暗景全彩功能图像传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种图像传感器，尤其涉及具有暗景全彩功能的图像传感器及其制备方法。

背景技术

图像捕获装置包括图像传感器和成像透镜。成像透镜将光聚焦到图像传感器上以形成图像，图像传感器将光信号转换成电信号。图像捕获装置输出电信号给主机系统的其他组件。图像捕获装置和主机系统的其他组件形成图像传感器系统或成像系统。图像传感器的应用已经非常普遍，可以应用在各种电子系统中，例如移动设备，数码相机，医疗设备或计算机。用于制造图像传感器的技术，特别是制造互补型金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器的技术持续快速的发展。

典型的图像传感器包括二维阵列排列的多个光敏元素(“像素”)。这种图像传感器可以被配置为通过在像素上形成滤色器阵列(CFA)来产生彩色图像。现有图像传感器芯片一般为拜尔(Bayer)阵列设计。然而在夜晚光照强度较弱环境中，需要红外补光才能达到足够亮度时，无法还原色彩，因为红外光会透过RGB三种滤光片导致所有颜色通过的信号强度一致。在安防监控和机器视觉等对暗光场景要求很高的领域，现有的技术方案有两种：一种是Bayer模式的CMOS图像传感器，在很暗的场景需要关闭红外截止器(IR-CUT)，补充红外光，图像变为黑白，完全丢失色彩信息；第二种是用两颗CMOS图像传感器芯片，如图1A和图1B所示，在很暗的场景中，Bayer模式的那颗芯片负责收集颜色信息，另一个芯片是全光谱响应，没有红外截止器，可接受主动补充的红外光，获得较高信噪比的亮度信息，然后用算法对两者融合，但这个需要两颗芯片和两个镜头，成本很高。

发明内容

如下内容描述给出了本发明所做出的贡献。

本发明提供一种暗景全彩功能的图像传感器及其制备方法，只用一颗图像传感器芯片来达到暗光场景的全彩效果。

一种具有暗景全彩功能的图像传感器，包括：

若干感光元件，设置在半导体衬底中；

若干滤光片，设置在所述感光单元的受光面上，所述若干滤光片包括不同光响应的彩色滤光片及全光谱响应的白色滤光片；以及

红外抑制膜，设置在所述彩色滤光片及所述感光元件之间，以抑制红外光进入所述感光元件。

一种上述的图像传感器的制备方法，包括以下步骤：

提供半导体衬底，在其中设置像素区域和隔离区域，所述像素区域包括彩色像素区域和白色像素区域；

在彩色像素区域上方设置红外抑制膜；

在所述红外抑制膜上方设置彩色滤色片；

在所述白色像素区域上方设置白色滤色片，所述白色滤色片与所述彩色滤色片位于同一层。

本发明暗景全彩功能的图像传感器及其制备方法通过在彩色滤光片下方设置红外截止膜，并改变滤色片阵列模式，引入全光谱响应的白色滤色片，从而只用一颗图像传感器芯片，也可达到暗光场景的全彩效果，尤其在夜晚环境中接受红外信号，提高芯片在不同环境中的感度，使得芯片在极端黑暗的场景中也可以准确还原图像和色彩。

附图说明

图1A、1B为现有技术中拜尔模式彩色滤光片阵列及全光谱响应滤色片的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的图像传感器的结构示意图。

图3为本发明另一个实施例的图像传感器的结构示意图。

图4为本发明另一个实施例的图像传感器的结构示意图。

图5为本发明另一个实施例的图像传感器的结构示意图。

图6为本发明一个实施例的图像传感器的制备方法的流程步骤图。

图7为本发明另一个实施例的图像传感器的制备方法的流程步骤图。

图8为本发明图像传感器的波长与透射率的示意图。

具体实施方式

上述附图示出了本发明，一种具有暗景全彩功能的图像传感器及其制备方法。本文揭示了图像传感器不同的实施例。在以下描述中，阐述了众多具体的细节以便更透彻的理解本发明。然而，相关领域的技术人员应当得知，本发明所记载的技术内容能够在没有一个或更多具体细节，或者其他方法、组件、材料等的情况下得以实施。在其它示例中，众所周知的结构、材料或者操作未作详细展示或者描述，以避免模糊特定的内容。

本发明通过在彩色滤光片下方设置红外截止膜，并改变滤色片阵列模式，引入全光谱响应的白色滤色片，从而只用一颗图像传感器芯片，也可达到暗光场景的全彩效果。

图2为本发明一个实施例的图像传感器的结构示意图。所述图像传感器包括若干感光元件110、若干滤光片410/420、透明膜330以及红外抑制膜310。所述若干感光元件110设置在半导体衬底100中。所述若干滤光片设置在所述感光单元110的受光面上，所述若干滤光片包括不同光响应的彩色滤光片410及全光谱响应的白色滤光片420，所述彩色色滤光片410下方的感光元件用于收集图像的彩色信号，所述白色滤光片下方的感光元件用于收集图像的亮度信号。所述透明膜330设置在所述白色滤光片420和所述感光元件110之间。所述红外抑制膜310设置在所述彩色滤光片410及所述感光元件110之间，以抑制红外光进入所述感光元件110。

图2所示的图像传感器为背照式(BSI)图像传感器，所述图像传感器包括设置在所述感光元件110背光面上的金属布线层200，所述金属布线层200设置有金属布线结构210以实现电路元器件的连接。在一个实施例中，所述图像传感器还包括若干微透镜500，设置所述彩色色滤光片410和白色滤光片420上，以将入射光线聚集到所述感光元件110上。在一个实施例中，所述微透镜500与所述透明膜330、白色滤色片420为同样的清透材料，比如石英、玻璃或任何其他适当的透明材料。因此，所述透明膜330可以为白色滤色片420，即在对应的感光元件上设置双层或具有双层厚度的白色滤色片420。

在一个实施例中，相邻的所述感光元件110之间设置有隔离结构120。所述感光元件110包括用于将入射光转换成光电电荷的光电转换部分和从所述光电转换部分读取并转移出信号电荷的电荷转移部分，例如光电二极管和多个晶体管。图2中未示出晶体管，但在金属布线层200中示出了晶体管的栅极212以表示晶体管的存在。所述隔离结构120为氧化区域。在一个实施方式中，所述隔离结构120为STI隔离(Shallow Trench Isolation,浅沟槽隔离)，在另一个实施方式中，所述隔离结构120为LOCOS隔离(Local Oxidation ofSilicon，硅的局部氧化)，所述隔离结构120用于降低像素区域222之间的信号串扰及漏电流等问题。

所述红外抑制膜310是一种让可见光通过同时可抑制红外光的材料，将其放在彩色滤色片410下面，保证不需要红外截止器(IR-CUT)等光学元件的情况下也能得到正常的颜色信息，而不受到红外的影响，使得夜晚使用红外补光的情况下也得到精准的色彩还原。而白色滤色片420下则不需要此材料，在一个实施例中，所述红外抑制膜选用透光率为0.1％-2％的红外截止材料。在一个实施例中，所述红外抑制膜310的材料为有机物。在一个实施例中，所述红外抑制膜310的材料为聚氨酯或聚酰亚胺。在其他方式中，所述红外抑制膜的材料还可以为无机物。在一个实施例中，所述红外抑制膜310的厚度为0.6-1.5um，优选地，所述红外抑制膜的厚度为1um。在一个实施例中，所述红外抑制膜310的宽度为0.5-10um，优选地，所述红外抑制膜310的宽度为2um。

在一个实施例中，所述红外抑制膜310与所述透明膜330之间设置有间隙320。所述间隙320用于防止感光原件110之间的光线串扰，从而保证最好的亮度信噪比。所述间隙320选用低折射率的材料。在一个实施例中，所述间隙320可以选用金属比如AL、W等材料，或者选用SiO2、SiN等无机薄膜材料，以阻止红外光相互串扰。在一个实施例中，所述间隙320选用折射率为1.3-1.5，优选地，所述间隙320选用折射率为1.4。在一个实施例中，所述间隙320的厚度为0.75-1um，优选地，所述间隙320的厚度为0.8um。在一个实施例中，所述间隙320的宽度为0.3-1um，优选地，所述间隙320的宽度为0.3um。在一个实施例中，所述红外抑制膜310和透明膜330宽度一致，所述间隙320位于所述红外抑制膜310和透明膜330的中间并位于所述彩色滤光片410和所述白色滤光片420交界处的下方。

在一个实施例中，所述彩色滤光片410包括第一光响应彩色滤光片、第二光响应彩色滤光片以及第三光响应彩色滤光片。在一个实施例中，所述第一光响应彩色滤光片为绿色滤光片、所述第二光响应彩色滤光片为蓝色滤光片以及第三光响应彩色滤光片为红色滤光片。

图3为本发明另一个实施例的图像传感器的结构示意图。在图3所示的实施例中，所述透明膜330比所述红外抑制膜310窄，所述间隙330向所述透明膜320偏移并完全位于所述白色滤光片420的下方，从而是可更好的防止光线串扰。图2中与图1标号一致的结构具有一样的功能，在此不再赘述。

图4和图5为本发明另外实施例的图像传感器的结构示意图。图4和图5所示的图像传感器为前照式(FSI)图像传感器。所述金属布线层200设置在所述感光元件110的受光面上。图4、图5与图2、图1标号一致的结构具有一样的功能，在此不再赘述。

本发明还提供上述图像传感器的制备方法，包括以下步骤：

提供半导体衬底，在其中设置像素区域和隔离区域，所述像素区域包括彩色像素区域和白色像素区域；

在彩色像素区域上方设置红外抑制膜；

在所述红外抑制膜上方设置彩色滤色片；

在所述白色像素区域上方设置白色滤色片，所述白色滤色片与所述彩色滤色片位于同一层。

在一个实施例中，如图6所示，本发明提供的图像传感器的制备方法600包括以下步骤:

步骤610：提供半导体衬底，在其中设置像素区域和隔离区域，所述像素区域包括彩色像素区域和白色像素区域；

步骤620：在彩色像素区域上方设置红外抑制膜，在白色像素上方设置透明膜，在所述红外抑制膜、透明膜之间设置间隙层；

步骤630：在所述红外抑制膜上方设置彩色滤色片；

步骤640：在所述透明膜上方设置白色滤色片，所述白色滤色片与所述彩色滤色片位于同一层。

在一个实施例中，所述制备方法600还包括步骤：在所述彩色滤色片和白色滤色片上方设置微透镜，其中，所述微透镜与所述白色滤色片同步成型。

在一个实施例中，所述步骤620具体包括：先设置所述间隙层，再设置所述红外抑制膜，再设置所述透明膜。

在另一个实施例中，如图7所示，本发明提供的图像传感器的制备方法700包括以下步骤：

步骤710：提供半导体衬底，在其中设置像素区域和隔离区域，所述像素区域包括彩色像素区域和白色像素区域；

步骤720：在所述彩色像素区域上方设置红外抑制膜，在所述红外抑制膜边上设置间隙层；

步骤730：在所述红外抑制膜上方设置彩色滤色片；

步骤740：在所述白色像素区域的上方设置透明膜，在所述透明膜上方设置白色滤色片，所述透明膜与所述红外抑制膜和间隙层位于同一层，所述白色滤色片与所述彩色滤色片位于同一层。

在一个实施例中，所述制备方法700还包括步骤：在所述彩色滤色片和白色滤色片上方设置微透镜，其中，所述微透镜与所述透明膜、白色滤色片同步成型。其中，在一个实施例中，所述微透镜与所述透明膜、白色滤色片为同样的清透材料，比如石英、玻璃或任何其他适当的透明材料。

在一个实施例中，所述步骤720具体包括：先设置间隙层，再设置所述红外抑制膜。

所述制备方法700与所述制备方法不同的是，所述制备方法700在完成红外截止膜和间隙层的制作步骤后，先不做透明膜，而先做彩色滤色片部分，然后同步完成微透镜和白色滤色片和透明膜的材料的填充，可以减少中间界面，提高感度。

在一个实施例中，所述彩色滤光片包括第一光响应彩色滤光片、第二光响应彩色滤光片以及第三光响应彩色滤光片，所述第一光响应彩色滤光片为绿色滤光片、所述第二光响应彩色滤光片为蓝色滤光片以及第三光响应彩色滤光片为红色滤光片。在步骤630或步骤730中，具体包括：先设置所述绿色滤光片，再设置所述红色滤光片，再设置所述蓝色滤光片。

在一个实施例中，还包括步骤：在所述半导体衬底的背光面上设置金属布线层。在另外的实施例中，在所述半导体衬底的受光面上并位于红外抑制膜下方设置金属布线层。

图8为本发明图像传感器的波长与透射率的示意图。根据本发明的内容，使用不同厚度的红外抑制膜对于850纳米波长左右的红外光具有近乎为0的透光率，而对于其他的可见光则具有较高的透光率，因此使得可见光可通过而红外光被抑制，而白色滤光片可保证亮度信息，因此可以保证图像传感器具有最好的亮度信噪比。

本发明暗景全彩功能的图像传感器及其制备方法通过在彩色滤光片下方设置红外截止膜，并改变滤色片阵列模式，引入全光谱响应的白色滤色片，从而只用一颗图像传感器芯片，也可达到暗光场景的全彩效果，尤其在夜晚环境中接受红外信号，提高芯片在不同环境中的感度，使得芯片在极端黑暗的场景中也可以准确还原图像和色彩。

在整个说明书中对“一个实施例”，“实施例”，“一个示例”或“示例”的引用意味着结合该实施例或示例描述的特定特征，结构或特性包括在至少一个实施例中。或者本发明的例子。因此，在整个说明书中各处出现的诸如“在一个实施例中”或“在一个示例中”的短语不一定都指代相同的实施例或示例。此外，特定特征，结构或特性可以在一个或多个实施例或示例中以任何合适的方式组合。诸如“顶部”，“向下”，“上方”，“下方”的方向术语用于参考所描述的附图的方向。此外，除非另外特别说明，否则术语“具有”，“包括”，“含有”和类似术语被定义为表示“包含”。特定特征，结构或特性可以包括在集成电路，电子电路，组合逻辑电路或提供所描述的功能的其他合适的组件中。另外，应当理解，此处提供的附图仅用于解释本领域普通技术人员的目的，并且附图不一定按比例绘制。

本发明的所示示例的以上描述(包括摘要中所描述的内容)并非旨在穷举或限于所公开的精确形式。尽管出于说明性目的在本文中描述了本发明的特定实施例和示例，但是在不脱离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以进行各种等同修改。实际上，应当理解，提供具体的示例结构和材料是出于解释的目的，并且根据本发明的教导，其他结构和材料也可以用于其他实施例和示例中。根据以上详细描述，可以对本发明的实施例进行这些修改。以下权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书和权利要求中公开的特定实施例。相反，范围完全由以下权利要求确定，所述权利要求应根据权利要求解释的既定原则来解释。

本发明实施方案中给出的各实施例，包含但不限于对本发明所提出的发明内容的解释和说明。上述实施例仅用于解释之目的，并不构成对本发明的限制。对本发明各实施例进行的合理的修订。