CN107799540A - 半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了半导体器件。一种半导体器件可以包括：第一传感器，配置为从入射光感测具有在第一波长范围内的波长的光并基于所感测的光产生第一电信号；和第二传感器，配置为从入射光感测具有在不同的第二波长范围内的波长的光并基于所感测的光产生第二电信号。第一传感器和第二传感器可以经由中间连接器彼此电连接，并且第一传感器和第二传感器可以共用经由中间连接器电连接到其的像素电路。第一波长范围和第二波长范围可以分别包括红外波长范围和可见波长范围。第一波长范围和第二波长范围可以包括不同的可见波长范围。

Description

半导体器件
技术领域
本公开涉及配置为被包括在图像传感器中的半导体器件。
背景技术
数码相机、数码摄像机、智能电话、便携式计算机等中使用的图像传感器可以包括互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器、电荷耦合器件(CCD)图像传感器等。图像传感器(例如像素)可以包括感测电路。感测电路可以包括像素阵列及其外围电路、配置为驱动图像传感器的逻辑电路、配置为存储图像感测数据的存储电路等。
在一些情况下，例如在感测电路配置为同时感测颜色波段(color band)的图像和红外(IR)波段的图像的情况下，图像传感器可以包括其中安置像素电路的空间和其中安置IR感测电路的额外空间，该像素电路配置为处理感测到的电信号。
发明内容
一些示例实施方式包括一种半导体器件，该半导体器件配置为包括图像传感器，该图像传感器配置为同时感测颜色波段的图像和红外(IR)波段的图像，其中图像传感器具有减小的尺寸和/或减小的面积。
然而，本公开的示例实施方式不限于这里明确描述的示例实施方式。通过参照下面给出的本公开的详细描述，以上示例实施方式以及未提及的其它示例实施方式对于本公开所属的领域中的普通技术人员将变得更加明显。
根据一些示例实施方式，一种半导体器件可以包括配置为聚焦入射光的透镜、第一传感器、第二传感器、中间连接器和像素电路。第一传感器可以包括配置为感测聚焦的入射光的红外部分的IR光电二极管，聚焦的入射光的红外部分具有在红外波长范围内的波长，IR光电二极管还配置为将聚焦的入射光的所感测的红外部分转换成第一电信号。第一传感器还可以包括配置为从IR光电二极管接收第一电信号的第一节点。第二传感器可以包括配置为感测聚焦的入射光的可见部分的颜色光电二极管(color photodiode)，聚焦的入射光的可见部分具有在可见波长范围内的波长，颜色光电二极管还配置为将聚焦的入射光的所感测的可见部分转换成第二电信号。第二传感器还可以包括配置为从颜色光电二极管接收第二电信号的第二节点。中间连接器可以将第一节点和第二节点彼此电连接。像素电路可以经由中间连接器电连接到第一传感器和第二传感器。
根据一些示例实施方式，一种半导体器件可以包括配置为聚焦入射光的透镜、第一传感器、第二传感器、像素电路和金属接头(metal junction)。第一传感器可以配置为感测聚焦的入射光的红外部分，聚焦的入射光的红外部分具有在红外波长范围内的波长。第一传感器可以进一步配置为将聚焦的入射光的所感测的红外部分转换成第一电信号。第二传感器可以配置为感测聚焦的入射光的可见部分，聚焦的入射光的可见部分具有在可见波长范围内的波长。第二传感器可以进一步配置为将聚焦的入射光的所感测的可见部分转换成第二电信号。像素电路可以电连接到第一传感器和第二传感器。金属接头可以将第一传感器、第二传感器和像素电路彼此电连接。
根据一些示例实施方式，一种半导体器件可以包括配置为聚焦入射光的透镜、第一传感器、第二传感器、像素电路和金属接头。第一传感器可以配置为感测作为聚焦的入射光的第一部分的光，聚焦的入射光的第一部分具有在第一可见波长范围内的波长。第一传感器可以进一步配置为将聚焦的入射光的所感测的第一部分输出为第一电信号。第二传感器可以配置为感测作为聚焦的入射光的第二部分的光，聚焦的入射光的第二部分具有在第二可见波长范围内的波长，第二可见波长范围不同于第一可见波长范围。第二传感器可以进一步配置为将聚焦的入射光的所感测的第二部分转换成第二电信号。像素电路可以电连接到第一传感器和第二传感器。金属接头可以将第一传感器、第二传感器和像素电路彼此电连接。
根据一些示例实施方式，一种半导体器件可以包括第一传感器、第二传感器和像素电路。第一传感器可以配置为感测入射光的第一部分，入射光的第一部分具有在第一波长范围内的波长。第一传感器可以进一步配置为基于入射光的所感测的第一部分产生第一电信号。第二传感器可以经由中间连接器电连接到第一传感器，第二传感器配置为感测入射光的第二部分，入射光的第二部分具有在第二波长范围内的波长，第二波长范围不同于第一波长范围。第二传感器可以进一步配置为基于入射光的所感测的第二部分产生第二电信号。像素电路可以经由中间连接器电连接到第一传感器和第二传感器。
附图说明
通过参照附图详细描述本公开的示例实施方式，本公开的以上和其它的方面和特征将变得更加明显，附图中：
图1是示出根据一些示例实施方式的半导体器件的方框图；
图2是用于说明根据一些示例实施方式的半导体器件的概念图；
图3是示出从图2的半导体器件的线III-III'截取的剖面的图；
图4是用于说明像素电路的示例的电路图；
图5A是用于说明根据一些示例实施方式的半导体器件的概念图；
图5B是示出从图5A的半导体器件的线VB-VB'截取的剖面的图；
图6A是用于说明根据一些示例实施方式的半导体器件的概念图；
图6B是示出从图6A的半导体器件的线VIB-VIB'截取的剖面的图；
图7是用于说明根据一些示例实施方式的半导体器件的概念图；
图8是示出从图7的半导体器件的线VIII-VIII'截取的剖面的图；
图9是用于说明根据一些示例实施方式的半导体器件的概念图；
图10是示出从图9的半导体器件的线X-X'截取的剖面的图；
图11是用于说明根据一些示例实施方式的半导体器件的图；
图12是用于说明根据一些示例实施方式的半导体器件的图；
图13是用于说明根据一些示例实施方式的半导体器件的图；以及
图14是用于说明根据一些示例实施方式的半导体器件的图。
具体实施方式
图1是示出根据一些示例实施方式的半导体器件的方框图。
参照图1，根据一些示例实施方式的半导体器件1可以包括IR传感器110、颜色传感器120、中间连接器200和像素电路300。在本公开的一些示例实施方式中，半导体器件1可以是图像传感器。
IR传感器110可以配置为从通过提供在图像传感器中的透镜聚焦的入射光中感测红外(IR)波段的光。换一个方式叙述，IR传感器110可以是配置为感测聚焦的入射光的一部分的传感器，其中聚焦的入射光的该部分是具有在红外波长范围(这里也称为红外波段)内的波长的光。红外波长范围可以在约700nm与1mm之间。IR传感器110可以配置为感测具有作为IR波长范围的有限部分的波长范围的光，包括近红外光、短波长红外光、中波长红外光、长波长红外光、远红外光、其一些组合等。聚焦的入射光可以是入射在图像传感器的透镜上的光(例如“环境光”)。在一些示例实施方式中，透镜可以包括微透镜。
IR传感器110可以包括一个或更多个IR光电二极管和浮置扩散(FD)节点，并且一个或更多个IR光电二极管配置为监测(例如“感测”)通过透镜聚集的入射光的具有IR波长范围内的波长的部分。所述一个或更多个IR光电二极管可以配置为将所感测的光转换成电信号。光到电信号的这样的转换也可以在这里被称为基于感测光产生电信号。该电信号可以施加到FD节点，可以传输到稍后描述的像素电路，并可以作为图像感测数据的实例输出。
颜色传感器120可以配置为从通过提供在图像传感器中的透镜聚焦的入射光中感测颜色波段的光。换一个方式叙述，颜色传感器120可以是配置为感测聚焦的入射光的一部分的传感器，其中聚焦的入射光的该部分是具有在可见波长范围(这里也被称为可见波段)内的波长的光。可见波长范围可以在约400nm与约700nm之间。颜色传感器120可以配置为感测具有作为可见波长范围的有限部分的波长范围的光，包括具有特定“颜色”的光。在一些示例实施方式中，颜色波段(例如入射光的所感测部分的波长范围)的光可以例如包括红色波段、绿色波段和蓝色波段中的至少一个。此外，在一些示例实施方式中，颜色波段还可以包括黑色波段和白色波段。
颜色传感器120包括一个或更多个颜色光电二极管和浮置扩散(FD)节点，所述一个或更多个颜色光电二极管配置为从通过透镜聚焦的(“入射”)光中监测(“感测”)颜色波段的光，并被配置为将所述光转换成电信号(例如基于所感测的光产生电信号)。所转换的电信号被施加到FD节点，传输到稍后描述的像素电路，并作为图像感测数据输出。
为了使颜色光电二极管能够将所需波段的颜色转换成电信号，半导体器件1还可以包括在颜色传感器120与透镜之间的滤色器。在一些示例实施方式中，滤色器可以包括包含拜耳(Bayer)、RGB、RWB和RGBW中的一种或更多种的滤色器，但是本公开的范围不限于此。
由IR传感器110的IR光电二极管转换的电信号以及由颜色传感器120的颜色光电二极管转换的电信号通过中间连接器200传输到像素电路300。
像素电路300配置为输出通过中间连接器200传输的电信号作为图像感测数据。在图1中，尽管像素电路300被示出为包括在半导体器件1中，但是根据一些示例实施方式，像素电路300也可以设置在半导体器件1外面。
在一些示例实施方式中，感测电路配置为同时感测颜色波段的图像(例如基于感测入射光的可见部分而感测图像)和IR波段的图像(例如基于感测入射光的红外部分而感测图像)。半导体器件1可以包括用于像素电路300的空间以使得半导体器件1能够处理感测到的电信号，并且还可以包括用于IR感测电路的区域的空间。
在一些示例实施方式中，IR传感器110和颜色传感器120可以基于彼此垂直地或基本上垂直地(例如在制造公差和/或材料公差内垂直地)层叠而形成。例如，当与将IR传感器和颜色传感器形成为单个层的情况相比时，因为颜色传感器120和IR传感器110可以形成为独立的层，所以可以进一步确保半导体器件1包括用于IR传感器110(即IR感测电路)的区域的空间。在一些示例实施方式(包括图1所示的示例实施方式)中，IR传感器110和颜色传感器120基于被包括在分层结构的单独的层中而彼此“重叠”，使得IR传感器110和颜色传感器120两者在半导体器件1的共同的“占地面积(footprint)”区域上。结果，可以减小由IR传感器110和颜色传感器120占据的半导体器件1的总面积，从而减小半导体器件1的尺寸。半导体器件的减小的尺寸可以指的是半导体器件在一个或更多个平面中的减小的面积。因此，可以提高IR感测的质量。
在一些示例实施方式中，IR传感器110和颜色传感器120通过中间连接器200共用像素电路300。因此，还可以进一步减小半导体器件1的尺寸，并且可以充分确保用于在半导体器件1中嵌入像素电路300的空间。
在下文，将描述一些示例实施方式。
图2是用于说明根据一些示例实施方式的半导体器件的概念图。
参照图2，根据一些示例实施方式的半导体器件2包括IR传感器110、颜色传感器120和中间连接器200。
如上所述，IR传感器110包括FD节点201，经由IR光电二极管从IR波段的光转换的电信号被施加到FD节点201。
如上所述，颜色传感器120包括FD节点202，经由颜色光电二极管从颜色波段的光转换的电信号被施加到FD节点202。
FD节点201和FD节点202经由中间连接器200而彼此电连接。
图2示出其中颜色传感器120具有四个像素121并且IR传感器110具有四个像素111的配置。在一些示例实施方式(包括图2所示的示例实施方式)中，颜色传感器120和IR传感器110的分辨率彼此相等。在一些示例实施方式中，颜色传感器120和IR传感器110的分辨率彼此不相等。
在图2中，颜色传感器120的四个像素121的每个包括单个颜色光电二极管。然而，在图2所示的示例实施方式中，颜色传感器120的每个像素121对应于稍后将描述的滤色器的单个像素。换言之，颜色传感器120的每个像素121对应于稍后将描述的单个透镜。为了方便起见，这样的颜色传感器120将被称为1PD型颜色传感器。
类似地，图2的IR传感器110的四个像素111的每个包括单个IR光电二极管。然而，在本实施方式中，IR传感器110的每个像素111对应于稍后将描述的滤色器的单个像素。换言之，IR传感器110的每个像素111对应于稍后将描述的单个透镜。为了方便起见，这样的IR传感器110将被称为1PD型IR传感器。
图3是示出从图2的半导体器件的线III-III'截取的剖面的图。
参照图3，图2的半导体器件2包括IR传感器110、布线层210和220、颜色传感器120、绝缘层130、滤色器140a和140b以及透镜150a和150b。
在此实施方式中，IR传感器110是被提供为1PD型的IR传感器。
具体地，IR传感器110包括第一IR光电二极管IR PD1和第二IR光电二极管IR PD2，第一IR光电二极管IR PD1对应于滤色器140a，第二IR光电二极管IR PD2对应于滤色器140b。换言之，第一IR光电二极管IR PD1对应于透镜150a，第二IR光电二极管IR PD2对应于透镜150b。
第一IR光电二极管IR PD1可以配置为感测由第一滤色器140a过滤的光的至少一部分，第二IR光电二极管IR PD2可以配置为感测由第二滤色器140b过滤的光的至少一部分。第一滤色器140a可以配置为从聚焦的入射光的可见部分过滤与第一可见波长范围相关联的光。第二滤色器140b可以配置为从聚焦的入射光的可见部分过滤与第二可见波长范围相关联的光。
此外，IR传感器110包括FD节点201，通过第一IR光电二极管IR PD1和第二IR光电二极管IR PD2从IR波段的光转换的电信号被施加到FD节点201。
另外，颜色传感器120是被提供为1PD型的颜色传感器。
具体地，颜色传感器120包括第一颜色光电二极管PD1和第二颜色光电二极管PD2，第一颜色光电二极管PD1对应于滤色器140a，第二颜色光电二极管PD2对应于滤色器140b。换言之，第一颜色光电二极管PD1对应于透镜150a，第二颜色光电二极管PD2对应于透镜150b。
第一颜色光电二极管PD1可以配置为感测由第一滤色器140a过滤的光的至少一部分，第二颜色光电二极管PD2可以配置为感测由第二滤色器140b过滤的光的至少一部分。例如，如果第一滤色器140a配置为过滤可见入射光的第一有限部分和/或当第一滤色器140a配置为过滤可见入射光的第一有限部分时(该第一有限部分包括具有在第一可见波长范围内的波长的光)，第一颜色光电二极管PD1可以配置为感测由第一滤色器140a过滤的与第一可见波长范围相关联的光。在另一示例中，如果第二滤色器140b配置为过滤可见入射光的第二(不同的)有限部分和/或当第二滤色器140b配置为过滤可见入射光的第二(不同的)有限部分时(该第二有限部分包括具有在第二(不同的)可见波长范围内的波长的光)，第二颜色光电二极管PD2可以配置为感测由第二滤色器140b过滤的与第二可见波长范围相关联的光。
颜色传感器120包括FD节点202，通过第一颜色光电二极管PD1和第二颜色光电二极管PD2从颜色波段的光转换的电信号被施加到FD节点202。
在一些示例实施方式中，第一IR光电二极管IR PD1设置在第一颜色光电二极管PD1下面，第二IR光电二极管IR PD2可以设置在第二颜色光电二极管PD2下面。这样的设置可以被称为“重叠”。例如，在图3所示的示例实施方式中，第一IR光电二极管IR PD1可以与第一颜色光电二极管PD1重叠(例如相对于透镜150a和/或第一滤色器140a重叠)，第二IR光电二极管IR PD2可以与第二颜色光电二极管PD2重叠(例如相对于透镜150b和/或第二滤色器140b重叠)。这样的重叠可以被称为“垂直地重叠”、“在相对于IR传感器110和颜色传感器120中的至少一个可通过其延伸的平面垂直或基本上垂直的方向上重叠”、其一些组合等。当在这里提及时，“基本上垂直”将被理解为包括“在制造公差和/或材料公差内垂直”。
当具体地描述图2的中间连接器200时，中间连接器200包括导电接合部203和204以及金属接头205和206。在一些示例实施方式中，金属接头205和206可以通过Cu-Cu接合而形成，但是本公开的范围不限于此。
层215和225(层215和225的每个包括绝缘材料)围绕金属接头205和206形成，包括绝缘材料的层213和223围绕导电接合部203和204形成。层213和223可以根据需要包括传输门(transmission gate)217和227。
FD节点201和FD节点202通过导电接合部203、金属接头205、金属接头206和导电接合部204而彼此电接合(例如彼此电连接)。此外，导电接合部310也形成在导电接合部203和204中的一个与像素电路300之间。
当与将IR传感器和颜色传感器形成为单个层的情况相比时，因为IR传感器110和颜色传感器120形成为垂直地层叠(例如在垂直或基本上垂直于IR传感器110和颜色传感器120中的至少一个通过其延伸的平面的方向上层叠)的独立的层，所以可以进一步确保IR传感器110(即IR感测电路)的面积。换一个方式叙述，在一些示例实施方式(包括图2和图3所示的示例实施方式)中，IR传感器110和颜色传感器120基于被包括在分层结构的单独的层中而彼此“重叠”，使得IR传感器110和颜色传感器120两者在半导体器件2的共同的“占地面积”区域上(例如两者占据半导体器件2的共同的“占地面积”区域)。结果，可以减小由IR传感器110和颜色传感器120占据的半导体器件2的总面积，从而减小半导体器件2的尺寸。因此，可以提高由半导体器件2实现的IR感测功能的质量。此外，IR传感器110和颜色传感器120通过包括导电接合部203、金属接头205、金属接头206和导电接合部204的中间连接器200而共用像素电路300。因此，也可以减小半导体器件2的尺寸，并且可以充分地确保用于将像素电路300嵌入在半导体器件2中的空间。
在一些示例实施方式中，颜色传感器120是第二IR传感器，并且单独的传感器110和120可以配置为感测由透镜150a和150b聚焦的入射光的单独部分，其中入射光的单独部分具有在红外波长范围的不同波长范围内的波长。例如，在图3所示的示例实施方式中，IR传感器110可以配置为感测具有在近IR波长范围内的波长的光，传感器120可以配置为感测具有在远IR波长范围内的波长的光。
图4是用于说明像素电路的示例的电路图。
参照图4，像素电路300包括复位晶体管TR1、跟踪晶体管TR2和选择晶体管TR3。
图3中描述的传输门217和227可以配置为分别选择和传输第一IR光电二极管IRPD1和第二IR光电二极管IR PD2以及第一颜色光电二极管PD1和第二颜色光电二极管PD2的每个输出，并且该输出可以经由形成在导电接合部203和204中的一个与像素电路300之间的导电接合部310被传输到像素电路300。
跟踪晶体管TR2可以配置为根据经由导电接合部施加到栅极的电信号而通过漏极输出(Vout)被光电转换的电信号。施加到跟踪晶体管TR2的栅极的电信号可以是从传输门217和227中的至少一个传输的输出。选择晶体管TR3配置为导通/关断该输出，复位晶体管TR1旨在复位像素电路300。
然而，应注意，在此示例中描述的电路配置仅是用来提供像素电路300的示例，并且本公开的范围不限于此。
图5A是用于说明根据一些示例实施方式的半导体器件的概念图。
参照图5A，根据一些示例实施方式的半导体器件3包括IR传感器110、颜色传感器120和中间连接器200。
图5A所示的示例实施方式可以与图2所示的示例实施方式不同在于，图2所示的该实施方式的颜色传感器120包括四个像素121并且图2所示的该实施方式的IR传感器110包括四个像素111，但是图5A所示的该实施方式的颜色传感器120包括四个像素121并且图5A所示的该实施方式的IR传感器110包括单个像素111。也就是，图5A所示的示例实施方式对应于其中颜色传感器120和IR传感器110的分辨率彼此不同的情况。
图5B是示出从图5A的半导体器件的线VB-VB'截取的剖面的图。
参照图5B，图5A的半导体器件3包括IR传感器110、布线层210和220、颜色传感器120、绝缘层130、滤色器140a和140b以及透镜150a和150b。
在一些示例实施方式(包括图5B所示的示例实施方式)中，颜色传感器120是被提供为1PD型的颜色传感器。
例如，颜色传感器120可以包括第一颜色光电二极管PD1和第二颜色光电二极管PD2(第一颜色光电二极管PD1对应于滤色器140a，第二颜色光电二极管PD2对应于滤色器140b)，使得第一颜色光电二极管PD1可以配置为感测由第一滤色器140a过滤的光的至少一部分并且第二颜色光电二极管PD2可以配置为感测由第二滤色器140b过滤的光的至少一部分。换言之，第一颜色光电二极管PD1对应于透镜150a，第二颜色光电二极管PD2对应于透镜150b。
在一些示例实施方式(包括图5B所示的示例实施方式)中，IR传感器110包括单个IR光电二极管IR PD。单个IR光电二极管IR PD可以设置为在第一颜色光电二极管PD1和第二颜色光电二极管PD2下面在水平方向上延伸，使得单个IR光电二极管可以配置为接收(“感测”)通过滤色器140a和140b中的任一个过滤的光。单个IR光电二极管IR PD对应于透镜150a和透镜150b两者，使得单个IR光电二极管可以配置为接收(“感测”)通过透镜150a和透镜150b中的任一个接收和/或聚焦的IR光。
当具体地描述图5A的中间连接器200时，如在图2和图3中所述的，中间连接器200可以包括导电接合部203和204以及金属接头205和206。层215和225(层215和225的每个层包括绝缘材料)围绕金属接头205和206形成，包括绝缘材料的层213和223围绕导电接合部203和204形成。层213和223可以根据需要包括传输门217和227。
FD节点201和FD节点202通过导电接合部203、金属接头205、金属接头206和导电接合部204电接合在一起。此外，导电接合部310也形成在导电接合部203和204中的一个与像素电路300之间。
当与将IR传感器和颜色传感器形成为单个层的情况相比时，因为IR传感器110和颜色传感器120形成为垂直地层叠(例如在垂直或基本上垂直于IR传感器110和颜色传感器120中的至少一个通过其延伸的平面的方向上层叠)的独立的层，所以可以进一步确保IR传感器110(即IR感测电路)的面积。换一个方式叙述，在一些示例实施方式(包括图5A和图5B所示的示例实施方式)中，IR传感器110和颜色传感器120基于被包括在分层结构的单独的层中而彼此“重叠”，使得IR传感器110和颜色传感器120两者在半导体器件的共同的“占地面积”区域上(例如两者占用半导体器件的共同的“占地面积”区域)。结果，可以减小由IR传感器110和颜色传感器120占据的半导体器件3的总面积，从而减小半导体器件3的尺寸。因此，可以提高由半导体器件3实现的IR感测功能的质量。此外，IR传感器110和颜色传感器120通过包括导电接合部203、金属接头205、金属接头206和导电接合部204的中间连接器200而共用(例如每个电连接到)像素电路300。因此，也可以减小半导体器件3的尺寸，并且可以充分地确保用于将像素电路300嵌入在半导体器件3中的空间。
图6A是用于说明根据一些示例实施方式的半导体器件的概念图，图6B是示出从图6A的半导体器件的线VIB-VIB'截取的剖面的图。
参照图6A和6B，类似于图5A，根据一些示例实施方式的半导体器件3'包括IR传感器110、颜色传感器120和中间连接器200，并对应于其中颜色传感器120和IR传感器110的分辨率彼此不同的情况。
图6A所示的示例实施方式可以与图5A所示的示例实施方式不同在于，图6A所示的该实施方式的连接到中间连接器200的FD节点201可以位于IR传感器110的拐角区域中，而不是位于IR传感器110的中间区域(例如IR传感器的中心区域)中(如图5A所示的示例实施方式中)。
在图6A所示的示例实施方式中，IR传感器110包括单个IR光电二极管IR PD。单个IR光电二极管IR PD可以设置为在第二颜色光电二极管PD2下面在水平方向上延伸。在一些示例实施方式(包括图6A所示的示例实施方式)中，并且如图6B中进一步示出地，单个IR光电二极管IR PD可以对应于透镜150b并可以隔开而不对应于透镜150a，使得单个IR光电二极管IR PD被配置为接收由透镜150b聚焦的IR光，并被配置为隔开而不接收由透镜150a聚焦的IR光。当与将IR传感器和颜色传感器形成为单个层的情况相比时，因为IR传感器110和颜色传感器120形成为垂直地层叠(例如在垂直或基本上垂直于IR传感器110和颜色传感器120中的至少一个通过其延伸的平面的方向上层叠)的独立的层，所以可以进一步确保IR传感器110(即IR感测电路)的面积。换一个方式叙述，在一些示例实施方式(包括图6A和图6B所示的示例实施方式)中，IR传感器110和颜色传感器120基于被包括在分层结构的单独的层中而至少部分地彼此“重叠”，使得IR传感器110和颜色传感器120两者至少部分地在半导体器件3'的共同的“占地面积”区域上(例如两者至少部分地占据半导体器件3'的共同的“占地面积”区域)。结果，可以减小由IR传感器110和颜色传感器120占据的半导体器件3'的总面积，从而减小半导体器件3'的尺寸。因此，可以提高由半导体器件3'实现的IR感测功能的质量。此外，IR传感器110和颜色传感器120通过包括导电接合部203、金属接头205、金属接头206和导电接合部204的中间连接器200而共用像素电路300。因此，也可以减小半导体器件3'的尺寸，并且可以充分地确保将像素电路300嵌入在半导体器件3'中的空间。
图7是用于说明根据一些示例实施方式的半导体器件的概念图。
参照图7，根据一些示例实施方式的半导体器件4包括IR传感器110、颜色传感器120以及中间连接器200a和200b。
如上所述，IR传感器110包括FD节点201a和201b，经由IR光电二极管从IR波段的光转换的电信号可以施加到FD节点201a和201b。
如上所述，颜色传感器120包括FD节点202a和202b，经由颜色光电二极管从颜色波段的光转换的电信号可以施加到FD节点202a和202b。
FD节点201a和201b以及FD节点202a和202b分别通过中间连接器200a和200b彼此电连接。
图7示出其中颜色传感器120具有八个像素121并且IR传感器110具有四个像素111的配置。图7所示的示例实施方式包括半导体器件4，半导体器件4包括颜色传感器120和IR传感器110，其中颜色传感器120和IR传感器110的分辨率彼此不同。
在一些示例实施方式(包括图7所示的示例实施方式)中，颜色传感器120的八个像素121的每个包括单个颜色光电二极管。在一些示例实施方式中，颜色传感器120的两个像素121的每个对应于稍后将描述的滤色器的单个像素。换言之，颜色传感器120的八个像素121当中的颜色传感器120的两个像素121的每个(例如颜色传感器120的像素的有限部分)对应于稍后将描述的单个透镜。为了方便起见，这样的颜色传感器120将被称为2PD型颜色传感器。
在一些示例实施方式(包括图7所示的示例实施方式)中，IR传感器110与其中IR传感器110的每个像素对应于稍后将描述的单个透镜的1PD型IR传感器相关。
图8是示出从图7的半导体器件的线VIII-VIII'截取的剖面的图。
参照图8，图7的半导体器件4包括IR传感器110、布线层210和220、颜色传感器120、绝缘层130、滤色器140和透镜150。
在图8所示的示例实施方式中，颜色传感器120是被提供为2PD型的颜色传感器，其中颜色传感器120包括像素121。
具体地，颜色传感器120包括第一颜色光电二极管PD1和第二颜色光电二极管PD2，第一颜色光电二极管PD1和第二颜色光电二极管PD2被包括在单独的像素121中，并且第一颜色光电二极管PD1和第二颜色光电二极管PD2两者对应于滤色器140，使得第一颜色光电二极管PD1和第二颜色光电二极管PD2可以配置为感测由滤色器140过滤的光的一部分。在一些示例实施方式中，第一颜色光电二极管PD1和第二颜色光电二极管PD2可以配置为感测由滤色器140过滤的光的单独部分(例如波长范围)。当在这里提及时，“由”过滤器“过滤”的光指的是穿过过滤器的光。换言之，第一颜色光电二极管PD1和第二颜色光电二极管PD2两者对应于透镜150。
在图8所示的示例实施方式中，IR传感器110包括单个IR光电二极管IR PD。单个IR光电二极管IR PD可以设置为在第一颜色光电二极管PD1和第二颜色光电二极管IR PD2下面在水平方向上延伸。此外，单个IR光电二极管IR PD对应于透镜150。
当具体地描述图7的中间连接器200a和200b时，如图2和图3所示，中间连接器200a和200b包括导电接合部203和204以及金属接头205和206。层215和225(层215和225的每个层包括绝缘材料)围绕金属接头205和206形成，包括绝缘材料的层213和223围绕导电接合部203和204形成。层213和223可以根据需要包括传输门217和227。
FD节点201a和201b和FD节点202a和202b分别通过导电接合部203、金属接头205、金属接头206和导电接合部204彼此电连接。此外，导电接合部310也形成在导电接合部203和204中的一个与像素电路300之间。
当与将IR传感器和颜色传感器形成为单个层的情况相比时，因为IR传感器110和颜色传感器120形成为垂直地层叠(例如在垂直或基本上垂直于IR传感器110和颜色传感器120中的至少一个通过其延伸的平面的方向上层叠)的独立的层，所以可以进一步确保IR传感器110(即IR感测电路)的面积。换一个方式叙述，在一些示例实施方式(包括图7-图8所示的示例实施方式)中，IR传感器110和颜色传感器120基于被包括在分层结构的单独的层中而彼此“重叠”，使得IR传感器110和颜色传感器120两者在半导体器件4的共同的“占地面积”区域上(例如两者占据半导体器件4的共同的“占地面积”区域)。结果，可以减小由IR传感器110和颜色传感器120占据的半导体器件4的总面积，从而减小半导体器件4的尺寸。因此，可以提高由半导体器件4实现的IR感测功能的质量。此外，IR传感器110和颜色传感器120通过包括导电接合部203、金属接头205、金属接头206和导电接合部204的中间连接器200而共用像素电路300。因此，也可以减小半导体器件4的尺寸，并且可以充分地确保用于将像素电路300嵌入在半导体器件4中的空间。
图9是用于说明根据一些示例实施方式的半导体器件的概念图，图10是示出从图9的半导体器件的线X-X'截取的剖面的图。
在一些示例实施方式(包括图9-图10所示的示例实施方式)中，半导体器件5包括IR传感器110、颜色传感器120和中间连接器200a至200d，并且当与至少图7-图8所示的示例实施方式(其中中间连接器200a至200b分别在颜色传感器120的四个像素121的交叉点上)相比时，中间连接器200a至200d分别形成在颜色传感器120的两个像素121的相交边缘的中心处。因此，在图10的剖面中，示出了第一颜色光电二极管PD1、第二颜色光电二极管PD2和单个IR光电二极管IR PD的剖面。
图11是用于说明根据一些示例实施方式的半导体器件的图。
参照图11，根据一些示例实施方式的半导体器件包括透镜150、IR传感器110、颜色传感器120和像素电路320。
也就是，图11所示的示例实施方式与前述附图中示出的示例实施方式不同在于，由IR传感器110和颜色传感器120共用的像素电路320通过与IR传感器110和颜色传感器120垂直地层叠而形成。
具体地，应注意，IR传感器110、颜色传感器120和像素电路320经由至少一个金属接头彼此电连接。在一些示例实施方式中，所述至少一个金属接头可以通过Cu-Cu接合而形成，但是本公开的范围不限于此。
在一些示例实施方式中，颜色传感器120和IR传感器110经由金属接头424和114彼此电连接。在一些示例实施方式中，金属接头424可以经由导电接合部422a至422c电连接到FD节点122。在一些示例实施方式中，金属接头114可以经由导电接合部116、412b和412a连接到FD节点112。
在一些示例实施方式中，IR传感器110和像素电路320经由金属接头414和334彼此电连接。在一些示例实施方式中，金属接头414可以经由导电接合部412a至412c电连接到FD节点112。在一些示例实施方式中，金属接头334可以经由导电接合部332连接到FD节点322。
图12是用于说明根据一些示例实施方式的半导体器件的图。
参照图12，根据一些示例实施方式的半导体器件包括透镜150、第一颜色传感器160、第二颜色传感器170、第三颜色传感器180和像素电路320。
一些示例实施方式(包括图12所示的示例实施方式)与前述附图中示出的示例实施方式不同在于，图12所示的示例实施方式包括通过将颜色传感器层叠在一起而形成的多个颜色传感器160、170、180。在一些示例实施方式中，颜色传感器的数目(“数量”)被示出为三个，但是本公开的范围不限于此。
具体地，应注意，第一颜色传感器160、第二颜色传感器170、第三颜色传感器180和像素电路320经由至少一个金属接头彼此电连接。在一些示例实施方式中，所述至少一个金属接头可以通过Cu-Cu接合而形成，但是本公开的范围不限于此。
例如，第三颜色传感器180和第二颜色传感器170经由金属接头484和174彼此电连接。在一些示例实施方式中，金属接头484可以经由导电接合部482a至482c电连接到FD节点182。在一些示例实施方式中，金属接头174可以经由导电接合部176、472b和472a连接到FD节点172。
在一些示例实施方式中，第二颜色传感器170和第一颜色传感器160经由金属接头474和164彼此电连接。此时，金属接头474可以经由导电接合部472a至472c电连接到FD节点172。此外，金属接头164可以经由导电接合部166、462b和462a连接到FD节点162。
在一些示例实施方式中，第一颜色传感器160和像素电路320经由金属接头464和334彼此电连接。在一些示例实施方式中，金属接头464可以经由导电接合部462a至462c电连接到FD节点162。在一些示例实施方式中，金属接头334可以经由导电接合部332连接到FD节点322。
图13是用于说明根据一些示例实施方式的半导体器件的图。
参照图13，根据一些示例实施方式的半导体器件包括透镜150、IR传感器110、第一颜色传感器160、第二颜色传感器170、第三颜色传感器180和像素电路320。
也就是，一些示例实施方式与前述示例实施方式的不同在于，由IR传感器110和第一至第三颜色传感器160、170和180共用的像素电路320通过与IR传感器110以及第一至第三颜色传感器160、170和180垂直地层叠而形成。
具体地，应注意，IR传感器110、第一颜色传感器160、第二颜色传感器170、第三颜色传感器180和像素电路320经由金属接头彼此电连接。在一些示例实施方式中，金属接头可以通过Cu-Cu接合而形成，但是本公开的范围不限于此。
例如，第三颜色传感器180和第二颜色传感器170经由金属接头484和174彼此电连接。此时，金属接头484可以经由导电接合部482a至482c电连接到FD节点182。此外，金属接头174可以经由导电接合部176、472b和472a连接到FD节点172。
在一些示例实施方式中，第二颜色传感器170和第一颜色传感器160经由金属接头474和164彼此电连接。在一些示例实施方式中，金属接头474可以经由导电接合部472a至472c电连接到FD节点172。在一些示例实施方式中，金属接头164可以经由导电接合部166、462b和462a连接到FD节点162。
在一些示例实施方式中，第一颜色传感器160和IR传感器110经由金属接头464和114彼此电连接。在一些示例实施方式中，金属接头464可以经由导电接合部462a至462c电连接到FD节点162。在一些示例实施方式中，金属接头114可以经由导电接合部116、412b和412a连接到FD节点112。
在一些示例实施方式中，IR传感器110和像素电路320经由金属接头414和334彼此电连接。在一些示例实施方式中，金属接头414可以经由导电接合部412a至412c电连接到FD节点112。在一些示例实施方式中，金属接头334可以经由导电接合部332连接到FD节点322。
图14是用于说明根据一些示例实施方式的半导体器件的图。
参照图14，根据一些示例实施方式的半导体器件包括透镜150、IR传感器110、第一颜色传感器160、第二颜色传感器170和第三颜色传感器180，像素电路320被提供在该半导体器件外面。
具体地，应注意，IR传感器110、第一颜色传感器160、第二颜色传感器170和第三颜色传感器180经由金属接头彼此电连接。在本公开的一些示例实施方式中，金属接头可以通过Cu-Cu接合而形成，但是本公开的范围不限于此。
例如，第三颜色传感器180和第二颜色传感器170经由金属接头484和174彼此电连接。在一些示例实施方式中，金属接头484可以经由导电接合部482a至482c电连接到FD节点182。在一些示例实施方式中，金属接头174可以经由导电接合部176、472b和472a连接到FD节点172。
在一些示例实施方式中，第二颜色传感器170和第一颜色传感器160经由金属接头474和164彼此电连接。在一些示例实施方式中，金属接头474可以经由导电接合部472a至472c电连接到FD节点172。在一些示例实施方式中，金属接头164可以经由导电接合部166、462b和462a连接到FD节点162。
在一些示例实施方式中，第一颜色传感器160和IR传感器110经由金属接头464和414彼此电连接。在一些示例实施方式中，金属接头464可以经由导电接合部462a至462c电连接到FD节点162。在一些示例实施方式中，金属接头414可以经由导电接合部412连接到FD节点112。
在一些示例实施方式(包括先前描述的图11至图14的示例实施方式)中，取决于提供目的，IR传感器和颜色传感器也可以被提供为1PD型并且也可以被提供为2PD型。
此外，在一些示例实施方式中，半导体器件还可以包括逻辑电路、存储电路等。逻辑电路(例如处理器)可以包括配置为控制图像传感器的操作和/或控制与外部的通信的电路，包括感测电路。存储电路(例如存储器)可以包括电路，该电路配置为存储图像感测数据和/或可由逻辑电路执行的指令的程序以操作一些示例实施方式的半导体器件的一个或更多个元件。
根据一些示例实施方式，半导体器件包括IR传感器和颜色传感器，其中IR传感器和颜色传感器通过彼此垂直地层叠而形成。也就是，当与将IR传感器和颜色传感器形成为单个层的情况相比时，因为IR传感器和颜色传感器形成为独立的层，所以可以进一步确保IR感测电路的面积。因此，可以提高由半导体器件实现的IR感测功能的质量。
在一些示例实施方式中，IR传感器和颜色传感器通过中间连接器共用像素电路。因此，也可以减小半导体器件的尺寸，并且可以充分地确保用于将像素电路嵌入在半导体器件中的空间。
在一些示例实施方式中，至少一个透镜可以不存在于半导体器件中。例如，在图3所示的示例实施方式中，透镜150a和150b可以不存在于半导体器件1中，使得半导体器件1上的并因此被包括在其中的一个或更多个传感器、光电二极管等感测的入射光不是已经由一个或更多个透镜聚焦的聚焦入射光。
尽管已经参照本公开的示例实施方式具体示出和描述了本公开，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种变化，而没有背离由权利要求书限定的本公开的精神和范围。示例实施方式应当仅以描述性的含义来考虑，而不是为了限制的目的。
本申请要求于2016年9月2日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0113000号的优先权，其公开内容通过引用整体地结合于此。

Claims (20)

1.一种半导体器件，包括：
透镜，配置为聚焦入射光；
第一传感器，包括，
红外光电二极管，配置为感测聚焦的入射光的红外部分，所述聚焦的入射光的所述红外部分具有在红外波长范围内的波长，所述红外光电二极管还配置为将所述聚焦的入射光的感测到的红外部分转换为第一电信号，和
第一节点，配置为从所述红外光电二极管接收所述第一电信号；
第二传感器，包括
颜色光电二极管，配置为感测所述聚焦的入射光的可见部分，所述聚焦的入射光的所述可见部分具有在可见波长范围内的波长，所述颜色光电二极管还配置为将所述聚焦的入射光的感测到的可见部分转换成第二电信号，和
第二节点，配置为从所述颜色光电二极管接收所述第二电信号，中间连接器，将所述第一节点和所述第二节点彼此电连接，以及
像素电路，经由所述中间连接器电连接到所述第一传感器和所述第二传感器。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述中间连接器包括金属接头，所述金属接头配置为将所述第一节点和所述第二节点电连接。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括：
第一滤色器，配置为从所述聚焦的入射光的所述可见部分过滤与第一可见波长范围相关联的光；和
第二滤色器，配置为从所述聚焦的入射光的所述可见部分过滤与第二可见波长范围相关联的光，
其中所述第二传感器的所述颜色光电二极管包括，
第一颜色光电二极管，与所述第一滤色器重叠并对应于所述第一滤色器，使得所述第一颜色光电二极管配置为感测由所述第一滤色器过滤的与所述第一可见波长范围相关联的光；和
第二颜色光电二极管，与所述第二滤色器重叠并对应于所述第二滤色器，使得所述第二颜色光电二极管配置为感测由所述第二滤色器过滤的与所述第二可见波长范围相关联的光。
4.根据权利要求3所述的半导体器件，其中所述第一传感器的所述红外光电二极管包括，
第一红外光电二极管，与所述第一颜色光电二极管重叠并对应于所述第一滤色器，使得所述第一红外光电二极管配置为感测由所述第一滤色器过滤的与所述第一可见波长范围相关联的光的红外部分；和
第二红外光电二极管，与所述第二颜色光电二极管重叠并对应于所述第二滤色器，使得所述第二红外光电二极管配置为感测由所述第二滤色器过滤的与所述第二可见波长范围相关联的光的红外部分。
5.根据权利要求3所述的半导体器件，其中所述第一传感器的所述红外光电二极管包括，
单个红外光电二极管，与所述第一颜色光电二极管和所述第二颜色光电二极管两者重叠，所述单个红外光电二极管对应于所述第一滤色器和所述第二滤色器，使得所述单个红外光电二极管配置为感测由所述第一滤色器过滤的与所述第一可见波长范围相关联的光和由所述第二滤色器过滤的与所述第二可见波长范围相关联的光两者的红外部分。
6.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括：
第一滤色器，配置为从所述聚焦的入射光的所述可见部分过滤与第一可见波长范围相关联的光，
其中所述第二传感器的所述颜色光电二极管包括与所述第一滤色器重叠并对应于所述第一滤色器的多个第一颜色光电二极管，使得所述第一颜色光电二极管的每个配置为感测由所述第一滤色器过滤的与所述第一可见波长范围相关联的光。
7.根据权利要求6所述的半导体器件，其中所述第一传感器的所述红外光电二极管包括，
单个红外光电二极管，与所述多个第一颜色光电二极管的每个第一颜色光电二极管重叠，所述单个红外光电二极管对应于所述第一滤色器，使得所述第一红外光电二极管配置为感测由所述第一个滤色器过滤的与所述第一可见波长范围相关联的光的红外部分。
8.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第二传感器包括层叠在一起的多个颜色传感器，所述多个颜色传感器配置为感测具有在不同的可见波长范围内的波长的光。
9.一种半导体器件，包括：
透镜，配置为聚焦入射光；
第一传感器，配置为感测作为聚焦的入射光的第一部分的光，所述聚焦的入射光的所述第一部分具有在第一可见波长范围内的波长，所述第一传感器还配置为将所述聚焦的入射光的所感测的第一部分输出为第一电信号；
第二传感器，配置为感测作为所述聚焦的入射光的第二部分的光，所述聚焦的入射光的所述第二部分具有在第二可见波长范围内的波长，所述第二可见波长范围不同于所述第一可见波长范围，所述第二传感器还配置为将所述聚焦的入射光的所感测的第二部分转换成第二电信号；
像素电路，电连接到所述第一传感器和所述第二传感器；以及
金属接头，将所述第一传感器、所述第二传感器和所述像素电路彼此电连接。
10.根据权利要求9所述的半导体器件，其中所述金属接头包括Cu-Cu接合。
11.根据权利要求9所述的半导体器件，还包括：
第一滤色器，配置为过滤所述聚焦的入射光的所述第一部分；和
第二滤色器，配置为过滤所述聚焦的入射光的所述第二部分，
其中所述第二传感器包括，
第一颜色光电二极管，与所述第一滤色器重叠并对应于所述第一滤色器，使得所述第一颜色光电二极管配置为感测所述聚焦的入射光的所述第一部分；和
第二颜色光电二极管，与所述第二滤色器重叠并对应于所述第二滤色器，使得所述第二颜色光电二极管配置为感测所述聚焦的入射光的所述第二部分。
12.根据权利要求9所述的半导体器件，还包括：
第一滤色器，配置为过滤所述聚焦的入射光的所述第一部分，
其中所述第二传感器包括与所述第一滤色器重叠并对应于所述第一滤色器的多个第一颜色光电二极管，使得每个所述第一颜色光电二极管配置为感测所述聚焦的入射光的所述第一部分。
13.根据权利要求9所述的半导体器件，还包括：
第三传感器，配置为感测所述聚焦的入射光的红外部分，所述聚焦的入射光的所述红外部分具有在红外波长范围内的波长，所述第三传感器还配置为将所述聚焦的入射光的所感测的红外部分输出为第三电信号。
14.根据权利要求9所述的半导体器件，还包括：
逻辑电路，配置为控制所述第一传感器和所述第二传感器中的至少一个。
15.根据权利要求9所述的半导体器件，还包括：
存储电路，配置为存储基于由所述第一传感器和所述第二传感器中的至少一个感测的光而产生的感测数据。
16.一种半导体器件，包括：
第一传感器，配置为感测入射光的第一部分，入射光的所述第一部分具有在第一波长范围内的波长，所述第一传感器还配置为基于所述入射光的所感测的第一部分产生第一电信号；
第二传感器，经由中间连接器电连接到所述第一传感器，所述第二传感器配置为感测入射光的第二部分，入射光的所述第二部分具有在第二波长范围内的波长，所述第二波长范围不同于所述第一波长范围，所述第二传感器还配置为基于所述入射光的所感测的第二部分产生第二电信号；以及
像素电路，经由所述中间连接器电连接到所述第一传感器和所述第二传感器。
17.根据权利要求16所述的半导体器件，其中，
所述第一波长范围是红外波长范围，并且
所述第二波长范围是可见波长范围。
18.根据权利要求16所述的半导体器件，其中，
所述第一波长范围是第一可见波长范围，并且
所述第二波长范围是第二可见波长范围。
19.根据权利要求18所述的半导体器件，还包括：
第一滤色器，配置为从所述入射光过滤与所述第一可见波长范围相关联的光；和
第二滤色器，配置为从所述入射光过滤与所述第二可见波长范围相关联的光，
其中所述第二传感器包括，
第一颜色光电二极管，与所述第一滤色器重叠并对应于所述第一滤色器，使得所述第一颜色光电二极管配置为感测由所述第一滤色器过滤的与所述第一可见波长范围相关联的光；和
第二颜色光电二极管，设置在所述第二滤色器下面并对应于所述第二滤色器，使得所述第二颜色光电二极管配置为感测由所述第二滤色器过滤的与所述第二可见波长范围相关联的光。
20.根据权利要求16所述的半导体器件，其中所述中间连接器包括金属接头，所述金属接头配置为将所述第一传感器、所述第二传感器和所述像素电路彼此电连接。
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