CN103765590A - 固态图像传感器 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器包括：第一像素，具有第一滤色器、反射来自第一滤色器的光的第一反射区域、以及第一光电转换部分，第一光电转换部分布置在半导体层中，并且位于第一滤色器与第一反射区域之间；以及第二像素，包括第二滤色器、反射来自第二滤色器的光的第二反射区域、以及第二光电转换部分，第二光电转换部分布置在半导体层中，并且位于第二滤色器与第二反射区域之间。与第一滤色器的最大透射率相应的波长比与第二滤色器的最大透射率相应的波长短。第一反射区域的面积小于第二反射区域的面积。
Description
技术领域
本发明涉及一种固态图像传感器。
背景技术
美国专利No.7,755,123描述了一种背照式成像装置，在该背照式成像装置中，缩小基板的厚度以使得光电传感器可以容易地检测入射在背面上的光。附于本说明书的图7举证了美国专利No.7,755,123的图1C中所描述的背照式成像装置。美国专利No.7,755,123中所描述的成像装置包括辐射反射器128，辐射反射器128使入射在半导体装置基板104或104d1至104d3的背面上并透射通过该背面的光子朝向形成在该半导体装置基板中的光电传感器反射。
当在例如红色像素、绿色像素和蓝色像素中分别包括辐射反射器时，倾斜入射在绿色像素的滤色器上并且透射通过该滤色器的一些光线可能被蓝色像素的辐射反射器反射，并且可能入射在蓝色像素的光电传感器上。在这种情况下，在绿色像素与蓝色像素之间可能发生颜色混合。同样地，在绿色像素与蓝色像素之间可能发生颜色混合。
发明内容
本发明提供一种有利于改进图像质量的技术。
本发明的各方面之一提供一种包括半导体层的固态图像传感器，该传感器包括：第一类型的像素，包括第一滤色器、反射透射通过第一滤色器的光的第一反射区域、以及布置在半导体层中的第一光电转换部分，第一光电转换部分位于第一滤色器与第一反射区域之间；以及第二类型的像素，包括第二滤色器、反射透射通过第二滤色器的光的第二反射区域、以及布置在半导体层中的第二光电转换部分，第二光电转换部分位于第二滤色器与第二反射区域之间，其中，与第一滤色器的最大透射率相应的波长比与第二滤色器的最大透射率相应的波长短，并且第一反射区域的面积小于第二反射区域的面积。
从以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得清楚。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的固态图像传感器的布置的视图；
图2是示出根据第一实施例的固态图像传感器的布置的视图；
图3是示出根据第一实施例的固态图像传感器的功能的视图；
图4是示出根据第一实施例的固态图像传感器的功能的视图；
图5A和5B是示出第一实施例的修改形式的布置的视图；
图6是示出根据第二实施例的固态图像传感器的布置的视图；和
图7是用于解释美国专利No.7,755,123中所描述的固态成像装置的视图。
具体实施方式
以下将参照图1至4以及图5A和5B来描述根据本发明的第一实施例的固态图像传感器100。图1、3和4是固态图像传感器100沿着垂直于其图像感测表面的平面截取的截面图，为了简单起见，仅示出了两个像素。要注意的是，图像感测表面是其上布置通过排列多个像素而形成的像素阵列的表面。图2是固态图像传感器100沿着图1中的作为平行于其图像感测表面的平面的A-A'平面截取的截面图。固态图像传感器100可以被配置为例如MOS图像传感器或CCD图像传感器。
固态图像传感器100包括具有第一面120和第二面121的半导体层101。半导体层101可以由例如硅基板构成。固态图像传感器100还包括布线结构WS和滤色器层107，布线结构WS布置在半导体层101的第一面120的一侧，滤色器层107布置在半导体层101的第二面121的一侧。滤色器层107可以包括第一滤色器107a、第二滤色器107b和第三滤色器107c（未示出）。第一滤色器107a、第二滤色器107b和第三滤波器107c的布置可以采用例如Bayer矩阵。与第一滤色器107a的最大透射率相应的波长比与第二滤色器107b的最大透射率相应的波长短。与第一滤色器107a的最大透射率相应的波长比与第三滤色器107c的最大透射率相应的波长短。通常，滤色器的透射率的最大值可以在380nm至810nm的可见光波长范围内决定。
将在第一滤色器107a透射蓝色（B）波长范围的光、第二滤色器107b透射绿色（G）波长范围内的光、第三滤色器107c透射红色（R）波长范围内的光的假设下给出以下描述。然而，还可以在其中第一滤色器107a透射蓝色（B）波长范围的光、第二滤色器107b透射红色（R）波长范围内的光、第三滤色器107c透射绿色（G）波长范围内的光的布置中实现本发明。
固态图像传感器100还可以包括排列在滤色器层107上的多个微透镜108。固态图像传感器100还可以具有在半导体层101的第二面121与滤色器层107之间的平坦化层106。平坦化层106可以用作例如滤色器层107的基底（underlying）膜。在图像感测定时，光经由微透镜108入射在光电转换部分102上。在这种情况下，每个微透镜108布置在半导体层101的第二面121一侧，布线结构WS布置在半导体层101的第一面120一侧。以这种方式，从与其上布置布线结构的第一面一侧相对的第二面一侧接收光的固态图像传感器可以被称为背照式固态图像传感器。
多个光电转换部分102形成在半导体层101中。半导体层101和每个光电转换部分102由相反传导类型的杂质半导体区域形成，并且它们形成p-n结（光电二极管）。光电转换部分102是其中极性与将被作为信号读出的电荷的极性相同的载流子是主要载流子的区域。在半导体层101中，可以形成使相邻的光电转换部分102彼此隔离的元件隔离部分103。元件隔离部分103可以包括传导类型与光电转换部分102的传导类型相反的杂质半导体区域和/或绝缘体。在这种情况下，绝缘体可以是LOCOS隔离、STI隔离等。
固态图像传感器100还包括形成在半导体层101的第一面120上的多个晶体管Tr，以便读出光电转换部分102或者102a、102b和102c的信号。每个晶体管Tr包括由例如多晶硅构成的栅极电极104。在图1、3和4中，没有示出形成晶体管Tr的源极、漏极、栅极氧化物膜等。当固态图像传感器100被配置为MOS图像传感器时，多个晶体管Tr可以包括例如将累积在光电转换部分102上的电荷转移到浮置扩散（未示出）所需的转移晶体管。
布线结构WS包括堆叠布线部分109和层间绝缘膜105。堆叠布线部分109可以包括例如第一布线层110、第二布线层111和第三布线层112。层间绝缘膜105可以由例如硅氧化物膜形成。在本实施例中，第一布线层110形成反射区域，该反射区域反射透射通过滤色器107a、107b和107c、入射在光电转换部分102上并透射通过光电转换部分102的光线。如图2中所例示的，第一布线层110可以包括第一反射区域110a、第二反射区域110b和第三反射区域110c。
作为堆叠布线部分109的第一布线层110、第二布线层111和第三布线层112可以含有作为主成分的例如铝、铜、金、钨、钛和钽中的一种。可替换地，第一反射区域110a、第二反射区域110b和第三反射区域110c可以由含有作为主成分的例如铝、铜、金、钨、钛和钽中的一种的构件形成。
固态图像传感器100包括通过排列多个像素而构成的像素阵列。多个像素至少包括第一类型的像素和第二类型的像素，并且通常包括第一类型的像素、第二类型的像素和第三类型的像素。在一个例子中，第一类型的像素可以包括第一滤色器107a、第一光电转换部分102a和第一反射区域110a。第一反射区域110a使透射通过第一滤色器107a、入射在第一光电转换部分102a上并透射通过第一光电转换部分102a的光线朝向第一光电转换部分102a反射。第二类型的像素可以包括第二滤色器107b、第二光电转换部分102b和第二反射区域110b。第二反射区域110b使透射通过第二滤色器107b、入射在第二光电转换部分102b上并透射通过第二光电转换部分102b的光线朝向第二光电转换部分102b反射。第三类型的像素可以包括第三滤色器107c、第三光电转换部分102c和第三反射区域110c。第三反射区域110c使透射通过第三滤色器107c、入射在第三光电转换部分102c上并透射通过第三光电转换部分102c的光线朝向第三光电转换部分102c反射。第一反射区域110a的面积小于第二反射区域110b的面积。此外，第一反射区域110a的面积小于第三反射区域110c的面积。
以下将在半导体层101的厚度为3μm的假设下描述半导体层101对光的吸收以及当反射区域110a、110b和110c被布置时所获得的效果，以便提供实际的例子。第二面121与第一面120之间的半导体区域对入射在第二面121上的光的吸收的比率（与入射在第二面121上的光的比率）根据光的波长而不同。以下将检查光垂直入射在第二面121上的情况。在这种情况下，直到通过第二面121的光到达第一面120为止，透射通过绿色滤色器107b的550nm的波长的光线的大约87.2%被吸收，并且透射通过红色滤色器107c的620nm的波长的光线的大约70.3%被吸收。此时，如图3所示，没有被吸收的光线114被包括反射区域110a、110b和110c的第一布线层110反射，返回到光电转换部分102，并且被光电转换部分102吸收。因此，通过布置反射区域110a、110b和110c，可以改进灵敏度。
另一方面，透射通过蓝色滤色器107a的450nm的波长的光线113在它们从第二面121起行进之后在它们到达第一面120之前有99.9%被吸收。也就是说，450nm的波长的光线113在它们到达第一面120之前大部分被光电转换部分102光电转换。由于这个原因，如果布置在蓝色像素（第一类型的像素）的第一面120一侧的反射区域110a的面积小于布置在绿色像素和红色像素的第一面120一侧的反射区域110b和110c的面积，则反射区域110a对灵敏度几乎没有影响。相反，如图4所示，绿色区域和红色区域的透射通过周围像素的光电转换部分102的光线114可以入射在蓝色像素（第一类型的像素）中所包括的第一反射区域110a上。这样的光线114可以被蓝色像素（第一类型的像素）中所包括的第一反射区域110a反射，并且可以入射在蓝色像素的第一光电转换部分102a上。因此，因为其他颜色的像素的信号混合在蓝色像素的信号中，所以颜色混合发生。
因此，因为蓝色像素（第一类型的像素）的第一反射区域110a的面积被设置为小于第二反射区域110b和第三反射区域110c的面积，所以可以实现灵敏度的改进和颜色混合的减少。在这种情况下，通过仅将蓝色像素（第一类型的像素）的第一反射区域110a的面积设置为小于第二反射区域110b和第三反射区域110c之一的面积，可以获得灵敏度改进和颜色混合减少的效果。
在第一实施例中，因为反射区域110a、110b和110c由布线层110形成，所以无需添加另一层，从而抑制制造处理复杂化。在第一实施例中，反射区域110a、110b和110c由多个布线层110、111和112中最靠近半导体层101的第一面120的布线层形成。因此，可以缩短反射区域110a、110b和110c与光电转换部分102之间的距离，并且可以减少杂散光。结果，可以改进灵敏度，并且可以减少颜色混合。
在第一实施例中，反射区域110a、110b和110c由多个布线层110、111和112中最靠近的半导体层101的第一面120的布线层形成。然而，反射区域110a、110b和110c可以由另一布线层111或112形成，或者可以由多个布线层110、111和112中的两个或更多个形成。反射区域的面积可以被评估为当用作反射区域的部分投影到第一面120上时投影到第一面120上的部分的面积。图5A和5B举例说明这样的情况，在该情况中，反射区域110a、110b和110c由第一布线层110形成，反射区域111a、111b和111c由第二布线层111形成，反射区域112a、112b和112c由第三布线层112形成。图5B示出用作反射区域并投影到第一面120上的部分。第一类型的像素包括第一反射区域110a、111a和112a，第二类型的像素包括第二反射区域110b、111b和112b，第三类型的像素包括第三反射区域110c、111c和112c。就这种布置而言，因为可以缩小用于形成反射区域110a、110b和110c的第一布线层110的面积，所以第一布线层110与半导体层101之间的寄生电容可以较小，从而减小噪声分量。
在以上实际例子中，半导体层101的厚度为3μm。然而，半导体层101的厚度可以是例如2μm或更大。当半导体层101的厚度为2μm或更大时，透射通过蓝色滤色器107a的450nm的波长的光线在它们从第二面121起行进之后在它们到达第一面120之前有99.0%或更多被吸收。因此，透射通过蓝色滤波器107a的450nm的波长的这些光线在它们达到第一面120之前大部分被光电转换部分102光电转换。由于这个原因，如果形成在蓝色像素（第一类型的像素）的第一面120一侧的反射区域110a的面积小于形成在绿色像素和红色像素的第一面120一侧的反射区域110b和110c的面积，则反射区域110a对灵敏度几乎没有影响。
反射区域110a、110b和110c可以具有凹面形状，以便使光会聚在相应的光电转换部分102上。
通过将微透镜108的焦点位置设置在第一面120与反射区域110a、110b和110c之间，可以抑制被反射区域110a、110b和110c反射的光线的扩展。因此，可以提高被反射区域110a、110b和110c反射到光电转换部分102的光的返回比率，从而改进灵敏度。
以下将参照图6来描述根据本发明的第二实施例的固态图像传感器200。在本实施例中没有提及的项目可以遵循第一实施例。在第二实施例的固态图像传感器200中，反射区域210a、210b和210c布置在不同于堆叠布线部分109的位置处。要注意的是，如前述反射区域110a、110b和110c中那样，反射区域210a、210b和210c使透射通过滤色器107、入射在光电转换部分102上并透射通过光电转换部分102的光线朝向光电转换部分102反射。第一反射区域210a包括在具有第一滤色器107a的第一类型的像素中。第二反射区域210b包括在具有第二滤色器107b的第二类型的像素中。第三反射区域210c包括在具有第三滤色器107c的第三类型的像素中。当具有反射区域210a、210b和210c的构件由诸如金属的导电材料制成时，该构件可以被施加固定电势，或者可以维持处于浮置状态。
反射区域210a、210b和210c可以由含有作为主成分的铝、铜、金、钨、钛和钽中的一种的构件形成。可替换地，反射区域210a、210b和210c可以由电介质多层膜形成。第一反射区域210a的面积小于第二反射区域210b的面积。此外，第一反射区域210a的面积小于第三反射区域210c的面积。
在第二实施例中，因为反射区域210a、210b和210c布置在不同于堆叠布线部分109的位置处，所以必须添加用于形成反射区域210a、210b和210c的处理。然而，与使用为了布线的目的而形成的堆叠布线部分109也作为反射区域的构造相比，反射区域210a、210b和210c的布置的自由度高，并且反射区域210a、210b和210c可以布置在更靠近第一面120的位置处。因此，可以减少杂散光。结果，可以改进灵敏度，并且可以减少颜色混合。此外，与使用为了布线的目的而形成的堆叠布线部分109也作为反射区域的构造相比，因为反射区域210a、210b和210c在选择形成它们所需的材料时具有更高的自由度，所以可以使用反射率高于铝和铜的材料。因此，可以改进灵敏度。另外，与使用为了布线的目的而形成的堆叠布线部分109也作为反射区域的构造相比，反射区域210a、210b和210c在形状上具有更高的自由度。例如，可以采用用于使光会聚在光电转换部分上的凹面形状。因此，可以改进灵敏度。
在第二实施例中，所有的第一类型、第二类型和第三类型的像素都具有由不同于堆叠布线部分109的构件形成的反射区域。然而，在本发明中，第一类型、第二类型和第三类型的像素中的一些可以具有由不同于堆叠布线部分109的构件形成的反射区域，而其余像素可以具有由堆叠布线部分109形成的反射区域。例如，蓝色像素和绿色像素的反射区域可以由第一布线层110形成，红色像素的反射区域可以布置在第一面120与第一布线层110之间的位置处。这种布置有利于将红色像素的反射区域的反射率设置得高于蓝色像素和绿色像素的反射区域的反射率并且改进红色像素的灵敏度。可替换地，蓝色像素的反射区域可以由第一布线层110形成，绿色像素和红色像素的反射区域可以布置在第一面120与第一布线层110之间的位置处。这种布置有利于将绿色像素和红色像素的反射区域的反射率设置得高于蓝色像素的反射区域的反射率并且改进绿色像素和红色像素的灵敏度。
反射区域210a、210b和210c的形成位置不限于半导体层101和堆叠布线部分109之间的那些位置。例如，反射区域210a、210b和210c可以形成在堆叠布线部分109中的布线层110、111和112之间。反射区域210a、210b和210c可以布置在根据第一类型、第二类型和第三类型的像素的位置处（也就是说，布置在根据将被反射的光线的波长范围的位置处）。因此，可以单个地改进第一类型、第二类型和第三类型的像素的灵敏度。
尽管已经参照示例性实施例描述了本发明，但是要理解本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应遵循最宽泛的解释，以便包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。
本申请要求于2011年9月1日提交的日本专利申请No.2011-191072的权益，该专利申请的全部内容特此通过引用并入本文。
Claims (9)
1.一种包括半导体层的固态图像传感器，所述传感器包括：
第一类型的像素，所述第一类型的像素包括第一滤色器、反射透射通过第一滤色器的光的第一反射区域、以及布置在所述半导体层中的第一光电转换部分，所述第一光电转换部分位于第一滤色器与第一反射区域之间；以及
第二类型的像素，所述第二类型的像素包括第二滤色器、反射透射通过第二滤色器的光的第二反射区域、以及布置在所述半导体层中的第二光电转换部分，所述第二光电转换部分位于第二滤色器与第二反射区域之间，
其中，与第一滤色器的最大透射率相应的波长比与第二滤色器的最大透射率相应的波长短，并且第一反射区域的面积小于第二反射区域的面积。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述半导体层包括第一面和第二面，
所述第一滤色器和所述第二滤色器布置在第二面一侧，
所述第一类型的像素还包括形成在所述半导体层的第一面上以便读出第一光电转换部分的信号的晶体管，以及
所述第二类型的像素还包括形成在所述半导体层的第一面上以便读出第二光电转换部分的信号的晶体管。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述半导体层包括第一面和第二面，
所述第一滤色器和所述第二滤色器布置在第二面一侧，以及
所述第一反射区域和所述第二反射区域中的至少一个由布置在第一面一侧的布线层形成。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述半导体层包括第一面和第二面，
所述第一滤色器和所述第二滤色器布置在第二面一侧，
包括多个布线层的布线结构布置在第一面一侧，以及
所述第一反射区域和所述第二反射区域由所述多个布线层中最靠近第一面的布线层形成。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述半导体层包括第一面和第二面，
所述第一滤色器和所述第二滤色器布置在第二面一侧，
所述第一反射区域和所述第二反射区域中的至少一个由布置在第一面一侧的构件形成，以及
所述构件被施加固定电势或者维持处于浮置状态。
6.根据权利要求1所述的传感器，还包括：
第三类型的像素，所述第三类型的像素包括第三滤色器、反射透射通过第三滤色器的光的第三反射区域、以及布置在所述半导体层中的第三光电转换部分，所述第三光电转换部分位于第三滤色器与第三反射区域之间，
其中，与第一滤色器的最大透射率相应的波长比与第三滤色器的最大透射率相应的波长短，并且第一反射区域的面积小于第三反射区域的面积。
7.根据权利要求1至6中的任何一个所述的传感器，其中，所述第一反射区域和所述第二反射区域由含有作为主成分的铝、铜、金、钨、钛和钽中的一种的构件形成。
8.根据权利要求1至6中的任何一个所述的传感器，其中，所述第一反射区域和所述第二反射区域由电介质多层膜形成。
9.根据权利要求1至8中的任何一个所述的传感器，其中，所述半导体层的厚度不小于2μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |