CN107680980A - 图像传感器 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器，包括：衬底；感光结构，所述感光结构嵌入所述衬底，从所述衬底的表面露出；反射层，所述反射层堆叠于所述感光结构背向光线入射表面。通过所述反射层的设置，以达到延长光线在所述感光结构中传播的光路，从而提高光子被吸收的几率，增加激发电子‑空穴对的可能，进而提高光生载流子电的产生效率，改善图像传感器的性能。
Description
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的形成方法。
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。
但是现有技术中的图像传感器，即使引入了背照式的结构，光生载流子的产生效率依旧不高，从而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，以提高光生载流子的产生效率，改善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：
衬底；感光结构，所述感光结构嵌入所述衬底，从所述衬底的表面露出；反射层，所述反射层堆叠于所述感光结构背向光线入射的表面。
可选的，所述反射层的反射率大于或等于50％。
可选的，所述反射层为金属层、金属氧化物层或叠层镀膜。
可选的，所述反射层为金属层；所述图像传感器还包括：隔离层，所述隔离层至少位于所述反射层和所述感光结构之间。
可选的，所述隔离层的材料包括氧化硅和氮化硅中的一种或两种。
可选的，所述隔离层的厚度在到范围内。
可选的，所述反射层为叠层镀膜；所述反射层包括氧化硅层、氧化钛层和氧化钽层中的多种。
可选的，所述反射层的厚度在到范围内。
可选的，通过炉管、蒸镀、化学气相沉积、物理气相沉积和原子层沉积中一种或多种工艺形成所述反射层。
可选的，所露出的感光结构与所述反射层在所述衬底表面的投影相重合；或者，所露出的感光结构位于所述反射层在所述衬底表面的投影内。
可选的，所露出的感光结构位于所述反射层在所述衬底表面的投影内；所述图像传感器还包括开关器件，所述开关器件至少部分位于所述衬底内；所述反射层露出所述开关器件所在区域的衬底表面。
可选的，所述图像传感器为背照式图像传感器；所述衬底具有相背设置的第一面和第二面；所述感光结构从所述第一面露出；所述反射层堆叠于所述第一面所露出感光结构的表面；沿所述第二面指向所述第一面的方向，部分光线透射所述感光结构并投射至所述反射层，经所述反射层反射以形成反射光；所述反射光沿所述第一面指向所述第二面的方向透射所述感光结构。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
所述反射层堆叠于所述感光结构背向光线入射方向的表面；所以未被所述感光结构吸收的光线在透射所述感光结构之后，投射至所述反射层，以形成反射光；所述反射光折返再次透射所述感光结构；因此光线能够两次透射所述感光结构，从而延长了光线在所述感光结构中传播的光路，从而能够有效提高光子被吸收的几率，增加激发电子-空穴对的可能，从而有利于有效提高光生载流子的产生效率，有利于改善图像传感器的性能。
本发明可选方案中，所述图像传感器为背照式图像传感器，所述感光结构从所述第一面露出，所述反射层堆叠于所述第一面所露出感光结构的表面；沿第二面指向第一面的方向，光线透射所述感光结构并投射至所述反射层，经所述反射层反射而形成反射光；因此所述图像传感器形成过程中，形成所述感光结构之后，形成所述反射层，所以所述感光结构直接形成于所述衬底内，从而能够为所述感光结构的形成提供良好的工艺表面，能够有效保证所述感光结构的形成质量，有利于降低所述反射层对所述图像传感器性能的影响，有利于所述图像传感器性能的改善。
附图说明
图1是本发明图像传感器一实施例的剖面结构示意图；
图2是本发明图像传感器另一实施例的剖面结构示意图；
图3是本发明图像传感器再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，现有技术中的图像传感器存在光生载流子产生效率较低，影响了图像传感器的性能。
随着设备集成度的提高，感光元件的尺寸也随之缩小，感光元件受到光线照射的面积越来越小，光子被吸收并激发电子-空穴对的几率随之降低，从而造成了光生载流子的产生效率过低的问题，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，通过所述反射层的设置，以达到延长光线在所述感光结构中传播的光路的目的，从而提高光子被吸收的几率，增加激发电子-空穴对的可能，进而提高光生载流子电的产生效率，改善图像传感器的性能。
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1，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：衬底100；感光结构110，所述感光结构110嵌入所述衬底100，从所述衬底100的表面露出；反射层120，所述反射层120堆叠于所述感光结构110背向光线入射方向的表面。
所述反射层120堆叠于所述感光结构110背向光线入射方向的表面；所以未被所述感光结构110吸收的光线在透射所述感光结构110之后，投射至所述反射层120，经所述反射层120反射以形成反射光；所述反射光折返再次透射所述感光结构110；因此光线能够两次透射所述感光结构110，从而延长了光线在所述感光结构110中传播的光路，从而能够有效提高光子被吸收的几率，增加激发电子-空穴对的可能，从而有利于有效提高光生载流子电的产生效率，有利于改善图像传感器的性能。
下面结合附图，详细说明本发明图像传感器实施例的具体技术方案。
衬底100用于为所述图像传感器的形成过程提供工艺操作平台，以及工艺基础。
本实施例中，所述衬底100的材料为单晶硅。本发明其他实施例中，所述衬底的材料还可以选自多晶硅或者非晶硅；所述衬底也可以选自硅、锗、砷化镓，氮化镓或硅锗化合物；所述衬底也可以是具有外延层或外延层上硅结构。所述衬底可以是适宜于工艺需求或易于基础的半导体材料。
本实施例中，所述衬底100中具有隔离结构103，用于实现相邻半导体结构之间的电隔离，还用于定义所述衬底100内的有源区。如图1所示，所述衬底100内相邻隔离结构103之间是所述图像传感器的像素区101。
需要说明的是，所述衬底100还包括：逻辑区102，所述衬底100的逻辑区102用于形成所述图像传感器的逻辑电路，以控制实现所述图像传感器的信号处理以及信号传输的功能。
本实施例中，所述图像传感器为背照式图像传感器(Back Surface Illuminated，BSI)。所述衬底100具有相背设置的第一面104和第二面105，所述第一面104作为所述图像传感器形成过程的工艺操作表面；所述第二面105为所述图像传感器的采光面，即光线自所述第二面105入射至所述图像传感器内。
所述感光结构110用于吸收光线，并激发电子-空穴对，产生光生载流子，从而完成光电转换。
如图1所示，所述感光结构110嵌入所述衬底100，从所述衬底100的表面露出。本实施例中，所述感光结构110的表面与所述衬底100表面齐平。本发明其他实施例中，所述感光结构也可以凸起于所述衬底的表面。
具体的，所述感光结构110为光电二极管(Photo-Diode)。本发明其他实施例中，所述感光结构还可以为其他能够实现光电转换的感光元器件。
本实施例中，所述第一面104作为所述图像传感器形成过程的工艺操作表面，所以所述感光结构110嵌入所述衬底100，从所述第一面104露出，即所述感光结构110的表面与所述第一面104齐平，且沿所述第一面104指向所述第二面105的方向向所述衬底100内延伸。
所述反射层120堆叠于所述感光结构110背向光线入射方向的表面，用于反射未被所述感光结构110吸收的光线，以形成反射光，并使所述反射光折返，再次透射所述感光结构110，从而达到延长光线在所述感光结构110中传播光路的目的，进而提高光子被吸收的几率，增加激发电子-空穴对的可能，提高光生载流子的产生效率，改善图像传感器的性能。
本实施例中，所述第一面104所露出的感光结构110与所述反射层110在所述衬底100表面的投影相重合，也就是说，所述反射层110仅堆叠于所述第一面104所露出的感光结构110表面，从而能够保证所述反射层120对光线的反射，并降低所述反射层120对所述图像传感器中其他元件的影响。
本实施例中，所述图像传感器为背照式图像传感器，光线自所述第二面105入射至所述图像传感器内，所以所述反射层120堆叠于所述第一面104所露出感光结构110的表面，所以所述反射层120的位置与未吸收光线透射所述感光结构110之后，投射至所述第一面104的区域相对应。
由于所述反射层120堆叠于所述第一面104所露出感光结构110的表面，所以在所述图像传感器形成过程中，所述感光结构110形成之后，形成所述反射层120，所述感光结构110直接形成于所述衬底100内，从而能够为所述感光结构110的形成提供良好的工艺表面，能够有效保证所述感光结构110的形成质量，有利于降低所述反射层120对所述图像传感器性能的影响，有利于所述图像传感器性能的改善。
如图1所示，沿所述第二面105指向所述第一面104的方向，光线自所述第二面105入射至所述衬底100内，透射所述感光结构110；部分光线被所述感光结构110吸收产生光生载流子；未被所述感光结构110吸收的光线透射所述感光结构110，投射至所述反射层120，经所述反射层120反射以形成反射光；所述反射光沿所述第一面104指向所述第二面105的方向再次透射所述感光结构110，再次产生光生载流子，从而提高光生载流子的产生效率，改善图像传感器的性能。
本实施例中，所述反射层120的反射率大于或等于50％。所述反射层120的反射率不宜太低。所述反射层120的反射率如果太低，则无法很好的实现对未吸收光线的反射，不利于提高所形成反射光的光强，会影响光生载流子产生效率提高的效果。
所述反射层120为金属层或金属氧化物层，即所述反射层120的材料可以为银或铝等具有较高反射率的金属，所述反射层120的材料也可以为氧化钽或者氧化钛等具有较高反射率的金属氧化物。
本实施例中，所述反射层120为金属层或金属氧化物层，所以可以通过物理气相沉积的方式形成所述反射层120。本发明其他实施例中，所述反射层还可以通过炉管、蒸镀、化学气相沉积、物理气相沉积和原子层沉积中一种或多种工艺形成所述反射层。
本实施例中，所述反射层120的厚度在到范围内。
所述反射层120的厚度不宜太大也不太小。所述反射层120的厚度如果太小，则可能会影响所述反射层120对光线的反射能力，不利于反射光光强的提高，不利于光生载流子产生效率的提高；所述反射层120的厚度如果太大，则可能会影响整个图像传感器的布局，不利于保证所述图像传感器的性能。
需要说明的是，本实施例中，所述反射层120为金属层，所述图像传感器还包括：隔离层121，所述隔离层121至少位于所述反射层120和所述感光结构110之间。
所述隔离层121用于实现金属材质的所述反射层120与所述感光结构110之间的电绝缘，还用于改善金属污染问题，从而减低具有导电性能的反射层120影响所述感光结构110的功能，以保证所述感光结构110的性能。
所述隔离层121需要实现电隔离，而且透射所述感光结构110的光线需要透射所述隔离层121之后，才能够被所述反射层120反射，所形成反射光也需要透射所述隔离层121之后才能再次透射所述感光结构110，因此所述隔离层121需要具有绝缘性以及较高透光性。具体的，本实施例中，所述隔离层121的材料包括氧化硅和氮化硅中的一种或两种。本发明其他实施例中，所述隔离层的材料还可以为其他透明的绝缘材料。
需要说明的说，所述隔离层121的厚度在到范围内。
所述隔离层121的厚度不宜太大也不太小。由于所述隔离层121表面还具有反射层120，因此所述隔离层121的厚度如果太大，会造成所述隔离层121和所述反射层120的整体厚度过大，可能会影响整个图像传感器布局，而且未吸收光线和所形成的反射光均会透射所述隔离层121，所述隔离层121厚度太大也不利于反射光光强的提高，不利于光生载流子产生效率的提高；所述隔离层121的厚度如果太小，则可能会影响所述隔离层121的电隔离性能，可能会对所述感光结构的功能造成不利影响，不利于所述图像传感器性能的改善。
参考图2，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，所述反射层220为叠层镀膜。
所述反射层220通过光波干涉的原理反射未被所述感光结构110吸收的光线。
具体的，所述反射层220包括氧化硅层、氧化钛层和氧化钽层中的多种。未被所述感光结构210吸收的光线在透射所述反射层220时，会在所述反射层220不同材料膜层的界面处发生反射，所反射的光线与入射的光线之间可能会发生相长干涉，从而提高所形成反射光的光强，使更多的能量被所述反射层220反射，从而实现所述反射层220对光线的有效反射，进而达到提高光子被吸收的几率，增加激发电子-空穴对的可能，从而有利于有效提高光生载流子的产生效率，有利于改善图像传感器的性能。
光线的波长、所述反射层220中氧化硅层、氧化钛层以及氧化钽层的厚度决定了所反射的光线之间是发生相长干涉还是相消干涉；所以通过氧化硅层、氧化钛层以及氧化钽层的厚度的设置，使特定波段范围内的光反射率较高，透射率较低；使特定波长范围内的光透射率较高，而反射率较低；从而使所述滤光层能够滤除特定波长范围内的光。
需要说明的是，本实施例中，所述反射层220包括氧化硅层、氧化钛层和氧化钽层中的多种。但是这种设置方式仅为一实例。本发明其他实施例中，所述反射层220还可以有其他透明且折射率不相等的材料构成，本发明对此不再赘述。
为了使所述反射层220能够实现其反射功能，根据所述感光结构110所采集光线的波段，设置所述反射层220中氧化硅层、氧化钛层以及氧化钽层的厚度和层数。氧化硅层、氧化钛层以及氧化钽层的厚度过大和过小，氧化硅层、氧化钛层以及氧化钽层的层数过多和过少，都可能会影响所述反射层220的反射功能，不利于增加激发电子-空穴对的可能，可能会影响光生载流子产生效率的提高，影响图像传感器的性能。
此外，本实施例中，所述反射层220的覆盖范围大于所述感光结构210的范围，即如图2所示，所露出的感光结构210位于所述反射层220在所述衬底200表面的投影内。
更大的反射层220覆盖范围，能够有效的保证所述反射层220对未吸收光线的反射，减少漏光，能够有效延长光线传播光路，有效增加光子吸收几率和电子-空穴对激发可能，有利于光生载流子产生几率的提高，有利于图像传感器性能的改善。
本实施例中，所述图像传感器还包括：开关器件230，所述开关器件230至少部分位于所述衬底200内；所述反射层220露出所述开关器件230所在区域的衬底200表面。
所述开关器件230用于控制所述感光结构210所产生光生载流子的输出，从而实现对所产生信号的处理。如图2所示，所述开关器件230的栅极结构(图中未标示)凸起于所述衬底200的表面。
所述开关器件230会通过互连结构与外部电路相连，为了避免所述反射层220影响所述开关器件230的性能，降低所述反射层220的不良影响，所述反射层220露出所述开关器件230所在区域。
参考图3，示出了本发明图像传感器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。
所以本实施例中，光线从所述第一面304入射，沿第一面304指向第二面305的方向，部分光线透射所述感光结构310。所述反射层320堆叠于所述感光结构310背向所述第一面304的表面。因此透射所述感光结构310的光线透射至所述反射层320，所形成的反射光再次沿第二面305指向第一面304的方向透射所述感光结构320，从而达到提高光生载流子产生效率的目的。
需要说明的是，本实施例中，所述反射层320为叠层镀膜，而且所述反射层320的材料为介质材料，所以所述反射层320位于所述感光结构310和所述衬底300之间。本发明其他实施例中，所述反射层还可以为金属层或金属氧化物层。在所述反射层为金属层或金属氧化物层时，所述图像传感器还可以包括隔离层，所述隔离层不仅位于所述感光结构和所述反射层之间，还延伸至所述反射层和所述衬底之间。
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 (12)
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
衬底；
感光结构，所述感光结构嵌入所述衬底，从所述衬底的表面露出；
反射层，所述反射层堆叠于所述感光结构背向光线入射方向的表面。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述反射层的反射率大于或等于50％。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述反射层为金属层、金属氧化物层或叠层镀膜。
4.如权利要求1或3所述的图像传感器，其特征在于，所述反射层为金属层；
所述图像传感器还包括：隔离层，所述隔离层至少位于所述反射层和所述感光结构之间。
5.如权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述隔离层的材料包括氧化硅和氮化硅中的一种或两种。
6.如权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述隔离层的厚度在到范围内。
7.如权利要求1或3所述的图像传感器，其特征在于，所述反射层为叠层镀膜；
所述反射层包括氧化硅层、氧化钛层和氧化钽层中的多种。
8.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述反射层的厚度在到范围内。
9.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，通过炉管、蒸镀、化学气相沉积、物理气相沉积和原子层沉积中一种或多种工艺形成所述反射层。
10.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所露出的感光结构与所述反射层在所述衬底表面的投影相重合；或者，所露出的感光结构位于所述反射层在所述衬底表面的投影内。
11.如权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，所露出的感光结构位于所述反射层在所述衬底表面的投影内；
所述图像传感器还包括开关器件，所述开关器件至少部分位于所述衬底内；
所述反射层露出所述开关器件所在区域的衬底表面。
12.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器为背照式图像传感器；
所述衬底具有相背设置的第一面和第二面；
所述感光结构从所述第一面露出；
所述反射层堆叠于所述第一面所露出感光结构的表面；
沿所述第二面指向所述第一面的方向，部分光线透射所述感光结构并投射至所述反射层，经所述反射层反射以形成反射光；
所述反射光沿所述第一面指向所述第二面的方向透射所述感光结构。
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