CN111432100A - 图像传感器及其形成方法、屏下指纹识别装置、电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种图像传感器及其形成方法、屏下指纹识别装置以及电子设备，所述图像传感器包括：第一基底，具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面内形成有若干传感单元组成的像素阵列，所述第二表面内形成有若干微透镜组成的微透镜阵列；第二基底，所述第二基底包括金属互连层；所述第一基底的第一表面键合于所述第二基底的金属互连层表面；所述第一基底的第二表面为图形化的微透镜结构。上述图像传感器的图像传感能力提高。

Description

图像传感器及其形成方法、屏下指纹识别装置、电子设备
技术领域
本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法、屏下指纹识别装置、电子设备。
背景技术
随着手机行业的高速发展，指纹识别越来越受到人们的重视，屏下指纹识别技术的实用化已成为大众所需。
光学屏下指纹识别技术是通过光学指纹模组采集光源发出的光线在手指发生反射后透过屏幕的反射光，由于反射光中携带手指表面的指纹信息，从而实现屏下指纹识别。
现有技术中的屏下指纹识别装置，包括一图像传感芯片，所述图像传感芯片通常采用前面照度(FSI)技术，图像传感芯片的表层需要设置微透镜，对入射光进行聚焦，入射光通过微透镜聚焦后，再透过像素阵列表面的金属堆叠层进入，照射到像素阵列上。
现有的屏下指纹识别装置，通常采用可见光作为检测光源，在一些特殊的应用场景下，例如在需要佩戴透明手套的情况下，现有的屏下指纹装置，无法进行有效的指纹识别。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种屏下指纹识别装置，可以提高产品良率，降低成本。
为了解决上述问题，本发明提供了一种图像传感器，包括：第一基底，具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面内形成有若干传感单元组成的像素阵列，所述第二表面内形成有若干微透镜组成的微透镜阵列；第二基底，所述第二基底包括金属互连层；所述第一基底的第一表面键合于所述第二基底的金属互连层表面；所述第一基底的第二表面为图形化的微透镜阵列。
可选的，所述第一基底为半导体衬底；所述微透镜阵列由刻蚀所述半导体衬底而形成。
可选的，每个微透镜对应一个或多个传感单元。
可选的，所述第一基底的厚度为3μm～10μm。
可选的，还包括：覆盖于所述微透镜阵列表面的吸光层；所述吸光层的厚度为
Figure BDA0002431304170000021
可选的，所述吸光层具有粗糙表面。
可选的，所述吸光层的材料包括氧化硅、氮氧化硅或者氮化硅中的至少一种。
本发明的技术方案还提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供第一基底，所述第一基底包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面内形成有若干传感单元组成的像素阵列；提供第二基底，所述第二基底包括金属互连层；将所述第一基底的第一表面键合于所述第二基底的金属互连层表面；在所述第一基底的第二表面形成微透镜阵列。
可选的，所述第一基底为半导体衬底；对所述第一基底的第二表面进行刻蚀，形成所述微透镜阵列，所述微透镜阵列包括若干阵列排布的微透镜。
可选的，每个微透镜对应一个或多个传感单元。
可选的，还包括：在形成所述微透镜阵列之前，对所述第一基底的第二表面进行减薄处理，使得减薄后的第一基底厚度为3μm～10μm。
可选的，还包括：在所述微透镜阵列表面形成吸光层；所述吸光层的厚度为
Figure BDA0002431304170000022
可选的，所述吸光层的材料包括氧化硅、氮氧化硅或者氮化硅中的至少一种。
可选的，采用原子层沉积工艺、化学气相沉积工艺形成所述吸光层。
可选的，还包括：对所述吸光层表面进行粗糙化处理。
本发明的技术方案还提供一种屏下指纹识别装置，其特征在于，包括：如上述任一项所述的图像传感器。
本发明的技术方案还提供一种电子设备，包括：屏幕，具有一指纹识别区域；上述的屏下指纹识别装置，设置于所述屏幕的指纹识识别区域下方。
可选的，还包括：指纹识别光源，用于发出指纹检测光，所述指纹检测光至少包括红外光。
本发明的图像传感器，采用背面照度(BSI)结构，以像素阵列的背面作为光传感表面，可以提高对红外光的吸收能力，以及图像传感器的满井电荷容量(FWC)，进而提高所述图像传感器的传感能力。
进一步，直接对像素阵列背面的第一基底进行刻蚀，形成微透镜阵列，无需额外形成微透镜结构，可以进一步提高图像传感器的满井容量，对红外光的吸收能力，以及光电转换效率。
附图说明
图1至图6为本发明一具体实施方式的图像传感器的形成过程的结构示意图。
具体实施方式
如背景技术中所述，现有技术中的屏下指纹识别装置的识别效率有待进一步提高。由于现有的屏下指纹识别装置通常采用的图像传感器均采用前面照度(FSI)技术，入射光在传播过程中，会受到较大的损耗；且传播过程中，由于金属连线之间的孔径，会产生衍射等效应，造成各像素单元对应的入射光之间的相互串扰，阻碍像素阵列对入射光的吸收，影响指纹识别能力。
为了解决上述问题，本发明的具体实施方式提供一种图像传感芯片，能够提高指纹识别能力。
下面结合附图对本发明提供的图像传感器及其形成方法、屏下指纹识别装置、电子设备的具体实施方式做详细说明。
请参考图1至图6，为本发明一具体实施方式的图像传感器的形成过程的结构示意图。
请参考图1，提供第一基底100，所述第一基底100包括相对的第一表面101和第二表面102，所述第一表面101内形成有若干传感单元组成的像素阵列1001。
所述第一基底100为半导体衬底，例如Si衬底、SiGe衬底或其他半导体衬底，可以为单层结构，也可以为复合结构，例如SOI衬底。
可以通过离子注入等方式，在所述第一基底100的第一表面101内形成光电二极管，作为传感单元；若干传感单元阵列排布形成所述像素阵列1001。
请参考图2，提供第二基底200，所述第二基底200包括金属互连层202。
该具体实施方式中，所述第二基底200还包括半导体衬底201，所述金属互连层202形成于所述半导体衬底201上。所述半导体衬底201可以形成有晶体管等半导体器件。所述金属互连层202包括介质层2022，以及形成于所述介质层2022内的金属互连线2021。
请参考图3，将所述第一基底100的第一表面101键合于所述第二基底200的金属互连层202表面。
可以通过晶圆键合工艺，将所述第一基底100与所述第二基底200之间键合连接。所述像素阵列1001与所述金属互连层202内的金属互连线2021之间形成点连接，以将所述像素阵列1001的传感信号输出。
请参考图4，将所述第一基底100的第二表面102进行减薄处理。
通过化学机械研磨工艺，对所述第二表面102进行研磨减薄，由于所述第一基底100和所述第二基底200之间键合连接，同样厚度下能够提高整体结构的强度，因此，与仅采用单片基底的前面照度技术的图像传感器的基底减薄相比，在保持同样结构强度的前提下，可以进一步降低减薄后的厚度，从而降低图像传感器的整体厚度。
在减薄过程中，减薄后的第一基底100a略高于最小减薄厚度。所述最小厚度是为了满足所述第一基底100a的强度要求，以及像素阵列的掺杂区具有足够的厚度进行光电转换时，所述第一基底100a的最小厚度。通常所述最小厚度为1μm～3μm。
在一个具体实施方式中，减薄后的第一基底100a的厚度可以为3μm～10μm，厚度较大，能够提高对入射光的吸收能力，特别是能够提高对红外光的吸收能力，从而提高所述第一基底100a对于红外光的吸收效能。并且，较厚的第一基底100a，能够提高传感单元的满井容量，使得更多的光子能够被吸收转换为电荷。根据所述第一基底100a的厚度，也可以进一步相应的提高像素阵列1001内传感单元的掺杂深度，使得传感单元的掺杂区域的深度更接近所述第一基底100a的厚度，提高像素传感阵列1001的光电转换能力。较佳的，可以通过对所述第一基底100的第一表面102进行减薄，直至减薄至所述传感单元的掺杂区。
该具体实施方式中，所述像素阵列1001的厚度可以大于或等于所述最小减薄厚度，所述第一基底100a的厚度大于所述像素阵列1001的厚度。
请参考图5，在所述第一基底100a的第二表面102形成微透镜阵列500，所述微透镜阵列500包括若干阵列排布的微透镜501。
该具体实施方式中，可以通过对所述第一基底100a的第二表面102进行刻蚀，形成所述微透镜501。具体的，在所述第二表面102上形成图形化掩膜层，例如图形化光刻胶层，以所述图形化光刻胶层为掩膜，对所述第一基底100a进行刻蚀，在所述第一基底100a的第二表面形成若干弧形表面，作为微透镜501。可以通过调整所述图形化掩膜层内的掩膜图形，对形成的微透镜501的尺寸进行调整，还可以对所述弧形表面的曲率进行调整，从而调整微透镜501的焦距，使得所述微透镜501能够将入射光聚焦至下方的传感单元内。
利用第一基底100a直接刻蚀形成微透镜，无需再在半导体制程工艺完成之后，再将芯片送至微透镜加工厂，额外形成微透镜结构，从而可以缩短图像传感器的生产周期，降低成本。并且，以所述第一基底100a的材料作为微透镜，可以提高传感单元的满井容量，提高光电转换能力，特别是可以提高对于红外光的吸收能力。所述微透镜501内还可以形成有传感单元的掺杂区域，进一步提高光电转换率，进而提高图像传感器的传感能力。以所述第一基底100a的材料形成微透镜501，相比于现有的光刻胶或其他聚合物形成的微透镜，对于红外光有更高的吸收效率，使得形成的图像传感芯片具有更宽的光谱应用范围，即便在可见光条件下无法实现指纹识别的情况下，依然能够利用人体手指自身辐射的红外光实现指纹识别。由于无需额外形成微透镜，还可以进一步降低图像传感器的厚度。
在其他实施方式中，也可以不采用该步骤形成微透镜阵列，而是额外在所述第一基底100a表面形成透明聚合物层之后，通过光刻、刻蚀等方式形成微透镜阵列。
每个所述微透镜501下方对应一个或多个传感单元，可以根据具体的分辨率要求，进行设置。
请参考图6，在所述微透镜阵列500表面形成吸光层600。
所述吸光层600可以为增透膜层，尤其对于红外光具有较高的吸收能力。在一些具体实施方式中，所述吸光层600的材料可以包括氧化硅、氮氧化硅或者氮化硅中的至少一种，可以为单层或者多层结构。在其他具体实施方式中，还可以通过对所述吸光层600的材料选择，对透过的广波波长进行选择。
可以采用原子层沉积工艺、化学气相沉积工艺形成所述吸光层600。所述吸光层600的厚度不能过小，以避免吸光效果较差；所述吸光层600的厚度也不能过大，以免入射光进入所述吸收层600后，被衰减过多。在一些具体实施方式中，所述吸光600的厚度为
Figure BDA0002431304170000061
在其他具体实施方式中，可以根据具体情况，设置合适厚度。
进一步的，在一些具体方式中，还可以对所述吸光层600表面进行粗糙化处理，使得所述吸光层600具有粗糙表面，以减少所述吸光层600对所述入射光的反射。在所述吸光层600具有粗糙表面的情况下，粗糙表面会对入射光产生漫反射，增加透过吸光层600的光的比例。可以通过刻蚀或者化学腐蚀等工艺，对所述吸光层600表面进行粗糙化处理；也可以在形成所述吸光层600的过程中，通过调整工艺参数，直接形成具有粗糙表面的吸光层600。
本发明的具体实施方式还提供一种图像传感器。
请参考图6，为本发明一具体实施方式的图像传感器的结构示意图。
所述图像传感器包括：第一基底100a和第二基底200。
所述第二基底200包括半导体衬底201，金属互连层202形成于所述半导体衬底200上。所述半导体衬底201内形成有晶体管等半导体器件。所述金属互连层202包括介质层2022，以及形成于所述介质层2022内的金属互连线2021。
所述第一基底100a，具有相对的第一表面101和第二表面102，所述第一表面101内形成有若干传感单元组成的像素阵列1001，所述第二表面102内形成有若干微透镜501组成的微透镜阵列。
所述第一基底100a为减薄后的半导体衬底，所述半导体衬底可以为Si衬底、SiGe衬底或其他半导体衬底，可以为单层结构，也可以为复合结构，例如SOI衬底。
所述第一基底100的第一表面101，即所述像素阵列1001所在的表面，与所述第二基底200之间键合连接。
该具体实施方式中，所述第一基底100a包括所述像素阵列1001以及微透镜501组成的微透镜阵列。所述像素阵列1001包括若干传感单元，所述传感单元可以为光电二极管等光电转换元件。
所述第一基底100a的厚度略高于最小减薄厚度，在一个具体实施方式中，所述第一基底100a的厚度可以为3μm～10μm。厚度较大，能够提高对入射光的吸收能力，特别是对于红外光，从而提高所述第一基底100a对于红外光的吸收效能。并且，较厚的第一基底100a，能够提高传感单元的满井容量，使得更多的光子能够被吸收转换为电荷。根据所述第一基底100a的厚度，也可以进一步相应的提高像素阵列1001内传感单元的掺杂深度，使得传感单元的掺杂区域更接近所述第一基底100a的表面，提高光电转换能力。
该具体实施方式中，所述微透镜阵列为所述第一基底100a的一部分，所述微透镜501由刻蚀所述第一基底100a而形成，与所述像素阵列1001为一体结构。利用第一基底100a直接刻蚀形成微透镜，无需再在半导体制程工艺完成之后，再将芯片送至微透镜加工厂，额外形成微透镜结构，从而可以缩短芯片的生产周期，降低成本。
每个微透镜501对应一个或多个传感单元，可以根据具体的分辨率要求，进行设置。
该具体实施方式中，所述图像传感器还包括覆盖于所述微透镜501表面的吸光层600。所述吸光层600的厚度不能过小，以避免吸光效果较差；所述吸光层600的厚度也不能过大，以免入射光进入所述吸收层后，被衰减过多，而无法达到第一基底100a内。在一些具体实施方式中，所述吸光层600的厚度为
Figure BDA0002431304170000081
在其他具体实施方式中，可以根据具体情况，设置合适厚度。
所述吸光层600的材料可以包括氧化硅、氮氧化硅或者氮化硅中的至少一种，可以为单层或者多层结构。在其他具体实施方式中，还可以通过对所述吸光层600的材料选择，对透过的光线的波长进行选择。
在一个具体实施方式中，所述吸光层600具有粗糙表面，以减少所述吸光层600对所述入射光的反射。所述吸光层600具有粗糙表面的情况下，表面会对入射光产生漫反射，增加透过吸光层600的光的比例。
上述图像传感器，采用背面照度(BSI)结构，以像素阵列的背面作为光传感表面，可以提高对红外光的吸收能力，以及图像传感器的满井电荷容量(FWC)，进而提高所述图像传感器的传感能力。
进一步，直接在像素阵列背面的半导体衬底，形成微透镜阵列，无需额外形成微透镜结构，可以进一步提高图像传感器的满井容量，对红外光的吸收能力，以及光电转换效率。
本发明的具体实施方式还提供一种屏下指纹识别装置，包括：如上述具体实施方式中所述的图像传感器。
本发明的具体实施方式还提供一种电子设备。所述电子设备可以为手机、平板电脑或其他具有指纹识别功能的设备。
所述电子设备包括屏幕，所述屏幕具有一指纹识别区域，以及如上述具体实施方式中的屏下指纹识别装置，设置于所述屏幕的指纹识识别区域下方。所述屏幕可以为显示屏，也可以为透明触摸板。
在一个具体实施方式中，所述屏幕可以为OLED屏幕，能够主动发光，作为指纹检测的光源。由于所述图像传感器具有较高的红外吸收能力，也可以以红外光作为指纹检测光源。
在一个具体实施方式中，所述电子设备还可以包括指纹识别光源，用于发出指纹检测光，所述指纹检测光至少包括红外光。由于所述图像传感器对与红外光的吸收能力较强，光电转换效率高，采用包括红外光在内的检测光源能够有效提高指纹识别的准确性。
在另一具体实施方式中，所述电子设备还可以利用手指本身辐射出的红外光进行指纹识别，在带有手套，例如无尘室的透明无尘手套时，依旧能够实现指纹识别。由于手指表面的指纹的凸起和凹陷处存在一定的高度差，从而会存在相应的温度分布，例如凹陷处温度略高于凸起处温度，使得表面辐射的红外光的强度呈现相应的结构分布，从而可以反映出指纹的纹理分布，通过所述红外光的强度分布，形成相应的指纹图像，从而进行指纹识别。
在一个具体实施方式中，所述电子设备还包括：处理器，用于连接至所述屏下指纹识别装置，对所述屏下指纹识别装置获得的传感信号进行处理，获取指纹图像。
进一步的，所述处理器还用于对所述指纹图像进行去灰度处理。例如，可以对带手套进行指纹识别时获取的指纹图像，进行去会读处理，获得对比度更明显，更为清晰的指纹图像，从而提高指纹识别的准确性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
第一基底，具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面内形成有若干传感单元组成的像素阵列，所述第二表面内形成有若干微透镜组成的微透镜阵列；
第二基底，所述第二基底包括金属互连层；
所述第一基底的第一表面键合于所述第二基底的金属互连层表面；
所述第一基底的第二表面为图形化的微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一基底为半导体衬底；所述微透镜阵列由刻蚀所述半导体衬底而形成。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，每个微透镜对应一个或多个传感单元。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一基底的厚度为3μm～10μm。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括：覆盖于所述微透镜阵列表面的吸光层，所述吸光层的厚度为
Figure FDA0002431304160000011
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述吸光层具有粗糙表面。
7.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述吸光层的材料包括氧化硅、氮氧化硅或者氮化硅中的至少一种。
8.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供第一基底，所述第一基底包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面内形成有若干传感单元组成的像素阵列；
提供第二基底，所述第二基底包括金属互连层；
将所述第一基底的第一表面键合于所述第二基底的金属互连层表面；
在所述第一基底的第二表面形成微透镜阵列。
9.根据权利要求8所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一基底为半导体衬底；对所述第一基底的第二表面进行刻蚀，形成所述微透镜阵列，所述微透镜阵列包括若干阵列排布的微透镜。
10.根据权利要求8所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，还包括：在形成所述微透镜阵列之前，对所述第一基底的第二表面进行减薄处理，使得减薄后的第一基底厚度为3μm～10μm。
11.根据权利要求8所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，还包括：在所述微透镜阵列表面形成吸光层，所述吸光层的厚度为
Figure FDA0002431304160000021
12.根据权利要求11所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述吸光层的材料包括氧化硅、氮氧化硅或者氮化硅中的至少一种。
13.根据权利要求11所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，还包括：对所述吸光层表面进行粗糙化处理。
14.一种屏下指纹识别装置，其特征在于，包括：如权利要求1至7中任一项所述的图像传感器。
15.一种电子设备，其特征在于，包括：
屏幕，具有一指纹识别区域；
如权利要求14所述的屏下指纹识别装置，设置于所述屏幕的指纹识识别区域下方。
16.根据权利要求15所述的电子设备，其特征在于，还包括：指纹识别光源，用于发出指纹检测光，所述指纹检测光至少包括红外光。
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