CN116097443A - 像素结构以及用于制造像素结构的方法 - Google Patents

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Abstract

一种像素结构(1)包括：具有光入射表面(2)的基板体(10)、多个第一光电二极管(11)，其在所述基板体(10)中相对于所述光入射表面(2)的第一深度(d1)处形成、和第二光电二极管(12)，其在所述基板体(10)中相对于所述光入射表面(2)的第二深度(d2)处形成。所述第一深度(d1)对应于在第一波长范围所述基板体(10)的材料中的光子吸收长度，而所述第二深度(d2)对应于在第二波长范围所述基板体(10)的材料中的光子吸收长度，所述第二波长范围与所述第一波长范围是不同的。

Description

像素结构以及用于制造像素结构的方法
本公开涉及一种用于半导体图像传感器的像素结构和一种制造这种像素结构的方法。
CMOS图像传感器的应用范围很广，例如相机模块和智能手机、平板电脑、笔记本电脑等。这些应用中的一部分(例如摄影)依赖于可见光域中的敏感度，而其他应用(例如3D成像和识别)则要求图像传感器在红外光域中敏感。由于现有设备的空间限制，希望提供在可见光和红外域中都敏感的图像传感器。为此，传统的图像传感器包括具有彩色像素的传感模块以及具有红外像素的传感模块，每个彩色像素对可见光谱的某一部分敏感。
仅包括彩色像素的图像传感器通常将这些彩色像素以特定的模式布置，即所谓的拜耳滤波器阵列模式，其中每个像素单元具有布置在2×2矩阵中的四个像素，该2×2矩阵中的两个像素彼此相对地布置并且对可见光谱的绿色部分敏感，而另外两个像素分别在蓝色域和红色域中敏感。在这些图像传感器中实现额外的红外像素通常是通过牺牲每个像素单元的拜耳滤波器阵列模式中的绿色像素之一来实现的。然而，这导致无法再执行依赖于真正的拜耳滤波器阵列模式的标准去马赛克或去拜耳算法，从而导致图像质量下降和/或复杂了计算密集型算法以恢复捕获的图像。
在可见光域和红外域中捕获的图像由于各自波段的“盲像素”而必须对丢失的信息进行插值，除此之外，这种图像传感器的另一个缺点是由于更高的衍射极限，用于红外光的像素比用于可见光波段的像素需要更大的表面。这意味着红外像素的敏感度低于彩色像素，或者它的尺寸必须大于彩色像素，这意味着在不牺牲分辨率的情况下不可能实现组合布置。
因此，所要实现的目标是为像素结构提供改进的构思，该像素结构能够在两个不同的波长范围感测光，并解决现有像素单元的至少一个问题。
该目标通过独立权利要求的主题得以实现。从属权利要求定义了该改进构思的实施例和研制成果。
该改进的构思所基于的想法是：从像素结构形成图像传感器，这些像素结构在可见光和红外域中都敏感并利用所用材料的不同吸收行为，所用材料是用来形成像素结构的。特别是，与可见光域中较短波长的光子相比，较长波长的红外光子通常在被吸收之前达到更大的平均穿透深度。因此，根据该改进构思的像素结构的特征在于其布置方式，在该布置方式中，相对于像素结构的光入射表面，与可见光电二极管的捕获部分相比，用于捕获红外光子的红外光电二极管的捕获部分被布置或被埋在基板中的深度更大。
特别地，根据该改进构思的像素结构包括具有光入射表面的基板体和多个第一光电二极管，相对于光入射表面，这些该多个第一光电二极管在基板体的第一深度处形成。像素结构还包括第二光电二极管，相对于光入射表面，该第二光电二极管在基板体的第二深度处形成。其中，第一深度对应于在第一波长范围基板体的光子吸收长度和材料，而第二深度对应于在第二波长范围基板体材料的光子吸收长度，该第二波长范围与该第一波长范围不同。
例如，第一波长范围包括可见光谱的至少一部分，或者替代地包括整个可见光谱，而第二波长范围包括红外光谱的至少一部分，特别是近红外区域中的波长范围，例如大约850nm和/或940nm。理想地，在这些实施例中，第一波长范围不包含红外波长，而第二波长范围不包含可见光域中的波长。
该基板体是诸如硅基板之类的半导体基板，而光电二极管由不同植入物和/或掺杂的阱结构形成的，这些植入物或掺杂用于定义诸如耗尽区和p-n结等特征。光电二极管的确切配置和特性是众所周知的概念并且在本公开中不再对其作进一步的详细说明。例如，光电二极管是硅基光电二极管。
根据该改进的构思，用于感测可见光子(即波长为400nm至700nm的光子)的像素结构的光电二极管能够布置在基板体内比第二深度更靠近光入射表面的第一深度处，其中用于感测红外光子(即波长大于800nm的光子)的光电二极管能够布置在第二深度处。对于硅，可见光子的平均吸收深度为10μm至300μm量级，红外光子的平均吸收深度为1mm至10mm量级，两者都取决于相应光子的确切波长。因此，能够相应地选择第一深度和第二深度，使得相应光电二极管的捕获区域跨越上述相应吸收深度。
在某些实施例中，该像素结构是背照式像素结构。
正照式传感器通常在包括光电二极管的基板体和滤色层之间包括金属布线层，与之形成对照，背照式传感器通过在制造过程中翻转晶片，然后使其背面变薄使布线层位于具有光电二极管的基板体的后面，这样使得光到达光电二极管而不必穿过布线层。然而，为了减少串扰，能够使金属层布置在基板体和滤色层之间。因此，在这些实施例的基板体和滤色层之间，前照式传感器能够包括两个或更多个金属层，而背照式传感器包括一个金属层。因此，背照式传感器显著提高了光电二极管的捕获层捕获光子的效率。
在某些实施例中，第二光电二极管在与光入射表面相对的基板体表面上形成。
特别是对于背照式传感器，第二光电二极管能直接在远离光入射表面的基板体表面上形成。在这些实施例中，能够很容易地按量级优化基板体的总厚度，以使传感器达到最佳的光学性能，同时仍然保持足够的厚度以更好地收集较长波长的光子。
在某些实施例中，第一光电二极管包括滤色器并形成像素阵列，特别是拜耳阵列或四拜耳阵列。
在这些实施例中，所述多个第一光电二极管中的每一个都包括滤色器，使得拜耳、四拜耳或任何替代滤色器阵列布置方式得以实现。例如，该像素结构包括布置在2×2矩阵中的四个第一光电二极管，其中的两个像素彼此相对地布置并包括绿色滤色器，而另外两个像素分别包括蓝色滤色器和红色滤色器。替代地，滤色器能够由例如布置在基板体的光入射表面上或上方的滤色层构成。
在某些实施例中，所述多个第一光电二极管在第一深度处并排布置和/或基本无间隙地布置。
在该文中，并排意味着所述多个第一光电二极管相对于基板体的光入射表面布置在相同的深度(即第一深度)并且彼此相互平行，使得每个第一光电二极管的捕获部分面向基板体的光入射表面。基本无间隙地布置能大大减少像素结构的占用空间，从而提高分辨率。然而，在空间不受限制和/或采用较大像素的应用中，能留出间隙以允许在第一光电二极管之间布置电路元件(例如晶体管)或隔离元件。
在某些实施例中，该像素结构还包括在中间深度处和基板体处形成的植入物隔离件，该中间深度位于第一深度和第二深度之间。
在包括多个第一光电二极管的第一深度与包括第二光电二极管的第二深度之间布置的植入物隔离件能够通过空间上分离第一深度和第二深度来减少串扰，使得能够防止第二光电二极管内第一波长的光子被吸收，反之亦然。例如，该植入物隔离件是基板体(例如硅)材料的隔离区。例如，N型光电二极管具有P型隔离区。
在某些实施例中，该像素结构还包括相对于第一波长范围的不透明材料的隔离元件，其中该隔离元件从光入射表面至少延伸到第一深度。
为了减少多个第一光电二极管之间的串扰，能够采用隔离元件。例如，这些隔离元件由沟槽形成并且垂直布置在至少部分第一光电二极管之间和/或布置在像素结构的侧面，其中的沟槽被在第一波长范围和/或第二波长范围的不透明材料填充。在该文中，垂直是指垂直于基板体的延伸主平面的方向。作为不透明材料的代替，沟槽还能被几种不同的材料(包括氧化物)填充，这些不同材料的折射率与基板体以及第一光电二极管和第二光电二极管的折射率大不相同。除了沟槽之外，隔离元件还能通过植入物实现。
在某些实施例中，该像素结构还包括读出电路，该读出电路被配置为光电子读出电路，这些光电子是由多个第一光电二极管和第二光电二极管产生的。
例如，该读出电路将检测到的光电子转换为用于电压型读出的电压信号。
在某些其他实施例中，该读出电路布置在与光入射表面相对的基板体表面处或表面上。
该像素结构还能包括功能层，该功能层包括用于执行第一光电二极管和第二光电二极管读出的电路。例如，该读出电路布置在与光入射表面相对的基板体表面处或表面上。特别地，对于背照式像素结构，包含布线层的读出电路能够布置在基板体的正面上，该布线层包括一种或更多种金属。例如，该读出电路是CMOS电路。或者，根据不同的3-D堆叠技术，该读出电路能够布置在不位于基板体表面处或表面上的其他层中。
在某些实施例中，该像素结构还包括感测节点和传输门，该感测节点位于与光入口表面相对的基板体的表面上，该传输门用于将所述多个第一光电二极管和第二光电二极管收集的电荷转移到感测节点。
该像素结构能够包括组合感测节点，该组合感测节点用于收集在第一光电二极管和第二光电二极管处产生的光电流。或者，该像素结构能够包括多个感测节点，例如一个用于第一光电二极管，一个用于第二光电二极管，或者每个光电二极管一个。多个感测节点能在读出时序或读出控制方面带来更大的灵活性。
在某些实施例中，所述多个第一光电二极管的占用空间小于(1μm)2，而第二光电二极管的占用空间小于(2μm)2。
目前的制造技术允许像素尺寸在0.8μm量级。这能用于制造根据该改进构思的像素结构，该像素结构结构在可见光域中具有大小约为(1.6μm)2的有效区域，并且在红外域中具有类似甚至更大的有效区域，例如(3.2μm)2。然而，根据实际应用和其对由像素结构形成的图像传感器的要求，该改进的构思能够用于所有的像素尺寸。
上述目标通过图像传感器得到进一步解决，该图像传感器包括根据上述实施例之一的多个像素结构。其中，该图像传感器被配置成在第一波长范围和第二波长范围产生图像信号。
这种图像传感器能方便地用于诸如智能手机、平板电脑和笔记本电脑之类的电子设备中，例如用于需要在两个不同波长范围运行的相机模块中。例如，该相机模块被配置为在可见光域中运行以进行摄影和/或视频捕获，并在红外域中运行以用于3D成像和/或识别目的。
上述目标通过像素结构的制造方法得到进一步的解决。该方法包括提供具有光入射表面的基板体，并在基板体中相对于光入射表面的第一深度处形成多个第一光电二极管。该方法还包括在基板体中相对于光入射表面的第二深度处形成第二光电二极管。第一深度对应于在第一波长范围基板体的光子吸收长度和材料，第二深度对应于在第二波长范围基板体的光子吸收长度和材料，所述第二波长范围与所述第一波长范围是不同的。
根据该改进构思的像素结构及其制造方法的优点在于：光电二极管调谐的高度灵活性(例如在中心波长和波长范围的敏感度方面)；与逻辑晶片的工艺相关性降低；与传统的2D设计(其中，在拜耳布置方式中绿色光电二极管之一被替换为红外敏感光电二极管)相比，面积损失更小。
本领域技术人员读者从上述像素单元的布置方式和像素单元的实施例能显而易见地预料到该方法的其他实施例。
以下对示例性实施例附图的描述可以进一步说明和解释该改进构思的各个方面。像素结构的具有相同结构和相同效果的部件和零件分别以等效的附图标记表示。只要像素单元的部件和零件在不同图中的功能彼此对应，那么在其后的每个图中不再对其进行重复描述。
在图中：
图1至图4示出了根据该改进构思的像素结构的示例性实施例；和
图5至图7示出了根据该改进构思的图像传感器的示例性实施例。
图1示出了根据该改进构思的像素结构1的示例性实施例横截面图。该像素结构包括基板体10，在基板体10中，多个第一光电二极管11布置在相对于该像素结构的光入射表面2的第一深度d1处。第二光电二极管12布置在大于第一深度d1的深度d2处。在该实施例中，基板体10的厚度使得第二光电二极管12被布置在与光入射面2相对的基板体的表面3处。该图侧重于相应的光电二极管的捕获区域或耗尽区域，例如，这些光电二极管形成为阱结构。对于第一光电二极管11，指示了从捕获区域到表面3的电触点。
第一深度d1对应于在硅中的吸收深度，例如，从光入射表面2开始测量的在第一波长或第一波长范围的光子的吸收深度。相应地，第二深度d2对应于在第二波长或第二波长范围的光子在硅中的吸收深度。其中，第一波长范围包括可见光，而第二波长范围包括红外光，特别是近红外光。在图中，入射光表示为指向光入射表面2的箭头。例如，像素结构1是背照式像素结构。
例如，基板体10是诸如芯片或部分晶片之类的硅基板，而光电二极管11、12是通过不同掺杂的硅区域实现的硅基光电二极管。像素结构1还包括一个或更多个浮动扩散15和传输门16，在本实施例中浮动扩散15和传输门16布置在表面3上或表面3处。出于说明的目的，所述元件仅针对第一光电二极管11示出。
本实施例中的像素结构还包括在第一深度d1和第二深度d2之间形成的植入物隔离件13。该植入物隔离件13被实现为第一光电二极管11和第二光电二极管12之间的阻挡层。例如，植入物隔离件13是硅隔离区。植入物隔离件13的厚度能够被调节，以最小化第一光电二极管11与第二光电二极管12之间的串扰，特别是最小化那些对可见光波长敏感的第一光电二极管11与对近红外光敏感的第二光电二极管12之间的串扰。此外，植入物隔离件13使第一光电二极管11和第二光电二极管12在空间上朝着光传播方向分离，使得能够防止在第二光电二极管12的捕获区域内第一波长的光子被吸收和在第一光电二极管11的捕获区域内第二波长的光子被吸收。
本实施例中的像素结构还包括隔离元件14，隔离元件14布置在第一光电二极管11之间以便使这些光电二极管11横向分离。例如，隔离元件14通过形成在基板体内的沟槽实现，从光入射表面2至少延伸到第一深度d1，并且填充有相对于第一波长透明或不透明的材料，例如二氧化硅。隔离元件14的形成是为了减少所述多个第一光电二极管11之间的串扰。
在一些未示出的实施例中，该像素结构还能够包括滤色器，例如布置在光入射表面2上或上方的滤色器，使得第一光电二极管11中的每一个都具有滤色器。例如，滤色器实现了第一光电二极管11的拜耳或四拜耳布置方式。
图2示出了类似于前图1所示的像素结构1的替代实施例。在该实施例中，传输门16以垂直方式实现，例如用于收集在中等尺寸像素设计中第一光电二极管11内产生的电荷。
图3示出了类似于前图1和图2所示的像素结构1的替代实施例。该实施例中，实现了无传输门的电子文件设计，用于控制小尺寸像素设计的传输。
所描述的实施例代表了将光电电子从光电二极管传输到浮动扩散区域的不同方式。特别地，所示实施例也能有利地用于小像素尺寸设计。例如，在已经将相应的信号传输到浮动扩散节点后，读出设计对应于在典型的钉扎像素中已知的读出设计。
图4示出了像素结构1的另一实施例的横截面图。在该实施例中，第一光电二极管11布置在光入射表面的第一深度d1处，而第二光电二极管12布置在较大的第二深度d2处，类似于图1至图3所示的实施例。此外，包括用于接触光电二极管11、12的电触点的功能层20被布置在与光入射表面2相对的基板体10的表面3上。
读出部件30被布置在功能层20上，所述读出部件30同样具有包括电触点的功能层，这些电触点对应于功能层20的电触点。例如，读出部件30包括电路元件，这些电路元件用于读出由第一光电二极管11和第二光电二极管12产生的相应光电流。例如，在制造单独的部件之后，读出部件30被实现为被粘合到像素结构1上的单独的芯片。
图5示出了包括图1中像素结构1的4×4矩阵的图像传感器40的轮廓的俯视图，其中该轮廓在图1中的虚线A所表示的深度处示出。该深度处的表面由第二光电二极管12的耗尽区主导，而第一光电二极管的部件被布置在每个像素结构的相应角落中。在该视图中，还示出了浮动扩散15，其中每个像素结构1的第二光电二极管12与一个专用的浮动扩散相关联，而多个第一光电二极管11，例如每个像素结构1的角落中的四个相邻的第一光电二极管11，共享一个共同的浮动扩散，例如如图所示。
图6示出了包括图1中像素结构1的4×4矩阵的图像传感器40的轮廓的俯视图，其中该轮廓在图1中的虚线B所表示的深度处示出。在该深度处的表面由第一光电二极管11的耗尽区主导，其中图像传感器的每个像素结构1包括第一光电二极管11的2×2矩阵。在该实施例中，每个像素结构1包括RGB颜色中的一种的滤色器，使得四拜耳模式得以实现。
在本文中，四拜耳意味着一个像素结构1的所有第一光电二极管11对相同的可见光波长范围(例如蓝色、红色和绿色之一)敏感，并且这些像素结构1的2×2矩阵形成如图所示的拜耳布置方式。然而，根据确切的应用及其要求，也可以使用替代的滤色器布置方式，例如单个拜耳模式，在该模式中每个像素结构1的第一光电二极管11的2×2矩阵包括拜耳模式中的滤色器阵列。
图7示出了图5和图6的图像传感器40的俯视图，该俯视图说明了第二光电二极管12的3D布置方式，该光电二极管12以中心方式布置在第一光电二极管11的矩阵上方。其中，如图1至图4所示，第二光电二极管12布置在基板体10内的一定深度(为了说明目的未在此图中示出)处，该深度对应于近红外(例如850nm和/或940nm)光子的平均吸收长度，而第一光电二极管11被布置在对应于可见(即，400nm至700nm)光子的平均吸收长度的深度处。
图中所示的像素结构1和图像传感器40的实施例表示示例性实施例，因此它们不构成根据该改进构思的所有实施例的完整列表。实际的像素结构和图像传感器布置方式可能会随着所示实施例的附加部件、形状和配置方面而改变。特别地，各种附图所示的特征可以相互组合并因此形成根据该改进构思的附加的实施例。
本专利申请要求欧洲专利申请20199276.5的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
附图标记说明
1          像素结构
2          光入射表面
3          表面
10         基板体
11         第一光电二极管
12         第二光电二极管
13         植入物隔离件
14         隔离元件
15         感测节点
16         传输门
20         功能层
30         读出部件
40         图像传感器
d1         第一深度
d2         第二深度

Claims (14)

1.一种像素结构(1)，包括：
-具有光入射表面(2)的基板体(10)；
-多个第一光电二极管(11)，其在所述基板体(10)中相对于所述光入射表面(2)的第一深度(d1)处形成；和
-第二光电二极管(12)，其在所述基板体(10)中相对于所述光入射表面(2)的第二深度(d2)处形成；其中
-所述第一深度(d1)对应于在第一波长范围所述基板体(10)的材料中的光子吸收长度；和
-所述第二深度(d2)对应于在第二波长范围所述基板体(10)的材料中的光子吸收长度，所述第二波长范围与所述第一波长范围是不同的。
2.根据权利要求1所述的像素结构，其中，所述像素结构(1)是背照式像素结构。
3.根据权利要求1或2所述的像素结构(1)，其中，所述第二光电二极管(12)在与所述光入射表面(2)相对的所述基板体的表面(3)处形成。
4.根据权利要求1至3之一所述的像素结构(1)，其中，所述第一波长范围包括可见光谱的至少一部分。
5.根据权利要求1至4之一所述的像素结构(1)，其中，所述第二波长范围包括红外光谱的至少一部分，特别是包括850nm和/或940nm波长的近红外光谱。
6.根据权利要求1至5之一所述的像素结构(1)，其中，所述多个第一光电二极管(11)包括滤色器并形成像素阵列，特别是拜耳或四拜耳阵列。
7.根据权利要求1至6之一所述的像素结构(1)，其中，所述多个第一光电二极管(11)并排且基本无间隙地布置在第一深度(d1)处。
8.根据权利要求1至7之一所述的像素结构(1)，还包括在所述基板体的中间深度处形成的植入物隔离件(13)，所述植入物隔离件布置在第一深度(d1)和第二深度(d2)之间。
9.根据权利要求1至8之一所述的像素结构(1)，还包括相对于第一波长范围的不透明材料的隔离元件(14)，其中，所述隔离元件从所述光入射表面(2)至少延伸到第一深度(d1)。
10.根据权利要求1至9之一所述的像素结构(1)，还包括读出电路，所述读出电路被配置为检测由所述多个第一光电二极管(11)和所述第二光电二极管(12)产生的光电子。
11.根据权利要求10所述的像素结构(1)，其中，所述读出电路布置在与所述光入射表面相对的所述基板体(10)的表面(3)处或表面(3)上。
12.根据权利要求1至11之一所述的像素结构(1)，还包括：
-感测节点(15)，其位于与所述光入射表面(2)相对的所述基板体(10)的表面(3)处；和
-传输门(16)，其用于将由所述多个第一光电二极管(11)和所述第二光电二极管(12)收集的电荷传输到所述感测节点(15)。
13.一种图像传感器，其包括根据权利要求1至12之一所述的多个像素结构(1)，其中，所述图像传感器被配置为在第一波长范围和第二波长范围产生图像信号。
14.一种用于制造像素结构(1)的方法，所述方法包括：
-提供具有光入射表面(2)的基板体(10)；
-在所述基板体(10)中相对于所述光入射表面(2)的第一深度(d1)处形成多个第一光电二极管(11)；和
-在所述基板体(10)中相对于所述光入射表面(2)的第二深度(d2)处形成第二光电二极管(12)；其中
-所述第一深度(d1)对应于在第一波长范围所述基板体(10)的材料中的光子吸收长度；并且
-所述第二深度(d2)对应于在第二波长范围所述基板体(10)的材料中的光子吸收长度，所述第二波长范围与所述第一波长范围是不同的。
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