CN111199988B - 子像素阵列以及图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种子像素阵列以及图像传感器。子像素阵列包括感光层、第一介质层以及多个微透镜。感光层包括多个感测区域以及至少一电路布局区域。第一介质层形成在感光层上方。多个微透镜形成在第一介质层上方。这些微透镜在垂直方向上一对一地对应于这些感测区域。这些感测区域各别的第一掺杂区域在感光层中平行于所述至少一电路布局区域。这些感测区域的至少其中之一的第二掺杂区域的至少一部分在水平面上的投影重叠于第一掺杂区域以及所述至少一电路布局区域的至少一部分在水平面上的投影。因此，本发明的子像素阵列以及图像传感器可提供具有良好的布局架构效果。

Description

子像素阵列以及图像传感器
技术领域
本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种子像素阵列以及图像传感器的架构。
背景技术
随着图像感测技术的演进，各种图像传感器被不断地被设计出来，并且被广泛地应用于例如图像感测、距离感测、指纹感测、人脸感测等诸如此类的感测应用。然而，在具有特定功能的图像传感器的设计过程中，由于图像传感器必须搭载有其他功能电路，以实现特定的感测功能，因此如何设计有良好的布局架构，并且可有效地整合特定功能电路至图像传感器是目前本领域主要的研究与设计方向之一。有鉴于此，以下将提出几个实施例的解决方案。
发明内容
本发明提供一种子像素阵列以及图像传感器具有良好的布局架构。
本发明的子像素阵列包括感光层、第一介质层以及多个微透镜。感光层包括多个感测区域以及至少一电路布局区域。所述多个感测区域各别包括第一掺杂区域以及第二掺杂区域。第一介质层形成在感光层上方。所述多个微透镜形成在第一介质层上方。所述多个微透镜阵列排列。所述多个微透镜在垂直方向上一对一地对应于所述多个感测区域。所述多个感测区域各别的第一掺杂区域在感光层中平行于所述至少一电路布局区域。所述多个感测区域的至少其中之一的第二掺杂区域的至少一部分在水平面上的投影重叠于第一掺杂区域以及所述至少一电路布局区域的至少一部分在水平面上的投影。
本发明的图像传感器包括多个子像素阵列。多个子像素阵列形成像素阵列。所述多个子像素阵列各别包括感光层、第一介质层以及多个微透镜。感光层包括多个感测区域以及至少一电路布局区域。所述多个感测区域各别包括第一掺杂区域以及第二掺杂区域。第一介质层形成在感光层上方。所述多个微透镜形成在第一介质层上方。所述多个微透镜阵列排列。所述多个微透镜在垂直方向上一对一地对应于所述多个感测区域。所述多个感测区域各别的第一掺杂区域在感光层中平行于所述至少一电路布局区域。所述多个感测区域的至少其中之一的第二掺杂区域的至少一部分在水平面上的投影重叠于第一掺杂区域以及所述至少一电路布局区域的至少一部分在水平面上的投影。
基于上述，本发明的子像素阵列以及图像传感器可有效地将特定的功能电路整合至感光层中。特定的功能电路可例如是模拟至数字转换器(Analog to DigitalConverter,ADC)。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的一实施例的子像素阵列的示意图；
图2是依照本发明的一实施例的子像素阵列的多个微透镜以及电路布局区域的示意图；
图3是依照本发明的一实施例的像素阵列的示意图；
图4是依照本发明的另一实施例的子像素阵列的示意图；
图5是依照本发明的另一实施例的子像素阵列的多个微透镜以及电路布局区域的示意图；
图6是依照本发明的另一实施例的子像素阵列的多个感测区域的示意图；
图7是依照本发明的一实施例的像素阵列的示意图。
附图标号说明：
110、410：承载晶圆
120、420：第二介质层
130、430：感光层
131_1、131_2、132_1、132_2、431_1～431_3：感测区域
131_3、132_3、431_4、431_5：电路布局区域
131_1A、131_2A、132_1A、132_2A、431_1A～431_9A：第一掺杂区域
131_1B、131_2B、132_1B、132_2B、431_1B～431_9B：第二掺杂区域
140、440：第一介质层
151_1～151_4、152_1、152_2、451_1～451_9：微透镜
300、700：像素阵列
431_1C～431_9C：第三掺杂区域
P1～P12、P1’～P6’：子像素阵列
D1、D2、D3：方向
具体实施方式
为了使本发明的内容可以被更容易明了，以下特举实施例做为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤，系代表相同或类似部件。
图1是依照本发明的一实施例的子像素阵列的示意图。图1为应用于图像传感器的像素阵列中的子像素阵列，其中图像传感器可例如是互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)图像传感器(CMOS Image Sensor,CIS)，但本发明并不限于此。并且，本发明各实施例所述的图像传感器是采用背光照度技术(Backside Illumination,BSI)的图像传感器设计。图1为多个子像素架构的侧视图，并且本实施例的子像素架构可还包括一般图像传感器的其他必要架构或元件而不限于图1所示。
参考图1，子像素阵列P1、P2在第二方向D2的一侧分别还包括另两个子像素(图未示)。子像素阵列P1可如图2所示的2×2阵列。在本实施例中，感光层130包括多个感测区域131_1、131_2、132_1、132_2以及电路布局区域131_3、132_3。第一介质层140形成在感光层130上方，并且第一介质层140可包括多个电路走线，并且所述多个电路走线耦接至这些感测区域131_1、131_2、132_1、132_2。第二介质层120形成在感光层130下方，并且包括至少另一电路走线。所述至少另一电路走线可耦接至电路布局区域131_3、132_3。承载晶圆110形成在第二介质层120下方。在本实施例中，这些感测区域131_1、131_2、132_1、132_2可为多个光电二极管(photodiode)。
在本实施例中，多个微透镜151_1、151_2、152_1、152_2形成在第一介质层140上方。这些微透镜151_1、151_2、152_1、152_2阵列排列，并且这些微透镜151_1、151_2、152_1、152_2在垂直方向上一对一地对应于这些感测区域131_1、131_2、132_1、132_2。值得注意的是，这些感测区域131_1、131_2、132_1、132_2各别的第一掺杂区域131_1A、131_2A、132_1A、132_2A在感光层130中平行于电路布局区域131_3、132_3。并且，这些感测区域131_1、131_2、132_1、132_2的至少其中之一的第二掺杂区域131_1B、131_2B、132_1B、132_2B的至少一部分在水平面上(例如由第三方向D3朝第一方向D1以及第二方向D2所延伸的平面的投影)的投影重叠于第一掺杂区域131_1A、131_2A、132_1A、132_2A以及电路布局区域131_3、132_3的至少一部分在水平面上的投影。
在本实施例中，电路布局区域131_3、132_3可例如包括模拟至数字转换器(Analogto Digital Converter,ADC)。也就是说，本实施例的子像素阵列P1可各别利用感测区域131_1、131_2的非对称形状设计，以将电路布局区域131_3置入感光层130之中。同理，子像素阵列P2可各别利用感测区域132_1、132_2的非对称形状设计，以将电路布局区域132_3置入感光层130之中。因此，本实施例的这些子像素阵列P1、P2可有效地整合有模拟至数字转换器的电路布局。
在本实施例中，这些微透镜151_1、151_2、152_1、152_2用以接收多个光信号。这些感测区域131_1、131_2、132_1、132_2分别对应于这些微透镜151_1、151_2、152_1、152_2各自的入射光范围，以分别接收由这些微透镜151_1、151_2、152_1、152_2分别传导的多个光信号。在本实施例中，这些感测区域131_1、131_2、132_1、132_2可分别例如是灰阶子像素、彩色子像素以及非可见光子像素的至少其中之一。彩色子像素可例如是红色(Red)子像素、绿色(Green)子像素、蓝色(Blue)子像素。非可见光子像素可例如是红外光(Infrared)子像素。感测区域131_1、131_2、132_1、132_2可各别例如用于感测红光、绿光、蓝光以及红外光，并且例如经转换后输出对应的RGB图像信息、红外光感测信息或距离信息，但本发明并不加以限制。值得注意的是，本实施例的第二掺杂区域131_1B、131_2B、132_1B、132_2B的掺杂浓度高于第一掺杂区域131_1A、131_2A、132_1A、132_2A，并且第一掺杂区域131_1A、131_2A、132_1A、132_2A以及第二掺杂区域131_1B、131_2B、132_1B、132_2B分别具有渐变的掺杂浓度变化。换言之，本实施例的感测区域131_1、131_2、132_1、132_2可通过掺杂浓度的变化来有效地将光信号转换为电信号(图像信号)，并有效地传导至第一介质层140的电路走线。
图2是依照本发明的一实施例的子像素阵列的多个微透镜以及电路布局区域的示意图。参考图1以及图2，图2为图1的子像素阵列P1的多个微透镜151_1～151_4以及电路布局区域131_3的俯视图。在本实施例中，模拟至数字转换器的电路布局可被设计在电路布局区域131_3中。对于子像素阵列P1来说，子像素阵列P1为2×2阵列，并且子像素阵列P1各别的感测区域131_1、131_2各别的第一掺杂区域131_1A、131_2A与第二掺杂区域131_1B、131_2B连接。在本实施例中，电路布局区域131_3位于子像素阵列P1的中间区域。
同理，对于图1的子像素阵列P2来说，子像素阵列P2为2×2阵列，并且子像素阵列P2各别的感测区域132_1、132_2各别的第一掺杂区域132_1A、132_2A与第二掺杂区域132_1B、132_2B连接。在本实施例中，电路布局区域132_3位于子像素阵列P2的中间区域。因此，本实施例的子像素阵列P1、P2可有效地将特定的功能电路整合至感光层130中。
图3是依照本发明的一实施例的像素阵列的示意图。图3为图像传感器的像素阵列300的多个微透镜的俯视图。在本实施例中，子像素阵列P1～P12形成像素阵列300，并且这些子像素阵列各别包括如上述图1以及图2实施例所述的结构特征、实施方式以及技术细节。也就是说，本实施例的图像传感器可有效地减少例如在像素阵列的额外周围区域设置相关功能电路所需的空间，而可在BSI图像传感器设计的过程中，将具有相关功能电路的电路布局区域整合在感光层中。对此，图3的子像素阵列P1～P12可进一步参考上述图1以及图2实施例说明而获致足够的教示、建议以及实施说明，因此不再赘述。此外，图3的图像传感器的像素阵列300的这些微透镜在第三方向上D3还可配置一个大透镜，以将感测的多个光信号聚光至这些微透镜。
图4是依照本发明的另一实施例的子像素阵列的示意图。图4为一个子像素架构的侧视图，并且本实施例的子像素架构可更包括一般图像传感器的其他必要架构或元件而不限于图4所示。参考图4，子像素阵列P1’在第二方向D2的一侧分别还包括另六个子像素(图未示)。子像素阵列P1’可如图5所示的3×3阵列。在本实施例中，感光层430包括多个感测区域431_1～431_3以及电路布局区域431_4、431_5。第一介质层440形成在感光层430上方，并且第一介质层440可包括多个电路走线，并且所述多个电路走线耦接至这些感测区域431_1～431_3。第二介质层420形成在感光层430下方，并且包括至少另一电路走线。所述至少另一电路走线可耦接至电路布局区域431_4、431_5。承载晶圆410形成在第二介质层420下方。在本实施例中，这些感测区域431_1～431_3可为多个光电二极管(photodiode)。
在本实施例中，多个微透镜451_1～451_3形成在第一介质层440上方。这些微透镜451_1～451_3阵列排列，并且这些微透镜451_1～451_3在垂直方向上一对一地对应于这些感测区域431_1～431_3。值得注意的是，这些感测区域431_1～431_3各别的第一掺杂区域431_1A、431_2A、432_3A在感光层430中平行于电路布局区域431_4、431_5。并且，感测区域431_1、431_3的第二掺杂区域431_1B、432_3B的至少一部分在水平面上(例如由第三方向D3朝第一方向D1以及第二方向D2所延伸的平面的投影)的投影重叠于第一掺杂区域431_1A、432_3A以及电路布局区域431_3、432_3的至少一部分在水平面上的投影。在本实施例中，第一掺杂区域431_1A、431_2A、432_3A与第二掺杂区域431_1B、432_2B、432_3B之间还包括有第三掺杂区域431_1C、431_2C、432_3C。
在本实施例中，电路布局区域431_4、431_5可例如包括模拟至数字转换器(Analogto Digital Converter,ADC)。也就是说，本实施例的子像素阵列P1’可各别利用感测区域431_1～431_3的非对称形状设计，以将电路布局区域431_4、431_5置入感光层430之中。因此，本实施例的这些子像素阵列P1、P2可有效地整合有模拟至数字转换器的电路布局。
在本实施例中，这些微透镜451_1～451_3用以接收多个光信号。这些感测区域431_1～431_3分别对应于这些微透镜451_1～451_3各自的入射光范围，以分别接收由这些微透镜451_1～451_3分别传导的多个光信号。在本实施例中，这些感测区域451_1～451_3可分别例如是灰阶子像素、彩色子像素以及非可见光子像素的至少其中之一。彩色子像素可例如是红色子像素、绿色子像素、蓝色子像素。非可见光子像素可例如是红外光子像素。感测区域431_1～431_3可各别例如用于感测红光、绿光、蓝光以及红外光，并且例如经转换后输出对应的RGB图像信息、红外光感测信息或距离信息，但本发明并不加以限制。值得注意的是，本实施例的第二掺杂区域431_1B、432_2B、432_3B的掺杂浓度高于第三掺杂区域431_1C、431_2C、432_3C，并且第三掺杂区域431_1C、431_2C、432_3C的掺杂浓度高于第一掺杂区域431_1A、431_2A、432_3A。
第一掺杂区域431_1A、431_2A、432_3A、第二掺杂区域431_1B、432_2B、432_3B以及第三掺杂区域431_1C、431_2C、432_3C分别具有渐变的掺杂浓度变化。换言之，本实施例的感测区域451_1～451_3可通过掺杂浓度的变化来有效地将光信号转换为电信号(图像信号)，并有效地传导至第一介质层440的电路走线。
图5是依照本发明的另一实施例的子像素阵列的多个微透镜以及电路布局区域的示意图。图6是依照本发明的另一实施例的子像素阵列的多个感测区域的示意图。参考图4至图6，图5为图4的子像素阵列P1’的多个微透镜451_1～451_9以及电路布局区域431_4(431/5)的俯视图。在图5中，模拟至数字转换器的电路布局可被设计在电路布局区域431_1(431/5)中。图4的电路布局区域431_1与电路布局区域431_5可环绕子像素阵列P1’的多个感测区域，以形成环形区域，但本发明并不限于此。对于子像素阵列P1’来说，子像素阵列P1为3×3阵列。在图6中，子像素阵列P1’各别的感测区域431_1～431_9各别的第一掺杂区域431_1A～431_9A与第三掺杂区域431_1C～431_9C(斜线区)连接，并且各别的第三掺杂区域431_1C～431_9C(斜线区)与第二掺杂区域131_1B、131_2B连接。因此，结合图5以及图6，电路布局区域431_4(431/5)可位于子像素阵列P1’的周围区域。
图7是依照本发明的一实施例的像素阵列的示意图。图7为图像传感器的像素阵列700的多个微透镜的俯视图。在本实施例中，子像素阵列P1’～P6’形成像素阵列700，并且这些子像素阵列各别包括如上述图4至图6实施例所述的结构特征、实施方式以及技术细节。也就是说，本实施例的图像传感器可有效地减少例如在像素阵列的额外周围区域设置相关功能电路所需的空间，而可在BSI图像传感器设计的过程中，将具有相关功能电路的电路布局区域整合在感光层中。对此，图7的子像素阵列P1’～P6’可进一步参考上述图4至图6实施例说明而获致足够的教示、建议以及实施说明，因此不再赘述。此外，图7的图像传感器的像素阵列700的这些微透镜在第三方向上D3还可配置一个大透镜，以将感测的多个光信号聚光至这些微透镜。
综上所述，本发明的子像素阵列以及图像传感器的感光层可设计有非对称分布的多个感测区域，以使电路布局区域可有效地整合至感光层之中，以进一步设置其他功能电路，例如模拟至数字转换器。因此，本发明的子像素阵列以及图像传感器可有效地减少例如在像素阵列的额外周围区域设置相关功能电路所需的空间，而可在BSI图像传感器设计的过程中，有效地将具有相关功能电路的电路布局区域整合在感光层中。举例而言，一般的像素阵列周围可能设置有时脉(clock)电路、偏压(bias)电路以及模拟至数字转换器电路等相关电路元件。然而，本发明的子像素阵列以及图像传感器可例如将模拟至数字转换器整合在感光层中，因此可有效降低在像素阵列的额外周围区域设置模拟至数字转换器电路所需的空间。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (18)

1.一种子像素阵列，其特征在于，包括：
感光层，包括为非对称形状的多个感测区域以及至少一电路布局区域，其中所述多个感测区域中的每一个都包括第一掺杂区域以及第二掺杂区域；
第一介质层，形成在所述感光层上方；以及
多个微透镜，形成在所述第一介质层上方，其中所述多个微透镜阵列排列，并且所述多个微透镜在垂直方向上一对一地对应于所述多个感测区域，
其中所述多个感测区域中的每一个的所述第一掺杂区域在所述感光层中平行于所述至少一电路布局区域，并且所述多个感测区域的至少其中之一的所述第二掺杂区域的至少一部分在水平面上的投影重叠于所述第一掺杂区域以及所述至少一电路布局区域的至少一部分在所述水平面上的投影，并且所述至少一电路布局区域被设置于所述多个感测区域中的每一个的所述第一掺杂区域之间。
2.根据权利要求1所述的子像素阵列，其中所述多个微透镜用以接收多个光信号，并且所述多个感测区域分别对应于所述多个微透镜的入射光范围，以分别接收由所述多个微透镜分别传导的所述多个光信号。
3.根据权利要求1所述的子像素阵列，其中所述第一介质层包括多个电路走线，并且所述多个电路走线耦接至所述多个感测区域，其中所述多个感测区域为多个光电二极管。
4.根据权利要求1所述的子像素阵列，还包括：
第二介质层，形成在所述感光层下方，并且包括至少另一电路走线，其中所述至少另一电路走线耦接至所述至少一电路布局区域；以及
承载晶圆，形成在所述第二介质层下方。
5.根据权利要求1所述的子像素阵列，其中所述至少一电路布局区域包括模拟至数字转换电路。
6.根据权利要求1所述的子像素阵列，其中所述多个感测区域分别对应于灰阶子像素、彩色子像素以及非可见光子像素的至少其中之一。
7.根据权利要求1所述的子像素阵列，其中所述第二掺杂区域的掺杂浓度高于所述第一掺杂区域，并且所述第一掺杂区域以及所述第二掺杂区域分别具有渐变的掺杂浓度变化。
8.根据权利要求1所述的子像素阵列，其中所述子像素阵列为2×2阵列，并且所述多个感测区域中的每一个的所述第一掺杂区域与所述第二掺杂区域连接，
其中所述至少一电路布局区域位于所述子像素阵列的中间区域。
9.根据权利要求1所述的子像素阵列，其中所述子像素阵列为3×3阵列，并且所述多个感测区域中的每一个都还包括第三掺杂区域，其中所述第一掺杂区域与所述第三掺杂区域连接，并且所述第二掺杂区域与所述第三掺杂区域连接，
其中所述至少一电路布局区域位于所述子像素阵列的周围区域。
10.一种图像传感器，其特征在于，包括：
多个子像素阵列，形成像素阵列，其中所述多个子像素阵列中的每一个都包括：
感光层，包括为非对称形状的多个感测区域以及至少一电路布局区域，其中所述多个感测区域中的每一个都包括第一掺杂区域以及第二掺杂区域；
第一介质层，形成在所述感光层上方；以及
多个微透镜，形成在所述第一介质层上方，其中所述多个微透镜阵列排列，并且所述多个微透镜在垂直方向上一对一地对应于所述多个感测区域，
其中所述多个感测区域中的每一个的所述第一掺杂区域在所述感光层中平行于所述至少一电路布局区域，并且所述多个感测区域的至少其中之一的所述第二掺杂区域的至少一部分在水平面上的投影重叠于所述第一掺杂区域以及所述至少一电路布局区域的至少一部分在所述水平面上的投影，并且所述至少一电路布局区域被设置于所述多个感测区域中的每一个的所述第一掺杂区域之间。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述多个微透镜用以接收多个光信号，并且所述多个感测区域分别对应于所述多个微透镜的入射光范围，以分别接收由所述多个微透镜分别传导的所述多个光信号。
12.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述第一介质层包括多个电路走线，并且所述多个电路走线耦接至所述多个感测区域，其中所述多个感测区域为多个光电二极管。
13.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述多个子像素阵列中的每一个都还包括：
第二介质层，形成在所述感光层下方，并且包括至少另一电路走线，其中所述至少另一电路走线耦接至所述至少一电路布局区域；以及
承载晶圆，形成在所述第二介质层下方。
14.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述至少一电路布局区域包括模拟至数字转换电路。
15.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述多个感测区域分别对应于灰阶子像素、彩色子像素以及非可见光子像素的至少其中之一。
16.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述第二掺杂区域的掺杂浓度高于所述第一掺杂区域，并且所述第一掺杂区域以及所述第二掺杂区域分别具有渐变的掺杂浓度变化。
17.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述多个子像素阵列中的每一个为2×2阵列，并且所述多个子像素阵列中的每一个的所述多个感测区域中的每一个的所述第一掺杂区域与所述第二掺杂区域连接，
其中所述至少一电路布局区域位于所述子像素阵列的中间区域。
18.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述多个子像素阵列中的每一个为3×3阵列，并且所述多个子像素阵列中的每一个的所述多个感测区域各中的每一个都还包括第三掺杂区域，其中所述第一掺杂区域与所述第三掺杂区域连接，并且所述第二掺杂区域与所述第三掺杂区域连接，
其中所述至少一电路布局区域位于所述子像素阵列的周围区域。
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