CN107871754B - 用于红外辐射的具有提高的量子效率的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种具有背面照度的集成图像传感器，该集成图像传感器包括至少一个像素(PIX)，该至少一个像素包括有源半导体区域(1)和聚光透镜(L)，该有源半导体区域具有第一面(10)和第二面(11)并且包含光电二极管(3)，该聚光透镜位于该有源区域(1)的该第一面(10)的前方并且被配置成用于将到达该透镜(L)上的光线(r1)引导朝向该有源区域(1)的中央区(12)。该有源区域(1)包括至少一个衍射元件(5)，该至少一个衍射元件具有与该有源区域(1)的折射率不同的折射率并且至少部分地位于该中央区(12)中在该有源区域的这些面(10，11)之一上。

Description

用于红外辐射的具有提高的量子效率的图像传感器
技术领域
本发明的实施例涉及光学图像传感器(具体为具有背面照度的图像传感器)，并且具体地涉及提高这种类型的传感器的量子效率。
背景技术
图像传感器的量子效率是所收集的电荷数量与入射到图像传感器(例如光电二极管)的有源区域上的光子数量之比。这个量可以表征图像传感器对光的感光度。
针对近红外光学信号(即，波长处于700纳米至1000纳米之间的光线)的量子效率较低，具体是因为传感器的光敏区域的硅对这些波长的吸收较低。
存在可以提高具有背面照度的图像传感器针对近红外波长的量子效率的手段。
一种解决方案在于通过反射现象增长光线在硅中行经的光学路径，例如，在位于有源区域后方的互连部分(通常被本领域技术人员称为首字母缩略词BEOL：“后段制程”)中的金属化层上、或者在界定有源区域的绝缘沟槽上。
然而，这些方法仍然不够，尤其是因为在最紧凑的图像传感器中使用的硅厚度较小。
发明内容
因此，一个实施例提供了一种图像传感器，该图像传感器针对红外光线具有提高的量子效率。
一方面，提供了一种具有背面照度的集成图像传感器，该集成图像传感器包括至少一个像素，该至少一个像素包括有源半导体区域和聚光透镜，该有源半导体区域具有第一面或后面以及第二面并且包含光电二极管，该聚光透镜位于该有源区域的第一面的前方并且被配置成用于将到达该透镜的光线引导朝向该有源区域的中央区。
根据此方面的一个一般特性，该有源区域包括至少一个衍射元件，该至少一个衍射元件具有与该有源区域(例如氧化物)的折射率不同的折射率并且至少部分地位于该中央区中、在该有源区域的这些面之一上。
因此，通过将特定的衍射元件至少部分地形成在该中央区中，由于这个衍射元件的定位所导致的许多衍射，光线在硅中行经的光学路径更进一步地增长了。
该传感器还可以包括至少一个金属化层，该至少一个金属化层位于该有源区域的第二面的前方、被包封在绝缘区域中并且光学地耦合至该衍射元件。
因此，由于存在至少一个金属化层(其对由衍射元件衍射的光线进行反射)，更进一步地增强了衍射元件的效果。
根据一个实施例，该至少一个衍射元件可以包含绝缘材料沟槽，该沟槽位于该有源区域中在该有源区域的该第一面上。
根据与前述实施例兼容的另一个实施例，该至少一个衍射元件可以包含绝缘材料沟槽，该沟槽位于该有源区域中在该有源区域的该第二面上。
该至少一个衍射元件还可以包括形成在该有源区域的第二面上的一行多晶硅。因为有源区域的前面通常包含薄保护氧化层，所以在衍射元件与其直接环境之间总是存在折射率差异。
根据一个实施例，该至少一个衍射元件沿平行于该第一面和该第二面的单个方向延伸并且至少部分地位于该有源区域的中央区中。
该传感器可以包括多个衍射元件，该多个衍射元件中的至少一者至少部分地位于该有源区域的中央区中。
这些衍射元件中的至少一些衍射元件可以结合在一起，从而形成沿多个方向延伸的单个衍射图案。
另一方面，提供了一种系统，该系统例如属于形成智能电话或数字相机的类型，该系统包括至少一个如上限定的集成图像传感器。
附图说明
本发明的其他优点和特性将基于学习完全非限制性实施例的详细说明和附图而变得明显，在附图中：
-图1至图7示意性地展示了本发明的多个实施例。
具体实施方式
图1示意性地展示了具有背面照度(BSI：本领域技术人员所熟知的术语)类型的集成图像传感器CAP的像素PIX，并且图2是沿图1的截面线II-II的截面视图。
像素PIX具有有源区域1，该有源区域具有第一面10或后面、以及第二面11或前面。有源区域1通过多个深隔离沟槽2(DTI：“深沟槽隔离”)与相邻的像素隔离开。
有源区域1常规地包括光电二极管3。光电二极管3在这种情况下属于竖直“针”型，即，具有例如N型掺杂区域的光电二极管，该N型掺杂区域封闭在另一个例如P型掺杂区域中并且在有源区域1中竖直地(即，沿从前面10至后面11延伸的方向)延伸。
像素PIX包括第一绝缘区域40，该第一绝缘区域形成在有源区域的后面10上，并且在该第一绝缘区域上存在能够使入射光线r1朝有源区域1的中央区12会聚的聚光透镜L，该有源区域包括光电二极管3。
像素PIX包括包围多个金属化层的第二绝缘区域41，这些金属化层例如属于包含传感器CAP的集成电路的互连部分(BEOL)。这些金属化层可以在传感器的不同部件(为了简单起见，没有呈现这些部件)之间形成互连，并且位于有源区域的第二面前方的一些金属化层M还被用作反射器以便将可能穿过有源区域1的光线反射朝向该有源区域。
有源区域的后面10支撑衍射元件5，该衍射元件形成在有源区域1内并且部分地在中央区12中，并且能够衍射来自透镜L的入射光线。
衍射元件5在这种情况下包括浅沟槽50，该浅沟槽形成在有源区域1中并且包含绝缘材料。
因此，例如，当入射光线r1到达透镜L时，其被引导朝向有源区域1的中央区12。当入射光线遇到衍射元件5时，其被衍射进入有源区域1呈不同角度的众多衍射光线r2、r3、r4。
例如，衍射光线r4被深隔离沟槽2第一次反射朝向有源区域1的前面11。衍射光线r4然后穿过有源区域1直到其遇到包封在第二绝缘区域41中的金属化层M的金属线。然后光线被第二次反射朝向有源区域1，其中，该光线可以被深沟槽2再次反射和/或可以被吸收。
因此，衍射元件5有利地有助于增长入射光线穿过透镜L的光学路径。
这是因为衍射元件5、隔离沟槽2和金属化层M的结合效果允许了特别长的光学路径，并且因此允许有源区域1对光子的吸收大幅提升。因此提高了图像传感器CAP的量子效率。
诸位发明人具体地已经观察到，这种类型的传感器允许吸收比类似的但不具有衍射元件的传感器吸收的红外辐射多达3倍的红外辐射。
在此应注意到的是，不是所有入射光线都遇到衍射元件5。尽管如此，因为透镜L是被配置成用于引导入射光线朝向有源区域的中央区12的聚光透镜并且衍射元件部分地位于这个中央区12中，所以大部分入射光线都将遇到衍射元件5。
图3展示了实施例，在该实施例中衍射元件5包含浅隔离沟槽51，该浅隔离沟槽没有如上所述地位于传感器的后面10上，而是位于有源区域中的前面11上。
因此，到达传感器的入射光线r1将首先穿过有源区域1，然后被衍射元件5衍射。因此，被衍射元件5衍射的光线r4、r5、r6中的大部分被金属化层M的金属线第一次反射朝向有源区域1，其中，它们可以被深隔离沟槽2第二次反射和/或可以被吸收。
入射光线还可以穿过有源区域1并且然后可以被金属化层M的金属线第一次反射朝向衍射元件，之后遇到衍射元件5，并且被衍射进入有源区域1中呈多束衍射光线，该多束衍射光线被深隔离沟槽2第二次反射和/或可以被吸收。
这个实施例还与具有平面类型的光电二极管的像素兼容。
应注意的是，完全可以提供一个衍射元件，该衍射元件包含位于后面10上的隔离沟槽和位于前面11上的隔离沟槽两者。
图4展示了本发明的实施例，在该实施例中，衍射元件5包含形成在有源区域1的前面上在有源区域1与金属化层M之间的一行多晶硅52。因为有源区域1的前面11常规地包括薄保护氧化层，所以在衍射元件5与前面11之间存在折射率差异。
这个实施例在光学方面具有与以上描述并在图2中展示的实施例相同的优点并且可以与图2和/或图3中展示的实施例相结合。
然而，图4的这个实施例在生产方法方面尤其有利。这是因为该行多晶硅材料52是根据与用于形成其他电子部件的元件(例如，在像素运行中涉及的电荷转移栅极(为了简单起见未示出)相同的方法来形成的。该行多晶硅因此是“假栅极”，这是本领域技术人员众所周知的术语。
尽管在此已经呈现了具有包括单个衍射元件的像素的图像传感器，如图5中所展示的，还将可以想到的是，根据以上呈现并在图1至图4中展示的实施例之一在有源区域1中形成多个衍射元件60、61、62。
鉴于大部分光线到达中央区12的事实，这些衍射元件中的至少一者(在此为元件61)部分地位于中央区12中。其他两个衍射元件60和62平行形成在衍射元件61的任一侧上。
以上描述并在图1至图5中展示的图像传感器CAP可以通过常规的方式集成到光学系统中，该光学系统包括常规地在数字相机或在智能电话中的快门。
图6和图7展示了根据本发明的一个实施例的包含具有像素PIX的图像传感器CAP的系统。图6展示了数字相机APN，并且图7展示了智能电话TPI。该相机和该智能电话包含根据本发明的一个实施例的图像传感器CAP。
本发明的应用的示例不局限于图6和图7中所展示的那些示例，并且本领域技术人员将知道如何将以上描述的并在图1至图5中展示的本发明的实施例应用于其他已知系统。
在此呈现的实施例不以任何方式受到限制。具体地，尽管在此已经结合图5呈现了具有多个平行分开的衍射元件60、61、62的图像传感器，将完全可以想到具有多个衍射元件，该多个衍射元件沿不同的方向延伸和/或结合在一起，从而形成仅单个图案。

Claims (27)

1.一种具有背面照度的集成图像传感器，所述集成图像传感器包括至少一个像素(PIX)，所述至少一个像素包括有源半导体区域(1)和聚光透镜(L)，所述有源半导体区域具有第一面或后面(10)以及第二面(11)并且包含在所述有源半导体区域的中央区内的光电二极管(3)，所述聚光透镜位于所述有源半导体区域(1)的所述第一面(10)的前方并且被配置成用于将到达所述聚光透镜(L)上的光线(r1)引导朝向所述有源半导体区域(1)的所述中央区(12)，其特征在于，所述有源半导体区域(1)包括至少一个衍射元件(5)，所述至少一个衍射元件(5)在所述第一面和所述第二面中的一者处位于所述有源半导体区域内，所述至少一个衍射元件由沟槽形成，所述沟槽从所述第一面和所述第二面中的所述一者延伸到所述有源半导体区域中，所述沟槽被填充有材料，所述材料具有与所述有源半导体区域(1)的折射率不同的折射率，所述沟槽被定位成与所述中央区对齐。
2.根据权利要求1所述的传感器，还包括至少一个金属化层(M)，所述至少一个金属化层位于所述有源半导体区域的所述第二面的前方、被包封在绝缘区域(41)中并且光学地耦合至所述衍射元件(5)。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，所述第一面是平面，并且
其中填充所述沟槽的所述材料是绝缘材料，并且其中被填充的所述沟槽的表面与所述有源半导体区域(1)的平面的所述第一面共面。
4.根据权利要求1或2所述的传感器，其中所述第二面是平面，并且
其中填充所述沟槽的所述材料是绝缘材料，并且其中被填充的所述沟槽的表面与所述有源半导体区域(1)的平面的所述第二面共面。
5.根据权利要求1或2所述的传感器，其中所述第一面和所述第二面是平面，并且
其中所述至少一个衍射元件(5)沿平行于平面的所述第一面(10)和平面的所述第二面(11)的单个方向延伸并且至少部分地位于所述有源半导体区域(1)的所述中央区(12)外部。
6.根据权利要求1或2所述的传感器，包括多个衍射元件(60，61，62)，所述多个衍射元件中的至少一者(61)至少部分地位于所述有源半导体区域(1)的所述中央区(12)外部。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述多个衍射元件中的至少一些衍射元件结合在一起，从而形成沿多个方向延伸的单个衍射图案。
8.一种传感器系统，所述传感器系统包括至少一个根据权利要求1至7之一所述的集成图像传感器(CAP)。
9.根据权利要求8所述的系统，所述系统属于形成智能电话(TPI)或数字相机(APN)的类型。
10.一种图像传感像素，包括：
半导体衬底；
所述半导体衬底的有源半导体区域，具有第一面和第二面；
在所述有源半导体区域内的光电二极管；
聚光透镜，位于所述第一面的前方并且被配置成用于将接收的光朝向所述第一面引导；以及
其中所述半导体衬底在所述有源半导体区域中包括在所述第一面处的沟槽，所述沟槽由绝缘材料填充以形成衍射元件，所述衍射元件被配置为衍射从所述聚光透镜接收的光；
其中所述衍射元件具有与所述有源半导体区域的折射率不同的折射率，并且所述衍射元件被定位成与所述有源半导体区域的中央区对齐。
11.根据权利要求10所述的图像传感像素，还包括至少一个金属化层，所述至少一个金属化层位于所述有源半导体区域的所述第二面的前方，所述金属化层包括金属元件，所述金属元件被配置为将从所述衍射元件接收的光朝向所述光电二极管发射。
12.一种图像传感像素，包括：
半导体衬底；
所述半导体衬底的有源半导体区域，具有第一面和第二面；
在所述有源半导体区域内的光电二极管；
聚光透镜，位于所述第一面的前方并且被配置为将接收的光朝向所述第一面引导；以及
其中所述半导体衬底在所述有源半导体区域中包括在所述第二面处的沟槽，所述沟槽由绝缘材料填充以形成衍射元件，所述衍射元件被配置为衍射从所述聚光透镜接收的光。
13.根据权利要求12所述的图像传感像素，还包括至少一个金属化层，所述至少一个金属化层位于所述有源半导体区域的所述第二面的前方，所述金属化层包括金属元件，所述金属元件被配置为将从所述衍射元件接收的光朝向所述光电二极管发射。
14.一种图像传感像素，包括：
半导体衬底；
所述半导体衬底的有源半导体区域，具有第一面和第二面；
在所述有源半导体区域内的光电二极管；
聚光透镜，位于所述第一面的前方并且被配置为将接收的光朝向所述第一面引导；以及
一行多晶硅材料，在所述有源半导体区域处在所述第二面上，其中所述多晶硅材料形成衍射元件，所述衍射元件被配置为衍射从所述聚光透镜接收的光。
15.根据权利要求14所述的图像传感像素，还包括至少一个金属化层，所述至少一个金属化层位于所述有源半导体区域的所述第二面的前方，所述金属化层包括金属元件，所述金属元件被配置为将从所述衍射元件接收的光朝向所述光电二极管发射。
16.一种传感器系统，包括集成图像传感器，所述集成图像传感器包括至少一个像素，所述像素包括：
有源半导体区域，具有第一面和第二面并且包含光电二极管，
聚光透镜，与所述有源半导体区域的所述第一面相邻地安装，并且被配置为将到达所述聚光透镜的光线朝向所述有源半导体区域的中央区引导，以及
多个金属化层，与所述有源半导体区域的所述第二面相邻地安装，
其中所述有源半导体区域在所述有源半导体区域的所述第二面处包括位于所述有源半导体区域内的至少一个衍射元件，所述至少一个衍射元件具有与所述有源半导体区域的折射率不同的折射率并且至少部分地与所述中央区对齐。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述系统是智能电话或数字相机之一。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述至少一个衍射元件包括绝缘材料的沟槽，所述沟槽位于所述有源半导体区域中在所述有源半导体区域的所述第二面处。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述多个金属化层包括金属元件，所述金属元件被配置为将从所述衍射元件接收的光朝向所述光电二极管反射。
20.根据权利要求16所述的系统，其中所述至少一个衍射元件包括绝缘材料的沟槽，所述沟槽位于所述有源半导体区域中在所述有源半导体区域的所述第二面处，并且其中经填充的所述沟槽的表面与所述第二面共面。
21.一种具有背面照度的集成图像传感器，所述集成图像传感器包括至少一个像素，所述至少一个像素包括：
半导体衬底，具有第一面和与所述第一面相对的第二面，并且包括有源半导体区域，所述有源半导体区域具有光电二极管，以及
聚光透镜，所述聚光透镜与所述第一面相邻，并且被配置为将到达所述聚光透镜的光线通过所述第一面朝向所述有源半导体区域引导，
至少一个衍射元件，包括在所述第一面和所述第二面中的一个面中的沟槽，所述沟槽填充有绝缘材料，所述绝缘材料具有与所述半导体衬底的折射率不同的折射率，
其中填充所述沟槽的所述绝缘材料没有延伸到所述沟槽之外，并且其中填充所述沟槽的所述绝缘材料的表面与所述第一面和所述第二面中的所述一个面共面。
22.根据权利要求21所述的传感器，还包括与所述有源半导体区域的所述第二面相邻的至少一个金属化层。
23.根据权利要求21所述的传感器，其中填充有所述绝缘材料的所述沟槽从所述第一面延伸到所述半导体衬底中。
24.根据权利要求21所述的传感器，其中填充有所述绝缘材料的所述沟槽从所述第二面延伸到所述半导体衬底中。
25.根据权利要求21所述的传感器，其中所述至少一个衍射元件沿着平行于所述第一面和所述第二面中的所述一个面的单个方向延伸。
26.根据权利要求21所述的传感器，其中所述至少一个衍射元件包括多个延伸元件。
27.根据权利要求26所述的传感器，其中所述多个延伸元件中的至少一些延伸元件被结合在一起以形成沿着多个方向延伸的单个衍射图案。
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