CN101939840B - 具有红外线检测层的背面受光cmos成像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种背面受光成像传感器，其包含半导体层及红外线检测层。该半导体层具有正面及背面。成像像素包含形成在该半导体层内的光电二极管区域。该红外线检测层是设置在该半导体层的正面上以从该半导体层的背面接收通过该成像传感器而传播的红外线。
Description
技术领域
本发明大体上是关于成像传感器，且特定言之但非专属地关于背面受光成像传感器。
本申请主张2008年2月8日申请的美国临时申请第61/027,374号的权利，该申请的全文以引用的方式并入本文中。
背景技术
如今很多半导体成像传感器为正面受光。即，它们包含制造在一半导体晶片的正面上的成像阵列，其中光是从相同正面由该成像阵列接收。然而，正面受光成像传感器具有很多缺点，其中之一是有限的填充因数。
背面受光成像传感器是正面受光成像传感器的一替代物，其解决与正面受光相关的填充因数问题。背面受光成像传感器包括制造在半导体片晶片的正面上的成像阵列，但接收通过该晶片的背面的光。彩色滤光片与微透镜可包含在该晶片的背面以改良背面受光传感器的灵敏度。然而，为了检测来自背面的光，该晶片必须非常薄。亦可减少该晶片的厚度以改良灵敏度。因此，光电二极管必须非常接近该传感器的背面以产生并收集电荷。然而，红外线辐射在硅中的吸收较可见光被吸收的深很多。大量红外光会通过薄化的硅基板且不会产生相关电荷。因此，就背面受光成像传感器，可见光灵敏度与红外线灵敏度之间存在一权衡。
附图说明
将本发明的非限制性及非详尽性实施例，参考以下附图予以描述，其中相同参考数字表示贯穿不同视图的相同部件，除非另有说明。
图1是一框图，其绘示根据本发明的一实施例所绘示的背面受光成像传感器；
图2是一电路图，其绘示在根据本发明的一实施例所绘示的背面受光成像传感器内的像素的像素电路；
图3是一电路图，其绘示在根据本发明的一实施例所绘示的背面受光成像传感器内的像素的像素电路；
图4A是根据本发明的一实施例的背面受光成像传感器的成像像素的横截面图；
图4B是根据本发明的一实施例的背面受光成像传感器的成像像素的横截面图；
图5是根据本发明的一实施例的背面受光成像传感器的成像像素的横截面图；及
图6是根据本发明的一实施例的背面受光成像传感器的成像像素的横截面图。
具体实施方式
本文描述一具有改良红外线灵敏度的背面受光成像传感器的实施例。在以下描述中，陈述许多具体细节以提供对本发明的一全面理解。然而，本领域技术人员本领域技术人员将认可本文描述的技术可在没有一个或多个具体细节下，或利用其他方法、组件、材料等予以实践。在其他实例中，未显示或未详细描述熟知的结构、材料、或操作以避免混淆某些方面。
贯穿此说明书的对「一项实施例」或「一实施例」的参考意味着结合该实施例所述的一特定特点、结构或特征是包含在本发明的至少一项实施例中。因此，短语「在一项实施例」或「一实施例」在贯穿此说明书的不同地点的出现不一定全部是关于相同实施例。此外，特定特点、结构、或特征可以任何合适方式组合在一或多项实施例中。
通常，本文所揭示的实施例包含一背面受光成像传感器，其包含用于改良低光性能的额外红外线传感器。额外红外线传感器的增设，进一步允许可见光及红外线两者的改良的检测。
图1是一框图，其绘示根据本发明的一实施例的背面受光成像传感器100。就该成像传感器100所绘示的实施例包含像素阵列105、读出电路110、功能逻辑115及控制电路120。
像素阵列105是背面受光成像传感器或像素(例如，像素P1、P2...、Pn)的二维(「2D」)阵列。在一项实施例中，每个像素是有源像素传感器(「APS」)，诸如互补金属氧化物半导体(「CMOS」)成像像素。如图所示，每个像素被配置成列(例如，列R1至Ry)及行(例如，行C1至Cx)以获得人、地点、或物体的图像数据，其然后可用于表现该人、地点、或物体的一2D图像。
在每个像素已经获得其图像数据或图像电荷后，该图像数据通过读出电路110予以读出且转移至功能逻辑115。读出电路110可包含放大电路、模拟至数字转换电路等。功能逻辑115可简单地储存图像数据或甚至通过应用后图像效果(例如，剪裁、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度等)处理图像数据。在一项实施例中，读出电路110可沿读出行线(已绘示)一次读出一列图像数据或可使用诸如一串行读出或一完全并行且同时读出所有像素的许多其他技术(未绘示)而读出该图像数据。
控制电路120是耦合至像素阵列105以控制像素阵列105的操作特征。例如，控制电路120可产生用于控制图像获得的一快门信号。
图2是一电路图，其绘示在根据本发明的一实施例的背面受光成像阵列内的像素Pa的像素电路200。像素电路200是可行的像素电路结构，其是用于实施在图1的像素阵列100内的每个像素。虽然图2绘示4T像素结构，但应了解本发明的实施例并不限于4T像素结构；更确切言的，受益于本发明的本领域技术人员所理解，本教示同样适用于3T设计、5T设计及其他不同像素结构。
在图2中，像素Pa包含第一光电二极管PD1、第二光电二极管PD2、转移晶体管T1、重设晶体管T2、源极随耦(「SF」)晶体管T3及选择晶体管T4。在操作中，转移晶体管T1接收一转移信号TX，其转移累积在光电二极管PD1及PD2中的电荷至一浮动扩散节点FD。在一项实施例中，光电二极管PD1被配置成主要响应于红外光。例如，PD1可为由非晶硅(a-Si)形成的光电二极管。在一项实施例中，光电二极管PD2被配置成响应于可见光。例如，PD1可为由硅(Si)形成的二极管。
重设晶体管T2是耦合在一电源轨道VDD与浮动扩散节点FD之间以在重设信号RST的控制下重设(例如，对FD放电或充电至一预设电压)。该浮动扩散节点FD是耦合至SF晶体管T3的栅极。SF晶体管T3是耦合在电源轨道VDD与选择晶体管T4之间。SF晶体管T3是作为一源极随耦器而操作，其从浮动扩散节点FD提供一高阻抗输出。最后，选择晶体管T4在一选择信号SEL的控制下选择性地耦合像素电路200的输出至读出行线。在一项实施例中，TX信号、RST信号及SEL信号是通过控制电路120产生的。
图3是一电路图，其绘示在根据本发明一实施例的背面受光成像阵列内的像素Pb的像素电路300。像素电路300是可行的像素电路结构，其是用于实施在图1的像素阵列100内的每个像素。
在图3中，像素Pa包含第一光电二极管PD1、第二光电二极管PD2、第一转移晶体管T1、重设晶体管T2、源极随耦(「SF」)晶体管T3、选择晶体管T4及第二转移晶体管T5。在操作中，第一转移晶体管T1接收第一转移信号TX，其转移累积在光电二极管PD1中的电荷至一浮动扩散节点FD。第二转移晶体管T2接收第二转移信号TX2，其转移累积在光电二极管PD2中的电荷至一浮动扩散节点FD。在一项实施例中，光电二极管PD1被配置成主要响应于红外光。在一项实施例中，光电二极管PD2被配置成响应于可见光。
图4A是根据本发明的一实施例的背面受光成像传感器的成像像素400的横截面图。成像像素400是图1所示的像素阵列105的至少一个像素的可能实施及亦是图2的像素电路200的至少一部分的可能实施。成像像素400的所绘示的实施例包含半导体层(亦即，P型基板405)、层间介电质415、金属堆迭420、红外线检测层425、导电层445及450及通孔455。形成于基板405内的是光电二极管(亦即，N-区域410)，浅沟槽隔离(「STI」)413、转移栅极440、及浮动扩散(亦即，N+区域435)。
背面受光成像传感器在结构上要求基板背面薄化。这是因为可见光在背面409附近被吸收。因此，N-区域410必须相对接近于背面409以产生并收集电荷。然而，红外光在硅中被吸收得更深。因此，大量红外光通过薄化的基板405且不在N-区域410产生相关的电荷。然而，IR检测层425的增设可通过检测经由成像像素400的背面所接收的此IR光而改良成像像素400的红外线灵敏度。
在一项实施例中，IR检测层425包含光电二极管，该光电二极管是形成在氢化非晶硅(a-Si:H)层内。在一实例中，该a-Si:H层(例如，IR检测层425)的厚度是在大约200纳米至大约2微米的范围内。在另一实例中，该a-Si:H层的厚度是取决于a-Si:H的品质。如图4所示，IR检测层425被设置在成像像素400的正面上的金属堆迭420的上。然而，在其他实施例中，IR检测层425可被设置在金属堆迭420内，或者在金属堆迭420与层间介电质415之间。
成像像素400进一步包含导电层445及通孔455，它们是用于电耦合IR检测层425至N-区域410。以此方式，转移栅极440可用于转移累积在IR检测层425与N-区域410两者内的电荷至浮动节点(亦即，N+区域435)。在一项实施例中，导电层445及/或通孔455可在光学上对红外光为透明。例如，导电层445可为一氧化铟锡(「ITO」)层。在另一实例中，导电层445可为一氧化锡层。
亦包含在成像像素400中的是导电层450。导电层450是耦合至IR检测层425的正面以提供一电连接，用于耦合至金属堆迭420。例如，孔或通孔(未显示)可被形成在IR检测层425内，用于电耦合导电层450至金属堆迭420。在一项实施例中，导电层450对红外光为不透明。在此实施例中，从成像像素400的背面接收的不由IR检测层425吸收的红外光可被反射回到IR检测层425以增加成像像素400的效率。在另一实施例中，导电层450对红外光为透明。在一IR透明导电层450的实施例中，IR检测层425被配置成响应于从成像像素400的背面及正面两者所接收的IR光而产生并累积电荷。
在一项实施例中，N-区域410被配置成响应于可见光而累积电荷，同时IR检测层425被配置成响应于红外光而累积电荷。
图4B是根据本发明的一实施例的背面受光成像传感器的成像像素400B的横截面图。成像像素400B是图1所示的像素阵列105的至少一个像素的可能实施及亦是图3的像素电路300的至少一部分的可能实施。成像像素400B的所绘示的实施例包含半导体层(亦即，P型基板405)、层间介电质415、金属堆迭420、红外线检测层425、导电层445及450、及通孔455。形成于基板405内的是光电二极管(亦即，N-区域410及410B)、浅沟槽隔离(「STI」)413、转移栅极440及440B及一浮动扩散(亦即，N+区域435)。
成像像素400B进一步包含导电层445及通孔455，它们是用于电耦合IR检测层425至N-区域410。以此方式，转移栅极440可用于转移累积在IR检测层425中的电荷至浮动节点(亦即，N+区域435)。相似地，转移栅极440B可用于将累积在N-区域410B中的电荷转移至该浮动节点。
在一项实施例中，N-区域410B被配置成响应于可见光累积电荷，同时IR检测层425被配置成响应于红外光而累积电荷。
图5是根据本发明的一实施例的背面受光成像传感器的成像像素500的横截面图。成像像素500是图1所示的像素阵列105的至少一个像素的可能实施。成像像素500的该所绘示的实施例包含半导体层(亦即，基板405)、层间介电质415、金属堆迭420、红外线检测层425、导电层445及450、通孔455、彩色滤光片515及微透镜520。金属堆迭420被绘示为包含金属互连层M1及M2及金属介电层421及423。
在图5的所绘示的实施例中，光电二极管区域410被形成在半导体基板405内且被配置成接收来自背面409的光。光电二极管区域410被绘示为通过可选固定层505的方式的固定的光电二极管。在一项实施例中，光电二极管区域410可为非固定的光电二极管或部分固定的光电二极管。此外，光电二极管区域410可为诸如光闸或光电容器的任何光敏元件。而且，本文使用的术语像素意味着涵盖所有像素设计，包含CCD像素。
耦合至背面409的是：可选的彩色滤光片515，以实施彩色传感器；及微透镜520，以将光聚焦至光电二极管区域410上。耦合至正面407的是保护氧化物510及层间介电质415。在一项实施例中，层间介电质415是二氧化硅。亦包含在成像像素500中的是转移栅极440，该栅极经耦合以转移累积在光电二极管区域410与IR检测层中的电荷至浮动扩散FD。在一项实施例中，转移栅极440是多晶硅结构。
如图5所示，成像像素500包含金属堆迭420。金属堆迭420的所绘示的实施例包含两个金属层M1及M2，它们是通过金属间介电层421及423予以分离。虽然图5绘示两层金属堆迭，金属堆迭420可包含更多或更少金属层用于在基板405的正面407上发送信号。在一项实施例中，金属互连层M1及M2是诸如铝、铜或其他合金的金属。在一项实施例中，金属互连层M1及M2是通过溅射、准直溅射、低压溅射、反应溅射、电镀、化学气相沉积或蒸镀的方式而形成。在一项实施例中，转移栅极440及浮动扩散FD是通过保护氧化物510及层间介电质415的孔、通孔及其他连接构件(未显示)的方式予以电耦合至一或多个金属互连层M1及M2。
在操作中，包含红外光及可见光的光学信号是在微透镜520处接收的，该微透镜520是经由彩色滤光片515而将光学信号聚焦至背面409及经由基板405而由光电二极管区域410予以接收。如之前所提及，该红外光可继续通过成像像素500传播至IR检测层425。然后电子-空穴对响应于所接收的可见光及红外光而产生。这些电子然后被收集在光电二极管区域410及IR检测层425中，被转移至浮动扩散(FD)，且被转换为电信号，它们然后经由周边电路及金属堆迭420的一或多个金属层予以发送。
图6是根据本发明的一实施例的背面受光成像传感器的成像像素600的横截面图。成像像素600是图1所示的像素阵列105的至少一个像素的可能实施。该成像像素600的所绘示的实施例包含半导体层(亦即，基板405)、层间介电质415、金属堆迭420、红外线检测层425、导电层445及450、通孔455、彩色滤光片515及微透镜520。
如图6所示，红外线检测层425是设置在金属互连层M1与M2之间，用于可能不需要或不可能将该红外检测层425放置于金属堆迭420上方的情形。虽然图6将红外线检测层425绘示为在M1与M2层之间，但是红外线检测层425或者可设置在一金属堆迭420的任何层之间且亦可设置在金属堆迭420与层间介电质415之间。
以上对本发明的所绘示的实施例的描述包含在摘要中所描述的内容，其不旨在详尽性或将本发明限于所揭示的精确形式。虽然本发明的特定实施例及实例是出于阐释性目的而予以描述于本文中，但是如本领域技术人员将认知，在本发明的范围内，可作各种修改。
根据以上详细描述可对本发明作此等修改。在以下权利要求中使用的术语不应解释为将本发明限于揭示于说明书中的这些特定实施例。更确切言之，本发明的范围完全是通过以下权利要求予以决定，这些权利要求是根据权利要求诠释的建立的原则解释。
Claims (25)
1.一种背面受光成像传感器，具有正面及背面，其包括：
具有正表面及背表面的半导体层，所述半导体层的背表面对应于所述成像传感器的背面，该半导体层具有成像像素，该成像像素包含形成于该半导体层内的光电二极管区域；及
红外线检测层，其被设置在该半导体层的正面上以接收从该半导体层的背面通过该成像传感器而传播的红外光。
2.根据权利要求1的背面受光成像传感器，其中该红外线检测层是一氢化非晶硅(a-Si:H)层。
3.根据权利要求1的背面受光成像传感器，其进一步包括耦合至该红外线检测层的金属导电层。
4.根据权利要求3的背面受光成像传感器，其中该金属导电层被设置在该红外线检测层与该半导体层之间。
5.根据权利要求3的背面受光成像传感器，其中该红外线检测层被设置在该金属导电层与该半导体层之间。
6.根据权利要求1的背面受光成像传感器，其进一步包括一导电层，该导电层是耦合至该红外线检测层以使该红外线检测层电耦合至该光电二极管区域，其中该导电层至少对红外光是透明的。
7.根据权利要求6的背面受光成像传感器，其中该导电层是一氧化铟锡层。
8.根据权利要求6的背面受光成像传感器，其中该导电层是一氧化锡层。
9.根据权利要求6的背面受光成像传感器，其中该导电层是第一导电层，该成像传感器进一步包括第二导电层，该第二导电层被设置在与该第一导电层相对的该红外线检测层的正表面上，其中该第二导电层使该红外线检测层电耦合至该光电二极管区域。
10.根据权利要求9的背面受光成像传感器，其中所述红外线检测层的所述正表面对应于所述成像传感器的正面，该第二导电层对于从该成像传感器的正面接收到的红外光而言是透明的，其中该红外线检测层被配置成检测从该成像传感器的正面以及从该半导体层的背面接收到的红外光。
11.根据权利要求1的背面受光成像传感器，其中该成像像素进一步包含：
浮动扩散区域，其是形成在该半导体层内；及
转移栅极，其是耦合在该光电二极管区域与该浮动扩散之间；其中该转移栅极被配置成将该红外线检测层中所累积的电荷转移至该浮动扩散且进一步被配置成将该光电二极管区域中所累积的电荷转移至该浮动扩散。
12.根据权利要求1的背面受光成像传感器，其中该光电二极管区域是形成于该半导体层内的第一N+区域，该成像像素进一步包含：
第二N+区域，其是形成在该半导体层内；
浮动扩散区域，其是形成在该半导体层内；
第一转移栅极，其是耦合在该第一N+区域与该浮动扩散区域之间以将该红外线检测层中所累积的电荷转移至该浮动扩散；及
第二转移栅极，其是耦合在该第二N+区域与该浮动扩散之间以将该第二N+区域中所累积的电荷转移至该浮动扩散。
13.根据权利要求1的背面受光成像传感器，其中该成像像素是互补金属氧化物半导体(「CMOS」)背面受光成像像素。
14.根据权利要求1的背面受光成像传感器，其进一步包括：
微透镜，其被设置在该光电二极管区域下方的该半导体层的背面上，且经光学对准以经由该半导体层的背面将光聚焦到该光电二极管区域之上；及
彩色滤光片，其被设置在该微透镜与该光电二极管区域之间以过滤该光。
15.一种用于接收光学信号的方法，其包括：
在半导体层的背面接收光学信号，其中该光学信号包含红外光与可见光；
经由该半导体层将该光学信号传输至形成于该半导体层内的成像像素的光电二极管区域；
用该光电二极管区域响应于该可见光而产生电信号，其中该光学信号的红外光是经由该光电二极管区域传播至设置在该半导体层的正面上的红外线检测层；及
用该红外线检测层响应于该红外光而产生电信号。
16.根据权利要求15的方法，其中该红外线检测层是一氢化非晶硅(a-Si:H)层。
17.根据权利要求15的方法，其中该光学信号是第一光学信号，该方法进一步在该成像像素的正面处接收第二光学信号，其中该第二光学信号包含红外光，其中响应于该红外光产生电信号包含响应于该第一光学信号的红外光而产生第一电信号及响应于该第二光学信号的红外光而产生第二电信号。
18.一种成像传感器，具有正面及背面，其包括：
半导体层，其具有正表面及背表面，所述半导体层的背表面对应于所述成像传感器的背面，该半导体层具有成像像素的背面受光阵列，其中每个成像像素包含：
光电二极管区域，其是形成在该半导体层内；及
红外线检测层，其被设置在该半导体层的正面上以从该半导体层的背面接收经由该成像传感器而传播的红外光。
19.根据权利要求18的成像传感器，其中该红外线检测层是一氢化非晶硅(a-Si:H)层。
20.根据权利要求18的成像传感器，其进一步包括一导电层，该导电层是耦合至该红外线检测层以使该红外线检测层电耦合至该光电二极管区域，其中该导电层至少对该红外光是透明的。
21.根据权利要求20的成像传感器，其中该导电层是第一导电层，该成像传感器进一步包括第二导电层，该第二导电层被设置在与该第一导电层相对的该红外线检测层的正表面上，其中该第二导电层使该红外线检测层电耦合至该光电二极管区域。
22.根据权利要求21的成像传感器，其中所述红外线检测层的所述正表面对应于所述成像传感器的正面，该第二导电层对于从该成像传感器的正面接收到的红外线而言是透明的，其中该红外线检测层被配置成检测从该成像传感器的正面以及从该半导体层的背面接收到的红外光。
23.根据权利要求18的成像传感器，其中每个成像像素进一步包含：
浮动扩散区域，其是形成在该半导体层内；及
转移栅极，其是耦合在该光电二极管区域与该浮动扩散之间；其中该转移栅极被配置成将该红外线检测层中所累积的电荷转移至该浮动扩散且进一步被配置成将该光电二极管区域中所累积的电荷转移至该浮动扩散。
24.根据权利要求18的成像传感器，其中每个成像像素的光电二极管是形成于该半导体层内的第一N+区域，每个成像像素进一步包含：
第二N+区域，其是形成在该半导体层内；
浮动扩散区域，其是形成在该半导体层内；
第一转移栅极，其是耦合在该第一N+区域与该浮动扩散区域之间以将该红外线检测层中所累积的电荷转移至该浮动扩散；及
第二转移栅极，其是耦合在该第二N+区域与该浮动扩散之间以将该第二N+区域中所累积的电荷转移至该浮动扩散。
25.根据权利要求18的成像传感器，其中每个成像像素是互补金属氧化物半导体(「CMOS」)背面受光成像像素。
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