图像传感器的制造方法
【专利摘要】本公开涉及图像传感器。要解决的一个问题是提供改进的图像传感器。图像传感器包括：光电二极管，光电二极管至少部分地被设置在半导体层内；以及与光电二极管耦合的光吸收层，光吸收层被构造成吸收预定波长段内的入射光，以实质上阻止入射光穿过所述光吸收层到达所述光电二极管；其中光吸收层被构造成响应于吸收所述入射光，加热所述光电二极管的耗尽区，从而在耗尽区中产生电子/空穴对；并且其中图像传感器还包括：与半导体层耦合的至少一个电介质层，以及至少部分地耦合在至少一个电介质层内的电气配线，电气配线将所述光电二极管与图像传感器的至少一个其他元件电气耦合。利用本实用新型可以实现改进的图像传感器。
【专利说明】
图像传感器
技术领域
[0001]本文档的诸方面整体涉及图像传感器。更具体的实施方式涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
【背景技术】
[0002]图像传感器通过响应于入射电磁辐射来传送信号，从而传输与图像有关的信息。图像传感器用于各种各样设备，包括智能电话、数码相机、夜视设备、医用成像器以及其他许多设备。本领域中存在利用电荷耦合器件(CCD)和CMOS架构的半导体成像器。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型要解决的一个问题是提供改进的图像传感器。
[0004]根据本实用新型的一个方面，提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括:光电二极管，所述光电二极管至少部分地被设置在半导体层内；以及与所述光电二极管耦合的光吸收层，所述光吸收层被构造成吸收预定波长内的入射光，以实质上阻止所述入射光穿过所述光吸收层到达所述光电二极管；其中所述光吸收层被构造成响应于吸收所述入射光，加热所述光电二极管的耗尽区，从而在所述耗尽区中产生电子/空穴对;并且其中所述图像传感器还包括:与所述半导体层耦合的至少一个电介质层，以及至少部分地耦合在所述至少一个电介质层内的电气配线，所述电气配线将所述光电二极管与所述图像传感器的至少一个其他元件电气親合。
[0005]在一个实施例中，所述图像传感器还包括耦合在所述入射光与所述光吸收层之间的抗反涂层(ARC)。
[0006]在一个实施例中，其中所述光吸收层被设置在所述半导体层的背面处，并且其中所述至少一个电介质层包括耦合在所述半导体层正面处的正面电介质层，所述半导体层的所述正面与所述半导体层的所述背面相背对。
[0007]在一个实施例中，其中所述光吸收层被设置在所述半导体层的背面处，聚焦元件被设置在靠近与所述半导体层的所述背面相背对的所述半导体层正面，并且其中所述聚焦元件被构造成使已经穿过所述半导体层的所述入射光返回穿过所述半导体层朝所述半导体层的所述背面聚焦。
[0008]在一个实施例中，其中所述光吸收层被设置在所述半导体层的背面处，其中所述至少一个电介质层包括正面电介质层和背面电介质层，其中所述背面电介质层位于所述半导体层的背面处;其中聚焦元件被设置在靠近所述背面电介质层，并且被构造成使穿过所述背面电介质层的所述入射光朝所述光吸收层聚焦;其中所述正面电介质层被设置在与所述半导体层的所述背面相背对的所述半导体层正面处;并且其中所述图像传感器的所述电气配线至少部分地被设置在所述正面电介质层内。
[0009]在一个实施例中，其中所述光吸收层被设置在所述半导体层的正面处;所述至少一个电介质层包括耦合在所述半导体层的所述正面处的正面电介质层;靠近所述正面电介质层设置的聚焦元件，所述聚焦元件被构造成使穿过所述正面电介质层的所述入射光朝所述光吸收层聚焦;并且所述图像传感器的所述电气配线至少部分地被设置在所述正面电介质层内。
[0010]在一个实施例中，其中所述光吸收层包括选自由以下项所构成的组中的一种材14:Co；CoSi2；Mo；MoSi2；Ni；NiSi；Ni2Si；NiSi2 ； Pd；PdSi；Pd2Si；Pt；PtSi；Ta；TaSi2;Ti；
及它们的任意组合。
[0011]在一个实施例中，其中所述光吸收层被定位在所述半导体层中的两个沟槽之间，每个所述沟槽至少部分地延伸穿过所述半导体层。
[0012]在一个实施例中，其中所述图像传感器对于0.7微米至20微米的波长范围内的光子具有高于50%的量子效率(QE)。
[0013]根据本实用新型的又一方面，提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括:互补金属氧化物半导体(CMOS)器件，所述CMOS器件包括半导体层，所述半导体层包括多个光电二极管，每个所述光电二极管包括具有耗尽区的像素；以及多个光吸收层，每个所述光吸收层与所述半导体层的像素中的一个耦合，每个所述光吸收层被构造成吸收入射光，并且实质上阻止所述入射光进入所述光电二极管中的一个;其中每个所述光吸收层被构造成响应于吸收所述入射光，将所述光电二极管中的一个的所述耗尽区加热，并且由此通过仅增加温度，在所述耗尽区中产生电子/空穴对。
[0014]本实用新型的一个有益效果是提供了改进的图像传感器。
[0015]从【具体实施方式】和附图并且从权利要求书，以上以及其他方面、特征和优点将对本领域的普通技术人员显而易见。
【附图说明】
[0016]在下文中，将会结合附图来描述具体实施，其中相似的标号指示相似元件，并且:
[0017]图1为图像传感器的一个具体实施的剖视图；
[0018]图2为图1的图像传感器以及图像传感器的另一个具体实施的剖视图；
[0019]图3为图2的图像传感器的剖视图，其中代表性地示出入射和折射的红外(IR)光波；
[0020]图4为图3的图像传感器的剖视图，其中代表性地示出图像传感器的温度分布；
[0021]图5为绘出TaSi2和C-Si的复折射率虚部光谱与波长之间关系的曲线图；
[0022]图6为绘出多种材料的虚折射率光谱与波长之间关系的曲线图；
[0023]图7为图像传感器的具体实施的剖视图；
[0024]图8为图像传感器的具体实施的剖视图；
[0025]图9为图像传感器的具体实施的剖视图；
[0026]图10为图像传感器的具体实施的剖视图；
[0027]图1IA为没有光吸收层(左侧，两个浅沟槽之间)的图像传感器紧挨着有光吸收层(右侧，两个深沟槽之间)的图像传感器的剖视图，示出入射和折射光；
[0028]图1lB为有光吸收层(左侧，两个浅沟槽之间)的图像传感器紧挨着有光吸收层(右侧，两个深沟槽之间)的图像传感器的剖视图，示出入射和折射光；
[0029]图12A为图1lA的图像传感器在经过规定量的时间之后的剖视图；
[0030]图12B为图1IB的图像传感器在经过规定量的时间之后的剖视图；
[0031]图13A为图12A的图像传感器在经过规定量的时间之后的剖视图；
[0032]图13B为图12B的图像传感器在经过规定量的时间之后的剖视图；
[0033]图14A为图13A的图像传感器在经过规定量的时间之后的剖视图；
[0034]图14B为图13B的图像传感器在经过规定量的时间之后的剖视图；
[0035]图15A为图14A的图像传感器在经过规定量的时间之后的剖视图；
[0036]图15B为图14B的图像传感器在经过规定量的时间之后的剖视图；
[0037]图16A为图15A的图像传感器在经过规定量的时间之后的剖视图；
[0038]图16B为图15B的图像传感器在经过规定量的时间之后的剖视图；
[0039]图17A为图16A的图像传感器在经过规定量的时间之后的剖视图；
[0040]图17B为图16B的图像传感器在经过规定量的时间之后的剖视图；
[0041]图18为使用传统无光吸收层的图像传感器生成的印刷电路板(PCB)的暗信号(暗电流)图像的顶视图；
[0042]图19为使用传统无光吸收层的图像传感器生成的印刷电路板(PCB)的另一暗信号(暗电流)图像的顶视图；以及
[0043]图20为使用传统无光吸收层的图像传感器生成的印刷电路板(PCB)的另一暗信号(暗电流)图像的顶视图。
【具体实施方式】
[0044]本公开、本公开的诸方面以及具体实施不限于本文所公开的特定部件、组装过程或方法要素。本领域已知的符合预期图像传感器和相关方法的许多另外的部件、组装过程和/或方法要素将显而易见地与本公开的【具体实施方式】一起使用。因此，例如，虽然已公开了【具体实施方式】，但是此类实施方式以及实施部件可以包括本领域针对此类图像传感器和相关方法以及实施部件和方法已知的符合预期操作和方法的任何形状、大小、样式、类型、模型、版本、测量、浓度、材料、数量、方法要素、步骤等等。
[0045]如本文所用，术语“图像传感器”既可指仅仅与单独像素相关联的传感器，也可知与多个像素(诸如像素阵列)相关联的传感器。如本文所用，术语“背面”是指元件的与制造期间的晶片背面对应(或者说是位于、或面对晶片背面)的那侧(或者说是表面)。如本文所用，术语“正面”是指元件的与制造期间的晶片正面对应(或者说是位于、或面对晶片正面)的那侧(或者说是表面)。
[0046]现在参见图1-2，在各种具体实施中，图像传感器(传感器)2被形成为背面集成(BSI)传感器6，或者换句话说，其在制造期间邻近晶片背面形成。图像传感器2包括一个与单个像素10相关联的光电二极管8。沟槽42用于实现隔离，在这种情况下，主要用于隔热，如本文所论述。浅沟槽44是与图2中示出的最左侧图像传感器2—起使用，深沟槽46是与图2中示出的最右侧图像传感器52—起示出。
[0047]在图1至图2中，半导体层34被置于两个电介质层28之间。电介质层可为金属间电介质(MD)或层间电介质层(ILD)。在这个代表性的示例中，半导体层是硅层，电介质层是二氧化硅(S12)层。附图中示出的示例中的沟槽也由S12形成。电介质层中的一个是与制造期间晶片正面对应(或者说是位于正面)的正面电介质层32。另一个电介质层是与制造期间晶片背面对应(或者说是位于背面)的背面电介质层30。因此，半导体层具有背面表面36以及正面表面38，所述背面表面36面朝制造期间的晶片背面(或者说是位于背面、或在背面上)，所述正面表面38面朝制造期间的晶片正面(或者说是位于正面、或在正面上)。正面电介质层与半导体层的正面表面耦合，背面电介质层与半导体层的背面表面耦合。
[0048]虽然在代表性的示例中使用的是硅基半导体层和电介质层，但是在其他具体实施中，也可使用非硅基半导体层和/或电介质层。然而，本文所公开的图像传感器的元件可用于允许使用硅基半导体层形成红外(IR)传感器，这些硅基半导体层之中或其本身一般由于硅的带隙特性而不能够感测IR。然而，可利用各种图像传感器具体实施来检测可见光和人眼不可见光(即紫外线光等)以及可见光与人眼不可见光的任何组合。
[0049]在图2中，示出两个像素10，即第一像素54和第二像素56。此类像素可自然地布置成行、阵列、或任何其他构造，以便实现具有根据任何期望构型来布置的多个像素的图像传感器。
[0050]每个光电二极管/像素与光电二极管耗尽区14相关联，或者包括光电二极管耗尽区14。光电二极管耗尽区14 一般位于与页面垂直的平面，并由所示虚线表示，在正面表面38上具有最大电压(诸如包括该图像传感器的半导体器件的引脚电压或V弓脚)。在页面平面中以所示另一虚线表示的光电二极管耗尽势12与每个像素相关联，其势皇被示为处于大约P阱区。当发生足以产生电子/空穴对的事件时，会产生电子流13和空穴流15，它们由所示箭头代表性地绘出，由此在分散的电子被像素的光电二极管耗尽场收集时，提供电流以产生与像素相关联的信号。
[0051 ]可包括透镜22和/或光导26来将光折射、聚焦和/或以其他方式朝向像素传输。具体实施中的透镜22是氮化硅(SiN)微透镜24。在其他具体实施中，光导26/透镜22可各自由(作为非限制性示例)S1、Ti02、SiC或任何其他高折射率且不吸光的材料制成，所述材料的热导率低于金属之类材料的热导率。光导26—般被容纳或安置在背面电介质层30内。包括了抗反涂层(ARC)40，所述抗反涂层减少从光导远离像素反射回去的光的百分比。抗反涂层(ARC) 18还放置在透镜22顶部，以减少在透镜表面处向上反射回去的光的量。在具体实施中，ARC 40是由二氧化硅(S12)形成。在其他具体实施中，ARC 40可由SiN、SiC、Ti02、多晶Si(多晶硅)、无定形Si(a-Si)或其他材料形成。在具体实施中，透镜可形成为凸块，并且ARC18可形成为凸块上的涂层。在透镜是凸块的具体实施中，透镜可由与光导相同的材料形成，并且这两者可由一个连续元件形成，其间无接触表面。
[0052]因此，目前所述的元件可用于感测在给定波长内的光。当进入透镜/光导中的光的波长被构造成因半导体材料的特征带隙而在半导体层中产生电子/空穴对时，将会产生电流，并且光将被感测到，或者换句话说，光可用于产生表示光的信号。根据半导体材料的带隙，一些波长的光可能无法产生信号。例如，因硅的特定带隙，一些或所有的红外(IR)波长一般将会穿过硅制成的半导体层而不产生这种信号。
[0053]在图像传感器2/52的具体实施中，光吸收层16被放置在背面表面36上，并与光导底部对应。在图1至图2中示出的示例中，光吸收层具有放置在其顶部上的ARC 40。光吸收层被构造成吸收预定波长的光。在附图中示出的代表性示例中，光吸收层被专门定制成吸收红外(IR)区域的光，但是在其他具体实施中，它也可被定制成吸收任何其他光谱区域的光，无论该光是否是人眼可见的。光吸收层是由被构造成吸收入射光的光子能量并将光子能量转换成热的材料形成。所产生的热随后产生/促经产生电子/空穴对，以提供用于提供信号并且由此感测光的电流。光吸收层吸收光并向其下方的像素结构产生热的这个过程可被称为将光吸收层与像素光-热耦合。
[0054]在具体实施中，光吸收层包括导电材料(导体)。在具体实施中，光吸收层包含以下材料中的一种或多种:(:0;(:0512;]?0;]/10512;祖；祖51;附231;祖512;?(1;?(151;?(1231;?扒？七51;Ta;TaSi2;Ti;TiSi2;W;WSi;WSi2;Zr;ZrSi2;多晶Si;Ge掺杂的单晶Si;Ge掺杂的硅上Ge膜;硅上GeSe膜;和/或它们的任何组合。也可使用其他许多材料来感测IR光，只要这些其他材料对较低频率的光具有高吸收率即可。在光吸收层是金属硅化物并且半导体层是硅基半导体(诸如单晶硅或多晶硅)的具体实施中，金属硅化物可充当金属与硅之间完美或几乎完美的电子振动热传递桥梁，并且可确保进入像素之中的快速(或者说是最快速的)局部传热率。在各种具体实施中，光吸收层可被称为包括一个或多个窄带半导体或导体，这些半导体或导体充当入射辐射的高效吸收体以及将所吸收的能量转换为局限于该层下方的热量的转换器。半导体层可被称为包含像素耗尽区的宽带半导体。像素耗尽区是具有内置耗尽场的区域，该内置耗尽场被构造成在光吸收层和半导体层的界面位置处将形成在给定像素的耗尽区边界内或其上的电子-空穴对分离。如本文所论述，光吸收层所产生的热量在像素耗尽区中生成电子-空穴对。
[0055]一种材料适合作为光吸收层材料发挥良好功能的能力，能够使用复折射率的虚部来预测，“k”值越高，相应的吸收率值越高。例如，图5示出曲线图64，该曲线图绘出TaSi2和单晶Si(C-Si)的相对于光谱波长的指数级k值。用于确定吸收率的公式为:吸收率= l-exp(_4π1?1/λ);其中d =厚度，λ =波长，k =折射率的虚部。
[0056]从图5可以看出，非常薄的TaSi2中的100%吸收率出现在非常广的光谱范围内，比单晶硅宽约10倍至100倍。这预测了可由一个或多个宽波段IR敏感像素来形成用于宽波段IR感测的图像传感器，所述宽波段IR敏感像素使用薄TaSi2层作为光吸收层。这可以形成为BSI传感器。图6示出曲线图66，该曲线图绘出几种金属、金属硅化物(S卩，TaSi2、CoSi2、103丨2、附3丨、祖23^、10、(:0和11)和单晶3丨(^丨)的相对于光波长的指数级1^值。所绘出的每种金属和硅化物呈现的指数级吸收系数，比单晶Si中的指数级吸收系数至少高出约100至1000倍，并且将会允许检测光子的光谱范围比单晶Si宽得多(至少大100倍)。吸收系数的差异表明在光谱低频部分存在显著优势的导体能态密度(DOS)导致了快速有效的热传递(因此等同于像素中的极快速的局部加热效应)Λ值与DOS正相关，并且通常在光谱学中用来估计DOS。
[0057]因此，具体实施中的光吸收层可包括位于互补金属氧化物半导体(CMOS)或CCD图像传感器像素的背面集成(BSI)侧上的高吸收率、非反射(或者说是低反射)薄层导体，以产生半导体材料(诸如Si)的快速局部加热效应，从而在像素/光电二极管耗尽区中生成更多电子/空穴。将光吸收层在像素光电二极管耗尽区上方、附近或其内侧向展开(和/或使光吸收层相对于像素居中)使热局部化，以便增加在光吸收层与半导体层的界面处或附近生成的电子/空穴对。使用光电二极管耗尽场12来使生成的电子/空穴对分离并收集信号电子。
[0058]所吸收的光子产生的能量非常快速地被转换成不均衡的像素局部化热量。这种吸收/转换可能在几皮秒内发生，这比在Si中经由光子来进行的侧向热耗散(约1至15THz)快得多。图18至图20示出实验观察结果，其中甚至更缓慢的电阻加热速率(GHz量级)从传统图像传感器像素阵列的印刷电路板生成侧向良好限定的信号(作为“暗电流”或“暗信号”图像)。因此，传统的图像传感器中呈现的“暗电流”或“暗信号”被无意中捕获，但是对于本文所公开的图像传感器2，52，此类暗电流将通过光吸收层中低于Si带隙光子的吸收而有意捕获。因此，利用光吸收层的图像传感器允许长波长的光成像，即使这些波长在Si带隙外部。在吸收频率为约30至500THZ的(波长为10至0.6微米)的IR光子后，像素中增加的局部加热将会导致生成比与传统图像传感器有关的前述过程多的电子-空穴对。
[0059]图18示出传统图像传感器的印刷电路板(PCB)112，该PCB具有金属配线114，该金属配线从电阻加热释放“暗信号”，该暗信号被图像传感器捕获。图19至图20示出另一个传统图像传感器的印刷电路板(PCB)116，该图像传感器具有由钨形成的接触球118，该接触球释放“暗信号”，被传统图像传感器捕获。如图像上所示的那样，图19是低光捕获(即，对图像传感器进行低照射)，图20是无光捕获(S卩，不对图像传感器进行照射)。在这些情况中的每个情况下，暗信号是因图像传感器的元件(或者说是图像传感器的PCB或者与该图像传感器耦合的PCB)的电阻加热而生成。因此，图18中的金属配线的电阻加热以及图19至图20中的接触球的电阻加热产生了在图像中示出的暗信号。图18是利用前照式传感器捕获的。图19至图20是在70摄氏度下获得，并且显示出接触球之间的不均匀性。在BSI图像传感器阵列中从电阻加热TiN插头也捕获了这样的暗信号。
[0060]在以上图18至图20的情况下，暗信号是由导体/半导体(S卩，导体/Si)界面上的电阻加热导体所产生的。在这些情况下，比单晶硅的最大波长(约1.2微米)更长的波长被检测为暗信号。图18是通过对PCB配线进行电阻加热或通过长波长吸收来产生暗信号的传统正面图像传感器。在具体实施中，图像传感器2，52以及本文所公开的其他图像传感器可被构造成检测PCB或与图像传感器耦合的其他元件的暗信号以及自动对它们进行校正，这些暗信号在使用期间产生“恒定的”暗图像(噪声)。
[0061]在图像传感器2，52以及本文所公开的其他图像传感器中，放置在BSICMOS图像传感器像素中的半导体层(诸如Si)的BSI侧上的光吸收层增强并且扩展了光传感器越过Si带隙来感测约0.7微米至20微米光谱范围中的长光波长的感测能力。
[0062]在图1至图2中示出的具体实施中，图像传感器2/52是互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器120，但是也可使用其他类型的器件形成图像传感器2/52，诸如电荷耦合器件(CCD)传感器。当使用CMOS传感器120时，该器件就变为使用局部光子加热效应的增强IR敏感BSI CMOS图像传感器。
[0063]图3是使用加拿大温哥华Lumerical Solut1ns，Inc.以商品名FDTD SOLUT1NS销售的纳米光电建模软件产生的图像。该模型中使用的变量被优化以实现高于60%的理论量子效率(QE)，并且除其他外，包括以下参数(也可在图像传感器的实际具体实施中使用):图像传感器是BSI传感器;入射光是1500纳米(nm)波长平面波光;透镜22具有1860nm的曲率半径和640nm的高度，并且由SiN制成;ARC 18是S12ARC 20，并且为200nm厚；半导体层34为2微米厚的硅;像素宽度/直径为3微米;光吸收层为160nm厚的TaSi2层;光导是由SiN形成，具有1500nm的入口直径DiN、260nm的出口直径Dqut以及3280nm的从Din至Dqut的长度；背面电介质层上方的区域/体积为空气;ARC 40为IlOnmX 1800nm的SiC层(n = 2.6;k = 0);背面电介质层为或约为3至4微米厚，并且由S12形成;正面电介质层为或约为4微米厚，并且由S12形成;而且浅沟槽和深沟槽由S12形成。
[0064]并非所有图2的元件都具体标示在图3中，但是读者可预想出在两个图像重叠在一起的情况下，各种元件将定位在何处。标明了背面电介质层30、半导体层34和正面电介质层32，并且大致指出了图像传感器2和52的位置，而且它们的位置从光分布以及前面的图2明显可见，在图2中各对应元件具有相同构造。如从建模软件产生的图3中的图像可以看出，入射光58(在这种情况下，为红外(IR)光60)朝两个图像传感器(即图像传感器2和图像传感器52)照射，这两个图像传感器均为背面图像传感器6，但图像传感器2具有浅沟槽构造，而图像传感器52具有深沟槽构造，如本文所论述。该模型表明了撞击SiC/TaSi2界面之前的高强度1500nm波长入射光。
[0065]光学模拟不出1500nm光的强度分布。对于左侧的图像传感器2，1500nm光均不穿过TaSi2层，并且这导致了62%的像素量子效率(QE)，假定100%的吸收光子能量在TaSi2光吸收层16内被转换成不均衡热量。该模型还表明，1500nm的光在娃半导体层中很少被吸收或不被吸收，因为光强度看起来在红外光进入并穿过硅层的区域中保持不变。右侧的图像传感器52看起来表现出相似的特性。虽然图像传感器52采用的是深沟槽构造而图像传感器2采用的是浅沟槽构造，但是两个图像传感器2和52看起来表现得大致相同。对于图像传感器52而言，阻挡1500nm光的区域略大或可忽略不计地更大，但一般而言，隔离选择看起来不影响1500nm的光学特性。
[0066]以上模型表明，包括本文所述的元件的图像传感器可实现在包括0.7微米至20微米波长(超过Si带隙)的极宽光谱范围中的红外光子的极高敏感度(在50 %量子效率(QE)以上)。
[0067]图4示出利用马萨诸塞州伯灵顿市科姆素尔公司(C0MS0L，Inc.0f Burlington,Massachusetts)以商品名COMSOL MULTIPHYSICS销售的建模软件并使用与以上相对于FDTDSOLUT1NS模型所描述的那些相同的参数来创建的图像。该图像示出入射的1500nm光波被光吸收层吸收后20纳秒时的温度分布。热量刻度示出为62，范围从24摄氏度(暗端)至40摄氏度(亮端)，并且因此，图3中的对应颜色指示温度分布。可以看出，侧向热量耗散相对缓慢。对于具有浅沟槽隔离(以受热区域48示出)的左侧光传感器和具有深沟槽隔离(以受热区域50示出)的右侧光传感器两者而言，热量在20ns处被彻底局部化。在两种情况下，热量大致都被限制于像素区域。然而，右侧具有深沟槽隔离的光传感器示出热量被实质上改进地限制于像素有效区域内，从而使其温度增高并改进其量子效率(QE)。这个模型假定所吸收的1500nm光子能量100 %被转化成像素内的非均衡局部化热量。根据该模型，1500nm下的像素量子效率(QE)为62%。
[0068]图1lA至图17B示出使用如上所讨论的相同变量的模型化时间推移图像，这些图像示出1500nm光脉冲的吸收、反射、折射和穿过。图11A、图12A、图13A、图14A、图15A、图16A和图17A示出两种型式，其中左侧图像传感器4不包括光吸收层并且包括浅沟槽隔离、而右侧图像包括光吸收层并且包括深沟槽隔离。在图11B、图12B、图13B、图14B、图15B、图16B和图17B中，除左侧图像传感器包括光吸收层之外，变量极为类似。
[0069]在图1lA和图1lB中，入射光58，在这个模型中为1500nm的红外(IR)光60，已经开始穿过光导侧面上的背面电介质层，并且将被透镜和光导折射(聚焦)。在图12A和图12B中，光被进一步示为穿过背面电介质层以及被光导进一步折射/聚焦。在图13A和图13B中，可看到光导侧面上的光部分地穿过半导体层并且部分地被反射，而在每种情况下，可看到光导内的光被进一步折射/聚焦并且被光吸收层完全吸收，对于其中看到光笔直穿过光导进入半导体层中的图像传感器4而言则是例外。其余的图14A至图17B大致继续描述这种例外，其中光被示为笔直穿过图像传感器4并且进入半导体层中，穿过半导体层到达正面电介质层等。每层上可看到一些折射。
[0070]因此，图1lA至图17B的模型化图像大致示出按照图3的连续照射模型预期将发生的情况，即，入射的1500nm光脉冲均未穿过光吸收层，但是不具有光吸收层的图像传感器4允许光笔直穿过其中并且进入半导体层中，然后离开半导体层进入正面电介质层中。因此，与传统硅基图像传感器的大致情况一样，图像传感器4不“感测”红外光脉冲。
[0071]图7示出图像传感器(传感器)68，该图像传感器包括一对光电二极管70，每个光电二极管包括具有耗尽区74的像素72。第一像素76具有第一耗尽区(PD区)78，第二像素80具有第二耗尽区(H)区)82。可看到光吸收层介于背面表面36与ARC 40之间。转移栅极84将分离电子与电气配线86电气耦合，该电气配线86至少部分地在作为正面电介质层的所示电介质层28内。在这种型式中，未示出背面电介质层。可不包括背面电介质层，但可以想象，在具体实施中，可存在部分地包封ARC 40的侧面(至少ARC的顶侧除外)的背面电介质层。电气配线86可将光电二极管电气耦合到图像传感器的另一元件，诸如放大器、处理器、存储元件等等。另外或作为选择，电气配线可将光电二极管与图像传感器外侧(或者外部)的任何元件(诸如放大器、处理器、存储元件等)耦合。
[0072]值得注意的是，图7的一个或多个图像传感器并不包括任何透镜或光导，但是光吸收层直接位于半导体层之上，并且ARC 40直接位于光吸收层顶部。因此，这种型式并不包括任何聚焦元件或光导元件。这种架构可用于BSI图像CCD和CMOS传感器，并且可不需要聚焦元件，特别是对长于最大c-Si检测波长(S卩，大于约1.2微米)的情况。
[0073]图8示出图像传感器88，除了在正面电介质层内包括聚焦元件90之外，该图像传感器其他方面与图像传感器68相同。聚焦元件90是反射器92，并且入射光58由此反射的光波94被示出为指向一个或多个光吸收层。因此，该图像传感器包括正面反射聚焦元件，该元件将入射光朝BSI侧上的光吸收层聚焦。在具体实施中，聚焦元件90是金属反射器或多层电介质反射器。
[0074]图9示出图像传感器96，除了包括背面电介质层30和作为透镜100的聚焦元件98之夕卜，该图像传感器其他方面类似于图像传感器68。透镜100可以是微透镜102，该微透镜可仅仅是以电介质材料制成的凸块106并且可具有置于其上的抗反涂层104。该凸块可由与背面电介质层相同的材料形成，并且可具有大于I的折射率。在具体实施中，可以省略抗反涂层。折射光108被示出为指向吸收该折射光的光吸收材料。
[0075]除了作为正面器件之外，图10的图像传感器110其他方面与图像传感器96相同，其中光吸收材料位于半导体层的正面表面38上，并且转移栅极84和电气配线86位于正面电介质层32内。该图像传感器尤其可以是其中使用更大像素的选择方案。在此类具体实施中，该架构可被设计以避免用入射光为金属配线照明。
[0076]使用本文中公开的部件来实施的图像传感器的一些具体实施可以允许在极广范围内(高达大于20微米的远红外(IR)范围内很长的波长)进行光谱收集。为了在任何特定光谱范围内实现最佳条件，对光吸收层材料及其厚度的选择，以及对抗反涂层、透镜、光导、半导体层、电介质层等的材料和大小的选择可以变化和/或开发，并且也可对工艺流程进行相关改变。
[0077]在图像传感器的一些具体实施中，因光吸收层本身受热可从光吸收层释放一些光子，但是光子的量相对于入射光而言可能很少或者可忽略不计。
[0078]在一个具体实施中，一种图像传感器包括:一个半导体层和一个光吸收层，光吸收层在图像传感器的一个像素处与半导体层耦合，其中光吸收层吸收入射光并且实质上阻止入射光进入半导体层。光吸收层响应于吸收入射光，将半导体层的一个区域(受热区域)加热，由此在受热区域中产生电子/空穴对。
[0079]在一个具体实施中，光吸收层包括选自以下项中的一种材料:Co；CoSi2；Mo；MoSi2；Ni；NiSi；Ni2Si；NiSi2 ； Pd ； PdSi；Pd2Si ； Pt；PtSi；Ta；TaSi2;Ti；TiSi2；ff；WSi；WSi2;Zr；ZrSi2;多晶Si ;Ge掺杂的单晶Si ;Ge掺杂的硅上Ge膜;娃上GeSe膜;或者它们的任意组合。
[0080]在一个具体实施中，图像传感器包括微透镜，并且光吸收层被耦合在微透镜与半导体层之间，其中微透镜将入射光朝光吸收层折射。
[0081]在一个具体实施中，光导被耦合在微透镜与光吸收层之间，并且将折射光传输到光吸收层。
[0082]在一个具体实施中，图像传感器包括背面集成(BSI)传感器。
[0083]在一个具体实施中，光吸收层被定位在半导体层中的两个浅沟槽之间，其中每个浅沟槽仅从半导体层的背面部分地穿过半导体层朝半导体层的正面延伸。
[0084]在一个具体实施中，该图像传感器包括被耦合在入射光与光吸收层之间的抗反涂层(ARC)。
[0085]在一个具体实施中，该图像传感器对于0.7微米至20微米的波长范围内的光子而言具有高于50%的量子效率(QE)。
[0086]图像传感器的具体实施可包括:半导体层，以及光吸收层，所述光吸收层在所述图像传感器的像素处与所述半导体层耦合，所述光吸收层被构造成吸收入射光，并且实质上阻止所述入射光进入所述半导体层;其中所述光吸收层被构造成响应于吸收所述入射光，将所述半导体层的某个区域(受热区域)加热，并且由此在受热区域中产生电子/空穴对。
[0087]图像传感器的具体实施可以包括以下之一、全部或任一者:
[0088]光吸收层可以包含选自以下项中的一种材料:Co; CoSi2; Mo; MoSi2; Ni; NiSi;Ni2Si ;NiSi2;Pd;PdSi ;Pd2Si;Pt;PtSi ;Ta; TaSi2 ;Ti;TiSi2 ;W;WSi; WSi2; Zr; ZrSi2;多晶 Si;Ge掺杂的单晶Si ;Ge掺杂的硅上Ge膜;硅上GeSe膜；以及它们的任何组合。
[0089]可包括微透镜，光吸收层被耦合在微透镜与半导体层之间，微透镜被构造成将入射IR光折射至朝向光吸收层。
[°09°]光导可被親合在微透镜与光吸收层之间，并且可被构造成将折射光传输到光吸收层。
[0091]图像传感器可为背面集成(BSI)传感器。
[0092]光吸收层可被定位在半导体层中的两个浅沟槽之间，每个浅沟槽仅部分地从半导体层背面穿过半导体层朝半导体层正面延伸。
[0093]光吸收层可被定位在半导体层中的两个深沟槽之间，每个深沟槽从半导体层背面完全穿过半导体层朝半导体层正面延伸。
[0094]抗反涂层(ARC)可被親合在入射光与光吸收层之间。
[0095]图像传感器对于0.7微米至20微米的波长范围内的光子而言可具有高于50%的量子效率(QE)。
[0096]图像传感器的具体实施可包括:光电二极管，所述光电二极管被至少部分地包括在半导体层内；以及光吸收层，所述光吸收层与所述光电二极管耦合，所述光吸收层被构造成吸收预定波长内的入射光，以实质上阻止所述入射光穿过所述光吸收层到达所述光电二极管；其中所述光吸收层被构造成响应于吸收所述入射光，将所述光电二极管的耗尽区加热，并且由此在所述耗尽区中产生电子/空穴对;并且其中所述图像传感器还包括:至少一个电介质层，所述至少一个电介质层与所述半导体层耦合；以及电气配线，所述电气配线被至少部分地耦合在所述至少一个电介质层内，将所述光电二极管与所述图像传感器的至少一个其他元件电气親合。
[0097]图像传感器的具体实施可以包括以下之一、全部或任一者:
[0098]抗反涂层(ARC)可被親合在入射光与光吸收层之间。
[0099]光吸收层可被定位于半导体层的背面上，并且其中至少一个电介质层可包括正面电介质层，所述正面电介质层被耦合在半导体层的与半导体层背面相背对的正面上。
[0100]光吸收层可被定位于半导体层的背面，聚焦元件可被定位于靠近半导体层的与半导体层背面相背对的正面，并且聚焦元件可被构造成使已经穿过半导体层的入射光重新穿过半导体层朝半导体层的背面聚焦。
[0101]光吸收层可被定位于半导体层的背面，至少一个电介质层可包括正面电介质层和背面电介质层，其中背面电介质层可被定位于半导体层的背面，聚焦元件可被定位于靠近背面电介质层并且可被构造成使入射光穿过背面电介质层朝向光吸收层聚焦，正面电介质层可被定位于半导体层的与半导体层背面相背对的正面，并且图像传感器的电气配线可至少部分地被包括在正面电介质层内。
[0102]光吸收层可被定位于半导体层的正面，至少一个电介质层可包括耦合在半导体层的正面上的正面电介质层，聚焦元件可被定位于靠近正面电介质层并且可被构造成使入射光穿过正面电介质层朝向光吸收层聚焦，并且图像传感器的电气配线可至少部分地被包括在正面电介质层内。
[0103]光吸收层可以包含选自以下项的中的一种材料:Co;CoSi2;Mo;MoSi2;Ni;NiSi;Ni2Si ;NiSi2;Pd;PdSi ;Pd2Si;Pt;PtSi ;Ta; TaSi2 ;Ti;TiSi2 ;W;WSi; WSi2; Zr; ZrSi2;多晶 Si;Ge掺杂的单晶Si ;Ge掺杂的硅上Ge膜;硅上GeSe膜；以及它们的任何组合。
[0104]光吸收层可被定位在半导体层中的两个沟槽之间，每个沟槽至少部分地延伸通过半导体层。
[0105]图像传感器对于0.7微米至20微米的波长范围内的光子而言可具有高于50%的量子效率(QE)。
[0106]图像传感器的具体实施可包括:互补金属氧化物半导体(CMOS)器件，所述CMOS器件具有半导体层，所述半导体层包括多个光电二极管，每个光电二极管具有像素，所述像素具有耗尽区；以及多个光吸收层，每个光吸收层与所述半导体层中的像素中的一个形成耦合，每个光吸收层被构造成吸收入射光，并且实质上阻止所述入射光进入所述光电二极管中的一个;其中每个光吸收层被构造成响应于吸收所述入射光，将所述光电二极管中的耗尽区加热，并且由此通过仅仅增加温度，在所述耗尽区中产生电子/空穴对。
[0107]图像传感器的具体实施可以包括以下之一、全部或任一者:
[0108]图像传感器对于0.7微米至20微米的波长范围内的光子而言可具有高于50%的量子效率(QE)。
[0109]在以上描述涉及图像传感器和相关方法以及实施部件、子部件、方法和子方法的具体实施的情况中，应当显而易见的是，在不背离具体实施精神的情况下，可以做出多种修改，并且这些具体实施、实施部件、子部件、方法和子方法可适用于其他图像传感器和相关方法。
【主权项】
1.一种图像传感器，其特征在于:所述图像传感器包括: 光电二极管，所述光电二极管至少部分地被设置在半导体层内；以及 与所述光电二极管耦合的光吸收层，所述光吸收层被构造成吸收预定波长内的入射光，以实质上阻止所述入射光穿过所述光吸收层到达所述光电二极管； 其中所述光吸收层被构造成响应于吸收所述入射光，加热所述光电二极管的耗尽区，从而在所述耗尽区中产生电子/空穴对;并且其中所述图像传感器还包括:与所述半导体层耦合的至少一个电介质层，以及至少部分地耦合在所述至少一个电介质层内的电气配线，所述电气配线将所述光电二极管与所述图像传感器的至少一个其他元件电气耦合。2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于:所述图像传感器还包括耦合在所述入射光与所述光吸收层之间的抗反涂层ARC。3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于:所述光吸收层被设置在所述半导体层的背面处，并且其中所述至少一个电介质层包括耦合在所述半导体层正面处的正面电介质层，所述半导体层的所述正面与所述半导体层的所述背面相背对。4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于:所述光吸收层被设置在所述半导体层的背面处，聚焦元件被设置在靠近与所述半导体层的所述背面相背对的所述半导体层正面，并且其中所述聚焦元件被构造成使已经穿过所述半导体层的所述入射光返回穿过所述半导体层朝所述半导体层的所述背面聚焦。5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于:所述光吸收层被设置在所述半导体层的背面处，其中所述至少一个电介质层包括正面电介质层和背面电介质层，其中所述背面电介质层位于所述半导体层的背面处;其中聚焦元件被设置在靠近所述背面电介质层，并且被构造成使穿过所述背面电介质层的所述入射光朝所述光吸收层聚焦;其中所述正面电介质层被设置在与所述半导体层的所述背面相背对的所述半导体层正面处;并且其中所述图像传感器的所述电气配线至少部分地被设置在所述正面电介质层内。6.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于:所述光吸收层被设置在所述半导体层的正面处;所述至少一个电介质层包括耦合在所述半导体层的所述正面处的正面电介质层;靠近所述正面电介质层设置的聚焦元件，所述聚焦元件被构造成使穿过所述正面电介质层的所述入射光朝所述光吸收层聚焦;并且所述图像传感器的所述电气配线至少部分地被设置在所述正面电介质层内。7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于:所述光吸收层包括选自由以下项所构成的组中的一种材料:Co ； CoSi25Mo ； MoSi2 ；Ni；NiSi；Ni2Si；NiSi2；Pd；PdSi；Pd2Si；Pt；PtSi；Ta；硅上GeSe膜以及它们的任意组合。8.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于:所述光吸收层被定位在所述半导体层中的两个沟槽之间，每个所述沟槽至少部分地延伸穿过所述半导体层。9.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于:所述图像传感器对于0.7微米至20微米的波长范围内的光子具有高于50%的量子效率QE。10.一种图像传感器，其特征在于:所述图像传感器包括: 互补金属氧化物半导体CMOS器件，所述CMOS器件包括半导体层，所述半导体层包括多个光电二极管，每个所述光电二极管包括具有耗尽区的像素；以及 多个光吸收层，每个所述光吸收层与所述半导体层的像素中的一个耦合，每个所述光吸收层被构造成吸收入射光，并且实质上阻止所述入射光进入所述光电二极管中的一个；其中每个所述光吸收层被构造成响应于吸收所述入射光，将所述光电二极管中的一个的所述耗尽区加热，并且由此通过仅增加温度，在所述耗尽区中产生电子/空穴对。
【文档编号】H01L27/146GK205692831SQ201620500828
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年5月27日 公开号201620500828.8, CN 201620500828, CN 205692831 U, CN 205692831U, CN-U-205692831, CN201620500828, CN201620500828.8, CN205692831 U, CN205692831U
【发明人】V·兰臣克夫, H·索雷麦尼
【申请人】半导体元件工业有限责任公司