CN103681718A - 具有白光、黄光及红光感测元件的背面照射光学传感器阵列 - Google Patents

具有白光、黄光及红光感测元件的背面照射光学传感器阵列 Download PDF

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Abstract

一种单片式背面照射图像传感器，具有传感器阵列，传感器阵列具有多像素单元，其中多像素单元包括主要用于感测红光的第一像素传感器、主要用于感测红光及绿光的第二像素传感器、以及具有全色感光度的第三像素传感器，并且所述多个像素传感器横向地相互邻近。图像传感器确定红光信号、绿光信号及蓝光信号的方法包括读取各个多像素单元的红光感测像素传感器，以确定红光信号；读取主要用于感测红光与绿光的传感器以确定黄光信号，以及减去红光信号以确定绿光信号。图像传感器读取全色感测的像素传感器以确定白光信号，以及减去黄光信号以确定蓝光信号。

Description

具有白光、黄光及红光感测元件的背面照射光学传感器阵列
技术领域
本发明涉及半导体阵列光学传感器的领域，具体涉及如使用在图像传感器集成电路上的背面传感器照射光学传感器阵列的领域。
背景技术
光学传感器阵列通常应用于电子相机（包括静物照相机和摄像机），光学传感器阵列通常具有图像传感器集成电路及可从光学传感器阵列读取图像的电路等部件。通常，这些部件皆为集成电路芯片，其包括像素传感器的矩形阵列，其中每个像素传感器包括适于检测光的至少一个光电二极管或光学晶体管，以及用于感测传感器以产生能够表示由传感器所检测的光的电子信号，及用以将信号输出至芯片外电路的电路。大多数光学传感器属于顶面照射式，用以接收从相同芯片表面进入像素传感器的光，该表面还可设置有控制晶体管（包括信号输出电路和感测的晶体管）。
当光学传感器阵列为“黑白”型时，其通常应用于安全照相机，但在2012年，大多数视频摄像机和静物照相机应用都要求彩色。
常见的色彩光学传感器阵列通常设有滤色器，其设置于顶面照射像素传感器之上。这些滤色器通常处于在整个阵列中重复（或铺设）的四像素、三颜色图案中，而这种阵列中的滤色器通常为彩色的，其中，一个滤色器可允许红光进入第一传感器，另一滤色器可允许绿光进入第二传感器，另一滤色器可允许蓝光进入第三像素传感器，而每个图案中的第四滤色器可允许红光、绿光或蓝光之一进入第四像素传感器。
在许多照相机系统中，上述图案的像素传感器的输出可以被处理后得到传统的红绿蓝（RGB）颜色信号，如其可以使用在另外的彩色显示系统以提供全色图像。红绿蓝已成为彩色电子照相机及彩色电脑监视器视频的标准颜色。
近年来，已发展出背面照射（BSI）光学传感器阵列。这些光学传感器阵列通常设置在薄化的芯片上，且芯片的第一表面上还形成有控制晶体管，但光学传感器阵列设计成用于接收通过芯片的与第一表面相对的第二表面（或背面）的光。
一些BSI光学传感器利用印制于背面的滤色器图案，以选择性允许红光、绿光及蓝光到达每个铺设图案的传感器，已发现，像素传感器可设计成具有可以由传感器的结轮廓及深度确定的色彩响应。在美国公开专利申请PCT/US01/29488的图1中，描述了一种色彩光学传感器阵列，其包括具有三个竖直堆叠（由下而上依序设置）的光电二极管结的像素传感器，其中，最深的结（深度约为2微米）用于感测红光，位于中间深度的另一结（深度约为0.6微米）用于感测绿光，最浅的另一结（深度约为0.2微米）用于感测蓝光。
发明内容
一种单片式背面照射图像传感器，具有传感器阵列，该传感器阵列铺设有多个多像素单元，其中每个多像素单元包括主要用于感测红光的第一像素传感器、主要用于感测红光及绿光（本文中也称为“黄光”）的第二像素传感器、以及具有全色感光度的第三像素传感器，且所述像素传感器横向地相互邻近。在一具体实施例中，每个像素传感器的主频谱感光度由每个传感器的光电二极管部分的结深度而定。图像传感器确定红光信号、绿光信号及蓝光信号的方法包括读取每个多像素单元的红光感测像素传感器，以确定红光信号；读取主要用于感测红光及绿光的传感器，以确定黄光信号，以及减去红光信号以确定绿光信号。图像传感器读取全色感测的像素传感器以确定白光信号，以及减去黄光信号以确定蓝光信号。
附图说明
图1示出了光学传感器阵列的红光感测像素传感器、黄光感测像素传感器及白光感测像素传感器的示意性剖面图；
图2是四像素单元的示意性平面图，其中四像素单元包括一个红光感测像素传感器、一个黄光感测像素传感器、一个白光感测像素传感器及从红光感测像素传感器、黄光感测像素传感器及白光感测像素传感器中任选其一的像素传感器；
图3A示出了四像素铺设图案，其铺设有两个红光感测像素传感器、一个黄光感测像素传感器及一个白光感测感测像素传感器；
图3B示出了四像素铺设图案，其铺设有一个红光感测像素传感器、一个黄光感测像素传感器及两个白光感测像素传感器；
图3C示出了四像素铺设图案，其铺设有一个红光感测像素传感器、两个黄光感测像素传感器及一个白光感测像素传感器；
图3D示出了九像素铺设图案，其铺设有两个红光感测像素传感器、一个黄光感测像素传感器及六个白光感测像素传感器；
图3E示出了十六像素铺设图案；
图4示出了背面照射图像传感器电路的框图，其包括如图1及图2所示的光学传感器阵列的铺设单元；
图5示出了色彩恢复单元的框图，其用于向如图3B及图2所示的各铺设单元提供红光、绿光及蓝光强度；
图6示出了另一色彩恢复单元的框图，其用于向四像素铺设图案的各像素提供分别的红光、绿光及蓝光强度。
具体实施方式
光学传感器阵列的结构
当光射入硅光学传感器的表面时，较短波长的光通常会在较接近表面处被吸收，而较长波长的光通常会在较深处被吸收，这意味着，蓝光会在较接近表面处被吸收，绿光及黄光会在深一点的地方被吸收，红光则会在更深的地方被吸收。
一种适于背面照射的光学传感器阵列98形成在半导体晶片上，在具体实施例中，该半导体晶片为硅晶片。图1示出了该阵列的光学传感器的剖视图（但未显示相关联的电子器件），图2示出了该阵列的一部分的重复（铺设）单元的俯视图。光学传感器阵列具有第一表面（或上表面）100，而穿过第一表面100形成扩散区域102、103，扩散区域102、103形成硅栅极金属氧化物半导体（MOS）晶体管的一部分。在第一表面100上生长栅极氧化物，并在栅极氧化物上设置栅极材料104，例如为多晶硅栅极材料，所属技术领域的技术人员公知的是，可以利用离子注入来调整金属氧化物半导体晶体管的阈值。在一实施例中，可以形成N型及P型沟道晶体管。在一具体实施例中，P-沟道晶体管形成为在N型阱106中形成P型源极和漏极注入区域102，另外，N-沟道晶体管形成为在P型阱108中形成N型源极与漏极注入区域103。在上表面100上还设置一个以上介电氧化层110，以及一个以上互连金属层112。提供金属层112之间的图案化互连的孔114，和提供下金属层112与扩散区域102、103之间的图案化互连的接触线116也设置于上表面100上的介电氧化层110中，此配置为多层金属、硅栅极、互补金属氧化物半导体、集成电路制造等技术领域的技术人员所公知。所述晶体管用以进行译码、驱动、预充电或重置、感测及读取光学传感器阵列中的光学传感器，当然其也可以用于其他用途。
光学传感器阵列98的一部分分配给光学传感器152、154、156。通过形成作为光电二极管的N-区域122、124、126，每个光学传感器形成于半导体晶片的第一表面100的P型外延层中。在N-区域上覆盖有表面P+覆盖区域128，且可以设置P+隔离侧壁127，以用于将其与相邻的N-区域及具有晶体管的区域相隔离。每个N-光电二极管区域与相邻的选择晶体管栅极129、用以提供阈值调整的P型阱131、以及漏极扩散区132相关联。在一些实施例中，漏极扩散区132可联接至一列感测线133。
半导体晶片被薄化，以允许至少一些光153、155、157入射至晶片的第二表面（或背面）135，并到达N-光电二极管区域122、124、126。
具有译码、驱动、感测放大、复用及其它互补金属氧化物半导体电路的部分光学传感器阵列集成电路可被图案化的不透明涂层136所遮蔽以隔绝环境光153、155、157。该涂层具有开口以允许光153、155、157入射至设有光学传感器的部分表面，且其可以限定出欲避免光抵达的区域，该区域为光学传感器阵列中不期望照射光的区域，因为当光照射该区域时，会影响电路性能，例如，会影响与光学传感器阵列设置在相同芯片上的译码器、感测放大器及模拟或数字信号处理器等电路的效能。微透镜138可以设置于第二表面135上以将光集中至光电二极管区域122、124、126上的第二表面135。
N-光电二极管区域122、124、126的深度分别选自浅层红光感测吸收器深度（如区域122）、较深层红绿光（黄光）感测吸收器深度（如区域124）、及更深层白光（或全色）感测吸收器区域深度（如区域126）。
可以设置另外的P+区域（如保护圈或二极管接触区域140），以将晶体管电路区域与阵列的光学传感器区域隔离，另外，可设置埋入P+阻抗下降区域142。
本文中描述的光学传感器阵列不需要在背面135上印制滤色器阵列，其未针对阵列的一个或多个像素及针对阵列的其它像素而具有不同的光穿透及吸收特性。在每个光学传感器具有相同光学特性的情况下，印制于背面（即光进入阵列的侧面）的这种滤色器阵列必须设置于光学传感器阵列上。
利用N-光电二极管吸收器区域的注入进行制造
在一实施例中，N-光电二极管吸收器区域122、124、126的深度依据离子注入物而定，其中，该深度通过选择离子注入器所提供的离子束能量进行控制，该能量可通过测量有效加速电压而得到。在一实施例中，吸收器区域122、124、126通过离子注入而形成，为了形成吸收器区域的具体深度，可在晶片的第一表面上形成光阻层，通过曝光和显影后，可得到具有多个开口的图案化光阻层，在该层中第二扩散区域形成至预期的具体深度；然后将晶片的表面暴露于离子束以进行晶片的注入制造工艺，集成电路制造领域的技术人员应当了解，离子注入器的离子束的能量足以产生延伸至该具体深度的吸收器区域，最后将剩余的光阻移除。接着，在不同注入离子束能量下重复进行上述形成光阻层、曝光显影光阻层及离子注入等步骤，以便产生具有不同深度的其他第二扩散区域。
在一具体实施例中，在硅基板进行离子注入时，用于全色或白光感测注入物的注入能量峰值为1MV，用于黄光感测注入物的注入能量峰值为500kV，用于红光感测注入物的注入能量峰值为250kV，其中，250kV的注入物可形成小于0.5微米的深度的吸收器区域，500kV的注入物可形成小于2微米的深度的吸收器区域。由于高电压注入物可将最多的离子送至足够深的地方，以保持表面不反型，并且在表面下方形成反型N-区域，而注入物可以重复迭加上去。例如，深吸收器区域126可接收1MV及250kV的注入物，或接收1MV、500kV及250kV等所有能量的注入物，或接收介于0至1MV之间任何能量的注入物，以产生所需的掺杂轮廓，并将吸收器区域从该深度朝向第一表面延伸，且延伸至该表面或覆盖扩散层109的底部。类似地，中间的吸收器区域124可接收250kV及500kV的注入物，或接收介于0至500kV之间任何能量的注入物；为达到本说明书的目的，吸收器区域可延伸至第一表面下方的深度，其边界位于N型或P型的吸收器区域与在该深度的互补的P型或N型围绕材料之间，当然该吸收器区域可具有从该深度延伸至位于或邻近于第一表面的一点处的N型或P型区域。本文中描述的光学传感器也可利用其它半导体材料制造，如碳化硅、砷化镓、或锗，当然，其需要使用与用于硅的离子束能量不同的离子束能量及不同的结深。
本文中所使用的术语波长决定注入物指该注入物能够决定吸收器区域122、124、126的最低部分的深度，并因此可决定主动光电二极管区域的深度。
利用外延与掺杂应用进行制造
在可替代性实施例中，吸收器区域的深度可以利用可替代性方法确定。在一具体实施例中，在基板上外延生长轻掺杂吸收器区域，然后停止外延生长，并将掺杂物提供至较深深度的区域，以形成深扩散区域126，接着再继续进行外延生长后，第二次停止外延生长，并将掺杂物提供至中间深度的区域，以形成中间扩散区域124，然后再继续进行外延生长后，再次停止外延生长，并将掺杂物提供至较浅深度的区域，以形成浅埋入扩散区域122。
薄化
如背面照射硅阵列光学传感器技术领域的技术人员所公知的，在晶片的第一表面上形成光学传感器、相关联的电路及其他电路之后，且在形成不透明掩模区域136及微透镜138之前，可对晶片的相对表面或第二表面135进行薄化处理，以允许光通过并抵达第二表面（或背面），并到达光电二极管阵列。其中，具有浅吸收器区域122的像素（或光学传感器）152主要对应于红光153，因为较短波长光（如蓝光）会在位于浅吸收器区域122与第二表面135之间的晶片部分被吸收。类似地，具有中间深度吸收器区域124的像素154主要对应于红光及黄光155，因为蓝光会在位于吸收器区域122与第二表面135之间的晶片部位被吸收。最后，具有深吸收器区域126的像素156、158主要对应于所有波长光157（包括蓝光），故其可被视为白光感测。能够感测可见光的所有波长的光学传感器也被称为全色传感器。
在一些实施例中，可将红外光吸收滤光器（或对阵列的所有像素或光学传感器具有一致吸收特性的其他滤光器）设置在第二表面135上；在一些实施例中，该滤光器可设置在第二表面135与微透镜138之间；在其他实施例中，该滤光器可设置在微透镜138上。
铺设图案
光学传感器阵列以重复（铺设）方式配置，每个单元具有四个以上的光学传感器；图2示出了一个四光学传感器铺设单元的实施例。在这种铺设单元中，红光感测像素光学传感器152、黄光感测像素光学传感器154及白光感测像素光学传感器156至少之一横向地设置成相互邻近；另外，在该单元中还设置第四光学传感器，其选自红光感测像素光学传感器、黄光感测像素光学传感器及白光感测像素光学传感器，而为达到最佳的低光感光度，第四光学传感器158可为另一白光感测像素光学传感器。光学传感器阵列技术领域的技术人员应了解，使用形成于晶片的第一表面的一个以上的晶体管的列160与行162电路通过行线164对各光学传感器进行寻址，并通过列线166连接光学传感器。在一些实施例中，分离的列线用于铺设单元的每个光学传感器，以允许同时读取四个光学传感器。在一些实施例中，还可设有用于进行色彩恢复的行存储器，而列线可被铺设单元中的多行所共享。
图2仅示出了数种可能的铺设图案之一，而图3A、3B及3C分别示出了不同的四像素铺设图案，其中，图3A示出的四像素铺设图案具有两个红光感测传感器、一个黄光感测传感器及一个白光感测传感器，图3B示出的四像素铺设图案具有一个红光感测传感器、一个黄光感测传感器及两个白光感测传感器，图3C示出的四像素铺设图案具有一个红光感测传感器、两个黄光感测传感器及一个白光感测传感器。
在电视应用中可采用多个图像传感器，其中，色彩信息的有效带宽或分辨率通常远低于照明信息（或黑白信息）的带宽或分辨率，对于这些应用，通常需要超过四个像素的铺设图案，且在每个重复图案中必须至少具有一个红光感测传感器、一个黄光感测传感器及一个白光感测传感器。例如，图3D示出了九像素铺设图案，其具有两个红光感测传感器、一个黄光感测传感器及六个白光感测传感器，而图3E示出了十六像素铺设图案。
如图4所示，图像传感器集成电路200具有光学传感器阵列202，其铺设有如图1及图2所示的像素传感器的图案。图像传感器集成电路200还包括扫瞄曝光控制电路204，其包括行计数器与列计数器，用于以设定顺序对阵列的像素传感器进行寻址。行逻辑器件206可将扫瞄曝光控制电路204的行计数器的输出译码，进而提供光学传感器阵列202的行选择。被选择的各列的光学传感器可联接至列感测放大器及复用器208，以使得所提供的信号能表示一系列像素或一系列铺设图案所接收到的光，这些信号可以包括红光、黄光及白光信息。
感测光
在操作中，在预充电阶段，可利用重置或预充电装置（可以是列逻辑器206的一部分）向每个传感器中的每个光电二极管提供偏压，并可利用选择栅极129。从第二表面135接收并被吸收器区域122、124、126所吸收的光致使这些区域产生少数载流子，进而提供通过光电二极管的结（junction）的漏电流。在经过一段曝光时间后，测量每个传感器的光电二极管上的剩余电荷，在一具体实施例中，可通过列线166通过行逻辑器件206的装置将传感器联接至感测放大器（未示出），以产生能够表示每个传感器所接收的光的信号。
在一实施例中，在进行色彩恢复之前，可以利用模拟数字转换器210将表示由一系列像素或铺设图案接收的光的信号进行数字化处理。在可替代性实施例中，在进行色彩恢复之后，利用模拟数字转换器212进行数字化处理，以提供数字图像信号以用于后续处理。在任一实施例中，提供色彩恢复处理器214，其用以将从光学传感器所取得的红光、黄光、白光信息转译成与传统图像传感器所提供的红光、绿光、蓝光信息相同的红光、绿光、蓝光信息。
色彩恢复
图5示出了色彩恢复处理器214的框图，其用于提供用于如图2或图3B所示的每个铺设图案的对应的红光、绿光及蓝光信息。若在模拟数字转换器212之前提供，则该单元包括模拟乘法器及加法放大器；若在模拟数字转换器210之后提供，则该单元包括数字阵列乘法器及二进制加法器。二进制加法器或加法放大器252可将分别表示由光学传感器156及158所接收的光的两个白光信号W1及W2进行相加，以提供两倍的平均白光等级，然后由乘法器256再乘上白光比例因子254，以得到按比例的白光等级。类似地，乘法器260将表示光学传感器154的黄光传感器信号Y乘上黄光比例因子258，以得到按比例的黄光等级，然后，在二进制加法器或加法器262中将按比例的白光等级减去按比例的黄光等级，以得到蓝光信号BLUE。该电路可执行以下方程：BLUE=W*(W比例因子)–Y*(Y比例因子)。
类似地，在乘法器266中将黄光信号Y乘上第二黄光比例因子264，以得到按比例的白光等级。类似地，乘法器270将表示光学传感器152的红光传感器信号R乘上红光比例因子268，以得到按比例的红光等级。然后，在二进制加法器或加法器272中将按比例的黄光等级减去按比例的红光等级，以得到绿光信号GREEN。该电路可执行以下方程：GREEN=Y*(Y比例因子)–R*(R比例因子)。
然后，在乘法器278中将红光信号R乘上第二红光比例因子276，以得到红光信号RED。该电路可执行以下方程式：RED=R*(R比例因子)。
在一些实施例中，在色彩处理的第二阶段中，可以利用如图6所示的乘法器302、304、306、308、310、312将信号RED、GREEN、BLUE乘上原始白光信号W1及W2，以分别得到像素红光信号RW1、RW2、像素绿光信号GW1、GW2及像素蓝光信号BW1、BW2。类似地，可以对与黄光（RY，GY，BY）光学传感器152和红光（RR，GR，BR）光学传感器154相关联的像素分别产生加工的红光值、绿光值及蓝光值。该电路可执行以下方程：
RW1=RED*W1
RW2=RED*W2
GW1=GREEN*W1
GW2=GREEN*W2
BW1=BLUE*W1
BW2=BLUE*W2
本实施例适用于以色彩分辨率为代价的光强度分辨率，例如，可用于电视，因为其历史色度（chrominance）分配有小于照明带宽的带宽。在重建铺设图案的各像素的红光、绿光及蓝光信号之前，RED、GREEN、BLUE信号可以可选地与来自相邻铺设图案的RED、GREEN、BLUE信号进行平均。
在不违背本发明的精神与范围下，可以依据上述详细说明对本发明进行修改。在所附权利要求书中所使用的术语不应解释为使本发明局限于说明书中公开的实施例。并且上述说明书及附图仅为说明本发明而非为限制性。还应理解，所附权利要求可涵盖上述说明书的一般及特定特征。

Claims (20)

1.一种单片式背面照射光学传感器阵列，具有多个多像素单元，每个多像素单元包括主要用于感测红光的第一像素传感器、主要用于感测红光及绿光的第二像素传感器、以及具有全色感光度的第三像素传感器，每个所述多像素单元的多个像素传感器横向地相互邻近。
2.如权利要求1所述的光学传感器阵列，其中，每个所述像素传感器均具有吸收器区域，所述吸收器区域的深度根据波长决定注入物确定，所述第一像素传感器的吸收器区域延伸至低于所述阵列的前表面的第一深度，所述第二像素传感器的吸收器区域延伸至低于所述前表面的第二深度，所述第三像素传感器的吸收器区域延伸至低于所述前表面的第三深度，并且所述第一深度不等于所述第二深度。
3.如权利要求2所述的光学传感器阵列，其中，所述阵列制造在硅基板中。
4.如权利要求3所述的光学传感器阵列，其中，每个多像素单元还包括具有全色感光度的第四像素。
5.如权利要求3所述的光学传感器阵列，其中，每个多像素单元还包括主要用于感测红光的第四像素。
6.如权利要求3所述的光学传感器阵列，其中，每个多像素单元还包括主要用于感测红光与绿光的第四像素。
7.如权利要求1所述的光学传感器阵列，还包括通过将所述第二像素传感器的读取值减去所述第一像素传感器的读取值以确定绿光信号的装置。
8.如权利要求7所述的光学传感器阵列，其中，在进行将所述第二像素传感器的读取值减去所述第一像素传感器的读取值的运算之前，将所述第一像素传感器的读取值进行按比例缩放。
9.如权利要求7所述的光学传感器阵列，还包括通过将所述第三像素传感器的读取值减去所述第二像素传感器的读取值以确定蓝光信号的装置。
10.如权利要求8所述的光学传感器阵列，其中，每个像素传感器均具有波长决定扩散吸收器区域，所述第一像素传感器的波长决定吸收器区域延伸至第一深度，所述第二像素传感器的波长决定吸收器区域延伸至第二深度，所述第三像素传感器的波长决定吸收器区域延伸至第三深度，并且所述第一深度不等于所述第二深度。
11.如权利要求10所述的光学传感器阵列，其中，所述波长决定扩散的深度由波长决定注入物的能量确定。
12.如权利要求10所述的光学传感器阵列，其中，所述光学传感器阵列包括硅光学传感器。
13.如权利要求1所述的光学传感器阵列，滤色器阵列未对于每个多像素单元的一个或多个像素和对于多像素单元的其他像素具有不同的光穿透特性。
14.如权利要求13所述的光学传感器阵列，还包括红外光吸收滤光器，所述红外光吸收滤光器对于每个多像素单元的像素具有一致的光穿透特性。
15.一种用于确定红光信号、绿光信号及蓝光信号的方法，包括：
读取光学传感器阵列的第一像素传感器，以确定所述红光信号；
读取所述光学传感器阵列的第二像素传感器，以确定黄光信号；
将所述黄光信号减去所述红光信号，以确定所述绿光信号；
读取所述光学传感器阵列的第三像素传感器，以确定白光信号；以及
将所述白光信号减去所述黄光信号，以确定所述蓝光信号。
16.如权利要求15所述的方法，其中，在确定所述绿光信号之前，将所述红光信号与所述黄光信号至少之一进行按比例缩放。
17.如权利要求16所述的方法，其中，在确定所述蓝光信号之前，将所述黄光信号与所述白光信号至少之一进行按比例缩放。
18.如权利要求15所述的方法，其中，所述光学传感器阵列的每个像素传感器均具有扩散吸收器区域，所述扩散吸收器区域的感光度由波长决定注入物确定，所述第一像素传感器的吸收器区域延伸至第一深度，所述第二像素传感器的吸收器区域延伸至第二深度，所述第三像素传感器的吸收器区域延伸至第三深度，其中所述第一深度不等于所述第二深度，所述第一像素传感器与所述第二像素传感器横向邻近。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述光学传感器阵列具有多个多像素单元，所述第一像素传感器、所述第二像素传感器及所述第三像素传感器属于所述多个多像素单元的第一多像素单元，所述方法还包括：通过确定所述光学传感器阵列的每个多像素单元的所述红光信号、所述绿光信号及所述蓝光信号，以确定图像。
20.如权利要求19所述的方法，还包括将所述白光信号与所述红光信号相乘，以确定像素特定红光信号。
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