[發明專利]提高前照式圖像傳感器性能的方法及前照式圖像傳感器

在審

• 申請號: 202010128104.6
• 申請日: 2020-02-28
• 公開（公告）號: CN113327950A
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發明（設計）人: 鄭展;徐濤
• 申請（專利權）人: 格科微電子（上海）有限公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種提高前照式圖像傳感器性能的方法，在前照式圖像傳感器的光路結構中，形成至少有接觸孔層金屬的環形光學通路，通過光路結構中的若干金屬層、接觸孔層、多晶硅層的限定，進行光路結構開孔尺寸的組合設計，消除或降低光線發散導致的相鄰感光單元的串擾，提高光路結構開孔尺寸的設計容忍度，實現更好的靈敏度。

技術領域

本發明涉及圖像傳感器領域，尤其涉及提高前照式圖像傳感器性能的方法及前照式圖像傳感器。

背景技術

圖像傳感器是將光信號轉化為電信號的半導體器件，圖像傳感器具有光電轉換元件，通常光電轉換元件形成在襯底表面之下，邏輯電路形成在光電轉換元件之上，光在穿過邏輯電路之后才到達光電轉換元件，期間光經過了多層結構，導致光損失或光線串擾（crosstalk）至相鄰的光電轉換元件，影響每一個光電轉換元件的光響應特性。

目前的指紋識別方案有光學技術，硅技術（電容式/射頻式），超聲波技術等。其中，光學指紋識別技術已被廣泛應用于便攜式電子裝置中。

光學指紋識別技術采用光學取像設備，根據的是光在指紋谷/脊不同位置的反射光差異。來自屏幕的光線照到壓在玻璃外表的指紋，反射光線透過玻璃和屏幕到達圖像傳感器光電轉換元件并被轉化為電學信號，從而構建指紋圖像。反射光的強度和方向主要取決于指紋谷面/脊面的深度和寬度，而且還會受指紋上的油脂、水分等表面狀態影響。圖像傳感器中的基本光電轉換元件被設計為獲取對應位置的反射光信息，因此需要盡可能地讓對應位置的反射光進入光電轉換元件，同時屏蔽非對應位置的反射光線。

隨著光學指紋識別技術的發展，越來越多的便攜式電子裝置采用屏下光學指紋識別方案，即利用屏幕照亮手指，隨后手指的反射光透過屏幕，被屏幕下方的圖像傳感器所感知，進而比對識別。

目前針對光學指紋識別技術，采用的前照式圖像傳感器在光路行程過程中會出現一些問題。

此外，前照式圖像傳感器還可應用于TOF（飛行時間）領域，TOF圖像傳感器是基于脈沖光源發出的光到達不同距離被照物體表面且反射回到傳感器的強度和時間信息構建三維圖像。也需要實現光電轉換元件對應位置的反射光盡量多地被光電轉換元件獲取，同時非對應位置的光盡量屏蔽。

TOF攝像頭的應用包括基于激光的非掃描激光雷達成像系統、運動傳感和追蹤、運用于機器視覺和自動駕駛的物體檢測以及地形測繪等。

就應用于光學指紋及TOF領域的現有技術通過如下內容進行說明：

請參考圖1，圖1為現有技術中前照式圖像傳感器的部分結構示意圖，該前照式圖像傳感器結構可應用于光學指紋識別領域或TOF傳感器領域。光線經過微透鏡100經過透光層120傳輸至半導體金屬互聯層150，在光路傳輸的過程中可選地設計若干區域的吸光層110、130；在光線傳輸至半導體金屬互聯層150時，由于前照式圖像傳感器具有若干層的金屬層（在現有技術中圖示為M3層140、M2層141、M1層142），光線在光路結構開孔處會發生衍射，衍射光到達相鄰像素造成串擾，犧牲光量子效率而且降低分辨精度。此外較大角度的非對應光也會進入當前光電轉換元件，導致混疊現象嚴重，進而影響分辨精度。

現有設計下為了降低大角度的影響，需要減少光路結構開孔尺寸，但是開孔尺寸變小導致入射光減少以及衍射增強，使得目標光電轉換元件的光量子效率急劇下降，最終圖像信號變弱影響效果；而且開孔變小時，光學系統中能進入光電轉換元件的光通量隨工藝波動(鏡頭尺寸、形狀，各層厚度，開孔尺寸，以及各層對準)的敏感度增加，不利于實現器件性能的批量穩定。

為了降低光衍射及較大角度光對旁邊光電轉換元件的影響，現有技術解決的方案需要增加緩沖光電轉換單元，這會導致芯片面積變大，與市場導向與產品需求背道而馳。

開孔尺寸加大會增加信號強度，但是大角度光（非對應當前光電轉換元件）的占比大幅增加，抗混疊效果變差，信噪比變差，影響圖像清晰度。為此，在光學指紋識別領域和TOF領域如何在前照式圖像傳感器中解決上述問題，為業內探尋的焦點。