CN1591883A - 影像传感器及嵌有该影像传感器的装置 - Google Patents

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Abstract

一种可促进有效入射光均一度的影像传感器。一实施例中，改变设置于影像传感器不同区域中的微透镜的尺寸以平衡不同区域的亮度，每一微透镜的尺寸为一该微透镜至芯片中心距离的函数。另一实施例中，改变微透镜中心与对应感测区中心的距离以平衡不同区域的亮度，且对应的彩色滤光单元亦将移动以使微透镜坐落在对应的彩色滤光单元上，而不在邻近的彩色滤光单元上，微透镜中心与对应感测区中心的距离为一对应感测区至芯片中心距离的函数。

Description

影像传感器及嵌有该影像传感器的装置
技术领域
本发明是有关于一种影像传感器，特别是有关于一种影像感测微透镜的设计以改善不同区域的有效入射光的均一度。
背景技术
在许多光电产品中，固态影像传感器为一必要的组件，包括如数字相机、手机与玩具等。传统的影像传感器包含电荷耦合组件(charge coupled device，CCD)影像侦测器以及互补式金氧半(CMOS)影像侦测器，CMOS影像侦测器的基本制造技术与CCD影像侦测器相同。
CMOS影像侦测器包含一用来侦测光线的光侦测器与一可将该侦测光线转换为一代表关于侦测光线数据的电子信号的逻辑线路。填入因子(fillfactor)有时可表示为孔径效率(aperture efficiency)，即是光敏感区域(light-sensitive area)尺寸对全像素(pixel)尺寸的比例，目前虽已有增加影像传感器填入因子以增加感测灵敏度的技术，然由于连接的逻辑线路无法完全移动，遂欲更进一步增加填入因子时已遭受限制。因此，为了增加光感度，藉一种可改变抵达光侦测器镜片的光路径的微透镜形成技术来收敛、聚焦入射光至该光侦测器上。为了使影像传感器侦测并提供一彩色影像，基本上必须包含一接收光的光侦测器、一产生并累积电荷的媒介组件以及一彩色滤光数组(CFA)，例如，多个设于光侦测器上的彩色滤光单元。彩色滤光数组基本上选择两三原色组(three-color primary configuration)中的一组，为红(R)、绿(G)、蓝(B)所组成的RGB或黄(Y)、红(magenta，M)、绿(cyan，C)所组成的YMC。多个微透镜位于彩色滤光数组上以增加影像传感器的光敏度。
以下介绍一种传统的CCD影像传感器。
图1为一传统固态影像传感器的剖面图，在图1中，标号13代表一具有固态影像传感器的半导体基底，12代表一形成于半导体基底13中的P-井，11代表一光二极管，10代表一电荷传送区，9代表一氧化硅或氮化膜，8代表一多晶硅电极，14代表一遮光(photo-shielding)金属层，25代表一半导体组件的表面保护覆盖层，19代表一平坦层，用以设置组件于其上，24代表一彩色滤光数组，23代表一层间透明膜，21代表微透镜。此外，另一传统实施例包含一藉遮光金属层14上的氧化硅膜形成的外加金属层以强化遮光金属层的硬度并形成一具有表面保护覆盖层25的半导体组件。调整微透镜21使其位置对应光二极管，藉镜片收敛的光线会直接进入光二极管11，以增加灵敏度。在光二极管11中被光能量提升的电子与电洞中，电子藉施加在多晶硅电极8上的电压前进至电荷传送区10，之后，被传送的电子藉施加在多晶硅电极8上的电压，使电荷传送区10产生的电位能前进至一输出区。
现有技艺中已有不同型式固态传感器结构的例子，Okamoto(美国专利第6,545,304 B2号)揭露一半导体基底上的光电转换组件以及一电荷传送路径以传送累积的信号电荷至一有读出栅电极连接的连续读出栅极区(contiguous readout gate region)。Umetsu et al.(美国专利第6,528,831B2号)揭露一固态影像撷取装置，其一光电传感器的矩阵数组是形成邻近于电荷传送通道，其中一读-存-传送(read-cum-transfer)电极形成于一介电层上并环绕每一光电组件。此处所列举的装置为CCD感测装置的例子。
一般来说，影像传感器是设于一芯片上，对应于光侦测器的微透镜以矩阵设置，固态影像传感器位于藉一光学镜片收敛而形成影像的位置，然而，被矩阵边缘区域捕捉的影像会较中央区域为暗。
如图2所示，当入射光R0以一主要角度θ＝0°进入微透镜21并通过左像素P0中由彩色滤光层27以及一IC透明堆栈层27所构成的堆栈穿透层时，入射光R0即被聚焦于光侦测器的感测区11上，此主要角度θ＝0°的理想状态发生在感测芯片10的中央区域。若入射光R1以一不为0°的主要角度θ进入微透镜21，则抵达光侦测器的入射光会偏移至感测区11外，这种现象尤其发生在设于靠近感测芯片10边缘区域的微透镜21。图2中的像素P1是介于感测芯片10的中央区域与边缘区域之间，而右像素P2则设于边缘区域。在像素P1与P2中，理想入射光I为虚线所表示的单一平行入射光，而真实入射光R1与R2是以主要角度θ1与θ2入射微透镜21的实线表示，其中θ1＜θ2，因此，被以一主要角度θ＞0°的入射光R1与R2照射的感测区11所获得的光能量，较以一主要角度0°的入射光R0照射的感测区11为少。
传统上解决焦距偏移的方法为移动微透镜21以修正入射光聚焦点使其落于感测区11内。如图3所示，未移动前的微透镜21′对准右像素PR的感测区11R，然通过彩色滤光层27R的入射光Rb会落于感测区11R的外部。移动后，移动的微透镜21可聚焦入射光Rf于右像素PR上，然而，靠近芯片边界的微透镜21可能会因移动过大而使入射光Rf通过邻近的彩色滤光层27L，在邻近像素PL与PR之间造成串扰(cross-talk)现象。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一在芯片上不同区域可获得更均一光能量的影像传感器，特别是中央区域与边缘区域之间。
本发明的另一目的在于提供一避免产生串扰现象的影像传感器。
为了达成上述目的，本发明依下述设计一影像传感器。每一微透镜的尺寸为微透镜至一芯片中心放射距离(其后载为距离)的函数，因此，利用微透镜尺寸的不同以解决不同区域入射光不均一的问题。
本发明的另一实施例依下述设计一影像传感器。一微透镜中心与一对应感测区中心的距离为一对应感测区如一光二极管至芯片中心距离的函数，且每一微透镜是设于对应彩色滤光单元上，并不跨于相邻的彩色滤光单元，由此，可改善不均一入射光的问题。
附图说明
图1是显示一传统固态影像装置中一影像撷取区的剖面示意图。
图2是显示一以不同主要角度的真实入射光射入感测芯片上中央像素、中间像素与边缘像素光侦测器的剖面示意图。
图3是显示一微透镜朝芯片中心移动而造成串扰现象的剖面示意图。
图4是显示一区分为三个区域的感测芯片，每一区域具有符合本发明的一实施例依该区域与芯片中心距离而定的单一尺寸的微透镜。
图5是显示前三族群1、2、3中微透镜、彩色滤光单元以及光敏组件的理想与修饰的排列。
符号说明：
8～多晶硅电极；
9～氧化硅、氮化膜
10～电荷传送区；
11、11R～光二极管；
12～P-井；
13～基底；
14～遮光金属层；
19～平坦层；
21、21～微透镜；
23、29、29R～透明层；
24、27、27R、27L～彩色滤光单元；
25～表面保护覆盖层；
29～IC堆栈层；
100、10～芯片；
CT～串扰现象；
I、R0、R1、R2、Rb、Rf～入射光；
P0、P1、P2、PR、PL～像素；
θ、θ1、θ2～主要角度。
A～修饰排列；
B～典型排列
A1、A2、A3～区域面积；
e～微透镜中心；
f～感测区中心；
r1、r2～半径。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
实施例1
一穿透微透镜与到达一影像传感器感测区的入射光不会为单一的平行光线，特别对于远离芯片中心的区域，因此，显示在边缘区域的影像较中央区域为暗。
本发明提供一促进有效入射光均一度与避免影像传感器芯片的相邻像素之间产生串扰现象以平衡不同区域亮度的方法，微透镜层包含多个分别对应多个感测区的微透镜，微透镜的尺寸为一微透镜至芯片中心距离的函数，即微透镜的尺寸随微透镜至芯片中心距离的增加而增加。
逐步增加芯片中心至芯片边缘微透镜的尺寸为平衡芯片中不同区域的亮度，实际上，改变每一微透镜的尺寸并不容易，因此，可将芯片区分成数个区域，每一个区域具有相同尺寸的微透镜，其中不同区域的尺寸是依据该区域至芯片中心的距离而定，例如，如图4所示，芯片100有一芯片中心C，且区分为三个区域。区域A1为一从芯片中心C至半径r1的圆形面积，区域A2为一围绕A1从半径r1至半径r2的环形面积，区域A3为一围绕A2从半径r2至芯片100边缘的似环形区域。设于区域A1、A2与A3的微透镜分别具有各自固定的尺寸S1、S2与S3，其中S1＜S2＜S3。由中央区域A1与边缘区域A3感测区所接收的光能量结果几乎相同，平衡了不同区域的亮度。
为了平衡亮度的差异，会使中央区域稍微较暗或边缘区域稍微较亮，之前，设于芯片边缘区域的微透镜是维持原本的尺寸，即表示典型设计上并不考虑主要角度的差异，本发明中与设于边缘区域的微透镜尺寸比较，设于中央区域的微透镜尺寸减少5％～50％，较佳为20％。
实施例2
本发明提供一促进有效入射光均一度与避免感测芯片的相邻像素之间产生串扰现象的方法，微透镜层包含多个对应每一感测区的微透镜，微透镜的位置为一微透镜至芯片中心距离的函数，即随微透镜至芯片中心距离的增加，微透镜朝向芯片中心移动。当微透镜移动，对应的彩色滤光单元亦随之移动以确保入射光不会通过相邻的彩色滤光单元。
以下实例为一具有1284×1028像素的感测芯片。每一像素的宽度为4微米，离芯片中心最远的边缘区域的主要角度为15°，而最远的微透镜须移动2.1微米。像素区分为31个族群。主要角度与微透镜及彩色滤光单元移动量的关系如表1所示。
表1  主要角度与族群移动的关系
主要角度 入射光焦点中心的偏移量(微米)  微透镜与彩色滤光单元的移动量(微米) 族群
  0°1°2°3°        00.140.280.42          00.070.140.210.280.350.42    1234567
4°5° 0.560.70     0.490.560.630.70     891011
6°7°8°9°10° 0.840.981.121.261.40     0.770.840.910.981.051.121.191.261.331.40     12131415161718192021
11°12°13°14°15° 1.541.681.821.962.10     1.471.541.611.681.751.821.891.962.032.10     22232425262728293031
图5是显示本发明前三族群1、2、3中微透镜21、彩色滤光单元24以及感测区11的典型(图中的下部，B)与修饰(图中的上部，A)的排列。微透镜21显示为一简单矩形，24代表多个构成彩色滤光层中的彩色滤光数组的彩色滤光单元，29代表IC堆栈层。
如图5所示，设于本发明修饰排列中族群1的微透镜21及彩色滤光单元24是与典型排列B维持相同的位置。
族群2中，微透镜21与彩色滤光单元24以一0.07微米的距离朝芯片中心移动，因此，每一微透镜21中心(标示为e)与对应感测区11中心(标示为f)的距离为0.07微米。每一微透镜21是设于对应彩色滤光单元24上，不致横跨相邻的彩色滤光单元，而避免了串扰的问题。族群2中的微透镜21可藉缩小属于族群1与族群2的两相邻微透镜21的间隙而移动，而其余族群2中不与族群1微透镜相邻的微透镜21则不须藉缩小之间的间隙即可移动。族群2的彩色滤光单元24可藉缩小族群2中与属于族群1的彩色滤光单元24相邻的彩色滤光单元24的尺寸而移动，而其余族群2中的彩色滤光单元24则不须藉缩小其尺寸即可移动。
族群3中，微透镜21可藉缩小属于族群2与族群3的两相邻微透镜21的间隙而移动，而其余族群3中不与族群2微透镜相邻的微透镜21则不须藉缩小之间的间隙即可移动。族群3的彩色滤光单元24可藉缩小族群3中与属于族群2的彩色滤光单元24相邻的彩色滤光单元24的尺寸而移动，而其余族群3中的彩色滤光单元24则不须藉缩小其尺寸即可移动。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种影像传感器，包括：
一芯片，具有多个可接收入射光的感测区，且有一堆栈穿透层覆盖于所述多个感测区上；以及
多个微透镜，设于该堆栈穿透层上，每一微透镜的尺寸为该对应的微透镜至芯片中心距离的函数。
2.根据权利要求1所述的影像传感器，其中所述多个微透镜的尺寸是依据该微透镜至芯片中心距离而改变，以使自所述多个感测区接收的光能量更加均一。
3.根据权利要求1所述的影像传感器，其中每一微透镜的尺寸随该微透镜至芯片中心距离的增加而增加。
4.根据权利要求3所述的影像传感器，其中设置于边缘区域的所述多个微透镜是维持一原本尺寸。
5.根据权利要求4所述的影像传感器，其中设置于中央区域的所述多个微透镜的尺寸较设置于边缘区域的所述多个微透镜的尺寸减少5％～50％。
6.根据权利要求5所述的影像传感器，其中设置于中央区域的所述多个微透镜的尺寸较设置于芯片边缘的所述多个微透镜的尺寸减少20％。
7.根据权利要求1所述的影像传感器，其中所述多个微透镜的尺寸自芯片中心至芯片边缘逐渐地增加，以使该芯片不同区域的亮度达到平衡。
8.根据权利要求7所述的影像传感器，其中设置于芯片中心的所述多个微透镜的尺寸与设置于边缘区域的尺寸的差异为5％～50％。
9.根据权利要求8所述的影像传感器，其中设置于芯片中心的所述多个微透镜的尺寸与设置于边缘区域的尺寸的差异为20％。
10.根据权利要求1所述的影像传感器，其中所述多个微透镜是区分为多个族群，且每一族群中微透镜的尺寸均相同。
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