CN112786634A - 用于抑制光学串扰的柱结构 - Google Patents

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Abstract

本申请案涉及用于抑制光学串扰的柱结构。一种图像传感器包含布置成安置于半导体衬底中的像素阵列的行及列的多个光电二极管。所述像素阵列的个别光电二极管经配置以接收穿过所述半导体衬底的背侧的传入光。所述半导体衬底的前侧与所述背侧相对。多个深沟槽隔离DTI结构相对于所述光电二极管横向形成于所述半导体衬底的所述背侧上。所述多个DTI结构布置于邻近的光电二极管之间。多个柱结构从接近于所述背侧的金属栅格延伸且形成为接近于所述背侧并与所述DTI结构对准。

Description

用于抑制光学串扰的柱结构
技术领域
本发明一般来说涉及图像传感器的计数器的设计，且特定来说涉及抑制图像传感器中的串扰。
背景技术
图像传感器已变得无所不在。其广泛地用于数码静态相机、蜂窝式电话、安全相机以及医疗、汽车及其它应用中。用于制造图像传感器的技术不断快速地发展。举例来说，对较高图像传感器分辨率及较低功率消耗的需求促进了图像传感器的进一步小型化及向数字装置中的集成。
在增加图像传感器的分辨率时，光电二极管之间的间隔通常被减小，这导致较窄及较深光电二极管。这些更紧密包装的光电二极管更易于遭受因杂散光造成的光学噪声。举例来说，在照明目标光电二极管之后，传入光可朝向相邻的光电二极管反射，因此增加那些光电二极管的信号噪声水平。杂散光还可由从金属化层的光反射产生。
在一些应用中，光电二极管是从半导体裸片的半导体衬底的背侧被照明。由杂散光产生的噪声可针对背侧照明式光电二极管甚至更显著，这是因为其半导体区域较少受图像传感器的前侧处的电布线层遮蔽而更多地暴露于杂散光。因此，图像传感器的准确度及适用范围可受到限制。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种图像传感器，其包括：多个光电二极管，其布置成安置于半导体衬底中的像素阵列的行及列，其中所述像素阵列的个别光电二极管经配置以接收穿过所述半导体衬底的背侧的传入光，其中所述半导体衬底的前侧与所述背侧相对；多个深沟槽隔离(DTI)结构，其相对于所述光电二极管横向形成于所述半导体衬底的所述背侧上，其中所述多个DTI结构布置于邻近的光电二极管之间；及多个柱结构，其从接近于所述背侧的金属栅格延伸且与所述DTI结构对准。
本发明的另一方面涉及一种用于制造图像传感器的方法，其包括：提供半导体衬底，其中所述半导体衬底具有背侧及与所述背侧相对的前侧；在所述半导体衬底中形成光电二极管；接近于所述半导体衬底的所述背侧形成深沟槽隔离(DTI)结构；接近于所述DTI结构形成缓冲氧化物层，所述缓冲氧化物层具有面对所述DTI结构的第一侧及背对所述第一侧的第二侧；蚀刻所述缓冲氧化物层以形成至少部分地与所述DTI结构对准的多个开口；形成金属层，所述金属层具有面对所述缓冲氧化物层的所述第二侧的第一表面及背对所述第一表面的第二表面；蚀刻所述金属层，其中所述经蚀刻金属层形成金属栅格与从所述金属栅格朝向对应DTI结构延伸的柱结构；及形成多个彩色滤波器，其中所述彩色滤波器至少部分地嵌入到所述金属栅格中。
附图说明
参考以下图描述本发明的非限制性及非穷尽性实施例，其中除非另有规定，否则遍及各个视图，相似参考编号是指相似部件。
图1是根据本发明技术的实施例的实例图像传感器的图式。
图2是根据本发明技术的实施例的实例像素的横截面图。
图3A是图2中所展示的图像传感器的像素响应的实例曲线图。
图3B是图2中所展示的图像传感器的光学噪声的实例曲线图。
图4展示根据本发明技术的实施例的实例柱结构的横截面图。
图5展示根据本发明技术的实施例的实例图像传感器的俯视平面图。
图6A到6C是根据本发明技术的实施例的图像传感器上的不同位置处的光电二极管的实例横截面。
图7是根据本发明技术的实施例的图像传感器上的柱位置的实例曲线图。
图8A到8E是根据本发明技术的实施例的图像传感器的制造步骤的横截面图。
图9是根据本发明技术的实施例的另一实例图像传感器的横截面图。
图10展示根据本发明技术的实施例的实例图像传感器的俯视平面图。
图11A及11B是图10中所展示的图像传感器的量子效率(QE)的实例曲线图。
遍及图式的数个视图，对应参考字符指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是为简单及清晰起见而图解说明的，且未必按比例绘制。举例来说，为帮助改进对本发明的各种实施例的理解，各图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件而被放大。而且，通常不描绘商业上可行的实施例中有用或必需的常见而众所周知的元件以便促进对本发明的这些各种实施例的较不受阻碍的观看。
具体实施方式
本发明揭示图像传感器，且特定来说具有经减小光学串扰的图像传感器。在以下说明中，陈述特定细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关技术领域的技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在不具有所述特定细节中的一或多者的情况下实践或者可利用其它方法、组件、材料等来实践。在其它例子中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。
在本说明书通篇中对“一个实例”或“一个实施例”的提及意指结合所述实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，在本说明书通篇的各个地方中短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”的出现未必全部指代同一实例。此外，在一或多个实例中可以任何适合方式组合所述特定特征、结构或特性。
本文中可出于容易描述目的而使用空间相对术语(例如“下方”、“下面”、“下部”、“底下”、“上面”、“上部”等)来描述一个元件或特征与另一(些)元件或特征的关系，如在各图中所图解说明。将理解，除图中描绘的定向外，所述空间相对术语还打算涵盖装置在使用或操作时的不同定向。举例来说，如果翻转各图中的装置，那么描述为在其它元件或特征“下面”或“下方”或“底下”的元件那时将定向为在其它元件或特征“上面”。因此，示范性术语“下面”及“底下”可涵盖上面及下面的定向两者。装置可以其它方式定向(旋转90°或处于其它定向)且相应地解释本文中所使用的空间相对描述语。另外，还将理解，当将层称为位于两个层“之间”时，其可为两个层之间的仅有的层，或者还可存在一或多个介入层。
遍及本说明书，使用数个技术术语。这些术语将呈现其在其所属领域中的普通含义，除非本文中另外具体定义或其使用的上下文将另外清晰地暗示。应注意，在本文件中，元件名称及符号可互换使用(例如，Si与硅)；然而，其两者具有相同含义。
简短地，根据本发明技术的教示的实例针对对光学串扰(也称为杂散光、沟道间噪声及/或沟道间串扰)具有经改进抗扰度的光电二极管(也称为沟道或像素)。背侧照明式光电二极管可经受从金属化物反射的杂散光或者作为经反射光或经透射光穿过相邻的像素到达的杂散光。当图像传感器包含大光电二极管及小光电二极管两者时，小光电二极管通常因其较低饱和水平而对光学串扰更敏感。
在一些实施例中，深沟槽隔离(DTI)结构形成于光电二极管的半导体材料中以将光朝向光电二极管引导，因此减小光电二极管之间的电串扰及光学串扰。在一些实施例中，形成柱结构(其还可称为T柱或T形柱)且与DTI结构对准。这些柱结构可为杂散光的路径中的障碍物，因此限制照明光电二极管的杂散光的强度。在一些实施例中，柱结构可突出到DTI结构中。在不同实施例中，取决于光电二极管在图像传感器内的相对位置(例如，光电二极管在像素阵列的中心、光电二极管在中心的水平左侧、光电二极管在中心的垂直右侧等)，柱结构可具有相对于其对应DTI结构的不同对准。
图1是根据本发明技术的实施例的实例图像传感器10的图式。图像传感器10包含布置成像素阵列12的行(R)及列(C)的像素11。当将图像传感器10曝光时，个别像素11获取某些电压值。在每一像素已获取其电压值之后，图像数据由读出电路14读出，且然后传送到功能逻辑18。
个别像素(P1到Pn)的电压值可由读出电路14捕获。举例来说，控制电路16可确定像素阵列12的特定行Ri来与读出电路14耦合。在捕获行Ri中的像素值之后，控制电路16可将行Ri+1与读出电路14耦合，且过程重复直到列中的所有像素11的电压值被捕获为止。在其它实施例中，读出电路14可使用各种其它技术(图1中未图解说明)(例如串行读出或所有像素11同时全并行读出)来读出图像数据。在不同实施例中，读出电路14可包含放大电路、模/数转换(ADC)电路或其它电路。在一些实施例中，像素值由功能逻辑18处理。举例来说，此处理可包含图像处理、图像滤波、图像提取及操纵、光强度判定等。
图2是实例图像传感器的实例像素的横截面图。为了简单起见，图解说明两个光电二极管34a及34b，但在其它实施例中，像素阵列12可包含较大数目个光电二极管34a及34b，其中光电二极管34a具有相对于光电二极管34b的全阱容量较小的全阱容量。换句话说，与光电二极管34a相比，光电二极管34b可具有较大容量且存储较多光生电荷。在一些实例中，大光电二极管34b具有比相邻的小光电二极管34a的爆光区大的爆光区。在一些实施例中，光电二极管34a及34b可以使得光电二极管34a(称为小光电二极管)安置成接近于光电二极管34b(称为大光电二极管)的方式布置。在一些实施例中，一个光电二极管34a(例如，小光电二极管)布置成由两个或更多个光电二极管34b(例如，大光电二极管)环绕。在一些实施例中，光电二极管34a、34b可为形成于半导体材料50中的n型光电二极管，其中半导体材料50是硅衬底或P型硅衬底。然而，在其它实施例中，极性可反转，举例来说，光电二极管34a、34b可为形成于n型半导体材料(衬底)50中的p型光电二极管。
在一些实施例中，小光电二极管34a形成为挨着大光电二极管34b。在所描绘实例中，光电二极管34a及光电二极管34b是穿过对应微透镜(ML)22a、22b及对应彩色滤波器24a、24b穿过图像传感器的背侧54被照明。在操作中，微透镜22a、22b将光朝向其对应彩色滤波器24a、24b且进一步朝向相应光电二极管34a、34b引导(折射)。在其它实例中，应了解，光电二极管34a及34b可穿过半导体衬底50的前侧52被照明。半导体衬底50的前侧52与半导体衬底50的背侧54相对。多个深沟槽隔离(DTI)结构32可形成于邻近的光电二极管34a、34b之间以例如减小相邻的光电二极管34a、34b之间的光学串扰或电串扰。在某一实施例中，多个DTI结构32共同形成半导体衬底50的背侧54上的深沟槽隔离栅格，因此将邻近的光电二极管34a、34b光学且电隔离。多个DTI结构32形成于半导体衬底50的背侧54上。DTI结构32中的每一者经配置以从背侧54朝向前侧52延伸到半导体衬底50中。在一个实例中，DTI结构32中的每一者经布置以从半导体衬底50的背侧54向半导体衬底50中延伸大约0.15um到0.2um深。这些DTI结构32可形成有衬里30，衬里30限制DTI材料向半导体衬底50中扩散。在一些实施例中，衬里30可沉积于半导体衬底50的背侧表面上及DTI结构32中的每一者的沟槽结构中。衬里30可包含具有大于3.9的介电常数的高k材料或介电材料。这些DTI结构32可回填有DTI材料(例如，氧化硅)以提供邻近的光电二极管34a、34b之间的电隔离。
在一些实施例中，彩色滤波器24a、24b形成为接近于衬底50的背侧54。在一些实施例中，平面化层形成于彩色滤波器24a、24b与半导体衬底50的背侧54之间。在一些实施例中，缓冲氧化物层可形成于彩色滤波器24a、24b与半导体衬底50的背侧54之间以减小半导体衬底50的表面应力。
在操作中，彩色滤波器24a、24b选择性地将一波长带(色彩)内的光分别朝向其对应光电二极管34a、34b传递。在一些实施例中，彩色滤波器24a、24b至少部分地由金属栅格80环绕。发光二极管(LED)闪烁减弱(LFR)层26(也称为光衰减层)可安置于小光电二极管34a上方在彩色滤波器24a与金属栅格80之间。在操作中，LFR层26可限制照明小光电二极管34a的光的强度，因此减小在积分周期期间小光电二极管34a的光电二极管饱和的可能性。LFR层26可为例如由钛(Ti)、氮化钛(TiN)或其组合形成的薄金属膜。如此，大光电二极管34b对入射光具有较高敏感度且因此可用于较低光强度感测。另一方面，与大光电二极管34b相比，小光电二极管34a具有对高强度光较不敏感的较小曝光区，且因此用于较高光强度感测。通过在像素阵列12中利用大光电二极管34b及小光电二极管34a两者，可针对图像传感器10实现HDR成像感测。
通常，较小光电二极管(即，具有小全阱容量的光电二极管(例如，光电二极管34a))比较大光电二极管更快地(即，比具有较大全阱容量的光电二极管(例如，光电二极管34b)更快地)饱和。因此，在一些实施例中，彩色滤波器24a包含用于使传入光衰减的光衰减层26。然而，当小光电二极管34a的彩色滤波器24a包含限制去往小光电二极管34a的传入光的LFR层26时，因例如杂散光62造成的非所要光学串扰可变得甚至相对更显著。
在操作中，光电二极管34a、34b响应于入射传入光而光生电荷。在一些实施例中，入射传入光可在到达对应光电二极管34a或34b之前被引导穿过包含微透镜(ML)22a或22b、由金属栅格80环绕的彩色滤波器24a或24b及缓冲氧化物层28的垂直堆叠。彩色滤波器24a、24b可使不同波长带(色彩)内的光(例如红色、蓝色、绿色、可见光等)通过。所图解说明垂直堆叠操作以对传入光进行滤波且将所述光朝向相应光电二极管34a、34b引导。当经滤波光到达光电二极管34a、34b时，会以适当间隔光生对应电荷，所述对应电荷然后由读出电路(例如，图1的读出电路14)从像素阵列12读出。DTI结构32限制光电二极管34a、34b之间的光学串扰。然而，从相邻的大光电二极管34b的彩色滤波器24b穿过金属栅格80与半导体衬底50之间的缓冲氧化物28进入(以角度α)的非所要光学串扰(例如，光射线62)仍可使小光电二极管34a饱和。下文参考图3A及3B进一步描述小光电二极管对光学串扰的敏感度。
图3A是来自图2中所展示的图像传感器的像素响应的实例曲线图。水平轴展示光进入小光电二极管34a(例如，绿色、蓝色及红色)的角度。垂直轴展示以百分比为单位的像素响应。由微透镜引导且由彩色滤波器滤波而朝向相应大光电二极管的传入光可由于相对大入射角α而照明相邻的小光电二极管。因此，小光电二极管34a可因来自名义上引导到相邻的大光电二极管34b的光的光学串扰而饱和。来自相邻的大光电二极管34b的甚至相对少量的串扰可显著影响小光电二极管34a的响应。举例来说，在+/-50°的传入角α下，小像素对杂散光(即，串扰)的响应变得与相同像素对具有0°的传入角的入射光(即，直接垂直地进入小像素中的光)的响应相当。换种方式说，串扰的量值可变得与相同像素的经设计响应相当。在许多实施例中，此串扰量值是非所要的。
图3B是图2中所展示的图像传感器的光学噪声的实例曲线图。所图解说明圆形图周围的数字标示入射传入光的方位角(例如，角度α)，而右侧的垂直条指示光学噪声的强度。在所图解说明实施例中，传入光处于可见光谱(从约400nm到约700nm)内。圆圈区带42图解说明对应于花瓣形耀斑的较高光强度光学噪声。在许多实施例中，取决于区带42的强度，花瓣形耀斑可解释为小光电二极管34a因来自相邻的大光电二极管34b的微透镜及/或彩色滤波器的光学串扰而饱和。
图4展示根据本发明技术的实施例的实例柱结构81的横截面图。所图解说明的柱结构81中的每一者可从对应金属栅格80穿过缓冲氧化物28且朝向DTI结构32延伸。在一些实施例中，所图解说明的柱结构81中的每一者可从相应金属栅格80穿过缓冲氧化物28且向DTI结构32中延伸第一深度。如所展示，柱结构81形成为接近于图像传感器的背侧54且包含衬里82(也称为扩散阻障)，衬里82防止或减少柱结构81的材料(例如，金属)向缓冲氧化物28中及向半导体材料50中扩散。在一个实例中，金属栅格80中的每一者与相应柱结构81组合地形成T形状，其中较窄柱结构81部分朝向DTI结构32中延伸(或延伸到第一深度)，如所展示。换句话说，柱结构81的横向尺寸比对应金属栅格80的横向尺寸窄，如所展示。在另一实例中，注意，如果金属栅格80与柱结构81具有相同横向尺寸且因此形成I形状，那么在金属栅格80因自然线上过程变化而未对准的情况下存在柱结构81内部的金属材料可能被蚀除的经增加风险，这可造成缺陷或对柱结构81的损坏。在一些实施例中，第一深度经配置为小于或等于50nm或0.05um。每一柱结构81的延伸第一深度经配置使得当金属栅格80在过程期间移位例如以补偿主射线角时，对应柱结构81不会对半导体材料中的衬里层30及附近硅区域(例如，光电二极管区域)造成损坏(例如，金属污染)。
在操作中，光电二极管34a、34b是穿过背侧54及穿过ML 22a、22b被照明。穿过彩色滤波器24b的光20照射到柱结构81(其还可称为T柱，如图4中所图解说明)上，且朝向大光电二极管34b反射回去。因此，在操作中，柱结构81将光20拘限到既定大光电二极管34b上，因此防止或至少减小对小光电二极管34a的串扰污染。反之亦然，柱结构81也限制从穿过彩色滤波器24a既定用于小光电二极管34a的光造成的对大光电二极管34b的串扰污染。然而，在许多实际情境中，应了解，对小光电二极管34a的串扰污染是比对大光电二极管34b的串扰污染更显著的问题。
在一些实施例中，柱结构81包含例如金属材料(例如钨(W)、铝(Al)、铜(Cu)等)，或例如多晶硅等材料。在一些实施例中，柱结构81具有为钛(Ti)或氮化钛(TiN)的衬里82。一般来说，柱结构81的厚度及材料经选择以通过反射或吸收传入光而最小化对传入光的透射。在一个实施例中，柱结构81具有0.09um的宽度，且向DTI结构32中延伸0.015um。在一些实施例中，柱结构81与对应DTI结构32的衬里间隔开。在图4中所展示的实例中，柱结构81与DTI结构32之间存在横向距离w(例如，每侧0.015um)。DTI结构可为0.12um深。在其它实施例中，柱结构81的衬里82与对应DTI结构32的衬里30间隔开。在又一些实施例中，柱结构81的衬里82可与DTI结构32的衬里30接触。
在图4中所描绘的实例中，注意，所图解说明的柱结构81相对于其对应DTI结构32居中。在其它实施例中，柱结构81可具有相对于其对应DTI结构32的不同对准，这取决于在图像传感器内的光电二极管34a、34b上的相对位置，如下文关于图5到9所解释。
为了图解说明，图5展示根据本发明技术的实施例的实例图像传感器10的俯视平面图。图像传感器10包含布置成形成像素阵列(例如图1的像素阵列12)的行及列的像素11。光电二极管在图像传感器10的像素阵列内的数个实例位置在图5中标示为“阵列中心”、“垂直右侧”、“垂直左侧”、“水平右侧”及“水平左侧”。一般来说，与图像传感器10具有有限距离的光源以不同角度照明不同位置的像素11。因此，在一些实施例中，根据本发明技术的教示，柱结构81可跨越像素阵列12具有相对于其对应DTI结构的不同对准。
图6A到6C是根据本发明技术的实施例的图像传感器的像素阵列12中的不同位置处的光电二极管的实例横截面。在一些实施例中，ML与DTI结构的相对位置可基于CRA及光电二极管34a、34b在像素阵列12内的位置而移位。从图6C开始，柱结构81从金属栅格80延伸。柱结构81对应于位于接近于像素阵列12的外围处的右边缘处的像素，即，图6C可对应于相对于图5中所展示的阵列中心位于最右侧区域中的像素。为了改进小光电二极管34a对传入光20的捕获并同时减小从大像素110b进入小光电二极管34a中的光学串扰量，柱结构81可如所图解说明向DTI结构32的右侧(即，朝向相邻的小光电二极管34a)横向偏移。在一个实例中，入射传入光20c由柱结构81朝向大光电二极管34a反射回去。在一个实例中，传入光20的一部分可被形成于彩色滤波器24a、24b之间的金属栅格80吸收或反射。因此，所图解说明的柱结构81的中心线CP可移动到DTI结构32的中心线CDTI的右侧。因此，柱结构81的衬里82接触DTI结构32的衬里30，且光20穿过彩色滤波器24a的原本将照射到小光电二极管34a上的较少比例由柱结构81朝向大光电二极管34b反射回去。在一些实施例中，柱结构81形成有衬里82，衬里82限制柱结构81的材料向半导体衬底50中扩散以防止金属污染。衬里82还可称为扩散阻障层，且在一个实例中，衬里82可由钛、氮化钛、氮化钨、氮化钽或其组合组成。
在图6B中，柱结构81的中心(例如，中心线CP)与DTI结构32的中心(例如，中心线CDTI)对准。主射线角(CRA)现在针对像素阵列中的位于更中心的小光电二极管34a及大光电二极管34b是较小的或接近于零(法向于像素阵列)。在一个实例中，图6B中所图解说明的光电二极管34a、34b表示位于图5中所图解说明的像素阵列的阵列中心处或接近于所述阵列中心的像素单元。为了改进小光电二极管34a对传入光的捕获并同时减小从大像素110b进入小光电二极管34a中的光学串扰量，柱结构81可与DTI结构32的中心线CDTI对准。在一个实例中，在图6B中，入射传入光20b由柱结构81朝向大光电二极管34a反射回去。在一个实例中，传入光20的一部分可由形成于彩色滤波器24a、24b之间的金属栅格80吸收或反射。由于主射线角(CRA)针对位于更中心的小光电二极管34a比针对接近于像素阵列12的外围的左边缘处的像素实际上要小，因此更多传入光20照射于此小光电二极管34a上，且光学串扰的相对效应变小。因此，柱结构81的中心线CP可更接近于DTI结构32的中心线CDTI或与中心线CDTI对准。
图6A展示位于接近于像素阵列12的外围处的左边缘处的柱结构81，即，图6A可对应于相对于图5中所展示的阵列中心位于最左侧区域中的像素。为了改进小光电二极管34a对传入光20的捕获并同时减小从大像素110b进入小光电二极管34a中的光学串扰量，柱结构81可如所图解说明向DTI结构32的左侧(即，朝向相邻的大光电二极管34b)偏移。在一个实例中，在图6C中，入射传入光20a由柱结构81向大光电二极管34b反射回去。在一个实例中，传入光20的一部分可由形成于彩色滤波器24a、24b之间的金属栅格80吸收或反射。因此，所图解说明的柱结构81的中心线CP可移动或移位到DTI结构32的中心线CDTI的左侧。因此，柱结构81的衬里82接触DTI结构32的衬里30，且光20穿过彩色滤波器24b的原本将照射到小光电二极管34a上的较大比例由柱结构81朝向大光电二极管34b反射回去。所图解说明小光电二极管34a因此较佳地被遮蔽而避开杂散光且因此较不可能因杂散光而饱和，这是因为此像素由于其较小CRA而从照明源接收相对较多光。
在一些实施例中，柱结构81的中心线CP在位于较接近于阵列中心(或像素阵列12的光学中心)处时与DTI结构32的中心线CDTI对准的程度更大(如图6B中所图解说明中)，且柱结构81的中心线CP在移动远离阵列中心时从DTI结构32的中心线CDTI向左或向右横向移位或偏移(如图6A或图6C中所展示)，这取决于相对于阵列中心的相对位置以使传入光的主射线角适应更佳光学串扰性能。柱结构81的中心线CP与DTI结构32的中心线CDTI之间的横向偏移或位移随距离而增加，即，柱结构81的中心线CP与DTI结构32的中心线CDTI之间的横向偏移或位移随与阵列中心的距离跨越像素阵列在水平或垂直方向上增加而增加。
在一些实施例中，柱结构81与衬里30之间的距离在像素阵列的左边缘与右边缘处相同，但在相反方向上。在一些实施例中，衬里30包含具有
Figure BDA0002746527620000091
的厚度的Ta3O5。包含HfO2的高k膜可形成于Ta3O5与硅衬底之间。柱结构81可经移位以遵循微透镜及/或DTI结构32的移位。柱结构81的形状及延伸深度允许柱结构81在不损坏DTI结构的高k膜衬里及Si衬底的情况下在DTI结构32内移动。在一些实施例中，Ta3O5衬里进一步提供蚀刻停止，这可防止柱结构81的金属穿透Si衬底。
图7是根据本发明技术的实施例的图像传感器上的柱位置的实例曲线图。水平轴对应于CRA角。垂直轴对应于微透镜(ML)、金属栅格(MG)及/或柱结构的移位。曲线图展示柱结构可具有相对于其对应DTI结构的不同对准，这取决于光电二极管在图像传感器的像素阵列12内的相对位置。像素阵列12上的实例位置标示为“阵列中心”、“阵列中部”及“阵列左/右边缘”。如图7中所展示，随着CRA增加，ML、金属栅格及柱结构的移位增加，也如图8A到8C中所描绘的实例中所图解说明。
图8A到8E是根据本发明技术的实施例的图像传感器的制造步骤的横截面图。图8A展示具有与背侧54相对的前侧52的半导体衬底50。作为一个实例，半导体衬底的材料是硅。然而，所属领域的技术人员将了解，任何III族元素(B、Al、Ga、In、Tl)、IV族元素(C、Si、Ge、Sn、Pb)、V族元素(N、P、As、Sb、Bi)及这些元素的适合组合可用于形成半导体衬底。
光电二极管34a、34b可例如通过离子植入形成于半导体衬底50中。光电二极管34a、34b可通过向半导体衬底50中植入适合N型掺杂剂(例如，具有适合植入能量的砷(As)或磷(P))或适合P型掺杂剂(例如，具有适合植入能量的硼(B))而形成。DTI结构32可通过光学光刻及蚀刻过程相对于光电二极管34a、34b且接近于半导体衬底50的背侧54横向形成。举例来说，将光致抗蚀剂掩模图案化为具有对应于DTI结构32的开口，后续接着进行干式蚀刻、湿式蚀刻或干式蚀刻过程与湿式蚀刻过程的组合以形成多个DTI结构32。在一些实施例中，DTI结构32包含衬里30。缓冲氧化物层28a可通过例如材料沉积(例如化学气相沉积或热氧化)而形成于背侧54上及DTI结构32上面。在一些实施例中，缓冲氧化物层28a具有
Figure BDA0002746527620000101
到
Figure BDA0002746527620000102
的厚度。所图解说明的缓冲氧化物层28a具有面对DTI结构32的第一侧28-1，及背对第一侧28-1的第二侧28-2。在一个实施例中，DTI结构32形成为具有至少0.15um的深度且填充有氧化物材料。包含例如氧化铪HfO2的高k膜(图8A中未展示)可形成于硅衬底50与缓冲氧化物层28a之间。在一些实施例中，此高k膜包含具有
Figure BDA0002746527620000103
的厚度的氧化钽Ta3O5。
图8B展示包含多个开口282的经蚀刻缓冲氧化物层28a。这些开口282延伸穿过缓冲氧化物28a且进入DTI结构32中，如所展示至少部分地与DTI结构32对准。开口282可通过使用干式蚀刻过程图案化及蚀刻缓冲氧化物层28a而形成。根据本发明的教示，如将展示，开口282可稍后填充以金属材料以形成柱结构。在一些实施例中，开口282与DTI衬里30分开宽度w(例如，每侧0.015um)。衬里30可用作蚀刻停止层。
图8C图解说明通过例如向开口282中及缓冲氧化物28a上的材料沉积(例如化学气相沉积(CVD)或原子层级沉积(ALD))形成的金属层84。金属层84可包含例如金属材料(例如钨(W)、铝(Al)、铜(Cu)等)，或例如多晶硅等材料。所图解说明金属层84具有面对缓冲氧化物层28a的第二侧的第一表面84-1，及背对第一表面84-1的第二表面84-2。在一些实施例中，金属层84包含衬里82。在一个实例中，衬里82可在沉积金属层84之前沉积到开口282中。用于衬里82的材料可包含钛、氮化钛、氮化钨、氮化钽或其组合。柱81的深度D可大于或等于缓冲氧化物28a的厚度d。在一些实施例中，沉积钨(W)以填充蚀刻部且形成金属层84。金属层84的表面可例如通过化学抛光过程而化学抛光以将金属层84平坦化或平面化，后续接着沉积另一缓冲氧化物层28b。
图8D展示在蚀刻之后的金属层84，蚀刻形成开口812及金属栅格80，柱结构81从金属栅格80延伸。在一些实施例中，蚀刻金属层84且形成开口812会提供掩模，所述掩模可用于后续彩色滤波器阵列填充。
图8E展示至少部分地嵌入到开口812中且因此横向邻近于柱结构81的彩色滤波器24a、24b，如所展示。多个微透镜(ML)22a、22b可形成(或沉积)于彩色滤波器24a、24b上面。在一些实施例中，LFR层26(例如，Ti/TiN)可在形成彩色滤波器24a之前形成为开口上方对应于小光电二极管34a的曝光区的光衰减层。在一些实施例中，微透镜22a的第一高度(即，微透镜22a的顶部与相应彩色滤波器24a之间的距离)可不同于微透镜22b的第二高度(即，微透镜22b的顶部与相应彩色滤波器24b之间的距离)。举例来说，微透镜22b的第二高度可大于微透镜22a的第一高度(即，微透镜22b高于微透镜22a)，以补偿微透镜22a与微透镜22b之间的曲率差，使得微透镜22a与微透镜22b针对相应光电二极管34a、34b具有基本上相同的焦距。
图9是根据本发明技术的另一实例图像传感器的横截面图。针对所图解说明图像传感器，柱结构81延伸到DTI结构32中。在蚀刻过程期间，柱结构81的顶部可容易遭受较快蚀刻速率，这因部分地蚀除柱结构81的金属而形成缺陷822。此外，在蚀刻过程之后使用的清洁溶剂821可陷捕于柱结构81中的缺陷822内部。蚀刻后残留物(例如清洁化学物、溶剂或彩色滤波器阵列光刻显影剂)可保留于深孔隙中，在深孔隙中化学蚀刻可为困难的。因此，可形成缺陷822而损坏柱结构。无论如何，在至少一些实施例中，包含缺陷822的甚至被削弱的柱结构81仍防止光20穿透。
图10展示根据本发明技术的实施例的实例图像传感器的俯视平面图。在所描绘实例中，包含光闪烁减弱(LFR)层的小光电二极管34a位于大光电二极管34b的左上部区中。因此，在所图解说明实施例中，小光电二极管(SPD)三面由大光电二极管(LPD)环绕。包含LFR层的SPD相对于LPD的此相对布置可使SPD对光学串扰相对更敏感，这是因为个别SPD与对应LPD分享相对大边界。图10中的水平箭头标示具有0°的角度
Figure BDA0002746527620000111
的水平方向。图10中的对角箭头标示具有45°或135°的角度
Figure BDA0002746527620000112
的对角方向。
图11A及11B是图10中所展示的图像传感器的量子效率(QE)的实例曲线图。每一曲线图的水平轴展示以度为单位的传入光入射角，且垂直轴展示QE。彩色滤波器布置成红色、透明、透明、蓝色(RCCB)模式。虚线表示不具有柱结构81的小光电二极管的QE，而实线表示根据本发明技术并入有柱结构81(例如，图4中所展示的柱结构)的小光电二极管的QE。标签R-POR、C-POR、C-POR及B-POR分别标示红色、透明、透明及蓝色小光电二极管的不具有柱结构81的小光电二极管的角响应。标签R-W柱、C-W柱、C-W柱及B-W柱分别标示根据本发明技术具有柱结构81的小光电二极管的红色、透明、透明及蓝色小光电二极管的QE。
图11A展示基于从相邻大光电二极管对角进入(以135°的角度
Figure BDA0002746527620000121
)的光的角度的小光电二极管的QE。传入光是以530nm发射。在不具有柱结构81的情况(即，虚线)下，朝向大光电二极管引导的光的一部分作为串扰被小光电二极管吸收。此额外光导致小光电二极管的较高QE且可甚至使小光电二极管饱和。光电二极管的QE可在使用柱结构81时减小。举例来说，甚至当传入光以相对高CRA角到达时，可通过柱结构81防止或至少减小串扰。因此，小光电二极管的QE减小，这使其较不易于遭受饱和。曲线图中的实线表示根据本发明技术包含柱结构81的光电二极管的QE。如所图解说明实施例中所展示，根据本发明技术的教示，QE值针对每一对应对光电二极管(例如，B W柱相对B-POR、C W柱相对C-POR等)均匀地较低。
图11B展示基于从相邻大光电二极管水平进入(以0°的角度
Figure BDA0002746527620000122
)的光的角度的小光电二极管的QE的另一实例。传入光是以450nm发射。在不具有柱结构81的情况(即，虚线)下，朝向大光电二极管引导的光的一部分作为串扰被小光电二极管接收。额外光导致小光电二极管的较高QE且可甚至使小光电二极管饱和。小光电二极管的QE可在引入柱结构81时减小。举例来说，甚至当传入光以相对高CRA角到达时，可通过柱结构81防止或至少减小串扰。因此，小光电二极管的QE减小，这使其较不易于遭受饱和。曲线图中的实线表示根据本发明技术包含柱结构81的光电二极管的QE。如所图解说明实施例中所展示，QE值针对每一对应对光电二极管(例如，B W柱相对B-POR、C W柱相对C-POR等)均匀地较低。
上文描述的本发明技术的许多实施例可采取包含可由可编程计算机或控制器执行的例程的计算机或控制器可执行指令的形式。相关技术领域的技术人员将了解，本发明技术可在除上文所展示及所描述的那些外的计算机/控制器系统上实践。本发明技术可在专门编程、配置或构造以执行上文所描述的计算机可执行指令中的一或多者的专用计算机、专用集成电路(ASIC)、控制器或数据处理器中体现。当然，本文中所描述的任何逻辑或算法可以软件或硬件或者软件与硬件的组合实施。
包含发明摘要中所描述内容的本发明的所图解说明实例的以上说明并非打算为穷尽性或将本发明限制于所揭示的精确形式。虽然出于说明性目的而在本文中描述了本发明的特定实例，但如相关技术领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种修改。
可鉴于以上详细说明对本发明做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应理解为将本发明限于说明书中所揭示的特定实例，而是本发明的范围应完全由应根据权利要求解释的经确立原则理解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，其布置成安置于半导体衬底中的像素阵列的行及列，其中所述像素阵列的个别光电二极管经配置以接收穿过所述半导体衬底的背侧的传入光，其中所述半导体衬底的前侧与所述背侧相对；
多个深沟槽隔离DTI结构，其相对于所述光电二极管横向形成于所述半导体衬底的所述背侧上，其中所述多个DTI结构布置于邻近的光电二极管之间；及
多个柱结构，其从接近于所述背侧的金属栅格延伸且与所述DTI结构对准。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述柱结构向对应DTI结构中延伸一深度。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述DTI结构包含所述DTI结构的衬里，且其中所述柱结构与所述对应DTI结构的所述衬里间隔开。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述柱结构包含所述柱结构的衬里，且其中所述柱结构的所述衬里与所述对应DTI结构的所述衬里间隔开。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中个别柱结构相对于对应个别DTI结构的相对位置至少部分地取决于特定光电二极管在所述像素阵列内的位置。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，
其中所述多个DTI结构包含对应于所述像素阵列内的位于中心的像素的第一DTI结构及对应于相对于所述像素阵列位于外围的像素的第二DTI结构；
其中所述多个柱结构包含对应于所述第一DTI结构的第一柱结构及对应于所述第二DTI结构的第二柱结构；且
其中相比于所述第二柱结构的中心与所述第二DTI结构的中心对准的程度，所述第一柱结构的中心(CP)与所述第一DTI结构的中心(CDTI)对准的程度更大。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中在所述像素阵列内，所述第二DTI结构相对于所述第一DTI结构位于水平右侧或水平左侧。
8.根据权利要求6所述的图像传感器，其中在所述像素阵列内，所述第二DTI结构相对于所述第一DTI结构位于垂直右侧或垂直左侧。
9.根据权利要求6所述的图像传感器，
其中所述多个DTI结构进一步包含第三DTI结构；
其中所述多个柱结构进一步包含对应于所述第三DTI结构的第三柱结构；
其中相比于所述第三柱结构的中心与所述第三DTI结构的中心对准的程度，所述第一柱结构的所述中心(CP)与所述第一DTI结构的所述中心(CDTI)对准的程度更大；且
其中所述第三柱结构的衬里接触所述第三DTI结构的衬里。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述多个光电二极管包括具有第一全阱容量的第一光电二极管及具有大于第一光电二极管的所述第一全阱容量的第二全阱容量的第二光电二极管。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，且其中所述DTI结构至少部分地将所述第一光电二极管与所述第二光电二极管分开。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，其进一步包括与所述第一光电二极管光学耦合的第一彩色滤波器及与所述第二光电二极管光学耦合的第二彩色滤波器，其中所述第一彩色滤波器及所述第二彩色滤波器至少部分地嵌入到所述金属栅格中。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其进一步包括与所述第一光电二极管光学耦合的第一微透镜及与所述第二光电二极管光学耦合的第二微透镜，其中所述第一微透镜及所述第二微透镜接近于所述衬底的所述背侧。
14.一种用于制造图像传感器的方法，其包括：
提供半导体衬底，其中所述半导体衬底具有背侧及与所述背侧相对的前侧；
在所述半导体衬底中形成光电二极管；
接近于所述半导体衬底的所述背侧形成深沟槽隔离DTI结构；
接近于所述DTI结构形成缓冲氧化物层，所述缓冲氧化物层具有面对所述DTI结构的第一侧及背对所述第一侧的第二侧；
蚀刻所述缓冲氧化物层以形成至少部分地与所述DTI结构对准的多个开口；
形成金属层，所述金属层具有面对所述缓冲氧化物层的所述第二侧的第一表面及背对所述第一表面的第二表面；
蚀刻所述金属层，其中所述经蚀刻金属层形成金属栅格与从所述金属栅格朝向对应DTI结构延伸的柱结构；及
形成多个彩色滤波器，其中所述彩色滤波器至少部分地嵌入到所述金属栅格中。
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括：
接近于对应的所述多个彩色滤波器形成多个微透镜。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述柱结构向所述对应DTI结构中延伸一深度。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括形成所述DTI结构的衬里，其中所述柱结构与所述对应DTI结构的所述衬里间隔开。
18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括形成所述柱结构的衬里，其中所述柱结构中的至少一些柱结构的所述衬里与所述对应DTI结构的所述衬里间隔开。
19.根据权利要求14所述的方法，其中个别柱结构相对于对应个别DTI结构的相对位置至少部分地取决于特定光电二极管在所述图像传感器的像素阵列内的位置。
20.根据权利要求19所述的方法，
其中形成DTI结构包含形成位于所述图像传感器的所述像素阵列内的中心的第一DTI结构及相对于所述图像传感器的所述像素阵列位于外围的第二DTI结构；
其中形成所述柱结构包含形成对应于所述第一DTI结构的第一柱结构及形成对应于所述第二DTI结构的第二柱结构；且
其中相比于所述第二柱结构的中心与所述第二DTI结构的中心对准的程度，所述第一柱结构的中心(CP)与所述第一DTI结构的中心(CDTI)对准的程度更大。
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