CN214279979U - 图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及图像传感器。高动态范围图像传感器可包括多个像素组。除了未衰减像素之外，一个或多个像素组还可包括衰减像素。未衰减像素可包括光敏区域、滤色器元件和第一尺寸的微透镜。每个衰减像素可包括光敏区域、滤色器元件、中性密度滤光器和小于第一尺寸的第二尺寸的微透镜。用于给定像素组中的每个像素的滤色器元件可以是相同的颜色。中性密度滤光器可使衰减像素的光衰减，从而增大图像传感器的动态范围。不同尺寸的微透镜可将光从衰减像素重定向为朝向未衰减像素，从而进一步增大动态范围。

Description

图像传感器
技术领域
本实用新型整体涉及成像设备，具体涉及图像传感器，并且更具体地，涉及具有中性密度滤光器的高动态范围图像传感器。
背景技术
图像传感器常常在电子设备诸如移动电话、相机和计算机中用来捕获图像。在典型布置结构中，图像传感器包括被布置成像素行和像素列的图像像素阵列。可将电路耦接到每个像素列以从图像像素读出图像信号。典型图像像素包含用于响应于入射光而生成电荷的光电二极管。图像像素还可包括用于存储在光电二极管中生成的电荷的电荷存储区。图像传感器可使用全局快门方案或卷帘快门方案进行操作。
一些常规图像传感器或许能够在高动态范围(HDR)模式下工作。可在图像传感器中通过为交替的像素行分配不同的积分时间来实现HDR操作。然而，常规HDR图像传感器有时可经历低于所需分辨率、低于所需灵敏度、高于所需噪声水平以及低于所需量子效率。
因此，希望能够提供在图像传感器中改善的高动态范围操作。
实用新型内容
本实用新型旨在提供一种具有中性密度滤光器的高动态范围图像传感器。
根据第一方面，提供一种的图像传感器，包括像素组，所述像素组包括：衰减像素；未衰减像素；给定颜色的滤色材料，所述给定颜色的滤色材料覆盖所述衰减像素和所述未衰减像素两者；中性密度滤光器，所述中性密度滤光器覆盖所述衰减像素但不覆盖所述未衰减像素；和微透镜，所述微透镜覆盖所述衰减像素的至少一部分和所述未衰减像素。
根据第二方面，提供一种图像传感器，包括像素组，所述像素组包括：至少一个第一类型的像素，其中每个所述第一类型的像素包括光敏区域、滤色器元件和第一尺寸的微透镜；和至少一个第二类型的像素，其中每个所述第二类型的像素包括光敏区域、滤色器元件、中性密度滤光器和小于所述第一尺寸的第二尺寸的微透镜。
根据第三方面，提供一种图像传感器，所述图像传感器包括：第一光敏区域；第二光敏区域；给定颜色的滤色器材料，所述给定颜色的滤色器材料与所述第一光敏区域和所述第二光敏区域两者重叠；灰色滤光器材料，所述灰色滤光器材料与所述第二光敏区域重叠，其中所述第一光敏区域不被所述灰色滤光器材料重叠；第一微透镜，所述第一微透镜与所述第一光敏区域重叠；和第二微透镜，所述第二微透镜与所述第二光敏区域重叠并且小于所述第一微透镜。
本实用新型提供的图像传感器，能够在高动态范围内操作。
附图说明
图1是根据一个实施方案的具有图像传感器的示例性电子设备的示意图。
图2是根据一个实施方案的用于读出图像传感器中的图像信号的示例性像素阵列以及相关联的读出电路的示意图。
图3是根据一个实施方案的具有包括衰减像素的像素组的示例性图像传感器的顶视图。
图4A、图4B、图4C、图4D是根据一个实施方案的图像传感器的横截面侧视图，示出了用于形成具有衰减像素的图像传感器的示例性方法。
图5是根据一个实施方案的具有滤色器元件和比滤色器元件厚的中性密度滤光器的示例性图像传感器的横截面侧视图。
图6是根据一个实施方案的具有由两个平面化层覆盖的中性密度滤光器和滤色器元件的示例性图像传感器的横截面侧视图。
图7是根据一个实施方案的具有形成于滤色器元件下方的中性密度滤光器的示例性图像传感器的横截面侧视图。
图8是根据一个实施方案的具有中性密度滤光器的示例性图像传感器的横截面侧视图，该中性密度滤光器形成于滤色器元件下方并且比滤色器元件厚。
图9是根据一个实施方案的具有与滤色器元件共面的中性密度滤光器的示例性图像传感器的横截面侧视图。
具体实施方式
本实用新型的实施方案涉及图像传感器。本领域的技术人员应当理解，本实用新型的示例性实施方案可在不具有一些或所有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，为了避免不必要地模糊本实用新型的实施方案，未详细描述众所周知的操作。
电子设备诸如数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备可包括图像传感器，该图像传感器收集入射光以捕获图像。图像传感器可包括像素阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如将入射光转换成图像信号的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(例如，数百或数千或更多)的像素。典型图像传感器可例如具有数十万或数百万像素(例如，数兆像素)。图像传感器可包括控制电路(诸如用于操作像素的电路)和用于读出图像信号的读出电路，该图像信号与光敏元件生成的电荷相对应。
图1是示例性成像和响应***的示意图，该***包括使用图像传感器捕获图像的成像***。图1的***100可以是电子设备，诸如相机、蜂窝电话、视频摄像机、或捕获数字图像数据的其他电子设备，可以是车辆安全***(例如，主动制动***或其他车辆安全***)，可以是监视***，或者可以是任何其他期望类型的***。
如图1所示，***100可包括成像***(诸如成像***10)和主机子*** (诸如主机子***20)。成像***10可包括相机模块12。相机模块12可包括一个或多个图像传感器14以及一个或多个透镜。
相机模块12中的每个图像传感器可相同，或者，在给定图像传感器阵列集成电路中可以有不同类型的图像传感器。在图像捕获操作期间，每个透镜可将光聚集到相关联的图像传感器14上。图像传感器14可包括将光转换成数字数据的光敏元件(即，像素)。图像传感器可具有任何数量(例如，数百、数千、数百万或更多)的像素。典型图像传感器可例如具有数百万的像素(例如，数兆像素)。例如，图像传感器14可包括偏压电路(例如，源极跟随器负载电路)、采样和保持电路、相关双采样(CDS)电路、放大器电路、模拟-数字转换器电路、数据输出电路、存储器(例如，缓冲电路)、寻址电路等。
可以将来自相机传感器14的静态图像数据和视频图像数据经由路径28提供给图像处理和数据格式化电路16。路径28可以是通过串行器/解串行器 (SERDES)的连接，该串行器/解串行器用于高速通信并且尤其可用于汽车***。图像处理和数据格式化电路16可用于执行图像处理功能，诸如数据格式化、调节白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。图像处理和数据格式化电路16也可用于根据需要压缩原始相机图像文件(例如，压缩成联合图像专家组格式或简称JPEG格式)。在典型布置结构(有时称为片上***(SOC)布置结构)中，相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16在共用半导体衬底(例如，共用硅图像传感器集成电路管芯)上实现。如果需要，相机传感器14和图像处理电路16可以形成在单独半导体衬底上。例如，相机传感器14 和图像处理电路16可以形成在已堆叠的单独衬底上。
成像***10(例如，图像处理和数据格式化电路16)可通过路径18将采集的图像数据传送到主机子***20。路径18也可以是通过SERDES的连接。主机子***20可包括处理软件，该处理软件用于检测图像中的物体、检测物体在图像帧之间的运动、确定图像中物体的距离、滤波或以其他方式处理成像***10提供的图像。
如果需要，***100可为用户提供许多高级功能。例如，在计算机或高级移动电话中，可为用户提供运行用户应用的能力。为实现这些功能，***100 的主机子***20可具有输入-输出设备22(诸如小键盘、输入-输出端口、操纵杆和显示器)以及存储和处理电路24。存储和处理电路24可包括易失性存储器和非易失性存储器(例如，随机存取存储器、闪存存储器、硬盘驱动器、固态驱动器等)。存储和处理电路24还可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路等。
图2中示出了图1的相机模块12的布置结构的示例。如图2所示，相机模块12包括图像传感器14以及控制和处理电路44。控制和处理电路44可对应于图1中的图像处理和数据格式化电路16。图像传感器14可包括像素阵列，诸如像素34(在本文中有时称为图像传感器像素、成像像素或图像像素34)的阵列32，并且还可包括控制电路40和42。控制和处理电路44可耦接到行控制电路40，并且可经由数据路径26耦接到列控制和读出电路42。行控制电路40 可从控制和处理电路44接收行地址，并且可通过控制路径36向图像像素34供应对应行控制信号(例如，双重转换增益控制信号、像素重置控制信号、电荷转移控制信号、光晕控制信号、行选择控制信号或任何其他期望像素控制信号)。列控制和读出电路42可经由一条或多条导线(诸如列线38)耦接到像素阵列 32的列。列线38可耦接到图像像素阵列32中的每列图像像素34(例如，每列像素可耦接到对应列线38)。列线38可用于从图像像素34读出图像信号并且用于向图像像素34供应偏压信号(例如，偏压电流或偏压电压)。在图像像素读出操作期间，可使用行控制电路40来选择图像像素阵列32中的像素行，并且与该像素行的图像像素34相关联的图像数据可由列控制和读出电路42在列线38上读出。
列控制和读出电路42可包括列电路，诸如用于放大从阵列32读出的信号的列放大器、用于对从阵列32读出的信号进行采样和存储的采样和保持电路、用于将读出的模拟信号转换成对应数字信号的模拟-数字转换器电路、以及用于存储读出信号和任何其他期望数据的列存储器。列控制和读出电路42可通过线 26将数字像素值输出到控制和处理电路44。
阵列32可具有任何数量的行和列。一般来讲，阵列32的大小以及阵列32 中的行和列的数量将取决于图像传感器14的具体实现方式。虽然行和列在本文中一般相应被描述为水平和竖直的，但是行和列可以指任何网格状的结构(例如，本文中描述为行的特征部可竖直地布置，并且本文中描述为列的特征部可水平地布置)。
像素阵列32可以设置有滤色器阵列，该滤色器阵列具有多个滤色器元件，该滤色器阵列允许单个图像传感器对不同颜色的光进行采样。举例来说，图像传感器像素(诸如阵列32中的图像像素)可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器使用被布置成拜耳马赛克图案的对应的红色、绿色和蓝色图像传感器像素对红光、绿光和蓝光(RGB)进行采样。拜耳马赛克图案由2×2 个图像像素的重复单元格组成，其中两个绿色图像像素沿对角线彼此相对，并且邻近与蓝色图像像素沿对角线相对的红色图像像素。在另一个合适示例中，拜耳图案中的绿色像素被替换为具有宽带滤色器元件(例如，透明滤色器元件、黄色滤色器元件等)的宽带图像像素。这些示例仅仅是示例性的，并且一般来讲，可在任何期望数量的图像像素34上方形成任何期望颜色和任何期望图案的滤色器元件。
如果需要，阵列32可以是堆叠管芯布置结构的一部分，其中阵列32的像素34被划分在两个或更多个堆叠衬底之间。在此类布置结构中，阵列32中的每个像素34可在像素内的任何期望节点处被划分在两个管芯之间。举例来说，节点诸如浮动扩散节点可形成在两个管芯之上。包括光电二极管和耦接在光电二极管与期望节点(在本示例中，诸如浮动扩散节点)之间的电路的像素电路可以形成在第一管芯上，并且其余像素电路可以形成在第二管芯上。期望节点可形成在连接两个管芯的耦接结构(诸如导电衬垫、微型衬垫、导电互连结构或导电通孔)上(即，作为该耦接结构的一部分)。在两个管芯结合之前，耦接结构可以在第一管芯上具有第一部分，并且可以在第二管芯上具有第二部分。第一管芯和第二管芯可彼此结合，使得该耦接结构的第一部分和该耦接结构的第二部分被结合在一起并且电耦接。如果需要，耦接结构的第一部分和第二部分可彼此压缩结合。然而，这仅仅是例示性的。如果需要，可以使用任何金属对金属结合技术诸如软钎焊或焊接，来将形成在相应第一管芯和第二管芯上的耦接结构的第一部分和第二部分结合在一起。
如上所述，像素电路中被划分到两个管芯之上的期望节点可为浮动扩散节点。另选地，像素电路中被划分到两个管芯之上的期望节点可为在浮动扩散区与源极跟随器晶体管的栅极之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在其上形成光电二极管的第一管芯上，同时耦接结构可以将浮动扩散节点连接到第二管芯上的源极跟随器晶体管)、在浮动扩散区与转移晶体管的源极-漏极节点之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在光电二极管未位于其上的第二管芯上)、在源极跟随器晶体管的源极-漏极节点与行选择晶体管之间的节点、或像素电路的任何其他期望节点。
一般来讲，阵列32、行控制电路40、列控制和读出电路42以及控制和处理电路44可以被划分在两个或更多个堆叠衬底之间。在一个示例中，阵列32 可以形成在第一衬底中，并且行控制电路40、列控制和读出电路42以及控制和处理电路44可以形成在第二衬底中。在另一个示例中，阵列32可以被划分在第一衬底和第二衬底之间(使用上述像素划分方案中的一个像素划分方案)，并且行控制电路40、列控制和读出电路42以及控制和处理电路44可以形成在第三衬底中。
为了增大图像传感器的动态范围，图像传感器内的成像像素可被布置成像素组。每个像素组可包括两个或更多个像素。每组中的至少一个像素可接收衰减光。通过使提供给该像素的光衰减，使像素饱和所需的光量增加。这改善了图像传感器在高光条件下的性能。每个像素组内的一个或多个附加像素可不衰减以保持低光条件下的性能。
可使用灰色滤光器(有时称为中性密度滤光器或灰色滤光器元件)选择性地使光衰减。另外，不同尺寸(和/或形状)的微透镜可用于将光从衰减像素引导至未衰减像素。
图3是具有像素组和中性密度以增大动态范围的示例性图像传感器的顶视图。如图3所示，像素可被布置成多个组102。在图3中，每个像素组102包括2×2布置结构中的四个像素。例如，像素34-1、像素34-2、像素34-3和像素 34-4被布置成2×2栅格。每个像素可包括对应的光敏区域(例如，光电二极管)。
像素34-1、34-2和34-3可被绿色滤光器元件覆盖，并且可针对低光条件进行优化(因此这些像素在图3中被标记为“G1”)。换句话讲，像素34-1、34-2 和34-3不包括超过绿色滤色器元件的附加光衰减器(并且因此可被称为未衰减像素)。同时，像素34-4可由绿色滤色器元件和灰色滤光器元件两者覆盖，该灰色滤光器元件另外使光衰减(并且因此可被称为衰减像素)。像素34-4可针对高光条件进行优化。因此，像素34-4在图3中可被标记为“G2”。
因此，除了未衰减像素G1之外，像素组102还包括衰减像素G2。这允许测量低光级和高光级两者，从而增大图像传感器的动态范围。
标记为B1的像素可包括蓝色滤色器并且可针对低光条件进行优化。标记为B2的像素可包括蓝色滤色器和灰色滤光器，并且可针对高光条件进行优化。标记为R1的像素可包括红色滤色器并且可针对低光条件进行优化。标记为R2 的像素可包括红色滤色器和灰色滤光器，并且可针对高光条件进行优化。图3 中的每个像素组包括具有中性密度滤光器以使光衰减的至少一个像素(例如， B2和R2)。一般来讲，期望高光像素(例如，被优化以在高光条件下捕获图像的像素)接收比低光像素(例如，被优化以在低光条件下捕获图像的像素)更少的光。这就是高光像素衰减而低光像素不衰减的原因。
除了包括中性密度滤光器以使高光像素(G2、R2和B2)的光衰减之外，图像传感器可包括不同尺寸的微透镜以将光从衰减像素(G2、R2和B2)重定向到未衰减像素(G1、R1和B1)。每个未衰减像素由相应的微透镜104-1覆盖，而每个衰减像素由相应的微透镜104-2覆盖。微透镜104-1大于微透镜104-2。例如，微透镜104-1可具有大于微透镜104-2的直径的直径，并且/或者微透镜 104-1可具有大于微透镜104-2的高度的高度(厚度)。因此，微透镜104-1将光从衰减像素重定向到未衰减像素，从而进一步增大图像传感器的动态范围。
应当理解，存在用于描述本文所示类型的布置结构的各种命名选项。在一个示例中，相同颜色的分组像素可被称为像素组(或像素块)，并且每个光敏区域可被称为成像像素(或成像像素的一部分)。然而，在另一个示例中，相同颜色的分组像素可被称为像素，并且每个光敏区域可被称为子像素。在本文中，通常将使用包括多个像素的像素组的术语。
应当注意，图3的布置结构仅为示例性的。在一些图像传感器中，仅绿色像素组(或另一给定颜色的像素组)可包括衰减像素，而不是如图3所示在每种颜色的组中均具有衰减像素。在图3中，每个像素组的右下像素被衰减。该示例仅仅是示例性的，并且像素组内的衰减像素的位置可变化。像素组的布置结构也是任选的。代替如图3中的2×2布置结构，像素组可具有3×3布置结构、 4×4布置结构或任何其他所需布置结构(例如，非正方形矩形布置结构，诸如 1×2或2×1布置结构、其中第一环形光敏区域侧向围绕第二光敏区域的同心布置结构等)。在给定颜色内，仅一些像素组可具有衰减像素。例如，一些绿色像素组可具有衰减像素，而一些绿色像素组可不具有衰减像素。具有衰减像素的像素组可跨像素阵列随机散射或以任何期望的图案布置。具有衰减像素的像素组的密度和分布可跨像素阵列变化。
在图3中，像素组由拜耳滤色器图案覆盖。换句话讲，存在2×2个像素组的重复单元格，其中两个绿色像素组沿对角线彼此相对，并且邻近与蓝色像素组沿对角线相对的红色像素组。然而，这个示例仅为示例性的，可使用任何所需的滤色器图案。拜耳图案中的绿色像素组可被替换为具有宽带滤色器元件(例如，透明滤色器元件、黄色滤色器元件等)的宽带图像像素。这些示例仅仅是示例性的，并且一般来讲，可在任何所需数量的像素组102上方形成任何所需颜色和任何所需图案的滤色器元件。
存在形成具有图3所示类型的中性密度滤光器和微透镜的图像传感器的多种方式。图4A至图4D是示出形成具有中性密度滤光器的图像传感器的示例性方法的横截面侧视图。
图4A是在初始滤色器沉积步骤之后的图像传感器14的横截面侧视图。如图所示，图像传感器包括形成于半导体衬底106中的多个感光区域108。半导体衬底106可由例如硅形成。光敏区域108可为光电二极管(PD)。用于低光成像像素(例如，未衰减像素)的光电二极管被标记为PD1，而用于高光成像像素(例如，衰减像素)的光电二极管被标记为PD2。用于低光成像像素和高光成像像素的光电二极管可被布置成跨像素阵列的均匀栅格。另选地，可另外修改低光成像像素和高光成像像素(例如，在光收集区域中、在掺杂浓度中等)，以针对低光或高光条件优化光电二极管。
滤色器元件112在复合栅格114之间的衬底106上方形成。在一个示例中，复合栅格可由氧化物材料(例如，二氧化硅)和金属材料(例如，钨)形成。复合栅格是隔离结构的示例，并且因此有时可被称为隔离结构114。隔离结构 114可防止相邻滤色器元件与像素之间的串扰。可使用附加隔离结构来代替复合栅格。例如，隔离结构114可替代地仅由金属形成，仅由氧化物材料形成，或由另一种所需材料形成。
如图4A所示，滤色器元件可根据颜色任选地具有不同的厚度。蓝色滤色器元件具有厚度116-B，绿色滤色器元件具有厚度116-G，并且红色滤色器元件具有厚度116-R。在图4A中，厚度116-R大于厚度116-B和厚度116-G。116- B和116-G的厚度相等。这些示例仅仅是示例性的，并且每个滤色器元件可具有任何期望的厚度。
厚度116-R可介于300纳米和1,000纳米之间、介于600纳米和700纳米之间、介于640纳米和660纳米之间、小于700纳米、大于600纳米等。厚度 116-B可介于300纳米和1,000纳米之间、介于500纳米和600纳米之间、介于 540纳米和560纳米之间、小于600纳米、大于500纳米等。厚度116-G可介于300纳米和1,000纳米之间、介于500纳米和600纳米之间、介于540纳米和560纳米之间、小于600纳米、大于500纳米等。厚度116-R和厚度116- B/116-G之间的差值可介于50纳米和150纳米之间、大于50纳米、大于10纳米、小于200纳米、介于90纳米和110纳米之间等。
隔离结构114可具有厚度116-I。厚度116-I可介于300纳米和1,000纳米之间、介于700纳米和800纳米之间、介于740纳米和760纳米之间、小于800 纳米、大于700纳米等。厚度116-I和厚度116-R之间的差值可介于50纳米和 150纳米之间、大于50纳米、大于10纳米、小于200纳米、介于90纳米和110 纳米之间等。
图4B是在将中性密度滤光器添加到图4A的滤色器元件之后的图像传感器14的横截面侧视图。如图所示，灰色滤光器元件118(有时称为中性密度滤光器118)形成在每个衰减像素的滤色器元件上方。如结合图3所示，像素组中的四个像素中的一个可设置有灰色滤光器元件。如上所述，可使用任何其他期望的中性密度滤光器布置结构。
每个中性密度滤光器可具有厚度116-N。厚度116-N可介于100纳米和 1,000纳米之间、介于100纳米和500纳米之间、介于200纳米和400纳米之间、介于290纳米和310纳米之间、小于400纳米、大于200纳米等。可选择中性密度滤光器的厚度以允许容易的制造(例如，如图4C中的平面化)并且在光行进穿过光学堆叠时减少干涉。中性密度滤光器的透射率可小于60％、小于 50％、小于30％、小于15％、小于10％、小于5％、小于1％、介于1％和30％之间、介于5％和20％之间、大于1％等。
灰色滤光器元件可使用光刻(光图案化)来形成。换句话讲，灰色滤光器元件材料的均匀层可沉积在图像传感器上。如果灰色滤光器元件材料具有光敏组分，则其可以合适的波长曝光(例如365nm的i-线)，然后可以类似于光刻工艺显影不需要它的区域。另选地，如果材料不是光敏的，则可使用单独的光刻工艺去除(蚀刻)未衰减像素上方的灰色滤光器元件材料。剩余的灰色滤光器元件材料在衰减像素上方形成灰色滤光器元件。滤色器元件(例如，红色、蓝色或绿色滤色器元件)与灰色滤光器元件(例如，中性密度滤光器)的组合有时可被称为滤光器堆叠或光学堆叠。
图4C是在将平面化层添加到图4B的滤色器元件之后的图像传感器14的横截面侧视图。如图所示，平面化层120可形成在整个图像传感器上方。平面化层120可覆盖并直接接触未衰减像素的滤色器元件和衰减像素的中性密度滤光器。红色成像像素的中性密度滤光器上方的平面化层的厚度116-P可介于100 纳米和200纳米之间、大于100纳米、大于10纳米、小于200纳米、介于140 纳米和160纳米之间等。
图4D是在将微透镜添加到图4C的图像传感器之后的图像传感器14的横截面侧视图。如图所示，微透镜104-1可形成在每个未衰减像素(例如，没有中性密度滤光器的每个像素)上方，并且微透镜104-2可形成在每个衰减像素 (例如，具有中性密度滤光器的每个像素)上方。如图4D所示，微透镜104-1 大于微透镜104-2。除了其相应的小微透镜104-2之外，衰减像素还可被一个或多个大微透镜104-1的部分重叠。这样，光可从衰减像素重定向到未衰减像素。
微透镜104-1可具有厚度116-M1，而微透镜104-2可具有厚度116-M2。厚度116-M1可介于200纳米和500纳米之间、大于300纳米、大于150纳米、小于400纳米、小于750纳米、介于300纳米和400纳米之间、介于340纳米和360纳米之间等。厚度116-M2可介于200纳米和500纳米之间、大于250纳米、大于150纳米、小于350纳米、小于750纳米、介于250纳米和350纳米之间、介于280纳米和300纳米之间等。厚度116-M2可比厚度116-M1大任何所需的量。
一般来讲，滤色器元件112、中性密度滤光器118、平面化层120、微透镜 104-1和微透镜104-2可由任何期望的材料形成。滤色器元件112和中性密度滤光器118可由有机材料或无机材料形成。微透镜104-1和104-2可通过蚀刻(例如，材料层被沉积，然后被蚀刻以形成期望的微透镜形状)或回流(例如，材料层被图案化，然后被加热以形成期望的微透镜形状)来形成。微透镜可由聚合物材料、氮化硅或任何其他所需材料形成。平面化层120可由透明材料诸如二氧化硅、光致抗蚀剂材料或任何其他所需材料形成。
一般来讲，滤色器元件112、中性密度滤光器118、平面化层120、微透镜 104-1和微透镜104-2可具有任何期望的折射率。
形成如图4A至图4D所示的高动态范围图像传感器的方法仅为示例性的。如果需要，可使用其他方法，并且图像传感器可具有不同的最终布置结构。在图4D的图像传感器中，中性密度滤光器的厚度小于滤色器元件112和隔离件 114的厚度。这个示例仅仅为示例性的。图5是具有比滤色器元件厚的中性密度滤光器的示例性图像传感器的横截面侧视图。
如图5所示，中性密度滤光器厚度116-N大于厚度116-B、116-G、116-R 和116-I。厚度116-N可大于800纳米、大于700纳米、小于2,000纳米、介于800纳米和1,000纳米之间、介于750纳米和1,500纳米之间、介于850纳米和 950纳米之间、介于890纳米和910纳米之间等。中性密度滤光器的透射率可小于60％、小于50％、小于30％、小于15％、小于10％、小于5％、小于1％等。
图5的较厚中性密度滤光器可允许比图4D的中性密度滤光器更大的光减少。
在图4D和图5中，在滤色器元件112和中性密度滤光器118上方形成单个平面化层120。这个示例仅仅为示例性的。如图6所示，可替代地在滤色器元件112和中性密度滤光器上方形成两个平面化层。为了形成这种类型的图像传感器，可采取与图4A至图4D所示类似的步骤。首先，可在隔离结构114之间形成滤色器元件112。接下来，可在一些像素(例如，如图3所示的每个像素组中的一个像素)上方选择性地形成中性密度滤光器。然后，可在滤色器元件 112上方形成平面化层120-1。在一个示例中，可使用光刻法来沉积、曝光和显影或蚀刻平面化层120-1。平面化层120-1的厚度可与中性密度滤光器118的厚度相同。平面化层120-1可与中性密度滤光器118共面。平面化层120-1可仅形成于未衰减像素上方。
在形成平面化层120-1之后，可在平面化层120-1上方形成附加平面化层 120-2。如果需要，也可使用光刻法来形成平面化层120-2。平面化层120-2覆盖未衰减像素中的平面化层120-1和滤色器元件112。平面化层120-2覆盖衰减像素中的中性密度滤光器118和滤色器元件112。
使用如图6中的两个平面化层可允许滤光器堆叠上更好的平面化。该技术可用于任何期望的中性密度滤光器厚度(例如，当中性密度滤光器比图5中的滤色器元件厚时)。平面化层120-1和120-2以及中性密度滤光器118可具有减轻滤色器元件112中的UV劣化的紫外(UV)光过滤能力。
在形成平面化层之后，图6的图像传感器具有形成在平面化层120-2上方的微透镜104-1和104-2，类似于结合图4D所讨论的。
中性密度滤光器可任选地在图像传感器中的滤色器之前被图案化。图7是具有在滤色器元件下方的中性密度滤光器的图像传感器的横截面侧视图。灰色滤光器材料可首先沉积在衬底106上方以形成中性密度滤光器118。然后，透明平面化材料120-1可在未衰减像素上方图案化。然后将红色、绿色和蓝色滤色器元件在整个像素阵列上图案化。然后可在滤色器元件上方形成平面化层 120-2。最后，微透镜104-1和104-2可形成在平面化层120-2上方。
图7中的部件的厚度可与结合图4-图6讨论的任何厚度相同。在图7的示例中，中性密度滤光器的厚度116-N小于红色、蓝色和绿色滤色器元件的厚度。然而，与图5所示和所讨论的类似，中性密度滤光器可替代地比红色、蓝色和绿色滤色器元件厚。
图8是具有形成在滤色器元件下方的中性密度滤光器(如图7所示)且具有厚中性密度滤光器(如图5所示)的图像传感器的横截面侧视图。如图8所示，在衬底106上形成透明平面化层120-1和中性密度滤光器118。滤色器元件 112然后形成在透明平面化层120-1和中性密度滤光器118上方。在图8中，中性密度滤光器118的厚度116-N大于隔离结构114的厚度116-I。因此，中性密度滤光器延伸得比隔离结构114更高。平面化层120-1具有与中性密度滤光器相同的厚度。平面化层120-1和中性密度滤光器118是共面的。平面化层120- 1和中性密度滤光器118可因此形成平坦表面，滤色器元件112沉积在该平坦表面上(在隔离结构114的顶部上方)。
图8的布置结构允许滤色器元件112在整个像素组上方(例如，在2×2光电二极管栅格上方)连续形成。这可以是比在每个像素的隔离结构114之间形成滤色器元件更容易的制造技术，如图4A和图5至图7所示)。
图9示出了具有形成在滤色器下方的中性密度滤光器的图像传感器的另选布置结构。在图9中，灰色滤光器材料可首先沉积在衬底106上方以形成中性密度滤光器118。然后，将红色、绿色和蓝色滤色器元件112在整个像素阵列上图案化。滤色器元件112中的一些直接形成在衬底106上(在未衰减像素中)，而其他滤色器元件形成在中性密度滤光器118上(在衰减像素中)。因此，衰减像素的中性密度滤光器118可与未衰减像素的滤色器元件共面。接下来，可在阵列上方图案化透明平面化材料120-1。平面化层120-1可具有最大厚度116- C，如图9所示。厚度116-C可介于200纳米和500纳米之间、大于300纳米、大于150纳米、小于600纳米、小于450纳米、介于350纳米和450纳米之间、介于390纳米和410纳米之间等。然后可在平面化层120-1上方形成平面化层 120-2。最后，微透镜104-1和104-2可形成在平面化层120-2上方。
图9的示例仅仅是示例性的。在图9中，中性密度滤光器118的厚度116- N低于滤色器元件的厚度116-B、116-G和116-R。然而，中性密度滤光器118 可替代地具有大于滤色器元件的厚度116-B、116-G和116-R的厚度116-N(例如，如图5和图8所示)。
先前的布置结构已将红色、蓝色和绿色滤色器元件描绘为在衰减像素和未衰减像素上方具有相同的厚度。类似地，先前布置结构已将每个中性密度滤光器的厚度描绘为相同的。然而，这些示例仅仅是示例性的，并且如果需要，厚度可以变化。
中性密度滤光器可在可见波长上具有不均匀的透射。在一个具体示例中，在给定的中性密度滤光器厚度下，绿光的透射可与蓝光的透射略有不同。因此，可期望根据像素的颜色来调谐中性密度滤光器的厚度。在前述布置结构中的任一布置结构中，灰色滤光器材料可在两个或更多个光刻步骤中沉积，以允许两个或更多个独特的中性密度滤光器厚度。
在一个示例中，衰减蓝色像素可具有第一厚度的中性密度滤光器，衰减绿色像素可具有第二厚度的中性密度滤光器，并且衰减红色像素可具有第三厚度的中性密度滤光器。第二厚度可小于第一厚度。第三厚度可小于第一厚度但大于第一厚度。厚度可相差介于25纳米和150纳米之间、大于50纳米、大于10 纳米、小于200纳米、介于90纳米和110纳米之间、介于40纳米和60纳米之间等。在一个例示性布置结构中，蓝色衰减像素的中性密度滤光器具有900纳米的厚度，绿色衰减像素的中性密度滤光器具有800纳米的厚度，并且蓝色衰减像素的中性密度滤光器具有850纳米的厚度。
滤色器元件112还可在衰减像素和未衰减像素中具有不同的厚度。例如，像素组中的未衰减像素中的绿色滤色器元件可具有与该像素组中的衰减像素中的绿色滤色器元件不同的厚度。相同颜色的滤色器元件的厚度可相差介于25纳米和150纳米之间、大于50纳米、大于10纳米、小于200纳米、介于90纳米和110纳米之间、介于40纳米和60纳米之间等。
为了提供相同颜色但不同厚度的滤色器元件，可在两个或更多个光刻步骤中形成单色的滤色器元件。例如，可首先形成用于衰减像素的滤色器，然后可接下来形成用于未衰减像素的滤色器。
根据一个实施方案，图像传感器可包括像素组，并且该像素组可包括：衰减像素；未衰减像素；给定颜色的滤色材料，该给定颜色的滤色材料覆盖衰减像素和未衰减像素两者；中性密度滤光器，该中性密度滤光器覆盖衰减像素但不覆盖未衰减像素；和微透镜，该微透镜覆盖衰减像素的至少一部分和未衰减像素。
根据另一个实施方案，微透镜可被配置为将光从衰减像素重定向到未衰减像素。
根据另一个实施方案，微透镜可以是第一微透镜，并且像素组可包括形成在衰减像素上方的第二微透镜，其中该第二微透镜小于该第一微透镜。
根据另一个实施方案，像素组可包括第一滤色器元件和第二滤色器元件，该第一滤色器元件和该第二滤色器元件包括给定颜色的滤色材料，并且该第一滤色器元件和该第二滤色器元件可分别覆盖未衰减像素和衰减像素。
根据另一个实施方案，中性密度滤光器可形成在第二滤色器元件上方。
根据另一个实施方案，像素组可包括形成在中性密度滤光器上方的平面化层。
根据另一个实施方案，像素组可包括插置在第一滤色器元件和平面化层之间的附加平面化层。
根据另一个实施方案，第二滤色器元件可具有第一厚度，中性密度滤光器可具有第二厚度，并且第一厚度可大于第一厚度。
根据另一个实施方案，第二滤色器元件可具有第一厚度，中性密度滤光器可具有第二厚度，并且第一厚度可小于第一厚度。
根据另一个实施方案，第二滤色器元件可形成在中性密度滤光器上方。
根据另一个实施方案，像素组还可包括第一平面化层和第二平面化层。第一滤色器元件可形成在第一平面化层上方，并且第二平面化层可形成在第一滤色器元件和第二滤色器元件上方。
根据另一个实施方案，像素组还可包括第一平面化层和第二平面化层，其中第一平面化层形成在第一滤色器元件上方，并且其中第二平面化层形成在第一平面化层上方。
根据另一个实施方案，像素组可包括将第一滤色器元件与第二滤色器元件分开的复合栅格。
根据一个实施方案，图像传感器可包括像素组，该像素组包括：至少一个第一类型的像素，其中第一类型的每个像素包括光敏区域、滤色器元件和第一尺寸的微透镜；以及至少一个第二类型的像素，其中每个第二类型的像素包括光敏区域、滤色器元件、中性密度滤光器和小于第一尺寸的第二尺寸的微透镜。
根据另一个实施方案，对于第二类型的每个像素，滤色器元件可插置在光敏区域和中性密度滤光器之间。
根据另一个实施方案，对于第二类型的每个像素，中性密度滤光器可插置在光敏区域和滤色器元件之间。
根据另一个实施方案，对于第一类型的每个像素，滤色器元件可为给定颜色，并且对于第二类型的每个像素，滤色器元件可为该给定颜色。
根据另一个实施方案，除了第一尺寸的微透镜之外，每个第一类型的像素的光敏区域可以被第二尺寸的一个微透镜的至少一部分重叠。
根据一个实施方案，图像传感器可包括：第一光敏区域；第二光敏区域；与第一光敏区域和第二光敏区域两者重叠的给定颜色的滤色器材料；与第二光敏区域重叠的灰色滤光器材料，其中第一光敏区域不被灰色滤光器材料重叠；与第一光敏区域重叠的第一微透镜；以及与第二光敏区域重叠并且小于第一微透镜的第二微透镜。
根据另一个实施方案，给定颜色可以是选自由以下项组成的组的颜色：红色、绿色和蓝色。
前述内容仅仅是对本实用新型原理的例示性说明，并且本领域技术人员可以进行多种修改。上述实施方案可单个实施或以任意组合方式实施。

Claims (10)

1.一种图像传感器，包括像素组，其特征在于，所述像素组包括：
衰减像素；
未衰减像素；
给定颜色的滤色材料，所述给定颜色的滤色材料覆盖所述衰减像素和所述未衰减像素两者；
中性密度滤光器，所述中性密度滤光器覆盖所述衰减像素但不覆盖所述未衰减像素；和
微透镜，所述微透镜覆盖所述衰减像素的至少一部分和所述未衰减像素。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述微透镜被配置为将光从所述衰减像素重定向到所述未衰减像素，其中所述微透镜是第一微透镜，并且其中所述像素组包括：
在所述衰减像素上方形成的第二微透镜，其中所述第二微透镜小于所述第一微透镜。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述像素组包括第一滤色器元件和第二滤色器元件，所述第一滤色器元件和所述第二滤色器元件包括所述给定颜色的所述滤色材料，并且其中所述第一滤色器元件和所述第二滤色器元件分别覆盖所述未衰减像素和所述衰减像素。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，所述中性密度滤光器形成在所述第二滤色器元件上方。
5.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，所述像素组包括：
平面化层，所述平面化层形成在所述中性密度滤光器上方；和
附加平面化层，所述附加平面化层插置在所述第一滤色器元件与所述平面化层之间。
6.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，所述第二滤色器元件形成在所述中性密度滤光器上方。
7.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，所述像素组包括：
复合栅格，所述复合栅格将所述第一滤色器元件与所述第二滤色器元件分开。
8.一种图像传感器，包括像素组，其特征在于，所述像素组包括：
至少一个第一类型的像素，其中每个所述第一类型的像素包括光敏区域、滤色器元件和第一尺寸的微透镜；和
至少一个第二类型的像素，其中每个所述第二类型的像素包括光敏区域、滤色器元件、中性密度滤光器和小于所述第一尺寸的第二尺寸的微透镜。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，对于每个所述第一类型的像素，所述滤色器元件是给定颜色，其中对于每个所述第二类型的像素，所述滤色器元件是所述给定颜色，并且其中除了所述第一尺寸的所述微透镜之外，每个所述第一类型的像素的所述光敏区域被一个所述第二尺寸的微透镜的至少一部分重叠。
10.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：
第一光敏区域；
第二光敏区域；
给定颜色的滤色器材料，所述给定颜色的滤色器材料与所述第一光敏区域和所述第二光敏区域两者重叠；
灰色滤光器材料，所述灰色滤光器材料与所述第二光敏区域重叠，其中所述第一光敏区域不被所述灰色滤光器材料重叠；
第一微透镜，所述第一微透镜与所述第一光敏区域重叠；和
第二微透镜，所述第二微透镜与所述第二光敏区域重叠并且小于所述第一微透镜。
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