專利名稱：采用光子晶體的成像器方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及半導(dǎo)體裝置的領(lǐng)域，且更確切地說，涉及圖像傳感器裝置或顯示 器中所利用的光子晶體。
技術(shù)背景半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)目前使用不同類型的使用微透鏡的基于半導(dǎo)體的圖像傳感器，例如電荷 耦合裝置(CCD)、 CMOS有源像素傳感器(APS)、光電二極管陣列、電荷注射裝置和 混合焦平面陣列等。這些圖像傳感器使用微透鏡將電磁輻射聚焦在光轉(zhuǎn)換裝置(例如， 光電二極管)上。此外，這些圖像傳感器可使用濾光片來選擇特定的電磁輻射波長(與 例如特定色彩相關(guān)聯(lián))以由光轉(zhuǎn)換裝置感測。圖像傳感器的微透鏡有助于提高光學(xué)效率并減少像素單元之間的串?dāng)_。圖1A展示 CMOS圖像傳感器像素單元陣列100的一部分。所述陣列100包含像素單元10，其每一 者均形成在襯底l上。每一像素單元IO包含光轉(zhuǎn)換裝置12,例如光電二極管。所說明 的陣列100具有微透鏡20，所述微透鏡20收集光并將光聚焦在光轉(zhuǎn)換裝置12上。陣列 100還可包含光屏蔽物(例如，金屬層7)，以便阻止意欲到達(dá)一個光轉(zhuǎn)換裝置12的光 到達(dá)其它像素單元10的光轉(zhuǎn)換裝置12。陣列IOO還可包含彩色濾光片陣列30。所述彩色濾光片陣列包含彩色濾光片31a、 31b、 31c，其每一者均設(shè)置在各個像素單元10上。濾光片31a、 31b、 31c中的每一者只 允許特定波長的光(對應(yīng)于特定色彩)從中穿過而到達(dá)各個光轉(zhuǎn)換裝置。彩色濾光片陣 列30通常以重復(fù)的拜耳圖案布置，并且包含兩個綠色濾光片31a、 一個紅色濾光片31b 和一個藍(lán)色濾光片31c，如圖1B所示布置。層間電介質(zhì)(ILD)區(qū)3在彩色濾光片陣列30與像素單元10之間。所述ILD區(qū)3 通常包含多層層間電介質(zhì)和導(dǎo)體，其位于絕緣的平坦化層上，并且形成像素單元10的 裝置之間的連接和像素單元10與陣列100外圍的電路(未圖示)的連接。介電層5通 常位于彩色濾光片陣列30與微透鏡20之間。可使用若干常規(guī)材料和技術(shù)來制造典型的彩色濾光片31a、 31b、 31c。舉例來說， 彩色濾光片31a、 31b、 31c可以是染在各個色彩上的明膠或其它適當(dāng)材料。此外，已經(jīng) 使用光刻工藝并入了包括熱穩(wěn)定染料與聚酰亞胺的組合的聚酰亞胺濾光片。雖然使用光刻制備的彩色濾光片可展現(xiàn)出良好的分辨率和色彩品質(zhì)，但光刻可較復(fù)雜，并且會導(dǎo)致 大量有缺陷的濾光片31a、 31b、 31c。具體來說，使用光刻形成包含聚酰亞胺濾光片31a、 31b、 31c的彩色濾光片陣列30需要針對每種色彩的掩膜、光致抗蝕劑、烘焙步驟、蝕 刻步驟和抗蝕劑去除步驟。因此，為了形成以拜耳圖案布置的彩色濾光片陣列30，必須 將這個過程重復(fù)三次。因此，具有用于圖像傳感器的替代濾光片以提供更多種工程學(xué)和設(shè)計可能將是有利的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的示范性實施例提供一種圖像傳感器和一種形成圖像傳感器的方法。所述圖 像傳感器包含位于襯底表面處的像素單元陣列。每一像素單元均具有光轉(zhuǎn)換裝置。在所 述像素單元中的每一者上提供至少一個包含光子晶體結(jié)構(gòu)的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)元件。所述基于MEMS的光子晶體元件由支撐結(jié)構(gòu)支撐，且經(jīng)配置以在施加電壓時選擇性地 允許電磁波長到達(dá)所述光轉(zhuǎn)換裝置。由此，本發(fā)明的基于MEMS的光子晶體元件可取 代或補(bǔ)充常規(guī)濾光片，例如，彩色濾光片陣列。


通過下文參看附圖提供的對示范性實施例的詳細(xì)描述將更容易明白本發(fā)明的以上和其它優(yōu)點和特征，附圖中圖IA是常規(guī)圖像傳感器陣列的一部分的橫截面圖；圖IB是常規(guī)彩色濾光片陣列的一部分的方框圖；圖2是說明穿過示范性光子晶體的透射光譜的曲線圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的包含基于MEMS的光子晶體元件的圖像傳感器 的一部分的三維視圖；圖4A—4E說明制造根據(jù)本發(fā)明另一示范性實施例的圖3的圖像傳感器陣列的中間階段；圖5A—5D是根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的光子晶體結(jié)構(gòu)的俯視圖； 圖6是根據(jù)本發(fā)明另一示范性實施例的包含基于MEMS的光子晶體元件的圖像傳 感器陣列的一部分的橫截面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明另一示范性實施例的包含基于MEMS的光子晶體元件的圖像傳 感器陣列的一部分的橫截面圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的圖像傳感器的方框圖；以及圖9是包含圖8的圖像傳感器的處理器系統(tǒng)的方框圖。
具體實施方式
在以下詳細(xì)描述中參看附圖，附圖形成本發(fā)明的一部分，且說明可實施本發(fā)明的具 體實施例。在圖中，相同的參考標(biāo)記在若干視圖中始終描述大致相似的組件。充分詳細(xì) 地描述這些實施例，以使得所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，且應(yīng)了解，可利用其 它實施例，并且可在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下作出結(jié)構(gòu)、邏輯和電氣方面的 變化。應(yīng)將術(shù)語"晶片"和"襯底"理解為包含硅、絕緣體上硅(SOI)或藍(lán)寶石上硅(SOS) 技術(shù)、摻雜和未摻雜半導(dǎo)體、由基底半導(dǎo)體基礎(chǔ)支撐的硅的外延層以及其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。 此外，當(dāng)在以下描述中提到"晶片"或"襯底"時，可能己利用先前的處理步驟在基底 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)中形成區(qū)或結(jié)。此外，半導(dǎo)體無需是基于硅的，而是可基于硅-鍺、鍺 或砷化鎵。術(shù)語"像素"或"像素單元"是指含有用于將電磁輻射轉(zhuǎn)換成電信號的光轉(zhuǎn)換裝置 的圖片元素單位單元。通常，圖像傳感器中的所有像素單元的制造將以相似方式同時進(jìn)行。術(shù)語"光子晶體"是指折射率具有周期性改變的結(jié)構(gòu)材料和/或晶格(例如，柱的布 置)。元件中的"光子晶體元件"是包括光子晶體結(jié)構(gòu)的元件。本發(fā)明的實施例提供具有光子晶體結(jié)構(gòu)的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)元件和采用基于 MEMS的光子晶體元件的圖像傳感器。所述元件的透射和反射特征經(jīng)過電子控制，以便 在不同時間選擇不同的電磁波長。所述基于MEMS的光子晶體元件可在圖像傳感器內(nèi) 用于多種用途，其中包含(例如)充當(dāng)額外濾光片、取代常規(guī)的濾光片，例如作為彩色 濾光片陣列或作為對常規(guī)濾光片的補(bǔ)充。近來已認(rèn)識到光子晶體的光子帶隙。光子晶體與電磁波以類似于半導(dǎo)體晶體與電荷 粒子或其波形的交互方式相似的方式交互，g卩，光子晶體結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)的光學(xué)類似物。所述兩種光子和半導(dǎo)體晶體的基本方面是其周期性。在半導(dǎo)體中，晶格中的原 子的周期性晶體結(jié)構(gòu)是其觀察到的性質(zhì)的主要原因之一。舉例來說，結(jié)構(gòu)的周期性允許 使能量(E)級和波向量動量(k)級的量化(帶結(jié)構(gòu)，E-k關(guān)系)。與半導(dǎo)體中的帶隙能 量相似，在禁止載流子能量的情況下，光子晶體可為電磁波提供光子帶隙，其中禁止特 定波長的存在。參看Biswas，R等人的Physical Review B，第61巻，第7期，第4549-4553 頁(1999)，其全文以引用的方式并入本文中。光子晶體具有允許針對電磁波傳播而調(diào)整獨特性質(zhì)的結(jié)構(gòu)。與半導(dǎo)體不同，光子晶 體不限于自然存在的材料，并且可易于合成。因此，可用廣泛范圍的結(jié)構(gòu)來制造光子晶 體，從而適應(yīng)廣泛范圍的電磁輻射頻率和波長。電磁波滿足與光速的簡單關(guān)系c = n図其中c二所關(guān)注的介質(zhì)中的光速，n二頻率且図二波長。無線電波處于l毫米(mm) 的波長范圍，而遠(yuǎn)紫外線射線處于l納米(nm)范圍。雖然半導(dǎo)體中的帶結(jié)構(gòu)工程學(xué)非 常復(fù)雜，但光子晶體中的光子帶結(jié)構(gòu)工程學(xué)相對簡易。光子晶體可設(shè)計為具有阻擋特定 波長的光而允許其它波長穿過的光子帶結(jié)構(gòu)。光子晶體可由介電材料、導(dǎo)電材料和導(dǎo)電性涂敷的介電材料形成。已顯示出兩個光 子晶體結(jié)構(gòu)之間的較小移位可能導(dǎo)致兩個結(jié)構(gòu)的透射和反射特征一起改變。參看Wonjoo Suh等人的"Displacement-sensitive Photonic Crystal Structures Based on Guided Resonance in Photonic Crystal Slabs", Applied Physics Letters,第82巻，第13期，第1999-2001頁 (2003年3月31日)，其全文以引用的形式并入本文中。圖2是展示穿過單個光子晶體 平板的示范性透射光譜。如圖2所示，引導(dǎo)諧振的特性是基波長附近的強(qiáng)反射性信號。 已顯示，此種引導(dǎo)諧振可能是一種寬帶現(xiàn)象。見Shanhui Fan等人的"Analysis of Guided Resonances in Photonic Crystal Slabs", Physical Review B，第65巻，第235112-1到 235112-8頁(2002)，其全文以引用的形式并入本文中。圖3、 6和7分別說明圖像傳感器陣列300A、 300B、 300C的一部分，每個所述陣 列包含一個或一個以上根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的基于MEMS的光子晶體元件330。所 述元件330的光子帶結(jié)構(gòu)可經(jīng)設(shè)計以實現(xiàn)元件330的所需性質(zhì)(例如，波長選擇性范圍)， 如下文更詳細(xì)地描述。元件330由電路331來控制。出于說明目的，圖像傳感器陣列300A、 300B、 300C是包含CMOS像素單元10的 CMOS圖像傳感器陣列。應(yīng)容易了解，本發(fā)明也可與CCD和其它圖像傳感器一起采用。在圖3、 6和7的示范性實施例中，陣列300A、 300B、 300C部分與圖1A中描繪的 陣列100相似，因為每一陣列300A、 300B、 300C包含具有光轉(zhuǎn)換裝置12的像素單元 10。但是，每一陣列300A、 300B、 300C包含像素單元10的至少一部分上的一個或一 個以上基于MEMS的光子晶體元件330。元件330包含光子晶體結(jié)構(gòu)。所述元件330的 光子晶體結(jié)構(gòu)可經(jīng)改變以實現(xiàn)所需的特征(例如，所需的光子帶結(jié)構(gòu))，以在向元件330 施加特定電壓時，防止特定波長的光穿過元件330，且允許特定波長的光穿過元件330。向一個或一個以上元件330施加電壓會導(dǎo)致靜電力將元件330中的一者相對于至少 一個其它元件300橫向且(視情況)垂直移位。此種移位導(dǎo)致元件330的透射和反射特征如上所述一起改變。參看Wonjoo Suh等人的"Displacement-sensitive Photomc Crystal Structures Based on Guided Resonance in Photonic Crystal Slabs", Applied Physics Letter, 第82巻，第13期，第1999-2001頁(2003年3月31日)。因此，可使用電路331來操 作元件330，以便基于電壓施加而選擇特定波長以用于透射。區(qū)33可具有圖3所示的示范性結(jié)構(gòu)。原硅酸四乙酯(TEOS)層371在襯底1和其 上形成的裝置上，所述裝置包含光轉(zhuǎn)換裝置12和例如像素單元10的晶體管(未圖示)。 TEOS層371上存在硼磷硅玻璃(BPSG)層372，隨后分別是第一、第二和第三層間介 電層373、 374、 375。鈍化層376在第三層間介電層375上。視情況，也可包含一個或 一個以上濾光片377。也存在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，例如，金屬線，其形成像素單元10的裝置之間 的連接和從像素單元10裝置到由ILD層支撐的外部裝置(未圖示)的連接。圖3繪示像素單元陣列300A，其包含第一和第二元件330，所述元件每一者具有光 子晶體結(jié)構(gòu)。所述元件300由支撐結(jié)構(gòu)7支撐。所述支撐結(jié)構(gòu)7使得元件330能夠相對 于襯底l的表面移位?？刹捎妙~外的支撐結(jié)構(gòu)來支撐和控制元件330。舉例來說，可用 與第6,870,660號美國專利中揭示的數(shù)字微鏡裝置中采用的元件相似的方式來支撐和控 制元件330。支撐結(jié)構(gòu)7可經(jīng)選擇以提供元件330的所需移位。舉例來說，元件330可 相對于襯底1橫向、有角度地和/或垂直移位。示范性傾斜移位在約0度到約70度之間。在圖3的實施例中，元件330經(jīng)配置成可控制，以便選擇性地防止所有光到達(dá)一個 或一個以上光轉(zhuǎn)換裝置12。因此，可對入射在陣列300A的一個或一個以上具體區(qū)域上 的光進(jìn)行取樣?；蛘撸鲈?jīng)配置成控制，以在可見光波長與紅外波長之間進(jìn)行選 擇。元件330由控制電路331控制?？刂齐娐?31導(dǎo)致向元件330中的每一者施加一個 或一個以上電壓。元件330可經(jīng)控制以防止所有或一部分入射光傳輸?shù)较路墓廪D(zhuǎn)換裝 置12。確切地說，元件可經(jīng)控制以在特定時間允許特定波長的光入射在光轉(zhuǎn)換裝置12 上。舉例來說，元件330可經(jīng)控制以在一個時間允許可見光到達(dá)光電二極管12，而在另 一時間防止所有光到達(dá)光電二極管12。或者，元件330可經(jīng)控制以在不同時間允許紅外 光和可見波長的光入射到光轉(zhuǎn)換裝置12上。在所說明的實施例中，每一元件330形成 在基層305上?；鶎?05可為(例如)Si02、 BPSG或另一介電層，例如磷硅玻璃(PSG) 和硼硅玻璃(BSG)。圖4A—4F描繪用于形成圖3的陣列300A的步驟。本文中描述的任何動作均不需要特定的次序，除了那些邏輯上需要先前動作的結(jié)果的動作以外。因此，雖然將以下動作描述為用一般次序執(zhí)行，但所述次序只是示范性的并且可改變。參看圖4A，提供基層305以支撐元件330?；鶎?05可以是提供可在上面形成濾光 片330的光子晶體結(jié)構(gòu)的大致平坦的表面的任何合適材料。舉例來說，基層305可為介 電層(例如，Si02層或BPSG層，且可具有在約50A到約200 A的范圍內(nèi)的厚度)。如圖4B所示，在基層305上形成適合用于形成光子晶體的材料的層361。此種材 料的實例包含氧化鋁(A1203)、氧化鉭(Ta203)、氧化鋯(Zr02)、氧化鉿(Hf02)、基 于鉿的硅酸鹽和導(dǎo)電氧化物，例如氧化銦錫和氧化鋅錫等。應(yīng)注意，特定材料可產(chǎn)生會 吸收一部分光子的光子晶體。如果過分吸收，可能會對量子效率造成不利影響。優(yōu)選的 是，層361是Al2Cb層，因為其提供較少的吸收，并且在其勢壘特性方面與Si02相似。 層361的厚度可按照需要或期望來選擇。優(yōu)選的是，層361形成為具有約100 A到約5000 A范圍內(nèi)的厚度。通過使用掩膜層次，對光子晶體材料層361進(jìn)行圖案化和蝕刻，以產(chǎn)生光子晶體結(jié) 構(gòu)柱362，如圖4C所描繪。參看圖4C，柱362之間的間隔x與層361的厚度d (或柱 362的高度)之間的比率x/d可變化以實現(xiàn)光子晶體的所需特征，且因此實現(xiàn)濾光片330 的所需特征。作為說明，所述比率x/d在約l到約10的范圍內(nèi)。如果對柱362進(jìn)行圖案 化以實現(xiàn)所需的比率x/d對于現(xiàn)有的掩膜界定的光刻技術(shù)來說是一個難題，那么也可使 用隔片界定的光刻來形成柱，使得通過工藝步驟而不是掩膜層來界定柱。柱362可形成為具有任何所需的水平橫截面形狀。圖5A — 5C描繪示范性柱362的 形狀。圖5A是元件330的俯視平面圖，其中柱362具有圓形的水平橫截面形狀(即， 柱362是圓柱體)。圖5B和5C分別描繪包含具有矩形和五邊形水平橫截面形狀的柱的 元件330。此外，柱362可以多種定向布置。如圖5A所示，柱362在Y方向上以列B布置且 在X方向上以行A布置，使得來自每一連續(xù)行A的柱362在Y方向上形成列B?；蛘?， 如圖5D所示，柱362可在X方向上沿著線A以行布置，其中沿著線A的每一行從鄰近 的行A偏移，使得來自每隔一行A的柱362分別在Y方向上形成列B和B'。以下描述的柱362的每一厚度d、間隔x、 x/d比率、水平橫截面形狀、柱362的定 向和柱362以及層363或364的材料是變量，其可經(jīng)選擇以實現(xiàn)所需的光子晶體結(jié)構(gòu)并 因此提供元件330的所需特性。根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例，可選的低介電常數(shù)層363沉積在柱362之間，并且使用CMP步驟平坦化，如圖4D所說明。層363可由任何具有低介電常數(shù)的合適材料形成，所述材料例如為SOG或Si02等。在一個示范性實施例中，層363由介電常數(shù)低于柱362的介電常數(shù)的材料形成。所述層363可通過任何合適的技術(shù)形成。根據(jù)替代的示范性實施例，如圖4E所示，柱362上涂敷或鍍有可選的導(dǎo)電薄膜364。 在一個實施例中，導(dǎo)電薄膜364是銅薄膜。薄膜364可通過任何合適的技術(shù)(例如，電鍍)形成。在圖4D和4E所示的任一實施例中，通過任何合適的技術(shù)在柱362上沉積金屬層 365 (如圖4F所示)。對金屬層365進(jìn)行圖案化，以形成第一基于MEMS的光子晶體元 件330。具體來說，按照需要將金屬層365圖案化和蝕刻，并移除金屬層365在光轉(zhuǎn)換 裝置12上的至少一部分。元件330包含柱362，視情況為層363或364，以及金屬層365。 但是，為了簡單起見，在圖3及圖6和圖7 (以下描述)中將元件330展示為單個結(jié)構(gòu)。任何變量(層361的厚度d、柱362之間的間隔x、比率x/d、柱362的水平橫截面 形狀、柱362的定向以及柱362和層363的材料)可變化，以便針對第一、第二和第三 元件330中的每一者實現(xiàn)所需的光子晶體結(jié)構(gòu)，并因此實現(xiàn)元件330的所需性質(zhì)。在圖 3中的所說明的實施例中，第一、第二和第三元件330每一者具有不同的光子晶體結(jié)構(gòu)。為了完成陣列300A，可執(zhí)行額外的處理步驟。舉例來說，可形成電路331與元件 330之間的連接。此外，可執(zhí)行額外的常規(guī)處理步驟，以形成常規(guī)的微透鏡20。依據(jù)元件330的光子晶體結(jié)構(gòu)，對元件330的對準(zhǔn)與位移參數(shù)進(jìn)行選擇，以便能夠 在所需的電磁波長之間作出選擇。元件330可相對于襯底1垂直地、有角度地或橫向地 移位。舉例來說，對施加的電壓進(jìn)行選擇，以便形成使元件330移位所需的靜電力，以 便實現(xiàn)元件330的所需透射和反射特征。用于控制元件330的示范性電壓可在約5伏與 約20伏之間。圖6繪示根據(jù)本發(fā)明的具有基于MEMS的光子晶體元件330的像素陣列300B的另 一示范性實施例?？蓪⒃?30的光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計成使得元件330具有所需的性質(zhì)， 例如對特定電磁輻射波長的選擇性?？捎萌缟衔慕Y(jié)合圖4A-5D所描述形成陣列300B， 不同之處為在多個像素上形成一個光子晶體元件330。向元件330施加電壓會致使元件 330移位。此種移位致使兩個結(jié)構(gòu)的透射和反射特征一起改變。因此，可對元件330進(jìn) 行操作，以便基于電壓的施加而在不同時間選擇特定波長。在所說明的實施例中，將元件330配置成可控制以便選擇性地阻止所有光到達(dá)一個 或一個以上光轉(zhuǎn)換裝置12。因此，可對入射在陣列300B的一個或一個以上特定區(qū)域上 的光進(jìn)行取樣。或者，可將所述元件配置成可控制以便在可見光波長與紅外波長之間作 出選擇。為此，可對變量(層361的厚度d、柱362之間的間隔x、比率x/d、柱362的 水平橫截面形狀、柱362的定向以及柱362和層363的材料)進(jìn)行選擇，以便針對第一 和第二元件330中的每一者實現(xiàn)所需的光子晶體結(jié)構(gòu)，并因此實現(xiàn)元件330的所需性質(zhì)。此外，依據(jù)元件330的光子晶體結(jié)構(gòu)，對元件330的對準(zhǔn)和移位參數(shù)進(jìn)行選擇，以便能夠在所需的電磁波長之間作出選擇。舉例來說，對施加的電壓進(jìn)行選擇，以便形成使元件330移位所需的靜電力，以便實現(xiàn)元件330的所需透射和反射特征。當(dāng)將元件330配置成可控制以便在可見光波長與紅外波長之間作出選擇時，優(yōu)選光 轉(zhuǎn)換裝置12對廣泛范圍的波長敏感。這個實施例使得陣列300B能夠在白天對可見光進(jìn) 行取樣并在夜晚對紅外波長進(jìn)行取樣。因此，這個實施例特別適用于自動和安全應(yīng)用。在另一實施例中，圖7描繪根據(jù)本發(fā)明的具有基于MEMS的光子晶體元件330的 像素陣列300C的另一示范性實施例。在圖7的實施例中，描繪包含第一、第二和第三 元件330的像素單元陣列300C，所述元件中的每一者具有光子晶體結(jié)構(gòu)。在不同的高 度hl、 h2、 h3處提供元件330?？蓪υ?30進(jìn)行控制，以便在特定時間允許特定波長 的光入射在光轉(zhuǎn)換裝置12上?？砂凑招枰⒁罁?jù)將針對每一元件330選擇的光的波 長在光轉(zhuǎn)換裝置12上方的各種高度處形成元件330。舉例來說，元件330可經(jīng)控制以在 不同時間允許紅、綠和藍(lán)波長的光入射在光轉(zhuǎn)換裝置12上。以此方式，可在不同時間 由同一像素單元10對對應(yīng)于紅、綠和藍(lán)波長的信號進(jìn)行取樣。相應(yīng)地，不必要用單獨 的像素單元來對紅、綠和藍(lán)波長進(jìn)行取樣。這可提高成像器陣列300C的分辨率。在圖 7的實施例中，元件330經(jīng)配置以充當(dāng)彩色濾光片陣列(并因此取代圖1的陣列30)。在元件330用以允許每一像素單元IO對紅、綠和藍(lán)波長進(jìn)行取樣的情況下，光轉(zhuǎn) 換裝置12優(yōu)選在廣泛范圍的波長上有效。通過圖8的方框圖說明單芯片CMOS圖像傳感器800。圖像傳感器800包含根據(jù)本 發(fā)明實施例的像素單元陣列300A。陣列300A的像素單元以預(yù)定數(shù)目的列和行布置?；?者，圖像傳感器800可包含根據(jù)本發(fā)明實施例的其它像素單元陣列，例如陣列300B或 300C中的任一者。逐個讀 出陣列300A中的像素單元行。相應(yīng)地，通過行選擇線來同時選擇陣列300A 的一個行中的所有像素單元以供讀出，且選定行中的每一像素單元向其列的讀出線提供 代表所接收的光的信號。在陣列300A中，每一列還具有選擇線，且響應(yīng)于所述列選擇 線而選擇性地讀出每一列的像素單元。行驅(qū)動器882響應(yīng)于行地址解碼器881而選擇性地激活陣列300A中的行線。列驅(qū)動器884響應(yīng)于列地址解碼器885而選擇性地激活列選擇線。通過時序和控制電路883來操作陣列330A，所述時序和控制電路控制地址解碼器881、 885以便選擇適當(dāng)?shù)男芯€和列線以用于像素信號讀出，且電路331控制基于MEMS的光子晶體元件330。列讀出線上的信號通常包含每一像素單元的像素重設(shè)信號(Vrst)和像素圖像信號(Vphoto)。響應(yīng)于列驅(qū)動器884而將所述兩個信號讀取到取樣與保持電路(S/H) 886中。 通過差分放大器(AMP) 887針對每一像素單元產(chǎn)生差分信號(Vrst—Vph。t。)，且每一像 素單元的差分信號由模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC) 888放大和數(shù)字化。模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器 888將數(shù)字化的像素信號供應(yīng)到圖像處理器889，所述圖像處理器889在提供界定圖像 輸出的數(shù)字信號之前執(zhí)行適當(dāng)?shù)膱D像處理。
圖9說明包含圖8的圖像傳感器800的基于處理器的系統(tǒng)900?；谔幚砥鞯南到y(tǒng) 900是具有可包含圖像傳感器裝置的數(shù)字電路的示范性系統(tǒng)。此種系統(tǒng)可包含(但不限 于)計算機(jī)系統(tǒng)、照相機(jī)系統(tǒng)、掃描儀、機(jī)器視覺、車輛導(dǎo)航、可視電話、監(jiān)視系統(tǒng)、 自動對焦系統(tǒng)、天體跟蹤器系統(tǒng)、運動檢測系統(tǒng)、圖像穩(wěn)定系統(tǒng)和其它采用成像的系統(tǒng)。
基于處理器的系統(tǒng)卯0 (例如照相機(jī)系統(tǒng))通常包括中央處理單元(CPU) 995 (例 如微處理器)，其通過總線993與輸入/輸出(I/O)裝置991通信。圖像傳感器800也通 過總線993與CPU 995通信?；谔幚砥鞯南到y(tǒng)900還包含隨機(jī)存取存儲器(RAM) 992，且可包含可移除的存儲器994 (例如快閃存儲器)，其也通過總線993與CPU 995 通信。圖像傳感器800可與處理器組合，所述處理器例如為CPU、數(shù)字信號處理器或微 處理器，且可具有或不具有位于單個集成電路上或位于與處理器不同的芯片上的存儲器 存儲裝置。
雖然結(jié)合CMOS圖像傳感器描述本發(fā)明，但基于MEMS的光子晶體單元330在光 電裝置內(nèi)具有各種應(yīng)用。本說明書并不希望是限制性的。舉例來說，根據(jù)本發(fā)明的基于 MEMS的光子晶體元件330可用于電荷耦合裝置圖像傳感器或其它光電裝置中。
請再次注意，以上描述和圖式是示范性的，且說明實現(xiàn)本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點 的優(yōu)選實施例。不希望本發(fā)明限于所說明的實施例。屬于隨附權(quán)利要求書的精神和范圍 內(nèi)的對本發(fā)明的任何修改應(yīng)視為本發(fā)明的一部分。
權(quán)利要求
1.一種圖像傳感器，其包括位于襯底表面處的像素單元陣列，每一像素單元包括光轉(zhuǎn)換裝置；以及至少一個微機(jī)電系統(tǒng)元件，其包括在所述像素單元中的至少一者上的光子晶體結(jié)構(gòu)，用于響應(yīng)于至少一個施加的電壓而選擇性地允許具有預(yù)定波長的電磁輻射到達(dá)所述至少一個單元的所述光轉(zhuǎn)換裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其進(jìn)一步包括堆疊在所述至少一個像素單元上的多個元件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其中所述元件經(jīng)配置以可由施加的電壓控制， 以在不同時間選擇性地允許綠波長的光、紅波長的光和藍(lán)波長的光到達(dá)所述光轉(zhuǎn)換裝置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其中所述元件經(jīng)配置以可由施加的電壓控制， 以在不同時間選擇性地允許可見波長的光和紅外波長的光到達(dá)所述光轉(zhuǎn)換裝置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其進(jìn)一步包括堆疊在所述像素單元中的至少一 者上的至少兩個元件。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中所述元件由支撐結(jié)構(gòu)支撐，以致使所述元 件響應(yīng)于所述施加的電壓而相對于所述襯底的表面移位。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中所述元件包括彼此間隔開的多個柱。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的圖像傳感器，其中所述元件進(jìn)一步包括位于所述柱之間的間 隔內(nèi)的材料，所述材料具有比所述柱的介電常數(shù)低的介電常數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像傳感器，其進(jìn)一步包括與所述柱的至少一部分接觸的金 屬層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像傳感器，其中所述元件進(jìn)一步包括與所述柱接觸的導(dǎo)電 材料。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像傳感器，其中所述柱包括氧化鋁。
12. —種處理器系統(tǒng)，其包括處理器；以及光電裝置，其耦合到所述處理器，所述裝置包括位于襯底表面處的像素單元陣列，每一像素單元包括光轉(zhuǎn)換裝置，以及 至少一個微機(jī)電系統(tǒng)元件，其包括位于所述像素單元中的至少一者上的光子晶體結(jié)構(gòu)，用于響應(yīng)于至少一個施加的電壓而選擇性地允許具有預(yù)定波長的電磁輻 射到達(dá)所述至少一個單元的所述光轉(zhuǎn)換裝置。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的處理器系統(tǒng)，其中所述圖像傳感器是CMOS圖像傳感器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的處理器系統(tǒng)，其中所述裝置是電荷耦合裝置圖像傳感器。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的處理器系統(tǒng)，其中所述至少一個元件經(jīng)配置以可由施加的 電壓控制，以響應(yīng)于施加的電壓而選擇性地允許預(yù)定的電磁波長到達(dá)所述光轉(zhuǎn)換裝 置。
16. —種用于光電裝置的微機(jī)電系統(tǒng)元件，所述元件包括襯底；位于所述襯底上的支撐結(jié)構(gòu)； 由所述支撐結(jié)構(gòu)支撐的絕緣層；在所述絕緣層上形成光子晶體結(jié)構(gòu)的多個柱，所述柱彼此間隔開；以及 與所述柱的至少一部分接觸的金屬層，所述支撐結(jié)構(gòu)經(jīng)配置以可由施加的電壓控帝IJ，以相對于所述襯底的表面使所述光子晶體結(jié)構(gòu)移位，以基于施加到所述金屬層的電壓而選擇性地允許電磁波長到達(dá)所述光轉(zhuǎn)換裝置。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的元件，其進(jìn)一步包括位于所述柱之間的間隔內(nèi)的材料，其 中位于所述間隔內(nèi)的所述材料的介電常數(shù)低于所述柱的介電常數(shù)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的元件，其進(jìn)一步包括位于所述柱上的導(dǎo)電薄膜。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的元件，其中所述導(dǎo)電薄膜包括銅。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的元件，其中所述柱具有在約100 A到約5000 A的范圍內(nèi)的咼度o ■
21. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的元件，其中所述柱之間的所述間隔與所述柱的高度的比率 在約l到約IO的范圍內(nèi)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的元件，其中所述柱每一者具有圓形水平橫截面的形狀。
23. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的元件，其中所述柱每一者具有大致五邊形水平橫截面的形 狀。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的元件，其中所述柱每一者具有大致矩形水平橫截面的形狀。
25.根據(jù)權(quán)利要求16所述的元件，其中所述柱包括氧化鋁。
26.根據(jù)權(quán)利要求16所述的元件，其中所述柱包括氧化鉭。
27.根據(jù)權(quán)利要求16所述的元件，其中所述柱包括氧化鋯。
28.根據(jù)權(quán)利要求16所述的元件，其中所述柱包括氧化鉿。
29. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的元件，其中所述柱包括基于鉿的硅酸鹽。
30. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的元件，其中所述柱包括導(dǎo)電氧化物。
31. —種形成圖像傳感器的方法，所述方法包括以下動作在襯底的表面處形成像素單元陣列，所形成的每一像素單元包括光轉(zhuǎn)換裝置；以 及形成至少一個微機(jī)電系統(tǒng)元件，其包括位于所述像素單元中的至少一者上的光子 晶體結(jié)構(gòu)，每一元件用于響應(yīng)于至少一個施加的電壓而選擇性地允許具有預(yù)定波長 的電磁輻射到達(dá)所述至少一個單元的所述光轉(zhuǎn)換裝置。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述至少一個像素單元上形成多個元件的動作。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述形成所述多個元件的動作包括將所述光子 晶體元件配置成可由施加的電壓控制，以在不同時間選擇性地允許綠波長的光、紅 波長的光和藍(lán)波長的光到達(dá)所述光轉(zhuǎn)換裝置。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述形成所述多個元件的動作包括將所述光子 晶體元件配置成可控制，以在不同時間選擇性地允許可見波長的光和紅外波長的光 到達(dá)所述光轉(zhuǎn)換裝置。
35. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述像素單元中的至少一者上形成 至少兩個元件的動作。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的圖像傳感器，其中第一元件形成在第二光子晶體元件上。
37. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其進(jìn)一步包括以下動作提供支撐結(jié)構(gòu)，其用于支 撐所述元件并用于致使所述元件響應(yīng)于所述至少一個施加的電壓而相對于所述襯 底的表面移位。
38. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中所述形成所述元件的動作包括形成彼此間隔開 的多個柱。
39. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中所述形成所述元件的動作包括在所述柱之間的 間隔內(nèi)形成材料，所述材料具有比所述柱的介電常數(shù)低的介電常數(shù)。
40. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中所述形成所述元件的動作進(jìn)一步包括形成與所 述柱的至少一部分接觸的金屬層。
41. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中所述形成所述元件的動作進(jìn)一步包括形成與所 述柱接觸的導(dǎo)電材料。
42. —種形成用于光電裝置的微機(jī)電系統(tǒng)元件的方法，所述方法包括以下動作提供襯底；在所述襯底上提供支撐結(jié)構(gòu)；形成由所述支撐結(jié)構(gòu)支撐的絕緣層；在所述絕緣層上形成光子晶體材料層；對所述光子晶體材料層進(jìn)行圖案化以形成多個形成光子晶體結(jié)構(gòu)的柱，所述柱形 成為彼此間隔開且每一者具有一高度和水平橫截面形狀；以及與所述柱的至少一部分接觸的金屬層，所述支撐結(jié)構(gòu)被配置成可控制，以相對于 所述襯底的表面使所述光子晶體結(jié)構(gòu)移位，以基于施加到所述金屬層的電壓而選擇 性地允許電磁波長到達(dá)所述光轉(zhuǎn)換裝置。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述柱之間的間隔內(nèi)形成材料的動作，其中所述間隔內(nèi)的所述材料的介電常數(shù)低于所述柱的介電常數(shù)。
44.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述柱上形成導(dǎo)電薄膜的動作。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中所述導(dǎo)電薄膜形成為包括銅。
46.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中所述柱形成為具有在約100 A到約5000 A范圍內(nèi)的高度。
47.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中所述柱形成為使得所述柱之間的所述間隔與所述柱的高度的比率在約1到約IO的范圍內(nèi)。
48.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中所述柱形成為具有圓形水平橫截面的形狀。
49.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法， 、J41其中所述柱形成為具有大致五邊形水平橫截面的形
50.狀。根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中所述柱形成為具有大致矩形水平橫截面的形狀。
51.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中所述柱形成為包括氧化鋁。
52.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中所述柱形成為包括氧化鉭。
53.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中所述柱形成為包括氧化鋯。
54.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中所述柱形成為包括氧化鉿。
55.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中所述柱形成為包括基于鉿的硅酸鹽。
56.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中所述柱形成為包括導(dǎo)電氧化物。
全文摘要
本發(fā)明提供一種圖像傳感器和一種形成圖像傳感器的方法。所述圖像傳感器包含位于襯底表面處的像素單元陣列(100)。每一像素單元具有光轉(zhuǎn)換裝置(12)。在所述像素單元中的至少一者上提供包含光子晶體結(jié)構(gòu)的至少一個微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)元件(330)。所述基于MEMS的光子晶體元件(330)由支撐結(jié)構(gòu)(7)支撐，且經(jīng)配置以在施加電壓時選擇性地允許電磁波長到達(dá)所述光轉(zhuǎn)換裝置。由此，本發(fā)明的基于MEMS的光子晶體元件可取代或補(bǔ)充常規(guī)濾光片，例如，彩色濾光片陣列。
文檔編號H01L31/0216GK101223648SQ200680026052
公開日2008年7月16日 申請日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月7日
發(fā)明者錢德拉·穆利 申請人:美光科技公司