专利名称：用于图像传感器的最佳化光导阵列的制作方法
用于图像传感器的最佳化光导阵列
相关申请案的交叉参考本申请要求2009年11月5日递交的第61/258，581号美国临时专利申请和2009年11月8日递交的第61/259，180号美国临时专利申请的优先权。
本发明的背景
1.技术领域
所公开的主题总地涉及用于制造固态图像传感器的结构和方法。
2.背景技术
摄影设备(例如，数字相机和数字摄录像机)可以包含电子图像传感器，所述电子图像传感器捕捉光以供处理成静止图像或视频图像。电子图像传感器通常包含数百万个光电转换单元，例如光电二极管。
固态图像传感器可以为电荷耦合器件(CCD)类型或互补金属氧化物半导体 (CMOS)类型中的任一者。在任一类型的图像传感器中，光电转换单元被形成在衬底中并且被排列成二维阵列。图像传感器通常包含数百万个像素，以提供高分辨率图像，每个像素包括一光电转换单元。为改进光捕捉的效率，某些图像传感器具有光导(或波导)，以引导光朝向所述光电转换单元。所述光导可以包括透光材料(例如氮化硅，如Si3N4),透光材料的折射率高于周围绝缘材料(例如，氧化硅)的折射率，使得在光导的侧壁处存在全内反射以防止光外泄。可替换地，所述光导可以在侧壁上具有金属涂层以提供反射并且填充有透明材料(例如，氧化硅或有机树脂或旋涂玻璃(SOG))。像素可以包括多于一个光导，所述光导中的一个堆叠在另一个之上以形成级联式光导。在距衬底任一高度处的光导通常彼此相距给定间距，并且在距衬底任一给定高度处共享一共用水平剖面轮廓。保持恒定的间距提供对沿左到右和顶到底方向(平行于像素阵列的平面)投影在图像传感器面上的图像的均勻采样，因此更好地与像素在显示器(例如计算机显示器)和打印机上的排列方式匹配。发明内容
根据本公开的第一方面，一种图像传感器包括像素阵列，所述像素阵列包含多个像素，其中每个像素包含(a)光电转换单元，所述光电转换单元在绝缘层下面并且在也被埋置在所述绝缘层中的多条连线下面；以及(b)光导，所述光导被埋置在所述绝缘层中并且在所述多条连线之间，以将光传送到所述光电转换单元，其中，五个或更多个像素之中的每一对连续像素的所述光导之间的水平间隔跨所述五个或更多个像素非单调地变化，所述五个或更多个像素在一方向上并排地排列并且在所述多个像素之中。所述光导可以包含染料或彩色颜料。所述彩色颜料可以为有机颜料，或无机颜料，或有机金属颜料。
在所述第一方面，期望所述五个或更多个像素之中的每一对连续像素的所述光导之间的水平间距跨所述五个或更多个像素非单调地变化。进一步期望所述水平间距跨所述五个或更多个像素变化0. 1 μ m或以上。更进一步期望所述水平间距跨所述五个或更多个像素变化0. 2μπι或以上。
在所述第一方面，所述像素可以进一步包含彩色滤光器，所述彩色滤光器被耦合来经由所述光导将光传送到所述光电转换单元，在所述五个或更多个像素之中的每一对连续像素的彩色滤光器之间存在间隙，所述间隙具有跨所述五个或更多个像素非单调地变化的宽度。期望所述间隙宽度跨在一方向上并排地排列的十六个像素变化0. 1 μ m或以上。更期望所述间隙宽度跨所述十六个像素变化0. 2 μ m或以上。
在所述第一方面，所述像素可以进一步包含彩色滤光器，所述彩色滤光器被耦合来经由所述光导将光传送到所述光电转换单元，在所述五个或更多个像素之中的每一对连续像素的彩色滤光器之间存在间隙，并且间隙间距(gap pitch)跨所述五个或更多个像素非单调地变化，所述间隙间距为所述间隙的每一对连续中心线之间的水平距离(在平行于光电转换单元的平面的平面内)。期望所述间隙间距跨在一方向上并排地排列的十六个像素变化0. 1 μ m或以上。更期望所述间隙间距跨所述十六个像素变化0. 2 μ m或以上。
所述间隙可以包含空气或气体。可替换地，所述间隙可以包含液体或固体材料，所述液体或固体材料具有比所述彩色滤光器的折射率低至少20%的折射率。还期望所述间隙在邻近彩色滤光器之间具有不大于0. 45 μ m的宽度。进一步期望所述间隙用凸顶板作为顶部。更进一步期望从彩色滤光器的底部到凸顶板的顶部具有至少0. 6 μ m。
根据本公开的第二方面，一种图像传感器包括像素阵列，所述像素阵列包含多个像素，其中每个像素包括(a)光电转换单元，所述光电转换单元在绝缘层下面并且在也被埋置在所述绝缘层中的多条连线下面；以及(b)光导，所述光导被埋置在所述绝缘层中并且在所述多条连线之间，以将光传送到所述光电转换单元，其中所述光导具有跨五个或更多个像素非单调地变化的宽度。进一步期望，在所述五个或更多个像素之中被配置来仅检测较短波长的光的像素的所述光导的宽度小于在所述五个或更多个像素之中被配置来检测较长波长的光的另一像素的所述光导的宽度。还进一步期望，蓝色像素的所述光导的宽度小于红色像素的所述光导的宽度。还进一步期望，蓝色像素的所述光导的宽度小于绿色像素的所述光导的宽度。还进一步期望，绿色像素的所述光导的宽度小于红色像素的所述光导的宽度。
在上文中，期望所述彩色滤光器包含着色剂。所述着色剂可以为染料或彩色颜料。 所述颜料可以为有机颜料、无机颜料，或有机金属颜料。
根据本公开的第三方面，提供一种用于使用图像传感器来检测图像的方法，所述方法包括(a)在绝缘层和被埋置在所述绝缘层中的多条连线下面提供多个光电转换单元；以及(b)提供被埋置在所述绝缘层中并且在所述多条连线之间的多个光导，以将光传送到所述光电转换单元，其中，五个或更多个像素之中的每一对连续像素的光导之间的水平间隔跨所述五个或更多个像素非单调地变化，所述五个或更多个像素在一方向上并排地排列并且在所述多个像素之中。
在所述第三方面，期望所述图像传感器具有来自所述第一方面的合乎期望的特征中的任一者。
根据本公开的第四方面，一种图像传感器包括像素阵列，所述像素阵列包括多个像素，其中每一像素包括(a)光电转换单元，所述光电转换单元在绝缘层下面并且在也被埋置在所述绝缘层中的多条连线下面；以及(b)光导，所述光导被埋置在所述绝缘层中并且在所述多条连线之间，以将光传送到所述光电转换单元，其中，五个或更多个像素之中的每一对连续像素的光导之间的水平间隔跨所述五个或更多个像素在增大与减小之间交替， 所述五个或更多个像素在一方向上并排地排列并且在所述多个像素之中。所述光导可以包含染料或彩色颜料。所述彩色颜料可以为有机颜料，或无机颜料，或有机金属颜料。
在所述第四方面，所述像素可以进一步包含彩色滤光器，所述彩色滤光器被耦合来经由所述光导将光传送到所述光电转换单元，在所述五个或更多个像素之中的每一对连续像素的彩色滤光器之间存在间隙，所述间隙具有跨所述五个或更多个像素在增大与减小之间交替的宽度。期望所述间隙宽度跨在一方向上并排地排列的十六个像素变化0. ιμπι 或以上。更期望所述间隙宽度跨所述十六个像素变化0. 2 μ m或以上。
在所述第四方面，所述像素可以进一步包括彩色滤光器，所述彩色滤光器被耦合来经由所述光导将光传送到所述光电转换单元，在所述五个或更多个像素之中的每一对连续像素的彩色滤光器之间存在间隙，并且间隙间距跨所述五个或更多个像素在增大与减小之间交替，所述间隙间距为所述间隙的每一对连续中心线之间的水平距离(在平行于光电转换单元的平面的平面内)。期望所述间隙间距跨在一方向上并排地排列的十六个像素变化0. 1 μ m或以上。更期望所述间隙间距跨所述十六个像素变化0. 2 μ m或以上。
根据本公开的第七方面，一种图像传感器包括像素阵列，所述像素阵列包括多个像素，其中每一像素包括(a)光电转换单元，所述光电转换单元在绝缘层下面并且在也被埋置在所述绝缘层中的多条连线下面；以及(b)光导，所述光导被埋置在所述绝缘层中并且在所述多条连线之间，以将光传送到所述光电转换单元，其中所述光导具有跨五个或更多个像素在增大与减小之间交替的宽度。进一步期望，在所述五个或更多个像素之中被配置来仅检测较短波长的光的像素的所述光导的所述宽度小于在所述五个或更多个像素之中被配置来检测较长波长的光的另一像素的所述光导的所述宽度。还进一步期望，蓝色像素的所述光导的宽度小于红色像素的所述光导的宽度。还进一步期望，蓝色像素的所述光导的宽度小于绿色像素的所述光导的宽度。还进一步期望，绿色像素的所述光导的宽度小于红色像素的所述光导的宽度。
根据本公开的第八方面，提供一种用于使用图像传感器来检测图像的方法，所述方法包括(a)在绝缘层和被埋置在所述绝缘层中的多条连线下面提供多个光电转换单元；以及(b)提供被埋置在所述绝缘层中并且在所述多条连线之间的多个光导，以将光传送到所述光电转换单元，其中，五个或更多个像素之中的每一对连续像素的光导之间的水平间隔跨所述五个或更多个像素在增大与减小之间交替，所述五个或更多个像素在一方向上并排地排列并且在所述多个像素之中。
在所述第八方面中，期望所述图像传感器具有来自所述第四方面的合乎期望的特征中的任一者。
图IA为示出本发明的实施方案的四个图像传感器像素的剖面的说明；
图IB为针对图IA的四个图像传感器像素的相同剖面的光线跟踪图2A为示出阵列内的十五个像素的俯视图的说明；
图2B示出十五个像素的相同俯视图3为示出可替代实施方案的四个图像传感器像素的剖面的说明；
图4为示出为最佳实施方式的可替代实施方案的四个图像传感器像素的剖面的说明；
图5为示出可替代实施方案的四个图像传感器像素的剖面的说明；
图6为图像传感器的示意图7为针对图4中所示出的第三实施方案的光线跟踪图。
图 8A 为原色拜耳图案(primary color Bayer pattern)的说明；
图8B为旋转45度的原色拜耳图案的说明；
图9为4T像素的示意图10为3T像素的示意图。
具体实施方式
所公开的一种图像传感器，所述图像传感器具有像素阵列，所述像素阵列包括每个包含光电转换单元的多个像素。所述像素中的每一者包括光导，所述光导被埋置在绝缘层中并且在也被埋置在所述绝缘体层中的多条连线之间，以将光传送到所述光电转换单元。检测较短波长的光的像素的光导可以在其底部具有一宽度(“底部宽度”)，所述宽度小于仅检测较长波长的光的另一像素的光导。所述光导的底部处的垂直中心线距一横侧上的邻近像素的光导的垂直中心线的距离可以大于距一相对的横侧上的邻近像素的光导的垂直中心线的距离。所述光导的底部与一横侧上的邻近像素的光导的底部之间的间隔(“底部间隔”)可以大于所述光导的所述底部与一相对的横侧上的邻近像素的光导的底部之间的间隔。所述像素可以包括彩色滤光器，所述彩色滤光器包括色彩材料。在所述多个像素之中的每一对并排像素的彩色滤光器之间可以存在间隙。在一对并排像素与另一对并排像素之间，间隙的宽度(“间隙宽度”)可以不同。跨在一方向上并排地排列的三个或三个以上像素的间隙的间距(“间隙间距”)可以变化15%或以下。在图像传感器中，并且特定地在彩色图像传感器中，具有以上技术特征中的一个或更多个允许在绝缘层下以及在绝缘层内的集成电路特征(例如，栅电极、多晶触点(poly contact)、连线以及扩散触点)的较高布局密度。衬底支撑光电转换单元，并且可以为轻掺杂成第一导电性类型(优选为P型) 的半导体衬底，并且进一步优选地具有在kl4/cm3与kl5/cm3之间的掺杂浓度。衬底106 可以为掺杂浓度超过lel9/cm3的重掺杂ρ衬底上的ρ外延层(ρ-印i layer)。例如，衬底 106可以具有以kl4/cm3与kl5/cm3之间的浓度掺杂有硼的硅，如在重掺杂ρ+衬底上的常规P外延层(未图示)。
参见附图，更特定地通过参考数字，图6说明图像传感器10，所述图像传感器10包括像素14的阵列12，所述阵列12通过一组控制信号22连接到行解码器20，并且通过从像素14产生的输出信号18连接到光读取器电路16。光读取器电路16对从像素14产生的输出信号18进行采样，并且可以对输出信号18的样本执行减法和放大，以产生被提供给模/ 数转换器(ADC)M的模拟信号。ADC M将所述模拟信号转换成ADC输出总线66上的数字图像数据。如果图像传感器10为彩色图像传感器，那么像素阵列12包括彩色滤光器阵列， 所述彩色滤光器阵列包括以针对每一像素14有一个彩色滤光器的方式以二维方式排列的彩色滤光器。
图8A说明彩色滤光器阵列的实施例，所述彩色滤光器阵列可以被设置在像素阵列12之上，并且作为像素阵列12的部分。图8A示出拜耳原色图案，所述图案包括彩色滤光器的2X2块(虚线内)的重复的二维阵列，所述彩色滤光器每个具有绿色(G)、红色(R)以及蓝色(B)中的一者。一对绿色滤光器沿着所述2X2块的一个对角线设置。一红色滤光器以及一蓝色滤光器所组成的对沿着另一条对角线设置。在彩色滤光器阵列的此实施方案中，所述彩色滤光器在页面上从左到右并且在页面上从上到下并排地排列。
图8B说明图8A中所示出的彩色滤光器阵列的可替代实施方案。在此变化中，彩色滤光器排列的方向相对于从左到右和从上到下方向，以及相对于图像扫描的从底到顶方向(以向上指的箭头示出)旋转45度。像素14在使用此彩色滤光器阵列的图像传感器10 的实施方案中被同样地排列。
图9示出像素阵列12的像素14的实施方案的示意图。像素14包括光电转换单元102。举例来说，所述光电转换单元102可以为光电二极管。所述光电转换单元102可以经由传输门117被连接到复位开关112。光电转换单元102还可以经由输出(S卩，源极随耦器)晶体管116被耦合到选择开关114。晶体管112、114、116、117可以为场效晶体管 (FET)。传输门112的栅极被连接到TF(η)线121。复位开关112的栅极连接到RST(η)线 118。复位开关112的漏极节点可以被连接到IN线120。选择开关114的栅极被连接到SEL 线122。选择开关114的源极节点被连接到OUT线124。RST (η)线118、SEL (η)线122以及TF(n)线1 可以为像素阵列12中的整行像素所共享。同样地，IN线120以及OUT线 1 可以为像素阵列12中的整列像素所共享。RST (η)线118、SEL(n)线122以及TF(η)线 121被连接到行解码器20，并且为控制线22的部分。OUT(m)线1 被连接到光读取器16， 并且为垂直信号线18的部分。
图IA示出衬底106上的彩色图像传感器10的像素阵列12中的四个邻近像素14 的实施方案，所述四个邻近像素14在一方向上并排地排列。所示出的每个像素14包括光电转换单元10 或102b，光电转换单元10 或102b将光子能量转换成电荷。对于使用4T 像素架构(例如图9中所示出)的像素阵列12或其变体(如在多对光电二极管102与传送输关117之中共享复位开关112、选择开关114以及输出晶体管116)，栅电极104a、104b 可以每个为用以传输电荷的不同传输开关117的栅电极。可替换地，对于使用3T像素架构 (例如图10中所示出)的像素阵列12，栅电极104a、104b可以分别为用以复位光电转换单元l(^a、102b的不同复位开关112的栅电极。栅电极l(Mc可以为像素阵列12之中服务不同功能的晶体管(例如，复位开关112，或选择开关114，或输出晶体管116)的栅电极。栅电极l(Ma、104b、l(Mc以及转换单元102a、102b形成在衬底106上或衬底106中。栅电极 104a、104b、104c，光电转换单元102a、102b,以及衬底106可以被覆盖在保护层230之下，所述保护层230包括氮化硅并且具有200埃到1000埃之间的厚度。保护层230使衬底106 与金属离子和湿气隔绝。一层绝缘层110覆盖衬底106。连线108被埋置在绝缘层110中并且在栅电极l(Ma、104b、l(Mc之上。连线108可以为包括铝或铜的导电互连连线。其他互连连线(未图示)可以形成在其他布线平面内，每一平面包括多条互连连线(所述多条互连连线可以是金属性的)，并且在栅电极104a、104bU04c之上与连线108不同的高度处。 连线108可以借助于导电(例如，金属)通路(via)连接，导电通路交叉到在不同高度的邻近布线平面上的互连连线。
光电转换单元l(^a、102b可以分别与下光导316a、316b配对，下光导316a、316b 被埋置在绝缘层110中并且在连线108之间。下光导316a、316b可以包括折射率高于绝缘层110(为外部材料，例如，氧化硅)的透光材料(例如，如Si3N4等氮化硅)，并且使用所述光导和所述外部材料之间的全内反射来帮助防止光外泄出所述下光导。可替换地，下光导可以被填充有例如旋涂玻璃(SOG)的透明材料或有机材料的透明树脂，并且可以甚至包括色彩材料(例如，有机或无机颜料或有机金属颜料)，并且在其侧壁上具有反射金属涂层 (反射金属涂层类型)，以向内反射光从而帮助防止光外泄出所述下光导。
上光导130可以位于下光导316a、316b之上，并且可以包括与下光导316a、316b 相同的材料或不同的材料。上光导130和下光导316a、316b可以两者均为全内反射类型， 或两者均为反射金属涂层类型，或其中一者可以为一种类型，而另一者为另一类型。上光导 130的顶端宽于底端，在底端处上光导130会合下光导316a、316b。
彩色滤光器114a、114b位于上光导130之上。彩色滤光器114a、114b可以每个包括不同的色彩材料或着色剂，例如染料，或有机或无机或有机金属颜料。彩色滤光器可以包括其中溶解有染料或悬浮有有机或无机或有机金属彩色颜料的树脂，其中所述树脂可以为有机的，或包括具有例如甲基、乙基或苯基等至少一有机基团的聚合物(一实施例为硅酮)。可替换地，彩色滤光器可以包括透光无机材料(例如，氮化硅)，透光无机材料中散布有彩色颜料(例如，如氧化铁等无机彩色颜料、钴或锰或锌或铜颜料，或有机金属颜料，或复合无机彩色颜料)的微粒。彩色滤光器lHa、114b在白光中呈现不同色彩。优选地，每个在400nm到700nm的波长(空气中)之间分别具有为至少50%的最高透射率以及至多 10%的最低透射率。可替换地，最高透射率与最低透射率之间的比率将大于4比1。
如图IA中所示出，邻近彩色滤光器114a、114b之间具有间隙。彩色滤光器114a、 114b之间的间隙42加、42沘具有0. 45 μ m或以下的宽度。间隙42加、42 可以被填充有空气或气体。间隙42h、422b在邻近彩色滤光器之间可以具有0.6μπι或以上的深度。具有上面所提出的尺寸限制的间隙使间隙内的光转向到邻近彩色滤光器中，并且随后由光导导引到光电转换单元10 或102b。因此，由于光穿过间隙422a、422b并且向下穿透到间隙 422a,422b下面而引起的照射于像素上的光的百分比损失(下文中“像素损失”)实质上被减小。
彩色滤光器114a(或114b)以及上光导130和下光导316a(或316b) —起构成 “级联式光导”，所述级联式光导借助于在与外部媒介(例如绝缘体110)的界面处的全内反射而将光导引到光电转换单元102a(或102b)。(可替换地，上和下光导中的一者或两者可以具有用来向内反射光的金属侧壁。)在图IB的光线跟踪图中，示出光线a、b、e以及f经历在彩色滤光器和/或上光导以及下光导的侧壁处的反射。落在第二像素以及第三像素的彩色滤光器之间的较宽间隙中的光线c以及d分别被转向到第二像素和第三像素的彩色滤光器中并且到达相应的光电转换单元。
图3示出图像传感器10的可替代实施方案，其中邻近彩色滤光器之间的间隙 42h、422b被覆盖在透明膜500下，并且支撑膜134被填充在邻近的上光导134之间。如果上光导130为全内反射类型，那么支撑膜134将具有低于上光导130的折射率。间隙42加、 422b的顶板(Ceiling)510相对于透明膜500可以为凹入的(即，相对于间隙为凸起的)， 例如呈圆顶形状。间隙42h、422b可以包含空气或气体。从间隙之上进入间隙从并且与凸顶板交叉的光朝邻近彩色滤光器偏向。
图4示出可替代实施方案，其中图3中的实施方案被进一步修改，使得彩色滤光器 114a、114b具有向内倾斜的侧壁，并且支撑膜134具有与彩色滤光器侧壁的界面。如在第二实施方案中，从左到右跨四个像素，连续彩色滤光器之间的间隙变得较宽，接着较窄，接着再次较窄。尽管间隙在间隙内的不同高度处具有不同宽度，但对于较宽间隙422b'和较窄间隙42 '之间的比较而言，在切过所述彩色滤光器以及彩色滤光器之间的间隙的一水平位置(即，平行于光电转换单元的平面的水平位置)测量所述间隙宽度是足够的，如图4 中所示出的。同样地，对于一对连续间隙之间的较宽间距与另一对连续间隙之间的较窄间距之间的比较而言，在相同的水平位置测量是足够的。图7为光线跟踪图，其示出进入两个彩色滤光器114a、114b之间的间隙的光光线的轨迹。顶板的凸度用来使光光线朝所述彩色滤光器中的一个偏向。从彩色滤光器的底部到邻近顶板的顶部的高度将为0.6 μ m或以上。 此举为从所述顶板进入间隙(在顶板下面并且横向地邻近于彩色滤光器)以被偏向到邻近彩色滤光器中的光提供足够深度。例如，将从第一(从左边数)彩色滤光器IHa的底部到第一彩色滤光器IHa与第二彩色滤光器114b之间的顶板510a的顶部测量的高度标注为 Ha。同样地，将从第二彩色滤光器114b的底部到第二彩色滤光器114b与第三彩色滤光器 114a之间的顶板510b的顶部测量的高度标注为Hb。
图5示出可替代实施方案，其中省去上光导130，并且替代地将微透镜318放置在下光导316^31 之上，其中在微透镜318与光导316^31 之间具有透明平坦化层320。 微透镜318使光聚焦到光导316a、316b的上孔口中，光导316a、316b的上孔口又将光向下传送到其相应的光电转换单元l(^a、102b。对于彩色图像传感器，光导316^31 可以包括着色剂，例如染料，或有机或无机或有机金属颜料，以根据像素阵列12的色彩图案(例如， 拜耳图案)的多个色彩给予光导316a、316b不同色彩。
可替换地，图1A、图3、图4以及图5中所示出的实施方案中的间隙422a、422b可以包含透明(液体或固体)介质，只要所述透明介质的折射率比所述彩色滤光器的折射率低至少20%即可。例如，所述透明介质可以为折射率在1. 4与1. 5之间的树脂，而所述彩色滤光器包括氮化硅的微粒，所述氮化硅的微粒的密度被调整以使得其折射率变成1. 7或以上。
被埋置在绝缘体层110中并且在连线108之间来仅传送较短波长光的一光导可以在其底部具有小于用来传送较长波长光的另一光导的宽度(“底部宽度”)，而不管所述光导是使用全内反射来防止光外泄还是在其侧壁上使用金属涂层。参见图1A，彩色滤光器11 可以为蓝色滤光器，所述彩色滤光器114a针对空气中在400nm到500nm之间的波长的透射率高于针对其他波长的透射率(因此它们的像素为蓝色像素)，并且彩色滤光器 114b可以为绿色滤光器，所述彩色滤光器114b针对空气中在500nm到600nm之间的波长的透射率好于针对其他波长的透射率(因此它们的像素为绿色像素)。因此，传送蓝光的下光导316a (针对所述蓝色像素)的底部318a具有的底部宽度Wa小于仅传送绿光的下光导 316b (针对所述绿色像素)的底部318b的底部宽度Wb (Wa < Wb)。一般来说，下光导316a窄于下光导316b。可替换地，图IA中所示出的彩色滤光器114b可以为红色滤光器，所述彩色滤光器114b针对空气中在600nm与700nm之间的波长的透射率高于针对其他波长的透射率(因此它们的像素为红色像素)。可替换地，彩色滤光器IHa可以为绿色滤光器，而彩色滤光器114b为红色滤光器。
图IA还示出底部宽度跨在一方向上并排地排列的多个像素非单调地变化。在图 IA中，从左到右，底部宽度的序列为Wa、Wb、Wa、Wb，其中Wa< Wb，呈现{增大、减小、增大}的变化序列。在可替代实施方案中，底部宽度的非单调的不同变化序列是可能的，即，底部宽度增大，接着减小，并且进一步接以另一增大；和/或减小，接着增大，并且进一步接以另一减小。特定地，变化序列可以为重复的非单调序列。例如，底部宽度的变化可以遵循重复的 {增大、无改变、减小、增大、减小}模式。
在图IA中，彩色滤光器11 可以为蓝色滤光器，并且下光导316a在其底部具有底部宽度Wa。进一步在图IA中的右边，彩色滤光器114b可以为绿色滤光器，并且下光导 316b在其底部具有底部宽度Wb，其中底部宽度Wb大于底部宽度Wa (Wa < Wb)。对于被埋置在绝缘层110中用来传送波长至多达500nm的光的下光导，其底部宽度优选地在0. 2 μ m到 0. 35 μ m之间，更优选地为0. 27 μ m± 10 %。对于用来传送波长至多达600nm的光的下光导，其底部宽度应优选地在0. 25 μ m到0. 4 μ m之间，更优选地在0. 33 μ m士 10%内。对于用来传送波长至多达700nm的光的下光导，其底部宽度应优选地在0. 3 μ m到0. 5 μ m之间， 更优选地在0.4ym±10%内。在底部具有较小宽度允许绝缘体110之下的集成电路特征 (例如，栅电极l(Ma、104b以及104c、多晶硅触点以及扩散触点)的较高集成密度(packing density)0
所述间隙422a、422b可以使在并排像素的彩色滤光器之间的间隙的宽度(“间隙宽度”)在所述间隙自身之间非单调地变化。跨第一、第二以及第三像素，所述像素在一方向上以此次序并排地被排列，第一像素和第二像素之间的间隙可以宽于第二像素和第三像素之间的间隙。例如，图IA示出在一特定方向上并排地排列的四个邻近像素之间的两个不同的间隙宽度Va、Vb。
在间隙宽度非单调地变化的同时，连续间隙42加、422b的中心线之间的距离 P( “间隙间距”)跨在一方向上并排地排列的五个或更多个像素可以维持基本上恒定(即， 在其最大值的5%内)。
可替换地，可以允许间隙间距P的非单调变化，所述非单调变化跨在一方向上并排地排列的预定数目个像素具有为其最大值的至多20%的最大值对最小值 (maximum-to-minimum)差。所述预定数目可以小于16，更优选地不大于8。更特定地，间隙间距P跨在一方向上排列的像素可以交替地增大和减小。针对1 μ m的平均像素间距，间隙间距P可以变化多达0. Ιμπι，较优选地0.2μπι。使间隙间距P连同底部间隔(或更一般地，连续下光导之间的水平间隔)非单调地变化给予下光导更优化地放置它们自身的更多自由，同时保持良好的光捕捉。以此方式，下光导可以移向一侧以使该侧上的间隔较窄，同时使相对的侧上的间隔足够地更宽，以容纳例如栅电极或扩散触点的附加集成电路特征， 由此帮助支撑更密集的像素阵列。
跨在一特定方向上并排地排列的五个或更多个像素在垂直剖面中的连续下光导的垂直中心线之间的距离(“底部间距”)可以具有非单调变化。例如，图IA示出左边的三个下光导316a、316b的垂直中心线(在图IA中示出为垂直虚线)之间的两个不同的底部间距Xa、Xb。较大底部间距)(b在间隙422b的较大间隙宽度Vb下面，而较小底部间距Xa在第一间隙42 的较小间隙宽度Va下面。与较小底部间距Xa相比，较大底部间距)(b帮助在绝缘层110之下容纳更多集成电路特征。
如图IA示出，第一像素(从左边数)和第二像素之间的底部间隔&与第三像素和第四像素之间的底部间隔&相同，并且小于第二像素和第三像素之间的底部间隔Sb。第二像素和第三像素之间的较大底部间隔&在绝缘体之下或衬底106之上并且邻近于衬底106 容纳更多集成电路特征，这样的特征包括栅电极(例如，如图IA中所示出的栅电极104b、 I(Mc)、多晶硅触点(未图示)、扩散触点(未图示)以及连线。在光导之间具有均勻间隔的常规像素阵列将必须使所有间隔的宽度等于Sb，即使在第一像素和第二像素之间以及第三像素和第四像素之间无需这样的较宽间隔，从而导致小于最佳像素密度的问题。
图2A为从上方向下看所述像素阵列12的俯视图，示出在像素阵列12的第一、第二以及第三实施方案的三个行和五个列中的十五个像素14，其中像素在从左到右和从上到下方向上并排地排列。间隙的中心线以每对并排像素之间的粗灰线绘制。区域B表示上光导130的顶部表面区域，而区域C表示下光导316a、316b的底部表面区域。区域A减区域B 为彩色滤光器之间的间隙42h、422b的区域，其中A表示像素区域。图2A示出区域B与C 的四个不同对=B1和C” B2和C2, B3和C3,以及B4和C40这四个不同的对以规则图案重复。
可以将图IA看作图2A中的中间行的第一到第四像素(从左边数)的垂直剖面。 在此上下文中，va = t3、vb = t4、Sa = S3并且Sb = S40
如图2A示出，并排像素的彩色滤光器之间的间隙具有重复的宽度mtpUi、 U2、U3以及u4。沿着图2A中任何从左到右或者从上到下切割，间隙宽度、至t4或U1至U4 在它们自身之间变化，而从一第一间隙的中心线到下一第一间隙的中心线的间距P保持恒定。间隙宽度跨在垂直于所述间隙的方向上并排地排列的多个像素而变化，所述方向在图 2A中针对在像素的左边或右边(如在图2A中向下看像素阵列的俯视图中所示出)的间隙是从左到右(或从右到左)，或者，针对在像素的之上或之下(再次，如在图2A中向下看像素阵列的俯视图中所示出)的间隙是从上到下(或从下到上)。所述变化是非单调的，即， 增大，接着减小，又接以另一增大；和/或减小，接着增大，进一步接以另一减小。例如，在顶部行中，从左到右，间隙宽度以序列Wtyt1变化，其中t2 < t1;其呈现{增大、减小、 增大}模式的变化序列；在中间行中，间隙宽度以序列t3、t4、t3、t4变化，其中t3 < t4，其呈现{增大、减小、增大}模式的变化序列；并且在底部行中，与顶部行的序列相同的序列。 更特定地，间隙宽度跨在一方向上排列的并排像素在较宽间隙宽度和较窄间隙宽度之间交替。尽管在间隙宽度的这两个序列中的每一者中，示出间隙宽度的变化在增大和减小之间交替，但在可替代实施方案中，间隙宽度的不同变化序列是可能的，只要其是非单调的。特定地，变化序列可以为重复的非单调序列。例如，间隙宽度的变化可以遵循重复的{增大、 无改变、减小、增大、减小}模式。
同样地，图2A还示出底部间隔可以跨在一方向上并排地排列的像素而变化。例如，在中间行中，从左到右，底部间隔的序列在^和&之间交替，其中S4，呈现{增大、 减小、增大}的变化序列。更特定地，底部间隔跨在一方向上并排地排列的像素在较大间隔和较小间隔之间交替。采用光导的常规图像传感器像素阵列以彼此均勻地移置的方式来放置光导，因此不能利用光导之间太小而不能容纳集成电路特征(例如栅电极)的小空间。图 2A中所示出的实施方案能够使第二行左边的两个光导彼此更靠近，并且还使第二行的接下去的两个光导彼此更靠近，以便在中间(即，第二光导和第三光导之间)形成较宽空间，使得附加栅电极KMc可以被容纳在其中。在光导之间具有均勻间隔的常规像素阵列将不得不使所有间隔是较宽的，即使仅在横向地邻近的光导的某些对之间需要较宽间隔。在可替代实施方案中，底部间隔的任何变化序列是可能的，只要变化序列是非单调的，即，底部间隔增大，接着减小，并且进一步接以另一增大；和/或减小，接着增大，并且进一步接以另一减小。特定地，变化序列可以为重复的非单调序列。例如，底部间隔的变化可以遵循重复的 {增大、增大、减小、增大、减小}模式。图2A还示出底部宽度在第二行中以底部宽度序列Wa、Wb、Wa、Wb、Wa从左到右非单调地变化，其中Wa <wb，呈现{增大、减小、增大、减小}的变化模式，所述变化模式是非单调的。特定地，对于在顶部两个行和最左边的两个列中的四个像素，示出底部区域C3的底部宽度最小，底部区域C1的底部宽度最大，而底部区域C2和C4的底部宽度是中间的。在原色拜耳图案用于像素阵列12之上的彩色滤光器的实施方案中，具有底部区域C2和C4的像素可以为绿色像素，具有底部区域C1的像素可以为红色像素，并且具有底部区域C3的像素可以为蓝色像素。在交替像素在两种不同色彩之间交替的方向上，下光导的宽度应类似地交替， 使得下光导和它们的间隔具有用于导引被检测光的最佳大小，同时还最佳化用于集成电路特征的空间。因此，在底部区域C3对应于蓝色像素并且底部区域C4对应于绿色像素的该实施例中，在第二行中，其中交替像素在从左到右方向上在蓝色像素和绿色像素之间交替， 光导的宽度相应地被最佳化，在较窄宽度(针对蓝色像素)和较宽宽度(针对绿色像素) 之间交替，节约所述光导之间的空间以用于放置集成电路特征(例如栅电极和触点)。同样地，在第一行中，其中交替像素在绿色像素和红色像素之间交替，光导的宽度在较窄宽度 (针对绿色像素)和较宽宽度(针对红色像素)之间交替。更一般地说，出于比较被埋置在绝缘层110中的光导的宽度的目的和比较这些光导之中的连续光导对之间的水平间隔的目的，可以在栅电极l(Ma、104b和连线108之间的水平位置(即，平行于光电转换单元的平面的水平位置)处测量宽度和水平间隔。在该高度范围内，水平间隔(并且因此所述宽度)是相关的，因为它影响绝缘层110中和/或绝缘层 110下的集成电路特征可以集成在一起的密集程度，这样的集成电路特征包括栅电极、多晶硅布线连线(未图示)、多晶硅触点(未图示)、扩散触点(未图示)以及金属连线。如图IA 中所示出，该水平间隔应该跨在一方向上并排地排列的五个或更多个像素非单调地变化， 以允许光导移向一侧以占据太小而不能容纳集成电路特征的小空间，使得更多空间聚集在另一侧上以变得足够来容纳集成电路特征。优选地，该单调性跨在一方向上并排地排列的八个或更少个的像素自身呈现。更优选地，该单调性跨八个或更少个的像素在连续光导之间呈现最宽水平间隔和最窄水平间隔之间的0. 1 μ m或以上的差异。再更优选地，所述差异为0.2μπι或以上。使光导的该宽度尽可能小(而不妨碍光的传送)有助于使水平间隔加宽，由此有益于绝缘层110中和绝缘层110之下的集成电路特征的更密集的集成以及像素阵列12中的像素的更密集的集成。优选地，如图IA中所示出，该宽度跨在一方向上并排地排列的五个或更多个像素非单调地变化以利用如下事实，即仅传送较短波长的光的光导的该宽度可以小于传输较长波长的光的光导的该宽度。对于被埋置在绝缘层110中用来传送在空气中的波长至多达500nm的光的光导，该宽度优选地在0. 2 μ m到0. 35 μ m之间，更优选地为0.27 μ m士 10%。对于用来传送在空气中的波长至多达600nm的光的光导，该宽度应优选地在0. 25 μ m到0. 4 μ m之间，更优选地在0. 33 μ m士 10%内。对于用来传送在空气中的波长至多达700nm的光的光导，该宽度应优选地在0. 3 μ m到0. 5 μ m之间，更优选地在 0. 4μπι 士 10% 内。非单调地变化在连线108和栅电极10 之间的水平位置(即，平行于光电转换单元的平面的水平位置)处的连续光导之间的水平间隔(或特定地，所述底部间隔)，和/或变化在连线108和栅电极104a(包括在内)之间的高度处的光导之间的水平间距(或特定地，底部间距)允许光导移向一侧，以占据太小而不能容纳集成电路特征的小空间，使得更多空间聚集在另一侧上以变得足够大来容纳集成电路特征。这在图IA中可见，其中，与如果所有下光导相等地间隔则将可能的情况相比，在第二下光导和第三下光导(从左边数) 之间的在连线108和栅电极l(Ma、104b、l(Mc(包括在内)之间的任何水平位置(即，平行于光电转换单元的平面的水平位置)处的连续光导之间的增大的水平间隔(或特定地，所述底部间隔。容纳额外的栅电极l(Mc。非单调地变化彩色滤光器之间的间隙宽度和/或间隙间距允许所述彩色滤光器以如下方式与相应的下光导一起移位，即使得相应下光导仍然被耦合来接收来自相应彩色滤光器的光。在间隙填充有空气或气体，或折射率低于彩色滤光器的液体或固体介质的情况下，或在凸顶板处于间隙之上(在顶板之上的折射率高于顶板之下的折射率的情况)的情况下，甚至在间隙宽度改变时，光仍能够从间隙偏向到彩色滤光器中。因此，在连续的第一、 第二、第三以及第四彩色滤光器的序列中，第二彩色滤光器可以被移置成更靠近第一彩色滤光器，并且第三彩色滤光器可以被移置成更靠近第四彩色滤光器，而所有四者在收集光方面仍为有效的。如图IB中所示出的，落在第二像素和第三像素的彩色滤光器之间的较宽间隙中的光线c和光线d仍由相应彩色滤光器捕捉，并且传送到相应的光电转换单元。在彩色滤光器之间具有间隙并且能够使一些间隙的间隙宽度减小，同时使在变得较窄的那些间隙之间的间隙加宽，这允许所述彩色滤光器下面的下光导在较窄间隙下面具有类似地减小的间隔，并且在加宽的间隙下面具有加宽的间隔，同时保持所涉及的像素的良好的光捕捉。图2B示出图2A中的十五个像素的相同的俯视图。可以将图IA看作沿着图2B 中的切割线ZZ'的从左边数的第一像素到第四像素的垂直剖面。底部区域内并且切割线 ZZ'上的粗“ + ”标记表示在垂直于衬底106并且包含切割线ZZ'的平面内这些像素的下光导的垂直中心线(在图IA中示出为虚线)。沿着切割线ZZ'的四个像素之间的底部间距 Xa、\被示出为非单调地改变。特定地，沿着切割线U'的底部间距的序列{Xa、\、Xa、)U 呈现{增大、减小、增大}模式。上面的描述已示出集成电路特征的集成密度可以通过在一方向上排列的像素的连续光导之间的水平间隔(特定地，底部间隔)的非单调变化而增强的方式。水平间隔(特定地，底部间隔)的非单调变化由以下各项中的任何一项或更多项中的的非单调变化的帮助在一方向上排列的像素的连续光导之间的水平间距(特定地，底部间距)、间隙宽度以及间隙间距。例如，可以允许间隙间距变化高达。优选地，变化的非单调性发生在一方向上并排地排列的较小数目的像素的范围内，例如32个像素，或者例如16个像素，或者更优选地在8个像素内。在这样的范围内，所述变化呈现增大，接着减小，进一步接以另一增大；或减小，接着增大，接以另一减小。上面的描述还示出如何集成密度可以通过针对光导所传送的不同色彩的光来最佳化被埋置在绝缘层中的光导的宽度来增强，以便占用可能的最少空间。仅仅传输较短波长的光的光导应窄于传输较长波长的光的光导。尽管已在附图中描述并示出某些示例性实施方案，但可以理解，这样的些实施方案仅仅是说明性的而非限制广义的本发明，并且本发明不限于所示出并且描述的特定构造和排列，因为本领域的普通技术人员可以想出各种其他的修改。例如，像素阵列中的像素可以在与从左到右和从上到下方向(平行于光电转换单元的平面)成45度的方向上并排地布置。例如，上/下光导的顶部/底部开口可以采取与矩形不同的形状，例如八边形或具有圆角的矩形。
权利要求
1.一种图像传感器，所述图像传感器包括像素阵列，所述像素阵列包括多个像素，每个像素包括光电转换单元，所述光电转换单元在绝缘层下面；以及，光导，所述光导被埋置在所述绝缘层中并且在也被埋置在所述绝缘层中的多条连线之间，以将光传送到所述光电转换单元，五个或更多个像素之中的每对连续像素的所述光导之间的水平间隔跨所述五个或更多个像素在增大和减小之间交替，所述五个或更多个像素在一方向上并排地排列并且在所述多个像素之中。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，所述每个像素进一步包括彩色滤光器，所述彩色滤光器被耦合来经由所述光导将光传送到所述光电转换单元， 在所述五个或更多个像素之中的每对连续像素的所述彩色滤光器之间存在间隙，所述间隙具有跨所述五个或更多个像素在增大与减小之间交替的宽度。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，所述每个像素进一步包括彩色滤光器，所述彩色滤光器被耦合来经由所述光导将光传送到所述光电转换单元， 在所述五个或更多个像素之中的每对连续像素的所述彩色滤光器之间存在间隙，间隙间距跨所述五个或更多个像素变化不大于0. 1 μ m，所述间隙间距为所述间隙的每对连续中心线之间的水平距离。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的图像传感器，所述每个像素进一步包括彩色滤光器，所述彩色滤光器被耦合来经由所述光导将光传送到所述光电转换单元， 在所述五个或更多个像素之中的每对连续像素的所述彩色滤光器之间存在间隙，间隙间距跨所述五个或更多个像素在增大与减小之间交替，所述间隙间距为所述间隙的每对连续中心线之间的水平距离。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的图像传感器，其中所述间隙包含空气或气体。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的图像传感器，其中所述间隙包含液体或固体材料，所述液体或固体材料具有比所述彩色滤光器的折射率低至少20%的折射率。
7.根据权利要求2至4中任一项所述的图像传感器，其中所述间隙在所述每对连续像素的所述彩色滤光器之间具有不大于0. 45 μ m的宽度。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述光导具有跨五个或更多个像素在增大与减小之间交替的宽度。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，在所述五个或更多个像素之中被配置来仅检测较短波长的光的一像素的所述光导的所述宽度小于在所述五个或更多个像素之中被配置来检测较长波长的光的另一像素的所述宽度。
10.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，蓝色像素的所述光导的所述宽度小于红色像素的所述光导的所述宽度。
11.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，蓝色像素的所述光导的所述宽度小于绿色像素的所述光导的所述宽度。
12.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，绿色像素的所述光导的所述宽度小于红色像素的所述光导的所述宽度。
13.根据权利要求2至7中任一项所述的图像传感器，其中所述彩色滤光器包含着色剂。
14.一种用于使用固态图像传感器检测图像的方法，所述方法包括在绝缘层下面并且在埋置在所述绝缘层中的多条连线下面提供多个光电转换单元；以及，在所述多条连线之间提供埋置在所述绝缘层中的多个光导，以将光传送到所述光电转换单元，五个或更多个像素之中的每对连续像素的所述光导之间的水平间隔跨所述五个或更多个像素在增大和减小之间交替，所述五个或更多个像素在一方向上并排地排列并且在所述多个像素之中。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述图像传感器进一步以权利要求2-13中的任一项为特征。
全文摘要
一种图像传感器具有在一像素阵列中的多个像素。每个像素包括在绝缘层下面的光电转换单元以及用以将光传送到所述光电转换单元的光导。跨在一方向上排列的五个或更多个像素，所述光导具有在所述光导之间的间隔，所述间隔跨所述五个或更多个像素非单调地变化。所述光导的宽度和/或连续光导之间的水平间距可以跨所述五个或更多个像素非单调地变化。仅检测较短波长的光的一像素的光导可以窄于检测较长波长的光的另一像素的光导。彩色滤光器可以被耦合到所述光导。连续彩色滤光器之间的间隙的宽度可以跨所述五个或更多个像素非单调地变化。所述间隙之间的间距可以跨所述五个或更多个像素非单调地变化。
文档编号H01L27/146GK102549750SQ201080041889
公开日2012年7月4日 申请日期2010年11月5日 优先权日2009年11月5日
发明者郑苍隆 申请人:郑苍隆