TWI703716B

TWI703716B - 影像感測器

Info

Publication number: TWI703716B
Application number: TW108140593A
Authority: TW
Inventors: 游騰健
Original assignee: 精準基因生物科技股份有限公司
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2020-09-01
Also published as: TW202119606A

Abstract

一種影像感測器，包括多個像素區。各像素區包括基板、光二極體、第一釘紮層、第二釘紮層以及第三釘紮層。光二極體位於像素區的基板中。第一釘紮層位於基板的第一表面與光二極體之間的基板中。第二釘紮層位於第一釘紮層與光二極體之間的基板中，且電性連接至第一偏壓。第三釘紮層位於光二極體與基板的第二表面之間的基板中，且電性連接至第二偏壓。第二釘紮層與第三釘紮層分別位於光二極體的相對兩側。透過施加第一偏壓和/或第二偏壓來調整光二極體於基板中的感測位置，以使光二極體能偵測並區別不同波長的光訊號。

Description

影像感測器

本發明是有關於一種影像感測器，且特別是有關於一種能偵測並區別不同波長的光訊號的影像感測器。

目前，含有光二極體(photodiode)的影像感測器(image sensor)可將感測的光訊號轉換成電訊號輸出，接著藉由影像訊號處理器轉換為可讀取的數位資料及數位影像。然而，當應用於生物螢光檢測時，需要將具有兩種(含兩種以上)波長交疊在一起的待測物的波長強度分別檢出，現行的做法，可在影像感測器當中設置兩個不同波長感知的光二極體，然而，此一作法在面對不同的待測物時，光二極體的製程參數及設計必須做一變更。特別是在需要偵測並區別兩種或兩種以上波長相近的光訊號時，要製作出一個能同時對應多組不同的待測物且能區別多種波長相近的光二極體在目前的技術上是困難的。

本發明提供一種影像感測器，能透過電壓的調變，偵測並區別不同波長的光訊號，特別是能偵測並區別波長相近的光訊號。

本發明的影像感測器包括多個像素區。各像素區包括基板、光二極體、第一釘紮層(first pinning layer)、第二釘紮層以及第三釘紮層。基板具有第一表面以及與第一表面相對的第二表面。光二極體位於像素區的基板中。第一釘紮層位於基板的第一表面與光二極體之間的基板中。第二釘紮層位於第一釘紮層與光二極體之間的基板中，且電性連接至第一偏壓。第三釘紮層位於光二極體與基板的第二表面之間的基板中，且電性連接至第二偏壓。第二釘紮層與第三釘紮層分別位於光二極體的相對兩側。透過施加第一偏壓和/或第二偏壓來調整光二極體於基板中的感測位置，以使光二極體能偵測並區別不同波長的光訊號。

在本發明的一實施例中，上述的基板、第一釘紮層、第二釘紮層以及第三釘紮層具有第一導電型。光二極體具有第二導電型。第一導電型與第二導電型不同。

在本發明的一實施例中，上述的光二極體的頂面與基板的第一表面之間具有第一距離。當第一偏壓小於0時，光二極體的頂面會向基板的第一表面移動，以使第一距離減少。當第一偏壓大於0時，光二極體的頂面會向基板的第二表面移動，以使第一距離增加。

在本發明的一實施例中，上述的光二極體的底面與基板的第一表面之間具有第二距離，而當第二偏壓小於0時，光二極體的底面會向基板的第一表面移動，以使第二距離減少。例中，當第二偏壓大於0時，光二極體的底面會向基板的第二表面移動，以使第二距離增加。

在本發明的一實施例中，上述的第一釘紮層、第二釘紮層、第三釘紮層以及光二極體於基板的法線方向上重疊。

在本發明的一實施例中，上述的光二極體於基板中的深度為0.4微米至2微米。

在本發明的一實施例中，上述的影像感測器更包括多個隔離結構。隔離結構貫穿基板，以隔離出各像素區。

在本發明的一實施例中，上述的影像感測器更包括內連線結構，位於基板的第一表面上。內連線結構包括至少一介電層、至少一線路層以及多個接觸窗。介電層與線路層依序疊置於基板的第一表面上。接觸窗貫穿介電層。

在本發明的一實施例中，上述的影像感測器更包括鈍化層以及至少一濾光層。鈍化層位於內連線結構上。濾光層位於鈍化層上。

在本發明的一實施例中，上述的影像感測器更包括多個彩色濾光層疊層。彩色濾光層疊層位於濾光層與鈍化層之間，用以分離出波長相近且重疊的光訊號，藉以鑑別兩種不同的波長分布。

基於上述，由於本實施例的影像感測器包括第二釘紮層、光二極體以及第三釘紮層，且第二釘紮層與第三釘紮層分別位於光二極體的相對兩側。因此，本實施例的影像感測器可透過施加第一偏壓於第二釘紮層、施加第二偏壓於第三釘紮層、或同時施加第一偏壓於第二釘紮層並施加第二偏壓於第三釘紮層的方式(即電壓調變的方式)，來調整光二極體於基板中的感測位置，以使調整感測位置後的光二極體能偵測並區別出不同波長的光訊號，特別是能偵測並區別波長相近的光訊號。

圖1繪示為本發明一實施例的影像感測器的剖面示意圖。圖2繪示為圖1的影像感測器中，光二極體的深度與PN濃度差的關係圖。請參照圖1，本實施例的影像感測器10包括多個像素區100。各像素區100包括基板110、光二極體120、第一釘紮層130、第二釘紮層131以及第三釘紮層132。基板110具有第一表面110a以及與第一表面110a相對的第二表面110b。基板110可包括基底111以及磊晶層112，且磊晶層112配置於基底111上。基底111以及磊晶層112可具有第一導電型。以下，所記載的第一導電型與第二導電型不同，可分別為P型導電型與N型導電型中的一者與另一者。在本實施例中，第一導電型是以P型導電型為例，且第二導電型是以N型導電型為例，但不以此為限。在本實施例中，P型導電型例如是摻雜有硼或銦，N型導電型例如是摻雜有磷、砷或銻，但不以此為限。在本實施例中，P型導電型與N型導電型的摻雜濃度例如是1×10 ¹¹至1×10 ²¹cm ^-3，但不以此為限。在本實施例中，基底111例如是具有輕摻雜硼或銦的P型基底，且磊晶層112例如是具有輕摻雜硼或銦的P型磊晶層，但不以此為限。在其他實施例中，基底也可以是具有輕摻雜磷、砷或銻的N型基底，且磊晶層也可以是具有輕摻雜磷、砷或銻的N型磊晶層。

在本實施例中，第一釘紮層130位於基板110的第一表面110a與光二極體120之間的磊晶層112中。第一釘紮層130可以是具有第一導電型(例如P型導電型)的摻雜區，且摻雜濃度大於磊晶層112。第一釘紮層130可用以降低暗電流，並具有表面保護以及釘紮光二極體120的作用。在一些實施例中，第一釘紮層130的上表面130a可與基板110的第一表面110a切齊。

在本實施例中，第二釘紮層131位於第一釘紮層130與光二極體120之間的磊晶層112中。第二釘紮層131可以是具有第一導電型(例如P型導電型)的摻雜區，且摻雜濃度大於磊晶層112。第二釘紮層131具有可釘紮於光二極體120的頂面121的作用。在一些實施例中，第二釘紮層131接觸第一釘紮層130，且第二釘紮層131接觸光二極體120。

在本實施例中，光二極體120位於像素區100的磊晶層112中，且光二極體120位於第二釘紮層131與第三釘紮層132之間。第一釘紮層130與光二極體120分別位於第二釘紮層131的相對兩側。光二極體120可以是具有第二導電型(例如N型導電型)的摻雜區。光二極體120可用以偵測入射光的光子數量，進而將光訊號轉換成電流訊號。

此外，請同時參照圖1與圖2，在本實施例中，光二極體120的頂面121與基板110的第一表面110a之間具有第一距離D1，且第一距離D1例如是0.4微米，但不以此為限。光二極體120的底面122與基板110的第一表面110a之間具有第二距離D2，且第二距離D2例如是2微米，但不以此為限。在一些實施例中，光二極體120於基板110中的深度例如是0.4微米至2微米，但不以此為限。

在本實施例中，第三釘紮層132位於光二極體120與基板110的第二表面110b之間的磊晶層112中。第二釘紮層131與第三釘紮層132分別位於光二極體120的相對兩側。第三釘紮層132可以是具有第一導電型(例如P型導電型)的摻雜區，且摻雜濃度大於磊晶層112。第三釘紮層132具有可釘紮於光二極體120的底面122的作用。在一些實施例中，第三釘紮層132接觸光二極體120。此外，在一些實施例中，第一釘紮層130、第二釘紮層131、第三釘紮層132以及光二極體120於基板110的法線方向Y上彼此重疊。

在本實施例中，像素區100還包括第一空乏層(first depletion region)123與第二空乏層124。第一空乏層123位於具有P型導電型的第二釘紮層131與具有N型導電型的光二極體120的PN接面處。第二空乏層124位於具有N型導電型的光二極體120與具有P型導電型的第三釘紮層132的PN接面處。

在本實施例中，由於第二釘紮層131可電性連接至第一偏壓，且第三釘紮層132可電性連接至第二偏壓，因此，可透過施加第一偏壓和/或第二偏壓的方式(即電壓調變的方式)，來改變第一空乏層123於基板110中的位置和/或第二空乏層124於基板110中的位置，進而調整光二極體120於基板110中的感測位置，以使光二極體120具有能偵測並區別不同波長的光訊號的效果。

舉例來說，請再同時參照圖1與圖2，當未施加第一偏壓及第二偏壓時，光二極體120可偵測波長A的光訊號。當施加於第二釘紮層131中的第一偏壓小於0時，會使第一空乏層123的位置朝向第二釘紮層131的方向移動(即第一空乏層123於基板110中的深度減少)，且使光二極體120的頂面121朝向基板110的第一表面110a移動(即光二極體120於基板110中的深度減少)，並減少第一距離D1；如此一來，則可改變光二極體120於基板110中的感測位置，並使得改變感測位置後的光二極體120可偵測波長B的光訊號。此外，當施加於第二釘紮層131中的第一偏壓大於0時，會使第一空乏層123的位置會朝向光二極體120的方向移動(即第一空乏層123於基板110中的深度增加)，且使光二極體120的頂面121朝向基板110的第二表面110b移動(即光二極體120於基板110中的深度增加)，並增加第一距離D1；如此一來，則可改變了光二極體120於基板110中的感測位置，並使得改變感測位置後的光二極體120可偵測波長C的光訊號。波長A、波長B以及波長C的波長相近但皆不同。

另外，當施加於第三釘紮層132中的第二偏壓小於0時，會使第二空乏層124的位置朝向第三釘紮層132的方向移動(即第二空乏層124於基板110中的深度增加)，且使光二極體120的底面122會朝向基板110的第二表面110b移動(即光二極體120於基板110中的深度增加)，並增加第二距離D2；如此一來，則可改變光二極體120於基板110中的感測位置，並使得改變感測位置後的光二極體120可偵測波長D的光訊號。接著，當施加於第三釘紮層132中的第二偏壓大於0時，會使第二空乏層124的位置會朝向光二極體120的方向移動(即第二空乏層124於基板110中的深度減少)，且使光二極體120的底面122會朝向基板110的第一表面110a移動(即光二極體120於基板110中的深度減少)，並減少第二距離D2；如此一來，則改變了光二極體120於基板110中的感測位置，並使得改變感測位置後的光二極體120可偵測波長E的光訊號。波長A、波長D以及波長E的波長相近但皆不同。

基於上述可知，由於本實施例的影像感測器10包括第二釘紮層131、光二極體120以及第三釘紮層132，且第二釘紮層131與第三釘紮層132分別位於光二極體120的相對兩側。因此，可透過施加第一偏壓於第二釘紮層131、施加第二偏壓於第三釘紮層132、或同時施加第一偏壓於第二釘紮層131並施加第二偏壓於第三釘紮層132的方式(即電壓調變的方式)，來調整光二極體120於基板110中的感測位置，以使調整感測位置後的光二極體能偵測不同波長的光訊號，並藉此區別出不同波長的光訊號。

請再參照圖1，本實施例的影像感測器10更包括多個隔離結構140。圖1示意地繪示兩個隔離結構140，分別位於像素區100兩側的基板110中，用以隔離出影像感測器10中的各個像素區100。在本實施例中，隔離結構140可貫穿基板110。在一些實施例中，隔離結構140可連接基板110的第一表面110a與第二表面110b。此外，在本實施例中，隔離結構140可包括淺隔離結構141(shallow trench isolation，STI)以及深隔離結構142(deep trench isolation，DTI)，且淺隔離結構141與深隔離結構142彼此連接。在本實施例中，淺隔離結構141鄰近基板110的第一表面110a且深隔離結構142鄰近基板110的第二表面110b。在一些實施例中，淺隔離結構141連接基板110的第一表面110a並與基板110的第一表面110a切齊，深隔離結構142連接基板110的第二表面110b並與基板110的第二表面110b切齊。在本實施例中，深隔離結構142可提供各個像素區100之間的物理性隔離以及電性隔離，以避免各個像素區100之間有干擾(X-talk)的情形發生，由其是在尺寸小的影像感測器中。深隔離結構142的材料例如是氧化物、聚合物或金屬，但不以此為限。

在本實施例中，影像感測器10更包括內連線結構150。內連線結構150位於基板110的第一表面110a上。內連線結構150包括至少一介電層151、至少一線路層152以及多個接觸窗153。介電層151與線路層152依序疊置於基板110的第一表面110a上。接觸窗153貫穿介電層151，以電性連接線路層152。此外，在本實施例中，線路層152與接觸窗153皆不對應於光二極體120設置，也就是說，線路層152與接觸窗153皆不設置於光二極體120偵測光訊號的一側上，以避免干擾光二極體120偵測光訊號。在本實施例中，介電層151的材料例如是氧化物，但不以此為限。線路層152的材料例如是鋁或銅，但不以此為限。接觸窗153的材料例如是鎢，但不以此為限。

在本實施例中，影像感測器10更包括閘極G以及源極/汲極SD1、SD2。閘極G位於基板110的第一表面110a。閘極G位於內連線結構150的介電層151中，且閘極G與接觸窗153電性連接。源極/汲極SD1、SD2位於基板110的磊晶層112中，以作為節點(node)。源極/汲極SD1、SD2與基板110的第一表面110a切齊。源極/汲極SD1、SD2可以是具有第一導電型(例如P型導電型)的摻雜區，且摻雜濃度大於磊晶層112。在一些實施例中，源極/汲極SD1、SD2所受到的偏壓例如是0V，但不以此為限。

在本實施例中，影像感測器10更包括鈍化層160以及至少一濾光層170。鈍化層160位於內連線結構150上，且鈍化層160與基板110分別位於內連線結構150的相對兩側。濾光層170位於鈍化層160上，且濾光層170與內連線結構150分別位於鈍化層160的相對兩側。在本實施例中，濾光層170可用以濾除不要感測的光波段，以使欲偵側的特定光波段通過濾光層170，進而被光二極體120感測。

在本實施例中，影像感測器10更包括浮動節點(floating node)180以及隔離區182、184。浮動節點180例如是位於源極/汲極SD1與源極/汲極SD2之間的磊晶層112中，但不以此為限。浮動節點180可用以隔離源極/汲極SD1的電位與源極/汲極SD2的電位。浮動節點180可以是具有N型導電型的摻雜區。在一些實施例中，也可由淺隔離結構141a與浮動節點180所組成的組合來隔離源極/汲極SD1的電位與源極/汲極SD2的電位。此外，隔離區182與隔離區184皆位於光二極體120左右兩側的磊晶層112中，且隔離區182與隔離區184可以是具有P型導電型的摻雜區，用以將光二極體120隔離。

在本實施例中，影像感測器10更包括光二極體120’。光二極體120’位於光二極體120的頂面121上方，且相鄰於第二釘紮層131。在本實施例中，光二極體120為感光區，而光二極體120’則作為導通光二極體120的功能。

在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的元件標號與部份內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部份的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。

圖3繪示為本發明另一實施例的影像感測器的剖面示意圖。請同時參照圖1以及圖3，本實施例的影像感測器10a與圖1的影像感測器10相似，惟二者主要差異之處在於：本實施例的影像感測器10a更包括多個彩色濾光層疊層172、174。

具體來說，彩色濾光層疊層172、174位於濾光層170與鈍化層160之間，且各彩色濾光層疊層172、174分別對應於各像素區100中的光二極體120而設置。各彩色濾光層疊層172、174至少包括2層濾光層。在本實施例中，彩色濾光層疊層172包括第一濾光層172a與第二濾光層172b，且彩色濾光層疊層174包括第一濾光層174a與第二濾光層174b。彩色濾光層疊層172與彩色濾光層疊層174分別可利用不同的濾光層的堆疊來使特定波長的光訊號通過，藉此分離出波長相近且重疊的光訊號，進而鑑別兩種不同的波長分布。

舉例來說，請參照圖4，彩色濾光層疊層172的第一濾光層172a與彩色濾光層疊層174的第一濾光層174a不同，但彩色濾光層疊層172的第二濾光層172b與彩色濾光層疊層174的第二濾光層174b相同，但不以此為限。在一些實施例中，第一濾光層172a與第一濾光層174a也可相同，且第二濾光層172b與第二濾光層174b也可不同，只要使彩色濾光層疊層172與彩色濾光層疊層174能用以分離出波長相近且重疊的光訊號即可。在本實施例中，第一濾光層172a可使第一光波段通過，第二濾光層172b以及第二濾光層174b可使第二光波段通過，第一濾光層174a可使第三光波段通過。當使用一激發光Ex照射兩待測物S1、S2時，兩待測物S1、S2分別可發出對應的發射光Em1、Em2，其中發射光Em1與發射光Em2的波長相近。在本實施例中，發射光Em1的波長例如是520nm，發射光Em2的波長例如是550nm，但不以此為限。接著，先利用濾光層170將激發光Ex濾除，並使發射光Em1以及發射光Em2通過濾光層170。然後，利用彩色濾光層疊層172中的第一濾光層172a與第二濾光層172b的組合將發射光Em2濾除，並只使發射光Em1通過彩色濾光層疊層172；利用彩色濾光層疊層174中的第一濾光層174a與第二濾光層174b的組合將發射光Em1濾除，並只使發射光Em2通過彩色濾光層疊層174。最後，分別利用影像感測器10a偵測並區分發射光Em1及發射光Em2的光訊號強度，藉此反應出待測物S1與待測物S2的含量。

在一些實施例中，除了利用不同的彩色濾光層疊層172、174來分離出波長相近且重疊的光訊號之外，在利用影像感測器10a偵測發射光Em1及發射光Em2的光訊號強度時，也可透過施加第一偏壓和/或第二偏壓來改變了光二極體120於基板110中的感測位置。使得改變感測位置後的光二極體120a只會偵測發射光Em1但不會偵測發射光Em2的光訊號，並使得改變感測位置後的光二極體120b只會偵測發射光Em2但不會偵測發射光Em1的光訊號。藉此設計，可使得所偵測得到的發射光Em1及發射光Em2的光訊號強度，更能準確地反應出待測物S1與待測物S2的含量。

綜上所述，由於本實施例的影像感測器包括第二釘紮層、光二極體以及第三釘紮層，且第二釘紮層與第三釘紮層分別位於光二極體的相對兩側。因此，本實施例的影像感測器可透過施加第一偏壓於第二釘紮層、施加第二偏壓於第三釘紮層、或同時施加第一偏壓於第二釘紮層並施加第二偏壓於第三釘紮層的方式(即電壓調變的方式)，來調整光二極體於基板中的感測位置，以使調整感測位置後的光二極體能偵測並區別出不同波長的光訊號，特別是能偵測並區別波長相近的光訊號。此外，在使用光二極體偵測之前，也可利用彩色濾光層疊層的配置將波長相近的光訊號區分開來，再搭配可透過電壓調變的方式調整感測位置的光二極體，藉此區別出波長相近的光訊號。

10、10a:影像感測器 100:像素區 110:基板 110a:第一表面 110b:第二表面 111:基底 112:磊晶層 120、120’、120a、120b:光二極體 121:頂面 122:底面 123:第一空乏層 124:第二空乏層 130:第一釘紮層 130a:上表面 131:第二釘紮層 132:第三釘紮層 140:隔離結構 141、141a:淺隔離結構 142:深隔離結構 150:內連線結構 151:介電層 152:線路層 153:接觸窗 160:鈍化層 170:濾光層 172、174:彩色濾光層疊層 172a、174a:第一濾光層 172b、174b:第二濾光層 180 : 浮動節點 182、184:隔離區 D1:第一距離 D2:第二距離 Ex:激發光 Em1、Em2:發射光 G:閘極 S1、S2:待測物 SD1、SD2:源極/汲極 Y:法線方向

圖1繪示為本發明一實施例的影像感測器的剖面示意圖。圖2繪示為圖1的影像感測器中，光二極體的深度與PN濃度差的關係圖。圖3繪示為本發明另一實施例的影像感測器的剖面示意圖。圖4繪示為濾光層以及彩色濾光層疊層的應用的示意圖。

10:影像感測器

100:像素區

110:基板

110a:第一表面

110b:第二表面

111:基底

112:磊晶層

120、120’:光二極體

121:頂面

122:底面

123:第一空乏層

124:第二空乏層

130:第一釘紮層

130a:上表面

131:第二釘紮層

132:第三釘紮層

140:隔離結構

141、141a:淺隔離結構

142:深隔離結構

150:內連線結構

151:介電層

152:線路層

153:接觸窗

160:鈍化層

170:濾光層

180:浮動節點

182、184:隔離區

D1:第一距離

D2:第二距離

G:閘極

SD1、SD2:源極/汲極

Y:法線方向

Claims

一種影像感測器，包括多個像素區，其中各該像素區包括：一基板，具有一第一表面以及與該第一表面相對的一第二表面；一光二極體，位於該像素區的該基板中；一第一釘紮層，位於該基板的該第一表面與該光二極體之間的該基板中；一第二釘紮層，位於該第一釘紮層與該光二極體之間的該基板中，且電性連接至一第一偏壓；以及一第三釘紮層，位於該光二極體與該基板的該第二表面之間的該基板中，且電性連接至一第二偏壓，其中該第二釘紮層與該第三釘紮層分別位於該光二極體的相對兩側，其中透過施加該第一偏壓和/或該第二偏壓來調整該光二極體於該基板中的感測位置，以使該光二極體能偵測並區別不同波長的光訊號。
如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該基板、該第一釘紮層、該第二釘紮層以及該第三釘紮層具有一第一導電型，該光二極體具有一第二導電型，且該第一導電型與該第二導電型不同。
如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該光二極體的一頂面與該基板的該第一表面之間具有一第一距離，而當該第一偏壓小於0時，該光二極體的該頂面會向該基板的該第一表面移動，以使該第一距離減少；當該第一偏壓大於0時，該光二極體的該頂面會向該基板的該第二表面移動，以使該第一距離增加。
如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該光二極體的一底面與該基板的該第一表面之間具有一第二距離，而當該第二偏壓小於0時，該光二極體的該底面會向該基板的該第一表面移動，以使該第二距離減少；當該第二偏壓大於0時，該光二極體的該底面會向該基板的該第二表面移動，以使該第二距離增加。
如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該第一釘紮層、該第二釘紮層、該第三釘紮層以及該光二極體於該基板的一法線方向上重疊。
如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該光二極體於該基板中的深度為0.4微米至2微米。
如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，更包括：多個隔離結構，貫穿該基板，以隔離出各該像素區。
如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，更包括：一內連線結構，位於該基板的該第一表面上，包括至少一介電層、至少一線路層以及多個接觸窗，其中該介電層與該線路層依序疊置於該基板的該第一表面上，且該些接觸窗貫穿該介電層。
如申請專利範圍第8項所述的影像感測器，更包括：一鈍化層，位於該內連線結構上；以及一濾光層，位於該鈍化層上。
如申請專利範圍第9項所述的影像感測器，更包括：多個彩色濾光層疊層，位於該濾光層與該鈍化層之間，用以分離出波長相近且重疊的光訊號，藉以鑑別兩種不同的波長分布。