DE102018124811A1 - Bildsensor - Google Patents

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DE102018124811A1
DE102018124811A1 DE102018124811.3A DE102018124811A DE102018124811A1 DE 102018124811 A1 DE102018124811 A1 DE 102018124811A1 DE 102018124811 A DE102018124811 A DE 102018124811A DE 102018124811 A1 DE102018124811 A1 DE 102018124811A1
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Yun-Wei Cheng
Chun-Hao Chou
Hsin-Chi Chen
Kuo-Cheng Lee
Hsun-Ying Huang
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Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
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Abstract

Es wird ein Bildsensor mit einem Halbleitersubstrat, einer Mehrzahl von Farbfiltern, einer Mehrzahl von ersten Linsen und einer zweiten Linse bereitgestellt. Das Halbleitersubstrat weist eine Mehrzahl von Sensorpixeln auf, die in einer Matrix angeordnet sind, wobei jedes der Mehrzahl von Sensorpixeln jeweils eine Mehrzahl von Bildsensoreinheiten und eine Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten aufweist. Die Farbfilter bedecken mindestens die Mehrzahl von Bildsensoreinheiten. Die ersten Linsen sind auf der Mehrzahl von Farbfiltern angeordnet, wobei jede der Mehrzahl von ersten Linsen jeweils eine der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten bedeckt. Die zweite Linse ist auf der Mehrzahl von Farbfiltern angeordnet und bedeckt die Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten.

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldung
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 30. Oktober 2017 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 62/578.531, die durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Ein CMOS-Bildsensor (CMOS: komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) haben gegenüber CCD-Sensoren (CCD: ladungsgekoppeltes Bauelement) viele Vorteile, wie etwa Betrieb bei niedriger Spannung, geringer Energieverbrauch, Kompatibilität mit Logikschaltungen, Direktzugriff und niedrige Kosten. Unter den CMOS-Bildsensoren werden PDAF-CMOS-Bildsensoren (PDAF: Phasendetektions-Autofokus) häufig verwendet, da sie eine ausgezeichnete Autofokus-Funktion bieten. Bei dem PDAF-CMOS-Bildsensor werden einige Fotodioden mit einem Metallgitter partiell abgeschirmt, um eine Phasendetektionsfunktion bereitzustellen. Die Fotodioden, die partiell mit einem Metallgitter abgeschirmt werden, führen zu einem kleineren einfallenden Signal, wenn die Pixelgröße des PDAF-CMOS-Bildsensors abnimmt. Dadurch wird die Leistung des PDAF-CMOS-Bildsensors beeinträchtigt.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass entsprechend der üblichen Praxis in der Branche verschiedene Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Vielmehr können der Übersichtlichkeit der Erörterung halber die Abmessungen der verschiedenen Elemente beliebig vergrößert oder verkleinert sein.
    • Die 1 bis 5 zeigen einen schematischen Prozessablauf zum Herstellen eines Bildsensors gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
    • 6 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Bildsensors gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
    • 7 zeigt eine schematische Draufsicht eines Bildsensors gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
    • Die 8 und 9 zeigen schematische Schnittansichten von Bildsensoren gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
    • 10 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Bildsensors gemäß einigen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
    • 11 zeigt eine schematische Draufsicht eines Bildsensors gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
    • Die 12 bis 16 zeigen schematische Schnittansichten von Bildsensoren gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt hergestellt werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element so hergestellt werden können, dass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Übersichtlichkeit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
  • Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen des in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Bauelements umfassen. Das Bauelement kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können ebenso entsprechend interpretiert werden.
  • Die 1 bis 5 zeigen einen schematischen Prozessablauf zum Herstellen eines Bildsensors gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Bildsensors gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. 7 zeigt eine schematische Draufsicht eines Bildsensors gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und die 8 und 9 zeigen schematische Schnittansichten von Bildsensoren gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • In 1 wird ein Halbleitersubstrat 100 (z. B. ein Halbleiterwafer) bereitgestellt. In dem Halbleitersubstrat 100 kann eine Mehrzahl von Grabenisolationen 120 hergestellt werden, um eine Mehrzahl von aktiven Bereichen in dem Halbleitersubstrat 100 zu definieren. Die Grabenisolationen 120 sind zum Beispiel flache Grabenisolationen (STI). In den aktiven Bereichen, die in dem Halbleitersubstrat 100 definiert sind, wird eine Mehrzahl von Bildabtast- oder Bildsensoreinheiten 110a und 110b hergestellt. Die Bildsensoreinheiten 110a und 110b sind zum Beispiel Fotodioden, wobei die Fotodioden jeweils mindestens einen p-dotierten Bereich, mindestens einen n-dotierten Bereich und einen pn-Übergang aufweisen können, der zwischen dem p-dotierten Bereich und dem n-dotierten Bereich erzeugt wird. Insbesondere wenn das Halbleitersubstrat 100 ein p-Substrat ist, können n-Dotanden, wie etwa Phosphor oder Arsen, in die aktiven Bereiche dotiert werden, um n-Wannen zu erzeugen, und die resultierenden pn-Übergänge in dem Halbleitersubstrat 100 können eine Bildsensorfunktion und eine Phasendetektionsfunktion ausführen. In ähnlicher Weise können, wenn das Halbleitersubstrat 100 ein n-Substrat ist, p-Dotanden, wie etwa Bor (BF2), in die aktiven Bereiche dotiert werden, um p-Wannen zu erzeugen, und die resultierenden pn-Übergänge in dem Halbleitersubstrat 100 können die Bildsensorfunktion und die Phasendetektionsfunktion ausführen. Ionenimplantationsprozesse zum Herstellen von n-dotierten Bereichen (n-Wannen) oder p-dotierten Bereichen (p-Wannen) werden hier nicht näher beschrieben. Bei einigen alternativen Ausführungsformen können die Bildsensoreinheiten 110a und 110b andere fotoelektrische Elemente sein, die die Bildsensor- und Phasendetektionsfunktion ausführen können. Wenn eine Sperrvorspannung an die pn-Übergänge der Bildsensoreinheiten 110a und 110b angelegt wird, sind die pn-Übergänge empfindlich für einfallendes Licht. Das Licht, das von den Bildsensoreinheiten 110a und 110b empfangen oder detektiert wird, wird in einen Fotostrom umgewandelt, sodass ein analoges Signal erzeugt wird, das die Intensität des einfallenden Lichts und des Fotostroms verkörpert.
  • Nach der Herstellung der Bildsensoreinheiten 110a und 110b kann ein Logikschaltkreis auf dem Halbleitersubstrat 100 hergestellt werden. Der Logikschaltkreis ist zum Empfangen und Verarbeiten von Signalen bestimmt, die von den Bildsensoreinheiten 110a und 110b stammen. Der Logikschaltkreis weist zum Beispiel Leiterbahnen und NAND/NOR-Gates auf. Das Material für den Logikschaltkreis kann unter anderem Metall oder Polysilizium sein. Es ist zu beachten, dass der Logikschaltkreis nicht auf die Position auf dem Halbleitersubstrat 100 beschränkt ist. Bei einigen alternativen Ausführungsformen kann der Logikschaltkreis auch auf anderen, später hergestellten Elementen hergestellt werden, was später erörtert wird.
  • Wie in 1 gezeigt ist, wird eine Verbindungsschicht 130 auf dem Halbleitersubstrat 100 hergestellt. Die Verbindungsschicht 130 wird auf den Bildsensoreinheiten 110a und 110b angeordnet und mit diesen elektrisch verbunden, sodass ein Signal, das von den Bildsensoreinheiten 110a und 110b erzeugt wird, zur Verarbeitung an andere Komponenten gesendet werden kann. Zum Beispiel wird ein analoges Signal, das von den Bildsensoreinheiten 110a und 110b erzeugt wird, mittels der Verbindungsschicht 130 zur Verarbeitung an andere Komponenten, wie etwa einen Analog-Digital-Wandler, gesendet. Bei einigen Ausführungsformen weist die Verbindungsschicht 130 Leiterbahnschichten und Zwischenschichtdielektrikum-Schichten auf, die abwechselnd aufeinander gestapelt sind, aber diese sollen die Erfindung nicht beschränken. Bei einigen alternativen Ausführungsformen können bestimmte vorgenannte Schichten in der Verbindungsschicht 130 weggelassen werden, solange das Signal der Bildsensoreinheiten 110a und 110b an andere Komponenten zur Verarbeitung gesendet werden kann. Geeignete Materialien für die Leiterbahnschichten sind Leiter, wie etwa Metall. Es ist zu beachten, dass die Leiterbahnschichten aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen können und eine Einfachschicht von metallischen Leiterbahnen oder Mehrfachschichten von metallischen Leiterbahnen sein können. Bei einem Szenario, bei dem mehrere Schichten von metallischen Leiterbahnen in den Leiterbahnschichten zu finden sind, werden Zwischenschichtdielektrikum-Schichten (ILD-Schichten) zwischen die einzelnen metallischen Leiterbahnschichten geschichtet. Das Material für die ILD-Schicht ist Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxidnitrid, Phosphorsilicatglas (PSG), Borphosphorsilicatglas (BPSG), Aufschleuderglas (SOG), Fluorsilicatglas (FSG), mit Kohlenstoff dotiertes Siliziumoxid (z. B. SiCOH), Polyimid oder eine Kombination davon.
  • In 2 kann das Halbleitersubstrat 100, das die darauf hergestellte Verbindungsschicht 130 hat, an ein Stützsubstrat 200 gebondet werden. Bei einigen Ausführungsformen sind das Halbleitersubstrat 100 und das Stützsubstrat 200 Halbleitersubstrate, wie etwa Siliziumsubstrate oder Substrate, die aus anderen geeigneten Materialien bestehen. Das Material für das Halbleitersubstrat 100 kann das Gleiche wie das für das Stützsubstrat 200 sein. Zum Beispiel können das Halbleitersubstrat 100 und das Stützsubstrat 200 Halbleiterwafer sein, und ein Waferbondprozess kann durchgeführt werden, sodass das Halbleitersubstrat 100 gewendet wird und die auf dem Halbleitersubstrat 100 hergestellte Verbindungsschicht 130 an das Stützsubstrat 200 gebondet wird. Nachdem das Halbleitersubstrat 100 und das Stützsubstrat 200 gebondet worden sind, befindet sich die Verbindungsschicht 130 zwischen dem Stützsubstrat 200 und den Bildsensoreinheiten 110a und 110b.
  • In den 2 und 3 kann ein Dünnungsprozess an dem Halbleitersubstrat 100 durchgeführt werden, um ein gedünntes Halbleitersubstrat 100a herzustellen. Bei einigen Ausführungsformen wird ein Rückseitenpolierungsprozess an dem Halbleitersubstrat 100 durchgeführt, um seine Dicke zu reduzieren. Mit anderen Worten, die Rückseite des Halbleitersubstrats 100, die der Verbindungsschicht 130 gegenüberliegt, wird poliert. Das Verfahren für den Rückseitenpolierungsprozess umfasst mechanisches Polieren und/oder chemisches Polieren. Zum Beispiel erfolgt bei einigen Ausführungsformen die Rückseitenpolierung durch chemisch-mechanische Polierung (CMP), und bei einigen alternativen Ausführungsformen erfolgt die Rückseitenpolierung durch chemische Ätzung. Die Erfindung legt das Polierverfahren nicht fest, solange das Halbleitersubstrat 100 so poliert wird, dass es die gewünschte Dicke erhält.
  • Das Stützsubstrat 200 bietet eine ausreichende konstruktive Abstützung (z. B. Steifigkeit), um den Dünnungsprozess an dem Halbleitersubstrat 100 zu erleichtern. Auf Grund der Abstützung durch das Stützsubstrat 200 werden die Bildsensoreinheiten 110a und 110b in dem gedünnten Halbleitersubstrat 100a bei dem Dünnungsprozess nicht beschädigt.
  • In 3 kann eine Mehrzahl von Grabenisolationen 140 in dem gedünnten Halbleitersubstrat 100a hergestellt werden, um die elektrische Trennung zwischen den Bildsensoreinheiten 110a und 110b zu verbessern und den Leckverlust zu minimieren. Die Grabenisolationen 140 sind zum Beispiel tiefe Grabenisolationen (DTI). Das Seitenverhältnis der Grabenisolationen 140 kann größer als das der Grabenisolationen 120 sein. Die Grabenisolationen 140 können im Wesentlichen zu den Grabenisolationen 120 ausgerichtet werden. Bei einigen Ausführungsformen können die Grabenisolationen 140 in dem gedünnten Halbleitersubstrat 100a zu den Grabenisolationen 120 verlaufen und können in Kontakt mit den Grabenisolationen 120 sein. Bei einigen alternativen Ausführungsformen können die Grabenisolationen 140 in dem gedünnten Halbleitersubstrat 100a zu den Grabenisolationen 120 verlaufen und von diesen beabstandet sein.
  • In den 3 und 4 kann bei einigen Ausführungsformen eine Planarisierungsschicht 150 mit einer ebenen Oberseite hergestellt werden, um das gedünnte Halbleitersubstrat 100a und die Grabenisolationen 140 zu bedecken. Das Material für die Planarisierungsschicht 150 kann zum Beispiel Siliziumoxid oder ein anderes geeignetes dielektrisches Material sein. Bei einigen alternativen Ausführungsformen kann die Herstellung der Planarisierungsschicht 150 entfallen.
  • Auf der Planarisierungsschicht 150 wird eine Lichtabschirmschicht hergestellt, die eine Lichtabschirm-Gitterschicht 160 und eine strukturierte dielektrische Schicht 170 umfasst. Die strukturierte dielektrische Schicht 170 wird auf der Lichtabschirm-Gitterschicht 160 hergestellt. Die Lichtabschirm-Gitterschicht 160 und die strukturierte dielektrische Schicht 170 können mit dem gleichen Strukturierungsprozess (z. B. einem fotolithografischen und Ätzprozess) hergestellt werden. Das Material für die Lichtabschirm-Gitterschicht 160 ist zum Beispiel ein Metall, eine Legierung oder dergleichen, und das Material für die strukturierte dielektrische Schicht 170 ist Siliziumoxid oder ein anderes geeignetes dielektrisches Material. Die Lichtabschirmschicht mit der Lichtabschirm-Gitterschicht 160 und der strukturierten dielektrischen Schicht 170 kann eine Mehrzahl von Öffnungen O aufweisen, die sich über den Bildsensoreinheiten 110a und 110b befinden. Die Öffnungen O legen Teile der Planarisierungsschicht 150 frei. Die Öffnungen O, die in der Lichtabschirmschicht erzeugt worden sind, können in eine Mehrzahl von ersten Öffnungen O1 und mindestens eine zweite Öffnung O2 unterteilt werden, wobei die Öffnungen O1 entsprechend den Bildsensoreinheiten 110a angeordnet sind und die mindestens eine zweite Öffnung O2 ebenfalls entsprechend den Bildsensoreinheiten 110a angeordnet ist.
  • Bei einigen Ausführungsformen entsprechen die Anzahl und die Positionen der ersten Öffnungen O1 denen der Bildsensoreinheiten 110a, während die Anzahl und die Positionen der zweiten Öffnungen O2 denen der Bildsensoreinheiten 110b entsprechen. In 4 sind ein Paar Bildsensoreinheiten 110b und zwei der zweiten Öffnungen O2 gezeigt, die dem Paar Bildsensoreinheiten 110b entsprechen. Die ersten Öffnungen O1 entsprechen jeweils einer der Bildsensoreinheiten 110a, während die zweiten Öffnungen O2 jeweils einer der Bildsensoreinheiten 110b entsprechen. Die Anzahl und die Positionen der Öffnungen O (d. h., der ersten Öffnungen O1 und der zweiten Öffnungen O2) sind jedoch in der vorliegenden Erfindung nicht beschränkt.
  • Nachdem die Lichtabschirm-Gitterschicht 160 und die strukturierte dielektrische Schicht 170 hergestellt worden sind, wird eine Abschirmschicht 180 so hergestellt, dass sie die Planarisierungsschicht 150, die Lichtabschirm-Gitterschicht 160 und die strukturierte dielektrische Schicht 170 bedeckt. Wie in 4 gezeigt ist, bedeckt die Abschirmschicht 180 konform die Lichtabschirmschicht (160/170) und die Teile der Planarisierungsschicht 150, die von den ersten Öffnungen O1 und den zweiten Öffnungen O2 freigelegt werden. Das Material für die Abschirmschicht 180 ist zum Beispiel Siliziumoxid oder ein anderes geeignetes dielektrisches Material.
  • In den 5 und 6 werden Farbfilter R, Farbfilter G und Farbfilter B so hergestellt, dass sie die Öffnungen O füllen, die in der Lichtabschirmschicht (160/170) definiert sind, sodass sich das gedünnte Halbleitersubstrat 100a zwischen den Farbfiltern R, G und B und der Verbindungsstruktur 130 befindet. Die Farbfilter R und die Farbfilter B werden so hergestellt, dass sie die ersten Öffnungen O1 füllen, während die Farbfilter G so hergestellt werden, dass sie die zweiten Öffnungen O2 füllen. Zum Beispiel können die Farbfilter R rote Farbfilter sein, die Farbfilter G können grüne Farbfilter sein, und die Farbfilter B können blaue Farbfilter sein. Die roten Farbfilter R lassen rotes Licht durch, sodass das rote Licht von den Bildsensoreinheiten 110a empfangen wird, die sich unter den Farbfiltern R befinden. Die grünen Farbfilter G lassen grünes Licht durch, sodass das grüne Licht von den Bildsensoreinheiten 110b empfangen wird, die sich unter den Farbfiltern G befinden. Die blauen Farbfilter B lassen blaues Licht durch, sodass das blaue Licht von den Bildsensoreinheiten 110a empfangen wird, die sich unter den Farbfiltern B befinden. Bei einigen Ausführungsformen können die roten Farbfilter R, die grünen Farbfilter G und die blauen Farbfilter B aus unterschiedlichen Fotoresistmaterialien bestehen, die zum Beispiel mit fotolithografischen Prozessen strukturiert werden können.
  • Bei einigen Ausführungsformen können die roten Farbfilter R, die grünen Farbfilter G und die blauen Farbfilter B nur die Öffnungen O füllen, die in der Lichtabschirmschicht (160/170) definiert sind. Bei einigen alternativen Ausführungsformen, die nicht in 5 gezeigt sind, können die roten Farbfilter R, die grünen Farbfilter G und die blauen Farbfilter B nicht nur die in der Lichtabschirmschicht (160/170) definierten Öffnungen O füllen, sondern sie können auch die Oberseite der Lichtabschirmschicht (160/170) bedecken.
  • Nachdem die Farbfilter R, G und B hergestellt worden sind, werden eine Mehrzahl von ersten Linsen 190A und mindestens eine zweite Linse 190B so hergestellt, dass sie die Farbfilter R, G und B bedecken. Bei einigen alternativen Ausführungsformen können die ersten Linsen 190A und die mindestens eine zweite Linse 190B die Oberseite der Lichtabschirmschicht (160/170) und die Farbfilter R, G und B bedecken. Die ersten Linsen 190A bedecken die Farbfilter R, die Farbfilter B und die Bildsensoreinheiten 110b, während die mindestens eine zweite Linse 190B die Farbfilter G und die Bildsensoreinheiten 110b bedeckt. Mit anderen Worten, die Farbfilter R und die Farbfilter B befinden sich zwischen den Bildsensoreinheiten 110a und den ersten Linsen 190A, während sich die Farbfilter G zwischen den Bildsensoreinheiten 110b und der mindestens einen zweiten Linse 190B befinden. Wie in 5 gezeigt ist, können die ersten Linsen 190A und die mindestens eine zweite Linse 190B jeweils eine Mikrolinse sein, und die ersten Linsen 190A und die mindestens eine zweite Linse 190B können eine Mikrolinsenmatrix bilden.
  • In 5 ist ein Bildsensor IS1 mit einer Phasendetektions-Autofokus(PDAF)-Funktion dargestellt. Der Bildsensor IS1 weist das gedünnte Halbleitersubstrat 100a, die Farbfilter R, G und B, die ersten Linsen 190A und die mindestens eine zweite Linse 190B auf. Das gedünnte Halbleitersubstrat 100a weist eine Mehrzahl von Sensorpixeln P auf, die in einer Matrix angeordnet sind. Die Sensorpixel P weisen jeweils die Bildsensoreinheiten 110a bzw. 110b auf. Die Farbfilter R, G und B bedecken die Bildsensoreinheiten 110a und 110b. Die ersten Linsen 190A sind auf den Farbfiltern R und den Farbfiltern B angeordnet, und jede der ersten Linsen 190A bedeckt jeweils eine der Bildsensoreinheiten 110a. Die mindestens eine zweite Linse 190B ist auf den zweiten Farbfiltern G angeordnet. Die mindestens eine zweite Linse 190B bedeckt das Paar Bildsensoreinheiten 110b. Die mindestens eine zweite Linse 190B und die Bildsensoreinheiten 110b, die von der mindestens einen zweiten Linse 190B bedeckt sind, können eine Phasendetektionsfunktion bereitstellen. Und zwar können die Bildsensoreinheiten 110b als Phasendetektionseinheiten dienen. Bei dieser Ausführungsform können die Bildsensoreinheiten 110a nur die Bildsensorfunktion ausführen, während die Bildsensoreinheiten 110b die Bildsensorfunktion und die Phasendetektionsfunktion ausführen können. Mit anderen Worten, bei mindestens einem der Sensorpixel P des Bildsensors IS1 sind die Bildsensoreinheiten 110a Teilpixel ohne Phasendetektionsfunktion, und die Bildsensoreinheiten 110b sind ebenfalls Teilpixel ohne Phasendetektionsfunktion. Zum Beispiel können nur Teile der Sensorpixel P die Bildsensoreinheiten 110a und 110b aufweisen, um die Phasendetektionsfunktion bereitzustellen, während die übrigen Sensorpixel P die Bildsensoreinheiten 110a aufweisen können und keine Phasendetektionsfunktion bieten. Bei einigen Ausführungsformen wird nur ein Paar Bildsensoreinheiten 110b mit der Phasendetektionsfunktion in dem Bildsensor IS1 benötigt. Bei einigen alternativen Ausführungsformen werden mehrere Paare Bildsensoreinheiten 110b mit der Phasendetektionsfunktion in dem Bildsensor IS1 benötigt.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist bei dem in 5 gezeigten Bildsensor IS1 eine Höhe (d. h. eine erste Höhe) jeder der ersten Linsen 190A im Wesentlichen gleich einer Höhe (d. h. einer zweiten Höhe) der mindestens einen zweiten Linse 190B, und die Krümmung jeder der ersten Linsen 190A ist kleiner als die Krümmung der mindestens einen zweiten Linse 190B. Bei einigen alternativen Ausführungsformen ist bei einem in 6 gezeigten Bildsensor IS2 die Höhe (d. h. die erste Höhe) jeder der ersten Linsen 190A im Wesentlichen gleich der Höhe (d. h. der zweiten Höhe) der mindestens einen zweiten Linse 190B, und die Krümmung jeder der ersten Linsen 190A ist im Wesentlichen gleich der Krümmung der mindestens einen zweiten Linse 190B.
  • Wie in 7 gezeigt ist, ist in mindestens einem Sensorpixel P des Bildsensors IS1 ein Bedeckungsgrad (d. h. ein erster Bedeckungsgrad) jeder der ersten Linsen 190A kleiner als ein Bedeckungsgrad (d. h. ein zweiter Bedeckungsgrad) der mindestens einen zweiten Linse 190B. Der Bedeckungsgrad jeder der ersten Linsen 190A entspricht der Fläche einer der Bildsensoreinheiten 110a und ist größer als diese. Der Bedeckungsgrad der mindestens einen zweiten Linse 190B entspricht den Flächen des Paars Bildsensoreinheiten 110b und ist größer als diese. Mit anderen Worten, das Paar Bildsensoreinheiten 110b verwendet die mindestens eine zweite Linse 190B gemeinsam. Die mindestens eine zweite Linse 190B bedeckt nicht nur das Paar Bildsensoreinheiten 110b und die Farbfilter G, sondern sie bedeckt auch einen Teil der Lichtabschirmschicht (160/170) zwischen dem Paar Bildsensoreinheiten 110b. Da die Bildsensoreinheiten 110b nicht von der Lichtabschirmschicht (160/170) partiell abgeschirmt werden, kann das Paar Bildsensoreinheiten 110b ein sehr gutes einfallendes Signal bewirken, wenn die Größe der Sensorpixel P abnimmt.
  • In 8 ist ein Bildsensor IS3 dem in 5 gezeigten Bildsensor IS1 ähnlich, mit der Ausnahme, dass keine Grabenisolationen 140 zwischen den Bildsensoreinheiten 110b hergestellt werden. Die Grabenisolationen 140 werden nicht unter der zweiten Linse 190B hergestellt. Mit anderen Worten, die zweite Linse 190B bedeckt nicht die Grabenisolationen 140, die in dem gedünnten Halbleitersubstrat 100a hergestellt sind.
  • In 9 ist ein Bildsensor IS4 dem in 6 gezeigten Bildsensor IS2 ähnlich, mit der Ausnahme, dass keine Grabenisolationen 140 zwischen den Bildsensoreinheiten 110b hergestellt werden. Die Grabenisolationen 140 werden nicht unter der zweiten Linse 190B hergestellt. Mit anderen Worten, die zweite Linse 190B bedeckt nicht die Grabenisolationen 140, die in dem gedünnten Halbleitersubstrat 100a hergestellt sind.
  • 10 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Bildsensors gemäß einigen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. 11 zeigt eine schematische Draufsicht eines Bildsensors gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und die 12 bis 16 zeigen schematische Schnittansichten von Bildsensoren gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • In den 10 und 11 ist ein Bildsensor IS5 dem in 1 gezeigten Bildsensor IS1 ähnlich, mit der Ausnahme, dass keine Lichtabschirmschicht (160/170) unter der zweiten Linse 190B hergestellt wird. Mit anderen Worten, die zweite Linse 190B bedeckt nicht die Lichtabschirmschicht (160/170).
  • Wie in den 10 und 11 gezeigt ist, ist in mindestens einem Sensorpixel P des Bildsensors IS5 der Bedeckungsgrad (d. h. der erste Bedeckungsgrad) jeder der ersten Linsen 190A kleiner als der Bedeckungsgrad (d. h. der zweite Bedeckungsgrad) der mindestens einen zweiten Linse 190B. Der Bedeckungsgrad jeder der ersten Linsen 190A entspricht der Fläche einer der Bildsensoreinheiten 110a und ist größer als diese. Der Bedeckungsgrad der mindestens einen zweiten Linse 190B entspricht den Flächen des Paars Bildsensoreinheiten 110b und ist größer als diese. Die Farbfilter G bedecken nicht nur das Paar Bildsensoreinheiten 110b, sondern sie bedecken auch einen Bereich zwischen dem Paar Bildsensoreinheiten 110b. Mit anderen Worten, die Bildsensoreinheiten 110b verwenden die mindestens eine zweite Linse 190B und das Farbfilter G gemeinsam. Da die Bildsensoreinheiten 110b nicht von der Lichtabschirmschicht (160/170) partiell abgeschirmt werden, kann das Paar Bildsensoreinheiten 110b ein sehr gutes einfallendes Signal bewirken, wenn die Größe der Sensorpixel P abnimmt.
  • Bei einem in 12 gezeigten Bildsensor IS6 ist die Höhe (d. h. die erste Höhe) jeder der ersten Linsen 190A kleiner als die Höhe (d. h. die zweite Höhe) der mindestens einen zweiten Linse 190B, und die Krümmung jeder der ersten Linsen 190A ist im Wesentlichen gleich der Krümmung der mindestens einen zweiten Linse 190B.
  • In 13 ist ein Bildsensor IS7 dem in 10 gezeigten Bildsensor IS5 ähnlich, mit der Ausnahme, dass keine Grabenisolationen 140 zwischen den Bildsensoreinheiten 110b hergestellt werden. Es werden keine Grabenisolationen 140 unter der zweiten Linse 190B hergestellt. Mit anderen Worten, die zweite Linse 190B bedeckt nicht die Grabenisolationen 140, die in dem gedünnten Halbleitersubstrat 100a hergestellt sind.
  • In 14 ist ein Bildsensor IS8 dem in 12 gezeigten Bildsensor IS6 ähnlich, mit der Ausnahme, dass keine Grabenisolationen 140 zwischen den Bildsensoreinheiten 110b hergestellt werden. Es werden keine Grabenisolationen 140 unter der zweiten Linse 190B hergestellt. Mit anderen Worten, die zweite Linse 190B bedeckt nicht die Grabenisolationen 140, die in dem gedünnten Halbleitersubstrat 100a hergestellt sind.
  • In 15 ist ein Bildsensor IS9 mit einem Halbleitersubstrat 100a, einer Mehrzahl von Farbfiltern R, G und B, einer Mehrzahl von ersten Linsen 190A und mindestens einer zweiten Linse 190B dargestellt. Das Halbleitersubstrat 100a weist eine Mehrzahl von Sensorpixeln P auf, die in einer Matrix angeordnet sind. Die Sensorpixel P weisen jeweils eine Mehrzahl von Bildsensoreinheiten 110a und eine Mehrzahl von Bildsensoreinheiten 110b auf. Die Farbfilter R, G und B bedecken zumindest die Bildsensoreinheiten 110a. Die Farbfilter R, G und B füllen zum Beispiel Teile der Öffnungen, die sich über den Bildsensoreinheiten 110a befinden. Die ersten Linsen 190A sind auf den Farbfiltern R, G und B angeordnet. Die ersten Linsen 190A bedecken jeweils eine der Bildsensoreinheiten 110a. Die mindestens eine zweite Linse 190B bedeckt nicht die Farbfilter R, G und B, aber sie bedeckt die Phasendetektionseinheiten 110b. Wie zum Beispiel in 15 gezeigt ist, werden die Phasendetektionseinheiten 110b nicht von den Farbfiltern R, G und B bedeckt.
  • Wie in 15 gezeigt ist, kann bei einigen Ausführungsformen ein Paar transparente Füllteile W über den Phasendetektionseinheiten 110b hergestellt werden, und die Phasendetektionseinheiten 110b können als weiße Teilpixel der Sensorpixel P dienen. Die transparenten Füllteile W können durch die Lichtabschirmschicht (160/170) beabstandet sein, die sich unter der mindestens einen zweiten Linse 190B befindet. Bei einigen alternativen Ausführungsformen können die Phasendetektionseinheiten 110b lediglich die Phasendetektionsfunktion bereitstellen und nicht als weiße Teilpixel der Sensorpixel P dienen. Es ist zu beachten, dass der in 8 gezeigte Entwurf der Grabenisolation 140 auch für den in 15 gezeigten Bildsensor IS9 verwendet werden kann.
  • In 16 ist ein Bildsensor IS10 dem in 15 gezeigten Bildsensor IS9 ähnlich, mit der Ausnahme, dass keine Lichtabschirmschicht (160/170) unter der zweiten Linse 190B hergestellt wird. Mit anderen Worten, die zweite Linse 190B bedeckt nicht die Lichtabschirmschicht (160/170). Es ist zu beachten, dass der in 13 gezeigte Entwurf der Grabenisolation 140 auch für den in 16 gezeigten Bildsensor IS10 verwendet werden kann.
  • Da bei den vorstehenden Ausführungsformen die Phasendetektionseinheiten und die Bildsensoreinheiten 110b nicht partiell abgeschirmt sind, können sie ausreichend einfallendes Licht empfangen, sodass ein sehr gutes einfallendes Signal erzielt werden kann, wenn die Pixelgröße des Bildsensors abnimmt.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird ein Bildsensor mit einem Halbleitersubstrat, einer Mehrzahl von Farbfiltern, einer Mehrzahl von ersten Linsen und einer zweiten Linse bereitgestellt. Das Halbleitersubstrat weist eine Mehrzahl von Sensorpixeln auf, die in einer Matrix angeordnet sind, wobei jedes der Mehrzahl von Sensorpixeln jeweils eine Mehrzahl von Bildsensoreinheiten und eine Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten aufweist. Die Farbfilter bedecken mindestens die Mehrzahl von Bildsensoreinheiten. Die ersten Linsen sind auf der Mehrzahl von Farbfiltern angeordnet, wobei jede der Mehrzahl von ersten Linsen jeweils eine der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten bedeckt. Die zweite Linse bedeckt die Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten.
  • Bei einigen alternativen Ausführungsformen wird ein Bildsensor mit einem Halbleitersubstrat, einer Mehrzahl von Farbfiltern, einer Mehrzahl von ersten Linsen und einer Mehrzahl von zweiten Linsen bereitgestellt. Das Halbleitersubstrat weist eine Mehrzahl von Sensorpixeln auf, die in einer Matrix angeordnet sind, wobei jedes der Mehrzahl von Sensorpixeln jeweils eine Mehrzahl von Bildsensoreinheiten aufweist. Die Farbfilter bedecken die Mehrzahl von Bildsensoreinheiten. Die ersten Linsen sind auf der Mehrzahl von Farbfiltern angeordnet, wobei jede der Mehrzahl von ersten Linsen jeweils eine der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten bedeckt. Jede der Mehrzahl von zweiten Linsen bedeckt jeweils mindestens zwei der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten. Die Mehrzahl von zweiten Linsen und Teile der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten, die von der Mehrzahl von zweiten Linsen bedeckt sind, stellen eine Phasendetektionsfunktion bereit.
  • Bei einigen alternativen Ausführungsformen wird ein Bildsensor mit einem Halbleitersubstrat, einer Lichtabschirmschicht, einer Mehrzahl von Farbfiltern, einer Mehrzahl von ersten Linsen und einer zweiten Linse bereitgestellt. Das Halbleitersubstrat weist eine Mehrzahl von Sensorpixeln auf, die in einer Matrix angeordnet sind, wobei jedes der Mehrzahl von Sensorpixeln jeweils eine Mehrzahl von Bildsensoreinheiten und eine Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten aufweist. Die Lichtabschirmschicht weist eine Mehrzahl von Öffnungen auf, die sich über der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten und der Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten befinden. Die Farbfilter füllen zumindest Teile der Öffnungen, die sich über der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten befinden. Die ersten Linsen sind auf der Mehrzahl von Farbfiltern angeordnet, wobei jede der Mehrzahl von ersten Linsen jeweils eine der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten bedeckt. Die zweite Linse bedeckt die Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten.
  • Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Erfindung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Abschirmumfang der vorliegenden Erfindung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Abschirmumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (20)

  1. Bildsensor mit: einem Halbleitersubstrat, das eine Mehrzahl von Sensorpixeln aufweist, die in einer Matrix angeordnet sind, wobei jedes der Mehrzahl von Sensorpixeln jeweils eine Mehrzahl von Bildsensoreinheiten und eine Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten aufweist; einer Mehrzahl von Farbfiltern, die mindestens die Mehrzahl von Bildsensoreinheiten bedecken; einer Mehrzahl von ersten Linsen, die auf der Mehrzahl von Farbfiltern angeordnet sind, wobei jede der Mehrzahl von ersten Linsen jeweils eine der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten bedeckt; und einer zweiten Linse, die die Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten bedeckt.
  2. Bildsensor nach Anspruch 1, wobei das Halbleitersubstrat weiterhin eine Verbindungsstruktur aufweist, die auf der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten und der Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten angeordnet ist und mit diesen elektrisch verbunden ist, wobei sich das Halbleitersubstrat zwischen der Mehrzahl von Farbfiltern und der Verbindungsstruktur befindet.
  3. Bildsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die Mehrzahl von Farbfiltern zwischen der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten und der Mehrzahl von ersten Linsen befindet.
  4. Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Farbfiltern außerdem die Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten bedeckt.
  5. Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten nicht von der Mehrzahl von Farbfiltern bedeckt ist.
  6. Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erster Bedeckungsgrad jeder der Mehrzahl von ersten Linsen kleiner als ein zweiter Bedeckungsgrad der zweiten Linse ist.
  7. Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste Höhe jeder der Mehrzahl von ersten Linsen kleiner als eine zweite Höhe der zweiten Linse oder im Wesentlichen gleich dieser ist.
  8. Bildsensor mit: einem Halbleitersubstrat mit einer Mehrzahl von Sensorpixeln, die in einer Matrix angeordnet sind, wobei jedes der Mehrzahl von Sensorpixeln jeweils eine Mehrzahl von Bildsensoreinheiten aufweist; einer Mehrzahl von Farbfiltern, die die Mehrzahl von Bildsensoreinheiten bedecken; einer Mehrzahl von ersten Linsen, die auf der Mehrzahl von Farbfiltern angeordnet sind, wobei jede der Mehrzahl von ersten Linsen jeweils eine der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten bedeckt; und einer Mehrzahl von zweiten Linsen, wobei jede der Mehrzahl von zweiten Linsen jeweils mindestens zwei der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten bedeckt, wobei die Mehrzahl von zweiten Linsen und Teile der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten, die von der Mehrzahl von zweiten Linsen bedeckt sind, eine Phasendetektionsfunktion bereitstellen.
  9. Bildsensor nach Anspruch 8, wobei das Halbleitersubstrat weiterhin eine Verbindungsstruktur aufweist, die auf der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten angeordnet ist und mit diesen elektrisch verbunden ist, wobei sich das Halbleitersubstrat zwischen der Mehrzahl von Farbfiltern und der Verbindungsstruktur befindet.
  10. Bildsensor nach Anspruch 8 oder 9, wobei Teile der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten, die nicht von der Mehrzahl von zweiten Linsen bedeckt sind, nicht von der Mehrzahl von Farbfiltern bedeckt werden.
  11. Bildsensor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei ein erster Bedeckungsgrad jeder der Mehrzahl von ersten Linsen kleiner als ein zweiter Bedeckungsgrad jeder der zweiten Linsen ist.
  12. Bildsensor nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei eine erste Höhe jeder der Mehrzahl von ersten Linsen kleiner als eine zweite Höhe jeder der zweiten Linsen oder im Wesentlichen gleich diese ist.
  13. Bildsensor mit: einem Halbleitersubstrat mit einer Mehrzahl von Sensorpixeln, die in einer Matrix angeordnet sind, wobei jedes der Mehrzahl von Sensorpixeln jeweils eine Mehrzahl von Bildsensoreinheiten und eine Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten aufweist; einer Lichtabschirmschicht mit einer Mehrzahl von Öffnungen, die sich über der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten und der Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten befinden; einer Mehrzahl von Farbfiltern, die zumindest Teile der Öffnungen füllen, die sich über der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten befinden; einer Mehrzahl von ersten Linsen, die auf der Mehrzahl von Farbfiltern angeordnet sind, wobei jede der Mehrzahl von ersten Linsen jeweils eine der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten bedeckt; und einer zweiten Linse, die die Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten bedeckt.
  14. Bildsensor nach Anspruch 13, wobei das Halbleitersubstrat weiterhin eine Verbindungsstruktur aufweist, die auf der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten und der Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten angeordnet ist und mit diesen elektrisch verbunden ist, wobei sich das Halbleitersubstrat zwischen der Mehrzahl von Farbfiltern und der Verbindungsstruktur befindet.
  15. Bildsensor nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Mehrzahl von Öffnungen der Lichtabschirmschicht eine Mehrzahl von ersten Öffnungen und mindestens eine zweite Öffnung umfasst, wobei die Mehrzahl von ersten Öffnungen der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten entspricht und die mindestens eine zweite Öffnung der Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten entspricht.
  16. Bildsensor nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei sich die Mehrzahl von Farbfiltern zwischen der Mehrzahl von Bildsensoreinheiten und der Mehrzahl von ersten Linsen befindet.
  17. Bildsensor nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Mehrzahl von Farbfiltern außerdem die Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten bedeckt.
  18. Bildsensor nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Mehrzahl von Phasendetektionseinheiten nicht von der Mehrzahl von Farbfiltern bedeckt wird.
  19. Bildsensor nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei ein erster Bedeckungsgrad jeder der Mehrzahl von ersten Linsen kleiner als ein zweiter Bedeckungsgrad der zweiten Linse ist.
  20. Bildsensor nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei eine erste Höhe jeder der Mehrzahl von ersten Linsen kleiner als eine zweite Höhe der zweiten Linse oder im Wesentlichen gleich dieser ist.
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