CN102054848A - 具有电子透镜的光电检测器阵列 - Google Patents

具有电子透镜的光电检测器阵列 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有电子透镜的光电检测器阵列。本发明揭示光电检测器、光电检测器阵列、图像传感器及其它设备。在一个方面中，设备可包括用以接收光的表面、安置在衬底内的光敏区域及耦合在所述表面与所述光敏区域之间的材料。所述材料可接收所述光。所述光中的至少一些光可使所述材料中的电子自由。耦合在所述表面与所述材料之间的电子透镜可朝向所述光敏区域聚焦所述材料中的所述电子。本发明还揭示其它设备，以及使用此种设备的方法、制作此种设备的方法及并入有此种设备的系统。

Description

具有电子透镜的光电检测器阵列
背景技术
图像传感器是普遍的。图像传感器可用于各种各样的应用中，例如数码照相机、蜂窝式电话、数码相机电话、安全相机、光学鼠标以及各种其它医学、汽车、军事或其它应用。
串扰是许多图像传感器遇到的一个挑战。两种常见的串扰形式是电串扰及光学串扰。
电串扰可在(举例来说)对应于一个光敏区域的区域中所产生的电子扩散、横向漂移或另外迁移或移动到相邻光敏区域且由所述相邻光敏区域收集时发生。所述电子可最终由所述相邻光敏区域的收集。
光学串扰可在(举例来说)入射在对应于一个光敏区域的表面上的光折射、反射、散射或另外引导到相邻光敏区域时发生。所述光可最终由所述相邻光敏区域检测。
此种串扰往往是不期望的，因为其往往可使图像模糊，引入瑕疵或另外降低图像质量。另外，此种串扰往往随着图像传感器及其像素的大小继续减小而成为更大的挑战。
具有减小的光学及/或电串扰的图像传感器将提供某些优点。
发明内容
本发明的一个实施例提供一种设备，其中该设备包含：用以接收光的表面；安置在衬底内的光敏区域；耦合在所述表面与所述光敏区域之间的材料，所述材料用以接收所述光，所述光中的至少一些光使所述材料中的电子自由；及耦合在所述表面与所述材料之间的电子透镜，所述电子透镜用以朝向所述光敏区域聚焦所述材料中的所述电子。
本发明的另一实施例提供一种设备，其中所述设备包含：用以接收光的表面；安置在衬底内的光敏区域；耦合在所述表面与所述光敏区域之间的材料，所述材料用以接收所述光，所述光中的至少一些光用以释放所述材料中的电子；及耦合在所述表面与所述材料之间的光学与电子透镜，所述光学与电子透镜用以朝向所述光敏区域聚焦所述材料中的所述光及所述电子。
本发明的另一实施例提供一种方法，其中所述方法包含：提供具有前侧部分及背侧部分的衬底，所述前侧部分具有安置在其中的光敏区域阵列；在所述背侧部分处形成非平坦表面，所述非平坦表面具有凸起物阵列，所述凸起物中的每一者对应于所述光敏区域中的相应一者且远离所述相应一者凸出；在所述凸起物阵列上方形成非平坦层，所述非平坦层具有凹进部分阵列，所述凹进部分中的每一者对应于所述光敏区域中的相应一者且远离所述相应一者后退，所述非平坦层能够在所述凸起物阵列中产生电场。
本发明的另一实施例提供一种方法，其中所述方法包含：在表面处接收光；朝向光敏区域传输所述光；借助所述光使材料中的电子自由；朝向所述光敏区域聚焦所述材料中的所述电子；及在所述光敏区域处接收所述电子。
附图说明
参照以下说明及附图可最好地理解本发明，下列附图仅用于图解说明本发明的实施例。图式中：
图1是根据本发明的实施例的光电检测器的截面侧视图。
图2是根据本发明的实施例的使用光电检测器的方法的方框流程图。
图3是根据本发明的一个或一个以上实施例的光电检测器阵列的截面侧视图。
图4是根据本发明的一个或一个以上实施例的另一光电检测器阵列的截面侧视图。
图5是根据本发明的一个或一个以上实施例的再一光电检测器阵列的截面侧视图。
图6是根据本发明的实施例的制造或制作光电检测器阵列的方法的方框流程图。
图7A到7E图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例实施图6的方法时形成的各种结构。
图8A到8E图解说明根据本发明的一个或一个以上其它实施例实施图6的方法时形成的各种结构。
图9是图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例光电检测器阵列的两个像素的实例性像素电路的电路图。
图10是图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的图像传感器单元的框图。
图11是图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的并入有图像传感器的照明与图像捕获系统的框图。
具体实施方式
在以下说明中，列举了大量具体细节。然而，应理解，可在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其它实例中，为不掩盖对本说明的理解，未详细显示众所周知的电路、结构及技术。
图1是根据本发明的实施例的光电检测器100的截面侧视图。在各种实施例中，所述光电检测器可包括光电检测器阵列或图像传感器。
所述光电检测器包括光收集表面102，例如一个或一个以上透镜的表面。在操作期间，所述光收集表面可接收光103。
所述光传感器还包括光敏区域104。所述光敏区域安置在衬底106内。如本文所使用，安置在衬底内的光敏区域既定涵盖在所述衬底内形成的光敏区域、在所述衬底上方形成的光敏区域或部分在所述衬底内且部分在所述衬底上方形成的光敏区域。通常，所述光敏区域安置在所述衬底的半导体材料内。所述衬底也可包括除半导体材料外的其它材料，例如有机材料、金属及非半导体介电质，此仅为几个实例。
合适的光敏区域的代表性实例包括但不限于光电二极管、电荷耦合装置(CCD)、量子装置光学检测器、光电门、光电晶体管及光电导体。相信用于互补金属氧化物半导体(CMOS)有源像素传感器(APS)中的光敏区域类型尤其合适。在一个实施例中，所述光敏区域是光电二极管。合适的光电二极管的代表性实例包括但不限于P-N光电二极管、PIN光电二极管及雪崩光电二极管。
再次参照图1，所述光电检测器还包括材料108。所述材料耦合在光收集表面102与光敏区域104之间。在一个或一个以上实施例中，所述材料可包括半导体材料。在操作期间，所述材料用以接收光收集表面102所接收的光。所述材料可至少部分地朝向光敏区域104传输所述光。所述光的可能路径以虚线显示。所述光可能会或可能不会完全去到所述光敏区域，此取决于材料、材料的厚度及光的波长。
只要所述材料具有足够的厚度，那么所述光中的至少一些光往往可使所述材料中的电子(e-)(例如，光电子)自由。举例来说，由于光电效应，可在例如半导体材料等材料中产生电子或使电子自由。为被检测，所述电子(e-)应朝向光敏区域移动。然而，所述电子中的一些电子往往可扩散，横向漂移或另外移动远离光敏区域。这些电子可不被检测，此往往可降低光电检测器100的效率。
注意，根据本发明的实施例，所述光电检测器还包括电子透镜110。所述电子透镜耦合在光收集表面102与材料108之间。所述电子透镜可包括电子聚焦或会聚元件、结构、非平坦层部分、非平坦表面的凹进部分、凹面、成形材料或用于聚焦或会聚电子的其它构件。所述电子透镜可操作以朝向光敏区域104聚焦材料108中的电子(e-)。
在各种实施例中，所述电子透镜可表示材料108的经修改部分或在材料108上方形成的材料。举例来说，在一个或一个以上实施例中，所述电子透镜可包括掺杂程度较轻的经掺杂(例如，p-型)半导体材料108的掺杂程度较重的经掺杂区域(例如，p+掺杂区域)。作为另一实例，在一个或一个以上实施例中，所述电子透镜可包括在材料108上方形成的薄金属层，其中所述金属层可操作以在材料108的邻近部分中形成空穴积累区域(例如，金属闪镀栅极)。
所图解说明的电子透镜具有较接近于光敏区域的第一主要表面114及离所述光敏区域较远的第二主要表面116。在本发明的实施例中，所述电子透镜的至少一个主要表面不是平坦的。在所述所图解说明的电子透镜中，第一主要表面114是不平坦的且包括远离光敏区域后退的凹进表面。如图所示，所述凹进表面可包括面向光敏区域的凹表面。所述凹表面可以是面向光敏区域的半球体形表面。所述半球体形表面可类似或近似半球但未必是半球。在所述所图解说明的电子透镜中，第二主要表面116也是不平坦的，且与所述光敏区域相对地凸起。也就是说，所述所图解说明的电子透镜具有凸-凹形状，其包括面向光敏区域的凹表面114及面向用以接收光的光收集表面102的凸表面116。
在操作期间，所述电子透镜可产生电场。所述电场导致可操作而作用于电子上的会聚力线112。所述会聚力线被图解说明为多个短箭头，其中尾部在电子透镜处起始且头部大体向内指向。所述电场的力线大体朝向光敏区域聚焦或会聚。
所述电子透镜可具有针对电子的焦点。所述焦点(focus)可表示焦点(focal point)或焦点区域(focus region)。所述焦点可接近光敏区域。如本文所使用，对于2.0微米(μm)或更小的像素，“接近”光敏区域意指在所述光敏区域内或在所述光敏区域的0.5μm内。对于较大的像素，可应用较大的距离。在各种实施例中，所述焦点可在所述光敏区域内或在所述光敏区域的0.3μm内(举例来说，在电子透镜与光敏区域之间的材料中所述光敏区域前方，或在所述光敏区域后方)。
所述电子透镜所产生的电场可操作以朝向所述焦点及/或朝向光敏区域104聚焦或会聚材料108中的电子。所述电场可排斥所述电子或将驱使其离开。由于所述电场向内且大体朝向所述光敏区域引导，因此所述电场可迫使或鼓励所述电子向内且大体朝向所述光敏区域移动。所述电子向内聚焦而且垂直且在三个维度上朝向所述光敏区域聚焦。电子的此种聚焦可有助于增加光敏区域所收集电子的数量及/或检测的效率。如果所述电子透镜仅仅是平坦结构，那么所述电场将是平行的且不将聚焦或会聚所述电子。
图2是根据本发明的实施例使用光电检测器的方法200的方框流程图。通过举例的方式，可使用图1中所示的光电检测器100或一个类似光电检测器执行所述方法。
所述方法包括在块221处在所述光电检测器的光收集表面处接收光。在一个或一个以上实施例中，所述光电检测器可以是用作图像传感器的光电检测器阵列，且所述光可以是由正被成像的对象或表面反射的光，其可用于产生所述对象或表面的图像。
在块222处，所述光可穿过材料朝向光敏区域传输。在块223处，可通过所述光在所述材料中使电子自由。举例来说，由于光电效应，可通过所述光在所述材料中使光电子自由。
在块224处，可朝向光敏区域聚焦所述材料中的电子。在一个或一个以上实施例中，可通过驱动电子在三个维度上朝向所述光敏区域会聚的电场在三个维度上朝向所述光敏区域聚焦所述电子。如前文所论述，所述电子会聚电场可由非平坦凹进表面提供，所述非平坦凹进表面远离所述光敏区域后退。
在块225处，可在光敏区域处接收所述电子。也可在所述光敏区域处接收任何剩余光。
我们已知，所述光敏区域可产生表示所收集的电子及光的量的模拟信号。所述模拟信号可用于各种用途。在一些情形中，所述光电检测器可以是用作图像传感器的光电检测器阵列且所述模拟信号可用于产生图像。
为更好地图解说明某些概念，下文将阐述并入到光电检测器阵列的特定实例中的电子透镜的若干实例。这些特定光电检测器阵列是具有特定配置及特定组件的背侧照明式(BSI)光电检测器阵列。然而，应了解，本发明的范围并不限于这些特定光电检测器阵列。
图3是根据本发明的一个或一个以上实施例的光电检测器阵列300的截面侧视图。所述光电检测器阵列是BSI光电检测器阵列。
今天，许多光电检测器阵列是前侧照明(FSI)的。这些FSI光电检测器阵列在衬底的前侧处包括光电检测器阵列，且在操作期间所述光电检测器阵列从所述前侧接收光。然而，FSI光电检测器阵列具有某些缺点，例如有限的填充因数。
BSI光电检测器阵列是FSI光电检测器阵列的替代方案。BSI光电检测器阵列在衬底的前侧处包括光电检测器阵列，且在操作期间所述光电检测器阵列从所述衬底的背侧接收光。
再次参照图3，BSI光电检测器阵列包括前侧表面303及背侧表面302A、302B。图3中的上部侧及下部侧分别被视为图像传感器300的前侧及背侧。在操作期间，可在所述背侧表面处接收光303。
在一个或一个以上实施例中，任选微透镜330A、330B阵列可提供所述背侧表面。所述微透镜具有小于10μm的直径。所述微透镜对准以便以光学方式朝向对应光敏区域304A、304B聚焦在所述背侧表面处所接收的光。所述微透镜有助于改善敏感性且减小光学串扰。然而，所述微透镜是任选的，且不作要求。
所述光电检测器阵列还包括光敏区域304A、304B阵列。所述光敏区域阵列安置在衬底306内。前文所阐述的光敏区域是合适的。
所述光电检测器阵列还包括材料308A、308B，例如硅或另一半导体材料，其耦合在所述背侧表面与所述光敏区域304A、304B阵列之间。所述光可朝向所述光敏区域阵列传输到所述材料中。
只要所述材料具有足够的厚度，那么所述光中的至少一些光往往可使所述材料中的电子(e-)自由。为被检测，所述电子(e-)应向所述光敏区域移动。另外，材料308A中所产生的电子应优选地朝向对应光敏区域304A移动，且材料308B中所产生的电子应优选地朝向对应光敏区域304B移动。然而，所述电子中的一些电子存在扩散、横向漂移或另外迁移或移动远离其对应光敏区域的趋势，且在一些情形中可由相邻光敏区域收集。在边缘附近产生的电子往往比在中心附近产生的电子具有迁移到相邻光敏区域的更高可能性。此种电串扰可导致模糊、不良色彩性能或其它图像瑕疵且通常是不期望的。如下文所论述，所述光电检测器阵列具有电子透镜以减小此种串扰。
在所述材料中形成半球体形凸起物或凸面309A、309B阵列。所述凸面或半球体形凸起物中的每一者对应于所述光敏区域中的相应一者且远离所述相应一者凸出。在二维截面图中显示所述凸起物或凸面，但应理解，所述凸面或半球体形凸起物具有与对应光敏区域相对的三维凸起或半球体形表面。
所述光电检测器阵列还包括非平坦层310。非平坦层310耦合在所述背侧表面302A、302B与半球体形凸起物或凸面309A、309B阵列之间。在所述图解说明中，所述非平坦层直接在所述半球体形凸起物或凸面阵列上形成。
所述非平坦层具有凹进部分310A、310B阵列。凹进部分310A、310B中的每一者对应于光敏区域304A、304B阵列中的相应一者或远离所述相应一者后退。此外，凹进部分310A、310B中的每一者对应于且依从于半球体形凸起物或凸面309A、309B中的相应一者。
非平坦层310的凹进部分310A、310B表示对应光敏区域304A、304B的相应电子透镜310A、310B。电子透镜310A具有凹-凸形状，其包括面向光敏区域304A的凹表面314及面向微透镜302A的凸表面316。
电子透镜310A用以朝向对应光敏区域304A聚焦或会聚材料308A中的电子。同样，电子透镜310B用以朝向对应光敏区域304B聚焦或会聚材料308B中的电子。此可有助于减小电子将迁移到相邻光敏区域的可能性及/或有助于减小电串扰。
所述非平坦层能够在所述半球体形凸起物或凸面阵列中产生电子聚焦或会聚电场。所述图解说明的右手侧显示电子透镜310B的电场的代表性电子会聚或聚焦力线312B。类似的电子会聚或聚焦电场将由电子透镜310A产生。
所述非平坦层也能够以光学方式聚焦光。换句话说，所述电子透镜也是会聚光学透镜。所述图解说明的左手侧显示箭头所表示的光303如何由电子透镜310A以光学方式聚焦。所述光在其从电子透镜310A传递到材料308A中时可朝向光电检测器304A的中心弯曲。举例来说，其可由电子透镜310A的形状及电子透镜310A与平面化层336之间的折射指数差异导致。此光学聚焦可有助于减小光学串扰。
不同类型的层能够在所述材料中产生电场。在一个或一个以上实施例中，非平坦层310可包括重掺杂半导体材料，且材料308A、308B可包括掺杂程度较轻的经掺杂半导体材料。
我们已知，可用掺杂剂掺杂半导体以改变其电性质。掺杂剂可以是受体或施主。
受体掺杂剂元素在半导体中产生过量空穴，其通过接受来自那些半导体原子的电子来取代其原子。硅的合适受体包括硼、铟、镓、铝及其组合。
施主掺杂剂元素在半导体中产生过量电子，其通过将电子捐赠给半导体原子来取代其原子。硅的合适施主包括磷、砷、锑及其组合。
“p-型半导体”、“p-型传导率半导体”或类似物是指掺杂有受体且其中空穴的浓度大于自由电子的浓度的半导体。所述空穴大部分是载流子且支配传导率。
“n-型半导体”、“n-型传导率半导体”或类似物是指掺杂有施主且其中自由电子的浓度大于空穴的浓度的半导体。所述电子大部分是载流子且支配传导率。
P-型及n-型半导体通常以轻微到中等掺杂剂浓度掺杂。在一个或一个以上实施例中，p-型及n-型半导体具有小于约1×1015掺杂剂/cm3的掺杂剂浓度。
“p+半导体”、“p+掺杂半导体”、“p+传导率半导体”或类似物是指重掺杂有施主元素的重掺杂p-型半导体。“n+半导体”、“n+掺杂半导体”、“n+传导率半导体”或类似物是指重掺杂有受体元素的重掺杂n-型半导体。在一个或一个以上实施例中，p+掺杂半导体及n+掺杂半导体具有大于约1×1015掺杂剂/cm3，有时大于约1×1016掺杂剂/cm3的掺杂剂浓度。
在一个或一个以上实施例中，非平坦层310可包括重掺杂半导体材料，且材料308A、308B可包括轻微到中等掺杂的半导体材料。举例来说，非平坦层310可包括p+掺杂半导体材料，且材料308A、308B可包括p-型半导体材料。在此种实例中，光敏区域304A、304B可以是n-型。相反的极性配置也是合适的。举例来说，非平坦层310可包括n+掺杂半导体材料，材料308A、308B可包括n-型半导体材料，且光敏区域304A、304B可以是p-型。
重掺杂半导体材料层的厚度范围可从约10纳米(nm)到约400nm。在一些情形中，所述厚度范围可从约50nm到约200nm。
在本发明的一个或一个以上实施例中，跨越非平坦层的厚度可存在任选掺杂浓度梯度或坡度。举例来说，非平坦层在其背侧部分(例如，316)处具有较大的掺杂剂浓度且在其前侧部分(例如，314)处具有较小的掺杂剂浓度。在一个或一个以上实施例中，所述背侧部分处的较大掺杂剂浓度范围可从约1×1017掺杂剂/cm3到约1×1020掺杂剂/cm3。在一个或一个以上实施例中，所述前侧部分处的较小掺杂剂浓度范围可从约1×1014掺杂剂/cm3到约2×1015掺杂剂/cm3。相对陡峭的浓度梯度往往工作良好。
所述光电检测器阵列还包括耦合在微透镜330A、330B阵列与非平坦层310之间的第一任选平面化层336。所述第一平面化层的前侧依从于所述非平坦表面(例如，316)。所述第一平面化层具有平面或平坦的背侧表面。所述电子透镜安置在材料308A、308B与平面化层336之间。
所述光电检测器阵列还包括耦合在所述电子透镜310A、310B阵列与所述光学微透镜330A、330B阵列之间的任选不同滤色器334A、334B阵列。特定来说，所述滤色器耦合在所述平面化层的平坦表面与所述光学微透镜之间。滤色器334A可操作以过滤与滤色器334B不同的色彩。这些滤色器是任选的且不作要求。举例来说，可在黑色与白色图像传感器的情形中省略这些滤色器。
所述光电检测器阵列还包括耦合在所述滤色器阵列与所述光学微透镜阵列之间的第二任选平面化层332。然而，所述第二平面化层是任选的且不作要求。
所述光电检测器阵列在其前侧处包括互连部分342。所述互连部分可包括安置在介电材料内的一个或一个以上常规金属互连层。任选浅沟槽隔离(STI)338包括在邻近光敏区域之间，但不对所述STI作要求。任选钉扎层340(例如，n-型光敏区域情形中的p+掺杂区域)安置在所述光敏区域中的每一者的前表面上。
图4是根据本发明的一个或一个以上实施例的另一光电检测器阵列400的截面侧视图。所述光电检测器阵列是BSI光电检测器阵列。
图4中所示的光电检测器阵列400具有与图3中所示的光电检测器阵列300共同的某些特征。已在认为合适处用来自图3的现有参考编号标记图4中的某些组件或结构。除非另外规定，此指示这些组件或结构可任选地具有前文所阐述的一些或所有特性或属性。为避免掩盖某些概念，以下说明将主要聚焦于图4中所示光电检测器阵列400的不同结构及特性。
光电检测器阵列400与前文所阐述光电检测器阵列300之间的显著差异是凸起物409A、409B阵列、非平坦层410及电子透镜410A、410B的形状。
所述光电检测器阵列包括在材料308A、308B中形成的凸起物409A、409B阵列。在一个或一个以上实施例中，所述凸起物中的每一者具有平截头形状。所述平截头可表示(举例来说)具有棱锥或平截棱锥形状的凸起物。通过举例的方式，所述棱锥可具有三个或四个侧。
所述光电检测器阵列还包括非平坦层410。所述非平坦层直接在所述凸起物阵列上形成。所述非平坦层具有凹进部分410A、410B阵列。凹进部分410A、410B中的每一者对应于且依从于凸起物409A、409B中的相应一者。此外，凹进部分410A、410B中的每一者对应于光敏区域304A、304B阵列中的相应一者且远离所述相应一者后退。
凹进部分410A、410B表示对应光敏区域304A、304B的相应电子透镜410A、410B。电子透镜410A具有面向光敏区域304A的凹进表面414。所述凹进表面包括大致依从于具有平截头形状的对应凸起物409A的有角侧壁的有角侧壁。
针对电子透镜410B显示电场的代表性电子会聚或聚焦力线412B。电子力线412B从电子透镜410B的凹进表面的有角侧壁向内引导。所述电场驱动电子朝向光敏区域304B在三个维度上向内聚焦或会聚。类似的电场将由电子透镜410A产生。
非平坦层的其它方面(例如，材料(举例来说，重掺杂半导体材料)、厚度、掺杂梯度及类似方面)可任选地如前文所阐述。
图5是根据本发明的一个或一个以上实施例的再一光电检测器阵列500的截面侧视图。所述光电检测器阵列是BSI光电检测器阵列。
图5中所示的光电检测器阵列500具有与图3中所示的光电检测器阵列300及/或图4中所示的光电检测器阵列400共同的某些特征。注意，图5的光电检测器阵列500中的凸起物阵列及非平坦层的形状类似于图4的光电检测器阵列400的凸起物阵列及非平坦层的形状。已在认为合适处用来自图3或图4的先前参考编号标记图5中的某些组件或结构。除非另外规定，这些组件或结构可任选地具有前文所阐述的一些或所有特性或属性。为避免掩盖某些概念，以下说明将主要聚焦于图5中所示光电检测器阵列500的不同结构及特性。
光电检测器阵列500与前文所述光电检测器阵列300及400之间的一个显著差异是用于非平坦层510及/或电子透镜510A、510B的材料。另一差异是电子透镜产生用于朝向光敏区域聚焦或会聚电子的电场的方式。
光电检测器阵列500包括非平坦层510。所述非平坦层在凸起物409A、409B阵列上方形成，所述凸起物在材料308A、308B中形成。如前文，所述凸起物中的每一者可具有棱锥或其它平截头形状。所述非平坦层具有凹进部分510A、510B。这些凹进部分表示对应光敏区域304A、304B的相应电子透镜510A、510B。
在本发明的一个或一个以上实施例中，非平坦层510可包括薄金属层。所述层可足够薄以允许光通过所述层。所述层可操作以在材料409A、409B的邻近部分中形成空穴积累区域。举例来说，层510可包括具有足够高的功函数以形成所述空穴积累区域的金属。铂是可操作以在邻近硅材料中形成空穴积累区域的金属的一个具体实例。在一个或一个以上实施例中，非平坦层510可包括闪镀栅极。所述闪镀栅极或薄金属层可任选地经负性偏置以进一步用空穴充填所述邻近材料。闪镀栅极在光电检测器技术中是已知的，例如结合CCD。
再次参照图5，在材料409A、409B中形成空穴积累区域544。在材料409A、409B中形成的空穴积累区域544具有比材料409A、409B体大的空穴浓度。此较大空穴浓度可在所述材料中形成电场。针对电子透镜510B显示电场的代表性电子会聚或聚焦力线512B。类似的电子会聚或聚焦电场将由电子透镜510A产生。
闪镀栅极或其它薄金属层也可任选地用于像图3的凸起物及电子透镜那样成形的凸起物及电子透镜。
另外其它材料也适合于所述电子透镜。在一个或一个以上实施例中，所述电子透镜可包括透明导电氧化物(TCO)及透镜导电涂层(TCC)中的一者或一者以上。合适的TCO的实例包括但不限于与锡氧化物组合的铟氧化物(例如，氧化铟(III)(In2O3)加氧化锡(IV)(SnO2))、与铝氧化物组合的锌氧化物(例如，氧化锌(ZnO)加氧化铝(Al2O3))、与镓氧化物组合的锌氧化物(例如，氧化锌(ZnO)加氧化镓(III)(Ga2O3))及锡氧化物(例如，氧化锡(SnO2))，此仅为几个实例。合适的TCC的实例包括但不限于薄金膜、抗热导电塑料及包括碳纳米管的层，此仅为几个实例。
当电子透镜经电负性偏置时，材料409A/409B中的空穴可朝向电子透镜510A/510B吸引。此可在所述材料中产生空穴积累区域，此又可在材料409A/409B中形成电场。在一个或一个以上实施例中，可任选地将薄半导体氧化物膜安置在非平坦层510与在材料409A、409B中形成的空穴积累区域544之间。在一个方面中，此氧化物膜可包括硅氧化物，例如二氧化硅(SiO2)。当电子透镜经负性偏置时，所述薄半导体氧化物膜有助于改善装置可靠性及/或有助于减小安置在衬底的光检测部分中的装置中的故障。
在光电检测器阵列中，光的入射角度可从阵列的中心(零度入射角度)向所述阵列的外围逐渐增加。在一个或一个以上实施例中，所述光学微透镜及/或所述电子透镜可任选地基于入射光的角度在所述阵列的外围区域中按比例缩放或偏移。举例来说，朝向所述阵列的中心的光学微透镜及/或电子透镜可相对直接在其对应光敏区域上方或下方对准，而所述阵列的外围区域中的光学微透镜及/或电子透镜可朝向所述阵列的中心稍微向内移位以计及不同角度的入射光。此可有助于改善成像，但此是任选的且不作要求。
图6是根据本发明的实施例的制造或制作光电检测器阵列的方法650的方框流程图。可执行方法650以制作图1、3、4或5中所示的光电检测器或光电检测器阵列中的任一者或完全另外的光电检测器阵列。图7A到7E图解说明实施方法650时可形成的各种结构。为清晰起见，将结合图7A到7E中所示的结构阐述图6的方法650。
方法650包括在块651处提供衬底。如本文所使用，术语“提供”既定广义地涵盖至少制作、从另一者获得、购买、进口及以其它方式获取所述衬底。所述衬底具有前侧部分及背侧部分，所述前侧部分具有安置在其中的光敏区域阵列。
在块652处可在所述衬底的所述背侧部分处形成非平坦表面。所述非平坦表面可具有凸起物阵列。所述凸起物中的每一者对应于所述光敏区域中的相应一者且可远离所述相应一者凸出。
存在形成此种非平坦表面的不同方式。图7A到7D是图解说明利用可回流材料形成所述非平坦表面的一个实例性方式的衬底截面侧视图。
图7A显示在衬底700A的背侧半导体部分706上方沉积可回流材料层756。所述衬底还具有前侧互连部分342、具有安置在其中的光敏区域304A、304B阵列的前侧半导体部分、STI 358及背侧半导体部分706。这些组件可大致如前文所阐述。在一个实施例中，所述可回流材料可包含聚乙烯甲基丙烯酸甲酯材料，但不对此作要求。
图7B显示包括经图案化层的衬底700B，所述经图案化层包括通过将衬底700A的可回流材料层756图案化形成的可回流材料部分758A、758B阵列。可通过光刻术及显影来执行所述图案化。所述可回流材料部分中的每一者对应于光敏区域304A、304B中的相应一者。
图7C显示包括半球体形可回流材料凸起物760A、760B阵列的衬底700C，所述阵列通过将衬底700B的可回流材料部分758A、758B阵列回流而形成。此可通过将所述材料加热到高于其回流温度的温度来完成。
图7D显示具有非平坦背侧表面的衬底700D，所述非平坦背侧表面包括在衬底700C的背侧半导体部分706中蚀刻的半球体形凸起物309A、309B阵列。穿过衬底700C的半球体形可回流材料凸起物760A、760B阵列来执行到背侧半导体部分706中的蚀刻。以此方式，所述半球体形可回流材料凸起物的非平坦表面转移为背侧半导体部分706中的多少一致的非平坦表面。由于回流弯月面及材料之间的蚀刻速率的可能差异，所述表面可能不是精确的半球体形，但术语“半球体形”既定涵盖此类偏差。
图7A到7D图解说明用于形成所述非平坦表面的一个实例性方法。作为另一实例，可通过使用灰阶掩模来形成非平坦表面。作为再一选项，可任选地利用沿晶面的定向硅蚀刻。
再次参照图6，在块652处形成所述非平坦表面之后，在块653处可在所述凸起物阵列上方形成非平坦层。所述非平坦层可能够在所述凸起物阵列中产生电场。所述非平坦层可具有凹进部分阵列。所述凹进部分中的每一者对应于所述光敏区域中的相应一者且可远离所述相应一者后退。所述凹进部分中的每一者可表示电子透镜。
图7E显示具有半球体形凸起物309A、309B阵列上方的非平坦层310A、310B的衬底700E。第一凸起物309A上方的所述层的第一部分可表示第一子透镜310A且第二凸起物309B上方的所述层的第二部分可表示第二电子透镜310B。
在一个或一个以上实施例中，所述非平坦层可以是重掺杂层，例如p+掺杂层或n+掺杂层。此种层可通过掺杂形成。可通过离子植入或扩散来执行所述掺杂。可使用退火。在一个或一个以上实施例中，所述重掺杂层可经形成而具有从约10nm到约400nm的厚度范围，在一些情形中具有从约80nm到约200nm的厚度范围。如前文所阐述，在本发明的一个或一个以上实施例中，跨越所述非平坦层的厚度可存在掺杂浓度梯度或坡度。
或者，在一个或一个以上实施例中，所述非平坦层可包括金属闪镀栅极或其它薄金属膜。在一个或一个以上实施例中，可通过闪镀由约3埃到约20埃的铂或另一合适金属来形成所述金属闪镀栅极或薄金属膜。可任选地负性偏置所述闪镀栅极或薄金属膜以进一步用空穴充填邻近半导体。
也涵盖如图6中所示制造或制作光电检测器阵列的方法650的其它实施例。图8A到8E图解说明实施图6的方法的一个或一个以上其它实施例时形成的各种结构。很明显，图8A到8E显示用于在衬底的背侧部分处形成非平坦表面的不同方法。
图8A显示在衬底800A的背侧半导体部分806上方沉积掩模层890，例如光致抗蚀剂。举例来说，可通过沉积并旋涂光致抗蚀剂来形成掩模层890。所述衬底还具有前侧互连部分342、具有安置在其中的光敏区域304A、304B阵列的前侧半导体部分、STI 358及背侧半导体部分806。这些组件可大致如前文所阐述。
图8B显示包括经图案化掩模层891A、891B的衬底800B，所述经图案化掩模层通过将衬底800A的掩模层890图案化而形成。可通过光刻术及显影来执行所述图案化。所述经图案化层包括掩模部分891A、891B阵列。所述掩模部分中的每一者对应于光敏区域304A、304B中的相应一者。如图所示，掩模部分891A、891B阵列之间存在空隙。
图8C显示包括在衬底800B的背侧部分806中蚀刻的沟槽892A、892B、892C的衬底800C。可通过穿过所述经图案化掩模层将所述沟槽蚀刻到所述背侧部分中来形成所述沟槽。在一个或一个以上实施例中，所述沟槽可具有从约0.1到约0.5微米的深度范围。背侧部分806相对于所述掩模层的具有选择性的各种蚀刻是合适的。
图8D显示具有非平坦背侧表面的衬底800D，所述非平坦背侧表面包括从衬底800C的经蚀刻背侧部分806形成的半球体形凸起物309A、309B阵列。最初，可通过(例如)剥离来移除所述经图案化掩模层891A、891B。然后，可通过将剩余背侧半导体部分806的表面部分加热到高于其熔点的温度来将所述表面部分熔化并回流。在一个或一个以上实施例中，熔化的所述表面部分包括硅或另一半导体材料。在一个或一个以上实施例中，可通过激光退火到足以熔化硅的温度来执行此加热。所述沟槽之间的熔化的表面部分可回流以形成大体半球体形凸起物阵列，所述凸起物每一者对应于光敏区域中的一者。
图8E显示具有在衬底800D的半球体形凸起物309A、309B阵列上方形成的非平坦层310A、310B的衬底800E。第一凸起物309A上方的所述层的第一部分可表示第一子透镜310A且第二凸起物309B上方的所述层的第二部分可表示第二电子透镜310B。可如前文所阐述形成此非平坦层310A、310B。
图9是图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例光电检测器阵列的两个四-晶体管(4T)像素的实例性像素电路962的电路图。所述像素电路是实施这两个像素的一种可能方式。然而，本发明的实施例并不限于4T像素架构。而是，3T设计、5T设计及各种其它像素架构也是合适的。
在图9中，像素Pa及Pb布置成两行及一列。每一像素电路的所图解说明实施例包括光电二极管PD、转移晶体管T1、复位晶体管T2、源极随耦器(SF)晶体管T3及选择晶体管T4。在操作期间，转移晶体管T1可接收转移信号TX，所述转移信号可将在光电二极管PD中所积累的电荷转移到浮动扩散节点FD。在一个实施例中，浮动扩散节点FD可耦合到用于临时存储图像电荷的存储电容器。
复位晶体管T2耦合在电源导轨VDD与所述浮动扩散节点FD之间以在复位信号RST的控制下复位像素(举例来说，将所述FD及所述PD放电或充电到预设电压)。所述浮动扩散节点FD经耦合以控制SF晶体管T3的栅极。SF晶体管T3耦合在所述电源导轨VDD与选择晶体管T4之间。SF晶体管T3作为向所述浮动扩散FD提供高阻抗连接的源极随耦器操作。选择晶体管T4在选择信号SEL的控制下选择性地将像素电路的输出耦合到读出列线。
在一个实施例中，所述TX信号、所述RST信号及所述SEL信号由控制电路产生。在其中光电检测器阵列与全局快门一同操作的实施例中，全局快门信号耦合到所述整个阵列中的每一转移晶体管T1的栅极以同时开始电荷从每一像素的光电二极管PD的转移。或者，卷帘式快门信号可施加到转移晶体管T1群组。
图10是图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的背侧照明式图像传感器单元1000的框图。所述图像传感器单元包括像素阵列1064、读出电路1066、控制电路1068及功能逻辑1070。在替代实施例中，功能逻辑1070及控制电路1068中的一者或其两者可任选地包括在图像传感器单元外部。
所述像素阵列是二维(2D)背侧照明式像素(例如，像素P1、P2、...Pn)阵列。在一个实施例中，每一像素是有源像素传感器(APS)，例如互补金属氧化物半导体(CMOS)成像像素。如所图解说明，每一像素布置成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获取人、地方或对象的图像数据，然后可使用所述图像数据再现所述人、地方或对象的2D图像。
在每一像素已获取其图像数据或图像电荷之后，所述图像数据由读出电路1066读出且转移到功能逻辑1070。所述读出电路可包括放大电路、模拟数字转换电路或其它电路。所述功能逻辑可仅存储所述图像数据或甚至通过应用图像后效果(例如，修剪、旋转、去除红眼、调节亮度、调节对比度或其它)来操纵所述图像数据。如图所示，在一个实施例中，所述读出电路可沿读出列线一次读出一行图像数据。或者，所述读出电路可使用各种其它技术(例如，串行读出或所有像素的同时完全并行读出)来读出所述图像数据。
控制电路1068耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作特性。举例来说，所述控制电路可产生用于控制图像获取的快门信号。
图11是图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的并入有图像传感器单元1100的照明与图像捕获系统1180的框图。在各种实施例中，所述系统可表示数码相机、数码相机电话、网络相机、安全相机、光学鼠标、光学显微镜或扫描仪或可并入到以上各项内，此仅为几个实例。
所述系统包括光源1182，例如多色发光电二极管(LED)或其它半导体光源。所述光源可向正被成像的对象1183传输光。
由所述对象反射的至少一些光可穿过外壳1186的到图像传感器单元1100的窗口1184返回到所述系统。所述窗口应广义地解释为透镜、盖或所述外壳的其它透明部分。所述图像传感器单元可感测所述光且可输出表示所述光或图像的模拟图像数据。
数字处理单元1170可接收所述模拟图像数据。所述数字处理单元可包括模拟数字(ADC)电路以将所述模拟图像数据转换为对应的数字图像数据。
可随后通过软件/固件逻辑1188存储、传输或另外操纵所述数字图像数据。所述软件/固件逻辑可在所述外壳内，或如图所示在所述外壳外部。
在以上说明中且在权利要求书中，术语“耦合”可意指两个或两个以上元件直接物理或电接触。然而，“耦合”可替代意指两个或两个以上元件彼此不直接接触，但仍(举例来说)通过一个或一个以上介入组件或结构共同操作或彼此互动。举例来说，电子透镜可通过一个或一个以上介入材料(举例来说，平面化层、滤色器等)耦合在表面与材料之间。
在以上说明中，出于解释的目的，列举了大量具体细节以便提供对本发明实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将易知，可在没有这些具体细节中的一些细节的情况下实践其它实施例。提供所阐述的特定实施例并非为了限制本发明而是对其进行图解说明。本发明的范围将不由上文提供的具体实例确定而仅由上文权利要求书确定。在其它实例中，已以框图形式或未详细显示众所周知的电路、结构、装置及操作以避免掩盖对所述说明的理解。
整个本说明书中对“一个实施例(one embodiment)”、“实施例(an embodiment)”或“一个或一个以上实施例(one or more embodiments)”的提及(举例来说)意指可包括在本发明的实践中的特定特征。类似地，在本说明中，出于简化本发明及帮助理解各种发明性方面的目的，有时在单个实施例、图或其说明中将各种特征分组在一起。然而，本发明的此方法不应被解释为反映以下意图：本发明要求比每一权利要求中所明确陈述的特征更多的特征。而是，如以上权利要求书反映：发明性方面可在于少于单个所揭示实施例的所有特征。因此，具体实施方式之前的权利要求书在此明确并入本具体实施方式中，其中每一权利要求独立地作为本发明的单独实施例。

Claims (23)

1.一种设备，其包含：
表面，其用以接收光；
光敏区域，其安置在衬底内；
材料，其耦合在所述表面与所述光敏区域之间，所述材料用以接收所述光，所述光中的至少一些光使所述材料中的电子自由；及
电子透镜，其耦合在所述表面与所述材料之间，所述电子透镜用以朝向所述光敏区域聚焦所述材料中的所述电子。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述电子透镜具有非平坦的主表面。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述非平坦的主表面包含从所述光敏区域后退的凹进表面。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述凹进表面包含面向所述光敏区域的凹表面。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述电子透镜具有凸-凹形状，所述形状包括面向所述光敏区域的所述凹表面及面向用以接收所述光的所述表面的凸表面。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述电子透镜包含光学与电子透镜，所述光学与电子透镜具有针对所述材料中的光及所述电子且接近所述光敏区域的焦点。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述焦点在所述光敏区域内。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述材料包含半导体材料，且其中所述电子透镜包含重掺杂半导体材料层，所述重掺杂半导体材料比所述半导体材料掺杂程度重。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述半导体材料包含p-型半导体材料，其中所述重掺杂半导体材料包含p+掺杂半导体材料，且其中所述p+掺杂半导体材料的厚度范围是从10纳米到400纳米。
10.根据权利要求9所述的设备，其中跨越所述重掺杂半导体材料的厚度存在掺杂浓度梯度。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述电子透镜包含所述材料上方的薄金属层，所述薄金属层足够薄以允许光通过且可操作以在所述材料的邻近部分中形成空穴积累区域。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述电子透镜也可操作以便以光学方式朝向所述光敏区域聚焦光。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述表面包含经对准以朝向所述光敏区域聚焦所述光的光学微透镜表面，且进一步包含：
平面化层，其具有耦合在所述光学微透镜与所述电子透镜之间的平坦表面；及滤色器，其耦合在所述平面化层的所述平坦表面与所述光学微透镜之间。
14.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备包含图像传感器，其中所述光敏区域是所述图像传感器的光敏区域阵列中的一者，其中所述图像传感器包含背侧照明式图像传感器。
15.一种设备，其包含：
表面，其用以接收光；
光敏区域，其安置在衬底内；
材料，其耦合在所述表面与所述光敏区域之间，所述材料用以接收所述光，所述光中的至少一些光使所述材料中的电子自由；及
光学与电子透镜，其耦合在所述表面与所述材料之间，所述光学与电子透镜用以朝向所述光敏区域聚焦所述材料中的所述光及所述电子。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述光学与电子透镜具有非平坦的主表面，其中所述非平坦的主表面包含从所述光敏区域后退的凹进表面，且其中所述光学与电子透镜具有针对所述光及所述电子且接近所述光敏区域的焦点。
17.根据权利要求15所述的设备，其中所述材料包含半导体材料，且其中所述光学与电子透镜包含重掺杂半导体材料层，所述重掺杂半导体材料比所述半导体材料掺杂程度重。
18.一种方法，其包含：
提供具有前侧部分及背侧部分的衬底，所述前侧部分具有安置在其中的光敏区域阵列；
在所述背侧部分处形成非平坦表面，所述非平坦表面具有凸起物阵列，所述凸起物中的每一者对应于所述光敏区域中的相应一者且远离所述相应一者凸出；
在所述凸起物阵列上方形成非平坦层，所述非平坦层具有凹进部分阵列，所述凹进部分中的每一者对应于所述光敏区域中的相应一者且远离所述相应一者后退，所述非平坦层能够在所述凸起物阵列中产生电场。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述形成所述非平坦层包含下列各项中的一者：
形成比所述凸起物阵列的材料掺杂程度重的重掺杂半导体材料；及
沉积足够薄以允许光通过且可操作以在所述凸起物阵列中形成空穴积累区域的薄金属层。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述形成所述非平坦表面包含：
在所述背侧部分上方沉积可回流材料的层；
通过光刻术及显影将所述可回流材料的所述层图案化以形成经图案化层，所述经图案化层包括可回流材料部分阵列，所述可回流材料部分中的每一者对应于所述光敏区域中的相应一者；
通过借助加热使所述可回流材料部分阵列回流来形成半球体形可回流材料凸起物阵列；及
通过穿过所述半球体形可回流材料凸起物阵列蚀刻到所述背侧部分中来蚀刻所述背侧部分中的所述半球体形凸起物阵列。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述形成所述非平坦表面包含：
通过光刻术及显影在所述背侧部分上方形成经图案化掩模层，所述经图案化掩模层包括掩模部分阵列，所述掩模部分中的每一者对应于所述光敏区域中的相应一者；
穿过所述经图案化掩模层蚀刻所述背侧部分以在所述经图案化掩模层的所述掩模部分之间于所述背侧部分中形成沟槽；
移除所述经图案化掩模层；
通过使所述背侧部分在所述沟槽之间的若干部分熔化并回流来形成所述非平坦表面。
22.一种方法，其包含：
在表面处接收光；
朝向光敏区域传输所述光；
借助所述光使材料中的电子自由；
朝向所述光敏区域聚焦所述材料中的所述电子；及
在所述光敏区域处接收所述电子。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述聚焦所述电子包含借助电子会聚电场在三个维度上朝向所述光敏区域聚焦所述电子，所述电子会聚电场驱动电子以在三个维度上朝向所述光敏区域会聚，且其中所述聚焦所述电子包含借助非平坦层聚焦所述电子，所述非平坦层具有远离所述光敏区域后退的凹进部分。
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