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TWI549276B - 具有金屬網孔以偵測紅外光之彩色影像感測器 - Google Patents

具有金屬網孔以偵測紅外光之彩色影像感測器 Download PDF

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TWI549276B
TWI549276B TW103127824A TW103127824A TWI549276B TW I549276 B TWI549276 B TW I549276B TW 103127824 A TW103127824 A TW 103127824A TW 103127824 A TW103127824 A TW 103127824A TW I549276 B TWI549276 B TW I549276B
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津 李
錢胤
剛 陳
戴森Ｈ 戴
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豪威科技股份有限公司
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Description

具有金屬網孔以偵測紅外光之彩色影像感測器
本發明一般而言係關於成像。更具體而言，本發明之實例係關於基於互補金屬氧化物半導體之影像感測器。
影像感測器已變得普遍存在。其廣泛用於數位靜態相機、蜂巢式電話、安全相機以及醫療、汽車及其他應用中。用以製造影像感測器且特定而言互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器(CIS)之技術已不斷快步地前進。舉例而言，對較高解析度及較低電力消耗之需求已促進了此等影像感測器之進一步小型化及整合。
其中大小及影像品質尤其重要之兩個應用領域係安全應用及汽車應用。對於此等應用，影像感測器晶片通常必須在可見光譜中提供一高品質影像且在光譜之紅外區及近紅外區部分中具有改良之敏感度。舉例而言，紅外區或近紅外區影像感測器可用以在低光及有霧條件中提供改良之可見度及成像且幫助在較冷環境中偵測較暖物件。
100‧‧‧互補金屬氧化物半導體成像系統/成像系統
105‧‧‧彩色像素陣列/像素陣列
110‧‧‧讀出電路
115‧‧‧功能邏輯
120‧‧‧控制電路
205‧‧‧實例性像素陣列/像素陣列
206A‧‧‧像素群組/實例性像素群組
206B‧‧‧像素群組
206C‧‧‧像素群組
206D‧‧‧像素群組
208A‧‧‧第一像素/對應像素/像素
208B‧‧‧第二像素/對應像素/像素
208C‧‧‧第三像素/像素
208D‧‧‧第四像素/對應像素/像素
212‧‧‧金屬網孔
214‧‧‧半導體層
216‧‧‧金屬層
218B‧‧‧彩色濾光器/各別彩色濾光器/綠色濾光器
218C‧‧‧彩色濾光器/各別彩色濾光器/綠色濾光器
222B‧‧‧微透鏡
222C‧‧‧微透鏡
305‧‧‧像素陣列/彩色像素陣列
308A‧‧‧四電晶體像素/像素
308B‧‧‧四電晶體像素/像素/綠色像素
308C‧‧‧四電晶體像素/像素/綠色像素
308D‧‧‧四電晶體像素/像素
C1-Cx‧‧‧行
FD‧‧‧浮動擴散節點
P1-Pn‧‧‧像素
PD‧‧‧光敏元件
R1-Ry‧‧‧列
RST‧‧‧重設信號/信號
SEL‧‧‧選擇信號/信號
T1‧‧‧轉移電晶體
T2‧‧‧重設電晶體
T3‧‧‧源極隨耦器電晶體
T4‧‧‧選擇電晶體
TX‧‧‧轉移信號/信號
VDD‧‧‧電源軌
參考以下各圖闡述本發明之非限制性及非窮盡性實施例，其中除非另有規定，否則貫穿各種視圖相似元件符號係指相似部件。
圖1係圖解說明根據本發明之教示包含於一成像系統中之一影像感測器之一項實例之一圖式。
圖2A係圖解說明根據本發明之教示包含於一成像系統中之一影像感測器之一像素陣列之一部分之一項實例之一圖式。
圖2B係根據本發明之教示包含於一成像系統中之一影像感測器之一像素陣列之一部分之一項實例之一剖面圖。
圖3係根據本發明之教示包含於一成像系統中之影像感測器之像素陣列中之一像素群組內之四個4T像素之像素電路之一項實例之一電路示意圖。
貫穿圖式之數個視圖，對應參考字符指示對應組件。熟習此項技術者將瞭解，各圖中之元件係為簡單及清晰起見而圖解說明，且未必按比例繪製。舉例而言，為了有助於改良對本發明之各種實施例之理解，各圖中之元件中之某些元件之尺寸可能相對於其他元件放大。 此外，通常不繪示在一商業上可行之實施例中有用或必需之常見而眾所周知之元件以便促進對本發明之此等各種實施例之一較不受阻擋之觀察。
本文中闡述包含具有以大光電二極體為特徵之實例性像素設計之一CMOS影像感測器之一設備之實例，該大光電二極體可具有增加之敏感度以及減少之影像滯後。在以下說明中，陳述眾多特定細節以提供對該等實施例之一透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到，可在不具有該等特定細節中之一或多者之情況下或藉助其他方法、組件、材料等實踐本文中所闡述之技術。在其他例項中，為避免使某些態樣模糊，未詳細地展示或闡述眾所周知之結構、材料或操作。
貫穿本說明書對「一項實施例」、「一實施例」、「一項實例」或「一實例」之提及意指結合該實施例或實例所闡述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實施例或實例中。因此，貫穿本說明書在各種位置中出現之諸如「在一項實施例中」或「在一項實例 中」之片語未必全部係指相同實施例或實例。此外，在一或多個實施例或實例中可以任何適合方式組合該等特定特徵、結構或特性。
如將論述，揭示包含可感測可見光以及紅外光之一影像感測器之一成像系統。在一項實例中，該成像系統之該影像感測器包含具有複數個像素之一像素陣列，該像素陣列配置於一半導體層中。包含複數個濾光器群組之一彩色濾光器陣列安置於該像素陣列上方。該彩色濾光器陣列中之每一濾光器光學耦合至該像素陣列中之該複數個像素中之一對應者。在一項實例中，該複數個濾光器群組中之每一者包含一第一濾光器、一第二濾光器、一第三濾光器及一第四濾光器。在一項實例中，該第一濾光器具有一第一色彩，該第二濾光器及該第三濾光器具有一第二色彩，且該第四濾光器具有一第三色彩。一金屬層亦安置於該像素陣列上方。根據本發明之教示，該金屬層經圖案化以包含具有擁有一大小及間距之網孔開口之一金屬網孔以阻擋具有一第四色彩之入射光穿過該複數個濾光器群組中之每一者之該第三濾光器而到達該對應像素。根據本發明之教示，該金屬層經圖案化以包含不具有該金屬網孔之開口以允許該入射光穿過該複數個濾光器群組中之每一者之該第一濾光器、該第二濾光器及該第四濾光器而到達該等對應像素。
為了圖解說明，圖1圖解說明包含於一互補金屬氧化物半導體(CMOS)成像系統100中之一影像感測器之一實例，成像系統100包含一彩色像素陣列105、讀出電路110、功能邏輯115及控制電路120。在所繪示之實例中，實例性影像感測器包含係具有X數目個像素行及Y數目個像素列之一個二維(2D)像素(例如，像素P1、P2…、Pn)陣列之一彩色像素陣列105。在一項實例中，每一像素係一CMOS成像像素。在該實例中，彩色像素陣列105可實施為一背側照明式影像像素陣列。如所圖解說明，每一像素被配置至一列(例如，列R1至Ry)及一 行(例如，行C1至Cx)中以獲取一人、地點或物件之影像資料，然後可使用該影像資料再現人、地點或物件之一2D影像。在每一像素已獲取其影像資料或影像電荷之後，該影像資料由讀出電路110讀出且傳送至功能邏輯115。讀出電路110可包含放大電路、類比轉數位(ADC)轉換電路或其他。功能邏輯115可僅儲存該影像資料或甚至藉由應用影像後效應(例如，剪裁、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)來操縱該影像資料。控制電路120耦合至像素陣列105以控制彩色像素陣列105之操作特性。舉例而言，控制電路120可產生用於控制影像獲取之一快門信號。
在一項實例中，彩色像素陣列105包含將一色彩指派至彩色像素陣列105之每一像素之一彩色濾光器陣列(CFA)。在一項實例中，該CFA藉由將一單獨原色之一濾光器放置於每一像素上方而將彼色彩指派至該像素。在光子通過一特定原色之一濾光器而到達像素時，彼原色之波長將通過彼濾光器。原色係由科學識別為所有其他色彩之構建塊之一組色彩。原色之實例包含紅色、綠色及藍色(通常稱作RGB)以及青色、洋紅色及黃色(通常稱為CMY)。舉例而言，在RGB色彩模型中，組合不同量之紅色、綠色及藍色將形成可見光譜中之所有其他色彩。
已針對不同應用開發了眾多類型之CFA。CFA圖案幾乎專門地由以矩形X、Y圖案配置之相同正方形像素元件(稱作微像素)構成。亦可使用其他像素形狀，但重複像素單元(有時稱作巨像素)通常以四個像素之群組存在。在諸多數位相機影像感測器中，一普遍CFA係拜耳(Bayer)圖案。使用具有交替濾光器列之一棋盤圖案，拜耳圖案具有兩倍於紅色或藍色像素之綠色像素，且其以紅色夾在綠色之間及藍色夾在綠色之間的交替列而配置。此圖案利用人眼在界定清晰度時將綠色明度視作最強影響之偏好。而且，不管如何握持相機-以橫向模式或 直向模式，拜耳圖案均產生相同影像。
為了圖解說明，圖2A以增加之細節展示一實例性像素陣列205之一部分，像素陣列205包含配置於複數個像素群組206A、206B、206C及206D中之一CFA。應注意，圖2A之像素陣列205係圖1之像素陣列105之更加詳細地圖解說明之一部分之一實例，且下文所提及之類似命名及編號之元件類似於如上文所闡述而耦合及起作用。在所繪示之實例中，複數個像素群組206A、206B、206C及206D上方之CFA具有一拜耳圖案。特定而言，實例性像素群組206A包含具有一紅色(R)濾光器之一第一像素208A、具有綠色(G)濾光器之第二像素208B及第三像素208C以及具有一藍色(B)濾光器之第四像素208D。
如在所繪示之實例中所圖解說明，像素陣列205亦包含具有經圖案化以包含一金屬網孔212之部分之一金屬層，金屬網孔212具有擁有一大小及間距之網孔開口以阻擋紅外(IR)光，但允許綠色(G)入射光傳播穿過金屬網孔212。如在該實例中所展示，沿著第三像素208C之光學路徑包含金屬網孔。在該實例中，根據本發明之教示，該金屬層之部分亦經圖案化以包含不具有金屬網孔212之開口以允許包含任何紅外(IR)光之入射光到達對應像素208A、208B及208D之像素電路。
為了圖解說明，圖2B展示沿著圖2A中所圖解說明之虛線A-A'的實例性像素陣列205之一剖面。特定而言，包含像素208B及像素208C之像素陣列205配置於一半導體層214中，在一項實例中，半導體層214包含矽。包含一彩色濾光器218B及一彩色濾光器218C之一CFA分別安置於像素208B及208C之半導體層214中之像素電路上方。應注意，下文在圖3中進一步詳細地闡述半導體層214中之像素電路之一實例。在圖2B中所繪示之實例中，彩色濾光器218B及218C係綠色濾光器。在該實例中，彩色濾光器218B及218C中之每一者光學耦合至配置於半導體層214中之複數個像素電路中之一對應者。在該實例中， 包含微透鏡222B及222C之一微透鏡陣列亦安置於半導體層214中之像素上方。因此，根據本發明之教示，入射光被引導穿過每一微透鏡222B及222C、穿過各別彩色濾光器218B及218C而到達配置於半導體層214中之各別像素電路。在一項實例中，根據本發明之教示，入射光被引導穿過包含像素陣列205之一積體電路晶片之一背側以照明像素陣列205中之像素。
圖2B中所繪示之實例亦圖解說明一金屬層216安置於像素陣列之半導體層214上方。在一項實例中，金屬層216安置於彩色濾光器陣列之彩色濾光器218B及218C與半導體層214中之像素陣列之像素電路之間的一層間電介質之氧化物內。如在所繪示之實例中所展示，金屬層216之部分經圖案化以包含具有擁有一大小及間距之網孔開口之一金屬網孔212以阻擋紅外(IR)入射光穿過彩色濾光器218C而到達半導體層214中之對應像素電路。因此，根據本發明之教示，金屬網孔212提供具有擁有一大小及間距之網孔開口之一諧振帶通濾光器以減少紅外(IR)光穿過金屬網孔212之傳播。如在該實例中所展示，根據本發明之教示，金屬層216之部分亦經圖案化以包含不具有金屬網孔212之開口以允許入射光穿過其他彩色濾光器(包含如所展示之彩色濾光器218B)而到達半導體層214中之對應像素電路。
圖3係根據本發明之教示包含於一成像系統中之影像感測器之像素陣列305中之一像素群組內之四個4T像素之像素電路之一項實例之一電路示意圖。如在圖3中所繪示之實例中所展示，像素陣列305中之像素電路包含像素陣列305內之四電晶體(4T)像素308A、308B、308C及308D。在一項實例中，根據本發明之教示，像素308A、308B、308C及308D表示圖2A至圖2B之像素208A、208B、208C及208D之半導體層214中之像素電路之實例。因此，下文所提及之類似命名及編號之元件類似於如上文所闡述而耦合及起作用。應瞭解，像素 308A、308B、308C及308D表示用於實施圖3之彩色像素陣列305內之每一像素之一個可能架構，但根據本發明之教示之實例並不限於4T像素架構。確實，受益於本發明之熟習此項技術者將理解，本發明教示亦適用於3T設計、5T設計及各種其他像素架構。
在圖2中所繪示之實例中，像素308A、308B、308C及308D配置於兩個列及兩個行中。像素陣列305中之每一像素之所圖解說明實例包含一光敏元件PD、一轉移電晶體T1、一重設電晶體T2、一源極隨耦器(SF)電晶體T3及一選擇電晶體T4。在每一像素之操作期間，轉移電晶體T1接收將在光敏元件PD中累積之電荷轉移至一浮動擴散節點FD之一轉移信號TX。重設電晶體T2耦合於一電源軌VDD與浮動擴散節點FD之間以在一重設信號RST之控制下重設FD(例如，將FD放電或充電至一預設電壓)。浮動擴散節點FD經耦合以控制SF電晶體T3之閘極。SF電晶體T3耦合於電源軌VDD與選擇電晶體T4之間。SF電晶體T3作為提供自像素輸出之一高阻抗之一源極隨耦器而操作。最後，選擇電晶體T4在一選擇信號SEL之控制下將像素電路200之輸出選擇性地耦合至讀出行線。在一像素陣列305之一項實例中，TX信號、RST信號及SEL信號均由上文在圖1中所圖解說明之控制電路120產生。
在操作中，像素308A、308B、308C及308D之光敏元件PD回應於入射光而各自累積光生電荷載子。如上文所論述，像素308B及308C兩者皆具有沿著至像素308B及308C之光敏元件PD之光學路徑安置之綠色(G)濾光器218B及218C，如圖2A至圖2B中所展示。然而，圖2A至圖2B中所展示之具有擁有一大小及間距之網孔開口以阻擋紅外(IR)光之金屬網孔212亦沿著至像素308C之光敏元件PD之光學路徑安置。在該實例中，金屬網孔212並不沿著至像素308B之光敏元件PD之光學路徑而安置。作為一結果，根據本發明之教示，像素308B與308C之光敏元件PD中之所累積電荷將存在一差異，此乃因像素308B曝露於 紅外(IR)光且像素308C由於金屬網孔212而被遮蔽不曝露於紅外(IR)光。因此，根據本發明之教示，藉由比較具有金屬網孔212之綠色(G)像素308B與不具有金屬網孔212之綠色(G)像素308B之間的所累積電荷差異，可判定紅外(IR)光信號位準。
根據本發明之教示，在由像素陣列305感測之入射綠色(G)光之情形中，綠色(G)像素308B及308C兩者皆充當標準綠色(G)像素，即使兩個綠色(G)像素中之一者308C具有金屬網孔212，此乃因綠色(G)光將以極少損耗傳播穿過金屬網孔212，此乃因金屬網孔212係經設計以僅阻擋紅外(IR)光之一帶通濾光器。根據本發明之教示，在由像素陣列305偵測之入射紅外(IR)光之情形中，具有金屬網孔212之綠色(G)像素308C將具有較少所累積電荷，此乃因大部分入射紅外(IR)光被金屬網孔212阻擋。
包含發明摘要中所闡述內容之本發明之所圖解說明實例之上文說明並非意欲係窮盡性或限制於所揭示之精確形式。雖然出於說明性目的而在本文中闡述本發明之特定實施例及實例，但可在不背離本發明之較寬廣精神及範疇之情況下做出各種等效修改。確實，應瞭解，特定實例性電壓、電流、頻率、功率範圍值、時間等係出於闡釋目的而提供且根據本發明之教示亦可在其他實施例及實例中採用其他值。
205‧‧‧實例性像素陣列/像素陣列
206A‧‧‧像素群組/實例性像素群組
206B‧‧‧像素群組
206C‧‧‧像素群組
206D‧‧‧像素群組
208A‧‧‧第一像素/對應像素/像素
208B‧‧‧第二像素/對應像素/像素
208C‧‧‧第三像素/像素
208D‧‧‧第四像素/對應像素/像素
212‧‧‧金屬網孔

Claims (19)

  1. 一種影像感測器，其包括：一像素陣列，其包含複數個像素，配置於一半導體層中；一彩色濾光器陣列，其包含複數個濾光器群組，安置於該像素陣列上方，其中每一濾光器光學耦合至該複數個像素中之一對應者，其中該複數個濾光器群組中之每一者包含分別具有一第一色彩、一第二色彩、該第二色彩及一第三色彩之一第一濾光器、一第二濾光器、一第三濾光器及一第四濾光器；及一金屬層，其安置於該彩色濾光器陣列及該像素陣列之間，其中該金屬層經圖案化以包含具有擁有一大小及間距之網孔開口之一金屬網孔以阻擋具有一第四色彩之入射光穿過該複數個濾光器群組中之每一者之該第三濾光器而到達該對應像素，且其中該金屬層經圖案化以包含不具有該金屬網孔之開口以允許該入射光穿過該複數個濾光器群組中之每一者之該第一濾光器、該第二濾光器及該第四濾光器而到達該等對應像素。
  2. 如請求項1之影像感測器，其中該第一色彩係紅色，其中該第二色彩係綠色，其中該第三色彩係藍色，且其中該第四色彩係紅外區。
  3. 如請求項1之影像感測器，其中該金屬層安置於該彩色濾光器陣列與該像素陣列之間。
  4. 如請求項1之影像感測器，其中該複數個像素中之每一者包含經耦合以回應於該入射光而累積光生電荷載子之一光敏元件，其中該影像感測器經耦合以回應於該複數個群組中之每一者中之對應該第二濾光器之一像素與對應該第三濾光器之一像素之間的一所累積電荷差異而感測該入射光中之該第四色彩。
  5. 如請求項1之影像感測器，其中該影像感測器經耦合以回應於該複數個群組中之每一者中之對應該第二濾光器之一像素及對應該第三濾光器之一像素中之所累積電荷而感測該入射光中之該第二色彩。
  6. 如請求項1之影像感測器，其進一步包括安置於該像素陣列上方以朝向該像素陣列引導該入射光之一微透鏡陣列。
  7. 如請求項1之影像感測器，其中該彩色濾光器陣列以一拜耳圖案配置。
  8. 如請求項1之影像感測器，其中金屬網孔包括具有擁有一大小及間距之網孔開口之一諧振帶通濾光器以減少紅外光通過金屬網孔。
  9. 如請求項1之影像感測器，其中該像素陣列經調適以用該入射光穿過包含該影像感測器之一積體電路晶片之一背側來照明。
  10. 一種成像系統，其包括：一像素陣列，其包含複數個像素，配置於一半導體層中；一彩色濾光器陣列，其包含複數個濾光器群組，安置於該像素陣列上方，其中每一濾光器光學耦合至該複數個像素中之一對應者，其中該複數個濾光器群組中之每一者包含分別具有一第一色彩、一第二色彩、該第二色彩及一第三色彩之一第一濾光器、一第二濾光器、一第三濾光器及一第四濾光器；一金屬層，其安置於該彩色濾光器陣列及該像素陣列之間，其中該金屬層經圖案化以包含具有擁有一大小及間距之網孔開口之一金屬網孔以阻擋具有一第四色彩之入射光穿過該複數個濾光器群組中之每一者之該第三濾光器而到達該對應像素，且其中該金屬層經圖案化以包含不具有該金屬網孔之開口以允許該入射光穿過該複數個濾光器群組中之每一者之該第一濾光 器、該第二濾光器及該第四濾光器而到達該等對應像素；控制電路，其耦合至該像素陣列以控制該像素陣列之操作；及讀出電路，其耦合至該像素陣列以自該複數個像素讀出影像資料。
  11. 如請求項10之成像系統，其進一步包括耦合至該讀出電路以儲存自該複數個像素讀出之該影像資料之功能邏輯。
  12. 如請求項10之成像系統，其中該第一色彩係紅色，其中該第二色彩係綠色，其中該第三色彩係藍色，且其中該第四色彩係紅外區。
  13. 如請求項10之成像系統，其中該金屬層安置於該彩色濾光器陣列與該像素陣列之間。
  14. 如請求項10之成像系統，其中該複數個像素中之每一者包含經耦合以回應於該入射光而累積光生電荷載子之一光敏元件，其中該影像感測器經耦合以回應於該複數個群組中之每一者中之對應該第二濾光器之一像素與對應該第三濾光器之一像素之間的一所累積電荷差異而感測該入射光中之該第四色彩。
  15. 如請求項10之成像系統，其中該影像感測器經耦合以回應於該複數個群組中之每一者中之對應該第二濾光器之一像素及對應該第三濾光器之一像素中之所累積電荷而感測該入射光中之該第二色彩。
  16. 如請求項10之成像系統，其進一步包括安置於該像素陣列上方以朝向該像素陣列引導該入射光之一微透鏡陣列。
  17. 如請求項10之成像系統，其中該彩色濾光器陣列以一拜耳圖案配置。
  18. 如請求項10之成像系統，其中金屬網孔包括具有擁有一大小及間距之網孔開口之一諧振帶通濾光器以減少紅外光通過金屬網孔。
  19. 如請求項10之成像系統，其中該像素陣列經調適以用該入射光穿過包含該像素陣列之一積體電路晶片之一背側來照明。
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