CN112701134A

CN112701134A - 一种图像传感器

Info

Publication number: CN112701134A
Application number: CN202011619567.9A
Authority: CN
Inventors: 王欣洋; 李扬; 马成; 李靖; 戚忠雪
Original assignee: Changchun Changguangchenxin Optoelectronics Technology Co ltd
Current assignee: Changchun Changguangchenxin Optoelectronics Technology Co ltd
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2021-04-23
Anticipated expiration: 2040-12-30
Also published as: CN112701134B

Abstract

本发明提供了一种图像传感器，包括：自下而上依次设有冷却元件、连接层、带有若干个通孔的基板、第一绝缘层、抗反射层、第二绝缘层、会聚透镜和滤色器阵列。由于会聚透镜会聚光而产生的热量可以通过冷却元件及时消散，冷却元件将图像传感器保持在不超过图像传感器的额定工作温度的温度下工作，因此延长了图像传感器的寿命，并改善了图像传感器的图像质量。

Description

一种图像传感器

技术领域

本发明涉及图像传感器，尤其涉及一种能够提高灵敏度并减少串扰的图像传感器。

背景技术

图像传感器可分为两大类：CCD(电荷耦合器件)传感器和CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器，其中CMOS图像传感器(CIS)基于CMOS技术。由于CMOS图像传感器与典型的CMOS制造工艺兼容，因此允许在设置有传感器阵列的同一基板上集成其他信号处理逻辑。

CMOS图像传感器的像素尺寸变得越来越小。但是，像素和像素阵列尺寸的减小会影响CIS系统的性能。

CIS系统传统上采用正面照明(FSI)技术形成像素阵列的像素。在FSI CMOS图像传感器中，光通过像素的正面到达光敏区域。这意味着入射光必须先穿过电介质层和金属层，然后才能入射到光敏区域，从而导致低量子效率(QE)，像素之间的严重串扰和暗电流。

另一类CMOS图像传感器是BSI(背面照明)CMOS图像传感器。背面照明技术用于CCD图像传感器的像素中。BSI CMOS图像传感器不是从硅芯片的顶部(正面)照亮CMOS图像传感器，而是将滤色器和微透镜应用到像素的背面，以便从图像传感器的背面收集入射光。与FSI CMOS图像传感器相比，BSI CMOS图像传感器具有更少的光损耗、减少的串扰和更好的量子效率。

但是，FSI CMOS图像传感器和BSI CMOS图像传感器都需要提高其性能，并减少诸如串扰和光损失之类的缺点。因此，需要提供具有更好性能的CMOS图像传感器。

发明内容

因此，本发明涉及CMOS图像传感器及其制造方法，可以明显避免由于现有技术的局限性和缺点产生的一个或多个问题。

在随后的介绍中将部分地阐述本发明的其它优点、目的和特征，并且一部分对于本领域的普通技术人员在随后的检验时或通过本发明的实践将变得明显。

为了实现这些目的和其它优点并且根据本发明的目的，如在此实施并宽泛地描述的，本发明提供了一种图像传感器，包括：自下而上依次设有冷却元件、带有若干个通孔的基板、第一绝缘层、抗反射层、第二绝缘层、会聚透镜和滤色器阵列；所述基板中设有若干个能将入射光转换成电荷的光学元件，所述光学元件用于将光信号转化为电信号，且所述光学元件位于所述通孔的上方；所述抗反射层至少含有3个不同深度的部分；所述第二绝缘层用于填充缝隙；所述滤色器阵列包括若干个单色滤色器；所述会聚透镜将光会聚到所述光学元件上。

优选地，所述通孔的尺寸小于所述光学元件的尺寸。

优选地，所述通孔的数量和所述光学元件的数量一致，且每个通孔的上方设有一个光学元件。

优选地，所述滤色器阵列中包含至少3个不同颜色的单色滤色器。

优选地，所述滤色器阵列包括红色单色滤色器、绿色单色滤色器和蓝色单色滤色器的一种或多种，每种滤色器数量相等或不等。

优选地，所述会聚透镜的数量至少为3个，且每个单色滤色器上设有一个会聚透镜。

优选地，所述会聚透镜设置在所述第二绝缘层中。

优选地，所述会聚透镜设置在所述滤色器阵列中。

优选地，所述抗反射层设置在所述会聚透镜与所述第一绝缘层中间，所述抗反射层包括在不同单色滤色器的正下方的不同部分，所述不同部分在垂直方向上具有不同的厚度。

优选地，所述第二绝缘层由透明材料形成。

本发明的图像传感器可以使聚透镜的焦点位于光学元件上方，以达到会聚光的作用，从而减少不同颜色光之间的串扰，从而提高图像传感器的灵敏度。同时，由于会聚透镜会聚光而产生的热量可以通过冷却元件及时消散。冷却元件将图像传感器保持在不超过图像传感器的额定工作温度的温度下工作，因此延长了图像传感器的寿命，并改善了图像传感器的图像质量。

应当理解，本发明的以上一般描述和以下详细描述是示例性和解释性的，旨在提供本发明的进一步解释。

附图说明

为了提供对本发明更进一步的理解而包括并且引入并构成本申请的一部分的附图、本发明的说明实施例与介绍一起用来阐明本发明的原理。在附图中：

图1为根据现有技术一实施例的图像传感器的截面图；

图2为根据本发明一实施例的图像传感器的截面图；

图3为根据本发明另一实施例的图像传感器的截面图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

现在详细地参考本发明的优选实施例，其实施例在附图中表明，只要可能，全部附图将用相同的参考数字表示相同或相似的部分。还应当理解，当一个层在另一个层或衬底“上”时，它可能直接在另一个层或衬底上，或者也可能存在插入的层。

图1示出了常规的图像传感器的截面图，如图1所示，图像传感器包括：基板10，三个光学元件，所述三个光学元件分别记做第一光学元件21和第二光学元件22和第三光学元件23，第一绝缘层30，抗反射层40，第二绝缘层50和滤色器阵列80。第一光学元件21、第二光学元件22和第三光学元件23均设置在基板10中。第一绝缘层30设置在基板10和第一光学元件21、第二光学元件22和第三光学元件23上。抗反射层40设置在第一绝缘层30上。第二绝缘层50设置在抗反射层40上。滤色器阵列80设置在第二绝缘层50上，并且滤色器阵列80包括多个单色滤色器，例如包括红色单色滤色器81、绿色单色滤色器82和蓝色单色滤色器83。但是，当光照射在图像传感器上时较为分散，这种图像传感器对光的收集效果并不理想，且当第一绝缘层30和第二绝缘层50的折射率变化较大时，光从第二绝缘层50到达第一绝缘层30时，反射会更严重。因此，抗反射层40用于减少反射。然而，具有均匀厚度的抗反射层40没有针对不同颜色的光进行优化。

本发明的实施例涉及能够提高灵敏度并减少串扰的图像传感器结构。

如图2所示公开了本发明一实施例的图像传感器的截面图，一种图像传感器，自下而上依次设有：冷却元件110、带有若干个通孔90的基板10、第一绝缘层30、抗反射层40、第二绝缘层50、会聚透镜60和滤色器阵列80；所述基板10中设有若干个能将入射光转换成电荷的光学元件20，所述光学元件20用于将光信号转化为电信号，且所述光学元件20位于所述通孔90的上方；所述抗反射层40至少含有3个不同深度的部分；所述第二绝缘层50用于填充缝隙；所述滤色器阵列80包括若干个单色滤色器(81、82、83)；所述会聚透镜60将光会聚到所述光学元件20上。

如图2-3所示，在具体的实施例中，所述通孔90的大小小于所述光学元件20的大小。

如图2-3所示，在具体的实施例中，所述通孔90的数量和所述光学元件20的数量一致，且每个通孔90的上方设有一个光学元件20，例如，当所述通孔90的数量为三个时，所述通孔90包括第一通孔91、第二通孔92和第三通孔93，此时，所述光学元件20包括第一光学元件21、第二光学元件22和第三光学元件23。所述第一光学元件21位于所述第一通孔91的上方，所述第二光学元件22位于所述通孔92的上方，所述第三光学元件23位于所述通孔93的上方。所述第一光学元件21的大小大于所述第一通孔91的大小，所述第二光学元件22的大小大于所述第二通孔92的大小，所述第三光学元件23的大小大于所述第三通孔93的大小。而且，所有光学元件20和所有通孔90均设置在所述基板10中。

如图2-3所述，在一些具体的实施例中，所述滤色器阵列80中包含至少3个不同颜色的单色滤色器，例如包括第一单色滤色器81、第二单色滤色器82和第三单色滤色器83。

如图2-3所述，在一些具体的实施例中，所述滤色器阵列包括红色单色滤色器、绿色单色滤色器和蓝色单色滤色器的一种或多种，每种滤色器数量相等或不等，例如，所述第一单色滤色器81为红色单色滤色器，所述第二单色滤色器82为绿色单色滤色器，所述第三单色滤色器83为蓝色单色滤色器。

如图2-3所述，在一些具体的实施例中，所述会聚透镜60的数量至少为3个，且每个单色滤色器上设有一个会聚透镜，例如，所述会聚透镜60包括第一会聚透镜61、第二会聚透镜62和第三会聚透镜63，且所述第一单色滤色器61下设有第一会聚透镜61，第二单色滤色器82下设有第二会聚透镜62，第三单色滤色器83下设有第三会聚透镜63。

如图2所示，在一具体的实施例中，所述会聚透镜60设置在所述第二绝缘层50中，且所述会聚透镜60位于所述第二绝缘层50中的上方位置与所述滤色器阵列80相接触。在该实施例中，所述会聚透镜60的凸出方向向下。

如图3所示，在一具体的实施例中，所述会聚透镜60设置在所述滤色器阵列80中，在该实施例中，所述会聚透镜60的凸出方向向上。

优选地，所述抗反射层40设置在所述第二绝缘层50与所述第一绝缘层30中间，所述抗反射层40包括若干个不同部分，所述不同部分在垂直方向上具有不同的厚度，且每个部分对应都与所述滤色器阵列80的正下方对应。如图2-3所示，在一些具体的实施例中，所述滤色器阵列80包括三个单色滤色器，记做第一单色滤色器81、第二单色滤色器82和第三单色滤色器83。所述抗反射层包括三个部分，分别记做：第一抗反射部分41、第二抗反射部分42和第三抗反射部分43。第一抗反射部分41、第二抗反射部分42和第三抗反射部分43分别位于第一单色滤色器81、第二单色滤色器82和第三单色滤色器83的正下方。而且，第一抗反射部分41、第二抗反射部分42和第三抗反射部分43分别具有不同的深度。第一抗反射部分41、第二抗反射部分42和第三抗反射部分43具有不同的固有反射特性，因此，所述抗反射层40针对不同的颜色被单独调整，导致针对每种预期颜色有更好的颜色辨别力，以便被光学元件更好地检测。

更具体地来说，抗反射层40可以减少所需波长的反射，也可以使更多不需要的波长反射，并且这意味着可以减少其他颜色的到达用于光子收集的对应光学元件。换句话说，抗反射层40可以减少串扰。

在一些具体的实施例中，所述第二绝缘层由透明材料形成。

在一些具体的实施例中，所述连接层由导电性较好的导电材料形成，用于将冷却元件110固定到图像传感器的基板10的下方。

如图2所示为本发明一实施例的图像传感器的截面图，在一些具体的实施例中，所述通孔90的数量为三个，分别记做第一通孔91、第二通孔92和第三通孔93的形状可以是正方形、圆形或三角形等任意形状，所述通孔的90的形状可以是上下宽度一致，也可以上窄下宽，但都需满足上方宽度应略小于基板中光学元件的宽度。当通孔下部的大小较大，则与连接层的接触面积也越大，散热效果也越好。

如图2-3所示，来自图像传感器上侧的光穿过滤色器阵列80，被过滤成为不同波长的光，然后经过会聚透镜60(包括第一会聚透镜61、第二会聚透镜62和第三会聚透镜63)，使得光的焦点在垂直方向上更靠近光学元件20(第一光学元件21、第二光学元件22和第三光学元件23)的上侧。此外，会聚透镜60可以使进入光学元件20的光更加集中，从而可以减少相邻像素单元之间光的串扰，同时也使得光学元件20的面积可以更小。因此，可以减小像素单元的尺寸，同时可以增加像素单元的数量，这对于图像传感器的分辨率是有利的。

由于会聚透镜60(包括第一会聚透镜61、第二会聚透镜62和第三会聚透镜63)会聚光从而产生热量，如果不能及时散热，则图像传感器的温度将升高，超过其额定温度，这会缩短图像传感器的寿命并降低图像传感器芯片捕获的图像的质量。本发明的图像传感器则可以通过冷却元件110进行散热，同时含有通孔90的基板10也使得散热效果更好。

由于篇幅有限，上述描述仅是对与本申请发明点密切相关的技术内容，对于形成图像传感器的一些常规步骤没有做出详细描述，但本领域技术人员在结合现有技术的基础上有能力将本申请与现有技术的常规步骤进行结合，因此在此不再赘述。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施方式实现了如下技术效果：

本发明的图像传感器可以使会聚透镜的焦点位于光学元件上方，以达到会聚光的作用，从而减少不同颜色光之间的串扰，从而提高图像传感器的灵敏度。同时，由于会聚透镜会聚光而产生的热量可以通过冷却元件及时消散。冷却元件将图像传感器保持在不超过图像传感器的额定工作温度的温度下工作，因此延长了图像传感器的寿命，并改善了图像传感器的图像质量。

对于本领域技术人员明显的是，可以在本发明中进行各种改进和变化。因此本发明旨在覆盖由所附权利要求及其等同物范围内提供的本发明的改进和变化。

Claims

1.一种图像传感器，其特征在于，自下而上依次设有：冷却元件、连接层、带有若干个通孔的基板、第一绝缘层、抗反射层、第二绝缘层、会聚透镜和滤色器阵列；所述冷却元件通过所述连接层与所述基板相连接；所述基板中设有若干个能将入射光转换成电荷的光学元件，所述光学元件用于将光信号转化为电信号，且所述光学元件位于所述通孔的上方；所述抗反射层位于所述第一绝缘层和所述第二绝缘层之间，且所述抗反射层至少含有三个不同深度的部分；所述滤色器阵列包括若干个单色滤色器；所述会聚透镜将光会聚到所述光学元件上。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述通孔的尺寸小于所述光学元件的尺寸。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述通孔的数量和所述光学元件的数量一致，且每个通孔的上方设有一个光学元件。

4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述滤色器阵列中包含至少3个不同颜色的单色滤色器。

5.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，所述滤色器阵列包括红色单色滤色器、绿色单色滤色器和蓝色单色滤色器的一种或多种，每种滤色器数量相等或不等。

6.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，所述会聚透镜的数量至少为3个，且每个单色滤色器上设有一个会聚透镜。

7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述会聚透镜设置在所述第二绝缘层中。

8.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述会聚透镜设置在所述滤色器阵列中。

9.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述抗反射层包括在不同单色滤色器的正下方的不同部分，所述不同部分在垂直方向上具有不同的厚度。

10.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第二绝缘层由透明材料形成。