[发明专利]一种具有双微透镜层的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，涉及一种可用于进行相位检测和自动对焦的具有双微透镜层的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、高性能及多功能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。像素阵列通常可分为正面照射式(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；感光层中包括有感光二极管(Photo Diode，PD)，也被称为PD层，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、感光层和金属层，其结构中的金属层位置与感光层互换，即位于背离入射光的最远端层。在滤镜层和感光层之间设有光通道，入射光经过滤镜层，沿光通道到达感光层中的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)。

请参阅图1，图1是现有技术的一种CMOS图像传感器的FSI像素阵列的平面结构示意图。如图1所示，其颜色滤镜阵列采用Bayer模式排列，图中例举了Bayer模式的其中一种排列方式，若以字母R代表红色滤镜，G代表绿色滤镜，B代表蓝色滤镜，在Bayer模式的此种排列形式的颜色滤镜阵列中，颜色滤镜按照第一行RGRG……、第二行GBGB……以此类推并按4个颜色滤镜为单位重复的形式排列。每种颜色的一个颜色滤镜4-1～4-4下方对应设置一个感光二极管1-1～1-4，并中心对齐。在图示的FSI像素阵列的结构中，由于在颜色滤镜与感光二极管之间的金属层要放置金属布线(电路结构)，故而相邻的感光二极管间需留有一定间距。如果换做BSI像素阵列，因金属层位于感光二极管下方，则相邻的感光二极管间间距可以相对缩小(本处图略、请参看图1)。

请参阅图2，图2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2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、感光层9的光通道2及感光二极管1。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穿过到达感光二极管1。下层为感光层9，基质材料为硅，用来放置感光二极管1，感光层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、感光层光通道2到达下层的感光二极管1，感光二极管1遇光子发生光电效应，再传出电信号。