CN219040482U - 图像传感器及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种图像传感器及电子设备，其中，本申请公开的图像传感器包括半导体结构层、电路连接层和光学结构层，半导体结构层内具有呈阵列分布的像素区和逻辑区，像素区包括感光组件，本申请通过在电路连接层对应像素区的位置设置光学增强结构，并利用电路连接层对应逻辑区的位置的驱动电极在感光组件接收光信号之前为光学增强结构供电，使图像传感器的入射光可以更加直接地穿过光学增强结构进入像素区，从而有效降低光学路径长、金属布线反射吸收损耗大对图像传感器性能的影响。

Description

图像传感器及电子设备

技术领域

本申请涉及图像传感器技术领域，具体而言，涉及一种图像传感器及电子设备。

背景技术

图像传感器是数字摄像头的重要组成部分，是一种将光学图像转换成电学信号的设备，它被广泛地应用在数码相机、移动终端、便携式电子装置等电子设备中。图像传感器包括CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)图像传感器和CMOS(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，互补型金属氧化物半导体元件)图像传感器两大类，而CMOS图像传感器具有高度集成化、低功耗、速度快、成本低等优点，已经广泛应用在许多产品中。这些产品包括手机、平板电脑、汽车以及安防监控***等。

根据目前的图像传感器中感光器件与金属层的位置关系以及入射光路径，可以将图像传感器分为前照式图像传感器(FSI)和背照式图像传感器(BSI)两种。相比于背照式图像传感器，前照式图像传感器的优势在于，前照式图像传感器像素区光学叠加高度与像素面积之比不大，感光面积可以得到有效保证，且工艺更为简单，成本低且良率高，因此前照式图像传感器更为广泛地应用于图像传感器领域。但是，由于前照式图像传感器的金属布线层位于光学器件和感光元件之间，光学路径长、金属布线反射吸收损耗大，上述因素限制了图像传感器的性能。

实用新型内容

为了至少克服现有技术中的上述不足，本申请的目的在于提供一种图像传感器及电子设备。

第一方面，本申请实施例提供一种图像传感器，所述图像传感器包括：

半导体结构层，所述半导体结构层内具有呈阵列分布的像素区和逻辑区，所述像素区和所述逻辑区间隔设置，所述像素区包括感光组件，所述逻辑区包括掺杂层；电路连接层，所述电路连接层设置于所述半导体结构层的一侧，且所述电路连接层对应所述逻辑区设置有金属布线结构和驱动电极，所述金属布线结构用于实现电路元器件的连接，所述电路连接层对应所述像素区设置有光学增强结构，所述光学增强结构在所述半导体结构层上的投影覆盖所述感光组件在所述半导体结构层上的投影，所述驱动电极用于在所述感光组件接收光信号之前为所述光学增强结构供电；光学结构层，所述光学结构层设置于所述电路连接层远离所述半导体结构层的一侧，所述光学结构层在所述半导体结构层上的投影覆盖所述光学增强结构在所述半导体结构层上的投影，所述光学结构层包括层叠设置的微透镜和滤光片。

在一种可能的实现方式中，所述光学增强结构靠近所述半导体结构层一侧的表面位于所述电路连接层内，对应所述像素区的位置，所述光学增强结构远离所述半导体结构层一侧的表面与所述光学结构层靠近所述半导体结构层一侧的表面共面。

在一种可能的实现方式中，所述光学增强结构靠近所述半导体结构层一侧的表面位于所述电路连接层内，且对应所述像素区的位置，所述光学增强结构远离所述半导体结构层一侧的表面也位于所述电路连接层内。

在一种可能的实现方式中，对应所述像素区的位置，沿垂直于所述半导体结构层的方向，所述光学增强结构远离所述半导体结构层一侧的表面设置有凹槽，且所述凹槽的底面位于所述光学增强结构内。

在一种可能的实现方式中，所述光学增强结构内设置有气隙结构，对应所述像素区的位置，沿垂直于所述半导体结构层的方向，所述气隙结构远离所述半导体结构层一侧的表面与靠近所述半导体结构层一侧的表面均位于所述光学增强结构内。

在一种可能的实现方式中，所述光学增强结构的材料为单晶锗或者多晶锗。

第二方面，本申请实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括上述图像传感器。

基于上述任意一个方面，本申请实施例公开了一种图像传感器及电子设备，其中，本申请实施例公开的图像传感器包括半导体结构层、电路连接层和光学结构层，半导体结构层内具有呈阵列分布的像素区和逻辑区，像素区包括感光组件，本申请实施例通过在电路连接层对应像素区的位置设置光学增强结构，并利用电路连接层对应逻辑区的位置的驱动电极在感光组件接收光信号之前为光学增强结构供电，使图像传感器的入射光可以更加直接地穿过光学增强结构进入像素区，从而有效降低光学路径长、金属布线反射吸收损耗大对图像传感器性能的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要调用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1为本申请提供的一种图像传感器截面示意图；

图2为本申请提供的一种图像传感器另一截面示意图；

图3为本申请提供的一种图像传感器又一截面示意图；

图4为本申请提供的一种图像传感器制作方法的示意图；

图5为本申请提供的一种图像传感器制作方法的另一示意图；

图6为本申请提供的一种图像传感器制作方法的又一示意图；

图7为本申请提供的一种图像传感器制作方法的另一示意图；

图8为本申请提供的一种图像传感器制作方法的又一示意图；

图9为本申请提供的一种图像传感器制作方法的另一示意图；

图10为本申请提供的一种图像传感器制作方法的又一示意图；

图11为本申请提供的一种图像传感器制作方法的另一示意图；

图12为本申请提供的一种图像传感器制作方法的又一示意图；

图13为本申请提供的一种图像传感器制作方法的另一示意图；

图14为本申请提供的一种图像传感器制作方法的又一示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，本申请中附图仅起到说明和描述的目的，并不用于限定本申请的保护范围。另外，应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本申请中使用的流程图示出了根据本申请实施例的一些实施例实现的操作。应该理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本申请内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其它操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。

另外，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例一

请参照图1，本申请提供了一种图像传感器，其中，该图像传感器包括：

半导体结构层101，半导体结构层101内具有呈阵列分布的像素区和逻辑区，像素区和逻辑区间隔设置，像素区包括感光组件1011，逻辑区包括掺杂层1012；电路连接层201，电路连接层201设置于半导体结构层101的一侧，且电路连接层201对应逻辑区设置有金属布线结构和驱动电极DE，金属布线结构用于实现电路元器件的连接，电路连接层201对应像素区设置有光学增强结构LS，光学增强结构LS在半导体结构层101上的投影覆盖感光组件1011在半导体结构层101上的投影，驱动电极DE用于在感光组件1011接收光信号之前为光学增强结构LS供电；光学结构层301，光学结构层301设置于电路连接层201远离半导体结构层101的一侧，光学结构层301在半导体结构层101上的投影覆盖光学增强结构LS在半导体结构层101上的投影，光学结构层301包括层叠设置的微透镜3012和滤光片3011。

可以理解的是，本申请实施例所称的感光组件1011可以是用于将可见光转换为光电荷信号的任何感光结构，例如光电二极管、光栅或光导体中的任一者，作为一种更佳的实施方式，本申请实施例中的感光元件为光电二极管。掺杂层1012则是在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，使本征半导体的导电性发生显著变化而形成的掺杂半导体结构。半导体结构层101包括感光组件1011和掺杂层1012，在一些可选的技术方案中，半导体结构层101还可以包括衬底。

在现有技术中的背照式图像传感器中，由于在半导体结构层101和光学结构层301之间间隔有电路连接层101，因此受到光学路径长、金属布线反射吸收损耗大的影响，图像传感器的性能会大打折扣。本申请提供的图像传感器通过在电路连接层201对应像素区的位置设置光学增强结构LS，并利用驱动电极DE在感光组件1011接收光信号之前为光学增强结构LS供电，使图像传感器的入射光可以更加直接地穿过光学增强结构LS进入像素区，一方面利用光学增强结构LS提供了光导入的路径，另一方面，通过设置光学增强结构LS并利用驱动电极DE在感光组件1011接收光信号之前为光学增强结构LS供电可以使光信号在进入感光组件1011之前多次反射、衍射或者折射以获得更完整的光信号以提升光学效率。

可以理解的是，在前文中所公开的技术方案中，如果光学增强结构LS为单一材料填充形成的光学结构，那么实际上在一定程度上其只能发挥导光的作用，而无法通过给予入射光足量的反射、衍射或者折射以获得更完整的光信号以提升光学效率的作用。

基于此，作为一种可行的实施方式，请参照图2，光学增强结构LS靠近半导体结构层101一侧的表面位于电路连接层201内，对应像素区的位置，光学增强结构LS远离半导体结构层101一侧的表面与光学结构层301靠近半导体结构层101一侧的表面共面。进一步地，对应像素区的位置，沿垂直于半导体结构层101的方向，光学增强结构LS远离半导体结构层101一侧的表面设置有凹槽AH，且凹槽AH的底面位于光学增强结构LS内。通过在光学增强结构LS靠近半导体结构层101一侧的表面位于电路连接层201内，对应像素区的位置，光学增强结构LS远离半导体结构层101一侧的表面与光学结构层301靠近半导体结构层101一侧的表面共面从而形成相对密闭的内置空间，当对应像素区的位置光学增强结构LS远离半导体结构层101一侧的表面设置有凹槽AH时，凹槽AH内部通常为非真空结构，也即存在空气填充，当入射光进入光学增强结构LS时，通过空气的光路可以实现足量的反射、衍射或者折射以获得更完整的光信号以提升光学效率。其中，光学增强结构LS的沿垂直方向的深度为1-4微米，凹槽AH沿垂直方向的深度为0.5-3.5微米。

基于相同的技术效果，作为一种可行的实施方式，请参照图3，光学增强结构LS靠近半导体结构层101一侧的表面位于电路连接层201内，且对应像素区的位置，光学增强结构LS远离半导体结构层101一侧的表面也位于电路连接层201内。光学增强结构LS内设置有气隙结构AG，对应像素区的位置，沿垂直于半导体结构层101的方向，气隙结构AG远离半导体结构层101一侧的表面与靠近半导体结构层101一侧的表面均位于光学增强结构LS内。

相比于前一种实施方式，本实施方式所提供的气隙结构AG相比于凹槽的设置更有利之处在于可以能为空气提供相对密闭的容置空间，如此可以避免后续工艺中产生的杂质对空气造成污染、导致反射、衍射或者折射效率的下降以至于光学效率降低。

具体地，光学增强结构LS的材料为单晶锗或者多晶锗。作为一种晶体材料，锗可以以单晶或者多晶方式生长，单晶锗的折射率不均匀性位0.00005到0.0001，而多晶锗的折射率不均匀性为0.0001到0.00015，因此单晶锗和多晶锗都可以作为红外材料使用，锗金属的折射率大于4且经过增透膜工艺的锗，可以实现98％以上的透过率。因此，光学增强结构LS的材料为单晶锗或者多晶锗既可以在保证足够高的透过率的同时，确保本申请提供的图像传感器在红外波段的使用效率。

基于前文的内容，本申请实施例提供的图像传感器，通过在电路连接层201对应像素区的位置设置光学增强结构LS，并利用驱动电极DE在感光组件1011接收光信号之前为光学增强结构LS供电，使图像传感器的入射光可以更加直接地穿过光学增强结构LS进入像素区，从而有效降低光学路径长、金属布线反射吸收损耗大等因素对图像传感器性能的影响；一方面利用光学增强结构LS提供了光导入的路径，另一方面，在感光组件1011接收光信号之前为光学增强结构LS供电可以使光信号在进入感光组件1011之前多次反射、衍射或者折射以获得更完整的光信号以提升光学效率。

实施例二

请参照图4-14，本申请实施例提供了一种图像传感器的制作方法，具体地，该制作方法包括：

S1：提供衬底，并在衬底的一侧形成像素区和逻辑区以将衬底作为半导体结构层101，像素区包括感光组件1011，逻辑区包括掺杂层1012；

S2：在半导体结构层101的一侧形成电路连接层201，电路连接层201设置于半导体结构层101的一侧，且电路连接层201对应逻辑区设置有金属布线结构和驱动电极DE，金属布线结构用于实现电路元器件的连接，电路连接层201对应像素区设置有光学增强结构LS，光学增强结构LS在半导体结构层101上的投影覆盖感光组件1011在半导体结构层101上的投影，驱动电极DE用于在感光组件1011接收光信号之前为光学增强结构LS供电；

S3：在电路连接层201远离半导体结构层101的一侧形成光学结构层301，光学结构层301在半导体结构层101上的投影覆盖光学增强结构LS在半导体结构层101上的投影，光学结构层301包括层叠设置的微透镜3012和滤光片3011。

可以理解的是，本实施例中提供的图像传感器为前照式图像传感器(FSI)，因此相邻的感光组件1011之间设置有隔离结构。感光组件1011包括用于将入射光转换成光电电荷的光电转换部分和从光电转换部分读取并转移出信号电荷的电荷转移部分；掺杂层1012位于逻辑区，构成图像传感器的P阱区和N阱区，可通过高能离子注入的方式形成，其中，硼离子注入形成P阱，磷离子注入形成N阱，调栅注入以调整阈值电压。

请参照图10-11以及图13-14，光学结构层301包括层叠设置的微透镜3012和滤光片3011，其中，滤光片3011包括红色滤光片、绿色滤光片和蓝色滤光片，在一些实施方式中，滤光片3011还可以包括白色滤光片。

请参照图4-图8，步骤S2中，在半导体结构层101的一侧形成电路连接层201，在电路连接层201对应像素区的部分形成光学增强结构LS的步骤包括：

S21：在半导体结构层101的一侧对应逻辑区形成金属布线结构，其中，金属布线结构包括层叠设置的第一介电层2011、第一金属层2012、第二介电层2013、第二金属层2014、第三介电层2015、第三金属层2016、第四介电层2017、第一封装层2018和第四金属层2019，其中，第一金属层2012通过第一互联结构A穿过第一介电层2011与掺杂层1012电性连接，第二金属层2014通过第二互联结构B穿过第二介电层2013与第一金属层2012连接，第三金属层2016通过第三互联结构C穿过第三介电层2015与第二金属层2014连接，第四金属层2019通过第四互联结构D穿过第四介电层2017和第一封装层2018与第三金属层2016连接；

S22：对应像素区，对电路连接层201进行刻蚀以形成第一凹槽，第一凹槽的底面与第一封装层2018远离半导体结构层101一侧的表面共面；

S23：在电路连接层201远离半导体结构层101的一侧依次形成第五介电层2020和第二封装层2021，第五介电层2020对应逻辑区，第二封装层2021覆盖第五介电层2020和第一凹槽；

S24：对应像素区，在第二封装层2021远离第一凹槽的一侧形成光学增强结构LS，光学增强结构LS靠近半导体结构层101一侧的表面与第一封装层2018共面；

S25：对应逻辑区，在第二封装层2021靠近第一凹槽槽面的一侧形成驱动电极DE，驱动电极DE远离半导体结构层101一侧的表面与第二封装层2021远离半导体结构层101一侧的表面齐平。

步骤S21-S25分别对应图4-图8所示出的内容。可以理解的是，第一介电层2011、第二介电层2013、第三介电层2015、第四介电层2017、第五介电层2020、第一封装层2018和第二封装层2021可通过涂布或化学气相沉积(CVD)的方式形成，并利用化学机械抛光(CMP)的方式实现平坦化；第一金属层2012、第二金属层2014、第三金属层2016和第四金属层2019可通过金属化的方式形成，以生成高导电性金属，高导电性金属被广泛用于构成微电子的互连电路，可通过物理气相沉积(PVD)结合刻蚀的方式完成。相邻的两层金属层之间通过互联结构实现连接，为了实现各金属层之间的通信和导通，互联结构通常也为金属结构。

进一步地，步骤S22，也即对应像素区，对电路连接层201进行刻蚀以形成第一凹槽，第一凹槽的底面与第一封装层2018远离半导体结构层101一侧的表面共面的步骤用于形成容置光学增强结构LS的空间，也便于在步骤S24和S25中，分别对应像素区和逻辑区形成光学增强结构LS和驱动电极DE；可以理解的是，驱动电极DE用于在感光组件1011接收光信号之前为光学增强结构LS供电，与光学增强结构LS共同提升图像传感器的感光效率，可以利用黄光工艺在光学增强结构LS远离半导体结构层101的一侧定义出图形图案(Pattern)。

具体地，步骤S24中，在第二封装层2021远离第一凹槽的一侧形成光学增强结构LS的步骤还包括以下步骤：

在光学增强结构LS远离半导体结构层101的一侧形成第二凹槽；

或者，在电路连接层201远离半导体结构层101的一侧形成第六介电层2022，第六介电层2022覆盖光学增强结构LS和第二封装层2021。

可以理解的是，请参照图9，前一种实施方式可以用来在对应像素区的位置，光学增强结构LS远离半导体结构层101一侧的表面与光学结构层301靠近半导体结构层101一侧的表面共面从而形成相对密闭的内置空间，当对应像素区的位置光学增强结构LS远离半导体结构层101一侧的表面设置有第二凹槽时，第二凹槽内部通常为非真空结构，也即存在空气填充，当入射光进入光学增强结构LS时，通过空气的光路可以实现足量的反射、衍射或者折射以获得更完整的光信号以提升光学效率；第二凹槽可以通过刻蚀的方式形成，刻蚀出的第二凹槽在垂直方向上的截面优选为矩形。

进一步地，请参照图12，后一种实施方式则可以形成气隙结构，相比于凹槽的设置更有利之处在于可以能为空气提供相对密闭的容置空间，如此可以避免后续工艺中产生的杂质对空气造成污染、导致反射、衍射或者折射效率的下降以至于光学效率降低；可以理解的是，第六介电层2022可以通过等离子化学气相沉积(PECVD)的方式形成，也可以采用化学气相沉积(CVD)结合旋涂(Spin)的方式形成，本申请实施例不对具体采用哪一种方式实现进行限制。

作为一种较佳的实施方式，在本申请实施例中，光学增强结构LS的材料为单晶锗或者多晶锗。作为一种晶体材料，锗可以以单晶或者多晶方式生长，单晶锗的折射率不均匀性位0.00005到0.0001，而多晶锗的折射率不均匀性为0.0001到0.00015，因此单晶锗和多晶锗都可以作为红外材料使用，锗金属的折射率大于4且经过增透膜工艺的锗，可以实现98％以上的透过率。因此，光学增强结构LS的材料为单晶锗或者多晶锗既可以在保证足够高的透过率的同时，确保本申请提供的图像传感器在红外波段的使用效率。其中，光学增强结构LS的沿垂直方向的深度为1-4微米，第二凹槽沿垂直方向的深度为0.5-3.5微米。

实施例三

本申请还提供了一种电子设备，包括上述实施例所提供的图像传感器。

综上，本申请上述实施例公开了一种图像传感器及电子设备，其中，本申请实施例公开的图像传感器包括半导体结构层、电路连接层和光学结构层，半导体结构层内具有呈阵列分布的像素区和逻辑区，像素区包括感光组件，本申请实施例通过在电路连接层对应像素区的位置设置光学增强结构，并利用电路连接层对应逻辑区的位置的驱动电极在感光组件接收光信号之前为光学增强结构供电，使图像传感器的入射光可以更加直接地穿过光学增强结构进入像素区，从而有效降低光学路径长、金属布线反射吸收损耗大等因素对图像传感器性能的影响。

以上所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制本申请的保护范围，而仅仅是表示本申请的选定实施例。基于此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。此外，基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下可获得的所有其它实施例，都应属于本申请保护的范围。

Claims (7)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：

半导体结构层，所述半导体结构层内具有呈阵列分布的像素区和逻辑区，所述像素区和所述逻辑区间隔设置，所述像素区包括感光组件，所述逻辑区包括掺杂层；

电路连接层，所述电路连接层设置于所述半导体结构层的一侧，且所述电路连接层对应所述逻辑区设置有金属布线结构和驱动电极，所述金属布线结构用于实现电路元器件的连接，所述电路连接层对应所述像素区设置有光学增强结构，所述光学增强结构在所述半导体结构层上的投影覆盖所述感光组件在所述半导体结构层上的投影，所述驱动电极用于在所述感光组件接收光信号之前为所述光学增强结构供电；

光学结构层，所述光学结构层设置于所述电路连接层远离所述半导体结构层的一侧，所述光学结构层在所述半导体结构层上的投影覆盖所述光学增强结构在所述半导体结构层上的投影，所述光学结构层包括层叠设置的微透镜和滤光片。

2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光学增强结构靠近所述半导体结构层一侧的表面位于所述电路连接层内，对应所述像素区的位置，所述光学增强结构远离所述半导体结构层一侧的表面与所述光学结构层靠近所述半导体结构层一侧的表面共面。

3.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光学增强结构靠近所述半导体结构层一侧的表面位于所述电路连接层内，且对应所述像素区的位置，所述光学增强结构远离所述半导体结构层一侧的表面也位于所述电路连接层内。

4.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，对应所述像素区的位置，沿垂直于所述半导体结构层的方向，所述光学增强结构远离所述半导体结构层一侧的表面设置有凹槽，且所述凹槽的底面位于所述光学增强结构内。

5.如权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，所述光学增强结构内设置有气隙结构，对应所述像素区的位置，沿垂直于所述半导体结构层的方向，所述气隙结构远离所述半导体结构层一侧的表面与靠近所述半导体结构层一侧的表面均位于所述光学增强结构内。

6.如权利要求1-5任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述光学增强结构的材料为单晶锗或者多晶锗。

7.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的图像传感器。

Images