CN113542638A - 图像感测装置 - Google Patents
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Abstract
一种图像感测装置包括：基板、第一反射器和至少一个第二反射器。基板包括与单位像素相对应的光电转换元件。第一反射器以第一反射器的至少一些部分与光电转换元件交叠的方式设置，并且被配置为将指向光电转换元件的光沿远离光电转换元件的方向反射。设置在基板上方的第二反射器被配置为将由第一反射器反射的光沿着入射光再次靠近光电转换元件移动的方向反射。
Description
技术领域
本专利文档中公开的技术和实现总体上涉及包括一个或更多个反射器结构的图像感测装置。
背景技术
图像感测装置是用于将光学图像转换成电信号的装置。随着车辆、医疗、计算机和通信行业的最新发展，在例如数码相机、便携式摄像机、个人通信系统(PCS)、游戏机、监控相机、医疗微型相机、机器人、红外线(IR)感应装置等的各种装置中，对图像感测装置的需求正在增长。
图像感测装置可以大致分类为CCD(电荷耦合器件)图像感测装置和CMOS(互补金属氧化物半导体)图像感测装置。CCD图像感测装置可以比CMOS图像感测装置具有更少的噪声和更好的图像质量。然而，CMOS图像感测装置具有更简单且更方便的驱动方案，因此在一些应用中可以是优选的。
另外，CMOS图像感测装置可以允许将常规电路集成到单个芯片中，这使得易于将CMOS图像感测装置小型化以在产品中实现，并且具有功耗非常低的额外益处。可以使用CMOS制造技术来制造CMOS图像感测装置，这导致制造成本低。CMOS图像感测装置由于其适于在移动装置中实现而被广泛使用。
发明内容
所公开的技术的各种实施方式涉及一种用于有效地感测具有红外波段的光的图像感测装置。
所公开的技术的实施方式涉及一种图像传感器，该图像传感器被配置为包括第一反射器和第二反射器，使得入射光的光学路径的长度能够增加并且能够提高光电转换效率。
根据所公开的技术的实施方式，一种图像感测装置可以包括：基板，其被构造为支撑光电转换元件，该光电转换元件响应于入射到光电转换元件的光而生成光电荷；第一反射器，其位于在空间上与光电转换元件的一部分交叠以接收光，并且被配置为将入射到光电转换元件的光沿远离光电转换元件的方向反射；以及第二反射器，其被设置为与第一反射器间隔开并且被配置为将由第一反射器反射的光反射回光电转换元件。
在一些实现中，图像感测装置可以还包括：微透镜，其被配置为将光会聚在光电转换元件上。第一反射器包括相对于基板的顶表面形成第一角度的第一反射表面。第二反射器包括相对于微透镜的底表面形成第二角度的第二反射表面。
在一些实现中，第一角度在25°和35°之间。
在一些实现中，第二角度在42°和62°之间。
在一些实现中，第二反射器可以还包括：垂直反射表面，其延伸到基板并相对于第二反射表面形成预定角度。
在一些实现中，第一反射器可以包括金属层或低折射率层中的至少一个。
在一些实现中，第二反射器可以包括金属层或低折射率层中的至少一个。
在一些实现中，第二反射器设置在包括光电转换元件的单位像素的边界。
在一些实现中，图像感测装置可以还包括：附加第二反射器，其设置在第二反射器的相对侧上，使得第一反射器设置在第二反射器和附加第二反射器之间。
在一些实现中，第一反射器和第二反射器中的至少一个包括铝(Al)、银(Ag)、氧化硅、铜(Cu)或锡(Sn)中的至少一种。
在一些实现中，图像感测装置可以还包括隔离区域，其被配置为使光电转换元件与位于与该光电转换元件相邻的另一光电转换元件物理隔离。
在一些实现中，第二反射器可以被配置为将由第一反射器反射的光朝向隔离区域反射。
在一些实现中，隔离区域可以包括内层和围绕内层的外层。内层可以包括金属层或空气层中的至少一个，并且外层可以包括绝缘材料。
在一些实现中，第一反射器可以还包括延伸到光电转换元件的第三反射表面。第三反射表面可以被配置为将由第二反射表面反射的光朝向隔离区域反射。
在一些实现中，图像感测装置可以还包括：配线区域，其设置在基板下方。配线区域可以包括下反射层，其操作以将穿透基板的光反射回光电转换元件。
在一些实现中，下反射层可以包括银(Ag)、铜(Cu)和铝(Al)中的至少一种。
根据所公开的技术的另一实施方式，一种图像感测装置可以包括：基板；图像感测像素，其由基板支撑并且包括光电转换元件，该光电转换元件响应于入射到光电转换元件的光而生成光电荷；微透镜，其设置在图像感测像素上方并被配置为使光会聚在光电转换元件上；以及反射结构，其设置在光电转换元件和微透镜之间，并被配置为增加光到达光电转换元件的光学路径长度。
在一些其它实现中，反射结构包括第一反射器，其设置在光电转换元件上方，使得第一反射器具有与光电转换元件交叠的部分，第一反射器被配置为将光反射为远离光电转换元件。
在一些其它实现中，反射结构包括第二反射器，其设置在图像感测像素的边界，并且被配置为将由第一反射器反射的光重定向回光电转换元件。
在一些其它实现中，反射结构包括铝(Al)、银(Ag)、氧化硅、铜(Cu)或锡(Sn)中的至少一种。
应当理解，所公开的技术的前述概括描述和以下详细描述都是示例性和解释性的，并且旨在提供对所要求保护的本公开的进一步解释。
附图说明
当参照结合附图考虑的以下详细描述时，所公开的技术的上述和其它特征以及有益方面将变得显而易见。
图1是例示基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置的示例的框图。
图2是例示基于所公开的技术的一些实现的沿着图1所示的像素阵列中的线A-A′截取的单位像素的示例的截面图。
图3是例示基于所公开的技术的一些实现的沿着图1所示的像素阵列中的线A-A′截取的单位像素的一些部分的示例的截面图。
图4是例示基于所公开的技术的一些实现的沿着图1所示的像素阵列中的线A-A′截取的单位像素的一些部分的另一示例的截面图。
图5是例示基于所公开的技术的一些实现的沿着图1所示的像素阵列中的线A-A′截取的单位像素的一些部分的另一示例的截面图。
图6是例示基于所公开的技术的一些实现的沿着图1所示的像素阵列中的线A-A′截取的、其中第一反射器延伸到光电转换元件的单位像素的另一示例的截面图。
图7是例示基于所公开的技术的一些实现的沿着图1所示的像素阵列中的线A-A′截取的包括下反射层的单位像素的另一示例的截面图。
具体实施方式
所公开的技术的一些实现涉及用于有效地感测具有红外波段的光的图像感测装置。所公开的技术的一些实现涉及一种图像传感器，该图像传感器被配置为包括第一反射器和第二反射器，使得入射光的光学路径的长度能够增加，并且能够提高光电转换效率。所公开的技术提供了能够感测红外(IR)光并且能够增加对红外(IR)光的灵敏度和光电转换效率的图像感测装置的各种实现。
现在将详细参照所公开的技术的实施方式进行说明，其示例在附图中示出。虽然本公开易于进行各种修改和替代形式，在附图中通过示例示出了其特定实施方式。因此，本公开不应被解释为限于本文阐述的实施方式。
尽可能地，贯穿附图将使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。在以下描述中，将省略并入本文的相关已知配置或功能的详细描述，以避免使主题变得模糊。
图1是例示基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置10的示例的框图。
参照图1，图像传感器100可以包括像素阵列100、相关双采样器(CDS)200、模数转换器(ADC)300、缓冲器400、行驱动器500、定时发生器600、控制寄存器700和斜坡信号发生器800。图像感测装置10的上述组件仅是示例。可以省略一些组件，也可以根据附加需求添加附加组件。
像素阵列100可以包括以包括行和列的二维(2D)形状连续布置的多个单位像素(PX)。每个单位像素(PX)可以将入射光转换成电信号以生成像素信号，并且可以通过列线将像素信号输出给相关双采样器(CDS)200。
每个单位像素(PX)可以包括光电转换元件140，以响应于入射光而产生光电荷。光电转换元件140由基板支撑，并且例如在一些实现中可以形成于基板中。在一些实现中，每个光电转换元件140可以包括彼此连续联接的多个子光电转换元件，使得每个光电转换元件140可以形成为子光电转换元件的层叠结构。每个单位像素(PX)可以联接到行线之一和列线之一。
在一些实现中，图像感测装置可以使用相关双采样器(CDS)以通过对像素信号采样两次使得在这两次采样之间取差，来去除像素的偏移值。例如，相关双采样器(CDS)可以通过比较光入射在像素上之前和之后获得的像素输出电压来去除像素的偏移值，从而能够实际测量到仅基于入射光的像素信号。相关双采样器(CDS)200可以保持并采样从像素阵列100的像素(PX)接收的电图像信号。例如，相关双采样器(CDS)200可以响应于从定时发生器600接收的时钟信号而执行参考电压电平和接收到的电图像信号的电压电平的采样，并且可以将与参考电压电平和接收到的电图像信号的电压电平之间的差相对应的模拟信号发送给模数转换器(ADC)300。
模数转换器(ADC)300可以将从斜坡信号发生器800接收的斜坡信号与从相关双采样器(CDS)200接收的采样信号进行比较，并且因此可以输出指示斜坡信号和采样信号之间的比较的结果的比较信号。模数转换器(ADC)300可以响应于从定时发生器600接收的时钟信号而对比较信号的电平转变时间进行计数，并且可以向缓冲器400输出指示所计数的电平转变时间的计数值。
缓冲器400可以存储从模数转换器(ADC)300接收的每个数字信号，可以感测和放大每个数字信号，并且可以输出每个经放大的数字信号。因此，缓冲器400可以包括存储器(未示出)和感测放大器(未示出)。存储器可以存储计数值，并且计数值可以与多个单位像素(PX)的输出信号相关联。感测放大器可以感测和放大从存储器接收的每个计数值。
行驱动器500可以响应于定时发生器600的输出信号而以行线为单位驱动像素阵列100。例如，行驱动器500可以生成能够选择多条行线中的任何一条的选择信号。选择信号可以包括控制稍后将描述的开关结的开/关操作所需的控制信号。
定时发生器600可以生成定时信号以控制行驱动器500、相关双采样器(CDS)200、模数转换器(ADC)300和斜坡信号发生器800。
控制寄存器700可以生成控制信号以控制斜坡信号发生器800、定时发生器600和缓冲器400。
斜坡信号发生器800可以响应于从控制寄存器700接收的控制信号和从定时发生器600接收的定时信号而生成斜坡信号，以控制从缓冲器400输出的图像信号。
在以下描述中，尽管为了便于描述在下文中将参照附图描述整个像素阵列的仅一些部分，但是所公开的技术的范围或精神不限于此，并且应当注意，相同的构思根据需要也可以应用于像素阵列的除这一些部分之外的其余部分。
图2是例示沿着图1所示的像素阵列100中的线A-A′截取的单位像素PX的示例的截面图100-1。
参照图2，单位像素(PX)的截面图100-1可以是例示图像感测装置10中的像素阵列100的单位像素(PX)的截面图100-1。
每个单位像素(PX)可以包括微透镜110、滤光器120、基板130、光电转换元件140、第一反射器150和第二反射器160。
图像感测装置100包括多个光电转换元件140。每个单位像素(PX)可以是指包括仅一个光电转换元件140的像素单元，该光电转换元件140是图像感测装置100中所包括的多个光电转换元件140中的一个。
微透镜110可以是指入射光被引入到单位像素(PX)中的层，并且可以设置在滤光器120上方。微透镜110被构造为向光提供透镜效应，使得可以根据微透镜110的折射率、曲率、布置形状等来修改入射光的光学路径。例如，微透镜110可以是凸透镜，以将入射光朝向单位像素(PX)的中央区域会聚或聚焦到单位像素(PX)的中央区域。微透镜110的这种会聚能力能够用于减少或防止相邻单位像素(PX)之间的光学串扰，并且能够提高光接收效率。
滤光器120可以设置在微透镜110和基板130之间。滤光器120可以基于预定设计以特定图案布置，使得滤光器120可以基于单位像素(PX)的位置对应于多个光电转换元件140中的每个。
滤光器120可以形成为具有基于添加的颜料的量和所需透射特性而确定的厚度。滤光器120可以从通过微透镜110接收的入射光当中过滤红外(IR)光(例如，近红外(NIR)光)，使得经过滤的光可以穿透滤光器120。滤光器120可以被配置为基于波长而选择性透射经过滤的光。例如，具有850nm至940nm的红外(IR)波段的光可以穿过滤光器120。滤光器120可以每单位像素(PX)地形成。
基板130可以是半导体基板。半导体基板130可以处于单晶状态，并且可以包括含硅材料。在一些实现中，基板110可以包含P型杂质。
光电转换元件140可以形成在基板130中的每个单位像素(PX)中。光电转换元件140可以吸收入射光，并且可以在其内部区域中累积与入射光的量(即，入射光的强度)相对应的电荷。光电转换元件140可以以各种配置来实现，包括例如光电二极管(例如，无机光电二极管)、光电晶体管、光电门或钉扎光电二极管(PPD)或其组合。
在一些实现中，光电转换元件140可以包括在基板130中垂直层叠的杂质区域。
例如，如果光电转换元件140被实现为光电二极管，则光电转换元件140可以包括其中N型杂质区域和P型杂质区域垂直地层叠的层叠结构。在这种情况下，可以通过顺序的离子注入工艺来形成光电转换元件140的N型杂质区域和P型杂质区域。
在一些实现中，光电转换元件140在基板130中的布置可以根据要感测的目标光的波长而改变。
红外(IR)光(包括近红外(NIR)光)趋于在基板130内具有较深的到达深度(或较深的穿透深度)。基板130内的较深的深度可是指位于在作为沿着图2所示的Y轴方向的负方向的与基板130垂直的方向上距微透镜110更远的位置。例如，红外(IR)光(诸如近红外(NIR)光)可以相对容易地穿透基板130并到达基板130的较深部分。因此，在用于感测红外(IR)光的装置(或元件)中，与用于感测较短波长的其它光(例如，蓝光或绿光)的装置(或元件)相比，光电转换元件140可以设置于基板130内的更深的深度处。
为了感测在基板130内具有深的穿透深度的红外光，光电转换元件140可以布置在基板130内与红外光的深的穿透深度相对应的更深位置处(例如，更远离微透镜)。因此，基板130需要增加其厚度。然而，存在与基板130的厚度增加相关地出现的各种技术问题，例如包括生产成本的增加、模块尺寸的增加等。
如果光电转换元件140设置在与红外光的深的穿透深度不对应的位置处，则已经穿透基板130而在光电转换元件140中没有被吸收的光量会增加，这导致光电转换效率降低。
认识到上述问题，所公开的技术的一些实现提供了能够在不增加用于感测红外光的基板的厚度的情况下使光电转换效率的降低最小化的图像感测装置。基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置被设计为包括第一反射器150和第二反射器160，使得由于在进入基板之前经由第一反射器150和第二反射器160的反射，红外(IR)光的光学路径的长度能够增加。第一反射器150和第二反射器160的使用能够消除对增加基板的厚度的需要，并且能够使图像感测装置10的尺寸最小化并且提高光电转换效率。
参照图2，在一些实现中，垂直入射光IL1和IL2的路径通过第一反射器150和第二反射器160能够在长度上延伸。因此，光的光学路径能够延伸以足以确保红外(IR)光的深的穿透深度。
在一些实现中，光电转换元件140可以设置为与第一反射器150的至少一些部分交叠。由于光电转换元件140设置为与第一反射器150的至少一些部分交叠，垂直入射在微透镜110上的入射光IL1或IL2的一部分可以被第一反射器150反射。因此，第一反射器150操作以防止垂直入射光IL1和IL2中的每个通过最短路径到达光电转换元件140。代替以最短路径进入基板130，垂直入射光IL1和IL2被第一反射器150反射，并且因此垂直入射光IL1和Il2的光学路径能够在长度上延伸。参照图2，第二反射器160位于使得由第一反射器150反射的光能够被重定向至光电转换元件140。因此，垂直入射光IL1和IL2的光学路径由于光从第一反射器150向第二反射器160的行进以及光从第二反射器160向光电转换元件140的另一行进而增加。
在一些实现中，第一反射器150可以设置在第二反射器160之间。具体地，第一反射器150可以位于PX的中央并且两个或更多个第二反射器160位于PX的外围，使得入射光首先由第一反射器150朝向第二反射器160反射，进而第二反射器160将经由第一反射器150和第二反射器160之间的空间的来自第一反射器150的反射光反射以进入光电转换元件140。
在一些实现中，第一反射器150可以具有多个第一反射表面(R1)，多个第一反射表面(R1)被配置为相对于基板130的表面形成第一角度(θ1)。可以以入射在光电转换元件140上的多个入射光能够在第二反射器160的方向上反射的方式来配置第一反射器150的第一反射表面(R1)。
第一反射器150的每个第一反射表面(R1)可以相对于基板130的一个表面形成第一角度(θ1)。在一些实现中，可以基于第一反射器150与光电转换元件140之间的距离、第一反射器150的尺寸、或第一反射器150与第二反射器160之间的位置关系中的至少一者来确定第一角度(θ1)。
第一反射器150可以以远离光电转换元件140的方向反射垂直入射在光电转换元件140上的垂直入射光IL1和IL2中的每个。
在一些实现中，远离光电转换元件140的方向可以包括远离光电转换元件140的顶表面的方向。例如，入射光IL1和IL2被第一反射器150反射以在Y轴方向上远离光电转换元件140。
在一些实现中，远离光电转换元件140的方向可以包括入射光从第一反射器150向第二反射器160移动的方向。
在一些实现中，每个第二反射器160可以相对于基板130位于与滤光器120相同的高度(即，相对于Y轴的位置)。
例如，当滤光器120设置在微透镜110和基板130之间时，第二反射器160可以设置在微透镜110的底表面和基板130的顶表面之间。微透镜110的底表面和基板130的顶表面可以是指设置为与滤光器120接触的表面。
在一些实现中，第二反射器160可以以其一些部分能够由邻近或相邻的单位像素(PX)共享的方式布置。例如，第二反射器160可以设置在彼此相邻布置的单位像素(PX)之间的边界。
第二反射器160可以反射入射光，并且可以设置在彼此相邻布置的单位像素(PX)之间的边界，使得第二反射器160能够防止在单位像素(PX)之间发生光学串扰。
第二反射器160可以包括多个反射表面。在一些实现中，第二反射器160可以被配置为包括多个反射表面，多个反射表面包括垂直反射表面(VR2)和第二反射表面(R2)，从而有效地反射由第一反射器150反射的光。
第二反射表面(R2)可以是指第二反射器160的反射表面当中相对于微透镜110的底表面形成第二角度(θ2)的反射表面。
在这种情况下，第一反射器150的第一反射表面(R1)和第二反射器160的第二反射表面(R2)可以布置为在它们之间具有预定角度。例如，预定角度可以设置为7°～37°中的任何角度。
在一些实现中，垂直反射表面(VR2)可是指垂直于基板130的顶表面且被配置为反射入射光的表面。
在一些其它实现中，垂直反射表面(VR2)可以被配置为相对于微透镜110的底表面具有预定角度，而不是垂直于基板130的顶表面。在这种情况下，微透镜110的底表面和垂直反射表面(VR2)之间的角度可以大于第二角度(θ2)。在这种情况下，垂直反射表面(VR2)可以延伸到基板130，同时相对于第二反射表面(R2)具有预定角度。
在一些实现中，第二反射器160可以是指将第一反射器150反射的垂直入射光IL1和IL2中的每个朝向光电转换元件140反射的反射器。
第二反射器160操作以将入射光朝向光电转换元件140反射。在一些实现中，由第二反射器160的第二反射表面(R2)反射的入射光可以引导至光电转换元件140中的特定点，以用于基于到达特定点的光来生成电信号的光电转换，或者可以被引导至使得能够由微透镜110将多个入射光会聚在光电转换元件140上的焦点。
在一些实现中，随着第二反射器160的宽度逐渐增加，由第二反射器160的顶表面反射到单位像素(PX)的外部的入射光的量能够与第二反射器160的宽度的增加成比例地增加。
这里，反射到单位像素(PX)的外部的入射光可以是指特定入射光，该特定入射光首先被与微透镜110的底表面平行布置的第二反射器160的顶表面反射，使得反射光能够穿透微透镜110，并使得最终的光能够被反射回微透镜110而不入射到滤光器120上。在这种情况下，微透镜110的底表面可以是指与滤光器120接触的表面。
当由第二反射器150的顶表面反射到单位像素(PX)的外部的入射光的量增加时，会减少要入射到光电转换元件140上的入射光的总量，导致光接收效率降低。
在一些实现中，为了使用第一反射器150和第二反射器160有效地增加入射光的光学路径的长度，可以首先通过实验确定第一反射器150的第一角度(θ1)和第二反射器160的第二角度(θ2)。
当确定第一反射器150的第一角度(θ1)和第二反射器160的第二角度(θ2)时，第二反射表面(R2)的区域的尺寸可以与第二反射表面(R2)的增加的长度成比例地逐渐增加，使得由第一反射器150反射的光能够被有效地反射回去。相反，随着第二反射表面(R2)的区域的尺寸增加，由第二反射器160的顶表面反射到单位像素(PX)的外部的入射光的量也可以增加。
因此，需要减小第二反射器160的第二反射表面(R2)的长度。然而，如果第二反射表面(R2)的长度被过度地减小，则由第二反射表面(R2)引起的反射效果会降低，并且由第一反射器150反射的入射光可以施加于邻近的(或相邻的)像素，导致发生光学串扰。
为了解决以上问题，第二反射器160可以以垂直反射表面(VR2)设置在第二反射表面(R2)下方的方式配置，使得由第二反射表面(R2)引起的反射效果能够增强，并且能够防止在第一反射器150反射的光中发生光学串扰。
因此，第二反射器160可以包括垂直反射表面(VR2)，使得能够维持第一反射表面(R1)和第二反射表面(R2)之间的角度关系，并且能够减小第二反射器160的顶表面的宽度。
在一些实现中，可以基于第二反射器160和第一反射器150之间的位置关系、第一反射表面(R1)的第一角度(θ1)、或者第二反射表面(R2)的第二角度(θ2)中的至少一者来确定第二反射器160的形状。
在一些实现中，与不包括第一反射器150和第二反射器160的图像感测装置相比，由第一反射器150和第二反射器160反射的垂直入射光IL1和IL2中的每个可以包括附加的光学路径。
图2例示了垂直入射光IL1和IL2的示例性光学路径。
在一些实现中，当第一反射器150和第二反射器160的位置和宽度固定时，第二角度(θ2)可以与第一角度(θ1)的增加成比例地增加。
第二角度(θ2)可以被确定为特定角度，通过该特定角度，由第一反射器150的第一反射表面(R1)所改变的光学路径能够被引导至光电转换元件140。因此，可以基于第一角度(θ1)来确定第二角度(θ2)。
在一些实现中，第一反射器150的第一角度(θ1)可以被设置为例如在25°和35°之间。在这种情况下，第二反射器160的第二角度(θ2)可以设置在42°和62°之间。
在一些实现中，第一反射器150和第二反射器160中的每个可以包括钨(W)、铝(Al)、氧化硅、铜(Cu)或锡(Sn)或它们的组合中的至少一种。
在一些实现中，被配置为在具有更高光接收效率的同时用作图像感测装置10的观察对象的入射光可以是红外(IR)光当中具有850nm和940nm的波段的红外(IR)光。
基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置10可以包括第一反射器150和第二反射器160，使得与其中不包括第一反射器和第二反射器的图像感测装置10相比，垂直入射光IL1和IL2的光学路径的长度能够显著增加(例如，50％或以上)。
与基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置10的观察对象相对应的具有红外波长(例如，850nm至940nm)的入射光在厚度相对薄的基板130中可以具有非常低的吸收率。结果，通过反射器使这种入射光的光学路径的长度延伸，并且基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置10可以比其中不包括第一反射器和第二反射器的其它图像感测装置具有更高的光电转换效率。
图3是例示基于所公开的技术的一些实现的沿着图1所示的像素阵列中的线A-A′截取的单位像素的一些部分的示例的截面图。
在图3中，为了便于描述，将使用与图2相同的组成元件来指代相同或相似的部件，并且因此，为了简洁，本文将省略其冗余描述。
在一些实现中，第一反射器150可以包括金属层152、低折射率层154和封盖膜166的一些部分。另外，第二反射器160可以包括金属层162、低折射率层164和封盖膜166的一些部分。
在一些实现中，第一反射器150的金属层152和第二反射器162的金属层162中的每个可以包括钨(W)、铝(Al)、铜(Cu)或锡(Sn)中的至少一种。
在一些实现中，低折射率层154和164中的每个可以由在基板130与低折射率层154和164中的每个之间具有大的折射率差的材料(例如，空气)形成或包括该材料。由于每个低折射率层154或164中所包括的组成材料可以比基板130具有更低的折射率，所以能够通过全反射来调节入射光的光学路径。
封盖膜166可以是形成在第一反射器150和第二反射器160中的每个的最外部的材料膜，并且可以形成为围绕第一反射器150和第二反射器160的低折射率层154和164以及金属层152和162。封盖膜166可以形成为延伸到滤光器120的下部。在这种情况下，形成在滤光器120下方的封盖膜166可以用作缓冲层(未示出)的氧化物膜。在一些实现中，封盖膜166可以由氧化硅形成或包括氧化硅。
在一些实现中，第一反射器150可以仅由金属层152形成，或者可以仅由低折射率层154形成。第二反射器160可以仅由金属层162形成，或者可以仅由低折射率层164形成。另选地，如从图3中可以看到的，第一反射器150可以由金属层152和低折射率层154的组合形成，并且第二反射器160可以由金属层162和低折射率层164的组合形成。
图4是例示基于所公开的技术的一些实现的沿着图1所示的像素阵列中的线A-A′截取的单位像素的一些部分的另一示例的截面图。参照图4，根据所公开的技术的另一实施方式的图像感测装置10可以进一步包括隔离区域170。
在图4中，为了便于描述和更好地理解所公开的技术，将使用与图2相同的组成元件来指代相同或相似的部件，并且因此，为简洁起见，本文将省略其冗余描述。
隔离区域170可以使光电转换元件140能够与和其中包括光电转换元件140的单位像素(PX)相邻布置的另一单位像素物理隔离。P型杂质区域可以形成在光电转换元件140和隔离区域170之间。
每个隔离区域170可以形成为垂直于基板130的一个表面。另选地，每个隔离区域170可以形成为几乎垂直于基板130的一个表面。隔离区域170可以包括沟槽形状的隔离区域，在该隔离区域中绝缘材料被掩埋在通过刻蚀基板130形成的沟槽中。在一些实现中，隔离区域170可以包括形成为贯穿基板130的深沟槽隔离(DTI)结构。
隔离区域170可以包括可以反射入射光的材料。例如，隔离区域170可以包括具有高反射比率(即，高反射率)的金属材料(即，金属层)。例如，隔离区域170可以包括铝(Al)、银(Ag)、铜(Cu)或锡(Sn)中的至少一种。
隔离区域170可以由在基板130与隔离区域170之间具有折射率差的材料形成或包括该材料。例如，隔离区域170可以包括比基板130具有更低折射率的氧化硅(即，绝缘层)。隔离区域170可以由多个层组成或包括多个层。具体地，隔离区域170可以包括内层174和围绕内层174的外层172。
在一些实现中，内层174可以包括金属层和空气层中的至少一种，并且外层172可以是由氧化硅形成的或包括氧化硅的绝缘层。
通过隔离区域170，由第一反射器150和第二反射器160反射的垂直入射光IL1和IL2能够被反射到光电转换元件140中，使得垂直入射光IL1和IL2具有延伸的光学路径。
另外，隔离区域170可以使光电转换元件140能够与位于与单位像素(PX)相邻的另一像素的光电转换元件140物理隔离，使得隔离区域170能够防止光学串扰。
在一些实现中，第二反射器160可以使由第一反射器150反射的入射光能够被反射回到隔离区域170。
由第二反射器160朝向光电转换元件140或隔离区域170反射的入射光可以在光电转换元件140中被隔离区域170反射若干次，从而能够延长光学路径的长度。
图5是例示基于所公开的技术的一些实现的沿着图1所示的像素阵列中的线A-A′截取的单位像素的一些部分的另一示例的截面图。
参照图5，第一反射器150可以设置在第二反射器160之间，并且可以设置为与光电转换元件140交叠。在这种情况下，第一反射器150可以设置在滤光器120和光电转换元件140之间的基板130中。随着第一反射器150和光电转换元件140之间的距离减小，垂直入射光IL1和IL2的光学路径的长度变长，从而提高了光电转换效率。
在一些实现中，第一反射器150可以以第一反射器150在微透镜110的光轴上沿垂直于基板130的表面的方向(例如，Y轴方向)上可移动并且与光电转换元件140交叠的方式布置。在这种情况下，如果第二反射器160的位置和第二反射器160的第二角度(θ2)是固定的，则能够基于第一反射器150在Y轴方向的设置位置来确定第一角度(θ1)。
在上述实现中，随着第一反射器150设置为越靠近光电转换元件140，垂直入射光IL1和IL2中的每个可以具有偏离入射光路越小的反射路径，导致由第一反射器150影响的光学路径的长度越长。
图6是例示基于所公开的技术的一些实现的沿着图1所示的像素阵列中的线A-A′截取的、其中第一反射器150-1延伸到光电转换元件140的单位像素(PX)的另一示例的截面图。
参照图6，第一反射器150-1的一些部分可以形成为延伸到光电转换元件140中。在这种情况下，第一反射器150-1可以具有朝向光电转换元件140延伸的第三反射表面(R3)。
第一反射器150-1的一些部分可以形成为延伸到光电转换元件140中，使得从第二反射器160或从隔离区域170反射的垂直入射光IL1和IL2中的每个的光学路径能够通过第一反射器150-1的第三反射表面(R3)附加地延伸长度。
在一些实现中，第三反射表面(R3)可以使得由第二反射表面(R2)或由隔离区域170反射的入射光朝向隔离区域170反射回去。
在图6中，可以通过浅沟槽隔离(STI)工艺在光电转换元件140的一些部分中形成第一反射器150-1。
在一些实现中，第一反射器150-1可以包括钨(W)、铝(Al)、氧化硅、铜(Cu)或锡(Sn)中的至少一种。
图7是例示基于所公开的技术的一些实现的沿着图1所示的像素阵列中的线A-A′截取的包括下反射层180的单位像素(PX)的另一示例的截面图。
参照图7，图像感测装置10还可以包括在配线区域(例如，互连层)190中的下反射层180。配线区域190可以设置在光电转换元件140下方。
配线区域190可以是其中包括有用于发送和接收图像感测装置10的多个单位像素(PX)的输出信号或图像感测装置10中包括的晶体管的输入信号的配线(或互连)的区域。为了便于描述，本文从图7中省略了详细的配线(或互连)结构。
下反射层180可以使已经穿透基板130的入射光反射回光电转换元件140。结果，能够附加地延长这种入射光的光学路径的长度，从而光电转换效率增加。
在一些实现中，下反射层180可以包括金属材料。在这种情况下，金属材料可以包括铝(Al)、银(Ag)或铜(Cu)中的至少一种。
波长范围大于红外(IR)光的波长范围的波长可以使得对硅的穿透深度大于5微米。当光电转换元件140由硅形成或包括硅并且具有小于3微米的厚度时，光电转换元件140难以有效地执行这种入射光的转换。因此，由于入射的红外(IR)光没有足够的穿透深度，因此入射光可能未转换成电信号。
可以在图像感测装置10中引入第一反射器150、第二反射器160和下反射层180，使得入射光的光学路径的长度能够增加，或者能够重复地执行朝向光电转换元件140的光反射，使得能够增加入射光的穿透深度，从而能够降低未被转换成电信号的光转换率。
在一些其它实现中，第一反射器150和第二反射器160的第一反射表面(R1)和第二反射表面(R2)的形状可以基于第一反射器150和第二反射器160在像素阵列中的位置而改变。
例如，位于像素阵列的边缘部分的一个单位像素(PX)的入射光可以比位于像素阵列的中央部分的另一单位像素(PX)的另一入射光以更倾斜的角度入射到一个单位像素(PX)上。
因此，位于像素阵列的边缘部分的第一反射器150和第二反射器160的反射表面R1和R2可以设置为具有非对称形状而不是对称形状，从而增加光接收(Rx)效率。
在一些实现中，位于像素区域的左边缘部分的单位像素(PX)的第一反射器150可以设置为相对于微透镜110的光轴向左偏转。另外，第一反射器150的向左偏转的第一反射表面(R1)可以形成为其中右侧的第一反射表面比左侧的第一反射表面长度更长的形状。第二反射器160的第二反射表面(R2)可以形成为如下形状，其中布置成面对第一反射表面(R1)的第二反射表面(R2)的长度与第一反射表面(R1)的长度成比例，使得第二反射器160的第二反射表面(R2)也能够对应于具有非对称形状的第一反射器150的第一反射表面(R1)。
从以上描述显而易见的是，基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置能够感测红外(IR)光，并且能够增加对红外(IR)光的灵敏度和光电转换效率。
所公开的技术的实施方式可以提供能够通过上述专利文档直接或间接地认识到的各种效果。
本领域技术人员将理解，在不脱离所公开的技术的精神和实质特性的情况下，所公开的技术可以以除了本文阐述的方式之外的其它特定方式来执行。因此，以上实施方式在所有方面被解释为示例性的而非限制性的。所公开的技术的范围应当由所附权利要求书及其合法等同物来确定，而不是由以上描述来确定。此外，所有落入所附权利要求的含义和等同范围内的变型旨在被包含于其中。另外，对于本领域技术人员而言显而易见的是，在本申请提交之后通过后续修改，在所附权利要求书中彼此没有明确引用的权利要求可以组合作为所公开的技术的实施方式来呈现，或者作为新的权利要求包括进来。
尽管已经描述了与所公开的技术一致的多个示例性实施方式，但是应当理解，本领域技术人员可以设计出将落入本公开的原理的精神和范围内的许多其它变型和实施方式。具体地，在本公开、附图和所附权利要求的范围内，可以在组成部件和/或布置中进行众多变型和修改。除了组成部件和/或布置的变型和修改之外，替代使用对本领域技术人员也将是显而易见的。
相关申请的交叉引用
本专利文档要求基于2020年4月13日提交的韩国专利申请No.10-2020-0044646的优先权，其全部公开内容通过引用结合于此，作为本专利文档的公开的一部分。
Claims (20)
1.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
基板，所述基板被构造为支撑光电转换元件，所述光电转换元件响应于入射到所述光电转换元件的光而生成光电荷；
第一反射器，所述第一反射器位于在空间上与所述光电转换元件的一部分交叠以接收光，并且被配置为将入射到所述光电转换元件的光沿远离所述光电转换元件的方向反射；以及
第二反射器，所述第二反射器被设置为与所述第一反射器间隔开并且被配置为将由所述第一反射器反射的光反射回所述光电转换元件。
2.根据权利要求1所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括：
微透镜，所述微透镜被配置为将所述光会聚在所述光电转换元件上，
其中，所述第一反射器包括相对于所述基板的顶表面形成第一角度的第一反射表面，并且
所述第二反射器包括相对于所述微透镜的底表面形成第二角度的第二反射表面。
3.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中，所述第一角度在25°和35°之间。
4.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中，所述第二角度在42°和62°之间。
5.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中，所述第二反射器还包括：
垂直反射表面，所述垂直反射表面延伸到所述基板并且相对于所述第二反射表面形成预定角度。
6.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中，所述第一反射器包括金属层或低折射率层中的至少一个。
7.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中，所述第二反射器包括金属层或低折射率层中的至少一个。
8.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中，
所述第二反射器设置在包括所述光电转换元件的单位像素的边界。
9.根据权利要求8所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括：附加第二反射器，所述附加第二反射器设置在所述第二反射器的相对侧上，使得所述第一反射器设置在所述第二反射器和所述附加第二反射器之间。
10.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中，
所述第一反射器和所述第二反射器中的至少一个包括铝Al、银Ag、氧化硅、铜Cu或锡Sn中的至少一种。
11.根据权利要求2所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括：
隔离区域，所述隔离区域被配置为使所述光电转换元件与位于与所述光电转换元件相邻的另一光电转换元件物理隔离。
12.根据权利要求11所述的图像感测装置，其中，所述第二反射器被配置为将由所述第一反射器反射的光朝向所述隔离区域反射。
13.根据权利要求11所述的图像感测装置，其中，
所述隔离区域包括内层和围绕所述内层的外层，
其中，所述内层包括金属层或空气层中的至少一种，并且所述外层包括绝缘材料。
14.根据权利要求11所述的图像感测装置，其中，
所述第一反射器还包括延伸到所述光电转换元件的第三反射表面，并且
其中，所述第三反射表面被配置为将由所述第二反射表面反射的光朝向所述隔离区域反射。
15.根据权利要求1所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括：
配线区域，所述配线区域设置在所述基板下方，
其中，所述配线区域包括下反射层，所述下反射层操作以将穿透所述基板的光反射回所述光电转换元件。
16.根据权利要求15所述的图像感测装置，其中，
所述下反射层包括银Ag、铜Cu或铝Al中的至少一种。
17.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
基板；
图像感测像素，所述图像感测像素由所述基板支撑并且包括光电转换元件，所述光电转换元件响应于入射到所述光电转换元件的光而生成光电荷；
微透镜，所述微透镜设置在所述图像感测像素上方并且被配置为使所述光会聚在所述光电转换元件上；
反射结构，所述反射结构设置在所述光电转换元件和所述微透镜之间并且被配置为增加光到达所述光电转换元件的光学路径长度。
18.根据权利要求17所述的图像感测装置，其中，所述反射结构包括第一反射器，所述第一反射器设置在所述光电转换元件上方以使得所述第一反射器具有与所述光电转换元件交叠的部分，所述第一反射器被配置为将所述光反射为远离所述光电转换元件。
19.根据权利要求18所述的图像感测装置，其中，所述反射结构包括第二反射器，所述第二反射器设置在所述图像感测像素的边界并且被配置为将由所述第一反射器反射的光重定向回所述光电转换元件。
20.根据权利要求17所述的图像感测装置，其中，所述反射结构包括铝Al、银Ag、氧化硅、铜Cu或锡Sn中的至少一种。
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