一种图像传感器及其制造方法与流程

本公开涉及半导体技术领域，特别是涉及一种图像传感器及其制备方法。

背景技术：

包括感光元件的图像传感器是一种将光学图像转换为电子信号的设备。图像传感器从物体接收光信号并将光信号转化为电信号，接着电信号可以被传输用于进一步的处理，诸如数字化，然后在诸如存储器、光盘或磁盘的存储器件中存储，或用于在显示器上显示、打印等。根据数字数据传送方式不同，图像传感器可分为电荷耦合元件(ccd,chargecoupleddevice)和金属氧化物半导体元件(cmos，complementarymetal-oxidesemiconductor)两大类。其中cmos传感器由于具有集成度高、功耗小、速度快和成本低等优点，在近几年迅速发展。

图像传感器的各项性能指标直接影响成像效果，例如入射光线的转换效率。如果照射到图像传感器上的光线由于反射或者散射而无法被感光元件所接收并且有效地转化为电信号，则会不利地影响图像传感器的成像质量。在图像传感器中通常设置外部微透镜阵列以将外界的入射光汇聚到光接收面积较小的感光元件上。但是随着图像传感器阵列以及感光元件的尺寸逐渐减小，微透镜的尺寸也随之需要减小。因此为更小的感光元件制造符合其焦距特征的微透镜变得越来越困难。结果是，具有更小尺寸的微透镜的图像传感器难以满足对色彩保真度以及信噪比的要求。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的旨在提供一种图像传感器及其制备方法，用于解决现有技术中图像传感器的光电转换效率低以及灵敏度差等问题。

在本发明的一个实施例中，提供一种图像传感器，所述图像传感器包括感光元件，形成在衬底中以将光信号转换为电信号；滤色层，形成在所述感光元件之上；第一微透镜，形成在所述滤色层上，所述第一微透镜朝入射光的方向凸起以汇聚入射光；以及第二微透镜，形成在所述感光元件和所述滤色层之间并且包括被多个沟槽隔开的多个子微透镜以使得所述第二微透镜具有从中心到边缘减小的平均折射率。

优选地，所述滤色层填充所述第二微透镜的所述多个沟槽。

优选地，所述多个子微透镜具有基本平坦的上表面。

优选地，所述多个沟槽具有从所述第二微透镜的中心到边缘增加的截面宽度。

优选地，所述多个子微透镜具有从所述第二微透镜的中心到边缘减小的截面宽度。

优选地，所述图像传感器还包括形成在所述感光元件之上的抗反射层，所述抗反射层中具有被蚀刻的所述多个沟槽以形成所述第二微透镜。

优选地，所述抗反射层由一层或者多层材料形成，并且在所述抗反射层的一层或者多层材料中形成有所述第二微透镜。

优选地，所述抗反射层的材料从包括氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化铬和氧化硅的组中选择。

优选地，所述抗反射层的厚度为20-700nm。

优选地，所述多个沟槽刚好完全刻穿所述抗反射层、不完全刻穿所述抗反射层或者完全刻穿所述抗反射层并且进一步刻到衬底中。

优选地，在所述衬底中具有被蚀刻的所述多个沟槽以形成所述第二微透镜。

在本发明的另一个实施例中，还提供一种制造图像传感器的方法，所述方法包括提供衬底，在所述衬底中形成感光元件，所述感光元件将光信号转换为电信号；在所述感光元件之上形成内部微透镜，所述内部微透镜包括被多个沟槽隔开的多个子微透镜以使得所述内部微透镜具有从中心到边缘减小的平均折射率；在所述内部微透镜之上形成滤色层；以及在所述滤色层上形成外部微透镜，所述外部微透镜朝入射光的方向凸起以汇聚入射光。

优选地，所述滤色层填充所述内部微透镜的所述多个沟槽。

优选地，所述多个子微透镜具有基本平坦的上表面。

优选地，所述多个沟槽被形成有从所述内部微透镜的中心到边缘增加的截面宽度。

优选地，所述多个子微透镜被形成有从所述内部微透镜的中心到边缘减小的截面宽度。

优选地，所述方法还包括在衬底中在所述感光元件之上形成槽，在所述槽中沉积抗反射层，在所述抗反射层中通过蚀刻所述多个沟槽来形成所述内部微透镜。

优选地，所述抗反射层由一层或者多层材料形成，并且在所述抗反射层的一层或者多层材料中形成所述内部微透镜。

优选地，所述抗反射层的材料从包括氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化铬和氧化硅的组中选择。

优选地，所述抗反射层的厚度为20-700nm。

优选地，所述多个沟槽刚好完全刻穿所述抗反射层、不完全刻穿所述抗反射层或者完全刻穿所述抗反射层并且进一步刻到衬底中。

优选地，在所述感光元件之上的所述衬底中通过蚀刻多个沟槽以形成所述内部微透镜。

在本发明的另一个实施例中，还提供一种图像传感器阵列，包括由根据以上所述的图像传感器组成的阵列。

在本发明的另一个实施例中，还提供一种成像装置，包括根据以上所述的图像传感器阵列。

如上所述，本发明提供了一种解决现有技术中图像传感器的光电转换效率低以及灵敏度差等问题的改进的图像传感器。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：

图1示出了根据本发明一个实施例的图像传感器的示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的图像传感器的入射光的光路图；

图3示出了根据本发明另一实施例的图像传感器的示意图；

图4示出了根据本发明又一实施例的图像传感器的示意图；

图5示出了制造根据本发明一个实施例的图像传感器的流程图。

图6示出了根据本发明一个实施例的图像传感器的在制造过程中各个阶段的截面图。

注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在本说明书中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，所公开的发明并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为本说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

图1示出了根据本发明一个实施例的图像传感器100的示意图。图像传感器100包括形成在衬底102中以将光信号转换为电信号的感光元件101；形成在所述感光元件101之上的滤色层103；形成在所述滤色层103上的第一微透镜104，所述第一微透镜104朝入射光的方向凸起以汇聚入射光，优选地，第一微透镜104可以由透明的有机材料、无机化合物材料制成；以及形成在所述感光元件101和所述滤色层103之间的第二微透镜105，所述第二微透镜105包括被多个沟槽106a-106f隔开的多个子微透镜105a-105g以使得所述第二微透镜105具有从中心到边缘减小的平均折射率。由于第二微透镜105具有从中心到边缘减小的平均折射率，因此第二微透镜105实际上具有光汇聚效果。第二微透镜105将来自第一微透镜104的入射光进一步汇聚到衬底102中的感光元件101中，由此增加入射光从滤色层103到衬底102的透过率，同时增强对入射光的汇聚效果。第二微透镜105的材料为基本透明的材料，包括但是不限于硅、二氧化硅或者掺锡氧化铟，以及其他任意的透明材质。

优选地，相邻图像传感器的滤色层103之间通过隔离结构107进行隔离，减小相邻图像传感器之间的串扰。隔离结构107可以由任意合适的不透光材料形成，例如金属，包括但不限于钨、铜或铝铜，或者例如电介质，例如氧化物(诸如，氧化硅)、氮化物(诸如，氮化硅)以及氧氮化物(诸如，氧氮化硅)等，或者例如金属和电介质的组合。优选地，可以通过溅射技术形成栅格膜，然后在栅格膜上形成具有栅格图案的光刻胶，之后进行蚀刻以形成栅格(即，隔离结构107)。优选地，在感光元件下方还包括金属互连层(未示出)，用于实现各感光元件的电连接。金属互连层位于所述感光元件的背光面，当光线从上而下照射时，无需经过所述金属互连层便可照射到感光元件从而避免所述金属互连层对入射光线产生阻挡。

在本发明的一个实施例中，所述多个子微透镜105a-105g具有基本平坦的上表面。所述多个子微透镜基本平坦的上表面使得第二微透镜成为平面微透镜，由此避免了在内部制造曲面透镜的复杂工艺并且使得器件结构更加紧凑。

所述衬底102可以是硅衬底或者其它半导体材料。可以使用砷化镓、锗、碳化硅、砷化铟或磷化铟或合金半导体，诸如，碳化硅锗、磷化铟镓、砷化铟镓等。衬底通常可以是半导体材料的晶圆。在其它实施例中，衬底可以被提供为在绝缘体上的外延层，诸如“soi”层。半导体材料的晶圆可以接合或堆叠，并且衬底可以是这些层之一。衬底通常通过晶圆研磨方法减薄，诸如，化学机械抛光(“cmp”)、机械晶圆研磨或半导体刻蚀。所述感光元件101例如是光电二极管。例如，光电二极管可以包括衬底102内的具有第一掺杂类型(例如，n型掺杂)的对应的第一区域(未示出)，和衬底102内的第一区域上面的具有与第一掺杂类型不同的第二掺杂类型(例如，p型掺杂)的对应的第二区域(未示出)。形成方法为通过进行杂质离子注入及退火工艺等常规工艺来完成，包括在光电二极管区域进行杂质离子注入形成掺杂区，掺杂区与半导体衬底之间构成pn结，以形成光电二极管及光电二极管耗尽区。光电二极管及光电二极管耗尽区的形成方法为本领域技术人员所熟知，在此不作详述。

衬底102还可以包括其它器件，包括在衬底的另一部分中形成的有源晶体管、二极管、电容器、电阻器、存储器单元、模拟器件、过滤器、收发器等电子连接件，以用于将来自感光元件的信号传输到读出电子器件。而且，在形成本发明所述的图像传感器之后，封装材料可以设置在衬底上方，以形成完整微电子组件，诸如，集成电路、太阳能电池、处理器等。滤色层103可以包括着色或染色的材料，诸如丙烯酸。例如，聚甲基丙烯酸甲酯(“pmma”)或丙二醇单硬脂酸酯(“pgms”)是合适的材料，可利用它们增加颜料或染料来形成滤色器。然而，还可以使用其它材料。

图2示出了根据本发明一个实施例的图像传感器的入射光的光路图。如图2所示，第二微透镜具有由多个沟槽106a-106f隔开的多个子微透镜105a-105f。优选地，所述多个沟槽106a-106f具有从所述第二微透镜的中心到边缘增加的截面宽度。优选地，所述多个子微透镜105a-105f具有从所述第二微透镜的中心到边缘减小的截面宽度。第二微透镜的平均折射率是基于填充沟槽的材料的面积相比于子微透镜的材料的面积，以及填充沟槽的材料以及子微透镜的材料的折射率。更具体来说，当入射光所入射的区域的子微透镜面积越多、沟槽面积越少(例如，第二微透镜的中心区域)，该区域的平均折射率便会越大。反之，当入射光所入射的区域的子微透镜面积越少、沟槽面积越多(例如，第二微透镜的边缘区域)，该区域的平均折射率便会越小。因此，如图2所示，当入射光入射到第二微透镜的中心时，其将会基本上直线地通过；当入射光偏离第二微透镜的中心而从靠近第二微透镜的边缘入射时，其将会向中心发生弯折从而更有效率地聚集到感光元件101处。由此，如针对图1所述的，第二微透镜105实际上具有光汇聚效果。第二微透镜105将来自第一微透镜104的入射光进一步汇聚到衬底102中的感光元件101中，由此增加入射光从滤色层103到衬底102的透过率，同时增强对入射光的汇聚效果。

在本发明的一个实施例中，所述滤色层103填充所述第二微透镜的所述多个沟槽。但是本领域技术人员可以理解的是，所述沟槽可以被其他材料填充，只要所形成的第二微透镜具有从中心到边缘减小的平均折射率即可。

图3示出了根据本发明另一实施例的图像传感器的示意图。图像传感器100在感光元件101之上还包括抗反射层108，所述抗反射层108中具有被蚀刻的所述多个沟槽106a-106f以形成所述第二微透镜。

在图3所示出的实施例中，所述抗反射层108由一层材料形成，并且在该一层的抗反射层108中形成蚀刻的多个沟槽以形成第二微透镜。在图4所示出的实施例中，所述抗反射层108由两层材料形成，并且在该两层的抗反射层108中均形成蚀刻的多个沟槽以形成第二微透镜。但是本发明不限于此，所述抗反射层可以由一层或者多层材料形成，并且在所述抗反射层的仅一层中或者多层中形成有所述第二微透镜。在图3和图4所示的实施例中，所述多个沟槽刚好完全刻穿所述抗反射层，但是本发明不限于此，所述多个沟槽可以不完全刻穿所述抗反射层或者完全刻穿所述抗反射层并且进一步刻到衬底中。在本发明的一个实施例中，所述抗反射层的材料从包括氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化铬和氧化硅的组中选择。在本发明的一个实施例中，所述抗反射层的厚度为20-700nm。在本发明的一个实施例中，所述多个沟槽的深度为40-800nm。在本发明的一个实施例中，所述第二微透镜对入射到其的光的透射率为大于80％。虽然在图3和图4所示的实施例中，在抗反射层中形成第二微透镜，但是本发明不限于此，本发明还可以在感光元件和滤色器层之间的任何位置处通过任何透光材料来形成所述第二微透镜。在本发明的一个实施例中，在衬底中通过蚀刻出多个沟槽并且对沟槽进行填充来形成所述第二微透镜。

图5示出了制造根据本发明一个实施例的图像传感器的流程图。在步骤501中，提供衬底。在步骤502中，在所述衬底中形成感光元件，所述感光元件将光信号转换为电信号。在步骤503中，在所述感光元件之上进行形成内部微透镜，所述内部微透镜包括被多个沟槽隔开的多个子微透镜以使得所述内部微透镜具有从中心到边缘减小的平均折射。优选地，在步骤s503中，在衬底中在所述感光元件之上形成槽，在所述槽中沉积抗反射层，在所述抗反射层中通过蚀刻所述多个沟槽来形成所述内部微透镜。可以采用干法蚀刻或者湿法蚀刻衬底以形成抗反射层。优选地，在步骤s503中，在所述槽中沉积一层或者多个抗反射层，并且在所述抗反射层的仅一层或者多层中蚀刻沟槽以形成所述内部微透镜。优选地，所述内部微透镜的多个子微透镜具有基本平坦的上表面。优选地，所述多个沟槽被形成有从所述内部微透镜的中心到边缘增加的截面宽度。优选地，所述多个子微透镜被形成有从所述内部微透镜的中心到边缘减小的截面宽度。在步骤s504中，在所述内部微透镜之上形成滤色层。在步骤s505中，在所述滤色层上形成外部微透镜，所述外部微透镜朝入射光的方向凸起以汇聚入射光。

图6示出了根据本发明一个实施例的图像传感器的在制造过程中各个阶段的截面图。阶段①：在衬底中形成将光信号转换为电信号的感光元件。阶段②：在衬底中在所述感光元件之上形成槽。阶段③：在所述槽中沉积抗反射层。阶段④：在所述抗反射层中通过蚀刻所述多个沟槽来形成所述内部微透镜。阶段⑤：在所述内部微透镜之上形成滤色层。阶段⑥：在所述滤色层上形成外部微透镜，所述外部微透镜朝入射光的方向凸起以汇聚入射光。图6所示的图像传感器仅是本发明的一个实施例。本发明不限于在抗反射层中形成内部微透镜，本发明还包括在感光元件和滤色层之间形成内部微透镜(例如，在抗反射层中形成、在衬底中形成、或者在抗反射层和衬底中均形成等)的其他实施例。

本发明提供一种图像传感器，所述图像传感器包括感光元件，形成在衬底中以将光信号转换为电信号；滤色层，形成在所述感光元件之上；第一微透镜，形成在所述滤色层上，所述第一微透镜朝入射光的方向凸起以汇聚入射光；以及第二微透镜，形成在所述感光元件和所述滤色层之间并且包括被多个沟槽隔开的多个子微透镜，以使得所述第二微透镜具有从中心到边缘减小的平均折射率。

优选地，所述滤色层填充所述第二微透镜的所述多个沟槽。

优选地，所述多个子微透镜具有基本平坦的上表面。

优选地，所述多个沟槽具有从所述第二微透镜的中心到边缘增加的截面宽度。

优选地，所述多个子微透镜具有从所述第二微透镜的中心到边缘减小的截面宽度。

优选地，所述图像传感器还包括形成在所述感光元件之上的抗反射层，所述抗反射层中具有被蚀刻的所述多个沟槽以形成所述第二微透镜。

优选地，所述抗反射层由一层或者多层材料形成，并且在所述抗反射层的一层或者多层材料中形成有所述第二微透镜。

优选地，所述抗反射层的材料从包括氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化铬和氧化硅的组中选择。

优选地，所述抗反射层的厚度为20-700nm。

优选地，所述多个沟槽刚好完全刻穿所述抗反射层、不完全刻穿所述抗反射层或者完全刻穿所述抗反射层并且进一步刻到衬底中。

优选地，在所述衬底中具有被蚀刻的所述多个沟槽以形成所述第二微透镜。

本发明还提供一种制造图像传感器的方法，包括提供衬底，在所述衬底中形成感光元件，所述感光元件将光信号转换为电信号；在所述感光元件之上形成内部微透镜，所述内部微透镜包括被多个沟槽隔开的多个子微透镜以使得所述内部微透镜具有从中心到边缘减小的平均折射率；在所述内部微透镜之上形成滤色层；以及在所述滤色层上形成外部微透镜，所述外部微透镜朝入射光的方向凸起以汇聚入射光。

优选地，所述滤色层填充所述第二微透镜的所述多个沟槽。

优选地，所述多个子微透镜具有基本平坦的上表面。

优选地，所述多个沟槽被形成有从所述第二微透镜的中心到边缘增加的截面宽度。

优选地，所述多个子微透镜被形成有从所述第二微透镜的中心到边缘减小的截面宽度。

优选地，所述方法还包括在衬底中在所述感光元件之上形成槽，在所述槽中沉积抗反射层，在所述抗反射层中通过蚀刻所述多个沟槽来形成所述第二微透镜。

优选地，所述抗反射层由一层或者多层材料形成，并且在所述抗反射层的一层或者多层材料中形成所述第二微透镜。

优选地，所述抗反射层的材料从包括氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化铬和氧化硅的组中选择。

优选地，所述抗反射层的厚度为20-700nm。

优选地，所述多个沟槽刚好完全刻穿所述抗反射层、不完全刻穿所述抗反射层或者完全刻穿所述抗反射层并且进一步刻到衬底中。

优选地，在所述感光元件之上的所述衬底中通过蚀刻多个沟槽以形成所述第二微透镜。

本发明还提供一种图像传感器阵列，包括由根据以上所述的图像传感器组成的阵列。

本发明还提供一种成像装置，包括根据以上所述的图像传感器阵列。

在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其它取向上操作。

如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在上述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。

如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪音以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。

上述描述可以指示被“连接”或“耦合”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地，除非另外明确说明，“耦合”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦合”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。

另外，仅仅为了参考的目的，还可以在下面描述中使用某种术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。

还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。

在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。

本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其它各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。