CN111048535B - 影像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种影像传感器，包括第一光电二极管，形成于第一基板中。第一深沟槽隔离结构在第一基板中且围绕第一光电二极管。含有第一电路结构的第一内介电层在第一基板上。粘合层在第一内介电层及第二内介电层上。含有第二电路结构的第二内介电层在粘合层上。连接壁设置在第一内介电层、粘合层及第二内介电层中，实体连接第一电路结构及第二电路结构。第二基板设置在第二内介电层上。第二光电二极管形成在第二基板中。第二深沟槽隔离结构在第二基板且围绕所述第二光电二极管。

Description

影像传感器
技术领域
本发明涉及一种半导体元件技术，且特别是关于影像传感器的技术。
背景技术
影像传感器是取得影像的元件，其配合现代科技的数据化的电子产品，在日常生活中有广大的应用。例如在照相机或是摄影机的应用，可以获取数字影像。数字影像一般是由多个像素以阵列方式组合成一个影像。每一个子像素对应所负责的原色，是由一个子影像感测元件所制造完成。感测元件事是半导体结构。如一般所知，一个色彩是至少由三个原色所组成，因此每一个完整的像素，一般至少会包含对应三个原色。从硬体结构上，会包含对应三个颜色感测元件。
前面是关于一般可见光的影像。然而对于影像信息的广泛需求，其除了能感应可见光的影像，也同时能够感应红外光的影像。因此在此趋势下，影像传感器的一个像素需要同时能够感应可见光以及红外光。
另外因应影像解析度的大幅提高，感应像素的尺寸也需要大幅缩小。如此相邻像素之间容易产生串扰(crosstalk)的问题。又针对红外光的感应，如果红外光的吸收量不足，也会有感应品质不良的问题。
设计影像传感器时，在可以同时感测可见光与红外光的需求下，其也需要考虑降低相邻像素之间的串扰，也同时能提升红外光的感应能力。
发明内容
本发明提出一种影像传感器，可以同时感测可见光与红外光，可以降低相邻像素之间的串扰，也同时提升红外光的感应能力。
依照一实施例，本发明提出一种影像传感器，包括第一基板。第一光电二极管形成于所述第一基板中，位于像素区域内。第一深沟槽隔离结构穿过所述第一基板且围绕所述第一光电二极管。第一内介电层设置在所述第一基板上。第一电路结构形成在所述第一内介电层中，由所述第一深沟槽隔离结构向外延伸。粘合层设置在所述第一内介电层上。第二内介电层设置在所述粘合层上。第二电路结构形成在所述第二内介电层中，对准于所述第一深沟槽隔离结构或是所述第一电路结构。连接壁设置在所述第一内介电层、所述粘合层及所述第二内介电层中，实体连接所述第一电路结构及所述第二电路结构。第二基板设置在所述第二内介电层上。第二光电二极管，设置在所述第二基板中，对应所述像素区域。第二深沟槽隔离结构穿过所述第二基板且围绕所述第二光电二极管。所述第二深沟槽隔离结构实体连接到所述第二电路结构。当入射光进入所述第二光电二极管，所述入射光通过反射更到达述第一光电二极管。
依照一实施例，对于所述的影像传感器，所述第一光电二极管是近红外光光电二极管，所述第二光电二极管是可见光光电二极管。
依照一实施例，所述的影像传感器还包括抗反射层在所述第二基板上。色彩滤光层设置在所述抗反射层上方。透镜设置在所述色彩滤光层上，对应所述第二光电二极管接收所述入射光的一部分。
依照一实施例，对于所述的影像传感器，所述色彩滤光层是红光、绿光及蓝光的其中一个。
依照一实施例，对于所述的影像传感器，所述连接壁是氮化硅或是金属。
依照一实施例，对于所述的影像传感器，所述连接壁提供要将所述入射光反射所需要的反射程度。
依照一实施例，对于所述的影像传感器，所述第一基板与所述第二基板的每一个的厚度大于或等于2.5微米。
依照一实施例，对于所述的影像传感器，所述入射光至少被所述第一电路结构、所述连接壁、所述第二电路结构的反射，产生被分散的多种入射角而进入所述第一光电二极管。
依照一实施例，所述的影像传感器还包括第一多晶硅层在第一内介电层中，以及第二多晶硅层在第二内介电层中。
依照一实施例，对于所述的影像传感器，所述第一电路结构包含第一金属壁接触连接到所述第一深沟槽隔离结构，以及第二电路结构包含第二金属壁接触连接到所述第二深沟槽隔离结构.
依照一实施例，对于所述的影像传感器，所述第一深沟槽隔离结构、所述第一电路结构、所述连接壁、所述第二电路结构及所述第二深沟槽隔离结构组成似管状结构，在所述入射光中所携带的红外光被所述似管状结构导引而到达所述第一光电二极管。
依照一实施例，对于所述的影像传感器，所述入射光包含可见光影像光与红外线影像光。
附图说明
包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1为依据本发明实施例，影像传感器的基本架构示意图。
附图标号说明
50:远端感应结构
60:近端感应结构
100:第一基板
102:第一光电二极管
104:第一深沟槽隔离结构
106:第一内介电层
108:第一电路结构
110:金属壁
112:多晶硅层
120:粘合层
122:连接壁
200:第二基板
202:第二光电二极管
204:第二深沟槽隔离结构
206:第二内介电层
208:第二电路结构
210:金属壁
212:多晶硅层
250:抗反射层
252:滤光层
254:透镜
256:格状结构
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
本发明针对影像传感器提出改良技术，其是包含两个光电二极管(photodiode)堆叠的架构，分别感应可见光与红外光。为了提升影像解析度，影像传感器的像素结构也面临元件尺寸缩小、红外光感测品质、像素之间的串扰等等的问题。
本发明提出双光电二极管的影像传感器，其一个感应像素的结构包含可见光的光电二极管与红外光的光电二极管叠置而成。相对于光的入射端，可见光的光电二极管配置在近端，红外光的光电二极管配置在远端。由于红外光的光电二极管配置在远端，可以增强对红外光的吸收，进而提升红外光的感应品质。
另外，可见光与红外光的光电二极管的周围利用深沟槽隔离(deep trenchisolation)的结构围绕光电二极管，使得相邻的像素达到光隔离的效果而减少串扰效应。本发明还利用后端的内连线金属结构以及连接二者内连线金属结构的连接壁达到类似管状的结构。影像光从入射端进入，先通过可见光的光电二极管，而红外光通过较长距离的传播到达远端的近红外光(near infrared,NIR)光电二极管。如此整体的像素，在不增加元件所占用的面积的情形下，也可以有效防止相邻像素之间的串扰(cross-talk)，以及增加红外光的感应品质。
以下举一些实施例来说明本发明，但是本发明不限于所举的实施例。
图1是依据本发明实施例，影像传感器的基本架构示意图。参阅图1，影像传感器是以一个像素的结构为例来说明。一个像素中接近入射端的光电二极管用于感应入射的可见光。然而入射光一般会通过滤光元件成为单色的原色光，例如是红光、绿光及蓝光的其中一种。经过滤光元件的入射光进入对应的像素中先于近端的光电二极管感应可见光成分，而远端的光电二极管会接收与感应入射光中的红外光成分。
从半导体制造技术所完成的影像传感器，其会包含多个感应像素。一个像素例如虚线所示的区域，其整体上包含远端感应结构50、粘合层120、近端感应结构60。远端感应结构50与近端感应结构60通过粘合层120连接，达到机械性的叠置结构。另外，一些光学元件射置在近端感应结构60上，用以接收如箭头所示的入射光。入射光包含可见光与红外光的成分。可见光由近端感应结构60感应。红外光会穿通过近端感应结构60，但是通过本发明提出的似管状结构，使得入射光中所携带的红外光被似管状结构导引而到达远端感应结构50。
较细部的结构如下描述。远端感应结构50包括第一基板100。第一光电二极管102形成于第一基板100中，位于像素区域内，其例如是由虚线所定义的区域。第一基板100的厚度例如是大于或等于2.5微米，其中更例如是大于或等于3微米。第一光电二极管102相对于入射光是远端的光电二极管，用来感应红外光。第一光电二极管102例如是近红外光(NIR)光电二极管。第一光电二极管102的制造是利用第一基板100的半导体材质，通过适当的掺杂(doping)所制造完成，其实际制造流程可参考传统的结构与制造方法，不在此描述。本发明不限制第一光电二极管102的具体结构的变化。类似地，本发明也不被限制于特定的感应红外光的第二光电二极管202。
第一深沟槽隔离结构104是穿过第一基板100且围绕第一光电二极管102。第一深沟槽隔离结构104具有反射作用，减少红外光进入到相邻的像素，减少串扰的问题。至于提升红外光感应品质的机制是基于整体结构来达成，其会在后面说明。
第一内介电层106设置在第一基板100上。第一电路结构108形成在第一内介电层106中。第一电路结构108会与第一深沟槽隔离结构104连接，也就是第一电路结构108由第一深沟槽隔离结构104向外/上延伸。第一电路结构108是控制第一光电二极管102以及对外连接的内部线路。根据半导体制造技术，第一电路结构108需要第一内介电层106来完成制造，于此省略其细部实际结构与制造流程的描述。
要达到本发明所要的似管状结构，第一电路结构108例如还包含金属壁110，使得第一电路结构108与第一深沟槽隔离结构104有较佳程度的紧密连接，达到所要的似管状结构，减少小区域的漏光。另外，配合第一光电二极管102的设计，第一内介电层106内，在一实施例，例如也可以包含多晶硅层112。也就是，第一光电二极管102的操作所需要其它外部电路形成在第一内介电层106中。
在一实施例，远端感应结构50与近端感应结构60是可以分别制造完成，其后使用粘合层120将远端感应结构50与近端感应结构60粘合与固定，而达成堆叠的一体。就制造完成的结构来看，粘合层120是设置在第一内介电层106与第二内介电层206。粘合层120例如是另一个阶段的介电层，用于粘合远端感应结构50与近端感应结构60。
第二内介电层206设置在粘合层120上。第二电路结构208形成在第二内介电层206中。第二电路结构208例如对准于第一深沟槽隔离结构104或是第一电路结构108。于此，第二内介电层206与第二电路结构208是属于近端感应结构60的一部分。类似于远端感应结构50的第一内介电层106与第一电路结构108的制造，第二电路结构208是因应控制第二光电二极管202的操作的外部电路，于此不再描述。第二电路结构208也包含金属壁210，其功用与第一电路结构108的金属壁110相同，如此金属壁210可以有效减少或排除第二电路结构208中可能实质产生漏光的空隙。
在要达到似管状结构的需求，连接壁122会设置在第一内介电层106、所粘合层120及第二内介电层206中，实体连接第一电路结构108及第二电路结构208。连接壁122的材质可以是金属、氮化物、氮化硅。也就是，连接壁122是可以实质对红外光产生反射的结构与材质。另外在一实施例，第二内介电层206依照实际需要例如也可以包含有多晶硅层212。
第二基板200设置述第二内介电层206上。第二光电二极管202，设置在第二基板200中，对应所述像素区域。第二光电二极管202例如是用于感应可见光的光电二极管。第二基板200的厚度例如是大于或等于2.5微米，其中更例如是大于或等于3微米。
如箭头所示的入射光会包含可见光与红外光。于此要说明，基于红外光波长范围的设定，其实质上例如也包含近红外光的波长范围。入射光中的可见光如一般所知，例如是由红光、绿光与蓝光的三原色所组成的颜色光。依照一般设计，一个像素感应一种原色，如此，入射光会先通过一些光学元件进行聚集(condensing)及滤光。例如，透镜254对应像素先聚集入射光的一部分，其后由滤光层252对入射光进行滤光而得到所预定的原色光，例如红光、绿光或是蓝光。另外光学元件还包含抗反射层250在第二基板200上。滤光层252及透镜254对应像素的位置依序设置在抗反射层250上。另外光学元件还可以包括格状结构256对应像素的周边设置在滤光层252中，围绕像素区域。光学元件可以依照实际需要而有不同的架构。本发明不限于特定的光学元件。
要达到减少串扰效应，本发明对应第二光电二极管202也设置第二深沟槽隔离结构204穿过第二基板200且围绕第二光电二极管202。第二深沟槽隔离结构204实体连接到第二电路结构208。
对于整体效果，入射光进入第二光电二极管202时，其可以见光的成分被第二光电二极管202吸收，其中第二深沟槽隔离结构204的反射效果，可以将入射光局限于此像素，可以有效减少串扰效应，同时由于反射效果，也增较第二光电二极管202的吸收路径，增加感应品质。
红外光的成分会通过第二光电二极管202，经过似管状的结构，继续反射行进，其行进较长距离后传播到达远端的第一光电二极管102。红外光在似管状结构中较长距离的反射因此造成光行进角度是被分散(dispersed)。也就是，红外光在进入第一光电二极管102的入射角是被分散成一个大范围，其中大角度的入射光会在第一光电二极管102会有更长的行进路径，也因此增加红外光被吸收的量。如此，本发明提出结构可以增加红外光的感应品质，而同时第一深沟槽隔离结构104也可以减少串扰的现象。
本发明针对双光电二极管的影像传感器，可见光的光电二极管配置在近端，红外光的光电二极管配置在远端。本发明提出的似管状结构对可见光可以减少串扰现象及提升感应品质。红外光通过似管状结构的引导进入红外光的光电二极管。红外光在似管状结构中经过较长距离行进后，可以产生大角度入射远端光电二极管红外光，可以增强对红外光的吸收，进而提升红外光的感应品质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种影像传感器，其特征在于，包括:
第一基板；
第一光电二极管，形成于所述第一基板中，位于像素区域内；
第一深沟槽隔离结构，穿过所述第一基板且围绕所述第一光电二极管；
第一内介电层，设置在所述第一基板上；
第一电路结构，形成在所述第一内介电层中，由所述第一深沟槽隔离结构向外延伸；
粘合层，设置在所述第一内介电层上；
第二内介电层，设置在所述粘合层上；
第二电路结构，形成在所述第二内介电层中，对准于所述第一深沟槽隔离结构或是所述第一电路结构；
连接壁，设置在所述第一内介电层、所述粘合层及所述第二内介电层中，实体连接所述第一电路结构及所述第二电路结构；
第二基板，设置在所述第二内介电层上；
第二光电二极管，设置在所述第二基板中，对应所述像素区域；以及
第二深沟槽隔离结构，穿过所述第二基板且围绕所述第二光电二极管，其中所述第二深沟槽隔离结构实体连接到所述第二电路结构，
其中当入射光进入所述第二光电二极管，所述入射光通过反射更到达所述第一光电二极管，
所述第一光电二极管是近红外光光电二极管，所述第二光电二极管是可见光光电二极管。
2.如权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，还包括:
抗反射层，在所述第二基板上；
色彩滤光层，设置在所述抗反射层上方；以及
透镜，设置在所述色彩滤光层上，对应所述第二光电二极管接收所述入射光的一部分。
3.如权利要求2所述的影像传感器，其特征在于，所述色彩滤光层是对应红光、绿光或蓝光。
4.如权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，所述连接壁是氮化硅或是金属。
5.如权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，所述连接壁提供要将所述入射光反射所需要的反射程度。
6.如权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，所述第一基板与所述第二基板的每一个的厚度大于或等于2.5微米。
7.如权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，所述入射光至少被所述第一电路结构、所述连接壁、所述第二电路结构的反射，产生被分散的多种入射角而进入所述第一光电二极管。
8.如权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，还包括:
第一多晶硅层在第一内介电层中；以及
第二多晶硅层在第二内介电层中。
9.如权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，所述第一电路结构包含第一金属壁接触连接到所述第一深沟槽隔离结构，以及第二电路结构包含第二金属壁接触连接到所述第二深沟槽隔离结构。
10.如权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，所述第一深沟槽隔离结构、所述第一电路结构、所述连接壁、所述第二电路结构及所述第二深沟槽隔离结构组成似管状结构，在所述入射光中所携带的红外光被所述似管状结构导引而到达所述第一光电二极管。
11.如权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，所述入射光包含可见光影像光与红外线影像光。
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