专利名称：具有嵌入光学元件的图像传感器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及具有嵌入光学元件的图像传感器。
背景技术：
成像技术是将图像转换为代表信号的技术。成像系统在多个领域中具有广泛的应用，包括商业、消费、工业、医疗、防御和科学市场。大多图像传感器都是应用像素阵列来捕捉光线的基于硅的半导体器件，每个像素包括某些类型的光电探测器(例如，光电二极管或光电门(photogate))，该光电探测器将入射到其上的光子转换为相应电荷。CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器是广为人知的并且广泛应用的基于半导体类型的图像传感器。
图像传感器产生高质量图像的能力取决于图像传感器的光灵敏度，光灵敏度又取决于图像传感器的像素的量子效率(QE)和光效率(OE)。图像传感器常常由它们的QE或由它们的像素的QE规定，QE一般定义为像素的光电探测器将入射到该光电探测器上的光子转换为电荷的效率。像素的QE一般由处理技术(即硅的纯度)和所应用的光电探测器的类型(例如，光电二极管或光电门)约束。但是，不管像素的QE如何，对于入射到像素上要被转换为电荷的光线，其必需到达光电探测器。注意，这里所讨论的OE指像素将光子从像素表面传送到光电探测器的效率，并且被定义为入射到光电探测器的光子数与入射到像素表面的光子数的比率。
至少两个因素可以显著影响像素的OE。第一，阵列中的像素相对于宿主器件的成像光学元件(例如，数码相机的透镜系统)的定位可以影响像素的OE，这是由于其影响光线入射到像素表面的角度。第二，像素的光电探测器相对于像素结构的其他元件的几何布置可以影响像素的OE，这是由于如果没适当配置的话这种结构元件可能对光线从像素表面到光电探测器的传播造成不利影响。后者对于CMOS图像传感器尤其如此，CMOS图像传感器一般包括有源组件，例如每个像素内的复位和访问晶体管(access transistor)、相关的互连电路、以及选择电路。某些类型的CMOS图像传感器还包括每个像素内的放大电路和模数转换电路。
上述包括在CMOS图像传感器中的电路有效地缩小了收集光子的CMOS像素的实际面积。像素的填充因子一般定义为像素的光敏区域与整个区域的比率。包括电介质材料的穹形的表面微透镜一般安置在像素上方，以将入射到像素上的光线重导向光电探测器。安置在像素上方的表面微透镜可以改善光敏度，并且提高像素填充因子。另外，安置在像素上方的表面微透镜可以将光子聚焦到光电探测器的感光区域上的较小面积上，这可以提高空间分辨率和彩色保真度。
出于经济和性能原因，CMOS图像传感器中的像素正变为具有越来越小的技术特征尺寸，同时在CMOS图像传感器中集成更多的电路。额外的电路可能导致降低像素的填充因子。另外，较小的技术特征尺寸相应地导致安置在像素上方的表面微透镜较小。较小特征尺寸的表面微透镜趋向具有更弯曲的微透镜表面。更弯曲的微透镜表面使透镜的放大倍率过大，并且导致在光电探测器的感光区域处不期望的更大的空间扩散。
曾有多种方法试图实现较大的填充因子和光电探测器的感光区域处较小的空间扩散，例如改变微透镜的材料、微透镜的曲率半径、以及层厚。
出于这些和其他原因而需要本发明。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种像素，其包括配置为接收入射光的表面。该像素包括由半导体衬底形成的底层和安置在该底层中的光电探测器。该像素包括安置在表面和底层之间的电介质结构。表面和光电探测器之间的大量电介质结构提供了配置为将该表面上的部分入射光线透射到该光电探测器的光路。该像素包括嵌入的光学元件，该光学元件至少部分安置在该光路内，并且配置为部分限定该光路。
参考下面的附图可以更好地理解本发明的实施例。附图中的元件彼此之间不一定是按比例绘制的。相似的标号表示相应的相似部件。
图1是总地图示图像传感器的一个实施例的框图。
图2A是总地图示有源像素传感器的一个实施例的框图示意图。
图2B图示了图2A的有源像素传感器的示例性布局。
图3是通过具有表面微透镜的像素的基本上是理想化模型的横截面的说明性示例。
图4是通过具有放大倍率不足的表面微透镜的传统CMOS像素的横截面的说明性示例。
图5是通过具有放大倍率过大的表面微透镜的传统CMOS像素的横截面的说明性示例。
图6是通过具有嵌入的微透镜和表面微透镜的CMOS像素的一个实施例的横截面的说明性示例。
图7是通过具有嵌入的微透镜和表面微透镜的CMOS像素的一个实施例的横截面的说明性示例。
图8是通过具有嵌入的微透镜和表面微透镜的CMOS像素的一个实施例的横截面的说明性示例。
图9是通过具有嵌入的微透镜的CMOS像素的一个实施例的横截面的说明性示例。
图10是通过具有嵌入的微透镜和嵌入的光学遮蔽元件或开口的CMOS像素的一个实施例的横截面的说明性示例。
具体实施例方式
在下面的详细描述中，参考形成为说明书一部分的附图，在附图中图示了可以在其中实施本发明的特定实施例。就此而言，参考所描述的附图的朝向来使用指向性术语，例如“顶”、“底”、“前”、“后”、“首”和“尾”等。由于本发明实施例的组件可以在多个不同的朝向中放置，所以指向性术语用于说明性目的，而绝不是限制性的。应当理解，也可以利用其他实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以改变结构或逻辑。因此，下面的详细描述不应认为是限制性的，并且本发明的范围由所附权利要求限定。
图1是总地示出了互补金属氧化物半导体(CMOS)有源像素图像传感器(APS)30的一个实施例的框图，该图像传感器包括在硅衬底35上形成的像素34的焦平面像素阵列32。APS 30包括控制器36、行选电路38和列选及读取电路40。像素阵列32以多行和多列的方式布置，同时每行像素34经由行信号总线42耦合到行选电路38，并且每列像素34经由输出线44耦合到列选及读取电路40。如图1总地所示，每个像素34包括光电探测器46、电荷传输部分48和读取电路50。光电探测器46包括用于将入射光子转换为电子的光电转换元件，例如光电二极管或光电门。
CMOS图像传感器30由控制器36操作，控制器36通过分别经由行选电路38和列选及读取电路40选择并激活适当的行信号线42和输出线44，从而对读取在积分期间由像素34积累的电荷进行控制。一般来说，每次执行对一行像素34的读取。就此而言，所选行的所有像素34都被它的相应行信号线42同时激活，而且通过激活输出线44而由列选及读取电路40从激活的行读出像素34的积累的电荷。
在APS 30的一个实施例中，在整个像素阵列32中像素34具有基本一致的像素大小。在APS 30的一个实施例中，在整个像素阵列32中像素34的大小不同。在APS 30的一个实施例中，在整个像素阵列32中像素34具有基本一致的像素间距。在APS 30的一个实施例中，在整个像素阵列32中像素34具有不同的像素间距。在APS 30的一个实施例中，在整个像素阵列32中像素34具有基本一致的像素深度。在APS 30的一个实施例中，在整个像素阵列32中像素34具有不同的像素深度。
图2A是总的示出了耦合在APS(例如图1的APS 30)中的一个像素(例如图1的像素34)的一个实施例的框图和示意图。像素34包括光电探测器46、电荷传输部分48和读取电路50。电荷传输部分48还包括传输门52(有时称作访问晶体管)、漂移扩散区域54、和复位晶体管56。读取电路50还包括行选晶体管58和源跟随器晶体管60。
控制器36通过经由行信号总线42a提供复位、访问和行选信号使像素34在积分和读取两种模式中工作，如图所示，行信号总线42a包括分离的复位信号总线62、访问信号总线64和行选信号总线66。尽管只示出了一个像素34，但是行信号总线62、64和66延伸经过给定行的所有像素，并且图像传感器30的每行像素34都具有其自己的相应一组行信号总线62、64和66。像素34最初处于复位状态，传输门52和复位门56导通。为了开始积分，复位门56和传输门52断开。在积分期间，光电探测器46积累光生电荷，该光生电荷与入射到像素34上的光子通量62中的在内部传播过像素34的多个部分并且入射到光电探测器46上的部分成正比。所积累的电荷数量代表撞击光电探测器46的光强。
在像素34积分持续期望的时间段后，行选晶体管58导通，并且漂移扩散区域54在复位门56的控制下复位到近似等于VDD 70的电平。然后，复位电平经由源跟随器晶体管60和输出线44a而被列选及读取电路40采样。随后，传输门52导通，并且所积累的电荷从光电探测器42被传输到漂移扩散区域54。电荷传输使漂移扩散区域54的电势从其复位值(近似VDD 70)偏离到由积累的光生电荷决定的信号值。然后该信号值经由源跟随器晶体管60和输出线44a而被列选及读取电路40采样。信号值和复位值之间的差与入射到光电探测器46上的光强成正比，并且构成图像信号。
图2B是图2A示出的像素34的布局的说明性示例。像素控制元件(例如，复位晶体管56、行选晶体管58和源跟随器晶体管60)和相关的互连电路(例如，信号总线62、64、66和相关晶体管连接)通常实现在覆盖在硅衬底上的金属层中，其中光电探测器46位于该硅衬底层中。尽管其他布局设计也可以，但是不管如何布局设计，很明显像素控制元件和相关互连电路占用了像素34内的大量空间。在每个像素内包括模数转换电路的数字像素传感器(DPS)中，这种空间占用甚至更大。
图3是通过CMOS像素134的基本理想的模型的横截面的说明性示例。光电探测器46安置在形成像素底层的硅(Si)衬底70中。像素控制元件和相关互连电路在72处总的示出，并且安置在由多层电介质绝缘层(例如，二氧化硅(SiO2)或其他适当的电介质材料)76隔离的多层金属层74中。垂直互连短截线(stub)或导孔77电连接位于不同金属层74中的元件。电介质钝化层78安置在交替的金属层74和电介质绝缘层76上。包括抗蚀(resist)材料的彩色滤光层80(例如，将在下面描述的Bayer图案的红、绿或蓝)安置在钝化层78上方。
为了提高光敏度，包括具有大于1的折射率的适当材料(例如，光阻(photo resist)材料、其他适当的有机材料、或者二氧化硅(SiO2))的穹形表面微透镜82安置在像素上方，以将入射到像素的入射光线重导向光电探测器46。表面微透镜82具有正光学放大倍率的凸透镜结构。表面微透镜82通过增大入射光子撞击光电探测器的角度，可以有效地增加像素的填充因子，像素的填充因子一般定义为像素的光敏区域与整个区域的比率。在图3示出的基本理想的模型中，表面微透镜82可以将光子有效地聚焦到光电探测器46的尽可能小的感光区域(标示为86)，这减小了在光电探测器46的感光区域处的空间扩散。
像素的上述元件在下文中被总地称作像素结构。如前所述，像素的光敏度受光电探测器相对于像素结构的其他元件的几何布置影响，因为结构可以影响光线从像素表面到光电探测器的传播(即，光效率(OE))。实际上，光电探测器的大小和形状，从光电探测器到像素表面的距离、以及控制和互连电路相对于光电探测器的布置都可能影响像素的OE。
传统上，在努力使像素的光敏度最大化时，图像传感器设计者一般定义基于几何光学的光电探测器和微透镜之间的光路84(或光锥)。光路84一般只包括电介质钝化层78和多层电介质绝缘层76。尽管实际上示作锥形，但是光路84也可以具有其他适当的形状。但是，不论光路84的形状如何，随着技术扩展到更小的特征尺寸，这种方法变得日益难以实现，并且像素结构对光线传播的影响很可能增加。
图3中示出的光路84代表像素134中的基本理想的光路。表面微透镜82与像素134的像素光学元件基本匹配，使得表面微透镜82具有高光收集能力，从而有助于大填充因子和高灵敏度。另外，如图3所示，在这种理想化的场景中，光子由表面微透镜82沿光路84聚焦到光电探测器46的尽可能小的感光区域(标作86)，这导致最小的空间扩散。最小的空间扩散提高了空间分辨率和彩色保真度。但是，图3示出的理想情形一般是利用传统的表面微透镜不可获得的，尤其是随着CMOS像素技术扩展到越来越小的特征尺寸同时像素内包含越来越多的电路时。
图4是通过传统的CMOS像素234的横截面的说明性示例。CMOS像素234与上述CMOS像素134类似，除了CMOS像素234包括安置在像素上方用来将入射到像素上的入射光线重导向光电探测器46的穹形表而微透镜282以外。表面微透镜282具有正光学放大倍率的凸透镜结构。不同于与像素134的像素光学元件匹配的表面微透镜82，表面微透镜282是放大倍率不足的表面微透镜。放大倍率不足的表面微透镜282导致非理想的光路284，光路284具有远超过光电探测器46的感光区域的焦点。这导致在光电探测器46的感光区域处增大了空间扩散(即，光路284中的光子撞击光电探测器46的区域大于86标示出的期望的小感光区域)。这利增加的空间扩散降低了像素234的空间分辨率和彩色保真度。
图5是通过传统的CMOS像素334的横截面的说明性示例。CMOS像素334与上述CMOS像素134类似，除了CMOS像素334包括安置在像素上方用来将入射到像素上的入射光线重导向光电探测器46的穹形表面微透镜382以外。表面微透镜382具有正光学放大倍率的凸透镜结构。不同于与像素134的像素光学元件匹配的表面微透镜82，表面微透镜382是具有过大放大倍率的表面微透镜。
正如在背景部分所讨论的，随着图像传感器扩展到越来越小的技术特征尺寸，表面微透镜趋向具有更弯曲的微透镜表面，这一般导致由像素334的表面微透镜382示出的过大放大倍率的表面微透镜。如图5所示，表面微透镜382导致光路384为非理想的，该光路具有在光电探测器46的感光区域前的焦点。从而，光路384中的光线在其碰撞光电探测器46的感光区域时不再是会聚的，而是发散的，这增加了在光电探测器46的感光区域的空间扩散(即，光路384中的光子撞击光电探测器46的区域大于86标示出的期望的小感光区域)。增加的空间扩散降低了像素334的空间分辨率和彩色保真度。
图6是通过根据本发明一个实施例的CMOS像素434的横截面的说明性示例。光电探测器46安置在形成像素底层的硅(Si)衬底70中。像素控制元件和相关互连电路在72处总的示出，并且安置在由多层电介质绝缘层(例如，二氧化硅(SiO2)或其他适当的电介质材料)76隔离的多层金属层中。垂直互连短截线或导孔77电连接位于不同金属层74中的元件。
嵌入微透镜488形成在交替的金属层74和电介质绝缘层76上。嵌入的微透镜488具有正光学发大倍率的凸透镜结构。电介质钝化层78安置在嵌入微透镜488上方。包括抗蚀材料的彩色滤光层80(例如，将在下面描述的Bayer图案的红、绿或蓝)安置在钝化层78上方。包括具有大于1的折射率的适当材料(例如，光阻材料、其他适当的有机材料、或者二氧化硅(SiO2))的穹形表面微透镜482安置在像素434上方，以将入射到像素的入射光线重导向光电探测器46。表面微透镜482具有正光学放大倍率的凸透镜结构。
嵌入微透镜488包括折射率大于1的适当的材料。在一个实施例中，嵌入微透镜488包括相对高折射率的材料(例如，氮化硅(Si3N4)或具有相对高折射率的其他适当的材料)。在一个实施例中，通过例如采用化学气相沉积工艺在交替的金属层74和电介质绝缘层76上沉积氮化硅薄膜从而形成嵌入微透镜488。在沉积了氮化硅薄膜后，该薄膜被蚀刻来形成凸透镜结构的嵌入微透镜488。
嵌入微透镜488将自表面微透镜482提供的光线重导向，以将光子更好地聚焦到光电探测器46的尽可能小的感光区域(标示为86)中，这减小了在光电探测器46的感光区域处的空间扩散。嵌入微透镜488也可以通过增大入射光子撞击光电探测器46的角度从而有效地增加像素434的填充因子。
如图6所示，表面微透镜482可以是与图4示出的微透镜282相似的放大倍率不足的表面微透镜。但是，像素434包括具有正光学放大倍率的嵌入微透镜488，其与具有正光学放大倍率的微透镜482一起工作来实现更理想的光路484，该光路与像素434的像素光学元件基本匹配。通过一起工作，表面微透镜482和嵌入微透镜488具有高的光收集率(lightcollection power)，这有助于大填充因子和高灵敏度。另外，如图6所示，光子被表面微透镜482聚焦，然后被嵌入微透镜488沿光路484进一步聚焦到光电探测器46的尽可能小的感光区域(标示为86)上，这导致最小的空间扩散。最小的空间扩散提高了像素434的空间分辨率和彩色保真度。
嵌入微透镜488被嵌入在形成CMOS像素434的层中。结果，嵌入微透镜488与现有CMOS工艺技术相容，并且更容易地随渐降的技术特征尺寸扩展。
另外，结合表面微透镜482添加微透镜488可以向图像传感器设计和图像传感器制作工艺提供额外的灵活性。
与不包括嵌入微透镜但是具有表面微透镜的基本类似的像素相比，具有嵌入微透镜488的像素434的一个示例性实施例实现接近20～30％的OE提高。
图7是通过根据本发明一个实施例的CMOS像素534的横截面的说明性示例。CMOS像素534的结构与上述CMOS像素434的结构类似。CMOS像素534包括形成在交替的金属层74和电介质绝缘层76上方的嵌入微透镜590。不同于嵌入微透镜488的凸透镜结构，嵌入微透镜590具有负光学放大倍率的凹透镜结构。电介质钝化层78安置在嵌入微透镜590上方。包括抗蚀材料的彩色滤光层80安置在钝化层78上方。包括折射率大于1的适当材料的穹形表面微透镜582安置在像素534上方，以将入射到像素的入射光线重导向光电探测器46。表面微透镜582具有正光学放大倍率的凸透镜结构。
嵌入微透镜590包括折射率大于1的适当的材料。在一个实施例中，嵌入微透镜590包括具有相对高折射率的材料(例如，氮化硅(Si3N4)或具有相对高折射率的其他适当的材料)。在一个实施例中，通过例如采用化学气相沉积工艺在交替的金属层74和电介质绝缘层76上沉积氮化硅薄膜从而形成嵌入微透镜590。在沉积了氮化硅薄膜后，该薄膜被蚀刻来形成嵌入微透镜590结构。
嵌入微透镜590将自表面微透镜582提供的光线重导向，以将光子更好地聚焦到光电探测器46的尽可能小的感光区域(标示为86)中，这减小了在光电探测器46的感光区域处的空间扩散。嵌入微透镜590也可以通过增大入射光子撞击光电探测器46的角度从而有效地增加像素534的填充因子。
如图7所示，表面微透镜582可以是与图5示出的微透镜382相似的过大放大倍率的表面微透镜，但是，像素534包括具有负光学放大倍率的嵌入微透镜590，其与具有正光学放大倍率的微透镜582一起工作来实现更理想的光路584，该光路与像素534的像素光学元件基本匹配。通过一起工作，表面微透镜582和嵌入微透镜590具有高的光收集率，这有助于大填充因子和高灵敏度。另外，如图7所示，将被表面微透镜582过度聚焦的光子被嵌入微透镜590重定向，沿光路584到光电探测器46的尽可能小的感光区域(标示为86)上，这导致最小的空间扩散。最小的空间扩散提高了像素534的空间分辨率和彩色保真度。
嵌入微透镜590被嵌入在形成CMOS像素534的层中。结果，嵌入微透镜590与现有CMOS工艺技术相容，并且更容易地随渐降的技术特征尺寸扩展。
另外，结合表面微透镜582添加微透镜590可以向图像传感器设计和图像传感器制作工艺提供额外的灵活性。
在图6示出的像素434和图7示出的像素534中，彩色滤光层80安置在钝化层78上方。这样，在像素434中，在由表面微透镜482重定向的光线沿光路484抵达嵌入微透镜488前，彩色滤光层80对该光线滤光。类似地，在像素534中，在由表面微透镜582重定向的光线沿光路584抵达嵌入微透镜590前，彩色滤光层80对该光线滤光。
图8是通过根据本发明一个实施例的CMOS像素634的横截面的说明性示例。CMOS像素634的结构与上述CMOS像素434的结构类似。包括抗蚀材料的彩色滤光层680(例如，将在下面描述的Bayer图案的红、绿或蓝)安置在交替的金属层74和电介质绝缘层76上方。嵌入微透镜688形成在彩色滤光层680上方。嵌入微透镜688具有正光学放大倍率的凸透镜结构。电介质钝化层78安置在嵌入微透镜688上方。包括折射率大于1的适当材料的穹形表面微透镜682安置在像素634上方，以将入射到像素的入射光线重导向光电探测器46。表面微透镜682具有正光学放大倍率的凸透镜结构。
嵌入微透镜688包括折射率大于1的适当的材料。在一个实施例中，嵌入微透镜688包括具有相对高折射率的材料(例如，氮化硅(Si3N4)或具有相对高折射率的其他适当的材料)。在一个实施例中，通过例如采用化学气相沉积工艺在彩色滤光层680上沉积氮化硅薄膜从而形成嵌入微透镜688。在沉积了氮化硅薄膜后，该薄膜被蚀刻来形成嵌入微透镜688结构。
嵌入微透镜688将自表面微透镜682提供的光线重导向，以类似于上述像素434的嵌入微透镜488将光子更好地聚焦到光电探测器46的尽可能小的感光区域(标示为86)中。不同于像素434，像素634包括彩色滤光层680，彩色滤光层680在光线被嵌入微透镜688沿光路684重定向后对该光线滤光。
如图8所示，表面微透镜682可以是与图4示出的微透镜282相似的放大倍率不足的表面微透镜，但是，像素634包括具有正光学放大倍率的嵌入微透镜688，其与具有正光学放大倍率的微透镜682一起工作来实现更理想的光路684，该光路与像素634的像素光学元件基本匹配。通过一起工作，表面微透镜682和嵌入微透镜688具有高的光收集率，这有助于大填充因子和高灵敏度。另外，如图8所示，光子被表面微透镜682聚焦，然后被嵌入微透镜688进一步聚焦，沿光路684到光电探测器46的尽可能小的感光区域(标示为86)上，这导致最小的空间扩散。最小的空间扩散提高了像素634的空间分辨率和彩色保真度。
在像素434和534中，彩色滤光层80位于沿光路在嵌入微透镜之前。在图8示出的像素634中，彩色滤光层680位于沿光路684在嵌入微透镜688之后。在根据本发明的像素的另一个实施例中，彩色滤光层集成在嵌入光学元件中，例如嵌入的彩色滤光微透镜。
嵌入微透镜688被嵌入在形成CMOS像素634的层中。结果，嵌入微透镜688与现有CMOS工艺技术相容，并且更容易地随渐降的技术特征尺寸扩展。
另外，结合表面微透镜682添加微透镜688可以向图像传感器设计和图像传感器制作工艺提供额外的灵活性。
图9是通过根据本发明一个实施例的CMOS像素734的横截面的说明性示例。CMOS像素734的结构与上述CMOS像素634的结构类似。但是，CMOS像素734不包括表面微透镜。
包括抗蚀材料的彩色滤光层780(例如，将在下面描述的Bayer图案的红、绿或蓝)安置在交替的金属层74和电介质绝缘层76上方。嵌入微透镜788形成在彩色滤光层780上方。嵌入微透镜788具有正光学放大倍率的凸透镜结构。电介质钝化层78安置在嵌入微透镜788上方。
嵌入微透镜788包括折射率大于1的适当材料。在一个实施例中，嵌入微透镜788包括具有相对高折射率的材料(例如，氮化硅(Si3N4)或具有相对高折射率的其他适当的材料)。在一个实施例中，通过例如采用化学气相沉积工艺在彩色滤光层780上沉积氮化硅薄膜从而形成嵌入微透镜788。在沉积了氮化硅薄膜后，该薄膜被蚀刻来形成嵌入微透镜788结构。
取决于特定工艺实现，与表面微透镜例如表面微透镜482、582和682相比，这种类型的沉积和蚀刻工艺可以产生较低成本、较高折射率的嵌入微透镜，例如嵌入微透镜488、590、688和788。表面微透镜一般旋涂在硅晶片上，并且形成表面微透镜的薄膜具有这样的溶剂，该溶剂允许在形成工艺期间表面微透镜薄膜在整个晶片上基本平坦。在典型工艺中某一刻，这种液体溶剂被烘烤。另外，表面微透镜一般是涂覆的，这是由于表面微透镜在像素的表面处。取决于特定工艺实现，用来形成表面微透镜的这些工艺可能更昂贵，并且导致具有较低折射率的透镜。
嵌入微透镜788被嵌入在形成CMOS像素734的层中。结果，嵌入微透镜788与现有CMOS工艺技术相容，并且更容易地随渐降的技术特征尺寸扩展。
嵌入微透镜788将入射到像素734上的入射光重导向光电探测器46。嵌入微透镜788将光子聚焦到光电探测器46的尽可能小的感光区域(标示为86)中，以降低在光电探测器46的感光区域处的空间扩散。减小的空间扩散提高了像素734的空间分辨率和彩色保真度。嵌入微透镜788通过增大入射光子撞击光电探测器46的角度，还可以有效地增加像素734的填充因子。
如图9所示，具有正光学放大倍率的嵌入微透镜788工作来实现光路784，光路784与像素734的像素光学元件基本匹配。嵌入微透镜788优选具有高的光收集率，这有助于大填充因子和高灵敏度。
与不包括嵌入微透镜的基本类似的像素相比，具有嵌入微透镜788的像素734的一个示例性实施例实现近似50到60％的OE提高。OE的提高随像素尺寸减小而增加到对应于更小的技术特征尺寸。
如上所述，诸如微透镜488、590、688和788之类的嵌入微透镜可以提高像素的OE。另外，嵌入微透镜可应用来提高和/或优化与像素性能相关联的其他特定客观的或可测量的标准。依赖OE的像素性能标准的某些示例(可以利用嵌入微透镜对它们进行改善和/或优化)包括像素响应、像素彩色响应(例如，红、绿或蓝响应)、以及像素串扰。
像素响应被定义为在所定义的积分期间由该像素的光电探测器积分的电荷量。像素响应可以利用嵌入微透镜提高，例如微透镜488、590、688和788。
彩色图像传感器像素阵列(例如图1示出的像素阵列32)一般常配置为使阵列的每个像素被分配为感知独立的原色。这种分配通过在像素阵列上放置彩色滤光阵列、每个像素具有与其被分配的原色相对应的相关彩色滤光器而实现。这类彩色滤光器的示例包括像素134、234、334、434和534的彩色滤光层80；像素634的彩色滤光层680；和像素734的彩色滤光层780。在光线穿过彩色滤光器时，只有所分配的原色的波长穿过。已开发出了多种彩色滤光器阵列，但是一种常用的彩色滤光器阵列是Bayer图案。Bayer图案应用绿色像素之间嵌入红色像素、绿色像素之间嵌入蓝色像素的交替行。这样，Bayer图案的绿色像素是红色或蓝色像素的两倍。Bayer图案利用了人眼偏好在定义锐度时将绿色照明看作最强的影响，从而不管应用Bayer图案的像素阵列水平朝向还是垂直朝向，该阵列都提供基本相等的图像感知响应。
当布置被配置为感知某一波长或某一范围的波长的像素时，例如被分配为感知绿、蓝或红的构成根据Bayer图案安排的部分像素阵列的像素时，最好能够对像素对分配给其的彩色的响应(即，彩色响应)进行优化。嵌入微透镜(例如嵌入微透镜488、590、688和788)可以提高像素的彩色响应。
在彩色图像传感器中，术语“像素串扰”一般指可归因于具有分配给该像素的彩色之外的彩色(即，波长)的入射到该像素的光电探测器上的入射光线的像素响应的部分或量。这种串扰是不期望的，因为它使像素响应于分配给其的彩色而收集的电荷的量失真。例如，撞击绿像素的光电探测器的来自可见光谱的红和/或蓝部分的光线将导致该像素收集到比只有来自可见光谱的绿色部分的光线撞击该光电探测器会收集到的电荷高的电荷。这种串扰可以产生失真或伪信号，从而降低所感知的图像的质量。利用嵌入微透镜例如微透镜488、590、688和788可以充分降低串扰。
上述嵌入微透镜488、590、688和788是嵌入光学元件的实施例。除了微透镜之外的其他适当的嵌入光学元件也可以嵌入在根据本发明实施例的像素中，以部分限定像素内的光路。例如，上述嵌入微透镜488、590、688和788都是旋转对称的。像素的另一个实施例可以包括不是旋转对称的嵌入光学元件，例如棱镜。
在某些实施例中，嵌入光学元件具有正光学放大倍率的凸透镜结构，例如嵌入微透镜488、688和788。在某些实施例中，嵌入光学元件具有负光学放大倍率的凹透镜结构，例如嵌入微透镜590。在某些实施例中，嵌入光学元件具有基本没有光学放大倍率的基本平坦结构。在某些实施例中，嵌入光学元件具有组合光学放大倍率的鞍状结构。
在备有具有嵌入光学元件的像素的APS的一个实施例中，在整个像素阵列中嵌入光学元件具有基本一致的光学放大倍率。在备有具有嵌入光学元件的像素的APS的一个实施例中，在整个像素阵列中嵌入光学元件具有不同的光学放大倍率。不同的光学放大倍率例如可以通过改变嵌入光学元件的结构的曲率和/或改变形成嵌入光学元件的材料来实现。
上述嵌入光学元件(例如，嵌入微透镜488、590、688和788)具有球面几何结构。嵌入光学元件的其他实施例具有非球面几何结构。
在备有具有嵌入光学元件的像素的APS的一个实施例中，在整个像素阵列中嵌入光学元件具有基本一致的几何结构。在备有具有嵌入光学元件的像素的APS的一个实施例中，在整个像素阵列中嵌入光学元件具有不同的几何结构。在整个像素阵列中可以不同的嵌入光学元件的几何结构的类型的示例包括嵌入光学元件的尺寸、嵌入光学元件的厚度和嵌入光学元件的曲率。
上述嵌入微透镜488、590和688的光轴分别与相应表面微透镜482、582和682的光轴在同一直线上。根据本发明的像素不限于这种对准和配置。例如，根据本发明的像素的一个实施例包括这样的嵌入光学元件，该嵌入光学元件的光轴相对于相应表面微透镜的光轴倾斜。在像素的一个实施例中，该像素包括其光轴从相应表面微透镜的光轴偏心的嵌入光学元件。
在备有具有嵌入光学元件的像素的APS的一个实施例中，在整个像素阵列中不同的入射角处嵌入光学元件具有基本一致的偏移(即，偏心)。在备有具有嵌入光学元件的像素的APS的一个实施例中，在整个像素阵列中不同的入射角处嵌入光学元件具有不同的偏移(即，偏心)。在备有具有嵌入光学元件的像素的APS的一个实施例中，在整个像素阵列中不同的入射角处嵌入光学元件具有基本一致的倾斜。在备有具有嵌入光学元件的像素的APS的一个实施例中，在整个像素阵列中不同的入射角处嵌入光学元件具有不同的倾斜。
在备有具有嵌入光学元件的像素的APS的一个实施例中，在整个像素阵列中像素具有基本一致的像素间距。在备有具有嵌入光学元件的像素的APS的一个实施例中，在整个像素阵列中像素具有不同的像素间距。
图10是通过根据本发明一个实施例的CMOS像素834的横截面的说明性示例。CMOS像素834的结构与CMOS像素434的结构基本类似，除了像素834包括嵌入光学元件892之外。嵌入光学元件892是阻挡不期望的光线的光学遮蔽元件或开口。在一个实施例中，嵌入光学元件892是吸收式的。在一个实施例中，嵌入光学元件892是反射式的。在一个实施例中，嵌入光学元件892是光谱选择性的。
尽管这里已示出并描述了特定实施例，但是本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，多种替代和/或等同实现可以替换所示出并描述的特定实施例。本申请是要覆盖这里所讨论的实施例的所有修改和改变。因此，本发明仅由权利要求和权利要求的等同物限制。
权利要求
1.一种像素，包括配置为接收入射光的表面；由半导体衬底形成的底层；安置在所述底层中的光电探测器；安置在所述表面和所述底层之间的电介质结构，其中所述表面和所述光电探测器之间的大量所述电介质结构提供光路，所述光路配置为将所述表面上的部分所述入射光透射到所述光电探测器；以及嵌入光学元件，其被安置为至少部分在所述光路内，并且被配置为部分限定所述光路。
2.如权利要求1所述的像素，其中，所述嵌入光学元件构造为增加经由所述光路透射到所述光电探测器的所述部分入射光。
3.如权利要求1所述的像素，其中，所述嵌入光学元件包括嵌入透镜。
4.如权利要求1所述的像素，其中，所述嵌入光学元件是从由下述元件构成的组中选出的旋转对称光学元件；和旋转不对称光学元件。
5.如权利要求1所述的像素，其中，所述嵌入光学元件是从由下述元件构成的组中选出的具有球面几何结构的光学元件；和具有非球面几何结构的光学元件。
6.如权利要求1所述的像素，包括配置为遮档不期望的光的嵌入光学遮蔽元件。
7.如权利要求6所述的像素，其中，所述光学遮蔽元件是从由下述元件构成的组中选出的吸收性光学元件；反射性光学元件；和光谱选择性光学元件。
8.如权利要求1所述的像素，包括表面透镜，其形成在所述表面上，并且配置为接收入射光并将所述入射光重导向到所述嵌入光学元件。
9.如权利要求8所述的像素，其中，所述嵌入光学元件具有从由下述光轴组成的组中选择出的光轴与所述表面透镜的光轴在一条直线上的光轴；相对于所述表面透镜的光轴倾斜的光轴；和从所述表面透镜的光轴偏心的光轴。
10.如权利要求1所述的像素，包括从由下述彩色滤光器组成的组中选择出的彩色滤光器安置在所述表面和所述嵌入光学元件之间的光路内的彩色滤光器；安置在所述嵌入光学元件和所述光电探测器之间的光路内的彩色滤光器；和集成在所述嵌入光学元件中的彩色滤光器。
11.如权利要求1所述的像素，其中，所述嵌入光学元件是从由下述元件构成的组中选出的具有正光学放大倍率的凸透镜结构的光学元件；具有负光学放大倍率的凹透镜结构的光学元件；具有基本无光学放大倍率的基本平坦结构的光学元件；和具有组合光学放大倍率的鞍状结构的光学元件。
12.如权利要求1所述的像素，其中，所述像素是互补金属氧化物半导体像素。
13.一种图像传感器，包括像素阵列，每个像素包括光电探测器；放置在入射到所述像素上的光和所述光电探测器之间的电介质；以及嵌入透镜，其被安置在所述电介质中，并且配置为将入射到所述像素上的一部分光重导向到所述光电探测器。
14.如权利要求13所述的图像传感器，其中每个像素包括表面透镜，其被形成在所述电介质上，并且配置为接收所述入射到所述像素上的光，并将所述入射到所述像素上的光重导向到所述嵌入透镜。
15.如权利要求13所述的图像传感器，其中，所述像素阵列是从由下述像素阵列构成的组中选出的包括下述像素的像素阵列，所述像素在整个所述像素阵列中具有基本一致的像素间距；和包括下述像素的像素阵列，所述像素在整个所述像素阵列中具有不同像素间距。
16.如权利要求13所述的图像传感器，其中，所述像素阵列是从由下述像素阵列构成的组中选出的包括下述像素的像素阵列，所述像素具有在整个所述像素阵列中不同入射角处有基本一致的偏移的嵌入透镜；和包括下述像素的像素阵列，所述像素具有在整个所述像素阵列中不同入射角处有不同偏移的嵌入透镜。
17.如权利要求13所述的图像传感器，其中，所述像素阵列是从由下述像素阵列构成的组中选出的包括下述像素的像素阵列，所述像素具有在整个所述像素阵列中不同入射角处有基本一致的倾斜的嵌入透镜；和包括下述像素的像素阵列，所述像素具有在整个所述像素阵列中不同入射角处有不同倾斜的嵌入透镜。
18.如权利要求13所述的图像传感器，其中，所述像素阵列是从由下述像素阵列构成的组中选出的包括下述像素的像素阵列，所述像素具有在整个所述像素阵列中有基本一致的几何结构的嵌入透镜；和包括下述像素的像素阵列，所述像素具有在整个所述像素阵列中有不同的几何结构的嵌入透镜。
19.如权利要求13所述的图像传感器，其中，所述像素阵列是从由下述像素阵列构成的组中选出的包括下述像素的像素阵列，所述像素具有在整个所述像素阵列中有基本一致的光学放大倍率的嵌入透镜；和包括下述像素的像素阵列，所述像素具有在整个所述像素阵列中有不同的光学放大倍率的嵌入透镜。
20.如权利要求13所述的图像传感器，其中所述嵌入透镜包括微透镜。
21.一种操作基于半导体的像素的方法，所述方法包括利用表面接收入射光；和在安置在所述表面和光电探测器之间的电介质结构中限定的光路内，使所述入射光线的一部分透射到所述光电探测器，所述透射包括利用安置为至少部分在所述光路内的嵌入光学元件增加经由所述光路透射到所述光电探测器的所述部分入射光。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述透射包括利用嵌入透镜增加经由所述光路透射到所述光电探测器的所述部分入射光。
全文摘要
本发明提供了一种像素，其包括配置为接收入射光的表面和由半导体衬底形成的底层。光电探测器安置在底层中。电介质结构安置在表面和底层之间。该表面和光电探测器之间的大量电介质结构提供光路，该光路配置为将表面上的部分入射光透射到光电探测器。嵌入光学元件安置为至少部分在光路内，并且配置为部分限定该光路。
文档编号H01L27/146GK1816117SQ200610003230
公开日2006年8月9日 申请日期2006年1月27日 优先权日2005年2月1日
发明者克里斯托弗·D·斯莱斯百, 霍马育恩·哈达得, 王剑宏, 威廉·G·戈则雷 申请人:安捷伦科技有限公司