半导体图像传感器的像素及制造像素的方法

本公开涉及一种用于半导体图像传感器的像素并且涉及一种用于制造这种像素的方法。

CMOS图像传感器用于广泛的应用中，例如用于智能电话、平板计算机、膝上型计算机等中的相机模块。这些应用中的许多应用依赖于有源照明的使用，特别是借助于LED或诸如VCSEL的激光光源。为了图像传感器的高效操作，特别是在这些情况下，图像传感器的单个像素的高量子效率是至关重要的。对于红外波段中的应用，例如3D成像，现有技术的图像传感器经常遭受低效率，这是由于光从像素逸出而没有被检测到，即光被像素的有源区域吸收。另外，其它缺点通常包括由于不期望的背景信号所导致的高噪声贡献，以及在除了像素的目标波长之外的光波长处的不必要的高灵敏度。

因此，要实现的目的是提供一种针对半导体图像传感器的像素的改进概念，其特征在于在目标波长处的增强的量子效率并且克服了现代图像传感器的缺点。

该目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中限定了本改进概念的实施例和改进方案。

如果同时必须保持小的像素尺寸以便实现紧凑的高分辨率图像传感器，则通过增加检测器材料的厚度来增加像素的有源区(例如，光电二极管的有源光捕获区域)的明显方法通常是不可能实现的。然而，本改进概念是基于提供具有以下像素的图像传感器的思想，即该像素能够将光俘获在像素体积内很长一段时间，理想情况下，直到光最终在像素的有源区中被吸收并因此被检测到。此外，根据本改进概念的像素确保在至少一个预定目标波长处的窄波段灵敏度，并且同时防止来自任何波长处的不期望背景光的噪声贡献。

特别地，根据本改进概念的像素包括半导体主体，该半导体主体具有被配置作为入射表面的第一表面和被配置为用于捕获入射在第一表面上的光的光捕获区域。该像素还包括结构化界面、在半导体主体中的垂直于第一表面的至少两个表面上的隔离层以及滤光元件，该滤光元件被布置在与第一表面相距一定距离处，以使得以小于临界角的入射角度入射到第一表面上的光照射到该滤光元件上。

图像传感器的每个像素都被配置为捕获入射在相应像素上的光学信息并且生成表示该光学信息的电学信息。尤其对于根据标准CMOS技术制造的图像传感器而言，像素的工作原理是使用光电二极管来将光强度转换为光电流。在这种连接下，半导体主体所包括的硅基光电二极管是常见的选择，因为这些二极管在190nm至1100nm的宽波长范围内是敏感的，并且因此覆盖可见域和红外域中的电磁光谱的相关部分。此外，由于硅的带隙大，所以硅基光电二极管与诸如锗基光电二极管的其它光电二极管相比表现出优越的噪声性能。

结构化界面被配置为通过实现光散射界面来散射入射光，该光散射界面例如由半导体主体的表面上的光散射层来形成。例如，光散射层的表面上的结构具有形成结构化表面的金字塔形状。光散射层可以是与半导体主体的材料相同的材料，诸如硅，或者例如是其折射率与半导体主体材料的折射率不同的不同材料，诸如氧化物。像素体积内入射光的散射使得能够通过改变其传播路径来将光俘获在所述像素体积内。

为了进一步防止光在被吸收之前从像素体积逸出，在半导体主体的多个表面上布置隔离层。例如，像素的侧面，即垂直于第一表面的面，包括诸如二氧化硅的材料层，该材料层的折射率与半导体主体的材料的折射率不同。像素体积内以大于截止角的入射角照射到由隔离层产生的界面上的光被完全反射并因此被俘获在像素体积内。优选地，小的截止角是预定的，并且取决于半导体主体的折射率和隔离层的折射率。像素体积由半导体主体来限定，该半导体主体由第一表面、半导体主体中的与第一表面相对的表面以及半导体主体中的垂直于第一表面的侧表面来界定。

为了还防止光在被像素体积内的表面(即由光散射界面和由隔离层形成的界面)反射后通过第一表面逸出，在与第一表面相距一定距离处布置滤光元件。其中，该滤光元件被布置在像素体积的外部并尽可能靠近第一表面。此外，将滤光元件的尺寸选择为使得以小于临界角的入射角度入射的所有光在进入像素体积之前必须穿过滤光元件。滤光元件被配置成透射入射光以使得入射光能够照射到第一表面上并且因此进入像素体积，并且被配置成反射在离开像素体积(即从像素体积逸出)之后照射在滤光元件上的光。因此，滤光元件可以被认为是有效的单向镜。

在一些实施例中，滤光元件的透射值取决于入射角度和/或取决于光的波长。

如前所述，由于结构化界面改变入射光的反射角度，因此从像素体积逸出的光将以与第一次进入像素体积时照射到第一表面上的光不同的角度照射到滤光元件上。这样，由于像素通常定向为朝向待成像的物体或光源，因此通常以接近0°的入射角度进入像素的光借助于角度相关的滤光元件、结构化界面和隔离层的相互作用从而被有效地俘获。替代地或附加地，滤光元件的透射可以是波长相关的，使得首先只有目标波长被透射而其他波长被反射。

在一些其他实施例中，滤光元件被配置成在入射角度大于临界值时反射光，并且在入射角度小于或等于临界值时透射光。

为了定义像素的视场，在这些实施例中，滤光器被设计为具有作为截止角的临界角，其中，光仅在以小于临界角的入射角度照射到滤光元件上时才被滤光元件透射。以临界角或临界角以上角度来入射的光被滤光元件反射并且因此防止其进入像素体积。

在一些实施例中，滤光元件包括二向色滤光器。

二向色滤光器提供了一种紧凑的解决方案，以实现入射在滤光元件上的光的波长相关的透射。也称为布拉格滤光器的二向色滤光器由具有不同折射率的一组交替薄膜层形成。实现薄膜干涉原理，这种滤光器能够实现高度波长相关的透射，并因此有助于防止不期望的光穿过第一表面进入像素。通过调整这些层的数量、材料和厚度，滤光器的通带能够被调整到特定的目标波长，并且被设计成如所期望的窄或宽。

在一些实施例中，像素还包括波导结构，该波导结构布置在滤光元件与第一表面之间。

为了防止光穿过形成在半导体主体的第一表面与滤光元件之间的间隙逸出，例如，可以在所述间隙内布置波导结构，以使得光被限制在像素内并且不能进入相邻像素。类似于隔离层和半导体主体，波导结构可以采用全内反射的原理。

在一些实施例中，滤光元件被配置成透射特定窄波段波长范围、特别是包括940nm和/或850nm的波长范围内的光学波长的光。

一般而言，红外光的优点是人眼不可见。因此，即使是需要高强度有源照明的成像过程也可以在不干扰人眼的情况下使用。940nm和850nm的波长特别适用于红外成像应用，例如3D成像或面部识别。其原因是由于这些波长处的阳光在大气中的吸收从而其强度低。因此，在这些波长处操作对于不期望的背景光并且因此对于在宽日光下的低噪声成像而言意义不大。因此，采用这种滤光元件会导致在目标波长处的高量子效率和在其它波长处的低效率。在这种情况下，窄波段可以指的是具有小于50nm、特别是小于10nm光谱宽度的透射窗口，其中目标波长包括在该透射窗口中，例如目标波长是中心波长。滤光元件可以具有多于一个的透射窗口，例如包含850nm的第一窗口和包含940nm的第二窗口。窗口的通带宽度取决于照明该场景的有源光源的宽度。例如，对于利用竖直腔面发射激光器或VCSEL进行的照明而言，其可以小至为10nm。或者，例如在利用发光二极管或其它照明源来进行照明的情况下，其可以为60nm或更大。

在一些实施例中，滤光元件被配置为法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔。

通过采用法布里-珀罗型滤光器可以实现在入射光进入像素体积之前对其进行强选择性的滤光。法布里-珀罗腔通常由彼此相距特定距离布置的两个二向色镜构成，所形成的法布里-珀罗腔实现了用于入射光的窄波段滤光器。如在依赖于特定波长处的有源照明的许多应用中，无论如何在光学路径中都需要这种窄波段滤光器，将其布置在第一表面的正上方的优点是由于光在像素体积内被俘获直到其被吸收并转换为电学信号以用于进一步处理从而增加了量子效率。

在一些实施例中，结构化界面被布置在像素的包括第一表面的一侧上，或者在像素的背离第一表面的一侧上。

像素可以被前侧照明或被后侧照明，这意味着像素的有源区位于像素的与第一表面相对的一侧处或位于第一表面的一侧处。同样，取决于制造工艺，例如由光散射层形成的结构化表面可以布置在像素的两个所述侧中的任一侧上。

在一些实施例中，隔离层覆盖半导体主体的至少两个表面的至少一部分。

为了实现在像素体积内的高效的光俘获，隔离层需要覆盖像素中的尽可能多的垂直于第一表面的侧面。例如，隔离层通过深沟槽隔离(DTI)来实现，该深沟槽隔离基本上(如果不是全部)覆盖了像素的半导体主体的整个侧表面。

在一些实施例中，像素还包括在半导体主体的垂直于第一表面的所有表面上的隔离层。

为了在所有维度上进行有效的光俘获，需要在像素中的所有垂直于第一表面的侧面上都具有隔离层。对于具有正方形覆盖区域(即正方形第一表面)的像素而言，这意味着需要利用隔离层来覆盖四个侧表面。这确保了没有光能够朝向可以布置相邻像素的一侧离开像素体积。

该目的还通过包括根据上述实施例之一的多个像素的图像传感器来解决，其中，像素被布置成使得两个相邻像素中的每个的隔离层彼此面对。

根据本改进概念的具有多个像素(例如，以阵列或矩阵布置)的图像传感器允许在特定目标波长处的高灵敏度和低噪声成像。大大受益于本改进概念的应用包括依赖于对待捕获物体或场景的有源照明的红外成像应用。例如，这些应用具有诸如面部识别的识别目的，或者针对3D成像和感测应用。对于有源照明，图像传感器可以被配置为与光源一起操作，所述光源例如为VCSEL或LED。这种图像传感器的滤光元件可以是布置在所有像素上方的组合滤光元件，或者每个像素可以具有其自己的滤光元件。

在一些实施例中，图像传感器是CMOS图像传感器。

该目的还通过具有成像系统的电子设备来解决，该成像系统例如是相机系统，其包括具有根据前述实施例之一的像素的图像传感器。

常规的电子设备通常采用用于红外成像的相机模块以用于识别目的，例如面部或虹膜识别。在这种设备中的图像传感器通常在维度上非常受限，这导致小的像素尺寸。本改进概念在保持像素中的每个的高灵敏度和大量子效率的情况下，确保了光一旦进入像素体积就被俘获在像素内，直到被吸收并且进入其有源检测区，因此减少光的逸出。此外，在透射波长方面具有高选择性的滤光元件防止检测到不期望的波长处的光。

该目的还通过制造像素的方法来解决，其中该方法包括提供半导体主体，该半导体主体具有被配置作为入射表面的第一表面和被配置为用于捕获入射在第一表面上的光的光捕获区域。该方法还包括形成结构化界面、在半导体主体的垂直于第一表面的至少两个表面上施加隔离层、以及将滤光元件布置在与第一表面相距一定距离处以使得以小于临界角的入射角度入射在第一表面上的光照射到该滤光元件上。

根据上述像素单元的实施例，该方法的其它实施例对于本领域技术人员来说变得显而易见。以下对示例性实施例的附图的描述可以进一步示出和说明本改进概念的各方面。具有相同结构和相同效果的像素的部件和部分分别用相同的附图标记表示。在不同附图中，只要像素的部件和部分在它们的功能方面彼此对应，就不再针对每个附图来重复其描述。

图1示意性地示出了根据本改进概念的像素的一个实施例；

图2示意性地示出了根据本改进概念的像素的另一实施例；

图3示意性地示出了根据本改进概念的像素的另一实施例；

图4示意性地示出了根据本改进概念的像素的另一实施例；

图5示意性地示出了根据本改进概念的像素的另一实施例；以及

图6示意性地示出了根据本改进概念的像素的另一实施例。

将相对于特定实施例并参照某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而是仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，出于说明的目的，一些元件的尺寸可能被放大并且未按比例绘制。在本说明书和权利要求书中使用术语“包括”的情况下，其不排除其他元件或步骤。此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于区分相似的元件，并且不一定用于描述顺序或时间顺序。应当理解，这样使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施例能够以不同于本文描述或示出的顺序来操作。

图1示出了根据所提出的概念的像素1的一个实施例。特别地，像素1包括光敏元件，例如硅基光电二极管4，其响应于电磁辐射(通常为可见和/或红外波段中的光)。光电二极管4通常借助于不同掺杂的区来实现以形成钉扎光电二极管，该钉扎光电二极管由具有n型掺杂的完全耗尽区4a和p+表面注入的钉扎层4b的结来构成。通常，光电二极管4布置在半导体主体2的表面上或衬底主体2内。半导体主体2可以是硅，并且可以是硅衬底。半导体主体2可以是p掺杂的。半导体主体2、光电二极管注入层4a和钉扎层4b形成两个结，这两个结能够完全耗尽光电二极管4内部的区域。在该区域中，收集在半导体主体2中生成的光载流子。所述表面上的半导体主体2还包括传输门11，该传输门将光电二极管4的阴极连接到通常为浮动扩散区的感测节点10。当打开时，即在曝光周期结束时，传输门11被配置为将累积的电荷从光电二极管4传输到浮动扩散区FD。

在该实施例中，半导体主体2还包括第一表面3，该第一表面用作针对入射光的入射表面。由于第一表面3位于半导体主体2的与被处理侧或前侧相对的具有光电二极管4的一侧上，因此该像素架构被称为背照式像素。在第一表面3上，布置散射层5a以形成结构化界面5，该结构化界面在该实施例中具有金字塔形状的表面特征。散射层5a可以由与半导体主体2相同的材料(即硅)构成，或者由与其不同的材料例如二氧化硅构成。结构化界面构成了像素体积(在该实施例中由半导体主体2和散射层5a形成)与结构化界面5上方的介质(例如是空气)之间的过渡。结构化界面5被配置成控制光进入像素体积的相对于第一表面3的入射角度α。通常，像素1以及因此第一表面3被导向光源或被照明的物体，从而导致接近0°的小入射角度α。

像素1的垂直于第一表面3的侧表面7被覆盖有隔离层6。隔离层6的材料被选择为使其折射率小于半导体主体材料的折射率，导致了小的截止角θ，在该截止角θ以上发生全内反射。如果半导体主体的材料是折射率为3.5的硅，并且隔离层的材料是折射率为1.45的二氧化硅，则截止角θ大约是24°。在整个本公开中，折射率是指相对于相应目标波长的折射率。适当地调整截止角θ和结构化界面5的确切形状确保了在像素体积内的有效光捕获，并且因此确保了像素1的增加的量子效率，因为光可能不被立即吸收。隔离层6可以是将像素1与相邻像素分开的沟槽。

由于在某些情况下，光在穿过第一表面进入像素体积后，可以穿过第一表面逸出而不被吸收，所以滤光元件8被放置在与第一表面3相距一定距离处。考虑到结构化界面5的形貌，滤光元件8理想地布置成尽可能靠近第一表面3。如图所示，滤光元件8被配置成透射以小于预定临界角αc的入射角度α入射到该滤光元件上的光，例如，该预定临界角可以接近0°。以等于或大于临界角αc的角度α来入射的光被反射，以便例如防止检测到不期望的背景光。这可以通过滤光元件8的与角度相关的透射来实现。滤光元件8的另一目的是用作有效的单向镜并且反射穿过第一表面3从像素体积中逸出并因此从结构化界面5逸出的光。在这种情况下，由于结构化界面5与隔离层6结合改变了光照射到滤光元件8上的角度的这一事实，因此可以通过滤光元件8的透射的角度相关性来实现这种效果。例如，滤光元件8是二向色滤光器。

此外，滤光器元件8的透射也可以是波长相关的。为了不仅过滤(即反射)以大于临界角αc的入射角度α照射到滤光器上的光，而且还过滤不期望的波长的光，滤光器可以被配置成仅透射特定波长的光。这同样可以通过二向色滤光器来实现，例如通过不同折射率的交替层来实现，这些层的厚度和/或材料经过调整。例如，将滤光器调整为仅对于850nm和/或940nm附近的窄波段范围是透射的，这种滤光器是进一步增强(尤其是在日光下的)量子效率(即检测效率)的合适工具，因为阳光在这些波长处由于在大气中的吸收从而显示出其光谱下降。在这种情况下，窄波段可以指光谱宽度小于50nm、特别是小于10nm的透射窗口，其中目标波长包括在该透射窗口中，例如目标波长是透射窗口的中心波长。滤光元件8可以具有多于一个的透射窗口，例如包含850nm的第一窗口和包含940nm的第二窗口。为了实现窄波段传输，特别是10nm或更小的窄波段传输，可以将法布里-珀罗(Fabry-Perot)结构用于滤光器。该结构包括两个二向色镜，电介质位于这两个二向色镜之间，并调整到针对透射波长优化的厚度。

在具有光电二极管4的一侧处，像素1还可以包括金属反射器9，其被配置成将穿过具有光电二极管4的表面从半导体主体2逸出的任何光反射回像素体积中。反射器也可以是非金属的、任何其他类型的反射器，例如氧化硅顶部的硅。

图2示出了像素1的另一实施例，其被配置为前侧照明像素。与图1中所示的实施例不同，将被配置作为入射表面的第一表面布置在半导体主体中的包括光电二极管4的一侧上。与前述实施例的另一区别在于形成结构化界面5的散射层5a的布置。在该实施例中，散射层5a布置在半导体主体2的后侧上。例如，在处理步骤期间，半导体主体2的表面被图案化和结构化以形成金字塔结构，并且散射层5a被施加到该处理过的表面。因此，与图1的实施例相反，在该实施例中，入射光首先通过第一表面3进入并穿过半导体主体，然后照射到结构化界面5上并在该界面处被偏转。例如，散射层5a是折射率不同于半导体主体(可以是硅)的折射率的二氧化物。

隔离层6实现为从第一表面3在垂直方向上朝向散射层5a来延伸的沟槽。例如，沟槽一直延伸到结构化界面5。在制造期间，将沟槽填充有隔离材料，例如诸如二氧化硅的氧化物，该隔离材料的特征在于折射率小于半导体主体2的材料的折射率。借助于所述填充后的沟槽来实现的隔离通常被称为深沟槽隔离(DTI)。

这种前侧照明像素架构的优点是，与图1所示的实施例相比，滤光元件8可以布置在与第一表面3相距明显更小的距离处。然而，背照式像素可以具有其它优点，例如更直接的制造工艺、更小的整体像素结构、用于像素顶部上的互连的更少布线约束和/或更小的材料清单。

图3示出了根据本改进概念的像素1的另一实施例。所示实施例基于图2中描述的实施例，并且还包括布置在滤光元件8与第一表面3之间的间隙中的金属反射器9。金属反射器9可以是单个金属反射器或包括多个元件。金属反射器9被布置成使得像素1的周缘的至少一部分被金属反射器9包围。在这种情况下，该周缘由第一表面3借助于隔离层6的界定来限定。

图4示出了根据本改进概念的像素1的另一实施例。所示实施例基于图2中描述的实施例，并且还包括布置在第一表面3与滤光元件8之间的间隙中的波导结构12。该波导结构例如包括具有第一折射率的材料的覆层12a和具有大于第一折射率的第二折射率的材料的芯12b。与图3所示实施例的金属反射器9一样，覆层12a被布置成使得像素1的周缘的至少一部分(如果不是全部)被覆层12a包围。

图5和图6示出了根据本改进概念的像素1的其它实施例。这两个实施例都基于图2中描述的实施例，并且示出了沿着半导体主体2的垂直于第一表面3的一侧来仅部分地延伸的隔离层6。在图5中，隔离层6被示出为从第一表面3朝向与第一表面3相对的一侧来延伸一预定长度。与此类似，图6示出了隔离层6从与第一表面3相对的一侧朝向第一表面3来延伸一预定长度的情况。在该情况下，隔离层6可以分别被称为部分前侧DTI或部分后侧DTI，并且可以足以实现所需的光捕获增强，并且因此增强量子效率，同时保持制造工艺简单且高效。

如图1至图4的实施例中所示的结构化界面5、隔离层6和滤光元件8的组合为本公开的工作原理奠定了基础，其中目标波长的入射光理想地被俘获在像素体积内，直到其被诸如光电二极管4的光敏元件的光捕获区域4a吸收。相对于形状、材料和尺寸来适当地设计上述元件确保了高效地检测目标波长的入射光，同时拒绝了不期望波长的光。这导致像素1的量子效率明显增加，并且因此导致包括根据本改进概念的多个像素的图像传感器的量子效率明显增加，如在整个描述中所详述的。

附图标记说明

1像素

2半导体主体

3第一表面

4光电二极管

4a光捕获区域

4b钉扎层

5结构化界面

5a散射层

6隔离层

7侧表面

8滤光元件

9金属反射器

10感测节点

11传输门

12波导结构

12a覆层

12b芯

α入射角度

αc临界角

θ截止角