CN111052385A - 图像传感器及其制造方法、芯片及手持装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种图像传感器，包括半导体衬底(102)和多个像素，其中所述多个像素中的每一像素包括：光敏传感器(104)，设置于所述半导体衬底；后端制程堆叠件(106)，设置于所述半导体衬底上，其中所述后端制程堆叠件包括：多个金属化层(M1～MT)；以及电容器顶部金属层(CTM)，设置于所述多个金属化层中的两连续金属化层之间，且所述电容器顶部金属具有多条金属栅线形成的偏光层(110)，覆盖于所述光敏传感器之上。本申请还公开了一种芯片、一种手持装置以及所述图像传感器的制造方法。
Description
技术领域
本申请涉及一种图像传感器及其制造方法、芯片及采用所述芯片的手持装置，尤其涉及一种具偏光层的图像传感器及图像传感器的制造方法、图像传感芯片及手持装置。
背景技术
CMOS图像传感器已经得到大规模生产和应用，举例来说，CMOS图像传感器可用于实现屏下光学指纹感测装置。
一般来说，屏下光学指纹感测装置设置在显示屏背面，当手指接触显示屏的正面，利用显示屏往正面发出的光线将指纹的资讯反射进入屏下光学指纹感测装置中的图像传感器，以判读指纹资讯。为了提高指纹资讯判读的准确度，减少屏下光学指纹感测装置所接收到的噪声已成为本领域的一个重要的工作项目。
发明内容
本申请的目的之一在于公开一种图像传感器及其制造方法、芯片及采用所述芯片的手持装置，来解决上述问题。
本申请的一实施例公开了一种图像传感器，包括半导体衬底和多个像素，其中所述多个像素中的每一像素包括：光敏传感器，设置于所述半导体衬底；后端制程堆叠件，设置于所述半导体衬底上，其中所述后端制程堆叠件包括：多个金属化层；以及电容器顶部金属层，设置于所述多个金属化层中的两连续金属化层之间，且所述电容器顶部金属具有多条金属栅线形成的偏光层，覆盖于所述光敏传感器之上。
本申请的一实施例公开了一种图像传感器制造方法，包括：提供半导体衬底；于所述半导体衬底形成光敏传感器；于所述半导体衬底上形成第一金属化层；于所述第一金属化层上的电容器顶部金属层中形成偏光层；以及于所述偏光层上形成第二金属化层。
本申请的一实施例公开了一种芯片，包括上述的图像传感器。
本申请的一实施例公开了一种手持装置，用以执行屏下光学指纹感测，包括：显示屏组件；以及上述的图像传感器，用以获得所述特定对象的指纹信息。
本申请实施例在图像传感器中增加了偏光层，可改善屏下光学指纹感测的精准度。
附图说明
图1为本申请的图像传感器的其中一个像素的实施例的剖面图；
图2为本申请的图像传感器的另一实施例的剖面图；
图3为本申请的图像传感器应用于手持装置中的实施例的示意图；
图4为图3的图像传感器的剖面图；
图5至图8为图1的图像传感器的实施例的俯视图；
图9至图12为本申请的图像传感器的多个像素的实施例的俯视图；图13至图16为图1所示的图像传感器的制造流程示意图。
其中，附图标记说明如下：
100、200 图像传感器
102 半导体衬底
104 光敏传感器
106 后端制程堆叠件
108 层间介电层
110 偏光层
112 光圈
114 微透镜
M1～MT 金属化层
CBM 电容器底部金属层
CTM 电容器顶部金属层
120 逻辑电路
122 晶体管
124 金属-绝缘体-金属电容器
126 电容下板
128 电容上板
130 通孔
132 通孔
208 显示屏组件
300 手持装置
201 第一侧
202 显示面板
203 第二侧
204 偏光片
206 保护盖板
210 手指
具体实施方式
以下揭示内容提供了多种实施方式或示例，其能用以实现本发明内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本发明内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本发明内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一与第二特征之间，而使得第一与第二特征可能没有直接接触。此外，本发明内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。
再者，在此处使用空间上相对的词汇，譬如「之下」、「下方」、「低于」、「之上」、「上方」及与其相似者，可能是为了方便说明图中所绘示的一组件或特征相对于另一或多个组件或特征之间的关系。这些空间上相对的词汇其本意除了图中所绘示的方位之外，还涵盖了装置在使用或操作中所处的多种不同方位。可能将所述设备放置于其他方位(如，旋转90度或处于其他方位)，而这些空间上相对的描述词汇就应该做相应的解释。
虽然用以界定本申请较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本申请所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者)均经过「约」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。
屏下光学指纹感测装置设置在显示屏背面，当手指接触显示屏的正面，利用显示屏往正面发出的光线将指纹的资讯反射进入屏下光学指纹感测装置中的图像传感器，以判读指纹资讯。由于部分显示屏发出的光线直接往背面进入屏下光学指纹感测装置的图像传感器形成漏光路径，产生散粒噪声(shot noise)，因此屏下光学指纹感测装置的图像传感器可设置有偏光层以过滤漏光。本申请利用金属-绝缘体-金属(MIM)电容器结构中的电容器顶部金属(CTM)来实现偏光层，以过滤漏光，增加判读指纹资讯时的准确度，其细节将描述如下。应注意的是，尽管本申请的图像传感器可改善屏下光学指纹感测装置的精准度，然而此用途并非本申请的限制，换句话说，本申请的图像传感器亦可应用在屏下光学指纹感测装置以外的其他场合。
图1为本申请的图像传感器的其中一个像素的实施例的剖面图。应注意的是，图像传感器100可包含多个像素，图1中的图像传感器100仅绘示了其中一个像素。在此实施例中，图像传感器100为正面照明(FSI)图像传感器100，包含半导体衬底102、后端制程(BEOL)堆叠件106以及微透镜114。其中半导体衬底102可以是块状半导体衬底，诸如体硅衬底或绝缘体上硅(SOI)衬底。光敏传感器104设置于半导体衬底102。后端制程堆叠件106被配置在图中半导体衬底102正面。微透镜114被配置在后端制程堆叠件106上，使后端制程堆叠件106在半导体衬底102和微透镜114之间。在某些实施例中，在微透镜114和后端制程堆叠件106之间，可另形成滤色器。
后端制程堆叠件106包括层间介电(ILD)层108，并且，后端制程堆叠件106从下(靠近半导体衬底102的一端)往上(靠进微透镜102的一端)包括堆叠在层间介电层内的金属化层M1～MT，其中T为金属化层的层数。层间介电层可以是低k电介质(即，介电常数小于约3.9的电介质)或氧化物。金属化层M1～MT可通过通孔相互电耦合并且可通过接触件电耦合至半导体衬底102。金属化层M1～MT、通孔和接触件例如可以是金属，诸如铝铜、锗、铜或一些其他金属。
在本实施例中，后端制程堆叠件106可实现金属-绝缘体-金属电容器结构工艺，即，后端制程堆叠件106的金属化层M1～MT的顶部两层金属化层MT-1以及金属化层MT中间又包括电容器顶部金属层CTM，且金属化层MT-1(又称电容器底部金属层(CBM))、电容器顶部金属层CTM以及金属化层MT-1和电容器顶部金属层CTM之间的层间介电层可共同形成金属-绝缘体-金属电容器结构，且电容器顶部金属层CTM和底部金属可耦接至金属化层MT。
然而，在本实施例中，金属化层MT-1、电容器顶部金属层CTM以及金属化层MT并不仅用来实现金属-绝缘体-金属电容器结构，而是借用电容器顶部金属层CTM来实现偏光层。如图1所示，电容器顶部金属层CTM可被图案化以具有多条金属栅线覆盖于光敏传感器104之上，以做为偏光层110之用。具体来说，依据偏光层110的设计，仅有特定方向的光线才能通过，因此电容器顶部金属层CTM实现的偏光层110可过滤掉非上述特定方向的光线，使从微透镜114进入图像传感器100的光线，会先经过偏光层110的多条金属栅线，过滤不具特定方向性的光线后，才进入光敏传感器104，而非所有经过微透镜102的光线都进入到光敏传感器106。
以一般半导体制造工艺规则来说，金属化层M1～MT中，越上层的金属化层的宽度被限制越粗，需要的间距也较大，越下层的金属化层的宽度可被允许较细，需要的间距也较小，因此使用较低层的金属化层可形成较细密的金属栅线，方可满足针对特定波长的偏光层的金属栅线的尺寸需求。但在较低层的金属化层实现偏光层时，因为需要在光敏传感器104的上方布满很高密度金属栅线，会造成相邻金属化层之间的密度差距过大，会对更上层的所有金属化层的平整度造成不好的影响。而电容器顶部金属层CTM和一般的金属化层M1～MT具有不同的半导体制造工艺规则，一般来说，电容器顶部金属层CTM位于最顶部两金属化层MT-1和MT之间，即最远离半导体衬底102的连续两金属化层，但却可允许具有较金属化层MT-1和MT更为细密的金属栅线，即电容器顶部金属层CTM中的金属栅线的宽度小于金属化层MT-1和MT中的金属线，可满足针对特定波长的偏光层的金属栅线的尺寸需求。除此之外，使用电容器顶部金属层CTM来形成金属栅线，最多仅会影响更上一层的金属化层MT，影响有限，因此较使用低层的金属化层更为有利。
在本实施例中，金属化层MT-1应尽量在微透镜114和光敏传感器104之间的路径经过处保持净空，即金属化层MT-1在光敏传感器104正下方的部位不设置金属图案，以避免遮蔽光线，举例来说，从俯视图来看，金属化层MT-1中不具有金属图案和光敏传感器104重叠。相似地，金属化层MT应尽量在微透镜114和光敏传感器104之间的路径经过处保持净空，即金属化层MT在光敏传感器104正下方的部位不设置金属图案，以避免遮蔽光线，然而，在某些实施例中，金属化层MT可用来作为光圈大小的控制，例如图案化金属化层MT以形成具有特定孔径的图案，调控光线进入的量，即在微透镜114和光敏传感器104之间形成光圈112，但本申请不以此为限，亦可单独实施利用电容器顶部金属层CTM的多条金属栅线构成偏光层110的结构。
图2为本申请的图像传感器的另一实施例的剖面图。图2的图像传感器200包括了图1的图像传感器100以及周边的逻辑电路120。图2仅为示意图，在某些实施例中，逻辑电路120和图像传感器100并不一定如图2所示紧邻设置，亦可间隔一段距离。逻辑电路120包括晶体管122设置于半导体衬底102。在后端制程堆叠件106中的金属化层M1～MT可用来将晶体管122和其他组件(如图像传感器100及/或其他未绘示出的晶体管)连接。逻辑电路120另包括金属-绝缘体-金属电容器124，具有电容下板126以及电容上板128，分别藉由通孔130和通孔132电耦合至金属化层MT。其中电容下板126设置在金属化层MT-1，而电容上板128设置在电容器顶部金属层CTM。
本申请还提供了一种芯片，可以适用于屏下光学指纹感测系统，其包括图像传感器100/200。本申请还提供了一种手持装置，图3为本申请的图像传感器应用于手持装置中的实施例的示意图，如图3所示，图像传感器100/200设置在手持装置300的显示屏组件208之下。手持装置300可用来执行屏下光学指纹感测。其中，手持装置300可为例如智能型手机、个人数字助理、手持式计算机系统或平板计算机等任何手持式电子装置。图4为图3的剖面图，应注意的是，尽管图3的图像传感器可以是图像传感器100或图像传感器200，但为简洁起见，图4的剖面图仅包括图像传感器100。由图4可知，显示屏组件208包括显示面板202、偏光片204以及保护盖板206，显示面板202具有第一侧201和相对于第一侧201的第二侧203，偏光片204设置于显示面板202的第二侧203，且图像传感器100/200设置于显示面板202的第一侧201，使显示面板11位于图像传感器100/200和偏光片204之间，在偏光片204之上，也就是显示屏组件208的最外层设置有保护盖板12，以直接接触手指210。
在本实施例中，显示面板202可以是一种有机电激发光显示面板(OLED)，但本申请不以此为限。当手持装置300进行指纹辨识时，显示面板202会发出光线提示使用者在显示屏组件208上按压指纹的位置，手指210接近/接触显示屏组件208的保护盖板206时，显示面板202发出的光线中，直接射向手指210的光线L1反射并进入偏光片204，偏光片204会过滤掉非特定方向的光线L1RNP，仅留下部分的光线L1RP进入图像传感器100，在此实施例中，偏光片204和偏光层110的多条金属栅线构成的偏光层具有匹配的特性，即偏光片204和偏光层110的多条金属栅线构成的偏光层具有相同的偏光特性，使能通过偏光片204的光线L1RP亦可通过偏光层110的多条金属栅线构成的偏光层。
此外，显示面板202发出的光线中，直接射向图像传感器100的光线L2称为漏光，漏光L2不经过偏光片204即进入图像传感器100，因此其中漏光L2中约有一半的光线L2NP无法通过偏光层110的多条金属栅线构成的偏光层，而仅有另一半的光线L2P可通过偏光层110的多条金属栅线构成的偏光层，大幅地降低了漏光L2对图像传感器100进行指纹辨识的干扰。
在某些实施例中，偏光片204和显示面板202之间可依需求另设置有四分之一波延迟器，且显示面板202和图像传感器100之间可依需求设置有对应上述四分之一波延迟器的另一四分之一波延迟器。又，在某些实施例中，显示面板202的第一侧201可设置有抗反射层(anti-reflection layer)及/或缓冲层。
图5为图1的图像传感器100的一实施例的俯视图。相反地，此时图1即为图5的图像传感器100沿剖面线A-A'得到的剖面图。图5中的图像传感器100的偏光层110的多条金属栅线构成的偏光层具垂直的栅状结构，多条金属栅线的长度相同，金属栅线的宽度为d1，且相邻金属栅线的中心线间距为d2，其中d2约等于两倍d1。
图6为图1的图像传感器100的另一实施例的俯视图。相反地，此时图1即为图6的图像传感器100沿剖面线A-A'得到的剖面图。图6中的图像传感器100的偏光层110的多条金属栅线构成的偏光层具垂直的栅状结构，金属栅线的宽度为d1，且相邻金属栅线的中心线间距为d2，其中d2约等于两倍d1。和图5不同的是，多条金属栅线的长度并不相同，而是依据微透镜114的形状和尺寸而设置。
图7为图1的图像传感器100的又另一实施例的俯视图。相反地，此时图1即为图7的图像传感器100沿剖面线A-A'得到的剖面图。图7中的图像传感器100的偏光层110的多条金属栅线构成的偏光层具45度角的栅状结构，多条金属栅线的长度相同，金属栅线的宽度为d1，且相邻金属栅线的中心线间距为d2，其中d2约等于两倍d1。
图8为图1的图像传感器100的又再另一实施例的俯视图。相反地，此时图1即为图8的图像传感器100沿剖面线A-A'得到的剖面图。图8中的图像传感器100的偏光层110的多条金属栅线构成的偏光层具45度角的栅状结构，金属栅线的宽度为d1，且相邻金属栅线的中心线间距为d2，其中d2约等于两倍d1。和图7不同的是，多条金属栅线的长度并不相同，而是依据微透镜114的形状和尺寸而设置。
图9为本申请的图像传感器的多个像素的实施例的俯视图。图9中的图像传感器绘示了四个图5的像素100；图10为本申请的图像传感器的多个像素的实施例的俯视图。图10中的图像传感器绘示了四个图6的像素100；图11为本申请的图像传感器的多个像素的实施例的俯视图。图11中的图像传感器绘示了四个图7的像素100；图12为本申请的图像传感器的多个像素的实施例的俯视图。图12中的图像传感器绘示了四个图8的像素100。应注意的是，实际上图像传感器可包含多于四个像素。且本申请的图像传感器的多个像素并不限于具有相同的金属栅线，在某些实施例中，图像传感器的多个像素可具有不同的金属栅线图案，如图5～图8的图像传感器100可混合设置而形成多个具不同金属栅线图案的像素。
图13至图16为图1的图像传感器100的制造流程。在图13中，首先得到半导体衬底102，且在半导体衬底102形成光敏传感器104。接着，在图14中，在半导体衬底102的正面上方设置后端制程堆叠件，包含堆叠在层间介电层内的金属化层M1～MT-1。举例来说，可以使用溅镀工艺，电镀工艺或蒸镀工艺来形成金属化层M1～MT-1。接着，如图15所示，在金属化层MT-1上，依据所欲设置的偏光特性来形成电容器顶部金属层CTM中的偏光层110。接着，如图16所示，在金属化层MT-1上，形成金属化层MT。最后，形成微透镜114，即可得到图1的图像传感器100。在某些实施例中，在微透镜114和后端制程堆叠件106之间，可另形成滤色器。
本申请利用金属-绝缘体-金属电容器结构中的电容器顶部金属来实现偏光层，以过滤漏光，增加判读指纹资讯时的准确度。
上文的叙述简要地提出了本申请某些实施例之特征，而使得本申请所属技术领域具有通常知识者能够更全面地理解本发明内容的多种态样。本申请所属技术领域具有通常知识者当可明了，其可轻易地利用本发明内容作为基础，来设计或更动其他工艺与结构，以实现与此处所述之实施方式相同的目的和/或达到相同的优点。本申请所属技术领域具有通常知识者应当明白，这些均等的实施方式仍属于本发明内容之精神与范围，且其可进行各种变更、替代与更动，而不会悖离本发明内容之精神与范围。
Claims (20)
1.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括半导体衬底和多个像素，其中所述多个像素中的每一像素包括：
光敏传感器，设置于所述半导体衬底；
后端制程堆叠件，设置于所述半导体衬底上，其中所述后端制程堆叠件包括：
多个金属化层；以及
电容器顶部金属层，设置于所述多个金属化层中的两连续金属化层之间，且所述电容器顶部金属具有多条金属栅线形成的偏光层，覆盖于所述光敏传感器之上。
2.如权利要求1所述的图像传感器，另包括微透镜，设置于所述后端制程堆叠件上，使所述后端制程堆叠件位于所述微透镜和所述半导体衬底之间。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述偏光层的多条金属栅线用来过滤掉非特定方向的光线。
4.如权利要求3所述的图像传感器，其中所述偏光层的多条金属栅线为平行设置。
5.如权利要求3所述的图像传感器，其中所述偏光层的多条金属栅线之间的间距相等。
6.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述两连续金属化层为所述多个金属化层中的最远离所述半导体衬底的两连续金属化层。
7.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述偏光层的多条金属栅线的宽度小于所述两连续金属化层中的金属线。
8.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述偏光层的多条金属栅线的长度彼此相同。
9.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述偏光层的多条金属栅线的长度依据微透镜的形状而设置。
10.如权利要求1所述的图像传感器，另包括：
逻辑电路，包括：
晶体管，设置于所述半导体衬底；以及
金属-绝缘体-金属电容器，设置后端制程堆叠件。
11.如权利要求10所述的图像传感器，其中所述金属-绝缘体-金属电容器包括：
电容下板，设置于所述两连续金属化层中靠近所述半导体衬底的金属化层；以及
电容上板，设置于所述电容器顶部金属层。
12.如权利要求11所述的图像传感器，其中所述电容下板以及所述电容上板耦接至所述两连续金属化层中远离所述半导体衬底的金属化层。
13.一种芯片，适用于屏下光学指纹感测系统，其特征在于，所述芯片包括：
如权利要求1-12中任一项所述的图像传感器。
14.一种手持装置，用以执行屏下光学指纹感测，其特征在于，包括：
显示屏组件；以及
如权利要求1-12中任一项所述的图像传感器，用以获得所述特定对象的指纹信息。
15.如权利要求14所述的手持装置，其中所述显示屏组件包括：
显示面板；以及
偏光片。
16.如权利要求15所述的手持装置，其中所述偏光片和所述偏光层具有相同的偏光特性。
17.如权利要求15所述的手持装置，其中所述显示屏组件另包括保护盖板。
18.一种图像传感器制造方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底；
于所述半导体衬底形成光敏传感器；
于所述半导体衬底上形成第一金属化层；
于所述第一金属化层上的电容器顶部金属层中形成偏光层；以及
于所述偏光层上形成第二金属化层。
19.如权利要求18所述的图像传感器制造方法，另包括：
于所述第二金属化层上形成微透镜。
20.如权利要求19所述的图像传感器制造方法，其中于所述第一金属化层上的所述电容器顶部金属层中形成所述偏光层包括：
于所述电容器顶部金属层中形成多条金属栅线。
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