CN101495889A - 光学过滤矩阵结构及相关的图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学过滤结构，包括一组至少两个基元光学滤光器(R、V、B)，基元光学滤光器以最佳透射频率为中心，其特征在于，所述光学过滤结构包括n个金属层(m1、m2、m3)和n个基本上透明的层(d1、d2、d3)的叠层，所述n个金属层(m1、m2、m3)和n个基本上透明的层(d1、d2、d3)在第一金属层(m1)与第n个基本上透明的层(d3)之间交替，所述n个金属层(m1、m2、m3)中的每一个具有恒定的厚度，且至少一个基本上透明的层具有设定基元光学滤光器的最佳透射频率的可变厚度，n是大于或等于2的整数。应用于微型图像传感器。
Description
技术领域
本发明涉及光学过滤矩阵结构以及包括根据本发明的光学过滤矩阵结构的图像传感器。
背景技术
本发明在制造小尺寸图像传感器中具有特别有益的应用，小尺寸图像传感器诸如例如是移动电话的微型相机图像传感器。
通过电子传感器获得图像正处于全面发展中。对于简化传感器制造的需求一直以来非常强烈。电荷耦合器件(更普遍地称作CCD传感器)逐渐由CMOS技术的有源像素传感器(更普遍地称作CMOS APS(有源像素传感器)传感器)替代。
图像传感器待解决的一个重要问题是颜色的获得。已知从取自可见光谱的三种颜色(红色、绿色、蓝色)开始，可以记录并随后再现大多数颜色。
某些仪器首先分开三种颜色波段，然后将三种颜色波段导引至三个图像传感器。另一些仪器直接在单个探测器矩阵的表面处分开颜色：这种第二类型的传感器是本发明所涉及的传感器。
对于这种第二类型的传感器，可以考虑两个选择：
-或者构建非常复杂的探测矩阵，这在其结构的若干水平面中利用如下事实：在其中执行将光子转换成电子的材料(光位点(photosite)中，不同颜色穿透不同深度；
-或者在探测器矩阵的表面处增加作为矩阵安置的滤光器组。
第二选择(向探测器矩阵的表面增加作为矩阵安置的滤光器组)是使用最多的一种。最标准的矩阵则是一般称作Bayer矩阵的矩阵。
图1中示出从顶部观察的Bayer矩阵的实例。图1中示出的Bayer矩阵是2×2(两行×两列)矩阵。从左至右，第一行线的滤光器分别是绿色和红色滤光器，而第二行线的滤光器分别是蓝色、绿色滤光器。
制造这种过滤矩阵一般通过使用着色树脂来实现。为了方便该过滤矩阵的制造，可以借助对紫外辐射光敏的树脂，在显影浴中没有受到曝晒位置的该树脂可以被去除。例如，为了制造根据现有技术的Bayer矩阵，将连继沉积三层树脂：一层针对绿色，一层针对红色以及一层针对蓝色。在每次沉积时，通过掩模对每层树脂进行曝晒和显影，使得仅在应当设置该树脂的位置保留该树脂。
图2的视图示出了来自现有技术的APS CMOS传感器的简化结构。CMOS APS传感器包括光敏半导体元件1，例如硅，在该光敏半导体元件的表面形成有光敏区Zph和电子电路E1；其中集成有电气互连部3的二氧化硅层2，电气互连部将电子电路E1连接到一起；形成蓝色滤光器B、红色滤光器R以及绿色滤光器V的树脂层；树脂层4以及一组微透镜MC。
目前，这种传感器制造技术受到良好的控制。然而，该传感器的缺点在于其无法过滤红外线。因此，需要事后在该传感器上增加配备有用于去除红外线的多层干涉滤光器的玻璃片。
另外，树脂密度不是非常高，并且目前为了获得足够的过滤效果，需要敷设厚度接近或大于1微米的树脂。目前图像传感器的像素的尺寸因此接近这一尺寸(典型为2μm)。由此，当光线以强入射到达传感器的表面(图像边缘或强开放目标(strongly open objective))时，该像素尺寸产生问题。实际上，被容许通过一滤光器的光子可到达相邻滤光器的光位点。因此，这一现象极大地限制了微型化。
另外还已知，着色树脂容易不均匀。因此，由于像素较小，所以过滤不均匀性更加显著。这也提出了另一缺点。
此外，存在不同于树脂的吸收材料，但是如果它们是更有吸收性的材料，则在制造这些材料中，为了与所集成的光位点矩阵的简单制造相适应，这些材料产生太多的问题，该制造于是变得太昂贵。
发明内容
本发明不具有上述缺点。
实际上，本发明涉及一种光学过滤结构，所述过滤结构包括一组至少两个基元光学滤光器，基元光学滤光器以最佳透射频率为中心，其特征在于，所述光学过滤结构包括n个金属层和n个基本上透明的层的叠层，所述n个金属层和n个基本上透明的层在第一金属层与第n个基本上透明的层之间交替，所述n个金属层中的每一个具有恒定的厚度，且至少一个基本上透明的层具有设定基元光学滤光器的最佳透射频率的可变厚度，n是大于或等于2的整数。
根据本发明的附加特征，n＝2并且仅一个基本上透明的层具有可变厚度，具有可变厚度的所述基本上透明的层是位于所述第一金属层与第二金属层之间的所述基本上透明的层。
根据本发明的另一附加特征，n＝3并且两个基本上透明的层具有可变厚度，具有可变厚度的第一基本上透明的层是位于所述第一金属层与第二金属层之间的所述基本上透明的层，而具有可变厚度的第二基本上透明的层位于所述第二金属层与第三金属层之间，源自所述第一基本上透明的层的厚度的改变的过厚(overthickness)与源自所述第二基本上透明的层的厚度的改变的过厚基本上层叠。
根据本发明的另一附加特征，所述基元光学滤光器布置为矩阵。
根据本发明的另一附加特征，所述矩阵是用于过滤红色、绿色以及蓝色三种颜色的Bayer矩阵。
根据本发明的另一附加特征，所述金属层是银(Ag)。
根据本发明的另一附加特征，构成所述基本上透明的层的所述材料选自以下材料：二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化铪(HfO2)。
本发明还涉及一种光学传感器，所述光学传感器包括光学过滤结构和其上沉积有所述光学过滤结构的光敏半导体基底，其特征在于，所述光学过滤结构是根据本发明的结构，所述结构的第一金属层沉积在所述半导体基底的第一面上。
本发明还涉及一种光学传感器，所述光学传感器包括光学过滤结构和其上沉积有所述光学过滤结构的光敏半导体基底，其特征在于，所述光学过滤结构是根据本发明的结构，并且其特征在于，所述光学传感器包括阻挡层，所述阻挡层的第一面沉积在所述半导体基底的第一面上，且所述阻挡层的第二面与所述光学过滤结构的所述第一金属层接触。
根据本发明的附加特征，制作所述阻挡层的材料与形成所述光学过滤结构的所述基本上透明的层的材料相同。
根据本发明的另一附加特征，所述阻挡层是部分或全部导电的。
根据本发明的另一附加特征，所述阻挡层的材料在导电部分中是掺铟氧化锡(ITO)，而在不导电的部分中是二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)。
根据本发明的另一附加特征，光敏区和电子元件形成在所述光敏半导体的所述第一面上。
根据本发明的另一附加特征，光敏区和电子元件形成在所述光敏半导体的与所述第一面相反的第二面上。
已知将包括交替的透明层和金属层的多层滤光器用于制作具有光子禁带的结构，更一般地称作PBG(光子带隙)结构。美国专利6262830公开了具有光子禁带的金属-电介质透明结构。
美国专利6262830公开的具有光子禁带的金属-电介质透明结构包括由薄金属层分开的、厚度接近波长一半的多个透明电介质层的叠加。每个电介质或金属层的厚度是均匀的。这些结构设计为使得某些频带通过，而阻挡另一些频带。这些结构的缺点是它们吸收部分光，包括在需要为透明的区域中。
以本领域技术人员预料不到的方式，通过仅改变一个或两个透明层的厚度，而此外所有其它层保持恒定厚度，本发明制造了适于透射某些特定频率的光学过滤结构。如在截面图中所看到的，具有可变厚度的透明层阶梯式变化，取决于它们在矩阵中的厚度。
有利地，根据本发明的一种光学过滤结构，例如Bayer矩阵，可以使得矩阵的所有基元光学过滤器具有比最短的有用波长更小的厚度。
附图说明
通过参照附图阅读本发明的优选实施例，本发明的其它特征和优点将变得明显，其中：
图1(已描述的)示出根据现有技术的Bayer矩阵的俯视图；
图2(已描述的)示出根据现有技术的CMOS APS传感器的截面图；
图3示出根据本发明的光学过滤矩阵结构的俯视图；
图4A和图4B示出沿根据本发明第一实施例的光学过滤矩阵结构的两个不同轴线的截面图；
图5示出根据本发明第一实施例的光学过滤矩阵结构的光学过滤性能；
图6A和图6B示出沿根据本发明第二实施例的光学过滤矩阵结构的两个不同轴线的截面图；
图7示出根据本发明第二实施例的光学过滤矩阵结构的光学过滤性能；
图8示出使用根据本发明第二实施例的光学过滤矩阵结构的传感器块的截面图；
图9示出根据本发明的第一替代传感器；
图10示出根据本发明的第一替代传感器。
在所有图中，相同标记表示相同元件。
具体实施方式
图3示出根据本发明的光学过滤矩阵结构的俯视图。如从上面所看到的，本发明的光学过滤矩阵结构具有通过重复根据图1所示的现有技术的基本结构而获得的几何结构。分别用于选择颜色的红色、绿色及蓝色的过滤单元R、V、B并排放置。
图4A和图4B示出沿根据本发明第一实施例的光学过滤矩阵结构的两个不同轴线的截面图。参照图3，图4A是沿图3的轴线AA的截面图，而图4B是沿图3的轴线BB的截面图。轴线AA对角地切割绿色光学滤光器V。BB轴线是垂直于AA轴线的轴线，并在对角线以外相继切割蓝色B、绿色V、红色R、绿色V、蓝色B、绿色V、红色R等光学滤光器。
图像传感器包括光敏半导体元件1，例如硅，在该光敏半导体元件上相继敷设第一金属层m1、第一透明层d1、第二金属层m2及第二透明层d2。用于制造金属层m1和m2的金属是例如银(Ag)，而用于制造透明层d1和d2的材料是例如电介质，电介质例如可以是二氧化钛(TiO2)。
层d1是调整层，该调整层的厚度的改变会改变滤光器的不同透射波长，所有其它层具有恒定厚度。因此，层d1的厚度改变适于选择性透射蓝色颜色(厚度e1)、绿色颜色(厚度f1)以及红色颜色(厚度g1)。
在特定情况下，当金属层m1和m2是银层(Ag)，而透明层d1和d2是二氧化钛(TiO2)层时，层m1、m2以及d2的厚度分别等于例如27nm、36nm以及41nm，而层d1的厚度在50nm与90nm之间变化，即针对蓝色为52nm，针对绿色为70nm，针对红色为87nm。
对其它材料，层的厚度将采用不同的值。作为非限制性实例，金属层可以由Ag、Al、Au、Nb、Li制成，而透明层可以由TiO2、ITO、SiO2、Si3N4、MgF2、SiON、Al2O3、HfO2制成。通常，利用用于多层滤光器计算的算法来计算层m1、d1、m2、d2的厚度。
这里应当注意，在图4A和图4B中(并且对于全部其它图也是相同的)，有意放大了层的厚度，以便更好地观察厚度的改变。
图5示出根据本发明第一实施例的过滤矩阵结构的光学过滤性能。图5中示出了三条曲线，即关于蓝色(针对蓝色滤光器)的透射曲线C1、关于绿色(针对绿色滤光器)的透射曲线C2以及关于红色(针对红色滤光器)的透射曲线C3。曲线C1、C2、C3示出了取决于以nm表示的波长λ处以百分比表示的矩阵结构的透射系数。
这里不仅应当注意，仅利用四层所获得的良好的透射质量(达到基本70％的透射)，而且还应当注意对900nm以上的红外波长的良好截止。
此外，光学滤光器仅示出了近紫外(400nm)与红外(1100nm)之间的一个透射峰。与已经在近红外(＞800nm)中具有寄生透射的现有技术的电介质结构相比，这也是有益的。
图6A和图6B示出沿根据本发明第二实施例的光学过滤矩阵结构的两个不同轴线的截面图。参照图3，图6A是沿AA轴线的截面图，而图6B是沿BB轴线的截面图。
图像传感器包括光敏半导体元件1，例如硅，在该光敏半导体元件上交替地敷设三个金属层m1、m2、m3以及三个透明层d1、d2、d3，金属层m1与半导体元件1接触。金属层m1-m3是例如银(Ag)，而透明层d1-d3是例如二氧化钛(TiO2)。
层d1和d2是调整层，这些层的厚度的改变设定滤光器的不同透射波长，所有其它层具有恒定厚度。源自层d1的厚度改变的过厚与源自层d2厚度改变的过厚一致(过厚是层叠的)。层d3是抗反射层。因此，层d1和d2的厚度改变适于选择性透射不同的颜色：
-层d1的厚度e1和层d2的厚度e2与蓝色的选择性透射相关；
-层d1的厚度f1和层d2的厚度f2与绿色的选择性透射相关；以及
-层d1的厚度g1和层d2的厚度g2与红色的选择性透射相关。
在银(Ag)金属层和二氧化钛(TiO2)透明层的特定情况下，层m1、m2、m3以及d3的厚度例如分别等于23nm、39nm、12nm以及65nm，层d1和d2的厚度包括在50nm和100nm之间，即：
| d1 | d2 | |
| 蓝色 | 52nm | 51.4nm |
| 绿色 | 70nm | 73.5nm |
| 红色 | 87.5nm | 96nm |
图7中示出源自该矩阵结构的透射谱。曲线D1、D2、D3表示取决于以nm表示的波长λ处以百分比表示的矩阵结构的透射系数T。在对应于三种所需颜色(红色、绿色、蓝色)的中心波长处，透射基本包括在60与70％之间。
图8示出根据本发明第二实施例的改进的光学过滤矩阵结构的截面图。这里的矩阵结构配备有一组微透镜MC，其将光L聚焦到光位点中。以本身已知的方式，MC微透镜设置在平坦层p上。
除已参照图6A和图6B描述的元件、该组微透镜MC以及平坦层p外，本发明这里的矩阵结构还包括阻挡层b，其保护半导体1免受金属层m1的影响。阻挡层b防止半导体1受到金属层m1的污染(通过金属离子迁移到半导体中而引起的污染)。在例如金属为银(Ag)的情况下，利用二氧化硅阻挡层或掺铟氧化锡(ITO)(氧化铟锡)层，可以实现所需的保护。二氧化硅层或ITO的厚度例如等于10nm。
阻挡层b可以不导电(这是二氧化硅SiO2和氮化硅Si3N4的情况)、导电(这是ITO的情况)或部分导电。当阻挡层b导电时，其可以有利地用作半导体1表面处的电极。有利地，在阻挡层是ITO阻挡层的情况下，ITO也可以用于制作该结构的透明层，因为ITO是透明的。层b、d1、d2、d3为ITO，而层m1、m2、m3为Ag。两种材料(Ag和ITO)足够用于制作根据本发明的结构，其中，光敏半导体受到保护，以避免与金属接触。利用对半导体污染较小但仍具有好的系数性质的金属合金来替代银也是可行的。因此，金属合金和ITO也足以用于制作根据本发明的结构，其中，光敏半导体受到保护。
图9和10示出根据本发明的两个替代光学传感器。
图9示出光学传感器，其中光到达光敏半导体的其上形成有光敏区Zph和电子电路E1的面上。在此类光学传感器中，光应当避开金属互连部3。本发明的光学滤光器通常比现有技术的滤光器更薄。于是，将滤光器设置于互连部3之间尽可能靠近光敏区Zph是有利的。与现有技术的对应结构相比(比较图2)，光学传感器因此对入射光具有更好的敏感性。
图10示出光学传感器，其中光到达光敏半导体的与其上形成有光敏区Zph和电子电路E1的面相反的面上。本发明的光学过滤矩阵非常容易适配于此类传感器。这里，本发明的光学传感器也有利地比现有技术的对应光学传感器具有更小的厚度。此外，在某些应用中，光学过滤器的接近有利地容许消除微透镜MC。
根据特定实施例，图10中所示例的传感器在半导体1和第一金属层m1之间包括设置有导电区k1和电绝缘区k2的阻挡层。导电区k1和绝缘区k2使得可在所需的位置处建立电接触。
图9和图10中所示的两个特定结构的透射光谱有利地随光的入射角变化非常小。因此例如，当入射从0°至40°变化时，滤光器带宽为90nm的绿色滤光器(TiO2/Ag)的平均波长变化基本为20nm。相比而言，对于现有技术的多层滤光器(SiO2/TiO2)，这样的改变将为38nm。
本发明的过滤结构的另一优点是它们可以由诸如为电导体的银和ITO的材料制作，使得滤光器可以起电极的作用，此电极能够与下面的电路(E1、Zph)具有数个接触点。
本发明的过滤结构和传感器的技术加工相当简单并利用了微电子领域的制造工艺。
优选地，通过真空溅射制作透明层和金属层，但是诸如例如真空蒸发的其它技术也是可能的。通过知道沉积速率来实现对厚度的控制。
以下描述用于制作具有可变厚度的单透明层的示例性光学过滤结构的方法。
在光敏半导体基底上相继沉积保护层(SiO2)、金属层(银)以及透明材料层(ITO)。然后执行光刻-刻蚀的两个步骤。利用树脂对不应被刻蚀的区进行掩模。优选地，利用反应离子刻蚀(例如在用于刻蚀ITO的氯+HRr气体中)来实现刻蚀。通过干涉仪确定停止刻蚀的点。作为非限制性实例，从厚度为90nm的ITO层，可获得用于绿色的70nm的ITO厚度、用于蓝色的50nm的ITO厚度、且保持90nm的初始厚度用于红色。然后，相继地沉积均具有恒定厚度的银层(Ag)和ITO层。
以下描述用于制作具有可变厚度的两个透明层的示例性光学过滤结构的方法。
该方法与上述用于可变厚度的单透明层的方法几乎相同，即：
-沉积三个第一层(保护性SiO2层、第一Ag层、第一ITO层)；
-执行两个光刻-刻蚀步骤，用于制造第一ITO层的透明台阶；
-沉积两个随后的层(第二Ag层、第二ITO层)；
-执行两个新的光刻-刻蚀步骤，用于制造第二透明层的透明台阶；
-沉积恒定厚度的两个最后的层(Ag、ITO)。
如在前已经提到的，有利地，本发明保护层的制造比简单的电介质层的制造更复杂。例如，如果意图利用基元滤光器作为导电电极，则在导电保护层与光敏半导体电接触的位置处强制地利用该导电保护层替代绝缘保护层。
以四个步骤来进行对具有两种材料的该层的制造，该两种材料例如是用于制造绝缘区的SiO2和用于制造导电区的ITO，四个步骤即：
-沉积SiO2层；
-光刻和刻蚀意图设置ITO的位置的SiO2；
-沉积比SiO2层稍厚的ITO层；
-机械化学的平坦化去除ITO直至SiO2表面。
Claims (14)
1、一种光学过滤结构，包括一组至少两个基元光学滤光器(R、V、B)，基元光学滤光器以最佳透射频率为中心，其特征在于，所述光学过滤结构包括n个金属层(m1、m2、m3)和n个基本上透明的层(d1、d2、d3)的叠层，所述n个金属层(m1、m2、m3)和n个基本上透明的层(d1、d2、d3)在第一金属层(m1)与第n个基本上透明的层(d3)之间交替，所述n个金属层(m1、m2、m3)中的每一个具有恒定的厚度，且至少一个基本上透明的层具有设定基元光学滤光器的最佳透射频率的可变厚度，n是大于或等于2的整数。
2、根据权利要求1所述的光学过滤结构，其中n＝2，并且其中单个基本上透明的层具有可变厚度，具有可变厚度的所述基本上透明的层是位于所述第一金属层(m1)与第二金属层(m2)之间的所述基本上透明的层。
3、根据权利要求1所述的光学过滤结构，其中n＝3，并且其中两个基本上透明的层具有可变厚度，具有可变厚度的第一基本上透明的层是位于所述第一金属层(m1)与第二金属层(m2)之间的所述基本上透明的层，而具有可变厚度的第二基本上透明的层位于所述第二金属层与第三金属层(m3)之间，源自所述第一基本上透明的层的厚度的改变的过厚与源自所述第二基本上透明的层的厚度的改变的过厚基本上层叠。
4、根据任一前述权利要求所述的光学过滤结构，其中所述基元光学滤光器(R、V、B)布置为矩阵。
5、根据权利要求4所述的光学过滤结构，其中所述矩阵是用于过滤红色、绿色以及蓝色三种颜色的Bayer矩阵。
6、根据任一前述权利要求所述的光学过滤结构，其中所述金属层是银(Ag)。
7、根据任一前述权利要求所述的光学过滤结构，其中构成所述基本上透明的层的所述材料选自以下材料：二氧化钛(TiO2)、掺铟氧化锡(ITO)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化铪(HfO2)。
8、一种光学传感器，包括光学过滤结构和其上沉积有所述光学过滤结构的光敏半导体基底(1)，其特征在于，所述光学过滤结构是根据权利要求1至7中任一项所述的结构，所述第一金属层(m1)沉积在所述半导体基底(1)的第一面上。
9、一种光学传感器，包括光学过滤结构和其上沉积有所述光学过滤结构的光敏半导体基底(1)，其特征在于，所述光学过滤结构是根据权利要求1至7中任一项所述的结构，并且其特征在于，所述光学传感器包括阻挡层(b)，所述阻挡层(b)的第一面沉积在所述半导体基底(1)的第一面上，且所述阻挡层(b)的第二面与所述第一金属层(m1)接触。
10、根据权利要求9所述的光学传感器，其中制作所述阻挡层的材料与构成所述光学过滤结构的所述基本上透明的层的材料相同。
11、根据权利要求9或10所述的光学传感器，其中所述阻挡层(b)是部分或全部导电的。
12、根据权利要求11所述的光学传感器，其中所述阻挡层的材料在导电部分中是掺铟氧化锡(ITO)，而在不导电的部分中是二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)。
13、根据权利要求8至12中任一项所述的光学传感器，其中光敏区(Zph)和电子元件(E1)形成在所述光敏半导体的所述第一面上。
14、根据权利要求8至12中任一项所述的光学传感器，其中光敏区(Zph)和电子元件(E1)形成在所述光敏半导体的与所述第一面相反的第二面上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20090729 |
|
| C20 | Patent right or utility model deemed to be abandoned or is abandoned |