CN104952890B - 具有用以检测红外光的金属网格的彩色图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本申请案涉及一种具有用以检测红外光的金属网格的彩色图像传感器。一种图像传感器包含具有多个像素的像素阵列，所述像素阵列布置于半导体层中。包含多个滤光器群组的彩色滤光器阵列安置于所述像素阵列上方。每一滤光器光学耦合到所述多个像素中的对应一者。所述多个滤光器群组中的每一者包含分别具有第一色彩、第二色彩、所述第二色彩及第三色彩的第一滤光器、第二滤光器、第三滤光器及第四滤光器。金属层安置于所述像素阵列上方且经图案化以包含具有拥有一大小及间距的网格开口的金属网格以阻挡具有第四色彩的入射光到达所述对应像素。所述金属层经图案化以包含不具有所述金属网格的开口以允许所述入射光到达其它像素。

Description

具有用以检测红外光的金属网格的彩色图像传感器
技术领域
本发明大体来说涉及成像。更具体来说，本发明的实例涉及基于互补金属氧化物半导体的图像传感器。
背景技术
图像传感器已变得普遍存在。其广泛用于数码相机、蜂窝式电话、安全相机以及医学、汽车及其它应用中。用以制造图像传感器且特定来说互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)的技术已不断快速地发展。举例来说，对较高分辨率及较低电力消耗的需求已促进了这些图像传感器的进一步小型化及集成。
其中大小及图像质量特别重要的两个应用领域为安全应用及汽车应用。对于这些应用，图像传感器芯片通常必须在可见光谱中提供高质量图像且在光谱的红外及近红外部分中具有改进的敏感度。举例来说，红外或近红外图像传感器可用于在低光及有雾条件中提供改进的敏感度且帮助在较冷的环境中检测较暖的物体。
发明内容
本发明的一个实施例揭示一种图像传感器，其包括：像素阵列，其包含多个像素，布置于半导体层中；彩色滤光器阵列，其包含多个滤光器群组，安置于所述像素阵列上方，其中每一滤光器光学耦合到所述多个像素中的对应一者，其中所述多个滤光器群组中的每一者包含分别具有第一色彩、第二色彩、所述第二色彩及第三色彩的第一滤光器、第二滤光器、第三滤光器及第四滤光器；及金属层，其安置于所述像素阵列上方，其中所述金属层经图案化以包含具有拥有一大小及间距的网格开口的金属网格以阻挡具有第四色彩的入射光穿过所述多个滤光器群组中的每一者的所述第三滤光器而到达所述对应像素，且其中所述金属层经图案化以包含不具有所述金属网格的开口以允许所述入射光穿过所述多个滤光器群组中的每一者的所述第一滤光器、所述第二滤光器及所述第四滤光器而到达所述对应像素。
本发明的另一实施例揭示一种成像系统，其包括：像素阵列，其包含多个像素，布置于半导体层中；彩色滤光器阵列，其包含多个滤光器群组，安置于所述像素阵列上方，其中每一滤光器光学耦合到所述多个像素中的对应一者，其中所述多个滤光器群组中的每一者包含分别具有第一色彩、第二色彩、所述第二色彩及第三色彩的第一滤光器、第二滤光器、第三滤光器及第四滤光器；金属层，其安置于所述像素阵列上方，其中所述金属层经图案化以包含具有拥有一大小及间距的网格开口的金属网格以阻挡具有第四色彩的入射光穿过所述多个滤光器群组中的每一者的所述第三滤光器而到达所述对应像素，且其中所述金属层经图案化以包含不具有所述金属网格的开口以允许所述入射光穿过所述多个滤光器群组中的每一者的所述第一滤光器、所述第二滤光器及所述第四滤光器而到达所述对应像素；控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素读出图像数据。
附图说明
参考以下各图描述本发明的非限制性及非详尽实施例，其中在所有各视图中相似参考编号指代相似部件，除非另有规定。
图1是图解说明根据本发明的教示包含于成像系统中的图像传感器的一个实例的图式。
图2A是图解说明根据本发明的教示包含于成像系统中的图像传感器的像素阵列的一部分的一个实例的图式。
图2B是根据本发明的教示包含于成像系统中的图像传感器的像素阵列的一部分的一个实例的横截面图。
图3是根据本发明的教示包含于成像系统中的图像传感器的像素阵列中的像素群组内的四个4T像素的像素电路的一个实例的电路示意图。
在图式的所有数个视图中，对应参考字符指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是为简单及清晰起见而图解说明的，且未必按比例绘制。举例来说，为了有助于改进对本发明的各种实施例的理解，图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件放大。此外，通常未描绘在商业上可行的实施例中有用或必需的常见而众所周知的元件以便促进对本发明的这各种实施例的较不受阻挡的观察。
具体实施方式
本文中描述包含具有以大光电二极管为特征的实例性像素设计的CMOS图像传感器的设备的实例，所述大光电二极管可具有增加的敏感度及减少的图像滞后。在以下描述中，陈述众多特定细节以提供对所述实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可在无所述特定细节中的一或多者的情况下或借助其它方法、组件、材料等实践本文中所描述的技术。在其它实例中，为避免使某些方面模糊，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作。
在本说明书通篇中对“一个实施例”、“一实施例”、“一个实例”或“一实例”的提及意指结合所述实施例或实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例或实例中。因此，在本说明书通篇的各个位置中例如“在一个实施例中”或“在一个实例中”等短语的出现未必全部指代同一实施例或实例。此外，在一或多个实施例或实例中可以任何适合方式组合所述特定特征、结构或特性。
如将论述，揭示一种包含可感测可见光以及红外光的图像传感器的成像系统。在一个实例中，所述成像系统的图像传感器包含具有多个像素的像素阵列，所述像素阵列布置于半导体层中。包含多个滤光器群组的彩色滤光器阵列安置于所述像素阵列上方。所述彩色滤光器阵列中的每一滤光器光学耦合到所述像素阵列中的所述多个像素中的对应一者。在一个实例中，所述多个滤光器群组中的每一者包含第一滤光器、第二滤光器、第三滤光器及第四滤光器。在一个实例中，所述第一滤光器具有第一色彩，所述第二滤光器及所述第三滤光器具有第二色彩，且所述第四滤光器具有第三色彩。金属层也安置于所述像素阵列上方。根据本发明的教示，所述金属层经图案化以包含具有拥有一大小及间距的网格开口的金属网格以阻挡具有第四色彩的入射光穿过所述多个滤光器群组中的每一者的所述第三滤光器而到达所述对应像素。根据本发明的教示，所述金属层经图案化以包含不具有所述金属网格的开口以允许所述入射光穿过所述多个滤光器群组中的每一者的所述第一滤光器、所述第二滤光器及所述第四滤光器而到达所述对应像素。
为了图解说明，图1图解说明包含于互补金属氧化物半导体(CMOS)成像系统100中的图像传感器的实例，成像系统100包含彩色像素阵列105、读出电路110、功能逻辑115及控制电路120。在所描绘的实例中，实例性图像传感器包含为具有X数目个像素列及Y数目个像素行的二维(2D)像素(例如，像素P1、P2…、Pn)阵列的彩色像素阵列105。在一个实例中，每一像素为CMOS成像像素。在所述实例中，彩色像素阵列105可实施为背侧照明式图像像素阵列。如所图解说明，每一像素被布置到一行(例如，行R1到Ry)及一列(例如，列C1到Cx)中以获取人、地点或物体的图像数据，接着可使用所述图像数据再现所述人、地点或物体的2D图像。在每一像素已获取其图像数据或图像电荷之后，所述图像数据由读出电路110读出且传送到功能逻辑115。读出电路110可包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它。功能逻辑115可简单地存储所述图像数据或甚至通过应用图像后效果(例如，剪裁、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵所述图像数据。控制电路120耦合到像素阵列105以控制彩色像素阵列105的操作特性。举例来说，控制电路120可产生用于控制图像获取的快门信号。
在一个实例中，彩色像素阵列105包含给彩色像素阵列105的每一像素指派一色彩的彩色滤光器阵列(CFA)。在一个实例中，所述CFA通过将单独原色的滤光器放置于每一像素上方而给所述像素指派所述色彩。在光子通过某一原色的滤光器而到达像素时，所述原色的波长将通过所述滤光器。原色为由科学识别为所有其它色彩的构建块的一组色彩。原色的实例包含红色、绿色及蓝色(通常称为RGB)以及青色、品红色及黄色(通常称为CMY)。举例来说，在RGB色彩模型中，组合不同量的红色、绿色及蓝色将形成可见光普中的所有其它色彩。
已针对不同的应用开发了众多类型的CFA。CFA图案几乎专有地由以矩形X、Y图案布置的相同正方形像素元件(称为微像素)构成。还可使用其它像素形状，但重复像素单元(有时称为宏像素)通常以四个像素的群组存在。在许多数码相机图像传感器中，流行的CFA为拜耳图案。使用具有交替滤光器行的棋盘图案，拜耳图案具有多达红色或蓝色像素两倍多的绿色像素，且其以红色夹在绿色之间及蓝色夹在绿色之间的交替行而布置。此图案利用人眼在界定锐度时将绿色照度看作最强影响的偏好。而且，拜耳图案产生相同的图像而不管如何握持相机-以横屏模式或纵屏模式。
为了图解说明，图2A以增加的细节展示实例性像素阵列205的一部分，像素阵列205包含布置于多个像素群组206A、206B、206C及206D中的CFA。应注意，图2A的像素阵列205为图1的像素阵列105的更加详细地图解说明的一部分的实例，且下文所提及的类似命名及编号的元件类似于如上文所描述而耦合及发挥作用。在所描绘的实例中，多个像素群组206A、206B、206C及206D上方的CFA具有拜耳图案。特定来说，实例性像素群组206A包含具有红色(R)滤光器的第一像素208A、具有绿色(G)滤光器的第二像素208B及第三像素208C以及具有蓝色(B)滤波器的第四像素208D。
如在所描绘的实例中所图解说明，像素阵列205还包含具有经图案化以包含金属网格212的部分的金属层，金属网格212具有拥有一大小及间距的网格开口以阻挡红外(IR)光，但允许绿色(G)入射光传播穿过金属网格212。如在所述实例中所展示，沿着第三像素208C的光学路径包含金属网格。在所述实例中，根据本发明的教示，所述金属层的部分也经图案化以包含不具有金属网格212的开口以允许包含任何红外(IR)光的入射光到达对应像素208A、208B及208D的像素电路。
为了图解说明，图2B展示实例性像素阵列205沿着图2A中所图解说明的虚线A-A'的横截面。特定来说，包含像素208B及像素208C的像素阵列205布置于半导体层214中，在一个实例中，半导体层214包含硅。包含彩色滤光器218B及彩色滤光器218C的CFA分别安置于像素208B及208C的半导体层214中的像素电路上方。应注意，下文在图3中更详细地描述半导体层214中的像素电路的实例。在图2B中所描绘的实例中，彩色滤光器218B及218C为绿色滤光器。在所述实例中，彩色滤光器218B及218C中的每一者光学耦合到布置于半导体层214中的多个像素电路中的对应一者。在所述实例中，包含微透镜222B及222C的微透镜阵列也安置于半导体层214中的像素上方。如此，根据本发明的教示，入射光被引导穿过每一微透镜222B及222C、穿过相应彩色滤光器218B及218C而到达布置于半导体层214中的相应像素电路。在一个实例中，根据本发明的教示，入射光被引导穿过包含像素阵列205的集成电路芯片的背侧以照明像素阵列205中的像素。
图2B中所描绘的实例还图解说明金属层216安置于像素阵列的半导体层214上方。在一个实例中，金属层216安置于彩色滤光器阵列的彩色滤光器218B及218C与半导体层214中的像素阵列的像素电路之间的层间电介质的氧化物内。如在所描绘的实例中所展示，金属层216的部分经图案化以包含具有拥有一大小及间距的网格开口的金属网格212以阻挡红外(IR)入射光穿过彩色滤光器218C而到达半导体层214中的对应像素电路。因此，根据本发明的教示，金属网格212提供具有拥有一大小及间距的网格开口的谐振带通滤波器以减少红外(IR)光穿过金属网格212的传播。如在所述实例中所展示，根据本发明的教示，金属层216的部分还经图案化以包含不具有金属网格212的开口以允许入射光穿过其它彩色滤光器(包含如所展示的彩色滤光器218B)而到达半导体层214中的对应像素电路。
图3是根据本发明的教示包含于成像系统中的图像传感器的像素阵列305中的像素群组内的四个4T像素的像素电路的一个实例的电路示意图。如在图3中所描绘的实例中所展示，像素阵列305中的像素电路包含像素阵列305内的四晶体管(4T)像素308A、308B、308C及308D。在一个实例中，根据本发明的教示，像素308A、308B、308C及308D表示图2A-2B的像素208A、208B、208C及208D的半导体层214中的像素电路的实例。因此，下文所提及的类似命名及编号的元件类似于如上文所描述而耦合及发挥作用。应了解，像素308A、308B、308C及308D表示用于实施图3的彩色像素阵列305内的每一像素的一个可能架构，但根据本发明的教示的实例并不限于4T像素架构。确实，受益于本发明的所属领域的技术人员将理解，本发明教示还适用于3T设计、5T设计及各种其它像素架构。
在图3中所描绘的实例中，像素308A、308B、308C及308D布置于两个行及两个列中。像素阵列305中的每一像素的所图解说明实例包含光敏元件PD、转移晶体管T1、复位晶体管T2、源极跟随器(SF)晶体管T3及选择晶体管T4。在每一像素的操作期间，转移晶体管T1接收转移信号TX，所述转移信号TX将在光敏元件PD中积累的电荷转移到浮动扩散节点FD。复位晶体管T2耦合于电源轨VDD与浮动扩散节点FD之间以在复位信号RST的控制下对FD进行复位(例如，将FD放电或充电到预设电压)。浮动扩散节点FD经耦合以控制SF晶体管T3的栅极。SF晶体管T3耦合于电源轨VDD与选择晶体管T4之间。SF晶体管T3作为提供来自像素的高阻抗输出的源极跟随器而操作。最后，选择晶体管T4在选择信号SEL的控制下选择性地将像素电路200的输出耦合到读出列线。在像素阵列305的一个实例中，TX信号、RST信号及SEL信号均由上文在图1中所图解说明的控制电路120产生。
在操作中，像素308A、308B、308C及308D的光敏元件PD各自响应于入射光而积累光生电荷载流子。如上文所论述，像素308B及308C两者具有沿着到像素308B及308C的光敏元件PD的光学路径安置的绿色(G)滤光器218B及218C，如图2A-2B中所展示。然而，图2A-2B中所展示的具有拥有一大小及间距的网格开口以阻挡红外(IR)光的金属网格212也沿着到像素308C的光敏元件PD的光学路径安置。在所述实例中，金属网格212不沿着到像素308B的光敏元件PD的光学路径安置。因此，根据本发明的教示，像素308B与308C的光敏元件PD中的经积累电荷将存在差异，因为像素308B暴露于红外(IR)光且像素308C由于金属网格212而经遮蔽以不暴露于红外(IR)光。因此，根据本发明的教示，通过比较具有金属网格212的绿色(G)像素308B与不具有金属网格212的绿色(G)像素308B之间的经积累电荷差异，可确定红外(IR)光信号电平。
根据本发明的教示，在由像素阵列305感测的入射绿色(G)光的情况中，绿色(G)像素308B及308C两者均充当标准绿色(G)像素，即使两个绿色(G)像素中的一者308C具有金属网格212，因为绿色(G)光将以很少损耗传播穿过金属网格212，因为金属网格212为经设计以仅阻挡红外(IR)光的带通滤波器。根据本发明的教示，在由像素阵列305检测的入射红外(IR)光的情况中，具有金属网格212的绿色(G)像素308C将具有较少经积累电荷，因为大部分的入射红外(IR)光被金属网格212阻挡。
包含发明摘要中所描述内容的本发明的所图解说明实例的以上描述并非打算为穷尽性或限制于所揭示的精确形式。尽管出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但可在不背离本发明的较宽广精神及范围的情况下做出各种等效修改。确实，应了解，特定实例性电压、电流、频率、功率范围值、时间等是出于解释目的而提供且根据本发明的教示还可在其它实施例及实例中采用其它值。

Claims (15)

1.一种图像传感器，其包括：
像素阵列，其包含多个像素，布置于半导体层中；
彩色滤光器阵列，其包含多个滤光器群组，安置于所述像素阵列上方，其中每一滤光器光学耦合到所述多个像素中的对应一者，其中所述多个滤光器群组中的每一者包含分别具有第一色彩、第二色彩、所述第二色彩及第三色彩的第一滤光器、第二滤光器、第三滤光器及第四滤光器，且其中所述第一滤光器、所述第二滤光器、所述第三滤光器及所述第四滤光器形成拜耳图案，其中所述第一滤光器靠近所述第二滤光器和所述第三滤光器，所述第二滤光器靠近所述第一滤光器和所述第四滤光器，所述第三滤光器靠近所述第一滤光器和所述第四滤光器，且所述第四滤光器靠近所述第二滤光器和所述第三滤光器；及
金属层，其安置于所述彩色滤光器阵列的所述第三滤光器和所述像素阵列之间，其中所述金属层经图案化以包含具有拥有一大小及间距的网格开口的金属网格以阻挡具有第四色彩的入射光穿过所述多个滤光器群组中的每一者的所述第三滤光器而到达所述对应像素，且其中所述金属层经图案化以包含不具有所述金属网格的开口以允许所述入射光穿过所述多个滤光器群组中的每一者的所述第一滤光器、所述第二滤光器及所述第四滤光器而到达所述对应像素。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一色彩为红色，其中所述第二色彩为绿色，其中所述第三色彩为蓝色，且其中所述第四色彩为红外。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述多个像素中的每一者包含经耦合以响应于所述入射光而积累光生电荷载流子的光敏元件，其中所述图像传感器经耦合以响应于所述多个群组中的每一者中的与所述第二滤光器相对应的像素和与所述第三滤光器相对应的像素之间的经积累电荷差异而感测所述入射光中的所述第四色彩。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述图像传感器经耦合以响应于所述多个群组中的每一者中的与所述第二滤光器相对应的像素及与所述第三滤光器相对应的像素中的经积累电荷而感测所述入射光中的所述第二色彩。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括安置于所述像素阵列上方以朝向所述像素阵列引导所述入射光的微透镜阵列。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中金属网格包括具有拥有一大小及间距的网格开口的谐振带通滤光器以减少红外光通过金属网格。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述像素阵列适于通过包含所述图像传感器的集成电路芯片的背侧用所述入射光来照明。
8.一种成像系统，其包括：
像素阵列，其包含多个像素，布置于半导体层中；
彩色滤光器阵列，其包含多个滤光器群组，安置于所述像素阵列上方，其中每一滤光器光学耦合到所述多个像素中的对应一者，其中所述多个滤光器群组中的每一者包含分别具有第一色彩、第二色彩、所述第二色彩及第三色彩的第一滤光器、第二滤光器、第三滤光器及第四滤光器，且其中所述第一滤光器、所述第二滤光器、所述第三滤光器及所述第四滤光器形成拜耳图案，其中所述第一滤光器靠近所述第二滤光器和所述第三滤光器，所述第二滤光器靠近所述第一滤光器和所述第四滤光器，所述第三滤光器靠近所述第一滤光器和所述第四滤光器，且所述第四滤光器靠近所述第二滤光器和所述第三滤光器；
金属层，其安置于所述彩色滤光器阵列的所述第三滤光器和所述像素阵列之间，其中所述金属层经图案化以包含具有拥有一大小及间距的网格开口的金属网格以阻挡具有第四色彩的入射光穿过所述多个滤光器群组中的每一者的所述第三滤光器而到达所述对应像素，且其中所述金属层经图案化以包含不具有所述金属网格的开口以允许所述入射光穿过所述多个滤光器群组中的每一者的所述第一滤光器、所述第二滤光器及所述第四滤光器而到达所述对应像素；
控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及
读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素读出图像数据。
9.根据权利要求8所述的成像系统，其进一步包括耦合到所述读出电路以存储从所述多个像素读出的所述图像数据的功能逻辑。
10.根据权利要求8所述的成像系统，其中所述第一色彩为红色，其中所述第二色彩为绿色，其中所述第三色彩为蓝色，且其中所述第四色彩为红外。
11.根据权利要求8所述的成像系统，其中所述多个像素中的每一者包含经耦合以响应于所述入射光而积累光生电荷载流子的光敏元件，其中图像传感器经耦合以响应于所述多个群组中的每一者中的与所述第二滤光器相对应的像素和与所述第三滤光器相对应的像素之间的经积累电荷差异而感测所述入射光中的所述第四色彩。
12.根据权利要求8所述的成像系统，其中图像传感器经耦合以响应于所述多个群组中的每一者中的与所述第二滤光器相对应的像素及与所述第三滤光器相对应的像素中的经积累电荷而感测所述入射光中的所述第二色彩。
13.根据权利要求8所述的成像系统，其进一步包括安置于所述像素阵列上方以朝向所述像素阵列引导所述入射光的微透镜阵列。
14.根据权利要求8所述的成像系统，其中金属网格包括具有拥有一大小及间距的网格开口的谐振带通滤光器以减少红外光通过金属网格。
15.根据权利要求8所述的成像系统，其中所述像素阵列适于通过包含所述像素阵列的集成电路芯片的背侧用所述入射光来照明。
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