CN1862823A - 具有嵌入式透镜的图像传感器 - 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：衬底；在衬底上形成的至少一个绝缘层；以及在衬底上形成的多个像素，每个像素都包括：在衬底上形成的、用于执行光电转换的光电二极管区域；在至少一个绝缘层上形成的、用于会聚入射光的第一透镜；以及嵌入在至少一个绝缘层中从而放置在光电二极管区域和第一透镜之间的、用于会聚入射光的第二透镜。

Description

具有嵌入式透镜的图像传感器
技术领域
本发明涉及一种具有多个像素的图像传感器，更具体地，涉及一种图像传感器，其中每个像素具有用于改善光接收效率的透镜。
背景技术
在近来的移动产品所含的摄像机模块中，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的使用频率已经增长。
CMOS图像传感器是将输入视觉区中的光转换成电信号以便记录相关图像的器件。图像传感器包括多个像素，每个像素都包括光电二极管和晶体管。同时，由于分配面积的一部分指定给了晶体管，所以每个像素不能将所有的分配面积用作光接收区。因此，考虑到指定给晶体管的面积或区域，光接收区被减小为尽量大的面积。为了增大光接收区，已经开发了一种在每个像素的上部放置微透镜的技术，从而改善像素的光接收效率。
授予Hsiao等人的、题为“High Transmittance Overcoat for LongFocal Length Micro-lens Arrays in Semiconductor Color Imagers”的美国专利号6,821,810公开了一种图像传感器，所述图像传感器包括：其上形成多个光电二极管区域的衬底；在衬底上形成的、用于电连接的金属化层；在金属化层上形成的钝化层和平面化层；在平面化层上形成的滤色镜；以及在滤色镜上形成的多个微透镜。该图像传感器还包括多个具有相同结构的像素。
图1是示出了传统CMOS图像传感器的像素的截面图。图像传感器包括：衬底110；以及在衬底110上形成的第一、第二和第三绝缘层130、140和150。该图像传感器还包括多个具有相同结构的像素100。
每个像素100具有：在衬底110中形成的光电二极管区域120；在衬底110的非光电二极管区域上形成的第一金属层132和134；在第三绝缘层150上形成以便与光电二极管区域120光学对准的微透镜160；以及放置在光电二极管区域120与微透镜160之间的滤色镜155。短语“光学对准”意味着对准对应设备，使得沿着光传播方向在光轴上彼此实质上对称。此时，必须对准具有平面的设备，使得该设备的表面实质上垂直于光轴。
微透镜160具有凸起的形状，以便将入射光会聚到光电二极管区域120中。
滤色镜155是透射某一或预定颜色、并对由微透镜160会聚的光进行滤波的滤光器。
针对光电二极管区域120和晶体管(未示出)之间的电连接，在第一绝缘层130中嵌入第一金属层132和134，而在第二绝缘层140中嵌入第二金属层142和144。
光电二极管区域120将进入光电二极管区域120的中心部分的入射光172转换成电信号。光电二极管区域120包括用于光电转换的PN结。
但是，在上述图像传感器中，每个像素变得越小，相邻像素之间的信号串扰增加得越多。具体地，倾斜于光轴射入微透镜160而没有被会聚到光电二极管区域120的光174侵入另一相邻像素，从而导致串扰。此外，当射入微透镜160的边缘(距离光轴最远的部分)的光176进入光电二极管120的耗尽层附近的侧部时，由于电荷扩散的减速(down-speed)可能引起随机噪声和成像延迟。
发明内容
因此，本发明通过提供一种能够改善光接收效率并减小相邻像素之间的串扰的图像传感器，来解决现有技术中存在的上述问题，并提供额外的优点。
根据本发明的第一实施例，提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括：衬底；在衬底上形成的至少一个绝缘层；以及在衬底上形成的多个像素，每个像素均包括在衬底上形成的、用于执行光电转换的光电二极管区域；在绝缘层上形成的、用于会聚入射光的第一透镜；以及嵌入在绝缘层中从而放置在光电二极管区域和第一透镜之间的、用于会聚入射光的第二透镜。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述特征及优点将会更加明显，其中：
图1是示出了传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器中的像素的截面图；
图2是示出了根据本发明优选实施例的互补金属氧化物半导体图像传感器中的像素的截面图；
图3是演示根据本发明优选实施例的互补金属氧化物半导体图像传感器的制造工艺的流程图；以及
图4到图9是演示图3所示的CMOS图像传感器的制造工艺的视图。
具体实施方式
以下将参考附图详细描述本发明的实施例。为了清楚和简单的目的，将省略所含已知功能和配置的详细描述，以避免模糊本发明的主题。
图2是示出了根据本发明优选实施例的CMOS图像传感器中的像素的截面图。该图像传感器包括衬底210、以及第一、第二和第三绝缘层230、240和250，分别RES。此外，图像传感器包括多个具有相同结构的像素200。每个像素200包括光电二极管区域220、第一透镜260、第一金属电极232和234、第二金属电极242和244、滤色镜255、以及第二透镜270。
光电二极管区域220在衬底210中形成，并将入射光转换成电信号。光电二极管区域220包括将入射光转换成电信号的PN结。此外，光电二极管区域220可以在其上部具有绝缘层。
第二透镜270在光电二极管区域220上形成，以便完全覆盖光电二极管区域220的表面。具有凸面形状的第二透镜270将入射光会聚在光电二极管区域220的中心部分。如参考图4-9的更加完整的描述，可以通过硅图案形成工艺和氧化工艺的局部氧化来形成第二或内部透镜270。在第一绝缘层230中嵌入第二或内部透镜270，并将其与光电二极管区域220光学对准。
第一金属电极232和234设置在绝缘层230的非光电二极管区域，并将光电二极管区域220与晶体管(未示出)电连接。在第一绝缘层230中嵌入第一电极232和234，使其在第二透镜270的两侧实质上彼此平行。
第二金属电极242和244设置在第二绝缘层240的非光电二极管区域，并将光电二极管区域220与晶体管(未示出)电连接。在第二绝缘层240中嵌入第二电极242和244，使其远离光通过第一透镜260的通路。
滤色镜255放置在第一透镜260与第二透镜270之间，如前所述，是用于透射具有预定颜色的光的滤光器。滤色镜255对由第一透镜260会聚的光进行滤波。在第三绝缘层250中嵌入滤色镜255，使其放置在第一和第二透镜260和270之间。
第一或外部透镜260形成在第三绝缘层250上，从而与第二或内部透镜270光学对准，并将入射光会聚到第二透镜270的表面上。第一透镜260具有凸面形状。
第二或内部透镜270将第一透镜260收集的光会聚在光电二极管区域220的中心部分，从而减小串扰并改善光接收效率。此外，通过在硅图案形成工艺的局部氧化期间调整掩膜的开口直径来控制第二透镜270的凸面曲率，以便容易地调整第一和第二透镜260和270的焦距。
图3是演示根据本发明优选实施例的CMOS图像传感器的制造工艺的流程图。图4到图9是演示图3所示的、用于制造根据本发明原理的CMOS图像传感器的更加详细的工艺步骤的图。图像传感器包括多个具有相同结构的像素。以下将只描述一个像素。
参考图4，步骤S1(图3中)代表使硅的局部氧化形成图案的工艺。在步骤S1中，使用光刻胶掩膜420在衬底310上形成具有开口415的SiNx掩膜410。
参考图5，步骤S2(图3中)代表氧化硅的局部氧化的工艺。在步骤S2中，通过热氧化工艺在SiNx掩膜410的开口415中生长具有凸面形状的第二或内部透镜370。
参考图6，步骤S3(图3中)代表离子注入工艺。在步骤S3中，在被第二透镜370覆盖的衬底区域中形成具有PN结的光电二极管区域320。
参考图7，步骤S4(图3中)代表将光电二极管区域320和晶体管(未示出)电连接的工艺。步骤S4包括如下两个子步骤。
首先，在衬底310的非光电二极管区域上形成第一金属电极332和334之后，在衬底310上形成第一绝缘层330使其完全覆盖第一金属电极332和334以及第二透镜370。
然后，在第一绝缘层330上形成第二金属电极342和344，从而在光电二极管区域以外放置第二金属电极342和344之后，在第一绝缘层330上形成第二绝缘层340使其完全覆盖第二金属电极342和344。
参考图8，步骤S5(图3中)代表形成滤色镜和第三绝缘层350的工艺。在步骤S5中，在第二绝缘层340上形成滤色镜355之后，在第二绝缘层340上形成第三绝缘层350使其完全覆盖滤色镜355。
参考图9，步骤S6(图3中)代表形成第一或外部透镜360的工艺。在步骤S6中，在第三绝缘层350上形成第一透镜360，从而使第一透镜360与第二透镜370实质上光学对准。
如上所述，根据本发明的图像传感器使用光电二极管区域上形成的第一透镜和嵌入其中的第二透镜，将光会聚到光电二极管区域，从而改善了光接收效率并减小了相邻像素间的串扰。
虽然参考优选实施例示出和描述了发明，但本领域普通技术人员应当理解的是，在不偏离由所附权利要求限定的发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上做出多种改变。

Claims (14)

1.一种图像传感器，包括：
衬底；
在衬底上形成的至少一个绝缘层；以及
在衬底上形成的多个像素，每个像素均包括：
在衬底上形成的、用于执行光电转换的光电二极管区域；
在至少一个绝缘层外部形成的、用于会聚入射光的第一透镜；以及
嵌入在至少一个绝缘层中从而放置在光电二极管区域和第一透镜之间的、用于会聚入射光的第二透镜。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
滤色镜，放置在第一透镜与第二透镜之间以便透射预定颜色的光。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
嵌入在绝缘层内的、用于电连接的至少一个金属层。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
在衬底上形成的多个绝缘层。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，还包括：
嵌入在绝缘层内的、用于电连接的多个金属层。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中图像传感器是互补金属氧化物半导体图像传感器。
7.一种用于制造图像传感器内的像素元件的方法，所述方法包括步骤：
在衬底中形成光电二极管区域，所述光电二极管区域执行光电转换；
在所述衬底上形成与所述光电二极管区域光学对准的内部透镜、以及光电二极管区域之外的第一电极对；
将所述透镜和所述第一电极对封装在至少一个绝缘层中；以及
在至少一个所述绝缘层上形成第二透镜，所述第二透镜与所述光电二极管区域光学对准。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括步骤：
在第二透镜和内部透镜之间放置滤色镜，以便向内部透镜透射预定颜色的光。
9.根据权利要求7所述的方法，其中第一和第二透镜具有凸起的形状。
10.根据权利要求7所述的方法，还包括步骤：
在所述至少一个所述绝缘层中嵌入第二电极对，所述第二电极对位于光电二极管区域之外。
11.一种包括多个像素元件的图像传感器，制造每个所述像素元件的方法包括步骤：
在衬底内创建光电二极管区域，所述光电二极管区域执行光电转换；
在所述衬底上沉积与所述光电二极管区域光学对准的光学透明材料、以及位于所述光电二极管区域之外的多个实质上平行的金属电极；
在绝缘层中嵌入所述光学透明材料和所述金属电极；以及
在所述绝缘层上沉积第二光学透明材料，与所述光电二极管区域光学对准。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，其中用于制造所述像素元件的方法还包括步骤：
在所述光学透明光学材料和所述第二光学透明光学材料之间嵌入用于选择所需颜色的滤色镜。
13.根据权利要求11所述的图像传感器，其中成形所述光学透明光学材料和所述第二光学透明光学材料，以便将入射光聚焦到所述光电二极管区域上。
14.根据权利要求13所述的图像传感器，其中材料形状是凸起的。
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