CN102347343A - 具有介于彩色滤光器之间的暗侧壁以减少光串扰的图像传感器 - Google Patents
具有介于彩色滤光器之间的暗侧壁以减少光串扰的图像传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本文公开了一种具有介于彩色滤光器之间的暗侧壁以减少光串扰的图像传感器。一种用于制造包括安置于邻近彩色滤光器之间的暗侧壁膜的图像传感器的装置及技术。该图像传感器进一步包括：安置于基板层中的感光元件阵列；彩色滤光器阵列(“CFA”)，其包括具有至少两种不同色彩、安置于该基板层的光入射侧上的CFA元件；及微透镜阵列，其安置于该CFA之上。每一微透镜被对准以经由相应CFA元件将入射于该图像传感器的光入射侧上的光指引至相应感光元件。暗侧壁膜安置于CFA元件的侧面上且分离CFA元件中的具有不同色彩的邻近者。
Description
技术领域
本发明总地涉及图像传感器，尤其涉及图像传感器的滤光器。
背景技术
图像传感器已变得普遍存在。图像传感器广泛地用在数码静态相机、蜂窝式电话、安全相机、医学设备、汽车及其他应用中。用以制造图像传感器(且具体地是互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器(“CIS”))的技术已持续大步前进。举例而言，对较高分辨率及较低功耗的需求已鼓励了图像传感器的进一步小型化及整合。因此，图像传感器的像素阵列中的像素的数目已增加，而每一像素单元的大小已减小。
典型图像传感器内的单一像素如下操作。光入射于微透镜上。微透镜经由滤光器将光聚焦至感光元件上。感光元件将经滤光的光转换成与入射光的强度及曝露持续时间成比例的电信号。该电信号可耦合至放大及读出电路。藉由自像素阵列俘获并读出图像数据来产生整个图像。
常规图像传感器遭受到各种限制。在使用前侧照明(“FSI”)的图像传感器中，金属层、多晶硅层、扩散层等安置于微透镜与感光元件之间。在使用FSI技术的图像传感器的制造期间，因此形成一通道以供光自微透镜行进至感光元件以期避开金属、多晶硅、扩散区等。这些通道限制可使用FSI技术俘获的图像的品质。
一个解决方案是使用背侧照明(“BSI”)。在使用BSI的图像传感器中，金属层、多晶硅层、扩散层等在基板的前侧(感光元件整合于其中)上，而光自基板的背侧入射。因此，无需为了避开金属、多晶硅、扩散区等而形成至感光元件的限制路径。相反，入射于背侧微透镜上的光具有自微透镜经由滤光器层至感光元件的直接、无约束路径。
然而，BSI图像传感器亦遭受到限制。举例而言，随着BSI图像传感器的像素大小变小，微透镜可能难以将入射光聚焦至感光元件上。结果，像素间可存在串扰。串扰在图像传感器中产生非所要的噪声。另外，不存在金属堆迭，这可帮助阻挡意欲用于给定像素的光进入邻近像素。此外，随着像素大小或微透镜直径接近或变得小于可见光的波长，聚焦入射光由于光的“衍射极限”而变得更难。
用于减少串扰的一种技术为增加彩色滤光器的厚度。相信此种技术能减少光串扰的发生。然而，此种解决方案亦降低像素单元的量子效率(“QE”)。另一种技术包括自像素阵列的每隔一列开始蚀刻碳层110(见图1)。侧壁121及122形成于经蚀刻的碳层110上。在形成侧壁121及122之后，在侧壁121与122之间沉积彩色滤光器阵列之前移除经蚀刻碳层110。此种方法的缺点包括在可沉积彩色滤光器阵列之前制造经蚀刻碳层110及侧壁121及122所需的额外制造步骤及掩模的数目。藉由此种方法产生的侧壁较宽，其中如图1中所见，侧壁宽度W的最宽部分位于钝化层101的表面处。随着像素单元及彩色滤光器的大小减小，侧壁121及122的宽度变成较大的问题且干扰入射光的路径及量子效率。而且，在去除经蚀刻碳层110之后，侧壁121及122并无任何结构支撑直至沉积彩色滤光器阵列为止，且可能易于受损，因此较薄的侧壁可能并非实用的解决方案。
附图说明
图1(现有技术)为侧壁环绕各个彩色滤光器的图像传感器的一部分的横截面图；
图2为说明根据本发明的实施例的成像系统的方块图；
图3为说明根据本发明的实施例的成像系统内的两个4T像素的像素电路的电路图；
图4为根据本发明的实施例的BSI图像传感器的一部分的横截面图；
图5A为根据本发明的实施例的直至形成绿色滤光器阵列为止所制造的部分制造好的BSI成像传感器的横截面图；
图5B为说明根据本发明的实施例的绿色滤光器阵列之上的共形涂层的部分制造好的BSI成像传感器的横截面图；
图5C为说明根据本发明的实施例的各向异性隔片蚀刻的部分制造好的BSI成像传感器的横截面图；及
图5D为说明根据本发明的实施例的彩色滤光器阵列的剩余部分的形成的部分制造好的BSI成像传感器的横截面图。
具体实施方式
本文中描述用于具有减少的串扰的图像传感器的装置及系统的实施例。在以下描述中，陈述众多具体细节以提供对该等实施例的透彻理解。然而，本领域的技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在无该等具体细节中之一或多者的情况下加以实践或以其他方法、组件、材料等来加以实践。在其他情况下，不详细展示或描述熟知结构、材料或操作以避免混淆某些方面。
遍及本说明书对“一个实施例”或“实施例”的参考意谓结合该实施例所描述的特定特征、结构或特性包括于本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书全文各处的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现未必均指同一实施例。此外，可在一个或多个实施例中以任何合适方式组合特定特征、结构或特性。
图2为说明根据本发明的实施例的成像系统200的方块图。成像系统200的所说明实施例包括像素阵列205、读出电路210、功能逻辑215及控制电路220。
像素阵列205为图像传感器或像素(例如，像素P1、P2、…、Pn)的二维(“2D”)阵列。在一个实施例中，每一像素为互补金属氧化物半导体(“CMOS”)成像像素。如所说明，将每一像素配置成行(例如，行R1至Ry)及列(例如，列C1至Cx)以获取人、地点或物件的图像数据，该图像数据接着可用来呈现人、地点或物件的2D图像。在一个实施例中，像素阵列205为背侧照明(“BSI”)图像传感器。在一个实施例中，像素阵列205为前侧照明(“FSI”)图像传感器。在一个实施例中，像素阵列205包括安置于阵列的背侧之上的彩色滤光器图案，诸如拜耳(Bayer)图案、马赛克顺序图案或其他图案。拜耳滤光器图案按交替红色滤光器与绿色滤光器、接着绿色滤光器与蓝色滤光器的连续列来排序-拜耳滤光器图案所具有的绿色滤光器为红色滤光器或蓝色滤光器的两倍。
在每一像素已获取其图像数据或图像电荷之后，藉由读出电路210来读出图像数据，且将该图像数据传送至功能逻辑215。读出电路210可包括放大电路、模数(“ADC”)转换电路或其他电路。功能逻辑215可仅储存图像数据或甚至藉由应用后期图像效果(例如，修剪、旋转、去红眼、调整亮度、调整对比度或其他操作)来操纵图像数据。在一个实施例中，读出电路210可沿着读出列线而一次读出一行图像数据(经说明)，或可使用各种其他技术来读出图像数据(未经说明)，诸如，串行读出或同时对所有像素的完全并行读出。
控制电路220耦合至像素阵列205以控制像素阵列205的操作特性。举例而言，控制电路220可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实施例中，该快门信号为用于同时使像素阵列205内的所有像素能够在单一获取窗期间同时俘获其各别图像数据的全域快门信号。在一替代实施例中，该快门信号为滚动快门信号，藉此在连续获取窗期间依序地启用每一行、每一列或一组像素。
图3为说明根据本发明的实施例的像素阵列内的两个四晶体管(“4T”)像素的像素电路300的电路图。像素电路300为用于实施图2的像素阵列205内的每一像素的一个可能的像素电路架构。然而，应了解，本发明的实施例并不限于4T像素架构；实情为，受益于本发明本领域的技术人员将理解，本发明的教示亦适用于3T设计、5T设计及各种其他像素架构。在图3中，像素Pa及Pb配置成两行及一列。每一像素电路300的所说明实施例包括光电二极管PD、传送晶体管T1、重设晶体管T2、源极跟随器(“SF”)晶体管T3及选择晶体管T4。在操作期间，传送晶体管T1接收传送信号TX，该传送信号TX将光电二极管PD中累积的电荷传送至浮动扩散节点FD。在一个实施例中，浮动扩散节点FD可耦合至用于临时储存图像电荷的储存电容器。重设晶体管T2耦合于电力轨VDD与浮动扩散节点FD之间以在重设信号RST的控制下重设(例如，对FD放电或充电至预设电压)。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耦合于电力轨VDD与选择晶体管T4之间。SF晶体管T3用作提供自像素输出的高阻抗的源极跟随器。最后，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300的输出耦合至读出列线。在一个实施例中，藉由控制电路220产生TX信号、RST信号及SEL信号。
图4为根据本发明的实施例的BSI图像传感器400的一部分的横截面图。图4说明BSI图像传感器400内的三个邻近像素。BSI图像传感器400的像素为图2中的像素阵列205内的像素P1、P2、…、Pn的一个可能实施方案。BSI图像传感器400的所说明实施例包括基板401、钉扎区402A至402C(统称402)、感光区403A至403C(统称403)、背侧掺杂层404、像素电路区405A至405C(统称405)、浅沟槽隔离(“STI”)407、金属堆迭410、抗反射(“AR”)层430、彩色滤光器440A至440E(统称440)、暗侧壁膜445A至445D(统称445)及微透镜450A至450C(统称450)。
术语基板在本文中按广义使用且包括半导体块状晶圆层以及形成于块状晶圆层上的外延层。在一些实施例中，基板层401为半导体(例如，硅)外延层。像素电路405A、405B及405C可各自包括传送晶体管T1、重设晶体管T2、源极随耦晶体管SF及选择晶体管T4；然而，为免弄乱图4，这些元件以虚线框表示。金属堆迭410安置于基板401的前侧上，且包括藉由通孔连接且藉由金属间介电层412分离的金属层M1及M2。虽然所说明的实施例说明了两个金属层，但应了解，实施例可包括藉由金属间介电层分离的更多或更少的金属层。钉扎区402位于基板401的前侧表面处或附近、在感光区403之下，但在其他实施例中，钉扎区可位于他处或甚至完全省略。在一个实施例中，基板401为P型掺杂硅，感光区403为形成光电二极管的n型掺杂区，且背侧掺杂层404为具有比基板401高的掺杂剂浓度的p型掺杂层。背侧掺杂层404具有增强感光区403中的电荷收集的效应，且减少基板401的背侧表面处的暗电流产生。
微透镜450安置于彩色滤光器440的背侧上。在操作期间，微透镜450经由其各别彩色滤光器440将背侧入射光引向其各别感光区403。彩色滤光器对光滤光以产生彩色图像。光的到达感光区403的部分转换成被收集且储存为电信号的光生电荷载流子。
若光以相对于法线足够大的角度入射于微透镜450上，则其可自一个彩色滤光器440进入邻近彩色滤光器440中且被错误的感光元件403收集。此形式的串扰称作色彩串扰，且可有害地影响图像品质及图像数据的色彩品质。因此，本发明的实施例包括安置于邻近彩色滤光器440之间的暗侧壁膜445。在一实施例中，暗侧壁膜445由以下材料形成：黑色材料(或因其他原因为暗、不透明或部分不透明的材料)或含有黑色/暗染料、颜料染色或诸如碳、石墨或CrO3的物质且给予暗或黑色颜料染色以吸收离轴或斜射光(见光线460)的材料。因此，像素之间的色彩串扰减少，因为进入给定彩色滤光器440中的光在侧向上被阻挡。在一个实施例中，暗侧壁膜445实质上或几乎为不透明的。归因于在下文结合图5A至图5D描述的制造技术，暗侧壁膜445相对较窄，且因此对每一彩色滤光器440的总体孔径宽度W具有很小影响。在一实施例中，每一彩色滤光器440的孔径宽度W约1.4μm，而高度H大致介于600nm至800nm之间。在一实施例中，暗侧壁膜445的厚度小于孔径宽度W的10％。在一实施例中，暗侧壁膜445与彩色滤光器440具有相同的高度H，藉此沿彩色滤光器440的整个侧面隔离邻近的彩色滤光器440。在一实施例中，每一暗侧壁膜445位于邻近微透镜450下方且在邻近微透镜450的转角之间对准。
图5A至图5D说明根据本发明的实施例的用于制造包括暗侧壁膜445的图像传感器400的技术。图5A为直至形成绿色滤光器阵列为止的部分制造好的BSI图像传感器400的横截面图。注意，金属堆迭410未说明于图5A(或剩余的图5B至图5D)中仅是为了简化图式，但其通常是在像素电路405的制造之后且在彩色滤光器440的背侧处理之前的前侧处理期间制造。在拜耳滤光器图案中，彩色滤光器是按交替红色滤光器与绿色滤光器、接着绿色滤光器与蓝色滤光器的连续行来排序。绿色滤光器的数目为红色滤光器或蓝色滤光器的两倍。绿色滤光器在彩色滤光器阵列上形成棋盘图案。在所说明的实施例中，绿色滤光器440C沉积于图像传感器400的背侧上并使用光刻技术来图案化。
在绿色滤光器440形成于图像传感器400的背侧之上之后，暗保形涂层560沉积于绿色滤光器阵列之上，如图5B中所见。暗保形涂层560可由各种材料制成，包括：黑色材料(或因其他原因为暗、不透明或部分不透明的材料)或含有黑色/暗染料、颜料染色或诸如碳、石墨或CrO3的物质的材料，且具有实质上均一的厚度。在一实施例中，厚度小于像素大小的10％。
图5C说明对BSI图像传感器400的背侧执行的各向异性蚀刻。蚀刻制程自水平表面(例如，绿色滤光器阵列的顶侧，及BSI图像传感器400的背侧的暴露水平部分)移除暗保形涂层560，使得每一绿色滤光器440A、440C、440E的侧面仍涂布有暗侧壁膜445。剩余暗侧壁膜445充当邻近彩色滤光器之间的光学侧壁障壁以减小邻近像素之间的串扰。暗侧壁膜445分离诸个彩色滤光器440，如图5D中所说明。
由于暗侧壁膜445由单一保形涂层形成，因此其与彩色滤光器450自身的宽度相比可能相对较薄，且将不会显著地减少每一像素的孔径大小。因此，暗侧壁膜445减少色彩串扰，同时保持BSI图像传感器400的量子效率(撞击像素阵列205的背侧的光子作为图像电荷收集于感光区405内的百分数)。暗侧壁膜445的厚度自彩色滤光器的顶部至底部实质上均一。形成暗侧壁膜445之上述技术为自对准工艺，具有很少或无覆迭控制问题。此外，除了用以形成彩色滤光器的掩模之外，不要求额外掩模。
在图5D中，形成剩余的彩色滤光器540B及540C，在拜耳图案滤光器阵列的情况下，其取决于特定列而为两个红色滤光器或是两个蓝色滤光器。
应注意，上述描述假定使用红色、绿色及蓝色感光元件来实施图像传感器。受益于本发明的本领域的技术人员将了解，该描述亦适用于其他原色滤光器或补色滤光器。举例而言，洋红色、黄色及青蓝色为可用以产生彩色图像的一组常见的替代补色。若在彩色滤光器图案中使用四种色彩(诸如，青蓝色、黄色、绿色及洋红色滤光器图案)，则首先可图案化两个彩色滤光器以在沉积暗保形涂层之前在图像传感器的背侧上形成棋盘图案。另外，使一组绿色感光元件与交替的红色及蓝色感光元件交错或穿插亦并非必要的，但这些配置为常见的，因为人类视觉系统对绿波段中的色彩比对可见光谱中的其他色彩更敏感。
所说明的实施例为BSI图像传感器；然而，应了解，本发明的实施例亦可应用于前侧照明(FSI)图像传感器。安置于邻近彩色滤光器之间的暗侧壁膜可广泛地用以减小像素之间的串扰。
本发明的所说明实施例的以上描述(包括在摘要中所描述的内容)不意欲为详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。如本领域的技术人员将认识到，虽然在本文中出于说明性目的而描述本发明的具体实施例及实例，但在本发明的范畴内各种修改是可能的。
可根据以上详细描述而对本发明进行这些修改。在以下权利要求中所使用的术语不应被理解为将本发明限于本说明书中所揭示的具体实施例。实情为，本发明的范畴将完全藉由以下权利要求确定，以下权利要求将根据权利要求解释的既定准则加以理解。
Claims (19)
1.一种图像传感器，其包括安置于基板层中的像素阵列，所述图像传感器包含：
感光元件阵列，其安置于基板层中；
彩色滤光器阵列(“CFA”)，其包括具有至少两种不同色彩、安置于基板层的光入射侧之上的CFA元件；
微透镜阵列，其安置于CFA之上，其中每一微透镜被对准以经由相应CFA元件将入射于图像传感器的光入射侧上的光指引至相应感光元件；及
暗侧壁膜，其安置于CFA元件的侧面上且分离CFA元件中的具有不同色彩的邻近者。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述暗侧壁膜实质上不透明。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述暗侧壁膜包含用碳、石墨或CrO3中的至少一者染色的暗材料。
4.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述暗侧壁膜中的每一者具有实质上均一的厚度。
5.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述暗侧壁膜接触邻近CFA元件，且界定所述邻近CFA元件之间的边界。
6.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包含背侧照明的互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器，且所述基板层包含外延硅层。
7.如权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，还包含金属堆迭，所述金属堆迭包括藉由绝缘介电层分离的一或多个金属层，所述绝缘介电层安置于所述像素阵列的前侧上用于在所述像素阵列的前侧之上路由信号。
8.如权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，还包含：
背侧掺杂层，其具有比所述基板层高的掺杂剂浓度、安置于所述基板层与所述CFA之间；及
抗反射层，其安置于所述背侧掺杂层与所述CFA之间。
9.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包含前侧照明的互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器，且所述基板层包含外延硅层。
10.一种制造图像传感器的方法，所述方法包含：
在半导体层内形成感光元件阵列；
在所述感光元件阵列之上形成彩色滤光器阵列(“CFA”)的第一色彩元件阵列；
在所述第一色彩元件阵列之上形成暗涂层；
移除所述暗涂层的第一部分，同时保持所述暗涂层的在所述第一色彩元件的侧面上的第二部分作为暗侧壁膜；及
形成所述CFA的与所述第一色彩元件阵列穿插的第二色彩元件阵列，其中所述暗侧壁膜将所述第一色彩元件与所述第二色彩元件分离。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，移除暗涂层的第一部分包含：对暗涂层的各向异性蚀刻。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述暗涂层包含具有实质上均一厚度的暗保形涂层，且其中暗侧壁膜具有实质上均一的厚度。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述暗侧壁膜对可见光不透明或实质上不透明。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述暗涂层包含用碳、石墨或CrO3中的至少一者染色的暗材料。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，形成所述CFA的第一色彩元件阵列包含：
将CFA的第一彩色层安置于感光元件阵列之上；及
将第一彩色层图案化至CFA的第一色彩元件阵列中。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包含：
形成CFA的与第一色彩元件阵列及第二色彩元件阵列穿插的第三色彩元件阵列，其中安置于第一色彩元件的侧面上的暗侧壁膜使第一色彩元件、第二色彩元件及第三色彩元件彼此分离。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述CFA包含拜耳图案CFA，且其中第一色彩元件包含绿色元件。
18.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述图像传感器包含互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述CMOS图像传感器包含背侧照明图像传感器，其中CFA形成于CMOS图像传感器的背侧上，所述方法还包含：
形成金属堆迭，所述金属堆迭包括藉由绝缘介电层分离的一或多个金属层，所述绝缘介电层安置于CMOS图像传感器的前侧上用于在感光元件阵列的前侧之上路由信号。
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