具有信号分离的颜色滤波器阵列的双模图像传感器及其方法技术

具有信号分离的颜色滤波器阵列(CFA)的双模图像传感器，其包括基板，该基板含有多个光二极管区域和多个高的光谱滤波器，后者具有均匀的第一高度且用于透射第一电磁波长范围。高的光谱滤波器的每一个被设置在基板上，并与相应的光二极管区域对准。该图像传感器还包括多个短的光谱滤波器，其用于透射第二电磁波长范围内的一个或多个光谱带。短的光谱滤波器的每一个被设置在基板上，并与相应的光二极管区域对准。该图像传感器还包括多个单层阻挡滤波器，其用于阻挡第一电磁波长范围。各个单层阻挡滤波器被设置在相应的短的光谱滤波器上。各个单层阻挡滤波器和其相应的短的光谱滤波器具有基本上等于第一高度的组合高度。

Dual mode image sensor with color filter array with signal separation and method thereof

Color filter array with signal separation (CFA) dual-mode image sensor, which comprises a substrate, the substrate comprising a plurality of light emitting diode region and a plurality of high spectral filter, which is the first highly uniform and for transmitting a first electromagnetic wavelength range. Each of the high spectral filters is disposed on the substrate and aligned with the corresponding photodiode region. The image sensor further includes a plurality of short spectral filters for transmitting one or more spectral bands within the second electromagnetic wavelength range. Each of the short spectral filters is disposed on the substrate and aligned with the corresponding photodiode region. The image sensor further includes a plurality of single-layer barrier filters for blocking the first electromagnetic wavelength range. Each single layer barrier filter is disposed on the corresponding short spectral filter. Each of the single-layer barrier filters and their corresponding short spectral filters has a combined height substantially equal to the first height.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及双模图像传感器，特别是，涉及可见光–红外光(VIS-IR)的图像传感器，其中红外光污染所引起的画质的劣化显著被减少或消除。
技术介绍
双模可见光–红外光(VIS-IR)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器将颜色和近红外光成像的功能结合到单一的传感器。比起使用两个独立的捕获颜色和红外光图像的单模传感器，使用双模图像传感器更经济且更有空间效率。可见光–红外光(VIS-IR)图像传感器的应用包括手势识别、深度分析、虹膜检测和眼动跟踪等。传统的颜色图像传感器包括像素阵列，其中，每一个像素包括将光线聚焦在其上的微透镜及嵌入像素微透镜下方的光谱滤波器。光谱滤波器被设计用来将指定范围或可见光范围的电磁辐射传送到其相关联的底层的像素。例如，根据主要颜色的可见光谱滤波器具有对应于电磁光谱的红色、绿色或蓝色(RGB)区域的通带。基于次要颜色的可见光谱滤波器具有对应于主要颜色的组合的通带，而产生透射青色、品红色或黄色(CMY)的滤波器。因为像素的光谱滤波器的透射光谱可以不同于其相邻的像素，故像素依其滤波器类型而被称呼，例如，“红色像素”包括红色滤波器。此处，像素的透射是指其光谱滤波器的透射光谱。图1显示互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器中使用的可见光和红外光谱滤波器的代表性透射光谱。透射光谱145、155和165分别具有电磁光谱的蓝色、绿色和红色区域的峰值透射。因此，透射光谱145、155和165分别是传统颜色图像传感器和可见光–红外光(VIS-IR)图像传感器的蓝色、绿色和红色的像素的光谱灵敏度的代表性透射光谱。本文中术语“IR光”、“红外电磁辐射”和“IR波长”是指波长λ在约0.75微米和约1.1微米之间的电磁能量。波长λ约1.1微米的上限对应于互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的硅的带隙能量。类似地，术语“可见光”、“可见电磁辐射”和“可见波长”是指波长在0.40微米和0.75微米之间的电磁能量。互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器所使用的可见光谱滤波器也透射IR波长，其会导致被称为“红外污染”的图像畸变。例如，没有绿光入射到“完美”的绿色滤波器(仅传输非零绿光)像素时，像素产生的光电流不会超出其暗电流。然而，与绿色像素相关联的典型的绿色滤波器具有类似于图1的透射光谱155的透射光谱。在可见光谱内，透射光谱155具有对应于绿色光的λ近乎550纳米的峰值透射。因为透射光谱155超过80％以上的λ≈800纳米，绿色像素会产生响应入射红外光的光电流，这导致了红外污染。为了防止这种变形，传统的颜色图像传感器也包括在整个像素阵列设置的单一的连续的红外光截止滤波器，或者IR阻挡滤波器。可见光–红外光(VIS-IR)图像传感器包括可见光谱滤波器和红外光谱滤波器二者-后者具有类似于透射光谱191的透射光谱。因为使用可见-红外光图像传感器的装置是依靠检测红外光波长，故覆盖整个像素阵列的单一的连续的红外光截止滤波器不能使用可见光-红外光传感器，因为它们是颜色图像传感器。由于透射光谱145、155和165在红外光区域有显著的透射，故消除红外污染需要像素级过滤：其中红外光截止滤波器仅对颜色的像素起作用，而不能阻碍红外光到达IR像素。图2是
技术介绍
的代表性具有降低红外污染的可见光–红外光(VIS-IR)图像传感器200的横截面图。图2改编自Kawada等人所著，(Kawadaetal,IEEEConf.onSensors,2009)。图像传感器200包括蓝色像素204、绿色像素205、红色像素206和IR像素211。像素204、205和206分别包括可见光谱滤波器245、255和265，并且每一个可见光谱滤波器245、255和265被布置在红外光截止滤波器291上。在Kawada等人的传感器中，红外光截止滤波器291是SiO2和TiO2薄膜的多层堆栈，但不包括在红外光像素211的透明区域295。用于制造图像传感器200的一种方法，在颜色像素204、205和206中形成红外光截止滤波器291时，需要掩蔽红外光像素211。制造图像传感器200的另一种方法，包括先在所有的像素245、255、265和211(可见光和红外光)中形成红外光截止滤波器291，然后使用，例如，光刻构图工艺，除去红外光像素211的光二极管区域上的红外光截止滤波器291的区域。然而，随着像素尺寸变得更小，涉及光刻构图的工艺变得更具挑战性。
技术实现思路
本专利技术提出减少红外污染的基于互补金属氧化物半导体(CMOS)的可见光–红外光(VIS-IR)双模图像传感器的方法，其既不需要在沉积红外光截止滤波器时要屏蔽像素，也不需要红外光截止滤波器的图案化。该方法产生具有信号分离的颜色滤波器阵列(CFA)的双模图像传感器。双模图像传感器包括：基板，其包括多个光二极管区域和多个高的光谱滤波器，后者具有均匀的第一高度且用于透射第一电磁波长范围。多个高的光谱滤波器的每一个被布置在基板上，且与多个光二极管区域中相应的一个对齐。图像传感器还包括多个短的光谱滤波器，其用于透射第二电磁波长范围内的一个或多个光谱带。多个短的光谱滤波器被布置在基板上且与多个光二极管区域中相应的一个对齐。图像传感器还包括多个单层阻挡滤波器，其用于阻挡第一电磁波长范围。多个单层阻挡滤波器被布置在多个短的光谱滤波器中相应的一个。每一个单层阻挡滤波器和其相应的短的光谱滤波器具有基本上等于第一高度的组合高度。用于制造信号分离的颜色滤波器阵列(CFA)的方法也被揭露。该方法包括在基板上形成多重高度的颜色滤波器阵列(CFA)。多重高度的颜色滤波器阵列(CFA)包括多个高的光谱滤波器和多个短的光谱滤波器。每一个高的光谱滤波器比每一个短的光谱滤波器高。该方法包括在多重高度的颜色滤波器阵列(CFA)上布置光谱阻挡层；并平坦化光谱阻挡层，以暴露多个高的光谱滤波器的每一个的顶部表面。附图说明图1显示互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器中使用的可见光和红外光谱滤波器的代表性透射光谱。图2是
技术介绍
的具有降低红外污染的代表性的可见光–红外光(VIS-IR)图像传感器200的横截面图。图3是一个实施例的用于可见光和红外光成像的具有信号分离的颜色滤波器阵列(CFA)的双模图像传感器的横截面图。图4显示一个实施例的信号分离的颜色滤波器阵列(CFA)的蓝、绿、红和红外光谱滤波器的代表性透射光谱。图5是一个实施例的显示用于制造信号分离的颜色滤波器阵列(CFA)的方法的流程图。图6显示一个实施例的基底上的颜色滤波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有信号分离的颜色滤波器阵列CFA的双模图像传感器，其包括：基板，含有多个光二极管区域；多个高的光谱滤波器，具有均匀的第一高度且用于透射第一电磁波长范围，所述多个高的光谱滤波器中的每一个被设置在所述基板上且对准于相应的所述多个光二极管区域中的每一个；多个短的光谱滤波器，用于透射第二电磁波长范围内的一个或多个光谱带，所述多个短的光谱滤波器中的每一个被设置在所述基板上且对准于相应的所述多个光二极管区域中的每一个；以及多个单层阻挡滤波器，用于阻挡所述第一电磁波长范围，所述多个单层阻挡滤波器中的每一个被设置在相应的所述多个短的光谱滤波器中的每一个上，单层阻挡滤波器中的每一个和其相应的短的光谱滤波器具有实质上等于所述第一高度的结合高度。

【技术特征摘要】
2014.10.08 US 14/510,0251.一种具有信号分离的颜色滤波器阵列CFA的双模图像传感器，其包括：
基板，含有多个光二极管区域；
多个高的光谱滤波器，具有均匀的第一高度且用于透射第一电磁波长范围，所述多个高
的光谱滤波器中的每一个被设置在所述基板上且对准于相应的所述多个光二极管区域中的
每一个；
多个短的光谱滤波器，用于透射第二电磁波长范围内的一个或多个光谱带，所述多个短
的光谱滤波器中的每一个被设置在所述基板上且对准于相应的所述多个光二极管区域中的
每一个；以及
多个单层阻挡滤波器，用于阻挡所述第一电磁波长范围，所述多个单层阻挡滤波器中的
每一个被设置在相应的所述多个短的光谱滤波器中的每一个上，单层阻挡滤波器中的每一个
和其相应的短的光谱滤波器具有实质上等于所述第一高度的结合高度。
2.如权利要求1所述的双模图像传感器，其中，所述第一电磁波长范围相应于红外线
电磁辐射。
3.如权利要求1所述的双模图像传感器，其中，所述第二电磁波长范围相应于可见光
电磁辐射。
4.如权利要求3所述的双模图像传感器，其中，所述光谱带的数目超过一个且每一光
谱带表示相应于不同的主要颜色的电磁波长范围。
5.如权利要求1所述的双模图像传感器，其中，所述均匀的第一高度在包含1.0微米、
1.4微米以及前述两者之间的范围内，且所述多个短的光谱滤波器中的每一个具有在包含0.5
微米、0.7微米以及前述两者之间的范围内的高度。
6.如权利要求1所述的双模图像传感器，其中，还包括分离层，其被设置在所述图像
传感器的微透镜阵列和由所述多个高的光谱滤波器和所述多个单层阻挡滤波器所形成的表
面之间，所述分离层对可见和红外波长范围皆是透明的。
7.一种用于制造信号分离的颜色滤波器阵列CFA的方法，包括：
在基板上形成多重高度的颜色滤波器阵列CFA，所述多重高度的颜色滤波器阵列CFA
包括多个短的光谱滤波器和多个高的光谱滤波器，所述高的光谱滤波器中的每一个均高于所
述短的光谱滤波器中的任何一个；
将光谱阻挡层设置在所述多重高度的颜色滤波器阵列CFA上；以及
将所述光谱阻挡层平坦化，借以暴露所述多个高的光谱滤波器中的每一个的顶部表面。
8.如权利要求7所述的方法，其中，还包括在所述信号分离的颜色滤波器阵列CFA上

\t形成微透镜阵列，借以形成具有信号分离的颜色滤波器阵列CFA的图像传感器。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述形成所述多重高度的颜色滤波器阵列CFA的
步骤包括：
在均匀高度的颜色滤波器阵列CFA上沉积光阻层，所述均匀高度的颜色滤波器阵列CFA
包括所述多个高的光谱滤波器和多个蚀刻-待决的光谱滤波器；
经由光罩使所述光阻层曝光；以及
蚀刻多个所述蚀刻-待决的光谱滤波器，借以形成多个所述短的光谱滤波器。
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【专利技术属性】
技术研发人员：李缙，钱胤，戴幸志，
申请(专利权)人：全视技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US