CN104282699A - 制造光导栅格的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的光导栅格可包括具有多条交叉栅格线的栅格结构和用于交叉栅格线之间的光传感器元件的多个开口，其中，每条栅格线具有宽度w。栅格结构具有多个开口中的在对角方向上的两个相邻开口之间的对角栅格宽度。对角栅格宽度的值大于约√3w。图像传感器可包括具有上述栅格结构的光导栅格，还包括微透镜（如下沉微透镜）和滤色器。一种制造光导栅格的方法可包括在至少一个光传感器上方形成栅格，其中，栅格具有宽度为w以及对角方向上的对角栅格宽度的值大于约√3w的交叉栅格线。本发明还公开了制造光导栅格的装置和方法。

Description

制造光导栅格的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种制造用于感光结构（诸如图像传感器）的光导栅格的方法和装置。

背景技术

图像传感器是一种将光学图像转换为电子信号的半导体器件。图像传感器一般可分为电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器。在这些图像传感器中，CMOS图像传感器包括用于检测入射光并将其转换为电信号的光电二极管以及用于传送并处理电信号的逻辑电路。CMOS图像传感器包括具有用于接收入射光并产生和累积电荷的多个光电二极管的光感应部分、形成在光敏部分的结构上的保护层、滤色器阵列、以及多个微透镜。可在原色系统中形成滤色器阵列，即，包括分别使用含红、绿或蓝色的光刻胶材料的红色滤光器（R）、绿色滤光器（G）以及蓝色滤光器（B）。根据光刻技术，每种滤色器的形成均涉及一系列的涂覆、曝光和显影工艺。可选地，滤色器阵列可形成在包括蓝绿色、黄色和洋红色滤光器的互补色系统中。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一方面，提供了一种光导栅格，包括：

栅格结构，具有多条交叉栅格线以及用于交叉栅格线之间的光传感器元件的多个开口，每条栅格线都具有宽度w；

所述栅格结构具有所述多个开口中位于对角方向上的两个相邻开口之间的对角栅格宽度，所述对角栅格宽度的值大于约√3w。

在可选实施例中，所述开口具有圆角。

在可选实施例中，所述宽度w的值介于约0.1μm到1μm之间。

在可选实施例中，所述栅格结构是八边形。

在可选实施例中，所述光导栅格由金属制成。

在可选实施例中，所述光导栅格由不透明的介电材料制成。

在可选实施例中，所述对角栅格宽度大于或等于2w。

在可选实施例中，所述对角栅格宽度小于或等于3w。

根据本发明的另一方面，还提供了一种图像传感器，包括：

滤色器；

微透镜，位于所述滤色器上方；以及

光导栅格，包括：

栅格结构，具有多条交叉栅格线，每条栅格线都具有宽度w，所述栅格结构具有用于所述交叉栅格线之间的光传感器元件的至少一个开口，所述开口与所述微透镜对准；

所述栅格结构具有所述多个开口中位于对角方向上的相邻开口之间的对角栅格宽度，所述对角栅格宽度的值大于约√3w。

在可选实施例中，所述至少一个开口是八边形。

在可选实施例中，所述至少一个开口具有圆角。

在可选实施例中，所述对角栅格宽度大于或等于2w。

在可选实施例中，所述对角栅格宽度小于或等于3w。

在可选实施例中，所述对角栅格宽度介于大约√3w到大约3w之间。

在可选实施例中，所述宽度w的值介于大约0.1μm到1μm之间。

在可选实施例中，所述光导栅格由厚度介于大约50nm到500nm之间的金属制成。

在可选实施例中，所述光导栅格由介电材料制成。

根据本发明的又一方面，还提供了一种制造具有光导栅格的图像传感器的方法，包括：

在衬底上形成至少一个光传感器元件；以及

在所述至少一个光传感器元件上方形成栅格，所述栅格具有形成开口的多条交叉栅格线，每条交叉栅格线都具有宽度w，所述栅格具有所述开口位于对角方向上的两个相邻开口之间的对角栅格宽度，所述对角栅格宽度的值大于约√3w。

在可选实施例中，形成所述栅格的步骤包括提供具有至少8条边的开口、以及提供所述栅格的开口的圆角。

在可选实施例中，所述栅格的形成步骤包括在微透镜和位于衬底上的所述至少一个光传感器元件之间形成所述多条交叉栅格线。

在可选实施例中，形成所述栅格的步骤包括在半导体衬底上方形成由金属材料制成的交叉线。

附图说明

附图示出了用于说明本发明主题的各个方面的一些示例性实施例。主题发展并不限制于用作实例的示出实施例。在附图中：

图1是图示地表示作为图像传感器的一部分的下沉微透镜（sinkingmicro-lens）和滤色器的侧视图的图解；

图2a是根据实施例的图像传感器的滤色器布置的俯视图；

图2b是根据实施例的包括下沉微透镜和部分光导栅格的图像传感器的侧视图；

图3是根据实施例的光导栅格的俯视图；

图4是根据实施例的图像传感器的部分的俯视图；

图5是根据实施例的图像传感器的部分的俯视图；以及

图6是示出根据此处的一个实施例的方法流程图。

具体实施方式

本发明描述了适于用于包括一种微透镜（在此称为“下沉微透镜”）的彩色图像传感器的栅格结构。

随着具有更好性能的要求，可减薄用于图像传感器的微透镜，以减少光从微透镜的外部到微透镜下方的光传感器之间经过的总距离。下沉微透镜结构是一种具有向下延伸至滤色器层的顶部以下的周围部分的微透镜。

图1简单地示出了具有下沉微透镜14和滤色器12的图像传感器10的一部分。虚线17表示微透镜14的底部位置。在下沉微透镜中，微透镜底部11位于隔开的滤色器12之间的间隙15（位于所示的滤色器12的顶面之下）内。图像传感器10包括相邻滤色器之间的间隙15，在该间隙内，可形成栅格结构（参见图3，在下面描述）。

下沉微透镜结构具有改进称为“SNR-10”的参数的优势。低照度下的信噪比（SNR）是图像传感器的一个重要性能因数。SNR-10是白平衡和色彩校正后的情景照明，其中，SNR=10。SNR-10已被用作SNR的一个良好度量值。但是，下沉微透镜设计允许入射光穿过位于相邻的光传感器之间的间隙附近的滤色器，从而撞击相邻的光传感器。这样会导致“色串扰”。

栅格结构具有与滤色器的位置相对应的开口，以将光导入特定的光传感器元件（位于滤色器12的下方）。图3所示的栅格结构或光导栅格30具有围绕开口的多个交叉栅格线31和33。栅格线用于防止穿过一个微透镜的光撞击相邻微透镜下方的光检测器。栅格结构30具有多个交叉栅格线31和33，用以阻挡光进入两个邻近的光传感器元件之间且防止产生串扰，其中，每条线具有主栅格宽度“w”。主栅格宽度“w”是图3所示的栅格30的交叉线31和33的宽度。

为了防止入射光的串扰（位于相邻光感应元件之间），可将栅格结构配置为适当地阻挡光在微透镜和邻近的微透镜下方的光电二极管之间穿行。这样的设计能够防止穿过任何滤色器的入射光撞击邻近的滤色器下方的光检测器。在具有下沉微透镜（向下延伸至滤色器之间的间隙内）的配置中，栅格线形成在滤色器之间的区域（即，与微透镜材料向下延伸至滤色器之间的间隙内的区域相同）中。

在一些实施例中，如图2a的俯视图和图2b的截面图所示，图像传感器20具有包括下沉微透镜14的滤色器布置21。下沉微透镜14进入被隔开的滤色器之间的间隙25（位于图2b中所示的滤色器22的顶面之下）内。多个被隔开的滤色器22每个都具有包括对角拐角的多边形，诸如八边形。成对角地相邻八边形之间的对角宽度w_d大于具有方角的滤色器之间的对角距离(√2w)。具有方角的对角线的半径等于w，因此，利用勾股定理，w_d的平方等于w的平方加上w的平方。w_d的解值是方角√2w的最小距离。到达一个光检测器但未穿过其上方的滤色器22的任何光可引起噪声和串扰。为与这样设计的下沉微透镜一起使用而提供合适的光导栅格30，交叉线31和33在对角方向上的宽度w_d大于√2w，如图3所示，栅格开口的角是圆形的。

栅格30的每条交叉线31和33的主栅格宽度“w”可与具有方角的栅格结构的宽度相同，但是，可计算和实现提供圆角的对角方向上的最小和最大的对角栅格宽度w_d，以减少噪声和串扰。圆边或圆角在每个交叉构件31和33之间的交叉点处提供额外的厚度。再参见图3所示的光导栅格30，一些实施例包括栅格结构的开口32中的圆角34，以阻挡光穿过微透镜的底部11。进一步地，对角方向上的两个光感应元件之间的对角栅格宽度w_d应该介于√3w和3w之间，其中，w是栅格结构的宽度（参见下面的演算）。在一些实施例中，对角栅格宽度大于或等于2w。

再参见图2b的侧截面图，图像传感器可包括诸如下沉微透镜的微透镜14。在图2b中，下沉微透镜14示出为位于相应的滤色器22的上方。在图1所示的图像传感器10中，图2b中的图像传感器20可包括形成有光导结构或栅格30的区、位置或间隙25。在一些实施例中，栅格30的高度低于水平面27处的滤色器的顶面。还要注意，栅格30的厚度可介于50nm到500nm之间。水平面27与滤色器的顶部下方且栅格的顶面所在的水平面相对应。水平面27也位于下沉微透镜14的微透镜底部11的下方。尤其是，图像传感器20可包括栅格结构30，该栅格结构30包括交叉金属线（图3中的线31和33）且具有位于交叉金属线之间和金属线上方的开口中的电介质23。在一些实施例中，结构包括位于光导或金属栅格30上方的介电栅格23a。因为介电栅格23a是通过蚀刻掉部分电介质23而制成的，所以电介质23和介电栅格23a由相同的材料构成。在一些实施例中，介电栅格23a本身可被认为是“栅格结构”。在其他实施例中，介电栅格23a和电介质23的组合可形成栅格结构。在任何一种情况下，栅格或栅格结构用来将入射光导入特定的像素或光电二极管中。在一些实施例中，介电栅格23a或电介质23由不透明的介电材料形成，这种不透明的介电材料能防止或基本上阻止光从其中穿过。对入射光的引导能够降低由于穿过滤色器的光进入错的像素引起的串扰。因此，本文中的实施例限定了栅格的对角宽度，以进一步防止下沉微透镜引起的串扰。下沉微透镜降低封装器件的总厚度，但是，将微透镜分隔开会引起更多的串扰。

图2b所示的图像传感器20由形成在半导体衬底（例如，硅衬底）的表面上的多个传感器元件或光电二极管元件28构成。在一些实施例中，多个光电二极管元件28可形成光电二极管元件阵列29，其中，四个这样的光电二极管元件（例如，两个绿色元件、一个蓝色元件和一个红色元件）可形成一个像素。在其他实施例中，单个的光电二极管元件形成一个像素。抗反射涂（ARC）层26形成在光电二极管元件28和衬底的上方。诸如光电二极管元件28的光感应元件上方的ARC层26的内含物由于反射降低了入射光的损耗。总的来说，已发现ARC层26应该对可见光谱中的光是透明的。缓冲层24可形成在ARC层26上。在一些实施例中，缓冲层24可包括介电材料，诸如氧化硅（SiO）或氮化硅（SiN）、氮氧化硅（SiON）或其他介电材料，并且可通过化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）或其他合适的技术形成。通过化学机械平坦化（CMP）工艺可平坦化缓冲层，以形成光滑表面。

栅格结构30位于缓冲层24的上方。需要注意的是，实施例中的栅格结构不限于所描述的金属和介电材料。其他材料也可用作介电栅格的部分，从而形成滤色器栅格。例如，代替或除了上述材料外，滤色器栅格可使用滤色器材料、聚合物、或其他材料形成滤镜栅格或光导结构。

参见图4（a-c）所示的图像传感器40的俯视图的表示，当使用下沉微透镜44时，微透镜的形状会变成圆形（44），其表示下方的光传感器元件（参见图2b中的28）。光传感器元件42之间的距离表示图4（b）中所示的主栅格宽度“w”。如图4（c）所示，当微透镜彼此邻接时，可确定对角方向上的对角栅格宽度w_d的最小值w_d(最小值)。使用下列计算式计算出最小宽度w_d(最小值)：

$\begin{array}{c}{w}_d\left(\min \right)=2r\×\sqrt{2}-2r\\ =(\sqrt{2}-1)\×2r\end{array}$

$\begin{array}{c}=(\sqrt{2}-1)\×d\\ =\left(0.414\right)*\mathrm{Aw}\end{array}$

其中，A是介于大约4.5到大约5之间的变量。因此，在一些实施例中，当A=4.5时，那么

$\begin{array}{c}=(\sqrt{2}-1)\×4.5w\\ =1.863w\end{array}$

其中，r和d分别为图4（c）所示的圆的半径和直径。d也是栅格的节距。在一些实施例中，栅格的宽度w介于大约0.1μm到1μm之间，并且节距d介于大约0.5μm到5μm之间。

在一些实施例中，当计算最小的对角宽度时，用4.5w作为近似值替换d值。这样，选择值√3w，其大于√2w。记得，如上所述的，√2w是具有方角的设计中的最小对角宽度。再次，上述等式2r=d=4.5w的使用是取决于设计的近似值。使用2r=d=4.5，而不是2r=d=5w，表示一种更极端的情况，因为w更宽且由于阻挡导致更多的光损耗。这些假设允许设计有更广的选择范围。

参见图5所示的图像传感器50的俯视图的表示，在一个实例中，像素的未阻挡区为无栅格的原始区的95%的情况下（即，当5%的像素区被栅格线和其交叉线覆盖时），可确定w_d（最大值）。因为栅格线和交叉线的区域减小了像素区的光收集部分并且降低如SNR-10或量子效率的性能，所以，w_d的值为非常大是不可取的。因此，可通过下列公式确定或计算出w_d（最大值）：

$\frac{2a^2}{{(4d/5)}^2}=n\%$

在一个实例中，其中，如上所述的n=5表示5%的像素区被栅格线和其交叉线覆盖，那么：

$\frac{2a^2}{{(4d/5)}^2}=5\%$

$a^2=\frac{4}{250}{d}^2$

$a=\frac{2}{5\sqrt{10}}d$

$\begin{array}{c}{w}_d\left(\mathrm{Max}\right)=\sqrt{2}w+\sqrt{2}a\\ =\sqrt{2}(w+a)\\ =\sqrt{2}(w+\frac{2}{\sqrt{10}}w)\\ =2.31w\end{array}$

其中，a是图5所示的三角部43的长度。

当确定最大的对角栅格宽度w_d时，将上述值调为最接近的整数。甚至当一种特殊设计接近假设2r=d=5w时，适当的w_d的下限值是可取的。上限值越大，栅格结构阻挡的光越多。在上述计算中，假设5%的光损耗可得到2.31w，但是，在一些实施例中，除了考虑光损耗外，还要考虑其他因素，即仍要保证好的图像质量。因此，为了更广的考虑其他因素的应用，可以将上限值提高为下一个较大整数3w。因此，在一些实施例中，为w_d（最大值）选择值3w。

此外，如图5所示，栅格结构可以是八边形。更具体地，栅格结构可具有形成八边形的开口45。在一些实施例中，开口45可具有至少八个边，而在一些实施例中，开口45可具有八个以上的边。在一些实施例中，开口45的边缘可以是圆形的栅格开口，如图3以及上面描述的开口32所示。

使用文本描述的栅格，无需精细地调整工艺条件就可在栅格结构（金属和/或介电栅格）中形成开口。为了防止射到彩色图像传感器的光串扰，本文的栅格结构可适当地阻挡光在光感应元件之间穿行。

使用文中描述的设计参数可防止光穿过邻近像素的交叉点，从而防止串扰。因此，在对角方向上的两个相邻光传感器元件之间具有对角栅格宽度w_d（其中，√3w<w_d<3w）的圆形栅格开口和栅格交叉点可阻止这些不需要的信号。

图6示出了制造半导体器件（诸如包括光导栅格的图像传感器）的方法60的流程图。该方法包括：步骤62，在衬底上形成至少一个光传感器元件。图像传感器由形成在半导体衬底（例如，硅衬底）的表面上的多个传感器元件或光电二极管元件形成。步骤64，在光电二极管元件和衬底上方形成抗反射涂（ARC）层。步骤66，在ARC层上方形成缓冲层。缓冲层可包括介电材料，诸如氧化硅（SiO）、氮化硅（SiN）、氮氧化硅（SiON）或其他介电材料。

在步骤67中，在ARC层、缓冲层和至少一个光传感器元件上方形成栅格。栅格或栅格结构的每条线31、33具有主栅格宽度w和对角方向上的两个光传感器元件之间的对角栅格宽度（w_d），其中，w_d的值介于最小值大约√3w的和最大值大约3w之间。在一些实施例中，对角栅格宽度可大于2w。在一些实施例中，对角栅格宽度可等于或小于3w。在其他实施例中，对角栅格宽度可介于大约2w和大约3w之间。栅格可选地包括圆角。栅格也可选地包括由金属材料形成的交叉线。

在步骤68中，在栅格和缓冲层上方提供滤色器层。在步骤69中，在滤色器层上方形成微透镜。微透镜可以是下沉微透镜且可包括凸形上表面，该凸形上表面能使平行光线聚集并撞击下方的传感器。

在一些实施例中，光导栅格可包括具有多个交叉栅格线的栅格结构和用于交叉栅格线之间的光传感器元件的多个开口，其中，每条栅格线具有宽度w。栅格结构具有对角栅格宽度w_d，该对角栅格宽度w_d位于多个开口中的在对角方向上的两个相邻开口之间。对角栅格宽度的值大于大约√3w。在一些实施例中，对角栅格宽度大于或等于2w。在一些实施例中，对角栅格宽度小于或等于3w。在一些实施例中，光导栅格中的开口具有圆角。在一些实施例中，宽度w的值介于大约0.1μm到1μm之间。另一方面，光导栅格形成彩色图像传感器的一部分，该彩色图像传感器还具有下沉微透镜和滤色器。在一种布置中，在位于衬底上的多个光电二极管的上方布置光导栅格。在另一种布置中，光导栅格设置在多个下沉微透镜和多个滤色器下方。在一种布置中，栅格结构是八边形。在另一种布置中，光导栅格由金属或不透明的介电材料形成。

在另一个实施例中，图像传感器包括滤色器、位于滤色器上方的微透镜、以及光导栅格。光导栅格具有栅格结构，该栅格结构具有多条交叉的栅格线，每条具有宽度w，栅格结构具有用于交叉栅格线间的光传感器元件的至少一个开口，该开口与微透镜对准。栅格结构还具有多个开口中的在对角方向上的邻近开口之间的对角栅格宽度w_d，该对角栅格宽度w_d大于大约√3w。在一些实施例中，对角栅格宽度大于或等于2w。在一些实施例中，对角栅格宽度小于或等于3w。在一些实施例中，对角栅格宽度介于大约√3w到大约3w之间。在一些实施例中，宽度w的值介于大约0.1μm到1μm之间。在一些实施例中，开口具有圆角。在一些实施例中，栅格结构的至少一个开口是八边形。在一些实施例中，光导栅格由金属或介电材料制成。在一些实施例中，光导栅格由厚度介于大约50μm到500μm之间的金属制成。在一种布置中，微透镜是下沉微透镜。在一些实施例中，下沉微透镜具有圆形形状。在一些布置中，滤色器是多边形或矩形。

在又一个实施例中，一种制造具有光导栅格的图像传感器的方法包括：在衬底上形成至少一个光传感器元件，以及在至少一个光传感器元件上方形成栅格。栅格具有多条交叉的栅格线，每条具有宽度w。栅格还具有多个开口中的位于对角方向上的两个相邻开口之间的对角栅格宽度w_d，该对角栅格宽度w_d的值大于√3w。在一些实施例中，形成栅格包括提供具有至少八条边的开口，以及提供栅格的开口的圆角。在另一个实施例中，形成栅格包括在微透镜和衬底上的至少一个光传感器元件之间形成多条交叉栅格线。在一些实施例中，形成栅格包括在半导体衬底上方形成由金属材料制成的交叉线。

上述内容仅示出了本发明的原理。因此，应该意识到，本领域的技术人员将能够设计各种布置，该布置虽然本文没有明确地描述或示出，但是体现本发明的原理且包括在本发明的精神和范围内。实施例可包括，但不限于，将光导栅格中的角变圆的设计方法，也可包括能够降低或阻挡上述的光学串扰的上述参数范围内的其他技术。

此外，本文引用的所有实例和条件语言主要仅用于教学目的且帮助理解本发明的原理和发明人提出的概念以促进本领域的进步，并且可理解为不限于这些特别引用的实例和条件。此外，本文中关于引用的原理、方面和实施例以及其具体实例的所有描述旨在包括其结构性和功能性的等效物。此外，这样的等效物包括已知的等效物也包括将来开发的等效物，即，除了结构外的可执行相同功能的开发的任何元件。

对于示例性实施例的描述旨在结合附图进行阅读，附图被认为是整个书面描述的一部分。在说明中，诸如“到”、“从”、“下面的”、“上面的”、、“水平的”、“垂直的“、“在...上面”、“在...下面”、“向上的”、“向下的”、“之前”、“之后”、“顶部”和“底部”以及其派生词（例如，“水平地”、“垂直地”、“向下地”、“向上地”等）的相对术语应该解释为是指随后所描述的或在论述的附图中所示的方位。这些附图可随意调整以便描述，并不要求装置按特定的方位装配或操作。除非另有明确说明，否则这些涉及“连接”，“耦合”等的术语（诸如“连接的”和“互连的”）是指彼此直接固定或连接或通过中间结构间接地固定或连接的结构之间的关系，以及两者可移动或固定的连接或关系。

虽然已经根据示例性实施例对本发明进行了描述，但本发明并不限于公开的实施例。相反地，所附权利要求应该作宽泛的解释，包括在不背离等效物的范围的情况下，本领域的技术人员可作出的其他变体和实施例。

Claims (10)

1.一种光导栅格，包括：

栅格结构，具有多条交叉栅格线以及用于交叉栅格线之间的光传感器元件的多个开口，每条栅格线都具有宽度w；

所述栅格结构具有所述多个开口中位于对角方向上的两个相邻开口之间的对角栅格宽度，所述对角栅格宽度的值大于约√3w。

2.根据权利要求1所述的光导栅格，其中，所述开口具有圆角。

3.根据权利要求1所述的光导栅格，其中，所述宽度w的值介于约0.1μm到1μm之间。

4.根据权利要求3所述的光导栅格，其中，所述栅格结构是八边形。

5.根据权利要求1所述的光导栅格，其中，所述光导栅格由金属制成。

6.一种图像传感器，包括：

滤色器；

微透镜，位于所述滤色器上方；以及

光导栅格，包括：

栅格结构，具有多条交叉栅格线，每条栅格线都具有宽度w，所述栅格结构具有用于所述交叉栅格线之间的光传感器元件的至少一个开口，所述开口与所述微透镜对准；

所述栅格结构具有所述多个开口中位于对角方向上的相邻开口之间的对角栅格宽度，所述对角栅格宽度的值大于约√3w。

7.一种制造具有光导栅格的图像传感器的方法，包括：

在衬底上形成至少一个光传感器元件；以及

在所述至少一个光传感器元件上方形成栅格，所述栅格具有形成开口的多条交叉栅格线，每条交叉栅格线都具有宽度w，所述栅格具有所述开口位于对角方向上的两个相邻开口之间的对角栅格宽度，所述对角栅格宽度的值大于约√3w。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，形成所述栅格的步骤包括提供具有至少8条边的开口、以及提供所述栅格的开口的圆角。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述栅格的形成步骤包括在微透镜和位于衬底上的所述至少一个光传感器元件之间形成所述多条交叉栅格线。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，形成所述栅格的步骤包括在半导体衬底上方形成由金属材料制成的交叉线。