[发明专利]一种模拟随机像素效果的CMOS图像像素阵列

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地，涉及一种带有白色滤镜的可模拟随机像素效果的CMOS图像像素阵列。

背景技术

图像传感器是将光信号转换为电信号的装置，在数字电视、可视通信等民用和商业范畴内已得到了广泛的应用。根据光电转换方式的不同，图像传感器通常可以分为电荷耦合器件图像传感器(Charge-coupled Device，CCD)和CMOS图像传感器(CMOS IMAGE SENSOR，CIS)两类。

对于CCD来说，一方面，在专业的科研和工业领域，具有高信噪比的CCD成为首选；另一方面，在高端摄影摄像领域，能提供高图像质量的CCD也颇受青睐。而对于CIS来说，在网络摄像头和手机拍照模块也得到了广泛应用。

CCD与CIS相比，前者功耗较高、集成难度较大，而后者功耗低、易集成且分辨率较高。虽然说，在图像质量方面CCD可能会优于CIS，但是，随着CIS技术的不断提高和CMOS制造工艺水平的大幅提升，一部分CIS的图像质量已经接近于同规格的CCD。CIS在性能上正在取得实质性的进展，并凭借其低成本、高效率、传输速度快等优势被广泛用于平板电脑、智能手机等各类新兴领域。伴随着照相手机等消费类电子领域对CIS的促进，未来的CMOS图像传感器的市场前景将更为广阔。小尺寸、高性能CIS的设计成为本领域研究的重要课题之一。

图像传感器一个直观的性能指标就是对图像的复现能力，而图像传感器的像素阵列就是直接关系到这一指标的关键性功能模块。像素阵列可分为正面照射式(Front Side Illuminated，FSI)像素阵列和背照式(Back Side Illuminated，BSI)像素阵列。在FSI像素阵列的结构中，沿入射光方向依次包括滤镜层、金属层和感光二极管层。滤镜层一般包括微透镜(Micro-lens)和颜色滤镜阵列(Color Filter Array，CFA)的二者或其一，用于对入射光进行聚焦和得到彩色图像；金属层包括由多层金属布线形成的电路结构，用于将光电转换的电信号传输到外围电路进行处理；感光二极管层中包括有感光二极管(Photo Diode，PD)，用于对接收的入射光进行光电转换。如果是BSI像素阵列，则沿入射光方向依次包括滤镜层、感光二极管层和金属层，其结构中的金属层位置与感光二极管层互换，即位于背离入射光的最远端层。在滤镜层和感光二极管层之间设有光通道，入射光经过滤镜层，沿光通道到达感光二极管层中的PD，实现光电转换、模数转换，输出数字图像。在采用有源像素传感器(Active Pixel Sensor，APS)作为其感光单元的CIS的像素阵列中，一个APS(即一个像素单元)包括一个PD和一个有源放大器(Active Amplifier)。

以FSI像素阵列为例，请参阅图1，图1是现有技术的一种CMOS图像传感器的FSI像素阵列的结构剖面示意图。如图1所示，从剖面上看，像素阵列基本分为上中下三层，上层为滤镜层6，用来放置微透镜5和颜色滤镜4，每个微透镜5为一个凸透镜，其下方对应一个金属层7的光通道3、PD层9的光通道2及PD1。中层为金属层7，基质为氧化硅材料，放置有多层金属布线8(图示为4层)，并以电连接方式形成电路结构，用来传递电信号，相邻金属布线之间的空隙形成光通道3，入射光可从此光通道3穿过到达PD1。下层为PD层9，基质材料为硅，用来放置PD1，PD层9的光通道2与金属层7的光通道3连通并对准。微透镜5用来聚集光线，入射光(如图中空心箭头所指)通过滤镜层6依次进入金属层光通道3、PD层光通道2到达下层的PD1，PD1遇光子发生光电效应，再传出电信号。在FSI像素阵列的结构中，当入射光入射时，传感器表面的金属材质会反射掉一部分入射光，剩余的光线通过光通道时，由于其中的金属层有很多层金属布线，部分光线将被反射掉(如图中实心箭头所指)，使得光强进一步受到损失，降低了入射光的效率，导致成像质量受到影响。