间的深沟槽隔离带2015不仅包括氧化物填充物2015a，还包括金属填充物2015b，所述金属填充物2015b位于所述氧化物填充物2015a形成的凹槽内。
需要说明的是，由于所述深沟槽隔离带的宽度相比位于其它像素区域之间的第一深沟槽隔离2014的宽度较宽，在对所述深沟槽隔离带和所述第一深沟槽隔离2014同时填充氧化物时，会出现所述深沟槽隔离带难以填满、氧化物填充物2015a中形成空洞或凹槽的现象，此时，可在所述空洞或凹槽内形成金属填充物2015b。所述金属填充物2015b可在形成所述氧化物填充物2015a之后、形成所述介电层220之前形成。
本实施例的图像传感器20的所述第一像素区域2011和所述第二像素区域2012相邻设置，所述第一像素区域2011的第二深沟槽隔离和所述第二像素区域2012的第二深沟槽隔离分别与位于所述第一像素区域2011和所述第二像素区域2012之间的第一深沟槽隔离2014的两侧连接以形成连续的深沟槽隔离带，所述深沟槽隔离带采用氧化物与金属填充，一方面金属遮光性好，能够防止发生光串扰；另一方面能够避免由于所述深沟槽隔离带的宽度较大，沟槽不易填满、形成空洞的问题。
对于图3所示实施例的图像传感器20，根据填充所述深沟槽隔离带的金属填充物2015b、形成介电层220以及形成金属格栅2111的顺序以及工艺的不同，所述图像传感器还可以具有如图4所示的变换实施例。
参考图4，是本发明另一实施例的图像传感器30的剖面结构示意图。图4所示实施例的图像传感器30与图3所示的图像传感器20的区别仅在于：图3中所述深沟槽隔离带中的金属填充物2015b的下表面与所述介电层220的上表面齐平，而图4中所述深沟槽隔离带中的金属填充物3015b的下表面与所述介电层320的下表面齐平。引起这一结构差异的原因主要在于，图4中的金属填充物3015b在形成所述介电层320步骤之后、和所述金属格栅3111一同形成，而图3中的金属填充物2015b在形成所述介电层220之前形成。图3和图4所示实施例的图像传感器的形成方法将在后续作具体说明。
结合参考图5和图6，图5是本发明另一实施例的图像传感器40的像素区域的俯视图，图6是图5所示实施例的图像传感器40沿BB1线的剖面结构示意图。
在一些实施例中，所述图像传感器40包括：基底401，所述基底401中设置有多个像素区域(如图6中虚线所示)、及位于相邻的像素区域之间的第一深沟槽隔离4014，每个像素区域中设置有光电转换元件4013；以及滤光层410，设置于所述基底401的第一表面401a，所述滤光层410包括：格栅411，所述格栅411具有多个开口(未示出)，每个开口对应所述基底401内的一个像素区域，所述滤光层410还包括设置于所述开口内的滤色元件412。
如图5所示，所述多个像素区域中包括用于作为相位检测像素的第一像素区域4011和第二像素区域4012(图6中未示出)。本实施例与图1所示实施例的区别在于，所述第一像素区域4011和第二像素区域4012并非直接相邻，而是沿一个像素块的对角线方向排列，所述像素块为2行2列的像素矩阵。
在一些实施例中，所述像素块中的像素呈拜耳阵列(GRBG或GBRG)排布，即每个像素块中包括2个绿色、1个蓝色、和1个红色的像素。在其它实施例中，所述像素块中的像素也可以包括1个绿色、1个蓝色、1个红色和1个白色的像素，即呈RGBW矩阵。
当用于作为相位检测像素的两个像素区域不相邻时，可以在所述第一像素区域4011的相对于光源的左侧区域形成光电转换元件4013，其相对于光源的右侧区域形成第二深沟槽隔离4015，在所述第二像素区域4012的相对于光源的左侧区域形成光电转换元件4013，其相对于光源的右侧区域形成第二深沟槽隔离4015。
在一些实施例中，位于所述第一像素区域4011的第二深沟槽隔离4015和光电转换元件4013在所述基底401的第一表面401a的光接收面的面积可以分别为所述第一像素区域4011在所述第一表面401a的面积的二分之一。位于所述第二像素区域4012的第二深沟槽隔离4015和光电转换元件4013在所述基底401的第一表面401a的光接收面的面积可以分别为所述第二像素区域4012在所述第一表面401a的面积的二分之一。
在其它实施例中，位于所述第一像素区域4011的第二深沟槽隔离4015可以为所述第一像素区域4011在所述第一表面401a的面积的五分之二，位于所述第一像素区域4011的光电转换元件4013可以为所述第一像素区域4011在所述第一表面401a的面积的五分之三。类似地，位于所述第二像素区域4011的第二深沟槽隔离4015和光电转换元件4013也可以分别为所述第二像素区域4012在所述第一表面401a的面积的五分之二和五分之三。
本领域技术人员可以理解，所述第一像素区域4011和所述第二像素区域4012的所述第二深沟槽隔离4015和光电转换元件4013在所述第一表面401a的面积还可以为其它比例，本发明实施例不限于此。
本实施例中，所述第二深沟槽隔离4015和所述第一深沟槽隔离4014的材料可以相同。具体地，所述第二深沟槽隔离4015与所述第一深沟槽隔离4014的材料可以均为金属，例如钨。在其它实施例中，所述第二深沟槽隔离4015与所述第一深沟槽隔离4014的材料可以均为氧化物，例如二氧化硅。所述第二深沟槽隔离4015的材料为氧化物时，工艺简单；所述第二深沟槽隔离4015的材料为金属时，具有较好的挡光效果。
本实施例中，所述第一像素区域4011的第二深沟槽隔离4015和与其相邻的第一深沟槽隔离4014构成的深沟槽隔离带，相比于图1所示实施例中由两个第二深沟槽隔离4015和位于其间的第一深沟槽隔离4014构成的深沟槽隔离带，宽度减小，因而不易出现所述深沟槽隔离带未填充满的现象。然而，本实施例中，由所述第一像素区域4011的第二深沟槽隔离4015和与其相邻的第一深沟槽隔离4014构成的深沟槽隔离带也可以采用类似图3或图4所示实施例的结构，即所述深沟槽隔离带部分填充氧化物，部分填充金属，具体结构可参照图3或图4，此处不再赘述。
在一些实施例中，所述图像传感器还包括介电层420、浅沟槽隔离4016、栅极结构430和金属互连层440等结构，可参照前述实施例，此处不再赘述。
由上可知，所述第二深沟槽隔离4015与其相邻的第一深沟槽隔离4014连为一体，即扩大了位于所述第一像素区域4011和与其相邻的像素区域之间的DTI的尺寸，与其它像素区域相比，相当于所述第一像素区域4011中的光电转换元件4013的一部分被DTI遮挡，类似地，所述第二像素区域4012中的光电转换元件4013的一部分也被DTI遮挡，且所述第一像素区域4011中的光电转换元件4013的左侧被遮挡，所述第二像素区域4012中的光电转换元件4013的右侧被遮挡，因而实现了相位检测的功能。
需要说明的是：相位检测像素在像素阵列中可以有多排列方式，两个相位检测像素可以相邻(如图1所示)或者不相邻(如图5所示)，所述第二深沟槽隔离在两个相位检测像素中的位置也可以有多种排布，图1和图5仅示出其中的两种。图7(a)-(h)列出了其他几种相位检测像素及位于所述相位检测像素中的第二深沟槽隔离(DTI)的排布方式，以示说明，但本发明实施例不限于此。还需要说明的是，实现相位检测的两个像素可以有多种排列设计，不同的排列设计可以通过不同的算法来实现相位检测的功能。
本实施例的图像传感器，所述第二深沟槽隔离所在的像素作为相位检测像素(Phase Detection Pixel,PDP)，能够减少栅格中氧化物结构对特定角度入射光的干扰，减少由于反射造成光路改变带来的信号干扰；延长其它特定角度入射光在滤光镜中的传播路程，增强颜色灵敏度，二者共同作用能够增强相位检测能力。
本发明还提供一种图像传感器的形成方法。参考图8，图8是本发明一个实施例的图像传感器的形成方法的流程图。
在一些实施例中，所述图像传感器的形成方法至少包括以下步骤。
步骤S11，提供基底，所述基底中设置有多个像素区域。
在一些实施例中，所述多个像素区域可以呈阵列排布，所述像素阵列可以为拜耳(GRBG或GBRG)阵列。在其它实施例中，所述像素阵列也可以呈RGBW排列，本发明对此不作限制。
步骤S13，在每个像素区域内形成光电转换元件。
在一些实施例中，所述光电转换元件可以为光电二极管。在一些实施例中，还包括在所述基底内形成其它器件，如钉扎层，浮置扩散区等。
步骤S15，在所述基底内相邻的像素区域之间形成第一深沟槽隔离，在所述多个像素区域中作为相位检测像素的第一像素区域和所述第二像素区域中分别形成第二深沟槽隔离，所述第二深沟槽隔离和所述光电转换元件在所述第一表面上均具有光接收面，使得入射至所述第一像素区域和所述第二像素区域的光的一部分能够入射至所述光电转换元件的光接收面、另一部分能够入射至所述第二深沟槽隔离的光接收面。
在一些实施例中，所述第一像素区域和第二像素区域在所述多个像素区域组成的像素阵列中可以相邻设置，例如图1，图7(a)-(c)所示。具体地，在1个包括2个绿、1个红色和1个蓝色的2×2的像素块中，所述第一像素区域和所述第二像素区域可以设置为位于第一行的两个像素，此时需要将该像素块中第一行的一个绿色像素和一个红色像素中的红色像素用绿色像素来替代。即该像素块由GRBG变为GGBG(如图7(a)和(b)所示)。类似地，也可以将像素块中第一行的一个绿色像素和一个蓝色像素中的蓝色像素用绿色像素来替代。即该像素块由GBRG变为GGRG(如图1和图7(c)所示)。
在一些实施例中，所述第一像素区域和第二像素区域在所述多个像素区域组成的像素阵列中可以非相邻设置，如图7(d)-(h)所示，位于所述第一像素区域的第二深沟槽隔离位于所述第一像素区域的左侧，则位于所述第二像素区域的第二深沟槽隔离位于所述第二像素区域的右侧；或者，位于所述第一像素区域的第二深沟槽隔离位于所述第一像素区域的右侧，则位于所述第二像素区域的第二深沟槽隔离位于所述第二像素区域的左侧；或者，位于所述第一像素区域的第二深沟槽隔离位于所述第一像素区域的下侧，则位于所述第二像素区域的第二深沟槽隔离位于所述第二像素区域的上侧；。
在一些实施例中，形成的所述第二深沟槽隔离和所述光电转换元件在所述第一表面的光接收面的面积为其所在的像素区域在所述第一表面的面积的二分之一。
在其它实施例中，位于所述第一像素区域的第二深沟槽隔离可以为所述第一像素区域在所述第一表面的面积的五分之二，位于所述第一像素区域的光电转换元件可以为所述第一像素区域在所述第一表面的面积的五分之三。类似地，位于所述第二像素区域的第二深沟槽隔离和光电转换元件也可以分别为所述第二像素区域在所述第一表面的面积的五分之二和五分之三。
本领域技术人员可以理解，所述第一像素区域和所述第二像素区域各自的所述第二深沟槽隔离和光电转换元件在所述第一表面的面积还可以为其它比例，不局限于上述实施例所列举的比例。
在一些实施例中，形成所述第二深沟槽隔离的材料与形成所述第一深沟槽隔离的材料可以相同。具体地，形成所述第二深沟槽隔离与所述第一深沟槽隔离的材料可以均为金属，例如钨。在一些实施例中，所述第二深沟槽隔离与所述第一深沟槽隔离的材料可以均为氧化物，例如二氧化硅。所述第二深沟槽隔离的材料为氧化物时，工艺简单；所述第二深沟槽隔离的材料为金属时，具有较好的挡光效果。
在一些实施例中，所述第一深沟槽隔离和所述第二深沟槽隔离可以在同一工艺步骤中同时形成。在其它实施例中，也可以在不同的工艺步骤中分别形成所述第一深沟槽隔离和所述第二深沟槽隔离。
在一些实施例中，当所述第一像素区域和第二像素区域在所述多个像素区域组成的像素阵列中相邻设置时，在所述基底内相邻的像素区域之间形成第一深沟槽隔离，在所述第一像素区域和所述第二像素区域中分别形成第二深沟槽隔离包括：形成由位于所述第一像素区域的第二深沟槽隔离、位于所述第一像素区域和所述第二像素区域之间的第一深沟槽隔离、以及位于所述第二像素区域的第二深沟槽隔离形成的连续的深沟槽隔离带，使所述第一像素区域的光电转换元件和所述第二像素区域的光电转换元件分别位于所述深沟槽隔离带的两侧。
在一些实施例中，形成所述深沟槽隔离带的材料为金属，例如钨。在一些实施例中，形成所述深沟槽隔离带的材料为氧化物，例如二氧化硅。
在一些实施例中，形成所述深沟槽隔离带包括形成金属填充物和形成氧化物填充物，所述金属填充物位于所述氧化物填充物形成的凹槽内。对于所述深沟槽隔离带包括金属填充物和氧化物填充物的情况，根据形成方法的不同，可以形成如图3和图4的不同结构。下面对图3和图4的图像传感器的形成方法的中间步骤分别加以说明。
如图3所示，所述图像传感器20的形成方法可以包括：在基底201中形成多个第一深沟槽(未示出)和第二深沟槽(未示出)，在所述多个第一深沟槽和第二深沟槽中形成氧化物填充物2015a；平坦化所述氧化物填充物(可选步骤)；在未填满的所述第二深沟槽中形成金属填充物2015b；平坦化所述金属填充物2015b；在所述基底201的第一表面201a形成介电层220；在所述介电层220上形成金属层(未示出)；在所述金属层上形成氧化物层(未示出)；刻蚀所述氧物层形成多个通孔，以刻蚀后的氧化物层为掩模刻蚀所述金属层，形成金属格栅2111；在所述金属格栅2111侧壁和位于所述金属格栅2111上且被刻蚀的氧化物层表面形成一薄层氧化物层，从而形成氧化物格栅2112。因此，所述深沟槽隔离带中的金属2015b的下表面与所述介电层220的上表面齐平。
如图4所示，所述图像传感器30的形成方法可以包括：在基底301中形成多个第一深沟槽(未示出)和第二深沟槽(未示出)，在所述多个第一深沟槽和第二深沟槽中形成氧化物填充物3015a；平坦化所述氧化物填充物(可选步骤)；在所述基底301的第一表面301a形成介电层320；刻蚀所述第二深沟槽中的介电层320(可选步骤)，形成位于所述第二深沟槽的氧化物3015a中的凹槽，在所述介电层320上形成金属层(未示出)，所述金属层的一部分填充所述凹槽形成位于所述第二深沟槽中的金属填充物3015b；在所述金属层上形成氧化物层(未示出)；刻蚀氧物层形成多个通孔，以刻蚀后的氧化物层为掩模刻蚀所述金属层，形成金属格栅3111；在所述金属格栅3111侧壁和位于所述金属格栅3111上且被刻蚀的氧化物层表面形成一薄层氧化物层，从而形成氧化物格栅3112。因此，所述深沟槽隔离带中的金属填充物3015b的下表面与所述介电层320的下表面齐平。
在一些实施例中，在所述第一深沟槽和所述第二深沟槽中填充所述氧化物填充物3015a和金属填充物3015b之前还包括，在所述第一深沟槽和所述第二深沟槽中形成衬垫氧化物(liner oxide)和氮化硅等。
在一些实施例中，所述金属层和氧化物层之间还形成有其它介质层。
上述实施例中列举了两种形成所述第二深沟槽隔离3015的方法，然而本发明实施例并不限于此，通过变换工艺步骤，所述第二深沟槽隔离还可以具有其它结构。
继续参考图8，执行步骤S17，在所述基底的第一表面形成具有多个开口的格栅，每个开口对应所述基底内的一个像素区域。
在一些实施例中，在形成所述格栅前，还包括在所述基底的第一表面形成介电层。所述介电层可以包括抗反射层，所述抗反射层的材料可以为氮化硅。
这里以图2所示实施例的图像传感器10为例，说明步骤S17中形成格栅11的方法。在一些实施例中，所述格栅11可以为复合格栅，所述复合格栅包括金属格栅1111和氧化物(或镧系元素(LN))格栅1112，则形成所述格栅11的步骤可以包括：在所述介电层120上形成金属层(未示出)；在所述金属层上形成多个开口(未示出)以形成金属格栅1111；形成覆盖所述金属格栅1111和部分所述介电层120的氧化物(或镧系元素(LN))层(未示出)；以及在所述氧化物层上形成多个开口(未示出)以形成氧化物(或镧系元素(LN))格栅1112，每个开口对应所述基底内的一个像素区域，由此所述金属格栅1111和所述氧化物(或镧系元素(LN))格栅1112构成具有多个开口的复合金属/氧化物(或镧系元素(LN))格栅111。
在一些实施例中，所述金属格栅1111的材料可以为钨，所述氧化物格栅1112的材料可以包括二氧化硅。
执行步骤S19，在所述开口中形成滤色元件。
结合参考图2，在每个开口中形成一个滤色元件112，每个滤色元件112对应一个像素区域。在一些实施例中，所述滤色元件112对特定波段的光的透射率高于其对其他波段的光的透射率，以实现对特定波段的光的选择性透射。所述滤色元件112可以为绿色滤光镜，即针对绿光的透射率高于其它波段的光，也可以为蓝色、或红色滤光镜。不同的像素区域可以对应相同或者不同波段的滤光镜。
其中，与所述第一像素区域对应的滤色元件和与所述第二像素区域对应的滤色元件可以为针对相同波段的光的滤色元件，即具有针对相同波段的光高于其他波段的光的透射率。如图2所示，所述第一像素区域1011和所述第二像素区域1012上可以分别设置有绿色滤光镜1121，以透射绿光。在其它实施例中，所述第一像素区域1011和所述第二像素区域1012上还可以均设置有蓝色滤光镜(未示出)或红色滤光镜(未示出)。
在一些实施例中，在步骤S13之前，还包括在所述基底中形成浅沟槽隔离(STI)；在步骤S13和S15之间，还包括形成栅极结构、通孔、金属互连层，将基底与承载晶圆(carrywafer)键合等步骤；在步骤S19形成滤色元件之后，还可以包括形成微透镜，此处不再详述。
需要说明的是，本发明的图像传感器的形成方法中，实现相位检测的两个像素可以有多种排列设计，图7(a)-(h)示出了几种不同的排列设计，但本发明实施例不限于此，不同的排列设计可以通过不同的算法来实现相位检测的功能。
综上所述，本发明实施例的图像传感器包括作为相位检测像素的第一像素区域和第二像素区域，所述第一像素区域和第二像素区域中分别设置有光电转换元件和第二深沟槽隔离，由于所述第二深沟槽隔离和所述光电转换元件在所述基底的第一表面上均具有光接收面，入射至所述第一像素区域和所述第二像素区域的光的一部分能够入射至所述光电转换元件的光接收面、另一部分能够入射至所述第二深沟槽隔离的光接收面，相比于其它像素区域，所述第一像素区域和所述第二像素区域的光电转换元件在所述基底的第一表面的光接收面的面积减小，相当于所述第二深沟槽隔离作为(Phase Detection Pixel,PDP)掩模遮挡了所述第一像素区域和所述第二像素区域的光接收面上的部分像素点，使得所述第一像素区域和所述第二像素区域的有效像素面积减小，以实现相位检测功能。此外，所述第二深沟槽隔离作为PDP掩模，能够减少栅格中氧化物结构对特定角度入射光的干扰，减少由于反射造成光路改变带来的信号干扰；延长其它特定角度入射光在滤光镜中的传播路程，增强颜色灵敏度，二者共同作用能够增强相位检测能力，以避免现有技术中将PDP掩模置于复合格栅内引起的相位检测能力退化、信号干扰、颜色的灵敏度降低等问题。
进一步地，所述第二深沟槽隔离的材料为金属，能够实现良好的挡光效果。
进一步地，所述第二深沟槽隔离的材料为氧化物，工艺简单易于实现。
进一步地，所述深沟槽隔离带的材料为金属和氧化物，所述金属位于所述氧化物形成的凹槽内，能够解决位于所述第一像素区域和所述第二像素区域之间的深沟槽隔离带宽度较大，不易填满的问题；此外，用金属对所述氧化物的凹槽进行填补，能够加强挡光效果。
本发明实施例的图像传感器的形成方法，在所述基底的每个像素区域内形成光电转换元件，在所述基底内邻近的像素区域之间形成第一深沟槽隔离，在作为相位检测像素的第一像素区域和第二像素区域中分别形成第二深沟槽隔离，由于所述第二深沟槽隔离和所述光电转换元件在所述第一表面上均具有光接收面，入射至所述第一像素区域和所述第二像素区域的光的一部分能够入射至所述光电转换元件的光接收面、另一部分能够入射至所述第二深沟槽隔离的光接收面，相比于其它像素区域，所述第一像素区域和所述第二像素区域的光电转换元件在所述基底的第一表面的光接收面的面积减小，相当于所述第二深沟槽隔离作为PDP掩模遮挡了所述第一像素区域和所述第二像素区域的光接收面上的部分像素点，使得所述第一像素区域和所述第二像素区域的有效像素面积减小，以实现相位检测功能。此外，所述第二深沟槽隔离作为PDP掩模，还能够避免现有技术中将PDP掩模置于复合格栅内引起的相位检测能力退化、信号干扰、颜色的灵敏度降低等问题。
进一步地，形成所述第二深沟槽隔离的材料与形成所述第一深沟槽隔离的材料相同，使得所述第二深沟槽隔离与所述第一深沟槽隔离能够在同一工艺步骤中同时形成，即所述深沟槽隔离结构的一部分可以作为PDP掩模，以实现相位检测功能。
进一步地，形成所述第二深沟槽隔离的材料为金属，能够实现良好的挡光效果。
进一步地，形成所述第二深沟槽隔离的材料为氧化物，工艺简单易于实现。
进一步地，形成所述深沟槽隔离带的材料为金属和氧化物，所述金属位于所述氧化物形成的凹槽内，能够解决位于所述第一像素区域和所述第二像素区域之间的深沟槽隔离带宽度较大，不易填满的问题；此外，用金属对所述氧化物的凹槽进行填补，能够加强挡光效果；所述凹槽内的金属还可以和后续的金属格栅同时形成，不增加工艺成本。
进一步地，由于所述第二深沟槽隔离与所述第一深沟槽隔离在同一工艺步骤中形成，无需再额外形成用来遮挡所述光电转换元件的入射光线的PDP掩模，因而不增加工艺成本。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (19)
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
基底，所述基底中设置有多个像素区域、及位于相邻的像素区域之间的第一深沟槽隔离，每个像素区域中设置有光电转换元件；以及
滤光层，设置于所述基底的第一表面，所述滤光层包括：格栅，所述格栅具有多个开口，每个开口对应所述基底内的一个像素区域，以及设置于所述开口内的滤色元件；
其中，所述多个像素区域包括作为相位检测像素的第一像素区域和第二像素区域，所述第一像素区域和所述第二像素区域中还分别设置有第二深沟槽隔离，所述第二深沟槽隔离和所述光电转换元件在所述基底的第一表面上均具有光接收面，使得入射至所述第一像素区域和所述第二像素区域的光的一部分能够入射至所述光电转换元件的光接收面、另一部分能够入射至所述第二深沟槽隔离的光接收面。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，位于所述第一像素区域上的滤色元件和位于所述第二像素区域上的滤色元件具有针对相同波段的光高于其他波段的光的透射率。
3.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述相同波段的光包括绿光。
4.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第二深沟槽隔离和所述光电转换元件在所述第一表面的光接收面的面积分别为其所在的像素区域在所述第一表面的面积的二分之一。
5.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第二深沟槽隔离与所述第一深沟槽隔离的材料相同。
6.如权利要求1或5所述的图像传感器，其特征在于，所述第二深沟槽隔离的材料为金属或氧化物。
7.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括介电层，设置于所述滤光层和所述基底之间。
8.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一像素区域和所述第二像素区域相邻设置，位于所述第一像素区域的第二深沟槽隔离和位于所述第二像素区域的第二深沟槽隔离分别与位于所述第一像素区域和所述第二像素区域之间的第一深沟槽隔离的两侧连接以形成连续的深沟槽隔离带，位于所述第一像素区域的光电转换元件和位于所述第二像素区域的光电转换元件分别位于所述深沟槽隔离带的两侧。
9.如权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述深沟槽隔离带包括金属填充物和氧化物填充物，所述金属填充物位于所述氧化物填充物形成的凹槽内。
10.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供基底，所述基底中设置有多个像素区域；
在每个像素区域中形成光电转换元件；
在所述基底内相邻的像素区域之间形成第一深沟槽隔离，在所述多个像素区域中作为相位检测像素的第一像素区域和所述第二像素区域中分别形成第二深沟槽隔离，所述第二深沟槽隔离和所述光电转换元件在所述基底的第一表面上均具有光接收面，使得入射至所述第一像素区域和所述第二像素区域的光的一部分能够入射至所述光电转换元件的光接收面、另一部分能够入射至所述第二深沟槽隔离的光接收面；以及
在所述基底的第一表面形成滤光层，包括：在所述基底的第一表面形成具有多个开口的格栅，每个开口对应所述基底内的一个像素区域，在所述开口中形成滤色元件。
11.如权利要求10所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在所述开口中形成滤色元件包括：
在与所述第一像素区域对应的开口中形成的滤色元件和在与所述第二像素区域对应的开口中形成的滤色元件具有针对相同波段的光高于其他波段的光的透射率。
12.如权利要求11所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述相同波段的光包括绿光。
13.如权利要求10所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，形成的所述第二深沟槽隔离和所述光电转换元件在所述第一表面的光接收面的面积分别为其所在的像素区域在所述第一表面的面积的二分之一。
14.如权利要求10所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，形成所述第二深沟槽隔离的材料与形成所述第一深沟槽隔离的材料相同。
15.如权利要求10或14所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，形成所述第二深沟槽隔离的材料为金属或氧化物。
16.如权利要求10所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，还包括：在所述滤光层和所述基底之间形成介电层。
17.如权利要求10所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一像素区域和所述第二像素区域相邻设置，在所述基底内相邻的像素区域之间形成第一深沟槽隔离，在所述第一像素区域和所述第二像素区域中分别形成第二深沟槽隔离包括：
形成由位于所述第一像素区域的第二深沟槽隔离、位于所述第一像素区域和所述第二像素区域之间的第一深沟槽隔离、以及位于所述第二像素区域的第二深沟槽隔离形成的连续的深沟槽隔离带，使所述第一像素区域的光电转换元件和所述第二像素区域的光电转换元件分别位于所述深沟槽隔离带的两侧。
18.如权利要求17所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，形成所述深沟槽隔离带包括形成金属填充物和形成氧化物填充物，所述金属填充物位于所述氧化物填充物形成的凹槽内。
19.如权利要求10所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一深沟槽隔离和所述第二深沟槽隔离在同一工艺步骤中形成。
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