CN208970511U - 像素阵列及用于图像传感器的滤色器层 - Google Patents

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Abstract

本实用新型题为“像素阵列及用于图像传感器的滤色器层”。本实用新型公开了一种像素阵列，所述像素阵列具有滤色器层。所述滤色器层可包括着色元件和透明元件。所述透明元件可由透明介电材料形成。所述滤色器层可包括光阻材料栅格，所述光阻材料栅格形成具有开口阵列的滤色器容器结构，其中形成所述着色元件和所述透明元件。所述滤色器容器结构可由形成所述透明元件的相同透明介电材料形成。所述滤色器容器结构可由形成诸如平面化层、微透镜或用于所述像素阵列的抗反射涂层之类的结构的不透明材料或透明材料形成。用于形成所述滤色器容器结构的所述材料可具有足够高的折射率以防止光在所述滤色器层中的相邻元件之间通过。

Description

像素阵列及用于图像传感器的滤色器层
技术领域
本实用新型涉及图像传感器，并且更具体地讲，涉及像素阵列及用于图像传感器的滤色器层。
背景技术
图像传感器通常用于电子设备诸如蜂窝电话、相机和计算机以捕获图像。在典型布置中，电子设备设置有被布置成像素行和像素列的图像像素阵列。该图像像素包含光电二极管以便响应于光而生成电荷。通常将电路耦接到每个像素列以读出来自图像像素的图像信号。
图像传感器可包括滤色器层，该滤色器层具有在阵列中的光电二极管上方形成的着色元件和透明元件。可沉积着色的光刻胶并将其图案化以形成着色元件。可沉积透明的光刻胶并将其图案化以形成透明元件。可在这些元件之间提供光阻结构，以防止穿过一个像素的元件的光进入相邻像素的元件并引起串扰。用于形成着色元件、透明元件和光阻结构可能所需的单独的制造步骤可能导致制造工艺复杂且成本高昂。透明的光刻胶材料可能易于出现缺陷，并且可能不能提供理想的透射分布。
实用新型内容
因此，将期望提供带有具有改进的透明元件的滤色器层的图像传感器，更具体地，像素阵列及用于图像传感器的滤色器层。
根据一个方面，提供一种像素阵列，所述像素阵列包括：光电二极管阵列；和滤色器层，所述滤色器层与所述光电二极管阵列叠置，所述滤色器层包括：滤色器容器材料栅格，所述滤色器容器材料栅格在所述光电二极管阵列上方形成开口阵列；有机滤色器材料，所述有机滤色器材料填充第一组所述开口；和透明介电材料，所述透明介电材料填充第二组所述开口。
根据另一方面，提供一种像素阵列，所述像素阵列包括：光电二极管阵列；和滤色器层，所述滤色器层包括：具有第一折射率的第一滤色器元件，所述第一滤色器元件形成在所述光电二极管阵列中的第一组光电二极管上方；具有第二折射率的第二滤色器元件，所述第二滤色器元件形成在所述光电二极管阵列中的第二组光电二极管上方；和具有第三折射率的透明介电材料，所述透明介电材料形成在所述光电二极管阵列中的第三组光电二极管上方，其中所述第三折射率大于所述第一折射率和所述第二折射率。
根据另一方面，提供一种用于图像传感器的滤色器层，包括：透明元件，所述透明元件由图案化的透明介电材料形成；滤色器元件，所述滤色器元件由图案化着色的光刻胶形成；和光阻材料栅格，所述光阻材料栅格形成滤色器容器结构，在所述滤色器容器结构中形成所述滤色器元件，其中所述光阻材料栅格由形成所述透明元件且包括氮化硅的所述透明介电材料形成。
附图说明
图1为示例性电子设备的示意图，该电子设备具有用于使用具有透明像素的像素阵列来捕获图像的图像传感器和处理电路。
图2为根据本实用新型的一个实施方案的示例性像素阵列和相关读出电路的示意图，所述读出电路用于从像素阵列读出图像信号。
图3为具有滤色器层的示例性像素阵列的一部分的顶视图，该滤色器层具有着色元件、透明元件和滤色器容器结构。
图4为图3中所示的类型的示例性像素阵列的一部分的横截面侧视图。
图5为图3中所示的类型的示例性像素阵列的一部分的横截面侧视图，该像素阵列具有平面化层。
图6为图3中所示的类型的示例性像素阵列的一部分的横截面侧视图，该像素阵列具有形成滤色器容器结构的平面化层。
图7为图3中所示的类型的示例性像素阵列的一部分的横截面侧视图，其中微透镜形成滤色器容器结构。
图8为图3中所示的类型的示例性像素阵列的一部分的横截面侧视图，其中抗反射层形成滤色器容器结构。
图9为图3中所示的类型的示例性像素阵列的一部分的横截面侧视图，其中被抗反射层密封的气隙分离滤色器层中的元件。
图10为图3中所示的类型的示例性像素阵列的一部分的横截面侧视图，其中被微透镜密封的气隙分离滤色器层中的元件。
图11为具有滤色器层的示例性像素阵列的一部分的顶视图，该滤色器层具有着色元件、透明元件和由与透明元件相同的材料形成的滤色器容器结构。
图12为图11中所示的类型的示例性像素阵列的一部分的横截面侧视图。
图13为具有滤色器层的示例性像素阵列的一部分的顶视图，该滤色器层具有着色元件和透明元件。
图14为图13中所示的类型的示例性像素阵列的一部分的横截面侧视图。
图15为可涉及形成具有滤色器层的像素阵列的示例性方法步骤的流程图，该滤色器层具有着色元件、透明元件和滤色器容器结构。
图16为根据本实用新型的一个实施方案的采用图1至图15的实施方案的示例性处理器系统的框图。
具体实施方式
电子设备，诸如，数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备可包括图像传感器，该图像传感器收集入射光以捕获图像。图像传感器可包括图像像素阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如，将入射光转换为图像信号的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(如，数百或数千或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数十万或数百万像素(如，百万像素)。图像传感器可包括控制电路(诸如，用于操作图像像素的电路)和用于读出图像信号的读出电路，该图像信号与光敏元件所产生的电荷相对应。
图1为示例性成像系统(诸如，电子设备)的示意图，该成像系统使用图像传感器捕获图像。图1的电子设备10可为便捷式电子设备，诸如相机、移动电话、平板计算机、网络相机、摄像机、视频监控系统、汽车成像系统、具有成像能力的视频游戏系统或者捕获数字图像数据的任何其他所需成像系统或设备。相机模块12可用于将入射光转换成数字图像数据。相机12可包括一个或多个透镜14以及一个或多个对应的图像传感器16。透镜14可包括固定透镜和/或可调透镜，并且可包括形成于图像传感器16的成像表面上的微透镜。在图像捕获操作期间，可通过透镜14将来自场景的光聚焦到图像传感器16上。图像传感器16可包括用于将模拟像素数据转换成要提供给存储和处理电路18的对应数字图像数据的电路。如果需要，相机模块12可设置有透镜14的阵列和对应图像传感器16的阵列。
存储和处理电路18可包括一个或多个集成电路(如，图像处理电路、微处理器、诸如随机存取存储器和非易失性存储器的存储设备等)，并且可使用与相机模块12分开和/或形成相机模块12的一部分的组件(如，形成包括图像传感器16的集成电路或者与图像传感器16相关的模块12内的集成电路的一部分的电路)来实施。可使用处理电路18处理和存储已被相机模块12捕获的图像数据(如，使用处理电路18上的图像处理引擎、使用处理电路18上的成像模式选择引擎等)。可根据需要使用耦接到处理电路18的有线和/或无线通信路径将经过处理的图像数据提供给外部设备(如，计算机、外部显示器或其他设备)。
如图2所示，图像传感器16可包括包含被布置成行和列的图像传感器像素22(有时在本文称为图像像素或像素)的像素阵列20以及控制和处理电路24(其可包括例如图像信号处理电路)。阵列20可包含例如数百或数千行以及数百或数千列的图像传感器像素22。控制电路24可耦接到行控制电路26和图像读出电路28(有时称为列控制电路、读出电路、处理电路或列解码器电路)。行控制电路26可从控制电路24接收行地址，并且通过行控制路径30将对应的行控制信号，诸如重置控制信号、行选择控制信号、电荷转移控制信号、双转换增益控制信号和读出控制信号提供给像素22。可将一根或多根导线(诸如，列线32)耦接至阵列20中的像素22的每一列。列线32可用于从像素22读出图像信号以及用于将偏置信号(如，偏置电流或偏置电压)提供给像素22。如果需要，在像素读出操作期间，可使用行控制电路26选择阵列20中的像素行，并且可沿列线32读出由该像素行中的图像像素22产生的图像信号。
图像读出电路28可通过列线32接收图像信号(如，由像素22产生的模拟像素值)。图像读出电路28可包括用于对从阵列20读出的图像信号进行采样和暂时存储的采样保持电路、放大器电路、模拟-数字转换(ADC)电路、偏置电路、列存储器、用于选择性启用或禁用列电路的闩锁电路，或者耦接至阵列20中的一个或多个像素列以用于操作像素22以及用于从像素22读出图像信号的其他电路。读出电路28中的ADC电路可将从阵列20接收的模拟像素值转换成对应的数字像素值(有时称为数字图像数据或数字像素数据)。图像读出电路28可针对一个或多个像素列中的像素通过路径25将数字像素数据提供给控制和处理电路24和/或处理器18(图1)。
如果需要，可在阵列20中的光敏区上方形成滤色器阵列，使得在相关像素22的光敏区的上表面上方形成滤色器阵列中的预期滤色器元件。可在滤色器阵列的上表面上方形成微透镜，以将入射光聚焦到与该像素22相关的光敏区上。入射光可由微透镜聚焦到光敏区上，并且可穿过滤色器元件，使得在光敏区处仅捕获对应颜色的光。如果需要，可在微透镜上形成抗反射涂层。
如果需要，图2的阵列20中的像素22可设置有各自通过一种或多种颜色的光的滤色器元件的阵列。像素22中的全部或一些可设置有滤色器元件。像素22的滤色器元件可为红色滤色器元件(如，使红光通过同时将其他颜色的光反射和/或吸收的光阻材料)、蓝色滤色器元件(如，使蓝光通过同时将其他颜色的光反射和/或吸收的光阻材料)和/或绿色滤色器元件(如，使绿光通过同时将其他颜色的光反射和/或吸收的光阻材料)。如果需要，阵列20中的一些像素22可设置有透明材料，该透明材料使光在整个可见光谱(例如，红光、绿光和蓝光)中通过。该透明材料可替代这些像素中的滤色器元件，但是不能像其他滤色器元件那样基于波长而滤光。然而，由于它们在具有其他滤色器元件的阵列中的位置，该透明材料可被称为透明滤色器元件(clear color filter element)、透明滤色器元件(transparentcolor filter element)或透明元件。包括该透明材料以代替红色、绿色、蓝色或其他波长选择性滤色器的像素可被称为透明像素。
滤色器元件也可被配置为过滤人可见光谱之外的光。例如，滤色器元件可被配置为过滤紫外光或红外光(如，滤色器元件可仅允许红外光或紫外光到达光电二极管)。滤色器元件可将图像像素22配置为仅检测特定波长或波长范围(有时在本文称作波段)的光，并且可被配置为允许多个波长的光通过，同时阻挡某些其他波长的光(例如，其波长对应于某个可见颜色和/或红外波长或紫外波长的光)。
使两种或更多种颜色的光(如，选自包含红光、蓝光和绿光的集合的两种或更多种颜色的光)通过的滤色器元件有时在本文称为“宽带”滤色器元件。例如，被配置为使红光和蓝光通过的黄色滤色器元件在本文可被称为宽带滤波器元件或宽带滤色器元件。被配置为使红光和蓝光通过的洋红色滤色器元件在本文也可称为宽带滤波器元件或宽带滤色器元件。被配置为使红光、绿光、蓝光和其他波长的可见光或不可见光通过的透明滤色器元件在本文也可被称为宽带滤波器元件或宽带滤色器元件。相似地，包括宽带滤色器元件(如，黄色、洋红色或透明色滤色器元件)并且因此对两种或更多种颜色的光敏感(如，响应于检测到选自包括红光、蓝光和绿光的集合的两种或更多种颜色的光捕获图像信号)的图像像素有时在本文可称为宽频像素或宽频图像像素。由宽带图像像素生成的图像信号有时在本文可称为宽带图像信号。宽带图像像素可具有天然灵敏度，该天然灵敏度由形成宽带滤色器元件的材料和/或形成图像传感器像素的材料(如，硅)限定。在另一个合适的布置方式中，宽带图像像素可被形成为不具有任何滤色器元件。如果需要，可通过使用诸如颜料的光吸收剂调整宽带图像像素的灵敏度以获得更佳的颜色再现特性和/或噪声特性。相比之下，“着色”像素在本文可用于指代主要对一种颜色的光(如，红光、蓝光、绿光或任何其他合适颜色的光)敏感的图像像素。着色像素有时在本文可称为窄带图像像素，因为着色像素具有比宽带图像像素更窄的光谱响应。
如果需要，未被配置为对红外光敏感的窄带像素和/或宽带像素可设置有结合了NIR辐射吸收剂的滤色器。阻挡近红外光的滤色器可最大程度减小红外光对既包含可见光辐射又包含红外辐射的光源中的颜色再现的影响。
例如，诸如阵列20中的图像像素的图像传感器像素可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器使用被布置成拜耳马赛克图案的红色、绿色和蓝色图像传感器像素对对应的红光、绿光和蓝光(RGB)进行采样。拜耳马赛克图案由重复的2×2个图像像素的单元格组成，其中两个绿色图像像素沿对角线彼此相对，并且邻近与蓝色图像像素沿对角线相对的红色图像像素。然而，与拜耳马赛克图案相关的信噪比(SNR)的限制使得诸如图像传感器16的图像传感器的尺寸难以降低。在另一个合适的示例中，拜耳图案中的绿色像素被替换为具有宽带滤色器元件(例如，透明滤色器元件)的宽带图像像素。这些示例仅仅是示例性的，并且一般来讲，可在任何所需数量的图像像素22上方形成任何所需颜色和任何所需图案的滤色器元件。
如果需要，滤色器层可包括滤色器外壳结构(有时在本文被称为滤色器容器结构、光阻结构、像素内栅格，或光容纳结构)，其中形成滤色器元件。滤色器外壳结构可包括形成开口阵列的材料栅格，其中沉积滤色器元件(例如，滤色器元件填充孔)。所容纳在此类外壳结构内的滤色器元件阵列有时被称为盒中滤色器阵列(有时其缩写为“盒中CFA”或“CIAB”)。滤色器外壳结构可具有光阻或反光性质，该光阻或反光性质防止在光穿过滤色器元件时，入射到一个像素上的光到达相邻像素。以此方式，滤色器外壳结构可提供用于将光引导到所需图像传感器像素的改进的导光能力。
图3为具有上述类型的CIAB布置的图像像素22的阵列20的示例性部分的顶视图。如图3所示，滤色器容器材料栅格50形成开口阵列54。各个像素22的滤色器元件形成在开口54中。在图3的示例性示例中，阵列20包括具有滤色器元件34(例如，红色、绿色和/或蓝色滤色器元件)的一些像素22以及具有透明元件36的一些像素22。图3中的滤色器元件34和透明元件36的布置仅是示例性的。一般来讲，滤色器元件34和透明元件36可以任何合适的图案布置。不同颜色的滤色器元件34也可以多种合适的图案(例如，拜耳马赛克图案、其中绿色滤色器替换为透明滤波器元件的经修改的拜耳马赛克图案等)布置。
在图3的示例性示例中，滤色器元件34可由红色、绿色、蓝色、青色、黄色、洋红色或使用光刻技术来图案化的其他着色的光刻胶形成。一般来讲，折射率介于1.6与1.8之间的有机材料可用于形成红色、绿色、蓝色、青色、黄色、洋红色或其他颜色的滤色器元件。举例来讲，透明元件36另一方面可由透明介电材料诸如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或氮氧化硅(SiON)形成。一般来讲，透明介电元件36可由折射率高于用于形成着色元件34的光刻胶材料的折射率的介电材料形成(例如，透明介电元件36可由具有介于1.8与2.2之间的折射率的介电材料形成)。
图4为沿着线A-A截取的图3中的阵列20的一部分的示例性横截面侧视图。如图4所示，像素阵列20可包括硅层38(例如，外延硅层)，其中形成用于像素22的光电二极管。介电层诸如介电层40(例如，高k电介质诸如氧化铪或氧化钽)、介电层42(例如，氧化物层)和介电层44(例如，氮化物层)可形成在硅层38上方。滤色器容器结构50形成在介电层上，并且形成开口54，其中形成着色元件34和透明元件36。每个像素22可设置有微透镜46。微透镜46可由具有约1.4至1.6的折射率的透明有机材料形成。在图4的示例性示例中，微透镜46直接地形成在滤色器元件34和透明元件36上而无任何中间层。抗反射涂层48可设置在微透镜46上方。抗反射涂层48可由透明介电材料(例如，具有约1.4至1.5的折射率的二氧化硅)形成。
在图4的示例性示例中，容器结构50可由不透明材料形成。例如，容器材料50可以是不透明有机材料、不透明金属材料、不透明金属有机材料、或金属材料和介电材料诸如氧化物的组合(复合材料)(有时在本文被称为复合栅格)。如果需要，图4的容器材料50可以是黑色、白色、红色、绿色、蓝色或一些其他不透明颜色。结合图4所述的类型的不透明容器材料可使用旋涂技术、化学气相沉积、物理气相沉积或其他沉积工艺形成。化学机械平面化(CMP)技术可用于使着色元件34、透明元件36和容器结构50的上表面平面化(即，以使这些结构的上表面彼此齐平)。形成不透明材料的滤色器容器结构50可防止进入一个像素的光(例如，以一角度进入像素的光)通过滤色器元件(或透明元件)的周边边缘离开并进入另一个相邻像素中。以此方式，容器结构50可有助于减少阵列20中的像素22之间的串扰。
在图4的示例性示例中，微透镜46直接地形成在滤色器元件34、透明元件36和容器结构50的上表面上。然而，这仅仅是示例性的。如图5所示，平面化层52可在其中形成元件34和36的滤色器层与其中形成微透镜46的微透镜层之间形成。平面化层52可有助于使滤色器元件34、透明元件36和容器结构50的表面平面化，从而提供可在其上形成微透镜46的平面表面。平面化层52可由具有约1.4至1.6的折射率的透明有机材料形成。然而，由于可用于形成像素阵列20的化学机械平面化工艺，滤色器元件34、透明元件36和容器结构50可形成在不存平面化层52的情况下可在其上形成微透镜46的平面表面。以此方式，平面化层52可是任选的。
在的确包括平面化层52的像素阵列20中，平面化层52本身可用于形成容器结构50。图6中示出了这种布置的示例性示例。在该布置中，元件34和36之间的间隙被填充有平面化层52。虽然平面化层52由透明材料(例如，透明有机材料)形成以允许光传递到硅层38中的光电二极管，但是平面化层52的材料与滤色器层中的元件之间可能存在相对大的折射率差值。因此，由平面化层52和着色元件34形成的滤色器容器结构50之间可能存在相对大的折射率差值。由于透明元件36是由具有高折射率的透明材料形成，因此由平面化层52和透明元件36形成的滤色器容器结构50之间也可能会存在高折射率差值，虽然事实上这两个结构都是透明的。这些大折射率差值可防止光从一个像素的透明元件36或着色元件34传递到相邻像素的滤波器元件，从而减少像素22之间的串扰。通过使用平面化层52作为滤色器容器材料50，可避免对用于滤色器容器结构的附加的材料层(以及与这个层相关联的制造步骤)的需要。
在以上结合图6所述的示例中，层52是由例如透明有机材料形成的平面化层。然而，这仅仅是示例性的。如果需要，层52可由导电透明介电材料诸如氧化铟锡(ITO)形成。在其中层52在滤波器元件34和36之间延伸以形成容器结构50的布置中，容器结构50可制成为导电的。如果需要，在其中容器结构50由氧化铟锡形成的布置和其中容器结构50由其他材料形成(或完全地省略)的布置中，透明元件36也可由氧化铟锡形成。通过由氧化铟锡形成容器结构50和/或透明元件36，可能通过接地接合焊盘使容器结构50接地。通过使容器结构50接地，可释放在图像传感器16的制造期间积累的电荷。这可因图像传感器制造工艺而减少由像素22产生的暗电流(例如，等离子体引发的暗电流)，从而增加传感器16的信噪比。
在另一个合适的布置中，来自微透镜46的材料可用于形成容器结构50。图7中示出了这种布置的示例性示例。在该布置中，元件34和36之间的间隙被填充有用于形成微透镜46的相同材料。虽然微透镜46由透明材料(例如，透明有机材料)形成以将光引导到硅层38中的光电二极管，但是微透镜46的材料与滤色器层中的元件之间可能存在相对大的折射率差值。因此，由来自微透镜46的材料和着色元件34形成的滤色器容器结构50之间可能存在相对大的折射率差值。由于透明元件36是由具有高折射率的透明材料形成，因此由微透镜材料46和透明元件36形成的滤色器容器结构50之间也可能会存在高折射率差值，虽然事实上这两个结构都是透明的。这些大折射率差值可防止光从一个像素的透明元件36或着色元件34传递到相邻像素的滤波器元件，从而减少像素22之间的串扰。通过使用微透镜46的材料作为滤色器容器材料50，可避免对用于滤色器容器结构的附加的材料层(以及与这个层相关联的制造步骤)的需要。
在另一个合适的布置中，抗反射涂层48可用于形成容器结构50。图8中示出了这种布置的示例性示例。在该布置中，元件34和36之间的间隙被填充有抗反射材料48。虽然抗反射涂层48由透明材料(例如，透明介电材料诸如二氧化硅)形成以允许光到达硅层38中的光电二极管，但是抗反射涂层48与滤色器层中的元件之间可能存在相对大的折射率差值。因此，由来自抗反射层48的材料和着色元件34形成的滤色器容器结构50之间可能存在相对大的折射率差值。由于透明元件36是由具有高折射率的透明材料形成，因此由抗反射层48和透明元件36形成的滤色器容器结构50之间也可能会存在高折射率差值，虽然事实上这两个结构都是透明的。这些大折射率差值可防止光从一个像素的透明元件36或着色元件34传递到相邻像素的滤波器元件，从而减少像素22之间的串扰。通过使用抗反射层48的材料作为滤色器容器材料50，可避免对用于滤色器容器结构的附加的材料层(以及与这个层相关联的制造步骤)的需要。
在另一个合适的布置中，滤色器元件34与透明元件36之间的间隙可被填充有空气而不是以上结合图1至图8所述的类型的不透明或透明材料。此类型的布置的示例性示例在图9和图10中示出。在图9的布置中，形成微透镜46，使得它们封住滤色器元件34与透明元件36之间的气隙的顶部。在图10的布置中，沉积抗反射涂层48，使得抗反射涂层48的介电材料封住滤色器元件34与透明元件36之间的间隙的顶部。由于用于形成抗反射涂层48的沉积工艺，介电材料中的一些可沉积到元件34和36之间的介电层44上，如图10所示。
在图9和图10的示例中，滤色器元件容器结构50从像素阵列20中省略。虽然替代容器结构50的空气一般是透明的，但是空气与滤色器层中的元件之间仍可能存在相对大的折射率差值。因此，在空气与着色元件34之间以及在空气与透明元件36之间可能存在相对大的折射率差值。这些高折射率差值可防止光从一个像素的透明元件36或着色元件34传递到相邻像素的滤波器元件，从而减少像素22之间的串扰。通过不形成滤色器容器结构50(而替代地利用元件34/36与空气之间的高折射率差值以防止串扰)，可避免对用于滤色器容器结构的附加的材料层(以及与这个层相关联的制造步骤)的需要。
如果需要，可由相同材料形成透明元件36和滤色器容器结构50(例如，作为单一连续结构)。图11中示出了具有此类型的布置的示例性像素阵列20的顶视图。如图11所示，着色元件34通过滤色器容器结构50彼此分离(即，滤色器元件34形成在容器结构50的开口54中)。然而，作为对形成透明元件36的开口54的替代，滤色器容器结构50的材料可填充阵列20中将要形成透明元件36的位置(其由虚线示出，示出了透明元件36在形成容器结构50的相同材料的其他部分中的位置)。换句话说，透明元件36的材料可在着色元件34之间延伸以形成具有开口54的容器结构50，其中形成着色元件34。
图12是沿着图11的线B-B截取的像素阵列20的横截面侧视图。如图12中的虚线所示，透明元件36的透明材料可占据着色元件34之间的整个间隙。在滤色器层中的这些位置中，透明元件36与着色元件34(在此情况下彼此邻接)的折射率差值可足够大，以便防止入射在两种材料之间的结合处的光从元件36传递到元件34(或反之亦然)。透明元件36的透明材料还可在相邻着色元素34之间延伸，相邻着色元素之间不存在透明元件36而形成滤色器容器结构50的栅格的一部分。在元件36的透明材料形成容器结构50的情况下，容器结构50与着色元件34之间的折射率差值可足够大，以便防止光过早地离开一个着色元件34并且进入另一个相邻像素22。
如果需要，阵列20可以在元件34和36之间不具有容器结构50或气隙的情况下形成，使得阵列中的一些或所有元件彼此邻接。图13中示出了此类型的布置的示例性示例的顶视图。如图13所示，每个滤波器元件的边缘邻接与之相邻的滤波器元件的边缘。在图13的示例中，滤波器元件34和36之间没有间隙，因此既不存在图3至图8、图11和图12中所示的类型的容器结构50，也不存在图9和图10中所示的类型的气隙。
图14是沿着图13的线C-C截取的像素阵列20的横截面侧视图。如图14所示，透明元件36的竖直侧壁直接地接触相邻元件34的竖直侧壁。在此类型的布置中，透明元件36与着色元件34的折射率差值可足够大，以便防止入射在两种材料之间的结合处的光从元件36传递到元件34(或反之亦然)。由于形成透明元件36的材料与形成着色元件34的材料之间的大折射率差值，可省略光阻材料栅格(例如，容器结构50)，同时仍最小化相邻像素之间的串扰。
在一个合适的示例中，上述布置可结合在背照式图像传感器中，其中像素22的金属布线结构在外延硅层38中的光电二极管下方。在此类型的布置中，光在到达光电二极管之前不穿过金属布线结构。在另一个合适的示例中，上述布置可结合在前照式图像传感器中，其中用于像素22的金属布线结构在外延硅层38中的光电二极管与微透镜46之间延伸。在此类型的布置中，光在到达光电二极管之前确实穿过金属布线结构。
在上述图3至图14的示例中，像素阵列20被描述为包括着色元件34和透明元件36两者。然而，这仅仅是示例性的。如果需要，像素阵列20可专门地设置有透明元件36(即，可没有着色元件34)，以便提供单色图像传感器16。在图像传感器16为单色的布置中，容器结构50可以如以上结合图3至图8、图11和图12中的示例中的任一个描述的那样提供，或可以如以上结合图9、图10、图13和图14的示例中的任一个描述的那样省略。
在图3至图14的示例中，滤色器层中的每个元件(即，着色元件34和透明元件36)被描述为对应于单个像素22(即，与外延硅层38中的单个光电二极管重叠)。在此类型的布置中，在每个开口54中形成用于单个光电二极管的单个着色元件34或透明元件36。然而，这仅仅是示例性的。如果需要，可提供单个着色元件34以用于(重叠)多个像素22(例如，相同颜色的多个相邻像素)。同样，可提供单个透明元件36以用于(重叠)多个像素22(例如，多个相邻透明像素)。在诸如这些的布置中，容器结构50中的单个开口54可足够大以与多个相邻像素的多个光电二极管重叠。用于多个像素的透明介电材料或着色的光刻胶可填充容器结构50中的这些较大开口。如果需要，也可在不包括容器结构50的布置(例如，结合图13和图14所示和所述的类型的布置)中实现与用于多个像素的光电二极管重叠的单个透明元件或着色元件。
图15中示出了可涉及形成图3至图14中所示的类型的像素阵列的示例性方法步骤的流程图。
在步骤100处，可沉积透明介电材料(例如，在介电层40、42和/或44上方)。
在步骤102处，可使透明介电材料图案化(例如，使用光刻技术)。
在步骤104处，可蚀刻图案化透明介电材料以形成透明元件36。
在步骤106处，可将着色的光刻胶沉积在其中要形成滤色器元件34的位置中。
在步骤108处，可使用光刻技术使着色的光刻胶图案化以形成滤色器元件34。
在步骤110处，可沉积光阻材料以形成滤色器容器结构50。光阻材料可以是不透明有机材料、用于形成平面化层52或微透镜46的透明有机材料、或用于形成抗反射涂层48的透明介电材料。在其中容器结构50由与透明元件36相同的材料形成的布置中，步骤110可与步骤100、102和104同时地(即，在步骤106和108之前)执行。在其中省略容器结构50(例如，滤色器阵列中的元件之间存在或不存在气隙)的布置中，可省略步骤110(例如，步骤110可以是任选的)。在其中图像传感器16为单色图像传感器的示例中，可省略步骤106和108(例如，步骤106和108可以是任选的)。
图16以简化形式示出了典型的处理器系统1800，诸如数字相机，该处理器系统包括成像设备2000(例如，成像设备2000，诸如采用图1至图14中所示的类型的图像像素阵列20的图像传感器16，该图像像素阵列具有由介电材料形成的透明元件36)。处理器系统1800是可包括成像设备2000的具有数字电路的示例性系统。在不进行限制的前提下，此类系统可包括计算机系统、静态或视频摄像机系统、扫描仪、机器视觉、车辆导航、视频电话、监控系统、自动对焦系统、星体跟踪器系统、运动检测系统、图像稳定系统、以及采用成像设备的其他系统。
处理器系统1800通常包括透镜1896，该透镜用于在快门释放按钮1897被按下时将图像聚焦到设备2000的像素阵列20上；中央处理单元(CPU)1895，诸如控制相机功能以及一个或多个图像流功能的微处理器，该中央处理单元通过总线1893与一个或多个输入/输出(I/O)设备1891通信。成像设备2000也通过总线1893与CPU 1895通信。系统1800还包括随机存取存储器(RAM)1892并且可包括可移动存储器1894，诸如闪存，该存储器也通过总线1893与CPU1895通信。成像设备2000可在单个集成电路或在不同芯片上与CPU组合，无论是否具有存储器。尽管总线1893被示为单总线，但该总线也可以是一个或多个总线或桥接器或其他用于互连系统组件的通信路径。
根据各种实施方案，像素阵列可包括光电二极管阵列和与光电二极管阵列重叠的滤色器层。滤色器层可包括滤色器容器材料栅格，该滤色器容器材料栅格在光电二极管阵列上方形成开口阵列；有机滤色器材料，该有机滤色器材料填充第一组开口；以及透明介电材料，该透明介电材料填充第二组开口。透明介电材料可形成滤色器容器材料栅格，使得第二组开口由与滤色器容器材料栅格整体形成的透明介电材料块限定，而不是由滤色器容器材料栅格中的间隙限定。透明介电材料可包括氮化硅。滤色器容器材料栅格可以是不透明的。滤色器容器材料栅格可包括透明有机材料。有机滤色器材料可具有第一折射率，并且透明介电材料可具有大于第一折射率的第二折射率。滤色器容器材料栅格可包括具有不同于第二折射率的第三折射率的附加透明介电材料。
根据各种实施方案，像素阵列可包括光电二极管阵列和滤色器层。滤色器层可包括具有第一折射率的第一滤色器元件，该第一滤色器元件形成在阵列中的第一组光电二极管上方；具有第二折射率的第二滤色器元件，该第二滤色器元件形成在阵列中的第二组光电二极管上方；以及具有第三折射率的透明介电材料，该透明介电材料形成在阵列中的第三组光电二极管上方。第三折射率可大于第一折射率和第二折射率。透明介电材料可在第一滤色器元件与第二滤色器元件之间延伸以形成开口栅格，其中形成第一滤色器元件和第二滤色器元件。第一滤色器元件和第二滤色器元件中的每一个可被透明介电材料所包围。与第一滤色器元件、第二滤色器元件和透明介电材料分开的材料栅格可形成开口阵列，其中形成第一滤色器元件、第二滤色器元件和透明介电材料。材料栅格可以是不透明的。像素阵列可包括由透明有机材料形成的微透镜阵列，该微透镜阵列与滤色器层重叠；以及抗反射涂层，该抗反射涂层形成在微透镜阵列上。形成微透镜的透明有机材料也可以形成材料栅格。抗反射涂层可形成材料栅格。微透镜阵列可直接地形成在第一滤色器元件、第二滤色器元件和透明介电材料上。像素阵列可包括平面化层，该平面化层插置在滤色器层与微透镜阵列之间。平面化层可形成材料栅格。平面化层和材料栅格可由氧化铟锡形成。
根据各种实施方案，形成用于图像传感器的滤色器层的方法可包括沉积、图案化(例如，使用光刻法)并蚀刻透明介电材料以在滤色器层中形成透明元件；在透明元件之间沉积着色的光刻胶；使着色的光刻胶图案化以形成滤色器元件；以及沉积光阻材料栅格以形成滤色器容器结构，其中形成滤色器元件。可由形成透明元件的透明介电材料形成光阻材料栅格。
根据一个实施方案，提供像素阵列，该像素阵列具有光电二极管阵列，与光电二极管阵列重叠的滤色器层，该滤色器层具有滤色器容器材料栅格，该滤色器容器材料栅格在光电二极管阵列上方形成开口阵列；填充第一组开口的有机滤色器材料；以及填充第二组开口的透明介电材料。
根据另一个实施方案，透明介电材料形成滤色器容器材料栅格。
根据另一个实施方案，透明介电材料具有氮化硅。
根据另一个实施方案，滤色器容器材料栅格是不透明的。
根据另一个实施方案，滤色器容器材料栅格具有透明有机材料。
根据另一个实施方案，有机滤色器材料具有第一折射率，并且透明介电材料具有大于第一折射率的第二折射率。
根据另一个实施方案，滤色器容器材料栅格具有附加透明介电材料，该附加透明介电材料具有不同于第二折射率的第三折射率。
根据一个实施方案，提供像素阵列，该像素阵列具有光电二极管阵列；滤色器层，该滤色器层具有：具有第一折射率的第一滤色器元件，该第一滤色器元件形成在阵列中的第一组光电二极管上方；具有第二折射率的第二滤色器元件，该第二滤色器元件形成在阵列中的第二组光电二极管上方；以及具有透明介电材料，该透明介电材料具有大于第一折射率和第二折射率的第三折射率，该透明介电材料形成在阵列中的第三组光电二极管上方。
根据另一个实施方案，透明介电材料在第一滤色器元件与第二滤色器元件之间延伸以形成开口栅格，其中形成第一滤色器元件和第二滤色器元件。
根据另一个实施方案，第一滤色器元件和第二滤色器元件中的每一个被透明介电材料所包围。
根据另一个实施方案，像素阵列具有材料栅格，该材料栅格形成开口阵列，其中形成第一滤色器元件、第二滤色器元件和透明介电材料。
根据另一个实施方案，材料栅格是不透明的。
根据另一个实施方案，像素阵列具有由透明有机材料形成的微透镜阵列，该微透镜阵列与滤色器层重叠；以及抗反射涂层，该抗反射涂层形成在微透镜阵列上。
根据另一个实施方案，形成微透镜的透明有机材料也可形成材料栅格。
根据另一个实施方案，抗反射涂层形成材料栅格。
根据另一个实施方案，微透镜阵列直接地形成在第一滤色器元件、第二滤色器元件和透明介电材料上。
根据另一个实施方案，像素阵列具有平面化层，该平面化层插置在滤色器层与微透镜阵列之间，并且平面化层形成材料栅格。
根据另一个实施方案，平面化层和材料栅格由氧化铟锡形成。
根据一个实施方案，提供形成用于图像传感器的滤色器层的方法，包括：沉积透明介电材料；图案化透明介电材料；蚀刻图案化透明介电材料以在滤色器层中形成透明元件；在透明元件之间沉积着色的光刻胶；图案化着色的光刻胶以形成滤色器元件；以及沉积光阻材料栅格以形成滤色器容器结构，其中形成滤色器元件。
根据另一个实施方案，该方法包括由形成透明元件的透明介电材料形成光阻材料栅格。
前述内容仅是对本实用新型原理的示例性说明，因此本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的实质和范围的前提下进行多种修改。上述实施方案可单独实施或以任意组合方式实施。

Claims (10)

1.一种像素阵列，其特征在于，所述像素阵列包括：
光电二极管阵列；和
滤色器层，所述滤色器层与所述光电二极管阵列叠置，所述滤色器层包括：
滤色器容器材料栅格，所述滤色器容器材料栅格在所述光电二极管阵列上方形成开口阵列；
有机滤色器材料，所述有机滤色器材料填充第一组所述开口；和
透明介电材料，所述透明介电材料填充第二组所述开口。
2.根据权利要求1所述的像素阵列，其中所述滤色器容器材料栅格包括透明有机材料。
3.根据权利要求1所述的像素阵列，其中所述有机滤色器材料具有第一折射率，其中所述透明介电材料具有大于所述第一折射率的第二折射率，并且其中所述滤色器容器材料栅格包括具有不同于所述第二折射率的第三折射率的附加透明介电材料。
4.一种像素阵列，其特征在于，所述像素阵列包括：
光电二极管阵列；和
滤色器层，所述滤色器层包括：
具有第一折射率的第一滤色器元件，所述第一滤色器元件形成在所述光电二极管阵列中的第一组光电二极管上方；
具有第二折射率的第二滤色器元件，所述第二滤色器元件形成在所述光电二极管阵列中的第二组光电二极管上方；和
具有第三折射率的透明介电材料，所述透明介电材料形成在所述光电二极管阵列中的第三组光电二极管上方，其中所述第三折射率大于所述第一折射率和所述第二折射率。
5.根据权利要求4所述的像素阵列，其中所述透明介电材料在所述第一滤色器元件与所述第二滤色器元件之间延伸以形成开口栅格，在所述开口栅格中形成所述第一滤色器元件和所述第二滤色器元件。
6.根据权利要求5所述的像素阵列，其中所述第一滤色器元件和所述第二滤色器元件中的每一者被所述透明介电材料所包围。
7.根据权利要求4所述的像素阵列，还包括：
材料栅格，所述材料栅格形成开口阵列，在所述开口阵列中形成所述第一滤色器元件、所述第二滤色器元件和所述透明介电材料。
8.根据权利要求7所述的像素阵列，还包括：
由透明有机材料形成的微透镜阵列，所述微透镜阵列与所述滤色器层叠置；和
抗反射涂层，所述抗反射涂层形成在所述微透镜阵列上，其中所述抗反射涂层还形成所述材料栅格。
9.根据权利要求7所述的像素阵列，还包括：
平面化层，所述平面化层插置在所述滤色器层与所述微透镜阵列之间，其中所述平面化层形成所述材料栅格并且由氧化铟锡形成。
10.一种用于图像传感器的滤色器层，包括：
透明元件，所述透明元件由图案化的透明介电材料形成；
滤色器元件，所述滤色器元件由图案化着色的光刻胶形成；和
光阻材料栅格，所述光阻材料栅格形成滤色器容器结构，在所述滤色器容器结构中形成所述滤色器元件，其中所述光阻材料栅格由形成所述透明元件且包括氮化硅的所述透明介电材料形成。
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