CN101268552A - 减少来自红外辐射的图像伪影的背面硅晶片设计 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示具有减少的图像伪影的成像装置。通过使穿过所述成像装置的IR辐射改变方向、吸收所述IR辐射或使所述IR辐射散射以避免光在衬底的背面上反射并累积在暗像素中，来减少所述成像装置中的所述图像伪影。

Description

减少来自红外辐射的图像伪影的背面硅晶片设计
技术领域
无
背景技术
半导体产业目前使用不同类型的基于半导体的成像器，例如电荷耦合装置(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)装置、光电二极管阵列、电荷注入装置以及混合焦平面阵列等等。
固态图像传感器(也被称为成像器)在60年代晚期和70年代早期得以开发，主要用于电视图像获取、传输和显示。成像器吸收特定波长的入射辐射(例如光子、x射线或类似物)，并产生对应于所吸收辐射的电信号。存在许多不同类型的基于半导体的成像器，包含CCD、光电二极管阵列、电荷注入装置(CID)、混合焦平面阵列以及CMOS成像器。固态成像器的当前应用包含照相机、扫描仪、机器视觉系统、车辆导航系统、视频电话、计算机输入装置、监视系统、自动聚焦系统、星象跟踪仪、运动检测器系统、图像稳定系统以及其它基于图像的系统。
这些成像器通常由含有光电传感器的像素单元阵列组成，其中每个像素单元产生信号，所述信号对应于当图像聚焦在所述阵列上时撞击在所述元件上的光的强度。接着，这些信号可用来(例如)将对应图像显示在监视器上，或以其它方式用来提供关于光学图像的信息。所述光电传感器通常是光电门、光电晶体管、光电导体或光电二极管，其中所述光电传感器的传导性或存储在扩散区域中的电荷对应于撞击在所述光电传感器上的光的强度。因此，每个像素单元产生的信号的量值与撞击在光电传感器上的光的量成比例。
举例来说，在第5,471,515号美国专利中描述有源像素传感器(APS)成像装置，所述专利以引用的方式并入本文中。这些成像装置包含布置成行和列的像素单元阵列，其将光能转换成电信号。每个像素包含一个光电检测器和一个或一个以上有源晶体管。所述晶体管除产生从单元输出的电信号之外，通常还提供放大、读出控制和复位控制。
虽然CCD技术具有广泛应用，但CMOS成像器正越来越多地被用作低成本成像装置。实现成像阵列与相关联的处理电路的更高程度集成的完全兼容CMOS传感器技术对许多数字成像器应用来说都将是有益的。
CMOS成像器电路包含像素单元的焦平面阵列，所述单元中的每一者包含光电转换装置，例如光电门、光电导体、光电晶体管或用于使光生电荷累积在衬底的一部分中的光电二极管。读出电路连接到每个像素单元，且包含至少一输出晶体管，其接收来自掺杂扩散区域的光生电荷，并产生输出信号，通过像素存取晶体管周期性地读出所述输出信号。成像器可视情况包含晶体管，其用于将电荷从光电转换装置转移到扩散区域，或扩散区域可直接连接到光电转换装置或成为光电转换装置的一部分。晶体管通常还被提供用于使扩散区域在接收经光电转换的电荷之前复位到预定电荷电平。
在CMOS成像器中，像素单元的有源元件执行以下必要功能：(1)光子到电荷的转换；(2)图像电荷的累积；(3)伴有电荷放大的情况下，将电荷转移到浮动扩散区域；(4)使浮动扩散区域复位到已知状态；(5)选择像素单元供读出；以及(6)输出并放大表示像素单元电荷的信号。当光电荷从初始电荷累积区域移动到浮动扩散区域时，所述光电荷可放大。通常通过源极跟随器输出晶体管将浮动扩散区域处的电荷转换成像素输出电压。
每个像素单元接收通过一个或一个以上微透镜聚焦的光。CMOS成像器上的微透镜有助于增加光学效率，并减少像素单元之间的串扰。像素单元的尺寸的减小允许更大数目的像素单元布置在特定像素单元阵列中，从而增加阵列的分辨率。在形成微透镜的一种工艺中，每个微透镜的半径与像素单元的尺寸相关。因此，当像素单元的尺寸减小时，每个微透镜的半径也减小。
微透镜将入射辐射折射到光电传感器区域，从而增加到达光电传感器的光的量。微透镜阵列的其它用途包含：加强非发光显示装置(例如液晶显示装置)的像素单元上的照明光，以增加显示器(与照相机相关联的显示器)的亮度；形成将在液晶或发光二极管打印机中打印的图像；以及作为用于将发光装置或接收装置耦合到光纤的聚焦构件。
图像装置的一个问题是伪影的产生。红外(IR)辐射穿透到衬底可在图像传感器中产生伪影。现代成像装置通常使用所谓的“暗像素”，其遮蔽入射光，并充当用于黑色电平校准、暗电流减除和逐行噪声校正的参考像素。在从约800nm到约1150nm的光谱范围内的IR辐射(在衬底中的吸收非常小)可穿透整个衬底，从晶片的背面(而且从电路小片下的反射表面)反射，并击中“暗像素”。经反射的IR辐射被暗像素吸收可在现代图像装置中产生图像伪影，尽管在此光谱范围内，吸收本身是非常小的。由于用于计算参考信号的暗像素的数目较少，所以通常通过求32个或64个暗像素的平均值来计算暗参考信号，来自暗像素的信号的较小变化也可产生较大的图像伪影。
参看图1，其示意性地说明现有技术的固态成像器10，并说明暗像素中经反射的IR辐射的累积的问题。成像器10包含有源像素12和暗像素11。IR辐射101通过微透镜13聚焦到有源像素12。辐射101中的一些穿过衬底18，并从衬底18的背面反射，作为经反射的辐射103，并累积在暗像素11中。如上文所述，经反射的IR辐射被暗像素11吸收可在现代图像装置中产生图像伪影，尽管在此光谱范围内，吸收本身是非常小的。
800nm到1150nm范围内的经反射的IR辐射的问题对于较薄的背景晶片来说会增加，因为击中暗像素的IR辐射的总光径较小。因此当衬底较薄时，由于来自衬底背面的反射的缘故，更多的具有较短波长的IR辐射可到达“暗像素”。
本发明揭示一种衬底，其实质上减少了图像传感器中来自穿透到衬底中的IR辐射的图像伪影。本发明改进极端光条件下的图像质量，显著减少由于经反射的IR光与暗像素的相互作用而导致的图像伪影，且允许使用具有较薄衬底的成像装置。
发明内容
本发明通过显著减少穿透到成像器衬底中的IR辐射或使所述IR辐射改变方向且因此减少与暗像素接触的IR，而提供具有减少的图像伪影的成像装置。具体地说，本发明适用于需要高质量微透镜的任何微电子或微光学装置，例如CCD成像器或CMOS成像器。
本发明提供一种用于减少具有像素单元阵列的固态成像器中的图像伪影的方法，其中通过显著减少穿透到成像器衬底中的IR辐射或使所述IR辐射改变方向来减少图像伪影。在本发明的一个实施例中，通过将抗反射涂层和/或吸收层施加到成像器衬底的背面来显著减少IR辐射或使IR辐射改变方向。
在本发明的另一实施例中，通过修改成像器衬底的背面表面来显著减少IR辐射或使IR辐射改变方向。
在本发明的另一实施例中，通过修改成像器中有源像素与暗像素的间距来显著减少IR辐射或使IR辐射改变方向。还提供用于形成本发明的具有减少的图像伪影的成像装置的方法。
根据说明本发明的优选实施例的以下具体实施方式和附图，将明白本发明的额外优势和特征。
附图说明
图1是说明现有技术的固态成像器的侧部横截面图。
图2是说明根据本发明示范性实施例的在衬底的背面上具有抗反射层和吸收层的固态成像器的主要元件的侧部横截面图。
图3是说明根据本发明示范性实施例的在衬底的背面上具有吸收层的固态成像器的主要元件的侧部横截面图。
图4是说明根据本发明示范性实施例的具有经磨蚀的衬底背面的固态成像器的主要元件的侧部横截面图。
图5A是用根据现有技术的具有经抛光的背面表面的成像装置取得的图像。图5B是用根据本发明的具有粗糙背面表面的成像装置取得的图像。
图6是说明根据本发明示范性实施例的具有经磨蚀的衬底背面的固态成像器的主要元件的侧部横截面图。
图7是说明根据本发明示范性实施例的暗像素与有源像素分离的固态成像器的主要元件的侧部横截面图。
图8说明根据本发明示范性实施例构造的具有彩色滤光片阵列的CMOS成像器像素单元的示意性横截面图。
图9是图8的CMOS成像器像素单元的代表图。
图10说明根据本发明示范性实施例的经历成像器装置的形成过程的半导体晶片的横截面图。
图11说明在图10中所示的处理阶段之后的处理阶段时图10的半导体晶片。
图12说明在图11中所示的处理阶段之后的处理阶段时图10的半导体晶片。
图13说明在图12中所示的处理阶段之后的处理阶段时图10的半导体晶片。
图14说明在图13中所示的处理阶段之后的处理阶段时图10的半导体晶片。
图15说明根据本发明另一实施例的在图12中所示的处理阶段之后的处理阶段时图10的半导体晶片。
图16说明根据本发明另一实施例的在图12中所示的处理阶段之后的处理阶段时图10的半导体晶片。
图17说明根据本发明另一实施例的在图12中所示的处理阶段之后的处理阶段时图10的半导体晶片。
图18展示根据本发明实施例而构造的成像器。
图19是根据本发明示范性实施例的具有图像伪影被减少的成像器的成像系统的说明。
具体实施方式
在以下详细具体实施方式中，参考附图，所述附图形成其一部分，并以说明的方式展示可实践本发明的特定实施例。以充分的细节来描述这些实施例，以使所属领域的技术人员能够实施本发明，且应了解，可利用其它实施例，且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下，作出结构、逻辑和电气改变。所描述的处理步骤的进展是对本发明实施例的示范；然而，步骤序列并不限于本文所陈述的步骤序列且可改变(如此项技术中已知)，除了必需以某一次序发生的步骤之外。
术语“晶片”和“衬底”应被理解为包含硅、绝缘体上硅(SOI)或蓝宝石上硅(SOS)技术、掺杂或未掺杂半导体、由底部半导体基础支撑的外延硅层以及其它半导体结构。此外，当在以下描述内容中参考“晶片”和“衬底”时，可能已经利用了先前处理步骤来形成底部半导体结构或基础中的区域或结。另外，半导体无需是基于硅的，而是可基于硅-锗、锗、砷化镓或其它半导体材料。
术语“像素”或“像素单元”是指含有用于将电磁辐射转换成电信号的光电转换装置的像素单位单元。通常，图像传感器中的所有像素单元的制造将以类似方式同时进行。
最后，当参考CMOS成像器来描述本发明时，应了解，本发明可应用于需要高质量微透镜的任何微电子或微光学装置，以获得优化的性能。其它合适的微光学装置包含CCD和显示器。
现参看附图，其中相同元件由相同参考标号表示。现参看图2，其示意性地展示根据本发明第一实施例的固态成像器20。成像器20包括形成于作为同一衬底30(其可以是上文所描述类型的衬底中的任何一种)的一部分的像素单元阵列26上的彩色滤光片层100和隔离物层25。微透镜阵列70形成于彩色滤光片层100和隔离物层25上。像素单元阵列26包括形成于衬底30的第一表面中或上的多个像素传感器单元28，且由保护层24覆盖，所述保护层24包含用于成像器20的钝化和平面化层，以及用于连接的各种金属化层。包含在保护层24中的钝化层可以是一层BPSG、PSG、BSG、二氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺或其它众所周知的透光绝缘体。作为保护层24的一部分的金属化层和相关联的介电层可由此项技术中已知的任何常规材料形成。
由于经反射的IR辐射的大部分源自硅衬底与电路小片下的空气(或环氧树脂层)之间的折射率的差异，所以成像器20进一步包括形成于衬底30的第二表面32上的抗反射层80。如下文所陈述，抗反射层80可由任何合适材料形成，如所属领域的技术人员所了解。吸收层82形成于抗反射层80上。吸收层82可由吸收约800nm到约1150nm之间的波长的IR辐射的任何合适材料形成。虽然图2展示抗反射层80和吸收层82两者，但应了解，可只用吸收层82来制造所述装置。
当衬底30的厚度减小时，反射的IR辐射的问题增加。举例来说，由于来自670μm厚的衬底中的晶片背面的反射而到达暗像素的波长为1000nm的光子的量导致暗像素中的3个电子从成像器20的原始曝光累积到100,000个光子。此累积将导致暗信号中的1最低有效拍(Lowest Significant Beat，LSB)变化。相比而言，对于100μm厚的衬底30来说，反射并到达暗像素的光子的数量增加到473个电子以上，其累积在暗像素中，导致142LSB的暗信号变化。
可在成像器20中使用任何抗反射层80。抗反射层80应经设计以有效地减少光子从衬底30的背面的内反射。所属领域的技术人员将了解用于抗反射层80的材料的类型。抗反射层80的合适材料的实例包含已经沉积在衬底30的表面32上的各种抗反射涂层。经沉积的抗反射涂层(DARC)是合适的抗反射层80的一个实例。经沉积的抗反射涂层通常将包括硅和氮，且可(例如)由硅、氮和(视情况)氢组成。DARC或者可包括硅、氧和(在一些情况下)氢。用于形成抗反射层80的其它合适材料包含氮化钛与铝的分层结构，例如TiN/Al/TiN的堆叠层。抗反射层80的另一种合适材料包含TiO2。抗反射层80的厚度应足够大，以便避免穿过衬底30传入的IR光子的反射。优选的是，抗反射层80的厚度从约0.1μm到约5μm，优选从约0.1μm到约2.5μm，最优选从约0.1μm到约0.5μm。在第6,887,648号、第6,444,588号、第6,713,404号、第6,869,747号、第6,767,689号、第6,753,584号和第6,614,085号美国专利中揭示可以使用的抗反射材料的实例，所述美国专利中的每一者的揭示内容以引用的方式并入本文中。虽然将抗反射层80说明为单个层，但应了解，抗反射层可由多个层形成，所述多个层可由相同或不同材料形成。
吸收层82可沉积在抗反射层80上。吸收层82吸收从约800nm到约1150nm的光谱范围内的IR辐射。吸收层82可由吸收IR辐射的许多不同材料中的一者或一者以上形成。吸收层82可由(例如)锗(Ge)形成。然而，可形成吸收层82的其它材料包含或SiGe、SiC或类似物。吸收层82的厚度应足够大，以便吸收穿过衬底30传入的所有IR光子。优选的是，吸收层82的厚度从约0.5μm到约8μm，优选从约1μm到约6μm，最优选约2μm到约5μm。虽然将吸收层82说明为单个层，但应了解，吸收层82可由多个层形成，且可由相同或不同材料形成。
现参看图3，其示意性地说明本发明的固态成像器20的第二实施例。所说明的图3实施例包括形成于彩色滤光片层100和隔离物层25上的微透镜阵列70，彩色滤光片层100和隔离物层25形成于像素单元阵列26上，像素单元阵列26形成于衬底30的第一表面中和/或上，衬底30可以是上文所述的衬底类型中的任何一种。成像器20进一步包括形成于衬底30的第二表面32上的吸收层84。吸收层84可由吸收波长在约800nm到约1150nm之间的IR辐射的任何合适材料形成。优选的是，吸收层84由Ge、SiGe、SiC或类似物形成。最优选的是，吸收层84由锗形成，因为出于这些目的，可使用标准真空沉积技术将锗沉积在衬底30的表面上。虽然将吸收层84说明为单个层，但应了解，吸收层84可由多个层形成，且可由相同或不同材料形成。
如所述，在最优选实施例中，吸收层84由锗(Ge)形成。虽然不希望受理论束缚，但相信来自衬底/吸收层的Si/Ge边界的内反射小于3％，这对于成像器，使所反射的光的量减少10倍以上，且对于封装/模块设计，使所反射的光的量减少20倍以上。通过将吸收层84沉积在衬底30的第二表面32上，相信100μm厚的衬底的所累积电荷的最终数量不会超过44e，其中暗信号的对应改变在最高增益处不会多于13LSB。
现参看图4，其示意性地说明本发明的固态成像器20的第三实施例。所说明的实施例包括一种成像装置，其具有形成于彩色滤光片层100和隔离物层25上的微透镜阵列70，彩色滤光片层100和隔离物层25形成于像素单元阵列26上，像素单元阵列26形成于衬底30的第一表面中和/或上。成像器20进一步包括粗糙的第二衬底表面85。
在相对于第二表面32的垂直方向上将第二衬底表面85粗糙化提供了IR辐射的散射，而不是直接反射到暗像素。因此，可通过使光子104散射远离暗像素，来减少击中暗像素的光子101的量。图5说明展示用衬底30的经粗糙化的第二表面85来减少来自亮卤素灯(行条带)的图像伪影的实验结果。图5A是用具有抛光的背面表面的成像装置取得的图像。图5B是用根据本发明的具有粗糙背面表面的成像装置取得的图像。
可通过已知方法(例如，化学机械抛光技术)来在衬底30中形成经粗糙化的第二表面85。在典型的化学机械平面化(CMP)工艺中，将被抛光的衬底表面放置成与旋转的抛光垫接触。在抛光工艺期间，所述垫旋转，同时抵着所述衬底维持向下的力。将抛光剂施加到抛光垫与被抛光的衬底表面之间的界面。可通过将抛光剂施加到抛光垫表面、施加到被抛光的衬底表面或施加到两者，来将抛光剂施加到所述界面。可将抛光剂间断地或连续地施加到所述界面，且可在使抛光垫与被抛光的衬底表面接触之前或之后，开始抛光剂的施加。
抛光工艺进一步需要磨蚀材料来辅助去除衬底表面的一部分，以形成经粗糙化的第二表面84。磨蚀剂可并入到抛光垫中，例如第6,121,143号美国专利中所揭示的抛光垫，所述专利以引用的方式并入本文中，所述磨蚀剂可并入到抛光剂中或并入到两者中。抛光剂或浆料中的成分通过与被抛光的衬底的表面上的材料起化学反应来开始抛光工艺。当将化学反应抛光剂或浆料提供到衬底/垫界面时，通过使垫相对于衬底进行移动来促进抛光工艺。抛光以此方式继续，直到实现经粗糙化的第二表面85的所需的粗糙度为止。
抛光垫相对于衬底的移动可依据经粗糙化的第二表面85的所需的抛光最终结果而改变。通常，抛光垫衬底旋转，而被抛光的衬底的表面保持静止。或者，抛光垫和被抛光的衬底两者可相对于彼此而移动。抛光衬底且尤其是本发明的抛光垫可以线性方式移动，它们可以轨道或旋转方式移动，或它们可以多个方向组合的方式移动。
将抛光剂配制成包含与被抛光的材料的表面起反应并使其软化的化学物。抛光剂或浆料的选择是CMP步骤中的重要因素。依据成分(例如氧化剂、酸、碱、表面活性剂、络合剂、磨蚀剂和其它有用的添加剂)的选择，抛光浆料可适合以所需的抛光速率提供对衬底层的有效抛光。此外，抛光剂可经选择以提供对表面的受控抛光选择性。
第6,068,787号、第6,063,306号、第6,033,596号、第6,039,891号、第6,015,506号、第5,954,997号、第5,993,686号、第5,783,489号、第5,244,523号、第5,209,816号、第5,340,370号、第4,789,648号、第5,391,258号、第5,476,606号、第5,527,423号、第5,354,490号、第5,157,876号、第5,137,544号和第4,956,313号美国专利中揭示CMP抛光剂和浆料的实例，所述专利中的每一者的说明书以引用的方式并入本文中。
现参看图6，其示意性地说明本发明的固态成像器20的第四实施例。如上文参考图2到图4所陈述，所说明的实施例包括一种成像装置，其具有形成于彩色滤光片层100和隔离物层25上的微透镜阵列70，彩色滤光片层100和隔离物层25形成于像素单元阵列26上，像素单元阵列26形成于衬底30的第一表面中和/或上。成像器20进一步包括形成于衬底30的第二表面上的至少一个成形光栅86。图6说明若干成形光栅86。成形光栅86优选与衬底30的第二表面32以角度β对准。成形光栅86通过经选择以使光子反射远离暗像素的成形光栅的角度和定向，来减少累积在暗像素中的IR光子的量。
可通过此项技术中已知的任何化学或机械方法(例如，如上文所述的化学机械抛光)来形成成形光栅86。如上文所论述，所述抛光经选择以提供对表面的受控的抛光选择性，以便以使IR辐射反射远离暗像素所需的角度形成成形光栅86。成形光栅86优选与衬底30的第二表面32以角度β对准，其中角度β优选从约10度到约75度，更优选从约20度到约55度，更优选从约35度到约45度。因此，穿过衬底30的光子101反射回来103，远离暗像素。因此，成形光栅86减少了光子在暗像素中的累积。
现参看图7，其示意性地说明本发明的固态成像器20的第五实施例。根据本发明，已经发现在成像器20中的有源像素阵列27与暗像素29之间提供间距X可减少与暗像素29接触的IR辐射的量。有源像素阵列27与暗像素29之间的间距X优选由吸收层83和不透明层85覆盖。吸收层83可由(例如)Ge、SiGe、SiC或类似物形成。吸收层83的厚度应足够厚以吸收所反射的辐射103，且优选厚度从约0.5μm到约8μm，优选从约1μm到约6μm，最优选从约2μm到约5μm。不透明层85可以是防止辐射101穿透到衬底中的任何合适的不透明材料，例如钨、铝或类似物等金属。吸收层83和不透明层83防止光和IR辐射穿透到衬底中。吸收层83进一步防止IR光子随后反射回到衬底，并进入暗像素29中。成像器中的有源像素阵列27与暗像素29之间的间距X的宽度可由以下等式计算：
X＝2·D·tan(α)
其中D是晶片的厚度，且α是衬底中的IR辐射的最大射线角。
现参看图8到图17。图8展示上文所论述的固态成像器的展开图。图2到图4以及图6到图7中所示的像素阵列26包括形成于衬底30中和上的多个像素传感器单元28，且由充当成像器20的钝化、平面化和金属化层的保护层24覆盖。层24可包含一个或一个以上钝化层和金属化层。保护层24的钝化部分可以是一层BPSG、PSG、BSG、二氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺或其它众所周知的透光绝缘体。
彩色滤光片层100形成于保护层24上。彩色滤光片层100包括红光、蓝光和绿光敏感元件的阵列，其可以所属领域的技术人员理解的图案布置，如第6,783,900号和第3,971,065号美国专利所示范，所述专利以引用的方式并入本文中。
如图8到图9中所示，每个像素传感器单元含有光电传感器34，其可以是光电二极管、光电门或类似物。在图8到图9中描绘光电门光电传感器34。将控制信号PG施加到光电门34，以使得当呈光子形式的辐射101穿过彩色滤光片层100并撞击光电传感器34时，光致电子累积在光电传感器34下的掺杂区域36中。转移晶体管42靠近光电传感器34而定位，且具有源极和漏极区域36，40，以及由转移信号TX控制的栅极堆叠43。漏极区域40还被称为浮动扩散区域，且其将接收到的电荷从光电传感器34传递到输出晶体管44，46，且接着传递到读出电路48。复位晶体管50包括掺杂区域40，52，且栅极堆叠54由复位信号RST控制，复位信号RST操作以使浮动扩散区域40刚好在信号读出之前复位到预定初始电压。像素传感器单元的上述元件的形成和功能的细节可(例如)在第6,376,868号和第6,333,205号美国专利中找到，所述专利的揭示内容以引用的方式并入本文中。
如图8中所说明，转移晶体管42和复位晶体管50的栅极堆叠43，54包含位于衬底30(在此实例中是p型衬底)上的二氧化硅或氮化硅绝缘体56、位于绝缘层56上的掺杂多晶硅、钨或其它合适材料的导电层58、以及(例如)二氧化硅、氮化硅或ONO(氧化物-氮化物-氧化物)的绝缘盖层60。如果需要的话，可在多晶硅层58与盖60之间使用硅化物层59。还在栅极堆叠42，54的侧面上形成绝缘侧壁62。这些侧壁62可由(例如)二氧化硅、氮化硅或ONO形成。围绕像素传感器单元28的场氧化物层64用于使像素传感器单元28与阵列中的其它像素单元隔离。第二栅极氧化物层57可在硅衬底30上生长，且光电门半透明导体66从此层被图案化。在光电传感器是光电二极管的情况下，不需要第二栅极氧化物层57和光电门半透明导体66。此外，转移晶体管42是可选的，在此情况下，扩散区域36和40连接在一起。
上文参看图2到图4以及图6到图7描述的图像装置20通过如下描述且在图10到图17中所说明的工艺制造。
现参看图10，提供衬底30(其可以是上文所述的衬底类型中的任何一种)，其具有像素单元阵列26、外围电路、触点以及通过众所周知的方法形成于其上的配线。BPSG、BSG、PSG、二氧化硅、氮化硅或类似物的保护层24形成于像素单元阵列26上，以使其钝化且提供经平面化的表面。
彩色滤光片层100形成于保护层24上，如还在图11中展示。彩色滤光片层100可由用作透光材料的彩色抗蚀剂或丙烯酸材料形成。举例来说，彩色滤光片层100可由多个彩色滤光片层形成，所述多个彩色滤光片层中的每一者由红色滤光片区域(未图示)、绿色滤光片区域(未图示)以及蓝色滤光片区域(未图示)组成，其(例如)由具有相应滤色质量的抗蚀剂或丙烯酸材料形成。由此，可使用红色敏感抗蚀剂材料、蓝色敏感抗蚀剂材料以及绿色敏感抗蚀剂材料来形成所述形成彩色滤光片层100的多个彩色滤光片层中的每一者的红色、蓝色和绿色敏感元件。这些红色、蓝色和绿色元件可以所属领域的技术人员已知的任何图案形成。其它实施例可使用其它着色材料，例如油漆或染料，如此项技术中已知。彩色滤光片层100可通过(例如)常规沉积或旋涂方法形成于保护层24上。
如图11中所说明，隔离层25形成于彩色滤光片层100上。如图12中所示，接着，透镜70可由(例如)透镜形成层形成，使得每个透镜70上覆于一个像素单元28上面。本发明还包含其中透镜70上覆于多个像素单元28上面的替代构造。还应了解，前面的实例论述本发明的一个实施例。当然，应了解，可如参考图2到图4以及图6到图7所论述的那样类似地制造本发明的其它实施例。
虽然已经参考CMOS成像器装置描述了所述工艺，但应了解，所述工艺还可与其它类型的成像器(例如与CCD成像器)的像素单元一起使用。因此，如上文所述形成的像素单元可用于CCD图像传感器以及CMOS图像传感器中。本发明的成像器装置还可形成为不同尺寸的兆像素成像器，例如具有在约0.1兆像素到约20兆像素的范围内的阵列的成像器。
如图13中所说明，抗反射层80形成于衬底30的第二表面32上。抗发射层80经设计以减少光子从衬底30的背面32上的内反射。抗发射层80的合适材料的实例包含各种抗反射涂层，例如经沉积的抗反射涂层(DARC)。经沉积的抗反射涂层通常将包括硅和氮，且可(例如)由硅、氮和(视情况)氢组成。DARC或者可包括硅、氧和(在一些情况下)氢。用于形成抗反射层80的其它合适材料包含氮化钛与铝的分层结构，例如TiN/Al/TiN的堆叠层。抗反射层80的另一种合适材料包含TiO2。抗反射层80的厚度应足够大，以便避免穿过衬底30传入的IR光子的反射。优选的是，抗反射层80的厚度从约0.1μm到约5μm，优选从约0.1μm到约2.5μm，最优选从约0.1μm到约0.5μm。
如图14中所说明，吸收层82形成于抗反射层80上。吸收层82可由吸收IR辐射的许多不同材料(例如Ge、SiGe、SiC或类似物)中的一者或一者以上形成。吸收层82的厚度应足够大，以便吸收穿过衬底30传入的所有IR光子。优选的是，吸收层82的厚度从约0.5μm到约8μm，优选从约1μm到约6μm，最优选约2μm到约5μm。
图15说明根据本发明第二实施例的成像器处于图12中所说明的处理阶段之后的处理阶段。吸收层84形成于衬底30的第二表面32上。吸收层84可由吸收波长在约800nm到约1150nm之间的IR辐射的任何合适材料形成。优选的是，吸收层84由Ge、SiGe、SiC或类似物形成。最优选的是，吸收层84由锗形成，因为出于这些目的，可使用标准真空沉积技术将锗沉积在衬底30的表面上。优选的是，吸收层84的厚度从约0.5μm到约8μm，优选从约0.5μm到约3.5μm。
图16说明处于图12中所说明的处理阶段之后的处理阶段的根据本发明第三实施例的成像器。将衬底的第二表面32粗糙化，以形成经粗糙化的第二表面85。通过已知方法(例如化学机械抛光技术)来形成经粗糙化的第二表面85。在典型的化学机械平面化(CMP)工艺中，将被抛光的衬底表面放置成与旋转抛光垫接触。将抛光剂施加到抛光垫与被抛光的衬底表面之间的界面。可添加磨蚀材料以辅助去除衬底表面的一部分，以形成经粗糙化的第二表面85。当将化学反应抛光剂或浆料提供到衬底/垫界面时，通过垫相对于衬底的移动来促进抛光工艺。以此方式继续进行抛光，直到实现经粗糙化的第二表面85的所需粗糙度为止。
图17说明处于图12中所说明的处理阶段之后的处理阶段的根据本发明第四实施例的成像器。成像器20进一步包括形成于衬底30的第二表面32上的至少一个成形光栅86。图17说明若干光栅86。成形光栅86优选以角度β与衬底30的第二表面32对准。成形光栅86通过反射光子使其远离暗像素来减少累积在暗像素中的IR光子的量。
可通过此项技术中已知的任何化学或机械方法(例如上文所述的化学机械抛光)来形成成形光栅86。如上文所论述，所述抛光经选择以提供对表面的受控抛光选择性，以便以使IR辐射反射远离暗像素所需的角度形成成形光栅86。成形光栅86优选以角度β与衬底30的第二表面32对准，其中角度β优选从约10度到约75度，更优选从约20度到约55度，更优选从约35度到约45度。
图18说明可利用本发明任何实施例的示范性成像器700。成像器700具有像素阵列705，其包括如上文相对于图2到图4以及图5到图17所述而构造的像素。行线由行驱动器710响应于行地址解码器720而选择性地启动。列驱动器760和列地址解码器770也包含在成像器700中。成像器700由时序与控制电路750操作，时序与控制电路750控制地址解码器720，770。控制电路750还控制行和列驱动器电路710，760。
与列驱动器760相关联的取样和保持电路761读取用于选定像素的像素复位信号Vrst和像素图像信号Vsig。差分信号(Vrst-Vsig)由每个像素的差分放大器762放大，且由模拟到数字转换器775(ADC)数字化。模拟到数字转换器775将经数字化的像素信号供应到形成数字图像的图像处理器780。
如果需要的话，成像器20可与处理器(例如CPU、数字信号处理器或微处理器)组合。成像器20和微处理器可形成于单个集成电路中。图19中说明使用具有根据本发明的滤光片阵列的CMOS成像器的示范性处理器系统400。基于处理器的系统示范具有数字电路的系统，其可包含CMOS或其它成像器装置。在不具有限制性的情况下，此类系统可包含计算机系统、照相机系统、扫描仪、机器视觉系统、车辆导航系统、视频电话、监视系统、自动聚焦系统、星象跟踪仪系统、运动检测系统、图像稳定系统以及其它图像处理系统。
如图19中所示，示范性处理器系统400(例如照相机)通常包括中央处理单元(CPU)444(例如微处理器)，其通过总线452与输入/输出(I/O)装置446通信。成像器20也通过总线452与系统通信。计算机系统400还包含随机存取存储器(RAM)448，且可包含外围装置，例如软盘驱动454、光盘(CD)ROM驱动器456或快闪存储器458，其也通过总线452与CPU 444通信。软盘454、CD ROM 456或快闪存储器458存储由成像器20俘获的图像。成像器20优选构造为集成电路，具有或不具有存储装置，如先前相对于图2到图4以及图5到图17所描述。
虽然已经结合当时已知的示范性实施例详细描述了本发明，但应容易理解，本发明并不限于此类所揭示的实施例。相反，本发明可经修改以并入在此之前未描述的任何数目的改变、变更、替代或等效布置，但所述改变、变更、替代或等效布置与本发明的精神和范围相称。因此，本发明不应被视为受前文描述内容限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。

Claims (59)

1.一种成像器，其包括：
像素传感器单元阵列，其包括形成于衬底的第一表面处的多个像素单元，所述像素单元包含成像像素单元和暗电流像素单元；以及
层，其形成于所述衬底的第二表面上，用于减少从所述第二表面反射回所述暗电流像素单元的光的量。
2.根据权利要求1所述的成像器，其中所述层是抗反射涂层。
3.根据权利要求2所述的成像器，其中所述抗反射涂层是经沉积的抗反射涂层。
4.根据权利要求2所述的成像器，其中所述抗反射涂层是氮化钛与铝的分层结构。
5.根据权利要求2所述的成像器，其中所述抗反射涂层由TiO2形成。
6.根据权利要求2所述的成像器，其中所述抗反射涂层具有从约0.1μm到约5μm的厚度。
7.根据权利要求2所述的成像器，其进一步包括形成于所述抗反射涂层上的吸收层。
8.根据权利要求7所述的成像器，其中所述吸收层吸收波长在约800nm到约1150nm之间的IR辐射。
9.根据权利要求7所述的成像器，其中所述吸收层由选自由Ge、SiGe和SiC组成的群组的材料形成。
10.根据权利要求7所述的成像器，其中所述吸收层具有从约2μm到约5μm的厚度。
11.根据权利要求1所述的成像器，其中所述层是吸收层。
12.根据权利要求11所述的成像器，其中所述吸收层吸收波长在约800nm到约1150nm之间的IR辐射。
13.根据权利要求12所述的成像器，其中所述吸收层由选自由Ge、SiGe和SiC组成的群组的材料形成。
14.根据权利要求12所述的成像器，其中所述吸收层由锗形成。
15.根据权利要求14所述的成像器，其中所述吸收层具有从约2μm到约5μm的厚度。
16.一种成像器，其包括：
衬底，其具有第一表面和第二表面；以及
像素传感器单元阵列，其包括形成于衬底的第一表面处的多个像素单元，所述像素单元包括成像像素单元和暗电流像素单元；
其中在所述第二表面中形成有表面磨蚀，以用于减少从所述第二表面反射回所述暗电流像素单元的光的量。
17.根据权利要求16所述的成像器，其中所述表面磨蚀包含垂直粗糙化。
18.根据权利要求16所述的成像器，其中所述表面磨蚀包含形成于其中的成形光栅。
19.根据权利要求18所述的成像器，其中所述成形光栅以与所述第二表面成从约10度到约75度的角度形成。
20.根据权利要求18所述的成像器，其中所述成形光栅以与所述第二表面成从约20度到约55度的角度形成。
21.一种成像器，其包括：
像素传感器单元阵列，其包括形成于衬底的第一表面处的多个有源像素单元和暗电流像素单元，其中所述有源像素单元和所述暗电流像素单元在所述衬底中分开预定距离。
22.根据权利要求21所述的成像器，其中所述距离通过以下公式计算：
2·D·tan(α)
其中D是所述衬底的厚度，且α是IR辐射进入所述衬底中的最大角度。
23.根据权利要求22所述的成像器，其进一步包括形成于所述暗像素和所述分开距离上的吸收层。
24.根据权利要求23所述的成像器，其中所述吸收层由选自由Ge、SiGe和SiC组成的群组的材料形成。
25.根据权利要求23所述的成像器，其进一步包括形成于所述吸收层上的不透明层。
26.根据权利要求25所述的成像器，其中所述不透明层由金属形成。
27.根据权利要求26所述的成像器，其中所述金属选自由钨和铝组成的群组。
28.一种处理器系统，其包括：
像素传感器单元阵列，其包括形成于衬底的第一表面处的多个像素单元，所述像素单元包含成像像素单元和暗电流像素单元；以及
层，其形成于所述衬底的第二表面上，用于减少从所述第二表面反射回所述暗电流像素单元的光的量；以及
处理器，其用于接收并处理表示图像的数据。
29.根据权利要求28所述的处理器系统，其中所述阵列和所述处理器形成于单个衬底上。
30.根据权利要求28所述的处理器系统，其中所述层是抗反射涂层。
31.根据权利要求30所述的处理器系统，在这里所述抗反射涂层是经沉积的抗反射涂层。
32.根据权利要求30所述的处理器系统，其中所述抗反射涂层是氮化钛与铝的分层结构。
33.根据权利要求30所述的处理器系统，其中所述抗反射涂层由TiO2形成。
34.根据权利要求30所述的处理器系统，其中所述成像器进一步包括形成于所述抗反射涂层上的吸收层。
35.根据权利要求34所述的处理器系统，其中所述吸收层吸收波长在约800nm到约1150nm之间的IR辐射。
36.根据权利要求35所述的处理器系统，其中所述吸收层由选自由Ge、SiGe和SiC组成的群组的材料形成。
37.根据权利要求28所述的处理器系统，其中所述层是吸收层。
38.根据权利要求37所述的处理器系统，其中所述吸收层吸收波长在约800nm到约1150nm之间的IR辐射。
39.根据权利要求37所述的处理器系统，其中所述吸收层由选自由Ge、SiGe和SiC组成的群组的材料形成。
40.一种处理器系统，其包括：
衬底，其具有第一表面和第二表面；
像素传感器单元阵列，其包括形成于衬底的第一表面处的多个像素单元，所述像素单元包含成像像素单元和暗电流像素单元；
其中在所述第二表面中形成有表面磨蚀，以用于减少从所述第二表面反射回所述暗电流像素单元的光的量；以及
处理器，其用于接收并处理表示图像的数据。
41.根据权利要求40所述的处理器系统，其中所述阵列和所述处理器形成于单个衬底上。
42.根据权利要求40所述的处理器系统，其中所述表面磨蚀包含垂直粗糙化。
43.根据权利要求40所述的处理器系统，其中所述表面磨蚀包含形成于其中的成形光栅。
44.根据权利要求43所述的处理器系统，其中所述成形光栅以与所述第二表面成从约10度到约75度的角度形成。
45.根据权利要求43所述的处理器系统，其中所述成形光栅以与所述第二表面成从约35度到约45度的角度形成。
46.一种处理器系统，其包括：
像素传感器单元阵列，其包括形成于衬底的第一表面处的多个有源像素单元和暗像素单元，其中所述有源像素单元和所述暗像素单元在所述衬底中分开预定距离；以及
处理器，其用于接收并处理表示图像的数据。
47.根据权利要求46所述的处理器系统，其中所述阵列和所述处理器形成于单个衬底上。
48.根据权利要求47所述的处理器系统，其中所述距离通过以下公式计算：
2·D·tan(α)
其中D是所述衬底的厚度，且α是IR辐射进入所述衬底中的最大角度。
49.根据权利要求46所述的处理器系统，其进一步包括形成于所述暗像素和所述分开距离上的吸收层。
50.根据权利要求49所述的处理器系统，其进一步包括形成于所述吸收层上的不透明层。
51.一种减少成像装置中的图像伪影的方法，所述方法包括以下步骤：
使穿透所述成像装置的衬底并反射到所述成像装置中的暗像素的IR辐射的量最小化，以减少所述成像器中的图像伪影。
52.根据权利要求51所述的方法，其中通过提供：具有像素传感器单元阵列的成像衬底，所述像素传感器单元阵列包括形成于衬底的第一表面处的多个像素单元；形成于所述衬底的第二表面上的抗反射涂层；以及形成于所述抗反射涂层上的吸收层，来使IR辐射最小化。
53.根据权利要求51所述的方法，其中通过提供：具有像素传感器单元阵列的成像衬底，所述素传感器单元阵列包括形成于衬底的第一表面处的多个像素单元，以及形成于所述衬底的第二表面上的吸收层，来使IR辐射最小化。
54.根据权利要求51所述的方法，其中通过提供具有第一表面和第二表面的衬底来使IR辐射最小化，所述衬底具有像素传感器单元阵列，所述像素传感器单元阵列包括形成于衬底的第一表面处的多个像素单元；其中在所述第二表面中形成有表面磨蚀。
55.根据权利要求54所述的方法，其中所述表面磨蚀包含垂直粗糙化。
56.根据权利要求55所述的方法，其中通过CMP来形成所述表面磨蚀。
57.根据权利要求54所述的方法，其中所述表面磨蚀包含形成于其中的成形光栅。
58.根据权利要求51所述的方法，其中通过提供成像器来使IR辐射最小化，所述成像器具有像素传感器单元阵列，所述像素传感器单元阵列包括形成于衬底的第一表面处的多个有源像素单元和暗像素单元，其中所述有源像素单元和所述暗像素单元在所述衬底中分开预定距离。
59.根据权利要求58所述的方法，其中所述距离通过以下公式计算：
2·D·tan(α)
其中D是所述衬底的厚度，且α是IR辐射进入所述衬底中的最大角度。
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