图像感测装置的制作方法

本专利文档中公开的技术和实现方式总体上涉及图像感测装置。

背景技术

图像传感器是用于通过使用对光作出反应的光敏半导体材料将光转换为电信号来捕获光学图像的装置。随着汽车、医疗、计算机和通信行业的发展，对于高性能图像传感器的需求在诸如智能电话、数码相机、摄像机、个人通信系统(PCS)、视频游戏控制台、IoT(物联网)、机器人、监控摄像头、医疗微型相机等的各种领域中增长。

技术实现要素：

所公开的技术的各种实施方式涉及一种包括下部像素阵列和上部像素阵列，并且允许足够量的光到达下部像素阵列的光电转换元件的图像感测装置。

根据所公开的技术的实施方式，图像感测装置可以包括第一像素阵列和第二像素阵列。第一像素阵列包括被连续地布置以通过入射光的光电转换来生成第一像素信号的多个第一单位像素。第二像素阵列被设置在第一像素阵列下方，并且包括被连续地布置以通过入射光的光电转换来生成第二像素信号的多个第二单位像素。第一单位像素被布置为在第一像素阵列中的相邻的第一单位像素之间具有均匀的间距。第二单位像素被布置为使得相邻的第二单位像素之间的间距在第二像素阵列中不相同。

应当理解，所公开的技术的前面的一般描述和以下详细描述都是说明性和解释性的，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

当结合附图考虑时，参考以下详细描述，所公开的技术的上述和其它特征和有益方面将变得显而易见。

图1是例示基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置的示例的框图。

图2是例示基于所公开的技术的一些实现方式的图1中所示的像素阵列的立体图。

图3是例示基于所公开的技术的一些实现方式的沿着图1中所示的线A-A’截取的像素阵列的示例的截面图。

图4是例示基于所公开的技术的一些实现方式的沿着图1中所示的线B-B’截取的像素阵列的示例的截面图。

图5是例示由可以在像素阵列的中央区域和边缘区域中生成的光量的不均衡引起的问题的截面图。

图6是例示基于所公开的技术的其它实现方式的沿着图1中所示的线B-B’截取的像素阵列的示例的截面图。

具体实施方式

所公开的技术的一些实现方式可以用于提供图像感测装置的设计，该图像感测装置包括在三维(3D)层叠结构中彼此层叠的不同像素阵列(例如，下部像素阵列和上部像素阵列)，以使得入射光首先由上部像素阵列接收并且入射光的一部分穿过上部像素阵列以到达下部像素阵列，以使得上部像素阵列和下部像素阵列操作以检测入射光。在三维(3D)层叠结构中的层叠的不同像素阵列的使用允许足够量的光到达下部像素阵列的光电转换元件。

图1是例示基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置的示例的框图。图2是例示基于所公开的技术的一些实现方式的图1中所示的像素阵列100的示例布局的示意图。

参照图1和图2，图像感测装置可以包括像素阵列100，像素阵列100包括作为示例的两个层叠的像素阵列、相关双采样器(CDS)200、模数转换器(ADC)300、缓冲器400、行驱动器500、定时发生器600、控制寄存器700和斜坡信号发生器800。如图1中所示，每个像素阵列可以包括具有不同颜色(例如，红色(R)、绿色(G)和蓝色(B))的滤色器的滤色器阵列，这些滤色器被布置为合适的滤色器图案以适当地捕获待成像的场景或物体的颜色信息。

如图2中所示，像素阵列100的该示例包括彼此垂直间隔开并且横向交叠以共同检测入射光的上部像素阵列110u和下部像素阵列110d。上部像素阵列110u可以包括连续地布置为其中上部单位像素(PXu)在行方向和列方向上布置的二维(2D)结构的多个上部单位像素(PXu)。下部像素阵列110d可以包括连续地布置为其中下部单位像素(PXd)在行方向和列方向上布置的二维(2D)结构中的多个下部单位像素(PXd)。上部单位像素(PXu)和下部单位像素(PXd)可以包括被配置为通过从外部接收的入射光的光电转换来生成光电荷的多个光电转换元件和被配置为输出与由光电转换元件生成的光电荷相对应的电信号(即，像素信号)的多个像素晶体管。上部单位像素(PXu)可以包括被配置为分别通过红色可见光、绿色可见光和蓝色可见光的光电转换而生成对应的像素信号(例如，第一像素信号)的红色像素、绿色像素和蓝色像素。红色像素、绿色像素和蓝色像素可以被布置为拜耳图案。下部单位像素(PXd)可以包括通过具有比红色可见光、绿色可见光和蓝色可见光的波长更长的波长的光(例如，红外(IR)光)的光电转换而生成像素信号(例如，第二像素信号)的红外(IR)像素。另选地，下部单位像素(PXd)可以包括以与上部单位像素(PXu)相同的方式布置为拜耳图案的红色像素、绿色像素和蓝色像素。因此，基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置可以具有包括诸如上部像素阵列和下部像素阵列之类的不同像素阵列的层叠结构。在一些实现方式中，上部像素阵列和下部像素阵列可以包括相同类型的像素，并且在其它实现方式中，上部像素阵列和下部像素阵列可以包括不同类型的像素。可以基于要由特定像素阵列检测的入射光的波长或光谱(例如，像素阵列是用于响应于可见光还是用于响应于红外或远红外光谱范围中的光而生成像素信号)来选择像素的类型。

上部单位像素(PXu)和下部单位像素(PXd)可以一一对应地形成。如图2可见，虽然上部单位像素(PXu)可以以均匀间距或空间间隔在行方向和列方向上布置，但下部单位像素(PXd)可以被布置为使得相邻单位像素之间的间距可以随位置而改变。例如，相邻单位像素之间的距离(或间隔)可以在从下部像素阵列110d的中央到下部像素阵列110d的边缘的方向上逐渐增加。在该变化像素间距的一个实现方式中，相邻下部单位像素(PXd)之间的距离(即，器件隔离结构的宽度)可以在从下部像素阵列110d的中央到边缘的方向上响应于主光线角度(CRA)而逐渐增加，或者可以在从下部像素阵列110d的中央到边缘的方向上以预定区域为单位逐渐增加。

上部互连结构120u可以联接到上部单位像素(PXu)。下部互连结构120d可以联接到下部单位像素(PXd)。上部互连结构120u和下部互连结构120d可以形成在上部像素阵列110u和下部像素阵列110d之间。在一些实现方式中，上部互连结构和下部互连结构中的每一个可以被实现为互连层或互连线。例如，上部互连结构和下部互连结构中的每一个可以包括导线。在本专利文档中，上部互连结构和下部互连结构被称为上部互连层和下部互连层。但是其它实现方式也是可能的。

相关双采样器(CDS)200可以对从像素阵列100的单位像素PXu和PXd接收的像素信号进行采样。例如，相关双取样器(CDS)200可以响应于从定时发生器600接收的时钟信号而执行对所接收的像素信号的电压电平和参考电压电平的采样，并且可以将与所接收的像素信号的电压电平和参考电压电平之间的差相对应的模拟信号发送到模数转换器(ADC)300。

模数转换器(ADC)300可以将从斜坡信号发生器800接收的斜坡信号与从相关双采样器(CDS)200接收的采样信号进行比较，并且因此可以输出指示斜坡信号与采样信号之间的比较结果的比较信号。模数转换器(ADC)300可以响应于从定时发生器600接收的时钟信号来对比较信号的电平转换时间进行计数，并且可以将指示所计数的电平转换时间的计数值输出到缓冲器400。

缓冲器400可以存储从模数转换器(ADC)300接收的每个数字信号，可以感测并放大每个数字信号，并且可以输出每个经放大的数字信号。

行驱动器500可以响应于定时发生器600的输出信号而使能或驱动像素阵列100。例如，行驱动器500可以向像素阵列100输出用于控制包含在单位像素PXu和PXd中的晶体管的操作的驱动信号，并且可以以行线为单位驱动单位像素PXu和PXd。

定时发生器600可以生成定时信号以控制行驱动器500、相关双采样器(CDS)200、模数转换器(ADC)300和斜坡信号发生器800。

控制寄存器700可以生成控制信号以控制斜坡信号发生器800、定时发生器600和缓冲器400。

斜坡信号发生器800可以响应于控制寄存器700的控制信号和从定时发生器600接收的定时信号而生成用于控制模数转换器(ADC)300的输出信号的斜坡信号。

图3是例示沿着图1中所示的线A-A’截取的像素阵列的示例的截面图。图4是例示沿着图1中所示的线B-B’截取的像素阵列的示例的截面图。

参照图3和图4，像素阵列100可以包括下部像素阵列110d、下部互连层120d、上部像素阵列110u、上部互连层120u、滤色器层130和透镜层140。

下部像素阵列110d可以包括下部基板112d、多个下部光电转换元件114d、多个下部像素晶体管116d和多个下部器件隔离结构118d。

下部基板112d可以包括半导体基板。半导体基板可以包括光入射在其上的第一表面和与第一表面相对或相反的第二表面。下部光电转换元件114d可以形成在下部基板112d中。下部光电转换元件114d可以通过入射在第一表面上的光的光电转换来生成光电荷。下部像素晶体管116d可以生成与由下部光电转换元件114d生成的光电荷相对应的像素信号(例如，第二像素信号)。下部像素晶体管116d可以形成在下部基板112d的第一表面上方，并且可以通过形成在下部互连层120d中的下部导线124d联接到相关双采样器(CDS)200或行驱动器500。下部基板112d中彼此相邻的下部单位像素(PXd)的下部光电转换元件114d可以通过下部器件隔离结构118d彼此隔离。每个下部器件隔离结构118d可以包括通过用绝缘材料填充沟槽而形成的沟槽隔离结构，或者可以包括通过注入杂质而形成的结隔离结构。与上部器件隔离结构118u不同，根据形成在下部像素阵列110d中的下部器件隔离结构118d的位置，下部器件隔离结构118d可以被形成为具有不同的宽度。例如，下部器件隔离结构118d可以形成为在从下部像素阵列110d的中央到下部像素阵列110d的边缘的方向上逐渐增加宽度。下部互连层120d可以在被设置在下部像素阵列110d与上部像素阵列110u之间的同时被设置在下部基板112d的第一表面上方。下部互连层120d可以被形成为接触上部互连层120u。下部互连层120d可以包括下部层间绝缘层122d和形成在下部层间绝缘层122d中的下部导线124d。下部导线124d可以联接到下部像素晶体管116d，并且可以被布置为不与下部光电转换元件114d垂直交叠。

上部像素阵列110u可以包括上部基板112u、多个光电转换元件114u、多个上部像素晶体管116u和多个上部器件隔离结构118u。

上部基板112u可以包括半导体基板。半导体基板可以包括光入射在其上的第一表面和与第一表面相对或相反的第二表面。上部光电转换元件114u可以形成在上部基板112u中。上部光电转换元件114u可以通过入射在第一表面上的光的光电转换来生成光电荷。上部像素晶体管116u可以生成与由上部单位像素(PXu)的上部光电转换元件114u生成的光电荷相对应的像素信号(例如，第一像素信号)。上部像素晶体管116u可以形成在上部基板112u的第二表面上方，并且可以通过形成在上部互连层120u中的上部导线124u联接到相关双采样器(CDS)200或行驱动器500。上部基板112u中彼此相邻的上部单位像素(PXu)的上部光电转换元件114u可以通过上部器件隔离结构118u彼此隔离。每个上部器件隔离结构118u可以包括通过用绝缘材料填充沟槽而形成的沟槽隔离结构，或者可以包括通过注入杂质形成的结隔离结构。上部器件隔离结构118u可以被形成为在上部像素阵列110u的中央区域和边缘区域中具有相同的宽度。

上部互连层120u可以在被设置在下部像素阵列110d与上部像素阵列110u之间的同时被设置在上部基板112u的第二表面上方。上部互连层120u可以形成为接触下部互连层120d。上部互连层120u可以包括上部层间绝缘层122u和形成在上部层间绝缘层122u中的上部导线124u。上部导线124u可以联接到上部像素晶体管116u，并且可以被布置为不与上部光电转换元件114u垂直交叠。

滤色器层130包括覆盖下面的感光元件的不同滤色器，并且不同滤色器的空间布置被设计为在相邻像素中使用不同滤色器来过滤入射光，以捕获要成像的场景或物体的颜色信息。合适的滤色器布置之一是包括全部滤色器的50％为绿色(G)、全部滤色器的25％为蓝色(B)并且全部滤色器的25％为红色(R)的不同滤色器的拜耳滤色器阵列。参照图1中的示例，像素阵列100的中央包括基于拜耳颜色布置在对角像素位置处具有两个绿色滤色器并且在另一对角像素位置处具有红色滤色器和蓝色滤色器的4×4像素块。在实现拜耳滤色器阵列时，相同行或列中的两个相邻滤色器可以为不同颜色，或者另选地，为相同颜色。用于在行或列中放置相同颜色的相邻滤色器的拜耳滤色器阵列的一个特定实现方式是四拜耳像素结构，其中作为基本构建块的4像素块的相邻2×2个像素为相同的颜色，同时通过使全部4像素滤色器块的50％为绿色(G)、全部4像素滤色器块的25％为蓝色(B)和全部4像素滤色器块的25％为红色(R)来实现拜耳颜色布置。例如，这种四拜耳像素结构的一个示例可以包括一个4像素块的蓝色滤色器、一个4像素块的红色滤色器和两个4像素块的绿色滤色器的4×4 4像素块图案。

滤色器层130可以形成在上部基板112u的第一表面上方。滤色器层130可以包括多个红色滤色器(R)、多个绿色滤色器(G)和多个蓝色滤色器(B)。滤色器R、G和B可以被布置为拜耳图案。红色滤色器(R)可以包括包含红色颜料的聚合物有机材料，绿色滤色器(G)可以包括包含绿色颜料的聚合物有机材料，并且蓝色滤色器(B)可以包括包含蓝色颜料的聚合物有机材料。例如，红色滤色器(R)可以包括包含红色颜料的抗蚀剂材料，绿色滤光器(G)可以包括包含绿色颜料的抗蚀剂材料，并且蓝色滤色器(B)可以包括包含蓝色颜料的抗蚀剂材料。可以在滤色器之间形成用于防止相邻滤色器之间的串扰的栅格结构。

透镜层140可以形成在滤色器层130上方。透镜层140可以包括外覆层142和多个微透镜144。外覆层142和微透镜14可以由相同材料形成。外覆层142可以用作平坦化层以补偿(或去除)由滤色器层130引起的阶梯差。微透镜144可以形成在外覆层142上方。每个微透镜144可以被形成为半球形形状。微透镜144可以会聚入射光，并且可以将经会聚的光传输到对应的光电转换元件114u和114d。微透镜144可以根据其位置移位以与主光线角度(CRA)相对应。

上部光电转换元件114u和下部光电转换元件114d可以一一对应地形成。在一些实现方式中，虽然上部光电转换元件114u可以以均匀间隔布置在上部像素阵列110u中，但是下部光电转换元件114d可以以不同间隔布置在下部像素阵列110d中，以使得相邻的下部光电转换元件114d之间的距离(或间隔)根据形成在下部像素阵列110d中的下部光电转换元件114d的位置而变化。

例如，如图3中所示，在像素阵列100的中央区域中，下部光电转换元件114d和上部光电转换元件114u可以形成为使得下部光电转换元件114d的中央和上部光电转换元件114u的中央在垂直方向上彼此交叠。另一方面，如图4中所示，在下部像素阵列110d的边缘区域(例如，更靠近B而不是B’的区域)中，与上部光电转换元件114u相比，下部光电转换元件114d可以被形成为向外偏移。因此，形成在下部像素阵列110d的边缘区域中的下部光电转换元件114d可以比形成在上部像素阵列110u的边缘区域中的上部光电转换元件114u彼此间隔开更远。例如，下部光电转换元件114d之间的距离可以响应于主光线角度(CRA)而在从下部像素阵列110d的中央到下部像素阵列110d的边缘的方向上逐渐增加。

在一些实现方式中，可以基于距下部像素阵列110d的中央的距离来将下部像素阵列110d划分为多个区域。例如，下部像素阵列110可以包括按顺序从下部像素阵列110d的中央到边缘设置的第一区域、第二区域和第三区域。任意两个相邻下部光电转换元件114d之间的距离可以取决于下部光电转换元件114d落在哪个区域中。例如，第一区域至第三区域中的每一个中的下部光电转换元件114d被设置为相同的距离，而第一区域中的下部光电转换元件114d被设置为与第二区域和第三区域中的距离不同的距离。此时，如图3中所示，在下部像素阵列110d的中央区域中，每个微透镜144的中心点和每个下部光电转换元件114d的中心点可以被布置为彼此重合。另一方面，在位于下部像素阵列110d的中央区域外部的区域中，每个下部光电转换元件114d可以针对每个区域与远离下部像素阵列110d的中央区域的距离成比例地偏移预定距离。在这种情况下，相同区域中的下部光电转换元件114d可以以相等的间隔布置。

图5示出了显示具有三维(3D)层叠结构的图像感测装置的比较示例。在图5中，下部像素阵列(PXd)的下部光电转换元件从中央到边缘区域以均匀间隔布置。针对具有包括上部像素阵列(PXu)和下部像素阵列(PXd)的3D层叠结构的图像感测装置，入射在下部像素阵列(PXd)上的光的路径可以比入射在上部像素阵列(PXu)上的光的路径长。当下部光电转换元件114d以与上部光电转换元件114u相同的方式从下部像素阵列(PXd)的中央到边缘以均匀间隔布置时，如图3中所示，足够量的光也可以入射到像素阵列100的光垂直入射到其上的中央区域中的下部光电转换元件114d上。然而，如图5中所示，在像素阵列100的光倾斜入射到其上的边缘区域中，入射到下部光电转换元件114d上的光的量会大大减小。

为了防止光量的不均衡，相邻的下部光电转换元件114d之间的距离(即，下部单位像素之间的距离)可以在从下部像素阵列110d的中央到边缘的方向上响应于主光线角度(CRA)而逐渐增加。在一些实现方式中，下部光电转换元件114d可以被布置为使得两个相邻下部光电转换元件114d之间的距离是基于下部光电转换元件所位于的区域确定的，并且两个相邻的下部光电转换元件114d之间的距离在更靠近边缘的区域中更大。在一些实现方式中，在下部像素阵列110d中，下部器件隔离结构118d可以响应于主光线角度(CRA)而在从下部像素阵列110d的中央到边缘的方向上逐渐增加宽度，或者可以在从下部像素阵列110d的中央到边缘的方向上以预定区域为单位逐渐增加宽度。因此，足够量的光可以入射到下部像素阵列110d的下部光电转换元件114d上。

参照图3，在像素阵列100的中央区域中，下部导线124d可以形成为与上部导线124u垂直交叠。相反地，参照图4，在像素阵列100的边缘区域中，下部导线124d可以偏移与下部光电转换元件114d的偏移程度相对应的预定距离，以使得所得下部导线124d可以被形成为在像素阵列100的边缘区域中与上部导线124u垂直地偏移。

图6是例示基于所公开的技术的其它实现方式的沿着图1中所示的线B-B’截取的像素阵列的示例的截面图。

参照图6，即使在下部像素阵列(PXd)的边缘区域中，下部互连层120d的下部导线126d和上部互连层120u的上部导线126u也可以彼此垂直交叠。

如图4中所示，当下部导线126d也在下部像素阵列(PXd)的边缘区域中偏移时，用于图案化上部导线126u的掩模和用于图案化下部导线126d的掩模应当彼此分开制造。然而，如图6中所示，当除了直接连接到下部像素晶体管116d的一些导线之外的剩余的下部导线126d形成在与上部导线126u相同的位置时，可以使用相同的掩模来图案化对应的下部导线126d和上部导线126u。因此，可以促进图像感测装置的制造过程，从而使生产成本降低。

图6中所示的除了上述元件之外的剩余的构成元件与图4的那些元件相同，并且因此为了便于描述将省略其详细描述。

如通过本专利文档的公开内容所示，基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置可以以允许足够量的光到达具有三维(3D)层叠结构的图像感测装置的下部像素阵列的光电转换元件的方式来实现。

尽管已经描述了多个说明性实施方式，但是应当理解，可以基于本专利文档中描述和/或示出的内容来设计对所公开的实施方式和其它实施方式的修改或增强。

相关申请的交叉引用

本专利文档要求于2020年11月20日提交的韩国专利申请第10-2020-0156828号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文作为本专利文档的公开内容的一部分。