CN103137639B - 包含光导的背侧照明式(bsi)像素 - Google Patents

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Abstract

本申请案涉及包含光导的背侧照明式BSI像素。本发明涉及像素的实施方案，所述像素包含：衬底，其具有前侧、背侧及形成于所述前侧上或其附近的光敏区；电介质层，其形成于所述前侧上；及金属堆叠，其具有底部侧及顶部侧，所述底部侧在所述电介质层上。光导形成于所述电介质层及所述金属堆叠中且从所述衬底的所述前侧延伸到所述金属堆叠的所述顶部侧，所述光导具有等于或大于所述衬底的折射率的折射率。本发明还揭示并主张其它实施方案。

Description

包含光导的背侧照明式(BSI)像素
技术领域
所揭示的实施例大体来说涉及图像传感器，且特定来说(但非排他地)涉及包含光导的背侧照明式像素。
背景技术
典型的图像传感器包含具有多个像素的像素阵列，每一像素具有光敏区域及支持电路。在像素当中及之间载运电信号的导电线通常形成于像素的前侧上方的电介质层中。在前侧照明式(FSI)像素中，所述导电线可能减少到达每一像素的入射光的量。背侧照明式(BSI)图像传感器为其中来自待捕获的图像的光入射在图像传感器的像素阵列的背侧而非前面上的图像传感器。BSI图像传感器的优点之一是入射光可在不必横越像素阵列的前侧上的导电线之间的空间的情况下到达每一像素的光敏区域。
已在BSI图像传感器中观察到的一种现象是通过背侧到达像素的光可被构成图像传感器的衬底及电介质的各种层之间的界面反射以及被导电线本身反射。除其它之外，此现象可在由图像传感器捕获的图像中导致不必要且不期望的“重影”。所述现象可在任何波长下发生，但对于较长波长(例如在光谱的红色部分中的波长)来说更为明显。
发明内容
本发明提供一种像素，其包括：衬底，其具有前侧、背侧及形成于所述前侧上或其附近的光敏区；电介质层，其形成于所述前侧上；金属堆叠，其具有底部侧及顶部侧，所述底部侧在所述电介质层上；及光导，其形成于所述电介质层及所述金属堆叠中且从所述衬底的所述前侧延伸到所述金属堆叠的所述顶部侧，所述光导具有等于或大于所述衬底的折射率的折射率。
本发明还提供一种系统，其包括：像素阵列，所述像素阵列在其中包含一个或一个以上像素，所述像素包括：衬底，其具有前侧、背侧及形成于所述前侧上或其附近的光敏区；电介质层，其形成于所述前侧上；金属堆叠，其具有底部侧及顶部侧，所述底部侧在所述电介质层上；及光导，其形成于所述电介质层及所述金属堆叠中且从所述衬底的所述前侧延伸到所述金属堆叠的所述顶部侧，所述光导具有等于或大于所述衬底的折射率的折射率；及控制电路与处理电路，其耦合到所述像素阵列以从所述像素阵列中的所述一个或一个以上像素读出信号并处理所述信号。
本发明还提供一种方法，其包括：在具有前侧及背侧的衬底中形成一个或一个以上像素，所述一个或一个以上像素形成于所述前侧上或其附近；在前侧上形成电介质层；在所述电介质层上方形成金属堆叠，所述金属堆叠具有顶部侧及底部侧，所述底部侧在所述电介质层上；及在所述金属堆叠中形成光导，所述光导从所述衬底的所述前侧延伸到所述金属堆叠的所述顶部侧且所述光导具有等于或大于所述衬底的折射率的折射率。
附图说明
参考以下各图描述本发明的非限制性及非穷尽性实施例，其中除非另有规定，否则在所有各个视图中相似参考编号指代相似部件。
图1是背侧照明式(BSI)CMOS像素的实施例的横截面图式。
图2是背侧照明式(BSI)CMOS像素的替代实施例的横截面图式。
图3是背侧照明式(BSI)CMOS像素的另一替代实施例的横截面图式。
图4是背侧照明式(BSI)CMOS像素的又一替代实施例的横截面图式。
图5是成像系统的实施例的框图。
具体实施方式
本发明描述用于包含前侧光导的背侧照明式像素的设备、系统及方法的实施例。描述众多特定细节以提供对本发明的实施例的透彻理解，但相关领域的技术人员将认识到，可在没有所描述细节中的一者或一者以上的情况下或者借助未描述的其它方法、组件、材料等来实践本发明。在一些实例中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作，尽管如此其仍涵盖在本发明的范围内。
本说明书通篇对“一个实施例”或“一实施例”的提及意指结合所述实施例所描述的特定特征、结构或特性包含于至少一个所描述的实施例中。因此，在本说明书中短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现未必全部指代同一实施例。此外，可以任何适合方式将所述特定特征、结构或特性组合于一个或一个以上实施例中。
图1图解说明背侧照明式互补金属氧化物半导体(CMOS)像素100的实施例。像素100包含具有前侧104及背侧106的衬底102。光敏区108形成于前侧104上或其附近；在一个实施例中，光敏区108可在前侧104上，但在其它实施例中，光敏区108可在前侧104下面，举例来说，在其中钉扎层定位于光敏区108与表面104之间的实施例中。在衬底102上前侧104上或其附近还形成邻近于光敏区108的浮动扩散部109及一对浅沟槽隔离(STI)区110。
电介质层112形成于前侧104上，且具有顶部侧115及底部侧117的金属堆叠114形成于电介质层112的顶部上，使得底部侧117在所述电介质层上。在所图解说明的实施例中，金属堆叠114包含两个金属层M1及M2，但在其它实施例中，金属堆叠114可包含更大或更小数目的层。金属堆叠M1及M2如此称谓是因为其包含将信号载运到像素及从像素载运信号的金属互连件。举例来说，金属层M2包含嵌入于电介质材料116中的导电迹线118。金属层M1类似于金属层M2，但在任何给定实施例中，金属堆叠114中的个别金属层不需要具有相同构造或由相同材料制成。
彩色滤光片120形成于衬底102的背侧106上。在不同实施例中，彩色滤光片120可具有不同色彩。举例来说，在使用红-绿-蓝(RGB)彩色滤光片阵列的像素阵列中，用于给定像素100的彩色滤光片120可为红色、绿色或蓝色的。微透镜122可形成于彩色滤光片120上以帮助将入射光聚焦到光敏区108上。
在像素100的操作中，光入射在像素的背侧上。通过照明像素100的背侧，金属堆叠114中的金属互连线不遮掩正成像的对象与光敏区108之间的路径，从而导致由光敏区进行的较大信号产生。微透镜122将入射光聚焦在彩色滤光片120上，彩色滤光片120滤除入射光的分量中的一者-举例来说，红色。来自红色光的光子照射在光敏区108上且产生电荷，但在经滤光的入射光照射在光敏区108上之后，所述光也照射在衬底102与电介质112之间的界面上。
通常，电介质112的折射率低于衬底102的折射率。在衬底-电介质界面处折射率的此不匹配导致在所述界面处的某一反射，使得光从所述界面往回反射，如图中所展示。可在其它界面处发生额外反射，例如电介质112与金属堆叠114之间的界面、个别金属堆叠M1与M2之间的界面及导电迹线与环绕其的电介质之间的界面。这些反射降低光敏区108的光收集效率且在较长波长(例如红色光的波长)下可能尤其麻烦。
图2图解说明背侧照明式CMOS像素200的替代实施例的横截面。像素200具有在大多数方面类似像素100的构造的构造。像素200与像素100的构造之间的主要差异为，像素200包含形成于所述像素的前侧上电介质层112及金属堆叠114中的光导202。光导202从衬底102的前侧104延伸到金属堆叠114的顶部侧115且具有在表面104处的宽度W2及在表面115处的宽度W3。在此实施例中，光导202具有从前侧104到顶部侧115的倒锥形-也就是说，W3大于W2，使得所述光导在顶部侧115处比在前侧104处宽。在所图解说明的实施例中，前侧104处的宽度W2小于光敏区108的宽度W1，但在其它实施例中，W2可等于或大于W1。
光导202由具有大于或等于衬底102的折射率的折射率的材料形成。通过使用具有相等或更高折射率的材料，可大致减少或消除衬底102与电介质层112之间的界面处的反射。也可使用光导202来大致减少或消除其它界面(例如电介质112与金属堆叠114之间的界面、个别金属堆叠M1与M2之间的界面及导电迹线118与环绕其的电介质之间的界面)处的反射。
可使用常规技术来构建像素200一直到形成金属堆叠114为止。在形成金属堆叠之后，图案化开口且将其蚀刻到金属堆叠114及电介质层112中、向下直到衬底102的顶部表面104。一旦穿过电介质112及金属堆叠114形成开口，便可用具有所需折射率的适合材料来填充所述开口以形成光导202。可用于光导202的材料的实例包含在所要的波长范围内为大致光学透明的材料，例如光学级丙烯酸树脂、聚碳酸酯、玻璃等。
在像素200的操作中，光入射在像素的背侧上，在所述背侧处所述光由微透镜122聚焦、由彩色滤光片120滤光且接着行进穿过衬底102并照射在光敏区108上。由于光导202，在顶部表面104与电介质112之间的界面处不再存在界面处的导致光沿入射方向往回反射的折射率降低。而是，由于折射率不匹配使得光导202的折射率等于或大于衬底102的折射率，因此光穿过所述界面而非被反射，且行进穿过光导202，如图中所展示。
光导202的存在还防止从材料之间的其它界面(例如，电介质112与金属堆叠114之间的界面、单独层与金属堆叠之间的界面或金属层中的电介质中的电迹线之间的界面)的反射。由于顶部表面104与电介质112之间的界面处的反射在较高波长辐射(例如红色光)的情况下最为明显，因此在一个实施例中，彩色滤光片120为红色的，但在其它实施例中，光导202可与其它色彩(例如蓝色、绿色、洋红色、青色、黄色或全色(白色)像素)的彩色滤光片一起使用。
图3图解说明CMOS像素300的另一实施例。CMOS像素300的构造在大多数方面类似于像素200的构造。像素300与像素200之间的主要差异是像素300包含光导302。光导302在构造上类似于光导202，只不过光导302具有在前侧104与顶部表面115之间的正锥形。换句话说，光导302具有在表面104处的尺寸W2及表面115处的尺寸W3，但在此实施例中，W2大于W3，从而导致表面104与表面115之间的锥形。与像素200一样，在所图解说明的实施例中，W2小于W1-光敏区108的尺寸，但在其它实施例中，W2可大于或等于W1。光导302另外在构造及操作两者上类似于光导202。
图4图解说明CMOS像素400的替代实施例。像素400在大多数方面类似于像素200。像素400与200之间的主要差异为，在像素400中包含在光导202的出口处的高吸收滤光片402。高吸收滤光片402形成于顶部侧115上且具有大致等于或大于光导202的在表面115处的宽度W3的宽度。高吸收滤光片402可吸收行进穿过光导202的辐射或光使得其不会从像素400的前侧出射。在其中彩色滤光片120为红色的一个实施例中，高吸收滤光片402可由在光谱的红色部分中能高度吸收的材料制成，但在其它实施例中，其可由其它材料制成。在一个实施例中，可通过在表面115上沉积适合材料层、通过例如旋转涂覆等技术使所述层摊铺且接着图案化及蚀刻所述层以将其宽度限制于大致宽度W3来形成高吸收滤光片402。在其它实施例中，还可以粗糙方式对层402进行化学机械抛光使得其产生漫射表面。
图5图解说明成像系统500的实施例。可包含折射、衍射或反射光学器件或这些光学器件的组合的光学器件501耦合到包含像素阵列504、控制电路509及信号读取与处理电路510的图像传感器502。光学器件501将图像聚焦到像素阵列504中的像素上。所述像素阵列接着捕获所述图像，且成像系统500的其余部分处理来自所述图像的像素数据。
像素阵列504是背侧照明式成像传感器或像素的二维(“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，且所述阵列中的至少一个像素可为图2到4中所展示的BSI像素实施例中的一者。当将个别像素形成为一像素阵列时，也可将例如彩色滤光片及微透镜的支持元件形成为阵列。如所解说明，所述阵列中的每一像素被布置到行506及列508中以获取人、地点或对象的图像数据，接着可使用所述图像数据再现所述人、地点或对象的2D图像。所图解说明的像素阵列504是规则形状的，但在其它实施例中，所述阵列可具有不同于所展示的规则或不规则的布置且可包含比所展示的更多或更少的像素、行及列。此外，在不同实施例中，像素阵列504可为包含红色、绿色及蓝色像素的彩色图像传感器或可为洋红-青-黄图像传感器。在使用一个以上像素(例如图2到4中所图解说明的像素)的像素阵列504的一些实施例中，光导的尺寸W2及W3可跨越像素阵列变化以校正色彩发暗性能。因此，像素的光导的尺寸及/或形状可跨越像素阵列而变化。举例来说，在一个实施例中，光导的尺寸及/或形状可从阵列的中心到边缘径向变化，但在另一实施例中，光导的尺寸及/或形状可从阵列的中心到左及右边缘变化。在其它实施例中，可能有其它变化。
在像素阵列504捕获图像的操作期间，像素阵列504中的每一像素在某一曝光周期期间捕获入射光(即，光子)并将所收集的光子转换成电荷。可将由每一像素产生的电荷读出为模拟信号，且所述模拟信号的特性(例如其电荷、电压或电流)将表示在曝光周期期间入射在像素上的光的强度。
控制电路509耦合到像素阵列504以控制所述像素阵列内的一个或一个以上像素的操作特性。举例来说，控制电路509可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实施例中，快门信号为用于启用像素阵列504内的所有像素以同时在单个获取窗期间捕获其相应图像数据的全局快门信号。在替代实施例中，快门信号为借以在连续获取窗期间依序读出每一像素行、每一像素列或每一像素群组的滚动快门信号。
图像传感器502包含信号读取与处理电路510。虽然在图式中展示为与像素阵列504分离的元件，但在一些实施例中，控制电路509及/或信号读取与处理电路510可与像素阵列504集成在同一衬底上或可包括嵌入于像素阵列内的电路与逻辑。然而，在其它实施例中，信号读取与处理电路510可为如图式中所展示在像素阵列504外部的元件。在又一些实施例中，读取与处理电路510可为不仅在像素阵列504外部而且也在图像传感器502外部的元件。
除其它以外，信号读取与处理电路510可包含从每一像素有条理地读取模拟信号、对这些信号进行滤波、校正有缺陷的像素等等的电路与逻辑。在其中信号读取与处理电路510仅执行一些读取与处理功能的实施例中，功能的其余部分可由例如信号调节器512或DSP516的一个或一个以上其它组件执行。在一个实施例中，信号读取与处理电路510可沿着读出列线一次读出一列图像数据或可使用多种其它技术(例如，串行读出或同时对所有像素的全并行读出)读出图像数据。
信号调节器512耦合到图像传感器502以从像素阵列504及读取与处理电路510接收模拟信号并调节所述模拟信号。在不同实施例中，信号调节器512可包含用于调节模拟信号的各种组件。可存在于信号调节器中的组件的实例包含滤波器、放大器、偏移电路、自动增益控制件等。在其中信号调节器512仅包含这些元件中的一些元件且仅执行一些调节功能的实施例中，剩余功能可由例如电路510或DSP516的一个或一个以上其它组件执行。模/数转换器(ADC)514耦合到信号调节器512以从信号调节器512接收对应于像素阵列504中的每一像素的经调节模拟信号并将这些模拟信号转换成数字值。
数字信号处理器(DSP)516耦合到模/数转换器514以从ADC514接收经数字化像素数据并处理数字数据以产生最终数字图像。DSP516可包含处理器及所述处理器可在其中存储并检索数据的内部存储器。DSP516内的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，剪裁、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵所述数据数据。在所述图像由DSP516处理之后，可将所述图像输出到存储单元518(例如快闪存储器或者光学或磁性存储单元)及显示单元520(例如LCD屏幕)中的一者或两者。
包含发明摘要中所描述内容的本发明的所图解说明实施例的以上描述并非打算为穷尽性或将本发明限制于所揭示的精确形式。尽管出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但如相关领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种等效修改。可根据以上详细描述对本发明做出这些修改。
所附权利要求书中所使用的术语不应理解为将本发明限制于说明书及权利要求书中所揭示的特定实施例。相反，本发明的范围将完全由所附权利要求书来确定，所述权利要求书将根据所创建的权利要求解释原则来加以理解。

Claims (25)

1.一种像素，其包括：
衬底，其具有前侧、背侧及形成于所述前侧上或其附近的光敏区；
电介质层，其形成于所述前侧上；
金属堆叠，其具有底部侧及顶部侧，所述底部侧在所述电介质层上；及
光导，其形成于所述电介质层及所述金属堆叠中且从所述衬底的所述前侧延伸到所述金属堆叠的所述顶部侧，所述光导具有等于或大于所述衬底的折射率的折射率。
2.根据权利要求1所述的像素，其中所述金属堆叠包括一个或多个金属层，每一金属层包含形成于电介质中的导电路径。
3.根据权利要求1所述的像素，其进一步包括放置于所述光导上方所述金属堆叠的所述顶部侧上的高吸收滤光片，其中所述高吸收滤光片能够吸收行进穿过所述光导的辐射或光使得其不会从像素的前侧出射。
4.根据权利要求1所述的像素，其进一步包括形成于所述像素的所述背侧上方的彩色滤光片。
5.根据权利要求4所述的像素，其中所述彩色滤光片为红色的。
6.根据权利要求4所述的像素，其进一步包括形成于所述彩色滤光片上方的微透镜。
7.根据权利要求1所述的像素，其中所述光导包括：
孔，其蚀刻于所述电介质层及所述金属堆叠中所述衬底的前表面与所述金属堆叠的顶部表面之间；及
光导材料，其填充所述孔。
8.根据权利要求7所述的像素，其中所述光导材料包括光学透明材料。
9.一种成像系统，其包括：
像素阵列，所述像素阵列包含像素，所述像素包括：
衬底，其具有前侧、背侧及形成于所述前侧上或其附近的光敏区，
电介质层，其形成于所述前侧上，
金属堆叠，其具有底部侧及顶部侧，所述底部侧在所述电介质层上，及
光导，其形成于所述电介质层及所述金属堆叠中且从所述衬底的所述前侧延伸到所述金属堆叠的所述顶部侧，所述光导具有等于或大于所述衬底的折射率的折射率；及
控制电路与处理电路，其耦合到所述像素阵列以从所述像素阵列中的所述像素读出信号并处理所述信号。
10.根据权利要求9所述的成像系统，其中所述像素阵列中的所述像素包含具有变化的尺寸及/或形状的光导。
11.根据权利要求9所述的成像系统，其进一步包括形成于所述像素阵列的背侧上方的彩色滤光片阵列使得每一像素光学耦合到一彩色滤光片。
12.根据权利要求11所述的成像系统，其中所述彩色滤光片阵列包含红色滤光片。
13.根据权利要求12所述的成像系统，其中所述像素阵列中的具有光导的所述像素为光学耦合到红色滤光片的所述像素。
14.根据权利要求11所述的成像系统，其进一步包括形成于所述彩色滤光片阵列上方的微透镜阵列。
15.根据权利要求9所述的成像系统，其进一步包括放置于每一光导上方所述金属堆叠的所述顶部侧上的高吸收滤光片，其中所述高吸收滤光片能够吸收行进穿过所述光导的辐射或光使得其不会从像素的前侧出射。
16.根据权利要求9所述的成像系统，其中所述光导包括：
孔，其蚀刻于所述金属堆叠中所述衬底的前表面与所述金属堆叠的顶部表面之间；及
光导材料，其填充所述孔。
17.根据权利要求16所述的成像系统，其中所述光导材料包括光学透明材料。
18.一种形成像素的方法，其包括：
在具有前侧及背侧的衬底中形成一个或多个像素，所述一个或多个像素形成于所述前侧上或其附近；
在前侧上形成电介质层；
在所述电介质层上方形成金属堆叠，所述金属堆叠具有顶部侧及底部侧，所述底部侧在所述电介质层上；及
在所述金属堆叠中形成光导，所述光导从所述衬底的所述前侧延伸到所述金属堆叠的所述顶部侧且所述光导具有等于或大于所述衬底的折射率的折射率。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述金属堆叠包括一个或多个金属层，每一金属层包含形成于电介质中的导电路径。
20.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括：在所述光导上方所述金属堆叠的所述顶部侧上形成高吸收滤光片，其中所述高吸收滤光片能够吸收行进穿过所述光导的辐射或光使得其不会从像素的前侧出射。
21.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括形成于所述像素的背侧上方的彩色滤光片。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述彩色滤光片为红色的。
23.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括：在所述彩色滤光片上方形成微透镜。
24.根据权利要求18所述的方法，其中形成所述光导包括：
在所述电介质层及所述金属堆叠中所述衬底的所述前侧与所述金属堆叠的所述顶部侧之间蚀刻孔；及
用光导材料填充所述孔。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述光导材料包括光学透明材料。
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