CN117397031A - 前照式图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种前照式图像传感器，包括：基底、感光单元与透镜结构；基底具有多个电荷存储区；感光单元位于基底上方，感光单元包括多个感光子单元，每一感光子单元包括上下堆叠设置的红光感光层、绿光感光层、蓝光感光层以及红外感光层，一个感光子单元电连接一个电荷存储区；透镜结构位于感光单元远离基底的一侧。本发明的前照式图像传感器，一、工艺简单、良率高；二、电荷存储区和存储电容空间可以设计足够大，从而获得更大满井容量，带来高动态范围提升，并天然具备全局快门设计条件；三、可以减少光线传播过程中引起的串扰；四、集成了彩色图像传感器与红外光图像传感器，集成度高，成本低。
Description
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种前照式图像传感器。
图像传感器是利用光电器件的光电转换功能将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。与光敏二极管、光敏三极管等“点”光源的光敏元件相比，图像传感器是将其受光面上的光像，分成许多小单元，将其转换成可用的电信号的一种功能器件。图像传感器分为光导摄像管和固态图像传感器。与光导摄像管相比，固态图像传感器具有体积小、重量轻、集成度高、分辨率高、功耗低、寿命长、价格低等特点，因此在各个行业得到了广泛应用。
目前的彩色图像传感器多是采用背照式CMOS结构。背照式彩色图像传感器的不足之处在于：一、需要在硅片的正面制作光电转换用光电二极管与电互连结构，在硅片背面制作滤光结构与透镜，工艺复杂且正面的光电二极管需与背面滤光结构、透镜对准，这会造成背照式图像传感器良率较低；二、光电二极管所占面积较大，这使得电荷存储区(Charge Storage)和存储电容的空间较为有限，为高动态范围(High-Dynamic Range，简称HDR)性能、全局快门(Global Shutter)的电容设计增加了设计难度；三、光线在硅片内传播至光电二极管过程中，串扰较大，需制作深沟槽隔离结构隔开传播至相邻光电二极管的光线，工艺复杂。
此外，光电二极管中，随着动态范围要求增高，全局快门应用普及，更大的满井容量与更大的存储电容要求越来越高。目前市面上解决方案主 要集中在光电二极管与存储电容重新设计并修改电路与之匹配，并未实质改变总存储空间，还增加了电路设计难度；背照式的要求也增加了工艺的难度。
第三，目前的近红外图像传感器为前照式，为了隔离衬底噪声和金属污染，需要采用SOI衬底，成本较高。近红外图像传感器与彩色图像传感器需分别制作。使用时，彩色传感器和近红外图像传感器之间的切换往往通过切换红外滤波片或者传感器的方法，很大的增加了成本，也影响了产品的寿命以及维护成本。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种前照式图像传感器，以解决相关技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供一种前照式图像传感器，包括：
基底，所述基底具有多个电荷存储区；
感光单元，位于所述基底上方；所述感光单元包括多个感光子单元，每一所述感光子单元包括上下堆叠设置的红光感光层、绿光感光层、蓝光感光层以及红外感光层；一个所述感光子单元电连接一个所述电荷存储区；以及
透镜结构，位于所述感光单元远离所述基底的一侧。
可选地，所述红光感光层、所述绿光感光层以及所述蓝光感光层的材料都为含In的GaN基材料，且其中In的组分大小不同，以根据接收到的光的波长不同产生或不产生感光电荷并存入对应的所述电荷存储区。
可选地，所述红光感光层中In的组分范围为0.4～0.6；
所述绿光感光层中In的组分范围为0.2～0.3；
所述蓝光感光层中In的组分范围为0.01～0.1；
所述红外感光层中In的组分范围为0.7～0.9。
可选地，在背离所述基底方向，每一所述感光子单元依次包括：所述蓝光感光层、所述绿光感光层、所述红光感光层以及所述红外感光层。
可选地，所述基底上具有多个晶体管，至少一个晶体管的源区或漏区为所述电荷存储区；所述基底与所述感光单元之间具有金属互连层，所述金属互连层的金属互连结构用于电连接所述多个晶体管。
可选地，所述多个晶体管至少形成感光处理电路，所述感光处理电路检测由所述感光子单元的产生的感光电信号；
若所述感光处理电路从所述感光子单元中检测到的感光电信号大于第一阈值，则存储为蓝光入射信号；
若所述感光处理电路从所述感光子单元中检测到的感光电信号大于第二阈值不大于第一阈值，则存储为绿光入射信号；
若所述感光处理电路从所述感光子单元中检测到的感光电信号大于第三阈值不大于第二阈值，则存储为红光入射信号；
若所述感光处理电路从所述感光子单元中检测到的感光电信号不大于第三阈值，则存储为红外光入射信号。
可选地，所述金属互连层中具有导电插塞，所述导电插塞的第一端连接一个所述感光子单元，第二端电连接所述电荷存储区。
可选地，所述导电插塞的第二端连接于一个所述感光子单元的侧壁。
可选地，相邻所述感光子单元之间具有遮光结构。
可选地，所述遮光结构的材料为金属钼、金属钼的合金、金属铝或金属铝的合金。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
一、感光单元位于基底上方，透镜结构位于感光单元远离基底的一侧，换言之，图像传感器为前照式图像传感器，避免在基底背面制作结构，因而避免了正面结构与背面结构对准，工艺简单、良率高；二、感光单元位于基底上方而不是平摊于基底的表面，因而电荷存储区和存储电容空间可以设计足够大，从而获得更大的满井容量，带来高动态范围的提升，并天然具备全局快门的设计条件；三、一个感光子单元电连接一个电荷存储区，极大减少了光线传播过程中引起的串扰；四、感光子单元不但包括可见光感光层，还包括红外感光层，可根据照射光的波长感测可见光与红外光，集成了彩色图像传感器与红外光图像传感器，集成度高，成本低。
图1是本发明第一实施例的前照式图像传感器的截面结构示意图；
图2是本发明第二实施例的前照式图像传感器的截面结构示意图；
图3是本发明第三实施例的前照式图像传感器的截面结构示意图；
图4是本发明第四实施例的前照式图像传感器的截面结构示意图。
为方便理解本发明，以下列出本发明中出现的所有附图标记：
前照式图像传感器1、2、3、4 基底10
电荷存储区101 感光单元11
红光感光层111a 绿光感光层111b
蓝光感光层111c 红外感光层111d
感光子单元111 透镜结构12
遮光结构112 感光处理电路13
晶体管102 金属互连层14
金属互连结构141 导电插塞142
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图1是本发明第一实施例的前照式图像传感器的截面结构示意图。
参照图1所示，前照式图像传感器1包括：
基底10，基底10具有多个电荷存储区101；
感光单元11，位于基底10上方；感光单元11包括多个感光子单元111，每一感光子单元111包括上下堆叠设置的红光感光层111a、绿光感光层111b、蓝光感光层111c以及红外感光层111d，一个感光子单元111电连接一个电荷存储区101；以及
透镜结构12，位于感光单元11远离基底10的一侧。
基底10可以为单晶硅衬底。电荷存储区101可以为浮动扩散区(Floating Diffusion，简称FD)，例如形成在p型阱内的n型轻掺杂区可作为浮动扩散区。
红光感光层111a、绿光感光层111b、蓝光感光层111c以及红外感光层111d的材料都为含In的GaN基材料，且其中In的组分大小不同，以根据接收到的光的波长不同产生或不产生感光电荷并存入对应的电荷存储区101。
红外感光层111d的In的组分可以大于红光感光层111a的In的组分，红光感光层111a的In的组分可以大于绿光感光层111b的In的组分，绿光感光层111b的In的组分可以大于蓝光感光层111c的In的组分。
红光感光层111a中In的组分范围可以为0.4～0.6，产生感光电流所需的光的波长范围可以为400nm～720nm。
绿光感光层111b中In的组分范围可以为0.2～0.3，产生感光电流所需的光的波长范围可以为400nm～600nm。
蓝光感光层111c中In的组分范围可以为0.01～0.1，产生感光电流所需的光的波长范围可以为400nm～500nm。
红外感光层111d中In的组分范围为0.7～0.9，产生感光电流所需的光的波长范围可以为800nm～950nm。
需要说明的是，红光感光层111a中In的组分是指：In的物质的量占红光感光层111a中所有带正电荷的元素的物质的量之和的百分比。例如：红光感光层111a的材料为InGaN，In的组分是指：In的物质的量占In的物质的量与Ga的物质的量之和的百分比；红光感光层111a的材料为InAlGaN，In的组分是指：In的物质的量占In的物质的量、Al的物质的量与Ga的物质的量之和的百分比。
绿光感光层111b中In的组分是指：In的物质的量占绿光感光层111b中所有带正电荷的元素的物质的量之和的百分比。
蓝光感光层111c中In的组分是指：In的物质的量占蓝光感光层111c中所有带正电荷的元素的物质的量之和的百分比。
红外感光层111d中In的组分是指：In的物质的量占红外感光层111d中所有带正电荷的元素的物质的量之和的百分比。
此外，本实施例中，各数值范围均包括端点值。
如此，对于每个感光子单元111，若蓝光照射，红光感光层111a、绿光感光层111b、蓝光感光层111c以及红外感光层111d均能产生感光电信号。若绿光照射，红光感光层111a、绿光感光层111b以及红外感光层111d能产生感光电信号。若红光照射，红光感光层111a以及红外感光层111d能产生感光电信号。若红外光照射，仅红外感光层111d能产生感光电信号。换言之，对于同一感光子单元111，蓝光照射产生的感光电信号大于绿光照射产生的感 光电信号，绿光照射产生的感光电信号大于红光照射产生的感光电信号，红光照射产生的感光电信号大于红外光照射产生的感光电信号。因而，即使每个感光子单元111的结构一样，仍可通过感光电信号的大小区分照射光的颜色和亮度。
优选地，每一感光子单元111中，在背离基底10方向，每一感光子单元111依次包括：蓝光感光层111c、绿光感光层111b、红光感光层111a以及红外感光层111d。上述设置方式的好处之一是：可以防止红外光与红光在穿过各感光层时衰减过快。
透镜结构12包括多个透镜，每个感光子单元111上方设置一透镜。
此外，本实施例中，相邻感光子单元111之间具有遮光结构112。在基底10上外延生长蓝光感光层111c、绿光感光层111b、红光感光层111a以及红外感光层111d之前，可以先在基底10上方形成多个遮光结构112。
遮光结构112的材料可以为金属钼、金属钼的合金、金属铝或金属铝的合金。为防止相邻感光层串扰，遮光结构112的侧壁可以设置绝缘侧墙(spacer)。绝缘侧墙的材质例如为氮化硅或二氧化硅。
本实施例中，一、图像传感器为前照式图像传感器1，可以避免在基底10的背面制作结构，因而避免了正面结构与背面结构对准，工艺简单、良率高；二、一个感光子单元111电连接一个电荷存储区101，极大减少了光线传播过程中引起的串扰；三、感光子单元11不但包括可见光感光层，还包括红外感光层111d，可根据照射光的波长感测可见光与红外光，集成了彩色图像传感器与红外光图像传感器，集成度高，成本低。
图2是本发明第二实施例的前照式图像传感器的截面结构示意图。
参照图2与图1所示，本实施例二的前照式图像传感器2与实施例一的前照式图像传感器1大致相同，区别仅在于：基底10上具有多个晶体管102，至少一个晶体管的源区或漏区为电荷存储区101；基底10与感光单元11之间 具有金属互连层14，金属互连层14的金属互连结构141用于电连接多个晶体管102。
晶体管102可以包括：转移晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管与行选择晶体管。转移晶体管的源极通过金属互连结构141电连接到一个颜色感光层，漏极为浮动扩散区，因而转移晶体管用于将光电电荷从一个颜色感光层转移到浮动扩散区。复位晶体管的源极为浮动扩散区，漏极通过金属互连结构141电连接到电源电压线，因而复位晶体管用于将浮动扩散区重设到电源电压VDD。通过金属互连结构141，源跟随晶体管的栅极电连接到浮动扩散区，源极电连接到电源电压VDD，漏极电连接到行选择晶体管的源极。通过金属互连结构141，行选择晶体管的栅极电连接到行扫描线，用于响应地址信号而将源跟随晶体管的漏极电压输出。上述源极与漏极可根据电流流向而交换。
此外，参照图2所示，金属互连层14中具有导电插塞142，导电插塞142的第一端连接一个感光子单元111，第二端电连接电荷存储区101。且，导电插塞142的第一端连接在一个感光子单元111的底壁。
本实施例二中，感光单元11位于基底10上方而不是平摊于基底10的表面，因而，可以为电荷存储区101和存储电容提供大的设计空间，从而获得更大的满井容量，带来高动态范围的提升，并天然具备全局快门的设计条件。
图3是本发明第三实施例的前照式图像传感器的截面结构示意图。
参照图2与图3所示，本实施例三的前照式图像传感器3与实施例二的前照式图像传感器2大致相同，区别仅在于：导电插塞142的第一端连接在感光子单元111的侧壁。研究表明，含In的GaN基材料感光层在平面内流动的电流大于在厚度方向流动的电流，因而，导电插塞142连接在各个感光层的侧壁可提高转移的光电电荷数量。
优选地，导电插塞142的第一端所连接的感光子单元111侧壁靠近遮光结构112。
图4是本发明第四实施例的前照式图像传感器的截面结构示意图。
参照图4、图3与图2所示，本实施例四的前照式图像传感器4与实施例二、三的前照式图像传感器2、3大致相同，区别仅在于：
多个晶体管102中的某些晶体管还形成感光处理电路13，感光处理电路13检测由感光子单元111的产生的感光电信号；
若感光处理电路13从感光子单元111中检测到的感光电信号大于第一阈值，则存储为蓝光入射信号；
若感光处理电路13从感光子单元111中检测到的感光电信号大于第二阈值不大于第一阈值，则存储为绿光入射信号；
若感光处理电路13从感光子单元111中检测到的感光电信号大于第三阈值不大于第二阈值，则存储为红光入射信号；
若感光处理电路13从感光子单元111中检测到的感光电信号不大于第三阈值，则存储为红外光入射信号。
第一阈值大于第二阈值，第二阈值大于第三阈值。
行选择晶体管的漏极可连接至感光处理电路13的输入端。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
- 一种前照式图像传感器，其特征在于，包括：基底(10)，所述基底(10)具有多个电荷存储区(101)；感光单元(11)，位于所述基底(10)上方；所述感光单元(11)包括多个感光子单元(111)，每一所述感光子单元(111)包括上下堆叠设置的红光感光层(111a)、绿光感光层(111b)、蓝光感光层(111c)以及红外感光层(111d)；一个所述感光子单元(111)电连接一个所述电荷存储区(101)；以及透镜结构(12)，位于所述感光单元(11)远离所述基底(10)的一侧。
- 根据权利要求1所述的前照式图像传感器，其特征在于，所述红光感光层(111a)、所述绿光感光层(111b)、所述蓝光感光层(111c)以及所述红外感光层(111d)的材料都为含In的GaN基材料，且其中In的组分大小不同，以根据接收到的光的波长不同产生或不产生感光电荷并存入对应的所述电荷存储区(101)。
- 根据权利要求2所述的前照式图像传感器，其特征在于，所述红光感光层(111a)中In的组分范围为0.4～0.6；所述绿光感光层(111b)中In的组分范围为0.2～0.3；所述蓝光感光层(111c)中In的组分范围为0.01～0.1；所述红外感光层(111d)中In的组分范围为0.7～0.9。
- 根据权利要求1所述的前照式图像传感器，其特征在于，在背离所述基底(10)方向，每一所述感光子单元(111)依次包括：所述蓝光感光层(111c)、所述绿光感光层(111b)、所述红光感光层(111a)以及所述红外感光层(111d)。
- 根据权利要求1至4任一项所述的前照式图像传感器，其特征在于，所述基底(10)上具有多个晶体管(102)，至少一个晶体管的源区或漏区为所述电荷存储区(101)；所述基底(10)与所述感光单元(11)之间具有金属互连层(14)，所述金属互连层(14)的金属互连结构(141)用于电连接所述多个晶体管(102)。
- 根据权利要求5所述的前照式图像传感器，其特征在于，所述多个晶体管(102)至少形成感光处理电路(13)，所述感光处理电路(13)检测由所述感光子单元(111)的产生的感光电信号；若所述感光处理电路(13)从所述感光子单元(111)中检测到的感光电信号大于第一阈值，则存储为蓝光入射信号；若所述感光处理电路(13)从所述感光子单元(111)中检测到的感光电信号大于第二阈值不大于第一阈值，则存储为绿光入射信号；若所述感光处理电路(13)从所述感光子单元(111)中检测到的感光电信号大于第三阈值不大于第二阈值，则存储为红光入射信号；若所述感光处理电路(13)从所述感光子单元(111)中检测到的感光电信号不大于第三阈值，则存储为红外光入射信号。
- 根据权利要求5所述的前照式图像传感器，其特征在于，所述金属互连层(14)中具有导电插塞(142)，所述导电插塞(142)的第一端连接一个所述感光子单元(111)，第二端电连接所述电荷存储区(101)。
- 根据权利要求7所述的前照式图像传感器，其特征在于，所述导电插塞(142)的第二端连接于一个所述感光子单元(111)的侧壁。
- 根据权利要求1至4任一项所述的前照式图像传感器，其特征在于，相邻所述感光子单元(111)之间具有遮光结构(112)。
- 根据权利要求9所述的前照式图像传感器，其特征在于，所述遮光结构(112)的材料为金属钼、金属钼的合金、金属铝或金属铝的合金。
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