谐振腔增强的图像传感器制造技术

一种半导体图像传感器器件，包括具有主表面(MS)和相对的后表面(RS)的半导体层(SL)，以及主表面上的电荷载流子生成部件(CG)。电荷载流子生成部件布置在半导体层外的顶部反射层(R1)与底部反射层(R2)之间。

Cavity enhanced image sensor

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】谐振腔增强的图像传感器本专利技术涉及图像传感器的领域，特别是在特定波长下为达到良好量子效率而优化的图像传感器。例如，这种图像传感器可用于投射人造光的系统，如使用结构光图案进行3D成像的相机系统或使用诸如在飞行时间3D成像系统中使用的一组短光脉冲的系统。这种系统通常使用窄带近红外光，因为近红外光对于用户是不可见的。CMOS和CCD图像传感器中常用的硅光电二极管很难检测到近红外光。但是红外区域的特定波段是感兴趣的，因为它们的日光含量低，例如在波长940nm附近的H2O吸收带，这意味着在主动照明系统中背景信号明显较少。然后有利的是使用窄带940nm光源，使得来自日光照射的背景信号量最小化。通常使用诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)或LED之类的光源。但重要的是，图像传感器要在这个波长达到足够的量子效率。需要对特定波长有选择性的图像传感器的其他应用是光致发光成像或2D光谱学。本专利技术也能够用于该领域。在光致发光中，光源或x射线源触发闪烁或光致发光材料中的光致发光。这种光致发光发生在特定的波长，并且照明图案由图像传感器记录。该图像传感器必须仅对光致发光的波长敏感。在2D光谱学中，不同像素可以对特定的波长选择性地敏感，这通过本专利技术的某些实施例来实现。在本专利技术中图像传感器针对其优化的波长能够位于所使用的检测器材料对其光敏感的任何波段中。如果使用硅，则包括可见光和近红外光。对于近红外光，本专利技术提供了额外的优点，即检测器能够保持薄型。光子在光电检测器中有一定的吸收深度，这取决于光电检测器的带隙和能量，因此取决于光子的波长。对于通常用于CMOS和CCD图像传感器的硅，在940nm处的吸收深度为55μm。这意味着940nm的光电检测器将需要至少55μm才能检测最多63％(1–1/e)的光子作为上限，而不会由于反射或复合而造成任何其他损失。因此，需要厚的层以足够大的量子效率收集足够的光子。在每个包含光电二极管的小像素阵列中，厚的检测器层是不可行的，因为由载流子扩散引起的像素之间的串扰会限制图像的清晰度。电荷收集层的厚度通常小于像素间距的两倍。对于尺寸为1.4μm或更小的小像素，采用额外的的隔离技术，例如深注入或深隔离沟槽以避免载流子扩散。为了增加厚度而又不产生过多的串扰，必须通过使用背面偏置技术或改变层中的杂质浓度来使用垂直电场。这种技术通常仅用于较大的像素，例如具有10微米像素间距的像素。这种背面偏置技术还需要在制造过程中增加额外的加工步骤，从而增加了器件的成本。此外，在光子能量不比半导体检测器层的带隙大很多的波长处，电荷载流子收集深度很大程度上取决于温度。较厚的检测器层也限制了能够收集电荷载流子的最大速度。这对于快速选通像素非常重要，例如用于间接飞行时间图像传感器。法布里·珀罗干涉仪或标准具由以特定距离放置的两个反射镜形成。当反射镜之间的光路长度是腔内材料中光的波长的倍数时，就会发生相长干涉。已经描述了具有放置在两个反射镜之间的光子吸收层的结构以构建大的离散光电二极管，主要用于快速收集载流子。在垂直腔面发光激光器(VCSEL)中使用了类似的结构。N.Tack等人的“ACompactHighSpeedandLowCostHyperspectralImager”，Proc.SPIEVol.8266，2012，描述了在像素顶部使用法布里·珀罗干涉仪的高光谱和多光谱传感器。K.Kishino等人的“ResonantCavity-Enhanced(RCE)Photodetectors”，IEEEjournalofQuantumElectronics，Vol.27，No.8，1991年8月，以分析方式描述了位于两个反射镜之间的光电检测器结构的特征，包括量子效率、波长选择性、角灵敏度和载流子收集速度。Kishino等人还介绍了具有InGaAs收集层的AlGaAs-GaAs异质结光电晶体管的特征，以及在电信应用中光纤信号的光谱复用中的应用。M.Emsley等人的“High-SpeedResonant-Cavity-EnhancedSiliconPhotodetectorsonReflectingSubstrates”，IEEEPhotonicsTechnologyLetters，Vol.14，No.4，2002年4月，描述了使用SiO2-Si-SiO2底部反射器和Si/空气界面作为顶部反射器，在厚度为2.1μm的大型光电二极管上以CMOS实现的结构。该检测器是使用绝缘体上硅(SOI)技术制造的。底部反射器由SOI材料构成，外延层在该材料上生长。在该外延层内部的SOI层的顶部加工光电二极管结构。US2005/0263805A1公开了一种像素具有谐振腔光电二极管的成像仪，其增加了对长波长的光的吸收。形成用于光电二极管的沟槽，并且在沟槽的底部上生长反射膜。反射膜将最初未被吸收的光反射回光电二极管的有源区域。沟槽填充有光电检测器材料。US2009/0152664A1公开了一种光电检测器，该光电检测器包括集成电路、集成电路的至少一部分上的两个电极之间的第一光学敏感层，以及在第一光学敏感层上的两个电极之间的第二光学敏感层。将偏压选择性地施加到电极上，并且读取与由相应的光敏层接收的光子的数量有关的信号。本专利技术的目的是提出一种用于提高量子效率的薄型图像传感器，其能够适应于特定的波长。该目的通过根据权利要求1所述的半导体图像传感器器件来实现。实施例源自从属权利要求。谐振腔增强型图像传感器利用了谐振光学腔。它提供了高量子效率，并且使得生成和检测载流子的区域的深度减小。该图像传感器能够被实现为CMOS图像传感器并且与红外光源结合应用，例如，该红外光源通常可以被调谐到940nm的波长。这一概念也能够用于CCD(电荷耦合器件)。图像传感器能够包括薄吸收硅层。所有电荷载流子能够通过适当的电荷收集箱快速收集，该电荷收集箱例如可以包括光电二极管。由于电荷载流子基本上在光电二极管的耗尽区中产生，因此载流子收集过程能够非常快。图像传感器允许设计特别小的像素。谐振腔增强的图像传感器包括分别位于图像传感器有源层的顶部和底部的两个反射镜。提出了三种主要结构：一种用于背照式图像传感器，一种用于前照式图像传感器，以及一种结构，其中包括光检测层和两个反射层的空腔位于读出IC上方的表面。在空腔面向入射辐射的一侧设置有顶部反射层，在远离入射辐射的空腔一侧设置有底部反射层。如将要进一步讨论的，反射镜可以特别地布置在布线的金属层之间的电介质叠层中的不同水平上。反射镜尤其可以是电介质反射镜(例如，布拉格反射镜)，其被调谐以在目标波长下具有最佳反射比。在两个反射镜之间形成的空腔在特定波长下谐振。当波长是反射镜之间的光路长度的整数倍时，将发生相长干涉。谐振波长取决于入射光的入射角。对于镜之间只有一种材料的简单结构，可以通过以下等式一阶地描述干涉：(其中k＝波数；λ＝波长；d＝反射镜之间的中间层的厚度；n＝中间层的折射率)在不同的实施例中，可以在反射镜之间布置不同的材料。然而，能够通过正确调整该叠层的厚度来在目标波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体图像传感器器件，包括：/n半导体层，其具有主表面(MS)和相反的后表面(RS)，以及/n位于所述主表面(MS)处的电荷载流子生成部件(CG)，所述电荷载流子生成部件(CG)对辐射敏感，/n其特征在于/n所述电荷载流子生成部件(CG)布置在顶部反射层(R1)与底部反射层(R2)之间，并且/n所述顶部反射层(R1)与底部反射层(R2)布置在所述半导体层外部。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170602 EP 17174298.4;20170629 EP 17178777.31.一种半导体图像传感器器件，包括：
半导体层，其具有主表面(MS)和相反的后表面(RS)，以及
位于所述主表面(MS)处的电荷载流子生成部件(CG)，所述电荷载流子生成部件(CG)对辐射敏感，
其特征在于
所述电荷载流子生成部件(CG)布置在顶部反射层(R1)与底部反射层(R2)之间，并且
所述顶部反射层(R1)与底部反射层(R2)布置在所述半导体层外部。


2.根据权利要求1所述的半导体图像传感器器件，其中
所述顶部反射层(R1)被设置用于辐射的入射，并且被布置在所述主表面(MS)上方，并且所述底部反射层(R2)布置在所述后表面(RS)上方。


3.根据权利要求1所述的半导体图像传感器器件，其中
所述顶部反射层(R1)被设置用于辐射的入射并且布置在所述后表面(RS)上方，并且所述底部反射层(R2)布置在所述主表面(MS)上方。


4.根据权利要求1至3之一所述的半导体图像传感器器件，还包括：
光电二极管，其形成所述电荷载流子生成部件(CG)，
第一导电类型的区域，其位于所述主表面(MS)处的半导体层中，
与第一导电类型相反的第二导电类型的区域，所述第二导电类型的区域与所述第一导电类型的区域相邻，由此形成所述光电二极管，
感测节点(SN)，其位于所述主表面(MS)处或其附近，以及
传输门(TX)，其位于所述光电二极管与所述感测节点之间的主表面(MS)处。


5.根据权利要求1至4之一所述的半导体图像传感器器件，还包括：
在所述主表面(MS)上或上方的电介质层(ILD)，所述电介质层(ILD)布置在所述半导体层与所述顶部反射层(R1)之间，并且所述顶部反射层(R1)被设置用于辐射的入射。


6.根据权利要求1至4之一所述的半导体图像传感器器件，还包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉·迈南，
申请(专利权)人：AMS有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT