CN117542869A

CN117542869A - 图像传感器

Info

Publication number: CN117542869A
Application number: CN202310824663.4A
Authority: CN
Inventors: 金大官; 文章豪; 鲁尧焕
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2022-08-08
Filing date: 2023-07-06
Publication date: 2024-02-09

Abstract

在本公开的一些实施例中，图像传感器包括设置在衬底中并沿第一方向布置的第一像素组和第二像素组。第一像素组包括被配置为感测第一颜色的第一光的第一多个第一子组，以及被配置为感测第二颜色的第二光的多个第二子组。第二像素组包括被配置为感测第一颜色的第四光的第二多个第一子组，以及被配置为感测第三颜色的第三光的多个第三子组。第一多个第一子组、第二多个第一子组、多个第二子组和多个第三子组中的每一个包括布置成对应的N行和M列中的像素，N和M为大于一的正整数。

Description

图像传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求在韩国知识产权局于2022年8月8日提交的韩国专利申请No.10-2022-0098853和于2023年1月13日提交的韩国专利申请No.10-2023-0005715的优先权的权益，它们的公开以引用方式全文并入本文中。

技术领域

本公开大体上涉及图像传感器，且更特别地，涉及具有高动态范围(HDR)的图像传感器。

背景技术

图像传感器可以指用于将光学图像转换为电信号的半导体装置。

图像传感器可被分类为电荷耦合装置(CCD)图像传感器和/或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。CMOS图像传感器(CIS)可以包括可以按照二维(2D)布置的多个像素。多个像素中的每个像素可以包括光电二极管(PD)。光电二极管可以被配置为将入射光转换为电信号。

发明内容

本公开的实施例可以提供一种能够实现清晰图像质量的图像传感器。

根据本公开的一方面，提供了一种图像传感器。图像传感器包括设置在衬底中并且沿第一方向布置的第一像素组和设置在衬底中并且沿第一方向布置的第二像素组。第一像素组包括被配置为感测第一颜色的第一光的第一多个第一子组，以及被配置为感测第二颜色的第二光的多个第二子组。第一多个第一子组中的每一个包括布置成N个第一行和M个第一列的第一像素，其中N和M是大于一的正整数。多个第二子组中的每一个包括布置成N个第二行和M个第二列的第二像素。第二像素组包括被配置为感测第一颜色的第四光的第二多个第一子组，以及被配置为感测第三颜色的第三光的多个第三子组。第二多个第一子组中的每一个包括布置成N个第四行和M个第四列的其它第一像素。多个第三子组中的每一个包括布置成N个第三行和M个第三列的第三像素。

根据本公开的一方面，提供了一种图像传感器。图像传感器包括设置在衬底中并沿顺时针方向布置的第一像素组、第二像素组、第三像素组和第四像素组。第一像素组和第三像素组中的每一个包括被配置为感测第一颜色的第一光的第一多个第一子组和被配置为感测第二颜色的第二光的多个第二子组。第二像素组和第四像素组中的每一个包括第二多个第一子组和被配置为感测第三颜色的第三光的多个第三子组。第一子组中的每一个包括布置成N个第一行与M个第一列的多个第一像素。多个第二子组中的每一个包括布置成N个第二行和M个第二列的第二像素。多个第三子组中的每一个包括布置成N个第三行和M个第三列的第三像素。N和M是大于一的正整数。第一子组中的至少一个设置在多个第二子组中的至少一个和多个第三子组中的至少一个之间。

根据本公开的一方面，提供了一种图像传感器。图像传感器包括：第一像素组，其设置在衬底中并且沿第一方向布置；第二像素组，其设置在衬底中并且沿第一方向布置；第一高折射率图案，其设置在衬底上，并分别与第一像素重叠；第二高折射率图案，其设置在衬底上，并分别与多个第二子组的中心重叠；平坦化层，其覆盖第一高折射率图案和第二高折射率图案的至少一部分；第三高折射率图案，其设置在平坦化层上，并分别与第一高折射率图案重叠；以及第四高折射率图案，其设置在平坦化层上，并分别与第二高折射率图案重叠。第一像素组包括被配置为感测第一颜色的第一光的第一多个第一子组，以及被配置为感测第二颜色的第二光的多个第二子组。第一多个第一子组中的每一个包括布置成N个第一行和M个第一列的第一像素。N和M是大于一的正整数。多个第二子组中的每一个包括布置成N个第二行和M个第二列的第二像素。第二像素组包括第二多个第一子组和被配置为感测第三颜色的第三光的多个第三子组。多个第三子组中的每一个包括布置成N行和M列的第三像素。

另外的方面将在随后的描述中被部分地阐述，并且部分地将从描述中显而易见，或者可以通过所呈现的实施例的实践而获知。

附图说明

从结合附图进行的以下描述中，本公开的一些实施例的以上和其它方面、特征和优点将变得更加显而易见，在附图中：

图1是示出根据实施例的图像传感器的框图；

图2是示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的电路图；

图3是示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图；

图4A是示出根据实施例的图像传感器的平面图；

图4B是示出根据实施例的图像传感器中包括的像素组的详细平面图；

图5是根据实施例的沿着图4A或图4B的线A-A'截取的截面图；

图6是示出根据实施例的处理图像传感器中的数据的方法的框图；

图7示出根据实施例的原始图像数据；

图8示出根据实施例的从第一转换电路获得的第一图像数据；

图9示出根据实施例的从第二转换电路获得的第二图像数据和第三图像数据；

图10A和图10B是示出根据实施例的具有图3的有源像素传感器阵列的图像传感器的操作状态的示图；

图11A和图11B示出根据实施例的从第二转换电路获得的第二图像数据和第三图像数据；

图12A和图12B是示出根据实施例的具有图3的有源像素传感器阵列的图像传感器的操作状态的示图；

图13A和图13B示出根据实施例的从第二转换电路获得的第二图像数据和第三图像数据；

图14是示出根据实施例的图像传感器的平面图；

图15是根据实施例的沿图14的线A-A'截取的截面图；

图16A至图16C示出根据实施例的图像传感器中的有效光接收区；

图17A和图17B是示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图；

图18是示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图；

图19A和图19B是示出根据实施例的具有图18的有源像素传感器阵列的图像传感器的操作状态的示图；

图20A和图20B示出根据实施例的从第二转换电路获得的第二图像数据和第三图像数据；

图21A和图21B是示出根据实施例的具有图18的有源像素传感器阵列的图像传感器的操作状态的示图；

图22A和图22B示出根据实施例的从第二转换电路获得的第二图像数据和第三图像数据；

图23是示出根据实施例的图像传感器的截面图；以及

图24是示出根据实施例的图像传感器的截面图。

具体实施方式

提供参照附图的以下描述以帮助全面理解由权利要求书及其等效物限定的本公开的实施例。包括各种具体细节以帮助理解，但是这些细节被认为仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可以对本文描述的实施例进行各种改变和修改。此外，为了清楚和简明，省略了对公知功能和结构的描述。

关于附图的描述，类似的附图标记可以用于指代类似或相关的元件。应当理解，除非相关上下文另外清楚地指出，否则与项对应的名词的单数形式可以包括一个或多个事物。如本文所使用的，诸如“A或B”、“A和B中的至少一个”、“A或B中的至少一个”、“A、B或C”、“A、B和C中的至少一个”和“A、B或C中的至少一个”的每个短语可以包括在短语的相应一个中一起枚举的项目的任何一个或所有可能的组合。如本文所用，诸如“第一”和“第二”的术语可用于简单地将对应的组件与另一个区分，并且不在其它方面(例如，重要性或顺序)限制组件。应当理解，如果元件(例如，第一元件)在具有或不具有术语“操作地”或“通信地”的情况下被称为与另一元件(例如，第二元件)“耦接”、“连接”、“耦接到”、“连接到”另一元件(例如，第二元件)，则意味着该元件可以直接(例如，有线地)、无线地或经由第三元件与另一元件耦接。

将理解，当元件或层被称为在另一元件或层“上方”、“之上”、“上”、“下方”、“之下”、“下”、“连接到”或“耦接到”另一元件或层时，它可以直接在另一元件或层上方、之上、上、之下、下方、下、连接到或耦接到另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接”在另一元件或层“上方”、“之上”、“上”、“直接”在另一元件或层“下方”、“之下”、“下”、“直接连接到”另一元件或层或者“直接耦接到”另一元件或层时，不存在中间元件或层。

术语“上”、“中”、“下”等可以用诸如“第一”、“第二”、“第三”等术语来代替，以用于描述元件的相对位置。术语“第一”、“第二”、“第三”可用于描述各种元件，但元件不受术语限制，并且“第一元件”可被称为“第二元件”。可替代地或另外地，术语“第一”、“第二”、“第三”等可以用于将组件彼此区分，并且不限制本公开。例如，术语“第一”、“第二”、“第三”等可以不必涉及任何形式的顺序或数值含义。

贯穿本公开对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”或类似语言的引用可以指示结合所指示的实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本技术方案的至少一个实施例中。因此，贯穿本公开的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“在示例实施例中”和类似语言可以但不一定全部指代同一实施例。

如本文所使用的，术语“SiO”、“SiN”、“SiCN”、“SiON”等中的每一个可指由术语中的每一个包括的元素制成的材料，且并非是表示化学计量关系的化学式

下面参照附图描述本公开的示例实施例。

图1是示出根据实施例的图像传感器的框图。

参照图1，图像传感器1000可以接收来自外部的光以产生数字信号。在实施例中，包括图像传感器1000的电子装置可以基于数字信号在显示面板上显示图像。例如，包括图像传感器1000的电子装置可以被实现为各种电子装置中的一种，诸如但不限于智能电话、平板个人计算机(平板PC)、膝上型个人计算机(膝上型PC)和可穿戴装置。

在实施例中，图像传感器1000可以包括有源像素传感器阵列1001、行解码器1002、行驱动器1003、列解码器1004、定时产生器1005、相关双采样器(CDS)1006、模数转换器(ADC)1007、以及输入/输出(I/O)缓冲器1008。

有源像素传感器阵列1001可以包括二维(2D)布置的多个像素，并且可以将光信号转换为电信号。在实施例中，有源像素传感器阵列1001可以由从行驱动器1003提供的多个驱动信号(例如，像素选择信号、复位信号、电荷传输信号)驱动。可替代地或另外地，转换的电信号可以被提供给相关双采样器1006。

行驱动器1003可以响应于在行解码器1002中解码的信号提供用于驱动有源像素传感器阵列1001的多个像素的多个驱动信号。在实施例中，当像素以矩阵形式(例如，行和/或列)布置时，可以以矩阵的行为单位提供驱动信号。即，行驱动器1003的驱动信号可以被提供给其中布置像素的矩阵的相应行。

定时产生器1005可以将定时信号和/或控制信号提供到行解码器1002和列解码器1004。

相关双采样器1006可以接收由有源像素传感器阵列1001生成的电信号，并且可以保持和采样所接收的电信号。例如，相关双采样器1006可以对电信号的特定噪声电平和信号电平进行双采样，以输出与噪声电平和信号电平之间的差对应的差电平。

模数转换器1007可以将可与从相关双采样器1006输出的差电平相对应的模拟信号转换为数字信号，并且可以输出该数字信号。

I/O缓冲器1008可以锁存数字信号，并且锁存的数字信号可以响应于在列解码器1004中解码的信号而被顺序地输出(例如，输出到图像信号处理单元)。

图2是示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的电路图。

参照图1和图2，有源像素传感器阵列1001可以包括多个像素PX。在实施例中，多个像素PX可以以矩阵形式布置。可替代地或另外地，像素PX中的每一个可包括传输晶体管TX以及逻辑晶体管RX、SX及DX。逻辑晶体管RX、SX和DX可以包括复位晶体管RX、选择晶体管SX和源极跟随器晶体管DX。传输晶体管TX可包括传输栅极TG。可替代地或另外地，像素PX中的每一个可包括光电转换部分PD和浮置扩散区FD。在一些实施例中，逻辑晶体管RX、SX和DX可以由彼此相邻的多个像素PX共享。

光电转换部分PD可以与从外部入射的光量成比例地生成和/或累积光电荷。光电转换部分PD可以包括但不限于光电二极管、光电晶体管、光电门、钉扎光电二极管或其组合。传输晶体管TX可以将光电转换部分PD中产生的电荷传输到浮置扩散区FD。浮置扩散区FD可以接收在光电转换部分PD中产生的电荷，并且可以累积地存储所接收的电荷。可替代地或另外地，可根据在浮置扩散区FD中累积的光电荷的量来控制源极跟随器晶体管DX。

复位晶体管RX可周期性地复位累积在浮置扩散区FD中的电荷。在实施例中，复位晶体管RX的漏电极可连接到浮置扩散区FD，并且复位晶体管RX的源电极可连接到电源电压V_DD。可替代地或另外地，当复位晶体管RX导通时，连接到复位晶体管RX的源电极的电源电压V_DD可施加到浮置扩散区FD。因此，当复位晶体管RX导通时，可对累积在浮置扩散区FD中的电荷进行放电以复位浮置扩散区FD。

包括源极跟随器栅电极SF的源极跟随器晶体管DX可以用作源极跟随器缓冲放大器。例如，源极跟随器晶体管DX可放大浮置扩散区FD中的电位变化且可将放大的电位变化输出到输出线V_OUT。

在实施例中，包括选择栅电极SEL的选择晶体管SX可以以行为单位选择待感测的像素PX。例如，当选择晶体管SX导通时，电源电压V_DD可以被施加到源极跟随器晶体管DX的漏电极。

图3是示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。

参照图3，在有源像素传感器阵列1001中，像素隔离部分DTI可设置在衬底(例如，图5的衬底1)中以使多个像素PX彼此隔离。多个相邻像素PX可以构成子组SG。在实施例中，有源像素传感器阵列1001可包括多个子组SG，每个子组SG具有对应的多个相邻像素PX。多个相邻的子组SG可以构成像素组PG。

在实施例中，有源像素传感器阵列1001可包括多个像素组PG。例如，每个像素组PG可包括以顺时针方向布置的四(4)个像素组(例如，第一像素组PG(1)、第二像素组PG(2)、第三像素组PG(3)和第四像素组PG(4))。可替代地或另外地，第一像素组PG(1)及第二像素组PG(2)可沿第一方向X1布置。在实施例中，第四像素组PG(4)及第一像素组PG(1)可沿与第一方向X1相交的第二方向X2布置。在可选的或另外的实施例中，第四像素组PG(4)及第二像素组PG(2)可沿与第一方向X1及第二方向X2相交的第三方向X3布置。在另一可选的或另外的实施例中，第一像素组PG(1)及第三像素组及PG(3)可沿与第一方向至第三方向X1、X2及X3相交的第四方向X4布置。然而，本公开不限于这个方面。例如，第一像素组PG(1)至第四像素组PG(4)在不脱离本公开的范围的情况下可以以其它配置布置。

参照图3，第一像素组PG(1)和第三像素组PG(3)中的每一个可以包括第一子组SG(1)和第二子组SG(2)，并且可以布置成两行两列。在实施例中，第一子组SG(1)中的每一个可以包括第一像素PX(1)，其可以用于感测第一颜色的第一光并且可以被布置成两行两列。可替代地或另外地，第二子组SG(2)中的每一个可以包括第二像素PX(2)，其可以用于感测第二颜色的第二光并且可以被布置成两行两列。例如，第一颜色的第一光可以是绿色波长的光。又例如，第二颜色的第二光可以是红色波长的光。在可选的或另外的实施例中，在第一像素组PG(1)和第三像素组PG(3)中的每一个中，第一子组SG(1)可沿第三方向X3布置。可替代地或另外地，第二子组SG(2)可以沿第四方向X4布置。贯穿本公开，光也可以被称为光子。

继续参照图3，第四像素组PG(4)和第二像素组PG(2)中的每一个可以包括第一子组SG(1)和第三子组SG(3)，并且可以布置成两行两列。可替代地或另外地，第三子组SG(3)中的每一个可以包括第三像素PX(3)，其可以用于感测第三颜色的第三光并且可以被布置成两行两列。例如，第三颜色的第三光可以是蓝色波长的光。在可选的或另外的实施例中，在第四像素组PG(4)和第二像素组PG(2)中的每一个中，第一子组SG(1)可沿第三方向X3布置。可替代地或另外地，第三子组SG(3)可以沿第四方向X4布置。

如上参照图3所述，子组SG中的每一个中包括的像素可以布置成两行和两列。然而，本公开不限于此。例如，在某些实施例中，一个子组SG中包括的像素可以被布置成N行和M列，其中N和M可以是大于一(1)的正整数。在一些实施例中，N和M可以彼此相等。可替代地或另外地，N和M可以彼此不同。

在实施例中，第一像素组PG(1)和第三像素组PG(3)可不包括第三子组SG(3)。也就是说，第一像素组PG(1)和第三像素组PG(3)可以不感测第三光，和/或可以被阻止感测第三光。可替代地或另外地，第四像素组PG(4)和第二像素组PG(2)可不包括第二子组SG(2)。也就是说，第四像素组PG(4)和第二像素组PG(2)可以不感测第二光，和/或可以被阻止感测第二光。

图4A是示出根据实施例的图像传感器的平面图。图4B是示出根据实施例的图像传感器中包括的像素组的详细平面图。图5是沿图4A或图4B的线A-A'截取的截面图。图4A、图4B和图5的图像传感器100可包括或可在许多方面类似于上文参照图1至图3描述的图像传感器1000，且可包括上文未提及的额外的特征。

参照图4A、图4B和图5，图像传感器100可以包括第一衬底1。可以在第一衬底1中设置参照图1描述的块的区域。例如，第一衬底1可以包括但不限于单晶硅晶圆、硅外延层或绝缘体上硅(SOI)衬底。可替代地或另外地，第一衬底1可以掺杂有具有第一导电类型的掺杂剂。又例如，第一导电类型可以是P型。在实施例中，第一衬底1可以包括可以彼此相对的前表面1a和后表面1b。在本公开中，前表面1a可以被称为第一表面1a，和/或后表面1b可以被称为第二表面1b。在实施例中，第一衬底1可包括多个像素PX。

参照图3所描述的像素组PG、子组SG及像素PX可设置在第一衬底1的有源像素传感器阵列区中。在实施例中，当在平面图中观看时，像素隔离部分DTI可具有网筛形状。

在实施例中，像素隔离部分DTI可以包括像素组隔离部分DTI_M和像素间隔离部分DTI_P。像素组隔离部分DTI_M可以设置在彼此相邻的子组SG之间，并且可以将相邻的子组SG彼此隔离。可替代地或另外地，像素组隔离部分DTI_M可设置在彼此相邻的像素组PG之间，并可使相邻的像素组PG彼此隔离。像素间隔离部分DTI_P可在子组SG中的每一个中将像素PX彼此隔离。当在平面图中看时，像素间隔离部分DTI_P可以从像素组隔离部分DTI_M的侧壁朝向子组SG中的每一个的中心PG_C突出。如图4B和图5所示，像素间隔离部分DTI_P可以不存在于子组SG的中心PG_C(例如，可以从其省略)。因此，像素间隔离部分DTI_P可在子组SG中的每一个的中心PG_C处彼此间隔开。

在实施例中，像素隔离部分DTI可以位于从第一衬底1的前表面1a朝向后表面1b形成的深沟槽22中。像素隔离部分DTI可以包括填充绝缘图案12、隔离绝缘图案16和隔离导电图案14。填充绝缘图案12可以设置在隔离导电图案14和第一层间绝缘层IL11之间。隔离绝缘图案16可以设置在隔离导电图案14和第一衬底1之间以及填充绝缘图案12和第一衬底1之间。

填充绝缘图案12和隔离绝缘图案16中的每一个可以由具有与第一衬底1的折射率不同的折射率的绝缘材料形成。例如，填充绝缘图案12和隔离绝缘图案16可以包括但不限于氧化硅(SiO)。在实施例中，隔离导电图案14可以与第一衬底1间隔开。可替代地或另外地，隔离导电图案14可以包括但不限于可以掺杂有掺杂剂的多晶硅层或硅锗层。例如，掺杂在多晶硅层和/或硅锗(Si-Ge)层中的掺杂剂可以包括但不限于硼(B)、磷(P)或砷(As)。可替代地或另外地，隔离导电图案14可以包括金属层。

在实施例中，负偏置电压可以施加到隔离导电图案14。也就是说，隔离导电图案14可以用作公共偏压线。结果，可以捕获可能存在于第一衬底1的与像素隔离部分DTI接触的表面处的空穴，从而可以减小暗电流。

在实施例中，像素隔离部分DTI可具有从第一衬底1的前表面1a向后表面1b变窄的宽度。

光电转换部分PD可以分别设置在像素PX的第一衬底1中。在实施例中，光电转换部分PD可以掺杂有与第一导电类型相反的第二导电类型的掺杂剂。例如，第二导电类型可以是N型。光电转换部分PD中包括的N型掺杂剂可与第一衬底1中包括的P型掺杂剂在光电转换部分PD周围形成PN结，因此，可提供光电二极管。

与前表面1a相邻的器件隔离部分STI可以设置在第一衬底1中。例如，像素隔离部分DTI可以穿透器件隔离部分STI。器件隔离部分STI可以在像素PX中的每一个中限定与前表面1a相邻的有源区。例如，可以为图2的晶体管TX、RX、DX和SX提供有源区。

参照图4B，可以在像素PX中的每一个中在第一衬底1的前表面1a上设置传输栅极TG。在子组SG的每一个中包括的像素PX中，传输栅极TG可邻近于子组SG中的每一个的中心PG_C设置。传输栅极TG的一部分可以延伸到第一衬底1中。传输栅极TG可以是竖直型栅极。可替代地或另外地，传输栅极TG可以不延伸到第一衬底1中，而是可以由具有平坦形状的平面型栅极组成。栅极绝缘层GoX(图5中所示)可以设置在传输栅极TG和第一衬底1之间。邻近前表面1a的浮置扩散区FD可以设置在子组SG中的每一个的中心PG_C的第一衬底1中。例如，浮置扩散区FD可掺杂有具有第二导电类型的掺杂剂。可替代地或另外地，浮置扩散区FD可邻近于四个传输栅极TG。在实施例中，构成子组SG中的每一个的四(4)个像素PX可以共享浮置扩散区FD。

在实施例中，图像传感器100可包括背侧照明图像传感器。例如，光可以通过第一衬底1的后表面1b入射到第一衬底1中。在这种示例中，通过入射光可以在PN结的耗尽区中产生电子空穴对(EHP)。所产生的电子可以移动到光电转换部分PD中。当将电压施加到传输栅极TG时，电子可移动到浮置扩散区FD中。

在一些实施例中，复位晶体管RX、选择晶体管SX和源极跟随器晶体管DX可以设置在像素PX的前表面1a上。

参照图5，第一层间绝缘层IL11可设置在前表面1a上。第一层间绝缘层IL11中的每一个可以包括但不限于氧化硅(SiO)层、氮化硅(SiN)层、碳氮化硅(SiCN)层、氮氧化硅(SiON)层和多孔低k介电层中的至少一种。在实施例中，第一互连线15可以设置在第一层间绝缘层IL11之间和/或之中。可替代地或另外地，浮置扩散区FD可通过第一接触插塞17连接至第一互连线15中对应的一条。第一接触插塞17可穿透第一层间绝缘层IL11中的最接近前表面1a的一个(例如，最上面的一个)。可替代地或另外地，第一层间绝缘层IL11中的最下面的一个可至少部分被钝化层PL1覆盖。钝化层PL1可具有单层和/或多层结构，且可包括但不限于SiO、SiCN、SiON、SiN及其组合中的至少一种。

固定电荷层A1与抗反射层A2可顺序地覆盖第一衬底1的后表面1b的至少一部分。固定电荷层A1可与后表面1b接触。固定电荷层A1可具有负固定电荷。固定电荷层A1可由金属氧化物和/或金属氟化物形成，包括但不限于铪(Hf)、锆(Zr)、铝(Al)、钽(Ta)、钛(Ti)、钇(Y)和镧系元素中的至少一种。例如，固定电荷层A1可以是氧化铪层和/或氧化铝层。在本公开的实施例中，空穴可累积在固定电荷层A1附近。因此，可以有效地减少暗电流和白斑。

抗反射层A2可具有包括氧化钛(TiO)、氮化硅(SiN)、氧化硅(SiO)或氧化铪(HfO)中的至少一种的单层和/或多层结构。

网格图案WG可以设置在抗反射层A2上。网格图案WG可以包括可以顺序堆叠的光阻挡图案48a和低折射率图案50a。在实施例中，网格图案WG可以与像素隔离部分DTI重叠。光阻挡图案48a可以包括但不限于钛(Ti)、氮化钛(TiN)或钨(W)中的至少一种。低折射率图案50a可包括折射率小于滤色器(例如，第一滤色器CF1、第二滤色器CF2和第三滤色器CF3)的折射率的材料。例如，低折射率图案50a可以具有1.3或更小的折射率。在实施例中，光阻挡图案48a的侧壁可以与低折射率图案50a的侧壁对准。

滤色器CF1、CF2和CF3可以设置在由网格图案WG限定的开口中。第一滤色器CF1可以具有第一颜色并且可以覆盖第一子组SG(1)的至少一部分。第二滤色器CF2可以具有第二颜色，并且可以覆盖第二子组SG(2)的至少一部分。第三滤色器CF3可以具有第三颜色，并且可以覆盖第三子组SG(3)的至少一部分。例如，第一颜色可以是绿色，第二颜色可以是红色，并且第三颜色可以是蓝色。然而，本公开不限于这个方面。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一颜色、第二颜色和第三颜色可以对应于不同的颜色。

微透镜ML可以分别设置在滤色器CF1、CF2及CF3上。也就是说，一个微透镜ML可以位于一个子组SG上。在实施例中，当在平面图中观看时，微透镜ML中的每一个可以具有圆形形状。

在图像传感器中，可以获得像素PX中的每一个的电压电平或输出电平，以获得全模式下的图像。可替代地或另外地，图像传感器可通过下文描述的其它方法处理数据。

图6是示出根据实施例的处理图像传感器中的数据的方法的框图。图7示出根据实施例的原始图像数据。图8示出根据实施例的从第一转换电路获得的第一图像数据。图9示出根据实施例的从第二转换电路获得的第二图像数据和第三图像数据。

参照图3、图6和图7，图像传感器可以包括第一转换电路CC1、第二转换电路CC2和第三转换电路CC3。第一转换电路CC1可根据原始图像数据ODA执行第一合并以获得第一图像数据IMG1。

例如，有源像素传感器阵列1001可具有参照图3至图5所述的像素PX、子组SG及像素组PG。像素中的每一个可以接收来自外部的光。像素PX中的每一个可存储关于所接收的光的数据。根据实施例，有源像素传感器阵列1001可以以子组SG为单位操作。也就是说，可以基于每个子组SG访问(例如，读取)存储在像素PX中的图像数据。例如，每个子组SG可以基于接收到子组SG中所包括的像素PX(例如，四(4)个像素)中的光来输出电信号。电信号可以包括从子组SG输出的电压。在实施例中，由子组SG输出的电压的电平可以包括由子组SG中的像素PX中的每一个输出的电压电平的总和和/或平均值。

更具体地，例如，在图8的第一图像数据IMG1中，第一子组SG(1)可显示第一颜色(例如，绿色)。在图8的第一图像数据IMG1中，第一像素组PG(1)的第一子组SG(1)的第一个第一子组SG(1)的电压的电平G111可对应于第一子组SG(1)的第一个第一子组SG(1)中所包括的四个第一像素PX(1)的电压电平G1111、G1112、G1113和G1114的总和。可替代地或另外地，第一像素组PG(1)的第一子组SG(1)的第二个第一子组SG(1)的电压的电平G112可对应于第一子组SG(1)的第二个第一子组SG(1)中所包括的四个第一像素PX(1)的电压电平G1121、G1122、G1123和G1124的总和。又例如，第二像素组PG(2)的第一子组SG(1)的第一个第一子组SG(1)的电压的电平G211可对应于第一子组SG(1)的第一个第一子组SG(1)中所包括的四个第一像素PX(1)的电压电平G2111、G2112、G2113和G2114的总和。

继续参照图8的第一图像数据IMG1，第二子组SG(2)可以显示第二颜色(例如红色)。在图8的第一图像数据IMG1中，第一像素组PG(1)的第二子组SG(2)中的第一个第二子组SG(2)的电压的电平R121可对应于第二子组SG(2)中的第一个第二子组SG(2)中所包括的四个第二像素PX(2)的电压电平R1211、R1212、R1213和R1214的总和。

继续参照图8的第一图像数据IMG1，第三子组SG(3)可显示第三颜色(例如，蓝色)。在图8的第一图像数据IMG1中，第二像素组PG(2)的第三子组SG(3)中的第一个第三子组SG(3)的电压的电平B231可对应于第三子组SG(3)中的第一个第三子组SG(3)中所包括的四个第三像素PX(3)的电压电平B2311、B2312、B2313和B2314的总和。

返回图6，第一转换电路CC1可以通过上述方法执行第一合并，以从子组SG中的每一个获得电压电平。在实施例中，电压电平可以对应于模拟信号。可替代地或另外地，第一转换电路CC1可输出数字信号，而不是模拟信号。例如，数字信号可以包括显示低逻辑值(例如，“0”)的第一电压电平和/或显示高逻辑值(例如，“1”)的第二电压电平。然而，本公开不限于这个方面。例如，第一电压电平可以对应于高逻辑电平和/或第二电压电平可以对应于低逻辑电平。

可替代地或另外地，当执行自动聚焦功能时，子组SG可以基于接收到子组SG中所包括的四个像素PX中的两个像素中的光来输出电信号。两个像素可在第一方向X1和/或第二方向X2上彼此相邻。

参照图6、图8和图9，第二转换电路CC2可根据包括第一颜色至第三颜色的数据的第一图像数据IMG1执行第二合并，从而获得包括第一颜色的数据的第二图像数据IMG2和包括第二颜色和第三颜色的数据的第三图像数据IMG3。

第一图像数据IMG1中沿对角线方向(例如第三方向X3和/或第四方向X4)彼此相邻的两个子组SG的电压电平(或数字信号或输出电平)之和(和/或之和的一半(1/2))可以用作第二图像数据IMG2和第三图像数据IMG3中的像素组PG的数据。

例如，图9的第二图像数据IMG2可仅包括关于像素组PG中的每一个中的第一颜色(例如，绿色)的数据。也就是说，图8的第一图像数据IMG1中的第一像素组PG(1)的第一子组SG(1)的电压电平G111和G112的总和的一半(或平均值)可对应于图9的第二图像数据IMG2中的第一像素组PG(1)的电压电平G1。可替代地或另外地，图8的第一图像数据IMG1中的第二像素组PG(2)的第一子组SG(1)的电压电平G211和G212的总和的一半可对应于图9的第二图像数据IMG2中的第二像素组PG(2)的电压电平G2。又例如，图8的第一图像数据IMG1中的第三像素组PG(3)的第一子组SG(1)的电压电平G311和G312的总和的一半可对应于图9的第二图像数据IMG2的第三像素组PG(3)的电压电平G3。又例如，图8的第一图像数据IMG1中的第四像素组PG(4)的第一子组SG(1)的电压电平G411和G412的总和的一半可对应于图9的第二图像数据IMG2中的第四像素组PG(4)的电压电平G4。

在实施例中，图9的第三图像数据IMG3可包括关于奇数编号的像素组PG(1)和PG(3)中的第二颜色(例如红色)的数据，以及关于偶数编号的像素组PG(2)和PG(4)中的第三颜色(例如蓝色)的数据。例如，图8的第一图像数据IMG1中的第一像素组PG(1)的第二子组SG(2)的电压电平R121和R122之和的一半(或平均值)可以对应于图9的第三图像数据IMG3中的第一像素组PG(1)的电压电平R1。可替代地或另外地，图8的第一图像数据IMG1中的第三像素组PG(3)的第二子组SG(2)的电压电平R321和R322之和的一半可以对应于图9的第三图像数据IMG3中的第三像素组PG(3)的电压电平R3。又例如，图8的第一图像数据IMG1中的第二像素组PG(2)的第三子组SG(3)的电压电平B231和B232之和的一半可以对应于图9的第三图像数据IMG3中的第二像素组PG(2)的电压电平B2。又例如，图8的第一图像数据IMG1中的第四像素组PG(4)的第三子组SG(3)的电压电平B431和B432之和的一半可以对应于图9的第三图像数据IMG3中的第四像素组PG(4)的电压电平B4。

参照图6和图9，第三转换电路CC3可将第二图像数据IMG2和第三图像数据IMG3彼此组合以获得第四图像数据IMG4。

在实施例中，有源像素传感器阵列1001可具有类似于图3中所示的布置，且因此可省略去马赛克处理以防止由去马赛克处理和/或波纹引起的噪声。可替代地或另外地，当与相关图像传感器相比时，图像传感器可以通过第一合并和第二合并由低功率驱动，并且可以获得具有改善的实际分辨率(和/或使用调制传递函数(MTF))的图像。

例如，相关图像传感器可以具有拜尔(Bayer)图案形式的布置。这样，在合并操作中，可以从彼此相邻的四个像素组中的两个获得关于绿色的数据，可以从四个像素组中的另一个获得关于红色的数据，并且可以从四个像素组中的其它一个获得关于蓝色的数据。

然而，根据本公开的各种实施例，图像传感器可执行如上文参照图9所述的合并操作，在所述合并操作中，可从彼此相邻的四个像素组PG(1)至PG(4)获得关于绿色的数据。因此，可充分获得关于对人眼最敏感的绿色的数据，以便改善灵敏度。可替代地或另外地，在合并操作中，可从彼此邻近的四个像素组PG(1)至PG(4)中的两个像素组(例如，PG(1)和PG(3))获得关于红色的数据，且可从与其邻近的其它两个像素组(例如，PG(2)和PG(4))获得关于蓝色的数据。因此，当与具有拜尔图案布置的相关图像传感器相比时，可以增加(例如加倍)图像传感器中针对红色和蓝色采样的数据的数量和/或量。因此，当与相关图像传感器相比时，可以提高图像分辨率。

图10A和图10B是示出根据实施例的具有图3的有源像素传感器阵列的图像传感器的操作状态的示图。图11A和图11B示出根据实施例的从第二转换电路获得的第二图像数据和第三图像数据。

参照图10A和图11A，在第一帧FRAME 1中，图像传感器(例如，具有图3的有源像素传感器阵列1001的图像传感器1000)可控制第一像素组PG(1)和第二像素组PG(2)，使得第一像素组PG(1)和第二像素组PG(2)可曝光第一持续时间L。可替代地或另外地，第三像素组PG(3)和第四像素组PG(4)可曝光可短于第一持续时间L的第二持续时间S。以这种方式，像素PX可以在第一帧FRAME 1中根据可能已经使用不同曝光时间曝光的光来生成数据。可替代地或另外地，可以使用参照图6描述的第一转换电路CC1和第二转换电路CC2来生成图11A的第二图像数据IMG2和第三图像数据IMG3。

参照图10B和图11B，在第二帧FRAME 2中，图像传感器可以控制第一像素组PG(1)和第二像素组PG(2)，使得第一像素组PG(1)和第二像素组PG(2)可以曝光第二持续时间S。可替代地或另外地，第三像素组PG(3)和第四像素组PG(4)可以曝光第一持续时间L。以这种方式，像素PX可以在第二帧FRAME 2中根据可能已经使用不同的曝光时间曝光的光来生成数据。可替代地或另外地，可以使用参照图6描述的第一转换电路CC1和第二转换电路CC2来产生图11B的第二图像数据IMG2和第三图像数据IMG3。

在实施例中，图11A的第二图像数据IMG2和第三图像数据IMG3以及图11B的第二图像数据IMG2和第三图像数据IMG3可以彼此组合以形成图6的第四图像数据IMG4。因此，当与相关图像传感器相比时，可以实现具有改善的高动态范围(HDR)和清晰图像质量的图像。

图12A和图12B是示出根据实施例的具有图3的有源像素传感器阵列的图像传感器的操作状态的示图。图13A和图13B示出了根据实施例的从第二转换电路获得的第二图像数据和第三图像数据。

参照图12A和图13A，在第一帧FRAME1中，图像传感器(例如，具有图3的有源像素传感器阵列1001的图像传感器1000)可以控制第一像素组PG(1)和第二像素组PG(2)，使得第一像素组PG(1)和第二像素组PG(2)可以曝光第一持续时间L。可替代地或另外地，第三像素组PG(3)和第四像素组PG(4)可以曝光第三持续时间M，第三持续时间M可以短于第一持续时间L。以这种方式，像素PX可以在第一帧FRAME 1中根据可能已经使用不同的曝光时间曝光的光来生成数据。可替代地或另外地，可以使用参照图6描述的第一转换电路CC1和第二转换电路CC2来产生图13A的第二图像数据IMG2和第三图像数据IMG3。

参照图12B和图13B，在第二帧FRAME 2中，图像传感器可以控制第一像素组PG(1)和第二像素组PG(2)，使得第一像素组PG(1)和第二像素组PG(2)可以曝光第三持续时间M。可替代地或另外地，第三像素组PG(3)和第四像素组PG(4)可以曝光第二持续时间S，第二持续时间S可以比第三持续时间M短。以这种方式，像素PX可以在第二帧FRAME 2中根据可能已经使用不同的曝光时间曝光的光来生成数据。可替代地或另外地，可以使用参照图6描述的第一转换电路CC1和第二转换电路CC2来产生图13B的第二图像数据IMG2和第三图像数据IMG3

在实施例中，图13A的第二图像数据IMG2和第三图像数据IMG3以及图13B的第二图像数据IMG2和第三图像数据IMG3可以彼此组合以形成图6的第四图像数据IMG4，因此，当与相关图像传感器相比时，可以实现具有改善的HDR和清晰图像质量的图像。

图14是示出根据实施例的图像传感器的平面图。图15是沿图14的线A-A'截取的截面图。图14和图15的图像传感器100a可以包括或者可以在许多方面类似于上面参照图1至图5描述的图像传感器1000和图像传感器100中的至少一个，并且可以包括上面未提及的额外的特征。

参照图14和图15，在图像传感器100a中可以包括第一高折射率图案至第六高折射率图案(例如，第一高折射率图案NP1、第二高折射率图案NP2、第三高折射率图案NP3、第四高折射率图案NP4、第五高折射率图案NP5和第六高折射率图案NP6)、第一平坦化层A3和第二平坦化层A4。贯穿本公开，术语“高折射率图案”可以称为“光会聚图案”。在实施例中，图像传感器100a可以在抗反射层A2上设置第一高折射率图案NP1至第六高折射率图案NP6以及第一平坦化层A3和第二平坦化层A4，而不是设置如上参照图4A和图5所述的滤色器CF1、CF2和CF3以及微透镜ML。在可选的或另外的实施例中，第一高折射率图案NP1至第六高折射率图案NP6可以由折射率高于第一平坦化层A3和第二平坦化层A4的折射率的材料形成。例如，第一平坦化层A3和第二平坦化层A4可以由氧化硅(SiO)形成，第一高折射率图案NP1至第六高折射率图案NP6中的每一个可以具有包括氧化钛(TiO)和氮化硅(SiN)中的至少一种的单层和/或多层结构。

在实施例中，当在平面图中观察时，第一高折射率图案NP1至第六高折射率图案NP6中的每一个可具有圆形形状。例如，第一高折射率图案NP1可分别与第一子组SG(1)的第一像素PX(1)重叠。可替代地或另外地，第二高折射率图案NP2可以分别与第二子组SG(2)的中心重叠。又例如，第二高折射率图案NP2中的每一个可以与第二子组SG(2)中的每一个包括的四个第二像素PX(2)重叠。又例如，第三高折射率图案NP3可以分别与第三子组SG(3)的中心重叠。又例如，第三高折射率图案NP3中的每一个可与第三子组SG(3)中的每一个包括的四个第三像素PX(3)重叠。

在实施例中，第一高折射率图案NP1至第三高折射率图案NP3的至少一部分可以被第一平坦化层A3覆盖。第四高折射率图案NP4至第六高折射率图案NP6可以设置在第一平坦化层A3上。第四高折射率图案NP4可分别与第一高折射率图案NP1重叠。可替代地或另外地，第四高折射率图案NP4可以设置在第一像素PX(1)上。第五高折射率图案NP5可分别与第二高折射率图案NP2重叠。可替代地或另外地，第五高折射率图案NP5可以分别与第二子组SG(2)的中心重叠。第六高折射率图案NP6可分别与第三高折射率图案NP3重叠。可替代地或另外地，第六高折射率图案NP6可以分别与第三子组SG(3)的中心重叠。

第一高折射率图案NP1可具有第一宽度W1。第二高折射率图案NP2可具有第二宽度W2。第三高折射率图案NP3可具有第三宽度W3。第四高折射率图案NP4可具有第四宽度W4。第五高折射率图案NP5可具有第五宽度W5。第六高折射率图案NP6可具有第六宽度W6。在实施例中，第一宽度W1至第六宽度W6可以彼此不同。可替代地或另外地，第一宽度W1至第六宽度W6中的一些可以基本上彼此类似和/或相等。在实施例中，第一宽度W1可以大于(例如，宽于)第四宽度W4。可替代地或另外地，第二宽度W2可以大于(例如，宽于)第五宽度W5。在可选的或另外的实施例中，第三宽度W3可以大于(例如宽于)第六宽度W6。

由于第一高折射率图案NP1至第六高折射率图案NP6与周围材料具有不同的折射率，所以通过第一高折射率图案NP1至第六高折射率图案NP6的光会改变相位。也就是说，当光通过第一高折射率图案NP1至第六高折射率图案NP6时光可改变相位。第一高折射率图案NP1至第六高折射率图案NP6的亚波长的形状尺寸所产生的相位延迟可导致该相位改变。这样，可以基于第一高折射率图案NP1至第六高折射率图案NP6的详细形状尺寸和/或布置形状来确定相位延迟。在实施例中，可以适当地设置在第一高折射率图案NP1至第六高折射率图案NP6中的每一个中产生的相位延迟，以获得各种光学功能中的至少一种。例如，第一高折射率图案NP1至第六高折射率图案NP6可以将光的相位分布调整为预定目标区上的相同波长的多焦点光。

第一高折射率图案NP1至第三高折射率图案NP3中的每一个的平面形状可不限于圆形形状，而是可具有其它各种形状中的至少一种，例如但不限于四边形形状、三角形形状和多边形形状。可替代地或另外地，第一高折射率图案NP1至第三高折射率图案NP3可具有各种三维形状中的至少一种，例如但不限于，圆柱形形状、圆锥形形状、四角锥形形状、三棱锥形形状、多棱锥形形状和长方体形形状。此外，第一高折射率图案NP1至第三高折射率图案NP3的布置不限于上述实施例，而是可以进行各种修改。

图16A至图16C示出根据实施例的图像传感器中的有效光接收区。

例如，第一高折射率图案NP1和第四高折射率图案NP4可将第一颜色(例如，绿色)的光聚集在第一子组SG(1)的第一像素PX(1)上。参照图16A，第一颜色的光的有效光接收区ESG1的平面面积通过(由于、借助)第一高折射率图案NP1和第四高折射率图案NP4可大于的第一子组SG(1)的平面面积。

在实施例中，第二高折射率图案NP2和第五高折射率图案NP5可以将第二颜色(例如红色)的光聚集在第二子组SG(2)的第二像素PX(2)上。参照图16B，第二颜色的光的有效光接收区ESG2的平面面积通过(由于、借助)第二高折射率图案NP2和第五高折射率图案NP5可大于第二子组SG(2)的平面面积。

在可选的或另外的实施例中，第三高折射率图案NP3和第六高折射率图案NP6可将第三颜色(例如蓝色)的光聚集在第三子组SG(3)的第三像素PX(3)上。参照图16C，第三颜色的光的有效光接收区ESG3的平面面积通过(由于、借助)第三高折射率图案NP3和第六高折射率图案NP6可以大于第三子组SG(3)的平面面积。

这样，图像传感器100a可通过使用第一高折射率图案NP1至第六高折射率图案NP6而不使用滤色器CF1、CF2和CF3来将期望波长的光聚集在期望的区上，并可在不使用微透镜ML的情况下有效地聚集光。可替代地或另外地，有效光接收区的平面面积可以如上所述地增加。因此，当与相关图像传感器相比时，图像传感器100a的光敏性可被改善。

图17A和图17B是示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。

参照图17A，在根据本实施例的有源像素传感器阵列1001a中，子组SG中的每一个可包括两个像素PX。子组SG的像素PX中的每一个可具有在第二方向X2上延伸的条形形状。在一些实施例中，有源像素传感器阵列1001a可用于自动聚焦图像传感器中。有源像素传感器阵列1001a可包括或可在许多方面类似于上文参照图3描述的有源像素传感器阵列1001，且可包括上文未提及的额外特征。

参照图17B，在根据本实施例的有源像素传感器阵列1001b中，子组SG中的每一个可包括两个像素PX。第一子组SG(1)中所包括的第一像素PX(1)中的每一个可具有沿第二方向X2延伸的条形。第二子组SG(2)中所包括的第二像素PX(2)中的每一个可具有沿第一方向X1延伸的条形。第三子组SG(3)中所包括的第三像素PX(3)中的每一个可具有沿第一方向X1延伸的条形。有源像素传感器阵列1001b可包括或可在许多方面类似于上文参照图3描述的有源像素传感器阵列1001，且可包括上文未提及的额外特征。

图18是示出根据实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的平面图。

参照图18，在根据本实施例的有源像素传感器阵列1001c中，第一像素组PG(1)和第二像素组PG(2)中的每一个可以包括以两行两列布置的第一子组SG(1)和第二子组SG(2)。第一子组SG(1)中的每一个可以包括第一像素PX(1)，其可以用于感测第一光并且被布置成两行两列。第二子组SG(2)中的每一个可以包括第二像素PX(2)，其可以用于感测第二光并且被布置成两行两列。例如，第一光可以是绿色波长的光。又例如，第二光可以是红色波长的光。在第一像素组PG(1)和第二像素组PG(2)中的每一个中，第一子组SG(1)可以沿第三方向X3布置。第二子组SG(2)可以沿第四方向X4布置。

有源像素传感器阵列1001c的第四像素组PG(4)和第三像素组PG(3)中的每一个可以包括以两行两列布置的第一子组SG(1)和第三子组SG(3)。可替代地或另外地，第三子组SG(3)中的每一个可包括第三像素PX(3)，其可用于感测第三光且布置成两行两列。例如，第三光可以是蓝色波长的光。在第四像素组PG(4)和第三像素组PG(3)中的每一个中，第一子组SG(1)可以沿第三方向X3布置。第三子组SG(3)可以沿第四方向X4布置。有源像素传感器阵列1001c可包括或可在许多方面类似于上文参照图3所描述的有源像素传感器阵列1001，且可包括上文未提及的额外特征。

图19A和图19B是示出根据实施例的具有图18的有源像素传感器阵列的图像传感器的操作状态的示图。图20A和图20B示出根据实施例的从第二转换电路获得的第二图像数据和第三图像数据。

参照图19A和图20A，在第一帧FRAME 1中，图像传感器(例如，具有图18的有源像素传感器阵列1001c的图像传感器)可控制第一像素组PG(1)和第二像素组PG(2)，使得第一像素组PG(1)和第二像素组PG(2)可曝光第一持续时间L。可替代地或另外地，第三像素组PG(3)和第四像素组PG(4)可曝光第二持续时间S，第二时间持续时间S可短于第一时间持续时间L。以这种方式，像素PX可以在第一帧FRAME 1中根据可能已经使用不同曝光时间曝光的光来生成数据。可替代地或另外地，可以使用参照图6描述的第一转换电路CC1和第二转换电路CC2来生成图20A的第二图像数据IMG2和第三图像数据IMG3。

参照图19B和图20B，在第二帧FRAME2中，图像传感器可以控制第一像素组PG(1)及第二像素组PG(2)，使得第一像素组PG(1)和第二像素组PG(2)可以曝光第二持续时间S。可替代地或另外地，第三像素组PG(3)和第四像素组PG(4)可以曝光第一持续时间L。以这种方式，像素PX可以在第二帧FRAME 2中根据可能已经使用不同曝光时间曝光的光来生成数据。可替代地或另外地，可以使用参照图6描述的第一转换电路CC1和第二转换电路CC2来生成图20B的第二图像数据IMG2和第三图像数据IMG3。

在实施例中，图20A的第二图像数据IMG2和第三图像数据IMG3以及图20B的第二图像数据IMG2和第三图像数据IMG3可以彼此组合以获得图6的第四图像数据IMG4。因此，与相关图像传感器相比时，可以实现具有改善的HDR和清晰图像质量的图像。

图21A和21B是示出根据实施例的具有图18的有源像素传感器阵列的图像传感器的操作状态的示图。图22A和图22B示出根据实施例的从第二转换电路获得的第二图像数据和第三图像数据。

参照图21A和图22A，在第一帧FRAME 1中，图像传感器(例如，具有图18的有源像素传感器阵列1001c的图像传感器)可控制第一像素组PG(1)，使得第一像素组PG(1)可曝光第一持续时间L。可替代地或另外地，第三像素组PG(3)可曝光第二持续时间S，第二持续时间S可短于第一持续时间L。第二像素组PG(2)与第四像素组PG(4)可曝光第三持续时间M。在实施例中，第三持续时间M可短于第一持续时间L和/或可长于第二持续时间S。以这种方式，像素PX可以在第一帧FRAME 1中根据可能已经使用不同曝光时间曝光的光来生成数据。可替代地或另外地，可以使用参照图6描述的第一转换电路CC1和第二转换电路CC2来生成图22A的第二图像数据IMG2和第三图像数据IMG3。

参照图21B与图22B，在第二帧FRAME 2中，图像传感器可控制第一像素组PG(1)，使得第一像素组PG(1)可曝光第二持续时间S。可替代地或另外地，第三像素组PG(3)可曝光第一持续时间L。第二像素组PG(2)与第四像素组PG(4)可曝光第三持续时间M。以这种方式，像素PX可以在第二帧FRAME 2中根据可能已经使用不同曝光时间曝光的光来生成数据。可替代地或另外地，可以使用参照图6描述的第一转换电路CC1和第二转换电路CC2来生成图22B的第二图像数据IMG2和第三图像数据IMG3

在实施例中，图22A的第二图像数据IMG2和第三图像数据IMG3以及图22B的第二图像数据IMG2和第三图像数据IMG3可以彼此组合以获得图6的第四图像数据IMG4。因此，当与相关图像传感器相比时，可以实现具有改善的HDR和清晰图像质量的图像。

图23是示出根据实施例的图像传感器的截面图。

参照图23，图像传感器100b可以包括具有像素阵列区APS、光学黑区OB和焊盘区PAD的第一衬底1、第一衬底1的前表面1a上的互连层200、以及互连层200上的第二衬底400。互连层200可以包括上互连层221和下互连层223。像素阵列区APS可包括多个像素PX。设置在像素阵列区APS中的像素PX可与上文参照图3至图22B描述的像素PX大致相同。

在光学黑区OB中，可以在第一衬底1上设置光阻挡图案48b、第一连接结构120、第一导电焊盘81和体滤色器90。第一连接结构120可以包括第一连接线121、绝缘图案123和第一封盖图案125。

第一连接线121的一部分可以设置在第一衬底1的后表面1b上。光阻挡图案48b可以覆盖后表面1b的至少一部分和/或可以共形地覆盖第三沟槽TR3和第四沟槽TR4的内表面的至少一部分。第一连接线121可以穿过光电转换层150和上互连层221以连接光电转换层150和互连层200。即，第一连接线121可以与上互连层221和下互连层223中的互连线以及光电转换层150中的像素隔离部分DTI的隔离导电图案14接触。因此，第一连接结构120可以电连接到互连层200中的互连线。第一连接线121可以包括金属材料(例如，钨(W))。光阻挡图案48b可以阻挡入射到光学黑区OB的光。

第一导电焊盘81可以设置在第三沟槽TR3中，以填充第三沟槽TR3的剩余部分。第一导电焊盘81可以包括金属材料(例如，铝(Al))。第一导电焊盘81可以连接到图5的隔离导电图案14。在实施例中，负偏置电压可以通过第一导电焊盘81施加到图5的像素隔离部分DTI的隔离导电图案14。因此，可以减少和/或防止白斑和/或暗电流。

绝缘图案123可填充第四沟槽TR4的剩余部分。绝缘图案123可以穿透光电转换层150和互连层200的整个部分和/或局部部分。第一封盖图案125可以设置在绝缘图案123的顶表面上。

可以在第一导电焊盘81、光阻挡图案48b和第一封盖图案125上设置体滤色器90。体滤色器90可以覆盖第一导电焊盘81、光阻挡图案48b和第一封盖图案125的至少一部分。第一保护层71可设置在体滤色器90上以密封或包封体滤色器90。

光电转换区PD'和虚设区PD"可以设置在第一衬底1的光学黑区OB中。例如，光电转换区PD'可以掺杂有具有与第一导电类型不同的第二导电类型的掺杂剂。第二导电类型可以是例如N型。在实施例中，光电转换区PD'可以具有与光电转换部分PD的结构类似的结构。然而，光电转换区PD'可以不执行与光电转换部分PD相同的操作(例如，接收光以产生电信号的操作)。可替代地或另外地，虚设区PD"可不掺杂有杂质。例如，由虚设区PD"产生的信号可以用作用于去除处理噪声的数据。

在焊盘区PAD中，第二连接结构130、第二导电焊盘83和第二保护层73可以设置在第一衬底1上。第二连接结构130可以包括第二连接线131、绝缘图案133和第二封盖图案135。

第二连接线131可以设置在第一衬底1的后表面1b上。例如，第二连接线131可以覆盖后表面1b的至少一部分和/或可以共形地覆盖第五沟槽TR5和第六沟槽TR6的内表面的至少一部分。在实施例中，第二连接线131可以穿过光电转换层150和上互连层221以连接光电转换层150和互连层200。也就是说，第二连接线131可以与下互连层223中的互连线接触。因此，第二连接结构130可以电连接到互连层200中的互连线。第二连接线131可以包括但不限于金属材料(例如，钨(W))。

第二导电焊盘83可以设置在第五沟槽TR5中，以填充第五沟槽TR5的剩余部分。在实施例中，第二导电焊盘83可以包括金属材料(例如，铝(Al))。第二导电焊盘83可以用作图像传感器与外部装置之间的电气连接路径。绝缘图案133可填充第六沟槽TR6的剩余部分。绝缘图案133可以穿透光电转换层150和互连层200的整个部分或局部部分。第二封盖图案135可以设置在绝缘图案133上。

图24是示出根据实施例的图像传感器的截面图。

参照图24，图像传感器100c可以具有第一子芯片至第三子芯片(例如，第一子芯片CH1、第二子芯片CH2和第三子芯片CH3)可以彼此堆叠和/或可以彼此接合的结构。例如，第一子芯片CH1可以执行图像感测功能。第一子芯片CH1可以包括或者可以在许多方面类似于上面参照图3至图22B描述的图像传感器，并且可以包括上面没有提到的额外特征。

在实施例中，第一子芯片CH1可以包括第一衬底1的前表面1a上的传输栅极TG和覆盖传输栅极TG的至少一部分的第一层间绝缘层IL11。第一衬底1可以包括像素阵列区APS和边缘区EG。像素阵列区APS可包括多个像素PX。边缘区EG可以对应于图23的光学黑区OB的一部分。

第一器件隔离部分STI 1可以设置在第一衬底1中以限定有源区。像素隔离部分DTI可以设置在第一衬底1中，以隔离/限定像素阵列区APS中的像素PX。像素隔离部分DTI可以延伸到边缘区EG中。像素隔离部分DTI可以包括或者可以在许多方面类似于上面参照图3到图5描述的像素隔离部分DTI，并且可以包括上面没有提到的额外特征。

第一层间绝缘层IL11可覆盖第一衬底1的前表面1a的至少一部分。第一互连线15可设置在第一层间绝缘层IL11之间或之中。浮置扩散区FD可通过第一接触插塞17连接到第一互连线15中的对应一个。第一导电焊盘CP1可以设置在最下面的第一层间绝缘层IL11中。第一导电焊盘CP1可以包括铜。

在边缘区EG中，连接接触件BCA可以穿透第一保护层44、固定电荷层24和第一衬底1的一部分，以便与像素隔离部分DTI的隔离导电图案14接触。连接接触件BCA可以设置在第三沟槽46中。连接接触件BCA可以包括共形地覆盖第三沟槽46的内侧壁和底表面的至少一部分的扩散势垒图案48g、扩散势垒图案48g上的第一金属图案52、以及填充第三沟槽46的第二金属图案54。例如，扩散势垒图案48g可以包括钛(Ti)。第一金属图案52可以包括例如钨(W)。第二金属图案54可以包括例如铝(Al)。扩散势垒图案48g和第一金属图案52可以延伸到第一保护层44上，以便电连接到其它互连线和/或过孔件/接触件。

第二保护层56可以堆叠在第一保护层44上。第二保护层56可以共形地覆盖光阻挡图案48a、低折射率图案50A和连接接触件BCA的至少一部分。

在边缘区EG中，第一光学黑图案CFB可设置在第二保护层56上。例如，第一光学黑图案CFB可包括与蓝色滤色器相同的材料。

在边缘区EG中，透镜残留层MLR可以设置在第一光学黑图案CFB上。透镜残留层MLR可以包括与微透镜ML相同的材料。

在实施例中，第二子芯片CH2可以包括第二衬底SB2、可以设置在第二衬底SB2上的选择栅电极SEL、源极跟随器栅电极SF和复位栅极、以及覆盖第二衬底SB2、选择栅电极SEL、源极跟随器栅电极SF和复位栅极的至少一部分的第二层间绝缘层IL2。第二器件隔离部分STI2可以设置在第二衬底SB2中以限定有源区。第二接触件217和第二互连线215可以设置在第二层间绝缘层IL2中。第二导电焊盘CP2可以设置在最上面的第二层间绝缘层IL2中。第二导电焊盘CP2可以包括例如铜。第二导电焊盘CP2可以与第一导电焊盘CP1接触。源极跟随器栅电极SF可以分别连接到第一子芯片CH1的浮置扩散区FD。

在实施例中，第三子芯片CH3可包括第三衬底SB3、设置在第三衬底SB3上的外围晶体管PTR、以及覆盖外围晶体管PTR的至少一部分的第三层间绝缘层IL3。第三器件隔离部分STI3可以设置在第三衬底SB3中以限定有源区。第三接触件317和第三互连线315可以设置在第三层间绝缘层IL3中。最上面的第三层间绝缘层IL3可以与第二衬底SB2接触。穿通电极TSV可以穿过第二层间绝缘层IL2、第二器件隔离部分STI2、第二衬底SB2和第三层间绝缘层IL3，以将第二互连线215连接到第三互连线315。穿通电极TSV的侧壁可以被过孔绝缘层TVL围绕。第三子芯片CH3可以包括用于驱动第一子芯片CH1和/或第二子芯片CH2的电路。可替代地或另外地，第三子芯片CH3可以包括用于存储由第一子芯片CH1和/或第二子芯片CH2生成的电信号的电路。

在一些实施例中，图像传感器的有源像素传感器阵列可具有特定布置，在该特定布置中，像素组中的每一个被配置为感测两种颜色，因此可省略去马赛克处理。结果，可以防止由去马赛克处理和莫尔条纹引起的噪声。可替代地或另外地，当与相关图像传感器相比时，图像传感器可由低功率驱动，且可获得具有改善的实际分辨率(或调制传递函数(MTF))的图像。

可替代地或另外地，在图像传感器中，可以在合并操作中从所有像素组获得关于绿色的数据。因此，可以充分地获得可能对人眼最敏感的关于绿色的数据，以提高灵敏度。可替代地或另外地，当与相关图像传感器相比时，可增加(例如，加倍)针对红色及蓝色采样的数据的数量/量以改善分辨率。

此外，在图像传感器中，可以使用高折射率图案来增加有效光接收区的面积。因此，当与相关图像传感器相比时，可以改善图像传感器的光敏性。

尽管已经具体示出和描述了本公开的实施例，但是本领域的普通技术人员之一应该理解，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上对其进行改变。例如，以上参照图3至图24描述的任何实施例可以彼此组合。

Claims

1.一种图像传感器，包括：

第一像素组，其设置在衬底中，并且包括：

第一多个第一子组，所述第一多个第一子组被配置为感测第一颜色的第一光，所述第一多个第一子组中的每一个包括布置成N个第一行和M个第一列的第一像素，N和M为大于一的正整数；以及

多个第二子组，所述多个第二子组被配置为感测第二颜色的第二光，所述多个第二子组中的每一个包括布置成N个第二行和M个第二列的第二像素；以及

第二像素组，其设置在所述衬底中、在所述第一方向上与所述第一像素组相邻、并且包括：

第二多个第一子组，所述第二多个第一子组被配置为感测所述第一颜色的第四光，所述第二多个第一子组中的每一个包括布置成N个第四行和M个第四列的其它第一像素；以及

多个第三子组，所述多个第三子组被配置为感测第三颜色的第三光，所述多个第三子组中的每一个包括布置成N个第三行和M个第三列的第三像素。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中：

所述第一像素组被配置为防止感测所述第三光，并且

所述第二像素组被配置为防止感测所述第二光。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中：

所述第一像素组中的第一多个第一子组沿与所述第一方向相交的第二方向布置，并且

所述第一像素组中的多个第二子组沿与所述第一方向相交并与所述第二方向相交的第三方向布置。

4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中：

所述第二像素组中的第二多个第一子组沿所述第二方向布置，并且

所述第二像素组中的多个第三子组沿所述第三方向布置。

5.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：

第一光会聚图案，其设置在所述衬底上并分别与所述第一像素重叠；

第二光会聚图案，其设置在所述衬底上并分别与所述多个第二子组的中心重叠；

平坦化层，其覆盖所述第一光会聚图案和所述第二光会聚图案的至少一部分；

第三光会聚图案，其设置在所述平坦化层上并分别与所述第一光会聚图案重叠；以及

第四光会聚图案，其设置在所述平坦化层上并分别与所述第二光会聚图案重叠。

6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中：

所述第一光会聚图案中的每一个具有第一宽度，

所述第二光会聚图案中的每一个具有第二宽度，

所述第三光会聚图案中的每一个具有小于所述第一宽度的第三宽度，并且

所述第四光会聚图案中的每一个具有小于所述第二宽度的第四宽度。

7.根据权利要求5所述的图像传感器，其中，所述第一光会聚图案、所述第二光会聚图案、所述第三光会聚图案和所述第四光会聚图案中的每一个由具有比所述平坦化层的第二折射率高的第一折射率的材料形成。

8.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：

第一转换电路，其被配置为根据所述第一多个第一子组、所述第二多个第一子组、所述多个第二子组和所述多个第三子组中的每一个执行第一合并，从而得到包括所述第一颜色的第一数据、所述第二颜色的第二数据和所述第三颜色的第三数据的第一图像数据；以及

第二转换电路，其被配置为使用所述第一图像数据执行第二合并，从而产生第二图像数据和第三图像数据，所述第二图像数据包括所述第一颜色的所述第一数据，并且所述第三图像数据包括所述第二颜色的所述第二数据和所述第三颜色的所述第三数据。

9.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：

转换电路，其被配置为：

处理从所述第一像素组和所述第二像素组传送的图像数据；

在第一帧中将所述第一像素组曝光第一持续时间以产生第一图像数据；

在所述第一帧中将所述第二像素组曝光第二持续时间以产生第二图像数据，所述第二持续时间比所述第一持续时间短；

在第二帧中将所述第一像素组曝光所述第二持续时间以产生第三图像数据；

在所述第二帧中将所述第二像素组曝光所述第一持续时间以产生第四图像数据，以及

将所述第一图像数据、所述第二图像数据、所述第三图像数据和所述第四图像数据彼此组合。

10.一种图像传感器，包括：

第一像素组、第二像素组、第三像素组和第四像素组，所述第一像素组、所述第二像素组、所述第三像素组和所述第四像素组设置在衬底中并且沿顺时针方向布置，

其中，所述第一像素组和所述第三像素组中的每一个包括被配置为感测第一颜色的第一光的第一多个第一子组、和被配置为感测第二颜色的第二光的多个第二子组，

其中，所述第二像素组和所述第四像素组中的每一个包括第二多个第一子组和被配置为感测第三颜色的第三光的多个第三子组，

其中，所述第一子组中的每一个包括布置成N个第一行和M个第一列的第一像素，

其中，所述多个第二子组中的每一个包括布置成N个第二行和M个第二列的第二像素，

其中，所述多个第三子组中的每一个包括布置成N个第三行和M个第三列的第三像素，

其中N和M是大于一的正整数，并且

其中，所述第一子组中的至少一个设置在所述多个第二子组中的至少一个与所述多个第三子组中的至少一个之间。

11.根据权利要求10所述的图像传感器，其中：

所述第一像素组和所述第三像素组被配置为防止感测所述第三光，并且

所述第二像素组和所述第四像素组被配置为防止感测所述第二光。

12.根据权利要求10所述的图像传感器，其中：

所述第一像素组和所述第二像素组沿第一方向布置，并且

在所述第一像素组和所述第三像素组中的每一个中，所述第一多个第一子组沿与所述第一方向交叉的第二方向布置，并且所述多个第二子组沿与所述第一方向交叉并且与所述第二方向交叉的第三方向布置。

13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，在所述第二像素组和所述第四像素组中的每一个中，所述第二多个第一子组沿所述第二方向布置，并且所述多个第三子组沿所述第三方向布置。

14.根据权利要求10所述的图像传感器，还包括：

15.根据权利要求14所述的图像传感器，其中：

所述第一光会聚图案中的每一个具有第一宽度，

所述第二光会聚图案中的每一个具有第二宽度，

16.根据权利要求14所述的图像传感器，其中，所述第一光会聚图案、所述第二光会聚图案、所述第三光会聚图案和所述第四光会聚图案中的每一个由具有比所述平坦化层的第二折射率高的第一折射率的材料形成。

17.根据权利要求10所述的图像传感器，还包括：

第二转换电路，其被配置为使用所述第一图像数据执行第二合并，从而得到第二图像数据和第三图像数据，所述第二图像数据包括所述第一颜色的所述第一数据，并且所述第三图像数据包括所述第二颜色的所述第二数据和所述第三颜色的所述第三数据。

18.根据权利要求10所述的图像传感器，还包括：

转换电路，其被配置为：

处理从第一像素组、所述第二像素组、所述第三像素组和所述第四像素组传送的图像数据；

在第一时间帧中将所述第一像素组和所述第二像素组曝光第一持续时间以产生第一图像数据；

在所述第一时间帧中将所述第三像素组和所述第四像素组曝光第二持续时间以产生第二图像数据，所述第二持续时间比所述第一持续时间短；

在第二帧中将所述第一像素组和所述第二像素组曝光所述第二持续时间以产生第三图像数据；

在所述第二帧中将所述第三像素组和所述第四像素组曝光所述第一持续时间以产生第四图像数据，以及

19.一种图像传感器，包括：

第一像素组，其设置在衬底中，并且包括：

多个第二子组，所述多个第二子组被配置为感测第二颜色的第二光，所述多个第二子组中的每一个包括布置成N个第二行和M个第二列的第二像素；

第二多个第一子组；以及

多个第三子组，所述多个第三子组被配置为感测第三颜色的第三光，所述多个第三子组中的每一个包括布置成N行和M列的第三像素；

20.根据权利要求19所述的图像传感器，还包括：