CN102693995B - 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，在图像传感器结构上直接制备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的滤色结构，可以简化工艺，提高成品率，而且具有较高的滤色效率。采用ABAB...叠层作为滤色结构，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滤色，使滤色结构具有较高的滤色效率，并提高入射光的传输效率以及吸收效率。将滤色结构置于层间介质层中，在提供滤色的同时，进一步缩短了曝光过程中入射光在介质层中传播的光程，提高了曝光效率，使图像传感器具有更高的灵敏度。

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。不论是哪一种类型的图像传感器，都需要在感光器件上方加滤色器（color filter），以达到区分不同颜色光线的目的。

现有技术中，是利用不同颜色的树脂制作滤色器，在硅片制备完成后，再在每个独立的芯片上添加。

图1是现有技术中图像传感器的滤色器分布平面图；图2是现有技术中图像传感器的滤色器截面图。具体地说，如图1和图2所示，现有图像传感器包括：半导体衬底、位于半导体衬底上的图像传感器电路和感光元件、用于连接感光元件的金属互连层、位于金属互连层之间的绝缘介质层以及用于电路保护和绝缘的钝化层，在钝化层上设置有滤色器。图2中附图标记21和22表示的就是金属互连层，绝缘介质层及钝化层即为该结构的层间介质层。

然而，现有技术中，由于需要将滤色器和半导体衬底上的感光元件对准和连接，且树脂滤色器与CMOS工艺并不兼容，大大增加了芯片封装的复杂程度，此外，采用不同颜色的树脂作为滤色器，其滤色效率取决于树脂材料本身，可控性较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种图像传感器，可以简化工艺，提高成品率，而且具有较高的滤色效率。

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，像素区域包括感光结构，在感光结构的垂直上方设置有滤色结构，该滤色结构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：

在图像传感器结构上直接制备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的滤色结构，可以简化工艺，提高成品率，而且具有较高的滤色效率。

进一步地，采用ABAB...叠层作为滤色结构，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滤色，使滤色结构具有较高的滤色效率，并提高入射光的传输效率以及吸收效率。

进一步地，滤色结构的表面积大于等于感光结构的表面积，可以更好地实现对入射光的滤色，提高滤色效率。

进一步地，多个周期性叠层结构的滤色结构，进一步增大了禁带宽度，更容易实现特定波长或波段入射光的需求。

进一步地，可以根据设计要求调整材料或结构参数，以满足滤色要求，适应性强。

进一步地，将滤色结构置于层间介质层中，在提供滤色的同时，进一步缩短了曝光过程中入射光在介质层中传播的光程，提高了曝光效率，使图像传感器具有更高的灵敏度。

附图说明

图1是现有技术中图像传感器的滤色器分布平面图；

图2是是现有技术中图像传感器的滤色器截面图；

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滤色结构的结构示意图；

图5是一种3T型结构的像素读出电路的结构示意图；

图6是一种4T型结构的像素读出电路的结构示意图；

图7是本发明第一实施方式中一种图像传感器的滤色结构的透射谱示意图；

图8是本发明第二实施方式中一种图像传感器的滤色结构的结构示意图；

图9是本发明第三实施方式中一种图像传感器的滤色结构的结构示意图；

图10是本发明第四实施方式中一种图像传感器的结构示意图。

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，像素区域包括感光结构，在感光结构的垂直上方设置有滤色结构31，该滤色结构31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。

周期性叠层结构的周期大于等于4。

周期性叠层结构，则周期大于等于2，优选的，周期大于等于4，更优的，周期等于10。

在滤色结构31中，第一介质材料和第二介质材料的厚度可以相等，也可以不等。

滤色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、第二介质材料具有不同的折射率，分别为n1、n2，各第一介质层厚度均为d1，各第二介质层厚度均为d2，d1、d2可以相等，也可以不等。该周期性叠层结构周期N≥2，优选的，N≥4，更优的，N=10。

图4是一种图像传感器的滤色结构的结构示意图。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。

采用ABAB...叠层作为滤色结构，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过滤，使滤色结构具有较高的滤色效率，并提高入射光的传输效率以及吸收效率。

滤色结构31的表面积大于等于感光结构的表面积。

滤色结构的表面积大于等于感光结构的表面积，可以更好地实现对入射光的滤色，提高滤色效率。

感光结构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。在本实施方式中，感光结构为光电二极管，例如可以是PN结感光二极管、PIN本征半导体二极管或金属-半导体接触光电二极管等。在本发明的其它某些实施方式中，感光结构也可以为光电门。光电门，又称光门（photogate）。

每个像素区域中，在感光结构的上方，还包括用于连接感光结构的金属互连层33，金属互连层之间是层间介质层32。

层间介质层32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。

如图3中所示，层间介质层32位于感光结构和滤色结构31之间。

在图像传感器结构上直接制备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的滤色结构，可以简化工艺，提高成品率，而且具有较高的滤色效率。

此外，该图像传感器中还包括半导体衬底34和形成于半导体衬底表面的像素读出电路。

半导体衬底34可以为硅、锗、锗硅、应变硅或者带有绝缘埋层的硅、锗、锗硅、应变硅中的任意一种。

像素读出电路可以为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。

图5是一种现有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5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5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5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。

图6是一种现有4T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。相比于3T型结构，现有4T型结构的CMOS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6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。

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、介质厚度及周期等参数的滤色结构的透射谱，从而对入射光起到滤色效果。

作为一个优选的实施例，第一介质材料A为Ag，第二介质材料B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Mg F₂层），此时，绿光透过率可达70％以上，蓝光、红光透过率较低（低于20％）。

作为又一优选的实施例，第一介质材料A为TiO₂，n1＝2.33，第二介质材料B为SiO₂，n2=1.45，d1=50nm，d2=120nm，周期T=8，此时，蓝光透过率可达到90％以上，绿光、红光透过率几乎为0。其透射谱如图7所示。

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，达到滤色效果。此外，组成该滤色结构的两种介质材料折射率差越大，所产生的禁带宽度越大，根据不同的滤色需求，调整介质材料选择及相应厚度、周期等参数即可。

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：

在滤色结构中包括至少2个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，第一介质材料和第二介质材料中，至少有一介质材料在不同周期性叠层结构中的厚度不等。

图8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滤色结构的结构示意图。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。

当然，在本发明的其它某些实施方式中，可以是，在不同的周期性叠层结构中，第一介质材料的厚度均相等，第二介质材料的厚度也均相等，这样就同图4所示的滤色结构一样了。也可以是，在不同的周期性叠层结构中，第一介质材料的厚度不等，第二介质材料的厚度均相等。也可以是，在不同的周期性叠层结构中，第一介质材料的厚度不等，第二介质材料的厚度也不等，等等。

多个周期性叠层结构的滤色结构，进一步增大了禁带宽度，更容易实现特定波长或波段入射光的需求。

本发明第三实施方式涉及一种图像传感器。

第三实施方式在第二实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：

在滤色结构中，还包括第三介质材料C和第四介质材料D交替形成的周期性叠层结构，其中，第三介质材料C和第四介质材料D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滤色结构的结构示意图。

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，滤色结构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。

可以根据设计要求调整材料或结构参数，以满足滤色要求，适应性强。

本发明第四实施方式涉及一种图像传感器。图10是该图像传感器的结构示意图。

第四实施方式在第三实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：

滤色结构31位于层间介质层32中。

滤色结构31可以直接覆盖在感光结构表面上方，也可以间隔一层或多层层间介质层覆盖在感光结构表面上方。

将滤色结构置于层间介质层中，在提供滤色的同时，进一步缩短了曝光过程中入射光在介质层中传播的光程，提高了曝光效率，使图像传感器具有更高的灵敏度。

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 (8)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括多个像素区域，所述像素区域包括感光结构，在所述感光结构的垂直上方设置有滤色结构，该滤色结构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，第一介质材料和第二介质材料的厚度不等，该叠层结构的特征矩阵为 $M=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{M}_i=\left[\begin{array}{cc}{T}_{11}& T_{12}\\ T_{21}& T_{22}\end{array}\right],$ 其透射率为其中，M_i为该周期性叠层结构中单层介质的特征矩阵，且 $M_i=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(k_0\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}\right)& -\frac{i}{\mathrm{\η}}\sin \left(k_0\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}\right)\\ -\mathrm{i\η}\sin \left(k_0\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}\right)& \cos \left(k_0\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}\right)\end{array}\right],$ 上述表达式中：k₀为真空中的波数，d为介质材料的厚度，ε为介电常数，μ为磁导率，n为介质材料的折射率，θ为入射方向和介质表面形成的夹角，T为光的透射率，η₀、η_N+1为叠层结构上下两侧介质的有效光学导纳。

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，所述滤色结构的表面积大于等于所述感光结构的表面积。

4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一介质材料为Ag，厚度为10nm；所述第二介质材料为MgF₂，厚度为110nm，周期为4。

5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一介质材料为TiO₂，厚度为50nm；所述第二介质材料为SiO₂，厚度为120nm，周期为8。

6.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述滤色结构直接或者间隔一层或多层层间介质层覆盖在感光结构表面上方。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的图像传感器，其特征在于，在所述滤色结构中包括至少2个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，第一介质材料和第二介质材料中，至少有一介质材料在不同周期性叠层结构中的厚度不等。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的图像传感器，其特征在于，在所述滤色结构中，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。