CN108550599B - 具有掩埋光屏蔽件和垂直栅极的图像传感器 - Google Patents

具有掩埋光屏蔽件和垂直栅极的图像传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有掩埋光屏蔽件和垂直栅极的图像传感器。本发明公开了一种图像传感器中的像素(700)，该像素可包括被设置在一个基板中的光电探测器(708)和存储区域(712)，或者可包括被设置在一个基板(738)中的光电探测器和在另一基板(740)中的存储区域。掩埋光屏蔽件(710)被设置在光电探测器与存储区域之间。诸如浮接扩散区域的感测区域(716)可与存储区域相邻，其中掩埋光屏蔽件被设置在光电探测器与存储区域和感测区域之间。当光电探测器和存储区域被设置在独立基板中时，垂直栅极(714)可被形成为穿过掩埋光屏蔽件并且用于启动来自光电探测器和存储区域的电荷的转移。与垂直栅极相邻或者围绕该垂直栅极的转移通道(744)为电荷提供通道，以从光电探测器转移到存储区域。

Description

具有掩埋光屏蔽件和垂直栅极的图像传感器
本申请是国际申请日为2014年7月28日、国家申请号为201480044466.X、发明名称为“具有掩埋光屏蔽件和垂直栅极的图像传感器”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本专利合作条约专利申请要求于2013年8月5日提交的并且标题为“Image Sensorwith Buried Light Shield and Vertical Gate”的美国非临时专利申请13/959,362的优先权，其内容全文以引用方式并入本文。
技术领域
本发明整体涉及电子设备，并且更具体地涉及电子设备的图像传感器。
背景技术
相机和其他图像记录设备通常利用一个或多个图像传感器诸如电荷耦合器件(CCD)图像传感器或互补金属-氧化物-半导体(CMOS)图像传感器来捕获图像。通过将光转化为电信号来捕获图像。响应于光撞击到光电探测器，光电探测器阵列累积光生电荷(例如，电子)。由每个光电探测器累积的电荷量表示由光电探测器所接收的光的强度。在所有光电探测器中累积的电荷共同形成图像。
CMOS图像传感器可被配置为前照式(FSI)图像传感器或背照式(BSI)图像传感器。FSI图像传感器将一个或多个图案化金属层置于包括光电探测器阵列的基板上方。金属层包括信号线，该信号线将像素中的各个电子部件连接到位于阵列外部的运算电路和电源电路。然而，在由光电探测器检测到之前，FSI构型意味着光必须首先穿过金属层。在光穿过金属层时，该金属层通过反射一部分光来干扰光透射，这会减少光电探测器所检测到的光量。
BSI图像传感器将金属层和包含光电探测器阵列的基板颠倒位置，使得光电探测器阵列位于金属层上方。光可由光电探测器接收到而不必穿过金属层。因为光电探测器可检测到更多的入射光，所以利用BSI图像传感器可改善图像质量。
卷帘快门和全局快门为图像传感器用于捕获图像的两种不同方法。利用卷帘快门，图像传感器中的所有光电探测器不能同时捕获图像。相反，图像传感器的不同部分在不同时间点捕获图像。例如，一行中的所有光电探测器可在相同时间段内累积电荷以捕获图像，但是每行的累积时段在稍微不同的时刻开始和结束。例如，光电探测器的顶行可为开始累积电荷的第一行以及停止的第一行，其中开始时间和停止时间针对光电探测器的随后的每一行存在些许延迟。因为光电探测器的各行在稍微不同的时刻捕获图像，所以利用卷帘快门捕获的图像可能受到运动伪影诸如抖动、倾斜和部分曝光的影响。
利用全局快门，所有像素同时累积电荷。在全局快门操作期间，在从图像传感器被读出之前，光电探测器中的累积电荷同时被转移到位于像素中的存储区域。典型地，每次一行地从像素中读出电荷。因此，将电荷存储在存储区域中允许在从图像传感器读出存储区域中的电荷的同时光电探测器开始捕获下一个图像。
图1示出了根据现有技术的背照式CMOS全局快门图像传感器中的简化像素。像素100包括感测层102，该感测层包含光电探测器104和存储区域106。金属层108位于载体晶片110和感测层102之间。金属层108中的信号线被形成在电介质材料中，使得信号线彼此电隔离。微透镜116将光118聚集到光电探测器104上。层112中的光屏蔽件114被定位为将存储区域106与光118屏蔽，以避免存储区域106中的电荷累积。然而，存储区域106和光屏蔽件114之间的距离可为两微米到三微米或更大。这个距离意味着某些角度的光仍可撞击到存储区域并且使得不想要的电荷累积在存储区域106中。当在全局快门操作期间该光电探测器104中的累积的光生电荷被转移到存储区域106时，不想要的电荷被添加到光生电荷。不想要的附加电荷会造成图像伪影，并且可造成不准确的图像捕获或者不准确的成像场景表示。
发明内容
在一个方面，图像传感器中的至少一个像素可包括被设置在基板中的与基板的第一表面相邻的光电探测器以及被设置在基板中的与基板的第二表面相邻的存储区域。第二表面可与第一表面相对。例如，第一表面可为基板的背侧表面并且第二表面可为基板的前侧表面。掩埋光屏蔽件被设置在光电探测器与存储区域之间。感测区域诸如浮接扩散区域可与存储区域相邻，其中掩埋光屏蔽件被设置在光电探测器与存储区域和感测区域之间。
在另一方面，一种用于产生图像传感器中的像素的方法可包括在第一基板中提供与第一基板的第一表面相邻的光电探测器并且在第二基板中提供与第二基板的第二表面相邻的存储区域。第二表面为可与第一表面相对的表面。例如，第一表面可为第一基板的背表面并且第二表面可为第二基板的前表面。掩埋光屏蔽件被提供在第一基板和第二基板之间。
在另一方面，一种用于制造背照式图像传感器中的像素的方法可包括在第一基板的前侧表面上方形成掩埋光屏蔽件并且将第二基板附接到掩埋光屏蔽件的前侧表面。第一沟槽随后被形成为穿过第二基板并且穿过掩埋光屏蔽件。外延层形成在第一沟槽中。第二沟槽随后形成穿过外延层，以沿第一沟槽的侧壁产生外延材料的转移通道。利用导电材料来填充第二沟槽并且导电栅极被形成在所填充的沟槽上方。不准确沟槽和导电栅极形成像素中的垂直栅极。光电探测器被形成在第一半导体基板中并且存储区域被形成在第二半导体基板中。外延材料的转移通道为电荷提供通道，以从光电探测器转移到存储区域。
在另一方面，一种用于在基板中形成掩埋光屏蔽件的方法可包括在基板中形成注入区域并且将基板中的沟槽形成到注入区域。通过穿过沟槽移除注入区域来在基板中形成孔。利用材料来填充孔防止光透射穿过材料填充的孔。例如，可利用反光材料或吸光材料来填充孔。
并且在另一方面，背照式图像传感器中的至少一个像素可包括被设置在第一基板中的光管的第一级以及被设置在第二基板中的光电探测器。光电探测器可为光管的第二级。存储区域也被设置在第二基板中。存储节点可被设置为与第二基板的前侧表面相邻。光管的第一级将光导向到光电探测器而不导向到存储区域。
附图说明
参考以下附图更好地理解本发明的实施例。附图的元件不必相对于彼此成比例。如果可能的话，使用相同的参考数字来指定附图共有的相同特征部。
图1示出了根据现有技术的背照式图像传感器中的简化像素；
图2A示出了包括一个或多个相机的电子设备的前透视图；
图2B示出了图2A的电子设备的后透视图；
图3示出了图2的电子设备的简化框图；
图4示出了沿图2A中的线4-4截取的计算设备200的横截面视图；
图5示出了适合用作图像传感器302的图像传感器的一个实例的简化框图；
图6示出了适合用于背照式图像传感器中的全局快门像素的一个实例的简化示意图；
图7示出了适合用于背照式图像传感器中的具有掩埋光屏蔽件的全局快门像素的简化实例；
图8-图28示出了用于制造包括图7中所示的像素700的背照式图像传感器的示例性方法；
图29示出了适合用于背照式图像传感器中的具有掩埋光屏蔽件的全局快门像素的另一实例；
图30-图33示出了制造图29中所示的掩埋光屏蔽件2912的示例性方法；并且
图34示出了适合用于背照式图像传感器中的具有掩埋光屏蔽件的全局快门像素的另一实例。
具体实施方式
本文所述的实施例包括全局快门图像传感器，该全局快门图像传感器包括至少一个像素中的掩埋光屏蔽件，以屏蔽存储区域。在一个实施例中，存储区域被设置在基板中与基板的一个表面相邻，并且光电探测器被设置在基板中与基板的相对表面相邻。掩埋光屏蔽件被设置在光电探测器与存储区域之间。
在另一实施例中，光电探测器被设置为与第一基板的第一表面相邻并且存储区域与第二独立基板的第二表面相邻。第二表面为与第一表面相对的表面。例如，第一表面可为第一基板的背表面并且第二表面为第二基板的前表面。掩埋光屏蔽件被设置在第一基板和第二基板之间，使得掩埋光屏蔽件位于光电探测器与存储区域之间。垂直栅极被形成为穿过第二基板和掩埋光屏蔽件到达包含光电探测器的第一基板。与垂直栅极相邻或者围绕垂直栅极的转移通道为电荷提供通道，以从第一基板中的光电探测器转移到第二基板中的存储区域。
在一些实施例中，可使用光管来将光导向到光管光电探测器。经验孔的掩埋光屏蔽件可被形成在基板中。光管可与基板的背侧相邻并且延伸穿过掩埋光屏蔽件中的孔。光管光电探测器可操作地与光管连接。光管光电探测器可由低折射率材料形成，以将光限制在光管光电探测器的小区域中。存储区域可被设置为与光电探测器相邻。在一个实施例中，存储区域被形成在光电探测器中与基板的前侧表面相邻。
方向性术语诸如“顶部”、“底部”、“前部”、“后部”、“头部”、“尾部”等参考被描述的一个或多个附图的取向来使用。因为各个实施例中的部件可定位为各种不同取向，所以方向性术语仅用于示例性目的而非限制性目的。当结合图像传感器晶片、图像传感器裸片或对应图像传感器的各个层使用时，方向性术语意在被广义地解释，因此不应当被理解为排除一个或多个中间层或其他中间图像传感器特征部或元件的存在。因此，本文描述为被形成在另一层上或上方、被设置在另一层上或上方的给定层可通过一个或多个附加层与另一层分开。
现在参考图2A-图2B，其示出了包括一个或多个相机的电子设备的前透视图和后透视图。电子设备200包括第一相机202、第二相机204、外壳206、显示器210、输入/输出(I/O)构件208和用于一个或多个相机的闪关灯212或光源。电子设备200还可包括通常是计算设备或电子设备的一个或多个内部部件(未示出)，诸如例如一个或多个处理器、存储器部件、网络接口等。
在例示的实施例中，电子设备200被实现为智能电话。然而，其他实施例不限于这种构造。其他类型的计算设备或电子设备可包括一个或多个相机，包括但不限于上网本或膝上型计算机、平板电脑、数码相机、打印机、扫描仪、视频记录仪和复印机。
如图2A-图2B所示，外壳206可为电子设备206的内部部件形成外表面或部分外表面和保护性壳体，并可至少部分地围绕显示器210。外壳206可由可操作地连接在一起的一个或多个部件形成诸如前件和后件。另选地，外壳206可由可操作地连接到显示器210的单件形成。
I/O构件208可利用任何类型的输入构件或输出构件来实现。仅作为实例，I/O构件208可为开关、按钮、电容传感器或其他输入机构。I/O构件208允许用户与电子设备200进行交互。例如，I/O构件208可以是用于改变音量、返回到主屏幕等的按钮或开关。电子设备可包括一个或多个输入构件或输出构件，并且每个构件可具有单个I/O功能或多个I/O功能。
显示器210能够可操作地或可通信地连接到电子设备200。显示器210可利用任何类型的合适显示器来实现，诸如视网膜显示器或有源矩阵彩色液晶显示器。显示器210可为电子设备200提供视觉输出或用于接收至电子设备的用户输入。例如，显示器210可为可检测到一个或多个用户输入的多触摸电容式感测触摸屏。
电子设备200还可包括若干个内部部件。图3示出了电子设备200的简化框图的一个实例。电子设备可包括一个或多个处理器300、存储装置或存储器部件302、输入/输出接口304、电源306、以及传感器308，将逐一加以论述。
一个或多个处理器300可控制电子设备200的一些或所有操作。一个或多个处理器300可直接地或间接地与电子设备200的基本上所有部件进行通信。例如，一个或多个系统总线310或其他通信机构可提供一个或多个处理器300、相机202,204、显示器210、I/O构件304、或传感器308之间的通信。一个或多个处理器300可被实现为能够处理、接收或发送数据或指令的任何电子设备。例如，一个或多个处理器300可为微处理器、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)或多个此类设备的组合。如本文所述，术语“处理器”意在涵盖单个处理器或处理单元、多个处理器、多个处理单元或其他适当配置的计算元件。
存储器302可存储可由电子设备200使用的电子数据。例如，存储器302可存储电子数据或内容，诸如例如音频文件、文档文件、定时信号和图像数据。存储器302可被配置作为任何类型的存储器。仅作为实例，存储器302可被实现为随机存取存储器、只读存储器、闪存存储器、可移除存储器或任何组合中的其他类型的存储元件。
输入/输出接口304可从用户或一个或多个其他电子设备接收数据。此外，输入/输出接口304可方便向用户或其他电子设备发送数据。例如，在电子设备200是智能电话的实施例中，输入/输出接口304可从网络接收数据，或者可通过无线连接或有线连接来发送和传输电子信号。无线连接和有线连接的实例包括但不限于蜂窝网络、WiFi、蓝牙和以太网。在一个或多个实施例中，输入/输出接口304支持多种网络或通信机构。例如，输入/输出接口304可与蓝牙网络上的另一个设备配对以向其他设备传输信号，同时从WiFi或其他有线连接或无线连接接收信号。
电源306可利用能够向电子设备200提供能量的任何设备来实现。例如，电源306可为电池或将电子设备200连接到另一电源诸如壁装电源插座的连接缆线。
传感器308可利用任何类型的传感器来实现。传感器的实例包括但不限于音频传感器(例如，麦克风)、光传感器(例如，环境光传感器)、陀螺仪和加速度计。传感器308可用于向处理器300提供数据，该数据可用于增强或改变电子设备的功能。
如参考图2A和图2B所述，电子设备200包括一个或多个相机202,204，以及用于相机的任选的闪光灯212或光源。图4是沿图2A中的线4-4截取的相机202的简化截面图。尽管图4示出了第一相机202，但本领域技术人员将认识到，第二相机204可基本上类似于第一相机202。在一些实施例中，一个相机可包括全局快门构型的图像传感器，并且一个相机可包括卷帘快门构型的图像传感器。在其他实例中，一个相机可包括分辨率比其他相机中的图像传感器更高的图像传感器。
相机202,204包括与图像传感器402进行光通信的成像级400。成像级400可操作地连接到外壳206并定位在图像传感器402前方。成像级400可包括传统元件诸如透镜、滤波器、光圈和快门。成像级400将其视野内的光404导向、会聚或传输到图像传感器402。图像传感器402通过将入射光转化成电信号来捕获主题场景的一个或多个图像。
图像传感器402由支撑结构406支撑。支撑结构406可为基于半导体的材料，包括但不限于，硅、绝缘体上硅(SOI)技术、蓝宝石上硅(SOS)技术、掺杂半导体和未掺杂半导体、被形成在半导体基板上的外延层、被形成在半导体基板中的阱区域或掩埋层以及其他半导体结构。
成像级400或图像传感器402的各个元件可由处理器或存储器诸如图3中的处理器300提供的定时信号或其他信号控制。成像级400中的一些或所有元件可集成到单个部件中。另外，成像级400的一些或所有元件可与图像传感器402以及可能的话与电子设备200的一个或多个附加元件集成在一起，以形成相机模块。例如，在实施例中，处理器或存储器可与图像传感器402集成在一起。
现在参考图5，其示出了适合用作图像传感器402的图像传感器的一个实例的顶视图。图像传感器500可包括图像处理器502和成像区域504。成像区域504可被实现为包括像素506的像素阵列。在例示的实施例中，像素阵列按行和列布置来进行配置。然而，其他实施例不限于这种配置。像素阵列中的像素可被布置为任何合适的构型，诸如例如六边形构型。
成像区域504可通过一个或多个列线510来与列选择件508进行通信，并且可通过一个或多个行线514来与行选择件512进行通信。仅作为实例，行选择件512可包括为每个像素506产生行选择信号、转移信号和全局快门信号的电路。行选择信号、转移信号和全局快门信号可使用路由到每个像素的一个或多个行线传输到每个像素。行选择信号选择性地激活特定像素506或像素组，诸如某个行上的所有像素506。列选择件508选择性地接收从选择像素506或像素组(例如，具有特定列的所有像素)输出的数据。
行选择件512和/或列选择件508可与图像处理器502进行通信。图像处理器502可处理来自像素506的数据并向处理器300和/或电子设备200的其他部件提供该数据。应当指出，在一些实施例中，图像处理器502可被并入处理器300中或与其分开。
如前所述，图像传感器可使用全局快门来捕获图像。典型地，在结合(即，电荷累积)以移除像素中的任何残留电荷之前复位该像素。在结合时段期间，光收集针对所有像素精确地同时开始和结束。在结合时段的末尾，所有电荷同时被转移到图像传感器中的光屏蔽存储区域。光屏蔽件防止不想要的电荷在结合时段期间累积在存储区域中，并且还可防止在读出过程期间的电荷累积。
图6示出了适合用于背照式图像传感器中的全局快门像素的一个实例的简化示意图。像素600可包括光电探测器602、第一转移晶体管604、存储区域606、第二转移晶体管608、感测区域610、复位(RST)晶体管612、读出晶体管614、行选择(RS)晶体管616和防高光溢出晶体管618。存储区域606和感测区域610在示例性实施例中表示为电容器，这是因为存储区域606和感测区域610可各自临时存储从光电探测器602接收的电荷。如下所述，在电荷从光电探测器602转移之后，电荷可被存储在存储区域606中，直到第二转移晶体管608的栅极被脉冲调制。
第一转移晶体管604的一个端子连接到光电探测器602，而另一个端子连接到第二转移晶体管608的一个端子并且连接到存储区域606。第二转移晶体管608的另一个端子连接到感测区域610、复位晶体管612的一个端子以及读出晶体管614的栅极。复位晶体管612的另一个端子和读出晶体管614的一个端子连接到供电电压VDD。读出晶体管614的另一个端子连接到行选择晶体管616的一个端子。行选择晶体管616的另一个端子连接到输出线510。防高光溢出晶体管618的一个端子连接到光电探测器602，而另一个端子连接到供电电压VDD。
仅作为实例，在一个实施例中，光电探测器602被实现为光电二极管或固定光电二极管，感测区域606被实现为浮接扩散区域并且读出晶体管610实现为源极从动器晶体管。光电探测器602可为基于电子的光电二极管或基于孔的光电二极管。应当指出，如本文使用的术语光电探测器意在涵盖基本上任何类型的光子或光检测部件，诸如光电二极管、固定光电二极管、光电门或其他光敏区域。另外，本文所使用的术语存储区域和感测区域意在涵盖基本上任何类型的电荷存储区域。
本领域的技术人员将认识到在其他实施例中像素600可利用附加部件或不同部件来实现。例如，行选择晶体管可被省略并且脉冲调制的供电模式用于选择像素，感测区域可由多个光电探测器和转移晶体管共享或者复位晶体管和读出晶体管可由多个光电探测器、转移栅极和感测区域共享。除此之外或另选地，在其他实施例中可从像素中省略防高光溢出晶体管。
当要捕获图像时，针对像素阵列中的所有像素的结合时段开始，并且响应于入射光该光电探测器602累积光生电荷。当结合时段结束时，在图像传感器中的所有光电探测器602中的累积电荷通过利用全局快门信号(GS)脉冲调制第一转移晶体管604的栅极来同时转移到各个存储区域606。光电探测器602随后可开始累积电荷以捕获另一图像。当从像素中读出电荷时，存储区域606中的电荷可通过利用转移信号(TX)选择性地脉冲调制第二转移晶体管608的栅极被转移到感测区域610。
典型地，复位晶体管612用于在将电荷从存储区域606转移到感测区域610之前将感测区域610上的电压复位到预先确定的水平。当从像素读出电荷时，行选择晶体管的栅极被脉冲调制通过各个行选择线514以选择像素(或像素行)以用于读出。读出晶体管614感测感测区域610上的电压并且行选择晶体管616将电压传输到输出线510。输出线510连接到读出电路并且(可选地图像处理器)穿过输出线510和列选择件508。
典型地，光电探测器602对其可累积的电荷的数量具有限制。当累积的电荷的数量达到该限制或容量时，光电探测器饱和。在饱和后累积的任何附加电荷可从光电探测器溢出并且溅射到相邻光电探测器中。从光电探测器溢出的这种多余电荷已知为高光溢出。防高光溢出晶体管618可通过允许多余电荷从光电探测器602排出而防止高光溢出。防高光溢出晶体管618的栅极可被选择性地脉冲调制为使得防高光溢出晶体管618启用或导通并且提供电子路径，以用于多余电荷从光电探测器602排出。在一些实施例中，防高光溢出栅极还可用作光电探测器复位晶体管。在图像捕获之前，光电探测器602可被复位为已知电势。
在一些实施例中，图像捕获设备诸如相机可不包括透镜126上方的快门，因此图像传感器可以一直暴露于光。在这些实施例中，光电探测器可能不得不在拍摄期望图像之前被重置或耗尽。一旦来自光电探测器的电荷被耗尽，第一转移晶体管和第二转移晶体管的栅极和复位晶体管的栅极便截止，从而隔离光电探测器。光电探测器随后可开始结合过程并采集光生电荷。
现在参考图7，其示出了包括掩埋光屏蔽件的背照式图像传感器的全局快门像素的一个实例。像素700包括感测层702和金属层704。在例示的实施例中，感测层702为硅基板，但是在其他实施例中可使用不同类型的基板。如本文所使用的，术语“晶片”和“基板”可被理解为基于半导体的材料，包括但不限于，硅、绝缘体上硅(SOI)技术、蓝宝石上硅(SOS)技术、掺杂半导体和未掺杂半导体、被形成在半导体基板上的外延层阱区域或掩埋层以及其他半导体结构。
金属层704被定位在感测层702和载体晶片706之间。金属层704可包括晶体管和形成在电介质材料中的信号线路由件。感测层702可包括光电探测器708、掩埋光屏蔽件710、存储区域712、垂直栅极714和感测区域716。垂直栅极714被形成为从光电探测器708穿过掩埋光屏蔽件710到达金属层704中的接触垫718。垂直栅极714可用于复位光电探测器708以传输来自光电探测器708的电荷并且用于防高光溢出操作。垂直栅极714可由任何合适的导电材料诸如多晶硅制成。
在例示的实施例中，掩埋光屏蔽件710包括第一电介质层720、不透明屏蔽层722和第二电介质层724。仅作为实例，第一电介质层和第二电介质层可为氧化物层而不透明屏蔽层可为金属层诸如钨。在其他实施例中，可使用不同电介质和/或金属。除此之外或另选地，第一电介质层720和第二电介质层724可由相同电介质或不同电介质制成。
被设置在感测层702的背侧表面上方的是可选的防反射涂层(ARC)726。ARC层726可减小由于来自光电探测器708的表面的反射导致的入射光的损失。具有光屏蔽件730的第二金属层728被形成在ARC层726上方。光屏蔽件730可通过覆盖相邻光电探测器之间的区域来减小光串扰。
滤波器元件732可被设置在第二金属层728上方而微透镜734可被置于滤波器元件732上方。滤波器元件732为被设置在像素阵列中的所有像素上方的滤色器阵列的一部分。滤色器阵列为滤波器元件的镶嵌件，其中每个滤波器限制撞击到像素的光波长。光波长可受到颜色的限制。例如，一个滤波器元件可传输与红色相关联的光波长，另一滤色器元件可传输与绿色相关联的光波长，并且另一滤色器元件可传输与蓝色相关联的光波长。拜耳滤色器模式为包括红色滤波器元件、绿色滤波器元件和蓝色滤波器元件的已知滤色器阵列。其他滤色器阵列可滤除不同光波长。仅作为实例，滤色器阵列可包括青色滤波器元件、品红色滤波器元件和黄色滤波器元件。
掩埋光屏蔽件710将感测层702分成第一基板层738和第二基板层740。感测区域716、存储区域712和像素晶体管可位于第二基板层740中，而光电探测器708驻留在第一基板层738中。光电探测器708为晶体管源极，并且感测区域和存储区域为晶体管漏极。隔离沟槽742将光电探测器708与第一基板层738中的相邻光电探测器电隔离。当光736撞击到光电探测器时，电荷在光电探测器708中累积。掩埋光屏蔽件710防止不想要的电荷累积在存储区域712和感测区域716中。当垂直栅极714被脉冲调制时，光电探测器708中的累积电荷使用形成在垂直栅极714周围的转移通道744被转移到存储区域712。在例示的实施例中，转移通道744为电连接第一基板层738和第二基板层740的硅转移通道。转移通道744提供电路径，以用于光电探测器708和存储区域712之间的电荷转移。当栅极746被脉冲调制时，电荷从存储区域710转移到感测区域716。
图8-图28示出了制造包括图7中所示的像素700的背照式图像传感器的示例性方法。尽管仅结合一个像素的构造描述了该过程，但是本领域的技术人员将认识到该方法同时制造图像传感器中的所有像素。初始地，第一电介质层720被形成在第一半导体基板802的前侧表面800上方(图8)。第一电介质层例如可为被生长或沉积在第一基板802上的氧化物层。
不透明的屏蔽层722随后被形成在第一电介质层720的前侧表面900上方(图9)。不透明的屏蔽层722可为被沉积在第一电介质层上方的金属层。在一些实施例中，不透明的屏蔽层722可延伸跨越图像传感器或图像传感器的成像区域(例如，图4中的成像区域404)。其他实施例可使不透明的屏蔽层722图案化。不透明的屏蔽层可被图案化以从图像传感器的周围区域(与成像区域相邻的区域)移除不透明的屏蔽层。除此之外或另选地，不透明的屏蔽层722可从阵列像素凹进的栅极区域(例如，区域714和744)移除。
接下来，如图10所示，第二电介质层724被形成在不透明的屏蔽层722的前侧表面1000上方。与第一电介质层720一样，第二电介质层724可为被生长或沉积在不透明的屏蔽层722上方的氧化物层。在例示的实施例中，第一电介质层720、不透明的屏蔽层722和第二电介质层724的组合形成掩埋光屏蔽件710。
接下来，如图11所示，第二半导体基板1100以晶片形式粘接到第二电介质层724的前侧表面1102。第二半导体基板1100随后使用任何合适的技术来减薄(图12)。仅作为实例，第二半导体基板1100可使用任何组合中的研磨技术、抛光技术或蚀刻技术来减薄。减薄的第二半导体基板为图7所示的第二基板层740。
第二基板层740、第二电介质层724、不透明的屏蔽层722和第一电介质层720随后被蚀刻，以形成穿过层740,724,722,720到达第一基板802(图13)的沟槽1300。接下来，如图14所示，第三电介质层1400被形成在第二基板层740的前侧表面1402、沟槽1300的侧壁和沟槽1300的底表面上方。例如，保形氮化硅层可被沉积在像素的成像区域上方。覆盖沟槽1300的底表面的第三电介质层1400随后被移除并且可选择的外延层1600被生长在沟槽1300中(图15和图16)。外延层1600可被生长成如第二电介质层724一样高，或者具有部分在第二基板层740的厚度内的高度。
第三电介质层1400的在沟槽1300中暴露的部分随后被移除(图17)，并且外延层1600被生长为第二基板层740的前侧表面1402(图18)。外延层1600填充沟槽留下的孔，以使得横跨像素的宽度“W”(例如，水平方向)的第二基板层740的至少一部分连续且不间断。
第二基板层740的前侧表面1402上方的第三电介质层1400被移除(图19)，并且沟槽2000被形成为穿过外延层1600进入到第一基板802中(图20)。例如，外延层1600可被蚀刻以形成沟槽2000。形成沟槽2000，使得转移通道744将第三电介质层1400的剩余部分的侧壁排列成与沟槽2000相邻并且将第一基板802连接或接合到第二基板层740。
接下来，如图21所示，第四电介质层2100被形成在第二基板层740的前侧表面1402、沟槽2000的侧壁和沟槽2000的底表面上方。仅作为实例，栅极氧化物层可被生长在第二基板层740、沟槽2000的侧壁以及沟槽2000的底表面上方。导电材料2200随后被形成在第四电介质层2100的前侧表面2202上方并填充沟槽2000(图22)。导电材料被图案化，以在第四电介质层2100的前侧表面2202上形成接触垫718,2204。通过将导电材料结合到沟槽和接触垫718中来产生垂直栅极714。导电材料例如可为多晶硅。可使用任何合适的图案化过程来使导电材料图案化。例如，掩膜层可在像素上方形成并被图案化并且根据在掩膜层中的图案来移除导电材料。掩膜层可在图案化导电材料之后被移除。
感测区域716和存储区域712随后可被形成在第二基板层740中(图23)。除了产生感测区域716和存储区域712之外，可执行附加前端线(FEOL)过程。示例性FEOL过程包括但不限于浅沟槽隔离、P阱和N阱过程、用于其它晶体管的附加栅极处理、晶体管沟道和卤素植入、以及轻掺杂漏极(LDD)和源极/漏极注入。
可使用任何合适的方法来形成感测区域和存储区域。例如，另一掩膜层可在像素上方形成并被图案化，并且基于掩膜层中的图案，该相应n型掺杂物或p型掺杂物被注入到第二基板层740中，以产生感测区域和存储区域。掩膜层可在形成感测区域和存储区域之后被移除。其他实施例可采用不同的方式形成感测区域和存储区域。例如，感测区域和存储区域可通过将掺杂物扩散到第二基板层中来形成。
随后使用任何已知的方法来在第四电介质层2100的接触垫718,2204和前侧表面2400上方形成金属层704(图24)。也可执行其他后端线过程诸如接触过程、金属化过程、平面化过程和传导过程以及钝化过程。载体晶片706随后以晶片形式粘结到金属层704的前侧表面2500(图25)和减薄的第一基板802(图26)。注意，图26-图28示出了相对于图8-图25的像素取向旋转180度的像素。可使用任何组合的任何已知的技术诸如研磨技术、抛光技术或蚀刻技术来减薄第一基板802。减薄的第一基板成为感测层738。
随后可使用任何合适的方法从感测层738的背侧表面2700穿过感测层738到达感测层738的前侧表面2702来形成隔离沟槽742(图27)。例如，掩膜层可在感测层738的背侧表面2700上方形成并被图案化并且蚀刻感测层以产生隔离沟槽742。其他实施例可按不同的方式来隔离像素。例如，注入区域或电介质区域可用于将光电探测器彼此电隔离。
最后，如图28所示，使用本领域已知技术来形成ARC层726、具有光屏蔽件730的第二金属层728、滤波器元件732和微透镜734。
在制造过程的开始处，用于光电探测器的掺杂物可存在于基板802(预掺杂基板)中(例如，在图8)，或者在形成ARC层726之前用于光电探测器的掺杂物可被注入或扩散到感测层738中。当在形成ARC层726之前掺杂感测层738时，可执行低温掺杂物激活过程，而不会不利地影响已形成在晶片上的金属。
现在参考图29，其示出了适合用于背照式图像传感器中的具有掩埋光屏蔽件的全局快门像素的另一实例。像素2900包括感测层2902和金属层2904。感测层包括与感测层2902的前侧表面相邻的光电探测器2906、存储区域2908和感测区域2910。掩埋光屏蔽件2912被设置在感测层2902中位于光电探测器2906与存储区域2908之间。掩埋光屏蔽件2912可由吸光材料或阻光材料制成。例如，掩埋光屏蔽件2912可将光反射回到光电探测器2906中。
像素隔离区域2914将光电探测器2906与感测层2902中的相邻光电探测器电隔离。栅极2916在全局快门操作期间由全局快门信号脉冲调制，以将累积的电荷从光电探测器2906转移到存储区域2908。栅极2918可选择性地被脉冲调制，以将电荷从存储区域2908转移到感测区域2910。
图30-图33示出了制造图29中所示的掩埋光屏蔽件2912的示例性方法。适合的n型掺杂物或p型掺杂物可被注入到感测层2902中，以形成注入区域3000(图30)。感测层2902随后被蚀刻，以形成穿过感测层2902到达注入区域3000的沟槽3100(图31)。例如可通过干法蚀刻感测层2902来形成沟槽。
接下来，如图32所示，例如使用选择性湿法蚀刻通过沟槽3100移除注入区域3000。空的注入区域3000和沟槽在感测层2902中共同形成孔3200。孔3200随后被填充吸光材料或阻光材料，以形成掩埋光屏蔽件2912(图33)。在其他实施例中，孔3200可被填充折射率不同于感测层2902中的材料的折射率的材料。仅作为实例，可使用金属诸如铜、铝、钨和/或电介质(如氧化物、氮化物和空气)，因为这些材料的折射率不同于被包括在感测层2902中的硅或其他半导体材料的折射率。光将在具有不同折射率的材料之间的界面处反射。因此，可使用折射率差来将光反射远离存储区域2908。在一些实施例中，对吸光材料的使用与对具有不同折射率的材料的使用相结合，这是因为不同的折射率(即，光反射)可能未完全阻挡光。
在CMOS图像处理器的制造过程期间，可在任何合适的时间向孔填充阻光材料或吸光材料或具有不同折射率的材料。例如，一些材料可经受较高温度，使得可在制造过程中较早向孔填充这些材料。可使用不能经受较高温度的材料在制造过程的稍后阶段填充孔。
在其他实施例中，可使用光管来替代掩埋光屏蔽件，以将光导向远离存储区域。图34示出了适合用于背照式图像传感器中的全局快门像素3400的另一实例。微透镜734和滤色器层732被设置在第一基板3404的背侧表面3402上方。第一基板3404可为任何合适的电介质材料诸如氧化物。
光管3408的第一级3406被形成穿过第一基板3404来，以与光管的第二级3410相连。第二级3410可被设置在第二基板3412中。第二基板3412可为任何合适的电介质材料诸如氧化物。在例示的实施例中，第二级3410为被形成为比传统光电探测器窄的光电探测器。
存储区域3414被形成为与第二基板3412的前侧表面3416相邻。在一些实施例中，存储区域3414可驻留在光电探测器中诸如可驻留在相邻像素附近的光电探测器3410的周边。
第一级3406和光电探测器3410各自分别具有比第一基板3404和第二基板3412中的材料高的折射率。光管3408的第一级3406将从微透镜734和滤色器层732接收的光3418限制在光电探测器3410的表面上的较小区域。光管3408仅将光3418引导或导向到光电探测器3410中而不导向到存储区域3414中。当光电探测器3410中累积的电荷将被转移到存储区域3414时，栅极3420可由全局快门信号脉冲调制。
在一些实施例中，第一基板3404和第二基板3412为单个基板。在其他实施例中，光管3408的第一级3406和/或光管的第二级3410(即，光电探测器)可被形成为具有不同的形状或尺寸。除此之外或另选地，光电探测器可与光管的第二级3410分开。
已特别参考各个实施例的某些特征详细描述了各个实施例，但是应当理解，在不脱离本公开的实质和范围的情况下可进行各种改变和修改。例如，图7-图28的实施例包括在两个电介质层之间形成不透明层的掩埋光屏蔽件。其他实施例可使用绝缘体上硅(SOI)层作为掩埋光屏蔽件来替代不透明层722和电介质层720,724。另外地，本文的实施例被描述为具有掩埋光屏蔽件的背照式图像传感器。其他实施例可在前照式图像传感器中包括如结合图7、图29和图34所述的感测层。
即使本文描述了特定实施例，但是应当注意，本专利申请不限于这些实施例。具体地，也可在兼容的情况下在其他实施例中使用相对于一个实施例所述的任何特征。同样，可在兼容的情况下交换不同实施例的特征。

Claims (20)

1.一种图像传感器，包括：
第一基板层，包括：
光电探测器，所述光电探测器被设置在所述第一基板层的第一表面上；
第二基板层，包括：
存储区域，所述存储区域被设置成与所述第二基板层的第二表面相邻，所述第二表面与所述第一表面相对；
感测区域，所述感测区域被设置在所述第二基板层中；以及掩埋光屏蔽件，所述掩埋光屏蔽件被设置在所述第一基板层和所述第二基板层之间，其中所述掩埋光屏蔽件在所述存储区域和所述感测区域之上。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
垂直栅极，所述垂直栅极从所述第一基板层穿过所述掩埋光屏蔽件延伸到所述第二基板层；
转移通道，所述转移通道被设置为与所述垂直栅极相邻，所述转移通道能操作以为电荷提供从所述光电探测器转移到所述存储区域的通道；以及
在所述转移通道上方形成的电介质材料。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述转移通道包括硅转移通道。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述掩埋光屏蔽件包括被设置在第一电介质层和第二电介质层之间的不透明屏蔽层。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述掩埋光屏蔽件包括阻光材料或吸光材料中的一者。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述掩埋光屏蔽件包括折射率不同于所述第一基板层中的材料的折射率的材料。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述掩埋光屏蔽件包括绝缘体上硅层。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述图像传感器为背照式图像传感器，并且所述光电探测器与所述第一基板层的背侧表面相邻，且所述存储区域和所述感测区域与所述第二基板层的前侧表面相邻。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，还包括：
在所述第一基板层的背侧表面上方形成的防反射涂层；以及
在所述防反射涂层上方形成的至少一个光屏蔽件。
10.一种图像传感器，包括：
在基板中形成的感测层，所述感测层包括：
光电探测器；
存储区域；和
掩埋光屏蔽件，所述掩埋光屏蔽件被设置在所述光电探测器与所述存储区域之间；
附接到所述基板的金属层，所述金属层包括接触垫；
垂直栅极，所述垂直栅极从所述光电探测器穿过所述掩埋光屏蔽件延伸到所述接触垫；和
转移通道，所述转移通道被设置为与所述垂直栅极相邻，所述转移通道将所述光电探测器操作地连接至所述存储区域并且提供所述光电探测器和所述存储区域之间的电荷转移路径。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，还包括：在所述转移通道上方形成的电介质材料。
12.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述掩埋光屏蔽件将所述基板分为第一基板层和第二基板层，并且其中所述光电探测器被设置在所述第一基板层中并且所述存储区域被设置在所述第二基板层中。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，还包括感测区域，所述感测区域被设置在所述第二基板层中与所述存储区域相邻且在所述掩埋光屏蔽件下方。
14.根据权利要求13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，并且所述光电探测器与所述基板的背侧表面相邻且所述存储区域和所述感测区域与所述基板的前侧表面相邻。
15.根据权利要求14所述的图像传感器，还包括：
在所述基板的背侧表面上方形成的防反射涂层；以及
在所述防反射涂层上方形成的至少一个光屏蔽件。
16.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述掩埋光屏蔽件包括被设置在第一电介质层和第二电介质层之间的不透明屏蔽层。
17.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述掩埋光屏蔽件仅包括阻光材料或吸光材料中的一者。
18.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述掩埋光屏蔽件包括折射率不同于所述基板中的材料的折射率的材料。
19.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述掩埋光屏蔽件包括绝缘体上硅层。
20.根据权利要求10所述的图像传感器，还包括附接到所述金属层的载体晶片。
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