图像传感器、电子装置及其制造方法与流程

本公开一般涉及半导体技术领域，更具体地，涉及图像传感器、电子装置及其制造方法。

背景技术

近年来，诸如视频相机或数字静态相机的固态图像传感器通常使用ccd图像传感器或cmos(互补金属氧化物半导体)图像传感器，其不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机、手机摄像头、摄像机和数码单反中，而且在汽车电子、监控、生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。

随着对像素大小的要求与日俱增，图像传感器中像素的数目正迅速增加，或者图像传感器的大小正迅速缩减。然而，随着像素数目的增加或大小的缩减，图像传感器中的相邻像素之间的间隔变小，从而产生了一个被称为高光溢出的新问题，即像素饱和之后电荷泄漏到相邻像素。溢出到相邻像素中的电荷会使得相邻像素输出不能体现其真实入射光量的电信号。

此外，为了在黑暗的地方获得更明亮的拍摄图像，除了红色(r)像素、绿色(g)像素和蓝色(b)像素之外，还设计了包括白色(w)像素的图像传感器装置。由于白光是由不同颜色(即，不同频率)的光混合而成，因此白光的光谱自然要比彩色光的光谱宽。在相同光照条件下，白色像素由于会接受到更多数量的光子，会比其他彩色像素更早饱和，而白色像素在饱和后所产生的电荷会溢出到相邻的像素中，因此像素之间发生了电荷泄漏。泄漏到周围彩色像素(即，r像素、g像素以及b像素)的电荷会不期望地使这些彩色像素着色，从而导致发生画面的失真。

因此，需要改善这种着色以及失真现象，并且抑制图像质量的下降。

技术实现要素：

为了解决现有技术中所存在的一个或多个缺陷，本公开提供一种本领域的新技术。

由于白光是由不同颜色(即，不同频率)的光混合而成，因此在包括rgbw像素的图像传感器中，白色(w)像素会接受更宽光谱范围内的光，因此在相同的光照条件下白色像素相较于其他彩色像素会接受更多的光子，从而产生更多的光生载流子，由此白像素会比其他彩色像素更早饱和。而白色像素在饱和后所产生的电荷会溢出到相邻彩色像素中，泄漏到相邻彩色像素的电荷会不期望地使该彩色像素着色，从而导致画面的失真。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种改进的图像传感器结构从而减少甚至避免白色像素传感器中所产生的电荷泄漏到相邻的彩色像素传感器。该改进的方向在于：在不减少白色像素传感器受光面积的情况下，减少白色像素传感器所产生的光生载流子的数量，从而降低光电转换效率；这样即使通过白色滤色器会有更多数量的光子入射到白色像素传感器上(与其他彩色像素传感器相比)，由于白色像素传感器的较低的光电转换效率，其产生的光生载流子会减少。由此，光生载流子不会因为过早饱和而泄漏到相邻彩色像素传感器，或者不会大量泄漏到相邻彩色像素传感器。

具体来说，通过使用宽带隙半导体材料(例如α-si等宽带隙半导体材料)作为白色像素传感器的光敏元件的衬底，使得白色像素传感器只吸收白光谱中频率较高的光子，从而在相同光照条件下与一般硅衬底的像素传感器相比产生更少的光生载流子。其他的彩色像素传感器的光敏元件使用比白像素传感器带隙更窄的衬底，例如一般的si半导体材料作为衬底。

值得说明的是，虽然本发明中提到了为了解决白色像素传感器的过早饱和的问题，针对白色像素传感器使用宽带隙材料；但是本发明不限于仅针对白色像素传感器使用宽带隙材料。在其他特殊的拍照环境中，如果某种颜色的像素传感器相较于其他颜色的像素传感器会提早饱和，可以针对该提早饱和的像素传感器使用宽带隙半导体材料，而对于其他颜色的像素传感器仍旧使用一般si半导体材料作为衬底，或者使用比上述宽带隙半导体材料的带隙更窄的半导体材料作为衬底。

在本发明的一个实施例中，提供了一种图像传感器的衬底，其特征在于所述衬底包括：第一衬底；以及第二衬底；其中所述第一衬底具有凹槽，所述第二衬底形成在所述第一衬底的所述凹槽中，所述第二衬底的带隙较所述第一衬底更宽。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种图像传感器，其特征在于所述图像传感器包括像素传感器阵列，所述像素传感器阵列包括多个第一像素传感器以及多个第二像素传感器；第一衬底，所述第一像素传感器布置在所述第一衬底中；第二衬底，所述第二像素传感器布置在所述第二衬底中；其中所述第一衬底具有凹槽，所述第二衬底形成在所述第一衬底的所述凹槽中，所述第二衬底的带隙较所述第一衬底更宽。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种制造图像传感器的衬底的方法，包括提供第一衬底；加工所述第一衬底以形成凹槽；以及在所述凹槽中形成第二衬底，所述第二衬底的带隙较第一衬底更宽。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种制造图像传感器的方法，包括提供第一衬底；加工所述第一衬底以形成凹槽；在所述凹槽中形成第二衬底，在所述第一衬底中形成第一像素传感器；以及在所述第二衬底中形成第二像素传感器，所述第二衬底的带隙较第一衬底更宽。

通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：

图1a示出了rgb(拜耳阵列)像素阵列；

图1b示出了除了rgb像素，还包括白(w)像素的像素阵列；

图2示出了白色像素和相邻彩色像素之间发生电荷溢出后的图像传感器的势能图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的图像传感器的截面图；

图4为带隙的示意图；

图5示出了制造根据本发明的一个实施例的图像传感器的流程图。

注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在本说明书中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，所公开的发明并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为本说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

图1a为拜耳阵列的像素阵列，其中g元素被放置在方格图案中，并且r像素和b元素交替设置在剩余部分的每一行中。在图1b中，w像素被添加到rgb像素中，这样在黑暗的环境中可以获得更明亮的拍摄图像。在包括w像素的这种像素阵列中(图1b)，由于作为高灵敏像素的w像素比其他像素更早饱和，所以电荷从w像素溢出到其他相邻像素，这样其他像素会产生失真现象。

图2为白像素传感器和相邻彩色像素传感器之间发生电荷溢出后的图像传感器的势能图。彩色像素传感器和白色像素传感器根据经过滤色器过滤的入射光量产生电荷，由于白色像素传感器会接收到更宽光谱的光，因此其接收到的光子数量要大于彩色像素传感器接收到的光子数量。因此，在同时面向入射光的情况下白色像素传感器会比彩色像素传感器更早饱和。在饱和之后，由于转移门此时还处于关闭状态，因此白色像素传感器中溢出的光生载流子不会达到浮动扩散区，而是会越过白色像素传感器和彩色像素传感器之间的隔离区的势垒而溢出到相邻的彩色像素传感器中，这样使得邻近的彩色像素传感器由于接收到了溢出的电荷而输出与事实不符的像素值。

在本发明中，仅示出了白色像素传感器由于接收到更多数量的光子会产生电荷泄漏的情况，但是本发明不限于白色像素传感器的饱和泄漏情况。本发明可以适用于其他的彩色图像传感器由于过早饱和产生泄漏的情况。

图3为根据本发明的一个实施例的图像传感器的截面图。图像传感器包括像素传感器阵列301，所述像素传感器阵列包括第一像素传感器301a以及第二像素传感器301b，其中第一像素传感器301形成在第一衬底302a中，而第二像素传感器301b形成在第二衬底302b中。第二衬底302b形成在第一衬底302a的凹槽中，并且第二衬底302b的带隙较第一衬底302a的带隙更宽。优选地，第二衬底可以从以下一种或者多种材料中选取：gan、gaas、α-si、si-c、inn、inx-ga1-xn。

像素传感器中的光敏元件(例如，光电二极管)是将入射光转换为电流的半导体元件，从而像素传感器可以输出体现输入光量的电信号。当光子被光敏元件吸收时，光敏元件会产生电流，即光生载流子。光敏元件的衬底材料对于光敏元件的性能至关重要，因为只有具有足够能量的光子才能够激发衬底材料的电子越过衬底材料的带隙从而产生电流。具体来说，固体中电子的能量不是连续取值的，而是一些不连续的能带。要导电就必须要有自由电子和空穴的存在，自由电子存在的能带称为导带(能导电)，自由空穴存在的能带称为价带(也能导电)。被束缚的电子要想成为自由电子，就需要获取足够的能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是带隙。

如图4所示，带隙是半导体材料的导带的最低点和价带的最高点之间的能量差。带隙越大，电子由价带被激发到导带就需要越大的能量。因此，对于半导体材料来说，价带越大，电子被从价带激发到导带的困难也就越大，从而本征载流子浓度就越低。

在光敏元件中，当具有频率γ的入射光子的能量hγ大于带隙宽度eg时(参见如下公式)，该入射光子的能量hγ才足以支持电子从价带跨过带隙跃迁到导带。在此情况下，光子被吸收，并产生电子空穴对，该电子空穴对形成电流。该电流表征光敏元件所吸收的光子的量。

hγ＞eg

在图3所示的图像传感器中，第二衬底的带隙宽度比第一衬底的带隙宽度更宽。因此，第二衬底中形成的光敏元件需要接收能量更高的光子才会发生电子跃迁从而产生光生载流子。在本发明的一个实施例中，如果在第二衬底中形成白色像素传感器的光敏元件，由于第二衬底较宽的带隙宽度，白光谱中仅频率较高的光子才能激发电子跃迁从而产生光生载流子，而白光谱中频率较低的光子便不再能被白色像素传感器接收从而产生光生载流子了。这样，第二衬底的像素传感器的光敏元件仅对接收白光谱中的一部分光子敏感，因此与不使用宽带隙材料作为衬底相比，在不减少像素面积的情况下会使得更少的电子被激发，从而产生更少的光生载流子。由于其会产生更少的光生载流子，因此会减少甚至避免白色像素传感器过早饱和而溢出到相邻像素。

虽然本发明中提到了为了解决白色像素传感器的过早饱和的问题，针对白色像素传感器使用宽带隙材料；但是本发明不限于仅针对白色像素传感器使用宽带隙材料。在其他特殊的拍照环境中，在某种颜色的像素传感器会相较于其他颜色的像素传感器会提早饱和的情况下，可以针对该提早饱和的像素传感器使用宽带隙半导体材料。

优选地，所述第一像素传感器301a为彩色像素传感器，所述第二像素传感器301b为白色像素传感器。在本发明的另一个实施例中，其中第一像素传感器301a与所述第二像素传感器301b为针对不同颜色的像素传感器。注意，在该截面图中，为了简单起见，仅示出了三个像素传感器；然而，在实际器件中，将提供成千上万个或更多或更少个像素传感器的阵列，通常布置为行和列。此外，像素传感器也可以不按照图3所示的顺序进行布置。

优选地，像素传感器中的光敏元件可以例如是光电二极管。例如，光电二极管可以包括衬底内的具有第一掺杂类型(例如，n型掺杂)的对应的第一区域(未示出)，和衬底内的第一区域上面的具有与第一掺杂类型不同的第二掺杂类型(例如，p型掺杂)的对应的第二区域(未示出)。优选地，像素传感器中还包括相应的放大器，例如晶体管。

优选地，衬底还可以包括其它器件，包括在衬底的另一部分中形成的有源晶体管、二极管、电容器、电阻器、存储器单元、模拟器件、过滤器、收发器等电子连接件，以用于将来自光敏元件的信号传输到读出电子器件。而且，在形成本发明所述的图像传感器之后，封装材料可以设置在衬底上方，以形成完整微电子组件，诸如，集成电路、太阳能电池、处理器等。

优选地，图像传感器还包括栅格303，布置在所述像素传感器阵列301之上且具有对应于所述像素传感器阵列中的像素传感器301a-b的开口。优选地，这些开口集中于像素传感器301的中心或略有偏移。栅格303可以由任意合适的不透光材料形成，例如金属，包括但不限于钨、铜或铝铜，以及电介质，例如氧化物(诸如，氧化硅)、氮化物(诸如，氮化硅)以及氧氮化物(诸如，氧氮化硅)等。

在图像传感器中，像素传感器区的栅格对提高各像素区接收光的均匀性以及防止光学串扰有重要作用。通过利用栅格的不透光性或者光吸收性，使得入射到滤色器的光由于滤色器之间的栅格的阻拦而无法进入到相邻滤色器或者像素传感器，从而防止不同像素之间的光的串扰。栅格的厚度被设置为有助于减少光学串扰。

在图像传感器中，还包括容纳在栅格303的开口中的滤色器阵列304。滤色器阵列例如包括白色滤色器304b和彩色滤色器304a(彩色滤色器例如包括红色滤色器、绿色滤色器以及蓝色滤色器的拜耳模版彩色滤色器，例如还可以根据需要包括其他滤色器模版以及颜色(例如，青色、黄色、洋红色))，并且按照需要滤色器阵列可以以其它任何合适的排列方式来排列。滤色器阵列可以包括着色或染色的材料，诸如丙烯酸。例如，聚甲基丙烯酸甲酯(“pmma”)或丙二醇单硬脂酸酯(“pgms”)是合适的材料，可利用它们增加颜料或染料来形成滤色器。然而，还可以使用其它材料来形成滤色器。

栅格303形成在相邻滤色器304之间，以抑制相邻滤色器之间的光的透射。在没有栅格的情况下，来自外界的光可以进入到与图像传感器阵列的一个像素传感器相关联的滤色器，并且在达到图像传感器的光接收面之前，还有可能入射到与上一滤色器相邻的滤色器中。该过程会导致相邻像素传感器之间的光学串扰。一般来讲，栅格用于抑制这种串扰以提供改善的色彩清晰度以及分辨率。

优选地，滤色器阵列304上形成有微透镜阵列305。微透镜阵列305可以由透明的有机材料、无机化合物材料制成，并且具有凸形上表面。微透镜阵列305可以集中在像素传感器的中心或略有偏移。微透镜阵列305用于聚焦光线，使经过微透镜的入射光能够照射到该透镜结构所对应的像素传感器上。

图5示出了一种制造根据本发明图3所示的像素传感器的流程图。

在步骤s501中，提供衬底，衬底可以是硅衬底或者其它半导体材料。衬底通常可以是半导体材料的晶圆。在其它实施例中，衬底可以被提供为在绝缘体上的外延层，诸如“soi”层。半导体材料的晶圆可以接合或堆叠，并且衬底可以是这些层之一。衬底通常通过晶圆研磨方法减薄，诸如，化学机械抛光(“cmp”)、机械晶圆研磨或半导体刻蚀。优选地，可以在衬底中形成浅槽隔离sti，以隔绝在衬底中将要形成的各个像素传感器。

在步骤s502中，加工(例如，蚀刻)第一衬底以形成凹槽，例如通过干法蚀刻或者湿法蚀刻，去除被光掩膜暴露的部分并且保留被光掩膜覆盖的部分。

在步骤s503中，在第一衬底上形成第二衬底，第二衬底填充所述凹槽，形成第二衬底的方法根据第二衬底的材料性质可以自由选择，例如可以通过化学气相沉积来形成第二衬底。

在步骤s504中，对第二衬底进行化学机械抛光，以暴露出第一衬底，其中第二衬底形成在第一衬底的凹槽中。

在步骤s505中，在第一衬底中形成第一像素传感器阵列，在第二衬底中形成第二像素传感器阵列。优选地，像素传感器阵列包括光电二极管以及光电二极管耗尽区。形成方法为通过进行杂质离子注入及退火工艺等常规工艺来完成，包括在光电二极管区域进行杂质离子注入形成掺杂区，掺杂区与半导体衬底之间构成pn结，以形成光电二极管及光电二极管耗尽区。光电二极管及光电二极管耗尽区的形成方法为本领域技术人员所熟知，在此不作详述。在宽带隙衬底材料中形成光敏元件(例如光电二极管)的过程和步骤类似于在一般si半导体材料中形成光敏元件的过程，故此处不加详述。

优选地，所述第一像素传感器为彩色像素传感器，所述第二像素传感器为白色像素传感器。优选地，第一像素传感器与所述第二像素传感器为针对不同颜色的像素传感器。可选地，可在像素传感器阵列上方沉积电介质层等其他层(未标注)。

可选地，在步骤s506中，在所述像素传感器阵列上方形成栅格，所述栅格具有对应于所述像素传感器阵列中的像素传感器的开口。优选地，可以通过溅射技术形成栅格膜，然后在栅格膜上形成具有栅格图案的光刻胶，之后进行蚀刻以形成栅格。

可选地，在步骤s507中，在栅格的开口中形成滤色器阵列，每个开口中形成一个滤色器。所述滤色器阵列例如包括白色滤色器和彩色滤色器。

可选地，在步骤s508中，在滤色器阵列上方形成微透镜。

本发明公开了一种图像传感器的衬底，所述衬底包括第一衬底；以及第二衬底；其中所述第一衬底具有凹槽，所述第二衬底形成在所述第一衬底的所述凹槽中，所述第二衬底的带隙较所述第一衬底更宽。优选地，所述第二衬底的材料从由以下材料组成的组中选择：gan、gaas、α-si、si-c、inn、inx-ga1-xn。

本发明公开了一种图像传感器，所述图像传感器包括像素传感器阵列，所述像素传感器阵列包括多个第一像素传感器以及多个第二像素传感器；第一衬底，所述第一像素传感器布置在所述第一衬底中；第二衬底，所述第二像素传感器布置在所述第二衬底中；其中所述第一衬底具有凹槽，所述第二衬底形成在所述第一衬底的所述凹槽中，所述第二衬底的带隙较所述第一衬底更宽。

优选地，所述第二衬底的材料从由以下材料组成的组中选择：gan、gaas、α-si、si-c、inn、inx-ga1-xn。

优选地，所述第一像素传感器为彩色像素传感器，所述第二像素传感器为白色像素传感器。

优选地，第一像素传感器与所述第二像素传感器为针对不同颜色的像素传感器。

优选的，图像传感器还包括布置在所述第一像素传感器以及所述第二像素传感器上方的栅格，所述栅格形成分别对应于所述第一像素传感器和所述第二像素传感器的开口。

优选地，图像传感器还包括布置在所述开口中的滤色器。

优选的，图像传感器还包括布置在对应于第一像素传感器的开口中的滤色器为彩色滤色器，布置在对应于第二像素传感器的开口中的滤色器为白色滤色器。

本发明公开了一种制造图像传感器的衬底的方法，包括提供第一衬底；加工所述第一衬底以形成凹槽；以及在所述凹槽中形成第二衬底，所述第二衬底的带隙较第一衬底更宽。

本发明公开了一种制造图像传感器的方法，包括提供第一衬底；加工所述第一衬底以形成凹槽；在所述凹槽中形成第二衬底，在所述第一衬底中形成第一像素传感器；以及在所述第二衬底中形成第二像素传感器，所述第二衬底的带隙较第一衬底更宽。

优选地，所述第二衬底的材料从由以下材料组成的组中选择：gan、gaas、α-si、si-c、inn、inx-ga1-xn。

优选地，所述第一像素传感器为彩色像素传感器，所述第二像素传感器为白色像素传感器。

优选地，所述第一像素传感器与所述第二像素传感器为针对不同颜色的像素传感器。

优选地，所述方法还包括在所述第一像素传感器以及所述第二像素传感器上方布置栅格，所述栅格形成分别对应于所述第一像素传感器和所述第二像素传感器的开口。

优选地，所述方法还包括在所述开口中布置滤色器。

优选地，布置在对应于第一像素传感器的开口中的滤色器为彩色滤色器，布置在对应于第二像素传感器的开口中的滤色器为白色滤色器。

本发明公开了一种电子装置，所述电子装置包括如上任一项所述的图像传感器。

本发明公开了一种制造电子装置的方法，所述方法包括使用如上所述的方法来制造图像传感器。

在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其它取向上操作。

如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在上述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。

如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪音以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。

上述描述可以指示被“连接”或“耦合”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地，除非另外明确说明，“耦合”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦合”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。

另外，仅仅为了参考的目的，还可以在下面描述中使用某种术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。

还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。

在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。

本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其它各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。