彩色濾光器陣列及圖像傳感器的制作方法

所揭示的實(shí)施例大體上涉及圖像傳感器，且尤其但非排他性地涉及包含多層彩色濾光器陣列(CFA)的圖像傳感器。

背景技術(shù)：

圖像傳感器可與不可見波長濾光器耦合，使得其可在可見波長范圍之外的波長下(例如在紅外(IR)波長范圍中)捕獲圖像。兩種材料用于制造現(xiàn)有紅外濾光器：基于顏料的材料及基于C的材料?；陬伭系募t外濾光器通常用于像素大小小于1.4μm的圖像傳感器。其具有轉(zhuǎn)化為較高信噪比(SNR)的高紅外透射率，但其不能完全阻斷比如藍(lán)色及紅色的可見波長，因此其產(chǎn)生較糟的顏色誤差?；贑的紅外濾光器通常用于像素大小大于1.4μm的圖像傳感器。其完全阻斷比如藍(lán)色及紅色的可見波長，且因此具有較小的顏色誤差，但其具有轉(zhuǎn)化為較低SNR的低紅外透射率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一方面，本發(fā)明提供一種彩色濾光器陣列，其包括：多個平鋪式最小重復(fù)單元，每一最小重復(fù)單元包括：不可見波長濾光器層，其包含多個濾光器，所述不可見波長濾光器層中的所述多個濾光器包含具有第一不可見光響應(yīng)的至少三個濾光器及具有第二不可見光響應(yīng)的濾光器；及可見波長濾光器層，其定位在所述不可見波長濾光器層上且具有多個濾光器，使得來自所述可見波長層的每一濾光器光學(xué)耦合到所述不可見波長層中的對應(yīng)濾光器，其中所述可見波長濾光器層中的所述多個濾光器包含具有第一可見光響應(yīng)的濾光器、具有第二可見光響應(yīng)的一對濾光器，及具有第三可見光響應(yīng)的濾光器；其中具有所述第二可見光響應(yīng)的所述個別濾光器中的一者光學(xué)耦合到具有所述第二不可見光響應(yīng)的所述一對個別濾光器中的一者，且其中具有所述第一及第三可見光響應(yīng)的所述濾光器及具有所述第二可見光響應(yīng)的所述一對濾光器中的另一濾光器光學(xué)耦合到具有所述第一不可見光響應(yīng)的濾光器。

另一方面，本發(fā)明提供一種圖像傳感器，其包括：像素陣列，其包含多個個別像素； 彩色濾光器陣列，其定位在所述像素陣列上方且光學(xué)耦合到所述像素陣列，所述彩色濾光器陣列包括多個平鋪式最小重復(fù)單元，每一最小重復(fù)單元包括：不可見波長濾光器層，其包含多個濾光器，所述不可見波長濾光器層中的所述多個濾光器包含具有第一不可見光響應(yīng)的至少三個濾光器及具有第二不可見光響應(yīng)的濾光器；及可見波長濾光器層，其定位在所述不可見波長濾光器層上且具有多個濾光器，使得來自所述可見波長層的每一濾光器光學(xué)耦合到所述不可見波長層中的對應(yīng)濾光器，其中所述可見波長濾光器層中的所述多個濾光器包含具有第一可見光響應(yīng)的濾光器、具有第二可見光響應(yīng)的一對濾光器，及具有第三可見光響應(yīng)的濾光器；其中具有所述第二可見光響應(yīng)的所述個別濾光器中的一者光學(xué)耦合到具有所述第二不可見光響應(yīng)的所述一對個別濾光器中的一者，且其中具有所述第一及第三可見光響應(yīng)的所述濾光器及具有所述第二可見光響應(yīng)的所述一對濾光器中的另一濾光器光學(xué)耦合到具有所述第一不可見光響應(yīng)的濾光器。

附圖說明

參考以下諸圖描述非限制性及非詳盡實(shí)施例，其中相似參考數(shù)字是指貫穿各種視圖的相似部分，除非另有指定。

圖1為包含彩色濾光器陣列的圖像傳感器的實(shí)施例的示意圖。

圖2A到2B分別為一對前側(cè)照明像素的實(shí)施例及一對背側(cè)照明像素的實(shí)施例的橫截面。

圖3為通過平鋪多個最小重復(fù)單元(MRU)而形成的彩色濾光器陣列(CFA)的實(shí)施例的圖解。

圖4A到4B分別為多層濾光器的最小重復(fù)單元的實(shí)施例的平面圖及橫截面圖。大體上沿圖4A中的剖面線I-I取得圖4B的橫截面圖。

圖4C為圖4B的最小重復(fù)單元的分解橫截面圖，其說明多層濾光器的操作的實(shí)施例。

圖5A到5B分別為多層濾光器的最小重復(fù)單元的另一實(shí)施例的平面圖及橫截面圖。大體上沿圖5A中的剖面線I-I取得圖5B的橫截面圖。

具體實(shí)施方式

描述多層彩色濾光器及包含多層彩色濾光器的圖像傳感器的實(shí)施例。描述特定細(xì)節(jié)以提供對所述實(shí)施例的理解，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，能夠在不具有一或多個所描述細(xì)節(jié)的情況下或在具有其它方法、組件、材料等等的情況下實(shí)踐本發(fā)明。在一些情況下，未展示或詳細(xì)地描述眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作，但這些仍涵蓋于本發(fā)明的 范圍內(nèi)。

貫穿本說明書的對“一個實(shí)施例”或“一實(shí)施例”的參考意指所描述的特征、結(jié)構(gòu)或特性可包含于一或多個所描述的實(shí)施例中，使得“在一個實(shí)施例中”或“在一實(shí)施例中”的出現(xiàn)未必皆是指同一實(shí)施例。此外，所描述的特征、結(jié)構(gòu)或特性可以任何合適方式組合于一或多個實(shí)施例中。

圖1說明互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器100的實(shí)施例，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器100包含：彩色像素陣列105；讀出電路170，其耦合到所述像素陣列；功能邏輯115，其耦合到所述讀出電路；及控制電路120，其耦合到所述像素陣列。彩色像素陣列105為具有X個像素列及Y個像素行的個別成像傳感器或像素(例如，像素P1、P2...、Pn)的二維(“2D”)陣列。彩色像素陣列105可被實(shí)施為如圖2A所展示的前側(cè)照明圖像傳感器，或被實(shí)施為如圖2B所展示的背側(cè)照明圖像傳感器。如所說明，將所述陣列中的每一像素布置成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以獲取人員、位置或?qū)ο蟮膱D像數(shù)據(jù)，其能夠隨后用于呈現(xiàn)所述人員、位置或?qū)ο蟮?D圖像。彩色像素陣列105使用耦合到所述像素陣列的彩色濾光器陣列(CFA)將顏色指派到每一像素，如下文結(jié)合彩色濾光器陣列的所揭示的實(shí)施例進(jìn)一步所論述。

在像素陣列105中的每一像素已獲取其圖像數(shù)據(jù)或圖像電荷之后，圖像數(shù)據(jù)由讀出電路170讀出且傳送到功能邏輯115以供存儲、額外處理等等。讀出電路170可包含放大電路、模/數(shù)(“ADC”)轉(zhuǎn)換電路或其它電路。功能邏輯115能夠存儲圖像數(shù)據(jù)及/或通過應(yīng)用后圖像效果(例如，裁剪、旋轉(zhuǎn)、移除紅眼、調(diào)整亮度、調(diào)整對比度或以其它方式)操縱圖像數(shù)據(jù)。在一個實(shí)施例中，功能邏輯115也能夠用于處理圖像數(shù)據(jù)以校正(即，減少或移除)固定圖案噪聲?？刂齐娐?20耦合到像素陣列105以控制彩色像素陣列105的操作特性。舉例來說，控制電路120能夠產(chǎn)生用于控制圖像獲取的快門信號。

圖2A說明CMOS圖像傳感器中的一對前側(cè)照明(FSI)像素200的實(shí)施例的橫截面。FSI像素200的前側(cè)為襯底202的在其上安置光敏區(qū)204及關(guān)聯(lián)像素電路且在其上方形成用于重新分布信號的金屬堆疊206的側(cè)。金屬堆疊206包含金屬層M1及M2，其經(jīng)圖案化以形成光學(xué)通道，通過所述光學(xué)通道，入射在FSI像素200上的光能夠到達(dá)光敏或光電二極管(“PD”)區(qū)域204。為了實(shí)施彩色圖像傳感器，前側(cè)可包含多層彩色濾光器陣列201，其中將其彩色濾光器(在此特定橫截面中僅說明兩個個別兩層濾光器203及205)中的每一者安置于微透鏡210下方，微透鏡210能夠?qū)⑷肷涔饩劢沟絇D區(qū)域204上。彩色濾光器陣列201可為用本文所論述的任何最小重復(fù)單元形成的多層彩色濾光器陣列。

圖2B說明CMOS圖像傳感器中的一對背側(cè)照明(BSI)像素250的實(shí)施例的橫截面。如在FSI像素200中，像素250的前側(cè)為襯底202的在其上安置光敏區(qū)域204及關(guān)聯(lián)像素電路且在其上方形成用于重新分布信號的金屬堆疊206的側(cè)。背側(cè)為襯底202的與前側(cè)相對的側(cè)。為了實(shí)施彩色圖像傳感器，背側(cè)可包含多層彩色濾光器陣列201，其中將其個別濾光器(在此特定橫截面中說明兩層個別濾光器203及205)中的每一者安置于微透鏡210下方。彩色濾光器陣列201可為用本文所論述的任何最小重復(fù)單元形成的多層彩色濾光器陣列。微透鏡210援助將入射光聚焦到光敏區(qū)域204上。像素250的背側(cè)照明意指金屬堆疊206中的金屬互連線未遮掩正被成像的對象與光敏區(qū)域204之間的路徑，從而引起光敏區(qū)域204進(jìn)行較大信號產(chǎn)生。

圖3說明彩色濾光器陣列(CFA)300及經(jīng)平鋪以形成所述CFA的一組最小重復(fù)單元(MRU)。CFA 300包含數(shù)目大體上對應(yīng)于像素陣列中的個別像素的數(shù)目的個別濾光器，所述CFA耦合或?qū)Ⅰ詈系剿鱿袼仃嚵?。CFA 300中的每一個別濾光器光學(xué)耦合到像素陣列中的對應(yīng)個別像素且具有選自一組光譜光響應(yīng)的特定光譜光響應(yīng)。特定光譜光響應(yīng)對電磁光譜的某些部分具有高靈敏度，但對所述光譜的其它部分具有低靈敏度。圖像傳感器中的像素自身未著色，但因?yàn)镃FA通過在每一像素上方放置濾光器而將單獨(dú)光響應(yīng)指派到所述像素，所以常見的是將像素稱為具有那個特定光響應(yīng)的像素。因此，像素可在不具有濾光器或耦合到透明(即，無色或全色)濾光器的情況下被稱為“透明像素”，在耦合到藍(lán)色濾光器的情況下被稱為“藍(lán)色像素”，在耦合到綠色濾光器的情況下被稱為“綠色像素”，在耦合到紅色濾光器的情況下被稱為“紅色像素”，等等。

CFA 300中的個別濾光器被分組成最小重復(fù)單元(MRU)(例如，MRU 302)，且MRU 302垂直地及水平地平鋪(如箭頭所指示)以形成CFA 300。最小重復(fù)單元為使得無其它重復(fù)單元具有更少個別濾光器的重復(fù)單元。彩色濾光器陣列可包含若干不同重復(fù)單元，但如果在CFA 300中存在具有更少個別濾光器的另一重復(fù)單元，那么重復(fù)單元不是最小重復(fù)單元?？墒褂肕RU平鋪CFA 300的其它實(shí)施例，所述MRU與針對MRU 302所說明的情形相比包含較多或較少數(shù)目個像素(參見(例如)圖4A到4B及圖5A到5B)。

圖4A到4B一起說明圖像傳感器的部分400的實(shí)施例。圖4A為平面圖，圖4B為大體上沿圖4A中的剖面線I-I取得的橫截面圖。圖像傳感器部分400包含MRU 402，其具有兩個層：不可見波長層406，其形成于傳感器404的前側(cè)或背側(cè)上；及可見波長濾光器層408，其形成于不可見波長層406的頂部上，使得不可見波長層406夾在傳感器404與可見波長層408之間。當(dāng)然，濾光器層406及408的相對位置在其它實(shí)施例中可不同。微透鏡層410可任選地形成于可見波長濾光器層408上。傳感器層404將通常 包含例如像素、支持電路等等的項(xiàng)目；在一個實(shí)施例中，傳感器層404可包含圖2A到2B所展示的層202及206，此取決于傳感器層404是前側(cè)照明傳感器還是背側(cè)照明傳感器。

每一濾光器層406及408包含多個濾光器，使得不可見波長濾光器層406中的每一個別濾光器光學(xué)耦合到可見波長濾光器層408中的對應(yīng)層。不可見波長濾光器層406具有兩個不同不可見光響應(yīng)為：SIR及IR。SIR濾光器為紅外截止濾光器，其經(jīng)設(shè)計(jì)以在使可見光通過的同時反射或阻斷紅外波長。這些濾光器通常具有藍(lán)色色調(diào)，這是由于其有時還將一些光與較長紅波長阻斷。與此對比，IR濾光器大體上與SIR濾光器相反：其經(jīng)設(shè)計(jì)以在抑制可見輻射的同時使紅外輻射通過。在所說明的實(shí)施例中，濾光器層406具有三個SIR濾光器及一個IR濾光器，但其它實(shí)施例可具有不同數(shù)目個SIR濾光器及不同數(shù)目個IR濾光器。不可見波長濾光器層406的其它實(shí)施例可包含除了紅外之外的非可見光響應(yīng)，例如紫外濾光器、x射線濾光器等等。

可見波長濾光器層408具有四個濾光器，但僅具有三個不同可見光響應(yīng)：紅色(R)、綠色(G)及藍(lán)色(B)。經(jīng)選擇用于MRU且因此用于通過平鋪MRU而形成的CFA的所述一組光譜光響應(yīng)通常具有至少三個不同光響應(yīng)，但在一些實(shí)施例中可包含四個或四個以上。在所說明的實(shí)施例中，濾光器層408包含第一及第二綠色濾光器G1及G2、一個紅色濾光器R及一個藍(lán)色濾光器B，但其它實(shí)施例可包含不同數(shù)目個綠色濾光器、不同數(shù)目個紅色濾光器及不同數(shù)目個藍(lán)色濾光器。但在具有四個光譜光響應(yīng)的可見波長濾光器層408的實(shí)施例中，所述一組光響應(yīng)可為包含紅色、綠色、藍(lán)色及透明或全色(即，中性或無色)的一組可見波長光響應(yīng)。在其它實(shí)施例中，可見波長濾光器層408可包含除了所列出的那些可見波長光響應(yīng)之外或代替所列出的那些可見波長光響應(yīng)的其它可見波長光響應(yīng)。舉例來說，其它實(shí)施例可包含青色(C)、品紅色(M)、黃色(Y)濾光器，及透明(即，無色)濾光器。其它實(shí)施例可包含除了所展示的可見光響應(yīng)之外的可見光響應(yīng)。

通過將可見波長濾光器層408放置在不可見波長濾光器層406的頂部上來組裝兩層MRU 402，使得濾光器層408中的每一濾光器光學(xué)耦合到濾光器層406中的對應(yīng)濾光器。在所說明的實(shí)施例中，綠色濾光器G1光學(xué)耦合到SIR濾光器，紅色濾光器R光學(xué)耦合到SIR濾光器，第二綠色濾光器G2光學(xué)耦合到IR濾光器，且藍(lán)色濾光器B光學(xué)耦合到SIR濾光器。在其它實(shí)施例中，可見波長濾光器與不可見波長濾光器之間的對應(yīng)性可與所展示的對應(yīng)性不同。

圖4C說明兩層MRU 402的操作的實(shí)施例。在MRU 402的操作中，光通過微透鏡410(如果存在)入射在第二層408上。所述入射光包含紅色(R)、綠色(G)、藍(lán)色(B)及紅 外(IR)分量。在可見波長濾光器層408中，第一綠色濾光器G1允許入射光的綠色及IR分量通過，紅色濾光器R允許紅色及紅外分量通多，第二綠色濾光器G2允許綠色及紅外分量通過，且藍(lán)色濾光器B允許藍(lán)色及紅外分量通過。

經(jīng)允許通過可見波長濾光器層408的入射光的分量接著入射在不可見波長濾光器層406上。在不可見波長濾光器層406中，耦合到第一綠色濾光器G1的SIR濾光器阻斷IR分量，從而僅允許綠色分量通過；耦合到紅色濾光器R的SIR濾光器阻斷IR分量，從而僅允許紅色分量通過；耦合到第二綠色濾光器G2的IR濾光器阻斷綠色分量，從而僅允許IR分量通過；且耦合到藍(lán)色濾光器B的SIR濾光器阻斷IR分量，從而僅允許藍(lán)色分量通過。由于通過可見波長濾光器層408及不可見波長濾光器層406兩者的濾光，入射在圖像傳感器404的前側(cè)或背側(cè)上的光包含所述入射光的所有四種分量(R、G、B及IR)，其中每一經(jīng)濾光的分量入射在圖像傳感器404內(nèi)的像素陣列中的個別像素上。

圖5A到5B一起說明圖像傳感器的部分500的實(shí)施例。圖5A為平面圖，圖5B為大體上沿圖5A中的剖面線I-I取得的橫截面圖。圖像傳感器部分500在大多數(shù)方面類似于圖像傳感器部分400：圖像傳感器部分500包含MRU 502，MRU 502具有形成于傳感器404的前側(cè)或背側(cè)上的不可見波長層406，以及形成于不可見波長層406的頂部上的可見波長濾光器層504。微透鏡層410可任選地形成于可見波長濾光器層504上。

如在MRU 402中，不可見波長濾光器層406具有兩個不同不可見光響應(yīng)：SIR及IR。MRU 502與MRU 402之間的主要差異在于：在MRU 502中，可見波長濾光器層504使用不同組的可見光響應(yīng)：代替使用紅色、綠色、藍(lán)色(RGB)原色組，濾光器層504使用品紅色、黃色及青色(CMY)原色組。接著，在MRU 502中，可見波長濾光器層504包含第一及第二黃色濾光器Y1及Y2、一個品紅色濾光器M及一個青色濾光器C。

通過將可見波長濾光器層504放置在不可見波長濾光器層406的頂部上來組裝兩層MRU 502，使得濾光器層504中的每一濾光器光學(xué)耦合到濾光器層406中的對應(yīng)濾光器。在所說明的實(shí)施例中，黃色濾光器Y1光學(xué)耦合到SIR濾光器，品紅色濾光器M光學(xué)耦合到SIR濾光器，第二黃色濾光器Y2光學(xué)耦合到IR濾光器，且青色濾光器C光學(xué)耦合到SIR濾光器。在其它實(shí)施例中，可見波長濾光器與不可見波長濾光器之間的對應(yīng)性可與所展示的對應(yīng)性不同。更一般來說，在不同實(shí)施例中，IR濾光器可耦合到其顏色表示亮度或亮度代理的彩色濾光器，而SIR濾光器可耦合到其顏色用于表示色度、亮度或兩者的彩色濾光器。兩層MRU 502類似于MRU 402而操作，如圖4C所展示。

實(shí)施例的以上描述(包含摘要中所描述的內(nèi)容)不預(yù)期為詳盡的或?qū)⒈景l(fā)明限于所描述的形式。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，出于說明性目的而描述本發(fā)明的特定實(shí)施例 及用于本發(fā)明的實(shí)例，但依據(jù)上文詳細(xì)描述，可能在本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行各種等效修改。

所附權(quán)利要求書中所使用的術(shù)語不應(yīng)被解釋為將本發(fā)明限于本說明書及權(quán)利要求書中所揭示的特定實(shí)施例。而是，本發(fā)明的范圍應(yīng)全部由所附權(quán)利要求書確定，應(yīng)使用既定主張解釋原則來解釋所附權(quán)利要求書。