CN110707111A - 图像传感器 - Google Patents

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A·克罗彻瑞
D·里多
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Italian Semiconductor (clore 2) Co
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Abstract

本公开的各实施例涉及图像传感器。多光谱图像传感器包括半导体层和形成在半导体层内部和之上的多个像素。像素包括形成在半导体层的第一部分的内部和之上的第一类型的第一像素和形成在半导体层的第二部分的内部和之上的第二类型的第二像素。第一像素具有第一厚度，第一厚度限定在第一波长处谐振的竖直腔，并且第二像素具有不同于第一厚度的第二厚度。第二厚度限定在不同于第一波长的第二波长处谐振的竖直腔。

Description

图像传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年07月09日提交的法国专利申请号1856290的优先权，该申请通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及图像传感器领域。
背景技术
常规地，图像传感器包括半导体层，在其内部和之上形成多个像素。每个像素特别地包括形成在半导体层中的有源光敏区域(通常对应于光电二极管)，并且还可以包括形成在半导体层内部和之上的一个或多个控制晶体管。
在诸如彩色图像传感器的多光谱图像传感器中，每个像素常规包括布置在半导体层的被照射表面的一侧上的滤光元件，滤光元件与像素的光敏区域相对，能够将入射的辐照过滤，以仅向像素的光敏区域传送在对应于像素测量范围的像素特定的受限波长范围内接收的光辐射。换句话说，不同类型的像素，即具有不同测量波长范围的像素，基本上通过它们相应的滤光元件的性质而彼此不同。
常规地，多光谱图像传感器的像素的滤光元件通过有色树脂(例如有机树脂)形成。应当特别为每种像素类型提供一种特定树脂。这使得这种传感器的制造相对复杂，并且随着传感器像素的类型的数目的增加以及像素的横向尺寸变小，这更加严重。
发明内容
本公开涉及图像传感器领域。具体实施例涉及多光谱图像传感器，即，包括多个像素的传感器，其中不同类型的像素能够测量不同波长范围的光线。
实施例可以克服已知多光谱图像传感器的所有或一些缺点。
实施例提供了一种多光谱图像传感器，包括形成在半导体层内部和之上的多个像素。多个像素包括形成在半导体层的第一部分的内部和之上的至少一个第一类型的像素，第一类型的像素具有选定的第一厚度以限定在第一波长处谐振的竖直腔。在半导体层的第二部分的内部和之上形成至少一个第二类型的像素，第二类型的像素具有与所选定的第一厚度不同的第二厚度，以限定在不同于第一波长的第二波长处谐振的竖直腔。
根据实施例，第一像素包括形成在半导体层的第一部分中的第一有源光敏区域，并且第二像素包括形成在半导体层的第二部分中的第二有源光敏区域。
根据实施例，半导体层的第一部分和第二部分由竖直绝缘壁横向界定。
根据实施例，半导体层的正面和背面涂覆有绝缘材料，该绝缘材料具有小于半导体层的材料的折射率的折射率。
根据实施例，半导体层的第一部分和第二部分的正面基本共面。
根据实施例，半导体层的正面涂覆有绝缘层和金属层的堆叠，该绝缘层和金属层的堆叠具有形成在其中的传感器像素的互连的金属化。
根据实施例，传感器旨在被背面照射。
根据实施例，传感器包括形成在半导体层的部分的内部和之上的数目n(大于2)种不同的像素类型，不同的像素类型具有选定的不同厚度以限定在不同的波长处谐振的竖直腔。
根据实施例，n大于或等于4。
根据实施例，半导体层的第一部分和第二部分具有相同的横向尺寸。
根据实施例，半导体层的第一部分和第二部分具有不同的横向尺寸。
另一实施例提供了一种多光谱图像传感器，包括形成在半导体层内部和之上的多个像素，每个像素包括形成在半导体层的由外围绝缘壁横向界定的部分中的有源光敏区域，多个像素包括至少一个第一类型的像素(其中该像素的半导体层的部分具有选定的第一横向尺寸以限定在第一波长处谐振的横向腔)，和至少一个第二类型的像素(其中该像素的半导体层的部分具有不同于第一尺寸的第二横向尺寸，选择该第二横向尺寸以限定在不同于第一波长的第二波长处谐振的横向腔)。
根据实施例，每个像素包括布置在像素的半导体层的部分的背面上的衍射结构。
根据实施例，衍射结构由形成在像素的半导体层的部分中并且填充有折射率小于半导体层的材料的折射率的材料的腔形成。
根据实施例，传感器旨在被背面照射。
根据实施例，半导体层的正面涂覆有绝缘层和金属层的堆叠，绝缘层和金属层的堆叠具有形成在其中的传感器像素的互连的金属化。
根据实施例，外围绝缘壁由夹在由绝缘材料制成的两个壁之间的金属壁形成。
根据实施例，传感器包括形成在半导体层的部分的内部和之上的数目n(大于2)种不同的像素类型，不同的像素类型具有选定的不同的横向尺寸，以限定在不同波长处谐振的横向腔。
根据实施例，n大于或等于4。
根据实施例，第一类型和第二类型的像素的半导体层的部分具有基本相同的厚度。
根据实施例，第一类型和第二类型的像素的半导体层的部分具有不同的厚度。
将在以下结合附图的特定实施例的非限制性描述中详细讨论前述和其他特征和优点。
附图说明
图1是示意性地且部分地图示根据第一实施例的多光谱图像传感器的示例的截面图；
图2是示意性地示出根据第一实施例的图像传感器像素的示例的结构的截面图；
图3是示意性地图示根据第一实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图；
图4是示意性地图示根据第一实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图；
图5是示意性地图示根据第一实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图；
图6是示意性地图示根据第一实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图；
图7是示意性地图示根据第一实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图；
图8是示意性地图示根据第一实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图；
图9是示意性地图示根据第一实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图；
图10是示意性地且部分地图示根据第二实施例的多光谱图像传感器的示例的截面图；
图11是示意性地图示根据第二实施例的制造图像传感器的方法的示例的步骤的截面图；
图12是示意性地图示根据第二实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图；
图13是示意性地图示根据第二实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图；
图14是示意性地图示根据第二实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图；
图15是示意性地图示根据第二实施例的制造图像传感器的方法的另一步骤的截面图；
图16是示意性地和部分地图示根据第二实施例的图像传感器的备选实施例的截面图。
具体实施方式
在不同的附图中，相同的元件用相同的附图标记指定。特别地，不同实施例共有的结构和/或功能元件可以用相同的附图标记指定，并且可以具有相同的结构、尺寸和材料特性。
为清楚起见，仅示出了并且详细描述了对理解所描述的实施例有用的那些步骤和元件。特别地，在下文描述的示例中，未详细描述像素的内部结构，特别是有源光敏区域和可能的控制晶体管的内部结构，所描述的示例与所有或大多数已知的像素结构兼容，提供了基于本公开的指示进行的可能的调整，这些调整在本领域技术人员的能力范围内。
贯穿本公开内容，术语“连接”用于指示除了导体之外没有中间元件的电路元件之间的直接电连接，而术语“耦合”用于指示在电路元件之间的可以是直接的，也可以是经由一个或多个中间元件的电连接。
在以下描述中，当提及限定绝对位置(诸如术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等)或相对位置(诸如术语“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等)的术语，或提及限定方向的术语(诸如“水平”、“竖直”等)时，除非另有说明，否则指的是附图的定向，应当理解，实际上，所描述的传感器可以不同地定向。
本文使用的术语“约”、“基本上”和“近似”指示所讨论的值的正或负10％，优选正或负5％的公差。
图1是示意性地且部分地图示根据第一实施例的多光谱图像传感器的示例的截面图。
图1的传感器包括多个像素，其中不同类型的像素能够测量不同波长范围内的光辐射。在图1中，示出了不同类型的四个相邻像素P1、P2、P3和P4。更一般地，传感器的不同像素的数目可以是大于或等于2的任何数目，应当理解，所描述的实施例对于具有大量像素类型(例如，大于或等于4种、大于或等于5种，或大于或等于6种)的传感器特别有利。传感器可以包括每种类型的多个像素(例如，以行和列的阵列分布)，或者包括每种类型的单个像素(例如以形成光谱仪)。
图1的传感器例如以CMOS技术形成在半导体层101(例如，单晶硅层)的内部和周围。半导体层101包括前表面(在图1的定向中的它的上表面)以及与其前表面相对的后表面(在图1的定向中的它的下表面)，前表面涂覆有绝缘层和金属层的堆叠103，在其中具体地形成传感器组件的互连的各种金属化。图1的传感器是背面照射式传感器，即，它旨在照射在半导体层101的后表面上。
图1的传感器的像素中的每个包括半导体层101的一部分，该一部分由基本上沿着层101的整个高度在半导体层101中竖直延伸的外围绝缘壁105横向界定。作为示例，外围绝缘壁105由例如氧化硅的电绝缘材料制成。作为变型，壁105包括夹在两个由例如氧化硅制成的绝缘壁之间的例如由多晶硅制成的中心导电壁。中心导电壁可以被偏置以与半导体层101形成MOS电容器。作为变型，中心导电壁由例如钨的金属制成，这使得能够限制由每个像素接收的光并因此限制限制串扰现象，即，避免由传感器的像素接收的光子导致在相邻像素中生成电子-空穴对。作为示例，在俯视图中，外围绝缘壁105形成连续栅，其具有基本上等于传感器的像素阵列的尺寸的尺寸。
在每个像素中，在其内部和周围形成像素的半导体层101的部分包括例如对应于光电二极管的光敏有源区域。像素还可以包括在层101的前表面侧上形成在像素的半导体层部分101的内部和之上的一个或多个控制晶体管。
根据第一实施例的一个方面，在其内部和周围形成传感器的不同类型的像素的半导体层101的部分具有不同的厚度(在竖直方向上)。在其内部和周围形成相同类型的像素的半导体层101的部分具有基本相同的厚度。
更具体地，对于传感器的像素的每种类型，在其内部和周围形成所考虑的类型的像素的半导体层101的部分的厚度被选择为在所考虑类型的每个像素中限定竖直光学腔，该竖直光学腔在特定于所考虑的像素类型的一个或多个波长处谐振。换句话说，选择形成传感器像素的半导体层101的部分的厚度，使得相同类型的像素的竖直光学腔基本上在相同的波长处或在相同的多个波长处谐振，并且不同类型的像素的竖直光学腔在不同的波长处谐振。
应当注意，在每个像素中，使得在其内部和周围形成像素的半导体层101的部分限定竖直光学腔，半导体层101的所考虑部分的前表面和后表面对于在该部分内部传播的光线应当是反射性的。在图1的传感器中，这是通过以下事实获得的：半导体层101的前表面和后表面中的每个涂覆有(并且接触)绝缘材料的层，该绝缘材料的折射率小于层101的材料的折射率，例如，在层101由硅制成的情况下，绝缘材料是氧化硅。
在图1的示例中，半导体层101的前表面基本上是平坦的，即，在其内部和周围形成传感器像素的层101的部分的前表面基本上在同一平面中。然而，半导体层101的后表面是结构化的。更具体地，在其内部和周围形成传感器像素的层101的部分的后表面对于相同类型的像素基本上是平坦和共面的，并且对于不同类型的像素是非共面的平行平面。
在图1的示例中，每个像素还包括透明填充元件107，该透明填充元件107涂覆在其内部和周围形成像素的半导体层101的部分的后表面。填充元件107具有补偿传感器的不同类型的像素的层101的部分之间的厚度差异的功能。换句话说，对于传感器的每个像素，因为像素的层部分101的厚度是显著的，因此填充元件107的厚度都较小，并且反之亦然，使得传感器像素的填充元件107的后表面基本上在与半导体层101的前表面的平面平行的相同的平面上。像素的填充元件107全部由相同的材料制成，例如氧化硅。
在图1的示例中，在传感器的背面，像素的外围绝缘壁105与填充元件107的后表面齐平，以与填充元件107的后表面一起限定基本上平坦的连续表面。另外，在该示例中，例如由氧化硅制成的附加平坦化层109涂覆填充元件107的后表面和外围绝缘壁105的后表面。
在图1的示例中，每个像素还包括微透镜111，微透镜111布置在传感器的背侧，与像素的层101的部分相对，能够将入射光聚焦到像素的有源光敏区域。更具体地，在该示例中，微透镜111布置在平坦化层109的后表面上。
在操作中，在传感器的每个像素中，入射辐射经由微透镜111、平坦化层109和透明填充元件107传输到半导体层101中。在该示例中，涂覆半导体层101的后表面的传感器的元件对于所有传感器像素具有基本相同的频率响应。入射光通过半导体层101的后表面穿透到半导体层101中，然后在其前表面和后表面上交替反射。如此限定的竖直光学腔具有在传输到半导体层101的波长范围内的一个或多个谐振波长。这导致半导体层101在谐振波长处的一个或多个光吸收峰。因此，尽管宽范围的波长被传输到半导体层101，但是在每个像素的有源光敏区域中收集的光生电荷的量主要表示在像素的谐振波长处接收的光强度。因此，具有不同谐振波长的不同类型的像素测量在不同波长处的光强度。
应当注意，在图1的示例中，传感器像素都具有基本相同的横向尺寸。换句话说，在图1的传感器中，相同类型的像素全部相同或相似，并且不同类型的像素仅通过半导体层101的部分(在其内部和周围分别形成不同类型的像素)的厚度(并且因此通过它们相应的填充元件107的厚度)而彼此不同。
图1的实施例的优点在于它使得能够形成多光谱图像传感器，而不必在不同类型的像素(即，旨在测量不同波长范围内的光线)上形成由不同材料制成的滤光元件。
图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9是示意性地图示制造关于图1所描述的类型的多光谱图像传感器的方法的示例的步骤的截面图。应当注意，与图1的表示相比，竖直方向是颠倒的，即，在图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9的视图中，前表面对应于下表面，而后表面对应于上表面。另外，在图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9的示例中，为了简化，仅详细描述了两种不同类型的像素的形成，分别对应于图1的传感器的像素P1(在图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9的右手部分)和P2(在图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9的左手部分)。实际上，如果传感器包括相同类型的多个像素，则对于这种类型的所有像素同时形成特定于所考虑的像素类型的步骤。
图2示出了初始结构，其包括具有均匀厚度的半导体层101，在其内部和之上已经形成了针对传感器的每个像素的有源光敏区域，并且可能地，一个或多个像素控制晶体管(图中未详述)。互连堆叠103涂覆层101的前表面(在图2的定向中的下表面)。
形成图2的结构的过程可以例如从相对较厚的半导体衬底开始，例如，厚度大于100μm，之后有源光敏区域以及可能地传感器像素控制晶体管形成在衬底的前表面侧上的衬底的内侧和之上。然后，在衬底的前表面侧上形成互连堆叠103，之后，从其后表面对衬底减薄，以仅保持例如具有小于10μm的厚度的半导体层101。为了确保传感器的机械阻力，可以在半导体衬底减薄步骤之前将支撑柄(未示出)放置在互连堆叠103的前表面上。在该阶段，在其内部和周围形成不同传感器像素的半导体层101的部分不彼此绝缘。
图3图示了从半导体层101的后表面蚀刻竖直沟槽201的步骤，竖直沟槽201使在其内部和周围形成不同的传感器像素的半导体层101的部分彼此绝缘。在俯视图中，在传感器的每个像素中，在其内部和周围形成像素的半导体层101的部分完全被沟槽201包围。在本示例中，沟槽201跨半导体层101的整个厚度竖直延伸，并且在互连堆叠103的后表面的水平处中断。
图4图示了填充沟槽201以形成用于使传感器像素绝缘的竖直壁105的步骤。作为示例，沟槽201可以完全填充有例如氧化硅的绝缘材料。作为变型，仅沟槽的壁涂覆有例如氧化硅的绝缘材料，然后利用导电材料(例如多晶硅或诸如钨的金属)填充沟槽。在填充沟槽之前，可以在沟槽壁之上沉积例如由氮化硅制成的保护涂层。可以提供例如通过化学机械抛光(CMP)的平坦化的一个或多个步骤，使得外围绝缘壁105的后表面与半导体层101的后表面齐平。
作为变型，可以在形成互连堆叠103和从衬底后表面减薄衬底101之前，从衬底101的前表面实施蚀刻沟槽201(图3)和填充沟槽201(图4)的步骤。在这种情况下，沟槽201的深度可以被选择为基本上等于或大于减薄之后的衬底101的最终厚度，使得在减薄衬底101的步骤结束时，外围绝缘壁105与衬底101的后表面齐平。
图5图示了从位于像素P1的水平处的半导体层101的后表面减薄半导体层101的步骤。更具体地，在该步骤期间，在其内部和周围形成像素P1的半导体层101的部分从其后表面、在其整个表面上基本均匀地蚀刻，以获得目标厚度，使得能够形成在像素P1期望波长处谐振的腔。在该步骤期间，掩模(未示出)保护像素P2免受蚀刻，更一般地，保护与像素P1不同的类型的所有像素免受蚀刻。与像素P1相同类型的像素与像素P1同时被蚀刻。选择蚀刻方法以相对于外围绝缘壁105选择性地蚀刻半导体层101。因此，在图5的蚀刻步骤结束时，在像素P1中(并且可能在与像素P1相同类型的所有像素中)获得由绝缘壁105横向界定的凹槽203，凹槽203与半导体层101的后表面相对。
图6图示了利用填充元件107填充凹槽203的步骤，填充元件107由对于待测量的辐射透明的材料(例如氧化硅)制成。作为示例，填充材料在整个传感器的背面上沉积，其厚度足以填充凹槽203，之后提供例如通过化学机械抛光(CMP)的平坦化的步骤以去除多余的填充材料。在该步骤结束时，像素P1的填充元件107的后表面与外围绝缘壁105的后表面齐平，并且与像素P2中的半导体层101的后表面处于相同的水平。
图7图示了从位于像素P2的水平处的半导体层101的后表面减薄半导体层101的步骤。更具体地，在该步骤期间，在其内部和周围形成像素P2的半导体层101的部分从其后表面、在其整个表面上基本均匀地蚀刻，以获得目标厚度，使得能够形成在像素P2期望波长处谐振的腔。在该步骤期间，掩模(未示出)保护像素P1免受蚀刻，更一般地，保护与像素P2不同的类型的所有像素免受蚀刻。与像素P2相同类型的像素与像素P2同时被蚀刻。选择蚀刻方法以相对于外围绝缘壁105选择性地蚀刻半导体层101。因此，在图7的蚀刻步骤结束时，在像素P2中(并且可能在与像素P2相同类型的所有像素中)获得由绝缘壁105横向界定的凹槽205，凹槽205与半导体层101的后表面相对。
图8图示了利用填充元件107填充凹槽205的步骤，填充元件107由对于待测量的辐射透明的材料制成，例如由氧化硅制成。作为示例，填充材料在整个传感器的背面上跨足以填充凹槽203的厚度沉积，之后提供例如通过化学机械抛光(CMP)的平坦化的步骤以去除多余的填充材料。在该步骤结束时，像素P2的填充元件107的后表面与外围绝缘壁105的后表面齐平，并且与像素P1的填充元件107的后表面处于相同的水平。
通过每次根据每个像素类型期望的谐振波长来调整层101的蚀刻深度，图7和8的步骤可以重复与传感器包括的不同的像素类型一样多的次数。
图9图示了在前面的步骤结束时获得的结构的背面上沉积平坦化层109的后续步骤。层109例如是具有基本均匀厚度、在传感器的整个表面上延伸的连续层。图9还图示了在平坦化层109的后表面上形成微透镜111的步骤。作为示例，传感器每个像素包括一个微透镜111，微透镜111与像素的光敏区域相对布置。
图10是示意性地且部分地图示根据第二实施例的多光谱图像传感器的示例的截面图。应当注意，图10的传感器包括与图1的传感器共同的元件。在下文中，将不再描述共同的元件，并且将仅详细描述与图1的传感器的不同之处。
如在图1的示例中那样，图10的传感器包括多个像素，其中不同类型的像素能够测量不同波长范围内的光辐射。在图10中，示出了不同类型的四个相邻像素P1、P2、P3和P4。
图10的传感器与图1的传感器的不同之处在于，在图10的示例中，在其内部和周围形成传感器像素的半导体层101在所有传感器像素中具有基本相同的厚度。
如在图1的示例中那样，传感器像素中的每个包括半导体层101的一部分，该一部分由基本上沿着层101的整个高度在半导体层101中竖直延伸的外围绝缘壁105横向界定，在该部分中形成像素的有源光敏区域。
根据第二实施例的方面，在其中形成不同类型的像素的有源光敏区域的半导体层101的部分具有不同的横向尺寸(在水平方向上)。在其中形成相同类型的像素的有源光敏区域的半导体层101的部分具有基本相同的横向尺寸。应当注意，作为示例，这里的横向尺寸意指在像素的半导体层部分101具有圆形形状(在俯视图中)的情况下的直径，或在像素的半导体层101的部分具有正方形或矩形形状(在俯视图中)的情况下的宽度和/或长度。
更具体地，对于传感器的像素的每种类型，选择在其内部和周围形成所考虑的类型的像素的半导体层101的部分的横向尺寸，以在所考虑的类型的每个像素中限定竖直光学腔，该竖直光学腔在特定于所考虑的像素类型的一个或多个波长处谐振。换句话说，选择其中形成传感器像素的半导体层101的部分的横向尺寸，使得相同类型的像素的横向光学腔基本上在相同波长或在相同的多个波长处谐振，并且不同类型的像素的横向光学腔在不同的波长处谐振。
在图10的示例中，像素之间的间距，即传感器的两个相邻像素之间的中心距离，对于所有传感器像素基本相同。因此，为了在传感器的不同像素中限定具有不同的横向尺寸的半导体层101的部分，外围绝缘壁105的宽度是变化的。更具体地，在该示例中，在传感器的每个像素中，像素的外围绝缘壁105的宽度都较小，因为像素的层101的部分的横向尺寸较显著，并且反之亦然。
在图10的传感器中，每个像素在半导体层101的后表面上还包括衍射结构301，衍射结构301能够在光进入像素的半导体层101的部分时使光偏离，使得由像素接收的光的主要部分在像素的半导体层101的部分内沿基本水平的方向传播。衍射结构301例如包括在像素的半导体层101(在其后表面上)的部分中形成，并且填充有折射率不同于半导体层101的折射率的材料(例如，折射率小于半导体层101的折射率的材料，例如，在层101由硅制成的情况下的氧化硅)的单个或多个腔。
例如，衍射结构301的腔或多个腔的深度小于半导体层101的厚度的十分之一，例如，小于250nm的深度。在所示的示例中，在每个像素中，衍射结构301包括锥形或金字塔形状的单个腔，腔基本上布置在像素的中心，其底部与层101的后表面齐平并且其上部朝向层101的前表面。然而，所描述的实施例不限于这种特定形状。例如，衍射结构301在所有传感器像素中相同。
作为变型(未示出)，在每个像素中，半导体层101的后表面可以是基本平坦的，然后在层101的后表面之下的绝缘层109中形成衍射结构301。在这种情况下，衍射结构301可以包括形成在绝缘层109中并且填充有折射率不同于层109的折射率的材料(例如，折射率大于层109的折射率的材料，例如，多晶硅)的一个或多个腔。
应当注意，在每个像素中，为了在其内部和周围形成像素的半导体层101的部分限定谐振横向光学腔，半导体层101的所考虑的部分的侧面对在半导体层101的该部分的内部传播的光线应当是反射性的。在图10的传感器中，这是通过以下事实获得的：在每个像素中，像素的半导体层101的部分的侧表面中的每个都涂覆有绝缘材料的层，该绝缘材料的折射率小于层101的材料的折射率，例如，在层101由硅制成的情况下为氧化硅。如在图1的实施例中那样，外围绝缘壁可以包括例如金属的中心导电壁，有利于光的横向反射以及将光限制在光学腔内。
在图10的示例中，例如由氧化硅制成的附加平坦化层109涂覆传感器的背面，特别是半导体层101的部分的后表面和传感器像素的外围绝缘壁105的后表面。
在图10的示例中，每个像素还包括布置在传感器的背面上的微透镜111，微透镜111与像素的层101的部分相对，能够将入射光聚焦到像素的有源光敏区域。更具体地，在该示例中，微透镜111布置在平坦化层109的后表面上。
在操作中，在传感器的每个像素中，入射辐射经由微透镜111、平坦化层109和衍射结构301传输到半导体层101中。如在图1的示例中那样，涂覆半导体层101的后表面的传感器元件对于所有传感器像素具有基本相同的频率响应。
入射光从半导体层101的后表面穿透到半导体层101中，由衍射结构301偏离，然后在其侧表面上交替反射。如此限定的横向光学腔具有一个或多个谐振波长。这导致半导体层101在谐振波长处的一个或多个光吸收峰。因此，尽管宽范围的波长被传输到半导体层101，但是由每个像素测量的光生电荷的量主要表示在像素的谐振波长处接收的光强度。因此，具有不同谐振波长的不同类型的像素测量在不同波长处的光强度。
应当注意，在图10的示例中，相同类型的像素全部相同或相似，并且不同类型的像素仅通过半导体层101的部分(在其内部和周围分别形成不同类型的像素)的横向尺寸而彼此不同。
图10的实施例的优点在于它使得能够形成多光谱图像传感器，而不必在不同类型的像素(即，旨在测量不同波长范围内的光线)上形成由不同材料制成的滤光元件。
图11、图12、图13、图14和图15是示意性地图示制造关于图10描述的类型的多光谱图像传感器的方法的示例的步骤的截面图。应当注意，与图10的表示相比，竖直定向是颠倒的，即，在图11、图12、图13、图14和图15的视图中，前表面对应于下表面，后表面对应于上表面。另外，在图11、图12、图13、图14和图15的示例中，为了简化，仅详细描述了两种不同类型的像素的形成，分别对应于图10的传感器的像素P1(在图11至图15的右手部分)和P2(在图11至图15的左手部分)。
图11示出了与图2的结构相同或相似的初始结构。
图12图示了与图3的步骤类似的从半导体层101的后表面蚀刻竖直沟槽201的步骤，竖直沟槽201使在其内部和周围形成传感器的不同像素的半导体层101的部分彼此绝缘。与图3的步骤相比，主要区别在于，在图12的步骤中，沟槽201具有根据所考虑的像素类型而可变的宽度。
图13图示了与图4的步骤类似的填充沟槽201以形成传感器像素的竖直绝缘壁105的步骤。
图14图示了在每个像素中在像素的半导体层101的一部分的后表面上蚀刻一个或多个腔401，以形成像素的衍射输入结构301的步骤。
图15图示了在前面步骤结束时获得的结构的背面上沉积平坦化层109的后续步骤。层109例如是在整个传感器表面上延伸的连续层。在该示例中，平坦化层109的材料(例如，氧化硅)也填充腔401，从而形成衍射结构301。图15还图示了与图9的步骤类似的在平坦化层109的后表面上形成微透镜111的步骤。
图16是示意性且部分地图示图10的图像传感器的备选实施例的截面图。
图16的传感器与图10的传感器的不同之处主要在于，在图16的示例中，在每个像素中，包含像素的有源光敏区域的半导体层101的部分完全被特定于像素(并且不像图10的示例中那样由两个相邻像素共享)的外围绝缘壁105包围。换句话说，在该示例中，两个相邻像素的有源光敏区域被两个外围绝缘壁105横向分离，具有在两个外围绝缘壁105之间延伸的不包含有源光敏区域的半导体层101的部分501。作为示例，在俯视图中，区501形成连续网格，网格的尺寸基本上等于传感器的像素的阵列的尺寸，使传感器的不同像素彼此分离。
在图16的示例中，像素之间的间距，即传感器的两个相邻像素之间的中心距离，对于所有传感器像素基本相同。另外，外围绝缘壁105的宽度(在水平方向上)对于传感器的所有像素基本相同。因此，为了在传感器的不同像素中限定具有不同横向尺寸的半导体层101的部分，变化将像素分离的半导体层101的非有源部分501的宽度。更具体地，在传感器的每个像素中，层101的分离部分501的宽度都较小，因为包含像素的有源光敏区域的层101的部分的横向尺寸较大，并且反之亦然。
与图10的传感器相比，图16的传感器的优点在于传感器的所有外围绝缘壁105具有基本相同的宽度，这使得形成传感器更加容易。
已经描述了各种实施例和变型。本领域技术人员将理解，可以组合这些各种实施例和变型的某些特征，并且本领域技术人员将想到其他变型。特别地，可以组合第一实施例和第二实施例，即，可以提供包括诸如关于图1描述的布置成具有竖直谐振操作的像素，和诸如关于图10和图16描述的布置成具有横向谐振操作的不同类型的像素的图像传感器。可以特别地提供具有不同类型的像素的传感器，该像素既通过包含像素的有源光敏区域的半导体层101的部分的横向尺寸又通过其厚度彼此不同。
另外，所描述的实施例不限于本公开中提到的材料和尺寸的示例。
这些改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。因此，前面的描述仅是示例性的，而不旨在是限制性的。本发明仅受以下权利要求及其等同物限定。

Claims (21)

1.一种多光谱图像传感器，包括：
半导体层；以及
多个像素，形成在所述半导体层的内部和之上，所述多个像素包括形成在所述半导体层的第一部分的内部和之上的第一类型的第一像素、以及形成在所述半导体层的第二部分的内部和之上的第二类型的第二像素，其中所述第一像素具有第一厚度，所述第一厚度限定在第一波长处谐振的竖直腔，并且所述第二像素具有不同于所述第一厚度的第二厚度，所述第二厚度限定在不同于所述第一波长的第二波长处谐振的竖直腔。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一像素包括形成在所述半导体层的所述第一部分中的第一有源光敏区域，并且所述第二像素包括形成在所述半导体层的所述第二部分中的第二有源光敏区域。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中所述半导体层的所述第一部分和所述第二部分由绝缘壁横向界定。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中所述半导体层的前表面和后表面被涂覆有绝缘材料，所述绝缘材料具有小于所述半导体层的材料的折射率的折射率。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中所述半导体层的所述第一部分和所述第二部分的前表面基本共面。
6.根据权利要求5所述的传感器，还包括与所述半导体层的所述前表面相邻的绝缘层，所述绝缘层具有形成在其中的金属互连层。
7.根据权利要求5所述的传感器，其中所述传感器被配置为被背面照射。
8.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感器包括形成在所述半导体层中的部分半导体层的内部和之上的多于两种不同类型的像素，每种类型的像素具有选定的不同厚度，以限定在不同波长处谐振的竖直腔。
9.根据权利要求8所述的传感器，其中所述传感器包括四种或更多种不同类型的像素。
10.根据权利要求1所述的传感器，其中所述半导体层的所述第一部分和所述第二部分具有相同的横向尺寸。
11.根据权利要求1所述的传感器，其中所述半导体层的所述第一部分和所述第二部分具有不同的横向尺寸。
12.一种形成图像传感器的方法，所述方法包括：
在半导体衬底中蚀刻沟槽，以将所述半导体衬底的第一部分与所述半导体衬底的第二部分分离；
利用绝缘材料填充所述沟槽；
将所述半导体衬底的所述第一部分蚀刻到第一选定厚度；
在所述半导体衬底的所述第一部分的剩余部分之上形成第一填充材料区；
将所述半导体衬底的所述第二部分蚀刻到不同于所述第一选定厚度的第二选定厚度；
在所述半导体衬底的所述第一部分的剩余部分之上形成第二填充材料区；以及
在所述半导体衬底的所述第一部分和所述第二部分之上形成微透镜层。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述半导体衬底的所述第一部分包括形成所述图像传感器的第一像素的第一有源光敏区域，并且其中所述半导体衬底的所述第二部分包括形成所述图像传感器的第二像素的第二有源光敏区域。
14.根据权利要求12所述的方法，其中在蚀刻所述半导体衬底的所述第二部分之前形成所述第一填充材料区。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一部分和所述第二部分在所述半导体衬底的背面表面处被蚀刻，所述方法还包括在所述半导体衬底的正面表面之上形成多个互连区。
16.根据权利要求12所述的方法，其中在蚀刻所述半导体衬底的所述第一部分时，所述半导体衬底的所述第二部分被掩蔽。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述半导体衬底的所述第一部分和所述第二部分具有相同的横向尺寸。
18.一种多光谱传感器，包括：
半导体衬底，具有正面和背面；
多个互连层，在所述半导体衬底的所述正面处；
微透镜层，在所述半导体衬底的所述背面处；以及
多个光敏区域，在所述互连层与所述微透镜层之间的所述半导体衬底内，所述光敏区域中的每个光敏区域具有与待检测光的颜色相关联的厚度，其中所述多光谱传感器具有至少具有一定厚度的光敏区域，使得所述多光谱传感器能够检测至少四种不同颜色的光。
19.根据权利要求18所述的传感器，其中所述光敏区域通过绝缘壁被彼此分离。
20.根据权利要求18所述的传感器，其中所述半导体衬底的所述正面和所述背面被涂覆有绝缘材料，所述绝缘材料具有小于所述光敏区域的半导体材料的折射率的折射率。
21.根据权利要求18所述的传感器，其中所述光敏区域中的每个光敏区域具有相同的横向尺寸。
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