图像传感器及其形成方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法。

背景技术：

图像传感器是摄像设备的核心部件，通过将光信号转换成电信号实现图像拍摄功能。以cmos图像传感器(cmosimagesensors，cis)器件为例，由于其具有低功耗和高信噪比的优点，因此在各种领域内得到了广泛应用。

在现有技术中，为了提高光学图像传感器的性能，采用相位检测自动对焦(phasedetectionautofocus，pdaf)技术进行聚焦，pdaf技术基于相位差的原理进行聚焦，有助于提高聚焦速度，提高对焦效果，确定透镜的正确位置，以免使图像处于离焦状态，导致光学图像传感器无法正常工作。

具体而言，在pdaf技术中，光源的光分别通过成对的两个滤色镜后进入半导体衬底内的像素器件(例如光电二极管)，然后根据两个光电二极管中接收到的光生载流子形成聚焦光斑，并对所述聚焦光斑进行比较以确定聚焦程度。具体而言，由于通过两个滤色镜后形成的聚焦光斑在强度上一致，因此当通过两个滤色镜后形成的聚焦光斑在面积上一致时，可以认为满足聚焦需求；当通过两个滤色镜后形成的聚焦光斑在面积上存在差异时，可以认为聚焦效果不足，需要对图像传感器外部的成像装置进行调整，例如调整外置的透镜位置以获得更好的聚焦效果等。

然而在现有技术中，通过两个滤色镜得到的聚焦光斑往往差异较小，导致角度响应不足，pdaf的工作效果较差。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种图像传感器及其形成方法，可以有效的降低金属格栅对光线的阻挡问题，使得穿过pdaf滤色镜组进入光电二极管的光线能够真实体现光线入射角度的差异，提高角度响应，提高pdaf的工作效果。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器，包括：半导体衬底；多个网格状的格栅结构，位于所述半导体衬底的表面，每个格栅结构具有至少一个第一格栅开口以及多个第二格栅开口，其中，所述第一格栅开口的横截面面积为所述第二格栅开口的横截面面积的预设倍数，且所述多个第二格栅开口全包围或半包围所述第一格栅开口；多个滤色镜结构，每个滤色镜结构包括至少一个pdaf滤色镜以及多个单光滤色镜，所述pdaf滤色镜与所述第一格栅开口一一对应且位于对应的第一格栅开口内，所述单光滤色镜位于所述第二格栅开口内。

可选的，所述预设倍数为4倍，所述多个第二格栅开口全包围所述第一格栅开口；其中，与每个第一格栅开口相邻的多个第二格栅开口的数量为12个。

可选的，与每个第一格栅开口相邻的多个第二格栅开口被分为4组，每组第二格栅开口内的单光滤色镜包含有一个红光滤色镜、一个蓝光滤色镜以及一个绿光滤色镜。

可选的，与每个第一格栅开口相邻的多个第二格栅开口内的单光滤色镜在所述半导体衬底表面的投影为中心对称分布，且中心点为所述第一格栅开口的中心在所述半导体衬底表面的投影。

可选的，所述预设倍数为2倍，所述多个第二格栅开口半包围所述第一格栅开口；其中，与每个第一格栅开口相邻的多个第二格栅开口的数量为6个。

可选的，与每个第一格栅开口相邻的多个第二格栅开口被分为2组，每组第二格栅开口内的单光滤色镜包含有一个红光滤色镜、一个蓝光滤色镜以及一个绿光滤色镜。

可选的，所述pdaf滤色镜的材料为绿光滤色镜的材料。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底的表面形成多个网格状的格栅结构，每个格栅结构具有至少一个第一格栅开口以及多个第二格栅开口，其中，所述第一格栅开口的横截面面积为所述第二格栅开口的横截面面积的预设倍数，且所述多个第二格栅开口全包围或半包围所述第一格栅开口；在所述格栅结构的格栅开口内形成多个滤色镜结构，每个滤色镜结构包括至少一个pdaf滤色镜以及多个单光滤色镜，所述pdaf滤色镜与所述第一格栅开口一一对应且位于对应的第一格栅开口内，所述单光滤色镜位于所述第二格栅开口内。

可选的，所述预设倍数为4倍，所述多个第二格栅开口全包围所述第一格栅开口；其中，与每个第一格栅开口相邻的多个第二格栅开口的数量为12个。

可选的，所述pdaf滤色镜的材料为绿光滤色镜的材料；在所述格栅结构的格栅开口内形成多个滤色镜结构包括：形成绿光滤色镜的材料层，所述绿光滤色镜的材料层覆盖所述网格状的格栅结构的格栅开口以及所述半导体衬底的表面；保留所述第一格栅开口内以及一部分第二格栅开口内的绿光滤色镜；在剩余部分第二格栅开口内形成其他的单光滤色镜。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

在本发明实施例中，图像传感器包括：半导体衬底；多个网格状的格栅结构，位于所述半导体衬底的表面，每个格栅结构具有至少一个第一格栅开口以及多个第二格栅开口，其中，所述第一格栅开口的横截面面积为所述第二格栅开口的横截面面积的预设倍数，且所述多个第二格栅开口全包围或半包围所述第一格栅开口；多个滤色镜结构，每个滤色镜结构包括至少一个pdaf滤色镜以及多个单光滤色镜，所述pdaf滤色镜与所述第一格栅开口一一对应且位于对应的第一格栅开口内，所述单光滤色镜位于所述第二格栅开口内。采用上述方案，通过设置pdaf滤色镜位于横截面面积较大的第一格栅开口内，可以实现以较大面积的pdaf滤色镜进行光线采集以形成聚焦光斑，相比现有技术中pdaf滤色镜组的各个滤色镜之间存在有金属格栅，导致通过两个pdaf滤色镜后，进入两个光电二极管的光线差异较小，采用本发明实施例的方案，可以有效的降低金属格栅对光线的阻挡问题，使得穿过pdaf滤色镜组进入光电二极管的光线能够真实体现光线入射角度的差异，提高角度响应，提高pdaf的工作效果。

进一步，所述预设倍数为4倍，所述多个第二格栅开口全包围所述第一格栅开口，其中，与每个第一格栅开口相邻的多个第二格栅开口的数量为12个，从而可以使得每个pdaf滤色镜与周围的单光滤色镜有机会形成拜耳阵列，以提高与现有工艺的适配性。

进一步，所述pdaf滤色镜的材料为绿光滤色镜的材料，有助于在不增加工艺步骤和生产成本的前提下实现本发明。

附图说明

图1是现有技术中一种图像传感器的剖面结构示意图；

图2是图1示出的图像传感器的俯视图；

图3是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图；

图4至图5是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中部分步骤对应的器件剖面结构示意图；

图6是图5示出的图像传感器的俯视图；

图7是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中部分步骤对应的器件剖面结构示意图；

图8是图7示出的图像传感器的俯视图；

图9是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中部分步骤对应的器件剖面结构示意图；

图10是本发明实施例中另一种图像传感器的俯视图。

具体实施方式

在现有的一种pdaf技术中，光源的光分别通过成对的两个滤色镜后进入半导体衬底内的像素器件(例如光电二极管)，然后根据两个光电二极管中接收到的光生载流子形成聚焦光斑，并对所述聚焦光斑进行比较以确定聚焦程度。

结合参照图1和图2，图1是现有技术中一种图像传感器的剖面结构示意图，图2是图1示出的图像传感器的俯视图，图1是图2沿切割线a1-a2的剖面图。

参照图1，图1是现有技术中一种图像传感器的剖面结构示意图。

在现有的图像传感器中，可以提供半导体衬底100，在半导体衬底100的表面形成格栅结构104，进而在格栅结构104之间的开口内形成滤色镜，进而在所述滤色镜的表面形成透镜结构108，在pdaf滤色镜所处的位置形成pdaf透镜结构109。

其中，在所述半导体衬底100内形成有逻辑器件、像素器件以及金属互连结构103，所述像素器件可以包含有光电二极管102。

其中，所述滤色镜可以包括用于形成pdaf滤色镜结构的滤色镜，例如为第一滤色镜结构111，所述滤色镜还可以包括第二滤色镜结构112、第三滤色镜结构113以及第四滤色镜结构114，所述第一滤色镜结构111至第四滤色镜结构114的颜色可以根据需求进行设置。

在具体实施中，可以采用绿光滤色镜形成pdaf滤色镜结构，也即设置所述第一滤色镜结构111采用绿光滤色镜，进而设置第二滤色镜结构112、第三滤色镜结构113以及第四滤色镜结构114中的滤色镜分别选自红光滤色镜、蓝光滤色镜以及绿光滤色镜，从而避免对滤色镜的数量比例产生影响。

本发明的发明人经过研究发现，在现有技术中，第一滤色镜结构111可以包含有多个滤色镜，且根据穿过成对的滤色镜的光线转化的光生载流子形成聚焦光斑，并对所述聚焦光斑进行比较以确定聚焦程度，因此穿过成对的滤色镜的光线的差异对于pdaf的工作效果具有重要的作用。然而，现有技术中pdaf滤色镜组的各个滤色镜之间存在有金属格栅104，导致通过两个pdaf滤色镜的光线差异较小。

如图1示出的光线路径，由于金属格栅104的存在，会阻挡光线a，并且光线b和c也可以基于金属格栅104的反射进入光电二极管，导致虽然入射光线均为斜射光线，然而通过两个pdaf滤色镜的光线差异很小，也即进入光电二极管的光线差异很小，进而导致角度响应不足，pdaf的工作效果较差。

通过两个滤色镜得到的聚焦光斑往往差异较小，导致角度响应不足，pdaf的工作效果较差。

在本发明实施例中，图像传感器包括：半导体衬底；多个网格状的格栅结构，位于所述半导体衬底的表面，每个格栅结构具有至少一个第一格栅开口以及多个第二格栅开口，其中，所述第一格栅开口的横截面面积为所述第二格栅开口的横截面面积的预设倍数，且所述多个第二格栅开口全包围或半包围所述第一格栅开口；多个滤色镜结构，每个滤色镜结构包括至少一个pdaf滤色镜以及多个单光滤色镜，所述pdaf滤色镜与所述第一格栅开口一一对应且位于对应的第一格栅开口内，所述单光滤色镜位于所述第二格栅开口内。采用上述方案，通过设置pdaf滤色镜位于横截面面积较大的第一格栅开口内，可以实现以较大面积的pdaf滤色镜进行光线采集以形成聚焦光斑，相比现有技术中pdaf滤色镜组的各个滤色镜之间存在有金属格栅，导致通过两个pdaf滤色镜后，进入两个光电二极管的光线差异较小，采用本发明实施例的方案，可以有效的降低金属格栅对光线的阻挡问题，使得穿过pdaf滤色镜组进入光电二极管的光线能够真实体现光线入射角度的差异，提高角度响应，提高pdaf的工作效果。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参照图3，图3是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图。所述图像传感器的形成方法可以包括步骤s21至步骤s23：

步骤s21：提供半导体衬底；

步骤s22：在所述半导体衬底的表面形成多个网格状的格栅结构，每个格栅结构具有至少一个第一格栅开口以及多个第二格栅开口，其中，所述第一格栅开口的横截面面积为所述第二格栅开口的横截面面积的预设倍数，且所述多个第二格栅开口全包围或半包围所述第一格栅开口；

步骤s23：在所述格栅结构的格栅开口内形成多个滤色镜结构，每个滤色镜结构包括至少一个pdaf滤色镜以及多个单光滤色镜，所述pdaf滤色镜与所述第一格栅开口一一对应且位于对应的第一格栅开口内，所述单光滤色镜位于所述第二格栅开口内。

下面结合图4至图10对上述各个步骤进行说明。

图4至图5是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中部分步骤对应的器件剖面结构示意图，图6是图5示出的图像传感器的俯视图，图5是图6沿切割线b1-b2的剖面图。

参照图4，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200内可以具有光电二极管202，还可以形成有金属互连结构203。

进一步地，在所述半导体衬底200的表面可以形成格栅材料层205，在所述格栅材料层205的表面形成图形化的掩膜层261。

在具体实施中，所述半导体衬底200可以为硅衬底，或者所述半导体衬底200的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适当的应用于图像传感器的材料，所述半导体衬底200还可以为绝缘体表面的硅衬底或者绝缘体表面的锗衬底，或者是生长有外延层(epitaxylayer，epilayer)的衬底。

需要指出的是，所述半导体衬底200内可以形成有逻辑器件以及像素器件，所述像素器件可以包含有光电二极管202。

具体地，所述光电二极管202能够在受到外界光强激发的情况下，产生光生载流子，例如电子。所述光电二极管202能够通过离子注入工艺形成，而且，通过控制离子注入的能量和浓度，能够控制离子注入的深度和注入范围，从而控制光电二极管202的深度和厚度。

结合参照图5和图6，以所述图形化的掩膜层261(参照图4)为掩膜，对所述格栅材料层205(参照图4)进行刻蚀，以形成网格状的格栅结构204。

其中，所述格栅结构204具有至少一个第一格栅开口221以及多个第二格栅开口222，其中，所述第一格栅开口221的横截面面积为所述第二格栅开口222的横截面面积的预设倍数。

需要指出的是，所述第一格栅开口221在后续工艺中可以用于形成pdaf滤色镜，所述第二格栅开口222在后续工艺中可以用于形成非pdaf滤色镜。因此可以根据具体需要确定第一格栅开口221的横截面面积。

优选地，所述预设倍数可以为4倍。所述多个第二格栅开口222全包围所述第一格栅开口221；其中，与每个第一格栅开口221相邻的多个第二格栅开口222的数量为12个。

在具体实施中，可以设置每个pdaf滤色镜与周围的单光滤色镜采用4个拜耳阵列的排列方式。

如图6所示，与每个第一格栅开口221相邻的多个第二格栅开口222可以被分为4组，每组第二格栅开口222内的单光滤色镜可以包含有一个红光滤色镜、一个蓝光滤色镜以及一个绿光滤色镜。

其中，红光滤色镜、蓝光滤色镜、绿光滤色镜以及第一格栅开口内的pdaf滤色镜的四分之一可以视为一个拜耳(bayer)阵列，由于现有技术中拜耳阵列被广泛应用与图形传感器，相比于采用其他的排列方式，采用本发明实施例中的方案，有助于提高与现有工艺的适配性，且每组第二格栅开口222内均有红光滤色镜、蓝光滤色镜以及绿光滤色镜，有助于尽可能降低对成像效果的影响。

结合参照图7和图8，图7是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中部分步骤对应的器件剖面结构示意图，图8是图7示出的图像传感器的俯视图，图7是图8沿切割线c1-c2的剖面图。

在所述格栅结构的格栅开口内形成滤色镜结构，所述滤色镜结构包括至少一个pdaf滤色镜211以及多个单光滤色镜，所述pdaf滤色镜与所述第一格栅开口221(参照图6)一一对应且位于对应的第一格栅开口221内，所述单光滤色镜位于所述第二格栅开口222(参照图6)内。

进一步地，可以设置所述pdaf滤色镜211的材料为绿光滤色镜的材料；在所述格栅结构的格栅开口内形成多个滤色镜结构的工艺可以包括：形成绿光滤色镜的材料层，所述绿光滤色镜的材料层覆盖所述网格状的格栅结构的格栅开口以及所述半导体衬底的表面；保留所述第一格栅开口221内以及一部分第二格栅开口222内的绿光滤色镜；在剩余部分第二格栅开口222内形成其他的单光滤色镜。

其中，在保留所述第一格栅开口221内以及一部分第二格栅开口222内的绿光滤色镜的过程中，可以对待保留的绿光滤色镜进行光线照射，以硬化所述待保留的绿光滤色镜。

在本发明实施例中，所述pdaf滤色镜的材料为绿光滤色镜的材料，有助于在不增加工艺步骤和生产成本的前提下实现本发明。

如图8所示，与每个pdaf滤色镜211相邻的单光滤色镜被分为4组；例如第一组可以包含有一个红光滤色镜213、一个蓝光滤色镜215以及一个绿光滤色镜214，第二组可以包含有一个红光滤色镜216、一个蓝光滤色镜218以及一个绿光滤色镜217。

在本发明实施例中，由于每组单光滤色镜中均有红光滤色镜、蓝光滤色镜以及绿光滤色镜，有助于尽可能降低对成像效果的影响。其中，所述预设倍数为4倍，所述多个第二格栅开口全包围所述第一格栅开口，与每个第一格栅开口相邻的多个第二格栅开口的数量为12个，从而可以使得每个pdaf滤色镜与周围的单光滤色镜有机会形成拜耳阵列，以提高与现有工艺的适配性。

进一步地，与每个第一格栅开口221相邻的多个第二格栅开口内的单光滤色镜在所述半导体衬底200表面的投影可以为中心对称分布，且中心点为所述第一格栅开口221的中心在所述半导体衬底200表面的投影。

在本发明实施例中，相比于设置单光滤色镜随机排列，或者设置为轴对称分布，通过设置单光滤色镜为中心对称分布，有助于使得各种光线对应的单光滤色镜的位置更加分散且均匀，从而有助于更好的摄取不同位置、不同角度入射的光线，提高成像质量。

图9是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中部分步骤对应的器件剖面结构示意图。

参照图9，在所述滤色镜结构的表面形成透镜结构208，所述透镜结构208可以与光电二极管202一一对应；进一步地，可以在所述透镜结构208的表面形成pdaf透镜结构209。

具体地，由于在pdaf滤色镜组211内，未设置格栅结构204，因此入射的光线a、b和c均不会被阻挡。

相比于图1示出的光线路径a、b、c，采用本发明实施例的方案，可以使得通过两个pdaf滤色镜的光线差异较大。例如在图9中，光线a和b均可以完全入射并进入光电二极管202，光线c经过反射后也有机会进入光电二极管202，从而使得进入多个光电二极管202的光线差异随着光线的入射角的增大而增大。例如远离入射光方向的光电二极管202可以接收到更多的入射光。

其中，所述多个光电二极管202可以为位于同一pdaf滤色镜下方的4个光电二极管202。

在本发明实施例中，通过设置pdaf滤色镜位于横截面面积较大的第一格栅开口内，可以实现以较大面积的pdaf滤色镜进行光线采集以形成聚焦光斑，相比现有技术中pdaf滤色镜组的各个滤色镜之间存在有金属格栅，导致通过两个pdaf滤色镜后，进入两个光电二极管的光线差异较小，采用本发明实施例的方案，可以有效的降低金属格栅对光线的阻挡问题，使得穿过pdaf滤色镜组进入光电二极管的光线能够真实体现光线入射角度的差异，提高角度响应，提高pdaf的工作效果。

在本发明实施例中，还公开了另一种图像传感器。

参照图10，图10是本发明实施例中另一种图像传感器的俯视图。

在图10示出的图像传感器中，所述第一格栅开口的横截面面积为所述第二格栅开口的横截面面积的2倍，所述多个第二格栅开口半包围所述第一格栅开口，其中，与每个第一格栅开口相邻的多个第二格栅开口的数量为6个。

具体地，每个第一格栅开口中包含有pdaf滤色镜311，与每个第一格栅开口相邻的多个第二格栅开口被分为2组，每组第二格栅开口内的单光滤色镜包含有一个红光滤色镜313、一个蓝光滤色镜315以及一个绿光滤色镜314。

在具体实施中，可以将多个图10示出的结构进行拼接，以在更大范围内形成滤色镜结构。

进一步地，在进行拼接时，可以直接进行拼接，还可以进行镜像翻转或者旋转后进行拼接，以提供更多应用可能性。

在本发明实施例中，通过设置pdaf滤色镜位于横截面面积较大的第一格栅开口内，可以实现以较大面积的pdaf滤色镜进行光线采集以形成聚焦光斑，相比现有技术中pdaf滤色镜组的各个滤色镜之间存在有金属格栅，导致通过两个pdaf滤色镜后，进入两个光电二极管的光线差异较小，采用本发明实施例的方案，可以有效的降低金属格栅对光线的阻挡问题，使得穿过pdaf滤色镜组进入光电二极管的光线能够真实体现光线入射角度的差异，提高角度响应，提高pdaf的工作效果。

在本发明实施例中，还公开了一种图像传感器，参照图8，可以包括：半导体衬底200(参照图7)；多个网格状的格栅结构204，位于所述半导体衬底200的表面，每个格栅结构204具有至少一个第一格栅开口以及多个第二格栅开口，其中，所述第一格栅开口的横截面面积为所述第二格栅开口的横截面面积的预设倍数，且所述多个第二格栅开口全包围或半包围所述第一格栅开口；多个滤色镜结构，每个滤色镜结构包括至少一个pdaf滤色镜211以及多个单光滤色镜，所述pdaf滤色镜211与所述第一格栅开口一一对应且位于对应的第一格栅开口内，所述单光滤色镜位于所述第二格栅开口内。

进一步地，所述预设倍数为4倍，所述多个第二格栅开口全包围所述第一格栅开口；其中，与每个第一格栅开口相邻的多个第二格栅开口的数量为12个。

进一步地，与每个第一格栅开口相邻的多个第二格栅开口被分为4组，每组第二格栅开口内的单光滤色镜包含有一个红光滤色镜213、一个蓝光滤色镜215以及一个绿光滤色镜214。

进一步地，与每个第一格栅开口相邻的多个第二格栅开口内的单光滤色镜在所述半导体衬底表面的投影为中心对称分布，且中心点为所述第一格栅开口的中心在所述半导体衬底表面的投影。

进一步地，所述预设倍数为2倍，所述多个第二格栅开口半包围所述第一格栅开口；其中，与每个第一格栅开口相邻的多个第二格栅开口的数量为6个。

进一步地，与每个第一格栅开口相邻的多个第二格栅开口被分为2组，每组第二格栅开口内的单光滤色镜包含有一个红光滤色镜、一个蓝光滤色镜以及一个绿光滤色镜。

进一步地，所述pdaf滤色镜211的材料可以为绿光滤色镜的材料。

关于该图像传感器的原理、具体实现和有益效果请参照前文及图3至图10示出的关于图像传感器的形成方法的相关描述，此处不再赘述。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。