CN113228285A - 光学传感器装置和用于制造光学传感器装置的方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学传感器装置，包括：具有光敏区(11)的半导体本体(10)；金属层(20)，其布置在光敏区(11)之上并且包括上部金属层(21)和下部金属层(22)，其中，上部金属层(21)比下部金属层(22)距光敏区(11)的距离更远。该光学传感器装置还包括：孔径开口(24)，其位于光敏区(11)之上的金属层(20)中；以及通孔结构(30)，其布置在孔径开口(24)的外部并且将金属层(20)和/或半导体本体(10)相互连接。通孔结构(30)布置为使得平行于光敏区(11)并横穿光敏区(11)与上部金属层(21)之间的孔径开口(24)的任意直线(S)在其相反的两个方向上由通孔结构(30)限定。
Description
本公开涉及一种光学传感器装置和用于制造这种传感器装置的方法。
基于半导体技术的光学传感器装置被广泛地应用于诸如移动电话、智能手机、平板电脑和便携式电脑之类的电子装置中所采用的光检测应用到成像应用的各种不同应用中。由于现代传感器装置是越来越紧凑的高度集成的装置，因此，传感器装置的不同光敏部件之间的例如由杂散光所引起的不期望的串扰成为重要的问题。此外，布置在传感器装置内的有源电路的功能可能受到电磁辐射的影响，这些电磁辐射不能够被常规的光防护措施所阻挡并且影响电路。
因此，本发明公开的目的是提供一种具有减少的光学串扰的光学传感器装置的改进的构思。
该目的通过独立权利要求的主题来实现。改进的构思的实施例和改进在从属权利要求中限定。
通常，集成半导体装置包括金属层的堆叠，所述金属层的堆叠借助于用于为传感器装置的诸如读出电路之类的专用集成电路(ASIC)提供电连接的通孔相互连接。对于光学传感器而言，该金属层可以替代地或附加地用于限定光敏区的孔径，即限定传感器装置的光敏结构的视场。
该改进的构思基于以下思路，即提供一种包括金属层的堆叠的光学传感器装置，其中通孔布置为使得在传感器装置的有源电路与光敏结构之间没有直接路径。
特别地，根据该改进的构思的光学传感器装置包括具有光敏区的半导体本体和布置在该光敏区之上的金属层，该金属层包括上部金属层和下部金属层。该上部金属层比下部金属层距光敏区的距离更远。该传感器装置还包括位于光敏区之上的金属层中的孔径开口以及布置在孔径开口外部并将金属层和/或半导体本体相互连接的通孔结构。
这种传感器装置的通孔结构布置为使得平行于光敏区并横穿光敏区与上部金属层之间的孔径开口的任意直线在其相反的两个方向上由通孔结构限定。
例如，该半导体本体是诸如硅衬底之类的衬底，其包括诸如CMOS兼容ASIC之类的有源电路。例如，该有源电路布置在衬底表面上或者部分地布置在衬底内。光敏区可以是光敏结构的表面或者层，其中，该光敏结构配置为基于光电效应将入射到该结构上的电磁辐射转换成电流。例如，该光敏结构是集成光电二极管，其中光敏区为集成光电二极管的表面之一。
金属层布置在光敏区之上，该光敏区平行于半导体本体的表面或者与半导体本体的例如顶表面的表面相一致。在本文中，“之上”意味着在垂直方向上的布置，该垂直方向或多或少地垂直于半导体本体的主延伸平面。金属层的主延伸平面可以平行于光敏表面定向。在垂直方向上，下部金属层比上部金属层更加靠近光敏区布置。金属层之间的空隙可以填充有诸如氧化物之类的介电材料。
金属层基本上覆盖半导体本体的表面。例如，除了其上布置有金属层中的孔径开口的光敏区之外，所述表面被完全覆盖。孔径开口的形状和尺寸可以对应于光敏区的形状和尺寸。例如，如果该光敏区具有矩形形状，则金属层中的孔径开口也可以具有矩形形状。
通孔结构将金属层和/或半导体本体相互连接。例如，通孔结构将半导体本体与下部金属层相互连接，将下部金属层与上部金属相互连接，和/或将半导体本体与上部金属层相互连接。选择通孔结构的布置使得在光敏区与上部金属层之间平行于光敏区并在其上方传播的诸如光之类的电磁辐射被通孔结构所阻挡，并因此不会到达例如半导体本体上的ASIC的有源电路元件。
在一些实施例中，该通孔结构包括多个通孔。
可以采用包括多个通孔的通孔结构，以用于逐点地将半导体本体与金属层相互连接。
在一些另外的实施例中，多个通孔中的每一个具有矩形的横截面、尤其是正方形或者圆形的横截面。
通常，通孔具有圆形或正方形的横截面。在一些情况下，即使通孔一开始被设计为具有矩形的横截面，但是在传感器装置制造完成之后，该通孔可以具有圆柱形形状，即具有圆形的横截面，或者具有带有圆角的矩形形状。该效果取决于制造过程并且通常由蚀刻步骤的化学过程和各向同性所引起。在一些情况下，通孔可以具有圆锥形状，其特征在于，相比于通孔的另一端(例如通孔面向半导体本体的那端)上的横截面，通孔的一端(例如通孔背向半导体本体的那端)上的横截面更大。例如，一端上的横截面可以是接近圆形的，而另一端上的横截面可以是接近矩形的。对于通孔结构必须考虑该效果，使得最终的通孔结构的特征在于通孔具有合适的尺寸、形状和间距。
在一些实施例中，多个通孔沿着与任意直线成横向的纵向方向围绕孔径开口成行布置，所述直线平行于光敏区并横穿光敏区与上部金属层之间的孔径开口。此外，通孔在行内彼此相隔一定距离，从而形成对于行中的每个行相同的图案。在这种实施例中，所述行以其纵向方向对齐的方式彼此成行布置，所述行中的相邻行的图案在纵向方向上相对于彼此偏移。
多个通孔的可能的布置是围绕孔径开口成行的布置、或成行列的布置。根据改进的构思，具有多行具有相同图案的通孔提供了一种简单的设计，其中通过使相邻的行相对于彼此偏移来实现对直线的限定，使得阻止了穿过通孔结构的任何直接路径。
在一些另外的实施例中，通孔在行内以相等的距离彼此跟随。
包括例如相同形状和大小的通孔的规则图案以及在两个相应的具有行的通孔之间的恒定间隔的组合进一步简化了设计。遵循该策略，只需要少量相邻行以实现阻止穿过通孔结构的直接路径。例如，仅三个相邻行可能就足够了。
在一些另外的实施例中，孔径开口是矩形的并且所述行的纵向方向平行于由孔径开口形成的矩形的侧面。
对于矩形光敏表面而言，这些行可以平行于光敏表面的侧面布置，使得在这种情况下，直接路径也受到沿矩形表面的侧面和拐角处的通孔结构的限定。
在一些实施例中，通孔结构包括环形结构。
环形结构是通孔结构的一种替代方式，环形结构完全包围孔径开口，并因此完全包围光敏表面，从而没有直接路径穿过环形结构。例如，可以将第一环布置成使半导体本体与下部金属层相互连接，并且可以将第二环布置成使下部金属层与上部金属层相互连接。此外，环形结构和多个通孔的组合也提供了一种可能的解决方案。例如，环形结构可以将半导体本体与下部金属层相互连接，同时将根据上述实施例之一的各个通孔与金属层相互连接。
在一些实施例中，通孔结构的至少一部分由导电材料、尤其是金属制成。
除了根据改进的构思限定离开光敏表面的直接路径之外，通孔通常还被用于将半导体本体的电路元件(诸如ASIC的元件)电连接至金属层。例如，该电连接通过将半导体本体连接至金属层的接触路径的通孔提供了对传感器装置的读出电路的电访问。在这种实施例中，通孔例如是衬底通孔、盲孔或可变通孔。
在一些实施例中，金属层包括布置在下部金属层与上金属层之间的至少一个另外的金属层。
为了进一步增加电连接性和/或进一步使光敏区的视场成形，可以采用附加的金属层，从而导致在垂直方向上的金属层的堆叠更厚。根据改进的构思，这些实施例中的通孔结构将金属层彼此之间相互连接以及将金属层与半导体本体相互连接。这样，保持了对平行于光敏区并横穿半导体本体与上部金属层之间的光敏区的任意直线的限定。
在一些实施例中，光学传感器装置还包括另外的光敏区和在所述另外的光敏区之上的金属层中的另外的孔径开口。此外，这些实施例中的光学传感器装置还包括布置在所述另外的孔径开口外部并且将金属层和/或半导体本体相互连接的另外的通孔结构。
所述另外的通孔结构在这些实施例中布置为使得平行于所述另外的光敏区并横穿所述另外的光敏区与上部金属层之间的另外的孔径区域的任意直线在其相反的两个方向上由所述另外的通孔结构限定。
类似于具有一个光敏区的传感器装置的实施例，该改进的构思可以扩展至具有一个以上光敏区的光学传感器装置。这些多个光敏区可以例如由多个集成光电二极管来提供，并且每个光敏区包括阻挡离开相应的光敏区的任何直接路径的通孔结构。这样，不仅阻止了光敏区中的每一个与半导体本体上的ASIC之间的串扰，还阻止了光敏区之间的串扰。
在一些实施例中，通孔被布置为用于限定光敏区、半导体本体的另外的光敏区和/或半导体本体的专用集成电路(ASIC)之间的水平光传播的装置。
在这些实施例中，光传播被限制在与光敏区平行并在光敏区与上部金属层之间横穿光学传感器装置的直线中。
在一些实施例中，光敏区配置为基于入射在光敏区上的电磁辐射来生成电信号，尤其是基于可见光、紫外线和/或红外线光谱范围内的光来生成电信号。
取决于应用，光敏区的特征可以在于宽带灵敏度或电磁辐射的特定波长范围内的灵敏度。
上述目的还通过包括根据上述实施例之一的光学传感器装置的电子装置来解决。
例如，这种电子装置的光学传感器装置可以配置为诸如环境光传感器、接近传感器或飞行时间传感器之类的光传感器。
上述目的还通过一种用于制造光学传感器装置的方法来解决。该方法包括：提供具有光敏区的半导体本体；在光敏区之上布置金属层，其中，该金属层包括上部金属层和下部金属层。因此，上部金属层比下部金属层距所述光敏区的距离更远，并且孔径开口布置在光敏区之上的金属层中。该方法还包括：在孔径开口的外部布置通孔结构，其中，该通孔结构将金属层和/或半导体本体相互连接。该通孔结构布置为使得平行于光敏区并横穿光敏区与上部金属层之间的孔径开口的任意直线在其相反的两个方向上由通孔结构限定。
根据光学传感器装置的上述实施例，该方法的其他实施例对于本领域技术人员而言将变得显而易见。
对示例性实施例的附图的以下说明可以进一步阐述和解释改进构思的各方面。光学传感器装置的具有相同结构和相同效果的部件和部分分别具有相同的附图标记。只要光学传感器装置的部件和部分在不同的附图中就其功能相互对应，以下各附图均不再重复其描述。
图1示出了根据改进的构思的光学传感器装置的示例性实施例的平面图；
图2示出了光学传感器装置的示例性实施例的截面图；
图3示出了光学传感器装置的另外的示例性实施例的截面图；
图4示出了根据改进的构思的通孔结构的示例性实施例的示意图；以及
图5至图11示出了通孔结构的另外的示例性实施例的示意图；
图1示出了光学传感器装置1的示例性实施例的平面视图。所示装置1包括具有光敏区11和专用集成电路(ASIC)12的半导体本体10。例如，该半导体本体10通过诸如硅的半导体材料制成的衬底管芯设置。例如，该光敏区11和ASIC 12的电路元件布置在半导体本体10的表面上、表面下或部分地布置在该表面内。光敏区11可以是光电二极管的光子俘获表面。在该示例中，光敏区11具有矩形形状，但是通常具有任意形状。
在半导体本体10的表面之上，即在垂直于半导体本体10的延伸主平面的垂直方向上，布置有金属层20，该金属层在该图中未示出。该实施例中的金属层被构造为基本上覆盖除了光敏区11以外的半导体本体10。为此，该金属层20包括布置在光敏区11之上的孔径开口24。在该实施例中，该孔径开口24的以虚线示出的形状对应于光敏区11的形状。
所示的光学传感器装置1还包括通孔结构30，该通孔结构包括多个通孔31。所述通孔31布置为使得平行于所述光敏区11并横穿所述光敏区11与所述金属层20的上部金属层21之间的孔径开口24的直线S限定的任何直接路径在其相反的两个方向上由通孔31限定。
所述通孔31可以是衬底通孔、盲孔或者掩埋通孔、沟槽和/或触点。例如，通孔31可以填充有在特定波长范围不透明的材料，所述特定波长范围例如400至800nm的可见光域、800至1000nm的红外光域和/或200至400nm的紫外光域。通孔31中的一些可以填充有诸如金属的导电材料。
图2示出了光学传感器装置1的示例性实施例的截面图。在该截面图中，示出了布置在半导体本体10的表面之上的金属层20。该实施例中的金属层包括上部金属层21、下部金属层22以及布置在上部金属层21与下部金属层22之间的另外的金属层23。在该截面图中可见，孔径开口24由布置在半导体本体10的光敏表面11之上的金属层20的空隙限定。所述通孔结构30的通孔31将金属层20和半导体本体10相互连接。例如，通孔31中的一些可以将半导体本体10的例如读出ASIC的触点的电路元件电连接至布置在上部金属层21的背向半导体本体10的表面上的接触垫。
图3示出了光学传感器装置1的一部分的另一截面图。该图示出了采用包括浅槽隔离STI的常规集成PIN光电二极管13作为掺杂p型半导体区域与n型半导体区域之间的本征半导体区域。该n型半导体区域在其中充当光子俘获区域并且因此布置在孔径开口24处。例如，布置在光电二极管13的表面上的接触垫14提供电连接，所述接触垫借助于通孔31穿过金属层20与上部金属层21上的触点相互连接。
图4示出了根据改进的构思的通孔结构30的示例性实施例的示意图。该实施例中的通孔结构30的通孔31具有正方形的横截面积并且布置成行R。每一行R中的通孔31的图案P由将通孔间隔开的距离D限定。在该实施例中，通孔之间的距离D在行R内是固定的。多个行R以其纵向方向对齐的方式彼此成行布置，并且图案P相对于相邻的行偏移。这实现了期望的效果，即不存在穿过通孔结构的不由通孔31中的至少之一限定的直接路径。这确保了：在任一点处以任何方向在一侧进入到通孔结构30中的光不会传播通过通孔结构30而将光留在另一侧。这借助于进入到通孔结构30中的两个光锥的变暗的区域示出。
图5示出了通孔结构30的另外的示例性实施例。与图4相比，此处的通孔31的特征在于圆形的横截面。通常，由于在传感器装置1的制造过程中使用的蚀刻剂的特性，被设计具有矩形横截面的通孔31变为带有圆角的矩形横截面或椭圆形或圆形横截面的通孔。然而，这能够在设计通孔结构30时被考虑，使得在这种情况下也可以阻止穿过通孔结构30的直接路径。
图6示出了通孔结构30的另外的示例性实施例的示意图。在该图中，示出了行R内的通孔31的不同布置。行R用作放置线，通孔沿该放置线以预定的图案P放置。该放置线R可以是直线、拱形或者可以包括相对于彼此成角度的直线段。可以沿相应的放置线以由相应的图案P固定的预定的距离D布置通孔31。例如，行R的所有通孔31之间的距离D是变化的或者是不变的。此外，图案P可以包括通孔在预定方向上的偏移，所述预定方向例如为各个通孔31的位置处垂直于放置线的方向。
图7至图9示出了通孔结构30的S部分的不同实施例。例如，所示的部分可以对应于沿矩形光敏区11的一侧布置的部分。通孔结构30包括以恒定的间距成行布置的多个行R，其中它们的纵向方向彼此对齐，并且图案P相对于相邻的行偏移。
图7示出了通孔结构30的行R，其特征在于在各个行R内通孔31的图案P相对于相邻的通孔31均以恒定距离D布置。通过使行R中的至少之一沿其纵向方向偏移，通过穿过通孔结构30的任意直线S的至少一个通孔31实现了限制。
图8示出了一个替代实施例，在该替代实施例中，通孔31的正方形的横截面在制造完成后由最终的圆形横截面所替代。通过使行R分别在其纵向方向上以各自的偏移距离SD偏移，仍然可以实现上面提到的对任意直线S的限定。
图9示出了通孔结构的不同最终形状，所述形状通过对每一行的偏移距离SD进行适当选择来实现。例如，为了实现有意地阻止穿过通孔结构30的部分的直接路径S，不同行中的相邻通孔可以形成诸如V形线、U形线或者翼形线之类的线图案。
图10以多阵列示出了通孔结构30的部分的布置。将通孔结构30的部分的通孔31例如以阵列布置在光敏区11的一侧上可以进一步增加对穿过通孔结构30的直接路径S的限定。例如，第一阵列、第二阵列和第三阵列在各自阵列内各行R的偏移距离SD方面是彼此不同的。例如，选择偏移距离SD来实现根据图9所示的示例的不同线图案。此外，所述阵列可以以不同的阵列间距AS彼此间隔开。
图11示出了包围矩形光敏表面11的通孔31的不同矩形布置。所有示例具有在光敏表面11之上带有矩形横截面的通孔31，所述通孔例如用于光敏表面11的穿过金属层20的接触连接。为了实现对穿过通孔结构30的任意直线S的限定，光敏区11可以由环形结构32所包围，该环形结构完全阻挡了平行于光敏区11传播的任何光。利用该方法，由于在环形结构32内没有间隙，因此在光敏表面11的每一侧仅需要一行R。替代地，光敏区11外部的通孔31可以具有矩形横截面，以实现较大的通孔-空隙率，并因此例如在光敏表面11的每一侧上仅借助于两行R来有效限定穿过通孔结构30的任何直接路径S。在没有严格空间限定的情况下，可以选择正方形或圆形的横截面通孔31，但是在光敏表面11的每一侧上需要多行R(例如，四行)。
所述图1至图11中示出的实施例代表了光学传感器装置1和通孔结构30的布置的示例性实施例，因此，它们并不构成根据改进的构思的所有实施例的完整列表。实际的光学传感器装置和通孔结构布置例如可以在形状、尺寸和材料方面不同于所示出的实施例。
附图标记说明
1 光学传感器装置
10 半导体本体
11 光敏区
12 专用集成电路，ASIC
13 光电二极管
14 接触垫
20 金属层
21 上部金属层
22 下部金属层
23 另外的金属层
24 孔径开口
30 通孔结构
31 通孔
32 环形结构
AS 阵列间距
D 距离
P 图案
R 行
S 直线
SD 偏移距离。
Claims (15)
1.一种光学传感器装置(1)，包括：
-半导体本体(10)，其具有光敏区(11)；
-金属层(20)，其布置在所述光敏区(11)之上并且包括上部金属层(21)和下部金属层(22)，所述上部金属层(21)比所述下部金属层(22)距所述光敏区(11)的距离更远；
-孔径开口(24)，其位于所述光敏区(11)之上的金属层(20)中；
-通孔结构(30)，其布置在所述孔径开口(24)的外部并且将所述金属层(20)和/或所述半导体本体(10)相互连接；
其中，
-所述通孔结构(30)布置为使得平行于所述光敏区(11)并横穿所述光敏区(11)与所述上部金属层(21)之间的孔径开口(24)的任意直线(S)在其相反的两个方向上由所述通孔结构(30)限定。
2.根据权利要求1所述的光学传感器装置(1)，其中，所述通孔结构(30)包括多个通孔(31)。
3.根据权利要求2所述的光学传感器装置(1)，其中，所述多个通孔(31)中的每一个具有矩形横截面或圆形横截面，其中所述矩形横截面尤其是正方形横截面。
4.根据权利要求2或3所述的光学传感器装置(1)，其中，
-所述多个通孔(31)沿着与任意直线(S)成横向的纵向方向围绕所述孔径开口(24)成行(R)布置，所述直线(S)平行于所述光敏区(11)并横穿所述光敏区(11)与所述上部金属层(21)之间的孔径开口(24)；
-通孔(31)在行(R)内以一定距离彼此跟随，从而形成对于行(R)中的每个行相同的图案(P)；和
-所述行(R)以其纵向方向对齐的方式彼此成行布置，所述行(R)中的相邻行的图案(P)在纵向方向上相对于彼此偏移。
5.根据权利要求4所述的光学传感器装置(1)，其中，所述通孔(31)在所述行(R)内以相等的距离(D)彼此跟随。
6.根据权利要求4或5所述的光学传感器(1)装置，其中，
-所述孔径开口(24)是矩形的；并且
-所述行(R)的纵向方向平行于由所述孔径开口(24)形成的矩形的侧面。
7.根据权利要求1至6之一所述的光学传感器装置(1)，其中，所述通孔结构(30)包括环形结构(32)。
8.根据权利要求1至7之一所述的光学传感器装置(1)，其中，所述通孔结构(30)的至少一部分由导电材料制成，所述导电材料尤其是金属。
9.根据权利要求1至8之一所述的光学传感器装置(1)，其中，所述金属层(20)包括布置在所述上部金属层(21)与所述下部金属层(22)之间的至少一个另外的金属层(23)。
10.根据权利要求1至9之一所述的光学传感器装置(1)，还包括：
-另外的光敏区；
-另外的孔径开口，所述另外的孔径开口位于所述另外的光敏区之上的金属层中；和
-另外的通孔结构，所述另外的通孔结构布置在所述另外的孔径开口的外部并且将所述金属层(20)和/或所述半导体本体(10)相互连接；
其中，
-所述另外的通孔结构布置为使得平行于所述另外的光敏区并横穿所述另外的光敏区与所述上部金属层(21)之间的另外的孔径区域的任意直线(S)在其相反的两个方向上由所述另外的通孔结构限定。
11.根据权利要求1至10之一所述的光学传感器装置(1)，其中，所述通孔结构(30)被布置为用于限定所述光敏区(11)、所述半导体本体(10)的另外的光敏区和/或所述半导体本体的专用集成电路ASIC(12)之间的水平光传播的装置，其中，所述光传播被限定在直线(s)中，所述直线(s)平行于所述光敏区并横穿所述光敏区(11)与所述上部金属层(21)之间的光学传感器装置(1)。
12.根据权利要求1至11之一所述的光学传感器装置(1)，其中，所述光敏区(11)被配置为基于入射在所述光敏区(11)上的电磁辐射来生成电信号，所述光敏区被配置为尤其基于可见光、紫外线和/或红外线光谱范围内的光来生成电信号。
13.一种电子装置，包括根据权利要求1至12之一所述的光学传感器装置(1)。
14.根据权利要求13所述的电子装置，其中，所述光学传感器装置(1)被配置为光传感器，所以光传感器诸如是环境光传感器、接近传感器或飞行时间传感器。
15.一种用于制造光学传感器装置(1)的方法，所述方法包括：
-提供包括光敏区(11)的半导体本体(10)；
-在所述光敏区(11)之上布置金属层(20)，其中，所述金属层(20)包括：
-上部金属层(21)和下部金属层(22)，其中所述上部金属层(21)比所述下部金属层(22)距所述光敏区(11)的距离更远；以及
-在所述光敏区(11)之上的金属层(20)中的孔径开口(24)；以及
-在所述孔径开口(24)的外部布置通孔结构(30)，其中，所述通孔结构(30)将所述金属层(20)和/或所述半导体本体(10)相互连接；
其中，
-所述通孔结构(30)布置为使得平行于所述光敏区(11)并横穿所述光敏区(11)与所述上部金属层(21)之间的孔径开口(24)的任意直线(S)在其相反的两个方向上由所述通孔结构(30)限定。
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