CN113224088A - 图像传感器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种图像传感器。该图像传感器包括：基板，该基板包括一个或更多个光电转换元件，所述一个或更多个光电转换元件布置在该基板中并被构造为将光转换为表示该光所承载的图像的电信号；以及多个金属层，其布置在距基板的表面不同的距离处并且位于所述一个或更多个光电转换元件下方，各个金属层包括一个或更多个金属图案。所述多个金属层的所述一个或更多个金属图案被布置成面向光电转换元件的凹形，使得由金属层反射的入射光朝着光电转换元件会聚。
Description
技术领域
本专利文献中所公开的技术和实现方式总体上涉及一种响应于红外(IR)光而生成电信号的图像传感器。
背景技术
图像传感器是用于通过使用对光作出反应的感光半导体材料将光转换为电信号来捕获光学图像的装置。随着最近汽车、医疗、计算机和通信行业的发展，在诸如智能电话、数字相机、游戏机、物联网(IoT)、机器人、监控相机、医疗微型相机等的各种装置中对高性能图像传感器的需求不断增加。
图像传感器可被大致分类为基于CCD(电荷耦合器件)的图像传感器和基于CMOS(互补金属氧化物半导体)的图像传感器。CCD图像传感器提供最佳的可用图像质量，但其与CMOS图像传感器相比往往会消耗更多功率并且更大。与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器的尺寸更小并且消耗更少的功率。CMOS图像传感器可使用许多不同的扫描方案来实现，并且由于使用CMOS制造技术来制造CMOS传感器，所以CMOS图像传感器和其它信号处理电路可被集成到单个芯片中，从而允许以较低成本生产小尺寸图像传感器。由于这些原因，CMOS图像传感器正在被深入研究并且快速地得以广泛使用。
发明内容
本专利文献尤其提供了图像传感器的制造方法，其可使用一个或更多个金属图案将红外波长的光朝着光电转换元件反射，以改进对红外波长的灵敏度。
在所公开的技术的实施方式中，一种图像传感器可包括：基板，该基板包括一个或更多个光电转换元件，所述一个或更多个光电转换元件布置在该基板中并被构造为将光转换为表示该光所承载的图像的电信号；以及多个金属层，其布置在距基板的表面不同的距离处并且位于所述一个或更多个光电转换元件下方，各个金属层包括一个或更多个金属图案。所述多个金属层的所述一个或更多个金属图案被布置成面向光电转换元件的凹形，使得由金属层反射的入射光朝着光电转换元件会聚。
在所公开的技术的另一实施方式中，一种图像传感器可包括布置在基板中的光电转换元件以及布置在距光电转换元件不同的距离处的两个或更多个金属层。包含在第一金属层中的金属图案之间的距离大于比第一金属层更远离光电转换元件的第二金属层中所包含的金属图案之间的距离。图像传感器被构造为接收首先到达光电转换元件然后到达所述两个或更多个金属层的入射光。
将理解，本专利文献中的以上一般描述、附图和以下详细描述是所公开的技术的技术特征和实现方式的例示和说明。
附图说明
图1是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像传感器的示例的框图。
图2是示出图1所示的单元像素的示例的示意图。
图3是示出图2所示的单元像素的示例的横截面图。
图4是示出图2所示的单元像素的另一示例的横截面图。
图5是示出图2所示的单元像素的另一示例的横截面图。
图6是示出图2所示的单元像素的另一示例的横截面图。
具体实施方式
本专利文献提供了一种图像传感器的实现方式和示例，其可使用一个或更多个金属图案将红外波长的光朝着光电转换元件反射，以改进对红外波长的灵敏度。所公开的技术可在一些实施方式中用于实现一种图像传感器，该图像传感器包括反射结构，该反射结构被构造为将已穿透光电转换元件的红外(IR)光朝着光电转换元件反射，从而改进红外波长的光吸收率。
现在将详细参照所公开的技术的实施方式，其示例示出于附图中。只要可能，将贯穿附图使用相同的标号来表示相同或相似的部件。尽管本公开易受各种修改和替代形式影响，但附图中作为示例示出其特定实施方式。然而，本公开不应被解释为限于本文中阐述的实施方式，而是相反，本公开旨在涵盖落在实施方式的精神和范围内的所有修改、等同和替代。在附图中，为了描述方便和清晰，元件的尺寸和形状可能被夸大。
图1是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像传感器100的示例的框图。
在一些实现方式中，充当互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的图像传感器100可包括像素阵列110、行解码器120、相关双采样器(CDS)电路130、模数转换器(ADC)140、输出缓冲器150、列解码器160和定时控制器170。在这种情况下，图像传感器100的上述构成元件仅是示例，可根据需要向图像传感器100添加或从图像传感器100省略构成元件当中的至少一些构成元件。
像素阵列110可包括按二维(2D)阵列布置成行和列的多个单元像素。多个单元像素可被构造为分别或者在至少两个单元像素共享参与光电转换的电路的至少一个元件的实现方式中基于共享像素将光学信号或入射光转换为电信号。尽管各个单元像素或各个共享像素可对应于3T像素(每像素3个晶体管)、4T像素(每像素4个晶体管)或5T像素(每像素5个晶体管)，或者可每单元包括超过5个晶体管。像素阵列110可从行解码器120接收诸如行选择信号、像素重置信号和传输(Tx)信号的控制信号，并且可基于从行解码器120接收的控制信号而操作。
在一些实现方式中，响应于红外(或近红外NIR)波长(例如，800nm-1000nm)的光，单元像素200可生成与光的强度对应的电信号。
在一些实现方式中，由单元像素200生成的电信号可用于生成深度图像，深度图像可用于使用飞行时间(TOF)方法来测量距目标对象的距离。即，在从与图像传感器间隔开预定距离的光源(未示出)向目标对象发送预定波长的调制光信号之后，图像传感器100可检测从目标对象反射的调制光(入射光)，并且TOF方法可使用所检测的调制光(入射光)针对各个像素计算诸如目标对象与图像传感器之间的距离的深度信息。调制光和入射光中的每一个可以是红外(IR)波段内的波长的光。在一些实现方式中，TOF方法可测量从目标对象反射并返回到图像传感器的光信号的往返时间，以计算目标对象与图像传感器之间的距离。可基于调制光和入射光来测量光信号的往返时间或由图像传感器100与目标对象之间的距离导致的时延。这种时延可被表示为图像传感器100所生成的信号之间的相位差。图像处理器(未示出)可计算图像传感器100的输出信号之间的这种相位差，以使用所计算的相位差来生成包括各个像素的深度信息的深度图像。
在一个示例中，光源(未示出)、图像处理器(未示出)和图像传感器100可被并入单个模块中。在另一示例中，光源、图像处理器和图像传感器100可被实现于单独的装置中。
在所公开的技术的一些实施方式中，单元像素200所生成的电信号可用于在黑暗环境中获取图像，从而通过检测红外光而非可见光来改进黑暗环境中的对象的可见性。在所公开的技术的一些实施方式中，单元像素200所生成的电信号可用于校正可见光图像。
在一个实施方式中，布置在像素阵列中的所有单元像素可被构造为检测红外光。在另一实施方式中，像素阵列可包括不同类型的单元像素，例如用于感测红外光的单元像素200和用于检测不同波长范围内的光的单元像素(例如，用于感测可见光的单元像素)。
行解码器120可基于来自定时控制器170的控制信号和/或时钟信号来启用像素阵列110。在一些实现方式中，在从像素阵列110选择行时，行解码器120可生成行选择信号以选择多行中的至少一行。行解码器120可依次启用用于重置与至少一个所选行对应的像素的像素重置信号以及用于所选像素发送像素所生成的电信号的传输(Tx)信号。这样，从所选行的各个像素生成的模拟型基准信号和图像信号可被依次发送到CDS电路130。在这方面，基准信号和图像信号可根据需要被统称为像素信号。
CMOS图像传感器可使用相关双采样(CDS)通过对像素信号采样两次以去除这两个样本之间的差来去除像素的不期望的偏移值。在一个示例中，相关双采样(CDS)可通过比较在光信号入射在像素上之前和之后获得的像素输出电压以使得可仅测量基于入射光的像素输出电压来去除像素的不期望的偏移值。在所公开的技术的一些实施方式中，CDS电路130可依次采样并保持从像素阵列110传送到多条列线中的每一条的基准信号和图像信号。即，CDS电路130可采样并保持与像素阵列110的各列对应的基准信号和图像信号的电压电平。
在从定时控制器170接收到控制信号时，CDS电路130可将与各列的基准信号和图像信号对应的相关双采样(CDS)信号发送到ADC 140。
ADC 140用于将模拟CDS信号转换为数字信号。ADC 140的示例可包括斜坡比较型ADC，其中模拟像素信号与诸如斜升或斜降的斜坡信号的基准信号进行比较，并且定时器计数，直至斜坡信号的电压与模拟像素信号匹配。在所公开的技术的一些实施方式中，ADC140可从CDS电路130接收各列的CDS信号，可将所接收的CDS信号转换为数字信号，因此可输出数字信号。在一些实现方式中，ADC 140使用基准信号对输入信号(例如，像素信号)采样多次，并通过对直至交叉点的时钟脉冲的数量进行计数来对采样的输入信号进行模数转换。ADC 140可基于各列的CDS信号和从定时控制器170接收的斜坡信号来执行计数操作和计算操作，使得ADC 140可生成与各列对应的噪声(例如，各个像素的独特重置噪声)被去除的数字图像数据。
ADC 140可包括与像素阵列110的各个列对应的多个列计数器，并且可使用列计数器将各列的CDS信号转换为数字信号，从而导致形成图像数据。在另一实施方式中，ADC 140可包括单个全局计数器，并且可使用从全局计数器接收的全局码来将与各列对应的CDS信号转换为数字信号。
输出缓冲器150可接收从ADC 140接收的各列的图像数据。另外，输出缓冲器150可捕获所接收的图像数据，并且可输出所捕获的图像数据。在从定时控制器170接收到控制信号时，输出缓冲器150可暂时地存储从ADC 140输出的图像数据。输出缓冲器150可作为被配置为对图像传感器100与联接到图像传感器100的另一装置之间的数据速率差异或传输(Tx)速度差异进行补偿的接口来操作。
列解码器160可在从定时控制器170接收到控制信号时选择输出缓冲器150的列，并且可将暂时存储的图像数据依次输出到输出缓冲器150。在一些实现方式中，列解码器160可从定时控制器170接收地址信号，可基于所接收的地址信号来生成列选择信号，并且可选择输出缓冲器150的列以将图像数据作为输出信号S0从输出缓冲器150的所选列输出。
定时控制器170可控制行解码器120、ADC 140、输出缓冲器150和列解码器160。
定时控制器170可将用于操作或同步图像传感器100的构成元件的时钟信号、用于定时控制的控制信号以及选择行或列所需的地址信号发送到行解码器120、列解码器160、ADC 140和输出缓冲器150。在一些实现方式中，定时控制器170可包括例如逻辑控制电路、锁相环(PLL)电路、定时控制电路和通信接口电路。
图2是示出图1所示的单元像素200的示例的示意图。
在一些实现方式中，单元像素200可指图1所示的像素阵列110中所包含的单元像素。单元像素200可以是接收红外光并生成与红外光对应的电信号的图像传感器像素。仅作为示例，图2中示出一个单元像素200，应该注意的是，其它单元像素可具有相同的结构和功能。
如下面将讨论的，图3至图6示出沿着第一至第三切割线X1-X1’、X2-X2’和X3-X3’中的至少一个截取的单元像素200的横截面图。第一切割线X1-X1’可用于示出切割单元像素200的中央区域的垂直横截面图。第二切割线X2-X2’和第三切割线X3-X3’中的每一个可用于示出切割单元像素200的边缘区域的垂直横截面图。
CMOS图像传感器形成在基板上，并且包含用于感光像素(具有光电转换元件)的金属图案(包括导电金属线)以及用于操作感光像素和像素读出二者的传感器电路。这些金属图案可反射或散射CMOS图像传感器所接收的入射光，并且这种反射或散射的光如果未被管理的话，可能不利地影响感测性能或操作。例如，在背面照明(BSI)配置的CMOS图像传感器中，用于接收CMOS图像传感器的入射光的透镜阵列和金属图案形成在感光像素层的相反侧。这种BSI图像传感器的入射光首先穿过透镜阵列以到达感光像素层中的感光像素，然后在感光像素层的另一侧遇到金属图案。这些金属图案通常是光学反射的，并且反射光可被引导到其它方向而不穿过感光像素。因此，由金属图案如此反射的这种入射光可能未被感光像素接收，这可不利地影响图像传感器的光学检测效率。如下面详细说明的，这些金属图案可被构造为具有面向具有光电转换元件的感光像素的凹面，以使得由金属图案反射的光可朝着具有光电转换元件的感光像素会聚以改进光学检测效率，特别是对于对硅具有大穿透深度的红外(IR)光。
图3是示出用于BSI CMOS图像传感器的图2所示的单元像素200的示例的横截面图。
在一些实现方式中，单元像素200的横截面图300可以是示出沿着图2所示的第一切割线X1-X1’截取的单元像素的横截面图。
单元像素200的横截面图300可包括基板301、光电转换元件302、至少一个器件隔离膜303、至少一个栅格区域304、滤光器305、微透镜306以及第一至第四金属层(Ma-Md)。
基板301可包括面向彼此的顶表面和底表面。例如，基板301可以是P型或N型块状基板，可以是P型或N型外延层生长的P型块状基板，或者可以是P型或N型外延层生长的N型块状基板。
光电转换元件302可设置在基板301中的与单元像素200对应的区域中。光电转换元件302可生成并累积与其内区域中的入射光的强度对应的光电荷。光电转换元件302可横跨尽可能大的区域布置，以增加指示光接收(Rx)效率的填充因子。例如，光电转换元件302也可被实现为光电二极管、光电晶体管、光门、钉扎光电二极管或其组合。
如果光电转换元件302被实现为光电二极管，则光电转换元件302可通过N型离子的离子注入形成为N型掺杂区域。在一个实施方式中，可通过在彼此之上层叠多个掺杂区域来形成光电二极管。在这种情况下，可通过注入P型离子或N+离子来形成下掺杂区域，并且可通过注入N-离子来形成上掺杂区域。
为了形成器件隔离膜303，可通过在光电转换元件302的两侧通过沟槽工艺在垂直方向上蚀刻基板或基板中的材料层并利用折射率不同于基板301的绝缘材料(即，高反射率绝缘材料)填充蚀刻的区域来形成深槽隔离(DTI)结构。仅作为示例，器件隔离膜303可由选自氧化硅膜、氮化硅膜和氮氧化硅膜中的至少一种形成。器件隔离膜303可被构造为将当入射在单元像素200上的光不期望地朝着另一邻接像素传播时发生的使信噪比(SNR)变差的光学串扰减小或最小化。
栅格区域304可设置在彼此相邻的滤色器305之间，以防止邻接滤色器270之间的光学串扰。在一些实现方式中，栅格区域304可由往往会吸收光而非反射光的金属材料形成。在一些实现方式中，可通过层叠钨(W)和氮化钛(TiN)来形成栅格区域304。
滤光器305可形成在基板301上方以通过透射特定波长的光而阻挡其它波长的光来对光电转换元件要检测的特定波长的光(例如，红光、绿光、蓝光等)进行滤光。包含在单元像素200中的滤光器305可以是被配置为吸收红外光的红外(IR)滤光器。在一些实现方式中，抗反射层(未示出)可形成在滤光器305下方。
微透镜306可形成在滤光器305上方以使入射光会聚到对应滤色器，从而改进光接收(Rx)效率。外覆层(未示出)可形成在微透镜306上方或下方，以防止入射光的不规则反射或漫反射，从而抑制眩光特性。
第一至第四金属层(Ma-Md)中的每一个可包括金属线。在这种情况下，金属线可发送操作单元像素200的控制信号(例如，行选择信号、像素重置信号、传输(Tx)信号等)，或者可将单元像素200所生成的像素信号(例如，基准信号、图像信号等)输出到外部。
第一至第四金属层(Ma-Md)可布置在距基板301的表面不同的深度处。在一些实现方式中，可通过在彼此之上依次层叠包括金属层的多个层来形成第一至第四金属层(Ma-Md)。例如，第一至第四金属层(Ma-Md)可分别指金属层M0、金属层M1、金属层M2和金属层M3，或者可分别指金属层M1、金属层M2、金属层M3和金属层M4。尽管图3仅作为示例示出与四个金属层对应的第一至第四金属层(Ma-Md)，但基于所公开的技术的一些实施方式的反射结构可包括少于或多于四个金属层(例如，三个或五个金属层)。另外，第一至第四金属层(Ma-Md)可不用作连续金属层，并且第一至第四金属层(Ma-Md)当中的至少两个邻接金属层可用作不连续金属层。例如，第一至第三金属层(Ma-Mc)可以是金属层(M0-M2)，并且第四金属层(Md)可以是金属层M4。
第一至第四金属层(Ma-Md)中的每一个可包括至少一条金属线(例如，310-1和310-2)以及围绕至少一条金属线以将至少一条金属线绝缘的绝缘层。因此，包含在邻接金属层(例如，Ma和Mb)中的金属线可彼此电隔离。
第一金属层(Ma)的金属图案310-1和310-2可设置在单元像素200的两端，使得金属图案310-1可与其它金属图案310-2间隔开第一距离(d1)。仅作为示例，金属图案310-1和310-2中的每一个设置在器件隔离膜303下方，如图3所示。如下面将讨论的，金属图案310-1和310-2以及其它金属图案可包括彼此水平靠近的两条金属线，并且包含在金属图案中的金属线的数量和形状可根据其它图案和层的结构而变化。在一些实现方式中，金属图案可由以预定距离(例如，1000nm或更小)的间隔彼此紧密设置的一组单独的金属线形成。在其它实现方式中，代替以预定距离或更小的间隔彼此紧密设置的金属线，金属图案可由单条金属线形成。
第二金属层(Mb)的金属图案320-1和320-2可位于第一金属层(Ma)的金属图案310-1和310-2的内侧，使得金属图案320-1可与其它金属图案320-2间隔开第二距离(d2)。在本专利文献的上下文中，第一金属层(Ma)的金属图案310-1和310-2的术语“内侧”可用于指示平行于中心线CL并穿过金属图案310-1和310-2中的每一个的虚拟直线之间的区域。中心线CL穿过光电转换元件302的中心位置。在一些实现方式中，第二距离(d2)可小于第一距离(d1)。
第三金属层(Mc)的金属图案330-1和330-2可设置在第二金属层(Mb)的金属图案320-1和320-2的内侧，使得金属图案330-1可与另一金属图案330-2间隔开第三距离(d3)。第三距离(d3)可小于第二距离(d2)。
第四金属层(Md)的金属图案340-1可设置在第三金属层(Mc)的金属图案330-1和330-2的内侧。尽管为了描述方便，图3示出第四金属层(Md)的仅一个金属图案340-1设置在金属图案330-1和330-2的内侧内，但应该注意的是，第四金属层(Md)的多个金属图案可设置在金属图案330-1和330-2的内侧内。
已知硅和一些半导体材料吸收不同波长、不同级别的光。通常，硅中的光穿透深度随光的波长而增加。具体地，800nm和更长波长的红外光谱范围内的光的穿透深度大于400nm至700nm的光谱范围内的可见光。入射红外(IR)光的一部分从传感器输入表面以非常小的厚度被吸收到设置在基板301中的光电转换元件302中，但红外光的光电转换率(即，光电转换效率)相对低。通过将IR感测光电转换元件302进一步远离传感器输入表面或透镜阵列放置在厚的基板301中，可通过增加基板301的厚度以增加红外光的这种光电转换效率来补偿该缺点。然而，基板301的厚度的这种增加可导致图像传感器装置的体积增加。
在所公开的技术的一些实施方式中，设置在基于BSI(背面照明)的图像传感器100的基板301下方的第一至第四金属层(Ma-Md)中所包含的金属图案可形成为凹形或抛物面形，使得从这些金属层的凹面反射的光朝着光电转换元件302以特定程度聚焦或会聚。换言之，金属图案可形成为凹形，使得其凹形的凹面面向光电转换元件302。即，在与单元像素200对应的区域内从基板301开始的特定金属层的金属图案可在靠近基板301设置的另一金属层的金属图案的内侧(或在金属图案之间的间距处)彼此间隔开较短的距离。相比之下，在与单元像素200对应的区域内从基板301开始的特定金属层的金属图案可被配置为使得远离基板301设置的另一金属层的金属图案设置在金属图案的内侧(或在金属图案之间的间距处)并且彼此间隔开较长的距离。即，金属图案之间的距离可与距基板301的分离距离成比例地逐渐减小，使得包含在第一至第四金属层(Ma-Md)中的金属图案可整体形成为凹形，使得反射光由凹形表面引导以朝着光电转换元件302会聚。尽管为了描述方便，如图3所示，这些金属图案的凹形可以是在向下方向上变尖的角形状，但应该注意的是，凹形也可被实现为具有特定曲率的凹反射镜形状。
在一些实现方式中，金属图案可布置在光电转换元件下方以将到达金属图案的光朝着光电转换元件反射。金属图案可布置在距光电转换元件不同的距离处，以整体形成抛物线形反射镜，使得反射镜的凹面面向光电转换元件。
各个金属图案可由具有更高光反射率和更高电导率的金属材料(例如，银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)等)形成。即，由于包含在第一至第四金属层(Ma-Md)中的金属图案由具有更高光反射率的材料形成，所以金属图案可形成为凹形，使得由面向光电转换元件302的这些凹形金属图案反射的光朝着光电转换元件302以特定程度聚焦或会聚，并且凹形的凹面面向光电转换元件302。这样，金属图案可允许已穿透光电转换元件302而未被光电转换元件302吸收的红外光被反射回光电转换元件302。反射的红外光可被直接反射或者可被其它结构(例如，其它金属图案或器件隔离膜)反射，使得反射的红外光可被重定向到光电转换元件302。结果，这种重定向的红外光的光路的数量可增加，使得光电转换元件302可更有效地吸收具有相对更长的波长的红外光。
在一些实现方式中，包含在第一至第四金属层(Ma-Md)中的金属图案可用于操作单元像素200。通过基于所公开的技术的一些实施方式布置金属图案，因此，用于操作单元像素200的金属图案(例如，用于承载单元像素200所生成的电信号的互连)也可用作将红外光朝着单元像素200反射的反射镜。另外，通过布置与单元像素200相邻的其它结构而不插入附加反射结构，用于检测红外光的图像传感器像素的性能可改进。
基于所公开的技术的一些实施方式包含在各个金属图案中的邻近金属线之间的间距可根据旨在反射的光的波段来实现。在一些实现方式中，被构造为反射红外(或近红外NIR)波长的光的结构中的这些邻近金属线彼此间隔开800nm至1000nm的预定距离。与单元像素200不同，可调节被构造为反射红外波长以外的波长的光的结构中的邻近金属线之间的间距。例如，被构造为反射可见光波长的光的结构中的邻近金属线之间的间距可根据目标颜色从约400nm至750nm的范围选择。
参照图3，尽管包含在第一至第四金属层(Ma-Md)中的金属图案可相对于穿过单元像素200的中心点的中心线(CL)对称布置，但基于所公开的技术的另一实施方式的第一至第四金属层(Ma-Md)中的每一个中所包含的金属图案的中心点可相对于上述中心线(CL)布置在一侧(例如，左侧或右侧)，使得入射在单元像素200上的主光线具有特定入射角的像素阵列110的边缘区域中的金属图案所导致的光反射效率可增加。例如，假设如图3所示主光线从中心线(CL)的右侧具有恒定入射角，包含在第一至第四金属层(Ma-Md)中的每一个中的金属图案的中心点可相对于中心线(CL)布置在左侧。
尽管为了描述方便仅作为示例示出了第一至第四金属层(Ma-Md)，但是可如下实现布置为形成面向光电转换元件302的凹形的金属层。可通过在基板301下方在彼此之上依次层叠多个层来布置第一至第n(其中n是等于或大于2的整数)金属层，并且相对于基板表面的第k金属层(其中k是选自1至n-1的整数)中所包含的金属图案与光电转换元件302之间的间距可大于比靠近的第k金属层更远离基板表面的第l金属层(其中l是大于k的整数)中所包含的金属图案与光电转换元件302之间的间距。另外，包含在第l金属层中的金属图案可设置在包含在第k金属层中的金属图案的内侧。
图4是示出图2所示的单元像素200的另一示例的横截面图。
在一些实现方式中，假设单元像素200的中央区域具有图3所示的横截面图300，图4所示的横截面图400可以是示出沿着图2所示的第二切割线X2-X2’或第三切割线X3-X3’截取的单元像素200的横截面图。
单元像素200的横截面图400可包括基板301、光电转换元件302、器件隔离膜303、栅格区域304、滤光器305、微透镜306以及第一至第四金属层(Ma-Md)。在这种情况下，图4所示的第一至第四金属层(Ma-Md)以外的剩余构成元件的结构可与图3基本上相同。
第一金属层(Ma)的金属图案410-1和410-2可设置在单元像素200的两侧，使得金属图案410-1与另一金属图案410-2间隔开第四距离(d4)。图4所示的第四距离(d4)可比图3所示的第一距离(d1)短。即，包含在第一金属层(Ma)中的金属图案之间的间距可在从单元像素200的中心点到单元像素200的边缘区域的方向上逐渐减小。
第二金属层(Mb)的金属图案420-1和420-2可设置在第一金属层(Ma)的金属图案410-1和410-2的内侧，使得金属图案420-1可与另一金属图案420-2间隔开第五距离(d5)。第五距离(d5)可小于第四距离(d4)。另外，第五距离(d5)可小于图3所示的第二距离(d2)。即，包含在第二金属层(Mb)中的金属图案之间的间距可在从单元像素200的中心点到单元像素200的边缘区域的方向上逐渐减小。
第三金属层(Mc)的金属图案430-1可设置在第二金属层(Mb)的金属图案420-1和420-2的内侧。
即，包含在各个金属层中的金属图案之间的间距可在从单元像素200的中心点到边缘区域的方向上逐渐减小，并且最低金属图案所在的金属层可向上移动。由于上述结构，示出沿着垂直于第一切割线X1-X1’的切割线截取的单元像素的横截面图可具有与示出沿着第一切割线X1-X1’截取的单元像素的横截面图对应的结构，并且示出沿着垂直于第二切割线X2-X2’或第三切割线X3-X3’的切割线截取的单元像素的横截面图可具有与示出沿着第二切割线X2-X2’或第三切割线X3-X3’截取的单元像素的横截面图对应的结构。因此，在从穿过单元像素200的中心点的任意切割线获取的横截面图中的第一至第四金属层(Ma-Md)中所包含的金属图案可形成为凹形以反射光以朝着光电转换元件302会聚。
在所公开的技术的一些实施方式中，假设第一至第四金属图案(Ma-Md)中的每一个中所包含的金属图案的中心点如图3所示相对于中心线(CL)设置在一侧(例如，左侧或右侧)，图4所示的第一至第四金属层(Ma-Md)中的每一个中所包含的金属图案的中心点也可相对于中心线(CL)与图3设置在同一侧(即，左侧或右侧)。
在所公开的技术的一些实施方式中，以与图4不同的方式，单元像素200的边缘区域的横截面图也可与图3所示的横截面图300相同。
图5是示出图2所示的单元像素200的另一示例的横截面图。
在一些实现方式中，单元像素200的横截面图500可以是示出沿着图2所示的第一切割线X1-X1’截取的单元像素200的横截面图。
单元像素200的横截面图500可包括基板301、光电转换元件302、器件隔离膜303、栅格区域304、滤光器305、微透镜306以及第一至第四金属层(Ma-Md)。在这种情况下，图5所示的第一至第四金属层(Ma-Md)以外的剩余构成元件的结构可与图3基本上相同，因此为了简明，本文中将省略其冗余描述。
第一金属层(Ma)的金属图案510-1和510-2可设置在单元像素200的两侧。另外，金属图案510-3可设置在金属图案510-1和510-2之间，使得金属图案510-3可与金属图案510-1和510-2中的每一个间隔开第六距离(d6)。尽管为了描述方便，图5所示的金属图案510-3与金属图案510-1和另一金属图案510-2中的每一个间隔开第六距离(d6)，但所公开的技术的范围或精神不限于此，金属图案510-3与金属图案510-1和510-2中的每一个之间的间距可根据一些实现方式而改变。
尽管金属图案510-3按与其它金属图案相同的方式包括多条金属线，但金属图案510-3也可根据需要包括各自具有相对大的宽度的金属线。由各自具有相对大的宽度的这些金属线组成的金属图案510-3可设置在穿透光电转换元件302的入射光聚集的单元像素200的中心部分(即，可被设置为与中心线CL交叠)，使得入射光可被有效地反射到光电转换元件302上。以下，金属图案510-3可被称为中央反射图案。
第二金属层(Mb)的金属图案520-1和520-2可设置在第一金属层(Ma)的金属图案510-1和510-3的内侧，使得金属图案520-1与另一金属图案520-2间隔开第七距离(d7)。另外，第二金属层(Mb)的金属图案520-3和520-4可设置在第一金属层(Ma)的金属图案510-2和510-3的内侧，使得金属图案520-3与另一金属图案520-4间隔开第七距离(d7)。第七距离(d7)可小于第六距离(d6)。尽管如图5所示金属图案520-1与520-2之间的间距和金属图案520-3与520-4之间的间距中的每一个与第七距离(d7)相同，但所公开的技术的范围或精神不限于此，金属图案520-1与520-2之间的间距和金属图案520-3与520-4之间的间距中的每一个可根据一些实现方式而改变。
第三金属层(Mc)的金属图案530-1可设置在第二金属层(Mb)的金属图案520-1和520-2的内侧，并且第三金属层(Mc)的金属图案530-2可设置在第二金属层(Mb)的金属图案520-3和520-4的内侧。
设置在BSI图像传感器100的基板301下方的第一至第三金属层(Ma-Mc)中所包含的金属图案可形成为相对于中心线(CL)在从两侧(即，左侧和右侧)到光电转换元件302的方向上凹入的凹形。即，在单元像素200的右区域或左区域内从基板301开始的特定金属层的金属图案可在更靠近基板301设置的另一金属层的金属图案的内侧(或在金属图案之间的间距处)彼此间隔开较短的距离。相比之下，在单元像素200的右区域或左区域内从基板301开始的特定金属层的金属图案可被配置为使得更远离基板301设置的另一金属层的金属图案可设置在金属图案的内侧(或在金属图案之间的间距处)并且可彼此间隔开较长的距离。即，金属图案之间的距离可与距基板301的分离距离成比例地逐渐减小，使得包含在第一至第三金属层(Ma-Mc)中的金属图案可形成为朝着光电转换元件302凹入的整体凹形。在这种情况下，尽管如图5所示这些金属图案的凹形可以是在向下方向上变尖的角形状，但应该注意的是，凹形也可以是具有特定曲率的凹反射镜形状。另外，尽管为了描述方便，图5所示的第一至第三金属层(Ma-Mc)中所包含的金属图案形成为凹形，但两个、四个或更多个金属层中所包含的金属图案可按与第一金属层和第二金属层(Ma-Mb)或与第一至第四金属层(Ma-Md)相同的方式形成为凹形。
包含在第一至第三金属层(Ma-Mc)中的金属图案可由具有更高光反射率的材料形成，并且可形成为朝着光电转换元件302凹入的凹形，使得金属图案可允许入射在光电转换元件302上并且穿透光电转换元件302而未被光电转换元件302吸收的红外(IR)光再次在光电转换元件302的方向上反射。反射的红外(IR)光可被直接反射或者可被其它结构(例如，其它金属图案或器件隔离膜)反射，使得反射的红外(IR)光可重新入射在光电转换元件302上。结果，这种重新入射的红外(IR)光的光路的数量可增加，使得光电转换元件302可更有效地吸收具有相对较长的波长的红外(IR)光。
尽管为了描述方便，所公开的技术的上述实施方式仅示例性地公开了示出沿着图2所示的第一切割线X1-X1’截取的单元像素200的横截面图500，但是所公开的技术的范围或精神不限于此，示出沿着图2所示的第二切割线X2-X2’或第三切割线X3-X3’截取的单元像素200的横截面图可与横截面图500基本上相同。根据另一实施方式，也可设置金属图案，使得如图4所示金属图案的凹区域可在从单元像素200的中心点到单元像素200的边缘区域的方向上逐渐减小。
图6是示出图2所示的单元像素200的另一示例的横截面图。
在一些实现方式中，单元像素200的横截面图600可以是示出沿着图2所示的第一切割线X1-X1’截取的单元像素200的横截面图。
单元像素200的横截面图600可包括基板301、光电转换元件302、器件隔离膜303、栅格区域304、滤光器305、微透镜306以及第一至第四金属层(Ma-Md)。在这种情况下，图4所示的第一至第四金属层(Ma-Md)以外的剩余构成元件的结构可与图3基本上相同。
第一金属层(Ma)的金属图案610可包括设置为整体覆盖光电转换元件302的下部的多条金属线。可根据旨在反射的光的波段来实现多条金属线当中的邻接金属线之间的间距。在一些实现方式中，被构造为反射红外(或近红外NIR)波长的光的邻接金属线彼此间隔开约800nm至1000nm的预定距离。与单元像素200不同，可调节被构造为反射红外波长以外的波长的光的邻接金属线之间的间距。例如，被构造为反射可见光波长的光的邻接金属线之间的间距可根据目标颜色从约400nm至750nm的范围选择。
第一金属层(Ma)的金属图案610可包括如图6所示设置为覆盖光电转换元件302的下部的多条金属线，使得已穿透光电转换元件302的入射光的泄漏量可最小化，同时入射光也可在光电转换元件302的方向上反射。
尽管为了描述方便，图6所示的第二至第四金属层(Mb-Md)中的每一个不包括金属图案，但用于操作单元像素200的其它金属图案也可另外设置在第二至第四金属层(Mb-Md)中。
从以上描述显而易见的是，基于所公开的技术的一些实现方式的图像传感器包括允许已穿透光电转换元件的红外(IR)光被反射回光电转换元件的反射结构，从而改进IR光吸收率。
尽管已描述了与所公开的技术一致的多个例示性实施方式，但应该理解，基于本公开可设计出许多其它修改和实施方式。具体地，可对组成部件和/或布置方式进行许多变化和修改。
相关申请的交叉引用
本专利文献要求2020年2月6日提交的韩国专利申请No.10-2020-0014362的优先权和权益，其公开作为本专利文献的公开的一部分整体通过引用并入本文。
Claims (19)
1.一种图像传感器，该图像传感器包括：
基板，该基板包括一个或更多个光电转换元件，所述一个或更多个光电转换元件布置在该基板中并被构造为将光转换为表示该光所承载的图像的电信号；以及
多个金属层，所述多个金属层布置在距所述基板的表面不同的距离处并且位于所述一个或更多个光电转换元件下方，各个所述金属层包括一个或更多个金属图案，
其中，所述多个金属层的所述一个或更多个金属图案被布置成面向所述光电转换元件的凹形，使得由所述金属层反射的入射光朝着所述光电转换元件会聚。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个金属层包括第一金属层和第二金属层，并且其中，
包含在所述第一金属层中的金属图案之间的第一距离大于设置在所述第一金属层下方的所述第二金属层中所包含的金属图案之间的第二距离。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，包含在所述第二金属层中的所述金属图案设置在平行于中心线并穿过包含在所述第一金属层中的各个所述金属图案的虚拟直线之间的区域中，并且
其中，所述中心线穿过所述光电转换元件的中心位置。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述多个金属层还包括第三金属层，并且其中，所述第二距离大于设置在所述第二金属层下方的所述第三金属层中所包含的金属图案之间的第三距离。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，包含在所述第三金属层中的所述金属图案设置在平行于中心线并穿过包含在所述第二金属层中的各个所述金属图案的虚拟直线之间的区域中，并且
其中，所述中心线穿过所述光电转换元件的中心位置。
6.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，
随着所述金属图案越靠近包括各个光电转换元件的各个单元像素的边缘区域，包含在所述第一金属层中的相邻金属图案之间的距离逐渐增大。
7.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，
随着所述金属图案越靠近包括各个光电转换元件的各个单元像素的边缘区域，包含在所述第二金属层中的相邻金属图案之间的距离逐渐增大。
8.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述第一金属层还包括：
中央反射图案，该中央反射图案被设置为与穿过所述光电转换元件的中心位置的中心线交叠。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，
所述中央反射图案与所述第一金属层的设置在所述中心线的一侧的各个金属图案之间的第四距离大于所述第二金属层的设置在所述中心线的所述一侧的多个所述金属图案之间的第五距离。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，所述第二金属层的设置在所述中心线的所述一侧的所述金属图案被设置在所述中央反射图案和所述第一金属层的设置在所述中心线的所述一侧的各个金属图案的内侧。
11.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，
所述中央反射图案与所述第一金属层的设置在所述中心线的另一侧的各个金属图案之间的第六距离大于所述第二金属层的设置在所述中心线的所述另一侧的多个所述金属图案之间的第七距离。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，所述第二金属层的设置在所述中心线的所述另一侧的所述金属图案被设置在所述中央反射图案和所述第一金属层的设置在所述中心线的所述另一侧的各个金属图案的内侧。
13.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，
包含在所述第一金属层中的多个所述金属图案当中的至少一个金属图案被设置在形成为防止光学串扰的器件隔离膜下方。
14.一种图像传感器，该图像传感器包括：
光电转换元件，该光电转换元件布置在基板中；以及
两个或更多个金属层，所述两个或更多个金属层布置在距所述光电转换元件不同的距离处，
其中，包含在第一金属层中的多个金属图案之间的距离大于比所述第一金属层更远离所述光电转换元件设置的第二金属层中所包含的多个金属图案之间的距离，
其中，所述图像传感器被构造为接收首先到达所述光电转换元件然后到达所述两个或更多个金属层的入射光。
15.根据权利要求14所述的图像传感器，其中，所述图像传感器被构造成背面照明CMOS传感器。
16.根据权利要求14所述的图像传感器，其中，包含在所述两个或更多个金属层中的所述金属图案被形成为具有面向所述光电转换元件的凹形表面以使所述金属层反射的光朝着所述光电转换元件会聚。
17.一种图像传感器，该图像传感器包括：
基板；
一个或更多个光电转换元件，所述一个或更多个光电转换元件布置在所述基板中；以及
一个或更多个光学反射元件，所述一个或更多个光学反射元件布置在所述一个或更多个光电转换元件下方以将通过所述一个或更多个光电转换元件到达所述一个或更多个光学反射元件的光朝着所述一个或更多个光电转换元件反射。
18.根据权利要求17所述的图像传感器，其中，所述一个或更多个光学反射元件中的每一个包括多个金属层，所述多个金属层布置在距所述基板的表面不同的距离处以整体形成面向所述一个或更多个光电转换元件的凹形反射器。
19.根据权利要求18所述的图像传感器，其中，所述凹形反射器的焦点朝着光电转换元件设置。
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