CN113225541B - 图像传感器 - Google Patents

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Abstract

图像传感器包括：彩色传感器芯片，其被配置为检测入射到彩色传感器芯片的光中的可见光并生成彩色图像；光传输层，其设置在彩色传感器芯片下方，并被配置为接收已经穿过彩色传感器芯片的光，光传输层包括红外光通过滤光器，红外光通过滤光器允许所接收的光中的红外光穿过红外光通过滤光器；以及深度传感器芯片，其设置在光传输层下方，并且被配置为接收来自光传输层的红外光并基于红外光生成深度图像。

Description

图像传感器
技术领域
本专利文档中公开的技术和实现总体上涉及一种能够一起获得彩色图像和深度图像的图像传感器。
背景技术
图像传感器是一种利用半导体对光起反应的特性来捕获图像的装置。随着计算机工业和通信工业的最近发展，对例如智能电话、数码相机、游戏机、物联网、机器人、监视摄像头、医疗微型相机等的高性能图像感测装置的需求日益增加。
图像传感器通常可以分为CCD(电荷耦合器件)图像传感器和CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器。CCD图像传感器比CMOS图像传感器具有更少的噪声和更好的图像质量。然而，CMOS图像传感器具有更简单和更方便的驱动方案，因此在某些应用中可能是优选的。此外，CMOS图像传感器可以在单个芯片中集成信号处理电路，这使得它易于将CMOS图像传感器小型化以实现在产品中，并具有消耗非常低的电力的额外益处。可以使用CMOS制造技术来制造CMOS图像传感器，这导致较低的制造成本。CMOS图像感测装置由于其适合在移动装置中实现而被广泛使用。
通过许多研究已经开发了使用图像传感器来测量深度的方法，并且该需求在包括安全、医疗装置、汽车、视频游戏机、VR/AR和移动装置的各个领域中增加。为了测量深度，可以使用各种技术，包括三角测量、飞行时间和干涉测量。在这些方法当中，飞行时间方法由于其广泛的应用范围、高的处理速度和成本优势而变得流行。
当将深度传感器附加地安装到电子装置以提高电子装置的安全性或各种应用的功能的性能时，添加深度传感器可能会在电子装置中需要额外的空间，并且可能会导致设计限制和成本增加。
发明内容
各种实施方式涉及具有优化的层叠结构的图像传感器。
本公开要实现的各种目的不限于上述目的，并且本公开所属领域的技术人员可以从以下描述中清楚地理解其它目的。
在实施方式中，图像传感器可以包括：彩色传感器芯片，其被配置为检测入射到彩色传感器芯片的光中的可见光并生成彩色图像；光传输层，其设置在彩色传感器芯片下方，并被配置为接收已经穿过彩色传感器芯片的光，光传输层包括红外光通过滤光器，红外光通过滤光器允许所接收的光中的红外光穿过红外光通过滤光器；以及深度传感器芯片，其设置在光传输层下方，并且被配置为接收来自光传输层的红外光并基于红外光来生成深度图像。
在实施方式中，图像传感器可以包括：层叠成彼此垂直地交叠的彩色传感器芯片和深度传感器芯片，彩色传感器芯片和深度传感器芯片中的每个包括光电转换元件，光电转换元件被配置为响应于由彩色传感器芯片或深度传感器芯片接收的入射光而生成光电荷；以及红外光通过滤光器，其设置在彩色传感器芯片的光电转换元件和深度传感器芯片的光电转换元件之间，并且被配置为允许红外光穿过红外光通过滤光器。
根据本文档中公开的实施方式，通过以层叠结构设置用于生成彩色图像的彩色传感器芯片和用于生成深度图像的深度传感器芯片，可以提高集成度。
此外，由于已经穿过彩色传感器芯片的红外光可以有效地传输至深度传感器芯片，因此可以防止深度传感器芯片的性能劣化。
此外，可以提供通过本文档直接或间接地理解的各种效果。
附图说明
图1是示意性地例示根据所公开的技术的实施方式的图像传感器的配置的示例表示的图。
图2是例示图1的图像传感器的层叠结构的示例表示的截面图。
图3是例示图1的图像传感器的层叠结构的另一示例表示的截面图。
图4是例示图1的图像传感器的层叠结构的又一示例表示的截面图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图公开所公开的技术的各种实施方式。然而，该描述并非旨在将所公开的技术限于特定实施方式，并且应被解释为包括根据所公开的技术的实施方式的各种修改、等同形式和/或替代形式。
图1是示意性地例示根据所公开的技术的实施方式的图像传感器的配置的示例表示的图。
参照图1，作为CMOS图像传感器的图像传感器可以一起获得与特定颜色(例如，R(红)、G(绿)或B(蓝))相对应的彩色图像和用于通过使用飞行时间(TOF)方法测量距目标对象1的距离的深度图像。图像传感器可以包括光源10、透镜模块20、彩色传感器芯片200、深度传感器芯片300和逻辑芯片400。
光源10响应于来自逻辑芯片400的时钟信号MLS(调制光信号)向目标对象1发射光。光源10可以是发射特定波长带内的光(例如，近红外、红外或可见光)的激光二极管(LD)、发光二极管(LED)、近红外激光器(NIR)、点光源、组合有白灯和单色仪的单色照明源或其它激光光源的组合。例如，光源10可以发射具有800nm至1000nm的波长的红外光。从光源10发射的光可以是调制至预定频率的调制光。虽然为了便于说明，图1仅例示了一个光源10，但是要注意，可以在透镜模块20周围布置多个光源。
透镜模块20可以收集从目标对象1入射的光，并且可以将所收集的光传输到传感器芯片200和300。从目标对象1入射的光可以包括从光源10发射并被目标对象1反射的红外光以及从外部光源(例如，日光或照明)照射并且被目标对象1反射的可见光线。在一些实现中，目标对象1可以表示一个对象。在一些实施方式中，目标对象1可以表示传输入射在透镜模块20上的光的场景。例如，透镜模块20可以包括具有玻璃或塑料表面的聚焦透镜或其它圆柱状光学元件。透镜模块20可以包括围绕光轴对准的多个透镜。
彩色传感器芯片200可以包括以二维矩阵结构连续布置(例如，在列方向和行方向上连续布置)的多个彩色像素。彩色像素可以由半导体基板支撑或形成在半导体基板中。每个彩色像素可以将通过透镜模块20入射的光中的与特定颜色相对应的光转换为与光的强度相对应的电信号，从而可以输出彩色像素信号。因此，来自彩色传感器芯片200的彩色像素的彩色像素信号可以用于表示由彩色传感器芯片200接收的入射光中的彩色图案或图像。
深度传感器芯片300可以包括以二维矩阵结构连续布置的多个深度像素，在该二维矩阵结构中，深度像素以列和行布置。深度像素可以由半导体基板支撑或形成在半导体基板中。每个深度像素可以将通过透镜模块20入射的光中的与红外光相对应的光转换为与光的强度相对应的电信号，从而可以输出深度像素信号。
彩色像素和深度像素中的每个可以包括生成并累积与入射光的强度相对应的光电荷的光电转换元件(例如，光电二极管、光电晶体管、光电门或其它光敏电路)以及处理光电荷以生成电信号的至少一个晶体管。例如，彩色像素和深度像素中的每一个可以具有3TR(晶体管)、4TR或5TR结构。
由彩色像素配置的阵列的分辨率和由深度像素配置的阵列的分辨率可以彼此相同或不同。例如，由深度像素配置的阵列的分辨率可以小于由彩色像素配置的阵列的分辨率。
逻辑芯片400可以通过控制光源10来向目标对象1照射光。逻辑芯片400可以驱动彩色传感器芯片200的彩色像素和深度传感器芯片300的深度像素，以处理与从目标对象1反射的光相对应的彩色像素信号和深度像素信号，并且生成目标对象1的彩色图像和深度图像。彩色图像可以是表示目标对象1的颜色的图像，并且深度图像可以是表示距目标对象1的距离的图像。
逻辑芯片400可以包括行解码器41、光源驱动器42、定时控制器43和逻辑电路44。
行解码器41可以响应于从定时控制器43输出的定时信号来驱动彩色传感器芯片200的彩色像素和深度传感器芯片300的深度像素。例如，行解码器41可以生成能够选择和控制彩色传感器芯片200和深度传感器芯片300中的每个的多条行线当中的至少一条行线的控制信号。这种控制信号可以包括控制复位晶体管的复位信号、控制传输晶体管的传输信号、以及控制选择晶体管的选择信号。
光源驱动器42可以在定时控制器43的控制下生成能够驱动光源10的时钟信号MLS。时钟信号MLS可以是被调制至预定频率的信号。
定时控制器43可以生成用于控制行解码器41、光源驱动器42和逻辑电路44的操作的定时信号。
逻辑电路44可以通过在定时控制器43的控制下处理从彩色传感器芯片200和深度传感器芯片300输出的像素信号来生成数字信号类型的像素数据。为此，逻辑电路44可以包括用于对从彩色传感器芯片200和深度传感器芯片300输出的像素信号执行相关双采样的相关双采样器(CDS)。此外，逻辑电路44可以包括用于将来自相关双采样器的输出信号转换为数字信号的模数转换器。此外，逻辑电路44可以包括用于在定时控制器43的控制下临时存储从模数转换器输出的像素数据并且向外部输出像素数据的缓冲器电路。
在一些实现中，逻辑电路44可以生成由彩色传感器芯片200感测到的彩色图像和由深度传感器芯片300感测到的深度图像，并且独立于逻辑电路44或图像传感器而提供的图像信号处理器(未示出)可以合成彩色图像和深度图像以生成3D图像，或根据深度图像计算距目标对象1的距离。
详细地，光源10可以朝向图像传感器要拍摄或捕获的场景发射被调制至预定频率的调制光，并且图像传感器可以通过感测从场景中的目标对象1反射的调制光(即，入射光)来生成深度像素的深度图像。依据图像传感器和目标对象1之间的距离，在调制光和入射光之间存在时间延迟。这种时间延迟表示为由图像传感器生成的信号和控制光源10的时钟信号MLS之间的相位差。图像处理器(未示出)可以通过计算在从图像传感器输出的深度图像上呈现的相位差，来计算关于每个深度像素的深度信息。
图2是例示图1的图像传感器的层叠结构的示例表示的截面图。
参照图2，例示了图像传感器中所包括的彩色传感器芯片200、深度传感器芯片300和逻辑芯片400的层叠结构的示例。
从图2的顶部顺序地层叠彩色传感器芯片200、深度传感器芯片300和逻辑芯片400，并且可以在彩色传感器芯片200和深度传感器芯片300之间附加设置光传输层500。
彩色传感器芯片200可以包括基板210、光电转换元件220、布线层230、硅通孔(TSV)焊盘240、滤色器250和微透镜260。
基板210可以包括彼此背离且彼此相对的顶表面和底表面。例如，基板210可以是P型或N型体基板、在P型体基板中生长有P型或N型外延层的基板、或者在N型体基板中生长有P型或N型外延层的基板。
光电转换元件220可以设置在基板210中与各个彩色像素相对应的区域中。光电转换元件220可以生成并累积与特定可见光波长带内的光的强度相对应的光电荷。光电转换元件220可以形成为占据尽可能大的面积，以便增加表示光接收效率的填充因子。例如，每个光电转换元件220可以由光电二极管、光电晶体管、光电门、钉扎光电二极管或其组合来实现。
当每个光电转换元件220由例如光电二极管实现时，每个光电转换元件220可以通过注入N型离子的离子注入工艺形成为N型掺杂区域。根据实施方式，可以以层叠多个掺杂区域的形式来形成光电二极管。在这种情况下，可以通过注入P型离子和N+型离子来形成下面的掺杂区域，并且可以通过注入N-型离子来形成上面的掺杂区域。
虽然为了便于说明，在图2中仅示出了三个彩色像素，但是彩色传感器芯片200中可以包括以M×N(M和N是等于或大于2的整数)矩阵的形式布置的多个彩色像素。
布线层230可以包括像素栅极(未示出)和金属布线(未示出)。
每个像素栅极可以根据控制信号进行操作以生成彩色像素信号，使得每个彩色像素可以生成与由每个光电转换元件220所生成和累积的光电荷相对应的彩色像素信号。例如，像素栅极可以包括配置复位晶体管的复位栅极、配置传输晶体管的传输栅极和配置选择晶体管的选择栅极。每个像素栅极可以包括用于与基板210电隔离的栅极电介质层和接收控制信号的栅电极。
布线层中所包括的金属布线可以将控制信号从TSV焊盘240传输到像素栅极。利用从TSV焊盘240传输的控制信号，布线层中所包括的像素栅极可以向TSV焊盘240传输通过像素栅极的操作所生成的彩色像素信号。金属布线可以设置为包括多个层的多层结构，并且可以通过层间电介质层电隔离。另外，为了使透过基板210的红外波长带内的光可以有效地入射到下面的光传输层500上，金属布线可以尽可能不设置在与光电转换元件220的底部相对应的区域中。
TSV焊盘240可以设置在与金属布线的最下层相同的水平，并且可以与金属布线和第一TSV 420电联接以传输电信号(例如，控制信号和彩色像素信号)。TSV焊盘240可以比第一TSV 420具有更宽的水平区域。TSV焊盘240可以设置在未设置有彩色像素的外围区域中。
每个滤色器250可以形成在基板210的顶部上，并且可以选择性地透射可见光波长带中的特定波长带(例如，红、绿或蓝)内的光。每个滤色器250可以不包括红外截止滤色器，并且由此，透过滤色器250的光可以包括与滤色器250相对应的特定可见光波长带内的光和红外波长带内的光。红外波长带内的光(以下称为“红外光”)比可见光波长带内的光(以下称为“可见光”)具有更长的波长。已知硅和一些半导体材料以不同水平吸收不同波长的光。通常，硅中的光穿透深度随着光的波长而增加。具体地，在800nm和更长波长的红外光谱范围中的光的穿透深度大于在400nm至700nm的光谱范围中的可见光的穿透深度。因此，可以基于考虑到红外光和可见光的以上不同的穿透深度来设计图像传感器，使得已经通过滤色器250的大部分可见光可以被光电转换元件220吸收，但是已经通过滤色器250的大部分红外光可以不被光电转换元件220完全吸收，从而穿过光电转换元件220到达布线层230。因此，位于光电转换元件220的光传感器下方的另一层光传感器可以作为深度传感器被实现为检测红外光，而光电转换元件220的光传感器用作用于感测可见光以生成彩色图像的成像传感器。
每个微透镜260可以以半球状形状形成在滤色器250的顶部上，并且可以增加入射光的聚光功率，以提高光接收效率。可以在微透镜260之上或之下附加地形成能够防止从外部入射的光的散射反射从而抑制炫光特性的保护层(未示出)。
光传输层500可以设置在彩色传感器芯片200和深度传感器芯片300之间。透过彩色传感器芯片200的光可以入射在光传输层500上，并且光传输层500可以向深度传感器芯片300有效地传输光中的红外光。光传输层500可以包括红外光通过滤光器510、抗反射层520和红外光微透镜530。虽然图2例示了从顶部顺序层叠红外光通过滤光器510、抗反射层520和红外光微透镜530，但是红外光通过滤光器510、抗反射层520和红外光微透镜530的层叠顺序可以改变。
红外光通过滤光器510可以是仅使特定红外波长带(例如，840至950nm)内的光通过的带通滤光器。红外光通过滤光器510可以使透过彩色传感器芯片200的光中的仅特定红外波长带内的光通过，并且可以去除(吸收或反射)其余的光分量。在透过彩色传感器芯片200的光中，可以部分地包括已经通过上面的滤色器250、未被光电转换元件220完全吸收的可见光。由于这样的可见光对于下面的深度传感器芯片300可以充当噪声，因此红外光通过滤光器510可以阻挡可见光波长带内的光。例如，可以通过镜玻璃或多层薄膜来实现红外光通过滤光器510，但是所公开的技术的范围不限于此。
抗反射层520可以设置在红外光通过滤光器510下方，并且可以补偿红外光通过滤光器510和红外光微透镜530之间的折射率差，使得已经穿过红外光通过滤光器510的红外光可以入射在红外光微透镜530中。为此，抗反射层520的折射率可以小于红外光通过滤光器510的折射率(例如，2.0至2.7)，并且可以大于红外光微透镜530的折射率(例如，1.4至1.6)。抗反射层520可以由折射率可以调节的硅氧化物制成或者可以包括折射率可以调节的硅氧化物。
在一些实现中，抗反射层520可以具有包括多个层的多层结构，并且多个层的折射率可以从红外光通过滤光器510朝向红外光微透镜530(即，从顶部到底部)依次或逐渐减小。假设红外光垂直入射在抗反射层520上，则根据菲涅耳方程，层间边界处的反射与形成层间边界的两层之间的折射率差的平方成正比。由于抗反射层520包括折射率向下逐渐减小的多个层，所以可以最小化在每个层间边界处的折射率差以防止红外光的反射。可以通过实验确定抗反射层520中包括的层数以及相邻层之间的折射率差，以最小化红外光的反射。
抗反射层520可以形成为平板形状，其覆盖各自具有预定曲率的红外光微透镜530的顶部，从而在其上提供良好的平坦度。
红外光微透镜530可以以半球状形状形成在抗反射层520下方，并且可以通过增加红外光的聚光功率来提高深度传感器芯片300的光电转换元件320的光接收效率。红外光微透镜530可以设置为分别对应于彩色传感器芯片200的光电转换元件220。因此，在每个红外光微透镜530和每个光电转换元件220之间形成一一对应。红外光微透镜530可以与光电转换元件220垂直交叠。如图2所示，多个(例如，三个)红外光微透镜530可以对应于一个光电转换元件320。在这种情况下，虽然与彩色传感器芯片200中包括的每个彩色像素的分辨率相比，深度传感器芯片300中包括的每个深度像素的分辨率可以减小到预定比率(例如，1/3)，但是鉴于红外光的吸收率低于可见光的吸收率并且红外光在穿过彩色传感器芯片200的同时强度降低的事实，可以通过具有更大体积的光电转换元件320来提高灵敏度。
在一些实现中，红外光微透镜530可以包括诸如聚苯乙烯基树脂、聚酰亚胺基树脂、聚硅氧烷基树脂、丙烯酸基树脂、环氧基树脂及其共聚物树脂、硅氧化物基无机材料或硅氮化物基无机材料中的至少一种。
深度传感器芯片300可以包括基板310、光电转换元件320、布线层330和TSV焊盘340。
基板310可以包括彼此背离且彼此相对的顶表面和底表面。例如，基板310可以是P型或N型体基板、在P型体基板中生长有P型或N型外延层的基板、或者在N型体基板中生长有P型或N型外延层的基板。
光电转换元件320可以设置在基板310中与每个深度像素相对应的区域中。光电转换元件320可以生成并累积与由光电转换元件接收的红外光的强度相对应的光电荷。光电转换元件320可以形成为占据尽可能大的面积，以便增加表示光接收效率的填充因子。例如，光电转换元件320可以由光电二极管、光电晶体管、光电门、钉扎光电二极管或其组合来实现。
当光电转换元件320由例如光电二极管实现时，光电转换元件320可以通过注入N型离子的离子注入工艺形成为N型掺杂区域。根据实施方式，可以以层叠多个掺杂区域的形式形成光电二极管。在这种情况下，可以通过注入P型离子和N+型离子来形成下面的掺杂区域，并且可以通过注入N-型离子来形成上面的掺杂区域。
虽然为了便于说明，在图2中仅例示了一个深度像素，但是深度传感器芯片300中可以包括以K×L(K和L是等于或大于2的整数)矩阵的形式布置的多个深度像素。
布线层330可以包括像素栅极(未示出)和金属布线(未示出)。
每个像素栅极可以根据控制信号进行操作以生成深度像素信号，使得每个深度像素可以生成与光电转换元件320所累积的光电荷相对应的深度像素信号。例如，像素栅极可以包括配置复位晶体管的复位栅极、配置传输晶体管的传输栅极和配置选择晶体管的选择栅极。每个像素栅极可以包括用于与基板310电隔离的栅极电介质层和接收控制信号的栅电极。
布线层中所包括的金属布线可以将控制信号从TSV焊盘340传输到像素栅极。利用从TSV焊盘340传送的控制信号，布线层中所包括的像素栅极可以向TSV焊盘340传送通过像素栅极的操作所生成的深度像素信号。金属布线可以设置为包括多个层的多层结构，并且可以通过层间电介质层电隔离。另外，为了使透过光传输层500的红外光可以有效地入射在下面的基板310上，金属布线可以尽可能不设置在与光电转换元件320的顶部相对应的区域中。
TSV焊盘340可以设置在与金属布线的最上层相同的水平处，并且可以与金属布线和第二TSV 430电联接以传输电信号(例如，控制信号和深度像素信号)。TSV焊盘340可以比第二TSV 430具有更宽的水平区域。TSV焊盘340可以设置在未设置有深度像素的外围区域中。
逻辑芯片400可以执行用于生成彩色图像和深度图像的一系列操作，如上面参照图1所述。逻辑芯片400可以包括TSV焊盘410。
TSV焊盘410可以与第一TSV 420和第二TSV 430以及逻辑芯片400中的逻辑电路电联接以传输电信号(例如，控制信号和彩色像素信号)。TSV焊盘410可以比第一TSV 420和第二TSV 430具有更宽的水平区域。TSV焊盘410可以设置为与彩色传感器芯片200的TSV焊盘240以及深度传感器芯片300的TSV焊盘340在垂直方向上至少部分地交叠。
TSV焊盘240、340和410以及金属布线可以包括银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)或具有高电导率的其它材料。TSV焊盘240和410可以通过第一TSV 420电联接，并且TSV焊盘340和410可以通过第二TSV 430电联接。
第一TSV 420可以通过垂直穿过彩色传感器芯片200、光传输层500、深度传感器芯片300和逻辑芯片400而与TSV焊盘240和410电联接。
第二TSV 430可以通过垂直穿过深度传感器芯片300和逻辑芯片400而与TSV焊盘340和410电联接。
第一TSV 420和第二TSV 430中的每个可以具有双重结构，该双重结构包括用于电联接的内部插塞和围绕内部插塞以与内部插塞电绝缘的阻挡件，但是所公开的技术的范围不限于此。内部插塞可以包括具有高电导率的银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)等。阻挡件可以包括钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)或其它阻挡金属中的至少一种。
图3是例示图1的图像传感器的层叠结构的另一示例表示的截面图。
参照图3，例示了图像传感器中所包括的彩色传感器芯片200、深度传感器芯片300和逻辑芯片400的层叠结构的另一示例。
从图3的顶部顺序地层叠彩色传感器芯片200、深度传感器芯片300和逻辑芯片400，并且可以在彩色传感器芯片200和深度传感器芯片300之间附加地设置光传输层600。
由于图3所示的图像传感器的配置和图2所示的图像传感器的结构除了以下要描述的区别之外基本相同，所以为了避免重复描述，将主要针对区别进行描述。
光传输层600可以包括红外光通过滤光器610、抗反射层620和红外光微透镜630。红外光通过滤光器610和抗反射层620可以在结构和功能上与以上参照图2所描述的红外光滤光器510和抗反射层520基本相同。
与图2不同，一个红外光微透镜630可以对应于一个光电转换元件320。以与图2中相同的方式，光电转换元件320比光电转换元件220具有更大的体积，以提高对红外光的灵敏度，并且可以利用一一对应分别对应于红外光微透镜630。在这种情况下，入射在红外光微透镜630上的红外光可以会聚在光电转换元件320的中央区域上。
图4是例示图1的图像传感器的层叠结构的又一示例表示的截面图。
参照图4，例示了图像传感器中所包括的彩色传感器芯片200、深度传感器芯片300和逻辑芯片400的层叠结构的又一示例。
从图4的顶部顺序地层叠彩色传感器芯片200、深度传感器芯片300′和逻辑芯片400，并且可以在彩色传感器芯片200和深度传感器芯片300′之间附加地设置光传输层500。
由于图4所示的图像传感器的配置和图2所示的图像传感器的配置除了下面要描述的区别之外基本相同，因此，为了避免重复描述，将主要针对区别进行描述。
深度传感器芯片300′可以包括基板310、光电转换元件325、布线层330和TSV焊盘340。基板310、布线层330和TSV焊盘340可以在结构和功能上与以上参照图2所描述的基板310、布线层330和TSV焊盘340基本相同。
如图4所示，每个红外光微透镜530可以对应于每个光电转换元件325。在这种情况下，深度传感器芯片300′中包括的每个深度像素的分辨率可以与在彩色传感器芯片200中包括的每个彩色像素的分辨率相同。在图4的情况下，深度传感器芯片300′可以生成具有更高分辨率的深度图像，但是随着红外光穿过彩色传感器芯片200并且其强度减弱，深度传感器芯片300′的灵敏度可能降低。然而，由于每个红外光微透镜530被设置为对应于每个光电转换元件325，所以能够收集更多的红外光并且能够补偿低灵敏度。
从以上描述显而易见的是，在根据所公开的技术的实施方式的图像传感器中，通过提供包括用于生成彩色图像的彩色传感器芯片和用于生成深度图像的深度传感器芯片的层叠结构，能够提高集成度。
另外，由于已经通过彩色传感器芯片的红外光可以有效地传输至深度传感器芯片，因此可以防止深度传感器芯片的性能劣化。
根据各种实施方式，上述组件的每个组件(例如，模块或程序)可以包括单个实体或多个实体。根据各种实施方式，可以省略上述组件或操作中的一个或更多个，或者可以添加一个或更多个其它组件或操作。另选地或附加地，多个组件(例如，模块或程序)可以集成到一个组件中。在这种情况下，集成组件可以以与集成之前多个组件中的相应组件所执行的功能相同或相似的方式来执行多个组件中的每个组件的一个或更多个功能。根据各种实施方式，由模块、程序或其它组件执行的操作可以顺序地、并行地、重复地或启发式地执行，或者一个或更多个操作可以以不同的次序执行或被省略，或者可以添加一个或更多个其它操作。
仅描述了所公开的技术的特定实施方式的一些示例。可以基于所公开的内容进行其它实现和变型。
相关申请的交叉引用
本专利文档要求于2020年2月6日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2020-0014361的优先权和权益，其全部内容通过引用合并于此，作为本专利文档的公开内容的一部分。

Claims (20)

1.一种图像传感器，该图像传感器包括：
彩色传感器芯片，所述彩色传感器芯片被配置为检测入射到所述彩色传感器芯片的光中的可见光并且生成彩色图像；
光传输层，所述光传输层设置在所述彩色传感器芯片下方并且被配置为接收已经穿过所述彩色传感器芯片的光，所述光传输层包括红外光通过滤光器，所述红外光通过滤光器允许所接收的光中的红外光穿过所述红外光通过滤光器；以及
深度传感器芯片，所述深度传感器芯片设置在所述光传输层下方，并且被配置为接收来自所述光传输层的所述红外光并基于所述红外光来生成深度图像。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述光传输层还包括红外光微透镜，所述红外光微透镜被配置为收集所述红外光。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述光传输层还包括抗反射层，所述抗反射层叠设置在所述红外光通过滤光器与所述红外光微透镜之间。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，所述抗反射层的折射率小于所述红外光通过滤光器的折射率，并且大于所述红外光微透镜的折射率。
5.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，所述抗反射层包括折射率从所述红外光通过滤光器朝向所述红外光微透镜降低的多个层。
6.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述红外光微透镜被设置为与所述彩色传感器芯片的光电转换元件相对应。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，所述红外光微透镜被设置为与所述深度传感器芯片的光电转换元件的一部分相对应。
8.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，所述红外光微透镜被设置为与所述深度传感器芯片的光电转换元件相对应。
9.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述红外光微透镜被设置为与所述彩色传感器芯片的多个光电转换元件相对应。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，所述红外光微透镜被设置为与所述深度传感器芯片的光电转换元件相对应。
11.一种图像传感器，该图像传感器包括：
彩色传感器芯片和深度传感器芯片，所述彩色传感器芯片和所述深度传感器芯片层叠成彼此垂直地交叠，所述彩色传感器芯片和所述深度传感器芯片中的每个包括光电转换元件，所述光电转换元件被配置为响应于由所述彩色传感器芯片或所述深度传感器芯片接收的入射光而生成光电荷；以及
红外光通过滤光器，所述红外光通过滤光器设置在所述彩色传感器芯片的所述光电转换元件和所述深度传感器芯片的所述光电转换元件之间，并且被配置为允许已经穿过所述彩色传感器芯片的光中包括的红外光穿过所述红外光通过滤光器。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，该图像传感器还包括：
红外光微透镜，所述红外光微透镜被配置为收集所述红外光。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，该图像传感器还包括：
抗反射层，所述抗反射层叠设置在所述红外光通过滤光器与所述红外光微透镜之间。
14.根据权利要求13所述的图像传感器，其中，所述抗反射层的折射率小于所述红外光通过滤光器的折射率，并且大于所述红外光微透镜的折射率。
15.根据权利要求13所述的图像传感器，其中，所述抗反射层包括折射率从所述红外光通过滤光器朝向所述红外光微透镜降低的多个层。
16.根据权利要求11所述的图像传感器，该图像传感器还包括第一布线层，所述第一布线层设置在所述彩色传感器芯片和所述红外光通过滤光器之间。
17.根据权利要求11所述的图像传感器，该图像传感器还包括第二布线层，所述第二布线层设置在所述红外光通过滤光器与所述深度传感器芯片之间。
18.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，所述彩色传感器芯片和所述深度传感器芯片中的至少一个的所述光电转换元件包括光电二极管、光电晶体管、光电门、钉扎光电二极管或其组合。
19.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，所述深度传感器芯片的所述光电转换元件具有比所述彩色传感器芯片的所述光电转换元件的体积更大的体积。
20.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，所述红外光通过滤光器被配置为允许所述红外光具有在840nm至950nm之间的范围的波长。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210146725A (ko) * 2020-05-27 2021-12-06 삼성전자주식회사 적외선 센서가 통합된 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
US20220103732A1 (en) * 2020-09-29 2022-03-31 Aac Optics Solutions Pte. Ltd. Imaging assembly and camera
KR20220081034A (ko) * 2020-12-08 2022-06-15 에스케이하이닉스 주식회사 이미지 센싱 장치
CN114284306A (zh) * 2021-12-15 2022-04-05 武汉新芯集成电路制造有限公司 深度兼图像传感器器件及制作方法、深度兼图像传感器芯片
FR3142856A1 (fr) * 2022-12-06 2024-06-07 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Dispositif d’acquisition d’une image 2D et d’une image de profondeur d’une scène

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110061677A (ko) * 2009-12-02 2011-06-10 삼성전자주식회사 영상 센서 및 이의 제조 방법.
JP2013070030A (ja) 2011-09-06 2013-04-18 Sony Corp 撮像素子、電子機器、並びに、情報処理装置
KR20140147376A (ko) 2013-06-19 2014-12-30 삼성전자주식회사 적층형 컬러-깊이 센서 및 이를 채용한 3차원 영상 획득 장치
WO2017203936A1 (ja) * 2016-05-25 2017-11-30 パナソニック・タワージャズセミコンダクター株式会社 固体撮像素子

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