CN112331682A - 一体式生长的马赛克式图像传感器结构和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一体式生长的马赛克式图像传感器结构和制备方法，属于半导体技术领域。本发明设计的2*2的马赛克式像素结构，三个RGB像素结构中具备干涉截止膜结构，另外一个像素结构不具备干涉截止膜，为全透区域。四个像素为一个马赛克结构，该结构周期排列，整体构成具备干涉截止膜的全彩图像传感器；波长范围为380‑900nm之间，其中380～700nm范围内平均透过率>95％，800～900nm范围内平均透过率<1％。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一体式生长的马赛克式图像传感器结构和制备方法。
背景技术
24h全彩摄像机是实现24小时全天候彩色监控的摄像机。即使在微光环境也能呈现彩色图像，且在光照极低或无光环境，摄像机自动采用暖光或红外补光，真正实现在人眼几乎完全看不见的情况下，实时拍摄到全彩动态图像。
众所周知，不管是电子警察还是卡口在实际的应用中都存在的一个问题，就是夜晚的环境光往往很不理想，图片质量往往较差，基本上看不清车牌，更别说识别车牌号码、颜色以及进行相应的违法判断分析。补光灯的应用恰恰解决了这一问题。概括来说，在智能交通领域，LED补光灯的主要作用就是给车牌进行补光。补光技术的应用大大的提升了车牌识别率。
同时，在道路监控尤其是红外摄像技术上，LED红外灯也有着广泛的应用。红外摄像技术分为被动红外摄像技术和主动红外摄像技术。被动红外摄像技术是利用任何物质在绝对零度以上都有红外光发射，人体和热机发出的红外光较强，其它物体发出的红外光很微弱，利用特殊的红外摄像机可以实现夜间监控。但是，这种特殊的红外摄像机造价昂贵，而且不能反映周围环境状况，因此在夜视系统中不被采用。在夜视系统中经常采用主动红外摄像技术，即采用红外辐射“照明”，产生人眼看不见而普通摄像机能捕捉到的红外光，辐射“照明”景物和环境，应用普通低照度黑白摄像机、白天彩色夜间自动变黑白摄像机或红外低照度彩色摄像机，感受周围环境反射回来的红外光实现夜视。这样，即增加了监控的清晰度，又注重了监控的隐蔽性。
红外补光技术在监控中应用后，红外摄像机面临着白天严重偏色的问题。目前，市场上的解决方案主要有以下三种：
(1)双波峰滤光片方案：以850nm波段的红外补光技术为例，CCD滤光片让可见光通过的同时，850nm(浮动40nm左右)的红外线也可以通过滤光片到达CCD。这样也带来了一定的弊端，便是白天彩色模式的时候，由于红外线的进入，使得图像偏色，只是比之前较轻而已。当然，也有部分厂家具备调整芯片内部RGB色调的能力，以此来弥补DSP的运算错误。然而，冷暧色调也是“众目难调”，生产厂家只是将颜色处理得相对真实一点，事实上也是治标不治本。
(2)双滤光片IR-CUT技术：双滤光片IR-CUT技术，即给CCD采用两个滤光片，一种是白天用的红外滤光片，一种是全通玻璃，起修正作用。这样，在摄像机前段增加一个机械装置，白天将红外滤光片切换到CCD前面，到了晚上，通过光敏控制，将全通玻璃切换至CCD前端，同时摄像机进入夜晚黑白工作模式。其中光敏控制中要附加延时电路，防止黄昏黎明的临界状态中，切换器来回切换，降低使用寿命。
(3)双CCD技术：双CCD红外摄像机，顾名思义有两个CCD板，其实也便是两台摄像机组合在一个外壳内，并且有两个单独的摄像头，双CCD红外摄像机的原理其实很简单，只是两台摄像机拼合在同一个外壳内，利用一个光敏电阻进行切换，白天所用的一个CCD上粘有完全滤除红外线的滤光片，晚上开启的那台没有滤光片，只是普通玻璃片修整光线，它的原理等同于“IR CUT”，只是用光电转换代替了机械切换。同时，两台摄像机在一块轮流上岗，一个白班，一个晚班，能够延长摄像机的使用寿命。但这种方案的成本价较高。
目前的智能摄像机受补光影响，夜间成像效果并不理想，夜晚低照下目标识别困难且图像噪点严重，通常需要外加强白光灯，以保证可以采集到较好的人脸/车辆图片。但常用的白光补光方式不但无法呈现出理想的夜晚效果，更容易造成光污染，造成居民投诉，同时当采取强白光补光时，人对强白光会下意识的低头、侧脸或者用手挡住脸。智能人脸抓拍机难以抓拍到正面的人脸图片，影响正脸抓拍率。而正脸比对准确率远高于侧脸或者部分遮住的人脸的比对准确率。因此更智能、看得全、看得清是未来智能摄像机的发展趋势。
解决上述问题方法是对补光灯在硬件上进行对比滤除，即利用补光灯感应的像素，以及滤除补光灯效果的RGB像素，通过对比滤除，消除补光灯的影响。光谱调制成像芯片(Spectral Modulation Imaging，简称SMI)可实现上述功能，光谱成像调制芯片可以通过设计挑选某些谱段的信息，也可以滤除截止某些谱段的干扰。利用微纳加工技术，制备纳光学器件，甚至实现微纳光学器件与IC芯片上的集成。在可见光谱段，图像传感器可以基于标准的CMOS工艺进行制造，因此可以采用一体式的设计替代传统架构，在单芯片上实现包含滤波器、图像传感器、读出电路的光谱调制成像系统芯片。
CMOS电路中既包含NMOS晶体管也包含PMOS晶体管，NMOS晶体管是做在P型硅衬底上的，而PMOS晶体管是做在N型硅衬底上的，要将两种晶体管都做在同一个硅衬底上，就需要在硅衬底上制作一块反型区域，该区域被称为“阱”。根据阱的不同，CMOS工艺分为P阱CMOS工艺、N阱CMOS工艺以及双阱CMOS工艺。其中N阱CMOS工艺由于工艺简单、电路性能较P阱CMOS工艺更优，从而获得广泛的应用。
集成电路(integrated circuit)是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。
掩膜制造是在半导体制造的整个流程中，其中一部分就是从版图到晶圆(wafer)制造中间的一个过程，由于采用多层台阶结构，其需要进行不同次生长才能加工得到。因此需要掩膜版，掩膜版形成需要三个步骤主要包括掩膜版图形设计，生产加工和品质检测及修正。掩膜版主要分为铬版，干版，菲林和凸版四种，铬版精度高、耐用和价格高；干版是精度适中，耐用性适中和价格适中；菲林精度较低，不耐用和价格低；凸版(APR版)主要用来转移PI液。
光刻工艺主要作用是将掩膜版的图像复制在硅片上，为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备，光刻成本占芯片制作成本较高，耗时较长。光刻要求较高的分辨率，光刻胶具有较高的光学敏感性，需要精确的对准工艺，较低的缺陷密度。
光谱调制成像芯片制造工艺技术，是利用现成的成熟的CMOS图像传感器，在封装之前，在半导体工艺线上利用标准工艺生长一层干涉截止薄膜，干涉截止薄膜可以透过特定波长范围内的光，滤除特定波长范围外的光。从而形成光谱调制成像芯片系统。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何在半导体工艺线中，在原有图像传感器制备工艺方法过程中，实现2*2马赛克图像的制备的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一体式生长的马赛克式图像传感器结构，该结构为2*2马赛克式的图像传感器结构，其中四个像素中的三个RGB像素结构上增加了干涉截止膜以滤除红外补光灯的影响，另外一个像素上为全透区域，可接收红外补光灯的光线，作为对比滤波的基准。
优选地，所述干涉截止膜的膜系透过要求为在380～700nm范围内平均透过率>95％，在800～900nm范围内平均透过率<1％。
优选地，所述干涉截止膜需要滤除的波长为中心波长在850nm的红外补光灯的光线。
优选地，所述干涉截止膜的材料为Si3N4和SiO2，光谱范围为380nm-900nm。
优选地，所述干涉截止膜这种膜系结构的参数如表1：
表1膜系结构参数表
| 堆叠材料 | 厚度(nm) |
| SiO<sub>2</sub> | 73.82 |
| Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub> | 105.87 |
| SiO<sub>2</sub> | 147.65 |
| Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub> | 105.87 |
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| Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub> | 105.87 |
| SiO<sub>2</sub> | 147.65 |
| Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub> | 105.87 |
| SiO<sub>2</sub> | 73.82 |
。
本发明还提供了一种所述图像传感器结构的制备方法，包括以下步骤：
在图像传感器晶圆生长完后，在上面镀一层干涉截止膜，该干涉截止膜采用高低折射率交叉堆叠的方式生长；然后旋涂一层光刻胶，再曝光出一个像素的全透区域，并刻蚀掉曝光区域的干涉截止膜，然后去除光刻胶，在具备干涉截止膜的像素结构上再添加一层RGB的颜色滤波器，完成图像传感器结构的制备。
本发明还提供了一种所述图像传感器结构的制备方法，包括以下步骤：在图像传感器晶圆生长完后，先旋涂一层较厚的光刻胶，然后将需要生长干涉截止膜的三个像素区域进行曝光显影去除，然后在这三个像素区域生长一层干涉截止膜，该干涉截止膜采用高低折射率材料交叉堆叠的方式生长；随后剥离全透区域的光刻胶，并将上层的干涉截止膜一并去除。最后在具备干涉截止膜的那个像素结构上再添加一层RGB的颜色滤波器，完成图像传感器结构的制备。
本发明还提供了一种所述图像传感器结构在安防监控领域中的应用。
本发明还提供了一种所述图像传感器结构在半导体技术领域中的应用。
本发明还提供了一种所述的方法在半导体技术领域中的应用。
(三)有益效果
本发明设计的2*2的马赛克式像素结构，三个RGB像素结构中具备干涉截止膜结构，另外一个像素结构不具备干涉截止膜，为全透区域。四个像素为一个马赛克结构，该结构周期排列，整体构成具备干涉截止膜的全彩图像传感器；波长范围为380-900nm之间，其中380～700nm范围内平均透过率>95％，800～900nm范围内平均透过率<1％。
该图像传感器的制备方法分为两种，方法一为先沉积干涉截止膜后光刻刻蚀出全透区域，方法二为先光刻胶挡住全透区域，后沉积干涉截止膜，然后剥离光刻胶的方式剥离出全透区域。该图像传感器的干涉截止膜与图像传感器晶圆为一体式结构，直接在原有图像传感器晶圆制备工艺流程中增加了一步干涉截止膜的工艺流程。结构简单，成本较低，稳定性好，可靠性更高。
附图说明
图1为2*2马赛式芯片平面结构示意图；
图2为2*2马赛克式芯片立体结构示意图；
图3为薄膜透过率波形图；
图4为薄膜滤除波段图；
图5为本发明的第一种芯片制备工艺流程图；
图6为本发明的第二种芯片制备工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明针对于安防监控领域中，红外补光灯对夜间全彩摄像头的影响，为了提高夜间全彩摄像头的显示效果，提出一种一体式生长的2*2马赛克式图像传感器结构和制备方法。
本发明在半导体工艺线中，在原有图像传感器制备工艺方法过程中，增加一层干涉截止膜，利用半导体中光刻或者其他工艺，实现2*2马赛克图像的制备。实现RGB滤波片下的干涉截止膜滤除近红外区域的光线，使其显示的RGB颜色信息更真实，不会出现色差的情况。另外一个区域为全透区域，接受近红外区域的光线，感应红外补光灯的响应，作为对比滤波的基准。
本发明是一种用于实现夜间全彩的一体式生长的2*2马赛克式图像传感器结构和制备方法。为了实现夜间全彩，同时降低红外补光灯的影响，本发明设计了一种2*2马赛克式的图像传感器结构，其中四个像素中的三个RGB像素结构上增加了干涉截止膜以滤除红外补光灯的影响，另外一个像素上为全透区域，可以接收红外补光灯的光线，作为对比滤波的基准。2*2马赛克式结构如图1、图2所示。
其中，所述干涉截止膜的膜系透过要求为在380～700nm范围内平均透过率>95％，在800～900nm范围内平均透过率<1％，如图3所示。
所述干涉截止膜需要滤除的波长为中心波长在850nm的红外补光灯的光线。要求如图4所示。
所述干涉截止膜的材料为Si3N4和SiO2，光谱范围为380nm-900nm，膜系结构如表1所示。
表1膜系结构参数表
| 堆叠材料 | 厚度(nm) |
| SiO<sub>2</sub> | 73.82 |
| Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub> | 105.87 |
| SiO<sub>2</sub> | 147.65 |
| Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub> | 105.87 |
| SiO<sub>2</sub> | 147.65 |
| Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub> | 105.87 |
| SiO<sub>2</sub> | 147.65 |
| Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub> | 105.87 |
| SiO<sub>2</sub> | 147.65 |
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| SiO<sub>2</sub> | 147.65 |
| Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub> | 105.87 |
| SiO<sub>2</sub> | 73.82 |
本发明提供的一种2*2马赛克式的图像传感器的制备方法有两种，具体流程如下：
方法一：参考图5，在图像传感器晶圆生长完后，在上面镀一层干涉截止膜，具体的结构如上表1所示，采用高低折射率交叉堆叠的方式生长；然后旋涂一层光刻胶，再曝光出一个像素的全透区域，并刻蚀掉曝光区域的干涉截止膜，然后去除光刻胶，在具备干涉截止膜的像素结构上再添加一层RGB的颜色滤波器，完成图像传感器的制备。
方法二：在图像传感器晶圆生长完后，先旋涂一层较厚的光刻胶，然后将需要生长干涉截止膜的三个像素区域进行曝光显影去除，然后在这三个像素区域生长一层干涉截止膜，膜系结构如表1所示，也是采用高低折射率材料交叉堆叠的方式生长；随后剥离全透区域的光刻胶，并将上层的干涉截止膜一并去除。最后在具备干涉截止膜的那个像素结构上再添加一层RGB的颜色滤波器，完成传感器的制备。
可以看出，本发明针对低成本，可靠性高和一体式的需求，提出了一种一体式2*2马赛克式单芯片光谱调制成像传感器的设计和制备方法，在多层堆叠(高折射率和低折射率交叠)分布式结构模拟设计和制造的基础上，采用CMOS工艺兼容的材料，以干涉截止膜作为滤光薄膜，在CMOS图像传感器上直接设计生长薄膜结构，并通过光刻和沉积的方式，形成2*2马赛克式的像素级图形结构。
本发明在夜间具备红外补光灯的环境下，不需要加入额外装置，也不需要切换操作，也能够实现夜间全彩摄像。由于是一体式的半导体器件结构，体积小，重量轻，可靠性高，可以集成在不同的应用平台，成本低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一体式生长的马赛克式图像传感器结构，其特征在于，该结构为2*2马赛克式的图像传感器结构，其中四个像素中的三个RGB像素结构上增加了干涉截止膜以滤除红外补光灯的影响，另外一个像素上为全透区域，可接收红外补光灯的光线，作为对比滤波的基准。
2.如权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述干涉截止膜的膜系透过要求为在380～700nm范围内平均透过率>95％，在800～900nm范围内平均透过率<1％。
3.如权利要求2所述的图像传感器结构，其特征在于，所述干涉截止膜需要滤除的波长为中心波长在850nm的红外补光灯的光线。
4.如权利要求3所述的图像传感器结构，其特征在于，所述干涉截止膜的材料为Si3N4和SiO2，光谱范围为380nm-900nm。
5.如权利要求4所述的图像传感器结构，其特征在于，所述干涉截止膜这种膜系结构的参数如表1：
表1膜系结构参数表
6.一种如权利要求1至5中任一项图像传感器结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在图像传感器晶圆生长完后，在上面镀一层干涉截止膜，该干涉截止膜采用高低折射率交叉堆叠的方式生长；然后旋涂一层光刻胶，再曝光出一个像素的全透区域，并刻蚀掉曝光区域的干涉截止膜，然后去除光刻胶，在具备干涉截止膜的像素结构上再添加一层RGB的颜色滤波器，完成图像传感器结构的制备。
7.一种如权利要求1至5中任一项图像传感器结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在图像传感器晶圆生长完后，先旋涂一层较厚的光刻胶，然后将需要生长干涉截止膜的三个像素区域进行曝光显影去除，然后在这三个像素区域生长一层干涉截止膜，该干涉截止膜采用高低折射率材料交叉堆叠的方式生长；随后剥离全透区域的光刻胶，并将上层的干涉截止膜一并去除。最后在具备干涉截止膜的那个像素结构上再添加一层RGB的颜色滤波器，完成图像传感器结构的制备。
8.一种如权利要求1至5中任一项图像传感器结构在安防监控领域中的应用。
9.一种如权利要求1至5中任一项图像传感器结构在半导体技术领域中的应用。
10.一种如权利要求6或7所述的方法在半导体技术领域中的应用。
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