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CN106158892A - 具有电介质层反射环的背侧照明图像传感器像素 - Google Patents

具有电介质层反射环的背侧照明图像传感器像素 Download PDF

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CN106158892A
CN106158892A CN201610078523.7A CN201610078523A CN106158892A CN 106158892 A CN106158892 A CN 106158892A CN 201610078523 A CN201610078523 A CN 201610078523A CN 106158892 A CN106158892 A CN 106158892A
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photodiode
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CN201610078523.7A
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刘家颖
熊志伟
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Omnivision Technologies Inc
Original Assignee
Omnivision Technologies Inc
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Publication date
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Abstract

本发明涉及一种具有电介质层反射环的背侧照明图像传感器像素。图像传感器包含接近于半导体材料的前侧以积累图像电荷的光电二极管。金属层反射体结构接近于所述半导体材料的所述前侧而安置于电介质层中。触点反射环结构安置于所述电介质层中在所述金属层反射体结构与触点蚀刻停止层之间，所述触点蚀刻停止层安置于所述半导体材料的所述前侧上方。所述触点反射环结构在所述电介质层中界定光导的一部分，使得被引导穿过所述半导体材料的背侧、穿过所述光电二极管且从所述金属层反射体结构往回反射穿过所述光电二极管的光在通过所述光电二极管与所述金属层反射体结构之间的所述电介质层时经局限以保持于所述触点反射环结构的内部中。

Description

具有电介质层反射环的背侧照明图像传感器像素
技术领域
本发明一般来说涉及图像传感器，且更具体来说，本发明涉及近红外图像传感器。
背景技术
图像传感器已变得无所不在。其广泛用于数码静态相机、蜂窝式电话、安全相机以及医学、汽车及其它应用中。用于制造图像传感器且特定来说互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)的技术一直持续快速地发展。举例来说，对较高分辨率及较低电力消耗的需求已促进了这些图像传感器的进一步小型化及集成。
其中大小及图像质量尤其重要的两个应用领域是安全及汽车应用。对于这些应用，图像传感器芯片通常必须在可见光谱中提供高质量图像且尤其在光谱的红色及近红外部分中具有经改进敏感度、量子效率及经减小串扰。
发明内容
在一个方面中，本发明涉及一种图像传感器，其包括：光电二极管，其接近于半导体材料的前侧而安置于所述半导体材料中以响应于被引导穿过所述半导体材料的背侧且穿过所述光电二极管的光而积累图像电荷；金属层反射体结构，其接近于所述半导体材料的所述前侧而安置于电介质层中，使得被引导穿过所述半导体材料的所述背侧且穿过所述光电二极管的所述光从所述金属层反射体结构往回反射穿过所述光电二极管；触点蚀刻停止层，其安置于所述半导体材料的所述前侧上方在所述电介质层与所述半导体材料中的所述光电二极管之间；及触点反射环结构，其安置于所述电介质层中在所述金属层反射体结构与所述触点蚀刻停止层之间，其中所述触点反射环结构在所述电介质层中于所述金属层反射体结构与所述半导体材料中的所述光电二极管之间界定光导的一部分，使得被引导穿过所述光电二极管且从所述金属层反射体结构往回反射穿过所述光电二极管的光在通过所述光电二极管与所述金属层反射体结构之间的所述电介质层时经局限以保持于所述触点反射环结构的内部中。
在另一方面中，本发明涉及一种成像系统，其包括：像素阵列，其具有安置于半导体材料中的多个像素单元，其中所述多个像素单元中的每一者包含：光电二极管，其接近于半导体材料的前侧而安置于所述半导体材料中以响应于被引导穿过所述半导体材料的背侧且穿过所述光电二极管的光而积累图像电荷；金属层反射体结构，其接近于所述半导体材料的所述前侧而安置于电介质层中，使得被引导穿过所述半导体材料的所述背侧且穿过所述光电二极管的所述光从所述金属层反射体结构往回反射穿过所述光电二极管；触点蚀刻停止层，其安置于所述半导体材料的所述前侧上方在所述电介质层与所述半导体材料中的所述光电二极管之间；及触点反射环结构，其安置于所述电介质层中在所述金属层反射体结构与所述触点蚀刻停止层之间，其中所述触点反射环结构在所述电介质层中于所述金属层反射体结构与所述半导体材料中的所述光电二极管之间界定光导的一部分，使得被引导穿过所述光电二极管且从所述金属层反射体结构往回反射穿过所述光电二极管的光在通过所述光电二极管与所述金属层反射体结构之间的所述电介质层时经局限以保持于所述触点反射环结构的内部中；控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素单元读出图像数据。
附图说明
参考以下图描述本发明的非限制性及非穷尽性实施例，其中除非另有说明，否则贯穿各个视图，相同参考编号指代相同部件。
图1是根据本发明的教示的图解说明可包含于实例性增强型背侧照明近红外图像传感器中的像素单元的一个实例的示意图。
图2是根据本发明的教示的图解说明实例性增强型背侧照明近红外图像传感器的一个实例的一部分的横截面图的横截面图。
图3是根据本发明的教示的图解说明包含包括像素阵列的实例性增强型背侧照明近红外图像传感器的成像系统的一个实例的图式。
在图式的所有数个视图中，对应参考字符指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是为简单及清晰起见而图解说明的，且未必按比例绘制。举例来说，为帮助改进对本发明的各种实施例的理解，各图中的元件中的某些元件的尺寸可能相对于其它元件被放大。此外，通常不描绘在商业上可行的实施例中有用或必需的常见而众所周知的元件以便促进对本发明的这些各种实施例的较不受阻碍的观看。
具体实施方式
在以下说明中，陈述众多特定细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将明了，无需采用特定细节来实践本发明。在其它例子中，未详细描述众所周知的材料或方法以便避免使本发明模糊。
在本说明书通篇中对“一个实施例”、“一实施例”、“一个实例”或“一实例”的提及意指结合所述实施例或实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇的各个位置中短语“在一个实施例中”、“在一实施例中”、“一个实例”或“一实例”的出现未必全部是指同一实施例或实例。此外，所述特定特征、结构或特性可在一或多个实施例或实例中以任何适合组合及/或子组合而组合。特定特征、结构或特性可包含于集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述功能性的其它适合组件中。另外，应了解，随本文提供的各图是出于向所属领域的技术人员解释的目的且图式未必按比例绘制。
在典型背侧照明(BSI)图像传感器中，进入半导体材料(举例来说，例如硅)的背侧的红色或近红外光的显著部分(举例来说，例如具有约850nm的较长波长的光)传播穿过半导体材料而不被吸收。因此，需要较厚硅以便吸收较多入射红色或近红外光。然而，典型背侧照明图像传感器的半导体材料通常被薄化以便改进可见光性能，此使图像传感器的红色或近红外性能降级。
因此，如下文将描述，根据本发明的教示的实例性背侧照明图像传感器以光反射圆柱型形状为特征，所述光反射圆柱型形状结合反射体在像素单元的光电二极管后面添加到前侧以将较长波长红色及近红外光局限以免在像素单元之间泄漏且导致较多光往回反射到光电二极管中而被吸收，这因此改进红色或近红外敏感度，以及减小根据本发明的教示的图像传感器中的光学串扰。举例来说，在一个实例中，将金属层反射体定位于光电二极管后面的电介质层中。在实例中，将触点反射环结构定位于像素前侧金属层反射体下方以防止光损失及穿过触点电介质的串扰。在一个实例中，触点反射环结构可在触点蚀刻过程期间形成且使用触点蚀刻停止层来防止触点反射环结构到达像素单元的半导体衬底。在一个实例中，根据本发明的教示，在触点蚀刻过程期间形成的沟槽可填充有光反射材料(举例来说，例如钨)以形成触点反射环结构，所述触点反射环结构将光局限以保持于像素单元内以改进量子效率且防止光穿过电介质层偏离到相邻像素单元中。
为图解说明，图1是根据本发明的教示的图解说明可包含于实例性增强型背侧照明近红外图像传感器102中的像素单元100的一个实例的示意图。在所描绘实例中，根据本发明的教示，像素单元100图解说明为包含于图像传感器102中的四晶体管(“4T”)像素单元。应了解，像素单元100是用于实施图1的图像传感器102的像素阵列内的每一像素单元的像素电路架构的一个可能实例。然而，应了解，根据本发明的教示的其它实例未必限于4T像素架构。受益于本发明的所属领域的技术人员将理解，根据本发明的教示，本发明教示也适用于3T设计、5T设计及各种其它像素架构。
在图1中所描绘的实例中，像素单元100包含用以积累图像电荷的光电二极管(“PD”)104、转移晶体管T1106、复位晶体管T2108、浮动扩散部(“FD”)110、源极跟随器(“SF”)晶体管T3112及选择晶体管T4114。在操作期间，转移晶体管T1106接收将光电二极管PD 104中所积累的图像电荷转移到浮动扩散部FD 110的转移信号TX。在一个实例中，浮动扩散部FD 110可耦合到用于暂时存储图像电荷的存储电容器。在一个实例中且如下文将进一步详细论述，根据本发明的教示，触点环反射结构形成于电介质层中在电介质层中的金属层反射体与光电二极管104之间以将光局限以保持于像素单元100内。如此，根据本发明的教示提供经改进红色或近红外敏感度以及经减小光学串扰。如所图解说明实例中所展示，复位晶体管T2108耦合于电源轨VDD与浮动扩散部FD 110之间以响应于复位信号RST而使像素单元100复位(例如，将浮动扩散部FD 110及光电二极管PD 104放电或充电到预设电压)。浮动扩散部FD 110经耦合以控制SF晶体管T3的栅极。SF晶体管T3耦合于电源轨VDD与选择晶体管T4之间。SF晶体管T3操作为提供到浮动扩散部FD 110的高阻抗连接的源极跟随器放大器。选择晶体管T4114响应于选择信号SEL而将像素单元100的输出选择性地耦合到读出列位线116。
在一个实例中，TX信号、RST信号、SEL信号及读出脉冲电压由控制电路产生，下文将进一步详细描述所述控制电路的实例。在其中图像传感器102借助全局快门而操作的实例中，全局快门信号耦合到图像传感器102中的每一转移晶体管T1106的栅极以同时开始从每一像素的光电二极管PD 104的电荷转移。替代地，根据本发明的教示，可将滚动快门信号施加到转移晶体管T1106的群组。
图2是根据本发明的教示的图解说明实例性增强型背侧照明近红外图像传感器芯片202的一个实例的一部分的横截面图的横截面图。应了解，图2的图像传感器芯片202可为图1的图像传感器102的实施方案的一个实例，且下文所提及的类似命名及编号的元件类似于如上文所描述而耦合及起作用。注意，图2中未详细展示图1中所展示的图像传感器102的其它电路元件(举例来说，例如各种晶体管及其相关联扩散部及经掺杂区域)以便不使本发明的教示模糊。
返回参考图2所图解说明的实例，图像传感器芯片202包含光电二极管204，所述光电二极管接近于图像传感器芯片202的前侧220而安置于半导体材料层218中以响应于光224而积累图像电荷，所述光穿过半导体材料218的背侧222且穿过光电二极管204被引导到半导体材料218中，如所展示。在所描绘实例中，光电二极管204包含形成于P+层204A与N型光电二极管植入物204B之间的接口处的pn结204C。在一个实例中，半导体材料218包含硅、多晶硅或另一适合半导体材料。在一个实例中，还将半导体材料218薄化以便提供图像传感器芯片202的经改进可见光性能。在一个实例中，光224包含红色或近红外光。举例来说，在一个实例中，光224可具有约850nm的波长。
在一个实例中，图像传感器芯片202包含金属层(M1)反射体结构254，所述金属层(M1)反射体结构接近于半导体材料218的前侧220而安置于电介质层252中，使得被引导穿过半导体材料218的背侧222且穿过光电二极管204的光224从金属层反射体结构254往回反射穿过光电二极管204。如实例中所展示，触点蚀刻停止层250安置于半导体材料218的前侧220上方在电介质层252与半导体材料218中的光电二极管204之间。
在一个实例中，图像传感器芯片202包含触点反射环结构242，所述触点反射环结构安置于电介质层252中在金属层反射体结构254与触点蚀刻停止层250之间。在一个实例中，根据本发明的教示，触点反射环结构242具有圆柱型形状且反射入射光224，所述圆柱型形状将光224局限以免在像素单元之间泄漏。如实例中所展示，触点反射环结构242在电介质层252中于金属层反射体结构254与光电二极管204之间围封或界定光学波导或光导230的一部分。如此，根据本发明的教示，被引导穿过半导体材料218及光电二极管204的光224从金属层反射体结构254往回反射，且在通过光电二极管204与金属层反射体结构254之间的电介质层252时经局限以保持于触点反射环结构242的内部中。
在一个实例中，触点反射环结构242形成于电介质层252中在图像传感器芯片202的触点蚀刻处理期间所蚀刻的沟槽中。如实例中所展示，所述沟槽填充有反射性材料以在金属层反射体254与触点蚀刻停止层250之间形成触点反射环结构242。在一个实例中，用以形成触点反射环结构242的反射性材料包含钨。触点蚀刻停止层250防止对用于触点反射环结构242的沟槽的蚀刻到达半导体衬底218及光电二极管204。在一个实例中，应了解，用于触点反射环结构242的沟槽可与图像传感器芯片202中形成之其他触点同时进行蚀刻，且可填充有相同材料(例如，钨)。
举例来说，在所描绘实例中，图像传感器芯片202还包含接近于光电二极管204而安置于半导体材料218的前侧220上方的栅极结构260，如所展示。在一个实例中，栅极结构260由多晶硅或其它适合导电材料制成。在实例中，触点258耦合于安置于电介质层252中的栅极结构260与金属导体256之间。在一个实例中，触点258形成于电介质层252中在也于图像传感器芯片202的触点蚀刻处理期间在金属导体256与栅极结构260之间、与蚀刻用于触点反射环结构242的沟槽同时蚀刻的沟槽中。在一个实例中，用于触点258的沟槽也填充有导电材料(举例来说，例如钨)。
在一个实例中，图像传感器芯片202还可包含接近于光电二极管204而安置于半导体材料218中以隔离半导体材料218中的光电二极管204的浅沟槽隔离结构217。如所描绘实例中所展示，浅沟槽隔离结构217从半导体材料218的前侧220朝向半导体材料218的背侧222延伸。在一个实例中，根据本发明的教示，图像传感器芯片202还可包含安置于半导体材料218中的深沟槽隔离(DTI)结构228，所述深沟槽隔离(DTI)结构隔离半导体材料218中的光电二极管204，以及界定光导230的一部分以供光224穿过半导体材料218传播到光电二极管204，如所展示。在一个实例中，存在安置于DTI结构228中的每一者与半导体材料218之间的电介质材料薄层229。在一个实例中，根据本发明的教示，DTI结构228中的每一者沿着光导230的实质部分延伸穿过半导体材料218且从半导体材料218的背侧222延伸到浅沟槽隔离结构217中的对应一者。在一个实例中，还存在安置于半导体材料218中在图像传感器芯片202的光电二极管204之间的P阱。
在图2中所描绘的实例中，图像传感器芯片202还可包含接近于半导体材料218的背侧222安置的彩色滤光器阵列层234。在一个实例中，彩色滤光器阵列层234中的彩色滤光器包含红色、绿色、蓝色彩色滤光器。在一个实例中，图像传感器芯片202可进一步包含接近于半导体材料218的背侧222安置的微透镜阵列238，如所展示。
图3是根据本发明的教示的图解说明包含增强型背侧照明近红外图像传感器302的成像系统343的一个实例的图式。如所描绘实例中所展示，成像系统343包含耦合到控制电路348及读出电路344的图像传感器302，所述读出电路耦合到功能逻辑346。
在一个实例中，图像传感器302包含为像素单元(例如，像素单元P1、P2、…、Pn)的二维(2D)阵列的像素阵列。在一个实例中，每一像素单元是CMOS成像像素。注意，图像传感器302中的像素单元P1、P2、…Pn可为图1的像素单元100及/或图2的图像传感器202中所图解说明的每一像素单元的实例，且下文所提及的类似命名及编号的元件类似于如上文所描述而耦合及起作用。如所图解说明，每一像素单元布置到行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)中以获取人、地方、对象等的图像数据，接着可使用所述图像数据再现所述人、地方、对象等的2D图像。
在一个实例中，在每一像素单元已积累其图像数据或图像电荷之后，所述图像数据由读出电路344通过读出列位线316读出且接着传送到功能逻辑346。在各种实例中，读出电路344可包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它。功能逻辑346可简单地存储所述图像数据或甚至通过应用后图像效应(例如，修剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵所述图像数据。在一个实例中，读出电路344可沿着读出列位线316(所图解说明)一次读出一行图像数据，或可使用多种其它技术(未图解说明)读出所述图像数据，例如串行读出或所有像素的同时全并行读出。
在一个实例中，控制电路348耦合到图像传感器302以控制图像传感器302的操作特性。举例来说，控制电路348可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中，所述快门信号是用于同时启用图像传感器302内的所有像素单元以在单个获取窗期间同时捕获其相应图像数据的全局快门信号。在另一实例中，快门信号是滚动快门信号，使得在连续获取窗期间顺序地启用像素的每一行、列或群组。
包含发明摘要中所描述内容的本发明的所图解说明实例的以上说明并不打算为穷尽性或限制于所揭示的精确形式。尽管出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但可在不背离本发明的较宽广精神及范围的情况下做出各种等效修改。
鉴于上文详细说明，可对本发明的实例做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应理解为将本发明限制于说明书及权利要求书中所揭示的特定实施例。而是，所述范围将完全由所附权利要求书来确定，权利要求书将根据所创建的权利要求解释原则来加以理解。因此，本说明书及各图应视为说明性的而非限制性的。

Claims (21)

1.一种图像传感器，其包括：
光电二极管，其接近于半导体材料的前侧而安置于所述半导体材料中以响应于被引导穿过所述半导体材料的背侧且穿过所述光电二极管的光而积累图像电荷；
金属层反射体结构，其接近于所述半导体材料的所述前侧而安置于电介质层中，使得被引导穿过所述半导体材料的所述背侧且穿过所述光电二极管的所述光从所述金属层反射体结构往回反射穿过所述光电二极管；
触点蚀刻停止层，其安置于所述半导体材料的所述前侧上方在所述电介质层与所述半导体材料中的所述光电二极管之间；及
触点反射环结构，其安置于所述电介质层中在所述金属层反射体结构与所述触点蚀刻停止层之间，其中所述触点反射环结构在所述电介质层中于所述金属层反射体结构与所述半导体材料中的所述光电二极管之间界定光导的一部分，使得被引导穿过所述光电二极管且从所述金属层反射体结构往回反射穿过所述光电二极管的光在通过所述光电二极管与所述金属层反射体结构之间的所述电介质层时经局限以保持于所述触点反射环结构的内部中。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述触点反射环结构包括在所述电介质层中于所述金属层反射体结构与所述触点蚀刻停止层之间蚀刻的填充有钨的沟槽。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括接近于所述光电二极管而安置于所述半导体材料中以隔离所述半导体材料中的所述光电二极管的浅沟槽隔离结构，其中所述浅沟槽隔离结构从所述半导体材料的所述前侧朝向所述半导体材料的所述背侧延伸。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其进一步包括安置于所述半导体材料中的深沟槽隔离结构，其中所述深沟槽隔离结构中的每一者从所述半导体材料的所述背侧延伸到所述浅沟槽隔离结构中的对应一者。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中被引导穿过所述半导体材料的所述背侧且穿过所述光电二极管的所述光在通过所述半导体材料到达所述光电二极管时经局限以保持于所述深沟槽隔离结构之间及所述浅沟槽隔离结构之间。
6.根据权利要求3所述的图像传感器，其进一步包括安置于所述深沟槽隔离结构与所述半导体材料之间的电介质材料。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括接近于所述光电二极管而安置于所述半导体材料的所述前侧上方的栅极结构。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其进一步包括耦合于安置于所述电介质层中的栅极结构与金属导体之间的触点。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述触点包括在所述电介质层中于安置于所述电介质层中的所述栅极结构与所述金属导体之间蚀刻的填充有钨的沟槽。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述光电二极管包含接近于所述半导体材料的所述前侧而界定于所述半导体材料中的pn结。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括接近于所述半导体材料的所述背侧而安置的彩色滤光器阵列层。
12.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括接近于所述半导体材料的所述背侧而安置的微透镜阵列。
13.一种成像系统，其包括：
像素阵列，其具有安置于半导体材料中的多个像素单元，其中所述多个像素单元中的每一者包含：
光电二极管，其接近于半导体材料的前侧而安置于所述半导体材料中以响应于被引导穿过所述半导体材料的背侧且穿过所述光电二极管的光而积累图像电荷；
金属层反射体结构，其接近于所述半导体材料的所述前侧而安置于电介质层中，使得被引导穿过所述半导体材料的所述背侧且穿过所述光电二极管的所述光从所述金属层反射体结构往回反射穿过所述光电二极管；
触点蚀刻停止层，其安置于所述半导体材料的所述前侧上方在所述电介质层与所述半导体材料中的所述光电二极管之间；及
触点反射环结构，其安置于所述电介质层中在所述金属层反射体结构与所述触点蚀刻停止层之间，其中所述触点反射环结构在所述电介质层中于所述金属层反射体结构与所述半导体材料中的所述光电二极管之间界定光导的一部分，使得被引导穿过所述光电二极管且从所述金属层反射体结构往回反射穿过所述光电二极管的光在通过所述光电二极管与所述金属层反射体结构之间的所述电介质层时经局限以保持于所述触点反射环结构的内部中；
控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及
读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素单元读出图像数据。
14.根据权利要求13所述的成像系统，其进一步包括耦合到所述读出电路以存储从所述多个像素单元读出的所述图像数据的功能逻辑。
15.根据权利要求13所述的成像系统，其中所述触点反射环结构包括在所述电介质层中于所述金属层反射体结构与所述触点蚀刻停止层之间蚀刻的填充有钨的沟槽。
16.根据权利要求13所述的成像系统，其中所述多个像素单元中的每一者进一步包含接近于所述光电二极管而安置于所述半导体材料中以隔离所述半导体材料中的所述光电二极管的浅沟槽隔离结构，其中所述浅沟槽隔离结构从所述半导体材料的所述前侧朝向所述半导体材料的所述背侧延伸。
17.根据权利要求16所述的成像系统，其中所述多个像素单元中的每一者进一步包含安置于所述半导体材料中的深沟槽隔离结构，其中所述深沟槽隔离结构中的每一者从所述半导体材料的所述背侧延伸到所述浅沟槽隔离结构中的对应一者。
18.根据权利要求17所述的成像系统，其中被引导穿过所述半导体材料的所述背侧且穿过所述光电二极管的所述光在通过所述半导体材料到达所述光电二极管时经局限以保持于所述深沟槽隔离结构之间及所述浅沟槽隔离结构之间。
19.根据权利要求13所述的成像系统，其中所述多个像素单元中的每一者进一步包含接近于所述光电二极管而安置于所述半导体材料的所述前侧上方的栅极结构。
20.根据权利要求19所述的成像系统，其中所述多个像素单元中的每一者进一步包含耦合于安置于所述电介质层中的栅极结构与金属导体之间的触点。
21.根据权利要求20所述的成像系统，其中所述触点包括在所述电介质层中于安置于所述电介质层中的所述栅极结构与所述金属导体之间蚀刻的填充有钨的沟槽。
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