增强型背侧照明的近红外图像传感器

摘要

本申请案涉及一种增强型背侧照明的近红外图像传感器。图像传感器包含安置于半导体材料中以响应于经引导穿过所述半导体材料的背侧的光而积累图像电荷的光电二极管。散射结构接近于所述半导体材料的前侧安置，使得穿过所述背侧引导到所述半导体材料中的所述光往回散射穿过所述光电二极管。深沟槽隔离结构安置于所述半导体材料中，所述深沟槽隔离结构隔离所述光电二极管且界定光学路径，使得在所述光学路径中往回散射穿过所述光电二极管的所述光由所述DTI全内反射。抗反射涂层安置于所述半导体材料的所述背侧上且使由所述散射结构散射的所述光全内反射以将所述光局限为保持在所述光学路径中直到其被吸收为止。

说明书

技术领域

本发明一般来说涉及图像传感器，且更明确地说，本发明涉及近红外图像传感器。

背景技术

图像传感器已变得无所存在。其广泛地用于数码静态相机、蜂窝式电话、安全摄像 机以及医疗、汽车及其它应用中。用于制造图像传感器且明确地说互补金属氧化物半导 体(CMOS)图像传感器(CIS)的技术一直持续快速地发展。举例来说，对较高分辨率及较 低电力消耗的需求已促进了这些图像传感器的进一步小型化及集成。

其中大小及图像质量尤其重要的两个应用领域是安全及汽车应用。对于这些应用， 图像传感器芯片通常必须在可见光谱中提供高质量图像以及在光谱的红外及近红外部 分中具有改进的敏感性。

发明内容

本申请案提供一种图像传感器，其包括：光电二极管，其接近于半导体材料的前侧 安置以响应于穿过所述半导体材料的背侧且穿过所述光电二极管引导到所述半导体材 料中的光而积累图像电荷；散射结构，其接近于所述半导体材料的所述前侧安置，使得 穿过所述半导体材料的所述背侧且穿过所述光电二极管引导到所述半导体材料中且在 所述半导体的所述前侧处反射的所述光往回散射穿过所述光电二极管；深沟槽隔离(DTI) 结构，其安置于所述半导体材料中以隔离所述半导体材料中的所述光电二极管且界定穿 过所述半导体材料到所述光电二极管的光学路径，其中在所述半导体的所述前侧处反射 的所述光在所述光学路径中往回散射穿过所述光电二极管且由所述DTI全内反射以保 持在所述光学路径内；及抗反射涂层，其安置于所述半导体材料的所述背侧上，其中穿 过所述半导体材料的所述背侧引导到所述半导体材料中的所述光经引导穿过所述抗反 射涂层，其中在所述半导体的所述前侧处反射且在所述光学路径中往回散射穿过所述光 电二极管的所述光由所述抗反射涂层全内反射以保持在所述光学路径内。

本申请案还提供一种成像系统，其包括：像素阵列，其具有安置于半导体材料中的 多个像素单元，其中所述多个像素单元中的每一者包含：光电二极管，其接近于所述半 导体材料的前侧安置以响应于穿过所述半导体材料的背侧且穿过所述光电二极管引导 到所述半导体材料中的光而积累图像电荷；散射结构，其接近于所述半导体材料的所述 前侧安置，使得穿过所述半导体材料的所述背侧且穿过所述光电二极管引导到所述半导 体材料中且在所述半导体的所述前侧处反射的所述光往回散射穿过所述光电二极管；深 沟槽隔离(DTI)结构，其安置于所述半导体材料中以隔离所述光电二极管且界定穿过所述 半导体材料到所述光电二极管的光学路径，其中在所述半导体的所述前侧处反射的所述 光在所述光学路径中往回散射穿过所述光电二极管且由所述DTI全内反射以保持在所 述光学路径内；及抗反射涂层，其安置于所述半导体材料的所述背侧上，其中穿过所述 半导体材料的所述背侧引导到所述半导体材料中的所述光经引导穿过所述抗反射涂层， 其中在所述半导体的所述前侧处反射且在所述光学路径中往回散射穿过所述光电二极 管的所述光由所述抗反射涂层全内反射以保持在所述光学路径内；控制电路，其耦合到 所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所 述多个像素单元读出图像数据。

附图说明

参考以下各图描述本发明的非限制性及非穷尽性实施例，其中除非另有说明，否则 贯穿各个视图，相似元件符号是指相似部件。

图1是根据本发明的教示的图解说明可包含于实例增强型背侧照明的近红外图像传 感器中的像素单元的一个实例的示意图。

图2是根据本发明的教示的图解说明实例增强型背侧照明的近红外图像传感器的一 个实例的一部分的横截面图的横截面图。

图3是根据本发明的教示的图解说明包含包含像素阵列的实例增强型背侧照明的近 红外图像传感器的成像系统的一个实例的图式。

贯穿图式的几个视图，对应参考字符指示对应组件。所属领域的技术人员将了解， 各图中的元件是为简单及清晰起见而图解说明的，且未必按比例绘制。举例来说，为帮 助改进对本发明的各种实施例的理解，各图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其 它元件被夸大。此外，通常未描绘在商业上可行的实施例中有用或必需的常见而众所周 知的元件以便促进对本发明的这些各种实施例的较不受阻挡的观看。

具体实施方式

在以下说明中，陈述众多特定细节以提供对本发明的透彻理解。然而，所属领域的 技术人员将明了，无需采用所述特定细节来实践本发明。在其它例子中，未详细描述众 所周知的材料或方法以便避免使本发明模糊。

在本说明书通篇中所提及的“一个实施例”、“一实施例”、“一个实例”或“一 实例”意味着结合所述实施例或实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至 少一个实施例中。因此，在本说明书通篇中的各个地方中出现的短语“在一个实施例中”、 “在一实施例中”、“一个实例”或“一实例”未必全部是指同一实施例或实例。此外， 所述特定特征、结构或特性可在一或多个实施例或实例中以任何适合组合及/或子组合而 组合。特定特征、结构或特性可包含于集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描 述功能性的其它适合组件中。另外，应了解，随本文提供的各图是出于向所属领域的技 术人员阐释的目的且图式未必按比例绘制。

在典型背侧照明的(BSI)图像传感器中，红外或近红外光(举例来说，例如具有约850 nm的波长的光)，大部分入射光进入半导体材料(举例来说，例如硅)的背侧、传播穿过 半导体材料、从半导体材料的前侧反射且接着往回退出半导体材料的背侧而不被吸收。 因此，需要较厚硅以便吸收较多入射红外或近红外光。然而，典型背侧照明的图像传感 器的半导体材料通常被薄化以便改进可见光性能，此使图像传感器的红外或近红外性能 降级。

因此，如下文将描述，根据本发明的教示的实例图像传感器的特征为组合有全内反 射的深沟槽隔离(DTI)结构及在成像传感器芯片的前侧处散射来自漫反射器的光，此在半 导体材料中界定用于红外或近红外光的光导，此将近红外光局限为保持在半导体材料内 直到其被完全吸收为止，此因此改进红外或近红外敏感性并且减小根据本发明的教示的 图像传感器中的光学串扰。

举例来说，在一个实例中，光电二极管接近于半导体材料的前侧安置以响应于穿过 半导体材料的背侧且穿过光电二极管引导到半导体材料中的近红外光而积累图像电荷。 散射结构接近于半导体材料的前侧安置，此致使在第一次通过光电二极管之后未被吸收 的光由散射结构散射且往回经引导多次穿过光电二极管及半导体材料。深沟槽隔离(DTI) 结构安置于半导体材料中，所述DTI结构隔离半导体材料中的光电二极管并且界定半导 体材料中包含光电二极管的光学路径。在半导体的前侧处反射且在光学路径中往回散射 穿过光电二极管的光由DTI结构全内反射，此将光局限为保持在光学路径内。抗反射涂 层安置于半导体材料的背侧上，使得穿过半导体材料的背侧引导到半导体材料中的光经 引导穿过抗反射涂层。在根据本发明的教示，在半导体的前侧处反射且在光学路径中往 回散射穿过光电二极管的光还由抗反射涂层全内反射，此将光局限为保持在光学路径内 直到其在半导体材料中被吸收为止。

为图解说明，图1是根据本发明的教示的图解说明可包含于实例增强型背侧照明的 近红外图像传感器102中的像素单元100的一个实例的示意图。在所描绘实例中，根据 本发明的教示，像素单元100图解说明为是包含于图像传感器102中的四晶体管(“4T”) 像素单元。应了解，像素单元100是用于实施图1的图像传感器102的像素阵列内的每 一像素单元的像素电路架构的一个可能实例。然而，应了解，根据本发明的教示的其它 实例未必限于4T像素架构。根据本发明的教示，受益于本发明的所属领域的技术人员 将理解，本发明教示还适用于3T设计、5T设计及各种其它像素架构。

在图1中所描绘的实例中，像素单元100包含用以积累图像电荷的光电二极管(“PD”) 104、转移晶体管T1106、复位晶体管T2108、浮动扩散部(“FD”)110、源极随耦器(“SF”) 晶体管T3112及选择晶体管T4114。在操作期间，转移晶体管T1106接收将光电二极 管PD104中所积累的图像电荷转移到浮动扩散部FD110的转移信号TX。在一个实例 中，浮动扩散部FD110可耦合到用于暂时存储图像电荷的存储电容器。在一个实例中 且如下文进一步将详细论述，根据本发明的教示，一或多个深沟槽隔离(DTI)结构、漫反 射器及半导体材料的背侧上的抗反射涂层组合有全内反射且散射来自漫反射器的光以 将红外或近红外光局限在半导体材料内直到光被吸收为止。因此，根据本发明的教示， 提供改进的红外或近红外敏感性以及减小的光学串扰。如所图解说明实例中所展示，复 位晶体管T2108耦合于电力轨VDD与浮动扩散部FD110之间以响应于复位信号RST 而将像素单元100复位(例如，将浮动扩散部FD110及光电二极管PD104放电或充电 到预设电压)。浮动扩散部FD110经耦合以控制SF晶体管T3的栅极。SF晶体管T3耦 合于电力轨VDD与选择晶体管T4之间。SF晶体管T3操作为提供到浮动扩散部FD110 的高阻抗连接的源极随耦器放大器。选择晶体管T4114响应于选择信号SEL而将像素 单元100的输出选择性地耦合到读出列位线116。

在一个实例中，TX信号、RST信号、SEL信号及选择性地耦合到深沟槽隔离的读 出脉冲电压由控制电路产生，下文将进一步详细描述其等的实例。在其中图像传感器102 借助全局快门而操作的实例中，全局快门信号耦合到图像传感器102中的每一转移晶体 管T1106的栅极以同时开始从每一像素的光电二极管PD104的电荷转移。或者，根据 本发明的教示，滚动快门信号可施加到转移晶体管T1106的群组。

图2是根据本发明的教示的图解说明实例增强型背侧照明的近红外图像传感器芯片 202的一个实例的一部分的横截面图的横截面图。应了解，图2的图像传感器芯片202 可为图1的图像传感器102的实施方案的一个实例，且下文所提及的类似地命名及编号 的元件是有联系的且类似于如上文所描述起作用。注意，图2中未详细展示图1中所展 示的图像传感器102的其它电路元件(举例来说，例如各种晶体管及相关联扩散部及经掺 杂区域)以便不使本发明的教示模糊。

返回参考图2所图解说明的实例，图像传感器芯片202包含光电二极管204，所述 光电二极管接近于图像传感器芯片202的前侧220安置于半导体材料层218中以响应于 光224而积累图像电荷，所述光穿过半导体材料218的背侧222且穿过光电二极管204 被引导到半导体材料218中，如所展示。在一个实例中，半导体材料218包含硅、多晶 硅或另一适合半导体材料。在一个实例中，还将半导体材料218薄化以便提供图像传感 器芯片202的改进的可见光性能。在一个实例中，光224包含红外或近红外光。举例来 说，在一个实例中，光224可具有约850nm的波长。

如所描绘实例中所展示，根据本发明的教示，图像传感器芯片202还包含安置于半 导体材料218中的深沟槽隔离(DTI)结构228，所述DTI结构隔离半导体材料218中的光 电二极管204并且界定用于光224穿过半导体材料218传播到光电二极管204的光学波 导或光学路径230，如所展示。在一个实例中，根据本发明的教示，DTI结构228沿着 光学路径230的实质部分延伸穿过在半导体材料218的背侧222与光电二极管204之间 的半导体材料218。在一个实例中，DTI结构228由具有比半导体材料218低的折射率 的材料(举例来说，例如氧化物材料)制成。在各种实例中，根据本发明的教示，DTI还 可包含改进暗电流性能的其它材料。举例来说，根据本发明的教示，DTI结构228中可 包含氧化铪、氧化钽及甚至包含具有负偏压的多晶硅填充物的氧化物衬里。

在图2中所描绘的实例中，DTI结构228之间的半导体材料218的包含光电二极管 204的区域218N包含深n光电二极管植入物。换句话说，DTI结构228之间的半导体材 料218的包含光电二极管204的区域218N包含具有第一极性的掺杂剂的深光电二极管 植入物。在所述实例中，DTI结构228之间的半导体材料218的不包含光电二极管204 的区域218P包含深p光电二极管隔离植入物，如所展示。换句话说，DTI结构228之 间的半导体材料218的不包含光电二极管204的区域218P包含具有第二极性的掺杂剂 的深光电二极管隔离植入物。因此，当然应了解，图2中所展示的实例是出于阐释目的， 且在其它实例中，根据本发明的教示，可反转掺杂剂的极性。换句话说，在其它实例中， 根据本发明的教示，可交换衬底极性及NMOS/PMOS结构。

继续图2中所描绘的实例，根据本发明的教示，散射结构226接近于图像传感器芯 片202的前侧220安置于电介质层240中，使得穿过半导体材料218的背侧222且穿过 光电二极管204引导到半导体材料218中且在图像传感器芯片202的前侧220处反射的 光224由散射结构226往回散射穿过光电二极管204回到光学路径230中。在一个实例 中，散射结构226包含形成于金属栅格中的衍射光栅或类似物，所述金属栅格包含于电 介质层240中的接近于图像传感器芯片202的前侧220的金属层中。在各种实例中，根 据本发明的教示，散射结构226可包含经设计而以非法线入射往回散射光的任何适合结 构。如所展示，在图像传感器芯片202的前侧220处反射的光224在光学路径230中往 回散射穿过光电二极管204，且接着由DTI结构228全内反射。因此，根据本发明的教 示，借助散射结构226散射的光224因此局限为保持在半导体材料218中在光学路径230 内直到光224被吸收为止。

继续图2中所描绘的实例，抗反射涂层232安置于半导体材料218的背侧222上。 因此，光224经引导穿过抗反射涂层232到半导体材料218的背侧222中，如所展示。 然而，如所描绘实例中所展示，抗反射涂层232还使在前侧220处反射且在光学路径230 中由散射结构226往回散射穿过光电二极管204的光224全内反射。因此，根据本发明 的教示，抗反射涂层232将光224进一步局限为保持在半导体材料218中在光学路径230 内直到光224被吸收为止。在一个实例中，应了解，在图像传感器芯片202的近红外像 素单元上方的抗反射涂层232不同于图像传感器芯片202的可见光敏像素单元上方的抗 反射涂层。在实例中，根据本发明的教示，抗反射涂层232经特别设计以使入射近红外 光的反射最小化且使全内反射最大化。

图2中所描绘的实例还展示，图像传感器芯片202包含接近于抗反射涂层232安置 的滤色器阵列(CFA)234及接近于滤色器阵列234安置于图像传感器芯片202的背侧222 上的微透镜阵列236。在一个实例中，滤色器阵列234可包含针对图像传感器芯片202 布置成适合图案的红色、绿色、蓝色及红外或近红外滤色器的组合。应了解，在其它实 例中，还可包含其它色彩。

在一个实例中，注意，不存在安置于背侧222上以将近红外光224聚焦到光电二极 管204上的红外或近红外微透镜，此在图2中以指示如果滤色器阵列234中包含近红外 微透镜那么原本将安置近红外微透镜的地方的虚线238展示。在一个实例中，注意，根 据本发明的教示，微透镜阵列236中缺少微透镜238帮助增加全内反射，且因此减小所 散射光224从半导体材料218中的光学路径230的逃逸，此因此增加光224在半导体材 料218中的吸收率以改进图像传感器芯片202的调制转移函数。

在一个实例中，注意，根据本发明的教示，相对于电介质层240的低折射率区域242 还可接近于DTI结构228形成于电介质层240中(如所展示)以将光学路径230进一步延 伸到电介质层240中且改进电介质层240中的串扰抑制。在一个实例中，高折射率区域 242可通过蚀刻或其它适合工艺而形成。

因此，如所描绘实例中所展示，散射结构226散射在半导体材料218的前侧220处 接近临界角反射的光224以实现在半导体材料218与DTI结构228及抗反射涂层232的 界面处的全内反射。因此，根据本发明的教示，光224实质上局限为保持在半导体材料 218中的光学路径230内直到其被吸收为止。因此，应了解，根据本发明的教示，图像 传感器芯片202不仅由于现在吸收实质上所有光224而具有针对红外或近红外光224的 改进的调制转移函数性能，而且图像传感器芯片202还由于光224借助具备DTI结构 228的隔离不泄漏到邻近像素中而具有改进的串扰性能。

图3是根据本发明的教示的图解说明包含增强型背侧照明的近红外图像传感器302 的成像系统342的一个实例的图式。如所描绘实例中所展示，成像系统342包含耦合到 控制电路348及读出电路344的图像传感器302，所述读出电路耦合到功能逻辑346。

在一个实例中，图像传感器302包含为像素单元(例如，像素单元P1、P2、…、Pn) 的二维(2D)阵列的像素阵列。在一个实例中，每一像素单元为CMOS成像像素。注意， 像素阵列492中的像素单元P1、P2、…、Pn可为图1的像素单元100的实例，且下文 所提及的类似地命名及编号的元件是有联系的且类似于如上文所描述起作用。如所图解 说明，每一像素单元布置到行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)中以获取人、 地方、对象等的图像数据，接着可使用所述图像数据来再现所述人、地方、对象等的2D 图像。

在一个实例中，在每一像素单元已积累其图像数据或图像电荷之后，所述图像数据 由读出电路344经由读出列位线316读出且接着传送到功能逻辑346。在各种实例中， 读出电路344可包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它。功能逻辑346可仅存储所 述图像数据或甚至通过应用图像后效应(例如，修剪、旋转、移除红眼、调节亮度、调节 对比度或其它)来操纵所述图像数据。在一个实例中，读出电路344可沿读出列位线316 (所图解说明)一次读出一行图像数据或可使用多种其它技术(未图解说明)同时读出图像 数据，例如串行读出或所有像素的全并行读出。

在一个实例中，控制电路348耦合到图像传感器302以控制图像传感器302的操作 特性。举例来说，控制电路348可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中， 快门信号为用于同时启用图像传感器302内的所有像素单元以在单个获取窗期间同时捕 获其相应图像数据的全局快门信号。在另一实例中，快门信号为滚动快门信号，使得在 连续获取窗期间依序启用每一像素行、每一像素列或每一像素群组。

包含发明摘要中所描述内容的本发明的所图解说明实例的以上说明并非打算为穷 尽性或限制于所揭示的确切形式。虽然出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实 施例及实例，但可在不背离本发明的较宽广精神及范围的情况下做出各种等效修改。

可根据以上详细说明对本发明的实例做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术 语不应理解为将本发明限制于说明书及权利要求书中所揭示的特定实施例。而是，所述 范围将完全由所附权利要求书来确定，所附权利要求书将根据权利要求阐述的既定原则 来加以理解。本说明书及各图据此应视为说明性的而非限制性的。