图像感测装置的制作方法

1.本专利文档中公开的技术和实现总体上涉及图像感测装置。


背景技术：

2.图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的半导体装置。随着计算机行业和通信行业的不断发展，在例如智能电话、数码相机、游戏机、物联网(iot)、机器人、监控相机、医疗微型相机等中，对高质量和高性能图像感测装置的需求已迅速增加。
3.为了使用图像传感器获取三维(3d)图像，需要3d图像的颜色信息以及对象物与图像传感器之间的距离(或深度)。
4.用于获取关于对象物与图像传感器之间的距离的信息的方法可以分类为被动方法和主动方法。
5.被动方法可以仅使用对象物的图像信息来计算对象物与图像传感器之间的距离，而不向对象物发射光。被动方法可以应用于立体相机。
6.主动方法可以分类为三角测量法、飞行时间(tof)法等。在已经从与图像传感器间隔开预定距离的光源(例如，激光源)发射光之后，三角测量法可以感测从对象物反射的光，并且可以使用感测结果来计算对象物与图像传感器之间的距离。在已经从光源向对象物发射光之后，tof方法可以测量光从对象物反射并返回到图像传感器的持续时间，从而tof方法可以使用测量结果计算对象物与图像传感器之间的距离。
7.图像传感器可以分类为基于ccd(电荷耦合器件)的图像传感器和基于cmos(互补金属氧化物半导体)的图像传感器。cmos图像传感器可以制造为比ccd图像传感器具有更低功耗、更低生产成本和更小尺寸。cmos图像传感器已广泛用于移动装置，例如智能电话、数码相机等。


技术实现要素：

8.所公开的技术涉及测量诸如从图像感测装置到对象物的距离之类的深度信息的图像感测装置。所公开的技术的一些实施方式能够通过延迟入射光在像素阵列的一定区域处的到达时间并增加入射光到达像素阵列中的时间差，来提供深度/距离信息的更准确测量。
9.根据所公开的技术的实施方式，图像感测装置可以包括像素阵列，像素阵列包括沿第一方向和与第一方向交叉的第二方向布置的单位像素块，每个单位像素块被配置为响应于从对象物反射的入射光而生成像素信号。单位像素块可以包括：被配置为在第一到达时间接收入射光的一部分并响应于入射光而生成第一像素信号的第一像素；以及被配置为在第二到达时间接收入射光的另一部分并响应于入射光而生成第二像素信号的第二像素。第二到达时间晚于第一到达时间。
10.根据所公开的技术的另一实施方式，图像感测装置可以包括：半导体基板，半导体基板包括第一表面和面对第一表面的第二表面，并被配置为包括响应于入射在第一表面上
的光而生成第一像素信号的第一光电转换元件和响应入射在第一表面上的光而生成第二像素信号的第二光电转换元件；以及光延迟膜，光延迟膜设置在第一表面上方并被配置为降低光在光延迟膜中通过的传播速度。光延迟膜可以设置在第二光电转换元件上方而不设置在第一光电转换元件上方。
11.应当理解，所公开的技术的前述概括描述和以下详细描述都是示例性和解释性的，并且旨在提供对所要求保护的本公开的进一步解释。
附图说明
12.当结合附图参照以下详细描述时，所公开的技术的上述和其他特征以及有益方面将变得显而易见。
13.图1是例示基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置的框图的示例。
14.图2是例示基于所公开的技术的一些实现的图1所示的像素阵列的图的示例。
15.图3是例示基于所公开的技术的一些实现的沿着图2所示的线x-x'截取的像素阵列的截面图的示例。
16.图4是例示基于所公开的技术的一些实现的沿图2所示的线x-x'截取的像素阵列的截面图的示例。
17.图5是例示基于所公开的技术的一些实现的沿图2所示的线x-x'截取的像素阵列的截面图的示例。
18.图6是例示基于所公开的技术的一些实现的图1所示的像素阵列的图的示例。
19.图7是例示基于所公开的技术的一些实现的图1所示的像素阵列的图的示例。
具体实施方式
20.现在将详细参照一些实施方式，其示例在附图中示出。将尽可能在所有附图中使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。在以下描述中，将省略在本文中并入的相关已知配置或功能的详细描述，以避免使主题变得模糊。
21.图1是例示基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置的框图的示例。
22.参照图1，图像感测装置可以使用飞行时间(tof)技术来测量到对象物1的距离。图像感测装置可以包括光源100、透镜模块200、像素阵列300和控制电路400。
23.一旦从控制电路400接收到时钟信号mls，光源100可以向对象物1发射光。光源100可以是用于发射红外光或可见光的激光二极管(ld)或发光二极管(led)，或者可以是近红外激光(nir)、点光源、与白灯或单色仪组合的单色光源以及其他激光光源的组合中的任何一种。例如，光源100可以发射波长为800至1000nm的红外光。尽管为了便于描述，图1仅示出了一个光源100，但是可以有其他实现。例如，也可以在透镜模块200附近布置多个光源。
24.透镜模块200可以收集从对象物1反射的光，并且可以使所收集的光会聚在像素阵列300的像素(px)上。透镜模块200可以包括具有由玻璃或塑料形成的表面的会聚透镜或具有由玻璃或塑料形成的表面的其他圆柱光学元件。透镜模块200可以包括具有凸结构的会聚透镜。
25.像素阵列300可以包括布置成二维(2d)结构的多个单位像素块(pb)，在2d结构中单位像素块沿第一方向和与第一方向交叉的第二方向布置。在一些实现中，第二方向可以
垂直于第一方向。每个单位像素块(pb)可以包括多个单位像素，每个单位像素响应于已经从对象物1反射然后通过透镜模块200接收的光而输出像素信号。在这种情况下，像素信号可以指示从图像感测装置到对象物1的距离，而不是对象物1的颜色。
26.根据本实施方式的每个单位像素块(pb)可以包括被布置为在空间上彼此毗邻或相邻的正常像素和延迟像素。在一些实现中，入射光从对象物到正常像素的光路以及从对象物到延迟像素的光路被配置为彼此不同。例如，正常像素可以是使入射光无任何修改地通过光传播路径到达其光电转换元件的像素。因此，从对象物到正常像素的光传播路径可以与传统tof像素的相同。与正常像素不同，从对象物到延迟像素的光传播路径可以被修改，使得入射光到达延迟像素中的光电转换元件的到达时间被延迟以预定时间。因此，入射光在正常像素和延迟像素处的到达时间彼此不同。稍后将参照相关附图更详细地描述正常像素和延迟像素。
27.控制电路400可以通过控制光源100来向对象物1发射光，可以通过驱动像素阵列300的单位像素(px)处理与从对象物1反射并然后入射到像素阵列300上的光相对应的每个像素信号，并且可以测量到对象物1的表面的距离(或深度)。
28.控制电路400可以包括行解码器410、光源驱动器420、定时控制器430、光电栅控制器440和逻辑电路450。
29.行解码器410可以响应于从定时控制器430生成的定时信号来驱动像素阵列300的单位像素(px)。例如，行解码器410可以生成能够选择多条行线中的至少一条的控制信号。控制信号可以包括用于控制选择晶体管的选择信号和用于控制传输栅极的传输(tx)信号。
30.光源驱动器420可以响应于来自定时控制器430的控制信号而生成能够驱动光源100的时钟信号mls。光源驱动器42可以将时钟信号mls或关于时钟信号mls的信息提供给光电栅控制器440。
31.定时控制器430可以生成定时信号以控制行解码器410、光源驱动器420、光电栅控制器440和逻辑电路450。
32.光电栅控制器440可以响应于定时控制器430的控制信号而生成光电栅控制信号，并且可以将光电栅控制信号提供给像素阵列300。尽管为了便于描述，图1仅例示了光电栅控制器440，但是控制电路400可以包括光电二极管控制器，该光电二极管控制器响应于定时控制器430的控制信号而生成多个光电二极管控制信号，然后将光电二极管控制信号发送至像素阵列300。
33.逻辑电路450可以在定时控制器430的控制下处理从像素阵列300接收的像素信号，并且因此可以计算出到对象物1的距离。例如，逻辑电路450可以测量自从光源100发射光开始到生成像素信号所花费的时间。从光源100发射的光从对象物1反射并到达单位像素的光电转换元件，并且一旦光到达光电转换元件，生成像素信号。逻辑电路450可以通过计算毗邻或相邻的单位像素之间的时间差来计算到对象物1的距离。
34.对于正常像素，逻辑电路450可以使用实际检测到正常像素的像素信号(正常像素信号)的检测时间作为光到达时间。对于延迟像素，逻辑电路450可以使用实际检测到延迟像素的像素信号(延迟像素信号)的检测时间与预定延迟时间相减所获得的时间作为光到达时间。因此，根据本实施方式的像素阵列300具有能够有意地延迟每个延迟像素的光到达时间的特定结构，使得逻辑电路450能够在延迟像素的信号处理期间补偿延迟的光到达时
间。
35.逻辑电路450可以包括用于对从像素阵列300所生成的像素信号执行相关双采样(cds)的相关双采样器(cds)电路。此外，逻辑电路450可以包括用于将cds电路的输出信号转换为数字信号的模数转换器(adc)。
36.图2是例示图1所示的像素阵列的图的示例。
37.参照图2，像素阵列300a可以包括沿第一方向(例如，x轴方向)和垂直于第一方向的第二方向(例如，y轴方向)布置的多个单位像素块(pba)。单位像素块彼此布置为沿第一方向和第二方向彼此相邻。每个单位像素块(pba)可以包括被布置为沿第一方向在空间上彼此毗邻或相邻的正常像素(pxn)和延迟像素(pxd)。例如，每个单位像素块(pba)可以包括一个正常像素(pxn)和一个延迟像素(pxd)沿第一方向彼此毗邻或相邻地布置的(2
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1)阵列结构。
38.正常像素(pxn)和延迟像素(pxd)彼此不同之处在于，从对象物反射的光在彼此不同的时间到达正常像素(pxn)和延迟像素(pxd)的对应光电转换元件。例如，在正常像素(pxn)的光电转换元件接收到从对象物反射的光之后，延迟像素(pxd)的光电转换元件接收到从对象物反射的光。例如，当入射光从对象物朝向像素阵列300a反射时，至正常像素(pxn)和延迟像素(pxd)的光路被设计为使入射光到达正常像素(pxn)和延迟像素(pxd)的时间彼此不同。正常像素(pxn)可以表示入射光没有任何修改地到达光电转换元件的像素。例如，入射光通过与传统tof传感器相同的光传播路径到达正常像素(pxn)。与正常像素(pxn)不同，延迟像素(pxd)可以表示光以降低的光传播速度进行传送的像素。例如，延迟像素(pxd)与用于有意地降低光传播速度的光延迟膜(或结构)一起设置。可以在对象物和延迟像素(pxd)中的光电转换元件之间的光传播路径处形成光延迟膜。根据本实施方式的图像感测装置的特征在于单位像素阵列300a包括单位像素块(pba)，单位像素块(pba)包括正常像素(pxn)和延迟像素(pxd)。
39.根据本实施方式的像素阵列300a可以包括分别不具有光延迟膜的正常像素(pxn)和分别具有光延迟膜的延迟像素(pxd)。单位像素块(pba)的正常像素(pxn)和延迟像素(pxd)沿第一方向布置。在包括多个单位像素块的像素阵列中，正常像素(pxn)和延迟像素(pxd)沿第一方向交替地布置，而相同类型的像素沿第二方向重复布置。
40.图3是例示基于所公开的技术的一些实现的沿图2所示的线x-x'截取的像素阵列的截面图的示例。
41.参照图3，单位像素块(pba)可以包括透光层310和基板层320。
42.透光层310可以允许从对象物1反射的光通过基板层320的第一表面入射到半导体基板322中包含的光电转换元件324上。透光层310可以包括顺序地层叠在半导体基板322的第一表面上的抗反射膜312、光延迟膜314和透镜层316。尽管本实施方式被描述为包括抗反射膜312和光延迟膜314，但是光延迟膜314可以以其他配置来实现。
43.抗反射膜312可以由例如氮氧化硅(sion)、碳化硅(sic)、碳氮化硅(sicn)或碳氧化硅(sico)形成或包括例如氮氧化硅(sion)、碳化硅(sic)、碳氮化硅(sicn)或碳氧化硅(sico)。光延迟膜314可以被配置为降低入射在延迟像素(pxd)上的光的传播速度，并且因此可以将到达光电转换元件324的光到达时间延迟预定时间。光延迟膜314可以不形成在正常像素(pxn)区中，而可以仅形成在延迟像素(pxd)区中。光延迟膜314可以包括在透镜层
316中。
44.通过光延迟膜314的光路长度确定了光穿过膜314的时间延迟，并且通常与膜314的折射率和膜314的厚度成比例。光延迟膜314可以包括具有高折射率的一种或更多种高介电常数材料膜或高磁导率(permeability)材料膜。例如，合适的高介电常数材料膜可以包括氧化铝(al2o3)、氧化铪(hfo2)、氧化锆(zro2)、硅酸铪(hfsio、hfsio4)、硅酸锆(zrsio)、氧化钇(y2o3)、氧化钽(ta2o5)或氧化钛(tio2)中的至少一种。高磁导率材料膜可以包括铁磁材料。
45.光的传播速度可以与介电常数(ε)和磁导率(μ)的乘积的根成反比。由于光延迟膜314包括高介电常数材料或高磁导率材料中的至少一种，因此在延迟像素(pxd)中光的传播速度由于光延迟膜314而变慢。因此，从对象物1反射的光(ld)可以通过光延迟膜314以预定时间的时间延迟到达延迟像素(pxd)。在一些实现中，可以基于光延迟膜314的厚度、光延迟膜314的材料的介电常数或磁导率来调整光(ld)的延迟时间。可以基于光延迟膜314的性质预先计算光的延迟时间(ld)。
46.基板层320可以包括半导体基板322，该半导体基板322具有第一表面和面对该第一表面的第二表面。透光层310可以形成在第一表面上。半导体基板322可以包括多个光电转换元件324。半导体基板322中所包含的光电转换元件324可以将光学信号或入射光转换为电信号(例如，像素信号)。光电转换元件可以包括例如光电二极管、光电晶体管、光电栅或能够将光转换成像素信号(例如，电荷、电压或电流)的其他光敏电路。
47.布线层330可以形成在基板层320的第二表面上方。布线层330可以包括层间绝缘膜332和在层间绝缘膜332内层叠为多层的金属布线334。金属布线334中的每条可以包括铝(al)、铜(cu)或钨(w)中的至少一种。金属布线334可以包括用于传输在基板层320中生成的像素信号和生成像素信号所需的控制信号的线。
48.基于以下原因，仅在延迟像素(pxd)中设置光延迟膜314能够提供更准确的深度/距离测量。
49.假设对象物1的表面的相邻区域之间的深度差非常小。由于对象物1的相邻区域中的深度差非常小，因此从对象物1的那些相邻区域反射的光几乎同时到达像素阵列的光电转换元件，并且难以物理地检测到从对象物1的相邻区域反射的光的到达时间的这种差异。为了检测对象物1的两个区域之间的这种小的深度(或距离)差，来自对象物1的反射光所到达的光电转换元件需要在接收到反射光之后立即反应并进而生成像素信号。然而，提供对入射光具有如此高的灵敏度的光电转换元件存在一些限制。例如，为了使每个光电转换元件以高灵敏度对入射光做出反应，每个光电转换元件需要具有足够的尺寸，这使得难以实现高集成度。
50.代替增加像素阵列中光电转换元件的尺寸，根据本实施方式的图像感测装置设计为增加从对象物1的不同区域反射的入射光的到达时间的差。例如，降低了入射到延迟像素(pxd)上的光的传播速度，因此与光在正常像素(pxn)处的到达时间相比，光在延迟像素(pxd)上的到达时间被延迟。凭借到达延迟像素(pxd)的时间延迟，入射光在正常像素(pxn)和延迟像素(pxd)处的到达时间变得显著不同足以识别对象物1的深度差。因此，变得更容易识别光到达正常像素(pxn)的第一光到达时间和光到达延迟像素(pxd)的第二光到达时间之间的差。
51.逻辑电路450被配置为包括逻辑电路450，以基于入射光的到达时间的扩展差进行调整，以计算从图像感测装置到对象物1的最终距离。
52.例如，可以基于光延迟膜314的特性预先计算由光延迟膜314生成的延迟时间。在计算到对象物1的最终距离时，像传统tof传感器一样，逻辑电路450可以使用实际检测到正常像素信号的检测时间作为光到达时间。关于延迟像素(pxd)，逻辑电路450可以使用实际检测到延迟像素信号的检测时间与预定延迟时间相减而得到的时间作为光到达时间。对于延迟像素(pxd)，光到达时间是检测时间减去预定延迟时间。
53.由此，根据本实施方式的图像感测装置在不增加光电转换元件的尺寸的情况下甚至能够检测小的距离差。
54.图4是例示基于所公开的技术的一些实现的沿图2所示的线x-x'截取的像素阵列的截面图的示例。
55.参照图4，可以在透镜层316上方形成在透光层310'中使用的光延迟膜314'。
56.光延迟膜314'可以降低入射到延迟像素(pxd)上的光的传播速度。因此，入射光到达延迟像素(pxd)中的光电转换元件324的光到达时间可以被延迟预定时间。可以在从对象物到光电转换元件324的光传播路径中的任何位置形成光延迟膜314'。
57.图5是例示基于所公开的技术的一些实现的沿图2所示的线x-x'截取的像素阵列的截面图的示例。
58.在图3和图4中，光延迟膜314或314'应用于背侧照射(bsi)图像感测装置，在背侧照射(bsi)图像感测装置中，透光层310或310'形成在基板层320的第一表面上方并且布线层330形成在基板层320的面对第一表面的第二表面上方。
59.参照图5，光延迟膜336应用于其中透光层310”和布线层330'形成于基板层320的第一表面上方的前侧照射(fsi)图像感测装置。
60.在这种情况下，光延迟膜336可以位于延迟像素(pxd)区的布线层330'中。
61.图6是例示基于所公开的技术的一些实现的图1所示的像素阵列的图的示例。
62.参照图6，像素阵列300b可以包括沿第一方向和第二方向布置的多个单位像素块(pbb)。每个单位像素块(pbb)可以包括被布置为沿第二方向彼此毗邻或相邻的正常像素(pxn)和延迟像素(pxd)。例如，每个单位像素块(pbb)可以包括其中一个正常像素(pxn)和一个延迟像素(pxd)沿第二方向彼此毗邻或相邻地布置的(1
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2)阵列结构。
63.根据本实施方式的像素阵列300b可以包括分别不具有光延迟膜的正常像素(pxn)和分别具有光延迟膜的延迟像素(pxd)。正常像素(pxn)沿第一方向布置，并且延迟像素(pxd)沿第一方向布置。在本实施方式中，正常像素(pxn)和延迟像素(pxd)可以沿第二方向交替布置，而相同种类的单位像素沿第一方向连续布置。
64.图6所示的单位像素块(pbb)中所包含的正常像素(pxn)和延迟像素(pxd)在结构上可以与图3至图5相同。
65.图7是例示基于所公开的技术的一些实现的图6所示的像素阵列的图的示例。
66.参照图7，根据本实施方式的像素阵列300c可以包括沿第一方向和第二方向连续布置的多个单位像素块(pbc)。每个单位像素块(pbc)可以包括其中两个延迟像素(pxd)沿对角线方向布置并且两个正常像素(pxn)沿对角线方向布置的(2
×
2)阵列结构。
67.图7所示的单位像素块(pbc)中所包含的正常像素(pxn)和延迟像素(pxd)在结构
可以与图3至图5的相同。
68.从以上描述显而易见的是，根据所公开的技术的实施方式的图像感测装置能够更正确地测量到对象物的距离。
69.本领域技术人员将理解，在不脱离所公开的精神和实质特征的情况下，可以以不同于本文阐述的方式的其他特定方式来实现实施方式。因此，以上实施方式在所有方面都应解释为示例性的而非限制性的。除了组成部件和/或布置的变型和修改之外，替代使用对本领域技术人员也是显而易见的。
70.相关申请的交叉引用
71.本专利文档要求于2019年9月6日提交的韩国专利申请no.10-2019-0110727的优先权和权益，其通过引用整体合并于此，作为本专利文档的公开内容的一部分。