CN101459185A - 光电二极管、图像感测装置及图像传感器 - Google Patents
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Abstract
提供一种光电二极管、图像感测装置和图像传感器。所述图像感测装置包括p－n结光电二极管，所述p－n结光电二极管在其上表面上具有金属图案层。所述图像传感器包括所述图像感测装置和形成在所述金属图案层之上的微透镜。金属图案层滤除具有第一波长的光。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过在光电二极管上形成金属图案而具有提高的灵敏度的CMOS图像传感器。
背景技术
传统的或现有技术的图像传感器是一种通过检测光将光学图像转换为电信号的光电转换装置。传统的图像传感器可用于存储和发送光学图像，并用于在显示设备中再现光学图像。
传统的硅半导体图像传感器可被分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。传统的CMOS图像传感器通过使用传统的半导体制造工艺可具有较低的制造成本。与CCD图像传感器相比，这些制造工艺可以更简单、功耗更小，和/或外围电路可以更容易被集成到单个芯片中。因此，CMOS图像传感器可更适合于相对小的移动终端，例如，移动电话、个人移动终端、个人数字助理(PDA)、智能电话、相机等。
传统的CMOS图像传感器可包括在半导体基底上布置为阵列的多个单位像素。每个单位像素可包括p-n结光电二极管和晶体管。光电二极管和晶体管可集成在单个芯片中。p-n结光电二极管可通过检测外部光来产生电荷。晶体管可响应于从p-n结光电二极管产生的光学电荷输出电信号。
这样，传统的CMOS图像传感器使用基于光学信号产生电荷的p-n结光电二极管来处理图像。控制装置可控制和/或处理光学信号。
图1是传统的CMOS图像传感器的横截面示图。图2是用于解释传统的CMOS图像传感器中的信号失真的扫描电子显微镜(SEM)图像。
参照图1，传统的CMOS图像传感器1可包括光电二极管2、外围电路的金属布线4、聚合物滤色器6和微透镜8。可使用绝缘层(未示出)来填充上述元件之间的空间。光电二极管2可包括通过在p型硅基底2a中掺杂n型搀杂物形成的n型掺杂区2b。
滤色器6可布置在微透镜8之下。如果从微透镜8到光电二极管2的垂直距离大于大约5微米到大约10微米，则必须减小光电二极管2的尺寸以进行补偿。光电二极管2的尺寸的减小会使传统的CMOS图像传感器1的灵敏度减小。
此外，因为相当多的光在透过滤色器6和绝缘层时被吸收，因此实际上相当少的光到达光电二极管2，这会进一步减小CMOS图像传感器的灵敏度。
参照图2，在传统的CMOS图像传感器1中，由于金属布线4的反射，透过微透镜8的光可进入相邻像素的光电二极管2。进入相邻像素的光可导致致使信号失真的光学串扰。
发明内容
示例性实施例涉及具有提高的灵敏度的光电二极管、图像感测装置以及图像传感器。根据至少一些示例实施例，图像传感器包括p-n结光电二极管以及利用表面等离子体振子共振的金属图案层。
示例实施例还可提供一种具有光电二极管的CMOS图像传感器。光电二极管可具有形成在其表面上的金属图案。金属图案可滤除具有特定或给定波长的光，而不需要另外的滤色器。这可增加图像传感器感测的光量。
至少一个示例实施例提供一种包括p-n结光电二极管的图像感测装置。在p-n结光电二极管的上表面上可布置有金属图案。
根据至少一些示例实施例，可以以带形图案、岛形图案或金属颗粒层等形成金属图案层。金属图案层可以是具有接触孔图案的金属薄膜层。
所述CMOS图像传感器还可包括形成在p-n结光电二极管的上表面上的介电膜，其中，金属图案层形成在介电膜上。可由从SiO2、SiON、HfO2、Si3N4等形成的组中选择的至少一种材料形成介电膜。介电膜可具有大约3纳米到大约100纳米(包括3纳米和100纳米)的厚度。可由从Au、Ag、Cu、Al、W等形成的组中选择的至少一种金属形成金属图案层。
至少一个另外的实施例提供一种CMOS图像传感器。所述图像传感器可包括p-n结光电二极管，所述p-n结光电二极管在其上表面上布置有金属图案层。可在所述金属图案层之上布置微透镜。
根据至少一些示例实施例，所述金属图案可包括多个区域。每个区域可定义多个子像素区域之一。所述多个子像素区域可至少包括红色子像素区域、一个或多个绿色子像素区域和蓝色子像素区域。金属图案层可由纳米点构成。定义红色子像素区域的纳米点可具有第一尺寸，定义绿色子像素区域的纳米点可具有第二尺寸，定义蓝色子像素区域的纳米点可具有第三尺寸。第二尺寸可小于第一尺寸，第三尺寸可小于第二尺寸。
根据至少一些示例实施例，定义红色子像素区域的纳米点可相隔第一距离，定义绿色子像素区域的纳米点可相隔第二距离，定义蓝色子像素区域的纳米点可相隔第三距离。第二距离可大于第一距离，第三距离可大于第二距离。纳米点可具有从三角形、矩形、五边形、圆形和星形形成的组中或包括三角形、矩形、五边形、圆形和星形的组中选择的形状。
附图说明
通过结合附图进行的详细描述，示例实施例将会变得更加清楚，其中：
图1是传统的CMOS图像传感器的示例横截面示图；
图2是图1的传统的CMOS图像传感器的示例扫描电子显微镜(SEM)图像；
图3是根据示例实施例的图像感测装置的示例横截面示图；
图4是根据示例实施例的包括p-n结光电二极管的CMOS图像传感器的示例横截面示图；
图5是示出根据示例实施例的使用等离子体振子现象的CMOS图像传感器的感测过程的示例横截面示图；
图6是根据示例实施例的形成在光电二极管的像素区域中的金属图案的示例平面图。
具体实施方式
现在，将参照附图更充分地描述多个示例实施例。然而，这里公开的特定结构和功能仅用于描述示例实施例的目的，本领域的技术人员将理解，可以以多种替换形式实现示例实施例，而不应被解释为仅限于在此阐述的示例实施例。
应该理解，尽管在这里可使用术语第一、第二等来描述不同的元件，但是这些元件不应被这些术语所限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一元件。例如，在不脱离示例实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，类似地，第二元件可被称为第一元件。在这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项的任意或全部组合。
应该理解，当元件被称作“连接”或“结合”到另一元件时，该元件可直接连接或结合到另一元件，或者可能存在中间元件。相反，当元件被称作“直接连接”或“直接结合”到另一元件时，不存在中间元件。应该以类似的方式解释用于描述元件之间的关系的其他词语(例如，“在...之间”与“直接在...之间”、“相邻”与“直接相邻”)。
在这里使用的术语仅用于描述示例实施例的目的，而不是为了限制示例实施例。这里使用的单数形式也意在包括复数形式，除非上下文另有清楚的指示。还应该理解，当这里使用术语“包括”和/或“包含”时，其表示存在叙述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
除非另有定义，否则这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与示例性实施例所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还应该理解，除非这里明确定义，否则术语(诸如在常用词典中定义的)应被解释为具有与在相关领域和本公开的上下文中的含义一致的含义，而不应理想化或过于形式地被理解。
提供下面参照附图描述的示例实施例，从而本公开将会彻底和完整，并将完全地将示例实施例的构思传达给本领域的技术人员。在附图中，相同的标号始终表示相同的元件。此外，在附图中，为了清楚夸大了层和区域的厚度。
现在，将参照示出示例实施例的附图更充分地描述根据示例实施例的p-n结光电二极管和具有p-n结光电二极管的CMOS图像传感器。
图3是根据示例实施例的图像感测装置的横截面示图。
参照图3，图像感测装置10可包括顺序地形成在p-n结光电二极管12上的介电膜15和金属图案13。p-n结光电二极管12可包括第一掺杂区12b。可通过在硅基底12a中掺杂第一掺杂剂来形成第一掺杂区12b。在一个示例中，第一掺杂剂可以是n型掺杂剂，硅基底可以是p型基底。
介电膜15可以相对薄，以使得入射到金属图案上的光可透射到p-n结光电二极管12。例如，介电膜15可具有在大约3纳米到大约100纳米之间(包括大约3纳米和大约100纳米)的厚度。
介电膜15可用作金属图案13的种籽层(seed layer)。介电膜15可由例如从SiO2、SiON、HfO2、Si3N4、它们的组合等中选择的材料形成。介电膜15可以是透明的、部分透明的或半透明的。
当光入射到金属图案13的表面部分时，由于光与金属图案13的表面上的电子的相互作用，可形成表面等离子体振子或表面电磁波。表面等离子体振子可增加光在金属图案13内共振的时间。
由于金属图案13的表面等离子体振子现象，p-n结光电二极管12可具有更多的时间来检测入射到p-n结光电二极管12的光，从而提高图像感测装置10的灵敏度。
仍然参照图3，例如，金属图案13可以是带形图案、岛形图案、金属颗粒层等。此外，金属图案13可以是接触孔图案，在接触孔图案中，接触孔形成在薄金属膜中。金属图案13可由从Au、Ag、Cu、Al、W等选择的材料形成。
根据示例实施例，可根据将被p-n结光电二极管12检测的光，使用不同的材料将金属图案13形成为具有不同的图案形状和尺寸。例如，金属图案层13的材料、形状和尺寸可影响经金属图案层13透射到p-n结光电二极管12的光的波长。因此，金属图案13可用作滤色器。
图4是根据示例实施例的CMOS图像传感器的横截面示图。如所示出的，CMSO图像传感器11可包括图3的图像感测装置10。相同的标号用于指示与图3的元件基本相同的元件，因此，将不再重复对它们的详细描述。
参照图4，CMOS图像传感器11可包括：图像感测装置10、外围电路金属布线14和微透镜18。可使用绝缘层(未示出)来填充图像传感器11的组件之间的空间。可在图像感测装置10之上布置外围电路金属布线14和微透镜18，从而入射光在到达图像感测装置10之前穿过微透镜18并通过外围电路金属布线14。
根据示例实施例，不同于传统技术，可从CMOS图像传感器11省去单独的滤光器。结果，与传统技术相比，微透镜18和p-n结光电二极管12之间的距离可更短。因此，可形成更紧凑的CMOS图像传感器11。此外，与传统的CMOS图像传感器1相比，可更容易地控制入射到p-n结光电二极管12上的光，因此，可抑制和/或避免被外围电路金属布线14反射的光。这可减小和/或消除串扰的发生，并且入射光可被更精确地聚焦到p-n结光电二极管12上。
图4中的图像感测装置10可与图3的图像感测装置具有相同或基本相同的构造。例如，图像感测装置10可包括具有p型掺杂区12a和n型掺杂区12b的p-n结光电二极管12和介电膜15。金属图案13可形成在p-n结光电二极管12上。
图5是示出根据示例实施例的使用等离子体振子现象的CMOS图像传感器的感测过程的示例横截面示图。
参照图4和图5，穿过微透镜18和外围电路金属布线14的光到达p-n结光电二极管12。由于金属图案13，入射光可引起表面等离子体振子共振现象，从而提高了CMOS图像传感器11的灵敏度。在图5中，点划圆表示由于金属图案13发生表面等离子体振子共振现象的区域。
图6是根据示例实施例的形成在光电二极管的四个区域中的金属图案的示例平面图。
参照图4和图6，与CMSO图像传感器11的像素相应的介电膜15可被划分为多个(例如，4个)区域。可在所述四个区域中的每个中形成金属图案13a、13b、13c和13d。形成在红色子像素区域Red中的纳米点(nano-dot)13a可具有第一尺寸，并由金构成。金属图案13a可透过红色波长的光。形成在绿色子像素区域Green 1和Green 2中的纳米点13b和13d可具有第二尺寸，并由银构成。纳米点13b和13d可透过绿色波长的光。形成在蓝色子像素区域Blue中的纳米点可具有第三尺寸，并由金构成。纳米点13c可透过蓝色波长的光。
金的纳米点13a可以比银的纳米点13b和13d大，和/或金的纳米点13a之间的间隙可以比银的纳米点13b和13d之间的间隙窄。纳米点13c可以比银纳米点13b和13d小，和/或纳米点13c之间的间隙可以比银的纳米点13b和13d之间的间隙大。可将纳米点13c形成为具有与银纳米点13b和13d相同或基本相同的尺寸。
可以根据将被检测的光以三角形、矩形、五边形、圆形、星形等形成与子像素区域的每个相应的金属图案13。如果根据将被检测的光改变子像素区域的每个中的金属图案13的形状、尺寸和材料，则可改变金属图案13的光学滤波效率。
根据示例实施例，可从CMOS图像传感器略去吸收相当多光的单独的滤色器，从而增加到达p-n结光电二极管的光量。到达p-n结光电二极管的光的增加可提高CMOS图像传感器的光检测灵敏度。
尽管已具体显示和描述了示例实施例，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的示例实施例的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。
Claims (25)
1、一种图像感测装置，包括：
p-n结光电二极管；
金属图案层，在p-n结光电二极管的上表面上。
2、如权利要求1所述的图像感测装置，其中，金属图案层是带图案、岛形图案或金属颗粒层等。
3、如权利要求1所述的图像感测装置，其中，金属图案层是具有接触孔图案的金属薄膜层。
4、如权利要求1所述的图像感测装置，还包括：
介电膜，在p-n结光电二极管的上表面上，其中，金属图案层在介电膜上。
5、如权利要求4所述的图像感测装置，其中，介电膜包括从SiO2、SiON、HfO2、Si3N4形成的组中选择的至少一种材料。
6、如权利要求4所述的图像感测装置，其中，介电膜具有在3纳米到100纳米之间的厚度，包括3纳米和100纳米。
7、如权利要求1所述的图像感测装置，其中，金属图案层包括从Au、Ag、Cu、Al、W形成的组中选择的至少一种材料。
8、如权利要求1所述的图像感测装置，其中，金属图案层包括多个区域，金属图案层的每个区域定义多个子像素区域之一，多个子像素区域至少包括红色子像素区域、绿色子像素区域和蓝色子像素区域。
9、如权利要求8所述的图像感测装置，其中，金属图案层由纳米点构成。
10、如权利要求9所述的图像感测装置，其中，定义红色子像素区域的纳米点具有第一尺寸，定义绿色子像素区域的纳米点具有第二尺寸，定义蓝色子像素区域的纳米点具有第三尺寸，第二尺寸小于第一尺寸，第三尺寸小于第二尺寸。
11、如权利要求9所述的图像感测装置，其中，定义红色子像素区域的纳米点相隔第一距离，定义绿色子像素区域的纳米点相隔第二距离，定义蓝色子像素区域的纳米点相隔第三距离，第二距离大于第一距离，第三距离大于第二距离。
12、一种图像传感器，包括：
如权利要求1所述的图像感测装置；
微透镜，在金属图案层之上。
13、如权利要求12所述的图像传感器，其中，金属图案层是带形图案、岛形图案或金属颗粒层。
14、如权利要求12所述的图像传感器，其中，其中，金属图案层是具有接触孔图案的金属薄膜层。
15、如权利要求12所述的图像传感器，其中，图像感测装置还包括：
介电膜，在p-n结光电二极管的上表面上，其中，金属图案层在介电膜上。
16、如权利要求15所述的图像传感器，其中，介电膜包括从SiO2、SiON、HfO2、Si3N4形成的组中选择的至少一种材料。
17、如权利要求15所述的图像传感器，，其中，介电膜具有在3纳米到100纳米之间的厚度，包括3纳米和100纳米。
18、如权利要求12所述的图像传感器，其中，金属图案层包括从Au、Ag、Cu、Al、W形成的组中选择的至少一种材料。
19、如权利要求12所述的图像传感器，其中，金属图案层包括多个区域，金属图案层的每个区域定义多个子像素区域之一，多个子像素区域至少包括红色子像素区域、绿色子像素区域和蓝色子像素区域。
20、如权利要求19所述的图像传感器，其中，金属图案层由纳米点构成。
21、如权利要求20所述的图像传感器，其中，定义红色子像素区域的纳米点具有第一尺寸，定义绿色子像素区域的纳米点具有第二尺寸，定义蓝色子像素区域的纳米点具有第三尺寸，第二尺寸小于第一尺寸，第三尺寸小于第二尺寸。
22、如权利要求20所述的图像传感器，其中，定义红色子像素区域的纳米点相隔第一距离，定义绿色子像素区域的纳米点相隔第二距离，定义蓝色子像素区域的纳米点相隔第三距离，第二距离大于第一距离，第三距离大于第二距离。
23、如权利要求20所述的图像传感器，其中，纳米点具有从三角形、矩形、五边形、圆形、星形形成的组中选择的形状。
24、一种图像感测装置，包括：
p-n结光电二极管；
介电层，在p-n结光电二极管上；
金属图案层形式的滤色器，金属图案层直接在介电层上，金属图案层用于滤除具有第一波长的光。
25、一种图像传感器，包括：
如权利要求24所述的图像感测装置；
微透镜，在图像感测装置之上。
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