CN104517980A - 成像装置 - Google Patents

Abstract

成像装置包含基底，第一光电二极管和第二光电二极管形成于基底上，光电转换层设置于基底上，光电转换层包含第一区块和第二区块，绝缘分隔物设置于光电转换层的第一区块与第二区块之间，第一电极和第二电极分别设置于光电转换层的第一区块和第二区块之下，以及电性内连接层设置于光电转换层上。

Description

成像装置

技术领域

本发明涉及一种成像装置，特别是具有分隔物设置在光电转换层中的前照式成像装置。

背景技术

影像感测器已经广泛地在各种影像拍摄设备中使用，例如摄影机、数字相机等设备，一般而言，固态成像装置例如电荷耦合组件（charge coupleddevice；CCD）感测器或互补式金属氧化半导体（complementary metal oxidesemiconductor；CMOS）感测器，皆具有将光线转换成电荷的光电转换器例如光电二极管（photodiodes），这些光电二极管形成在半导体基底例如硅芯片上，并且通过CCD型或CMOS型的读取电路可以得到对应于在光电二极管中所产生的光电子的信号电荷。

在固态成像装置中，除了光电二极管之外，信号读取电路和其伴随的导线层也形成在半导体基底上，并且这些信号读取电路和导线层位于光电二极管上。近年来，成像装置的像素已经达到数百万像素，随着像素的增加，在每一个像素中，操作像素所需要的各种导线和电子电路占据的面积百分比也随之增加。

因此，随着成像装置的像素增加，在每一个像素中，实际上可以被光电二极管使用来接收光线的面积百分比也随之降低，这表示成像装置对于光线的灵敏度将会降低。在前照式成像装置中，在入射光线抵达光电二极管之前，光线将会被位于光电二极管上方的导线层阻挡，这导致前照式成像装置的灵敏度更为降低。

发明内容

在一些成像装置中，在具有信号读取电路和导线层形成于其上的半导体基底的上表面上方形成光电转换层，由此提升成像装置的灵敏度。然而，光电转换层仍有串音干扰（cross-talk）问题发生在成像装置的相邻像素之间。

依据本发明的实施例，可以克服光电转换层的串音干扰问题。

在本发明的一示范实施例中提供成像装置，此成像装置包含：基底，其上设置有第一光电二极管和第二光电二极管；设置于基底上的光电转换层，包含第一区块和第二区块；绝缘分隔物设置于光电转换层的第一区块与第二区块之间；第一电极和第二电极分别设置于光电转换层的第一区块和第二区块之下；以及电性内连接层设置于光电转换层上。

在本发明的一示范实施例中提供成像装置，此成像装置包含：半导体基底，其上设置有多个光电二极管；设置在半导体基底上的光电转换层，含有多个区块；多个绝缘分隔物设置于光电转换层中，其中每个绝缘分隔物设置于光电转换层的任两个相邻的区块之间；多个电极设置于光电转换层与半导体基底之间，其中每个电极各自独立地对应光电转换层的一个区块，并且每个电极各自独立地电性连接至一个光电二极管；以及电性内连接层设置于光电转换层上。

在根据本发明的成像装置中，优选绝缘分隔物的材料包括具有低于0.01的介电常数的低介电常数材料，进一步优选绝缘分隔物的材料包括具有折射率低于光电转换层的折射率的低折射率材料，并且绝缘分隔物对于进入光电转换层的入射光线构成全反射结构。

在根据本发明的成像装置中，光电转换层具有第一表面和相对于该第一表面的第二表面，入射光线从第一表面进入光电转换层，并且第一电极和第二电极与光电转换层的第二表面相接触。

在根据本发明的成像装置中，电性内连接层的设置于光电转换层的第一区块和第二区块上的那些部分电性连接在一起形成共用电极，在电性内连接层上施加第一电压，在第一电极和第二电极上施加第二电压，在此，第一电压低于第二电压。

在根据本发明的成像装置中，入射光线照射光电转换层而产生电子电洞对，并且第一电极和第二电极捕捉光电转换层中的电子，而绝缘分隔物则阻挡光电转换层的第一区块中的电子跨越至第二区块。

根据本发明的成像装置还具有设置在基底与光电转换层之间的多层内连线结构，在此，该多层内连线结构包括多层金属层、多层介电层、多层金属层间介电层以及一钝态层，并且将第一电极和第二电极设置在该多层内连线结构中。

在根据本发明的成像装置中，第一电极捕捉的电子经由多层内连线结构传送至第一光电二极管，而第二电极捕捉的电子经由多层内连线结构传送至第二光电二极管。

在根据本发明的成像装置中，光电转换层的第一区块对应至第一光电二极管，光电转换层的第二区块对应至第二光电二极管。

根据本发明的成像装置还具有：设置在电性内连接层上的彩色滤光片阵列；设置在电性内连接层与彩色滤光片阵列之间的平坦层；以及设置在彩色滤光片阵列上的微透镜结构。

在本发明的实施例中，设置于光电转换层的任两个相邻区块之间的绝缘分隔物可以克服光电转换层的串音干扰问题。

附图说明

为了让本发明的各种实施例的目的、特征及优点能更明显易懂，下面参照附图作详细说明：

图1示出了依据本发明实施例的成像装置的局部剖面示意图。

其中，附图标记说明如下：

100成像装置；

101半导体基底；

103、103A、103B、103C光电二极管；

105介电层；

107金属层；

109导通孔；

110多层内连线结构；

111电极层；

111A、111B、111C电极；

113光电转换层；

113A、113B、113C光电转换层的区块；

115绝缘分隔物；

117电性内连接层；

119平坦层；

121彩色滤光片阵列；

121R、121G、121B彩色滤光片部件；

123微透镜结构；

123A、123B、123C微透镜；

A、B、C像素；

125入射光线。

具体实施方式

在图1中示出了根据本发明实施例的成像装置100的局部剖面示意图，成像装置100例如为互补式金属氧化半导体（CMOS）影像感测器或电荷耦合组件（CCD）影像感测器，成像装置100包含半导体基底101，多个光电二极管103，在图1中光电二极管103A、103B和103C形成在半导体基底101上，每个光电二极管103A-103C分别设置在成像装置100的一个像素中，例如光电二极管103A、103B和103C分别设置在像素A、B和C中，虽然在图1中仅示出三个像素，然而实际上成像装置100具有数百万或更多的像素，在图1中示出的三个像素A、B和C代表成像装置100的一部份。

此外，成像装置100所需的各种导线和电子电路也形成在半导体基底101上，半导体基底101可以是晶圆或晶片。多层内连线结构110形成在半导体基底101上，并且位于这些光电二极管103上方，多层内连线结构110包含设置在多层介电层105中的多层金属层107，这些介电层105可由多个层间介电层（inter-layer dielectric；ILD）、多个金属层间介电层（inter-metaldielectric；IMD）以及钝态层（passivation layer）组成。此外，多层内连线结构110还包含多个导通孔（vias）109，这些导通孔形成于任两层金属层107之间并且位于介电层105中。此外，多层内连线结构110还包含形成在顶端金属层107上方的电极层111，电极层111由多个电极例如电极111A、111B和111C组成，这些电极111A、111B和111C分别电性连接至光电二极管103A、103B和103C。

根据本发明的实施例，光电转换层113形成在多层内连线结构110上，并且多个绝缘分隔物115设置在光电转换层113中，将光电转换层113分隔成多个区块，例如在图1中示出的区块113A、113B和113C，光电转换层113的这些区块113A、113B和113C分别对应至成像装置100的像素A、B和C。

光电转换层113可接收入射光线125，并且在光电转换层113中产生电子和电洞，在光电转换层113中产生的电子和电洞的数量与光电转换层113接收的入射光线125的量有关。在一些实施例中，光电转换层113可由量子点（quantum dots）形成，量子点是一种奈米结构，而且由半导体材料形成的奈米结构通常可将传导带电子（conduction band electrons）、价带电洞（valence band holes）或激子（excitons）（激子为传导带电子和价带电洞的界偶（bound pairs））局限在全部的三维空间方向上。特别是量子点会吸收光子而产生电子电洞对，这使得量子点可用来形成光电转换层113。量子点的材料包含周期表上第IIB-VIA族材料的量子点（Group IIB-VIA quantumdots）、第IIIA-VA族材料的量子点（Group IIIA-VA quantum dots）或第IVA-VIA族材料的量子点（Group IVA-VIA quantum dots）。在一实施例中，量子点可由化合物半导体奈米结晶核心（compound semiconductor nanocrystalcores）（例如PbS）以及核心材料的氧化物（例如PbSO3）形成在核心的外表面上而构成。可使用旋转涂布或喷洒涂布制程，将一层量子点材料以溶液形式涂布在多层内连线结构110上，以形成光电转换层113。在一些实施例中，光电转换层113还可以由P型有机半导体和N型有机半导体材料的巨块异质结构（bulk hetero structure）形成。

根据本发明的实施例，在光电转换层113中设置多个绝缘分隔物115，这些绝缘分隔物115可以阻隔在光电转换层113的个别区块113A、113B和113C中产生的电子和电洞。换而言之，绝缘分隔物115可避免光电转换层113的任两个相邻区块之间发生电性的串音干扰（electric cross-talk），例如可避免两个区块113A和113B之间发生电性的串音干扰，以及避免两个区块113B和113C之间发生电性的串音干扰。

在一些实施例中，绝缘分隔物115可以使用低介电常数材料制成，低介电常数材料具有低于0.01的介电常数，使用低介电常数材料制成绝缘分隔物115可以在光电转换层113的任两个相邻区块之间提供较佳的电性隔绝。在一实施例中，具有介电常数低于0.01的绝缘分隔物115的材料为钛黑（titanium-black）材料。然而，绝缘分隔物115的材料并不限于钛黑，其他具有介电常数低于0.01的适当的低介电常数材料也可以用在绝缘分隔物115。

在一些实施例中，绝缘分隔物115可以使用低折射率材料制成，使得绝缘分隔物115的折射率（refractive index；n）低于光电转换层113的折射率，使用低折射率材料制成的绝缘分隔物115可以对进入光电转换层113的入射光线125构成全反射结构，因此使用低折射率材料制成的绝缘分隔物115可以在光电转换层113的任两个相邻区块之间提供较佳的光学隔绝。在一实施例中，折射率低于光电转换层113的折射率的绝缘分隔物115的材料可以选自有机低折射率材料，例如聚乙烯氧（poly（ethylene oxide））、有机低折射率光阻（photoresist；PR）以及无机低折射率材料，例如化学气相沈积（CVD）氧化物等。然而，绝缘分隔物115的材料并不限于上述材料，其他具有折射率低于光电转换层113的折射率的适当低折射率的材料也可以用在绝缘分隔物115。

在一些实施例中，将形成光电转换层113的材料层先批覆地沈积或涂布在多层内连线结构110上，然后将光电转换层113的材料层图案化，由此在光电转换层113的材料层中形成多个介于成像装置100的任两个相邻像素之间的间隔（spaces），例如在像素A和B之间形成间隔，以及在像素B和C之间形成另一间隔等。接着，在光电转换层113的材料层的间隔内填入绝缘材料，以形成绝缘分隔物115。可通过微影制程或印刷制程，或使用硬遮罩与蚀刻制程，将光电转换层113的材料层图案化，以在两个像素之间形成间隔。

在光电转换层113和绝缘分隔物115完成之后，在光电转换层113和绝缘分隔物115上形成电性内连接层117，电性内连接层117可作为光电转换层113上方的上电极，并且设置在光电转换层113的全部区块上的电性内连接层117的那些部分都电性连接在一起，形成共用电极（common electrode）。

如图1所示，位于光电转换层113下方的电极层111具有电极111A、111B和111C，这些电极分别设置在光电转换层113的区块113A、113B和113C底下。此外，这些电极111A、111B和111C还接触光电转换层113的下表面，此下表面是相对于光电转换层113的上表面，而入射光线125则是从上表面进入光电转换层113。电极层111可作为光电转换层113下方的下电极，电极层111的这些电极111A、111B和111C接触光电转换层113的个别区块113A、113B和113C，而且这些电极111A、111B和111C还分别电性连接至各光电二极管103A、103B和103C。

在电性内连接层117上施加第一电压，并且在电极111A、111B和111C上施加第二电压，其中第一电压低于第二电压。当光电转换层113受到入射光线125照射并且在光电转换层113中产生电子电洞对时，在光电转换层113的区块113A、113B和113C中的电子分别被电极111A、111B和111C捕捉。换而言之，电性内连接层117作为负电极，而电极层111的电极111A、111B和111C则作为正电极，使得光电转换层113中产生的电子朝下方的电极层111移动，并且让光电转换层113中产生的电洞朝上方的电性内连接层117移动。然后，通过多层内连线结构110将电极111A、111B和111C捕捉到的电子分别传送至光电二极管103A、103B和103C。

在本发明的实施例中，通过设置绝缘分隔物115，可将光电转换层113分隔成个别的区块113A、113B和113C，如此，在一个电子收集区块中产生的电子，例如在光电转换层113的区块113A中产生的电子可以被绝缘分隔物115阻隔，而不会跨越至相邻的电子收集区块，例如相邻的光电转换层113的区块113B。因此，光电转换层113的任两个相邻电子收集区块之间的串音干扰问题可以通过绝缘分隔物115的设置而克服。

在一些实施例中，这些光电二极管103可以是CMOS晶体管，可通过半导体制造技术在半导体基底101上制造光电二极管103和多层内连线结构110。

另外，成像装置100还包含形成在电性内连接层117上的平坦层119，平坦层119的材料可以是有机或无机的绝缘材料，例如环氧树脂或氧化硅。此外，成像装置100还包含形成在平坦层119上的彩色滤光片阵列121，彩色滤光片阵列121包含多个彩色滤光片部件，在一些实施例中，彩色滤光片阵列121可以由红色的彩色滤光片部件121R、绿色的彩色滤光片部件121G以及蓝色的彩色滤光片部件121B组成；在其他实施例中，彩色滤光片阵列121也可包含白色的彩色滤光片部件。每个彩色滤光片部件各自独立地对应至光电转换层113的一个区块，例如彩色滤光片部件121R、121G和121B分别对应至光电转换层113的区块113A、113B和113C。

另外，成像装置100还包含设置在彩色滤光片阵列121上的微透镜结构123，微透镜结构123包含多个微透镜123A-123C，并且每个微透镜各自独立地对应至彩色滤光片阵列121的一个彩色滤光片部件，例如微透镜123A、123B和123C分别对应至彩色滤光片阵列121的彩色滤光片部件121R、121G和121B。

在一些实施例中，入射光线125照射在半导体基底101的正面上，此正面具有多个形成于其上的光电二极管103。换而言之，这些光电二极管103可构成前照式影像感测器。入射光线125被微透镜结构123收集后，穿过彩色滤光片阵列121、平坦层119和电性内连接层117，然后到达光电转换层113。

根据本发明的实施例，对应至成像装置的每个像素的光电转换层的个别区块是通过绝缘分隔物互相隔开，如此，因入射光线照射而在光电转换层的个别区块中产生的电子会被绝缘分隔物阻隔，从而可避免光电转换层的一个区块中的电子跨越至相邻的区块。因此，可通过本发明的绝缘分隔物克服在不具有绝缘分隔物的光电转换层中所发生的串音干扰问题。此外，本发明的光电转换层的个别区块是分别对应至成像装置的每个像素中的光电二极管，这对于具有小像素尺寸和高数量像素的成像装置更为有益。

虽然本发明已通过上述优选的实施例进行了说明，然其并非用以限定本发明，本领域的技术人员应当了解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可做些许更动与润饰。

Claims (10)

1.一种成像装置，包括：

基底，包含形成于该基底上的第一光电二极管和第二光电二极管；

光电转换层，包含设置于该基底上的第一区块和第二区块；

绝缘分隔物，设置于所述光电转换层的第一区块与第二区块之间；

第一电极和第二电极，分别设置于所述光电转换层的第一区块和第二区块之下；以及

电性内连接层，设置于所述光电转换层上。

2.如权利要求1所述的成像装置，其中，所述绝缘分隔物的材料包括具有低于0.01的介电常数的低介电常数材料。

3.如权利要求1所述的成像装置，其中，所述绝缘分隔物的材料包括具有折射率低于所述光电转换层的折射率的低折射率材料，并且所述绝缘分隔物对于进入所述光电转换层的入射光线构成全反射结构。

4.如权利要求1所述的成像装置，其中，所述光电转换层具有第一表面和相对于该第一表面的第二表面，入射光线从该第一表面进入所述光电转换层，并且所述第一电极和第二电极接触所述光电转换层的第二表面。

5.如权利要求1所述的成像装置，其中，所述电性内连接层的设置于所述光电转换层的第一区块和第二区块上的那些部分电性连接在一起，形成共用电极，在所述电性内连接层上施加第一电压，并在所述第一电极和第二电极上施加第二电压，并且所述第一电压低于所述第二电压。

6.如权利要求1所述的成像装置，其中，入射光线照射所述光电转换层而产生电子电洞对，并且所述第一电极和第二电极捕捉所述光电转换层中的电子，所述绝缘分隔物阻挡所述光电转换层的第一区块中的电子跨越至所述第二区块。

7.如权利要求6所述的成像装置，还包括一设置在所述基底与所述光电转换层之间的多层内连线结构，其中，该多层内连线结构包括多层金属层、多层介电层、多层金属层间介电层以及一钝态层，且所述第一电极和第二电极设置在该多层内连线结构中。

8.如权利要求7所述的成像装置，其中，所述第一电极捕捉的电子经由所述多层内连线结构传送至所述第一光电二极管，所述第二电极捕捉的电子经由所述多层内连线结构传送至所述第二光电二极管。

9.如权利要求1所述的成像装置，其中，所述光电转换层的第一区块对应至所述第一光电二极管，并且所述光电转换层的第二区块对应至所述第二光电二极管。

10.如权利要求1所述的成像装置，还包括：

彩色滤光片阵列，设置在所述电性内连接层之上；

平坦层，设置在所述电性内连接层与所述彩色滤光片阵列之间；以及

微透镜结构，设置在所述彩色滤光片阵列上。