一種cmos圖像像素陣列的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種CMOS圖像像素陣列，通過在像素陣列金屬層的光通道中設(shè)置光纖，將光纖一端耦合一個(gè)微透鏡，另一端同時(shí)耦合n×n個(gè)顏色濾鏡及其下方對(duì)應(yīng)的感光二極管，使從每個(gè)微透鏡上方進(jìn)入的入射光，在經(jīng)過光纖的匯聚后同時(shí)被多個(gè)顏色濾鏡所還原，并傳導(dǎo)至其對(duì)應(yīng)的感光二極管，從而使入射光在到達(dá)感光區(qū)域的路徑中不會(huì)被金屬層所反射而損失光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)入射光效率的明顯提高，并能夠輸出較高質(zhì)量的彩色數(shù)字圖像。
【專利說明】—種CMOS圖像像素陣列

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域，更具體地，涉及一種可提高入射光效率的CMOS圖像像素陣列。

【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，在數(shù)字電視、可視通信等民用和商業(yè)范疇內(nèi)已得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)光電轉(zhuǎn)換方式的不同，圖像傳感器通?？梢苑譃殡姾神詈掀骷D像傳感器(Charge-coupled Device, CCD)和CMOS圖像傳感器(CMOS IMAGESENSOR, CIS)兩類。
[0003]對(duì)于CXD來說，一方面，在專業(yè)的科研和工業(yè)領(lǐng)域，具有高信噪比的C⑶成為首選；另一方面，在高端攝影攝像領(lǐng)域，能提供高圖像質(zhì)量的CCD也頗受青睞。而對(duì)于CIS來說，在網(wǎng)絡(luò)攝像頭和手機(jī)拍照模塊也得到了廣泛應(yīng)用。
[0004]CCD與CIS相比，前者功耗較高、集成難度較大，而后者功耗低、易集成且分辨率較高。雖然說，在圖像質(zhì)量方面C⑶可能會(huì)優(yōu)于CIS，但是，隨著CIS技術(shù)的不斷提高和CMOS制造工藝水平的大幅提升，一部分CIS的圖像質(zhì)量已經(jīng)接近于同規(guī)格的(XD。CIS在性能上正在取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，并憑借其低成本、高效率、傳輸速度快等優(yōu)勢(shì)被廣泛用于平板電腦、智能手機(jī)等各類新興領(lǐng)域。伴隨著照相手機(jī)等消費(fèi)類電子領(lǐng)域?qū)IS的促進(jìn)，未來的CMOS圖像傳感器的市場(chǎng)前景將更為廣闊。小尺寸、高性能CIS的設(shè)計(jì)成為本領(lǐng)域研究的重要課題之一。
[0005]圖像傳感器一個(gè)直觀的性能指標(biāo)就是對(duì)圖像的復(fù)現(xiàn)能力，而圖像傳感器的像素陣列就是直接關(guān)系到這一指標(biāo)的關(guān)鍵性功能模塊。像素陣列可分為正面照射式(Front SideIlluminated, FSI)像素陣列和背照式(Back Side Illuminated, BSI)像素陣列。在 FSI 像素陣列的結(jié)構(gòu)中，沿入射光方向依次包括濾鏡層、金屬層和感光層。濾鏡層一般包括微透鏡(Micro-1ens)和顏色濾鏡陣列(Color Filter Array,CFA)的二者或其一，用于對(duì)入射光進(jìn)行聚焦和得到彩色圖像；金屬層包括由多層金屬布線形成的電路結(jié)構(gòu)，用于將光電轉(zhuǎn)換的電信號(hào)傳輸?shù)酵鈬娐愤M(jìn)行處理；感光層中包括有感光二極管(Photo D1de, F1D),用于對(duì)接收的入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，因此又稱為H)層。如果是BSI像素陣列，則沿入射光方向依次包括濾鏡層、感光層和金屬層，其結(jié)構(gòu)中的金屬層位置與感光層互換，即位于背離入射光的最遠(yuǎn)端層。在濾鏡層和感光層之間設(shè)有光通道，入射光經(jīng)過濾鏡層，沿光通道到達(dá)感光層中的H)，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字圖像。在采用有源像素傳感器(Active PixelSensor, APS)作為其感光單元的CIS的像素陣列中，一個(gè)APS (即一個(gè)像素單元)包括一個(gè)F1D 和一個(gè)有源放大器(Active Amplifier)。
[0006]請(qǐng)參閱圖1，圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一種CMOS圖像傳感器的FSI像素陣列的平面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，其顏色濾鏡陣列采用Bayer模式排列，圖中例舉了 Bayer模式的其中一種排列方式，若以字母R代表紅色濾鏡，G代表綠色濾鏡，B代表藍(lán)色濾鏡，在Bayer模式的此種排列形式的顏色濾鏡陣列中，顏色濾鏡按照第一行RGRG……、第二行GBGB……以此類推并按2X2個(gè)顏色濾鏡為單位重復(fù)的形式排列。每種顏色的一個(gè)顏色濾鏡4-1?4-4下方對(duì)應(yīng)設(shè)置一個(gè)HH-1?1-4，并中心對(duì)齊。在圖示的FSI像素陣列的結(jié)構(gòu)中，由于在顏色濾鏡與ro之間的金屬層要放置金屬布線(電路結(jié)構(gòu))，故而相鄰的ro間需留有一定間距。如果換做BSI像素陣列，因金屬層位于ro下方，則相鄰的ro間間距可以相對(duì)縮小(本處圖略、請(qǐng)參看圖1理解)。
[0007]請(qǐng)參閱圖2，圖2是現(xiàn)有技術(shù)的一種CMOS圖像傳感器的FSI像素陣列的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。如圖2所示，從剖面上看，像素陣列基本分為上中下三層，上層為濾鏡層6，用來放置微透鏡5和顏色濾鏡4，每個(gè)微透鏡5為一個(gè)凸透鏡，其下方對(duì)應(yīng)一個(gè)金屬層7的光通道
3、H)層9的光通道2及roi。中層為金屬層7，基質(zhì)為氧化硅材料，放置有多層金屬布線8(圖示為4層)，并以電連接方式形成電路結(jié)構(gòu)，用來傳遞電信號(hào)，相鄰金屬布線之間的空隙形成光通道3，入射光可從此光通道3穿過到達(dá)roi。下層為ro層(感光層)9，基質(zhì)材料為硅，用來放置roi，ro層9的光通道2與金屬層7的光通道3連通并對(duì)準(zhǔn)。微透鏡5用來聚集光線，入射光(如圖中空心箭頭所指)通過濾鏡層6依次進(jìn)入金屬層光通道3、ro層光通道2到達(dá)下層的PD1，PDl遇光子發(fā)生光電效應(yīng)，再傳出電信號(hào)。在FSI像素陣列的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)入射光通過光通道時(shí)，由于其中的金屬層有很多層金屬布線，部分光線將被反射掉(如圖中實(shí)心箭頭所指)，使得光強(qiáng)受到損失，導(dǎo)致成像質(zhì)量受到影響。
[0008]因此，設(shè)計(jì)一種能進(jìn)一步提高入射光的效率的CMOS圖像像素陣列，成為當(dāng)前一個(gè)重要的改進(jìn)課題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種CMOS圖像像素陣列，通過在金屬層的光通道中設(shè)置光纖，光纖一端耦合一個(gè)微透鏡，另一端同時(shí)耦合nXn個(gè)顏色濾鏡及其下方對(duì)應(yīng)的感光二極管，使從每個(gè)微透鏡上方進(jìn)入的入射光，可經(jīng)過光纖的匯聚后同時(shí)被多個(gè)顏色濾鏡所還原，并傳導(dǎo)至其對(duì)應(yīng)的感光二極管，從而使入射光在到達(dá)感光區(qū)域的路徑中不會(huì)被金屬層所反射而損失光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)入射光效率的明顯提高。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0011]一種CMOS圖像像素陣列，包括濾鏡層、金屬層、感光層，其特征在于，所述像素陣列自上而下依次包括第一濾鏡層、金屬層、第二濾鏡層、感光層，所述第一濾鏡層由微透鏡排列構(gòu)成，所述第二濾鏡層由顏色濾鏡排列構(gòu)成；所述金屬層的光通道中設(shè)有光纖，每個(gè)所述光纖上端耦合至一所述微透鏡，其下端同時(shí)耦合至nXn個(gè)所述顏色濾鏡，每個(gè)所述顏色濾鏡耦合至一個(gè)所述感光層的感光二極管，所述顏色濾鏡的個(gè)數(shù)η為不小于2的偶數(shù)；其中，從每個(gè)所述微透鏡上方進(jìn)入的入射光，經(jīng)過所述光纖的匯聚，可同時(shí)被nXn個(gè)所述顏色濾鏡所還原，并傳導(dǎo)至其對(duì)應(yīng)的所述感光二極管。
[0012]優(yōu)選的，所述微透鏡和所述光纖的中心對(duì)準(zhǔn)，并與nXn個(gè)所述顏色濾鏡及其下方對(duì)應(yīng)的所述感光二極管構(gòu)成的像素區(qū)域的幾何中心對(duì)準(zhǔn)。
[0013]優(yōu)選的，nXn個(gè)所述顏色濾鏡按照Bayer模式排列構(gòu)成重復(fù)的顏色濾鏡陣列。
[0014]優(yōu)選的，所述微透鏡為圓形，所述光纖為圓管形可見光傳導(dǎo)光纖，所述光纖的內(nèi)徑小于所述微透鏡的外徑。
[0015]優(yōu)選的，所述光纖的內(nèi)徑為10?100微米。
[0016]優(yōu)選的，所述微透鏡為圓形，所述顏色濾鏡為正方形，ηXη個(gè)所述顏色濾鏡所構(gòu)成的正方形邊長(zhǎng)不大于所述微透鏡的外徑。
[0017]優(yōu)選的，所述光纖為圓管形可見光傳導(dǎo)光纖，所述顏色濾鏡為正方形，nXn個(gè)所述顏色濾鏡所構(gòu)成的正方形邊長(zhǎng)不大于所述光纖的內(nèi)徑。
[0018]優(yōu)選的，所述微透鏡為圓形，所述金屬層的光通道為正方形，所述微透鏡的外徑不大于所述光通道的邊長(zhǎng)。
[0019]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明通過在CMOS圖像像素陣列金屬層的光通道中設(shè)置光纖，將光纖一端耦合一個(gè)微透鏡，另一端同時(shí)耦合nXn個(gè)顏色濾鏡及其下方對(duì)應(yīng)的感光二極管，使從每個(gè)微透鏡上方進(jìn)入的入射光，在經(jīng)過光纖的匯聚后同時(shí)被多個(gè)顏色濾鏡所還原，并傳導(dǎo)至其對(duì)應(yīng)的感光二極管，從而使入射光在到達(dá)感光區(qū)域的路徑中不會(huì)被金屬層所反射而損失光強(qiáng)，因而感光二極管能夠接受到更大的入射光光強(qiáng)，提高了其光敏性，實(shí)現(xiàn)入射光效率的明顯提高，在同樣的光照條件下，本發(fā)明中論述的CIS能夠獲得更為明亮、清晰、噪點(diǎn)更少的彩色數(shù)字圖像；并且，每個(gè)感光二極管對(duì)應(yīng)一種顏色的一個(gè)顏色濾鏡，因此像素陣列的分辨率不會(huì)有任何損失，從而保證了其輸出圖像的圖像質(zhì)量；此外，每根光纖可同時(shí)耦合至多個(gè)感光二極管，使得光纖和感光二極管的設(shè)計(jì)選型得到了極大的方便，并大大減少了光纖的使用數(shù)量，降低了其生產(chǎn)成本。因此，此CIS的設(shè)計(jì)，是一種充分利用現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)的創(chuàng)新，其成本可控，光敏性較高，能夠輸出較高圖像質(zhì)量的彩色數(shù)字圖像。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一種CMOS圖像傳感器的FSI像素陣列的平面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2是現(xiàn)有技術(shù)的一種CMOS圖像傳感器的FSI像素陣列的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0022]圖3是本發(fā)明實(shí)施例一中的CMOS圖像像素陣列的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0023]圖4是本發(fā)明實(shí)施例一中的CMOS圖像像素陣列的平面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖5是本發(fā)明實(shí)施例二中的CMOS圖像像素陣列的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0025]圖6是本發(fā)明實(shí)施例二中的CMOS圖像像素陣列的平面結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0027]需要說明的是，在下述的【具體實(shí)施方式】中，在詳述本發(fā)明的實(shí)施方式時(shí)，為了清楚地表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以便于說明，特對(duì)附圖中的結(jié)構(gòu)不依照一般比例繪圖，并進(jìn)行了局部放大、變形及簡(jiǎn)化處理，因此，應(yīng)避免以此作為對(duì)本發(fā)明的限定來加以理解。
[0028]實(shí)施例一
[0029]在本實(shí)施例中，請(qǐng)參閱圖3，圖3是本發(fā)明實(shí)施例一中的CMOS圖像像素陣列的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。如圖3所示，本發(fā)明的CMOS圖像像素陣列的結(jié)構(gòu)，是以FSI像素陣列的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)、但經(jīng)過變化的像素陣列結(jié)構(gòu)。與FSI像素陣列相同之處在于，都包括金屬層17和感光層(H)層)20。金屬層17的基質(zhì)例如可為氧化硅材料，放置有多層金屬布線18 (圖示為4層)，并以電連接方式形成電路結(jié)構(gòu)，用來傳遞電信號(hào)。相鄰金屬布線之間的空隙形成光通道13。ro層20的基質(zhì)材料例如可為硅，用來放置ro (感光二極管)10，ro1通過ro層20的光通道11接收來自上方的入射光。區(qū)別在于，本發(fā)明的CMOS圖像像素陣列，自上而下依次包括第一濾鏡層16、金屬層17、第二濾鏡層19、感光層20。也就是說,本發(fā)明的CMOS圖像像素陣列與現(xiàn)有技術(shù)的FSI像素陣列同樣設(shè)有濾鏡層，但是是將現(xiàn)有技術(shù)中原有的I個(gè)濾鏡層(例如如圖2所示的由微透鏡5和顏色濾鏡4排列構(gòu)成的濾鏡層6)拆分為2個(gè)獨(dú)立的濾鏡層16、19，并相分離設(shè)置。其中所述第一濾鏡層16即全部由微透鏡15排列構(gòu)成的微透鏡層16，并位于本發(fā)明的CMOS圖像像素陣列的最上層；所述第二濾鏡層19即全部由顏色濾鏡12排列構(gòu)成的顏色濾鏡層19，將此顏色濾鏡層19設(shè)于金屬層17和H)層20之間。
[0030]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖3。本發(fā)明不但將微透鏡層16和顏色濾鏡層19進(jìn)行了分離，而且，對(duì)其相對(duì)大小也進(jìn)行了改變。從圖3中可看出，在水平寬度方向上，I個(gè)微透鏡15占據(jù)了大致2個(gè)顏色濾鏡12的寬度位置。每個(gè)微透鏡15下方對(duì)應(yīng)耦合I個(gè)金屬層17的光通道13，每個(gè)顏色濾鏡12下方對(duì)應(yīng)耦合I個(gè)感光二極管(PD) 10。可以理解為，在保持微透鏡15和金屬層17的光通道13尺寸不變的情況下，縮小了顏色濾鏡12和ro1的尺寸；或者是在保持顏色濾鏡12和ro1尺寸不變的情況下，增大了微透鏡15和金屬層17的光通道13的尺寸。在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明在金屬層17的每個(gè)光通道13中設(shè)置了 I個(gè)可見光傳導(dǎo)光纖14，每個(gè)所述光纖14的上端耦合至I個(gè)微透鏡15，其下端可同時(shí)耦合至多個(gè)顏色濾鏡12，每個(gè)顏色濾鏡12又通過ro層20的光通道11耦合至其下方的I個(gè)ro1。
[0031]請(qǐng)參閱圖4，圖4是本發(fā)明實(shí)施例一中的CMOS圖像像素陣列的平面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，在本實(shí)施例中，設(shè)置在金屬層光通道13中的每個(gè)所述光纖14的上端耦合至I個(gè)微透鏡15，其下端同時(shí)耦合至4個(gè)顏色濾鏡12，每個(gè)顏色濾鏡12又通過H)層的光通道耦合至其下方的I個(gè)ro1。即每個(gè)光纖14的下端同時(shí)耦合至由2X2個(gè)顏色濾鏡12及其下方對(duì)應(yīng)的2X2個(gè)ro1構(gòu)成的像素區(qū)域。
[0032]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖4。圖4示出了由4組2X2個(gè)像素區(qū)域相鄰排列形成的像素陣列區(qū)域，以每組的2X2個(gè)像素為重復(fù)單元排列，即構(gòu)成整個(gè)CMOS圖像像素陣列。其中，每組的2X2個(gè)顏色濾鏡12按照Bayer模式排列構(gòu)成重復(fù)的顏色濾鏡陣列。圖示的是Bayer模式的其中I種排列模式，即各行的顏色濾鏡12按照RGRG...、GBGB…的模式重復(fù)排列。因此，為了在I個(gè)光纖所覆蓋的nXn個(gè)像素區(qū)域的顏色濾鏡的排列滿足Bayer模式的重復(fù)排列要求，顏色濾鏡的個(gè)數(shù)η須為不小于2的偶數(shù)。本實(shí)施例即為以η等于2時(shí)的情況作出的示例。
[0033]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖4。為了保證入射光照射的均勻性，需要使本發(fā)明的CMOS圖像像素陣列部件之間的相互大小具有一定的匹配度，且相互位置具有一定的對(duì)稱性。在本實(shí)施例中，作為優(yōu)選，微透鏡15采用圓形，光纖14采用圓管形，即在水平面上的正投影為圓形；顏色濾鏡12和ro1采用正方形，即在水平面上的正投影為正方形；對(duì)應(yīng)的，金屬層光通道13的水平截面形狀也是正方形。在確定好各個(gè)部件的形狀后，將微透鏡15和光纖14的圓心中心對(duì)準(zhǔn)(即形成同心配置)，并將光纖14的內(nèi)徑按略小于微透鏡15的外徑配置，光纖14的上端面與微透鏡15的下端面處緊密接合；將ro1與顏色濾鏡12的正方形中心對(duì)準(zhǔn)，PDlO的尺寸小于顏色濾鏡12 ;然后，使微透鏡15和光纖14的同心中心與4個(gè)顏色濾鏡12構(gòu)成的像素區(qū)域的幾何中心對(duì)準(zhǔn)(即也同時(shí)與4個(gè)顏色濾鏡12下方分別對(duì)應(yīng)的4個(gè)ro1的幾何中心對(duì)準(zhǔn))。并且，4個(gè)顏色濾鏡12整體所構(gòu)成的較大的正方形區(qū)域的邊長(zhǎng)不大于微透鏡15的外徑，也不大于光纖14的內(nèi)徑，光纖14的下端面與4個(gè)顏色濾鏡12的上端面處緊密接合；微透鏡15的外徑不大于金屬層光通道13的邊長(zhǎng)，進(jìn)一步優(yōu)選為微透鏡15的外徑與金屬層光通道13的邊界相等。在本實(shí)施例中，作為優(yōu)選，光纖14的內(nèi)徑為10?100微米，且只需要使用到光纖的內(nèi)芯即可，無需帶有保護(hù)層?？紤]到現(xiàn)有的PD的最小邊長(zhǎng)為I微米，因此，本發(fā)明采用的光纖的內(nèi)徑完全能夠滿足覆蓋2X2個(gè)ro的需求，采用光纖與ro一對(duì)四耦合的方式，不僅可以減少光纖的數(shù)量，而且可以方便光纖的選型，故可降低其生產(chǎn)成本。同時(shí)，在保持顏色濾鏡和ro尺寸不變的情況下，可增大微透鏡和金屬層的光通道尺寸，也給器件的加工帶來了便利。
[0034]請(qǐng)參閱圖3。按照上述方式，對(duì)本發(fā)明的CMOS圖像像素陣列的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理配置后，入射光(如圖3中空心箭頭所指)即可從每個(gè)微透鏡15上方進(jìn)入，經(jīng)過光纖14的匯聚后，可同時(shí)被4個(gè)顏色濾鏡12所還原，并傳導(dǎo)至每個(gè)顏色濾鏡12對(duì)應(yīng)的感光二極管10進(jìn)行感光。與現(xiàn)有技術(shù)下的FSI相比較，除了在顏色濾鏡層19和感光層20之間仍有少量入射光被反射外(如圖3中實(shí)心箭頭所指)，其余的絕大多數(shù)入射光線都得到了利用，使得整個(gè)像素陣列的光敏性得到大大提高，可實(shí)現(xiàn)入射光效率的明顯提高。由于每個(gè)ro1仍舊對(duì)應(yīng)一種顏色的一個(gè)顏色濾鏡12，像素陣列的分辨率不會(huì)有任何損失，從而保證了其輸出圖像的圖像質(zhì)量。在同樣的光照條件下，本發(fā)明中論述的CIS能夠獲得更為明亮、清晰、噪點(diǎn)更少的彩色數(shù)字圖像。
[0035]實(shí)施例二
[0036]在本發(fā)明的以下第二個(gè)實(shí)施例中，先請(qǐng)參閱圖5，圖5是本發(fā)明實(shí)施例二中的CMOS圖像像素陣列的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。如圖5所示，本發(fā)明的CMOS圖像像素陣列的結(jié)構(gòu)，是以FSI像素陣列的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)、但經(jīng)過變化的像素陣列結(jié)構(gòu)。與FSI像素陣列相同之處在于，都包括金屬層28和感光層(H)層)31。金屬層28的基質(zhì)例如可為氧化硅材料，放置有多層金屬布線29 (圖示為4層)，并以電連接方式形成電路結(jié)構(gòu)，用來傳遞電信號(hào)。相鄰金屬布線之間的空隙形成光通道24。H)層31的基質(zhì)材料例如可為硅，用來放置PD (感光二極管)21，ro21通過ro層31的光通道22接收來自上方的入射光。區(qū)別在于，本發(fā)明的CMOS圖像像素陣列，自上而下依次包括第一濾鏡層27、金屬層28、第二濾鏡層30、感光層31。也就是說，本發(fā)明的CMOS圖像像素陣列與現(xiàn)有技術(shù)的FSI像素陣列同樣設(shè)有濾鏡層，但是是將現(xiàn)有技術(shù)中原有的I個(gè)濾鏡層(例如如圖2所示的由微透鏡5和顏色濾鏡4排列構(gòu)成的濾鏡層6)拆分為2個(gè)獨(dú)立的濾鏡層，并相分離設(shè)置。其中所述第一濾鏡層27即全部由微透鏡26排列構(gòu)成的微透鏡層27，并位于本發(fā)明的CMOS圖像像素陣列的最上層；所述第二濾鏡層30即全部由顏色濾鏡23排列構(gòu)成的顏色濾鏡層30，將此顏色濾鏡層30設(shè)于金屬層28和PD層31之間。
[0037]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖5。本發(fā)明不但將微透鏡層27和顏色濾鏡層30進(jìn)行了分離，而且，對(duì)其相對(duì)大小也進(jìn)行了改變。從圖5中可看出，在水平寬度方向上，I個(gè)微透鏡26占據(jù)了大致4個(gè)顏色濾鏡23的寬度位置。每個(gè)微透鏡26下方對(duì)應(yīng)耦合I個(gè)金屬層28的光通道24，每個(gè)顏色濾鏡23下方對(duì)應(yīng)耦合I個(gè)感光二極管(PD)21。可以理解為，在保持微透鏡26和金屬層28的光通道24尺寸不變的情況下，縮小了顏色濾鏡23和TO21的尺寸；或者是在保持顏色濾鏡23和PD21尺寸不變的情況下，增大了微透鏡26和金屬層28的光通道24尺寸。在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明在金屬層28的每個(gè)光通道24中設(shè)置了 I個(gè)可見光傳導(dǎo)光纖25，每個(gè)所述光纖25的上端耦合至I個(gè)微透鏡26，其下端可同時(shí)耦合至多個(gè)顏色濾鏡23，每個(gè)顏色濾鏡23又通過H)層31的光通道22耦合至其下方的I個(gè)TO21。
[0038]請(qǐng)參閱圖6，圖6是本發(fā)明實(shí)施例二中的CMOS圖像像素陣列的平面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖6所示，在本實(shí)施例中，設(shè)置在金屬層光通道24中的每個(gè)所述光纖25的上端耦合至I個(gè)微透鏡26，其下端同時(shí)耦合至16個(gè)顏色濾鏡23，每個(gè)顏色濾鏡23又通過H)層的光通道耦合至其下方的I個(gè)TO21。即每個(gè)光纖25的下端同時(shí)耦合至由4X4個(gè)顏色濾鏡23及其下方對(duì)應(yīng)的4X4個(gè)Η)21構(gòu)成的像素區(qū)域。
[0039]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖6。圖6示出了由4組4X4個(gè)像素區(qū)域相鄰排列形成的像素陣列區(qū)域，以每組的4X4個(gè)像素為重復(fù)單元排列，即構(gòu)成整個(gè)CMOS圖像像素陣列。其中，每組的4X 4個(gè)顏色濾鏡23按照Bayer模式排列構(gòu)成重復(fù)的顏色濾鏡陣列。圖示的是Bayer模式的其中I種排列模式，即各行的顏色濾鏡23按照RGRGRGRG…、GBGBGBGB…的模式重復(fù)排列。因此，為了在I個(gè)光纖所覆蓋的nXn個(gè)像素區(qū)域的顏色濾鏡的排列滿足Bayer模式的重復(fù)排列要求，顏色濾鏡的個(gè)數(shù)η須為不小于2的偶數(shù)。本實(shí)施例即為以η等于4時(shí)的情況作出的示例。
[0040]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖6。為了保證入射光照射的均勻性，需要使本發(fā)明的CMOS圖像像素陣列部件之間的相互大小具有一定的匹配度，且相互位置具有一定的對(duì)稱性。在本實(shí)施例中，作為優(yōu)選，微透鏡26采用圓形，光纖25采用圓管形，即在水平面上的正投影為圓形；顏色濾鏡23和TO21采用正方形，即在水平面上的正投影為正方形；對(duì)應(yīng)的，金屬層光通道24的水平截面形狀也是正方形。在確定好各個(gè)部件的形狀后，將微透鏡26和光纖25的圓心中心對(duì)準(zhǔn)(即形成同心配置)，并將光纖25的內(nèi)徑按略小于微透鏡26的外徑配置，光纖25的上端面與微透鏡26的下端面處緊密接合；將TO21與顏色濾鏡23的正方形中心對(duì)準(zhǔn)，PD21的尺寸小于顏色濾鏡23 ;然后，使微透鏡26和光纖25的同心中心與16個(gè)顏色濾鏡23構(gòu)成的像素區(qū)域的幾何中心對(duì)準(zhǔn)(即也同時(shí)與16個(gè)顏色濾鏡23下方分別對(duì)應(yīng)的16個(gè)Η)21的幾何中心對(duì)準(zhǔn))。并且，16個(gè)顏色濾鏡23整體所構(gòu)成的較大的正方形區(qū)域的邊長(zhǎng)不大于微透鏡26的外徑，也不大于光纖25的內(nèi)徑，光纖25的下端面與16個(gè)顏色濾鏡23的上端面處緊密接合；微透鏡26的外徑不大于金屬層光通道24的邊長(zhǎng)，進(jìn)一步優(yōu)選為微透鏡26的外徑與金屬層光通道24的邊界相等。在本實(shí)施例中，作為優(yōu)選，光纖25的內(nèi)徑為10?100微米，且只需要使用到光纖的內(nèi)芯即可，無需帶有保護(hù)層。考慮到現(xiàn)有的H)的最小邊長(zhǎng)為I微米，因此，本發(fā)明采用的光纖的內(nèi)徑完全能夠滿足覆蓋4X4個(gè)ro的需求，采用光纖與ro一對(duì)十六耦合的方式，不僅可以減少光纖的數(shù)量，而且可以方便光纖的選型，故可降低其生產(chǎn)成本。同時(shí)，在保持顏色濾鏡和ro尺寸不變的情況下，可顯著增大微透鏡和金屬層的光通道尺寸，也給器件的加工帶來了便利。
[0041]請(qǐng)參閱圖5。按照上述實(shí)施例二的方式，對(duì)本發(fā)明的CMOS圖像像素陣列的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理配置后，入射光(如圖5中空心箭頭所指)即可從每個(gè)微透鏡26上方進(jìn)入，經(jīng)過光纖25的匯聚后，可同時(shí)被16個(gè)顏色濾鏡23所還原，并傳導(dǎo)至每個(gè)顏色濾鏡23對(duì)應(yīng)的感光二極管21進(jìn)行感光。與現(xiàn)有技術(shù)下的FSI相比較，除了在顏色濾鏡層30和感光層31之間仍有少量入射光被反射外(如圖5中實(shí)心箭頭所指)，其余的絕大多數(shù)入射光線都得到了利用，使得整個(gè)像素陣列的光敏性得到大大提高，可實(shí)現(xiàn)入射光效率的明顯提高。由于每個(gè)PD21仍舊對(duì)應(yīng)一種顏色的一個(gè)顏色濾鏡23，像素陣列的分辨率不會(huì)有任何損失，從而保證了其輸出圖像的圖像質(zhì)量。在同樣的光照條件下，本發(fā)明中論述的Cis能夠獲得更為明亮、清晰、噪點(diǎn)更少的彩色數(shù)字圖像。
[0042]以上所述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，因此凡是運(yùn)用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種CMOS圖像像素陣列，包括濾鏡層、金屬層、感光層，其特征在于，所述像素陣列自上而下依次包括第一濾鏡層、金屬層、第二濾鏡層、感光層，所述第一濾鏡層由微透鏡排列構(gòu)成，所述第二濾鏡層由顏色濾鏡排列構(gòu)成；所述金屬層的光通道中設(shè)有光纖，每個(gè)所述光纖上端耦合至一所述微透鏡，其下端同時(shí)耦合至nXn個(gè)所述顏色濾鏡，每個(gè)所述顏色濾鏡耦合至一個(gè)所述感光層的感光二極管，所述顏色濾鏡的個(gè)數(shù)η為不小于2的偶數(shù)；其中，從每個(gè)所述微透鏡上方進(jìn)入的入射光，經(jīng)過所述光纖的匯聚，可同時(shí)被nXn個(gè)所述顏色濾鏡所還原，并傳導(dǎo)至其對(duì)應(yīng)的所述感光二極管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像像素陣列，其特征在于，所述微透鏡和所述光纖的中心對(duì)準(zhǔn)，并與nXn個(gè)所述顏色濾鏡及其下方對(duì)應(yīng)的所述感光二極管構(gòu)成的像素區(qū)域的幾何中心對(duì)準(zhǔn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的CMOS圖像像素陣列，其特征在于，nXn個(gè)所述顏色濾鏡按照Bayer模式排列構(gòu)成重復(fù)的顏色濾鏡陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的CMOS圖像像素陣列，其特征在于，所述微透鏡為圓形，所述光纖為圓管形可見光傳導(dǎo)光纖，所述光纖的內(nèi)徑小于所述微透鏡的外徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的CMOS圖像像素陣列，其特征在于，所述光纖的內(nèi)徑為10?100微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的CMOS圖像像素陣列，其特征在于，所述微透鏡為圓形，所述顏色濾鏡為正方形，nXn個(gè)所述顏色濾鏡所構(gòu)成的正方形邊長(zhǎng)不大于所述微透鏡的外徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的CMOS圖像像素陣列，其特征在于，所述光纖為圓管形可見光傳導(dǎo)光纖，所述顏色濾鏡為正方形，nXn個(gè)所述顏色濾鏡所構(gòu)成的正方形邊長(zhǎng)不大于所述光纖的內(nèi)徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像像素陣列，其特征在于，所述微透鏡為圓形，所述金屬層的光通道為正方形，所述微透鏡的外徑不大于所述光通道的邊長(zhǎng)。
【文檔編號(hào)】H01L27/146GK104241308SQ201410482221
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】陳嘉胤 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司, 成都微光集電科技有限公司