CN218647943U - 一种感光器件、图像传感器 - Google Patents

Abstract

本申请属于半导体技术领域，提供了一种感光器件、图像传感器，该感光器件包括：衬底，衬底包括感光区和电路区；至少一个NIR光吸收增强环，设于感光区上，其中，NIR光吸收增强环以感光区的中心为圆心。通过以感光区中心为圆心设置NIR光吸收增强环，可以改善NIR光在硅基感光器件中的吸收率，实现提升NIR光吸收效率的目的。

Description

一种感光器件、图像传感器

技术领域

本申请属于半导体技术领域，尤其涉及一种感光器件、图像传感器。

背景技术

当今，图像传感器已经被广泛地使用于现代电子器件中，例如，数字照相机摄影、移动手机拍照、安全监控、无人机、汽车等领域产品。随着图像传感器技术的发展和对应用领域更多的需求，不可见光，例如近红外(NIR)光图像传感器产品的开发有了快速发展。

互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，根据感光器件接受光的位置分类有两种：正面照射(FSI)图像传感器和背面照射(BSI)图像传感器，BSI图像传感器的感光器件拥有更高的光电转换效率，被应用于中高端产品中。CMOS图像传感器通常由半导体硅加工而成，感光器件可以接收可见光信号并转换电荷信号，最终由电路器件模块转换为数字影像。

然而，因为半导体硅是一种间接带隙半导体材料，其带隙势垒约为1.1eV，因此，NIR光的在硅基中的吸收效率较低。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供一种感光器件以及图像传感器，旨在提升NIR光的在硅基中的吸收效率。

本申请实施例第一方面提供了一种感光器件，所述感光器件包括：

衬底，所述衬底包括感光区和电路区；

至少一个NIR光吸收增强环，设于感光区上，其中，所述NIR光吸收增强环以所述感光区的中心为圆心。

所述NIR光吸收增强环的截面结构为沟槽矩形结构、楔形结构或者弧形结构；和/或，

所述NIR光吸收增强环的宽度为0.15um-0.25um；和/或，

所述NIR光吸收增强环的深度为0.3um-0.5um。

在一个实施例中，所述NIR光吸收增强环的折射率小于所述衬底的折射率。

在一个实施例中，所述衬底为硅基衬底；

所述NIR光吸收增强环为折射率小于所述硅基衬底的介质材料。

在一个实施例中，所述介质材料为金属材料或者半导体材料的氧化物、氮化物以及氮氧化物中的至少一项化合物。

在一个实施例中，所述感光器件还包括：

衬垫材料，设于所述感光区与所述NIR光吸收增强环之间。

在一个实施例中，所述衬垫材料为带有负电荷的高k电介质材料、掺杂半导体材料中的至少一项。

在一个实施例中，所述NIR光吸收增强环的个数为多个，且相邻所述NIR光吸收增强环之间的间距自所述感光区的中心向四周方向递增。

本申请实施例还提供了一种图像传感器，包括：电路连接层、光学结构层以及如上述任一项所述的感光器件；

其中，所述电路连接层位于所述感光器件一侧，所述光学结构层位于所述电路连接层远离所述感光器件的一侧；

所述感光器件靠近所述电路连接层的一侧设置有M个第一NIR光吸收增强环，所述感光器件远离所述光学结构层的一侧均设置有N个第二NIR光吸收增强环，且M＜N。

本申请实施例还提供了一种图像传感器，包括：电路连接层、光学结构层以及如上述任一项所述的感光器件；

其中，所述电路连接层位于所述感光器件一侧，所述光学结构层位于所述感光器件远离所述电路连接层的另一侧，且所述NIR光吸收增强环位于所述感光器件远离所述光学结构层的一侧。

本申请实施例提供了一种感光器件、图像传感器，该感光器件包括：衬底、感光区以及至少一个NIR光吸收增强环，感光区设于衬底上，NIR光吸收增强环设于感光区上，NIR光吸收增强环以感光区的中心为圆心设置，通过以感光区中心为圆心设置NIR光吸收增强环，可以改善NIR光在硅基感光器件中的吸收率，实现提升NIR光吸收效率的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一个实施例提供的感光器件的结构示意图一；

图2是本申请一个实施例提供的感光器件的结构示意图二；

图3是本申请一个实施例提供的感光器件的结构示意图三；

图4是本申请一个实施例提供的感光器件的结构示意图四；

图5是本申请一个实施例提供的感光器件的结构示意图五；

图6是本申请一个实施例提供的感光器件的仿真示意图；

图7是本申请一个实施例提供的图像传感器的结构示意图一；

图8是本申请一个实施例提供的图像传感器的结构示意图二；

图9是本申请一个实施例提供的像素电路的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，根据感光器件接受光的位置分类有两种：正面照射(FSI)图像传感器和背面照射(BSI)图像传感器，BSI图像传感器的感光器件拥有更高的光电转换效率，被应用于中高端产品中。CMOS图像传感器通常由半导体硅加工而成，感光器件可以接收可见光信号并转换电荷信号，最终由电路器件模块转换为数字影像。

然而，用于检测近红外(NIR)入射光的硅基技术一直不完善，因为半导体硅是一种间接带隙半导体材料，其带隙势垒约为1.1eV。因此，NIR光的在硅基中的吸收效率较低。

现有技术中，为了改善NIR光在硅基感光器件中的吸收率，常用的方案是将硅基厚度增加，例如硅基厚度6um，以增加入射光在硅基中的飞行路程，相对3um厚度的硅基的产品，NIR光吸收率有了一定程度的提升，但仍然不理想。例如1.1um波长的光，吸收效率低于10％。

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种感光器件，图1为感光器件的平面结构示意图，图2为图1中的感光器件在切线AB位置的切面示意图。结合图1和图2所示，该感光器件包括：衬底400、至少一个NIR光吸收增强环201，衬底400上设有感光区101和电路区112，结合图1所示，之后的附图以切线CD的一侧为感光区101，切线CD的另一侧为电路区112表示，之后不再赘述。NIR光吸收增强环201设于感光区101上，NIR光吸收增强环201以感光区101的中心为圆心设置。

在本实施例中，感光区101和电路区112组成一个像素区，感光区101接收光信号，并将光信号转换为电信号，电路区112用于设置信号处理电路，对感光区101输出的电信号进行信号处理。NIR光吸收增强环201可以为以感光区101的中心为圆心设置的圆形沟槽环，其形状为圆形，同一NIR光吸收增强环201的每一位置与感光区的中心之间的距离相等，通过在感光区101上设置NIR光吸收增强环201，使得光线在经过感光器件在受照区域时，经配置入射光以通过衍射、偏转以及反射中的至少一者，在感光器件的受照表面处得到光飞行路径修改和优化，进而提升了入射光的吸收效率，进一步提升感光器件对近红外光(NIR光)的吸收效率。

在一个实施例中，若NIR光吸收增强环201的个数为多个，则相邻的NIR光吸收增强环201之间的距离与NIR光吸收增强环201的宽度呈正比例关系。

在一个实施例中，参见图1所示，感光区101外侧设有沟槽隔离区200，在具体应用中，感光器件应用于图像传感器，每个像素内可以设置至少一个感光器件，沟槽隔离区200可以应用于像素与像素之间的隔离。

在一个具体应用实施例中，沟槽隔离区200可以为正方形、矩形或者圆形，NIR光吸收增强环201位于沟槽隔离区200形成的密封沟槽环内。

在一个实施例中，沟槽隔离区200的宽度小于NIR光吸收增强环201的宽度。

在一个具体应用实施例中，结合图2所示，感光区101设于衬底400的第一侧，衬底400的第二侧还设有电路连接层和浅槽隔离区310，浅槽隔离区310用于隔离电路连接层中的晶体管以及像素之间的隔离。

具体的，电路连接层中包括信号传输电路，信号传输电路用于给电路区112中的信号处理电路提供信号，而电路区112中的信号处理电路由多个晶体管组成，通过在衬底400的第二侧设置浅槽隔离区310隔离每个晶体管，避免相邻的晶体管之间相互影响。

在一个实施例中，NIR光吸收增强环201可以为设于感光区101上的环形槽，NIR光吸收增强环201的深度小于沟槽隔离区200的深度，例如，具体应用中，沟槽隔离区200的深度至少大于沟槽矩形结构的深度的5-10倍。

在一个实施例中，NIR光吸收增强环201的宽度为0.15um-0.25um。

在一个实施例中，NIR光吸收增强环201的宽度为0.2um。

在具体应用中，NIR光吸收增强环201的宽度也可以为根据应用场景设置的其他值，从而实现提升NIR光吸收效率的目的。

在一个实施例中，NIR光吸收增强环201的深度为0.3um-0.5um。

在一个实施例中，NIR光吸收增强环201的深度为0.4um。

在具体应用中，NIR光吸收增强环201的深度也可以为根据应用场景设置的其他值，从而实现提升NIR光吸收效率的目的。

在一个实施例中，参见图2所示，NIR光吸收增强环201的截面结构可以为沟槽矩形结构。

在本实施例中，沟槽矩形结构的深度大于其宽度，可以通过在感光区101表面刻蚀形成圆形环槽，该圆形环槽的截面形状为矩形。

在一个实施例中，参见图3所示，NIR光吸收增强环201的截面结构可以为楔形结构。

在本实施例中，楔形结构呈下窄上宽的形态，其宽度随深度增加逐渐减小，且深度至少为宽度的两倍。

在一个实施例中，参见图4所示，NIR光吸收增强环201的截面结构可以为弧形结构。

在本实施例中，弧形结构可以为类似圆形的光滑曲面结构，其宽度与深度的大小相近。

在一个实施例中，NIR光吸收增强环201的折射率小于衬底400的折射率。

在一个实施例中，在在感光区101表面刻蚀形成圆形环槽后，还可以通过在圆形环槽的内壁形成核心电介质材料，其折射率小于衬底400所采用的半导体材料的折射率。

在一个实施例中，衬底400为硅基衬底；NIR光吸收增强环201为折射率小于硅基衬底的介质材料。

在一个实施例中，介质材料为金属材料或者半导体材料的氧化物、氮化物以及氮氧化物中的至少一项化合物。

在一个具体应用实施例中，半导体材料可以是硅。

在具体应用中，所属领域的技术人员应了解，根据本发明的教示，任何III族元素(B、Al、Ga、In、Tl)、IV族元素(C、Si、Ge、Sn、Pb)、V族元素(N、P、As、Sb、Bi)及这些元素的合适组合可用于形成上述实施例所述的半导体材料。

在一个具体应用实施例中，核心电介质材料可包含氧化物、氮化物中的至少一种，例如氧化硅(SiO2)、氧化铪(HfO2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiOxNy)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化镧(La2O3)、氧化镨(Pr2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化钕(Nd2O3)、三氧化二钷(Pm2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化铕(Eu2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化铽(Tb2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化钬(Ho2O3)、氧化铒(Er2O3)、氧化铥(Tm2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化镥(Lu2O3)、氧化钇(Y2O3)或类似物。

另外，相关领域的技术人员应认识到，根据本发明的教示，可使用上述金属/半导体与其氧化物/氮化物/氮氧化物的任何化学计量组合，只要其具有小于半导体材料折射率的折射率即可。

在一个实施例中，NIR光吸收增强环201可以通过刻蚀的方式在感光区101表面形成环形沟槽制备。在一个实施例中，感光器件还包括衬垫材料，衬垫材料设于感光区101与NIR光吸收增强环201之间。

具体的，NIR光吸收增强环201可以通过刻蚀的方式形成，通过在感光区101表面刻蚀形成刻蚀槽作为NIR光吸收增强环201，然后通过沉积的方式在刻蚀槽内形成衬垫材料。

在一些实施例中，衬垫材料可包含带负电荷的高k电介质材料或掺杂半导体材料中的至少一者。

举例来说，沟槽可被蚀刻，且硼离子、氮离子或砷离子可被植入到沟槽的侧壁中以形成掺杂半导体材料作为衬垫材料。

在一种替代实施例中，沟槽可被蚀刻，高k电介质材料可以为氧化铪，且氧化铪可被沉积到沟槽中，以在核心电介质材料被沉积到沟槽中之前形成带负电荷的高k衬垫材料。

在一个实施例中，NIR光吸收增强环201的个数为多个，且相邻NIR光吸收增强环201之间的间距自感光区101的中心向四周方向递增。如图5所示，相邻NIR光吸收增强环201的间距分别为x1和x2，其中，x1小于x2。在本实施例中，由于感光区101最外侧设置有沟槽隔离区200，由于沟槽隔离区200与衬底400的材料之间存在折射率差，沟槽隔离区200也可以用于增加入射光线的光程，则越远离感光区101的中心，相邻的NIR光吸收增强环201之间的间距越大。

为了更清晰地说明本申请相对现有技术的优势，图6中曲线510为依据图2所示的结构所进行的吸收效率测试的仿真图，该感光器件设置有两个NIR光吸收增强环，其衬底材料是氧化硅(SiO2)，仿真使用的光波波长为0.9um；作为对比，图6中的曲线520为普通感光器件的吸收效率测试的仿真图。

具体的，感光器件的深度为6um，并且在感光器件上方设置有微透镜，NIR光吸收增强环201的宽度为0.2um，NIR光吸收增强环201的深度为0.4um，相邻的NIR光吸收增强环201的环间距为0.4um，沟槽隔离区200的深度为5um。

入射光进入感光区表面时，由于感光区101表面设置有NIR光吸收增强环201，在NIR光吸收增强环201与感光区101界面处，入射光发生衍射和偏转，使得光线在感光区101的飞行路程加长，改善了感光器件吸收光的效率。由图7可知，NIR光的光波长为1.05um，现有技术的感光器件吸收率为0.07(7％)，而本申请中带有NIR光吸收增强环的感光器件吸收率可大幅提高到0.174(17.4％)。

本申请实施例还提供了一种图像传感器，参见图7所示，图像传感器包括：电路连接层530、光学结构层510以及感光器件520，感光器件520可以为上述任一项所述的感光器件。

在本实施例中，结合图7所示，电路连接层530位于感光器件520的一侧，光学结构层510位于电路连接层530远离感光器件520的一侧，在电路连接层530远离感光器件520的一侧设置有金属互连层，并沉积有第一介质层，并在第一介质层中形成多层金属互连层。

感光器件520靠近电路连接层530的一侧设置有M个第一NIR光吸收增强环301，感光器件520远离光学结构层510的一侧设置有N个第二NIR光吸收增强环302，且M＜N。

在本实施例中，通过在感光器件520的第一侧和第二侧均设置NIR光吸收增强环，使得该感光结构可以应用于正面照射(FSI)图像传感器，实现FSI图像传感器对两侧光线的吸收，提升FSI图像传感器对近红外光(NIR)的吸收效率。

进一步地，感光器件520的第一侧还设有第一隔离沟槽310，感光器件520的第二侧还设有第二隔离沟槽320。

本申请实施例还提供了一种图像传感器，参见图8所示，图像传感器包括：电路连接层530、光学结构层510以及感光器件520，感光器件520可以为上述任一项所述的感光器件。

本申请实施例还提供了一种图像传感器，参见图8所示，图像传感器包括：电路连接层530、光学结构层510以及感光器件520，感光器件520可以为上述任一项所述的感光器件，其中，电路连接层530位于感光器件520一侧，光学结构层510位于感光器件520远离电路连接层530的另一侧，即光学结构层510和电路连接层530分别位于感光器件520相对的两侧，且NIR光吸收增强环位于感光器件520靠近光学结构层510的一侧。

在本实施例中，通过在感光器件520靠近光学结构层510的一侧设置NIR光吸收增强环，使得该感光结构可以应用于背面照射(BSI)图像传感器，提升BSI图像传感器对近红外光(NIR)的吸收效率。

在一个具体应用实施例中，光学结构层510可以为微透镜以及滤光层。

在一个实施例中，结合图9所示，电路区112中的信号处理电路包括电荷传输晶体管102、复位晶体管103、源跟随晶体管104、像素选择晶体管105。

具体的，感光区101的阳极接地，感光区101的阴极与电荷传输晶体管102的源极端连接，电荷传输晶体管102的接收传输控制信号，电荷传输晶体管102的漏极端、复位晶体管103的源极端以及源跟随晶体管104的栅极端共同耦接至浮动扩散节点FD，复位晶体管103的漏极端连接至第一电源电压，复位晶体管103的栅极端接收复位控制信号，源跟随晶体管104的漏极端连接至第二电源电压，源跟随晶体管104的源极端与像素选择晶体管105的漏极端连接，像素选择晶体管105的栅极端接收像素选择信号，像素选择晶体管105的源极端作为像素信号的输出端。

可选的，第一电源电压及第二电源电压可以为相同电源VDD，也可以为不同的电源，在此不作限定。

在本实施例中，通过感光区101、电荷传输晶体管102、复位晶体管103、源跟随晶体管104、像素选择晶体管105组成一种非共享型结构的像素结构，同样的，本申请中的感光器件520也可以应用于共享型结构的像素结构，以提升图像传感器的NIR光感度。

在具体应用中，也可以省略上述实施例中的像素选择晶体管105。

本申请实施例提供了一种感光器件、图像传感器，该感光器件包括：衬底、感光区以及至少一个NIR光吸收增强环，感光区设于衬底上，NIR光吸收增强环设于感光区上，NIR光吸收增强环以感光区的中心为圆心设置，通过以感光区中心为圆心设置NIR光吸收增强环，可以改善NIR光在硅基感光器件中的吸收率，实现提升NIR光吸收效率的目的。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各步骤的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述各步骤由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

所述各步骤中的功能区的划分可以是或者也可以不是物理上分开的，作为功能区(例如像素区)可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个区域上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种感光器件，其特征在于，所述感光器件包括：

衬底，所述衬底包括感光区和电路区；

至少一个NIR光吸收增强环，设于所述感光区上，其中，所述NIR光吸收增强环为圆形沟槽环，所述NIR光吸收增强环以所述感光区的中心为圆心。

2.如权利要求1所述的感光器件，其特征在于，所述NIR光吸收增强环的截面结构为沟槽矩形结构、楔形结构或者弧形结构；和/或，

所述NIR光吸收增强环的宽度为0.15um-0.25um；和/或，

所述NIR光吸收增强环的深度为0.3um-0.5um。

3.如权利要求1所述的感光器件，其特征在于，所述NIR光吸收增强环的折射率小于所述衬底的折射率。

4.如权利要求3所述的感光器件，其特征在于，所述衬底为硅基衬底；

所述NIR光吸收增强环为折射率小于所述硅基衬底的介质材料。

5.如权利要求4所述的感光器件，其特征在于，所述介质材料为金属材料或者半导体材料的氧化物、氮化物以及氮氧化物中的其中一项。

6.如权利要求1所述的感光器件，其特征在于，所述感光器件还包括：

衬垫材料，设于所述感光区与所述NIR光吸收增强环之间。

7.如权利要求6所述的感光器件，其特征在于，所述衬垫材料为带有负电荷的高k电介质材料、掺杂半导体材料中的其中一项。

8.如权利要求1所述的感光器件，其特征在于，所述NIR光吸收增强环的个数为多个，且相邻所述NIR光吸收增强环之间的间距自所述感光区的中心向四周方向递增。

9.一种图像传感器，其特征在于，包括：电路连接层、光学结构层以及如权利要求1-8任一项所述的感光器件；

其中，所述电路连接层位于所述感光器件一侧，所述光学结构层位于所述电路连接层远离所述感光器件的一侧；

所述感光器件靠近所述电路连接层的一侧设置有M个第一NIR光吸收增强环，所述感光器件远离所述光学结构层的一侧均设置有N个第二NIR光吸收增强环，且M＜N。

10.一种图像传感器，其特征在于，包括：电路连接层、光学结构层以及如权利要求1-8任一项所述的感光器件；

其中，所述电路连接层位于所述感光器件一侧，所述光学结构层位于所述感光器件远离所述电路连接层的另一侧，且所述NIR光吸收增强环位于所述感光器件靠近所述光学结构层的一侧。

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