CN105552096A - 一种像素内部金属层实施等离子体滤色的图像传感器芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种像素内部金属层实施等离子体滤色的图像传感器芯片，其特征在于，包括像素阵列，像素阵列包括若干像素，每个像素内部的金属层上包括等离子滤色器，所述等离子滤色器为按周期排列的通孔；排列周期可为三角形或正方形等；所述通孔的孔径的大小为d，孔间距为p；本发明通过在像素内部的金属层上实施等离子体滤色器，替代现有的在像素顶部通过复杂后加工实施的滤光镜。通过设计金属层上通孔的孔阵列周期、孔直径和孔形状等确定滤波频率，使得滤色器可在芯片的内部直接集成。该方法通过使滤色器与光敏区域的光电二极管距离紧密，能得到更好的成像性能；同时采用与标准CMOS工艺(铝层)兼容的方法来代替昂贵的后处理加工，极大节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路传感器及芯片，具体涉及一种像素内部金属层实施等离子体滤色的图像传感器芯片。
背景技术
互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器市场近些年增长非常迅速。和传统数字图像电荷耦合器件(CCD)技术相比，其主要的优势是可以将成像器件，曝光控制、模数转换、信号处理等电子模块集成单块数码照相机芯片，实现更低成本、低功耗的成像系统，尤其适用于手机、电脑等便携式器件的快速发展的市场。虽然近几年图像传感器技术已取得巨大的进步，消费者仍然期望更高分辨率，即在保持传感器尺寸不变的情况下，不断增加像素数量，这将导致每个像素接收的光信号减少，为保证图像质量，对图像传感器技术提出了更高的要求即减小尺寸，提高转换效率以及降低噪声，但现有滤光镜技术限制了像素工艺的进一步优化。
CMOS图像传感器通过有机染料滤光镜实现彩色成像，滤光镜位于光学微透镜和图像传感器之间，透过滤红色、绿色和蓝色标准三色光谱，但该技术存在一定的局限性。首先，滤光镜是吸收材料，只能透过部分的入射光能量，透光效率很低，所以当像素尺寸变小时透过的入射光非常有限，从而影响成像质量。其次，由于滤光镜染料材料的吸收系数低，对滤光镜的厚度有一定的要求(大于几百纳米)，因此限制了小像素的实现。此外，有机染料滤色器在高温下或长时间紫外曝光时光学性能不稳定。尤其在制造过程中光电二极管阵列上和滤光镜需要精细对准的光刻，因而提高制造成本。
最新科研结果表明，结构型光子材料，如等离子体滤光镜，可以选择传输特定的窄带信号并有效阻挡其他频率信号，因此有望替代有机染料滤光镜，以实现图像传感器像素工艺的进一步改良。等离子体滤光镜由一个固定结构的孔阵列金属薄膜实现，通过调整孔径的大小和间距使得透过波长介于可见光范围(400nm至800nm)，由于具备良好的窄带滤波特性，因此非常适合于可见光的滤光镜。其工作原理如下：首先有一块包含带负电荷的等离子体与带正电荷的离子芯背景的金属，其电子密度距正芯的位移导致一个与材料相关的谐振频率点的振荡，该频率被称为等离子体频率。当亚集肤深度厚度的金属纳米粒子由一个平面波光源照射时，电场将置换自由电子。光与金属纳米粒子的相互作用将导致局部表面等离子体共振(LSPR)。当该反应接近等离子体频率，这将导致入射光的共振增强散射和吸收，实现金属胶体的独特光学性质。通过等离子体滤波器探索波长相关的异常光学透射(EOT，ExtraordinaryOpticalTransmission)与表面等离子体激元(SPP，SurfacePlasmonPolaritons)相互作用来实现彩色滤光镜，提供了一个理想的替代传统的彩色成像滤光镜的方法，具有广泛的应用前景。该技术主要的优势包括：可调节，即通过缩放阵列周期和孔的直径可以实现不同可见光波段波长的过滤；易制造，通常铝是实际应用中较理想的材料，由于其介电损耗低，仅需要一种材料可以实现对不同颜色的滤光；低成本，可以通过标准CMOS工艺生产，与图像传感器的生产工艺相兼容。
现有的等离子实现滤光镜方法(StanleyP.Burgos,ColorImagingviaNearestNeighborHoleCouplinginPlasmonicColorFiltersIntegratedontoaComplementaryMetal-OxideSemiconductorImageSensor,NanoLetter,vol.7,no.11,pp.10038–10047,2013。)将带有孔径列阵的薄金属膜附着于图像传感器的顶部实现彩色滤光镜，如图1所示。滤光镜滤光频率是通过改变孔阵列的特性(例如大小，间距，周期性，形状等)来调节的，因此等离子滤光镜可以利用单层金属来实现许多颜色光的过滤。换句话说，传统的有机染色滤光镜需要针对每一种颜色设计特定的染料工艺，而等离子滤光镜只通过一层金属膜可以实现任何颜色的过滤。图1中每孔是圆形的，针对需要选择过滤的颜色，可以设计该等离子孔阵列的最佳尺寸直径和排列周期。虽然等离子滤光镜在成像应用上有优于常规有机染料的优点，在图像传感器顶部集成等离子滤光镜需要复杂的后加工步骤，这显著地增加了成本。另外，如何精确地对准图像传感器与等离子滤光镜也是一个亟待解决的问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种像素内部金属层实施等离子体滤色的图像传感器芯片，通过在像素内部的金属层直接实施等离子体滤色，解决了现有图像传感器的不足。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种像素内部金属层实施等离子体滤色的图像传感器芯片，其特征在于，包括像素阵列，像素阵列包括若干像素，每个像素内部的金属层上包括等离子滤色器，所述等离子滤色器为带有周期排列的通孔；所述通孔的孔径的大小为d，孔间距为p；
包括与像素阵列连接的快速列并行信号读取电路，所述信号读取电路包括行解码器、行驱动器、列解码器、列驱动器、列并行增益可调放大器、列并行模数转换器、静态随机存储器、灵敏放大器、低压差分信号读出模块、静态寄存器、时序控制模块和数字控制电流源；
像素阵列在行解码器和行驱动器的作用下，像素阵列的信号被逐行读出到列并行增益可调放大器以及列并行模数转换器；列并行模数转换器的信号经过列解码器和列驱动器的控制，分组读出到静态随机存储器和灵敏放大器，最终通过高速低压差分信号读出模块将数据输出芯片；其中，时序控制模块控制行解码器、行驱动器、列解码器和列驱动器的工作；静态寄存器控制列并行增益可调放大器的增益变化；数字控制电流源给列并行增益可调放大器和列并行模数转换器提供偏置电流。
进一步的，所述通孔排列方式包括三角形周期排列或正方形的周期排列。
进一步的，所述通孔包括圆形孔、八边形孔和正方形孔。
进一步的，所述通孔孔径d和孔间距p根据不同波长的光设定如下：
绿光：d＝180纳米；p＝340纳米；
红光：d＝240纳米；p＝420纳米；
蓝光：d＝140纳米；p＝260纳米。
有益效果：本发明提供的一种像素内部金属层实施等离子体滤色的图像传感器芯片，利用标准CMOS图像传感器半导体工艺制造的内部金属层直接在像素上实现等离子滤光镜，以满足像素继续缩小化的趋势。通过金属孔阵列周期(孔间距距离，p)、孔直径(d)和孔形状的不同，可确定滤波频率，使得红色、绿色和蓝色滤光器可在CMOS图像传感器芯片的内部直接集成。同时，该图像传感器芯片采用高速列并行信号读取电路。具体具有以下优点：
(1)本发明在像素内部的金属层上直接实施等离子滤光镜，该滤光镜与在衬底上实施的光敏区域的光电二极管距离紧密，能得到更好的成像性能；
(2)本发明采用与标准CMOS工艺(铝层)兼容的方法来代替昂贵的后处理加工，极大节约成本；
(3)本发明还提供了一个适合大列阵传感器的快速列并行信号读取电路，将传感器阵列和读取电路集成在同一块芯片上，将感应信号直接转化成数字信号输出，提高帧速率。
附图说明
图1为传统的通过后处理工艺在图像传感器像素上方制造的等离子滤光器结构图；
图2为作为等离子滤色器的金属层上呈三角形周期排列的圆形孔；
图3为不同孔形状的等离子滤色器设计俯视图；
图4(a)为传统有机染料滤光图像传感器像素剖面图；
图4(b)为像素外实施的等离子滤光图像传感器像素剖面图；
图4(c)为像素内实施的等离子滤光图像传感器像素剖面图；
图5为本发明的像素阵列俯视图；
图6为本发明芯片的架构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种像素内部金属层实施等离子体滤色的图像传感器芯片，如图5所示，包括像素阵列，像素阵列包括若干像素，每个像素内部的金属层上包括等离子滤色器，所述等离子滤色器为带有周期排列的通孔；通孔以正方形周期排列，如图2所示，也可以为三角形周期排列。且不仅限于正方形和三角形周期排列。
如图3所示，通孔包括圆形孔、八边形孔和正方形孔；且不仅限于这些形状，可以根据需要选择合适形状的通孔。通孔的孔径的大小为d，孔间距为p；当通孔为圆形时，孔径大小d为圆形直径；当通孔为正方形时，孔径大小d为正方形边长；当通孔为八边形时，孔径大小d为八边形相互平行的两条边之间的距离。
针对不同波长的光，需要有不同的孔径设计：根据不同波长的光最优选的设定如下：
绿光波长为550纳米：d＝180纳米；p＝340纳米；
红光波长为650纳米：d＝240纳米；p＝420纳米；
蓝光波长为450纳米：d＝140纳米；p＝260纳米。
图4(a)为传统的图像传感器通过使用吸收性有机染料过滤器实现彩色成像，这些滤光镜位于图像传感器像素上部，微透镜和光电检测器PD之间，传输典型的红色、绿色和蓝色三色光谱，但传统的有机染料滤光镜限制了像素尺寸的进一步减小。由于它们只传输可见光谱的一部分，这些滤色镜固有转换效率很低。
图4(b)为在像素外实施的等离子滤光图像传感器像素，然而在图像传感器顶部集成等离子滤波器需要复杂的后加工步骤，这显着地增加了成本；另外，如何精确地对准图像传感器与等离子滤色器也是一个亟待解决的问题。
图4(c)为本发明提出的在像素内实施的等离子图像传感器像素，直接在像素内部的金属层上实施等离子滤光器，由于此方法与标准的CMOS制造工艺兼容，不需要后加工处理，因此可以显著降低生产成本。
图5为本发明的像素阵列俯视图示意图，对应于不同的滤光要求选择了不同的孔形状表示，形成了Bayer形式分布。以2x2的像素区域为例，对应于像素阵列里每个2x2的像素排列区域，选择对角的两个像素以圆形通孔设计实现绿光的滤色，对另外两个像素以正方形和八边形分别实现红光和蓝光的滤色。注意到此时三种通孔都是以一致的正方形周期排列的，也可以进行相应改变。每个2x2的像素区域内的通孔以相同形状的周期排列，可根据实际需要进行通孔形状以及周期排列形状的选择。
图6为本发明的图像传感器芯片架构图，具体包括与像素阵列连接的快速列并行信号读取电路，所述信号读取电路包括行解码器、行驱动器、列解码器、列驱动器、列并行增益可调放大器、列并行模数转换器、静态随机存储器、灵敏放大器、低压差分信号读出模块、静态寄存器、时序控制模块和数字控制电流源；
像素阵列在行解码器和行驱动器的作用下，像素阵列的信号被逐行读出到列并行增益可调放大器以及列并行模数转换器；列并行模数转换器的信号经过列解码器和列驱动器的控制，分组读出到静态随机存储器和灵敏放大器，最终通过高速低压差分信号读出模块将数据输出芯片；其中，时序控制模块控制行解码器、行驱动器、列解码器和列驱动器的工作；静态寄存器控制列并行增益可调放大器的增益变化；数字控制电流源给列并行增益可调放大器和列并行模数转换器提供偏置电流。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明还适用于除了可见光之外的其它光谱频段的滤波器，如红外光等。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种像素内部金属层实施等离子体滤色的图像传感器芯片，其特征在于，包括像素阵列，像素阵列包括若干像素，每个像素内部的金属层上包括等离子滤色器，所述等离子滤色器为带有周期排列的通孔；所述通孔的孔径的大小为d，孔间距为p；
包括与像素阵列连接的快速列并行信号读取电路，所述信号读取电路包括行解码器、行驱动器、列解码器、列驱动器、列并行增益可调放大器、列并行模数转换器、静态随机存储器、灵敏放大器、低压差分信号读出模块、静态寄存器、时序控制模块和数字控制电流源；
像素阵列在行解码器和行驱动器的作用下，像素阵列的信号被逐行读出到列并行增益可调放大器以及列并行模数转换器；列并行模数转换器的信号经过列解码器和列驱动器的控制，分组读出到静态随机存储器和灵敏放大器，最终通过高速低压差分信号读出模块将数据输出芯片；其中，时序控制模块控制行解码器、行驱动器、列解码器和列驱动器的工作；静态寄存器控制列并行增益可调放大器的增益变化；数字控制电流源给列并行增益可调放大器和列并行模数转换器提供偏置电流。
2.如权利要求1所述一种像素内部金属层实施等离子体滤色的图像传感器芯片，其特征在于，所述通孔排列方式包括三角形周期排列或正方形的周期排列。
3.如权利要求2所述一种像素内部金属层实施等离子体滤色的图像传感器芯片，其特征在于，所述通孔包括圆形孔、八边形孔和正方形孔。
4.如权利要求3所述一种像素内部金属层实施等离子体滤色的图像传感器芯片，其特征在于，所述通孔孔径d和孔间距p根据不同波长的光设定如下：
绿光：d＝180纳米；p＝340纳米；
红光：d＝240纳米；p＝420纳米；
蓝光：d＝140纳米；p＝260纳米。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yan Mei Inventor after: Huang Xiwei Inventor before: Yu Hao Inventor before: Yan Mei Inventor before: Huang Xiwei |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160504 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |