CN209183547U - 图像像素件及图像像素阵列 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及图像像素件及图像像素阵列。本实用新型的一个方面的目的是提供改善的图像像素。根据本实用新型的一个方面，提供了一种图像像素件，其特征在于，包括：呈现不同光敏感度的第一子像素组和第二子像素组；形成在所述图像像素的外边界处的像素间光屏蔽结构；以及形成在所述第一子像素组的外周边上方的像素内光屏蔽结构。本实用新型的一个方面的技术效果是提供了改善的图像像素。

Description

图像像素件及图像像素阵列
技术领域
本实用新型整体涉及成像传感器，并且更具体地讲，涉及具有包括不止一个光敏区的像素的成像传感器。
背景技术
现代电子设备(诸如移动电话、相机和计算机)通常使用数字图像传感器。成像器件(即，图像传感器)可由二维图像感测像素阵列形成。每个像素可包括用于接收入射光子(入射光)并把光子转变为电荷的光传感器，诸如光电二极管。常规图像像素阵列包括前照式图像像素或背照式图像像素。图像像素是通过使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术或电荷耦合器件(CCD)技术在半导体衬底上制造而成。图像传感器可包括在衬底前表面中形成的光电二极管和其他操作电路(例如晶体管)。二维图像感测像素阵列中的单个图像感测像素包括单个光敏区、形成在光敏区上方的滤色器以及形成在滤色器上方的单个圆顶形微透镜。某些图像感测像素可包括两个或更多个光敏区。
当从整体上看时，与图像传感器中的图像感测像素阵列相关联的滤色器阵列被称为滤色器阵列。许多成像器使用拜耳滤色器阵列，其中阵列中的纵向和横向相邻的滤色器为不同颜色。拜耳滤色器阵列包括红色、绿色和蓝色滤色器。理想的是，与具有红色滤色器的像素相关联的光敏区将仅暴露于已穿过红色滤色器的光，与具有绿色滤色器的像素相关联的光敏区将仅暴露于已穿过绿色滤色器的光，并且与具有蓝色滤色器的像素相关联的光敏区将仅暴露于已穿过蓝色滤色器的光。
在其中多个光敏区形成于单个图像感测像素中的实施方案中，在单个图像感测像素内的光敏区之间可能存在非期望的光学串扰。在许多成像器中，任何单个给定图像感测像素的光敏区与单个颜色相关联(即，单个滤色器形成在单个给定图像感测像素上方)。另外，通常在与不同颜色相关联的相邻图像感测像素(即，具有不同颜色的滤色器的图像感测像素)之间存在非期望的光学串扰。单个给定图像感测像素内的非期望的光学串扰的特征在于光穿过形成在单个给定图像感测像素中的第一光敏区上方的滤色器的一部分并且入射在单个给定图像感测像素中的第二光敏区中(并且因此生成电荷)。像素之间的非期望的光学串扰的特征在于光穿过一种颜色的滤色器并入射到与不同颜色相关联的像素的光敏区上。非期望的光学串扰的示例是穿过红色滤色器的光入射到与绿色像素(即，具有绿色滤色器的像素)相关联的光敏区上。光学串扰(在像素之间以及在具有多个光敏区的像素内)通常由高入射角光和闪光条件造成，并且可使成像器的输出图像质量劣化。
因此期望能够为成像设备提供改善的图像像素。
实用新型内容
本实用新型的一个方面的目的是提供改善的图像像素。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种图像像素件，包括：呈现不同光敏感度的第一子像素组和第二子像素组；形成在所述图像像素的外边界处的像素间光屏蔽结构；以及形成在所述第一子像素组的外周边上方的像素内光屏蔽结构。
优选地，所述的图像像素件还包括：形成在所述第一子像素组和所述第二子像素组中的至少一者上方的滤光器层。
优选地，其中所述滤光器层仅形成在所述像素间光屏蔽结构和所述像素内光屏蔽结构之间。
优选地，其中所述像素内光屏蔽结构在所述第一子像素组的光收集区域上方延伸。
优选地，其中所述滤光器层是透明滤光器。
优选地，其中所述滤光器层在所述像素内光屏蔽结构内以及在所述像素间光屏蔽结构和所述像素内光屏蔽结构之间形成，并且其中所述滤光器层是滤色器。
优选地，所述图像像素件还包括：将入射光导向所述第二子像素组的微透镜。
优选地，所述图像像素还包括：连接所述像素间光屏蔽结构和所述像素内光屏蔽结构的翅片结构。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种图像像素阵列，包括形成在所述图像像素阵列中的相邻图像像素之间的像素间隔离结构；以及形成在所述图像像素阵列中的每个图像像素内的像素内隔离结构。
优选地，所述图像像素阵列还包括：形成在所述图像像素阵列中的图像像素的第一子集上方的透明滤光器材料，其中所述透明滤光器材料仅在所述像素间隔离结构和与图像像素的所述第一子集相关联的所述像素内隔离结构之间形成；以及形成在所述图像像素阵列中的图像像素的第二子集上方的滤色器材料，其中所述滤色器材料在所述像素间隔离结构和与图像像素的所述第二子集相关联的所述像素内隔离结构之间，以及在被与图像像素的所述第二子集相关联的所述像素内隔离结构包围的区域之间形成。
本实用新型的一个方面的技术效果是提供了改善的图像像素。
附图说明
图1为根据一个实施方案的示例性电子设备的示意图。
图2A为根据一个实施方案的内部子像素具有圆形光收集表面的嵌套子像素的表面视图。
图2B为根据一个实施方案的沿着图2A中的A-A’线截取的嵌套子像素的横截面侧视图。
图3为根据一个实施方案的用于具有多个光敏区的图像感测像素的像素电路的示意图。
图4为根据一个实施方案的内部子像素具有圆形光收集表面的嵌套子像素的表面视图，该内部子像素被两个子像素的外部子像素组包围。
图5为根据一个实施方案的内部子像素具有多边形光收集表面的嵌套子像素的表面视图，该内部子像素被两个子像素的外部子像素组包围。
图6A为根据一个实施方案的形成在嵌套子像素上方的环形微透镜放置的示意图。
图6B为根据一个实施方案的形成在相邻嵌套子像素上方的环形微透镜的替代放置的示意图。
图7为根据一个实施方案的在嵌套子像素上方的圆形微透镜放置的示意图。
图8为根据一个实施方案的彼此相邻形成的微透镜。
图9为根据一个实施方案的仅在布置成网格布局的外部子像素组的子像素中的每个子像素上方的替代微透镜放置的示意图。
图10为根据一个实施方案的设置有像素内光屏蔽结构的两行和两列嵌套子像素的拜耳图案单位单元网格的表面视图。
图11A-图11D示出根据一个实施方案的与要填充有用于具有多个光收集区域的像素的滤色器材料的像素内光屏蔽结构的形成相关联的处理阶段。
图12为根据一个实施方案的与图11D的用于具有多个光收集区域的像素的像素内光屏蔽结构的形成相关联的步骤的流程图。
图13为根据一个实施方案的设置有像素内光屏蔽结构的两行和两列嵌套子像素的单色图案单位单元网格的表面视图。
图14A-图14D示出根据一个实施方案的与填充有用于具有多个光收集区域的像素的介电材料的像素内光屏蔽结构的形成相关联的处理阶段。
图15为根据一个实施方案的与图14D的用于具有多个光收集区域的像素的像素内光屏蔽结构的形成相关联的步骤的流程图。
图16为根据一个实施方案的设置有像素内光屏蔽结构的两行和两列嵌套子像素的混合色单色图案单位单元网格的表面视图。
具体实施方式
本实用新型的实施方案涉及图像传感器，并且更具体地讲，涉及具有各自包括多个子像素结构的像素的图像传感器。本领域技术人员应该认识到，本实用新型的示例性实施方案可在缺少一些或所有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，为了避免不必要地模糊本实用新型的实施方案，未详细描述熟知的操作。
电子设备(诸如数字相机、计算机、蜂窝电话和其他电子设备)包括图像传感器，该图像传感器收集入射光以捕获图像。图像传感器可包括图像像素阵列。图像传感器中的图像像素可包括光敏元件，诸如将入射光转换成电荷的光电二极管。可存储电荷并将电荷转换成图像信号。图像传感器可具有任何数量(如，数百或数千或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数十万或数百万像素(如，百万像素)。图像传感器可包括控制电路，诸如用于操作成像像素的电路，以及用于读出光敏元件生成的电荷对应的图像信号的读出电路。
图像传感器可设置有多光电二极管图像像素(本文有时称为环形光电二极管像素、环形图像像素、环形像素、嵌套子像素、超像素、图像像素或像素)的一个或多个阵列。非正式地，环形像素可被称为环状像素。多光电二极管图像像素可包括衬底中形成且彼此相邻的光敏元件。每个多光电二极管图像像素可具有两个、三个、五个、九个或任何其他合适数量的光电二极管。在多光电二极管图像像素的上下文中，多光电二极管图像像素内的单个光电二极管可以指形成在半导体衬底中的连续光收集区域。来自单个光电二极管的电荷可被单独读出。作为另外一种选择，可以组合的方式读出在多光电二极管内的不同光电二极管中累积的电荷(即，来自第一光电二极管的累积电荷和来自第二光电二极管的累积电荷可被同时读出到像素电路中的公共电荷存储节点)。
每个环形像素中的多个光电二极管可分组为外部子像素组和内部子像素组。可能期望环形像素的外部子像素组比内部子像素组对入射光更敏感。环形像素的外部子像素组的增加的光敏感度可以是外部子像素组的增加的光收集区域(相对于内部子像素组的光收集区域)的函数。外部子像素组还可具有更高的光敏感度，这是因为在外部子像素组上方形成了一个或多个微透镜，该微透镜将光引导远离内部子像素组并且将光朝向外部子像素组引导。增加嵌套子像素阵列中的外部子像素组的光敏感度的微透镜可以是圆形微透镜，或者可以是环形微透镜。当从上方观察时，圆形微透镜可具有圆形形状，而当从上方观察时，环形微透镜可具有环形或圆环形状。微透镜可被形成为使得它们部分地与内部子像素组的光收集区域重叠，或者它们可以仅形成在外部子像素组的光收集区域上方(即，与内部子像素组没有重叠)。
任何给定子像素可被耦接到与环形像素中的其他子像素或嵌套子像素共享的像素电路。外部子像素组可包括一个、两个、四个、八个或任何其他合适数量的子像素。外部子像素组中的子像素中的每个子像素可与单个光电二极管相关联。内部子像素组可包括一个或多个子像素。一个或多个微透镜或其他光导结构可形成在多子像素图像像素上方，以将光导向至外部子像素组中的一个或多个光电二极管。内部子像素组中的子像素中的每个子像素可与单个光电二极管相关联。
图1为示例性电子设备的示意图，该电子设备使用图像传感器捕获图像。图1的电子设备10可为便携式电子设备，诸如相机、移动电话、摄像机或捕获数字图像数据的其他成像设备。相机模块12可用于将入射光转换成数字图像数据。相机模块12可包括一个或多个透镜14以及一个或多个对应的图像传感器16。在图像捕获操作期间，来自某个场景的光可通过透镜14聚焦到图像传感器16上。图像传感器16将对应的数字图像数据提供给处理电路18。图像传感器16可以(例如)是背照式图像传感器。如果需要，相机模块12可设置有透镜14的阵列和对应图像传感器16的阵列。
控制电路(诸如存储和处理电路18)可包括一个或多个集成电路(例如，图像处理电路、微处理器、诸如随机存取存储器和非易失性存储器的存储设备等)，并且可使用与相机模块12分开和/或形成相机模块12的一部分的部件(例如，形成包括图像传感器16的集成电路或者与图像传感器16相关联的模块12内的集成电路的一部分的电路)来实施。可使用处理电路18处理和存储已被相机模块12采集的图像数据。如果需要，已处理图像数据可使用耦接至处理电路18的有线和/或无线通信路径提供给外部设备(如，计算机或其他设备)。处理电路18可用于控制图像传感器16的操作。
图像传感器16可包括图像像素22的一个或多个阵列20。可使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术或电荷耦合器件(CCD)技术或任何其他合适的光敏设备，在半导体衬底中形成图像像素22。图像像素22可为前照式(FSI)图像像素或背照式(BSI)图像像素。图像像素22可包括一个或多个子像素。图像像素22中的每个子像素可具有光电二极管或光电二极管区以及用于光电二极管或光电二极管区的读出电路。与给定子像素中的每个光电二极管或光电二极管区相关联的读出电路可包括转移门、浮动扩散区和重置门。子像素之间的隔离区也可被视为在其间形成隔离结构的子像素中的任一者或两者的一部分。
图2A为阵列20的像素22中的嵌套子像素200的表面视图。嵌套子像素200可为图3-图6和图9的嵌套子像素的替代实施方案。图2A的嵌套子像素200的表面视图可被称为嵌套子像素200的光收集区域(LCA)的示意图。嵌套子像素200可对应于具有用于捕获相同光谱光的相关像素电路的光电二极管。例如，嵌套子像素200可用于捕获红色、绿色、蓝色、青色、洋红色、黄色、近红外、红外或任何其他光谱的光。单个红色、绿色、蓝色、青色、洋红色、黄色、近红外、红外或透明滤色器可在嵌套子像素200上方形成。在某些实施方案中，在嵌套子像素200上方形成的滤色器可具有色光通过的区域以及透明区域(即，可见光或可见光谱之外的全光谱光通过的区域)。
图2A中所示的嵌套子像素200可包括在阵列20的像素22的子集中，或包括在阵列20的所有像素22中。图2A的嵌套子像素200可包括第一子像素202，该第一子像素可被称为内部子像素202。内部子像素202可被第二子像素204完全包围，该第二子像素可被称为外部子像素204。内部子像素202和外部子像素204可对应于半导体衬底中的n型掺杂光电二极管区以及衬底中的相应子像素电路，诸如耦接到子像素202和204中的光电二极管区的、嵌套子像素200的转移门、浮动扩散区和重置门。半导体衬底(未示出)可以是由硅或任何其他合适半导体材料制成的本体p型衬底。
内部子像素202中的光电二极管在表面处可具有圆形形状。换句话讲，内部子像素202的光收集区域为圆形区域。在表面处，内部子像素202可具有直径S1。例如，内部子像素202中的光电二极管的直径S1可以是1微米，但是可另选地是任何其他尺寸而不脱离本实施方案的范围。在一些实施方案中，内部子像素202中的圆形或多边形光电二极管的宽度可具有小于S1的尺寸(即，光电二极管可形成在内部子像素202的一部分中)。外部子像素204在表面处可具有正方形外边界和圆形内边界。由图2A中所示外部子像素204的正方形外边界和圆形内边界包围的区域可对应于外部子像素204的光收集区域。与内部子像素202的外边界相比，外部子像素204在表面处的圆形内边界可具有相似的形状但更大的尺寸(即，外部子像素204的圆形内边界具有大于直径S1的直径S1’)。如图2中所示，外部子像素204的侧面之一的长度为S2。例如，S2可为3微米，但可另选地为任何其他尺寸而不脱离本实用新型实施方案的范围。长度S2优选地大于长度S1。外部子像素204在图2A中示出为具有正方形外边界，但可另选地具有矩形外边界。与内部子像素202中的光电二极管的情况一样，外部子像素204中的光电二极管可具有小于S2的尺寸(即，光电二极管可形成在外部子像素204的一部分中)。
在内部子像素202与外部子像素204之间，可形成隔离区206。隔离区206可能没有与像素22或其子像素202和204相关的任何电路。隔离区206可将给定子像素组中的单独子像素彼此分隔开，并且还可将不同相应子像素组中的单独子像素彼此分隔开。隔离区206可包括不同类型的隔离设备，诸如沟槽隔离结构、掺杂半导体区、金属阻挡结构或任何其他合适的隔离设备。可借助于区域206中的隔离设备/结构来防止响应于嵌套子像素200的表面处的入射光210而在内部子像素202和外部子像素204中的光电二极管的半导体衬底内生成的电荷由于电串扰而彼此混合。
内部子像素202可具有对入射光的较低敏感度，并且与外部子像素204相比可被称为具有较低敏感度的光收集区域。内部子像素202和外部子像素204中的光电二极管的相应掺杂浓度可不同，或者它们可相同。例如，内部子像素202中的光电二极管区的掺杂浓度可被修改成降低内部子像素202对光的敏感度。然而，为了简洁地阐释并强调嵌套子像素200的特性，将假定子像素202和204具有掺杂浓度相同的光电二极管。与外部子像素204相比，内部子像素202对入射光的较低敏感度可能是与外部子像素204内的光电二极管的光收集区域相比内部子像素202内的光电二极管的光收集区域较小的结果。
一个或多个微透镜(未在图2A中示出)可在图2A的嵌套子像素200上方形成，以将光导向外部子像素204。一个或多个微透镜可在滤色器上方形成，该滤色器在嵌套子像素200上方形成(未在图2A中示出)。为了将光导向外部子像素204，所述一个或多个微透镜可仅在外部子像素204上方形成。然而，在一些实施方案中，将光导向外部子像素204的所述一个或多个微透镜可与子像素202的光收集区域部分重叠。将光导向外部子像素204(以及由此远离内部子像素202)可进一步提高外部子像素204的光收集区域相对于内部子像素202的光收集区域的敏感度而言的敏感度。换句话讲，因为入射到嵌套子像素200上的光被导向外部子像素204的量大于被导向内部子像素202的量，所以内部子像素202被称作具有比外部子像素204更低敏感度的光收集区域。
图2B为沿着图2A中的A-A’线截取的嵌套子像素200的横截面侧视图。图2B示出了内部子像素202与外部子像素204之间的隔离区206。隔离区206可垂直于嵌套子像素200的表面。在光收集间隔期间，入射到嵌套子像素200上的光210可被内部子像素202和外部子像素204吸收。如上文结合图2A所述，外部子像素204具有比内部子像素202更敏感的光收集区域，原因至少在于外部子像素204的大小更大，并且嵌套子像素200上形成的一个或多个微透镜将电荷导向外部子像素204。由于外部子像素204具有更敏感的光收集区域，在暴露于入射光210之后外部子像素204中的光生电荷数量可大于在暴露于入射光210之后内部子像素202中的光生电荷数量。
另外，由于与外部子像素204相关联的较大衬底体积，外部子像素204中的光电二极管可具有比内部子像素202中的光电二极管更高的电荷存储容量。外部子像素204的较高电荷存储容量和较高光敏感度可使得嵌套子像素200能够具有高动态范围。可通过实施像素电路来实现高动态范围，如图3所示。
尽管存在形成于隔离区206中的隔离设备/结构，但外部子像素204中的光生电荷可能不期望地泄漏或扩散穿过隔离区206并且进入内部子像素202。隔离区206可具有通过边界207分隔开的第一区和第二区。隔离区206中所用的隔离设备可包括可在隔离区206的第一区和第二区中的一者或两者中形成的各种类型的隔离结构，诸如沟槽隔离结构、掺杂半导体区和金属阻挡层。当在隔离区206的第一区和第二区两者中形成相同类型的隔离设备时(即，当在隔离区206中形成单种隔离设备类型时)，区域206中的隔离设备可为连续的。当具有高度h1的隔离区206的第一区中的隔离设备类型不同于具有高度h2的隔离区206的第二区中的隔离设备类型时，区域206中的隔离设备对于嵌套子像素200中的光电二极管的深度而言可为不连续的。
电荷从子像素的一个光电二极管区泄漏到另一个子像素的另一个光电二极管区中一般被称为电串扰。由于在嵌套子像素200上方形成单个滤色器，内部子像素202和外部子像素204接收相同颜色的入射光210。因此，从外部子像素204扩散穿过隔离区206而进入内部子像素202中的光生电荷对应于在内部子像素202中响应产生光生电荷的相同颜色而产生的电荷。子像素202和204中的光电二极管区之间的电串扰因此是接收相同颜色的光的光电二极管区之间的串扰，并因此是可管理的。可在嵌套子像素200所在处的像素22的读出期间，或在嵌套子像素200所在处的像素22的读出之后，对子像素202和204中的光电二极管之间的电串扰加以考虑或管理。
在光收集间隔期间，入射到嵌套子像素200上的光212可被图1的相应像素22中的内部子像素202和外部子像素204吸收。如上文结合图2A所述，外部子像素204具有比内部子像素202更敏感的光收集区域，原因至少在于外部子像素204的大小更大，并且嵌套子像素200上形成的一个或多个微透镜将光导向外部子像素204(或等效地，远离内部子像素202)。由于外部子像素204具有更敏感的光收集区域，在暴露于入射光212之后外部子像素204中的光生电荷数量可大于在暴露于入射光210之后内部子像素202中的光生电荷数量。
当第一子像素结构被称作嵌套在第二子像素结构内时，第一子像素结构应被第二子像素结构横向地包围，如至少图2至图4中所示。以图2为例，应当理解，外部子像素结构204横向地包围内部子像素结构202。换句话讲，除了在内部子像素202的上表面216和下表面218处之外，外部子像素204包围内部子像素202(即，外部子像素204横向地包围内部子像素202)。当第一子像素结构被称作嵌套在第二子像素结构内时，在第一子像素和第二子像素之间的区域中还不应形成另外的中间像素或子像素。同样，以图2为例，应当理解，子像素202和204之间的任何空间都没有另外的像素或子像素结构。
非正式地，嵌套可以是传递函数，因为当第一子像素嵌套在第二子像素内并且第二子像素继而嵌套在第三子像素内时，可以说第一子像素“嵌套”在第三子像素内。然而，正式地，当子像素中的一个横向地包围另一个子像素时以及当子像素之间的任何空间都没有任何其他像素或子像素结构时，这两个子像素可被适当地视为是嵌套的。当第一子像素以上述正式意义嵌套在第二子像素内时，第二子像素也可被称作“紧接包围”第一子像素。
虽然嵌套或“紧接包围”的上述正式定义是结合两个子像素描述的，但子像素组也可被适当地视为紧接包围另一个子像素或子像素组。当子像素被包括多个子像素的子像素组横向地包围时，以及当该子像素与该子像素组之间的任何空间都没有任何其他子像素或像素时，该子像素被该子像素组紧接包围或嵌套在该子像素组内。以类似方式，第一子像素组可被第二子像素组紧接包围或嵌套在第二子像素组内。
图3示出在外部子像素204内具有两个光电二极管的嵌套子像素的示例性像素电路300。作为另外一种选择，像素电路300可被认为是具有外部子像素组，该外部子像素组具有各自具有单个光电二极管的两个子像素。为了简化像素电路300的说明，将假设外部子像素组具有两个子像素，每个子像素具有相应的光电二极管。光电二极管PD1A可以是与外部子像素组中的子像素中的第一个相关联的光电二极管。光电二极管PD1B可以是与外部子像素组中的子像素中的第二个相关联的光电二极管。光电二极管PD2可以是与内部子像素相关联的光电二极管。为了避免模糊本实施方案的显著特征，将假设内部子像素组仅具有单个子像素。一般来讲，嵌套子像素或环形像素的内部子像素组和外部子像素组可具有任何数量或相关联的子像素，其中组成子像素中的每个组成子像素具有形成在其内的任何数量的光电二极管。
外部子像素组中的光电二极管PD1A和PD1B可具有相应的溢出晶体管302和308，所述溢出晶体管可被由图像传感器16上的控制电路提供或耦接到图像传感器16的存储和处理电路18中的控制电路提供的控制信号AB1A和AB1B控制。在光电二极管PD1A和PD1B饱和的情况下，可通过以下方式来丢弃电荷：打开溢出晶体管302和308(例如，通过使AB1A和AB1B控制信号生效)，并且由此将过量电荷转移到电源(由VDD表示)。尽管具有较小的电荷存储容量，光电二极管PD2可能由于其降低的光敏感度而不需要相关联的溢出晶体管。然而，在一些实施方案中，光电二极管PD2可被设置有溢出晶体管。
转移晶体管304、306和310可用于分别从光电二极管PD1A、PD2和PD1B转移电荷。控制信号TX1A、TX2和TX1B可用于控制转移晶体管304、306和310，并且可由图像传感器16上的控制电路提供或者由耦接到图像传感器16的存储和处理电路18中的控制电路提供。来自这些光电二极管中的一个或多个的电荷可被转移到电容性节点CFD并且存储在电容性节点CFD上。在一些实施方案中，当增益控制晶体管314打开时(例如，通过使GAIN_CTRL控制信号生效)，来自这些光电二极管的电荷可被转移到电容性节点CFD和电容性节点CLG并且存储在电容性节点CFD和电容性节点CLG上。GAIN_CTRL控制信号可由图像传感器16上的控制电路提供或者由耦接到图像传感器16的存储和处理电路18中的控制电路提供。尽管电容性节点CFD-和CLG在像素电路300中表示为电容器，但它们可以是电荷存储节点或存储栅极晶体管。CFD可称为浮动扩散节点。
源极跟随器晶体管316可在其漏极端子320处产生输出，该输出与存储在浮动扩散节点CFD上的电荷量成比例，或者表示存储在浮动扩散节点C-FD上的电荷量。在GAIN_CTRL信号生效的情况下，源极跟随器晶体管316的漏极端子320处的输出还可表示浮动扩散节点CFD和电容性节点CLG两者上的电荷，从而打开增益控制晶体管314。当控制行选择晶体管318的RS信号生效时，可将信号输出到COL_OUT线322，该COL_OUT线是与像素相关联的列输出线。为了重置电容性节点CLG和CFD上的电荷，可通过使FD_RST信号生效来打开重置晶体管312，同时还使GAIN_CTRL信号生效。FD_RST和RS控制信号可由图像传感器16上的控制电路提供或者由耦接到图像传感器16的存储和处理电路18中的控制电路提供。
在一些情况下，可能存在高亮度图像场景，其导致外部子像素204中的光电二极管用光饱和。因为外部子像素204中的光电二极管的光收集区域大于内部子像素202中的光电二极管的光收集区域，并且光被导向远离内部子像素202且朝向外部子像素204，所以在积分或光收集间隔(即，光电二极管的重置和读出/电荷转移之间的时段)期间，外部子像素204中的光电二极管可以是饱和的(即，填充到或超过其电荷存储容量)，而不管外部子像素204中的光电二极管的较高电荷存储容量。当光电二极管饱和时，其输出可能被认为是不可用的。在外部子像素中的光电二极管在高亮度场景中饱和，或者收集超过浮动扩散节点CFD和电容性节点CLG的存储容量的电荷的情况下，来自内部子像素组中的光电二极管PD2的电荷可用于形成高亮度场景的图像信号(因为光电二极管PD2由于其相对于光电二极管PD1A和PD1B的光敏感度的低光敏感度而可能不会饱和)。在这样的情况下，可通过以下方式仅将来自PD2的电荷读出到浮动扩散节点CFD：使TX2控制信号生效，从而打开转移门306。
在中等亮度图像场景中，外部子像素组中的光电二极管PD1A/PD1B可接近饱和或收集超过浮动扩散节点CFD的容量的电荷。如果预期光电二极管将接近饱和，则可以在期望的积分或光采集间隔结束之前将电荷转移出光电二极管。或者在这样的高亮度场景中，GAIN_CTRL控制信号可生效，使得电荷可被存储在浮动扩散节点CFD和电容性节点CLG上。另外，如果存在外部子像素组中的光电二极管PD1A或PD1B可能饱和的风险，可能期望在外部子像素组的积分间隔结束之前使TX1A和TX1B控制信号生效以打开转移门304和310，使得电荷可被存储在浮动扩散节点CFD上(以及，如果需要的话，通过打开增益控制晶体管314存储在电容性节点CLG上)。
在低亮度图像场景中，在外部子像素组中的光电二极管PD1A/PD1B(其相对于光电二极管PD2具有高光敏感度)中累积的电荷可被转移并且读出以形成该像素的图像信号。
图4为根据一个实施方案的内部子像素具有圆形光收集表面的嵌套子像素的表面视图，该内部子像素被两个子像素的外部子像素组包围。图4为阵列20的像素22中的嵌套子像素组400的表面视图。嵌套子像素组400可以是图2所示的嵌套子像素组的替代实施方案。图4和图2A的不同之处在于图2A中的外部子像素204可被分成图4中的外部左子像素404和外部右子像素406。另外，图4中的内部子像素402的外边界是正方形或矩形，而图2A中的内部子像素202的外边界是圆形或椭圆形。然而，在图4的上下文中，在不脱离本实用新型的范围的情况下，内部子像素402可具有圆形或椭圆形外边界。外部左子像素404和外部右子像素406可形成外部子像素组，其中内部子像素402被嵌套。图2B中所述的子像素结构的描述也适用于图5的嵌套子像素400，其中必要的修改考虑到将外部子像素204分成外部左子像素204和外部右子像素206。这样的必要修改的示例是隔离区408的形状。类似于图2A和图2B，其中隔离区206形成在子像素202和204之间，隔离区408形成在子像素402、406和408中的每个之间。另外，关于将一个或多个微透镜放置在图2中的嵌套子像素200上方的描述也适用于图5的嵌套子像素500，其中必要的修改考虑到将外部子像素204分成外部左子像素404和外部右子像素406。
一般来讲，与原始子像素或子像素组相比，具有矩形、正方形、椭圆形或圆形内边界的一个或多个外部子像素或子像素组可被分成具有附加子像素的相应划分子像素组。
在内部子像素402内，可形成光电二极管401。光电二极管401的光收集表面/区域可以是圆形并且可占据内部子像素402的仅一部分。在外部子像素404内，可形成光电二极管403。光电二极管403的光收集表面/区域可具有半环形或半圆环形状。在外部子像素406内，可形成光电二极管405。光电二极管405的光收集表面/区域可具有半环形或半圆环形状。
图5为根据一个实施方案的内部子像素具有多边形光收集表面的嵌套子像素的表面视图，该内部子像素被两个子像素的外部子像素组包围。图5基本上类似于图4，但是不同之处在于形成于外部子像素组中的光电二极管具有带有多边形形状的光收集表面/区域，并且内部子像素组中的光电二极管也具有带有多边形形状的光收集表面/区域。内部子像素402中的光电二极管501可具有形成于内部子像素402的区域的仅一部分中的八边形形状。然而，一般来讲，光电二极管501的形状可以是具有大于三个的任何数量的边的多边形。光电二极管503可以是11边多边形，其形状近似于半环形或半圆环。一般来讲，光电二极管501的形状可以是具有大于三个的任何数量的边的多边形，该多边形优选地填充或占据外部左子像素404的一部分。光电二极管505可以是11边多边形，其形状近似于半环形或半圆环。一般来讲，光电二极管505的形状可以是具有大于三个的任何数量的边的多边形，该多边形优选地填充或占据外部右子像素404的一部分。
图6A为根据一个实施方案的形成在嵌套子像素上方的环形微透镜放置的示意图。图6A示出了可具有第一内边界650或第二内边界652的环形微透镜640。在环形微透镜640具有第一内边界650的某些实施方案中，环形微透镜可不与内部子像素602重叠。换句话讲，具有内边界650的环形微透镜640可仅在外部子像素604上方形成。在环形微透镜640具有第二内边界652的其他实施方案中，环形微透镜可与内部子像素602部分重叠。当环形微透镜640仅与外部子像素604重叠时(即，当环形微透镜640具有第二内边界652时)，环形微透镜640可将光导向至外部子像素604，而不会将任何光导向至内部子像素602。然而，微透镜640可另选地至少部分地与内部子像素602重叠(即，当环形微透镜640具有第一内边界650时)，使得入射到与内部子像素602至少部分地重叠的微透镜640的部分上的光(即，光子)可被环形微透镜640朝外部子像素604重新导向。由于环形微透镜640仅将光导向至外部子像素604，外部子像素604的光收集区域的敏感度可提高。外部子像素604的光收集区域的敏感度可大于内部子像素602的光收集区域的敏感度。
图6A的环形微透镜640被示出为延伸超过外部子像素604的外边界(即，在超过外部子像素604的区域660中)。例如，环形微透镜640的一部分被示出为在延伸超过外部子像素604的外边界的区域660中形成。虽然多个嵌套子像素600被布置成阵列，但由于环形微透镜640延伸超过外部子像素604的外边界，相邻嵌套子像素600的环形微透镜640可重叠。
然而，环形微透镜640超过外部子像素604的外边界的延伸可能在成品设备中不明显或甚至不存在，因为微透镜640超过最外子像素组(在该示例中为外部子像素604)的边界的延伸可与仅处理到中间光刻步骤，具体地讲处理到将回流工艺施加到像素及其相关联的微透镜之前的中间光刻步骤的像素有关。在将回流工艺施加到像素之后，可减少或消除微透镜超过外边界的任何延伸，如图6B中所示，其中微透镜642-1和642-2不延伸超过其上方分别形成有这些微透镜的相应外部子像素604的外边界。
图6B为根据一个实施方案的形成在相邻嵌套子像素上方的环形微透镜的替代放置的示意图。图6B示出了在给定像素(诸如图1的像素22)上方形成的环形微透镜642-1，该给定像素具有嵌套在外部子像素604-1内的内部子像素602-1。如结合图6A所述，图6B的环形微透镜642根据图2A的实施方案示出，但环形微透镜642可结合任何子像素配置使用。换句话讲，环形微透镜642可与这样的像素结合使用：所述像素具有包围具有圆形、椭圆形、正方形或矩形表面边界的内部子像素的多个嵌套子像素。包括包围具有圆形、椭圆形、正方形或矩形表面边界的内部子像素的一个、两个或任何数量的子像素组的像素22可包括环形微透镜642。
环形微透镜642-1可与在另一个像素上方形成的另一个环形微透镜642-2相邻但不重叠，该另一个像素具有嵌套在外部子像素604-2内且与该给定像素相邻的内部子像素602-2。相邻嵌套子像素600的环形微透镜642可直接相邻并且彼此可在界面处接触。然而，与具有嵌套子像素600的给定像素22相关联的环形微透镜642中的每个可包含在最外子像素或子像素组(诸如子像素604)的外边界内，如图6B中所示。
图7为根据一个实施方案的在嵌套子像素上方的圆形微透镜放置的示意图。图7示出圆形微透镜在阵列20的像素22中的嵌套子像素700上方的布置。虽然图7的内部子像素702和外部子像素704根据图2A的实施方案示出，但圆形微透镜740-1、740-2、740-3和740-4的放置可与图3-图6的子像素配置中的任一个结合使用。圆形微透镜740-1、740-2、740-3和740-4可在内部子像素702的边界之外居中。微透镜740-1、740-2、740-3和740-4可在外部子像素704的区域上方居中。图7示出每个像素的四个微透镜740-1、740-2、740-3和740-4。微透镜740-1、740-2、740-3和740-4在嵌套子像素700上方的放置可将光仅导向至外部子像素704。相对于根本未形成微透镜740-1、740-2、740-3和740-4的布置而言，如图7中所示的微透镜740-1、740-2、740-3和740-4的放置可提高外部子像素704的光收集区域的敏感度。如图7所示，微透镜740-1、740-2、740-3和740-4可与内部子像素702部分地重叠。然而，由微透镜740-1、740-2、740-3和740-4与内部子像素702部分重叠引起的内部子像素702的光收集区域的敏感度的增加可以忽略不计。
图7示出延伸超过外部子像素704的微透镜740-1、740-2、740-3和740-4。然而，微透镜740-1、740-2、740-3和740-4超过外部子像素的延伸可对应于微透镜740-1、740-2、740-3和740-4的制造中的中间步骤，如上结合图6所述。
图8为根据一个实施方案的彼此相邻形成的微透镜。图8示出在子像素802和804的结构3×3阵列上方形成的微透镜840的平面图894，其中子像素804形成外部子像素组，并且其中子像素802形成嵌套在外部子像素组内的内部子像素。图8中的微透镜840彼此不重叠，但彼此相邻。微透镜840在像素870或872内或在像素870和872之间彼此不重叠。可在滤色器(诸如红色滤色器、绿色滤色器、蓝色滤色器、透明滤光器、红外通过滤光器)、或任何其他合适的滤色器或包括透明区和滤色器区的混合滤色器上方形成微透镜840。图8的平面图894示出了在微透镜840之间可存在间隙。可消除这些间隙，或可基于设置和形成微透镜840的方法来修改这些间隙的大小和形状。
图9为根据一个实施方案的仅在布置成网格布局的外部子像素组的子像素中的每个上方的替代微透镜放置的示意图。嵌套子像素900被示出为具有正方形图像像素的3×3阵列。嵌套子像素900外围的八个正方形子像素904可被视为包围内部子像素902的外部子像素组。一般来讲，外部子像素组中的子像素904可不必为正方形，但仍可具有相等大小。外部子像素组中的子像素904可各自具有与内部子像素902相同的尺寸。以这种方式观察时，具有嵌套子像素的像素900可被看作这样的实施方案：其中外部子像素组已被分成八个区段，被分成子像素904-1、904-2、904-3、904-4、904-5、904-6、904-7和904-8。子像素904-1、904-2、904-3、904-4、904-5、904-6、904-7和904-8可被统称为外部子像素组904。圆形微透镜940的放置可对应于微透镜对每个子像素的一对一放置。可在外部子像素组904中的子像素904-1、904-2、904-3、904-4、904-5、904-6、904-7和904-8上方分别形成微透镜940-1、940-2、940-3、940-4、940-5、940-6、940-7和940-8。
微透镜940在外部组904中的子像素上方的布置可将光导向至外部子像素组904。具体地讲，每个微透镜940可仅将光导向至该微透镜在其上方形成的外部子像素组904中的相应子像素。相对于根本未形成微透镜940的布置而言，如图9中所示的微透镜940的放置可提高外部子像素组904的光收集区域的敏感度。如图9所示，微透镜可在内部子像素902上方被省略。作为另外一种选择，可在内部子像素902上方形成被优化以防止内部子像素902的光收集区域的敏感度增加的微透镜。然而，在某些实施方案中，可能优选的是，简单地省略在内部子像素902上方形成任何种类的微透镜，以避免增加内部子像素902的光收集区域的敏感度。在某些实施方案中，并非为外部子像素组的每个子像素904提供单独微透镜940，而是可在外部光电二极管组的子像素904上方形成图6A的环形微透镜640或图6B的环形微透镜642。
图10为根据一个实施方案的设置有像素内光屏蔽结构的两行和两列嵌套子像素的拜耳图案单位单元网格的表面视图。嵌套子像素1002和1004(为简单起见仅与左上绿色像素相关地标记)可以是具有任何表面边界几何形状的嵌套子像素。例如，嵌套子像素1002和1004可具有多边形或椭圆形表面边界。出于优选实施方案的示例性目的，外部子像素1004被示为具有矩形边界，外部子像素1002也是如此。用R、G和B标记的嵌套子像素分别对应于在其上方形成红色滤色器、绿色滤色器或蓝色滤色器的像素。在相邻的嵌套子像素或环形像素之间形成并分离的是像素间光学隔离结构1060。像素间隔离结构1060的阴影部分可表示像素间隔离结构1060的在四个像素的单个单位单元网格上方形成的部分，并且可以延伸到宽度1050(当像素阵列22被视为整体并且考虑相邻的单位单元网格时)。然而，当仅考虑单个单位单元的视图(并且不考虑像素间隔离结构1060的延伸到相邻像素中的部分)时，像素间隔离结构1060的宽度可以是围绕单位单元的边界的宽度1054。在单位单元网格中的相邻像素的行之间示出的宽度1052可基本上等于在相邻像素的列之间示出的宽度1050。然而，在一些实施方案中，行和列之间的像素间隔离结构1060的宽度1050和1052可分别不同。
像素间光学隔离结构1060可用于形成将环形像素或嵌套子像素彼此分离的网格。像素间光学隔离结构1060可使用光学透明介电材料(诸如氧化硅，或更简单地为氧化物)、光学不透明材料(诸如金属)或光学透明介电材料和光学不透明材料的混合物来形成。混合像素间光学隔离结构的形成和结构在图11A-图11D中更详细地描述。像素间光学隔离结构1060可形成在半导体衬底上方，其中形成嵌套子像素1002和1004(或如图2所示的嵌套子像素)。
一般来讲，像素间光学隔离结构1060可用于防止由入射在给定像素上的不期望的眩光或透镜闪光引起的高角度光撞击相邻像素(并且由此在相邻像素中生成电荷)。当像素间光学隔离结构1060(或其部分)由光学透明介电材料形成时，可能期望材料具有的折射率不同于与邻近像素间光学隔离结构1060形成的滤色器材料相关联的折射率(在图11D中更详细地示出)。入射在给定像素上的高角度光可在到达与给定像素相关联的像素间光学隔离结构1060之前首先穿过与像素相关联的滤色器。当像素间光学隔离结构1060是光学透明的时，期望用于形成结构1060的材料具有比入射在像素上的光穿过的滤色器材料更低的折射率。当像素间光学隔离结构1060以这种方式具有较低的折射率时，在一定角度范围内入射在像素间光学隔离结构1060上的光将被反射回到其最初通过的滤色器的像素中，这是由于滤色器材料中的光的全内反射，该滤色器材料与像素间光学隔离结构1060相邻并邻接。
图10也示出像素内光学隔离结构1040。像素内光学隔离结构1040可形成在与嵌套子像素的一个或多个内部子像素(即，内部子像素组)相关联的光收集区域周围并且与其相邻(但不是直接在其上方)。像素内光学隔离结构1040可完全包围与环形像素的内部子像素组相关联的光收集区域的外围。在其中环形像素具有形成环形像素的内部子像素组的单个子像素的实施方案中，像素内光学隔离结构1040可形成在半导体衬底表面上方的单个内部子像素的周边上方，使得结构1040完全包围单个子像素。在其中嵌套子像素的内部子像素用于收集彩色光或红外光的实施方案中(即，当嵌套子像素是彩色或红外像素时)，像素内光学隔离结构1040内空间可被填充有滤色器材料，并且可被形成为使得它们不与内部子像素的任何光收集部分重叠，诸如内部子像素1002的光敏区1001。类似地，像素内光学隔离结构1040可分别与外部左子像素1004-1和外部右子像素1004-2的光敏区1003-1和1003-2不重叠。
像素内光学隔离结构1040可通过隔离翅片1042-1和1042-2锚定或结构耦接到像素间光学隔离结构1060。隔离翅片1042(比如像素间光学隔离结构1060和像素内光学隔离结构1040)可使用光学透明介电材料(诸如氧化硅，或更简单地为氧化物)、光学不透明材料(诸如金属)或光学透明介电材料和光学不透明材料的混合物来形成。隔离翅片1042和像素内光学隔离结构可以相同的方式，并且使用与像素间光学隔离结构1060相同的处理步骤(包括并发/共同处理步骤)形成。隔离翅片1042和像素内光学隔离结构1040可形成在隔离区(诸如图4和图5的隔离区408和508)上方。一般来讲，隔离翅片1042和像素内光学隔离结构1040可形成在像素的半导体衬底的任何区域上方，所述区域不用作在像素(即，嵌套子像素或环形像素)的子像素中任一者中的光电二极管的光收集表面/区域。
如上结合像素间光学隔离结构1060所述，像素内光学隔离结构1040与隔离翅片1042结合可用于防止由入射在给定子像素上的不期望的眩光或透镜闪光引起的高角度光撞击相邻子像素(并且由此在相邻子像素中生成电荷)。像素内光学隔离结构1040可防止入射在外部子像素中的一者(诸如外部左子像素1004-1或外部右子像素1004-2)上的高角度光入射到内部子像素中的光电二极管(诸如内部子像素1002中的光电二极管1001)的光收集区域上(并且在该光收集区域中生成电荷)。类似地，像素内光学隔离结构1040可防止入射在内部子像素(诸如内部子像素1002)上的高角度光入射到外部子像素中的光电二极管(诸如外部左子像素1004-1中的光电二极管1003-1或外部右子像素1004-2中的光电二极管1003-2)的光收集区域上(并且在该光收集区域中生成电荷)。
当像素内光学隔离结构1040和隔离翅片1042(或其相应部分)由光学透明介电材料形成时，可能期望材料具有的折射率不同于与邻近像素内光学隔离结构1040和隔离翅片1042形成的滤色器材料相关联的折射率(在图11D中更详细地示出)。入射在给定像素上的高角度光可在到达与给定子像素相关联并且邻近给定子像素的像素内光学隔离结构1040和/或隔离翅片1042之前首先穿过与环形像素中的子像素中的给定一者相关联的滤色器。当像素内光学隔离结构1040和/或隔离翅片1042是光学透明的时，期望用于形成结构1040和/或翅片1042的材料具有比入射在给定子像素上的光穿过的滤色器材料更低的折射率。当像素内光学隔离结构1040和/或隔离翅片1042以这种方式具有较低的折射率时，在一定角度范围内入射在像素内光学隔离结构1040和/或翅片1042上的光将被反射回到其最初通过的滤色器的子像素中，这是由于滤色器材料中的光的全内反射，该滤色器材料与像素内光学隔离结构1040和/或隔离翅片1042相邻并邻接。
像素内隔离结构1040的壁可具有厚度1056。隔离翅片1042的厚度可以是厚度1056(像素内隔离结构1040的壁的厚度)。作为另外一种选择，隔离翅片1042可具有任何厚度。隔离翅片1042可向像素内光学隔离结构1040提供结构支撑，在没有隔离翅片1042的情况下，该像素内光学隔离结构将不被束缚或不锚定到在其中形成子像素1002和1004的半导体衬底上方形成的任何其他结构。此外，正如像素内隔离结构1040将内部子像素1002与外部子像素组1004中的子像素(诸如外部左子像素1004-1和外部右子像素1004-2)光学隔离，隔离翅片1042用于将外部左子像素1004-1和外部右子像素1004-2彼此光学隔离。
像素内隔离结构1040的内部空间(即，内部子像素1002上方的区域)可被填充有滤色器材料。像素内隔离结构1040的邻近隔离翅片1042的外部空间(即，在外部子像素1004中的一个或多个上方的空间)也可被填充有滤色器材料。用于填充像素内隔离结构1040的内部空间的滤色器材料可不同于用于填充像素内隔离结构1040的外部空间的滤色器。作为另外一种选择，用于填充像素内隔离结构1040的内部空间的滤色器材料可与用于填充像素内隔离结构1040的外部空间的滤色器相同。用于填充像素内隔离结构1040的内部空间或外部空间的滤光器可以是红色、绿色、蓝色、青色、黄色、洋红色、近红外、红外或甚至透明滤光器。一般来讲，用于光的任何滤光器材料(包括带通滤光器和带阻滤光器)可用于填充像素内隔离结构1040之内或像素内隔离结构1040之外的空间。
当由外部子像素捕获的图像信号被单独读出时，形成隔离翅片1042以使得入射在外部子像素组1004的子像素中的一个(诸如外部左子像素1004-1)上的高角度光不穿过外部子像素组1004的子像素中的另一个(诸如外部右子像素1004-2)可以是有利的。此外，当将第一半像素(或多个像素的第一半像素)的图像输出与第二半像素(或多个像素的第二半像素)的图像输出进行比较以用于确定成像器的聚焦设置是否合适时，这样的光学隔离对于在相位检测应用中使用子像素可能是有利的。
图11A-图11D示出根据一个实施方案的与要填充有用于具有多个光收集区域的像素的滤色器材料的像素内光屏蔽结构的形成相关联的处理阶段。图11A示出在形成像素间和像素内隔离结构、滤色器和/或透镜之前，彩色像素(诸如图10中所示的彩色像素中的一个)的横截面侧视图。图11A中所示的像素可对应于具有带有两个子像素的外部子像素组(即，外部左子像素组1004-1和外部右子像素组1004-2)的嵌套子像素，半导体衬底具有平面化层(未示出)可形成在其上的上表面1010。这些平面化层可包括具有逐渐增加/减少的折射率的多层材料，以最小化上表面1010的反射率。半导体衬底可包括两个外部子像素，诸如外部左子像素1004-1和外部右子像素1004-2。光敏区(即，光电二极管)1003-1和1003-2可分别形成在外部左子像素1004-1和外部右子像素1004-2中。嵌套在外部子像素1004内的可以是内部子像素1002。光敏区(即，光电二极管)1001可形成在内部子像素1002中。
隔离区1006可形成在外部子像素1004和内部子像素1002之间。隔离区1006可类似于上文结合图2B所述的隔离区206。
图12是根据一个实施方案的与具有填充有滤色器材料的像素内光屏蔽结构的像素的形成相关联的步骤的流程图。在步骤1202中，一个或多个钝化层(在图11A中未示出)可形成在半导体衬底中的多个光电二极管1001和1003上方。
在步骤1204中，这是任选的并且可在不偏离当前描述的实施方案的范围的情况下省略，光学不透明材料层(诸如图11B的层1020)可被沉积并且任选地图案化。换句话讲，在步骤1202中在表面1010上形成的钝化层上方，可以沉积光学不透明材料层(诸如金属层)。在一些实施方案中，在沉积之后，可以立即图案化该光学不透明材料层。在其他实施方案中，光学不透明材料层的图案化可以与其他随后沉积的层的图案结合进行。光学不透明材料层1020可被沉积到高度H1，然后与层1020上方形成的附加层结合立即图案化或稍后图案化。在用仅使用光学透明材料形成的光学隔离结构制造像素的情况下，可以省略步骤1204。在图11B的上下文中，光学不透明材料层1020的沉积可被省略。
在步骤1206中，光学透明材料(诸如氧化硅)可被沉积。在其中执行步骤1204的实施方案中，光学透明材料层可被沉积在光学不透明材料层(其任选地已被图案化)诸如层1020上方。作为另外一种选择，当步骤1204被省略时，光学透明材料层可被直接沉积在步骤1202中形成的钝化层上方。光学透明材料层1022可被沉积到高度H2。在其中光学透明材料层1022是沉积在步骤1202的钝化层上方的唯一层的实施方案中(即，当步骤1204被省略时)，则图11B中的沉积层的总高度H3可与H2相同。在其中光学透明材料层1022和光学不透明材料层1020形成的实施方案中，图11B中的沉积层的总高度H3可以是光学不透明材料层1020的高度(即，高度H1)和光学透明材料层1022的高度(即，高度H2)的总和。
在步骤1208中，光学透明材料层1022可被图案化。如果在步骤1204中尚未图案化，则光学不透明材料层1020也可在该步骤中被图案化。对层1022和1020进行图案化可以指将光致抗蚀剂材料沉积在层1022的部分上方，并且使用光刻掩模或任何其他合适的技术，以使得光致抗蚀剂材料的部分被选择性地暴露的方式处理光致抗蚀剂材料的一部分。然后可蚀刻掉光致抗蚀剂材料的未暴露的部分，连同在光致抗蚀剂材料的未暴露部分下面的层1022和1020的任何部分。
层1022以及任选的层1020的图案化可以以这样的方式执行，该方式使得多边形(即，三角形、矩形、五边形等)或椭圆形壁围绕与给定环形像素中的内部子像素相关联的光电二极管(所述光电二极管有时称为“内部光电二极管”，诸如内部光电二极管1001)的光收集表面形成。该种类的多边形壁的示例结合矩形或正方形像素内隔离结构1040示于图10中。然而，这仅仅是示例性的。可使用任何多边形形状来形成包围诸如光电二极管1001之类的内部光电二极管的壁的轮廓。作为另外一种选择，可使用椭圆形形状(诸如圆形形状)来形成包围诸如光电二极管1001之类的内部光电二极管的壁的轮廓。
另外，可以以使得在相邻像素之间形成壁以形成像素间隔离结构1060的方式执行层1022以及任选的层1020的图案化。如图11C所示，像素间隔离结构1060可具有单个像素的每单位单元的宽度1054，但是如结合图10所讨论的，当从其整体上看时，该像素间隔离结构可具有实际宽度1052。图11C也示出像素内隔离结构的壁厚度1056，同样如图10所示。
在步骤1208中，将像素内隔离结构1040的壁锚定到像素间隔离结构1060的隔离翅片1042也可被图案化/形成。
在步骤1210中，像素内光屏蔽结构内的空间(即，像素内隔离结构1040的壁内的空间)可用滤光材料填充。该滤光材料可以是红色、绿色、蓝色、青色、黄色、洋红色、近红外、红外或甚至透明滤光器材料。一般来讲，用于光的任何滤光器材料(包括带通滤光器和带阻滤光器)可用于填充像素内隔离结构1040内的空间。图11D示出形成在像素内隔离结构1040的壁内的滤光材料1102。
在步骤1210中，像素内隔离结构1040(以及隔离翅片1042)和像素间隔离结构1060的壁之间的空间也可用滤色器材料填充。在一些实施方案中，这可以是用于填充像素内隔离结构1040内的空间的相同滤光器材料(即，滤光器材料1102)。然而，在其他实施方案中，形成在像素内隔离结构1040(以及隔离翅片1042)和像素间隔离结构1060的壁之间的滤光器材料可以是与滤光器材料1102不同的滤光器材料。图11D示出形成在像素内隔离结构1040(以及隔离翅片1042)和像素间隔离结构1060的壁之间的滤光材料1104。滤光器材料1102/1104可被形成到高度H4。高度H4可小于、大于或等于像素内隔离结构1040的高度H3。
在步骤1212中，平面化层(诸如层1110)可形成在滤光材料1102/1104和光屏蔽结构1040/1060上方。最终，一个或多个微透镜可形成在平面化层1110上方。在图11D中，单个环形微透镜1120被示为形成在平面化层1110上方。然而，在不脱离本实施方案的范围的情况下，可在步骤1212中形成上述微透镜配置中的任一种。
如图11D所示，高角度光1190可入射在由光学透明材料层1022形成的像素内隔离结构1040的上部部分上。因为高角度光1190首先穿过滤色器1104，该滤色器可具有与光学透明材料层1022不同的折射率，并且优选地，具有比光学透明材料层1022大得多的折射率，所以高角度光1190可被反射回到外部右子像素1004-2中，该高角度光从该外部右子像素“起源”(即，高角度光1190最初通过的相关联滤光器的子像素)。高角度光1190反射回到外部右子像素1004-2中可能是由于高角度光以落入入射光角度范围内的角度入射在像素内隔离结构1040上，该入射光将由于在具有不同折射率的两种材料的界面处的全内反射而被反射。类似地，入射在像素间隔离结构1060的由光学透明材料层1022形成的部分上的高角度光1194可被反射回到外部右子像素1004-2中。
高角度光1192可入射在像素内隔离结构1040的由光学不透明材料层1020形成的下部部分上(在光学不透明层1020完全沉积时的实施方案中)。光学不透明材料层1020可以是反射性或吸收性材料，因此，入射在用于形成像素内隔离结构1040的光学不透明材料层1020上的高角度光1192可被反射回到其“起源”的外部右子像素(即，高角度光1192最初通过的相关联滤光器的子像素)中或者被吸收。类似地，入射在像素间隔离结构1060的由光学不透明材料层1020形成的部分上的高角度光1196可被反射回到外部右子像素1004-2中或者被吸收。
图13为根据一个实施方案的具有设置有实心像素内光屏蔽结构网格的两行和两列嵌套子像素的单色图像传感器单位单元网格的表面视图。单色图像传感器可包括在其上方仅形成透明滤色器的像素阵列。嵌套子像素1002(在图13中未标记，因为其被结构1340覆盖)和1004(为简单起见仅与左上透明像素相关地标记)可以是具有任何表面边界几何形状的嵌套子像素。例如，嵌套子像素1002和1004可具有多边形或椭圆形表面边界。出于优选实施方案的示例性目的，外部子像素1004被示为具有矩形边界，内部子像素1002也是如此。用C标记的嵌套子像素对应于在其上方形成透明滤色器的像素。在相邻的嵌套子像素或环形像素之间形成并分离的是像素间光学隔离结构1060。像素间隔离结构1060的阴影部分可表示像素间隔离结构1060的在四个像素的单个单位单元网格上方形成的部分，并且可以延伸到宽度1050(当像素阵列22被视为整体并且考虑相邻的单位单元网格时)。然而，当仅考虑单个单位单元的视图(并且不考虑像素间隔离结构1060的延伸到相邻像素中的部分)时，像素间隔离结构1060的宽度可以是围绕单位单元的边界的宽度1054。在单位单元网格中的相邻像素的行之间示出的宽度1052可基本上等于在相邻像素的列之间示出的宽度1050。然而，在一些实施方案中，行和列之间的像素间隔离结构1060的宽度1050和1052可分别不同。
像素间光学隔离结构1060可用于形成将环形像素或嵌套子像素彼此分离的网格。像素间光学隔离结构1060可使用光学透明介电材料(诸如氧化硅，或更简单地为氧化物)、光学不透明材料(诸如金属)或光学透明介电材料和光学不透明材料的混合物来形成。混合像素间光学隔离结构的形成和结构在上文中在图11A-图11D中更详细地描述，并且也将结合图14A-图14D描述。像素间光学隔离结构1060可形成在半导体衬底上方，其中形成嵌套子像素1002和1004(或如图2所示的嵌套子像素)。
一般来讲，像素间光学隔离结构1060可用于防止由入射在给定像素上的不期望的眩光或透镜闪光引起的高角度光撞击相邻像素(并且由此在相邻像素中生成电荷)。当像素间光学隔离结构1060(或其部分)由光学透明介电材料形成时，可能期望材料具有的折射率不同于与邻近像素间光学隔离结构1060形成的滤色器材料相关联的折射率(在图14D中更详细地示出)。入射在给定像素上的高角度光可在到达与给定像素相关联的像素间光学隔离结构1060之前首先穿过与像素相关联的滤色器。当像素间光学隔离结构1060是光学透明的时，期望用于形成结构1060的材料具有比入射在像素上的光穿过的滤色器材料更低的折射率。当像素间光学隔离结构1060以这种方式具有较低的折射率时，在一定角度范围内入射在像素间光学隔离结构1060上的光将被反射回到其最初通过的滤色器的像素中，这是由于滤色器材料中的光的全内反射，该滤色器材料与像素间光学隔离结构1060相邻并邻接。
图13也示出像素内光学隔离结构1340。像素内光学隔离结构1340可形成在与嵌套子像素的一个或多个内部子像素(即，内部子像素组)相关联的光收集区域周围以及上方。与图10的像素内光学隔离结构1040不同，该像素内光学隔离结构是在内部子像素的周边处(或周边周围)形成的壁，但是它们自身不与内部光电二极管1001重叠，结构1340可完全覆盖内部子像素1002(在图13中未标记，因为其被结构1340覆盖)中的光敏区(即，光电二极管)的光收集区域。像素内光学隔离结构1340可完全包围并且覆盖与环形像素的内部子像素组相关联的光收集区域。在其中环形像素具有形成环形像素的内部子像素组的单个子像素的实施方案中，像素内光学隔离结构1340可在半导体衬底表面上方的单个内部子像素的周边处具有边界，使得结构1340完全包围(以及覆盖)单个子像素。
仅当嵌套子像素或环形像素的内部子像素用于收集广谱光(即，所有可见光)时，才可以使用像素内光学隔离结构1340。在一些实施方案中，当嵌套子像素或环形像素的内部子像素用于收集红外(IR)或近红外(NIR)光时，可以使用像素内隔离结构1340。在其中使用像素内光学结构1340的实施方案中(与图10的结构1040相反)，只有光学透明材料可用于形成结构1340，而在图10的结构1040中，可由可以使用的光学透明材料(诸如层1022)和光学不透明材料(诸如层1020)的混合物形成。像素内光学结构1340可能必须由光学透明材料形成，因为结构1340与内部子像素中的光电二极管重叠并形成在其上方，并且如果使用光学不透明材料，则将阻止光在光电二极管处被接收。然而，像素内光学隔离结构1340可分别与外部左子像素1004-1和外部右子像素1004-2的光敏区1003-1和1003-2不重叠。
像素内光学隔离结构1340可通过隔离翅片1342-1和1342-2锚定或结构耦接到像素间光学隔离结构1060。隔离翅片1342(比如像素间光学隔离结构1060)可使用光学透明介电材料(诸如氧化硅，或更简单地为氧化物)、光学不透明材料(诸如金属)或光学透明介电材料和光学不透明材料的混合物来形成。隔离翅片1342和像素内光学隔离结构可以相同的方式，并且使用与像素间光学隔离结构1060相同的处理步骤(包括并发/共同处理步骤)形成。隔离翅片1342和像素内光学隔离结构1340可形成在隔离区，诸如图4和图5的隔离区408和508上方(其中像素内光学隔离结构1340延伸超过隔离区并且延伸到内部子像素中的光电二极管上/上方)。一般来讲，隔离翅片1342可形成在像素的半导体衬底的任何区域上方，所述区域不用作在像素(即，嵌套子像素或环形像素)的子像素中任一者中的光电二极管的光收集表面/区域。
如上结合像素间光学隔离结构1060所述，像素内光学隔离结构1340与隔离翅片1042结合可用于防止由入射在给定子像素上的不期望的眩光或透镜闪光引起的高角度光撞击相邻子像素(并且由此在相邻子像素中生成电荷)。像素内光学隔离结构1340可防止入射在外部子像素中的一者(诸如外部左子像素1004-1或外部右子像素1004-2)上的高角度光入射到内部子像素中的光电二极管(诸如内部子像素1002中的光电二极管1001)的光收集区域上(并且在该光收集区域中生成电荷)。类似地，像素内光学隔离结构1340可防止入射在内部子像素(诸如内部子像素1002)上的高角度光入射到外部子像素中的光电二极管(诸如外部左子像素1004-1中的光电二极管1003-1或外部右子像素1004-2中的光电二极管1003-2)的光收集区域上(并且在该光收集区域中生成电荷)。
当像素内光学隔离结构1340和隔离翅片1342(或隔离翅片的部分)由光学透明介电材料形成时，可能期望材料具有的折射率不同于与邻近像素内光学隔离结构1340和隔离翅片1342形成的滤色器材料相关联的折射率。入射在给定像素上的高角度光可在到达与给定子像素相关联并且邻近给定子像素的像素内光学隔离结构1340和/或隔离翅片1342之前首先穿过与环形像素中的子像素中的给定一者相关联的滤色器。当像素内光学隔离结构1340和/或隔离翅片1342是光学透明的时，期望用于形成结构1340和/或翅片1342的材料具有比入射在给定子像素上的光穿过的滤色器材料更低的折射率。当像素内光学隔离结构1340和/或隔离翅片1342以这种方式具有较低的折射率时，在一定角度范围内入射在像素内光学隔离结构1340和/或翅片1342上的光将被反射回到其最初通过的滤色器的子像素中，这是由于滤色器材料中的光的全内反射，该滤色器材料与像素内光学隔离结构1340和/或隔离翅片1342相邻并邻接。
像素内隔离结构1340可具有厚度1358。隔离翅片1342的厚度可以是厚度1056(图10的像素内隔离结构1040的壁的厚度)。作为另外一种选择，隔离翅片1342可具有任何厚度。隔离翅片1342可向像素内光学隔离结构1340提供结构支撑，在没有隔离翅片1342的情况下，该像素内光学隔离结构将不被束缚或不锚定到在其中形成子像素1002和1004的半导体衬底上方形成的任何其他结构。此外，正如像素内隔离结构1340将内部子像素1002与外部子像素组1004中的子像素(诸如外部左子像素1004-1和外部右子像素1004-2)光学隔离，隔离翅片1342用于将外部左子像素1004-1和外部右子像素1004-2彼此光学隔离。
像素内隔离结构1340的邻近隔离翅片1342的外部空间(即，在外部子像素1004中的一个或多个上方的空间)可被填充有透明滤光器材料以透过广谱光(即，所有可见光)和/或红外光。
当由外部子像素捕获的图像信号被单独读出时，形成隔离翅片132以使得入射在外部子像素组1004的子像素中的一个(诸如外部左子像素1004-1)上的高角度光不穿过外部子像素组1004的子像素中的另一个(诸如外部右子像素1004-2)可以是有利的。此外，当将第一半像素(或多个像素的第一半像素)的图像输出与第二半像素(或多个像素的第二半像素)的图像输出进行比较以用于确定成像器的聚焦设置是否合适时，这样的光学隔离对于在相位检测应用中使用子像素可能是有利的。
图14A-图14D示出根据一个实施方案的与用于具有多个光收集区域的像素的实心像素内光屏蔽结构的形成相关联的处理阶段。图14A示出在形成像素间和像素内隔离结构、滤色器和/或透镜之前，彩色像素(诸如图13中所示的彩色像素中的一个)的横截面侧视图。图14A中所示的像素可对应于具有带有两个子像素的外部子像素组(即，外部左子像素组1004-1和外部右子像素组1004-2)的嵌套子像素，半导体衬底具有平面化层(未示出)可形成在其上的上表面1010。这些平面化层可包括具有逐渐增加/减少的折射率的多层材料，以最小化上表面1010的反射率。半导体衬底可包括两个外部子像素，诸如外部左子像素1004-1和外部右子像素1004-2。光敏区(即，光电二极管)1003-1和1003-2可分别形成在外部左子像素1004-1和外部右子像素1004-2中。嵌套在外部子像素1004内的可以是内部子像素1002。光敏区(即，光电二极管)1001可形成在内部子像素1002中。
隔离区1006可形成在外部子像素1004和内部子像素1002之间。隔离区1006可类似于上文结合图2B所述的隔离区206。
图15为根据一个实施方案的与图14D的用于具有多个光收集区域的像素的像素内光屏蔽结构的形成相关联的步骤的流程图。在步骤1502中，一个或多个钝化层(在图14A中未示出)可形成在半导体衬底中的多个光电二极管1001和1003上方。
在步骤1504中，这是任选的并且可在不偏离当前描述的实施方案的范围的情况下省略，光学不透明材料层(诸如图14B的层1020)可被沉积并且任选地图案化。换句话讲，在步骤1502中在表面1010上形成的钝化层上方，可以沉积光学不透明材料层(诸如金属层)。在一些实施方案中，在沉积之后，可以立即图案化该光学不透明材料层。在其他实施方案中，光学不透明材料层的图案化可以与其他随后沉积的层的图案结合进行。光学不透明材料层1020可被沉积到高度H1，然后与层1020上方形成的附加层结合立即图案化或稍后图案化。在用仅使用光学透明材料形成的光学隔离结构制造像素的情况下，可以省略步骤1504。在图14B的上下文中，光学不透明材料层1020的沉积可被省略。
值得注意的是，图15的步骤1504与图12的步骤1204的不同之处在于光学不透明层1020的沉积可能从不会涉及在内部子像素1002上方沉积层。或者，如果层1020沉积在内部子像素上方，则在沉积光学透明层1022之前，可在光学不透明层1020的图案化中蚀刻掉形成在内部子像素1020上方的沉积的不透明材料。
在步骤1506中，光学透明材料(诸如氧化硅)可被沉积。在其中执行步骤1504的实施方案中，光学透明材料层1022可被沉积在光学不透明材料层(诸如层1020)(其任选地已被图案化)上方(除了在内部子像素1002上方之外，其中不透明层1020在沉积透明层1022之前未被沉积或图案化/蚀刻掉)。作为另外一种选择，当步骤1504被省略时，光学透明材料层可被直接沉积在步骤1502中形成的钝化层上方。光学透明材料层1022可被沉积到高度H2，该高度可等于内部子像素1002上方的区域中的高度H3(或者在省略步骤1504的情况下可等于高度H3)。在其中光学透明材料层1022是沉积在步骤1202的钝化层上方的唯一层的实施方案中(即，当步骤1504被省略时)，则图11B中的沉积层的总高度H3可与H2相同。在其中光学透明材料层1022和光学不透明材料层1020形成的实施方案中，图11B中的沉积层的总高度H3可以是光学不透明材料层1020的高度(即，高度H1)和除了内部子像素1002上方的区域之外的区域中的光学透明材料层1022的高度(即，高度H2)的总和，其中仅有光学透明材料层被沉积(到高度H3)。
在步骤1508中，光学透明材料层1022可被图案化。如果在步骤1504中尚未图案化，则光学不透明材料层1020也可在该步骤中被图案化。对层1022和1020进行图案化可以指将光致抗蚀剂材料沉积在层1022的部分上方，并且使用光刻掩模或任何其他合适的技术，以使得光致抗蚀剂材料的部分被选择性地暴露的方式处理光致抗蚀剂材料的一部分。然后可蚀刻掉光致抗蚀剂材料的未暴露的部分，连同在光致抗蚀剂材料的未暴露部分下面的层1022和1020的任何部分。
层1022以及任选的层1020的图案化可以以这样的方式执行，该方式使得多边形实体(即，几何棱柱形状、或三角形、矩形、五边形等实体)或椭圆形实体(即，圆柱体)围绕与给定环形像素中的内部子像素相关联的光电二极管(所述光电二极管有时称为“内部光电二极管”，诸如内部光电二极管1001)的光收集表面形成。该种类的多边形壁的示例结合矩形或正方形像素内隔离结构1040示于图10中。然而，这仅仅是示例性的。可以使用任何多边形形状来形成在诸如光电二极管1001之类的内部光电二极管上和上方形成的光学透明材料层1022的棱柱的基部，以形成像素内隔离结构1340。作为另外一种选择，光学透明材料层1022的椭圆形圆柱体(诸如圆形圆柱体)可用于形成包围诸如光电二极管1001之类的内部光电二极管的壁的轮廓，以形成像素内隔离结构1340。
另外，可以以使得在相邻像素之间形成壁以形成像素间隔离结构1060的方式执行层1022以及任选的层1020的图案化。如图14C所示，像素间隔离结构1060可具有单个像素的每单位单元的宽度1054，但是如结合图10和图13所讨论的，当从其整体上看时，该像素间隔离结构可具有实际宽度1052。图14C也示出像素内隔离结构1340的厚度1358，同样如图13所示。
在步骤1508中，将像素内隔离结构1340的壁锚定到像素间隔离结构1060的隔离翅片1342也可被图案化/形成。
在步骤1510中，像素内隔离结构1340(以及隔离翅片1342)和像素间隔离结构1060的外边缘之间的空间也可用透明滤色器材料填充以产生单色传感器。图14D示出形成在像素内隔离结构1340(以及隔离翅片1342)和像素间隔离结构1060的壁之间的滤光材料1404。滤光器材料1404可被形成到高度H4。高度H4可小于、大于或等于像素内隔离结构1340的高度H3。
在步骤1512中，平面化层(诸如层1110)可形成在滤光材料1404和光屏蔽结构1340/1060上方。最终，一个或多个微透镜可形成在平面化层1110上方。在图14D中，单个环形微透镜1120被示为形成在平面化层1110上方。然而，在不脱离本实施方案的范围的情况下，可在步骤1512中形成上述微透镜配置中的任一种。
图16为根据一个实施方案的具有设置有实心和滤色器填充像素内光屏蔽结构的两行和两列嵌套子像素的混合色单色图像传感器单位单元网格的表面视图。标记为R的像素可根据图12中所述的步骤的流程图形成以产生如图11D所示的像素，而标记为C的像素可根据图15中所述的步骤的流程图形成以产生如图14D所示的像素。一般来讲，像素阵列可具有带有滤色器填充像素内光屏蔽结构(诸如图11D所示的结构)的像素和带有实心像素内光屏蔽结构(诸如图14D所示的结构)的像素的任何组合。一般来讲，设置有如图14D所示的实心像素内光屏蔽结构的像素可以是透明像素。然而，在某些实施方案中，设置有如图11D所示的滤色器填充像素内光屏蔽结构的像素可被用作透明像素(通过结合用于图11D中的附图标记使用用于材料1102和1104的透明滤光器材料)。
可在图像像素阵列中使用的两个像素×两个像素单位单元的某些示例可以是红色-透明/透明-绿色、红色-透明/透明-蓝色、红色-透明/透明-透明(如图16所示)、和红色-绿色/蓝色-透明，其中前两种颜色与示例性单位单元的第一行中的前两个像素相关，而后两种颜色与示例性单位单元的第二行中的后两个像素相关。
包围嵌套子像素中的内部子像素的一个或多个子像素组的光收集区域对光可具有比内部子像素更高的敏感度。换句话讲，响应于入射光，在内部子像素周围的一个或多个子像素组中将生成比在内部子像素中生成的更多的电荷。内部子像素的光收集区域和横向包围内部子像素的一个或多个外部子像素组的不同敏感度可使得使用嵌套子像素的像素能够对入射光具有高动态范围响应。在强光条件下，内部子像素(其可含有从包围内部子像素的一个或多个外部子像素组扩散或泄漏的大量电荷)可提供不饱和图像信号，即使在强光条件下，也可使用该信号产生准确图像。在弱光条件下，具有较敏感的光收集区域的外部子像素组将生成足以将弱光条件准确成像的电荷。以这种方式，嵌套子像素可用于高动态范围成像系统中，以在各种照明条件下产生准确图像；嵌套子像素还可用于移除或减少常规多次曝光图像传感器中存在且在一定程度上固有的运动伪影、闪烁和其他非期望的图像像差或缺陷。
嵌套图像像素中的内部子像素和一个或多个外部子像素组可具有相同的几何光学中心。换句话讲，由于所述一个或多个外部子像素组对称地包围内部子像素，内部子像素组的表面的中心与包围该内部子像素的所述一个或多个外部子像素组每一者的相应表面的中心相同。包围内部子像素的所述一个或多个外部子像素组可具有比内部子像素的光敏感度更大的相应光敏感度。例如，对于嵌套子像素像素上方给定量的光而言，与将在嵌套子像素的内部子像素中产生的相比，在所述一个或多个外部子像素组中将产生更多光生电荷。嵌套子像素像素的一个或多个外部子像素组的光敏感度与内部子像素的光敏感度之比可为至少4比1，但可为10比1、20比1、任何中间比率或任何更大的比率。换句话讲，所述一个或多个外部子像素组的光敏感度可为内部子像素的光敏感度的至少四倍。光敏感度可指由给定子像素或子像素组收集的光量，并且可由子像素或子像素组的光收集区域、形成在子像素或子像素组上方的微透镜的量和形状、形成在子像素或子像素组上方的滤色器的类型、或子像素或子像素组的其他属性决定。
如上所述，在各种实施方案中，像素内隔离结构可结合像素间隔离结构形成。在其中多光电二极管图像像素用于单色成像的实施方案中，这些像素内隔离结构可与多光电二极管图像像素的内部子像素的光收集区域重叠。在其中多光电二极管图像像素用于彩色或近红外(NIR)成像的实施方案中，像素内隔离结构可以简单地包围内部子像素的光收集区域并且用滤光材料填充。隔离翅片可用于将像素内隔离结构锚定并且结构耦接到形成在相邻多光电二极管图像像素之间的像素间隔离结构。
在一些实施方案中，像素内隔离结构可具有由光学透明材料形成的至少一部分。该光学透明材料可具有与在多光电二极管图像像素中的某些子像素上方形成的滤光材料不同的折射率。在某些实施方案中，像素内隔离结构的仅一部分可由光学透明材料形成，其余部分由光学不透明材料形成。
根据图像传感器的一个实施方案，图像传感器可包括呈现不同光敏感度的第一子像素组和第二子像素组；形成在图像像素的外边界处的像素间光屏蔽结构；以及形成在第一子像素组的外周边上方的像素内光屏蔽结构。第一子像素组的外周边可以指第一子像素组与另一个子像素组的边界，或者可以指第一子像素组的光收集区域的边界。
根据图像像素的另一个实施方案，图像像素可包括形成在第一子像素组和第二子像素组中的至少一者上方的滤光器层。
根据图像像素的另一个实施方案，第一子像素组可包括内部子像素，第二子像素组可包括第一外部子像素和第二外部子像素，并且内部子像素可被第一外部子像素和第二外部子像素包围。例如，内部子像素的左边界可与左外部子像素共享，并且内部子像素的右边界可与右外部子像素共享。结果，内部子像素的边界与外部子像素中的一个相邻或共享。
根据图像像素的另一个实施方案，滤光器层可仅形成在像素间光屏蔽结构和像素内光屏蔽结构之间。
根据图像像素的另一个实施方案，像素内光屏蔽结构可在第一子像素组的光收集区域上方延伸。
根据图像像素的另一个实施方案，滤光器层可以是透明滤光器。
根据图像像素的另一个实施方案，滤光器层可形成在像素内光屏蔽结构内，并且也可形成在像素间光屏蔽结构和像素内光屏蔽结构之间。
根据图像像素的另一个实施方案，滤光器层可以是滤色器。
根据图像像素的另一个实施方案，像素内光屏蔽结构可具有光学透明部分，该光学透明部分具有第一折射率，并且滤光器层可以具有与第一折射率不同的第二折射率。
根据图像像素的另一个实施方案，像素内光屏蔽结构可包括形成在第一子像素组的外周边上方的光学不透明部分，以及形成在光学不透明部分上方的光学透明部分。
根据图像像素的另一个实施方案，图像像素可包括将入射光导向第二子像素组的微透镜。
根据图像像素的另一个实施方案，图像像素可包括将光导向第二子像素组的环形微透镜。
根据图像像素的另一个实施方案，图像像素可包括连接像素间光屏蔽结构和像素内光屏蔽结构的翅片结构。
根据形成图像像素的方法，该方法可包括通过在图像像素的外周边上方沉积和图案化光学透明材料来形成像素间隔离结构，以及通过在图像像素的嵌套子像素的外周边周围沉积和图案化光学透明材料来形成像素内隔离结构。
根据用于形成图像像素的方法的另一个实施方案，该方法还可包括
根据用于形成图像像素的方法的另一个实施方案，该方法还可包括通过在像素间光屏蔽结构和像素内隔离结构之间沉积和图案化光学透明材料来形成连接像素间光屏蔽结构和像素内隔离结构的翅片结构。
根据用于形成图像像素的方法的另一个实施方案，该方法还可包括仅在像素间光屏蔽结构和像素内隔离结构之间沉积滤光材料。
根据用于形成图像像素的方法的另一个实施方案，该方法还可包括在嵌套子像素的光收集区域上方沉积滤光材料。
根据用于形成图像像素的方法的另一个实施方案，该方法还可包括在图像像素上方形成至少一个微透镜，该微透镜将光导向远离嵌套子像素。
根据图像像素阵列的一个实施方案，图像像素阵列可包括在图像像素阵列中的相邻图像像素之间形成的像素间隔离结构，以及在图像像素阵列的每个图像像素内形成的像素内隔离结构。
根据图像像素阵列的另一个实施方案，图像像素阵列可包括在图像像素阵列中的图像像素的第一子集上方形成的透明滤光器材料。透明滤光器材料可仅形成在像素间隔离结构和与图像像素的第一子集相关联的像素内隔离结构之间。图像像素阵列还可包括在图像像素阵列中的图像像素的第二子集上方形成的滤色器材料。滤色器材料可形成在像素间隔离结构和与图像像素的第二子集相关联的像素内隔离结构之间，以及在被与图像像素的第二子集相关联的像素内隔离结构包围的区域之间。
上述内容仅仅是说明本实用新型的原理，这些原理可在其他实施方案中实践。

Claims (10)

1.一种图像像素件，其特征在于，包括：
呈现不同光敏感度的第一子像素组和第二子像素组；
形成在所述图像像素的外边界处的像素间光屏蔽结构；以及
形成在所述第一子像素组的外周边上方的像素内光屏蔽结构。
2.根据权利要求1所述的图像像素件，其特征在于，还包括：
形成在所述第一子像素组和所述第二子像素组中的至少一者上方的滤光器层。
3.根据权利要求2所述的图像像素件，其特征在于，其中所述滤光器层仅形成在所述像素间光屏蔽结构和所述像素内光屏蔽结构之间。
4.根据权利要求3所述的图像像素件，其特征在于，其中所述像素内光屏蔽结构在所述第一子像素组的光收集区域上方延伸。
5.根据权利要求4所述的图像像素件，其特征在于，其中所述滤光器层是透明滤光器。
6.根据权利要求2所述的图像像素件，其特征在于，其中所述滤光器层在所述像素内光屏蔽结构内以及在所述像素间光屏蔽结构和所述像素内光屏蔽结构之间形成，并且其中所述滤光器层是滤色器。
7.根据权利要求1所述的图像像素件，其特征在于，还包括：
将入射光导向所述第二子像素组的微透镜。
8.根据权利要求1所述的图像像素件，其特征在于，还包括：
连接所述像素间光屏蔽结构和所述像素内光屏蔽结构的翅片结构。
9.一种图像像素阵列，其特征在于，包括：
形成在所述图像像素阵列中的相邻图像像素之间的像素间隔离结构；以及
形成在所述图像像素阵列中的每个图像像素内的像素内隔离结构。
10.根据权利要求9所述的图像像素阵列，其特征在于，还包括：
形成在所述图像像素阵列中的图像像素的第一子集上方的透明滤光器材料，其中所述透明滤光器材料仅在所述像素间隔离结构和与图像像素的所述第一子集相关联的所述像素内隔离结构之间形成；以及
形成在所述图像像素阵列中的图像像素的第二子集上方的滤色器材料，其中所述滤色器材料在所述像素间隔离结构和与图像像素的所述第二子集相关联的所述像素内隔离结构之间，以及在被与图像像素的所述第二子集相关联的所述像素内隔离结构包围的区域之间形成。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110649057A (zh) * 2019-09-30 2020-01-03 Oppo广东移动通信有限公司 图像传感器、摄像头组件及移动终端

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102306670B1 (ko) * 2014-08-29 2021-09-29 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 그 제조 방법
KR102650661B1 (ko) * 2018-10-02 2024-03-25 삼성전자주식회사 듀얼 이미지 센서
US10861892B2 (en) * 2018-11-21 2020-12-08 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Low-light-level CMOS image sensor pixel
US11056519B2 (en) * 2019-02-25 2021-07-06 Canon Kabushiki Kaisha Photoelectric conversion device, imaging system, and mobile apparatus
KR20200106589A (ko) 2019-03-04 2020-09-15 삼성디스플레이 주식회사 표시 장치, 표시 장치의 제조장치 및 표시 장치의 제조방법
KR102609559B1 (ko) * 2019-04-10 2023-12-04 삼성전자주식회사 공유 픽셀들을 포함하는 이미지 센서
KR102658571B1 (ko) 2019-06-11 2024-04-19 에스케이하이닉스 주식회사 이미지 센싱 장치 및 그 제조 방법
JP7532025B2 (ja) * 2019-11-25 2024-08-13 キヤノン株式会社 半導体装置および機器
US11557635B2 (en) 2019-12-10 2023-01-17 Samsung Display Co., Ltd. Display device, mask assembly, and apparatus for manufacturing the display device
US11469264B2 (en) * 2020-01-30 2022-10-11 Omnivision Technologies, Inc. Flare-blocking image sensor
US11527569B2 (en) * 2020-05-18 2022-12-13 Omnivision Technologies, Inc. High dynamic range split pixel CMOS image sensor with low color crosstalk
CN111741239B (zh) * 2020-06-29 2022-04-12 深圳市汇顶科技股份有限公司 图像传感器和电子设备
US11664399B2 (en) * 2021-02-01 2023-05-30 Visera Technologies Company Limited Solid-state image sensor
CN115604592A (zh) * 2021-07-08 2023-01-13 思特威（上海）电子科技股份有限公司（Cn） 图像传感器、制备方法、成像方法及电子设备
US20230326942A1 (en) * 2022-04-08 2023-10-12 Visera Technologies Company Limited Image sensor

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4936190A (en) 1989-09-20 1990-06-26 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Electrooptical muzzle sight
US6627305B1 (en) * 1997-07-16 2003-09-30 Koninklijke Philips Electronics N.V. Substrates for large area electronic devices
US6750523B2 (en) 2002-03-01 2004-06-15 Naos Convergent Technology, Inc. Photodiode stacks for photovoltaic relays and the method of manufacturing the same
TWI253597B (en) * 2004-03-09 2006-04-21 Pixart Imaging Inc Solid-state image sensor for improving sensing quality and manufacturing method thereof
US20060221218A1 (en) 2005-04-05 2006-10-05 Doron Adler Image sensor with improved color filter
US7208742B1 (en) 2005-12-15 2007-04-24 General Electric Company X-ray detector with radiation hard photodiode design
KR100835894B1 (ko) 2007-06-18 2008-06-09 (주)실리콘화일 다이내믹 레인지가 넓고, 색재현성과 해상능력이 우수한픽셀어레이 및 이미지센서
US8334195B2 (en) 2009-09-09 2012-12-18 International Business Machines Corporation Pixel sensors of multiple pixel size and methods of implant dose control
TWI502212B (zh) * 2013-01-11 2015-10-01 Pixart Imaging Inc 光學裝置、使用微透鏡之感光元件及其製作方法
US8941159B2 (en) 2013-01-30 2015-01-27 Omnivision Technologies, Inc. Color filter including clear pixel and hard mask
US9338413B2 (en) * 2013-11-26 2016-05-10 Semiconductor Components Industries, Llc Imaging systems with image pixels having adjustable spectral responses

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110649057A (zh) * 2019-09-30 2020-01-03 Oppo广东移动通信有限公司 图像传感器、摄像头组件及移动终端
WO2021063162A1 (zh) * 2019-09-30 2021-04-08 Oppo广东移动通信有限公司 图像传感器、摄像头组件及移动终端

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Publication number Publication date
US10312279B2 (en) 2019-06-04
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US20190131333A1 (en) 2019-05-02

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