圖像傳感器的制造方法
【專利摘要】本公開(kāi)涉及圖像傳感器。要解決的一個(gè)問(wèn)題是提供改進(jìn)的圖像傳感器。圖像傳感器包括：光電二極管，光電二極管至少部分地被設(shè)置在半導(dǎo)體層內(nèi)；以及與光電二極管耦合的光吸收層，光吸收層被構(gòu)造成吸收預(yù)定波長(zhǎng)段內(nèi)的入射光，以實(shí)質(zhì)上阻止入射光穿過(guò)所述光吸收層到達(dá)所述光電二極管；其中光吸收層被構(gòu)造成響應(yīng)于吸收所述入射光，加熱所述光電二極管的耗盡區(qū)，從而在耗盡區(qū)中產(chǎn)生電子/空穴對(duì)；并且其中圖像傳感器還包括：與半導(dǎo)體層耦合的至少一個(gè)電介質(zhì)層，以及至少部分地耦合在至少一個(gè)電介質(zhì)層內(nèi)的電氣配線，電氣配線將所述光電二極管與圖像傳感器的至少一個(gè)其他元件電氣耦合。利用本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的圖像傳感器。
【專利說(shuō)明】
圖像傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本文檔的諸方面整體涉及圖像傳感器。更具體的實(shí)施方式涉及互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器通過(guò)響應(yīng)于入射電磁輻射來(lái)傳送信號(hào)，從而傳輸與圖像有關(guān)的信息。圖像傳感器用于各種各樣設(shè)備，包括智能電話、數(shù)碼相機(jī)、夜視設(shè)備、醫(yī)用成像器以及其他許多設(shè)備。本領(lǐng)域中存在利用電荷耦合器件(CCD)和CMOS架構(gòu)的半導(dǎo)體成像器。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型要解決的一個(gè)問(wèn)題是提供改進(jìn)的圖像傳感器。
[0004]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供了一種圖像傳感器，所述圖像傳感器包括:光電二極管，所述光電二極管至少部分地被設(shè)置在半導(dǎo)體層內(nèi)；以及與所述光電二極管耦合的光吸收層，所述光吸收層被構(gòu)造成吸收預(yù)定波長(zhǎng)內(nèi)的入射光，以實(shí)質(zhì)上阻止所述入射光穿過(guò)所述光吸收層到達(dá)所述光電二極管；其中所述光吸收層被構(gòu)造成響應(yīng)于吸收所述入射光，加熱所述光電二極管的耗盡區(qū)，從而在所述耗盡區(qū)中產(chǎn)生電子/空穴對(duì);并且其中所述圖像傳感器還包括:與所述半導(dǎo)體層耦合的至少一個(gè)電介質(zhì)層，以及至少部分地耦合在所述至少一個(gè)電介質(zhì)層內(nèi)的電氣配線，所述電氣配線將所述光電二極管與所述圖像傳感器的至少一個(gè)其他元件電氣親合。
[0005]在一個(gè)實(shí)施例中，所述圖像傳感器還包括耦合在所述入射光與所述光吸收層之間的抗反涂層(ARC)。
[0006]在一個(gè)實(shí)施例中，其中所述光吸收層被設(shè)置在所述半導(dǎo)體層的背面處，并且其中所述至少一個(gè)電介質(zhì)層包括耦合在所述半導(dǎo)體層正面處的正面電介質(zhì)層，所述半導(dǎo)體層的所述正面與所述半導(dǎo)體層的所述背面相背對(duì)。
[0007]在一個(gè)實(shí)施例中，其中所述光吸收層被設(shè)置在所述半導(dǎo)體層的背面處，聚焦元件被設(shè)置在靠近與所述半導(dǎo)體層的所述背面相背對(duì)的所述半導(dǎo)體層正面，并且其中所述聚焦元件被構(gòu)造成使已經(jīng)穿過(guò)所述半導(dǎo)體層的所述入射光返回穿過(guò)所述半導(dǎo)體層朝所述半導(dǎo)體層的所述背面聚焦。
[0008]在一個(gè)實(shí)施例中，其中所述光吸收層被設(shè)置在所述半導(dǎo)體層的背面處，其中所述至少一個(gè)電介質(zhì)層包括正面電介質(zhì)層和背面電介質(zhì)層，其中所述背面電介質(zhì)層位于所述半導(dǎo)體層的背面處;其中聚焦元件被設(shè)置在靠近所述背面電介質(zhì)層，并且被構(gòu)造成使穿過(guò)所述背面電介質(zhì)層的所述入射光朝所述光吸收層聚焦;其中所述正面電介質(zhì)層被設(shè)置在與所述半導(dǎo)體層的所述背面相背對(duì)的所述半導(dǎo)體層正面處;并且其中所述圖像傳感器的所述電氣配線至少部分地被設(shè)置在所述正面電介質(zhì)層內(nèi)。
[0009]在一個(gè)實(shí)施例中，其中所述光吸收層被設(shè)置在所述半導(dǎo)體層的正面處;所述至少一個(gè)電介質(zhì)層包括耦合在所述半導(dǎo)體層的所述正面處的正面電介質(zhì)層;靠近所述正面電介質(zhì)層設(shè)置的聚焦元件，所述聚焦元件被構(gòu)造成使穿過(guò)所述正面電介質(zhì)層的所述入射光朝所述光吸收層聚焦;并且所述圖像傳感器的所述電氣配線至少部分地被設(shè)置在所述正面電介質(zhì)層內(nèi)。
[0010]在一個(gè)實(shí)施例中，其中所述光吸收層包括選自由以下項(xiàng)所構(gòu)成的組中的一種材14:Co；CoSi2；Mo；MoSi2；Ni；NiSi；Ni2Si；NiSi2 ； Pd；PdSi；Pd2Si；Pt；PtSi；Ta；TaSi2;Ti；
及它們的任意組合。
[0011]在一個(gè)實(shí)施例中，其中所述光吸收層被定位在所述半導(dǎo)體層中的兩個(gè)溝槽之間，每個(gè)所述溝槽至少部分地延伸穿過(guò)所述半導(dǎo)體層。
[0012]在一個(gè)實(shí)施例中，其中所述圖像傳感器對(duì)于0.7微米至20微米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光子具有高于50%的量子效率(QE)。
[0013]根據(jù)本實(shí)用新型的又一方面，提供了一種圖像傳感器，所述圖像傳感器包括:互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件，所述CMOS器件包括半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層包括多個(gè)光電二極管，每個(gè)所述光電二極管包括具有耗盡區(qū)的像素；以及多個(gè)光吸收層，每個(gè)所述光吸收層與所述半導(dǎo)體層的像素中的一個(gè)耦合，每個(gè)所述光吸收層被構(gòu)造成吸收入射光，并且實(shí)質(zhì)上阻止所述入射光進(jìn)入所述光電二極管中的一個(gè);其中每個(gè)所述光吸收層被構(gòu)造成響應(yīng)于吸收所述入射光，將所述光電二極管中的一個(gè)的所述耗盡區(qū)加熱，并且由此通過(guò)僅增加溫度，在所述耗盡區(qū)中產(chǎn)生電子/空穴對(duì)。
[0014]本實(shí)用新型的一個(gè)有益效果是提供了改進(jìn)的圖像傳感器。
[0015]從【具體實(shí)施方式】和附圖并且從權(quán)利要求書(shū)，以上以及其他方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員顯而易見(jiàn)。
【附圖說(shuō)明】

[0016]在下文中，將會(huì)結(jié)合附圖來(lái)描述具體實(shí)施，其中相似的標(biāo)號(hào)指示相似元件，并且:
[0017]圖1為圖像傳感器的一個(gè)具體實(shí)施的剖視圖；
[0018]圖2為圖1的圖像傳感器以及圖像傳感器的另一個(gè)具體實(shí)施的剖視圖；
[0019]圖3為圖2的圖像傳感器的剖視圖，其中代表性地示出入射和折射的紅外(IR)光波；
[0020]圖4為圖3的圖像傳感器的剖視圖，其中代表性地示出圖像傳感器的溫度分布；
[0021]圖5為繪出TaSi2和C-Si的復(fù)折射率虛部光譜與波長(zhǎng)之間關(guān)系的曲線圖；
[0022]圖6為繪出多種材料的虛折射率光譜與波長(zhǎng)之間關(guān)系的曲線圖；
[0023]圖7為圖像傳感器的具體實(shí)施的剖視圖；
[0024]圖8為圖像傳感器的具體實(shí)施的剖視圖；
[0025]圖9為圖像傳感器的具體實(shí)施的剖視圖；
[0026]圖10為圖像傳感器的具體實(shí)施的剖視圖；
[0027]圖1IA為沒(méi)有光吸收層(左側(cè)，兩個(gè)淺溝槽之間)的圖像傳感器緊挨著有光吸收層(右側(cè)，兩個(gè)深溝槽之間)的圖像傳感器的剖視圖，示出入射和折射光；
[0028]圖1lB為有光吸收層(左側(cè)，兩個(gè)淺溝槽之間)的圖像傳感器緊挨著有光吸收層(右側(cè)，兩個(gè)深溝槽之間)的圖像傳感器的剖視圖，示出入射和折射光；
[0029]圖12A為圖1lA的圖像傳感器在經(jīng)過(guò)規(guī)定量的時(shí)間之后的剖視圖；
[0030]圖12B為圖1IB的圖像傳感器在經(jīng)過(guò)規(guī)定量的時(shí)間之后的剖視圖；
[0031]圖13A為圖12A的圖像傳感器在經(jīng)過(guò)規(guī)定量的時(shí)間之后的剖視圖；
[0032]圖13B為圖12B的圖像傳感器在經(jīng)過(guò)規(guī)定量的時(shí)間之后的剖視圖；
[0033]圖14A為圖13A的圖像傳感器在經(jīng)過(guò)規(guī)定量的時(shí)間之后的剖視圖；
[0034]圖14B為圖13B的圖像傳感器在經(jīng)過(guò)規(guī)定量的時(shí)間之后的剖視圖；
[0035]圖15A為圖14A的圖像傳感器在經(jīng)過(guò)規(guī)定量的時(shí)間之后的剖視圖；
[0036]圖15B為圖14B的圖像傳感器在經(jīng)過(guò)規(guī)定量的時(shí)間之后的剖視圖；
[0037]圖16A為圖15A的圖像傳感器在經(jīng)過(guò)規(guī)定量的時(shí)間之后的剖視圖；
[0038]圖16B為圖15B的圖像傳感器在經(jīng)過(guò)規(guī)定量的時(shí)間之后的剖視圖；
[0039]圖17A為圖16A的圖像傳感器在經(jīng)過(guò)規(guī)定量的時(shí)間之后的剖視圖；
[0040]圖17B為圖16B的圖像傳感器在經(jīng)過(guò)規(guī)定量的時(shí)間之后的剖視圖；
[0041]圖18為使用傳統(tǒng)無(wú)光吸收層的圖像傳感器生成的印刷電路板(PCB)的暗信號(hào)(暗電流)圖像的頂視圖；
[0042]圖19為使用傳統(tǒng)無(wú)光吸收層的圖像傳感器生成的印刷電路板(PCB)的另一暗信號(hào)(暗電流)圖像的頂視圖；以及
[0043]圖20為使用傳統(tǒng)無(wú)光吸收層的圖像傳感器生成的印刷電路板(PCB)的另一暗信號(hào)(暗電流)圖像的頂視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044]本公開(kāi)、本公開(kāi)的諸方面以及具體實(shí)施不限于本文所公開(kāi)的特定部件、組裝過(guò)程或方法要素。本領(lǐng)域已知的符合預(yù)期圖像傳感器和相關(guān)方法的許多另外的部件、組裝過(guò)程和/或方法要素將顯而易見(jiàn)地與本公開(kāi)的【具體實(shí)施方式】一起使用。因此，例如，雖然已公開(kāi)了【具體實(shí)施方式】，但是此類實(shí)施方式以及實(shí)施部件可以包括本領(lǐng)域針對(duì)此類圖像傳感器和相關(guān)方法以及實(shí)施部件和方法已知的符合預(yù)期操作和方法的任何形狀、大小、樣式、類型、模型、版本、測(cè)量、濃度、材料、數(shù)量、方法要素、步驟等等。
[0045]如本文所用，術(shù)語(yǔ)“圖像傳感器”既可指僅僅與單獨(dú)像素相關(guān)聯(lián)的傳感器，也可知與多個(gè)像素(諸如像素陣列)相關(guān)聯(lián)的傳感器。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“背面”是指元件的與制造期間的晶片背面對(duì)應(yīng)(或者說(shuō)是位于、或面對(duì)晶片背面)的那側(cè)(或者說(shuō)是表面)。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“正面”是指元件的與制造期間的晶片正面對(duì)應(yīng)(或者說(shuō)是位于、或面對(duì)晶片正面)的那側(cè)(或者說(shuō)是表面)。
[0046]現(xiàn)在參見(jiàn)圖1-2，在各種具體實(shí)施中，圖像傳感器(傳感器)2被形成為背面集成(BSI)傳感器6，或者換句話說(shuō)，其在制造期間鄰近晶片背面形成。圖像傳感器2包括一個(gè)與單個(gè)像素10相關(guān)聯(lián)的光電二極管8。溝槽42用于實(shí)現(xiàn)隔離，在這種情況下，主要用于隔熱，如本文所論述。淺溝槽44是與圖2中示出的最左側(cè)圖像傳感器2—起使用，深溝槽46是與圖2中示出的最右側(cè)圖像傳感器52—起示出。
[0047]在圖1至圖2中，半導(dǎo)體層34被置于兩個(gè)電介質(zhì)層28之間。電介質(zhì)層可為金屬間電介質(zhì)(MD)或?qū)娱g電介質(zhì)層(ILD)。在這個(gè)代表性的示例中，半導(dǎo)體層是硅層，電介質(zhì)層是二氧化硅(S12)層。附圖中示出的示例中的溝槽也由S12形成。電介質(zhì)層中的一個(gè)是與制造期間晶片正面對(duì)應(yīng)(或者說(shuō)是位于正面)的正面電介質(zhì)層32。另一個(gè)電介質(zhì)層是與制造期間晶片背面對(duì)應(yīng)(或者說(shuō)是位于背面)的背面電介質(zhì)層30。因此，半導(dǎo)體層具有背面表面36以及正面表面38，所述背面表面36面朝制造期間的晶片背面(或者說(shuō)是位于背面、或在背面上)，所述正面表面38面朝制造期間的晶片正面(或者說(shuō)是位于正面、或在正面上)。正面電介質(zhì)層與半導(dǎo)體層的正面表面耦合，背面電介質(zhì)層與半導(dǎo)體層的背面表面耦合。
[0048]雖然在代表性的示例中使用的是硅基半導(dǎo)體層和電介質(zhì)層，但是在其他具體實(shí)施中，也可使用非硅基半導(dǎo)體層和/或電介質(zhì)層。然而，本文所公開(kāi)的圖像傳感器的元件可用于允許使用硅基半導(dǎo)體層形成紅外(IR)傳感器，這些硅基半導(dǎo)體層之中或其本身一般由于硅的帶隙特性而不能夠感測(cè)IR。然而，可利用各種圖像傳感器具體實(shí)施來(lái)檢測(cè)可見(jiàn)光和人眼不可見(jiàn)光(即紫外線光等)以及可見(jiàn)光與人眼不可見(jiàn)光的任何組合。
[0049]在圖2中，示出兩個(gè)像素10，即第一像素54和第二像素56。此類像素可自然地布置成行、陣列、或任何其他構(gòu)造，以便實(shí)現(xiàn)具有根據(jù)任何期望構(gòu)型來(lái)布置的多個(gè)像素的圖像傳感器。
[0050]每個(gè)光電二極管/像素與光電二極管耗盡區(qū)14相關(guān)聯(lián)，或者包括光電二極管耗盡區(qū)14。光電二極管耗盡區(qū)14 一般位于與頁(yè)面垂直的平面，并由所示虛線表示，在正面表面38上具有最大電壓(諸如包括該圖像傳感器的半導(dǎo)體器件的引腳電壓或V弓腳)。在頁(yè)面平面中以所示另一虛線表示的光電二極管耗盡勢(shì)12與每個(gè)像素相關(guān)聯(lián)，其勢(shì)皇被示為處于大約P阱區(qū)。當(dāng)發(fā)生足以產(chǎn)生電子/空穴對(duì)的事件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子流13和空穴流15，它們由所示箭頭代表性地繪出，由此在分散的電子被像素的光電二極管耗盡場(chǎng)收集時(shí)，提供電流以產(chǎn)生與像素相關(guān)聯(lián)的信號(hào)。
[0051 ]可包括透鏡22和/或光導(dǎo)26來(lái)將光折射、聚焦和/或以其他方式朝向像素傳輸。具體實(shí)施中的透鏡22是氮化硅(SiN)微透鏡24。在其他具體實(shí)施中，光導(dǎo)26/透鏡22可各自由(作為非限制性示例)S1、Ti02、SiC或任何其他高折射率且不吸光的材料制成，所述材料的熱導(dǎo)率低于金屬之類材料的熱導(dǎo)率。光導(dǎo)26—般被容納或安置在背面電介質(zhì)層30內(nèi)。包括了抗反涂層(ARC)40，所述抗反涂層減少?gòu)墓鈱?dǎo)遠(yuǎn)離像素反射回去的光的百分比。抗反涂層(ARC) 18還放置在透鏡22頂部，以減少在透鏡表面處向上反射回去的光的量。在具體實(shí)施中，ARC 40是由二氧化硅(S12)形成。在其他具體實(shí)施中，ARC 40可由SiN、SiC、Ti02、多晶Si(多晶硅)、無(wú)定形Si(a-Si)或其他材料形成。在具體實(shí)施中，透鏡可形成為凸塊，并且ARC18可形成為凸塊上的涂層。在透鏡是凸塊的具體實(shí)施中，透鏡可由與光導(dǎo)相同的材料形成，并且這兩者可由一個(gè)連續(xù)元件形成，其間無(wú)接觸表面。
[0052]因此，目前所述的元件可用于感測(cè)在給定波長(zhǎng)內(nèi)的光。當(dāng)進(jìn)入透鏡/光導(dǎo)中的光的波長(zhǎng)被構(gòu)造成因半導(dǎo)體材料的特征帶隙而在半導(dǎo)體層中產(chǎn)生電子/空穴對(duì)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生電流，并且光將被感測(cè)到，或者換句話說(shuō)，光可用于產(chǎn)生表示光的信號(hào)。根據(jù)半導(dǎo)體材料的帶隙，一些波長(zhǎng)的光可能無(wú)法產(chǎn)生信號(hào)。例如，因硅的特定帶隙，一些或所有的紅外(IR)波長(zhǎng)一般將會(huì)穿過(guò)硅制成的半導(dǎo)體層而不產(chǎn)生這種信號(hào)。
[0053]在圖像傳感器2/52的具體實(shí)施中，光吸收層16被放置在背面表面36上，并與光導(dǎo)底部對(duì)應(yīng)。在圖1至圖2中示出的示例中，光吸收層具有放置在其頂部上的ARC 40。光吸收層被構(gòu)造成吸收預(yù)定波長(zhǎng)的光。在附圖中示出的代表性示例中，光吸收層被專門定制成吸收紅外(IR)區(qū)域的光，但是在其他具體實(shí)施中，它也可被定制成吸收任何其他光譜區(qū)域的光，無(wú)論該光是否是人眼可見(jiàn)的。光吸收層是由被構(gòu)造成吸收入射光的光子能量并將光子能量轉(zhuǎn)換成熱的材料形成。所產(chǎn)生的熱隨后產(chǎn)生/促經(jīng)產(chǎn)生電子/空穴對(duì)，以提供用于提供信號(hào)并且由此感測(cè)光的電流。光吸收層吸收光并向其下方的像素結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱的這個(gè)過(guò)程可被稱為將光吸收層與像素光-熱耦合。
[0054]在具體實(shí)施中，光吸收層包括導(dǎo)電材料(導(dǎo)體)。在具體實(shí)施中，光吸收層包含以下材料中的一種或多種:(:0;(:0512;]?0;]/10512;祖；祖51;附231;祖512;?(1;?(151;?(1231;?扒？七51;Ta;TaSi2;Ti;TiSi2;W;WSi;WSi2;Zr;ZrSi2;多晶Si;Ge摻雜的單晶Si;Ge摻雜的硅上Ge膜;硅上GeSe膜;和/或它們的任何組合。也可使用其他許多材料來(lái)感測(cè)IR光，只要這些其他材料對(duì)較低頻率的光具有高吸收率即可。在光吸收層是金屬硅化物并且半導(dǎo)體層是硅基半導(dǎo)體(諸如單晶硅或多晶硅)的具體實(shí)施中，金屬硅化物可充當(dāng)金屬與硅之間完美或幾乎完美的電子振動(dòng)熱傳遞橋梁，并且可確保進(jìn)入像素之中的快速(或者說(shuō)是最快速的)局部傳熱率。在各種具體實(shí)施中，光吸收層可被稱為包括一個(gè)或多個(gè)窄帶半導(dǎo)體或?qū)w，這些半導(dǎo)體或?qū)w充當(dāng)入射輻射的高效吸收體以及將所吸收的能量轉(zhuǎn)換為局限于該層下方的熱量的轉(zhuǎn)換器。半導(dǎo)體層可被稱為包含像素耗盡區(qū)的寬帶半導(dǎo)體。像素耗盡區(qū)是具有內(nèi)置耗盡場(chǎng)的區(qū)域，該內(nèi)置耗盡場(chǎng)被構(gòu)造成在光吸收層和半導(dǎo)體層的界面位置處將形成在給定像素的耗盡區(qū)邊界內(nèi)或其上的電子-空穴對(duì)分離。如本文所論述，光吸收層所產(chǎn)生的熱量在像素耗盡區(qū)中生成電子-空穴對(duì)。
[0055]一種材料適合作為光吸收層材料發(fā)揮良好功能的能力，能夠使用復(fù)折射率的虛部來(lái)預(yù)測(cè)，“k”值越高，相應(yīng)的吸收率值越高。例如，圖5示出曲線圖64，該曲線圖繪出TaSi2和單晶Si(C-Si)的相對(duì)于光譜波長(zhǎng)的指數(shù)級(jí)k值。用于確定吸收率的公式為:吸收率= l-exp(_4π1?1/λ);其中d =厚度，λ =波長(zhǎng)，k =折射率的虛部。
[0056]從圖5可以看出，非常薄的TaSi2中的100%吸收率出現(xiàn)在非常廣的光譜范圍內(nèi)，比單晶硅寬約10倍至100倍。這預(yù)測(cè)了可由一個(gè)或多個(gè)寬波段IR敏感像素來(lái)形成用于寬波段IR感測(cè)的圖像傳感器，所述寬波段IR敏感像素使用薄TaSi2層作為光吸收層。這可以形成為BSI傳感器。圖6示出曲線圖66，該曲線圖繪出幾種金屬、金屬硅化物(S卩，TaSi2、CoSi2、103丨2、附3丨、祖23^、10、(:0和11)和單晶3丨(^丨)的相對(duì)于光波長(zhǎng)的指數(shù)級(jí)1^值。所繪出的每種金屬和硅化物呈現(xiàn)的指數(shù)級(jí)吸收系數(shù)，比單晶Si中的指數(shù)級(jí)吸收系數(shù)至少高出約100至1000倍，并且將會(huì)允許檢測(cè)光子的光譜范圍比單晶Si寬得多(至少大100倍)。吸收系數(shù)的差異表明在光譜低頻部分存在顯著優(yōu)勢(shì)的導(dǎo)體能態(tài)密度(DOS)導(dǎo)致了快速有效的熱傳遞(因此等同于像素中的極快速的局部加熱效應(yīng))Λ值與DOS正相關(guān)，并且通常在光譜學(xué)中用來(lái)估計(jì)DOS。
[0057]因此，具體實(shí)施中的光吸收層可包括位于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)或CCD圖像傳感器像素的背面集成(BSI)側(cè)上的高吸收率、非反射(或者說(shuō)是低反射)薄層導(dǎo)體，以產(chǎn)生半導(dǎo)體材料(諸如Si)的快速局部加熱效應(yīng)，從而在像素/光電二極管耗盡區(qū)中生成更多電子/空穴。將光吸收層在像素光電二極管耗盡區(qū)上方、附近或其內(nèi)側(cè)向展開(kāi)(和/或使光吸收層相對(duì)于像素居中)使熱局部化，以便增加在光吸收層與半導(dǎo)體層的界面處或附近生成的電子/空穴對(duì)。使用光電二極管耗盡場(chǎng)12來(lái)使生成的電子/空穴對(duì)分離并收集信號(hào)電子。
[0058]所吸收的光子產(chǎn)生的能量非?？焖俚乇晦D(zhuǎn)換成不均衡的像素局部化熱量。這種吸收/轉(zhuǎn)換可能在幾皮秒內(nèi)發(fā)生，這比在Si中經(jīng)由光子來(lái)進(jìn)行的側(cè)向熱耗散(約1至15THz)快得多。圖18至圖20示出實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果，其中甚至更緩慢的電阻加熱速率(GHz量級(jí))從傳統(tǒng)圖像傳感器像素陣列的印刷電路板生成側(cè)向良好限定的信號(hào)(作為“暗電流”或“暗信號(hào)”圖像)。因此，傳統(tǒng)的圖像傳感器中呈現(xiàn)的“暗電流”或“暗信號(hào)”被無(wú)意中捕獲，但是對(duì)于本文所公開(kāi)的圖像傳感器2，52，此類暗電流將通過(guò)光吸收層中低于Si帶隙光子的吸收而有意捕獲。因此，利用光吸收層的圖像傳感器允許長(zhǎng)波長(zhǎng)的光成像，即使這些波長(zhǎng)在Si帶隙外部。在吸收頻率為約30至500THZ的(波長(zhǎng)為10至0.6微米)的IR光子后，像素中增加的局部加熱將會(huì)導(dǎo)致生成比與傳統(tǒng)圖像傳感器有關(guān)的前述過(guò)程多的電子-空穴對(duì)。
[0059]圖18示出傳統(tǒng)圖像傳感器的印刷電路板(PCB)112，該P(yáng)CB具有金屬配線114，該金屬配線從電阻加熱釋放“暗信號(hào)”，該暗信號(hào)被圖像傳感器捕獲。圖19至圖20示出另一個(gè)傳統(tǒng)圖像傳感器的印刷電路板(PCB)116，該圖像傳感器具有由鎢形成的接觸球118，該接觸球釋放“暗信號(hào)”，被傳統(tǒng)圖像傳感器捕獲。如圖像上所示的那樣，圖19是低光捕獲(即，對(duì)圖像傳感器進(jìn)行低照射)，圖20是無(wú)光捕獲(S卩，不對(duì)圖像傳感器進(jìn)行照射)。在這些情況中的每個(gè)情況下，暗信號(hào)是因圖像傳感器的元件(或者說(shuō)是圖像傳感器的PCB或者與該圖像傳感器耦合的PCB)的電阻加熱而生成。因此，圖18中的金屬配線的電阻加熱以及圖19至圖20中的接觸球的電阻加熱產(chǎn)生了在圖像中示出的暗信號(hào)。圖18是利用前照式傳感器捕獲的。圖19至圖20是在70攝氏度下獲得，并且顯示出接觸球之間的不均勻性。在BSI圖像傳感器陣列中從電阻加熱TiN插頭也捕獲了這樣的暗信號(hào)。
[0060]在以上圖18至圖20的情況下，暗信號(hào)是由導(dǎo)體/半導(dǎo)體(S卩，導(dǎo)體/Si)界面上的電阻加熱導(dǎo)體所產(chǎn)生的。在這些情況下，比單晶硅的最大波長(zhǎng)(約1.2微米)更長(zhǎng)的波長(zhǎng)被檢測(cè)為暗信號(hào)。圖18是通過(guò)對(duì)PCB配線進(jìn)行電阻加熱或通過(guò)長(zhǎng)波長(zhǎng)吸收來(lái)產(chǎn)生暗信號(hào)的傳統(tǒng)正面圖像傳感器。在具體實(shí)施中，圖像傳感器2，52以及本文所公開(kāi)的其他圖像傳感器可被構(gòu)造成檢測(cè)PCB或與圖像傳感器耦合的其他元件的暗信號(hào)以及自動(dòng)對(duì)它們進(jìn)行校正，這些暗信號(hào)在使用期間產(chǎn)生“恒定的”暗圖像(噪聲)。
[0061]在圖像傳感器2，52以及本文所公開(kāi)的其他圖像傳感器中，放置在BSICMOS圖像傳感器像素中的半導(dǎo)體層(諸如Si)的BSI側(cè)上的光吸收層增強(qiáng)并且擴(kuò)展了光傳感器越過(guò)Si帶隙來(lái)感測(cè)約0.7微米至20微米光譜范圍中的長(zhǎng)光波長(zhǎng)的感測(cè)能力。
[0062]在圖1至圖2中示出的具體實(shí)施中，圖像傳感器2/52是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)傳感器120，但是也可使用其他類型的器件形成圖像傳感器2/52，諸如電荷耦合器件(CCD)傳感器。當(dāng)使用CMOS傳感器120時(shí)，該器件就變?yōu)槭褂镁植抗庾蛹訜嵝?yīng)的增強(qiáng)IR敏感BSI CMOS圖像傳感器。
[0063]圖3是使用加拿大溫哥華Lumerical Solut1ns，Inc.以商品名FDTD SOLUT1NS銷售的納米光電建模軟件產(chǎn)生的圖像。該模型中使用的變量被優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)高于60%的理論量子效率(QE)，并且除其他外，包括以下參數(shù)(也可在圖像傳感器的實(shí)際具體實(shí)施中使用):圖像傳感器是BSI傳感器;入射光是1500納米(nm)波長(zhǎng)平面波光;透鏡22具有1860nm的曲率半徑和640nm的高度，并且由SiN制成;ARC 18是S12ARC 20，并且為200nm厚；半導(dǎo)體層34為2微米厚的硅;像素寬度/直徑為3微米;光吸收層為160nm厚的TaSi2層;光導(dǎo)是由SiN形成，具有1500nm的入口直徑DiN、260nm的出口直徑Dqut以及3280nm的從Din至Dqut的長(zhǎng)度；背面電介質(zhì)層上方的區(qū)域/體積為空氣;ARC 40為IlOnmX 1800nm的SiC層(n = 2.6;k = 0);背面電介質(zhì)層為或約為3至4微米厚，并且由S12形成;正面電介質(zhì)層為或約為4微米厚，并且由S12形成;而且淺溝槽和深溝槽由S12形成。
[0064]并非所有圖2的元件都具體標(biāo)示在圖3中，但是讀者可預(yù)想出在兩個(gè)圖像重疊在一起的情況下，各種元件將定位在何處。標(biāo)明了背面電介質(zhì)層30、半導(dǎo)體層34和正面電介質(zhì)層32，并且大致指出了圖像傳感器2和52的位置，而且它們的位置從光分布以及前面的圖2明顯可見(jiàn)，在圖2中各對(duì)應(yīng)元件具有相同構(gòu)造。如從建模軟件產(chǎn)生的圖3中的圖像可以看出，入射光58(在這種情況下，為紅外(IR)光60)朝兩個(gè)圖像傳感器(即圖像傳感器2和圖像傳感器52)照射，這兩個(gè)圖像傳感器均為背面圖像傳感器6，但圖像傳感器2具有淺溝槽構(gòu)造，而圖像傳感器52具有深溝槽構(gòu)造，如本文所論述。該模型表明了撞擊SiC/TaSi2界面之前的高強(qiáng)度1500nm波長(zhǎng)入射光。
[0065]光學(xué)模擬不出1500nm光的強(qiáng)度分布。對(duì)于左側(cè)的圖像傳感器2，1500nm光均不穿過(guò)TaSi2層，并且這導(dǎo)致了62%的像素量子效率(QE)，假定100%的吸收光子能量在TaSi2光吸收層16內(nèi)被轉(zhuǎn)換成不均衡熱量。該模型還表明，1500nm的光在娃半導(dǎo)體層中很少被吸收或不被吸收，因?yàn)楣鈴?qiáng)度看起來(lái)在紅外光進(jìn)入并穿過(guò)硅層的區(qū)域中保持不變。右側(cè)的圖像傳感器52看起來(lái)表現(xiàn)出相似的特性。雖然圖像傳感器52采用的是深溝槽構(gòu)造而圖像傳感器2采用的是淺溝槽構(gòu)造，但是兩個(gè)圖像傳感器2和52看起來(lái)表現(xiàn)得大致相同。對(duì)于圖像傳感器52而言，阻擋1500nm光的區(qū)域略大或可忽略不計(jì)地更大，但一般而言，隔離選擇看起來(lái)不影響1500nm的光學(xué)特性。
[0066]以上模型表明，包括本文所述的元件的圖像傳感器可實(shí)現(xiàn)在包括0.7微米至20微米波長(zhǎng)(超過(guò)Si帶隙)的極寬光譜范圍中的紅外光子的極高敏感度(在50 %量子效率(QE)以上)。
[0067]圖4示出利用馬薩諸塞州伯靈頓市科姆素爾公司(C0MS0L，Inc.0f Burlington,Massachusetts)以商品名COMSOL MULTIPHYSICS銷售的建模軟件并使用與以上相對(duì)于FDTDSOLUT1NS模型所描述的那些相同的參數(shù)來(lái)創(chuàng)建的圖像。該圖像示出入射的1500nm光波被光吸收層吸收后20納秒時(shí)的溫度分布。熱量刻度示出為62，范圍從24攝氏度(暗端)至40攝氏度(亮端)，并且因此，圖3中的對(duì)應(yīng)顏色指示溫度分布?？梢钥闯觯瑐?cè)向熱量耗散相對(duì)緩慢。對(duì)于具有淺溝槽隔離(以受熱區(qū)域48示出)的左側(cè)光傳感器和具有深溝槽隔離(以受熱區(qū)域50示出)的右側(cè)光傳感器兩者而言，熱量在20ns處被徹底局部化。在兩種情況下，熱量大致都被限制于像素區(qū)域。然而，右側(cè)具有深溝槽隔離的光傳感器示出熱量被實(shí)質(zhì)上改進(jìn)地限制于像素有效區(qū)域內(nèi)，從而使其溫度增高并改進(jìn)其量子效率(QE)。這個(gè)模型假定所吸收的1500nm光子能量100 %被轉(zhuǎn)化成像素內(nèi)的非均衡局部化熱量。根據(jù)該模型，1500nm下的像素量子效率(QE)為62%。
[0068]圖1lA至圖17B示出使用如上所討論的相同變量的模型化時(shí)間推移圖像，這些圖像示出1500nm光脈沖的吸收、反射、折射和穿過(guò)。圖11A、圖12A、圖13A、圖14A、圖15A、圖16A和圖17A示出兩種型式，其中左側(cè)圖像傳感器4不包括光吸收層并且包括淺溝槽隔離、而右側(cè)圖像包括光吸收層并且包括深溝槽隔離。在圖11B、圖12B、圖13B、圖14B、圖15B、圖16B和圖17B中，除左側(cè)圖像傳感器包括光吸收層之外，變量極為類似。
[0069]在圖1lA和圖1lB中，入射光58，在這個(gè)模型中為1500nm的紅外(IR)光60，已經(jīng)開(kāi)始穿過(guò)光導(dǎo)側(cè)面上的背面電介質(zhì)層，并且將被透鏡和光導(dǎo)折射(聚焦)。在圖12A和圖12B中，光被進(jìn)一步示為穿過(guò)背面電介質(zhì)層以及被光導(dǎo)進(jìn)一步折射/聚焦。在圖13A和圖13B中，可看到光導(dǎo)側(cè)面上的光部分地穿過(guò)半導(dǎo)體層并且部分地被反射，而在每種情況下，可看到光導(dǎo)內(nèi)的光被進(jìn)一步折射/聚焦并且被光吸收層完全吸收，對(duì)于其中看到光筆直穿過(guò)光導(dǎo)進(jìn)入半導(dǎo)體層中的圖像傳感器4而言則是例外。其余的圖14A至圖17B大致繼續(xù)描述這種例外，其中光被示為筆直穿過(guò)圖像傳感器4并且進(jìn)入半導(dǎo)體層中，穿過(guò)半導(dǎo)體層到達(dá)正面電介質(zhì)層等。每層上可看到一些折射。
[0070]因此，圖1lA至圖17B的模型化圖像大致示出按照?qǐng)D3的連續(xù)照射模型預(yù)期將發(fā)生的情況，即，入射的1500nm光脈沖均未穿過(guò)光吸收層，但是不具有光吸收層的圖像傳感器4允許光筆直穿過(guò)其中并且進(jìn)入半導(dǎo)體層中，然后離開(kāi)半導(dǎo)體層進(jìn)入正面電介質(zhì)層中。因此，與傳統(tǒng)硅基圖像傳感器的大致情況一樣，圖像傳感器4不“感測(cè)”紅外光脈沖。
[0071]圖7示出圖像傳感器(傳感器)68，該圖像傳感器包括一對(duì)光電二極管70，每個(gè)光電二極管包括具有耗盡區(qū)74的像素72。第一像素76具有第一耗盡區(qū)(PD區(qū))78，第二像素80具有第二耗盡區(qū)(H)區(qū))82?？煽吹焦馕諏咏橛诒趁姹砻?6與ARC 40之間。轉(zhuǎn)移柵極84將分離電子與電氣配線86電氣耦合，該電氣配線86至少部分地在作為正面電介質(zhì)層的所示電介質(zhì)層28內(nèi)。在這種型式中，未示出背面電介質(zhì)層。可不包括背面電介質(zhì)層，但可以想象，在具體實(shí)施中，可存在部分地包封ARC 40的側(cè)面(至少ARC的頂側(cè)除外)的背面電介質(zhì)層。電氣配線86可將光電二極管電氣耦合到圖像傳感器的另一元件，諸如放大器、處理器、存儲(chǔ)元件等等。另外或作為選擇，電氣配線可將光電二極管與圖像傳感器外側(cè)(或者外部)的任何元件(諸如放大器、處理器、存儲(chǔ)元件等)耦合。
[0072]值得注意的是，圖7的一個(gè)或多個(gè)圖像傳感器并不包括任何透鏡或光導(dǎo)，但是光吸收層直接位于半導(dǎo)體層之上，并且ARC 40直接位于光吸收層頂部。因此，這種型式并不包括任何聚焦元件或光導(dǎo)元件。這種架構(gòu)可用于BSI圖像CCD和CMOS傳感器，并且可不需要聚焦元件，特別是對(duì)長(zhǎng)于最大c-Si檢測(cè)波長(zhǎng)(S卩，大于約1.2微米)的情況。
[0073]圖8示出圖像傳感器88，除了在正面電介質(zhì)層內(nèi)包括聚焦元件90之外，該圖像傳感器其他方面與圖像傳感器68相同。聚焦元件90是反射器92，并且入射光58由此反射的光波94被示出為指向一個(gè)或多個(gè)光吸收層。因此，該圖像傳感器包括正面反射聚焦元件，該元件將入射光朝BSI側(cè)上的光吸收層聚焦。在具體實(shí)施中，聚焦元件90是金屬反射器或多層電介質(zhì)反射器。
[0074]圖9示出圖像傳感器96，除了包括背面電介質(zhì)層30和作為透鏡100的聚焦元件98之夕卜，該圖像傳感器其他方面類似于圖像傳感器68。透鏡100可以是微透鏡102，該微透鏡可僅僅是以電介質(zhì)材料制成的凸塊106并且可具有置于其上的抗反涂層104。該凸塊可由與背面電介質(zhì)層相同的材料形成，并且可具有大于I的折射率。在具體實(shí)施中，可以省略抗反涂層。折射光108被示出為指向吸收該折射光的光吸收材料。
[0075]除了作為正面器件之外，圖10的圖像傳感器110其他方面與圖像傳感器96相同，其中光吸收材料位于半導(dǎo)體層的正面表面38上，并且轉(zhuǎn)移柵極84和電氣配線86位于正面電介質(zhì)層32內(nèi)。該圖像傳感器尤其可以是其中使用更大像素的選擇方案。在此類具體實(shí)施中，該架構(gòu)可被設(shè)計(jì)以避免用入射光為金屬配線照明。
[0076]使用本文中公開(kāi)的部件來(lái)實(shí)施的圖像傳感器的一些具體實(shí)施可以允許在極廣范圍內(nèi)(高達(dá)大于20微米的遠(yuǎn)紅外(IR)范圍內(nèi)很長(zhǎng)的波長(zhǎng))進(jìn)行光譜收集。為了在任何特定光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳條件，對(duì)光吸收層材料及其厚度的選擇，以及對(duì)抗反涂層、透鏡、光導(dǎo)、半導(dǎo)體層、電介質(zhì)層等的材料和大小的選擇可以變化和/或開(kāi)發(fā)，并且也可對(duì)工藝流程進(jìn)行相關(guān)改變。
[0077]在圖像傳感器的一些具體實(shí)施中，因光吸收層本身受熱可從光吸收層釋放一些光子，但是光子的量相對(duì)于入射光而言可能很少或者可忽略不計(jì)。
[0078]在一個(gè)具體實(shí)施中，一種圖像傳感器包括:一個(gè)半導(dǎo)體層和一個(gè)光吸收層，光吸收層在圖像傳感器的一個(gè)像素處與半導(dǎo)體層耦合，其中光吸收層吸收入射光并且實(shí)質(zhì)上阻止入射光進(jìn)入半導(dǎo)體層。光吸收層響應(yīng)于吸收入射光，將半導(dǎo)體層的一個(gè)區(qū)域(受熱區(qū)域)加熱，由此在受熱區(qū)域中產(chǎn)生電子/空穴對(duì)。
[0079]在一個(gè)具體實(shí)施中，光吸收層包括選自以下項(xiàng)中的一種材料:Co；CoSi2；Mo；MoSi2；Ni；NiSi；Ni2Si；NiSi2 ； Pd ； PdSi；Pd2Si ； Pt；PtSi；Ta；TaSi2;Ti；TiSi2；ff；WSi；WSi2;Zr；ZrSi2;多晶Si ;Ge摻雜的單晶Si ;Ge摻雜的硅上Ge膜;娃上GeSe膜;或者它們的任意組合。
[0080]在一個(gè)具體實(shí)施中，圖像傳感器包括微透鏡，并且光吸收層被耦合在微透鏡與半導(dǎo)體層之間，其中微透鏡將入射光朝光吸收層折射。
[0081]在一個(gè)具體實(shí)施中，光導(dǎo)被耦合在微透鏡與光吸收層之間，并且將折射光傳輸?shù)焦馕諏印?br>[0082]在一個(gè)具體實(shí)施中，圖像傳感器包括背面集成(BSI)傳感器。
[0083]在一個(gè)具體實(shí)施中，光吸收層被定位在半導(dǎo)體層中的兩個(gè)淺溝槽之間，其中每個(gè)淺溝槽僅從半導(dǎo)體層的背面部分地穿過(guò)半導(dǎo)體層朝半導(dǎo)體層的正面延伸。
[0084]在一個(gè)具體實(shí)施中，該圖像傳感器包括被耦合在入射光與光吸收層之間的抗反涂層(ARC)。
[0085]在一個(gè)具體實(shí)施中，該圖像傳感器對(duì)于0.7微米至20微米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光子而言具有高于50%的量子效率(QE)。
[0086]圖像傳感器的具體實(shí)施可包括:半導(dǎo)體層，以及光吸收層，所述光吸收層在所述圖像傳感器的像素處與所述半導(dǎo)體層耦合，所述光吸收層被構(gòu)造成吸收入射光，并且實(shí)質(zhì)上阻止所述入射光進(jìn)入所述半導(dǎo)體層;其中所述光吸收層被構(gòu)造成響應(yīng)于吸收所述入射光，將所述半導(dǎo)體層的某個(gè)區(qū)域(受熱區(qū)域)加熱，并且由此在受熱區(qū)域中產(chǎn)生電子/空穴對(duì)。
[0087]圖像傳感器的具體實(shí)施可以包括以下之一、全部或任一者:
[0088]光吸收層可以包含選自以下項(xiàng)中的一種材料:Co; CoSi2; Mo; MoSi2; Ni; NiSi;Ni2Si ;NiSi2;Pd;PdSi ;Pd2Si;Pt;PtSi ;Ta; TaSi2 ;Ti;TiSi2 ;W;WSi; WSi2; Zr; ZrSi2;多晶 Si;Ge摻雜的單晶Si ;Ge摻雜的硅上Ge膜;硅上GeSe膜；以及它們的任何組合。
[0089]可包括微透鏡，光吸收層被耦合在微透鏡與半導(dǎo)體層之間，微透鏡被構(gòu)造成將入射IR光折射至朝向光吸收層。
[°09°]光導(dǎo)可被親合在微透鏡與光吸收層之間，并且可被構(gòu)造成將折射光傳輸?shù)焦馕諏印?br>[0091]圖像傳感器可為背面集成(BSI)傳感器。
[0092]光吸收層可被定位在半導(dǎo)體層中的兩個(gè)淺溝槽之間，每個(gè)淺溝槽僅部分地從半導(dǎo)體層背面穿過(guò)半導(dǎo)體層朝半導(dǎo)體層正面延伸。
[0093]光吸收層可被定位在半導(dǎo)體層中的兩個(gè)深溝槽之間，每個(gè)深溝槽從半導(dǎo)體層背面完全穿過(guò)半導(dǎo)體層朝半導(dǎo)體層正面延伸。
[0094]抗反涂層(ARC)可被親合在入射光與光吸收層之間。
[0095]圖像傳感器對(duì)于0.7微米至20微米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光子而言可具有高于50%的量子效率(QE)。
[0096]圖像傳感器的具體實(shí)施可包括:光電二極管，所述光電二極管被至少部分地包括在半導(dǎo)體層內(nèi)；以及光吸收層，所述光吸收層與所述光電二極管耦合，所述光吸收層被構(gòu)造成吸收預(yù)定波長(zhǎng)內(nèi)的入射光，以實(shí)質(zhì)上阻止所述入射光穿過(guò)所述光吸收層到達(dá)所述光電二極管；其中所述光吸收層被構(gòu)造成響應(yīng)于吸收所述入射光，將所述光電二極管的耗盡區(qū)加熱，并且由此在所述耗盡區(qū)中產(chǎn)生電子/空穴對(duì);并且其中所述圖像傳感器還包括:至少一個(gè)電介質(zhì)層，所述至少一個(gè)電介質(zhì)層與所述半導(dǎo)體層耦合；以及電氣配線，所述電氣配線被至少部分地耦合在所述至少一個(gè)電介質(zhì)層內(nèi)，將所述光電二極管與所述圖像傳感器的至少一個(gè)其他元件電氣親合。
[0097]圖像傳感器的具體實(shí)施可以包括以下之一、全部或任一者:
[0098]抗反涂層(ARC)可被親合在入射光與光吸收層之間。
[0099]光吸收層可被定位于半導(dǎo)體層的背面上，并且其中至少一個(gè)電介質(zhì)層可包括正面電介質(zhì)層，所述正面電介質(zhì)層被耦合在半導(dǎo)體層的與半導(dǎo)體層背面相背對(duì)的正面上。
[0100]光吸收層可被定位于半導(dǎo)體層的背面，聚焦元件可被定位于靠近半導(dǎo)體層的與半導(dǎo)體層背面相背對(duì)的正面，并且聚焦元件可被構(gòu)造成使已經(jīng)穿過(guò)半導(dǎo)體層的入射光重新穿過(guò)半導(dǎo)體層朝半導(dǎo)體層的背面聚焦。
[0101]光吸收層可被定位于半導(dǎo)體層的背面，至少一個(gè)電介質(zhì)層可包括正面電介質(zhì)層和背面電介質(zhì)層，其中背面電介質(zhì)層可被定位于半導(dǎo)體層的背面，聚焦元件可被定位于靠近背面電介質(zhì)層并且可被構(gòu)造成使入射光穿過(guò)背面電介質(zhì)層朝向光吸收層聚焦，正面電介質(zhì)層可被定位于半導(dǎo)體層的與半導(dǎo)體層背面相背對(duì)的正面，并且圖像傳感器的電氣配線可至少部分地被包括在正面電介質(zhì)層內(nèi)。
[0102]光吸收層可被定位于半導(dǎo)體層的正面，至少一個(gè)電介質(zhì)層可包括耦合在半導(dǎo)體層的正面上的正面電介質(zhì)層，聚焦元件可被定位于靠近正面電介質(zhì)層并且可被構(gòu)造成使入射光穿過(guò)正面電介質(zhì)層朝向光吸收層聚焦，并且圖像傳感器的電氣配線可至少部分地被包括在正面電介質(zhì)層內(nèi)。
[0103]光吸收層可以包含選自以下項(xiàng)的中的一種材料:Co;CoSi2;Mo;MoSi2;Ni;NiSi;Ni2Si ;NiSi2;Pd;PdSi ;Pd2Si;Pt;PtSi ;Ta; TaSi2 ;Ti;TiSi2 ;W;WSi; WSi2; Zr; ZrSi2;多晶 Si;Ge摻雜的單晶Si ;Ge摻雜的硅上Ge膜;硅上GeSe膜；以及它們的任何組合。
[0104]光吸收層可被定位在半導(dǎo)體層中的兩個(gè)溝槽之間，每個(gè)溝槽至少部分地延伸通過(guò)半導(dǎo)體層。
[0105]圖像傳感器對(duì)于0.7微米至20微米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光子而言可具有高于50%的量子效率(QE)。
[0106]圖像傳感器的具體實(shí)施可包括:互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件，所述CMOS器件具有半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層包括多個(gè)光電二極管，每個(gè)光電二極管具有像素，所述像素具有耗盡區(qū)；以及多個(gè)光吸收層，每個(gè)光吸收層與所述半導(dǎo)體層中的像素中的一個(gè)形成耦合，每個(gè)光吸收層被構(gòu)造成吸收入射光，并且實(shí)質(zhì)上阻止所述入射光進(jìn)入所述光電二極管中的一個(gè);其中每個(gè)光吸收層被構(gòu)造成響應(yīng)于吸收所述入射光，將所述光電二極管中的耗盡區(qū)加熱，并且由此通過(guò)僅僅增加溫度，在所述耗盡區(qū)中產(chǎn)生電子/空穴對(duì)。
[0107]圖像傳感器的具體實(shí)施可以包括以下之一、全部或任一者:
[0108]圖像傳感器對(duì)于0.7微米至20微米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光子而言可具有高于50%的量子效率(QE)。
[0109]在以上描述涉及圖像傳感器和相關(guān)方法以及實(shí)施部件、子部件、方法和子方法的具體實(shí)施的情況中，應(yīng)當(dāng)顯而易見(jiàn)的是，在不背離具體實(shí)施精神的情況下，可以做出多種修改，并且這些具體實(shí)施、實(shí)施部件、子部件、方法和子方法可適用于其他圖像傳感器和相關(guān)方法。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種圖像傳感器，其特征在于:所述圖像傳感器包括: 光電二極管，所述光電二極管至少部分地被設(shè)置在半導(dǎo)體層內(nèi)；以及 與所述光電二極管耦合的光吸收層，所述光吸收層被構(gòu)造成吸收預(yù)定波長(zhǎng)內(nèi)的入射光，以實(shí)質(zhì)上阻止所述入射光穿過(guò)所述光吸收層到達(dá)所述光電二極管； 其中所述光吸收層被構(gòu)造成響應(yīng)于吸收所述入射光，加熱所述光電二極管的耗盡區(qū)，從而在所述耗盡區(qū)中產(chǎn)生電子/空穴對(duì);并且其中所述圖像傳感器還包括:與所述半導(dǎo)體層耦合的至少一個(gè)電介質(zhì)層，以及至少部分地耦合在所述至少一個(gè)電介質(zhì)層內(nèi)的電氣配線，所述電氣配線將所述光電二極管與所述圖像傳感器的至少一個(gè)其他元件電氣耦合。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于:所述圖像傳感器還包括耦合在所述入射光與所述光吸收層之間的抗反涂層ARC。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于:所述光吸收層被設(shè)置在所述半導(dǎo)體層的背面處，并且其中所述至少一個(gè)電介質(zhì)層包括耦合在所述半導(dǎo)體層正面處的正面電介質(zhì)層，所述半導(dǎo)體層的所述正面與所述半導(dǎo)體層的所述背面相背對(duì)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于:所述光吸收層被設(shè)置在所述半導(dǎo)體層的背面處，聚焦元件被設(shè)置在靠近與所述半導(dǎo)體層的所述背面相背對(duì)的所述半導(dǎo)體層正面，并且其中所述聚焦元件被構(gòu)造成使已經(jīng)穿過(guò)所述半導(dǎo)體層的所述入射光返回穿過(guò)所述半導(dǎo)體層朝所述半導(dǎo)體層的所述背面聚焦。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于:所述光吸收層被設(shè)置在所述半導(dǎo)體層的背面處，其中所述至少一個(gè)電介質(zhì)層包括正面電介質(zhì)層和背面電介質(zhì)層，其中所述背面電介質(zhì)層位于所述半導(dǎo)體層的背面處;其中聚焦元件被設(shè)置在靠近所述背面電介質(zhì)層，并且被構(gòu)造成使穿過(guò)所述背面電介質(zhì)層的所述入射光朝所述光吸收層聚焦;其中所述正面電介質(zhì)層被設(shè)置在與所述半導(dǎo)體層的所述背面相背對(duì)的所述半導(dǎo)體層正面處;并且其中所述圖像傳感器的所述電氣配線至少部分地被設(shè)置在所述正面電介質(zhì)層內(nèi)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于:所述光吸收層被設(shè)置在所述半導(dǎo)體層的正面處;所述至少一個(gè)電介質(zhì)層包括耦合在所述半導(dǎo)體層的所述正面處的正面電介質(zhì)層;靠近所述正面電介質(zhì)層設(shè)置的聚焦元件，所述聚焦元件被構(gòu)造成使穿過(guò)所述正面電介質(zhì)層的所述入射光朝所述光吸收層聚焦;并且所述圖像傳感器的所述電氣配線至少部分地被設(shè)置在所述正面電介質(zhì)層內(nèi)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于:所述光吸收層包括選自由以下項(xiàng)所構(gòu)成的組中的一種材料:Co ； CoSi25Mo ； MoSi2 ；Ni；NiSi；Ni2Si；NiSi2；Pd；PdSi；Pd2Si；Pt；PtSi；Ta；硅上GeSe膜以及它們的任意組合。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于:所述光吸收層被定位在所述半導(dǎo)體層中的兩個(gè)溝槽之間，每個(gè)所述溝槽至少部分地延伸穿過(guò)所述半導(dǎo)體層。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于:所述圖像傳感器對(duì)于0.7微米至20微米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光子具有高于50%的量子效率QE。10.一種圖像傳感器，其特征在于:所述圖像傳感器包括: 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS器件，所述CMOS器件包括半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層包括多個(gè)光電二極管，每個(gè)所述光電二極管包括具有耗盡區(qū)的像素；以及 多個(gè)光吸收層，每個(gè)所述光吸收層與所述半導(dǎo)體層的像素中的一個(gè)耦合，每個(gè)所述光吸收層被構(gòu)造成吸收入射光，并且實(shí)質(zhì)上阻止所述入射光進(jìn)入所述光電二極管中的一個(gè)；其中每個(gè)所述光吸收層被構(gòu)造成響應(yīng)于吸收所述入射光，將所述光電二極管中的一個(gè)的所述耗盡區(qū)加熱，并且由此通過(guò)僅增加溫度，在所述耗盡區(qū)中產(chǎn)生電子/空穴對(duì)。
【文檔編號(hào)】H01L27/146GK205692831SQ201620500828
【公開(kāi)日】2016年11月16日
【申請(qǐng)日】2016年5月27日 公開(kāi)號(hào)201620500828.8, CN 201620500828, CN 205692831 U, CN 205692831U, CN-U-205692831, CN201620500828, CN201620500828.8, CN205692831 U, CN205692831U
【發(fā)明人】V·蘭臣克夫, H·索雷麥尼
【申請(qǐng)人】半導(dǎo)體元件工業(yè)有限責(zé)任公司