CN103579267B - 含有具有三角形截面的金属栅格的图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含有具有三角形截面的金属栅格的图像传感器。背照式图像传感器包含具有前侧及后侧的衬底层。光敏像素的阵列安置在所述衬底层内且对通过所述衬底层的所述后侧入射的光敏感。金属栅格安置在所述衬底层的所述后侧上方。所述金属栅格包围所述光敏像素中的每一者且界定光学孔径用于接收通过所述后侧进入所述光敏像素内的光。所述金属栅格包含相交线，所述相交线每一者具有三角形截面。材料层包围所述金属栅格。
Description
技术领域
本发明一般涉及图像传感器，且特定但不排他地来说，涉及CMOS图像传感器。
背景技术
可由互补金属氧化物半导体(CMOS)技术或电荷耦合装置(CCD)技术来制造常规图像传感器。CMOS图像传感器包括安置在衬底上的像素的阵列，每一像素包括光敏元件，举例来说，例如光电二极管。当相关联的传送晶体管被导通时，光敏元件及浮动扩散区可耦合在一起以将电荷从光敏元件传送到浮动扩散。还可存在安置在衬底上的一个或一个以上金属层、多晶硅层、扩散层等。
典型的图像传感器的操作如下。光入射在微透镜上，微透镜通过滤光器将光聚焦到光敏元件上。光敏元件将光转换为与入射光的强度成比例的电信号。可将电信号耦合到放大及读出电路(例如CMOS晶体管)以基于所捕获的光产生图像。
常规图像传感器具有一些局限。在使用前照式(“FSI”)的图像传感器中，金属层安置在微透镜与光敏元件之间。在制造使用FSI技术的图像传感器期间，因此产生穿过金属层的通道用于光从微透镜行进到光敏元件。然而，在不同材料之间的界面处的内反射可引起后反射，其继而可从金属层的底部侧离开而反射到邻近像素内，从而导致光学串扰。
一个解决方案是使用背照式(“BSI”)。在使用BSI的图像传感器中，金属层、多晶硅层、扩散层等位于衬底的一侧(前侧)上且光敏元件暴露于来自衬底另一侧(后侧)的光。因此，不需要产生穿过前侧金属堆叠抵达光敏元件的路径。相反，存在一条从后侧到光敏元件的畅通无阻的直接路径。BSI图像传感器也具有局限。举例来说，当BSI图像传感器的像素大小变得更小时，就越加难以将入射光聚焦到光敏元件上。结果，在像素之间可能会存在串扰。串扰会在图像传感器中产生不合需要的噪声。
发明内容
本发明的一个实施例提供一种背照式(“BSI”)图像传感器，其包括：衬底层，其包含前侧及后侧；光敏像素的阵列，其安置在所述衬底层内且对通过所述衬底层的所述后侧入射的光敏感；金属栅格，其安置在所述衬底层的所述后侧上方，所述金属栅格包围所述光敏像素中的每一者且界定光学孔径用以接收通过所述后侧进入所述光敏像素内的光，所述金属栅格包括相交线，所述相交线每一者具有三角形截面；及材料层，其包围所述金属栅格。
本发明的一个实施例提供一种制造背照式(“BSI”)图像传感器的方法，所述方法包括：形成光敏像素的阵列，所述光敏像素的阵列在衬底层内且经定向以对通过所述衬底层的后侧入射的光敏感；在所述衬底层的所述后侧上方形成金属栅格，所述金属栅格包围所述光敏像素中的每一者且界定光学孔径用以接收通过所述后侧进入所述光敏像素内的所述光，所述金属栅格包括相交线，所述相交线每一者具有三角形截面；及形成包围所述金属栅格的材料层。
附图说明
参考附图描述本发明的非限制性且非详尽的实施例，其中除非另有规定，否则自始至终各个图中的相同参考数字指相同部分。图式并不一定按规定比例，相反，重点在于图解说明所描述的原理。
图1A为根据本发明的实施例的在后侧上安置有具有三角形截面的金属栅格的背照式(“BSI”)图像传感器的一部分的剖面图。
图1B为根据本发明的实施例的安置在BSI图像传感器的后侧上的金属栅格的布局视图。
图1C为根据本发明的实施例的由安置在BSI图像传感器的后侧上的金属栅格界定的光学孔径的透视图。
图2为在后侧上安置有具有三角形截面的金属栅格的BSI图像传感器的一部分的剖面图。
图3为根据本发明的实施例的具有部分延伸在彩色滤光器阵列(“CFA”)内的金属栅格的BSI图像传感器的一部分的剖面图。
图4为根据本发明的实施例的具有全部延伸穿过CFA的金属栅格的BSI图像传感器的一部分的剖面图。
图5A为根据本发明的实施例的具有全部延伸穿过CFA且穿过安置在CFA与微透镜阵列之间的平面化层的金属栅格的BSI图像传感器的一部分的剖面图。
图5B为根据本发明的实施例的具有全部延伸穿过CFA抵达安置在CFA与微透镜阵列之间的平面化层的金属栅格的BSI图像传感器的一部分的剖面图。
图6A到6C为根据本发明的实施例图解说明用以使用各向同性的与各向异性的蚀刻来制造具有三角形截面的金属栅格的技术。
图7为根据本发明的实施例图解说明BSI成像系统的功能性框图。
图8为根据本发明的实施例图解说明在BSI成像系统内的两个4T像素的像素电路的电路图。
具体实施方式
本文描述制造含有具有三角形截面的后侧金属栅格的图像传感器的系统及方法的实施例。在以下描述中，陈述大量具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，可在缺少所述具体细节中的一者或一者以上的情况下或以其它方法、组件、材料等来实践本文所描述的技术。在其它实例中，并未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作，以免使某些方面语意不明。
在整个此说明书中，参考“一个实施例”或“一实施例”意指结合实施例所描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个此说明书中，出现在各个地方的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”并不一定全部指同一个实施例。此外，可以任何合适的方式将特定特征、结构或特性组合在一个或一个以上实施例中。
图1A到1C根据本发明的实施例图解说明在后侧上安置有具有三角形截面的金属栅格105的背照式(“BSI”)图像传感器100。根据本发明的实施例，图1A为BSI图像传感器100的一部分的剖面图，图1B为金属栅格105的布局图，且图1C为由金属栅格105形成的光学孔径的透视图。
BSI图像传感器100的经图解说明的实施例包括金属栅格105、微透镜110、彩色滤光器阵列(“CFA”)115的彩色滤光器、平面化层120、衬底层125、光敏区130、浅沟槽隔离(“STI”)135、像素电路140及金属堆叠145。金属堆叠145的经图解说明的实施例包括由间层电介质材料分开的金属层M1及M2。金属堆叠145安置在衬底层125的前侧170上方。BSI图像传感器100包括对通过衬底层125的后侧165入射的光敏感的光敏像素的阵列。每一光敏像素包括对应的光敏区130及像素电路140，且经由STI135彼此电性隔离。在一个实施例中，将抗反射(“AR”)层安置在衬底层125与金属栅格105之间(未图示)。
金属栅格105的经图解说明的实施例包括大体上与竖直线155彼此垂直相交的水平线150。由金属栅格105形成的相交栅格图案勾画出光敏区130且界定穿过衬底层125的后侧165的光学孔径160。线150及155具有大体上呈三角形的截面(或外形)。相交线150及155的三角形截面界定一种倒转的且斜截的棱锥型的光学孔径160。
金属栅格105提供许多有用的功能。首先，三角形截面用于收集从更多角度及位置入射在后侧165上的光。以陡峭的角度进入的光在线150或155的倾斜侧上往回朝着像素的中心反射并进入光敏区130内而在那里被收集。这增加了BSI图像传感器100的量子效率(“QE”)。随着图像传感器的尺寸继续减小，QE数值变得越加重要。其次，通过将线150及155的角度调整到某一点，增加光学孔径尺寸且阻挡更少的入射光线。相反，参考图2，线250的宽度减少了光可能会通过其而被接受的孔径尺寸，进而减少图像传感器200相对于BSI图像传感器100的QE。随着像素尺寸继续缩减到2微米以下，线250的宽度可显著减少像素阵列的填充因数，从而减少QE。再次，线250的矩形截面提供反射入射光260的反射表面255。后反射光260可接着在材料层之间的界面的任意处再次反射并以被邻近像素收集而结束。此为光学串扰(也称为花瓣闪光)，其对图像质量产生不利影响。因此，相比于图2中图解说明的矩形线，金属栅格115以其三角形截面减少对光的阻挡、减少后反射及相关联的串扰且增加由光敏区130所捕获的光子量。最后，金属栅格115以其三角形截面减少由线栅格在像素阵列上引起的“阴影效应”，进而改进主要光线角度性能且改进整个像素阵列上的灵敏度均匀性。
线150及155可用各种类型的金属来制造以反射光。举例来说，金属栅格115的线150及155可由铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)或其它者来制造。针对具有大约2微米的尺寸的像素的图像传感器来说，线150及155可具有大约0.1到0.3微米的宽度及高度。当然可使用其它尺寸。
BSI图像传感器100的经图解说明的实施例可由以下实例材料来制造。在一个实施例中，衬底层125为P型外延层，光敏区130为N掺杂区，像素电路140安置在衬底层125的前侧中的p阱中或p阱上，且STI135为氧化物填充沟槽及/或掺杂区。当然，可颠倒掺杂剂的极性以便在光敏区130中收集与光生电子相对的光生空穴。CFA115可表示包括红色、绿色及蓝色滤光器的贝尔模板彩色滤光器。当然，也可使用其它CFA模板及颜色(例如，青色、黄色、洋红色)。微透镜110可由透明聚合物材料制成，所述材料使用表面张力进行图案化及回流以获得弯曲镜片形状。平面化层120由透光材料(例如，聚甲基丙烯酸甲酯(“PMMA”)、氮化硅或其它者)制造。当然，可使用其它制造材料及技术。
图3为根据本发明的实施例的具有部分延伸在CFA315内的金属栅格305的BSI图像传感器300的一部分的剖面图。除了不包括平面化层120之外，BSI图像传感器300与BSI图像传感器100类似；相反，CFA315填满由金属栅格305界定的光学孔径且包围金属栅格305。因此，金属栅格305内嵌在CFA315中且形成在衬底层125的后侧上的表面平面上。CFA315向下延伸到所述表面平面。通过删除平面化层120，BSI图像传感器300的制造步骤的数目相对于BSI图像传感器100可减少。此外，随着平面化层120的取消，不同材料层之间的一个材料界面也被取消，其可改进QE。
图4为根据本发明的实施例的具有全部延伸穿过CFA415的金属栅格405的BSI图像传感器400的一部分的剖面图。除了金属栅格405全部延伸穿过CFA415之外，BSI图像传感器400类似于BSI图像传感器300。使金属栅格405进一步延伸用以改进相比于图3的实施例的抗串扰性。金属栅格405(或任何其它金属栅格)提供的优点可使得不需要微透镜阵列。因此，在一些实施例中，可将微透镜阵列从经图解说明的实施例中的任一者删除。
图5A为根据本发明的实施例的具有全部延伸穿过CFA515且进入到安置在CFA515与微透镜阵列110之间的平面化层520中的金属栅格505的BSI图像传感器500的一部分的剖面图。除了平面化层520安置在CFA515上方且金属栅格505延伸到平面化层520中之外，BSI图像传感器500类似于BSI图像传感器400。金属栅格505的三角线可仅部分延伸到平面化层520中或全部延伸穿过平面化层520且端接在由平面化层520所产生的平面基底表面上。平面化层520提供可将微透镜阵列110安置在其上的此平面表面基底。由于CFA515的不同有色元件的吸收特征不同，所以不同有色光学滤光器可具有不同厚度。平面化层520补偿这些高度差。在一个实施例中，平面化层520由透明或透明的聚合物材料来制造。
图5B为根据本发明的实施例的具有全部延伸穿过CFA516抵达平面化层520的金属栅格506的BSI图像传感器501的一部分的剖面图。除了金属栅格506的三角线端接在平面化层520处且不延伸到平面化层520中之外，BSI图像传感器501类似于BSI图像传感器500。
图6A到6C根据本发明的实施例图解说明用以使用各向同性及各向异性的蚀刻来制造具有三角形截面的金属栅格的技术。图6A图解说明在被掩模605覆盖的金属层610上执行各向异性蚀刻的结果。可使用反应离子蚀刻(“RIE”)或深反应离子蚀刻(“DRIE”)、使用化学反应等离子体或干燥蚀刻剂来执行各向异性蚀刻。如图解说明，各向异性蚀刻产生陡峭侧沟槽。图6B图解说明在被掩模615覆盖的金属层620上执行各向同性蚀刻的结果。通常使用液相蚀刻剂(也称为湿蚀刻剂)来执行各向同性蚀刻，其底切掩模且产生具有圆形侧壁的腔。
图6C图解说明用于制造由具有三角形截面的线形成的金属栅格的反复的、多步骤蚀刻过程。首先，掩模625形成在金属层630上方。其次，使用掩模625在金属层630上执行各向同性蚀刻。各向同性蚀刻底切掩模625且在金属层630中产生具有弯曲侧的凹部635。底切的程度称为偏置。接着，执行各向异性蚀刻，其从凹部635内的底部移除金属层630的部分。反复地重复各向同性及各向异性蚀刻，每一次使用各向同性蚀刻底切掩模且从凹部635的底部移除材料且接着使用各向异性蚀刻从所述底部移除更多。在若干次反复(例如，4到10次反复)之后所得的凹部640界定图1C中图解说明的倒转的斜截的棱锥型的光学孔径160。
当然，可使用其它技术来制造以上所描述的金属栅格中的任一者。举例来说，可使用灰阶光刻来界定具有大体上呈三角形截面的线的金属栅格。
图7为根据本发明的实施例图解说明BSI成像系统700的框图。BSI成像系统700的经图解说明的实施例包括像素阵列705、读出电路710、功能逻辑715及控制电路720。BSI成像系统700可使用类似于以上描述的金属栅格中的任一者的后侧金属栅格来制造。此外，结合图1A到1C、3、4、5A及5B所描述的各个特征中的任一者可以各种不同的方式组合以形成混合实施例。
像素阵列705为背照式成像传感器或像素(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。如图解说明，每一像素布置在行(例如行R1到Ry)及列(例如列C1到Cx)内以获得人物、地点或物体的图像数据，其随后可用于再现所述人物、地点或物体的2D图像。
在每一像素已获得其图像数据或图像电荷之后，由读出电路710读出图像数据且传送到功能逻辑715。读出电路710可包括放大电路、模/数(“ADC”)转换电路或其它者。功能逻辑715可仅存储图像数据或甚至通过施加后图像效应(例如，修剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它者)来操纵图像数据。在一个实施例中，读出电路710可沿着读出列线每次读出一行图像数据(经图解说明)或可使用多种其它技术读出图像数据(未经图解说明)，例如连续读出或同时完全并行读出全部像素。
控制电路720耦合到像素阵列705以控制像素阵列705的操作特征。举例来说，控制电路720可产生快门信号用以控制图像获取。在一个实施例中，快门信号为用于在单一获取窗口期间同时启用像素阵列705内的全部像素以同时捕获其相应的图像数据的全局快门信号。在替代实施例中，快门信号为卷帘式快门信号，借此在连续获取窗口期间循序地启用每一行、列或组的像素。
图8为根据本发明的实施例图解说明BSI成像阵列内的两个四晶体管(“4T”)像素的像素电路800的电路图。像素电路800为用于实施图7的像素阵列700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；相反，享受本发明的优点的所属领域的技术人员将了解，本教示也适用于3T设计、5T设计及各种其它像素架构。
在图8中，像素Pa及Pb布置成两行及一列。每一像素电路800的经图解说明的实施例包括光电二极管PD、传送晶体管T1、复位晶体管T2、源极跟随器(“SF”)晶体管T3、选择晶体管T4及存储电容器C1。在操作期间，传送晶体管T1接收传送信号TX，其将积累在光电二极管PD中的电荷传送到浮动扩散节点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耦合在电源轨VDD与浮动扩散节点FD之间以在复位信号RST的控制下复位像素(例如，使FD及PD放电或充电到预设电压)。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耦合在电源轨VDD与选择晶体管T4之间。SF晶体管T3作为源极跟随器而操作从而提供到浮动扩散FD的高阻抗连接。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800的输出耦合到读出列线。在一个实施例中，TX信号、RST信号及SEL信号由控制电路720产生。
对本发明的经图解说明的实施例的以上描述(包括在摘要中所描述的)无意为详尽的或将本发明限制于所揭示的精确形式。虽然出于说明的目的在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但正如所属领域的技术人员将认识的，在本发明的范围内可进行各种修改。
可鉴于以上详细的描述而对本发明做出这些修改。在所附权利要求书中所使用的术语不应解释为将本发明限制于本说明书中所揭示的特定实施例。相反，本发明的范围将全部由所附权利要求书确定，所附权利要求书将根据已建立的权利要求书阐释的原则进行解释。
Claims (21)
1.一种背照式“BSI”图像传感器，其包括：
衬底层，其包含前侧及后侧；
光敏像素的阵列，其安置在所述衬底层内且对通过所述衬底层的所述后侧入射的光敏感；
金属栅格，其安置在所述衬底层的所述后侧上方，所述金属栅格包围所述光敏像素中的每一者且界定光学孔径用以接收通过所述后侧进入所述光敏像素内的光，所述金属栅格包含相交线，所述相交线每一者具有三角形截面；及
材料层，其包围所述金属栅格。
2.根据权利要求1所述的BSI图像传感器，其中所述金属栅格包括：
第一金属线，其沿着第一方向彼此平行延续；及
第二金属线，其沿着第二方向彼此平行延续，
其中所述第一方向和所述第二方向垂直，
其中所述第一金属线和所述第二金属线安置在共同表面平面上。
3.根据权利要求1所述的BSI图像传感器，其中所述材料层包括掩埋所述金属栅格以产生平面表面的平面化填充材料，所述BSI图像传感器进一步包括：
彩色滤光器阵列，其安置在所述后侧上的所述平面化填充材料的所述平面表面上方。
4.根据权利要求3所述的BSI图像传感器，其进一步包括：
微透镜阵列，其安置在所述后侧上的所述彩色滤光器阵列上方；及
平面化层，其安置在所述彩色滤光器阵列与所述微透镜阵列之间。
5.根据权利要求1所述的BSI图像传感器，其中所述材料层包括安置在所述后侧上方的彩色滤光器阵列，其中所述金属栅格延伸到所述彩色滤光器阵列内且所述彩色滤光器阵列填充由所述金属栅格界定的所述光学孔径。
6.根据权利要求5所述的BSI图像传感器，其中所述金属栅格延伸穿过所述彩色滤光器阵列的整个厚度。
7.根据权利要求5所述的BSI图像传感器，其进一步包括：
微透镜阵列，其安置在所述后侧上的所述彩色滤光器阵列上方。
8.根据权利要求7所述的BSI图像传感器，其进一步包括：
平面化层，其安置在所述彩色滤光器阵列与所述微透镜阵列之间，其中所述金属栅格延伸到所述平面化层内。
9.根据权利要求1所述的BSI图像传感器，其进一步包括：
抗反射层，其安置在所述衬底层与所述金属栅格之间。
10.根据权利要求1所述的BSI图像传感器，其中所述光敏像素中的每一者包括安置在所述衬底层内的光敏区和安置在所述衬底层的所述前侧中或所述前侧上的像素电路，所述BSI图像传感器进一步包括：
金属堆叠，其安置在所述前侧上的光敏像素的所述阵列上方且经耦合以将信号路由到所述像素电路或从所述像素电路路由信号。
11.一种制造背照式“BSI”图像传感器的方法，所述方法包括：
形成光敏像素的阵列，所述光敏像素的阵列在衬底层内且经定向以对通过所述衬底层的后侧入射的光敏感；
在所述衬底层的所述后侧上方形成金属栅格，所述金属栅格包围所述光敏像素中的每一者且界定光学孔径用以接收通过所述后侧进入所述光敏像素内的所述光，所述金属栅格包含相交线，所述相交线每一者具有三角形截面；及
形成包围所述金属栅格的材料层。
12.根据权利要求11所述的方法，其中形成所述金属栅格包括：
在所述衬底层的所述后侧上方形成金属层；
在所述金属层上方形成蚀刻掩模，所述蚀刻掩模界定勾画出所述光学孔径的栅格图案；及
在用所述蚀刻掩模覆盖的所述金属层上反复地执行各向同性与各向异性蚀刻以底切所述掩模且在所述金属层中产生与所述光学孔径相符的凹部且形成所述金属栅格的各自具有所述三角形截面的所述线。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述形成所述金属栅格包括：
在所述衬底层的所述后侧上方形成金属层；及
执行灰阶光刻以形成所述金属栅格的具有所述三角形截面的所述线。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述金属栅格包括：
第一金属线，其沿着第一方向彼此平行延续；及
第二金属线，其沿着第二方向彼此平行延续，
其中所述第一方向和所述第二方向垂直，
其中所述第一金属线和所述第二金属线安置在共同表面平面上。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述材料层包括掩埋所述金属栅格以产生平面表面的平面化填充材料，所述方法进一步包括：
形成安置在所述后侧上的所述平面化填充材料的所述平面表面上方的彩色滤光器阵列。
16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：
形成安置在所述后侧上的所述彩色滤光器阵列上方的微透镜阵列；及
形成安置在所述彩色滤光器阵列与所述微透镜阵列之间的平面化层。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述材料层包括安置在所述后侧上方的彩色滤光器阵列，其中所述金属栅格延伸到所述彩色滤光器阵列内且所述彩色滤光器阵列填充由所述金属栅格界定的所述光学孔径。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述金属栅格延伸穿过所述彩色滤光器阵列的整个厚度。
19.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括：
形成安置在所述后侧上的所述彩色滤光器阵列上方的微透镜阵列。
20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括：
形成安置在所述彩色滤光器阵列与所述微透镜阵列之间的平面化层，其中所述金属栅格延伸到所述平面化层内。
21.根据权利要求11所述的方法，其中所述光敏像素中的每一者包含安置在所述衬底层内的光敏区及安置在所述衬底层的前侧中或前侧上的像素电路，所述方法进一步包括：
形成安置在所述前侧上的光敏像素的所述阵列上方的金属堆叠，所述金属堆叠经耦合以将信号路由到所述像素电路或从所述像素电路路由信号。
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