CN103515399A - 包括晶片级无机电介质和有机滤色器的混合的光学传感器器件 - Google Patents
包括晶片级无机电介质和有机滤色器的混合的光学传感器器件 Download PDFInfo
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Abstract
本文中描述了单片光学传感器器件和用于制造这些器件的方法。在实施例中，一种半导体晶片衬底包括多个光电检测器（PD）区域。晶片级无机电介质滤光器被沉积并由此形成在多个PD区域的至少子集上。一个或多个晶片级有机滤色器被沉积并由此形成在位于选定PD区域之上的晶片级无机电介质滤光器的一个或多个选定部分上。例如，有机红过滤器、有机绿过滤器以及有机蓝过滤器可分别位于处在第一、第二和第三PD区域之上的晶片级无机电介质滤光器的部分之上。
Description
优先权要求
本申请要求2012年6月28日提交的美国专利申请No.13/535,925的优先权。
技术领域
本发明的实施例一般涉及单片光传感器器件，其包括光电检测器、一个或多个晶片级图案化的无机电介质滤光器、以及一个或多个晶片级图案化的有机滤色器。
背景技术
光检测器可用作环境光传感器(ALS)，例如用作显示器的节能光传感器、用于控制诸如移动电话和膝上计算机之类的便携设备中的背光、以及用于许多其它类型的光级测量和管理。作为更具体的示例，ALS能用于通过检测明亮和暗淡的环境光状况来降低显示系统的总功耗并提高液晶显示器（LCD）光源的寿命，作为控制显示器和/或键区背光的手段。在没有ALS的情况下，LCD显示器背光控制通常手动地完成，藉此当周围环境变得更亮时用户将提高LCD的亮度。通过使用ALS，用户能将LCD亮度调节至他们的偏好，从而当周围环境变化时，显示器亮度调节以使显示器在相同的可感知水平上看起来一致；这使得电池寿命被延长、用户眼疲劳减少、以及LCD寿命延长。同样，在没有ALS的情况下，键区背光的控制非常依赖于用户和软件。例如，可通过触发器或定时器将键区背光打开10秒，其中触发器可通过按压键区触发。在使用ALS的情况下，键区背光仅当周围环境暗淡的时候被打开，这将导致更长的电池寿命。为实现更好的环境光感测，ALS优选具有接近人眼响应的光谱响应，而且具有优秀的红外（IR）噪声抑制（也称为IR拒绝）。这样的光谱响应通常被称为“真实人眼响应”或“适光响应(photopic response)”。
使用光电检测器（诸如光电二极管）作为ALS时存在的潜在问题是，它既检测可见光又检测诸如红外（IR）光之类的不可见光（开始于约700nm）。相反，人眼不检测IR光。因此，尤其当光由白炽光产生时(包括大量IR光)，光电检测器的响应会显著不同于人眼的响应。如果光电检测器被用作ALS以例如调节背光等，则这将提供显著低于最优调节的调节。因此，已经尝试了各种技术来提供具有接近人眼的光谱响应的光传感器（也称为光学传感器），以使此类光传感器能用于例如适当地调整显示器的背光，或用于类似用途。这些技术中的一些涉及用滤光器覆盖光电检测器。
如从上述讨论中所能理解，对光电检测器的一种潜在的期望响应是适光响应。然而，这仅仅是一种示例性响应。例如，可能期望一个光电检测器的响应指示检测到多少红光、另一光电检测器的响应指示检测到多少绿光、以及又一光电检测器的响应指示检测到多少蓝光。这三种光电检测器的响应可被组合，例如用于提供适光响应。替代地，这三种光电检测器的响应可单独地被用作反馈，以用于调节使用数字照相机和/或数字视频记录仪捕捉的数字图像中的颜色，例如使得所捕捉的图像/视频更逼真地相似于操作照相机/视频记录仪的人所真实看到的内容。这三种光电检测器的响应还可用于LED背光系统或LED投影仪的色彩调节、用于色彩检测和/或用于白平衡调节。对光电检测器的另一种潜在的期望响应是检测IR光并且拒绝可见光，例如，如果该光电检测器被用于基于IR的接近度和/或运动检测器的情况。不管实际想要的响应为何，如果能以提供高准确度和高产量的方式制造具有任何特定期望响应的光电检测器，则将是有益的。
低成本的半导体光传感器通常是位于单层有机滤色器下方的硅光电二极管。例如，常规的传感器设计通常包括染色的有机过滤器（也称为有机滤色器），该有机过滤器直接被沉积在覆盖光电二极管传感器区域的钝化层上。该钝化层典型地位于也覆盖光电二极管传感器区域的一个或多个金属间电介质（IMD）层上。染色的有机过滤器吸收特定光频率范围，其具有低成本和容易集成到常规集成电路（IC）制造流程中的优点。染色的有机过滤器的缺点是，它们允许过量的红外（IR）能量透射。换言之，染色的有机过滤器在吸收大于700nm波长方面不够好。然而，在存在提供适光 响应或提供指示特定可见颜色（例如红色、绿色和/或蓝色）的响应的需求的情况下，也需要滤掉或以其它方式拒绝大于700nm的波长。此外，通常想要将ALS和基于IR的接近度传感器二者包括在同一封装内。在这种情况下，需要在同一封装内既提供拒绝IR光的光电二极管，又提供检测IR光的光电二极管。
发明内容
在以下详细描述中，参考形成本说明书一部分的附图，其中通过图示示出了特定图解说明实施例。应理解，可利用其它实施例，且可作出机械和电气改变。因此，以下详细描述不应按照限制的意义来理解。在以下描述中，在全部附图中将使用相似的标号或参考标注来指示相似的部分或要素。此外，参考标号的第一位标识该参考标号首先出现的附图。
以下描述的本发明的某些实施例涉及单片光学传感器器件，该单片光学传感器器件包括光电检测器（例如光电二极管）、一个或多个晶片级图案化无机电介质滤光器、以及一个或多个晶片级图案化有机滤色器。以下描述的本发明的某些实施例使一个或多个光电检测器能拒绝IR光，同时一个或多个其他光电检测器能检测IR光，即使所有这些光电检测器和过滤器在共同半导体晶片衬底上/之中制造。
图1A示出根据本发明实施例的单片光学传感器器件102。参考图1A，示出了半导体晶片衬底104，该半导体晶片衬底104包括五个光电检测器（PD）区域，标注为PD1、PD2、PD3、PD4和PD5。每个PD区域可以是（例如）光电二极管、光敏电阻器、光伏电池、光电晶体管、或电荷耦合器件（CCD），但不限于此，且可用于产生指示所检测的光的电流或电压。对于该讨论的余下部分，假定每个PD区域是光电二极管，除非另有声明。每个PD区域也可能由彼此连接（例如串联或并联）的多个光电二极管（或光敏电阻器、CCD等）的阵列组成，以使它们共同产生指示所检测光的电流或电压。
晶片衬底104的整个表面被一个或多个金属间电介质（IMD）层覆盖，金属间电介质层可包括一种或多种氧化物和/或氮化物，但不限于此。在最 上方的IMD层106上可能存在一个或多个钝化层。钝化层典型地被分类为“硬”或“软”。硬钝化典型地是氮化硅，而软钝化典型地是通常沉积在硬钝化层上的聚酰亚胺。替代的钝化材料也是可能的。硬钝化层可以或可以不利用CMP（化学机械抛光）来平坦化。优选地，钝化表面在光学传感器应用中是平坦的，但本发明并不要求平坦的钝化。IMD层和钝化层共同标注为106。
晶片级无机电介质滤光器108被图案化以覆盖PD1、PD2、PD3和PD4，但不覆盖PD5。图案化的晶片级无机电介质滤光器108包括多层无机电介质薄膜。各薄膜厚度典型地从约10nm到300nm，但不限于此。电介质滤光器的总厚度可以（例如）在2μm至10μm的范围内，但不限于此。这样的无机电介质膜可使用常规的半导体加工来沉积，以获得（例如）交替折射率的高－低－高－低（HLHL）模式。可采用各种常规沉积方法来对晶片级无机电介质滤光器108进行图案化，诸如化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、等离子体增强CVD（PECVD）、低压CVD（LPCVD）、金属有机CVD（MOCVD）、分子束外延（MBE）、外延、蒸镀、溅射、原子层沉积（ALD）、原位射流气相沉积（JVD）或类似方法。
用于形成晶片级无机电介质滤光器108的电介质材料可包括二氧化硅（SiO2）、氢化硅（SixHy）、氮化硅（SixNy）、氧氮化硅（SixOzNy）、氧化钽（TaxOy）、砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）以及类似物。滤光器中的交替层可具有贯穿该滤光器叠层的恒定或变化的膜厚度，以实现所期望的光学响应。通过小心地选择这些层的实际组分、厚度以及数量，有可能将该滤光器的反射率和透射率调整为产生几乎任何期望的光谱特性。例如，可使反射率增大至超过99.99%，以产生高反射（HR）涂层。反射水平也可被调谐至任何特定值，例如用于产生在某些波长范围上反射落在其上的光的90%且透射该光的10%的反射镜。这样的反射镜常被用作分束器，且用作激光器中的输出耦合器。替代地，晶片级无机电介质滤光器108可被设计成使该反射镜仅在窄波长带中反射光，从而产生反射性滤光器。
一般而言，高折射率材料和低折射率材料的层上下交替。该周期性或交替的结构显著增强了该表面在特定波长范围中的反射率（称为带阻）， 该波长范围的宽度仅由所使用的两个折射率之比确定（对于四分之一波系统），而最大反射率通过该叠层中的多个层增大至接近高达100%。这些层的厚度一般是四分之一波（如此，相比于由相同材料组成的非四分之一波系统，它们产生最宽的高反射带），设置成使所反射的光束彼此相长地干涉，以使反射最大化且使透射最小化。利用上述结构，高反射性涂层能在宽波长范围（可见光谱范围中的数十纳米）中实现非常高的反射率（例如99.9%），在其它波长范围上实现较低的反射率，由此实现期望的光谱响应。通过操纵反射性叠层中层的实际厚度和组分，可将反射特性调谐至期望的光谱响应，且可既包含高反射性波长区域又包含抗反射性波长区域。晶片级无机电介质滤光器108可被设计为长通或短通滤光器、带通或陷波滤光器、或具有特定反射率的反射镜。在本发明的特定实施例中，晶片级无机电介质滤光器108被设计为短通滤光器，该短通滤光器通过小于700nm的可见波长，并拒绝700nm以上的波长（例如包括IR波长），在该情况下该晶片级无机电介质滤光器108可被称为IR截止滤光器。
仍参考图1A，PD1、PD2、PD3和PD4中的每一个被示为也被不同的晶片级图案化有机滤色器110覆盖。这样的图案化有机滤色器可以在组分上类似于光阻，且可具有例如0.5至2μm的厚度。这些有机滤色器典型地是旋涂的光敏有机膜，其具有色素添加剂从而导致吸收期望的光频率（例如蓝色、绿色或红色）。在图1A中，PD1被晶片级无机电介质滤光器108和晶片级有机红过滤器110R二者覆盖。PD2被晶片级无机电介质滤光器108和晶片级有机绿过滤器110G二者覆盖。PD3被晶片级无机电介质滤光器108和晶片级有机蓝过滤器110B二者覆盖。PD4被晶片级无机电介质滤光器108和晶片级有机黑过滤器110Bk二者覆盖。PD5未被晶片级无机电介质滤光器108覆盖，且未被任何有机滤色器110覆盖。在图1A和图2-8中，各层未按比例绘制。例如，IMD层和钝化层106加起来有可能比晶片级无机电介质滤光器108和/或有机滤色器110厚。
注意，诸如滤光器108之类的晶片级无机电介质滤光器通常实现起来相对较昂贵，因为交替电介质材料在非常精细的几何形状（数十到数百纳米）下的沉积过程（例如溅射或蒸镀）（且要对层厚度和材料组分进行精 确控制）通常花费若干小时。此外，晶片级无机电介质滤光器通常是利用在化学溶剂浴中的光阻剥离来图案化的，由于在光阻溶剂浴中相对长的驻留时间（即浸泡持续时间）以及相对窄的工艺裕量，这通常成本高。因此，如果期望利用单个单片光学传感器器件实现多种（例如三种或更多种）不同的光电检测器响应，则利用多个不同的晶片级无机电介质滤光器来实现多种不同响应将会成本很高。这是因为可能需要多次沉积和多次剥离工艺来在共同半导体衬底上形成多个不同的晶片级无机电介质滤光器，这将需要非常长的循环时间。本文中描述的本发明的特定实施例利用了多种期望响应中的共同特性，例如IR拒绝，从而利用共同的晶片级无机电介质滤光器并结合多个有机滤色器，使用单个单片光学传感器器件实现了多种不同的光电检测器响应。
图1B示出了红、绿和蓝有机过滤器的示例性透射光谱。图1C示出被设计为短波通过滤光器的电介质滤光器的示例性透射光谱，该短波通过滤光器也可被称为IR截止滤光器，因为它截止或拒绝IR光。图1D示出可通过在无机电介质滤光器上图案化各种有机滤色器而实现的透射光谱。有利地，无机电介质滤光器能被用于拒绝、更具体而言反射700nm以上的波长。这使得PD区域能被红、绿和蓝有机过滤器（以及电介质滤光器）覆盖，以分别主要检测红光、绿光和蓝光。
图2示出根据本发明另一实施例的单片光学传感器器件202。在图2中，再次示出半导体晶片衬底104，其包括标注为PD1、PD2、PD3、PD4和PD5的五个PD区域。该晶片衬底的整个表面也被一个或多个IMD层和钝化层（共同标注为106）覆盖。晶片级无机电介质滤光器108也被图案化以覆盖PD1、PD2、PD3和PD4，但不覆盖PD5。PD1被晶片级无机电介质滤光器108和晶片级有机红过滤器110R二者覆盖。PD2被晶片级无机电介质滤光器108和晶片级有机绿过滤器110G以及晶片级有机红过滤器110R覆盖。换言之，有机绿和有机红过滤器上下层叠在一起，且该叠层在无机电介质滤光器108之上。PD3被无机电介质滤光器108和有机绿过滤器110G二者覆盖。PD4被无机电介质滤光器108和有机黑过滤器110Bk二者覆盖。PD5既未被无机电介质滤光器108覆盖，也未被任何有机滤色 器110覆盖。
图3示出单片光学传感器器件302，在该器件302中，标注为OF1、OF2、OF3以及OF4的多个晶片级无机电介质滤光器以不同的组合被层叠。虽然未在图3中示出，但也向该电介质滤光器的叠层中添加一个或多个有机滤色器。其示例在图4中示出，图4示出了作为图2和3的实施例的组合的单片光学传感器器件402。与本文中描述的其它实施例相比，图3和4的实施例可能成本更高，因为它们需要多次沉积和剥离工艺来提供多个晶片级无机电介质滤光器（例如OF1、OF2、OF3和OF4）。图4还包括附加的PD区域PD6和PD7。
附图说明
图1A示出根据本发明的实施例的单片光学传感器器件。
图1B示出用于红、绿和蓝有机过滤器的示例性透射光谱。
图1C示出被配置为短波通过滤光器的无机电介质滤光器的示例性透射光谱，该短波通过滤光器也可被称为IR截止滤光器。
图1D示出可通过在无机电介质滤光器上图案化各种有机滤色器而实现的透射光谱。
图2示出根据本发明另一实施例的单片光学传感器器件。
图3示出根据本发明另一实施例的单片光学传感器器件。
图4示出根据本发明又一实施例的单片光学传感器器件。
图5A-5E用于说明如何制造根据本发明多个实施例的单片光学传感器器件
图6示出根据本发明特定实施例的单片光学传感器器件。
图7示出根据本发明另一特定实施例的单片光学传感器器件。
图8示出根据本发明又一特定实施例的单片光学传感器器件。
图9是用于概括根据本发明某些实施例的用于制造单片光学传感器器件的方法的高级流程图。
图10示出根据本发明的实施例的包括单片光学传感器器件的系统。
附图标记说明
具体实施方式
图5A-5E示出用于制造如上所述的单片光学传感器的示例性工艺流程。首先参考图5A，使用任何公知的技术在半导体晶片中形成了标注为PD1、PD2、PD3、PD4和PD5的五个PD区域，且该晶片的表面和PD被一个或多个IMD层和钝化层覆盖。该晶片类似地包括数千个这样的PD区域，由此使得能在同一晶片上制造数百个单片光学传感器器件。在制造工艺的最后，该晶片被切割成单个的单片光学传感器器件，在此示例中，每个器件包括五个PD区域。
现参考图5B，这些PD区域（在此示例中为PD1、PD2、PD3和PD4）中的一个或多个被晶片级无机电介质滤光器108覆盖。这可通过如下方式实现：用光阻覆盖晶片半导体衬底104的整个表面（更具体而言是最上面的IMD或钝化层）、利用光刻在光阻中限定图案、然后利用显影剂来去除覆盖将会被无机电介质滤光器108覆盖的PD区域的部分光阻。接着，在光阻已被去除的区域上以及在光阻被保留的区域上都沉积无机电介质滤光器层。如上所述，在沉积无机电介质滤光器层（用于形成滤光器108）时可以采用各种常规沉积方法，诸如CVD、PECVD、LPCVD、MOCVD、MBE、外延、蒸镀、溅射、PVD、ALD、原位JVD等等。然后使用化学溶剂执行剥离，以去除位于保留的光阻之上的电介质滤光器层的部分，且留下位于特定PD区域之上的电介质滤光器层（其中光阻已在先前被去除）。在期望形成多于一个不同的晶片级无机电介质滤光器的情况下（例如以上参考图3和4所描述的实施例，以及以下参考图7描述的实施例），可重复上述沉积和剥离工艺以形成一个或多个附加的晶片级无机电介质滤光器。
现参考图5C，PD区域中的一个（PD3）被蓝有机过滤器110B覆盖。之后，PD区域中的另一个（PD2）被绿有机过滤器110G覆盖，如图5D所示。然后添加红有机过滤器110R以覆盖PD区域中的又一个（PD1），如图5E所示。
在有机滤色器110中的每一个本质上是染色的光阻材料的情况下，可利用按照光阻通常被图案化的相同方式的光刻来将每个有机滤色器层图案化。存在正类型和负类型的光阻，且取决于实际使用的材料，有机滤色器110可起作用为正类型的光阻或负类型的光阻。当正光阻曝光于UV光时，光阻的化学结构改变，使得它变得在显影剂中更易溶解。然后经曝光的光阻被显影剂冲洗，从而在光阻中光阻曝光于UV光的位置处留下窗口。相应地，当使用正光阻时，光掩模包括将会保留在晶片上的图案的准确副本。负光阻以相反的方式起作用。即，曝光于UV光使得负光阻变得在显影剂中更难溶解。因此，在负光阻曝光的位置处，负光阻保留在表面上，且显影剂仅去除未经曝光的部分。相应地，用于负光阻的光掩模包括将会转移的图案的逆像（或照相“负片”）。
如上所述，可在同一晶片上相似地制造数百个此类单片光学传感器器件。相应地，在图案化各种有机滤色器110之后，如参考图5C、5D和5E所解释的那样，将晶片切割成单个的单片光学传感器器件，在此示例中，每个单片光学传感器器件包括五个PD区域。然而，每个单片光学传感器器件包括其它数量的PD区域也在本发明的范围内。
图6示出根据本发明实施例的单片光学传感器器件602。在图6中，示出半导体晶片衬底104，其包括标注为PD1、PD2、PD3、和PD4的四个PD区域。该晶片衬底的整个表面也被一个或多个IMD层和钝化层（共同标注为106）覆盖。晶片级无机电介质滤光器108被图案化以覆盖PD1、PD2和PD3，但不覆盖PD4。PD1被晶片级无机电介质滤光器108和晶片级有机红过滤器110R二者覆盖。PD2被晶片级无机电介质滤光器108和晶片级有机绿过滤器110G二者覆盖。PD3被晶片级无机电介质滤光器108和晶片级有机蓝过滤器110B二者覆盖。相应地，PD1、PD2和PD3和它们的滤光器分别检测红（R）光、绿（G）光以及蓝（B）光，因此也被称为RGB检测器。PD4被晶片级有机红过滤器110R和晶片级有机绿过滤器110G二者覆盖，且可被用作基于IR的接近度和/或运动检测器，该检测器在PD4的感测区域内检测的物体反射出的IR光（由未示出的光源发射）。
在图6中，期望PD1、PD2和PD3检测特定的可见光颜色，并拒绝IR光。本实施例以及本文中描述的许多其它实施例利用了多个期望相应的共同特性（在此情况下为IR拒绝），以利用共同的晶片级无机电介质滤光器108并利用单个单片光学传感器器件来实现多种不同的光电检测器响应。换言之，在图6中，晶片级无机电介质滤光器108是IR截止滤光器。
图7示出根据本发明另一实施例的单片光学传感器器件702。在图7中，示出半导体晶片衬底104，其包括标注为PD1、PD2、PD3、和PD4的四个PD区域。该晶片衬底的整个表面也被一个或多个IMD层和钝化层（共同标注为106）覆盖。晶片级无机电介质滤光器108被图案化以覆盖PD1、PD2和PD3，但不覆盖PD4。PD1被晶片级无机电介质滤光器108和晶片级有机红过滤器110R二者覆盖。PD2被晶片级无机电介质滤光器108和晶片级有机绿过滤器110G二者覆盖。PD3被晶片级无机电介质滤光器108 和晶片级有机红过滤器110R二者覆盖。如同图6的实施例，PD1、PD2和PD3和它们的滤光器分别检测红（R）光、绿（G）光以及蓝（B）光，因此也被称为RGB检测器。在此，PD4被第二晶片级无机电介质滤光器108覆盖，该第二晶片级无机电介质滤光器108被图案化以仅覆盖PD4，而不覆盖其它PD区域。在实施例中，第二晶片级无机电介质滤光器108被设计为长通滤光器，因此PD4可被用作基于IR的接近度和/或运动检测器，该检测器在PD4的感测区域内检测从物体反射出的IR光（由未示出的光源发射）。相反，覆盖PD1、PD2和PD3的晶片级无机电介质滤光器108是IR截止滤光器。
在图6和7中，由PD1、PD2和PD3产生的信号（例如光电流）可被组合（例如使用加权求和），以产生具有适光响应的信号，该信号可作为ALS使用。由于被IR截止滤光器和绿过滤器覆盖的PD的响应一般类似于适光响应，所以使用PD2（被晶片级无机电介质滤光器108和晶片级有机绿过滤器110G覆盖）作为ALS也在本发明的实施例的范围内。
图8示出了单片光学传感器器件802，其中在形成沟槽以去除覆盖PD区域的大多数或全部IMD层之后，无机电介质滤光器108和有机滤色器110直接在PD区域之上形成。在某些实施例中，PD区域与电介质滤光器之间的仅存在薄层，诸如抗反射层（ARC）（诸如Si3N4）、接触蚀刻停止层（CESL）。在此，在滤光器/滤色器沉积之前，IMD层已通过图案化的蚀刻步骤被去除。2012年5月8日提交的共同转让的题为“OPTICAL SENSOR DEVICES INCLUDING FRONT-END-OF-LINE(FEOL)OPTICAL FILTERS AND METHODS FOR FABRICATING OPTICAL SENSOR DEVICES（包括前端线（FEOL）滤光器的光学传感器器件和用于制造光学传感器器件的方法）”的美国专利申请No.13/466,867提供了关于如何形成沟槽、如何在沟槽下方形成PD区域、以及如何在沟槽中和在PD区域上形成电介质滤光器的附加细节。
现在将使用图9的高级流程图来概括根据本发明某些实施例的用于制造单片光学传感器器件的方法。参考图9，在步骤902，在半导体晶片衬底中的多个PD区域（例如第一PD区域、第二PD区域和第三PD区域）上 沉积并由此形成一个或多个IMD层。在步骤904，在至少一些PD区域上（例如第一、第二和第三PD区域上）的最上面IMD层的至少一部分上沉积并由此形成晶片级无机电介质滤光器。如上所述，这将既需要沉积又需要剥离工艺。在步骤906，在多个不同的PD区域上沉积并由此形成多个不同的晶片级有机滤色器。在特定实施例中，在第一PD区域上的晶片级无机电介质滤光器的至少一部分上形成第一晶片级有机滤色器（例如红）；在第二PD区域上的晶片级无机电介质滤光器的至少一部分上形成第二晶片级有机滤色器（例如绿）；以及在第三PD区域上的晶片级无机电介质滤光器的至少一部分上形成第三晶片级有机滤色器（例如蓝）。在特定实施例中，该晶片级无机电介质滤光器是配置成拒绝IR光并通过可见光的IR截止滤光器。如上所述，在步骤902与904之间，可在最上面的IMD层上沉积并由此形成钝化层。
可包括少于三个或多于三个PD区域。例如，在衬底中也可存在第四PD区域，该第四PD区域旨在用于检测IR光，以用于基于IR的接近度和/或运动检测。如以上参考图6所描述，这样的第四PD区域可被一个或多个晶片级有机滤色器覆盖，以试图拒绝可见光并通过IR光。如以上参考图7所描述，这样的第四PD区域可替代地被另一晶片级无机电介质滤光器覆盖，该另一晶片级无机电介质滤光器配置成通过红外IR光并拒绝可见光。如根据以上对图1-8的讨论所能理解，其它变型是可能的。例如，如参考图8所描述，PD区域可在沟槽中形成，且多个滤光器/滤色器可在沟槽中直接在PD区域之上形成，而不是在IMD层上形成。以上已经描述了如何形成多个滤光器/滤色器的附加细节，因此在此不再赘述。
本文中描述的晶片级无机电介质滤光器（例如108、708、OF1、OF2、OF3和OF4）和晶片级无机滤色器（例如110R、110G、110B和110Bk）被认为是“晶片级”滤光器/滤色器，因为它们在将晶片切割成多个管芯之前就形成在晶片上（其中每个管芯是本文中描述的单片光学传感器器件之一，或包括本文中描述的单片光学传感器器件之一）。在本发明的某些实施例中，在切割之前，晶片可包括半导体衬底（例如104）、形成在衬底中的PD、形成在衬底之上的IMD和钝化层（例如106）以及形成在IMD和 钝化层之上的无机电介质滤光器（例如108、708、OF1、OF2、OF3和OF4）和有机滤色器（例如110R、110G、110B和110Bk）。晶片可包括替代配置，例如以上参考图8描述的晶片的一个示例。
本发明的实施例的单片光学传感器器件能用于多种系统，包括但不限于移动电话、相机、视频记录仪、投影仪、平板、个人数据助理、膝上计算机、上网本、其它手持设备以及非手持设备。这样的传感器器件能用于实现各种不同响应，各种不同响应取决于使用这些传感器器件的特定应用。例如，根据本发明的实施例的单片光学传感器器件可包括指示检测到多少红光的PD、指示检测到多少绿光的另一PD、以及指示检测到多少蓝光的又一PD。这三个PD的响应可被组合以（例如）提供适光响应。替代地，这三个PD的响应可被单独用作反馈以调节使用数字相机和/或数字视频记录仪捕捉的数字图像中的颜色，例如使得所捕捉的图像/视频更逼真地相似于操作该照相机/视频记录仪的人实际看到的内容。这三个PD的响应也能被用于电视、LED背光系统或LED投影仪的颜色调节、或用于颜色检测和/或用于白平衡调节。这三个PD的响应可被组合以用作ALS，或者PD中的一个的响应可被单独用作ALS。这三个PD的响应也可被用于降低数字相机中的快门速度。例如，数字相机的CPU可使用这三个PD的响应来执行色温计算，而无需该CPU基于来自相机镜头后方的像素阵列的信号来执行色温计算。
例如，参考图10的系统1000，单片光学传感器器件1002（例如602或702）能被用于控制子系统1006（例如触摸屏、显示器、背光、虚拟滚轮、虚拟键区、导航垫等等）是被启用还是禁用，并用于控制子系统1006（或另一子系统）的特征（例如亮度）。更具体而言，单片光学传感器器件1002的一个或多个PD区域可被一个或多个滤光器/滤色器覆盖以起到ALS的作用，同时单片光学传感器器件1002的一个或多个其它PD区域可被一个或多个滤光器/滤色器覆盖以起到基于IR（或基于其它波长）的接近度传感器的作用。单片光学传感器器件1002（或一些其它电路）可包括：驱动器，选择性地驱动光源1008（例如IR发光二极管）；以及一个或多个PD区域，其被调谐至由光源1008所产生的波长的滤光器/滤色器覆盖，能 用于检测物体1012在这样的PD区域的感测区域内的存在、接近度和/或运动。传感器器件1002的输出能被提供给一个或多个比较器和/或处理器1004，一个或多个比较器和/或处理器1004能例如将传感器器件1002的输出与阈值作比较，以用于确定物体1012是否在应当启用子系统1006（或根据需要禁用子系统1006）的范围内。可使用多个阈值（例如所存储的数字值），且基于所监测到的物体的接近度可出现一种以上响应。例如，如果物体在第一接近度范围内则出现第一响应，且如果该物体在第二接近度范围内则出现第二响应。示例性响应可包括开始或停止、或启用或禁用多个系统和/或子系统操作。传感器器件1002的输出也能被用于调节子系统1006或另一子系统的特征（例如亮度）。
根据实施例，一个或多个PD区域可被阻光材料（例如金属层）覆盖，该阻光材料不允许任何光通过。被阻光材料覆盖的PD区域将产生电流（称为暗电流或漏电流），该电流随着温度和处理条件变化而改变。类似地，由其它PD区域（未被阻光材料覆盖的PD区域）产生的电流的小部分将是由暗电流引起的，且该电流的余下部分主要指示所检测到的光（该光的波长取决于PD区域之上的滤光器/滤色器）。通过用阻光材料覆盖PD区域，能从由其它PD区域所产生的电流中扣除被阻光材料覆盖的PD区域所产生的暗电流，以去除暗电流的影响。
替代地，或附加地，未被任何滤光器/滤色器覆盖的一个或多个PD区域（因此可被称为裸PD区域）可被用于检测环境可见光和环境IR光。假定其它PD区域被设计成滤掉环境可见光同时通过环境IR光的一个或多个滤光器/滤色器覆盖，且因此产生指示环境IR光的电流。通过从由裸光学传感器器件所产生的电流中减去指示环境IR光的电流，可产生指示环境可见光的电流。其它变型也是可能的，取决于滤光器/滤色器设计和期望的光学响应。
与仅包括有机滤色器或无机电介质滤光器的传感器相比，根据本发明实施例制造的光学传感器器件应能提供更好的性能成本比。本发明的实施例还允许基于IR的接近度和/或运动传感器被制造在同一晶片上且位于环境光传感器（ALS）和/或一个或多个传感器旁边，一个或多个传感器配置 成检测诸如但不限于红、绿和蓝（RGB）之类的特定颜色的光。换言之，单片半导体器件可包括多个光传感器，每个光传感器具有旨在用于不同目的的不同响应。替代地，或附加地，同一单片器件内的两个或更多个光传感器的响应可被组合以提供期望的响应，诸如适光响应。
在某些实施例中，可在包括如上所述的被一个或多个滤光器/滤色器选择性覆盖的PD区域的同一半导体衬底中制造其它电路系统，诸如用于放大由PD区域所产生的光电流的放大器电路，和/或用于选择性驱动光源（用于接近度和/或运动传感器应用）的驱动器电路。
虽然在本文中已经说明和描述了特定实施例，但本领域普通技术人员将理解，任何旨在用于实现相同目的的布置可替代所示特定实施例。因此，本发明显然旨在仅由所附权利要求及其等同方案限制。
Claims (20)
1.一种用于制造单片光学传感器器件的方法，包括：
(a)在半导体晶片衬底中的多个光电检测器（PD）区域之上沉积并由此形成一个或多个金属间电介质（IMD）层；
(b)在位于所述多个PD区域的至少子集之上的最上方的所述IMD层的至少一部分上沉积并由此形成晶片级无机电介质滤光器；以及
(c)在位于选定PD区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的一个或多个选定部分上沉积并由此形成一个或多个晶片级有机滤色器。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤(a)包括在所述半导体晶片衬底中的第一PD区域、第二PD区域和第三PD区域上沉积并由此形成一个或多个金属间电介质（IMD）层；
步骤(b)包括在位于所述第一、第二和第三PD区域之上的最上方的所述IMD层的至少一部分上沉积并由此形成所述晶片级无机电介质滤光器；以及
步骤(c)包括
在位于所述第一PD区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的至少一部分上沉积并形成第一晶片级有机滤色器；
在位于所述第二PD区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的至少一部分上沉积并形成第二晶片级有机滤色器；以及
在位于所述第三PD区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的至少一部分上沉积并形成第三晶片级有机滤色器；
其中所述第一、第二和第三晶片级有机滤色器彼此颜色不同。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述晶片级无机电介质滤光器包括配置成拒绝红外（IR）光并通过可见光的IR截止滤光器。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：
所述第一晶片级有机滤色器是红色的；
所述第二晶片级有机滤色器是绿色的；以及
所述第三晶片级有机滤色器是蓝色的。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：
步骤(a)还包括在所述半导体晶片衬底中的第四PD区域上沉积并由此形成所述一个或多个IMD层；以及
还包括
(e)在位于所述第四PD区域之上的最上方的所述IMD层的至少一部分上沉积并由此形成第二晶片级无机电介质滤光器；
其中所述第二晶片级无机电介质滤光器包括配置成通过IR光并拒绝可见光的IR通过滤光器。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于：
步骤(a)还包括在所述半导体晶片衬底中的第四PD区域上沉积并由此形成所述一个或多个IMD层；以及
还包括在位于所述第四PD区域之上的最上方的所述IMD层的至少一部分上沉积并由此形成一个或多个晶片级有机滤色器。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
在步骤(b)与(c)之间，在最上方的所述IMD层上沉积并由此形成一个或多个钝化层；
其中，在步骤(c)，在最上方的所述钝化层上沉积并由此形成所述一个或多个晶片级有机滤色器。
8.一种用于制造多个单片光学传感器器件的方法，包括：
(a)在形成于半导体晶片衬底中的多个PD区域上沉积并由此形成晶片级无机电介质滤光器；
(b)在位于所述多个PD区域的第一子集之上的所述晶片级无机电介质滤光器的部分上沉积并由此形成第一晶片级有机滤色器；
(c)在位于所述多个PD区域的第二子集之上的所述晶片级无机电介质滤光器的另外的部分上沉积并由此形成第二晶片级有机滤色器；以及
(d)将所述半导体晶片衬底切割成多个单片光学传感器器件，每个单片光学传感器器件包括
至少一个所述PD区域，既被所述晶片级无机电介质滤光器覆盖又被所述第一晶片级有机滤色器覆盖，以及
至少一个所述PD区域，既被所述晶片级无机电介质滤光器覆盖又被所述第二晶片级有机滤色器覆盖。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述单片光学传感器器件中的每一个还包括未被在步骤(a)中形成的所述晶片级无机电介质滤光器覆盖的至少一个PD区域。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括在步骤(a)之前，在所述半导体晶片衬底中的所述多个PD区域上沉积并由此形成一个或多个金属间电介质（IMD）层。
11.一种单片光学传感器器件，包括：
半导体晶片衬底，包括多个光电检测器（PD）区域；
一个或多个金属间电介质（IMD）层，位于所述多个PD区域之上；
晶片级无机电介质滤光器，在位于所述多个PD区域的至少子集之上的最上方的所述IMD层的至少一部分之上；以及
一个或多个晶片级有机滤色器，在位于选定PD区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的一个或多个选定部分之上。
12.如权利要求11所述的单片光学传感器器件，其特征在于：
所述半导体晶片衬底至少包括第一PD区域、第二PD区域和第三PD区域；
所述一个或多个IMD层位于至少所述第一、第二和第三PD区域之上；
所述晶片级无机电介质滤光器位于最上方的所述IMD层的至少一部分之上，所述IMD层位于所述第一、第二和第三PD区域之上；
第一晶片级有机滤色器在位于所述第一PD区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的至少一部分之上；
第二晶片级有机滤色器在位于所述第二PD区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的至少一部分之上；以及
第三晶片级有机滤色器在位于所述第三PD区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的至少一部分之上；
其中所述第一、第二和第三晶片级有机滤色器彼此颜色不同。
13.如权利要求12所述的单片光学传感器器件，其特征在于，所述晶片级无机电介质滤光器包括配置成拒绝红外（IR）光并通过可见光的IR截止滤光器。
14.如权利要求13所述的单片光学传感器器件，其特征在于：
所述第一晶片级有机滤色器是红色的；
所述第二晶片级有机滤色器是绿色的；以及
所述第三晶片级有机滤色器是蓝色的。
15.如权利要求13所述的单片光学传感器器件，其特征在于：
所述半导体晶片衬底还包括第四PD区域；以及
还包括第二晶片级无机电介质滤光器，在位于所述第四PD区域之上的最上方的所述IMD层的至少一部分之上；
其中所述第二晶片级无机电介质滤光器包括配置成通过IR光并拒绝可见光的IR通过滤光器。
16.如权利要求13所述的单片光学传感器器件，其特征在于：
所述半导体晶片衬底还包括第四PD区域；以及
还包括一个或多个晶片级有机滤色器，在位于所述第四PD区域之上的最上方的所述IMD层的至少一部分之上。
17.如权利要求11所述的单片光学传感器器件，其特征在于，还包括：
一个或多个钝化层，位于最上方的所述IMD层与所述晶片级无机电介质滤光器之间。
18.一种单片光学传感器器件，包括：
半导体晶片衬底，包括多个光电检测器（PD）区域；
晶片级无机电介质滤光器，位于所述多个PD区域的至少子集之上；以及
一个或多个晶片级有机滤色器，在位于选定PD区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的一个或多个选定部分之上。
19.如权利要求18所述的单片光学传感器器件，其特征在于：
所述半导体晶片衬底至少包括第一PD区域、第二PD区域和第三PD区域；
第一晶片级有机滤色器在位于所述第一PD区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的至少一部分之上；
第二晶片级有机滤色器在位于所述第二PD区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的至少一部分之上；以及
第三晶片级有机滤色器在位于所述第三PD区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的至少一部分之上；
其中所述第一、第二和第三晶片级有机滤色器彼此颜色不同。
20.如权利要求18所述的单片光学传感器器件，其特征在于，还包括：
一个或多个IMD层和一个或多个钝化层，位于所述半导体晶片衬底与所述晶片级无机电介质滤光器之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140115 |