CN108364966A - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器及其形成方法，所述图像传感器包括：半导体衬底；像素器件，位于所述半导体衬底内；滤光器矩阵，位于所述半导体衬底的表面，每个所述滤光器矩阵包括多个最小重复单元，所述最小重复单元至少包含第一绿色滤光器以及第二绿色滤光器，所述第一绿色滤光器与所述第二绿色滤光器的厚度不同。本发明方案可以提高图像传感器的动态范围。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法。
背景技术
图像传感器是摄像设备的核心部件，通过将光信号转换成电信号实现图像拍摄功能。以CMOS图像传感器(CMOS Image Sensors，CIS)器件为例，由于其具有低功耗和高信噪比的优点，因此在各种领域内得到了广泛应用。
以后照式(Back-side Illumination，简称BSI)CIS为例，在现有的制造工艺中，先在半导体衬底内形成逻辑器件、像素器件以及金属互连结构，然后采用承载晶圆与所述半导体衬底的正面键合，进而对半导体衬底的背部进行减薄，进而在半导体衬底的背面形成CIS的后续工艺，例如在所述像素器件的半导体衬底背面形成滤光器(Filter)矩阵等。
其中，滤光器矩阵通常包括多个最小重复单元，以拜耳(Bayer)滤光器阵列为例，所述最小重复单元中包含的绿色滤光器为红色滤光器或蓝色滤光器的两倍。具体而言，相比于可见光谱中的其他色彩，人类视觉系统对绿波段中的色彩更加敏感，因此倾向于设置更多的绿色滤光器。
进一步地，通过半导体衬底内的像素器件获取透过滤光器矩阵的入射光，然后通过光电二极管对通过每个滤光器的入射光子进行吸收且形成光电流，进而通过逻辑电路进行运算放大后，分别得到通过每个滤光器的数据，对根据多个滤光器确定的数据进行整合，输出得到图像。
然而，在现有技术中，图像传感器的动态范围往往不足，输出图像容易发生过曝光或者欠曝光的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种图像传感器及其形成方法，可以提高图像传感器的动态范围。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器，包括：半导体衬底；像素器件，位于所述半导体衬底内；滤光器矩阵，位于所述半导体衬底的表面，每个所述滤光器矩阵包括多个最小重复单元，所述最小重复单元至少包含第一绿色滤光器以及第二绿色滤光器，所述第一绿色滤光器与所述第二绿色滤光器的厚度不同。
可选的，所述最小重复单元还包括红色滤光器和蓝色滤光器。
可选的，所述第一绿色滤光器的厚度大于所述第二绿色滤光器的厚度，所述第二绿色滤光器的厚度与所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度相同。
可选的，所述第一绿色滤光器的厚度为750nm至850nm。
可选的，所述第一绿色滤光器的厚度大于所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度，所述第二绿色滤光器的厚度小于所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度。
可选的，所述第一绿色滤光器的厚度为750nm至850nm，所述第二绿色滤光器的厚度为550nm至650nm。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有像素器件；在所述半导体衬底的表面形成滤光器矩阵，每个所述滤光器矩阵包括多个最小重复单元，所述最小重复单元至少包含第一绿色滤光器以及第二绿色滤光器，所述第一绿色滤光器与所述第二绿色滤光器的厚度不同。
可选的，所述最小重复单元还包括红色滤光器和蓝色滤光器。
可选的，所述第一绿色滤光器的厚度大于所述第二绿色滤光器的厚度，所述第二绿色滤光器的厚度与所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度相同。
可选的，所述第一绿色滤光器的厚度大于所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度，所述第二绿色滤光器的厚度小于所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
在本发明实施例中，提供一种图像传感器，包括：半导体衬底；像素器件，位于所述半导体衬底内；滤光器矩阵，位于所述半导体衬底的表面，每个所述滤光器矩阵包括多个最小重复单元，所述最小重复单元至少包含第一绿色滤光器以及第二绿色滤光器，所述第一绿色滤光器与所述第二绿色滤光器的厚度不同。采用上述方案，通过设置第一绿色滤光器与第二绿色滤光器的厚度不同，可以使多个绿色滤光器的光电信号量在不同的曝光时间处分别达到饱和，从而有机会在对根据多个绿色滤光器确定的数据进行整合时，具有多样的数据基础，有助于通过改变整合算法获得更高品质的图像，从而提高图像传感器的动态范围。
进一步，设置所述第一绿色滤光器的厚度大于所述第二绿色滤光器的厚度，所述第二绿色滤光器的厚度与所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度相同，可以减少透过第一绿色滤光器的入射光，从而减少第一绿色滤光器对应的像素器件收集到的光电信号量，进而延长光电信号量达到饱和值时对应的曝光时间，有助于降低出现“过饱和”现象的可能性，并且使像素器件在亮光环境下采集到更多的实物细节信息，有利于提高图像传感器的动态范围，提升图像传感器输出的图像品质。
进一步，设置所述第一绿色滤光器的厚度大于所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度，还设置所述第二绿色滤光器的厚度小于所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度，可以增加透过第二绿色滤光器的入射光，从而增加第二绿色滤光器对应的像素器件收集到的光电信号量，有助于在暗光环境下，提高曝光量，从而采集到更多的实物细节信息，有利于提升图像传感器输出的图像品质。
附图说明
图1是现有技术中一种图像传感器的绿色滤光器的光电响应曲线示意图；
图2是本发明实施例中一种图像传感器的剖面结构示意图；
图3是本发明实施例中一种滤光器矩阵的结构示意图；
图4是本发明实施例中一种图像传感器的绿色滤光器的光电响应曲线示意图；
图5是本发明实施例中另一种图像传感器的绿色滤光器的光电响应曲线示意图；
图6是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图。
具体实施方式
在现有技术中，滤光器矩阵包括多个最小重复单元，所述滤光器矩阵例如可以为拜耳阵列、马赛克顺序阵列或者其他图案阵列。
在滤光器矩阵中，通常设置更多的绿色滤光器，因此为了提升图像传感器输出的图像品质，应当尽可能地提高绿色滤光器的光电响应性能。以拜耳阵列为例，所述最小重复单元中包含的绿色滤光器为红色滤光器或蓝色滤光器的两倍，且设置绿色滤光器在相邻行交替嵌入蓝色滤波器之间或者嵌入红色滤波器之间。
图1是现有技术中一种图像传感器的绿色滤光器的光电响应曲线示意图。
如图1所示，横轴为固定光强环境下的曝光时间，曝光时间越长，曝光量越高，纵轴为光电信号量，曝光时间越长，像素器件收集到的光电信号量越多。
其中，虚线用于表示绿色滤光器的光电信号量在曝光时间T1处饱和，在曝光时间T1之后的区域属于过饱和区域A1。当光电信号量达到曝光时间T1之后，就容易出现“过饱和”现象，导致图像失真。
由此可见，图1示出的图像传感器仅能在曝光时间T1之前，输出品质较高的图像，图像传感器的动态范围较小。
本发明的发明人经过研究发现，在现有技术中，滤光器矩阵中的绿色滤光器厚度一致，多个绿色滤光器的光电信号量均在曝光时间T1处饱和，通过每个绿色滤光器的数据均较为一致，从而在对根据多个绿色滤光器确定的数据进行整合时，数据基础过于单一，难以通过改变整合算法获得更高品质的图像，致使图像传感器的动态范围较小。
在本发明实施例中，提供一种图像传感器，包括：半导体衬底；像素器件，位于所述半导体衬底内；滤光器矩阵，位于所述半导体衬底的表面，每个所述滤光器矩阵包括多个最小重复单元，所述最小重复单元至少包含第一绿色滤光器以及第二绿色滤光器，所述第一绿色滤光器与所述第二绿色滤光器的厚度不同。采用上述方案，通过设置第一绿色滤光器与第二绿色滤光器的厚度不同，可以使多个绿色滤光器的光电信号量在不同的曝光时间处分别达到饱和，从而有机会在对根据多个绿色滤光器确定的数据进行整合时，具有多样的数据基础，有助于通过改变整合算法获得更高品质的图像，从而提高图像传感器的动态范围。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
参照图2，图2是本发明实施例中一种图像传感器的剖面结构示意图。
所述图像传感器可以包括半导体衬底10、像素器件11以及滤光器矩阵13。
其中，所述像素器件11可以位于所述半导体衬底10内，所述滤光器矩阵13可以位于所述半导体衬底10的表面。
具体地，所述半导体衬底10可以为生长有外延层(Epitaxy layer，Epi layer)的衬底，所述半导体衬底10的材料可以为硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适当的应用于图像传感器的材料。
所述像素器件11可以包括光电二极管111以及像素电路112，其中，所述像素电路112可以包括形成选择晶体管、重置晶体管以及源随晶体管等各种适当的晶体管的器件，例如可以包括传输栅极(Transfer Gate，TG)以及浮置扩散区(Floating Diffusion，FD)。需要指出的是，在本发明实施例中，对于具体的像素电路112的组成不作限制。
进一步地，在所述像素器件11的表面，还可以形成金属互连结构12，所述金属互连结构12可以包括多层金属层，所述多层金属层之间可以通过通孔连接且通过层间介质层分离。
所述滤光器矩阵13可以位于所述半导体衬底10的正面，还可以位于所述半导体衬底10的背面。在图2示出的背照式CIS中，所述滤光器矩阵13位于所述半导体衬底10的背面。
具体而言，在现有技术中，CIS可以包括前照式(Front-side Illumination，FSI)CIS和后照式CIS，所述后照式CIS也可以称为背照式CIS。在前照式CIS中，光线从半导体衬底的正面照射到光电二极管上产生光生载流子，进而形成电信号。在背照式CIS中，光线从半导体衬底的背面照射到光电二极管上产生光生载流子，进而形成电信号。
进一步地，所述图像传感器还可以包括金属格栅(Metal Grid)14，所述金属格栅14可以形成于半导体衬底的表面，用于隔离入射光，从而降低通过不同滤光器接收到的入射光的光学串扰。
所述图像传感器还可以包括镜头(Micro-lens)15，所述镜头15可以用于获取入射光。
参照图3，图3是本发明实施例中一种滤光器矩阵的结构示意图。
所述滤光器矩阵13可以包括多个最小重复单元130，所述最小重复单元130至少包含第一绿色滤光器131、第二绿色滤光器132、红色滤光器133以及蓝色滤光器134，所述第一绿色滤光器131与所述第二绿色滤光器132的厚度不同。
需要指出的是，虽然图3以包含4个最小重复单元130为例进行描述，在本发明实施例中，对于最小重复单元130的重复个数不作限制，对于每个最小重复单元130中的各个滤光器的放置位置及顺序也不作限制。
在本发明实施例中，通过设置第一绿色滤光器131与第二绿色滤光器132的厚度不同，可以使多个绿色滤光器的光电信号量在不同的曝光时间处分别达到饱和，从而有机会在对根据多个绿色滤光器确定的数据进行整合时，具有多样的数据基础，有助于通过改变整合算法获得更高品质的图像，从而提高图像传感器的动态范围。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述第一绿色滤光器131的厚度可以大于所述第二绿色滤光器132的厚度，所述第二绿色滤光器132的厚度可以与所述红色滤光器133、蓝色滤光器134的厚度相同。
需要指出的是，所述第一绿色滤光器131的厚度不能过厚，否则会导致透过第一绿色滤光器131的入射光过少，在暗光条件下难以收集到足够的光电信号量，致使暗光条件下图像分辨率过低，图像品质过差；所述第一绿色滤光器131的厚度不能过薄，否则与所述第二绿色滤光器132的厚度相差过少，仍然存在根据多个绿色滤光器确定的数据基础单一的问题。
作为一个非限制性的例子，所述第二绿色滤光器132、红色滤光器133、蓝色滤光器134的厚度可以设置为650nm至750nm。则所述第一绿色滤光器131的厚度可以设置为750nm至850nm。
参照图4，图4是本发明实施例中一种图像传感器的光电响应曲线示意图。
如图4所示，横轴为固定光强环境下的曝光时间，曝光时间越长，曝光量越高，纵轴为光电信号量，曝光时间越长，像素器件收集到的光电信号量越多。
其中，曝光时间T1处的虚线用于表示第二绿色滤光器的光电信号量在曝光时间T1处饱和，曝光时间T2处的虚线用于表示第一绿色滤光器的光电信号量在曝光时间T2处饱和，由于可以结合两个绿色滤光器的数据，因此在T2之后的区域会被确定为属于过饱和区域A2，也即当光电信号量在曝光时间达到曝光时间T2之后，容易出现“过饱和”现象，导致图像失真。
由此可见，图4示出的图像传感器有机会在曝光时间T2之前，输出品质较高的图像，由于T2大于T1，与图1相比，图像传感器的动态范围得到提高。
在本发明实施例中，可以设置所述第一绿色滤光器的厚度大于所述第二绿色滤光器的厚度，所述第二绿色滤光器的厚度与所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度相同，可以减少透过第一绿色滤光器的入射光，从而减少第一绿色滤光器对应的像素器件收集到的光电信号量，进而延长光电信号量达到饱和值时对应的曝光时间，有助于降低出现“过饱和”现象的可能性，并且使像素器件在亮光环境下采集到更多的实物细节信息，有利于提高图像传感器的动态范围，提升图像传感器输出的图像品质。
继续参照图3，在本发明实施例的另一种具体实施方式中，所述第一绿色滤光器131的厚度可以大于所述红色滤光器133、蓝色滤光器134的厚度，所述第二绿色滤光器132的厚度可以小于所述红色滤光器133、蓝色滤光器134的厚度。
在具体实施中，有关第一绿色滤光器131的更多详细内容请参照图3至图4中对第一绿色滤光器131的描述进行执行，此处不再赘述。
需要指出的是，所述第二绿色滤光器132的厚度不能过薄，否则会导致透过第二绿色滤光器132的入射光过多，在亮光条件下收集到过多的光电信号量，致使亮光条件下过早达到过饱和，影响图像品质；所述第二绿色滤光器132的厚度不能过厚，否则与所述第一绿色滤光器131的厚度相差过少，仍然存在根据多个绿色滤光器确定的数据基础单一的问题。
作为一个非限制性的例子，所述红色滤光器133、蓝色滤光器134的厚度可以设置为650nm至750nm，则所述第一绿色滤光器131的厚度可以设置为750nm至850nm，第二绿色滤光器132的厚度可以设置为550nm至650nm.
参照图5，图5是本发明实施例中另一种图像传感器的光电响应曲线示意图。
如图5所示，横轴为固定光强环境下的曝光时间，曝光时间越长，曝光量越高，纵轴为光电信号量，曝光时间越长，像素器件收集到的光电信号量越多。
其中，曝光时间T2处的虚线用于表示第一绿色滤光器的光电信号量在曝光时间T2处饱和，曝光时间T3处的虚线用于表示第二绿色滤光器的光电信号量在曝光时间T3处饱和，在曝光时间T2之后的区域会被确定为属于过饱和区域A2，而在曝光时间T3之前的区域，第二绿色滤光器的光电信号量曲线的斜率比现有技术中第二绿色滤光器的光电信号量曲线的斜率更大，也即在同一曝光时间获取的光电信号量更多，有助于在暗光环境下，采集到更多的实物细节信息，从而输出品质更高的图像。
与图1和图4相比，图5示出的图像传感器有机会在曝光时间T3之前，在暗光环境下输出品质更高的图像，在曝光时间T2之前，在亮光环境下输出品质较高的图像，图像传感器的动态范围得到进一步提高。
在本发明实施例中，可以设置所述第一绿色滤光器的厚度大于所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度，还设置所述第二绿色滤光器的厚度小于所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度，可以增加透过第二绿色滤光器的入射光，从而增加第二绿色滤光器对应的像素器件收集到的光电信号量，有助于在暗光环境下，提高曝光量，从而采集到更多的实物细节信息，有利于提升图像传感器输出的图像品质。
参照图6，图6是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图。
所述图像传感器的形成方法可以包括步骤S11至步骤S12：
步骤S11：提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有像素器件；
步骤S12：在所述半导体衬底的表面形成滤光器矩阵，每个所述滤光器矩阵包括多个最小重复单元，所述最小重复单元至少包含第一绿色滤光器以及第二绿色滤光器，所述第一绿色滤光器与所述第二绿色滤光器的厚度不同。
进一步地，所述最小重复单元还可以包括红色滤光器和蓝色滤光器。
进一步地，所述第一绿色滤光器的厚度可以大于所述第二绿色滤光器的厚度，所述第二绿色滤光器的厚度可以与所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度相同。
作为一个非限制性的例子，所述第一绿色滤光器的厚度可以为750nm至850nm。
进一步地，所述第一绿色滤光器的厚度可以大于所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度，所述第二绿色滤光器的厚度可以小于所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度。
作为一个非限制性的例子，所述第一绿色滤光器的厚度可以为750nm至850nm，所述第二绿色滤光器的厚度可以为550nm至650nm。
关于该图像传感器的形成方法的原理、具体实现和有益效果请参照前文及图2至图5示出的关于图像传感器的相关描述，此处不再赘述。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底；
像素器件，位于所述半导体衬底内；
滤光器矩阵，位于所述半导体衬底的表面，每个所述滤光器矩阵包括多个最小重复单元，所述最小重复单元至少包含第一绿色滤光器以及第二绿色滤光器，所述第一绿色滤光器与所述第二绿色滤光器的厚度不同。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述最小重复单元还包括红色滤光器和蓝色滤光器。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述第一绿色滤光器的厚度大于所述第二绿色滤光器的厚度，所述第二绿色滤光器的厚度与所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度相同。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，所述第一绿色滤光器的厚度为750nm至850nm。
5.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述第一绿色滤光器的厚度大于所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度，所述第二绿色滤光器的厚度小于所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述第一绿色滤光器的厚度为750nm至850nm，所述第二绿色滤光器的厚度为550nm至650nm。
7.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有像素器件；
在所述半导体衬底的表面形成滤光器矩阵，每个所述滤光器矩阵包括多个最小重复单元，所述最小重复单元至少包含第一绿色滤光器以及第二绿色滤光器，所述第一绿色滤光器与所述第二绿色滤光器的厚度不同。
8.根据权利要求7所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述最小重复单元还包括红色滤光器和蓝色滤光器。
9.根据权利要求8所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一绿色滤光器的厚度大于所述第二绿色滤光器的厚度，所述第二绿色滤光器的厚度与所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度相同。
10.根据权利要求8所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一绿色滤光器的厚度大于所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度，所述第二绿色滤光器的厚度小于所述红色滤光器、蓝色滤光器的厚度。
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