CN102017148A - 具有硅化物光反射层的背面受光成像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种背面受光成像传感器，其包含半导体层、金属互连层及硅化物光反射层。半导体层具有正面及背面。包含光电二极管区域的成像像素形成在半导体层内。金属互连层被电耦合至光电二极管区域，且硅化物光反射层被耦合在金属互连层与半导体层的正面之间。操作中，光电二极管区域接收来自半导体层的背面的光，其中所接收光的一部分透过光电二极管区域传播至硅化物光反射层。该硅化物光反射层是经配置以反射来自光电二极管区域的所接收光部分。

Description

具有硅化物光反射层的背面受光成像传感器

本申请主张2008年2月8日提交的美国临时申请第61/027,364号的权利，该申请以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明一般涉及成像传感器，尤其涉及但不限于背面受光成像传感器。

背景技术

当今，许多半导体成像传感器是正面受光。亦即，它们包含构建在一半导体晶片的正面的成像阵列，其中光是自相同正面在成像阵列处被接收的。然而，正面受光成像传感器有许多缺点，缺点之一是有限的填充因子。

背面受光成像传感器是正面受光成像传感器的一替代物，其解决与正面受光相关的填充因子问题。背面受光成像传感器包含构建在半导体晶片的正面的成像阵列，但是透过该晶片的背面接收光。然而，为检测来自背面的光，晶片必须非常地薄。为了改良背面受光传感器的灵敏度，彩色滤光片及微透镜可被纳入该晶片的背面。为了改良灵敏度及减少串扰，晶片的厚度可被最优化。然而，一般而言，灵敏度愈高导致串扰愈高。亦即，随着增加最终半导体晶片厚度，光可通过晶片更有效地收集。同时，期望用于像素的光可能具有到达不期望接收该光的其它像素的较高可能性(或较大机会)。因此，存在需要具有改良灵敏度的背面受光装置，其减少串扰。

附图说明

参考下述附图描述本发明的非限制及非穷举实施例，其中除非另有规定，全篇各种视图中同一参考数字是指同一部分。

图1是根据本发明的实施例绘示一背面受光成像传感器的方块图；

图2是背面受光成像传感器的成像像素的截面图；及

图3是根据本发明的实施例的背面受光成像传感器的成像像素的截面图。

【主要元件符号说明】

100背面受光成像传感器

105像素阵列

110读出电路

115功能逻辑

120控制电路

200成像像素

205半导体基板

207正面

209背面

210彩色滤光片

215微透镜

220保护氧化物

225层间电介质

230金属堆栈

235光电二极管区域

240固定层

245金属间介电层

250金属间介电层

255传输栅极

260间隔物

265栅极氧化物

300成像像素

305硅化物光反射层

具体实施方式

本文描述一具有硅化物光反射层的背面受光成像传感器的实施例。在下述描述中陈述大量特定详细数据以提供实施例的全面理解。然而，本领域技术人员应认识到，可在不使用特定详细数据之一或多个，或在使用其它方法、元件、材料等等下，实施本文描述的技术。在其它实例中，为了避免某些方面不清楚，并未绘示或详细描述已熟知的结构、材料或操作。

此说明书中全篇参考「一个实施例」或「一实施例」意旨结合该实施例描述的一特定特征、结构或特性是包括于本发明的至少一个实施例中。因此，此说明书的全篇各处出现的词组「在一个实施例中」或「在一实施例中」未必都是指同一实施例。而且，特定特征、结构或特性可以任一适合方式组合在一或多个实施例中。

图1是根据本发明的实施例绘示一背面受光成像传感器100的方块图。成像传感器100的绘示实施例包含像素阵列105、读出电路110、功能逻辑115及控制电路120。

像素阵列105是背面受光成像传感器或像素(例如，像素P1，P2…，Pn)的二维(″2D″)阵列。在一实施例中，每一像素是有源像素传感器(″APS″)，诸如互补金属氧化物半导体(″CMOS″)成像像素。如图所示，每一像素被配置成列(例如，列R1至Ry)及行(例如，行C1至Cx)以获取人物、位置或对象的图像数据，然后它们可用以呈现人物、位置或对象的2D图像。

在每一像素已获取其图像数据或图像电荷之后，图像数据被读出电路110读出且传输至功能逻辑115。读出电路110可包含放大电路、模数转换电路或其它。功能逻辑115可简单储存图像数据或甚至通过应用后置图像效果来操纵该图像数据(例如，裁剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)。在一实施例中，读出电路110可沿着(有示出)读出行线一次读出一行图像数据或可使用各种其它技术(没有示出)读出图像数据，诸如同时串行读出或完全并行读出全部像素。

控制电路120被耦合至像素阵列105以控制像素阵列105的运行特性。例如，控制电路120可产生一快门信号用以控制图像获取。

图2是背面受光成像传感器的成像像素200的截面图。成像像素200的绘示实施例包含半导体层(亦即，半导体基板205)、彩色滤光片210、微透镜215、保护氧化物220、层间电介质225，及金属堆栈230。半导体基板205绘示为包含浅沟槽隔离(″STI″)、光电二极管区域235、浮动扩散(″FD″)，及固定层240。金属堆栈230绘示为包含金属互连层M1及M2及金属间介电层245及250。图2中亦绘示传输栅极255，侧壁间隔物260及栅极氧化物265已被耦合至传输栅极255。

在图2绘示的实施例中，光电二极管区域235被形成在半导体基板205的正面207上且经配置以接收来自背面209的光。光电二极管区域235被绘示作为经由任选的固定层240的固定光电二极管。在一实施例中，光电二极管区域235可为非固定的光电二极管或部分固定的光电二极管。此外，光电二极管区域235可为任一光敏元件，诸如一光闸或光电容器。而且，本文使用的术语“像素”意指包含所有像素设计，包含CCD像素。

耦合至背面209的是任选的彩色滤光片210以实施彩色传感器及微透镜215，以使光聚焦到光电二极管区域235上。耦合至正面207的是保护氧化物220及层间电介质225。在一实施例中，层间电介质225是二氧化硅。亦被纳入成像像素200中的是传输栅极255，传输栅极255被耦合以传输累积在光电二极管区域235的电荷至浮动扩散FD。在一实施例中，传输栅极255是多晶硅结构。

如图2中绘示，成像像素200包含金属堆栈230。金属堆栈230的绘示实施例包含通过金属间介电层245及250分离的两个金属层M1及M2。尽管图2绘示两层金属堆栈，但是金属堆栈230可包含更多或更少金属层，用于将信号路由至基板205的正面207上。在一实施例中，金属互连层M1及M2是诸如铝、铜或其它合金的金属。在一实施例中，经由溅射、准直溅射、低压溅射、反应性溅射、电镀、化学气相沉积或蒸发而形成金属互连层M1及M2。在一实施例中，传输栅极255及浮动扩散FD经过一个洞、通孔或其它连接构件(没有显示)透过保护氧化物220及层间电介质225被电耦合至一或多个金属互连层M1及M2。在一实施例中，钝化层(没有显示)被沉积在金属堆栈230上。

操作期间，微透镜215接收入射光，其透过彩色滤光片210使光聚焦至背面209且透过基板205通过光电二极管区域235接收光。响应于接收的光而产生电子空穴对。然后，电子被收集在光电二极管区域235，传输至浮动扩散(FD)，且转换成电信号。然而，从图2可见，在光电二极管区域235接收的光的一部分可透过基板205的正面207继续传播。在一些实例中，此光继续进入一或多个金属间介电层(例如，245及250)且通过金属层(例如，M1及M2)反射回来朝向不同(例如，邻近)像素，其中响应于这个不同像素中的反射光，产生一电信号。光以此方式反射回至一邻近或不同的像素，此处称为「光串扰」且增加噪声及降低由像素阵列产生的合成图像中的质量。

在一实例中，像素200经配置以经由彩色滤光片210基本上只接收红色频率范围的光，该彩色滤光片210是红色彩色滤光片。邻近像素(没有显示)可经类似配置以经由绿色彩色滤光片基本上只接收绿色频率范围的光。在此实例中，光被接收在微透镜215，然后通过彩色滤光片210过滤成红色光，然后其中红色光透过基板205传播至光电二极管区域235。然后，在光电二极管区域235产生一代表接收的红色光的电信号。然后，红色光的一部分透过正面207继续传播且被反射离开金属互连层M1朝向邻近像素。现在，在邻近像素中，不仅响应于通过对应绿色彩色滤光片的绿色光，而且亦响应于自像素200反射的红色光，而产生电信号。因此，通过像素阵列产生的合成图像可能具有由于此光串扰而产生的不准确的色值。亦即，邻近像素由于组合的绿色光及反射的红色光可输出一较高值。额外光串扰可能是由光被反射离开其它金属互连层，诸如M2而产生。

图3是根据本发明的实施例的背面受光成像传感器的成像像素300的截面图。成像像素300是图1显示的像素阵列105的至少一个像素之一的可能的实现方式。成像像素300的绘示实施例包含半导体基板205、彩色滤光片210、微透镜215、保护氧化物220、层间电介质225、金属堆栈230，及硅化物光反射层305。

如图3所显示，成像像素300包含沉积在金属堆栈230与半导体基板205的正面207之间的硅化物光反射层305。为了减少光串扰，硅化物光反射层305是经配置以将透过光电二极管区域235继续传播的光反射回后到达同一光电二极管区域235上。在一实施例中，硅化物光反射层305被沉积在保护氧化物220之上。保护氧化物220可被事先形成为一相对薄的厚度，使得硅化物光反射层305非常接近光电二极管区域235以便确保透过光电二极管区域235传播的光被反射回到同一光电二极管区域235上而不反射到邻近像素上。在一实施例中，硅化物光反射层305被沉积在光电二极管区域235之上而不是沉积在浮动扩散FD或传输栅极255之上。

在一实施例中，硅化物光反射层305是一层硅化物。在此实施例，硅化物层是在保护氧化物220沉积到半导体基板205的正面207上之后形成。首先，一薄层多晶硅被沉积在保护氧化物220上。在一实施例中，多晶硅层的厚度在10纳米与100纳米之间。在一实施例中，然后执行光蚀刻步骤以自除光电二极管区域235上外的其它各处移除多晶硅层。

在一实施例中，多晶硅层的沉积是经配置以减少沿着晶体管间隔物侧壁(例如，间隔物260)的多晶硅沉积。例如，多晶硅层的沉积可被配置成更多各向异性而不是各向同性，且后续选择性蚀刻可包含大量过度蚀刻。保护氧化物220可充作多晶硅层蚀刻的蚀刻停止层。因此，保护氧化物220的厚度可能需要经配置以调节多晶硅层的这种过度蚀刻。

在多晶硅层的图案化之后，保护氧化物220可被图案化及蚀刻以用于成像像素300的可能期望被硅化的其它区域。然后，继一典型CMOS处理流程之后形成硅化物。例如，可通过共同蒸发、溅射或真空沉积紧接着热退火的方法而形成或沉积该硅化物。这些方法可产生硅化物光反射层305，其是自一金属与多晶硅反应产生以形成硅化物，或另一选择为，硅化物光反射层305可为共同沉积的金属及硅的混合物。在一实例中，硅化物光反射层305可通过硅化物化(salicidation)的自对准方法形成。

在一实施例中，硅化物光反射层305是一层硅化钨。在此实施例中，硅化钨层经由物理气相沉积方法非保形地沉积在保护氧化物220上。因此，在此实施例中，硅化物光反射层305可在典型的硅化物化步骤之后沉积，为成像像素300的制造方法提供更多弹性。在其它实施例中，硅化物光反射层305是一层硅化钛或硅化钴。

在成像像素300的操作中，微透镜215接收入射光，微透镜215使光穿过彩色滤光片210而聚焦至背面209且该光将穿过基板205而由光电二极管区域235予以接收。然后，响应于接收的光而在光电二极管区域235中产生电信号，其中这些电信号是透过金属堆栈230的一或多个金属层进行路由的。如先前实例，光电二极管区域235接收的光的一部分可透过基板205的正面207继续传播。然而，因为包含硅化物光反射层305，光被反射回至同一光电二极管区域235而不是一邻近像素。然后，响应于此反射光而在同一光电二极管区域235产生电信号。因此，在紧密接近半导体基板的正面207处包含硅化物光反射层305实质上防止在光电二极管区域接收的光反射到另一光电二极管区域，藉此减少上文讨论的光串扰。此外，硅化物光反射层305可通过将已经通过光电二极管区域235的光反射回至同一光电二极管区域而增加光电二极管区域235的灵敏度。

本发明的绘示实施例的上述描述，包含摘要中的描述，不期望穷举或将本发明限于揭示的精确形式。同时，本文描述的本发明的特定实施例及实例是为说明的目的，本领域技术人员应认识到在不脱离本发明的范围内可进行各种修改。

根据上述详细描述，可对本发明进行这些修改。用于下述权利要求书中的术语不应看作将本发明限于说明书中揭示的特定实施例。确切而言，本发明的范围全部通过权利要求书决定，应根据权利要求的解释的建立原则解读这些权利要求。

Claims (22)

1.一种背面受光成像传感器，包含：

半导体层，其具有正面及背面，该半导体层具有成像像素，该成像像素包含形成于该半导体层内的光电二极管区域；

金属互连层，其电耦合至该光电二极管区域；及

硅化物光反射层，其设置在该金属互连层与该半导体层的正面之间，其中该光电二极管区域接收来自该半导体层的背面的光，其中接收的光的一部分透过该光电二极管区域传播至该硅化物光反射层，其中该硅化物光反射层是经配置以反射来自该光电二极管区域的接收的光的一部分。

2.如权利要求1所述的背面受光成像传感器，其进一步包含保护氧化物，该保护氧化物被沉积在该硅化物光反射层与该半导体层的正面之间。

3.如权利要求1所述的背面受光成像传感器，其中该硅化物光反射层被直接设置在该保护氧化物之上，其中该硅化物光反射层接近该光电二极管区域以将来自该光电二极管区域的接收的光的一部分反射回至该光电二极管区域上。

4.如权利要求1所述的背面受光成像传感器，其中该硅化物光反射层经配置以基本上防止来自该光电二极管的接收的光的一部分被反射到邻近的光电二极管区域上。

5.如权利要求1所述的背面受光成像传感器，其进一步包含介电层，该介电层被设置在该硅化物光反射层与该金属互连层之间。

6.如权利要求1所述的背面受光成像传感器，其中该成像像素进一步包含：

浮动扩散区域，其形成在该半导体层的正面上；及

传输栅极，其耦合在该光电二极管区域与该浮动扩散之间；其中该硅化物光反射层被设置在该光电二极管区域之上而不是在该浮动扩散与传输栅极之上。

7.如权利要求1所述的背面受光成像传感器，其中该硅化物光反射层是一层硅化钨。

8.如权利要求1所述的背面受光成像传感器，其中该成像像素是互补金属氧化物半导体(″CMOS″)背面受光成像像素。

9.如权利要求1所述的背面受光成像传感器，其中该硅化物光反射层是一层多晶硅的硅化物。

10.如权利要求1所述的背面受光成像传感器，其中该硅化物光反射层是选自由硅化钛及硅化钴组成的组中的一层材料。

11.如权利要求1所述的背面受光成像传感器，其进一步包含：

微透镜，其被设置在该光电二极管区域之下的半导体层的背面上且经光学对准以使光透过该半导体层的背面聚焦到该光电二极管区域上；及

彩色滤光片，其被设置在该微透镜与该光电二极管区域之间以对光进行滤光处理。

12.如权利要求1所述的背面受光成像传感器，其中该硅化物光反射层是硅化物的自对准层。

13.一种方法，包含：

在半导体层的背面接收光学信号；

透过该半导体层传输该光学信号至该半导体层内所形成的成像像素的光电二极管区域；

用该光电二极管区域响应于该光学信号而产生电信号，其中该光学信号的一部分透过该光电二极管区域而传播至该半导体层的正面；及

使用设置在金属互连层与该半导体层的正面之间的硅化物光反射层来反射透过该光电二极管区域而传播的光学信号的一部分。

14.如权利要求13所述的方法，其中使用该硅化物光反射层来反射光学信号的一部分包含：将光学信号的一部分反射到光电二极管区域上。

15.如权利要求12所述的方法，其中该成像像素是像素阵列的多个成像像素之一，其中每一个成像像素包含光电二极管区域，其中该硅化物光反射层经配置以基本上防止从一个光电二极管区域接收到的光学信号的一部分被反射到另一个光电二极管区域上。

16.如权利要求15所述的方法，其中该硅化物光反射层是一层多晶硅的硅化物。

17.一种成像传感器，包含：

半导体层，其具有正面及背面，该半导体层具有背面受光成像像素阵列，其中每一个成像像素包含：

光电二极管区域，其形成在该半导体层内；

金属互连层，其电耦合至该光电二极管区域；及

硅化物光反射层，其被设置在该金属互连层与该半导体层的正面之间，其中该光电二极管区域接收来自该半导体层的背面的光，其中接收的光的一部分透过该光电二极管区域而传播至该硅化物光反射层，其中该硅化物光反射层是经配置以反射来自该光电二极管区域的接收的光的一部分。

18.如权利要求17所述的成像传感器，其进一步包含保护氧化物，该保护氧化物被设置在该硅化物光反射层与该半导体层的正面之间。

19.如权利要求17所述的成像传感器，其进一步包含介电层，该介电层被设置在该硅化物光反射层与该金属互连层之间。

20.如权利要求17所述的背面受光成像传感器，其中每一个成像像素进一步包含：

浮动扩散区域，其形成在该半导体层的正面上；及

传输栅极，其耦合在该光电二极管区域与该浮动扩散之间；其中该硅化物光反射层被设置在该光电二极管区域之上而不是在该浮动扩散与传输栅极之上。

21.如权利要求17所述的成像传感器，其中每一个成像像素是互补金属氧化物半导体(″CMOS″)背面受光成像像素。

22.如权利要求17所述的成像传感器，其中该硅化物光反射层是一层多晶硅的硅化物。

Images