CN102629619A - 图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体技术领域，公开了一种图像传感器。本发明中，感光区域表面的介质层周围，采用具有不同折射率的介质材料ABAB...交替叠层作为侧墙反射层，构建光通路，将光限制在相应的像素感光区域，避免其入射到相邻的像素感光区域，可以减少串扰，提高感光区域的有效感光效率。侧墙反射层通过选择适当的介质材料和周期实现对不同范围入射光的反射，这样可以更好地将对应波段的入射光限制在光通路中，更大程度上防止串扰的发生，并提高入射光的传输效率和吸收效率。层间介质层自上而下介电常数递增，即折射率递增，可以更好地起到聚光作用，减少入射到侧墙反射层的光，进一步提高了入射光的吸收效率。

Description

图像传感器

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种带有光通路的图像传感器。

背景技术

众所周知，图像传感器是一种能将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器大体上可以分为电荷耦合元件(Charge-Coupled Device，简称“CCD”)和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，简称“CMOS”)图像传感器两类。

根据其读出方式，现有的CMOS图像传感器大致可以分为无源式像素传感器(Passive Pixel Sensor，简称“PPS”)、有源式像素传感器(ActivePixel Sensor，简称“APS”)和数字像素传感器(Digital Pixel Sensor，简称“DPS”)三种类型。

图1和图2分别为理想状况下和实际情况中图像传感器结构中的感光情况。

如图1所示，在图像传感器中，特别是在CMOS图像传感器中，由于将CMOS像素读出电路与感光器件集成在同一半导体衬底上，鉴于电路的金属互联需求，感光区域表面通常覆盖有一定厚度的介质层，并在介质层表面制备滤色器和微透镜，分别实现滤光和聚光，以使得特定范围内的光较为集中的入射到相应像素的感光区域。其中附图标记1、2和3表示的是半导体器件的金属互连层，金属互连层之间是层间介质层。

然而，在实际工作中，由于相对于需探测的外界环境而言，像素单元尺寸极小，微透镜聚光作用有限，大量光线进入层间介质层后，不仅会入射到对应像素的感光区域，还会进入相邻像素的感光区域，如图2所示，从而引起串扰，并降低感光区域的有效感光效率。

在现有技术中，曾有人提出，在感光区域上方的介质层周围，刻蚀形成空气孔，从而在感光区域上方形成类波导的光通路，将大部分入射光限制在该通路中传输，但该方法对光的限制有限，尤其是感光区域上方的介质层通常为低介电常数材料，折射率通常较低(一般为1.5左右)；此外，也有人曾提出，在感光区域上方的介质层周围，采用连续的金属层作为反射层，以防止入射光对相邻像素的影响，但金属对电磁波有一定的吸收作用，随着CMOS图像传感器尺寸的进一步缩小，对于某些极限波长的光，可以近似地视作电磁波，金属的吸收作用不可忽视。

发明内容

本发明的目的在于提供一种图像传感器，可以减少串扰，提高感光区域的有效感光效率。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种图像传感器，包括多个像素区域，每个像素区域中有一感光器件，每个感光器件表面上方的周围包围有侧墙反射层，构成用于将入射光导入该感光器件的通孔结构，该侧墙反射层包括第一介质材料和第二介质材料交替形成的周期性叠层结构，其中第一介质材料和第二介质材料的介电常数不同。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

感光区域表面的介质层周围，采用具有不同折射率的介质材料ABAB...交替叠层作为侧墙反射层，构建光通路，将光限制在相应的像素感光区域，避免其入射到相邻的像素感光区域，可以减少串扰，提高感光区域的有效感光效率。

进一步地，采用ABAB...交替叠层作为侧墙，可以通过选择适当的介质材料和周期实现对不同范围入射光的反射，使侧墙反射层具有高反射效率，甚至可对单一波长或特定波长范围内的光实现全反射，这样可以更好地将入射光限制在光通路中，更大程度上防止串扰的发生，并提高入射光的传输效率以及吸收效率。

进一步地，层间介质层的存在，可以使得特定范围内的光较为集中地入射到相应像素的感光区域。

进一步地，层间介质层自上而下介电常数递增，即折射率递增，可以更好地起到聚光作用，减少入射到侧墙反射层的光，进一步提高了入射光的吸收效率。

附图说明

图1是理想状况下图像传感器结构中的感光情况示意图；

图2是实际情况中图像传感器结构中的感光情况示意图；

图3是本发明第一实施方式中一种图像传感器的结构示意图；

图4是本发明第一实施方式中一种图像传感器的侧墙反射层的结构示意图；

图5是本发明第一实施方式中一种图像传感器的侧墙反射层的结构示意图；

图6是一种3T型结构的像素读出电路的结构示意图；

图7是一种4T型结构的像素读出电路的结构示意图；

图8是本发明第一实施方式中一种图像传感器的侧墙反射层的透射谱示意图；

图9是本发明第二实施方式中一种图像传感器的侧墙反射层的结构示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种图像传感器。图3是该图像传感器的结构示意图。

具体地说，如图3所示，该图像传感器包括多个像素区域，每个像素区域中有一感光器件，每个感光器件表面上方的周围包围有侧墙反射层，构成用于将入射光导入该感光器件的通孔结构，该侧墙反射层包括第一介质材料和第二介质材料交替形成的周期性叠层结构，其中第一介质材料和第二介质材料的介电常数不同。

在这里，表面上方指光入射的方向，周围指感光器件感光区域的四周，通孔结构为光通路。

在本实施方式中，感光器件为感光二极管。

此外，可以理解，在本发明的其它某些实施方式中，感光器件也可以是PN结感光二极管、PIN光电二极管等本征半导体结构或者光电门。

此外，在每个感光器件的表面上方覆盖有层间介质层，层间介质层为介电常数小于硅的介电常数的介质材料层。本实施方式中，感光器件表面上方的层间介质层与半导体器件金属互连的层间介质结构同步制备，或侧墙反射层制备完成后单独制备。

层间介质层的存在，可以使得入射光进入半导体结构表面后，更为集中地入射到相应像素的感光区域，直至到达感光器件表面。

层间介质层可以为一层或者多层。

当层间介质层为多层时，不同层间介质层的介电常数自上而下递增，且最底层层间介质层的介电常数小于硅。

该图像传感器中，层间介质层优选为低介电常数材料，常见介质材料为SiO₂、Si₃N₄、SiC、含C的SiO₂、TEOS或含F氧化硅玻璃等，各层间介质层的介质材料可以相同，也可以不同。

层间介质层自上而下介电常数递增，即折射率递增，根据光在不同介质间的传输原理可知，该结构可以更好地起到聚光作用，降低入射光在光通路传输过程中到达侧墙反射层发生反射/透射的概率，进一步提高了入射光的吸收效率。

在该图像传感器中，侧墙反射层结构为第一介质材料和第二介质材料交替形成的周期性叠层结构，第一和第二介质材料具有不同的介电常数，分别为K1和K2，即：第一和第二介质材料对应有不同的折射率n1和n2，各第一介质层厚度为d1，各第二介质层厚度为d2，d1和d2可以相等，也可以不等。该周期性叠层结构的周期大于等于2，优选的，周期大于等于4，更优的，周期等于10。叠层实现方法，可采用各种半导体化学沉积方法或原子层淀积(ALD)方法在侧壁镀膜，也可采用各种常规半导体沉积方法填充后，刻蚀中央区域以在侧壁形成薄膜。

在侧墙反射层中，第一介质材料的厚度d1和第二介质材料的厚度d2可以一直不变，也可以分别变化为d3和d4，也就是说，在侧墙反射层中，也可以包括2个或2个以上由第一介质材料和第二介质材料交替形成的周期性叠层结构，其中，不同的周期性叠层结构中的第一介质材料的厚度不等，不同的周期性叠层结构中的第二介质材料的厚度也不等。

图4为A和B两种介质周期性排列的侧墙反射层的结构示意图。其中，A表示第一介质材料，厚度为d1；B表示第二介质材料，厚度为d2。

图5为A和B两种介质分别周期性排列形成两个周期性叠层结构的侧墙反射层的结构示意图。其中，A表示第一介质材料，B表示第二介质材料；在第一个周期性叠层结构中，A的厚度为d1，B的厚度为d2；在第二个周期性叠层结构中，A的厚度为d3，B的厚度为d4。

采用ABAB...交替叠层作为侧墙反射层，可以通过选择适当的介质材料和周期实现对不同波长范围入射光的反射，使侧墙反射层具有高反射效率，甚至可对单一波长或特定波长范围内的入射光实现全反射，这样可以更好地将入射光限制在光通路中，更大程度上防止串扰的发生，并提高入射光的传输效率以及吸收效率。

感光区域表面的介质层周围，采用具有不同折射率的介质材料ABAB...交替叠层作为侧墙反射层，构建光通路，将光限制在相应的像素感光区域，避免其入射到相邻的像素感光区域，可以减少串扰，提高感光区域的有效感光效率。

本发明提供了一种带有光通路的图像传感器，将入射光限定在相应的像素感光区域，提高入射光的传输效率，防止入射光进入相邻像素感光区，从而减小串扰。该图像传感器包括：制备在半导体衬底上的感光器件和像素读出电路，半导体衬底为硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GOI衬底、SGOI衬底或sSOI衬底等。感光器件为感光二极管、本征半导体结构或光电门等；像素读出电路为3T、4T或5T结构等。

根据一个像素读出电路所包含的晶体管的数目，现有的CMOS图像传感器分为3T型结构和4T型结构，还可以有5T型结构。

如图6所示，一种现有3T型结构的CMOS图像传感器的像素读出电路的等效电路结构图，包括：一个光电二极管(Photo Diode，简称“PD”)10，用于在曝光时进行光电转换，将接收到的光信号转换成电信号，所述光电二极管10包括P型区和N型区，所述P型区接地。

一个复位晶体管M1，用于在曝光前对所述光电二极管10进行复位，复位由复位信号Reset信号进行控制。在图6中，所述复位晶体管M1选用一个N型金属-氧化物-半导体(N Metal-Oxide-Semiconductor，简称“NMOS”)管，所述复位晶体管M1的源极和所述光电二极管10的N型区相连，所述复位晶体管M1的源极同时也为一感应节点N1，又称为浮空扩散区(FloatingDiffusion，简称“FD”)；所述复位晶体管M1的漏极接电源Vdd，所述电源Vdd为一正电源。当所述复位信号Reset为高电平时，所述复位晶体管M1导通并将所述光电二极管10的N型区连接到电源Vdd，在所述电源Vdd的作用下，使所述光电二极管10反偏并会清除所述光电二极管10的全部累积的电荷，实现复位。所述复位晶体管M1也可以由多个NMOS管串联形成，或由多个NMOS管并联形成，也可以用PMOS管代替所述NMOS管。

一个放大晶体管M2，也为一源极跟随器，用于将所述光电二极管10产生的电信号进行放大。在图6中，所述放大晶体管M2选用一NMOS管，所述放大晶体管M2的栅极接所述光电二极管10的N型区，所述放大晶体管M2的漏极接所述电源Vdd，所述放大晶体管M2的源极为放大信号的输出端。

所述放大晶体管M2也可以由多个NMOS管串联形成或由多个NMOS管并联形成。

一个行选择晶体管M3，用于将所述放大晶体管M2的源极输出的放大信号输出。在图6中，所述行选择晶体管M3选用一NMOS管，所述行选择晶体管M3的栅极接行选择信号Rs，所述行选择晶体管M3的源极接所述放大晶体管M2的源极，所述行选择晶体管M3的漏极为输出端。

如图7所示，为一种现有4T型结构的GMOS图像传感器的像素读出电路的等效电路结构图。相比于3T型结构，现有4T型结构的GMOS图像传感器的像素读出电路结构图增加了一个转移晶体管M4，所述转移晶体管M4用于将所述光电二极管10产生的电信号输入到所述感应节点N1。在图7中，所述转移晶体管M4选用一NMOS管，所述转移晶体管M4的栅极接转移信号TX，所述转移晶体管M4的源极接所述光电二极管10的N型区，所述转移晶体管M4的漏极接所述复位晶体管M1的源极即所述感应节点N1。

所述感光器件及像素读出电路表面具有金属互连及层间介质层，层间介质层为一层或多层。

根据光学传输矩阵法，对于TE波，单层介质的特征矩阵为：

$M_i=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(k_0\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}\right)& -\frac{i}{\mathrm{\η}}\sin \left(k_0\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}\right)\\ -\mathrm{i\η}\sin \left(k_0\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}\right)& \cos \left(k_0\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]$

其中，k₀为真空中的波数，d为介质的厚度，

ε为介电常数，μ为磁导率，n为介质的折射率，θ为入射方向和介质表面形成的夹角。

多层介质的特征矩阵为：

$M=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{M}_i=\left[\begin{array}{cc}{T}_{11}& T_{12}\\ T_{21}& T_{22}\end{array}\right],$ 透射率 $T={\left|t\right|}^2={\left|\frac{{2\mathrm{\η}}_0}{T_{11}{\mathrm{\η}}_0+T_{12}{\mathrm{\η}}_0{\mathrm{\η}}_{N+1}+T_{21}+T_{22}{\mathrm{\η}}_{N+1}}\right|}^2,$ η₀、η_N+1为叠层结构上下两侧介质的有效光学导纳。由此可以得到，选定介质材料、确定厚度及周期等参数的反射结构的透射谱，从而对特定波长范围的入射光起到较高效率的反射甚至全反射作用。

作为一个优选的实施例，第一介质材料为Ag，第二介质材料为MgF₂，n1＝0.18，d1＝10nm，n2＝1.378，d2＝110nm，周期T＝4(即：叠层结构包括交替的4层Ag层和4层MgF₂层)，此时，蓝光、红光透过率较低(低于20％)，因此，对于吸收该波长范围入射光的图像传感器而言，叠层侧墙反射层结构的引入，可将入射光限制在感光结构上方区域内进行传播，在避免串扰的同时，提高了光传输效率。

作为又一优选的实施例，第一介质材料为TiO₂，n1＝2.33，第二介质材料为SiO₂，n2＝1.45，d1＝50n m，d2＝120nm，T＝8，此时，绿光透过率几乎为0。其透射谱如图8所示，此时，在感光结构上方的光导层中可实现对绿光的全反射，将吸收波长范围内的入射光全部限制在光通路中，大大提高了光传输效率。

作为又一优选的实施例，第一介质材料为SiO₂、Si₃N4、SiC、含C的SiO₂、TEOS或含F氧化硅玻璃中的任意一种，第二介质材料为空气，即在感光区域表面的介质层周围，周期性地刻蚀形成空气孔。此时，层间介质层可以为单层，也可以为多层，多层时，各层间介质层的介质材料可以相同，也可以不同，更优的，层间介质层为多层，其介电常数自上而下递增，且最底层层间介质层介电常数小于Si。

基于现有技术可知，在半导体中引入无序会使带边的电子态发生局域化，导致有效带隙增宽，同样的原理亦适用于光学。在周期性多层结构中引入无序，任何频率范围的光由于相干背反射都可以被局域，而不论其入射角度以及其是否处于带隙中。当在周期性多层结构中引入无序时，由于布拉格反射效应和引入无序而造成的光局域，可能使得离散的狭窄禁带扩展成连续的禁带。通过合理地调节结构的几何参数和无序度，可以在很宽的波长范围内发生高反射，从而实现光学宽波带高反射。此外，组成该反射结构的两种介质材料折射率相差越大，所产生的禁带宽度越大，根据不同波段入射光的反射需求，调整介质材料选择及相应厚度、周期参数即可。

本发明第二实施方式涉及一种图像传感器。

第二实施方式在第一实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：侧墙反射层还包括第三介质材料和第四介质材料交替形成的周期性叠层结构，其中第三介质材料和第四介质材料的介电常数不同。

图9为A、B和C、D四种介质周期性排列的侧墙反射层的结构示意图。

如图9所示，A表示第一介质材料，厚度为d1，B表示第二介质材料，厚度为d2，C表示第三介质材料，厚度为d3，D表示第四介质材料，厚度为d4。

此外，可以理解，在本发明的其它某些实施方式中，侧墙反射层还可以包括第五介质材料和第六介质材料，第七介质材料和第八介质材料......交替形成的周期性叠层结构。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括多个像素区域，每个像素区域中有一感光器件，每个感光器件表面上方的周围包围有侧墙反射层，构成用于将入射光导入该感光器件的通孔结构，该侧墙反射层包括第一介质材料和第二介质材料交替形成的周期性叠层结构，其中第一介质材料和第二介质材料的介电常数不同。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述周期性叠层结构的周期大于等于4。

3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，每个感光器件的表面上方覆盖有层间介质层。

4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，所述层间介质层为介电常数小于硅的介电常数的介质材料层。

5.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述层间介质层为一层。

6.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述层间介质层为多层，自上而下不同层间介质层的介电常数递增，且最底层层间介质层的介电常数小于硅。

7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述感光器件为感光二极管。

8.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述侧墙反射层中第一介质材料和第二介质材料厚度相等。

9.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述侧墙反射层中第一介质材料和第二介质材料厚度不等。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述侧墙反射层还包括第三介质材料和第四介质材料交替形成的周期性叠层结构，其中第三介质材料和第四介质材料的介电常数不同。

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