CN107195644A - 偏置深沟槽隔离 - Google Patents

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Abstract

本申请案涉及偏置深沟槽隔离。图像传感器包含安置在半导体材料中的多个光电二极管，及耦合到负电压源的穿半导体通孔。深沟槽隔离结构安置在所述多个光电二极管中的个别光电二极管之间以电且光学地隔离所述个别光电二极管。所述深沟槽隔离结构包含耦合到所述穿半导体通孔的导电材料，及安置在所述深沟槽隔离结构的侧壁上且介于所述半导体材料与所述导电材料之间的电介质材料。

Description

偏置深沟槽隔离
技术领域
本发明大体上涉及图像传感器，且更特定来说但不排它地，涉及偏置深沟槽隔离。
背景技术
图像传感器已变得无所不在。图像传感器在数码静态相机、蜂窝式电话、监控摄像机，以及医疗、汽车及其它应用中广泛使用。用以制造图像传感器的技术持续大幅进步。举例来说，对更高分辨率及更低功耗的需求已经促进这些装置的进一步微型化及集成。
像素串扰当前限制了半导体图像传感器装置的性能。理论上，图像传感器中的每一像素作为独立光子检测器操作。换句话说，一个像素中的电子/空穴含量不会溢出到相邻像素(或装置中的任何其它像素)。在真实图像传感器中，情况并非如此。电信号可从一个像素移动到另一像素。此串扰可增加白像素的数目、降低图像传感器灵敏度，并导致彩色信号混合。不幸的是，串扰的许多解决方案通常扩大了暗电流的影响或促成暗电流。暗电流与串扰的组合可造成明显的图像劣化。
已经采用许多技术来减轻串扰/暗电流的影响并增强图像传感器性能。这些技术中的一些包含使用重掺杂区域以隔离个别像素且采用获取后算法来减少图像噪声。然而，这两种方法仍然无法完全消除像素串扰及暗电流的影响。
发明内容
本发明提供一种图像传感器，其包括：多个光电二极管，其安置在半导体材料中；穿半导体通孔，其安置在所述半导体材料中且耦合到负电压源；及深沟槽隔离结构，其安置在所述多个光电二极管中的个别光电二极管之间以电且光学地隔离所述个别光电二极管，其中所述深沟槽隔离结构包含：导电材料，其耦合到所述穿半导体通孔及所述负电压源；及电介质材料，其安置在所述深沟槽隔离结构的侧壁上且介于所述半导体材料与所述导电材料之间。
本发明还提供一种成像系统，其包括：多个光电二极管，其安置在半导体材料中；深沟槽隔离结构，其安置在所述多个光电二极管中的个别光电二极管之间，其中所述深沟槽隔离结构包含电介质材料，及安置在所述电介质材料的中心的导电材料；及穿半导体通孔，其安置在所述半导体材料中且耦合到所述深沟槽隔离结构，其中所述穿半导体通孔耦合到负电压源，且其中所述负电压源响应于负电压的施加而在所述半导体材料中靠近所述深沟槽隔离结构处诱发正电荷积累。
本发明还提供一种电互连系统，其包括：多个深沟槽隔离结构，其安置在半导体材料中，其中所述多个深沟槽隔离结构包含电介质材料及导电材料，且其中所述电介质材料安置在所述导电材料与所述半导体材料之间；穿半导体通孔，其安置在所述半导体材料中且耦合到负电压源；光学屏蔽件，其安置成靠近所述半导体材料，其中所述光学屏蔽件利用金属互连件耦合到所述穿半导体通孔及所述多个深沟槽隔离结构。
附图说明
参考以下图式描述本发明的非限制及非详尽实例，其中相同元件符号贯穿各视图指
代相同部分，除非另有说明。
图1A是根据本发明的教示的实例图像传感器的说明。
图1B是根据本发明的教示的来自图1A的深沟槽隔离结构的放大视图。
图2说明根据本发明的教示的包含图1A的图像传感器的成像系统的一个实例。
图3是说明根据本发明的教示的图像传感器制造的方法的流程图。
对应的参考字符贯穿图式的若干视图指示对应组件。所属领域的技术人员应了解，图中的元件是出于简单且清楚的目的而说明，且不一定是按比例绘制。例如，图中一些元件的尺寸可能相对于其它元件而被夸大以帮助改进对本发明的各种实施例的理解。此外，为了更清楚地观察本发明的这些各种实施例，通常不描绘在商业可行的实施例中有用或必要的常见但好理解的元件。
具体实施方式
本文中描述了用于偏置深沟槽隔离的设备及方法的实例。在以下描述中，陈述众多特定细节以提供对实施例的详尽理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，可在没有所述具体细节中的一或多者的情况下实施或以其它方法、组件、材料等等实践本文中描述的技术。在其它实例中，未展示或详细描述众所周知的结构、材料或操作以避免模糊某些方面。
贯穿此说明书对“一个实例”、或“一个实施例”的参考意味着结合实例描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，在贯穿本说明书的各种地方出现短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”不一定都指代同一实例。此外，特定特征、结构或特性可在一或多个实例中以任何合适方式组合。
观察本说明书，使用若干技术术语。这些术语具有其所来源于的领域中的一般含义，除非本文中具体定义或其使用背景另有清楚指示。应注意，贯穿此文献，元件名称及符号可互换使用(例如，Si与硅)；然而，这两者均具有相同意义。
图1A是实例图像传感器100A的说明。图像传感器100A包含安置在半导体材料101中的多个光电二极管111，及安置在半导体材料101中的穿半导体通孔(TSV)103。TSV 103耦合到负电压源。深沟槽隔离结构安置在个别光电二极管111之间以电且光学地隔离光电二极管111。虽然因为图1A展示图像传感器100A的横截面视图而未描绘，但是深沟槽隔离结构以栅格状图案互连以隔离个别光电二极管111。深沟槽隔离结构包含导电材料113(如将所示，其耦合到穿半导体通孔103)，及安置在深沟槽隔离结构的侧壁上(介于半导体材料101与导电材料113之间)的电介质材料115。在一个实例中，电介质材料115包含氧化铪。在所描绘的实例中，导电材料113响应于从负电压源施加的负电压而在半导体材料101中诱发正电荷。在一个实例中，导电材料113包含钨。
如所示，图像传感器100A还包含安置在图像传感器100A的背侧上的光学屏蔽件107以及金属互连件105。第一金属互连件105从穿半导体通孔103延伸到光学屏蔽件107，且第二金属互连件105从光学屏蔽件107延伸到导电材料113。在一个实例中，光学屏蔽件107包含铝，且金属互连件105包含钨及/或铜。
还描绘了微透镜层151，其与多个光电二极管111光学地对准以将光引导到多个光电二极管111中。彩色滤光片阵列131安置在半导体材料101与微透镜层151之间。彩色滤光片阵列131可包含红色、绿色及蓝色滤光片，其可布置为拜耳图案、EXR图案、X转换图案等。然而，在不同或相同实例中，彩色滤光片阵列131可包含红外线滤光片、紫外线滤光片或隔离电磁频谱的不可见部分的其它滤光片。应注意，个别彩色滤光片131是由反射栅格133分离以帮助将光引导到光电二极管111中。此反射栅格133可与深沟槽隔离结构垂直地对准以促进光电二极管111中的光吸收。在一或多个实例中，反射栅格133连接到光学屏蔽件107。在一个实例中，反射栅格133及光学屏蔽件107可包含相同材料且可同时制造。
绝缘层121安置在半导体材料101与彩色滤光片阵列131之间。在所描绘的实例中，绝缘层121还跨半导体材料101的表面延伸到其中TSV 103连接到光学屏蔽件107的区域。此处，金属互连件105延伸穿过绝缘层121以接触光学屏蔽件107。在所描绘的实例中，第二绝缘层153安置在彩色滤光片阵列131与微透镜层151之间。第二绝缘层153可具有与绝缘层121相同或不同的材料成分。
逻辑晶片191(包含逻辑电路)耦合到半导体材料101。逻辑电路耦合到多个光电二极管111以控制多个光电二极管111的操作。如所描绘，结合界面181提供在半导体材料101与逻辑晶片191之间。穿半导体通孔103从半导体材料101延伸到结合界面181及逻辑晶片191中。虽然未描绘，但是TSV 103可填充有金属或其它导电材料。金属可安置在TSV 103的中心，而TSV 103的侧排有氧化物或其它绝缘材料以防止电流从TSV103流入半导体材料101中。
在所说明的实例中，图像传感器100A是背照式图像传感器。然而，在其它实例中，图像传感器100A可为前照式图像传感器。相关领域的技术人员可明白的是，背照式装置中的电路(例如。包含于逻辑晶片191中的电路)位于光电二极管后面使得电路不会阻断图像光。相反地，在前照式装置中，电路安置在光电二极管与入射图像光之间。
图1B是来自图1A的深沟槽隔离结构的放大视图(参见100B)。深沟槽隔离结构安置在多个光电二极管111中的个别光电二极管111之间。深沟槽隔离结构包含安置在深沟槽隔离结构的侧壁上的电介质材料115及安置在深沟槽隔离结构的中心的导电材料113。
深沟槽隔离结构耦合到穿半导体通孔(例如，TSV 103)，且TSV及深沟槽隔离结构均耦合到光学屏蔽件(例如，光学屏蔽件107)。穿半导体通孔耦合到负电压源，且负电压源在半导体材料101中靠近深沟槽隔离结构处诱发正电荷积累。如所描绘，当负电压施加于导电材料113时，正电荷积聚在半导体材料101与电介质材料115的界面处。电介质材料115与半导体材料101的界面处的正电荷可帮助减少光电二极管111之间的串扰，这是因为界面电压阻断半导体材料101中的表面状态之间的电荷传输。因此，防止来自半导体材料101的表面状态的电荷在图像传感器100A的背侧上的像素之间移动。这减轻了例如暗电流及白像素的非所需电影响。
如先前所讨论，电介质材料115可包含氧化铪(HfO2或HfOx)；然而，在其它实例中，电介质材料115可包含其它氧化物，例如：二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiOxNy)、氧化钽(Ta2O5)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化镧(La2O3)、氧化镨(Pr2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钷(Pm2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化铕(Eu2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化铽(Tb2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化钬(Ho2O3)、氧化铒(Er2O3)、氧化铥(Tm2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化镥(Lu2O3)、氧化钇等(Y2O3)等等。此外，相关领域的技术人员将认识到，根据本发明的教示，可在电介质材料115中采用上述金属/半导体及其氧化物/氮化物/氮氧化物的任何化学计量组合。
类似地，导电材料113可包含钨；然而，导电材料113还可包含例如以下项的金属：铜、金、钯、银、铝、铟、铅、镍、钛等。相关领域的技术人员将认识到，上述金属(及未列举的其它金属)的任何化学计量组合可用于形成导电材料113。
图2说明包含图1A的图像传感器的成像系统200的一个实例。成像系统200包含像素阵列205、控制电路221、读出电路211及功能逻辑215。在一个实例中，像素阵列205是光电二极管或图像传感器像素(例如，像素P1、P2…、Pn)的二维(2D)阵列。如所说明，光电二极管布置成行(例如，行R1到行Ry)及列(例如，C1到Cx)以获取人物、场所、对象等的图像数据，所述图像数据接着可用于再现所述人物、场所、对象等的2D图像。
在一个实例中，在像素阵列205中的每一图像传感器光电二极管/像素已获取其图像数据或图像电荷之后，图像数据由读出电路211读出且接着被转移到功能逻辑215。读出电路211可经耦合以从像素阵列205中的多个光电二极管读出图像数据。在各种实例中，读出电路211可包含放大电路、模/数转换(ADC)电路或其它。功能逻辑215可简单地存储图像数据或甚至通过施加后期图像效果(例如，剪裁、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵图像数据。在一个实例中，读出电路211可沿着读出列线一次读出一行图像数据(已说明)，或可使用例如串行读出或同时完全并行读出所有像素的多种其它技术(未说明)来读出所述图像数据。
在一个实例中，控制电路221耦合到像素阵列205以控制像素阵列205中的多个光电二极管的操作。例如，控制电路221可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中，所述快门信号为全局快门信号，其用于同时启用像素阵列205内的所有像素以在单个获取窗期间同时俘获其相应的图像数据。在另一实例中，所述快门信号为滚动快门信号，使得在连续获取窗期间循序地启用像素的每一行、每一列或每一群组。在另一实例中，图像采集与照明效果(例如闪光)同步。
在一个实例中，成像系统200可包含于数码相机、手机、膝上型计算机等中。此外，成像系统200可耦合到其它硬件，例如处理器、存储器元件、输出(USB端口、无线发射器、HDMI端口等等)、照明/闪光、电输入(键盘、触摸显示器、跟踪垫、鼠标、麦克风等等)和/或显示器。其它的硬件可将指令传送到成像系统200，从成像系统200提取图像数据或操纵由成像系统200供应的图像数据。
图3是说明图像传感器制造的方法300的流程图。一些或全部框出现在过程300中的顺序不应被视为具有限制性。而是，受益于本发明的所属领域的一般技术人员将理解，方法300中的一些可以未经说明的各种顺序执行，或甚至并行执行。此外，方法300可省略某些框以避免混淆某些方面。替代地，方法300可包含在本发明的一些实施例/实例中不一定需要的额外框。
框301说明提供半导体材料(例如，半导体材料101)及逻辑晶片(例如，逻辑晶片191)。在一个实例中，由结合界面(例如，结合界面181)将这两个组件结合在一起。在一个实例中，半导体材料及逻辑晶片均包含硅；然而，在另一实例中，半导体材料及逻辑晶片可包含锗、砷、镓等。在此处呈现的实例中，深沟槽隔离结构已经安置在半导体材料中。深沟槽隔离结构包含电介质材料(例如，电介质材料115)及导电材料(例如，导电材料113)，且电介质材料安置在导电材料与半导体材料之间。在一个实例中，可通过在半导体材料中蚀刻沟槽且接着用电介质材料回填沟槽且紧接着用导电材料回填沟槽来形成深沟槽隔离结构。
框311描述在半导体材料中形成穿半导体通孔(TSV)。在一个实例中，这涉及蚀刻穿过半导体材料的孔以接触安置在结合界面及逻辑晶片中的互连件。孔的蚀刻可取决于通孔的几何形状及所需蚀刻速率而由湿式或干式蚀刻实现。接着，可用绝缘材料(如二氧化硅等)回填所述孔。接着，在绝缘材料中蚀刻另一孔。接着，用导电材料(例如金属等)回填此新孔。绝缘材料防止电子从导电材料流动到半导体材料。
框321描绘蚀刻沟槽以接触TSV及深沟槽隔离结构。在框321之前，在装置的部分上沉积绝缘层(例如，绝缘层121或绝缘层153)。接着，将孔蚀刻到绝缘层中以接触TSV及深沟槽隔离结构。
框331说明用钨填充蚀刻在隔离层中的沟槽。虽然此处的钨是选择导电材料，但是在其它实例中，可使用许多其它金属及半导体。
框341描述将钨互连件连接到背侧光学屏蔽件。在一个实例中，光学屏蔽件与用于分离彩色滤光片阵列中的个别彩色滤光片的金属栅格的材料相同。金属栅格安置在彩色滤光片阵列中的个别彩色滤光片之间，且帮助防止光电二极管之间的串扰。使用光学屏蔽件(与金属栅格同时制造且连接到金属栅格)将穿半导体通孔连接到深沟槽隔离结构减少连接这两种装置架构另外需要的过程步骤的数目。在所描绘的实例中，金属栅格/光学屏蔽件可通过热蒸发沉积且可包含铝以增强其导电性。然而，在其它实例中，可使用导电性足够大的其它金属来形成金属栅格/光学屏蔽件。
虽然未描绘，但是一旦金属栅格形成，便可将彩色滤光片阵列沉积在金属栅格中。此外，微透镜可形成在彩色滤光片阵列上。微透镜可由图案化在彩色滤光片阵列的表面上的光活性聚合物制成。一旦聚合物的矩形块图案化在彩色滤光片阵列上，便可熔化(或回流)所述块以形成微透镜的穹顶状结构特性。
对本发明的所说明的实例的以上描述(包含在说明书摘要中描述的内容)不希望为穷举性的或将本发明限于所揭示的精确形式。如相关领域的技术人员将认识到，虽然本文中出于说明目的描述了本发明的特定实例，但是各种修改在本发明的范围内是可能的。
在以上详细描述的背景下可对本发明做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应被解释为将本发明限于说明书中揭示的特定实例。而是，本发明的范围应完全由根据沿用已久的权利要求解释规则来解释的所附权利要求书确定。

Claims (20)

1.一种图像传感器，其包括：
多个光电二极管，其安置在半导体材料中；
穿半导体通孔，其安置在所述半导体材料中且耦合到负电压源；及
深沟槽隔离结构，其安置在所述多个光电二极管中的个别光电二极管之间以电且光学地隔离所述个别光电二极管，其中所述深沟槽隔离结构包含：
导电材料，其耦合到所述穿半导体通孔及所述负电压源；及
电介质材料，其安置在所述深沟槽隔离结构的侧壁上且介于所述半导体材料与所述导电材料之间。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述图像传感器是背照式图像传感器，且其中所述导电材料包含钨或铜中的至少一者。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述导电材料响应于从所述负电压源施加于所述导电材料的负电压而在所述半导体材料中的所述个别光电二极管之间诱发正电荷。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括：
光学屏蔽件，其安置在所述图像传感器的背侧上；及
金属互连件，其中第一金属互连件在所述光学屏蔽件与所述穿半导体通孔之间从所述穿半导体通孔延伸，且其中第二金属互连件在所述光学屏蔽件与所述导电材料之间延伸。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中所述光学屏蔽件包含铝，且其中所述金属互连件包含钨或铜中的至少一者。
6.根据权利要求4所述的图像传感器，其进一步包括：
微透镜层，其包含与所述多个光电二极管光学地对准以将光引导到所述多个光电二极管中的微透镜；
彩色滤光片阵列，其安置在所述半导体材料与所述微透镜层之间；及
绝缘层，其安置在所述半导体材料与所述彩色滤光片阵列之间，其中所述金属互连件延伸穿过所述绝缘层。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括：
逻辑晶片，其包含逻辑电路，其中所述逻辑电路耦合到所述多个光电二极管以控制所述多个光电二极管的操作；及
结合界面，其安置在所述半导体材料与所述逻辑晶片之间，其中所述穿半导体通孔从所述半导体材料延伸到所述结合界面中。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述电介质材料包含氧化铪。
9.一种成像系统，其包括：
多个光电二极管，其安置在半导体材料中；
深沟槽隔离结构，其安置在所述多个光电二极管中的个别光电二极管之间，其中所述深沟槽隔离结构包含电介质材料，及安置在所述电介质材料的中心的导电材料；
及
穿半导体通孔，其安置在所述半导体材料中且耦合到所述深沟槽隔离结构，其中所述穿半导体通孔耦合到负电压源，且其中所述负电压源响应于负电压的施加而在所述半导体材料中靠近所述深沟槽隔离结构处诱发正电荷积累。
10.根据权利要求9所述的成像系统，其中所述电介质材料包含氧化铪，且所述导电材料包含钨或铜中的至少一者。
11.根据权利要求9所述的成像系统，其进一步包括安置成靠近所述半导体材料的光学屏蔽件，其中所述深沟槽隔离结构及所述穿半导体通孔耦合到所述光学屏蔽件。
12.根据权利要求11所述的成像系统，其中所述深沟槽隔离结构及所述穿半导体通孔通过金属互连件耦合到所述光学屏蔽件，其中第一金属互连件从所述穿半导体通孔延伸到所述光学屏蔽件，且第二金属互连件从所述光学屏蔽件延伸到所述深沟槽隔离结构。
13.根据权利要求9所述的成像系统，其进一步包括耦合到所述多个光电二极管的控制电路及读出电路，其中所述控制电路控制所述多个光电二极管的操作，且其中所述读出电路从所述多个光电二极管读出图像数据。
14.根据权利要求9所述的成像系统，其进一步包括：
微透镜层，其包含与所述多个光电二极管光学地对准的微透镜；及
彩色滤光片层，其安置在所述微透镜层与所述半导体材料之间。
15.一种电互连系统，其包括：
多个深沟槽隔离结构，其安置在半导体材料中，其中所述多个深沟槽隔离结构包含电介质材料及导电材料，且其中所述电介质材料安置在所述导电材料与所述半导体材料之间；
穿半导体通孔，其安置在所述半导体材料中且耦合到负电压源；
光学屏蔽件，其安置成靠近所述半导体材料，其中所述光学屏蔽件利用金属互连件耦合到所述穿半导体通孔及所述多个深沟槽隔离结构。
16.根据权利要求15所述的电互连系统，其中第一金属互连件从所述穿半导体通孔延伸到所述光学屏蔽件，且其中第二金属互连件从所述多个深沟槽隔离结构延伸到所述光学屏蔽件。
17.根据权利要求15所述的电互连系统，其中所述负电压源施加负电压于所述多个深沟槽隔离结构以在所述半导体材料中靠近所述多个深沟槽隔离结构处诱发正电荷积累。
18.根据权利要求15所述的电互连系统，其中所述导电材料包含钨，且所述电介质材料包含氧化铪。
19.根据权利要求15所述的电互连系统，其中所述金属互连件包含钨或铜中的至少一者，且所述光学屏蔽件包含铝。
20.根据权利要求15所述的电互连系统，其中所述电互连系统包含于背照式图像传感器中，所述背照式图像传感器包含安置在所述多个深沟槽隔离结构之间的多个光电二极管。
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