CN107634077A - 图像传感器 - Google Patents

Abstract

一种图像传感器，包括：多个像素单元，所述像素单元包括：衬底；感光结构，所述感光结构位于所述衬底内；隔离结构，所述隔离结构位于相邻所述像素单元的衬底之间；阻挡层，所述阻挡层位于所述隔离结构和所述衬底之间。通过位于所述隔离结构和所述衬底之间的阻挡层，实现对相邻像素单元之间光信号串扰的抑制，从而达到抑制串扰、暗电流，提高图像传感器性能的目的。

Description

图像传感器

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种图像传感器。

背景技术

图像传感器依据其采用的原理可以分为电荷耦合装置(Charge-Coupled Device,CCD)以及互补型金属氧化物半导体装置(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)。其中CMOS图像传感器是采用传统的CMOS电路工艺制作，因此可以将图像传感器与其所需要的外围电路加以整合，从而使得CMOS图像传感器具有更广泛的应用前景。

传统图像传感器中，感光元件是位于电路元件的后方，光线经过电路层才能达到感光层，光线中途会受到电路元件的影响。背照式图像传感器则是通过将感光元件的感光面调转方向，使得光线从器件背面直射进去，让光线直接进入感光层，避免了光线受到电路层的影响，从而增大感光量，进而显著的提高了光的效能，大大改善了低光照条件下图像传感器的感光效果。

随着器件集成度的提高，图像传感器中像素单元密度随之增大，相邻像素单元之间的串扰(crosstalk)和暗电流(dark current)不断增大，影响了图像传感器的性能。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种图像传感器，以抑制相邻像素单元之间的串扰和暗电流，以提高所述图像传感器的性能。

为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器，包括：

多个像素单元，所述像素单元包括：衬底；感光结构，所述感光结构位于所述衬底内；隔离结构，所述隔离结构位于相邻所述像素单元的衬底之间；所述图像传感器还包括：阻挡层，所述阻挡层位于所述隔离结构和所述衬底之间。

可选的，所述阻挡层对所述感光结构所采集光线的吸收率大于或等于90％。

可选的，所述阻挡层为叠层结构，所述阻挡层包括介电抗反射层。

可选的，所述介电抗反射层的厚度在60nm到90nm范围内。

可选的，所述阻挡层还包括：底部抗反射层，所述底部抗反射层位于所述介电抗反射层和所述隔离结构之间。

可选的，所述底部抗反射层的厚度在59nm到80nm范围内。

可选的，所述底部抗反射层材料的折射率小于所述介电抗反射层材料的折射率。

可选的，所述阻挡层至少位于所述隔离结构侧壁和所述衬底之间。

可选的，所述衬底包括相背设置的第一面和第二面，光线从所述衬底的第一面入射；所述阻挡层还延伸至所述隔离结构朝向所述第一面的表面。

可选的，还包括：反射层，所述反射层位于所述阻挡层和所述衬底之间。

可选的，所述反射层的折射率小于所述衬底材料的折射率。

可选的，所述阻挡层材料的折射率小于所述反射层材料的折射率。

可选的，所述衬底的材料为硅，所述反射层的材料为氧化硅。

可选的，所述衬底包括相背设置的第一面和第二面，光线从所述衬底的第一面入射；沿第一面指向第二面的方向，所述隔离结构的宽度逐渐增大。

可选的，所述图像传感器为背照式图像传感器；所述图像传感器还包括：互连结构层，所述互连结构层位于所述第二面的表面。

可选的，所述图像传感器为前照式图像传感器；所述图像传感器还包括：互连结构层，所述互连结构层位于所述第一面的表面。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

所述隔离结构位于相邻所述像素单元的衬底之间；所述阻挡层位于所述隔离结构和所述衬底之间。所述阻挡层能够有效防止一侧像素单元所采集光线透射至另一侧像素单元中，能够有效抑制相邻像素单元所采集光线之间的串扰，有利于抑制串扰和暗电流，有利于提高所述图像传感器的性能。

本发明可选方案中，所述阻挡层为叠层结构，包括：介电抗反射层和底部抗反射层，所述底部抗反射层位于所述介电抗反射层和所述隔离结构之间。所述阻挡层为包括介电抗反射层和底部抗反射层的叠层结构，能够有效保证所述阻挡层对光线的吸收能力，保证所述阻挡层对光线的阻挡能力，有利于相邻像素单元光信号串扰和暗电流的抑制，有利于改善所述图像传感器的性能。

本发明可选方案中，所述图像传感器还包括：反射层，位于所述阻挡层和所述衬底之间。所述反射层能够反射光线，从而引导光线透射至所述感光结构，所以所述反射层既能够减少相邻像素单元之间光信号的串扰，还能够增加所述感光结构所采集光信号的强度，能够实现串扰抑制和增强信号的兼顾，有利于所述图像传感器性能的改善。

本发明可选方案中，所述底部抗反射层材料的折射率小于所述介电抗反射层材料的折射率，因此部分光线在所述底部抗反射层和所述介电抗反射层的界面处会发生全反射，从而能够有效改善相邻像素单元之间光信号的串扰问题，还能够引导光线朝向所述感光结构传播，所以这种设置方式能够实现抑制串扰和增强信号的兼顾。

附图说明

图1是一种图像传感器的剖面结构示意图；

图2是本发明图像传感器一实施例的剖面结构示意图；

图3是图2所示图像传感器实施例中圈160内结构的放大示意图；

图4是本发明图像传感器另一实施例的剖面结构示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术中图像传感器存在的相邻像素单元之间的串扰和暗电流较大的问题。现结合一种图像传感器分析其串扰和暗电流大问题的原因：

参考图1，示出了一种图像传感器的剖面结构示意图。

所述图像传感器包括：多个像素单元11，所述像素单元11包括衬底12和感光结构13，所述感光结构13位于所述衬底12内；隔离结构14，所述隔离结构14位于相邻像素单元11之间的衬底12之间。

需要说明的是，图1中仅示出了所述图像传感器相邻的两个像素单元11，分别为第一像素单元11a和第二像素单元11b。

如图1所示，光线15投射至所述第二像素单元11b；但是光线15的入射角度较大，因此光线15在透射所述第一像素单元11a和第二像素单元11b之间的隔离结构14之后，传导至所述第一像素单元11a的衬底12内，并被所述第一像素单元11a的感光结构13吸收采集，从而形成了串扰信号。

随着器件集成度的提高，所述像素单元11的尺寸越来越小，而且相邻像素单元11之间的间隔距离也随之减小，因此相邻像素单元11之间所采集光信号之间出现串扰的概率也随之增大，从而影响了图像传感器的性能。

为解决所述技术问题，本发明提供一种图像传感器，通过位于所述隔离结构和所述衬底之间的阻挡层，实现对相邻像素单元之间光信号串扰的抑制，从而达到抑制串扰、暗电流，提高图像传感器性能的目的。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参考图2，示出了本发明图像传感器一实施例的剖面结构示意图。

所述图像传感器包括：多个像素单元110，所述像素单元110包括：衬底121；感光结构122，所述感光结构122位于所述衬底121内；隔离结构130，所述隔离结构130位于相邻所述像素单元110的衬底121之间。

所述图像传感器还包括：阻挡层140，所述阻挡层140位于所述隔离结构130和所述衬底121之间。所述阻挡层140能够有效防止一侧像素单元110所采集光线透射至另一侧像素单元110中，能够有效抑制相邻像素单元110所采集光线之间的串扰，有利于抑制相邻像素单元之间的串扰和暗电流，有利于提高所述图像传感器的性能。

所述像素单元110用于采集光线，并对所采集的光线进行光电转换。本实施例中，所述多个像素单元110用于构成像素阵列。

需要说明的，图2仅示出了所述图像传感器像素阵列中相邻的三个像素单元110。

所述衬底121用于为所述感光器件122的形成提供工艺基础。

本实施例中，所述衬底121材料为单晶硅。本发明其他实施例中，所述衬底的材料还可以选自多晶硅、非晶硅或者锗、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等其他材料。本发明另一些实施例中，所述衬底还可以为绝缘体上的硅衬底、绝缘体上的锗衬底或玻璃衬底等其他类型的衬底。所述衬底的材料可以是适宜于工艺需要或易于集成的材料。

需要说明的是，如图2所示，本实施例中，所述像素单元110还包括：彩色滤光片170，用于使特定颜色的光线透射、滤除某些颜色的光线，从而使所述图像传感器实现对多种颜色光线的成像；以及微透镜180，用于对光线进行汇聚，以提高所述像素单元110的感光量，改善器件性能。

本实施例中，所述衬底121包括相背设置的第一面121a和第二面121b，光线从所述衬底121的第一面121a入射；所以所述彩色滤光片170设置于所述第一面121a的一侧；所述微透镜180位于所述彩色滤光片170远离所述衬底121的一侧，即所述彩色滤光片170位于所述微透镜180和所述衬底121之间。

所述感光结构130用于吸收光线并进行光电转换。

本实施例中，所述感光结构130为感光二极管。本发明其他实施例中，所述感光结构还可以是感光mos管等其他能够实现光电转换功能的元器件。

所述隔离结构130用于实现相邻像素单元110之间隔离，所以所述隔离结构130的材料为绝缘材料，例如氧化硅、氮化硅等。

如图2所示，本实施例中，沿第一面121a指向第二面121b的方向，所述隔离结构130的宽度逐渐增大，也就是说，在平行所述衬底121表面的平面内，所述隔离结构130的尺寸沿第一面121a指向第二面121b的方向逐渐增大。

所述阻挡层140位于相邻的像素单元110之间，用于阻挡光线透射，以实现相邻像素单元110之间的光隔离。

所述阻挡层140的设置能够有效防止一侧像素单元110所采集光线透射至另一侧像素单元110中，能够有效抑制相邻像素单元110所采集光线之间的串扰，有利于抑制串扰和暗电流，有利于提高所述图像传感器的性能。

具体的，所述阻挡层140通过吸收光线的方式实现光隔离作用。因此，所述阻挡层140对所述感光结构122所采集光线的吸收率越大越好。本实施例中，所述阻挡层140对所述感光结构122所采集光线的吸收率大于或等于90％，以保证所述阻挡层140的光隔离效果，更好的实现抑制串扰和暗电流的功能。

本实施例中，所述阻挡层140至少位于所述隔离结构130侧壁和所述衬底121之间。如图2所示，所述隔离结构130侧壁受到光线照射的几率较大，因此在所述隔离结构130侧壁设置所述阻挡层140，有利于较大限度的实现相邻像素单元110之间的光隔离，能够较好的实现抑制串扰和暗电流的功能。

此外，由于光线从所述衬底121的第一面121a入射，所以所述阻挡层140还延伸至所述隔离结构130朝向所述第一面121a的表面。在所述隔离结构130朝向所述第一面121a的表面也覆盖所述阻挡层140的做法，能够有效提高相邻像素单元110之间光隔离的效果，有效减少漏光，有利于更好的抑制串扰和暗电流。

参考图3示出了图2所示图像传感器实施例中圈160内结构的放大示意图。

本实施例中，所述阻挡层140为叠层结构。具体的，所述阻挡层140包括介电抗反射层141(Dielectric Anti-Reflective Coating，DARC)。

所述介电抗反射层141的材料为介电材料并且能够吸收光线；因此所述介电抗反射层141的设置并不会对所述感光结构122的电学性能，而且投射至所述阻挡层140的光线会被所述介电抗反射层141吸收，从而能够有效防止相相邻像素单元110之间的光信号串扰，由于改善所述图像传感器的性能。具体的，所述介电抗反射层141的材料包括Si_xON_y。

本实施例中，所述介电抗反射层141的厚度在60nm到90nm范围内。

所述介电抗反射层141的厚度不宜太大也不宜太小。所述介电抗反射层141的厚度如果太小，则可能会影响所述介电抗反射层141的光吸收能力，不利于保证所述阻挡层140的阻挡能力；所述介电抗反射层141的厚度如果太大，则可能会引起材料浪费、难度增大的问题。

如图3所示，本实施例中，所述阻挡层140还包括：底部抗反射层142(Bottom Anti-Reflective Coating，BARC)，所述底部抗反射层位于所述介电抗反射层和所述隔离结构之间。

底部抗反射层142对光线具有吸收的能力，从而能够有效降低相邻像素单元110之间的串扰，改善所形成图像传感器的性能。

具体的，所述底部抗反射层142的组成可以分为有机底部抗反射层和无机底部抗反射层。本实施例中，所述底部抗反射层142可以为有机底部抗反射层。有机底部抗反射层是利用有机聚合物中染色基团对紫外光的吸收来降低机体的反射率，所以所述底部抗反射层142的材料可以为：TDUR-P3435LP、UV1610-0.19或者AR40A-420等等。

本实施例中，所述底部抗反射层142的厚度在59nm到80nm范围内。

所述底部抗反射层142的厚度不宜太大也不宜太小。所述底部抗反射层142的厚度如果太小，则可能会影响光吸收能力，不利于保证所述阻挡层140的阻挡能力；所述底部抗反射层142的厚度如果太大，则可能会引起材料浪费、难度增大的问题，而且所述底部抗反射层142，还可能会使入射的光线和反射的光线产生180°的相位差，进而影响所述底部抗反射层142对光的吸收能力，不利于所述阻挡层140的阻挡能力。

需要说明的是，本实施例中，所述底部抗反射层142材料的折射率小于所述介电抗反射层141材料的折射率。当所述底部抗反射层142的材料设置为折射率小于所述介电抗反射层141的材料时，光线投射至所述阻挡层140，自所述介电抗反射层141向所述底部抗反射层142的传播为光密介质向光疏介质传播，因此部分光线在所述介电抗反射层141和所述底部抗反射层142的界面发生全反射，从而既能够有效减少相邻像素单元110之间的串扰，还能够使发生全反射的光线折返，还能够提高所述感光结构122所采集光线的概率，从而有利于信号强度的提高。

此外，本实施例中，所述图像传感器还包括：反射层150，所述反射层150位于所述阻挡层140和所述衬底121之间。

所述反射层150能够使光线发生反射，并引导至少部分折返的光线投射至所述感光结构122。所以所述反射层150既能够减少相邻像素单元110之间光信号的串扰，还能够增加所述感光结构122所采集光信号的强度，能够实现串扰抑制和增强信号的兼顾，有利于所述图像传感器信噪比的改善。

本实施例中，所述反射层150的折射率小于所述衬底121材料的折射率，从而使光线从所述衬底121向所述反射层150的传播为光密介质向光疏介质的传播，使光线在所述衬底121和所述反射层150的界面发全反射，从而保证所述反射层150的反射功能，提高反射率，保证对所述图像传感器性能的改善。

此外，本实施例中，所述阻挡层140材料的折射率小于所述反射层150材料的折射率。具体的，所述反射层150的折射率大于所述介电抗反射层141材料的折射率。因此光线在所述反射层150和所述阻挡层140的界面处也会有发生全反射的几率，从而能够进一步提高所述阻挡层140对光线透射的阻挡能力，还能够提高所述反射层150的反射率，实现抑制串扰、增强信号功能的兼顾。

具体的，本实施例中，所述衬底121的材料为硅，所述反射层150的材料为氧化硅。因此所述介电抗反射层141为折射率小于氧化硅的介质材料，所述底部抗反射层142材料的折射率小于所述介电抗反射层141材料的折射率，即从所述衬底121至所述底部抗反射层142，材料的折射率依次减小，所以光线在从所述衬底121向所述隔离结构130的传播过程中，在每个膜层的界面处均有发生反射的可能，从而能够有效提高所述感光结构122所采集光线的几率，有利于增强所述图像传感器的信号强度；还能够有效减少光线透射的几率，从而有效减少相邻像素单元110之间的串扰，有利于噪声信号的抑制。

继续参考图2，本实施例中，所述图像传感器为背照式图像传感器，因此光线入射的所述第一面121a为所述图像传感器的背面；此外，所述图像传感器还包括：互连结构层190，所以所述互连结构层190位于所述第二面121b的表面。

所述互连结构层190内形成有互连结构，所述互联结构包括插塞和互连线，用于所述像素单元110与外部电路的连接，从而实现各种电信号的传输。

本实施例中，所述像素单元110还包括：位于所述第一面121a表面的所述彩色滤光片170和所述微透镜180；所以所述彩色滤光片170和所述微透镜180与所述互连结构层190相对设置，即所述衬底121位于所述互连结构层190与所述彩色滤光片170之间。

如图2和图3所示，本实施例中，所述隔离结构130的宽度沿第一面121a指向第二面121b的方向逐渐增大，从而能够有效降低所述隔离结构130的形成工艺难度，有利于制造良率的提高和器件性能的改善；还能够更好的保证所述阻挡层140和所述反射层150对光线的引导作用，使更多的光线被所述感光结构122吸收，进一步改善所述图像传感器的信噪比。

参考图4，示出了本发明图像传感器另一实施例的剖面结构示意图。

本实施例与前述实施例相同之处本发明在此不再赘述。本实施例与前述实施例不同之处在于，本实施例中，所述图像传感器为前照式图像传感器，所以所述互连结构层290位于所述第一面221a的表面。

所述彩色滤光片270和所述微透镜280依旧位于所述衬底221第一面221a的一侧，所以所述彩色滤光片270和所述微透镜280与所述互连结构层290位于所述衬底221的同侧，即所述彩色滤光片270和所述微透镜280位于所述互连结构层290远离所述衬底221的一侧，所述互连结构层290位于所述彩色滤光片270和所述微透镜280与所述衬底221之间。

此外，沿第一面221a指向第二面221b的方向，所述隔离结构230的宽度逐渐增大，以更好的引导光线投射至所述感光结构222，从而降低相邻像素单元210之间的光线投射、抑制串扰，并且提高所述感光结构222的感光强度、增强信号。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (14)

1.一种图像传感器，包括：

多个像素单元，所述像素单元包括：衬底；感光结构，所述感光结构位于所述衬底内；

隔离结构，所述隔离结构位于相邻所述像素单元的衬底之间；

其特征在于，所述图像传感器还包括：

阻挡层，所述阻挡层位于所述隔离结构和所述衬底之间。

2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述阻挡层对所述感光结构所采集光线的吸收率大于或等于90％。

3.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述阻挡层为叠层结构，所述阻挡层包括介电抗反射层。

4.如权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，所述介电抗反射层的厚度在60nm到90nm范围内。

5.如权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，所述阻挡层还包括：底部抗反射层，所述底部抗反射层位于所述介电抗反射层和所述隔离结构之间。

6.如权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述底部抗反射层的厚度在59nm到80nm范围内。

7.如权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述底部抗反射层材料的折射率小于所述介电抗反射层材料的折射率。

8.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述阻挡层至少位于所述隔离结构侧壁和所述衬底之间。

9.如权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述衬底包括相背设置的第一面和第二面，光线从所述衬底的第一面入射；

所述阻挡层还延伸至所述隔离结构朝向所述第一面的表面。

10.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括：反射层，所述反射层位于所述阻挡层和所述衬底之间。

11.如权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，所述反射层的折射率小于所述衬底材料的折射率。

12.如权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，所述阻挡层材料的折射率小于所述反射层材料的折射率。

13.如权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，所述衬底的材料为硅，所述反射层的材料为氧化硅。

14.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述衬底包括相背设置的第一面和第二面，光线从所述衬底的第一面入射；

沿第一面指向第二面的方向，所述隔离结构的宽度逐渐增大。