CN112951856A - 图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器，包括半导体衬底、多个微透镜、多个彩色滤光片、内连线结构以及反射层。半导体衬底具有彼此相对的第一面与第二面，半导体衬底包括排列成阵列的多个感测像素，多个感测像素的每一者分别包括多个感光元件。多个微透镜位于半导体衬底的第一面上。多个彩色滤光片位于半导体衬底与多个微透镜之间。内连线结构位于半导体衬底的第二面上，且电性耦接至多个感光元件。反射层位于内连线结构与多个感光元件之间，且反射层被配置为将穿透多个感光元件的全部或部分光线反射回多个感光元件。内连线结构包括交替堆迭的多个线路层，且反射层与多个线路层中最靠近半导体衬底的一者位于同一层级。

Description

图像传感器
技术领域
本发明涉及一种感测装置，尤其涉及一种图像传感器。
背景技术
与电荷耦合元件(charge coupled device，CCD)相比，互补式金属氧化物半导体图像传感器(complementary metal-oxide-semiconductor image sensor，CMOS imagesensor，CIS)因具有低操作电压、低功率消耗、高操作效率以及可进行随机存取等优点，且同时具有可整合于目前的半导体技术以大量制造的优势，因此应用范围非常广泛。
CIS的像素感光元件主要是由PN二极管组成，而感光后所产生的图像信号强弱则是依照感光区的面积大小和入射光的光线强度而定。就目前市场广泛应用的背侧照明式(back-side illuminated，BSI)CIS而言，其晶体管、电容以及金属线路层都建构在像素感光元件的底层，因此BSI-CIS的像素感光区的尺寸几乎等于像素的尺寸，使得感光灵敏度可大幅地提升。
发明内容
本发明提供一种图像传感器，可有效地提升感光灵敏度。
本发明的图像传感器包括半导体衬底、多个微透镜、多个彩色滤光片、内连线结构以及反射层。半导体衬底具有彼此相对的第一面与第二面，半导体衬底包括排列成阵列的多个感测像素，多个感测像素的每一者分别包括多个感光元件。多个微透镜位于半导体衬底的第一面上。多个彩色滤光片位于半导体衬底与多个微透镜之间。内连线结构位于半导体衬底的第二面上，且电性耦接至多个感光元件。反射层位于内连线结构与多个感光元件之间，且反射层被配置为将穿透多个感光元件的全部或部分光线反射回多个感光元件。内连线结构包括交替堆迭的多个线路层，且反射层与多个线路层中最靠近半导体衬底的一者位于同一层级。
基于上述，本发明的实施例的图像传感器可通过反射层使穿透感光元件的全部或部分光线再次照射至感光元件。如此一来，入射至传感器的光可更有效率地被收集，进而可提升图像传感器的光灵敏度。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的第一实施例的一种图像传感器的剖面示意图；
图2是依照本发明的第二实施例的一种图像传感器的剖面示意图。
附图标号说明
100、200：图像传感器；
110：半导体衬底；
110a：第一面；
110b：第二面；
112：感光元件；
114：隔离结构；
120：微透镜；
130：彩色滤光片；
140：内连线结构；
142：层间介电层；
144：线路层；
150、250：反射层；
252：反射区块；
B：蓝光滤光片；
G：绿光滤光片；
L：光线；
P：感测像素；
R：红光滤光片。
具体实施方式
图1是依照本发明的第一实施例的一种图像传感器的剖面示意图。本实施例的图像传感器100可用于进行图像拍摄的各种高像素电子装置(例如照相机、移动电话、计算机等)中，且可达到全彩图像(full-color image)感测。举例来说，本实施例的图像传感器100可用于1200万像素或是6400万像素的电子装置中，其中当运用在6400万像素的行动电话的相机时，每一像素的尺寸可例如为1.4*1.4μm2或是0.7*0.7μm2，然本发明不以此为限。
请参照图1，图像传感器100包括半导体衬底110、多个微透镜120、多个彩色滤光片130、内连线结构140以及反射层150。半导体衬底110具有彼此相对的第一面110a与第二面110b。半导体衬底110包括排列成阵列的多个感测像素P，多个感测像素P的每一者分别包括多个感光元件112。多个微透镜120位于半导体衬底110的第一面110a上。多个彩色滤光片130位于半导体衬底110与多个微透镜120之间。内连线结构140位于半导体衬底110的第二面110b上，且电性耦接至多个感光元件112。反射层150位于内连线结构140与多个感光元件112之间，且反射层150被配置为将穿透多个感光元件112的全部或部分光线L反射回多个感光元件112。
具体来说，本实施例的图像传感器100为背侧照明式互补式金属氧化物半导体图像传感器(back-side illuminated complementary metal-oxide-semiconductor imagesensor，BSI-CIS)，半导体衬底110的第一面110a可称为背面，而半导体衬底110的第二面110b可称为正面(或是有源面)。光线(或辐射)L入射至半导体衬底110的背面(即，第一面110a)，并经由背面(即，第一面110a)进入感光元件112，以进行图像感测功能。然而，部分的光线L可能会穿透感光元件112而无法有效地被感测。因此，本实施例的图像传感器100可通过反射层150使穿透感光元件112的全部或部分光线L再次照射至感光元件112。如此一来，入射至图像传感器100的光线L可更有效率地被收集，进而可提升图像传感器110的感测灵敏度。
在本实施例中，半导体衬底110可由下列制成：合适的元素半导体，例如晶体硅、金刚石或锗；合适的化合物半导体，例如砷化镓、碳化硅、砷化铟或磷化铟；或者合适的合金半导体，例如碳化硅锗、磷化镓砷或磷化镓铟。半导体衬底110可为p型衬底或n型衬底。举例来说，当半导体衬底110是p型衬底时，半导体衬底110可以掺杂有p型掺杂剂(例如硼)，当半导体衬底110是n型衬底时，半导体衬底110可以掺杂有n型掺杂剂(例如磷或砷)。
半导体衬底110可包括多个隔离结构114，以在半导体衬底110中定义多个有源区。隔离结构114由半导体衬底110的第一面110a朝向半导体衬底110的第二面100b延伸。多个感光元件112分别形成在半导体衬底110中所定义的多个有源区中。举例来说，隔离结构114可包括深沟渠隔离(deep trench isolation，DTI)结构，以将多个感光元件112彼此隔离，使相邻感光元件112之间的光信号干扰可显著降低。然而，在其他实施例中，隔离结构114也可包括浅沟渠隔离(shallow trench isolation，STI)结构、植入隔离(implantisolation)结构或其他隔离结构。感光元件112可包括光二极管(photo-diode)。光二极管可以包括至少一个p型掺杂区、至少一个n型掺杂区以及形成在p型掺杂区和n型掺杂区之间的p-n接面。感光元件112的形成方法例如是离子植入法。具体而言，当半导体衬底110是p型衬底时，可以将n型掺杂剂(例如磷或砷)掺杂到有源区中以形成n型井，并且在半导体衬底110中所形成的p-n接面能够执行图像感测功能。类似地，当半导体衬底110是n型衬底时，可将p型掺杂剂(例如硼)掺杂到有源区中以形成p型井。当在感光元件112的p-n接面施加逆向偏压(reversed bias)时，p-n接面对入射光线敏感。此时，感光元件112处于浮置高阻抗(floating high impedance)的状态。在经过光照射一段时间之后，感光元件112可产生电流，而造成的压差即为图像信号。也就是说，感光元件112所接收或检测到的光线可被转换成光电流(photo-current)，进而可产生图像信号输出。
此外，图像传感器100还可包括位于半导体衬底110的有源面(即，第二面110b)上的一或多个像素晶体管(图中未示出)。举例来说，像素晶体管可包括转移晶体管(transfertransistor)，用以将感光元件112中产生的电荷转移出感光元件112，以用以读出。另外，像素晶体管还可包括其他晶体管，例如源极跟随器晶体管(source-follower transistor)、行选择晶体管(row select transistor)或重置晶体管(reset transistor)等。为了清楚说明之目的，图1中并未绘示出这些半导体元件。
彩色滤光片130设置在半导体衬底110的第一面110a上，且多个彩色滤光片130中的每一者分别对应于多个感光元件112中的每一者。彩色滤光片130允许传输具有特定波长范围的光，同时阻挡波长超出特定范围的光。举例来说，多个彩色滤光片130可包括红光滤光片R、绿光滤光片G及蓝光滤光片B。红光滤光片R允许红色光线通过，使得红色光线被位于红光滤光片R下方的感光元件112接收。绿光滤光片G允许绿色光线通过，使得绿色光线被位于绿光滤光片G下方的感光元件112接收。蓝光滤光片B允许蓝色光线通过，使得蓝色光线被位于蓝光滤光片B下方的感光元件112接收。本实施例的图像传感器100适于感测光波长落在可见光范围的光线。
多个微透镜120设置在多个彩色滤光片130上，且多个微透镜120中的每一者分别对应于多个彩色滤光片130中的每一者。多个微透镜120可构成微透镜阵列(micro-lensarray)。多个微透镜120的中心点分别在垂直方向上与多个彩色滤光片130的中心点实质上对准。微透镜120可用以将入射光线L聚焦至感光元件112。当光线L透过微透镜120折射后，光线L可实质上垂直入射至反射层150，而反射层再将光线L反射回感光元件112以提升光收集效率。由于光线L是近乎垂直入射，因此光线L不会反射至邻近的其他感光元件112，可减少杂讯的干扰。
如图1所示，内连线结构140设置在半导体衬底110的有源面(即，第二面110b)上，且电性耦接至感光元件112，使得从感光元件112产生的信号可以被传送到其他元件以进行处理。在本实施例中，内连线结构140包括层间介电(interlayer dielectric，ILD)层142以及形成于层间介电层142中交替堆迭的多个线路层144。ILD层142的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、磷硅酸盐玻璃(phosphosilicate glass，PSG)、硼磷硅酸盐玻璃(borophosphosilicate glass，BPSG)、旋涂式玻璃(spin-on glass，SOG)、氟化硅玻璃(fluorinated silica glass，FSG)、碳掺杂氧化硅(例如SiCOH)、聚酰亚胺或其组合。线路层144的材料包括导电材料，例如金属。线路层144的层数例如是四层或五层，但本发明不限于此。在其他实施例中，内连线结构140可包括更多层或更少层的线路层144。具体来说，多个线路层144中最靠近半导体衬底110的一者可为金属一(metal one)层，而堆迭在金属一层上的线路层144可依序为金属二(metal two)层、金属三(metal three)层，依此类推。以五层线路层144为例，多个线路层144中最靠近半导体衬底110的一者可为金属一(metalone)层，多个线路层144中最远离半导体衬底110的一者可为金属五(metal five)层。应用本实施例者亦可将多个线路层144中最靠近半导体衬底110的一者设置在金属五层，将多个线路层144中最远离半导体衬底110的一者设置在金属一层，并依此类推。在本实施例中，由于内连线结构140设置于入光面(即，第一面110a)的相对侧(即，第二面110b)，也就是感光元件112的下方，因此内连线结构140不阻挡光线L照射于感光元件112上。
在本实施例中，反射层150可为片状金属层，反射层150在与半导体衬底110平行的方向上连续地延伸，且多个感光元件112投影在反射层150上的正投影位在反射层150的范围内。换言之，从俯视方向(由上往下)观看下，多个感光元件112可与反射层150重迭，使穿透感光元件112的光线L可被反射层150反射而再次照射至感光元件112。在本实施例中，反射层150可例如与多个线路层144中最靠近半导体衬底110的一者(即金属一层)在同一工艺中形成。换言之，反射层150可例如与多个线路层144中最靠近半导体衬底110的一者(即金属一层)位于同一层级，且反射层150与线路层144可包括相同材料(例如金属)。需说明的是，此处为了清楚绘示反射层150，因此没有绘示出与反射层150相同层级的线路层(即金属一层)。
由于反射层150可在制作线路层144的同时一起形成，也就是可利用既有工艺来制作反射层150，因此无须增加额外的工艺步骤，可具有高工艺相容性及不额外增加成本等优点。此外，由于反射层150可为金属层，光线L在反射层150的反射可为镜面反射，且不易发生散射，因此垂直入射的光线L可垂直地反射回感光元件112，以避免光线L散射至邻近的其他感光元件112，可减少杂讯的干扰。
在本实施例中，反射层150电性断接于感光元件112。在一实施例中，反射层150可耦接至电源电压(VDD)或接地电压(GND)，使反射层150可作为信号屏蔽，以减少感光元件112与线路层144之间的信号干扰及扰动。然而，在其他实施例中，反射层150也可为电性浮置(floating)。
图2是依照本发明的第二实施例的一种图像传感器的剖面示意图。请参照图2，本实施例的图像传感器200与图1的图像传感器100相似，因此细节不再赘述。与图1相比较，图2中的图像传感器200的反射层250可包括分离的多个反射区块252，且多个感光元件112的每一者投影在反射层250上的正投影分别位在多个反射区块252的每一者的范围内。换言之，从俯视方向(由上往下)观看下，多个感光元件112的一者可与多个反射区块252的一者重迭，使穿透感光元件112的光线L可被反射层150反射而再次照射至感光元件112。此外，反射层250还可包括多个连接线(未绘示)，连接于多个反射区块252之间。
综上所述，本发明的实施例的图像传感器可通过反射层使穿透感光元件的全部或部分光线再次照射至感光元件。如此一来，入射至图像传感器的光线可更有效率地被利用，进而可提升图像传感器的感测灵敏度。
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 (9)

1.一种图像传感器，包括：
半导体衬底，具有彼此相对的第一面与第二面，所述半导体衬底包括排列成阵列的多个感测像素，所述多个感测像素的每一者分别包括多个感光元件；
多个微透镜，位于所述半导体衬底的所述第一面上；
多个彩色滤光片，位于所述半导体衬底与所述多个微透镜之间；
内连线结构，位于所述半导体衬底的所述第二面上，且电性耦接至所述多个感光元件；以及
反射层，位于所述内连线结构与所述多个感光元件之间，且所述反射层被配置为将穿透所述多个感光元件的全部或部分光线反射回所述多个感光元件，其中所述内连线结构包括交替堆迭的多个线路层，且所述反射层与所述多个线路层中最靠近所述半导体衬底的一者位于同一层级。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述反射层电性断接于所述多个感光元件。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述反射层包括金属层。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述反射层耦接至电源电压或接地电压。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述反射层在与所述半导体衬底平行的方向上连续地延伸，且所述多个感光元件投影在所述反射层上的正投影位在所述反射层的范围内。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述反射层包括分离的多个反射区块，且所述多个感光元件的每一者投影在所述反射层上的正投影分别位在所述多个反射区块的每一者的范围内。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述反射层与所述多个线路层包括相同材料。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述半导体衬底还包括多个隔离结构，且所述多个隔离结构将所述多个感光元件彼此隔离。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述多个彩色滤光片包括红光滤光片、绿光滤光片及蓝光滤光片。
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