前照式图像传感器

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。

目前的图像传感器多是采用背照式CMOS结构。背照式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。

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；所述感光单元包括不同颜色感光层，一个颜色感光层电连接一个所述电荷存储区；

滤色单元，位于所述感光单元远离所述基底的一侧；所述滤色单元包括不同颜色滤色层，一个颜色滤色层对应所述一个颜色感光层；以及

透镜结构，位于所述滤色单元远离所述基底的一侧。

可选地，所述感光单元包括红光感光层、绿光感光层以及蓝光感光层，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。

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，所述金属互连层中具有导电插塞，所述导电插塞的第一端连接所述一个颜色感光层，第二端电连接所述电荷存储区。

可选地，所述导电插塞的第一端连接于所述一个颜色感光层的侧壁。

可选地，所述不同颜色感光层之间具有第一遮光结构，和/或所述不同颜色滤色层之间具有第二遮光结构。

可选地，所述第一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，和/或所述第二遮光结构为黑矩阵。

可选地，所述不同颜色感光层之间具有第一遮光结构，所述第一遮光结构还位于所述不同颜色滤色层之间。

可选地，所述第一遮光结构的材料为金属钼、金属钼的合金、金属铝、金属铝的合金或为黑矩阵。

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，滤色单元位于感光单元远离基底的一侧，透镜结构位于滤色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、一个颜色感光层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。

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11a绿光感光层11b

蓝光感光层11c滤色单元12

红光滤色层12a绿光滤色层12b

蓝光滤色层11c透镜结构13

第一遮光结构111第二遮光结构121

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包括不同颜色感光层，一个颜色感光层电连接一个电荷存储区101；

滤色单元12，位于感光单元11远离基底10的一侧；滤色单元12包括 不同颜色滤色层，一个颜色滤色层对应一个颜色感光层；以及

透镜结构13，位于滤色单元12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。

感光单元11包括红光感光层11a、绿光感光层11b以及蓝光感光层11c，红光感光层11a、绿光感光层11b以及蓝光感光层11c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。

红光感光层11a的In的组分可以大于绿光感光层11b的In的组分，绿光感光层11b的In的组分可以大于蓝光感光层11c的In的组分。

本实施例中，参照图1所示，感光单元11形成在基底10的上方。红光感光层11a、绿光感光层11b以及蓝光感光层11c在外延生长前，可以在基底10上形成掩膜层。一个可选方案中，先在掩膜层内形成多个第一开口，对应各个感光单元11的红光感光层11a；在各个第一开口内外延生长红光感光层11a。再在掩膜层内形成多个第二开口，对应各个感光单元11的绿光感光层11b；在各个第二开口内外延生长绿光感光层11b。之后在掩膜层内形成多个第三开口，对应各个感光单元11的蓝光感光层11c；在各个第三开口内外延生长蓝光感光层11c。第一开口、第二开口以及第三开口的大小可以控制，例如可以大小都相同。分别外延生长红光感光层11a、绿光感光层11b以及蓝光感光层11c时，可通过控制工艺条件不同，使得In元素的组分各不相同。

另一个可选方案中，掩膜层具有对应一个感光单元11的三个开口，红光感光层11a、绿光感光层11b以及蓝光感光层11c分别对应一个开口。其中，对应红光感光层11a的开口小于对应绿光感光层11b的开口，对应绿光感光层11b的开口小于对应蓝光感光层11c的开口。开口的大小不同，生长感光层时 各开口内的反应气体的流速不同，从而In元素与Ga元素的掺入速率不同，即In元素的掺入效率不同，这使得生长的感光层中In元素的组分占比不同。具体地，开口越小，开口内感光层的基础材料GaN的生长速度会变快，In元素的掺杂具有更好的选择性，In元素的掺入速率越大于Ga元素的掺入速率，因此，开口越小，感光层InGaN中In元素的组分越高。

红光感光层11a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11b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11c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。

需要说明的是，红光感光层11a中In的组分是指：In的物质的量占红光感光层11a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11a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11a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11b中In的组分是指：In的物质的量占绿光感光层11b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11c中In的组分是指：In的物质的量占蓝光感光层11c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。

由于红光感光层11a上方设置有红光滤色层12a、绿光感光层11b上方设置有绿光滤色层12b，蓝光感光层11c上方设置有蓝光滤色层11c，因而，若蓝光照射，仅蓝光感光层11c能产生感光电信号。若绿光照射，仅绿光感光 层11b能产生感光电信号。若红光照射，仅红光感光层11a能产生感光电信号。

本实施例中，红光感光层11a、和/或绿光感光层11b、和/或蓝光感光层11c为单层结构。其它实施例中，红光感光层11a、和/或绿光感光层11b、和/或蓝光感光层11c也可以为叠层结构，例如为多量子阱层，包括两层势垒层以及夹设于两层势垒层中的势阱层。

本实施例中，对应地，滤色单元12包括红光滤色层12a、绿光滤色层12b以及蓝光滤色层11c。

透镜结构13包括多个透镜，每个颜色的滤色层上方设置一透镜。

此外，本实施例中，不同颜色感光层之间具有第一遮光结构111，不同颜色滤色层之间具有第二遮光结构121。在基底10上外延生长红光感光层11a、绿光感光层11b以及蓝光感光层11c之前，可以先在基底10上方形成多个第一遮光结构111。

第一遮光结构111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，第二遮光结构121可以为黑矩阵。为防止相邻感光层串扰，第一遮光结构111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、一个颜色感光层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。

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的第一端连接一个颜色感光层，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颜色感光层的底壁。

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的第一端连接在一个颜色感光层的侧壁。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层侧壁靠近第一遮光结 构111。

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、图2与图1所示，本实施例四的前照式图像传感器4与实施例一、二、三的前照式图像传感器1、2、3大致相同，区别仅在于：第一遮光结构111还位于不同颜色滤色层之间。

第一遮光结构111的材料为金属钼、金属钼的合金、金属铝、金属铝的合金或为黑矩阵。

在基底10上外延生长红光感光层11a、绿光感光层11b以及蓝光感光层11c之前，第一遮光结构111的高度可以较高。此时，可省略第二遮光结构121的制作。

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。