CN101399277B - 具有在外围区域的大微透镜的图像传感器 - Google Patents
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Abstract
一种具有在外围区域的大微透镜的图像传感器，包括形成在一个半导体基片中的一个像素阵列。该像素被分组为像素的中央部分和像素的外侧部分。第一组微透镜形成在所述像素的所述中央部分中的每个所述像素之上。第二组微透镜形成在所述像素的所述外侧部分中的每个像素之上。第二组微透镜不同于所述第一组微透镜。在一个实施例中，第二组微透镜比第一组微透镜更高。
Description
本申请是申请日为2003年10月23日、申请号为200310102569.0、发明名称为“具有在外围区域的大微透镜的图像传感器”发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及图像传感器，特别涉及在像素阵列的外侧区域具有较高的微透镜的图像传感器。
背景技术
图像传感器是可以用于产生静止和视频图像的电子集成电路。固态图像传感器可以是电荷耦合器件(CCD)型或或互补金属氧化物半导体(CMOS)型的其中一种。在任何一种图像传感器中，一种光采集像素形成于基片上，并且排列在一个二维阵列中。现代图像传感器一般包括数百万的像素以提供一个高解析度的图像。该图像传感器的一个重要部分是滤色层以及在像素点上形成的微透镜的结构。该滤色层，顾名思义，结合信号处理而工作，以提供一个彩色图像。该微透镜用来将入射光聚焦到像素点上，并且从而提高每个像素点的填充因素。
通常，通过把一层微透镜材料旋涂到一个偏振层上而形成微透镜，该微透镜材料然后被显影以形成圆柱或以每个像素为中心的其他形状的区域。然后，该微透镜材料被加热和回流，以形成一个半球状微透镜。如图1中所示，该图像传感器包括具有形成于该基片中的光检测单元103的多个像素。该光检测单元可以是几种类型，例如，光电二极管、光闸或者其他固态光敏元件。形成在每个像素之上的一个是一个微透镜105。该微透镜105把入射光照射在该光检测单元103上。另外，在该光检测单元103和微透镜105之间，由参考标号107所表示的是一般包括滤色层滤色层109和各种金属导电线的各种插入层。这些部件被从该图中删除，以简化在此的说明，并且不对本发明造成混淆。
在现有技术中，控制微透镜的形成，使得微透镜的形状在该图像传感器的所有像素中保持一致。但是，本申请人已经发现由像素所捕获的光量中的变化，在图像传感器的中央附近的像素比该图像传感器外围的像素采集更多的光线。
图3示出出现这种情况的一个原因。在图3中，一个图像传感器101一般与一个成像透镜204相结合而工作，以捕获图像。该成像透镜204获取入射光，并且把其传送到如图2中所示的图像传感器101。如图所示，对于在该图像传感器101中央的像素，来自该成像透镜204的入射光被正确地聚焦到该光检测单元。但是，对于在该图像传感器101外侧区域的像素，来自该成像透镜204的入射光不垂直于该微透镜，从而导致被聚焦的入射光不与该光检测单元相对齐。这反过来导致相对较少的光线被该光检测单元所捕获。在此，这被称为“暗角”现象。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种图像传感器，其中包括：形成在一个半导体基片中的多个像素，每个像素包括一个光敏元件，所述像素被分组为像素的中央部分和像素的外侧部分；第一组微透镜，其形成在所述像素的所述中央部分中的每个所述像素之上；以及第二组微透镜，其形成在所述像素的所述外侧部分中的每个像素之上，其中所述第二组微透镜不同于所述第一组微透镜。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于形成图像传感器的方法，其中包括：在一个半导体基片中形成多个像素，每个像素包括一个光敏元件，所述像素被分组为像素的中央部分和像素的外侧部分；在所述像素的所述中央部分中的每个所述像素之上形成第一组微透镜；以及在所述像素的所述外侧部分中的每个所述像素上形成第二组微透镜，其中所述第二组微透镜不同于所述第一组微透镜。
附图说明
图1是图像传感器的一部分的现有技术的截面图。
图2是示出排列为一个二维阵列并且具有形成于其上的微透镜的图像传感器的顶视图；
图3为表现出“暗角”现象的图像传感器和成像透镜的截面视图。
图4为根据本发明的一个实施例而形成的图像传感器的截面视图。
图5-9为说明用于形成本发明的装置的一种方法的半导体基片的截面视图。
具体实施方式
本发明涉及一种用于CMOS或CCD类型的图像传感器的微透镜结构。具体来说，覆盖在该图像传感器阵列的外侧(外围)区域中的像素的微透镜具有不同于该图像传感器的中央区域中的微透镜的形状(例如更高)。在下文的描述中，提供各种具体细节，以提供对本发明的实施例更加彻底的理解。但是，本领域的普通技术人员将认识到本发明可以不需要一个或多个具体细节，或用其他方法、组件等等而实现。在其他例子中，众所周知的结构或操作不被详细示出和描述，以避免与本发明的各个实施例相混淆。
贯穿说明书提到的“某一实施例”或“一个实施例”意味着所描述的与该实施例有关的一个特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因而，在贯穿说明书多个地方的短语“在某一实施例中”或“在一个实施例中”的出现，不一定全部表示同一实施例。此外，该特征、结构或特性可以按照任何适当的方式结合在一个或多个实施例中。
图2示出根据本发明而形成的图像传感器201的顶视图。该图像传感器201包括一般排列为一个二维阵列的多个像素203。在图2中所示的例子中，该图像传感器示出一个3×3的像素阵列203，但是应当知道一个实际图像传感器201将拥有多得多的像素点，排列在可能超过一千行和/或一千列中。此外，尽管图2显示该像素点在规则的行和列中，该像素点也可能排列在任何类型的规则排列中。例如，交替行可以具有在横向方向上以一种跳棋盘的格式互相略微地偏移的像素点。
该像素点203一般地包括一个光敏元件，例如光电二极管或光闸。然而，应当知道现在已有的或在将来开发的其他类型的光敏元件将可能被采用。此外，该像素点203将同样包括放大和/或读出电路。为了清楚地说明，该电路不在图2中显示。在某一实施例中，该像素点203可以是本领域所公知的有效像素。
在每个像素点203顶部形成一个微透镜205。另外，与每个像素203相关的是一个滤色层207。该滤色层207可以置于微透镜205和光敏元件之间，或者另外形成在该微透镜205之上。该滤色层207一般是被添加色素或染色的材料，其仅仅允许窄带的光线通过，例如，红光、蓝光或绿光。在其他实施例中，该滤色层可以是青、黄、或洋红。这些仅仅是该滤色层207的示意颜色，并且本发明要包含具有任何颜色的滤色层。虽然色素或染料的使用在滤色层的形成中是最流行的方法，亦可能使用其他反射型的滤色层，如多层叠反射材料。滤色层207的形成方法是本领域所公知的，并且在此将不描述以避免对本发明的详述的任何不必要的混淆。例如，美国专利No.6,297,071、美国专利No.6,362,513和美国专利No.6,271,900示出滤色层技术的当前状态。
但是，与该现有技术不同，处于该图像传感器的外围的微透镜205的形状不同于在该图像传感器中央的微透镜205。在外围的微透镜205的不同形状适用于补偿以一个角度入射到该微透镜的入射光。
转到图4，其示出该图像传感器201的截面视图，在一个实施例中，在外围的微透镜401比在中央区域的微透镜403更高。已经发现更高(因而更大)的微透镜401比微透镜403更适合于捕获以一定角度入射的光线。因此，更高微透镜401的使用补偿“暗角”现象。因此，更高微透镜401被用于图像传感器的外侧部分，并且常规微透镜403被用于该图像传感器的中央部分。
中央部分和外侧部分的相对尺寸，即使用更高的微透镜401的范围，取决于各种因素，包括但不限于该图像传感器的尺寸、用于该图像传感器的成像透镜的特性以及微透镜的尺寸。在一些图像传感器中，更高的微透镜401可能仅仅用于每行和列的0-20％的像素中。但是，应当知道，中央部分和外侧部分的确切尺寸不是对所要求保护的发明的一个限制。所公开的发明仅仅教导在该图像传感器的不同部分使用不同形状的微透镜。
另外，更高的微透镜401与微透镜403的相对尺寸根据该像素、图像传感器、成像透镜和其他因素的特定特性而变化。在一个实施例中，更高的微透镜401比微透镜403高5-100％，但是可以使用其他相对尺寸。在一个实施例中，该更高的微透镜401是1-4微米高，而微透镜403是102微米高。但是，应当知道该微透镜的具体尺寸可以根据其他参数而变化。
存在有用于制造具有变化的高度的微透镜。例如，在一种方法中，使用常规方法把所有微透镜制造为具有更高的微透镜高度。然后，使用掩膜和蚀刻技术，对在该图像传感器的中央部分的微透镜进行腐蚀。尽管在上文示出形成这些结构的一种方法，但是可以使用各种其他方法。下面公开一种特别有效的方法。
图5示出形成有多个光敏元件503(与图2的像素203相关联)的半导体基片501。在该实施例中，该光敏元件503是一个光电二极管，但是可以使用其他代替和等价物。形成光电二极管和其他相关电路的具体细节是本领域所公知的，并且不在此重复，以避免对本发明的混淆。但是，该现有技术的例子可以参见美国专利No.5,904,493和美国专利No.6,320,617。
根据一个实施例，在像素203形成在该基片中时，光透明材料(在至少一部分可见频谱中)的插入层或叠层(都由参考标号505来表示)被形成在该基片501上。该插入层505可以包括滤色层、电介质或者偏振电介质。
接着微透镜材料507被形成在该插入层505上。该微透镜材料507可以是光透明的任何材料，并且通过处理形成为半球形状。例如，一些通用的微透镜材料可以是丙烯酸系衍生物，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚甲基丙烯酸甘油酯(PGMA)。但是，应当知道可以使用用于形成该微透镜的精确材料，并且可以使用任何当前使用或将来使用的材料。
在一个实施例中，该微透镜材料在施加过程中可以是液态的，使得它可以通过使用旋涂技术而施加。这提供形成一个基本上平整的层面的优点。但是，还可以使用其他适当的覆盖淀积方法。在一个实施例，该微透镜材料507的厚度为1-4微米的量级。但是，根据各种设计参数也可以使用更薄或更厚的微透镜材料507。
在一个实施例中，该微透镜层507需要被构图。因此，使用光刻胶类型的材料作为微透镜材料507是有效的。按照这种方式，通过简单地使用光刻装置和显影处理可以对该微透镜材料507进行“直接构图”。在一个实施例中，通过减小类型的分档器装置执行光刻。
接着转到图6，其中微透镜材料507是光刻胶，使用一个标度线掩膜和分档器装置执行曝光。该标度线掩膜被设计为使得间隙部分601被暴露于光刻照射之下(在正性光刻胶的情况下)。因此，当显影时，将除去间隙部分601，保留微透镜材料507的块，通常保留在该光检测单元503之上。
根据本发明，在使用标度线掩膜进行曝光之后，该微透镜材料507不被显影。而是，由该分档器装置使用第二标度线掩膜来执行微透镜材料507的第二次曝光。在通过第二标度线掩膜进行第二次曝光中，整个中心部分(即，较短的微透镜)被曝光。该结果在图7中示出，其中在中央部分的微透镜材料507的顶部701受到光刻照射的影响。应当指出在第二次曝光中的照射量小于第一次曝光的照射量。仅仅顶部701需要被充分地曝光，使得后续的显影将除去该顶部701。从下文的详细描述可以看出，在第二次曝光中的确切照射量与在该微透镜之间需要多大的高度差相关。
确实，图6和7中所示的该间隙部分601和顶部701的具体形状和尺寸仅仅是本发明的一个具体实施例。可以有其他具体应用。例如，根据要形成的微透镜的所需尺寸，图6和7中所示的顶部701和间隙部分601可以被制造为更小或更大。
转到图8，一旦微透镜材料507已经被显影(在微透镜材料507是光刻胶的情况中)，该微透镜材料507的剩余部分被加热到回流温度。这导致该微透镜材料507采用最小表面张力形状，其导致形成一个球状，如图9中所示。
从上文所述，应当知道为了说明的目的，在此已经描述本发明的具体实施例，但是可以做出各种变型而不脱离本发明的精神和范围。例如，尽管在一个实施例中给出两种不同尺寸的微透镜，但是根据微透镜在该图像传感器中的位置，本发明可以容易地用于具有多尺寸的微透镜。相应地，本发明仅仅由所附权利要求限定。
Claims (14)
1.一种图像传感器，其中包括：
形成在一个半导体基片中的多个像素，每个像素包括一个光敏元件，所述像素被分组为像素的中央部分和像素的外侧部分；
第一组微透镜，其形成在所述像素的所述中央部分中的每个所述像素之上，所述第一组微透镜具有相同的高度；以及
第二组微透镜，其形成在所述像素的所述外侧部分中的每个像素之上，所述第二组微透镜具有相同的高度，
其中所述第二组微透镜的高度不同于所述第一组微透镜的高度。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中进一步包括形成在每个像素之上的滤色层，所述滤色层形成在所述微透镜和所述光敏元件之间。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中进一步包括形成在每个像素之上的滤色层，所述滤色层形成在所述微透镜之上。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中第二组微透镜比所述第一组微透镜更高。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中第二组微透镜比所述第一组微透镜更大。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述微透镜由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚甲基丙烯酸甘油酯(PGMA)所形成。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中进一步包括连接到所述图像传感器的成像透镜。
8.一种用于形成图像传感器的方法，其中包括：
在一个半导体基片中形成多个像素，每个像素包括一个光敏元件，所述像素被分组为像素的中央部分和像素的外侧部分；
在所述像素的所述中央部分中的每个所述像素之上形成第一组微透镜，所述第一组微透镜具有相同的高度；以及
在所述像素的所述外侧部分中的每个所述像素之上形成第二组微透镜，所述第二组微透镜具有相同的高度，
其中所述第二组微透镜的高度不同于所述第一组微透镜的高度。
9.根据权利要求8所述的方法，其中进一步包括在每个像素之上形成滤色层，所述滤色层形成在所述微透镜和所述光敏元件之间。
10.根据权利要求8所述的方法，其中进一步包括在每个像素之上形成滤色层，所述滤色层形成在所述微透镜之上。
11.根据权利要求8所述的方法，其中第二组微透镜比所述第一组微透镜更高。
12.根据权利要求8所述的方法，其中第二组微透镜比所述第一组微透镜更大。
13.根据权利要求8所述的方法，其中所述微透镜由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚甲基丙烯酸甘油酯(PGMA)所形成。
14.根据权利要求8所述的方法，其中进一步包括把成像透镜连接到所述图像传感器。
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