图像传感器的制作方法

图像传感器
1.本技术基于并要求于2020年12月14日在韩国知识产权局提交的第10-2020-0174406号韩国专利申请的优先权，该韩国专利申请的公开内容通过引用全部包含于此。
技术领域
2.公开涉及一种图像传感器，更特别地，涉及一种提供自动聚焦操作的图像传感器。


背景技术：

3.图像传感器将光子图像转换为电信号。计算机和通信产业的最新进展已经引起对各种消费电子装置(诸如数字相机、摄像机、pcs(个人通信系统)、游戏控制台、安全相机和医疗微型相机)中的高性能图像传感器的强烈需求。
4.图像传感器可以被分类为电荷耦合器件(ccd)或cmos图像传感器。cmos图像传感器具有简单的操作方法，并且因为其信号处理电路被集成到单个芯片中，所以其产品的尺寸可以被可能地最小化。此外，cmos图像传感器可以需要相对小的功耗，这可以用于电池供电的应用中。此外，由于制造cmos图像传感器的工艺技术与cmos工艺技术兼容，因此cmos图像传感器可以降低制造成本。因此，由于技术的进步和高分辨率的实现，cmos图像传感器的使用已经迅速增加。


技术实现要素：

5.提供了一种具有改善的光学和电学特性的图像传感器。
6.发明构思的目的不限于以上提及的内容，并且根据下面的描述，本领域技术人员将清楚地理解以上未提及的其他目的。
7.根据实施例，图像传感器包括：像素分离结构，设置在半导体基底中，并且限定多个像素区域；第一光电转换区域和第二光电转换区域，设置在半导体基底中，并且设置在多个像素区域中的每个中；以及多个微透镜，设置在半导体基底上，并与多个像素区域对应。半导体基底包括朝向多个微透镜凸起的多个弯曲表面，并且半导体基底在多个像素区域中的每个中的第一光电转换区域和第二光电转换区域之间具有最小厚度，并且在多个像素区域之间的边界处具有最大厚度。
8.根据实施例，图像传感器包括：半导体基底，包括前表面和后表面；像素分离结构，设置在半导体基底中，并且限定像素区域；第一光电转换区域和第二光电转换区域，设置在像素区域中；以及微透镜，与像素区域对应，并且设置在半导体基底的后表面上。半导体基底的后表面包括分别与第一光电转换区域和第二光电转换区域对应的第一弯曲表面和第二弯曲表面，并且第一弯曲表面与第二弯曲表面镜像对称。
9.根据实施例，图像传感器包括：半导体基底，包括前表面和后表面；像素分离结构，设置在半导体基底中，并且限定多个像素区域；第一光电转换区域和第二光电转换区域，设置在半导体基底中，并且设置在多个像素区域中的每个中。图像传感器还包括：多个微透镜，设置在半导体基底的后表面上，并且与多个像素区域对应；多个滤色器，置于多个微透
镜与半导体基底之间，滤色器与多个像素区域对应；网格结构，置于多个滤色器之间；以及多个读出电路，设置在半导体基底的前表面上，并且连接到第一光电转换区域和第二光电转换区域。半导体基底的后表面包括分别与第一光电转换区域和第二光电转换区域对应的第一弯曲表面和第二弯曲表面，并且第一弯曲表面与第二弯曲表面镜像对称。
附图说明
10.图1示出了示出根据实施例的图像传感器的框图。
11.图2示出了示出根据实施例的图像传感器的自动聚焦操作的图。
12.图3示出了示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的电路图。
13.图4示出了示出根据实施例的图像传感器的简化平面图。
14.图5a和图5b示出了示出根据实施例的图像传感器的滤色器阵列的平面图。
15.图6a示出了部分地示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。
16.图6b和图6c示出了沿着图6a的线a-a'截取的剖视图，其示出了根据实施例的图像传感器。
17.图6d示出了部分地示出根据实施例的图像传感器的透视图。
18.图7a和图7b示出了示出根据实施例的图像传感器的单元像素中的光电二极管之间的光学间隔的剖视图。
19.图8a示出了部分地示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。
20.图8b和图8c示出了分别沿着图8a的线b-b'和c-c'截取的剖视图，其示出了根据实施例的图像传感器。
21.图9a示出了部分地示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。
22.图9b示出了沿着图9a的线d-d'截取的剖视图，其示出了根据实施例的图像传感器。
23.图10a示出了部分地示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。
24.图10b示出了沿着图10a的线e-e'截取的剖视图，其示出了根据实施例的图像传感器。
25.图11a示出了部分地示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。
26.图11b示出了沿着图11a的线f-f'截取的剖视图，其示出了根据实施例的图像传感器。
27.图12a示出了部分地示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。
28.图12b示出了沿着图12a的线g-g'截取的剖视图，其示出了根据实施例的图像传感器。
29.图13和图14示出了根据实施例的图像传感器的剖视图。
具体实施方式
30.现在将在下面结合附图详细地描述根据实施例的图像传感器。
31.图1示出了示出根据实施例的图像传感器的框图。
32.参照图1，图像系统1000可以包括图像装置1100和图像信号处理器(isp)1200。例如，图像系统1000可以是能够获得关于外部对象的图像信息的各种电子设备(诸如智能电话、平板pc和数码相机)中的一种。
33.图像装置1100可以包括镜头(“lens”，或称为“透镜”)1110、图像传感器1111和致动器1150。图像传感器1111可以包括像素阵列pa和处理电路pc。
34.镜头1110可以接收从外部对象反射之后入射的光ls。镜头1110可以将入射光ls会聚在像素阵列pa上。镜头1110可以根据致动器1150的操作移动。当镜头1110的位置由于镜头1110的移动而改变时，镜头1110可以具有焦距变化。因此，可以将镜头1110控制为聚焦在对象上。例如，致动器1150可以是自动聚焦马达。
35.像素阵列pa可以包括多个像素。当像素阵列pa接收到通过镜头1110传送的光ls时，光电转换元件可以将光ls转换为电信号es。可以向处理电路pc提供从像素阵列pa输出的电信号es。
36.处理电路pc可以将电信号es或模拟信号转换为数字信号。因此，从处理电路pc输出的图像数据idat可以是数字信号。除了模数转换之外，处理电路pc还可以执行各种信号处理操作。例如，处理电路pc可以执行相关双采样(cds)以提取有效信号分量。
37.处理电路pc可以输出通过对电信号es执行各种信号处理操作而产生的图像数据idat。输出的图像数据idat可以被提供到图像信号处理器1200。
38.数据处理电路1210可以处理图像数据idat以产生输出数据odat。例如，数据处理电路1210可以对图像数据idat执行各种数据处理操作，诸如镜头阴影校正、白平衡、降噪、锐化、伽马校正和颜色转换。输出数据odat可以被提供到单独的处理器或显示装置。
39.自动聚焦(af)控制器1220可以检测入射在像素阵列pa的像素上的光ls的相位差，并且可以使用检测到的相位差来产生用于自动聚焦的控制信号ctrl。
40.例如，自动聚焦控制器1220可以基于自动聚焦目标对象的图像数据idat来计算视差。视差可以指示从对象获得的两个图像数据idat之间的坐标差异。例如，自动聚焦控制器1220可以通过比较从对象获得的左图像数据idat和右图像数据idat来计算视差。基于所计算的视差，自动聚焦控制器1220可确定镜头1110的移动距离以自动聚焦。自动聚焦控制器1220可以产生控制信号ctrl，以使镜头1110移动到与所确定的移动距离对应的位置。所产生的控制信号ctrl可以被提供到致动器1150。在这种情况下，致动器1150可响应于控制信号ctrl而驱动镜头1110以移动到对应的位置。例如，控制信号ctrl可以用作用于自动聚焦操作以在包括图像传感器1111的图像装置1100中调整镜头1110的位置的信号。
41.根据实施例，可以基于用于检测通过镜头1110捕获的图像的各种区域中的相位差的方式来执行自动聚焦操作。例如，可以对图像的中心区域或对图像的外围区域执行自动聚焦操作。根据实施例，可以基于用于检测图像的整个区域中的相位差的方式来执行自动聚焦操作。因此，可以能够增大图像的外围区域以及中心区域的锐度，并且迅速聚焦外围区域。
42.图2示出了示出根据实施例的图像传感器的自动聚焦操作的图。
43.参照图2，有源像素传感器阵列aps可以包括多个像素p(例如，p-1、p-2、p-3等)。每个像素p可以包括至少两个光电转换元件。微透镜阵列mla可以包括与像素p对应的微透镜ml(例如，ml1、ml2、ml3等)。
44.镜头1110可以接收从对象obj反射的第一光ls1和第二光ls2。可以通过光轴oc上方的光瞳p1接收第一光ls1，并且可以通过光轴oc下方的光瞳p2接收第二光ls2。例如，第一光ls1可以包括在第一方向(或放置光瞳p1的方向)上收集的关于对象obj的图像信息，并且第二光ls2可以包括在第二方向(或放置光瞳p2的方向)上收集的关于对象obj的图像信息。当镜头1110相对于对象obj失焦时，第一光ls1可以具有与第二光ls2的相位不同的相位。
45.第一光ls1和第二光ls2可以通过镜头1110折射，并且可以透射到与对象obj的位置对应的微透镜ml。入射在微透镜ml上的第一光ls1和第二光ls2可以通过微透镜ml折射，并且可以透射到与微透镜ml对应的像素p。入射在微透镜ml上的第一光ls1和第二光ls2可以根据入射角彼此分离，并且可以入射在像素p上。例如，第一光ls1可以入射在像素p的第一光电转换元件上，并且第二光ls2可以入射在像素p的第二光电转换元件上。
46.如此，当第一光ls1和第二光ls2根据入射角而分离并被接收时，可以能够产生在不同的方向上观看的对象obj的图像数据。在这种情况下，可以基于所产生的图像数据来计算视差，并且可以基于所计算的视差来执行相位差检测的自动聚焦操作。
47.图3示出了示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的电路图。
48.参照图3，有源像素传感器阵列aps可以包括多个单元像素p，并且单元像素p可以沿着行方向和列方向以矩阵形状布置。单元像素p可以包括第一光电转换元件pd1和第二光电转换元件pd2、传输晶体管tx1和tx2以及逻辑晶体管rx、sx和ax。逻辑晶体管rx、sx和ax可以包括复位晶体管rx、选择晶体管sx和放大晶体管ax。第一传输晶体管tx1和第二传输晶体管tx2的栅电极、复位晶体管rx的栅电极以及选择晶体管sx的栅电极可以对应地连接到驱动信号线tg1、tg2、rg和sg。
49.第一传输晶体管tx1可以连接到第一传输栅电极tg1和第一光电转换元件pd1，第二传输晶体管tx2可以连接到第二传输栅电极tg2和第二光电转换元件pd2。第一传输晶体管tx1和第二传输晶体管tx2可以共享电荷检测节点fd或浮置扩散区域fd。
50.第一光电转换元件pd1和第二光电转换元件pd2可以与外部入射光的量成比例地产生和累积光电荷。第一光电转换元件pd1和第二光电转换元件pd2可以是光电二极管、光电晶体管、光电门、钉扎光电二极管(ppd)及其任何组合中的一种。
51.第一传输栅电极tg1和第二传输栅电极tg2可以将在第一光电转换元件pd1和第二光电转换元件pd2中累积的电荷转移到电荷检测节点fd(或浮置扩散区域)。第一传输栅电极tg1和第二传输栅电极tg2可以接收互补信号。例如，电荷可以从第一光电转换元件pd1和第二光电转换元件pd2中的一者传输到电荷检测节点fd。
52.电荷检测节点fd可以接收并累积地存储从第一光电转换元件pd1和第二光电转换元件pd2产生的电荷。放大晶体管ax可以由电荷检测节点fd中累积的光电荷量控制。
53.复位晶体管rx可以使累积在电荷检测节点fd中的电荷周期性地复位。例如，复位晶体管rx可以具有连接到电荷检测节点fd的漏电极和连接到电源电压v
dd
的源电极。当复位晶体管rx导通时，电荷检测节点fd可以接收连接到复位晶体管rx的源电极的电源电压v
dd
。因此，当复位晶体管rx导通时，可以耗尽累积在电荷检测节点fd中的电荷，因此可以使电荷
检测节点fd复位。
54.放大晶体管ax可以使电荷检测节点fd处的电位的变化放大，并且可以通过选择晶体管sx将放大的信号或像素信号输出到输出线v
out
。放大晶体管ax可以是被配置为产生与施加到栅电极的光电荷量成比例的源极-漏极电流的源极跟随器缓冲放大器。放大晶体管ax可以具有连接到电荷检测节点fd的栅电极、连接到电源电压v
dd
的漏电极以及连接到选择晶体管sx的漏电极的源电极。
55.选择晶体管sx可以选择要读出的每行单元像素p。当放大晶体管ax导通时，连接到放大晶体管ax的漏电极的电源电压v
dd
可以传输到选择晶体管sx的漏电极。
56.图4示出了示出根据实施例的图像传感器的简化平面图。
57.参照图4，图像传感器1111可以包括有源像素传感器(aps)阵列区域r1和垫区域r2。
58.aps阵列区域r1可以包括沿着第一方向d1和第二方向d2二维地布置的多个单元像素p。每个单元像素p可以包括光电转换元件和读出元件。aps阵列区域r1的每个单元像素p可以输出从入射光转换的电信号。
59.aps阵列区域r1可以包括中心区域cr和围绕中心区域cr的边缘区域er。例如，当在平面中观看时，边缘区域er可以设置在中心区域cr的顶部、底部、左侧和右侧上。
60.入射在aps阵列区域r1的边缘区域er上的光的入射角可以与入射在aps阵列区域r1的中心区域cr上的光的入射角不同。
61.另外，边缘区域er可以包括光不入射或很少入射在其上的遮光区域。遮光区域可以包括光不入射或很少入射在其上的参考像素。可以将在单元像素p中感测到的电荷量与在参考像素处发生的参考电荷量进行比较，这可以使得获得在单元像素p中感测到的电信号的幅度。
62.垫区域r2可以包括用于输入和输出控制信号和光电转换信号的多个导电垫cp。为了容易与外部装置电连接，当在平面中观看时，垫区域r2可以围绕aps阵列区域r1。导电垫cp可以使外部装置能够接收从单元像素p产生的电信号。
63.图5a和图5b示出了示出根据实施例的图像传感器的滤色器阵列的平面图。
64.参照图5a，有源像素传感器阵列aps可以包括如以上讨论的二维地布置的多个单元像素p，并且滤色器可以设置为与单元像素p对应。
65.每个单元像素p可以包括红色滤色器r、绿色滤色器g和蓝色滤色器b中的一者。例如，单元像素p可以包括均包括红色滤色器r的红色像素、均包括蓝色滤色器b的蓝色像素和均包括绿色滤色器g的绿色像素。红色像素可以被配置为使得红色滤色器r可以使红色可见光穿过其，并且红色像素的光电转换元件可以产生与红色可见光对应的光电子。蓝色像素可以被配置为使得蓝色滤色器b可以使蓝色可见光穿过其，并且蓝色像素的光电转换元件可以产生与蓝色可见光对应的光电子。绿色像素可以被配置为使得绿色滤色器g可以使绿色可见光穿过其，并且绿色像素的光电转换元件可以产生与绿色可见光对应的光电子。
66.可选地，有源像素传感器阵列aps的单元像素p可以包括红色滤色器、黄色滤色器和蓝色滤色器。不同地，有源像素传感器阵列aps的单元像素p可以包括品红色滤色器、黄色滤色器和青色滤色器。
67.例如，滤色器r、g和b可以以拜耳(bayer)图案布置，在拜耳(bayer)图案中，绿色滤
色器g的数量是红色滤色器r的数量或蓝色滤色器b的数量的两倍。在拜耳图案中，以2
×
2布置设置的滤色器r、g和b可以构成单个滤色器组，并且单个滤色器组可以包括对角地(例如，彼此成对角线地)设置的两个绿色滤色器g，并且还包括对角地(例如，彼此成对角线地)设置的蓝色滤色器b和红色滤色器r。例如，红色滤色器r和蓝色滤色器b中的每者可以置于相邻的绿色滤色器g之间。拜耳图案化滤色器组可以沿着第一方向d1和第二方向d2重复地排列。
68.参照图5b，有源像素传感器阵列aps可以包括彩色像素和白色像素。每个彩色像素可以包括红色滤色器r、绿色滤色器g和蓝色滤色器b中的一者。白色像素可以均包括使白光透过的白色滤色器w。
69.红色滤色器r、绿色滤色器g和蓝色滤色器b以及白色滤色器w可以沿着一个方向布置以构成单个滤色器组，并且多个滤色器组可以沿着第一方向d1和第二方向d2重复地排列。例如，当在第二方向d2上观看时，白色滤色器w可以置于绿色滤色器g之间。彩色像素和白色像素可以接收波长范围彼此不同的光线。
70.对于另一示例，有源像素传感器阵列aps可以包括深度像素而不是白色像素，并且深度像素可以均包括过滤红外线的红外滤色器。
71.图6a示出了部分地示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。图6b和图6c示出了沿着图6a的线a-a'截取的剖视图，其示出了根据实施例的图像传感器。图6d示出了部分地示出根据实施例的图像传感器的透视图。
72.参照图6a和图6b，根据实施例的图像传感器可以包括光电转换层10、读出电路层20和光学传输层30。当在剖面中观看时，光电转换层10可以置于读出电路层20与光学传输层30之间。
73.光电转换层10可以包括半导体基底100，并且还包括设置在半导体基底100中的第一光电转换区域(或第一光电转换部分)110a和第二光电转换区域(或第二光电转换部分)110b。半导体基底100可以具有彼此面对的前表面(或第一表面)100a和后表面(或第二表面)100b。第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b可以是杂质部分，每个杂质部分掺杂有具有与半导体基底100的第一导电类型相反的第二导电类型(例如，n型)的杂质。第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b可以将外部入射光转换为电信号。
74.例如，半导体基底100可以是形成在体硅基底上的外延层且体硅基底具有与外延层的第一导电类型相同的第一导电类型(例如，p型)，或者是在图像传感器的制造工艺中从其去除了体硅基底的p型外延层。对于另一示例，半导体基底100可以是包括第一导电类型的阱的体半导体基底。
75.半导体基底100可以包括由像素分离结构101限定的多个像素区域pr。多个像素区域pr可以沿着彼此交叉的第一方向d1和第二方向d2以矩阵形状布置。
76.当在平面中观看时，像素分离结构101可以围绕每个像素区域pr。例如，参照图6d，像素分离结构101可以包括沿着第一方向d1平行延伸并在第二方向d2上彼此间隔开的多个第一像素隔离部101a，并且还包括沿第二方向d2平行延伸同时延伸跨过第一像素隔离部101a并在第一方向d1上彼此间隔开的多个第二像素隔离部101b。每个像素区域pr可以由一对第一像素隔离部101a和一对第二像素隔离部101b限定。
77.第一像素隔离部101a和第二像素隔离部101b中的每者可以具有基本上规则宽度。
第一像素隔离部101a之间的间隔可以与第二像素隔离部101b之间的间隔基本上相同。
78.像素分离结构101可以由折射率比半导体基底100(例如，硅)的折射率小的介电材料形成，并且可以包括单个或多个介电层。例如，像素分离结构101可以包括氧化硅层、氮化硅层、未掺杂的多晶硅层、空气或其组合。像素分离结构101可以通过以下步骤来形成：通过对半导体基底100的前表面100a和/或后表面100b进行图案化来形成深沟槽，然后用介电材料填充深沟槽。
79.像素分离结构101可以从半导体基底100的后表面100b朝向前表面100a竖直地延伸，并且可以与半导体基底100的前表面100a间隔开。可选地，像素分离结构101可以穿透半导体基底100。在这种情况下，像素分离结构101可以具有与半导体基底100的竖直厚度基本上相同的竖直厚度。
80.像素分离结构101可以在与半导体基底100的后表面100b相邻的部分处具有第一宽度，并且在与半导体基底100的前表面100a相邻的部分处具有第二宽度，其中，第一宽度可以比第二宽度大。像素分离结构101可以具有随着从半导体基底100的后表面100b接近前表面100a而逐渐减小的宽度。
81.第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b可以对应地设置在像素区域pr上。第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b可以是杂质部分，每个杂质部分掺杂有具有与半导体基底100的第一导电类型相反的第二导电类型(例如，n型)的杂质。第一导电类型的半导体基底100以及第二导电类型的第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b可以构成一对光电二极管。例如，可以通过第一导电类型的半导体基底100与第二导电类型的第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b中的一者之间的结来形成光电二极管。均构成光电二极管的第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b可以与入射光的强度成比例地产生并累积光电荷。
82.例如，如图6c中所示，分离杂质区域103可以置于第一光电转换区域110a与第二光电转换区域110b之间。可以通过用具有与半导体基底100的导电类型相同的导电类型(例如，p型)的杂质注入半导体基底100来形成分离杂质区域103。分离杂质区域103可以利用势垒来将入射光分成提供到第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b的两个或更多个光束。
83.在每个像素区域pr中，可以在从第一光电转换部分110a输出的电信号与从第二光电转换部分110b输出的电信号之间提供相位差。图像传感器可以对从一对第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b输出的电信号之间的相位差进行比较，从而测量距对象的距离，以确定对象是否对焦，并决定离焦多少，结果是可以自动执行对焦校正。
84.根据实施例，半导体基底100可以在其后表面100b上具有凸曲面cs1和cs2。在每个像素区域pr中，相邻的凸曲面cs1和cs2可以构成第一光电转换区域110a与第二光电转换区域110b之间的接触点或边界。像素分离结构101可以设置在凸曲面cs1和cs2中的每者的中心线上。
85.例如，在每个像素区域pr上，半导体基底100可以具有第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2。第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2可以具有基本上相同的曲率半径。第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2的曲率半径可以由半导体基底100的折射率n1和覆盖第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2的表面介电层310的折射率n2确定。第一弯曲表面cs1和第二
弯曲表面cs2可以在像素中心pc处相遇。像素中心pc可以指示距一对第一像素隔离部101a中的每个相同距离的位置。第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2可以关于像素中心pc彼此对称。第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2可以沿着第二方向d2延伸，如图6d中所示。
86.半导体基底100可以在像素中心pc处具有第一厚度t1或最小厚度，并且还可以在像素区域pr之间的边界(见图7a的pb)处具有第二厚度t2或最大厚度。另外，半导体基底100可以具有随着从像素中心pc接近像素区域pr之间的边界(见图7a的pb)而沿着第一方向d1增大的厚度。
87.根据实施例，在每个像素区域pr上，第一光电转换部分110a可以设置在第一弯曲表面cs1下方，并且第二光电转换部分110b可以设置在第二弯曲表面cs2下方。当每个像素区域pr接收入射光时，第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2可以将入射光分成提供到第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b的两个或更多个光束。
88.第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2可以通过以下步骤来形成：在半导体基底100的平坦后表面100b上形成具有凸形弯曲表面的掩模图案；然后执行回蚀刻工艺。掩模图案可以通过以下步骤来形成：在半导体基底100的平坦后表面100b上形成掩模层；然后对掩模层执行图案化和回流工艺。
89.在实施例中，读出电路层20可以设置在半导体基底100的前表面100a上。读出电路层20可以包括连接到光电转换层10的读出电路(例如，金属氧化物半导体(mos)晶体管)。读出电路层20可以显著地处理在光电转换层10中转换的电信号。
90.例如，在每个像素区域pr上，浮置扩散区域fd可以置于第一光电转换区域110a与第二光电转换区域110b之间。在每个像素区域pr中，可以通过用具有第二导电类型的杂质注入半导体基底100的前表面100a来形成浮置扩散区域fd。
91.在半导体基底100的前表面100a上，第一传输栅电极tg1可以设置在第一光电转换部分110a与浮置扩散区域fd之间，并且第二传输栅电极tg2可以设置在第二光电转换部分110b与浮置扩散区域fd之间。
92.层间介电层210可以堆叠在半导体基底100的前表面100a上，并且层间介电层210可以覆盖mos晶体管以及构成读出电路的第一传输栅电极tg1和第二传输栅电极tg2。层间介电层210可以包括例如氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的一种或更多种。
93.层间介电层210可以在其中具有连接到读出电路的布线结构221和222。布线结构221和222可以包括金属线222和将金属线222彼此连接的接触塞221。
94.光学传输层30可以设置在半导体基底100的后表面100b上。光学传输层30可以包括表面介电层310、滤色器阵列、网格结构320和微透镜阵列。
95.表面介电层310可以具有覆盖半导体基底100的第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2的规则厚度。例如，表面介电层310可以具有弯曲的顶表面和底表面。对于另一示例，表面介电层310可以具有平坦的顶表面。表面介电层310可以包括氧化硅、氧化铝或氧化铪。表面介电层310可以是单层和多层。
96.滤色器阵列可以置于表面介电层310与微透镜阵列之间。如参照图5a所讨论的，滤色器阵列可以包括红色滤色器330a、绿色滤色器330b和蓝色滤色器330b。可选地，滤色器阵列可以包括青色滤色器、品红色滤色器和黄色滤色器。不同地，滤色器阵列可以包括参照图5b讨论的白色滤色器。滤色器330a和330b可以填充微透镜阵列与表面介电层310之间的空
间，并且可以具有其基本上平坦的顶表面。
97.网格结构320可以置于滤色器330a和330b之间。类似于像素分离结构101，当在平面中观看时，网格结构320可以具有网格形状。
98.网格结构320可以包括遮光图案和低折射率图案中的一个或更多个。遮光图案可以包括金属材料，诸如钛、钽或钨。低折射率图案可以由折射率比遮光图案的折射率小的材料形成。低折射率图案可以由有机材料形成，并且可以具有约1.1至约1.3的折射率。例如，网格结构320可以是包括二氧化硅纳米颗粒的聚合物层。
99.微透镜阵列可以包括会聚外部入射光的多个微透镜ml。当在平面中观看时，微透镜ml可以沿着彼此交叉的第一方向d1和第二方向d2二维地布置。微透镜ml可以设置在对应的像素区域pr上。微透镜ml可以具有会聚入射光的凸形形状。
100.图7a和图7b示出了示出根据实施例的图像传感器的单元像素中的光电二极管之间的光学间隔的剖视图。
101.参照图7a和图7b，在每个像素区域pr上，半导体基底100可以具有彼此对称的第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2。第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2可以具有基本上相同的曲率半径，并且可以在第一弯曲表面cs1与第二弯曲表面cs2之间具有与像素中心pc竖直地叠置的接触点或边界。第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2可以使入射在像素区域pr上的光折射，并且被折射的光可以朝向第一光电转换部分110a或第二光电转换部分110b行进。
102.当在第一弯曲表面cs1与第二弯曲表面cs2之间的边界pc与同穿过第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2中的每者的曲率中心的线垂直的线之间设置角度时，并且当该角度被设定为大于一定角度(例如，约22.2
°
)时，第一光电转换部分110a可以接收以所有角度入射在第一弯曲表面cs1上的光，并且第二光电转换部分110b可以接收以所有角度入射在第二弯曲表面cs2上的光。
103.当表面介电层310具有比氧化物层的折射率大的折射率时，尽管硅的折射角可以在第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2处变得较小，但是折射角可以在表面介电层310与滤色器330a和330b之间的界面处变得较大，并且入射角可以在第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2处变得较小。结果，以比第一弯曲表面cs1(或第二弯曲表面cs2)的法线的角度大的角度入射的光可以朝向第一弯曲表面cs1(或第二弯曲表面cs2)下方的第一光电转换部分110a(或第二光电转换部分110b)行进。
104.如图7a中所示，当光l1以第一角度θ1入射时，光可以相对于第二弯曲表面cs2的法线以第二角度θ2折射，因此可以朝向第二光电转换部分110b行进。如图7b中所示，当光l2以第三角度θ3入射时，光可以相对于第一弯曲表面cs1的法线以第四角度θ4折射，因此可以朝向第一光电转换部分110a行进。
105.在下面的实施例中，与以上讨论的实施例的组件相同的组件将被分配相同的附图标记，并且将详细地描述其差异。
106.图8a示出了部分地示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。图8b和图8c示出了分别沿着图8a的线b-b'和c-c'截取的剖视图，其示出了根据实施例的图像传感器。
107.参照图8a、图8b和图8c，第一光电转换区域110a、第二光电转换区域110b、第三光
电转换区域110c和第四光电转换区域110d可以设置在对应的像素区域pr上。第一光电转换区域110a、第二光电转换区域110b、第三光电转换区域110c和第四光电转换区域110d可以是杂质部分，每个杂质部分掺杂有具有与半导体基底100的第一导电类型相反的第二导电类型(例如，n型)的杂质。在每个像素区域pr中，第一光电转换区域110a、第二光电转换区域110b、第三光电转换区域110c和第四光电转换区域110d可以在第一方向d1和第二方向d2上彼此间隔开。
108.在每个像素区域pr中，半导体基底100可以在所有方向上具有第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2，并且第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2可以在像素中心点pp处相遇。像素中心点pp可以位于距第一像素隔离部101a和第二像素隔离部101b相同的距离处。
109.半导体基底100可以在像素中心点pp处具有第一厚度t1或最小厚度，并且还在第一方向d1和第二方向d2上的像素区域pr之间的边界处具有第二厚度t2或最大厚度。例如，第一像素隔离部101a和第二像素隔离部101b可以具有第二厚度t2或最大厚度。另外，半导体基底100可以具有随着从像素中心点pp接近像素区域pr之间的边界而在所有方向上增大的厚度。
110.图9a示出了部分地示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。图9b示出了沿着图9a的线d-d'截取的剖视图，其示出了根据实施例的图像传感器。
111.参照图9a和图9b，半导体基底100可以包括至少一个自动聚焦像素区域afr和由像素分离结构101限定的多个像素区域pr。
112.如以上讨论的，像素分离结构101可以包括沿着第一方向d1平行延伸并在第二方向d2上彼此间隔开的多个第一像素隔离部101a，并且还包括沿着第二方向d2平行延伸同时延伸跨过第一像素隔离部101a并在第一方向d1上彼此间隔开的多个第二像素隔离部101b。像素分离结构101可以不设置在自动聚焦像素区域afr中。
113.多个像素区域pr可以沿着第一方向d1和第二方向d2二维地布置，并且当在平面中观看时，可以围绕自动聚焦像素区域afr。
114.半导体基底100可以具有在自动聚焦像素区域afr上彼此镜像对称的第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2。第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2可以在自动聚焦像素区域afr的中心pc处相遇。在每个像素区域pr中，半导体基底100可以具有基本上平坦的后表面100b。
115.光电转换区域(或光电转换部分)110可以设置在对应的像素区域pr上。第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b可以设置在自动聚焦像素区域afr上。例如，可以在每个像素区域pr上设置一个光电转换部分110，并且可以在自动聚焦像素区域afr上设置一对第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b。如以上讨论的，第一光电转换部分110a可以设置在第一弯曲表面cs1下方，并且第二光电转换部分110b可以设置在第二弯曲表面cs2下方。自动聚焦像素区域afr可以包括在第一光电转换区域110a与第二光电转换区域110b之间的分离杂质区域103，如以上参照图6c讨论的。
116.第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b中的每者可以具有与光电转换部分110的面积基本上相同的面积。例如，自动聚焦像素区域afr可以具有每个像素区域pr的面积的大约两倍的面积。
117.第一微透镜ml1可以设置在对应的像素区域pr上，并且第二微透镜ml2可以设置在
自动聚焦像素区域afr上。
118.第一微透镜ml1可以在第一方向d1和第二方向d2上具有基本上相同的半径，第二微透镜ml2可以在第一方向d1和第二方向d2上具有不同的半径。当在平面中观看时，第一微透镜ml1可以具有基本上圆形的形状，第二微透镜ml2可以具有椭圆形形状。
119.图10a示出了部分地示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。图10b示出了沿着图10a的线e-e'截取的剖视图，其示出了根据实施例的图像传感器。
120.参照图10a和图10b，半导体基底100可以具有在每个像素区域pr上彼此镜像对称的第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2。第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b可以设置在每个像素区域pr上。
121.像素分离结构101可以包括在第一方向d1上延伸的多个第一像素隔离部101a、在第二方向d2上延伸的多个第二像素隔离部101b以及从第一像素隔离部101a在第二方向d2上突出的多个突起101p。突起101p可以在第二方向d2上朝向每个像素区域pr的中心突出。像素分离结构101的突起101p可以置于每个像素区域pr上的第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间，并且可以在第二方向d2上突出。
122.像素分离结构101的突起101p可以物理地反射在像素区域pr的边缘上的入射光，并且可以分离难以形成电势垒的部分，因此可以减少像素区域pr的边缘处的第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b之间的串扰问题。
123.图11a示出了部分地示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。图11b示出了沿着图11a的线f-f'截取的剖视图，其示出了根据实施例的图像传感器。
124.参照图11a和图11b，可以在每个像素区域pr上设置第一光电转换区域110a、第二光电转换区域110b、第三光电转换区域110c和第四光电转换区域110d。
125.如参照图8a和图8b所讨论的，在每个像素区域pr上，半导体基底100可以在所有方向上具有第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2，并且第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2可以在像素中心点pp处相遇。半导体基底100可以在像素中心点pp处具有第一厚度t1或最小厚度，并且还在第一方向d1和第二方向d2上的像素区域pr之间的边界处具有第二厚度t2或最大厚度。
126.像素分离结构101可以包括在第一方向d1上延伸的多个第一像素隔离部101a、在第二方向d2上延伸的多个第二像素隔离部101b、从第一像素隔离部101a在第二方向d2上突出的多个第一突起101p1以及从第二像素隔离部101b在第一方向d1上突出的多个第二突起101p2。第一突起101p1和第二突起101p2可以朝向每个像素区域pr的像素中心点pp局部地突出。
127.像素分离结构101的第一突起101p1可以置于第一光电转换区域110a与第二光电转换区域110b之间以及第三光电转换区域110c与第四光电转换区域110d之间。像素分离结构101的第二突起101p2可以置于第一光电转换区域110a与第三光电转换区域110c之间以及第二光电转换区域110b与第四光电转换区域110d之间。
128.图12a示出了部分地示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。图12b示出了沿着图12a的线g-g'截取的剖视图，其示出了根据实施例的图像传感器。
129.参照图12a和图12b，有源像素传感器阵列(见图3的aps)可以包括沿着第一方向d1和第二方向d2以矩阵形状布置的多个像素区域pr1、pr2和pr3。多个像素区域pr1、pr2和pr3
可以包括第一像素区域pr1、第二像素区域pr2和第三像素区域pr3，并且第一像素区域pr1、第二像素区域pr2和第三像素区域pr3中的每者可以接收波长范围与入射在第一像素区域pr1、第二像素区域pr2和第三像素区域pr3中的其他像素区域上的光的波长范围不同的光。
130.在实施例中，第二像素区域pr2可以均在第一方向d1和第二方向d2上分别与第一像素区域pr1和第三像素区域pr3相邻地设置。第二像素区域pr2可以在对角线方向上设置。
131.第二像素区域pr2可以接收具有第一波长范围的光，第一像素区域pr1可以接收具有比第一波长范围长的第二波长范围的光。第三像素区域pr3可以接收具有比第一波长范围短的第三波长范围的光。例如，绿色光可以入射在第二像素区域pr2上，红色光可以入射在第一像素区域pr1上，并且蓝色光可以入射在第三像素区域pr3上。
132.第一像素区域pr1、第二像素区域pr2和第三像素区域pr3中的每者可以包括多个子像素区域sp1、sp2或sp3。例如，第一像素区域pr1、第二像素区域pr2和第三像素区域pr3中的每者可以包括以2
×
2布置的子像素区域sp1、sp2或sp3。可选地，第一像素区域pr1、第二像素区域pr2和第三像素区域pr3中的每者可以包括以3
×
3布置或4
×
4布置的子像素区域sp1、sp2或sp3。
133.例如，每个第一像素区域pr1可以包括多个第一子像素区域sp1，每个第二像素区域pr2可以包括多个第二子像素区域sp2。每个第三像素区域pr3可以包括多个第三子像素区域sp3。
134.第一子像素区域sp1、第二子像素区域sp2和第三子像素区域sp3可以具有相同的尺寸，并且可以由像素分离结构101限定。例如，设置在不同像素区域中的相邻的第二子像素区域sp2可以在其间设置有至少两个第一子像素区域sp1或至少两个第三子像素区域sp3。
135.如以上讨论的，在第一子像素区域sp1、第二子像素区域sp2和第三子像素区域sp3中的每者上，半导体基底100可以具有彼此镜像对称的第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2。另外，在第一子像素区域sp1、第二子像素区域sp2和第三子像素区域sp3中的每个上，可以在半导体基底100中设置一对第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b。
136.第一滤色器330a可以对应地设置在第一像素区域pr1的第一子像素区域sp1上，第二滤色器330b可以对应地设置在第二像素区域pr2的第二子像素区域sp2上。同样地，第三滤色器可以对应地设置在第三像素区域pr3的第三子像素区域sp3上。第一滤色器、第二滤色器和第三滤色器可以包括红色滤色器、绿色滤色器和蓝色滤色器。可选地，第一滤色器、第二滤色器和第三滤色器可以包括品红色滤色器、黄色滤色器和青色滤色器。在实施例中，虽然如以上提及地提供了三种类型的滤色器，但是可以提供四种类型的滤色器。
137.图13和图14示出了根据实施例的图像传感器的剖视图。
138.参照图4和图13，如以上讨论的，aps阵列区域r1可以包括中心区域cr和围绕中心区域cr的边缘区域er。
139.半导体基底100可以包括在中心区域cr和边缘区域er上的多个像素区域pr。如以上讨论的，在每个像素区域pr上，半导体基底100可以具有彼此镜像对称的第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2。
140.在中心区域cr上，像素中心pc可以与微透镜中心lc一致。
141.在边缘区域er上，像素中心pc可以定位成偏离微透镜中心lc。另外，微透镜中心lc
可以被定位成偏离滤色器中心cc。
142.在该构造中，在每个像素区域pr上，第一弯曲表面cs1与第二弯曲表面cs2之间的接触点可以不与微透镜中心lc竖直地叠置。例如，在边缘区域er上，微透镜中心lc可以位于像素区域pr的边界上。
143.微透镜中心lc与像素中心pc之间的距离可以随着从边缘区域er接近中心区域cr而减小。
144.参照图4和图14，图像传感器可以包括传感器芯片1和逻辑芯片2。
145.如以上讨论的，传感器芯片1可以包括光电转换层10、读出电路层20和光学传输层30。
146.如以上讨论的，传感器芯片1的光电转换层10可以包括半导体基底100、限定像素区域pr的像素分离结构101以及设置在每个像素区域pr上的第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b。
147.半导体基底100可以包括有源像素传感器(aps)阵列区域r1、垫区域r2以及在aps阵列区域r1与垫区域r2之间的遮光区域ob。
148.在aps阵列区域r1上，传感器芯片1可以具有与以上在图像传感器1111中讨论的技术特征相同的技术特征。例如，像素分离结构101可以限定多个像素区域pr，并且半导体基底100可以具有在每个像素区域pr上彼此镜像对称的第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2。
149.像素分离结构101可以设置在遮光区域ob的半导体基底100中，并且可以限定参考像素区域pr。类似于像素区域pr，参考像素区域pr可以包括第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b，并且半导体基底100可以具有彼此镜像对称的第一弯曲表面cs1和第二弯曲表面cs2。
150.表面介电层310可以从aps阵列区域r1朝向遮光区域ob和垫区域r2延伸。在遮光区域ob上，遮光图案530可以设置在表面介电层310上。遮光图案530可以阻挡光入射到设置在遮光区域10b上的第一光电转换区域110a和第二光电转换区域110b上。
151.接触垫ct可以在遮光区域ob上设置在半导体基底100的后表面100b上。接触垫ct可以包括铝。在遮光区域ob上，像素分离结构101的一部分可以通过接触插塞连接到接触垫ct。
152.在遮光区域ob上，第一贯通导电图案tsv1可以穿透半导体基底100，并且可以与读出电路层20的金属线222和逻辑芯片2的布线结构511电连接。第一贯通导电图案tsv1可以具有定位在彼此不同的水平处的第一底表面和第二底表面。介电材料可以填充第一贯通导电图案tsv1的内部。
153.在垫区域r2上，导电垫cp可以设置在半导体基底100的后表面100b上。导电垫cp可以包括金属，诸如铝、铜、钨、钛、钽或其任何合金。在图像传感器的安装工艺中，多条结合布线(键合布线)可以结合(键合)到导电垫cp。导电垫cp可以通过结合布线电连接到外部装置。
154.像素分离结构101可以设置在垫区域r2上，并且可以设置在导电垫cp周围。在垫区域r2上，第二贯通导电图案tsv2可以穿透半导体基底100并且与逻辑芯片2的布线结构511电连接。第二贯通导电图案tsv2可以延伸到半导体基底100的后表面100b上并且与导电垫
cp电连接。第二贯通导电图案tsv2的一部分可以覆盖导电垫cp的底表面和侧壁。介电材料可以填充第二贯通导电图案tsv2的内部。
155.逻辑芯片2可以包括逻辑半导体基底500、逻辑电路tr、连接到逻辑电路tr的布线结构511以及逻辑层间介电层510。逻辑层间介电层510中的最上面的逻辑层间介电层510可以结合到传感器芯片1的读出电路层20。逻辑芯片2可以经由第一贯通导电图案tsv1和第二贯通导电图案tsv2电连接到传感器芯片1。
156.根据实施例，在每个像素区域上，在第一光电转换区域与第二光电转换区域之间可以不存在结构，因此可以减少第一光电转换区域与第二光电转换区域之间的由于漫反射引起的串扰。
157.此外，在第一方向上彼此相邻的像素区域的串扰与在第二方向上彼此相邻的像素区域的串扰之间可以存在减小的差异。因此，可以能够减少由于像素区域的位置变化引起的噪声差异的发生。
158.当光入射在与第一光电转换区域和第二光电转换区域对应的弯曲表面上时，弯曲表面可以将入射光分割成入射方向根据折射角而不同的两个或更多个光束，然后分割的光束可以入射在第一光电转换区域和第二光电转换区域上。在这样的情况下，可以将从第一光电转换区域和第二光电转换区域输出的信号彼此进行比较以获得关于相位差的信息，这可以实现自动聚焦操作以调整相机系统的镜头位置。
159.总之，根据实施例，可以能够改善每个像素区域上的串扰问题并增大自动聚焦性质。
160.尽管已经结合附图中示出的发明构思的一些示例实施例描述了发明构思，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离发明构思的技术精神和特征的情况下，可以进行各种改变和修改。对于本领域技术人员明显的是，在不脱离发明构思的范围和精神的情况下，可以对其进行各种替换、修改和改变。