CN110800110A - 谐振腔增强的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种半导体图像传感器器件，包括具有主表面(MS)和相对的后表面(RS)的半导体层(SL)，以及主表面上的电荷载流子生成部件(CG)。电荷载流子生成部件布置在半导体层外的顶部反射层(R1)与底部反射层(R2)之间。

Description

谐振腔增强的图像传感器
本发明涉及图像传感器的领域，特别是在特定波长下为达到良好量子效率而优化的图像传感器。例如，这种图像传感器可用于投射人造光的系统，如使用结构光图案进行3D成像的相机系统或使用诸如在飞行时间3D成像系统中使用的一组短光脉冲的系统。这种系统通常使用窄带近红外光，因为近红外光对于用户是不可见的。CMOS和CCD图像传感器中常用的硅光电二极管很难检测到近红外光。但是红外区域的特定波段是感兴趣的，因为它们的日光含量低，例如在波长940nm附近的H2O吸收带，这意味着在主动照明系统中背景信号明显较少。然后有利的是使用窄带940nm光源，使得来自日光照射的背景信号量最小化。通常使用诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)或LED之类的光源。但重要的是，图像传感器要在这个波长达到足够的量子效率。
需要对特定波长有选择性的图像传感器的其他应用是光致发光成像或2D光谱学。本发明也能够用于该领域。在光致发光中，光源或x射线源触发闪烁或光致发光材料中的光致发光。这种光致发光发生在特定的波长，并且照明图案由图像传感器记录。该图像传感器必须仅对光致发光的波长敏感。在2D光谱学中，不同像素可以对特定的波长选择性地敏感，这通过本发明的某些实施例来实现。
在本发明中图像传感器针对其优化的波长能够位于所使用的检测器材料对其光敏感的任何波段中。如果使用硅，则包括可见光和近红外光。对于近红外光，本发明提供了额外的优点，即检测器能够保持薄型。
光子在光电检测器中有一定的吸收深度，这取决于光电检测器的带隙和能量，因此取决于光子的波长。对于通常用于CMOS和CCD图像传感器的硅，在940nm处的吸收深度为55μm。这意味着940nm的光电检测器将需要至少55μm才能检测最多63％(1–1/e)的光子作为上限，而不会由于反射或复合而造成任何其他损失。因此，需要厚的层以足够大的量子效率收集足够的光子。
在每个包含光电二极管的小像素阵列中，厚的检测器层是不可行的，因为由载流子扩散引起的像素之间的串扰会限制图像的清晰度。电荷收集层的厚度通常小于像素间距的两倍。对于尺寸为1.4μm或更小的小像素，采用额外的的隔离技术，例如深注入或深隔离沟槽以避免载流子扩散。为了增加厚度而又不产生过多的串扰，必须通过使用背面偏置技术或改变层中的杂质浓度来使用垂直电场。这种技术通常仅用于较大的像素，例如具有10微米像素间距的像素。这种背面偏置技术还需要在制造过程中增加额外的加工步骤，从而增加了器件的成本。
此外，在光子能量不比半导体检测器层的带隙大很多的波长处，电荷载流子收集深度很大程度上取决于温度。较厚的检测器层也限制了能够收集电荷载流子的最大速度。这对于快速选通像素非常重要，例如用于间接飞行时间图像传感器。
法布里·珀罗干涉仪或标准具由以特定距离放置的两个反射镜形成。当反射镜之间的光路长度是腔内材料中光的波长的倍数时，就会发生相长干涉。已经描述了具有放置在两个反射镜之间的光子吸收层的结构以构建大的离散光电二极管，主要用于快速收集载流子。在垂直腔面发光激光器(VCSEL)中使用了类似的结构。
N.Tack等人的“A Compact High Speed and Low Cost Hyperspectral Imager”，Proc.SPIE Vol.8266，2012，描述了在像素顶部使用法布里·珀罗干涉仪的高光谱和多光谱传感器。
K.Kishino等人的“Resonant Cavity-Enhanced(RCE)Photodetectors”，IEEEjournal of Quantum Electronics，Vol.27，No.8，1991年8月，以分析方式描述了位于两个反射镜之间的光电检测器结构的特征，包括量子效率、波长选择性、角灵敏度和载流子收集速度。Kishino等人还介绍了具有InGaAs收集层的AlGaAs-GaAs异质结光电晶体管的特征，以及在电信应用中光纤信号的光谱复用中的应用。
M.Emsley等人的“High-Speed Resonant-Cavity-Enhanced SiliconPhotodetectors on Reflecting Substrates”，IEEE Photonics Technology Letters，Vol.14，No.4，2002年4月，描述了使用SiO2-Si-SiO2底部反射器和Si/空气界面作为顶部反射器，在厚度为2.1μm的大型光电二极管上以CMOS实现的结构。该检测器是使用绝缘体上硅(SOI)技术制造的。底部反射器由SOI材料构成，外延层在该材料上生长。在该外延层内部的SOI层的顶部加工光电二极管结构。
US 2005/0263805 A1公开了一种像素具有谐振腔光电二极管的成像仪，其增加了对长波长的光的吸收。形成用于光电二极管的沟槽，并且在沟槽的底部上生长反射膜。反射膜将最初未被吸收的光反射回光电二极管的有源区域。沟槽填充有光电检测器材料。
US 2009/0152664 A1公开了一种光电检测器，该光电检测器包括集成电路、集成电路的至少一部分上的两个电极之间的第一光学敏感层，以及在第一光学敏感层上的两个电极之间的第二光学敏感层。将偏压选择性地施加到电极上，并且读取与由相应的光敏层接收的光子的数量有关的信号。
本发明的目的是提出一种用于提高量子效率的薄型图像传感器，其能够适应于特定的波长。
该目的通过根据权利要求1所述的半导体图像传感器器件来实现。实施例源自从属权利要求。
谐振腔增强型图像传感器利用了谐振光学腔。它提供了高量子效率，并且使得生成和检测载流子的区域的深度减小。该图像传感器能够被实现为CMOS图像传感器并且与红外光源结合应用，例如，该红外光源通常可以被调谐到940nm的波长。这一概念也能够用于CCD(电荷耦合器件)。
图像传感器能够包括薄吸收硅层。所有电荷载流子能够通过适当的电荷收集箱快速收集，该电荷收集箱例如可以包括光电二极管。由于电荷载流子基本上在光电二极管的耗尽区中产生，因此载流子收集过程能够非常快。图像传感器允许设计特别小的像素。
谐振腔增强的图像传感器包括分别位于图像传感器有源层的顶部和底部的两个反射镜。提出了三种主要结构：一种用于背照式图像传感器，一种用于前照式图像传感器，以及一种结构，其中包括光检测层和两个反射层的空腔位于读出IC上方的表面。在空腔面向入射辐射的一侧设置有顶部反射层，在远离入射辐射的空腔一侧设置有底部反射层。
如将要进一步讨论的，反射镜可以特别地布置在布线的金属层之间的电介质叠层中的不同水平上。反射镜尤其可以是电介质反射镜(例如，布拉格反射镜)，其被调谐以在目标波长下具有最佳反射比。
在两个反射镜之间形成的空腔在特定波长下谐振。当波长是反射镜之间的光路长度的整数倍时，将发生相长干涉。谐振波长取决于入射光的入射角。对于镜之间只有一种材料的简单结构，可以通过以下等式一阶地描述干涉：
Figure BDA0002298761690000041
(其中k＝波数；λ＝波长；
Figure BDA0002298761690000042
d＝反射镜之间的中间层的厚度；n＝中间层的折射率)
在不同的实施例中，可以在反射镜之间布置不同的材料。然而，能够通过正确调整该叠层的厚度来在目标波长下产生谐振。
该半导体图像传感器器件包括具有主表面和相对的后表面的半导体层，以及布置在主表面处的对辐射敏感的电荷载流子生成部件。该电荷载流子生成部件布置在半导体层外的顶部反射层与底部反射层之间。
顶部反射层可以被设置为用于辐射的入射。顶部反射层可以布置在主表面上方，而底部反射层布置在后表面上方，反之亦然。
顶部反射层和底部反射层适合于形成谐振腔的相对边界，所述谐振腔尤其可以被调谐到红外辐射的波长。谐振腔可以特别地调谐至900nm至980nm的波长。
半导体图像传感器器件的实施例还可包括形成电荷载流子生成部件的光电二极管。第一导电类型的区域布置在主表面上的半导体层中，并且与第一导电类型相反的第二导电类型的区域与第一导电类型的区域相邻，从而形成光电二极管。例如，第一导电类型的区域可以嵌入第二导电类型的区域中。在主表面处或附近存在感测节点，并且在光电二极管与感测节点之间的主表面处布置有传输门。光电二极管可以是掩埋式或钉扎式光电二极管，其中半导体层的表面被多数类型注入物的高浓度掺杂层(例如p++钉扎层)钝化。代替光电二极管，掩埋式或表面光电门可用于收集光载流子，例如在一些CCD架构中使用。
其他实施例包括在主表面上或上方的电介质层。电介质层能够布置在半导体层与顶部反射层之间或半导体层与底部反射层之间。顶部反射层被设置用于辐射的入射。
在其他实施例中，顶部反射层和底部反射层之一嵌入在电介质层。金属化层，特别是布线的金属层，可以嵌入在电介质层中，并且顶部反射层和底部反射层之一可以由金属化层之一形成。
在其他实施例中，顶部反射层和底部反射层中的至少一个包括电介质层序列，其可以特别地形成布拉格镜。
在其他实施例中，半导体层是外延层，该外延层尤其可以生长在包含掩埋氧化物层的绝缘体上硅衬底上。顶部反射层和底部反射层之一可以布置在掩埋氧化物层中。
在其他实施例中，半导体层是由量子点、非晶硅、有机光电检测层或位于读出IC上方的另一薄光子转换层组成的光敏层。在每个像素中，感光层和读出IC之间可以形成小的连接。
以下是结合附图对半导体图像传感器器件的示例的详细描述。
图1是包括电介质反射层之间的谐振腔的背照式图像传感器的局部截面。
图2是包括电介质反射层之间的谐振腔的前照式图像传感器的局部横截面。
图3是包括电介质反射层和金属反射层之间的谐振腔的背照式图像传感器的局部横截面。
图4是根据图1的局部横截面，指示了键合界面的不同位置。
图5是包括电介质反射层之间的谐振腔的另一背照式图像传感器的局部横截面。
图6是包括电介质反射层与额外的光学部件之间的谐振腔的背照式图像传感器的局部横截面。
图7是包括根据图3的背照式图像传感器的晶圆叠层图像传感器的局部横截面。
图8示出了图像传感器中电荷载流子的扩散路径。
图9示出了光载流子在被收集之前的扩散时间。
图10是类似于图2的前照式图像传感器的局部横截面，还包括在层间电介质中光电二极管上方的回蚀刻开口和在光电二极管上方的正面反射镜。
图11是包括专用光子转换层中的谐振腔的前照式图像传感器的局部横截面，该专用光子转换层连接到底层CMOS层中的读出电路。
图12是一组像素的局部横截面，每个像素都被调谐到不同的波段，以便创建多光谱或高光谱的2D或线性图像传感器。
图13示出了多光谱像素阵列的俯视图，该像素阵列具有针对不同波长优化的谐振腔。
图14是相机模块的局部截面图，示出了孔和将谐振腔的厚度调整至主光角的概念。
图15示出了在形成底部反射层之后的图像传感器的制造方法的第一阶段。
图16示出了在键合处理晶圆之后的制造方法的另一阶段。
图17示出了在形成顶部反射层之后的制造方法的另一阶段。
图18示出了形成衬底通孔之后的制造方法的另一阶段。
图19示出了在接触垫上方形成开口之后的制造方法的另一阶段。
在下面的描述中，电荷载流子生成部件CG例如由光电二极管表示。可以通过传输门TX将电荷载流子传输到感测节点SN。
图1示出了可以是CMOS图像传感器的背照式图像传感器。光从例如可以是硅的半导体层SL的后侧RS进入。半导体层SL尤其可以是p型或n型导电性的外延层。反射层R1、R2布置在后侧RS的上方作为顶部反射镜或顶部反射层R1，并且布置在由光电二极管表示的图像传感器的有源部分的上方作为底部反射镜或底部反射层R2。反射层R1、R2形成谐振腔的相对边界。调整反射层R1、R2之间的距离以获得期望的谐振。例如，反射比通常可以调谐到940nm。
整个图像传感器像素阵列和读出电路可位于空腔内。在其它实施例中，使用晶圆到晶圆、裸片到晶圆或裸片到裸片堆叠，读出电路可以是第二晶圆的一部分。谐振产生可以通过调整层的厚度来优化的驻波，以在光电二极管耗尽层内产生电子。
光电二极管和像素的结构可以对应于常规的像素结构。在图1中，示出了钉扎光电二极管，其包括在p-外延层中的n型注入物。二极管由p+表面层钉扎，以保持低暗电流，并确保二极管在低电势下耗尽。后者使得将像素内的电荷全部转移到浮动扩散感测节点SN，该节点显示为光电二极管右侧的n+区域，并通过传输门TX访问。
像素还可包括可被p型注入物钝化的浅槽隔离STI和附加的晶体管以复位浮动扩散并通常由源极跟随器读出浮动扩散。如果需要小的像素，这些结构中的一些可以在不同像素之间共享。在一些其它像素中，可以存在附加的结构以实现附加的功能，例如全局快门。可以存在深槽隔离以避免载流子扩散到相邻像素。这种深槽通常位于每个像素的周围或每个光电二极管的周围。深槽可以穿过或可以不穿过整个硅外延层。深槽可以从背面或正面蚀刻，并且可以用氧化物或任何其他材料填充。
顶部反射层R1例如可以由二色镜(布拉格反射镜)制成，如图1所示。底部反射层R2可以用同样的方式形成。调整反射层R1、R2以获得目标波长的最佳反射比。根据两个反射镜之间层的预期厚度调整反射比。在根据图1的实施例中，这些层包括半导体层SL和层间电介质ILD。后者通常是SiO2。可能存在另外的层。例如，检测器背面的光进入的表面，可以被具有固定负电荷的电介质钝化。钝化可包括SiN或类似材料。可在顶部反射层R1和半导体层SL之间设置另外的钝化，特别是包括A12O3、HfO、高浓度p掺杂半导体材料等的层。
通过增加两个反射层R1、R2，制造这种器件结构的工艺不同于标准制造工艺。基本工艺流程如下：以标准CMOS图像传感器工艺来在表面上包括外延p层的体材料上加工CMOS图像传感器晶圆，在该材料上形成器件。该p外延半导体层外延生长在衬底上，从而在工艺结束时达到所需厚度。在标准CMOS晶圆制造厂中，所有CMOS和光电二极管器件以及互连层的加工都在该晶圆上进行。晶圆用平坦化氧化物完成，以准备用于晶圆到晶圆的分子键合。
可以是电介质镜的底部反射层R2被施加在处理晶圆上，该处理晶圆可选地用平坦化氧化物层完成以准备用于晶圆键合。底部反射层R2可以替代地在晶圆键合之前沉积在CMOS图像传感器的顶部上。底部反射层R2也可以是层间电介质ILD的一部分(例如布线的金属化层M1，或布置为靠近硅的专用反射层)。这样做的好处是，晶圆上的层间电介质ILD的厚度变化对器件结构的优化不那么重要。然后进行晶圆到晶圆氧化物到氧化物键合，可能是等离子体激活。通过研磨和蚀刻外延层下面的衬底来减薄晶圆，直到达到所需的厚度，该厚度例如可以是2至3微米。
然后沉积顶部反射层R1。可以沉积附加层(例如SiO2)，以确保在目标波长下发生谐振。可以光学测量层的厚度，使得能够调整该附加层的厚度以在目标波长下谐振。这样，可以补偿在工艺步骤期间可能发生的厚度变化。焊盘通过背面刻蚀穿过有源器件到下部金属化层M1，或者通过穿过连接到上部金属化层M3的处理晶圆形成的衬底通孔(TSV)来打开。像在CMOS图像传感器的常规工艺流程中一样，可以进行晶圆测试、切割和组装。
绝缘体上硅(SOI)晶圆可替代地用作CMOS加工的起始材料。该SOI晶圆包含掩埋氧化物层，外延p层在其上生长。SOI的好处是在背面减薄期间中改进了厚度均匀性控制。
在使用SOI的情况下，蚀刻能够向下直到掩埋氧化物层。在随后的加工步骤中，能够去除掩埋氧化物层。可选地沉积例如可以是Al2O3或HfO、或要进行浅退火的p+表面注入(例如通过准分子激光退火)的背面钝化。
替代地，SOI晶圆的掩埋氧化物层设有顶部反射层R1并被保持。在这种情况下，应施加背面钝化，例如通过在CMOS加工之前存在的靠近掩埋氧化物的预先存在的p+层以减少暗电流。
反射层R1、R2的反射比能够根据结构的设计厚度进行优化。还可以考虑期望的角灵敏度和对目标波长的选择性。也可以调整反射层R1和R2的反射比，以将光谱响应的半高宽调整为目标值。还可以调整反射层R1和R2的反射比，以优化在处理过程中发生的谐振腔的预期厚度变化，并确保在厚度公差范围内，在目标波长下获得足够高的响应。当能够实现检测器厚度更严格的公差时，能够使用更高的反射比，这使得检测器对目标波长具有更大的选择性，从而产生光谱响应的更小的半高宽(FWHM)，并且在目标波长下更高的响应和量子效率。然而，光电检测器将对光的入射角的选择性也会更高。
图2示出了前照式图像传感器。该图像传感器能够在SOI起始晶圆上制造，其中底部反射层R2可能已经嵌入掩埋氧化物层中。具有期望厚度的外延层在SOI晶圆上生长。然后以标准CMOS图像传感器工艺对图像传感器晶圆进行加工。在加工结束时，在焊盘打开之前沉积顶部反射层R1。可提供局部吸杂中心GC，如图2所示。该吸杂中心GC收集CMOS加工期间出现的杂质。在p++体晶圆上的标准p外延中，通常在p++体晶圆的底部存在一个吸杂中心。使用这种SOI晶圆，掩埋氧化物层形成了某些杂质的扩散的阻挡层，并且它们需要被收集在像素中的其他位置。
图3示出了另一背照式图像传感器。在该示例中，底部反射层R2形成在嵌入在层间电介质ILD中的金属化层M1、M2、M3的金属化层M1中。这样的层可以是Al、Cu。Al或Cu金属可以被TiO、SIN或类似物封装。例如，底部反射层R2也可以是位于更靠近硅的专用层，例如钨层。这种钨层通常用作行间传输CCD和某些全局快门CIS传感器的遮光板。在这种情况下，它可以用作反射器。如图3所示，将底部反射层R2放置在ILD叠层内部或靠近硅的位置的优点在于，可以忽略层间电介质ILD的厚度变化。在这种结构中，主要通过调整顶部反射层R1的反射比以及调整顶部反射层R1与背面钝化层之间的介电常数来调整标准具(例如峰值量子效率、FWHM、标准具精细度、角灵敏度和厚度变化容差)的特征。
图4示出了与根据图1的图像传感器相似的另一背照式图像传感器。在根据图1的图像传感器中，键合界面位于金属叠层与底部反射层R2之间，在这种情况下，可以在键合之前将该底部反射层设置在处理晶圆上。在根据图4的图像传感器中，键合界面替代地位于底部反射层R2与处理晶圆之间。该实施方式的优点在于，由于键合界面问题(例如空隙)而导致的光学路径长度变化不会影响结构的光学性能。
图5示出了另一背光式图像传感器。在图5的示例中，底部反射层R2由布置在光电二极管上方的专用二向色反射器形成。因此，底部反射层R2能够布置在光电二极管的附近。在本例中，专用电介质布拉格镜布置靠近半导体层SL，并位于层间电介质ILD的底部附近。如果将这种镜子用于阵列的每个像素，则能够单独调整每个像素，从而允许获得不同像素的不同光谱特性。
图6示出了具有能够彼此独立地应用的微透镜和附加的滤光器的另一背照式图像传感器们。例如，附加的滤光器可以是有机滤光器。它可以用来过滤谐振结构的谐波。彩色滤光器可用于进一步抑制带外光。微透镜可以根据所设计结构的入射角的公差提高灵敏度。
图7示出了类似于图3的示例，其中具有另外的堆叠晶圆。在图7的示例中，图像传感器晶圆的顶部不是键合到处理晶圆，而是键合到逻辑晶圆。能够通过晶圆到晶圆之间的互连来实现键合。这种垂直集成技术本身是已知的，因此无需详细描述。可以采用各种晶圆到晶圆的连接方案。图7所示的电连接能够通过金属通孔(在该示例中形成于金属化层M3和M4b)之间的直接键合来产生。
在图7所示的示例中，顶部反射层R1形成在金属化层M1中，并且底部反射层R2是在背面的二向色反射器。反射层R1、R2能够替代地如根据图1、2、4、5或6的实施例中那样形成。
图像传感器能够在SOI晶圆上的薄硅层上进行加工(其中SOI可能已经包含了前面所述的反射器之一，或者可能还不包括反射器)。因此，有源器件晶圆的在目标波长下的厚度可能是硅中光的有效波长的几分之一(λ/n)。例如，假设950nm，并且硅在950nm时折射率为3.5,这意味着λ/n＝271nm的厚度或该值的几分之一。一种较薄的实施方式可以更耐受晶圆厚度的变化和入射光入射角的变化。晶体管器件(如n阱和p阱注入物)的正常工作可能需要2λ/n、3λ/n或4λ/n的厚度。以这种方式实现的厚度可以比用于近红外成像的传统图像传感器上的采用的器件厚度薄得多。该结构类似于图2，但外延层仅只有几个100纳米薄。可能地，可以在光电二极管上方蚀刻空腔以消除ILD电介质的厚度。这种结构如图10所示。在光电二极管上方回蚀刻电介质在本领域中是众所周知的。图10示出了光电二极管上方的附加的反射器。这种反射器可以是前面提到的任何类型，也可以是布拉格镜或薄金属片。
一些实施例可以针对薄硅厚度进行优化，因为这还使得能够改善载流子收集时间并改善像素的时间响应。其他实施例可仅针对目标波长下的高量子效率而进行优化，并且在这种情况下，可以使用较厚的检测器。
厚度控制对于将结构调谐到目标波长至关重要。在具有种子硅层(可能是p+预掺杂)的SOI晶圆上生长的外延层的最坏情况下的晶圆内变化通常是生长在该SOI晶圆上的外延层厚度的4％。对于背照式图像传感器，最坏情况下的变化通常是减薄后有源衬底厚度的4％左右。谐振腔中较薄的有源层可能有益于更大的厚度变化公差，因为：1)在较低的谐波阶次下，厚度的变化不太重要；2)厚度的控制可能更容易，特别是对于包括在SOI晶圆顶部生长的外延层的前照式图像传感器。
图8示出了一个结构来说明用于收集载流子的载流子收集路径。硅内部产生的载流子到光电二极管的垂直扩散距离为Lv。到存储器的总扩散距离Lp为Lp＝sqrt{Lv2+(Lpd/2)2}。在飞行时间像素中，载流子被收集在存储器节点mem中，如通过在存储器门
Figure BDA0002298761690000111
下的示例所示。到该存储器的扩散距离是上述总扩散距离Lp。
图9示出了在没有电场的情况下，载流子在此结构中扩散至一定距离所花费的时间，该时间取决于光电二极管长度Lpd。该时间很长，当扩散路径为5μm时，时间超过1ns。本发明将此值降低到更低的值，因为结构可以被设计成使得载流子将主要在光电二极管的耗尽区域内产生(因此上述公式中的Lv显著更小)。无需扩散即可收集光电二极管中的电荷。为了使电荷快速转移到存储器中，可以使用最小化Lpd距离的小型光电二极管。一些应用，如飞行时间3D成像和快速时间选通，需要快速收集光电产生的载流子，这可能需要低于1ns(纳秒)的扩散时间。扩散时间过长时，光电荷有混合并出现在错误的电荷收集箱中的风险。这降低了所谓的调制对比度。由于扩散距离较短，因此本发明使该调制对比度保持较高。
图10是另一前照式图像传感器的局部横截面。根据图10的实施例包括在层间电介质ILD中的光电二极管上方的回蚀刻开口。顶部反射层R1布置在电荷载流子生成部件CG的上方。
图11示出了前照式图像传感器的另一局部横截面，该前照式图像传感器包括在专用光子转换层中的谐振腔，该谐振腔连接至下面的CMOS层中的读出电路。例如，这种专用光子转换层可以是US 2009/0152664Al中所述的量子膜层。其他实施例可以是有机光敏膜或非晶或晶体硅膜，或由Ⅲ-V材料构成的膜，例如用于在SWIR波段或其他波长波段中的IR感应，或任何其他形式的光子转换层。这种转换层通常具有顶部接触，该顶部接触是透明的(例如氧化铟锡)，并且被偏置到一定的偏置电压，并且对于所有像素是共用的。并且这种转换层通常具有每像素单独的底部接触。顶部和底部接触经过优化，以与光电转换膜协同工作。谐振腔是通过优化反射比并针对目标波长调整腔的厚度而创建的。顶部和底部电极可以是反射镜设计的一部分，也可以是谐振腔中光学传输层的一部分。在该结构中，期望进一步提高谐振腔的光子吸收和量子效率。底部电极连接到读出电路。图中示出了一示例，其中通过连接将膜连接到结和复位开关，以及诸如源极跟随器的缓冲放大器的输入。可以使用其它配置，例如本领域中通常已知的电荷感测放大器。
图12示出一实施例，其中针对不同的谐振波长调谐不同的像素。这允许构建2D像素阵列或线性(线性扫描)像素图像传感器，其中针对不同的波长优化了不同的像素，从而形成了多光谱或高光谱器件。
图13示出了用于三种不同波长λ1、λ2和λ3的这种像素排列的示例。波长的数目是任意的。通过对不同像素的光路进行不同的调整而形成该排列。实现此目的的一种方法是在像素顶部图案化并沉积额外的SiO2电介质层，如图12所示。这能够通过常用的CMOS晶圆加工技术来实现。例如，常规的高光谱和多光谱传感器在像素顶部使用法布里·珀罗干涉仪(请参阅N.Tack等人的“A Compact High Speed and Low Cost Hyperspectral Imager”，Proc.SPIE Vol.8266，2012)，或经典的吸收式彩色滤光器。如上所述，本发明的优点是能够在目标波长下实现更高的量子效率，并且能够采用薄的检测器层。
图14概念性地示出了相机模块的横截面。入射辐射用箭头表示。根据相机镜头的特征，主光角在0度至更大角度(例如20度)之间变化。该偏移将导致结构的谐振波长的偏移。这可能是不希望的。为了对此进行补偿，可以设计远心镜头，但这可能会增加相机模块的厚度。图14示出了不同的解决方案，其中腔的厚度根据像素阵列中的像素位置进行相应的调整。在中心处，根据像素阵列上的主光角分布，其厚度比像素阵列的外部区域厚，并且使得谐振波长保持恒定。理想情况下，确保积d.cos
Figure BDA0002298761690000131
保持固定。为了将波长偏移尽可能减小到最小，这可以通过阶跃函数来近似。这种阶梯图案可以通过选择性氧化物沉积或氧化物蚀刻步骤来实现，这些步骤可以被半导体制造中通常使用的连续光刻步骤掩盖。
图15至图19示出了图像传感器的制造方法的阶段。图像传感器的内部结构的细节可以在不同的实施例之间变化，并且仅示意性地示出。
图15示出了具有半导体材料外延层2的体晶圆1的横截面。在外延层2中形成集成电路3的部件，包括类似光电二极管的电荷载流子生成部件。在外延层2上方布置有层间电介质4和布线5，布线包括嵌入在层间电介质4中的金属化层和互连。底部反射层R2施加在层间电介质4上。图15还示出与底部反射层R2键合的另一晶圆6。该另一晶圆6例如可以是处理晶圆。
图16示出根据图15的在键合另一晶圆6之后的横截面。为此，可以设置可以是氧化物层(特别是SiO2)的专用的键合层7。然后去除体晶圆1，例如能够通过研磨和/或蚀刻来完成。
图17示出根据图16在去除体晶圆1之后的横截面。然后可以在外延层2的背面上施加钝化层8。可以在施加顶部反射层R1之前施加电介质层9。
图18示出根据图17的在另一晶圆6中形成衬底通孔10之后的横截面，该另一晶圆形成器件的一部分。衬底通孔10部分地或完全地填充有导电材料，并且在布线5的接触区域上形成接触。
图19示出根据图17的在外延层2中形成开口11之后的横截面。布线5或接触垫的接触区域因此未被覆盖。然后通过在开口11中施加导电材料，特别是其他金属化层或键合线，可以形成到接触区域或接触垫的电连接。
本发明允许硅在近红外波长处(或者更一般地说，光子能量比带隙能量几乎没有多余的能量)具有非常高的量子效率，使用不会与相邻像素发生串扰或几乎没有串扰的薄结构，从而实现较小的像素间距，使用常规的钉扎光电二极管和传输门结构，从而实现低读取噪声和低暗电流，以及非常快的载流子收集，特别是对于时间飞行像素和快速选通像素。此外，其制造与CMOS图像传感器的标准制造流程兼容，并允许具有良好重复性的大规模制造。该结构能够承受与标准CMOS图像传感器相同的环境条件。
附表标记说明
CG 电荷载流子生成部件
FWHM 半高宽
GC 吸杂中心
ILD 层间电介质
Lp 总扩散距离
LPD 光电二极管长度
Lv 垂直扩散距离
M1 金属化层
M2 金属化层
M3 金属化层
M4b 金属化层
QE 量子效率
RS 后侧
R1 顶部反射层
R2 底部反射层
SL 半导体层
SN 感测节点
STI 浅槽隔离
TX 传输门
1 体晶圆
2 外延层
3 集成电路
4 层间电介质
5 布线
6 另外的晶圆
7 键合层
8 钝化层
9 电介质层
10 衬底通孔
11 开口

Claims (15)

1.一种半导体图像传感器器件，包括：
半导体层，其具有主表面(MS)和相反的后表面(RS)，以及
位于所述主表面(MS)处的电荷载流子生成部件(CG)，所述电荷载流子生成部件(CG)对辐射敏感，
其特征在于
所述电荷载流子生成部件(CG)布置在顶部反射层(R1)与底部反射层(R2)之间，并且
所述顶部反射层(R1)与底部反射层(R2)布置在所述半导体层外部。
2.根据权利要求1所述的半导体图像传感器器件，其中
所述顶部反射层(R1)被设置用于辐射的入射，并且被布置在所述主表面(MS)上方，并且所述底部反射层(R2)布置在所述后表面(RS)上方。
3.根据权利要求1所述的半导体图像传感器器件，其中
所述顶部反射层(R1)被设置用于辐射的入射并且布置在所述后表面(RS)上方，并且所述底部反射层(R2)布置在所述主表面(MS)上方。
4.根据权利要求1至3之一所述的半导体图像传感器器件，还包括：
光电二极管，其形成所述电荷载流子生成部件(CG)，
第一导电类型的区域，其位于所述主表面(MS)处的半导体层中，
与第一导电类型相反的第二导电类型的区域，所述第二导电类型的区域与所述第一导电类型的区域相邻，由此形成所述光电二极管，
感测节点(SN)，其位于所述主表面(MS)处或其附近，以及
传输门(TX)，其位于所述光电二极管与所述感测节点之间的主表面(MS)处。
5.根据权利要求1至4之一所述的半导体图像传感器器件，还包括：
在所述主表面(MS)上或上方的电介质层(ILD)，所述电介质层(ILD)布置在所述半导体层与所述顶部反射层(R1)之间，并且所述顶部反射层(R1)被设置用于辐射的入射。
6.根据权利要求1至4之一所述的半导体图像传感器器件，还包括：
在所述主表面(MS)上或上方的电介质层(ILD)，所述电介质层(ILD)布置在所述半导体层与所述底部反射层(R2)之间，并且所述顶部反射层(R1)被设置用于辐射的入射。
7.根据权利要求1至4之一所述的半导体图像传感器器件，还包括：
在所述主表面(MS)上或上方的电介质层(ILD)，所述顶部反射层(R1)和底部反射层(R2)之一嵌入在所述电介质层(ILD)中，并且
所述顶部反射层(R1)被设置用于辐射的入射。
8.根据权利要求5至7之一所述的半导体图像传感器器件，还包括：
嵌入在所述电介质层(ILD)中的金属化层(M1、M2、M3)，
所述顶部反射层(R1)和底部反射层(R2)之一由所述金属化层中的金属化层(M1)形成，并且
所述顶部反射层(R1)被设置用于辐射的入射。
9.根据权利要求1至8之一所述的半导体图像传感器器件，其中
所述顶部反射层(R1)和底部反射层(R2)中的至少一个包括电介质层序列。
10.根据权利要求9所述的半导体图像传感器器件，其中，所述电介质层序列形成布拉格镜。
11.根据权利要求1至10之一所述的半导体图像传感器器件，其中
所述顶部反射层(R1)和底部反射层(R2)形成谐振腔的相对边界，所述谐振腔调谐到红外辐射的波长。
12.根据权利要求1至10之一所述的半导体图像传感器器件，其中
所述顶部反射层(R1)和底部反射层(R2)形成谐振腔的相对边界，所述谐振腔调谐到900nm至980nm的波长。
13.根据权利要求1至12之一所述的半导体图像传感器器件，其中
所述半导体层是外延层。
14.根据权利要求13所述的半导体图像传感器器件，其中
所述外延层生长在包括掩埋氧化物层的绝缘体上硅衬底上。
15.根据权利要求14所述的半导体图像传感器器件，其中
所述顶部反射层(R1)和底部反射层(R2)之一布置在所述掩埋氧化物层中。
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杨先卫: "大学物理 下", vol. 1, 北京邮电大学出版社, pages: 230 - 231 *

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