CN113383420A - 图像传感器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种图像传感器结构，该图像传感器结构包括设置在设备堆栈上方的图像堆栈。该图像堆栈包括多个光检测器。第一滤光器堆栈设置在图像堆栈上方。第一滤光器堆栈包括光导层。光导管腔体设置在该光导层中。每个光导管腔体与光检测器相关联。每个光导管腔体具有大于约2.5:约1的纵横比。纳米孔层设置在第一滤光器堆栈上方。纳米孔设置在纳米孔层中。每个纳米孔与光检测器相关联。

Description

图像传感器结构
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求2019年10月9日提交并且名称为“图像传感器结构(Image SensorStructure)”的美国临时专利申请号62/912,908的优先权。前述申请的全部内容据此以引用方式并入本文。
背景技术
图像传感器结构(诸如CMOS图像传感器)通常利用设置在纳米孔层(nanowelllayer)中的多个高密度纳米孔来对设置在纳米孔内的分析物执行反应。纳米孔层设置在图像传感器结构的正面或背面上，该图像传感器结构收集和分析来自所述反应的数据。例如，可用荧光标记物标记分析物(诸如DNA片段簇等)，并且可将激发光导向到标记的分析物上以引起它们发出发荧光的发射光。
然后分析物可发射荧光发射光的光子，这些光子可从纳米孔传输到与纳米孔相关联的多个光检测器(例如，光电二极管)上。光检测器检测发射光光子。设备电路可从设备堆栈内连接到光检测器。然后设备电路可基于这些所检测的光子来处理和传输数据信号。随后可分析数据信号以揭示分析物的特性。
在前照式(FSI)图像传感器结构中，纳米孔层设置在图像传感器结构的正面上，该图像传感器结构由激发光照明。在FSI图像传感器结构中，设备堆栈定位在纳米孔层与多个光检测器之间。然而，在此类图像传感器结构中，光检测器的有源(例如，光感测)区域的一部分可被设备堆栈中的设备电路阻挡。随着光检测器尺寸和间距变得越来越小，被设备堆栈阻挡的有源区域的部分可增加，从而降低光检测器的灵敏度。
在背照式(BSI)图像传感器结构中，纳米孔层设置在图像传感器结构的背面上，该图像传感器结构由激发光照明。在BSI图像传感器结构中，设备堆栈不定位在纳米孔层与多个光检测器之间。因此，设备堆栈可能不会阻挡光检测器的有源区域。
然而，设备堆栈的设备电路通常用于帮助减少FSI图像传感器结构中的串扰。此类设备电路可能不可用，而不能帮助减少BSI图像传感器结构中的串扰。串扰包括从纳米孔传输的发射光，该发射光被不与纳米孔相关联的光检测器意外检测到。
另外，与FSI图像传感器结构不同，设备堆栈可能在BSI图像传感器结构中不可用，而不能帮助充分阻挡激发光到达光检测器。此外，设备堆栈也可能在BSI图像传感器结构中不可用，而不能帮助有效地将从纳米孔发射的发射光收集和聚焦到光检测器上。
简要说明
此处提供的示例可克服上述挑战。例如，一个示例提供了BSI图像传感器结构，该BSI图像传感器结构减少纳米孔与非关联的光检测器之间的串扰而无需借助于设备堆栈。此外，另一个示例提供了BSI图像传感器结构，该BSI图像传感器结构可充分阻挡激发光到达光检测器，并且可有效地将发射光收集和聚焦到光检测器上而无需借助于设备堆栈。
本公开通过提供图像传感器结构来提供相比于现有技术的优点和替代方案，该图像传感器结构在用从其背面朝向纳米孔导向的激发光照明时可减少纳米孔与设置在图像传感器结构中的非关联的光检测器之间的串扰而无需借助于设备堆栈。另外，设置在图像传感器结构中的光导管腔体具有一定纵横比和侧壁角度，该纵横比和侧壁角度的大小被设定为充分阻挡激发光并且有效地收集发射光而无需借助于设备堆栈。此外，纵横比不太大，并且侧壁角度不太小，而不会使图像传感器结构制造起来不可靠。
根据本公开的一个或多个方面的图像传感器结构包括设置在设备堆栈上方的图像堆栈。该图像堆栈包括多个光检测器。第一滤光器堆栈设置在图像堆栈上方。第一滤光器堆栈包括光导层和设置在光导层中的多个光导管腔体。多个光导管腔体中的每个光导管腔体与多个光检测器中的光检测器相关联。每个光导管腔体具有大于约2.5:1的纵横比。纳米孔层设置在第一滤光器堆栈上方。多个纳米孔设置在纳米孔层中。每个纳米孔与多个光检测器中的光检测器相关联。
在一些示例中，图像传感器结构的光导管腔体具有在约11度至约1.2度范围内的侧壁角度。
在一些示例中，图像传感器结构包括设置在光导管腔体中的滤光器材料。滤光器材料在光导管腔体的侧壁处与光导层直接接触。
在一些示例中，图像传感器结构包括设置在第一滤光器堆栈上方的第二滤光器堆栈。第一滤光器堆栈和第二滤光器堆栈具有大于第一滤光器堆栈和第二滤光器堆栈中的任一者的总纵横比。
在一些示例中，图像传感器结构的光导层包含聚合物材料、半导体材料和电介质材料中的一者。
在一些示例中，图像传感器结构的第一光学堆栈包括设置在图像堆栈上方的中间层和设置在中间层上方的光导层。光导层是设置在光导管腔体的侧壁上并且不设置在光导管腔体的底表面上的金属层。光导层具有约100纳米或更小的厚度。
在一些示例中，图像传感器结构的图像堆栈包括基底层、多个隔离沟槽和电介质材料。基底层设置在多个光检测器上方。基底层用于透过发射光和激发光。多个隔离沟槽设置在基底层中。每个隔离沟槽设置成与多个光检测器中的光检测器相邻。电介质材料设置在每个隔离沟槽中。电介质材料用于电隔离多个光检测器中的每个光检测器。
在图像传感器结构的一些示例中，设置在第一滤光器堆栈中的中间层和图像堆栈的基底层由相同材料构成。
在图像传感器结构的一些示例中，中间层和基底层由硅构成。
在一些示例中，图像传感器结构包括由光学吸收材料构成的光导层。光学透明材料设置在光导管腔体中。光学透明材料所具有的折射率大于光学吸收材料的折射率。
在一些示例中，图像传感器结构包括串扰层、串扰帘幕、漫射层和光导管延伸部。串扰层设置在滤光器堆栈的顶表面上方并位于所述光导管腔体中的一个或多个光导管腔体之间。串扰帘幕在光导管腔体中的一个或多个光导管腔体之间从滤光器堆栈的顶表面向下延伸。漫射层设置在滤光器堆栈与图像堆栈之间。光导管延伸部设置在所述光导管腔体中的一个或多个光导管腔体的底部处。光导管延伸部延伸穿过漫射层。
根据本公开的一个或多个方面的另一个图像传感器结构包括设置在设备堆栈上方的图像堆栈。该图像堆栈包括多个光检测器。第一滤光器堆栈设置在图像堆栈上方。第一滤光器堆栈包括光导层、设置在光导层中的多个光导管腔体以及设置在光导管腔体中的滤光器材料。每个光导管腔体与多个光检测器中的光检测器相关联。滤光器材料在光导管腔体的侧壁处与光导层直接接触。纳米孔层设置在第一滤光器堆栈上方。多个纳米孔设置在纳米孔层中。每个纳米孔与多个光检测器中的光检测器相关联。
在图像传感器结构的一些示例中，光导管腔体具有大于约2.5:约1的纵横比。
在图像传感器结构的一些示例中，光导管腔体具有在约11度至约1.2度范围内的侧壁角度。
在图像传感器结构的一些示例中，光导层包含聚合物材料、半导体材料和电介质材料中的一者。
在图像传感器结构的一些示例中，第一滤光器堆栈包括设置在图像堆栈上方的中间层。光导层设置在中间层上方。光导层是设置在光导管腔体的侧壁上并且不设置在光导管腔体的底表面上的金属层。光导层具有约100纳米或更小的厚度。
在图像传感器结构的一些示例中，图像堆栈包括基底层、多个隔离沟槽和电介质材料。基底层设置在多个光检测器上方。基底层用于透过发射光和激发光。多个隔离沟槽设置在基底层中。每个隔离沟槽设置成与多个光检测器中的光检测器相邻。电介质材料设置在每个隔离沟槽中。电介质材料用于电隔离多个光检测器中的每个光检测器。
在图像传感器结构的一些示例中，设置在第一滤光器堆栈中的中间层和设置在图像堆栈中的基底层由相同材料构成。
在一些示例中，图像传感器结构包括设置在第一滤光器堆栈上方的第二滤光器堆栈。第一滤光器堆栈和第二滤光器堆栈具有大于第一滤光器堆栈和第二滤光器堆栈中的任一者的总纵横比。
在一些示例中，图像传感器结构包括串扰层、串扰帘幕、漫射层和光导管延伸部。串扰层设置在滤光器堆栈的顶表面上方并位于光导管腔体中的一个或多个光导管腔体之间。串扰帘幕在光导管腔体中的一个或多个光导管腔体之间从滤光器堆栈的顶表面向下延伸。漫射层设置在滤光器堆栈与图像堆栈之间。光导管延伸部设置在光导管腔体中的一个或多个光导管腔体的底部处。光导管延伸部延伸穿过漫射层。
根据本公开的一个或多个方面的另一个图像传感器结构包括设置在设备堆栈上方的图像堆栈。该图像堆栈包括多个光检测器。第一滤光器堆栈设置在图像堆栈上方。第一滤光器堆栈包括由光学吸收材料构成的光导层、设置在光导层中的多个光导管腔体以及设置在光导管腔体中的光学透明材料。每个光导管腔体与多个光检测器中的光检测器相关联。光学透明材料所具有的折射率大于光学吸收材料的折射率。纳米孔层设置在第一滤光器堆栈上方。多个纳米孔设置在纳米孔层中。每个纳米孔与多个光检测器中的光检测器相关联。
在图像传感器结构的一些示例中，光导管腔体具有在约11度至约1.2度范围内的侧壁角度以及大于约2.5:约1的纵横比。
在图像传感器结构的一些示例中，光学吸收材料在光导管腔体的侧壁处与光学透明材料直接接触。
在一些示例中，图像传感器结构包括串扰层、串扰帘幕、漫射层和光导管延伸部。串扰层设置在滤光器堆栈的顶表面上方并位于光导管腔体中的一个或多个光导管腔体之间。串扰帘幕在光导管腔体中的一个或多个光导管腔体之间从滤光器堆栈的顶表面向下延伸。漫射层设置在滤光器堆栈与图像堆栈之间。光导管延伸部设置在光导管腔体中的一个或多个光导管腔体的底部处。光导管延伸部延伸穿过漫射层。
形成根据本公开的一个或多个方面的图像传感器结构的方法包括将图像堆栈设置在设备堆栈上方。该图像堆栈包括多个光检测器。光导层设置在图像堆栈上方。多个光导管腔体蚀刻在光导层中。每个光导管腔体与多个光检测器中的光检测器相关联。每个光导管腔体具有大于约2.5:1的纵横比。纳米孔层设置在光导层上方。多个纳米孔设置在纳米孔层中。每个纳米孔与多个光检测器中的光检测器相关联。光导层、多个光导管腔体和滤光器材料包括设置在图像堆栈上方的第一滤光器堆栈。
在一些示例中，该方法包括将中间层设置在图像堆栈上方。光导层设置在中间层上方。光导层是设置在光导管腔体的侧壁上并且不设置在光导管腔体的底表面上的金属层。光导层具有约100纳米或更小的厚度。
在一些示例中，该方法包括将滤光器材料设置在光导管腔体中。滤光器材料在光导管腔体的侧壁处与光导层直接接触。
在一些示例中，该方法包括将第二滤光器堆栈设置在第一滤光器堆栈上方。第一滤光器堆栈和第二滤光器堆栈具有大于第一滤光器堆栈和第二滤光器堆栈中的任一者的总纵横比。
在一些示例中，该方法包括由光学吸收材料构成的光导层。光学透明材料设置在光导管腔体中。光学透明材料所具有的折射率大于光学吸收材料的折射率。
应当理解，前述概念和下文更详细讨论的附加概念(假设此类概念不相互矛盾)的所有组合都被设想为是本文所公开的发明主题的一部分并且可用于实现本文所述的益处和优点。
附图说明
通过以下结合附图进行的详细描述，将更全面地理解本公开，在附图中：
图1根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的图像传感器结构的示例的剖视图，其中包括多个光检测器的图像堆栈设置在设备堆栈上方；
图2根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的图1的图像传感器结构的示例的剖视图，其中光导层设置在图像堆栈上方；
图3根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的图2的图像传感器结构的示例的剖视图，其中多个光导管腔体蚀刻到光导层中，使得每个光导管腔体与多个光检测器中的光检测器相关联；
图4根据本文所述的各方面描绘了图3的圆形区域4-4的放大视图的示例的剖视图，其中示出了光导管腔体的纵横比和侧壁角度；
图5根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的图3的图像传感器结构的示例的剖视图，其中滤光器材料设置在光导管腔体中并且其中光导层、多个光导管腔体和滤光器材料形成第一滤光器堆栈；
图6根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的图5的图像传感器结构的示例的剖视图，其中第二滤光器堆栈设置在图5的第一滤光器堆栈上方；
图7根据本文所述的各方面描绘了制造完成阶段处的图5的图像传感器结构的示例的剖视图，其中具有多个纳米孔的纳米孔层设置在第一滤光器堆栈上方；
图8根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的图像传感器结构的示例的剖视图，其中多个光导管腔体蚀刻到中间层中并且金属光导层设置在光导管腔体的侧壁上；
图9根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的图8的图像传感器结构的示例的剖视图，其中滤光器材料设置在光导管腔体中并且其中中间层、光导层、多个光导管腔体和滤光器材料形成第一滤光器堆栈；
图10根据本文所述的各方面描绘了制造完成阶段处的图9的图像传感器结构的示例的剖视图，其中具有多个纳米孔的纳米孔层设置在第一滤光器堆栈上方；
图11根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的图像传感器结构的示例的剖视图，其中中间层设置在图像堆栈的基底层上方，其中中间层和基底层由相同材料构成，并且其中多个光导管腔体蚀刻到中间层中；
图12根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的图11的图像传感器结构的示例的剖视图，其中金属光导层设置在光导管腔体的侧壁上；
图13根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的图12的图像传感器结构的示例的剖视图，其中滤光器材料设置在光导管腔体中并且其中中间层、光导层、多个光导管腔体和滤光器材料形成第一滤光器堆栈；
图14根据本文所述的各方面描绘了制造完成阶段处的图13的图像传感器结构的示例的剖视图，其中具有多个纳米孔的纳米孔层设置在第一滤光器堆栈上方；
图15根据本文所述的各方面描绘了制造完成阶段处的另一个图像传感器结构400的示例的剖视图，其中漫射层设置在图像堆栈与滤光器堆栈之间；并且
图16根据本文所述的各方面描绘了制造完成阶段处的另一个图像传感器结构500的示例的剖视图，其中光导层由滤光器材料构成并且光导管腔体填充有光学透明材料。
具体实施方式
现在将描述某些示例以提供对本文公开的方法、系统和设备的结构、功能、制造和使用的原理的全面理解。在附图中示出一个或多个示例。本领域技术人员将理解，本文具体描述并在附图中示出的方法、系统和设备是非限制性示例，并且本公开的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例示出或描述的特征可与其他示例的特征组合。这样的修改和变化旨在包括在本公开的范围内。
术语“基本上”、“大约”、“约”、“相对”或可能在本公开通篇(包括权利要求书)使用的其他此类类似术语用于描述和考虑小波动(诸如由于偏离基准或参数的处理变化)。此类小波动也包括偏离基准或参数的零波动。例如，它们可以指小于或等于±10％，诸如小于或等于±5％，诸如小于或等于±2％，诸如小于或等于±1％，诸如小于或等于±0.5％，诸如小于或等于±0.2％，诸如小于或等于±0.1％，诸如小于或等于±0.05％。
参见图1至图16，在所有这几个视图中，类似附图标记用于指示类似或相似部件。图1至图6、图8至图9和图11至图13根据本文所述的各方面示出了分别在各个制造中间阶段处的图像传感器结构100、200和300的示例。图7、图10、图14、图15和图16示出了分别在制造完成阶段处的图像传感器结构100、200、300、400和500的示例。
参见图1，根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的图像传感器结构100的示例的剖视图。在该制造阶段处，图像传感器结构100包括设置在设备堆栈104上方的图像堆栈102。如本文将更详细讨论，图像传感器结构100是背照式(BSI)图像传感器结构。
为了为图像传感器结构100提供机械支撑，将载体基底106粘结到设备堆栈104。载体基底106可包含或为硅或另一种半导体材料。载体基底106的厚度可在400微米至800微米的范围内。
可利用穿硅通孔(TSV)110建立从设备堆栈104到粘结在载体基底106的正面上的导电垫108的电输入/输出连接。TSV可具有金属衬垫109或填充有金属诸如钨(W)、铝(Al)或铜(Cu)。
设备堆栈104可包含多个电介质层111。电介质层111可包含或为SiO2、SiN、SiON或其他电介质材料。
电介质层111可包含各种设备电路112，诸如例如电阻器、电容器、二极管和/或晶体管以及它们的互连器。设备堆栈104的设备电路112与设置在图像堆栈102中的多个光检测器114A、114B、114C、114D、114E(统称为114)对接。设备电路112可操作以使用发射光158(图7中最佳地看出)的所检测的可见光子(light photon)来处理来自光检测器114的数据信号。
如本文所用的光检测器114可为例如半导体。该半导体可包括光电二极管、互补金属氧化物半导体(CMOS)材料或这两者。光检测器114也可为半导体材料中的光电二极管结区域或注入物。例如，光电二极管114可为p基底中的n掺杂区、n掺杂基底上的p阱上的n掺杂区或任何其他二极管组合。
图像堆栈102包括设置在设备堆栈104上方的所述多个光检测器114。基底层116设置在多个光检测器114上方。基底层116可包含或为硅、硅锗、砷化镓或其他半导体材料。如本文将更详细解释，基底层116用于透过从设置在图像堆栈102上方的纳米孔148(图7中最佳地看出)发出的发射光158和激发光156。发射光158可例如在约500纳米(nm)至约650nm的波长范围内。激发光156可例如在约400nm至约570nm的波长范围内。发射光158可具有大于激发光156的波长。更具体地讲，发射光158可具有在比激发光156的波长要大约40nm至140nm之间的范围内的波长。
图像堆栈102还包括设置在基底层116中的多个隔离沟槽118A、118B、118C、118D和118E(统称为118)。每个隔离沟槽118设置成与多个光检测器114中的光检测器114相邻。隔离沟槽118可为深沟槽并且可具有约5:1至约25:1的大纵横比AR。如本文所用的纵横比AR是特征(在这种情况下为隔离沟槽118)的高度与该特征的最大宽度的比率。
由于制造公差，隔离沟槽118可能并不全都具有相同高度。例如，隔离沟槽118A-118D被示出为不延伸跨越基底层116的全厚度，并且隔离沟槽118E-118F被示出为延伸跨越基底层116的整个厚度。
图像堆栈102还包括设置在每个隔离沟槽118中的电介质材料120。电介质材料118用于电隔离所述多个光检测器114中的每个光检测器114。电介质材料118也用于通过阻挡或显著减少光检测器114之间的光传输或光生电子来显著减少光检测器之间的串扰。电介质材料可包含或为SiO2、SiN、SiON或其他电介质材料。
在图1所示的制造中间阶段处制备图像传感器结构100的方法的示例可包括首先提供基底层116。之后可利用各种掺杂技术来形成基底层116中的n掺杂和p掺杂光电二极管结区域以便形成光检测器114。然后可在光检测器114之间各向异性地蚀刻隔离沟槽118(例如，使用反应离子蚀刻(RIE)工艺)。之后可用电介质材料120填充隔离沟槽118以便提供电气深沟槽隔离(DTI)并且显著减少光检测器114之间的串扰。可通过例如化学机械平面化(CMP)工艺将任何多余的电介质材料120一直平面化到光检测器114的水平。然后可将设备堆栈104直接设置在光检测器114上方以完成图像传感器结构100的图像堆栈102和设备堆栈104的形成。之后可将载体基底106粘结到设备堆栈104以向图像传感器结构100提供机械支撑。
参见图2，根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的图1的图像传感器结构100的示例的剖视图，其中光导层122设置在图像堆栈102上方。光导层122可包含或为例如聚合物材料、半导体材料或电介质材料。如果光导层为聚合物，则其可包含或为SU-8光致抗蚀剂材料、苯并环丁烯(BCB)、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其他染料着色的膜。如果光导层为电介质，则其可包含或为SiO2、SiN、SiC、氧氮化硅或其他电介质。如果其为半导体材料，则其可包含或为硅或其他半导体材料。
参见图3，根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的图2的图像传感器结构100的示例的剖视图，其中多个光导管腔体124A、124B、124C、124D、124E(统称为124)形成到光导层122中。每个光导管腔体124与所述多个光检测器114中的光检测器114相关联。更具体地讲，每个光导管腔体124A、124B、124C、124D、124E分别与相关联的光检测器114A、114B、114C、114D、114E对准。因此，可将穿过光导管腔体124的光导向到其相关联的光检测器114上，而不导向到任何非关联的光检测器上。
可将光导管腔体124各向异性地蚀刻和/或光刻图案化到光导层122中。由于制造公差，光导管腔体124可能并不总是穿透光导层122的整个厚度。例如，光导管腔体124D被示出为具有设置在光导管腔体的底部处的较小厚度的光导层122材料。然而，光导管腔体124D的底部处的光导层122的厚度足够小，使得其不会显著阻挡朝向光传感器114导向的光。为了不显著阻挡光，光导管腔体124的底部处的光导层122的厚度可为约50纳米厚或更小，或可为约20纳米厚或更小。
光导层122显著减少或阻挡从一个光导管腔体124到另一个光导管腔体的光传输以帮助减少光检测器114之间的串扰。术语“相当大”在本文中可指大于或等于约50％。例如，光导层122可将从一个光导管腔体124到另一个光导管腔体的光传输减少50％、60％、75％或更多。光导层122还有助于将发射光156的相当大部分引导穿过光导管腔体124并到达其相关联的光检测器114上。例如，光导层可有助于将50％、60％、75％或更多的发射光156引导到其相关联的光检测器114上。
参见图4，根据本文所述的各方面描绘了图3的圆形区域4-4的示例的放大剖视图，其中示出了光导管腔体124的纵横比AR和侧壁角度θ。如本文将更详细解释，光导管腔体124的纵横比AR可在约2.5:1至约25:1的范围内，具体取决于阻挡激发光和收集从设置在图像传感器结构100中的光导管腔体124正上方的纳米孔148发出的发射光的需要。更具体地讲，图3和图4的光导管腔体124的纵横比AR是光导管腔体124的实际高度H与最大宽度W的比率，该最大宽度恰巧是光导管腔体124的顶部处的顶部宽度W。
可靠地制造此类高纵横比光导管腔体124可能不切实际或没有成本效益，其中腔体124的底部处的底部宽度W’等于腔体124的顶部处的顶部宽度W。换句话讲，这些高纵横比光导管腔体124的可靠且有成本效益的制造工艺可更有可能包括具有相对于竖直参考线126(即，与光导层122的顶表面128基本上垂直的线126)的非零侧壁角度θ的侧壁130。
光导管腔体124的任一侧上的侧壁角度θ更有可能基本上相等。因此，底部宽度W’距从腔体124的顶部边缘129向下延伸的竖直参考线126的水平距离d(在光导管腔体124的任一侧上)也可基本上相等。
此类非零侧壁角度θ将限制光导管腔体124对于任何给定侧壁角度θ均可达到的最大可达高度Hmax和因此最大可达纵横比ARmax。即，最大可达高度Hmax限于光导管腔体124的底部处的底部宽度W’可变为零的高度。换句话讲，最大可达高度Hmax限于侧壁130对于任何给定侧壁角度θ均可在点132处相交的高度。由于光导管腔体124的任一侧上的侧壁角度θ基本上相等，因此点132水平地定位在腔体124的顶部处的宽度W的中间。因此，底点132离竖直参考线126的水平距离也可基本上等于W/2。
实际纵横比AR、最大可达纵横比ARmax、实际高度H、最大可达高度Hmax、侧壁角度θ、顶部宽度W、底部宽度W'和距离d之间的关系可表示如下：
AR＝H/W；
tanθ＝d/H＝0.5W/Hmax；以及
ARmax＝Hmax/W＝H/(2d)＝H/(W-W')＝0.5/(tanθ)。
因此，由于ARmax＝0.5/(tanθ)，故侧壁角度θ越小，可获得的最大可达纵横比ARmax就越大。
参见图5，根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的图3的图像传感器结构100的示例的剖视图，其中滤光器材料134设置在光导管腔体124中。在该制造阶段处，光导层122、多个光导管腔体124和滤光器材料134形成设置在图像堆栈102上方的完成的第一滤光器堆栈136。
滤光器材料134可阻挡激发光的相当大部分。例如，滤光器材料可透过约500nm至650nm范围内的发射光波长的相当大部分，并且可阻挡约400nm至570nm范围内的激发光的相当大部分。
滤光器材料134设置在光导管腔体124中，使得其在光导管腔体124的侧壁130处与光导层122直接接触。使滤光器材料134在光导管腔体124的侧壁130处与光导层122直接接触确保了大量的激发光156不会意外地在滤光器材料134与光导层122之间传输而到达下方的光检测器114。
滤光器材料134可包含或为染料-聚合物共混物，其中该染料可具有低荧光。例如，该染料可包含或为金属化偶氮染料复合物类别的成员，诸如奥丽素橙型染料、奥丽素黄型染料、溶剂黄型染料、溶剂橙型染料或溶剂红型染料。该聚合物可包含或为例如乙酸丁酸纤维素。
可将材料134旋涂或喷涂到光导管腔体124中，烘干和/或烤干。可将任何多余的滤光器材料134一直平面化到光导层122的顶表面128的水平。
光导管腔体124和滤光器材料130有效地充当光导，该光导阻挡大多数激发光156并将发射光158的相当大部分传输到多个光检测器114。为了有效地起到光导的作用，光导管腔体124在一些具体实施中具有高度H，该高度足够高而使所选择的光导材料134能够阻挡激发光156的实质部分传输到下方的光检测器114。
另外，为了有效地起到光导的作用，腔体124的顶部宽度W在一些具体实施中足够大以便即使当光检测器114之间的间距很小(例如小于约0.5微米)时，也能有效地收集实质量的发射光158。当光检测器114之间的间距与顶部宽度W相比较小时，光导管腔体124的底部宽度W’与顶部宽度W相比也可较小。
实现大高度H以及光导管腔体的顶部宽度W与底部宽度W’之间的大差值的一种方式是具有高纵横比。例如，纵横比H/W可大于约2.5:1，可大于约5:1，可大于约10:1，并且可大于约20:1。
实际纵横比H/W越高，最大可达纵横比Hmax/W可越高并且侧壁角度θ可越小。例如：
·对于约2.5:1的实际纵横比，最大可达纵横比可为约2.5:1或更大，并且侧壁角度θ可为约11度或更小；
·对于约5:1的实际纵横比，最大可达纵横比可为约5:1或更大，并且侧壁角度θ可为约6度或更小；
·对于约10:1的实际纵横比，最大可达纵横比可为约10:1或更大，并且侧壁角度θ可为约3度或更小；并且
·对于约20:1的实际纵横比，最大可达纵横比可为约20:1或更大，并且侧壁角度θ可为约1.5度或更小。
然而，较高的最大可达纵横比和对应的较小的侧壁角度θ可能制造起来不切实际、不可靠且很昂贵。例如，约大于25:1的最大可达纵横比和约小于1.2度的对应侧壁角度θ可能难以可靠地以相当大的量制造。
因此，为了实现有效地阻挡激发光156并收集发射光158的光导(即，填充有滤光器材料134的光导管腔体124)的可靠制造，可使光导管腔体的纵横比H/W和侧壁角度θ处于某些预定范围内。例如，光导管腔体可具有：
·约2.5:1或更大的纵横比以及在约11度至约1.2度范围内的侧壁角度；
·约5:1或更大的纵横比以及在约6度至约1.2度范围内的侧壁角度；
·约5:1或更大的纵横比以及在约6度至约1.5度范围内的侧壁角度；
·约10:1或更大的纵横比以及在约3度至约1.2度范围内的侧壁角度；以及
·约10:1或更大的纵横比以及在约3度至约1.5度范围内的侧壁角度。
参见图6，根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的图5的图像传感器结构的示例的剖视图，其中第二滤光器堆栈138设置在图5的第一滤光器堆栈136上方。组合的第一滤光器堆栈136和第二滤光器堆栈138具有大于第一滤光器堆栈和第二滤光器堆栈中的任一者的总纵横比。
高纵横比通常可能难以可靠地制造，但可能期望高纵横比实现诸如基本上阻挡激发光156或有效地收集发射光158之类的参数。例如，大于约10、大于约15、大于约20和大于约25的总纵横比可能是期望的。为了实现此类高纵横比，但仍具有合理制造极限内的侧壁角度θ，可将第二滤光器堆栈138设置在第一滤光器堆栈136上方。侧壁角度θ的此类合理制造极限可为例如1.2度或更多、1.5度或更多以及3度或更多。
第二滤光器堆栈138可包括设置在第一滤光器堆栈136上方的第二光导层140。第二多个光导管腔体142可形成到第二光导层140中。每个第二光导管腔体与多个光检测器中的光检测器114相关联。第二滤光器材料144可设置在每个第二光导管腔体142内。第二光导管腔体可具有第二光导管腔体高度H2和第二光导管腔体顶部宽度W2。
总纵横比可约等于组合的第一光导管腔体124和第二光导管腔体140的总高度HTOT除以组合的第一光导管腔体124和第二光导管腔体140的最大宽度。如果第二滤光器堆栈138基本上与第一滤光器堆栈136在几何上相同，则总纵横比可有效地为第一光导管腔体124的纵横比的约两倍并且侧壁角度θ可保持大约相同。
即，总纵横比可约等于第一光导管腔体124和第二光导管腔体140的组合高度H、H2的总高度HTOT除以组合的第一光导管腔体124和第二光导管腔体140的最大宽度。最大宽度可为两个顶部宽度W、W2中的较宽者。由于总高度HTOT可为第一光导管腔体124的高度H的约两倍，并且最大宽度可约等于第一光导管腔体的宽度W，因此总纵横比可为第一光导管腔体124的约两倍。然而，侧壁角度θ可在整个第一光导管腔体124和第二光导管腔体142中保持大约相同。
尽管第二滤光器堆栈138在图6中被示出为基本上与第一滤光器堆栈136相同，但是也可利用第二滤光器堆栈138的其他构型。例如，第二滤光器堆栈138与第一滤光器堆栈136的不同之处可在于第二光导层140的材料和尺寸、第二光导管腔体142的材料和尺寸以及第二滤光器材料的材料和尺寸。
参见图7，根据本文所述的各方面描绘了制造完成阶段处的图5的图像传感器结构100的示例的剖视图，其中具有多个纳米孔148A、148B、148C、148D、148E(统称为148)的纳米孔层146设置在第一滤光器堆栈136上方。每个纳米孔148与所述多个光检测器中的光检测器114相关联。更具体地讲，每个纳米孔148A、148B、148C、148D、148E可分别与相关联的光导管腔体124A、124B、124C、124D、124E和相关联的光检测器114A、114B、114C、114D、114E对准。因此，从纳米孔148发出的某些光可穿过其相关联的光导管腔体124并且可被导向到其相关联的光检测器114上，而不导向到任何非关联的光检测器上。
纳米孔层146可为一个或多个层的电介质材料，诸如氮化硅SiN或一种类型的氧化钽(诸如五氧化二钽Ta2O5)。纳米孔148可被光刻图案化并蚀刻到纳米孔层146中。
钝化堆栈150可任选地设置在第一滤光器堆栈136正上方，其中纳米孔层146可设置在钝化堆栈上方。钝化堆栈可为一个或多个层的电介质材料，诸如SiO2或SiN。钝化堆栈也可为一个或多个层的聚合物，诸如BCB或SU8。钝化堆栈可用于降低第一滤光器堆栈136的化学反应性，其中在纳米孔148中执行化学反应。
在操作期间，可用荧光标记的分子154标记某些分析物152(诸如DNA片段簇等)，并且可将这些分析物设置在纳米孔148中。然后可将各种类型的激发光156辐射到纳米孔148中的分析物152上，从而引起标记的分子154发出发荧光的发射光158。发射光158的大多数光子可穿过钝化堆栈150并且进入其相关联的光导管腔体124。光导管腔体124与其滤光器材料134一起充当光导，该光导可滤除大多数激发光156并且将发射光158的相当大部分导向到位于该光导正下方的相关联的光检测器114。
光检测器114检测发射光光子158。然后设备堆栈104内的设备电路112基于发射光158的那些所检测的光子来处理和传输数据信号。随后可分析数据信号以揭示分析物152的特性。
图像传感器结构100是背照式(BSI)图像传感器结构，因为纳米孔148设置在图像传感器结构100的背面上，并且因为设备堆栈104不设置在纳米孔层146与多个光检测器114之间。换句话讲，设备堆栈104和纳米孔层146设置在多个光检测器114的相对侧面上。因此，纳米孔148由激发光156从图像传感器结构100的背面照明。
然而，由于设备堆栈104的位置，设备电路112可能不可用，而不能帮助减少从纳米孔148发出并到达非关联的光检测器114上的发射光光子158的串扰。为了补偿设备堆栈104的不足，利用光导层122来阻挡大多数发射光158和激发光156从一个光导管腔体124传输到另一个光导管腔体。换句话讲，光导层122用于防止或至少基本上防止从纳米孔148中的荧光标记的分子154发射的发射光158和从图像传感器结构100的背面照明纳米孔148的激发光156穿过其中。
另外，光导层122在光导管腔体124的侧壁130处与滤光器材料134直接接触。因此，很少乃至没有激发光156可在不经过滤光器材料134的情况下穿过光导管腔体124。滤光器材料134用于阻挡激发光156并且使发射光158穿过而到达光检测器114。
光导管腔体124的高纵横比H/W使填充腔体124的滤光器材料134在几何上成形。因此，光导管腔体124的高纵横比有助于向滤光器材料134提供足够高度H，这使滤光器材料134能够阻挡激发光156的相当大部分穿过。
光导管腔体124的高纵横比H/W还提供相对于光导管腔体124的底部宽度W’而言显著更宽的顶部宽度W。因此，即使当光检测器114之间的间距小至例如约0.6微米至0.5微米或更小时，光导管腔体124也可有效地收集发射光158。
光导管腔体124的高纵横比H/W可高达约2.5:1、约5:1、约10:1、约20:1或更多。另外，侧壁角度θ足够小以允许光导管腔体124中的高纵横比，但又不会大到使光导管腔体的制造不可靠和/或过于昂贵。光导管腔体124的侧壁角度θ可在约11度至约1.2度的范围内，在约10度至约1.5度的范围内，在约6度至约1.2度的范围内，在约3度至约1.2度的范围内，以及在约3度至约1.5度的范围内。
参见图8，根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的另一个图像传感器结构200的示例的剖视图，其中多个光导管腔体124蚀刻到中间层160中并且金属光导层162设置在光导管腔体124的侧壁130上。光导层162可包含或为金属，诸如铝、金或铜。然而，如果光导管腔体124之间的金属光导层162的厚度太大，则该金属可在发射光158到达光检测器114之前吸收过多发射光。为了不吸收过多发射光158，光导管腔体124之间的金属光导层162的厚度可为例如约100纳米或更小、约50纳米或更小、或约40纳米或更小。
中间层160设置在图像堆栈102上方并且为相对较薄的金属光导层162提供机械支撑。光导层162设置在中间层160上方并在光导管腔体124的侧壁130上。在一个具体实施中，金属层直接设置在侧壁上。
金属光导层162可不设置在光导管腔体124的底表面164上。这是因为金属光导层162即使薄至100纳米或更小，也可防止发射光158的相当大部分传输到图像堆栈102中(如果该图像堆栈设置在光导管腔体124的底表面164上的话)。
中间层160可包含或为例如聚合物材料、半导体材料或电介质材料。如果中间层包含聚合物，则该聚合物可包含或为SU-8光致抗蚀剂材料、苯并环丁烯(BCB)、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其他染料着色的膜。如果光导层包含电介质，则该电介质可包含或为SiO2、SiN、SiC或其他电介质。如果其为半导体材料，则其可包含或为硅或其他半导体材料。可将光导管腔体124各向异性地蚀刻和/或光刻图案化到中间层160中。
中间层160可由这样的材料构成，该材料太透明而不能充当光导层，但可轻松可靠地蚀刻到本文先前讨论的高纵横比。在这种情况下，可能有利的是使用中间层160来实现此类高纵横比光导管腔体124的制造，然后用薄金属光导层162涂布腔体侧壁130。
可利用例如空白沉积工艺、原子层沉积、化学镀或电镀将金属光导层162涂布在光导管腔体124的侧壁130上。可通过例如各向异性蚀刻工艺(诸如反应离子蚀刻工艺)来去除意外设置在光导管腔体124的底表面164上的任何金属光导层162。各向异性蚀刻工艺留下光导管腔体124的侧壁130上的金属光导层162。
参见图9，根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的图8的图像传感器结构200的示例的剖视图，其中滤光器材料134设置在光导管腔体124中并且其中中间层160、光导层162、所述多个光导管腔体124和滤光器材料134形成第一滤光器堆栈136。
滤光器材料134设置在光导管腔体124中，使得其在光导管腔体124的侧壁130处与光导层162直接接触。使滤光器材料134在光导管腔体124的侧壁130处与光导层162直接接触确保了大量的激发光156不会意外地在滤光器材料134与光导层162之间传输而到达下方的光检测器114。
滤光器材料134可为基于染料的聚合物。可将材料134旋涂或喷涂到光导管腔体124中，烘干和/或烤干。可将任何多余的滤光器材料134一直平面化到中间层160的顶表面128的水平。
参见图10，根据本文所述的各方面描绘了制造完成阶段处的图9的图像传感器结构200的示例的剖视图，其中具有多个纳米孔148的纳米孔层146设置在第一滤光器堆栈136上方。图像传感器结构200的所有方面基本上与先前讨论的图像传感器结构100的各方面相同或类似，不同的是金属光导层162设置在光导管引导件124的侧壁130上并且中间层160机械地支撑光导层162。
在操作期间，可用荧光标记的分子154标记某些分析物152(诸如DNA片段簇等)，并且可将这些分析物设置在纳米孔148中。然后可将各种类型的激发光156辐射到纳米孔148中的分析物152上，从而引起标记的分子154发出发荧光的发射光158。发射光158的大多数光子可穿过钝化堆栈150并且进入其相关联的光导管腔体124。光导管腔体124与其滤光器材料134一起充当光导，该光导可滤除大多数激发光156并且将发射光158的相当大部分导向到位于该光导正下方的相关联的光检测器114。
光检测器114检测发射光光子158。然后设备堆栈104内的设备电路112基于发射光158的那些所检测的光子来处理和传输数据信号。随后可分析数据信号以揭示分析物152的特性。
图像传感器结构200是背照式(BSI)图像传感器结构，因为纳米孔148设置在图像传感器结构200的背面上，并且因为设备堆栈104不设置在纳米孔层146与所述多个光检测器114之间。因此，纳米孔148由激发光156从图像传感器结构200的背面照明。
然而，由于设备堆栈104的位置，设备电路112可能不可用，而不能帮助减少从纳米孔148发出并到达非关联的光检测器114上的发射光光子158的串扰。为了补偿设备堆栈104的不足，将光导层162设置在中间层160上方并且利用该光导层来阻挡大多数发射光158和激发光156从一个光导管腔体124传输到另一个光导管腔体。
另外，光导层162在光导管腔体124的侧壁130处与滤光器材料134直接接触。因此，很少乃至没有激发光156可在不经过滤光器材料134的情况下穿过光导管腔体124。滤光器材料134用于阻挡激发光156并且使发射光158穿过而到达光检测器114。
光导管腔体124的高纵横比H/W使填充腔体124的滤光器材料134在几何上成形。因此，光导管腔体124的高纵横比有助于向滤光器材料134提供足够高度H，这使滤光器材料134能够阻挡激发光156的相当大部分穿过。
光导管腔体124的高纵横比H/W还提供相对于光导管腔体124的底部宽度W’而言显著更宽的顶部宽度W。因此，即使当光检测器114之间的间距小至例如约0.6微米至0.5微米或更小时，光导管腔体124也可有效地收集发射光158。
光导管腔体124的高纵横比H/W可高达约2.5:1、约5:1、约10:1、约20:1或更多。另外，侧壁角度θ足够小以允许光导管腔体124中的高纵横比，但又不会大到使光导管腔体的制造不可靠和/或过于昂贵。光导管腔体124的侧壁角度θ可在约11度至约1.2度的范围内，在约10度至约1.5度的范围内，在约6度至约1.2度的范围内，在约3度至约1.2度的范围内，以及在约3度至约1.5度的范围内。
参见图11，根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的图像传感器结构300的示例的剖视图。在结构300中，中间层166设置在图像堆栈102的基底层116上方。中间层166和基底层116由相同材料构成。中间层166和基底层116可包含或为硅、硅锗、砷化镓或其他半导体材料。
在制造早期阶段期间，组合层168可以以一定高度设置在设备堆栈104上方，该高度至少与组合图像堆栈102和第一滤光器堆栈136的高度一样高。然后可将组合层168一直平面化到预定高度170，该预定高度基本上等于图像堆栈102和第一滤光器堆栈136的组合高度。在该制造阶段处，中间层166构成组合层168的上部并且基底层116构成组合层168的下部。
可将多个光导管腔体124各向异性地蚀刻到中间层166中。这可通过例如反应离子蚀刻工艺进行。由于中间层166为半导体材料，因此更容易蚀刻到高纵横比。然而，中间层166太透明而不能充当光导层。
参见图12，即根据本文所述的各方面的在制造中间阶段处的图11的图像传感器结构300的示例的剖视图，其中金属光导层172设置在光导管腔体124的侧壁130上。与图像传感器结构200非常类似，金属光导层172设置在光导管腔体124的侧壁130上，因为中间层166太透明而不能充当光导层。
光导层172可包含或为金属，诸如铝、金或铜。然而，如果光导管腔体124之间的金属光导层172的厚度太大，则该金属可在发射光158到达光检测器114之前吸收过多发射光。为了不吸收过多发射光158，光导管腔体124之间的金属光导层172的厚度可为例如约100纳米或更小、约50纳米或更小、或约40纳米或更小。
中间层166设置在图像堆栈102上方并且为相对较薄的金属光导层172提供机械支撑。光导层172设置在中间层166上方并在光导管腔体124的侧壁130上。
金属光导层172可不设置在光导管腔体124的底表面174上。这是因为金属光导层162即使薄至100纳米或更小，也可减少并且在一些情况下甚至防止发射光158的相当大部分传输到图像堆栈102中(如果该图像堆栈设置在光导管腔体124的底表面174上的话)。
可利用例如空白沉积工艺、原子层沉积、化学镀或电镀将金属光导层172涂布在光导管腔体124的侧壁130上。可通过例如各向异性蚀刻工艺(诸如反应离子蚀刻工艺)来去除意外设置在光导管腔体124的底表面174上的任何金属光导层172。各向异性蚀刻工艺留下光导管腔体124的侧壁130上的金属光导层172。
参见图13，根据本文所述的各方面描绘了制造中间阶段处的图12的图像传感器结构300的示例的剖视图，其中滤光器材料134设置在光导管腔体124中并且其中中间层166、光导层172、多个光导管腔体124和滤光器材料134形成第一滤光器堆栈136。
滤光器材料134设置在光导管腔体124中，使得其在光导管腔体124的侧壁130处与光导层172直接接触。使滤光器材料134在光导管腔体124的侧壁130处与光导层172直接接触确保了大量的激发光156不会意外地在滤光器材料134与光导层172之间传输而到达下方的光检测器114。
滤光器材料134可为基于染料的聚合物。可将材料134旋涂或喷涂到光导管腔体124中，烘干和/或烤干。可将任何多余的滤光器材料134一直平面化到中间层166的顶表面128的水平。
参见图14，根据本文所述的各方面描绘了制造完成阶段处的图13的图像传感器结构300的示例的剖视图，其中具有多个纳米孔148的纳米孔层146设置在第一滤光器堆栈136上方。图像传感器结构300的所有方面基本上与先前讨论的图像传感器结构200的各方面相同或类似，不同的是中间层166和基底层116为相同材料。
在操作期间，可用荧光标记的分子154标记某些分析物152(诸如DNA片段簇等)，并且可将这些分析物设置在纳米孔148中。然后可将各种类型的激发光156辐射到纳米孔148中的分析物152上，从而引起标记的分子154发出发荧光的发射光158。发射光158的大多数光子可穿过钝化堆栈150并且进入其相关联的光导管腔体124。光导管腔体124与其滤光器材料134一起充当光导，该光导可滤除大多数激发光156并且将发射光158的相当大部分导向到位于该光导正下方的相关联的光检测器114。
光检测器114检测发射光光子158。然后设备堆栈104内的设备电路112基于发射光158的那些所检测的光子来处理和传输数据信号。随后可分析数据信号以揭示分析物152的特性。
图像传感器结构300是背照式(BSI)图像传感器结构，因为纳米孔148设置在图像传感器结构300的背面上，并且因为设备堆栈104不设置在纳米孔层146与多个光检测器114之间。因此，纳米孔148由激发光156从图像传感器结构300的背面照明。
然而，由于设备堆栈104的位置，设备电路112可能不可用，而不能帮助减少从纳米孔148发出并到达非关联的光检测器114上的发射光光子158的串扰。为了补偿设备堆栈104的不足，将光导层172设置在中间层166上方并且利用该光导层来阻挡大多数发射光158和激发光156从一个光导管腔体124传输到另一个光导管腔体。
另外，光导层172在光导管腔体124的侧壁130处与滤光器材料134直接接触。因此，很少乃至没有激发光156可在不经过滤光器材料134的情况下穿过光导管腔体124。滤光器材料134用于阻挡激发光156并且使发射光158穿过而到达光检测器114。
光导管腔体124的高纵横比H/W使填充腔体124的滤光器材料134在几何上成形。因此，光导管腔体124的高纵横比有助于向滤光器材料134提供足够高度H，这使滤光器材料134能够阻挡激发光156的相当大部分穿过。
光导管腔体124的高纵横比H/W还提供相对于光导管腔体124的底部宽度W’而言显著更宽的顶部宽度W。因此，即使当光检测器114之间的间距小至例如约0.6微米至0.5微米或更小时，光导管腔体124也可有效地收集发射光158。
光导管腔体124的高纵横比H/W可高达约2.5:1、约5:1、约10:1、约20:1或更多。另外，侧壁角度θ足够小以允许光导管腔体124中的高纵横比，但又不会大到使光导管腔体的制造不可靠和/或过于昂贵。光导管腔体124的侧壁角度θ可在约11度至约1.2度的范围内，在约10度至约1.5度的范围内，在约6度至约1.2度的范围内，在约3度至约1.2度的范围内，以及在约3度至约1.5度的范围内。
参见图15，根据本文所述的各方面描绘了制造完成阶段处的另一个图像传感器结构400的示例的剖视图。图像传感器结构400与图像传感器结构200类似，不同的是添加了串扰阻挡层180和漫射层182。
串扰层180可设置在滤光器堆栈136的顶表面上方并介于一个或多个光导管腔体124之间。串扰层180有助于减少光导管腔体124之间的串扰。
串扰层180可由金属材料构成。串扰层180可由W、Al、AlSi、Cu或Ta构成。串扰层材料可包含能够形成CMOS材料的金属材料。层180的厚度可在约20nm至150nm的范围内。
尽管串扰层180是在图像传感器结构400的该示例中示出的，但是串扰层180也可用于其他图像传感器结构中。例如，串扰层180可用于图像传感器结构100、200、300或500(参见图16)的任何示例中。
漫射层182可设置在滤光器堆栈136与图像堆栈102之间。漫射层182可用作扩散屏障。漫射层182可用于减少来自滤光器材料134或来自其他杂质诸如包装或湿气的自由离子流。漫射层182还可用作平面化层以使基底层116的表面平面化。
漫射层182可由电介质金属氧化物材料或氮化物材料构成。漫射层182可由例如SiO2、TaOx、SiN或SiON构成。漫射层182的厚度可在约50nm至约350nm的范围内。
尽管漫射层182是在图像传感器结构400的该示例中示出的，但是漫射层182也可用于其他图像传感器结构中。例如，漫射层182可用于图像传感器结构100、200、300或500(参见图16)的任何示例中。
参见图16，根据本文所述的各方面描绘了制造完成阶段处的另一个图像传感器结构500的示例的剖视图。图像传感器结构500与先前图像传感器结构100-400的不同之处主要在于其滤光器堆栈136。
在图像传感器结构500的滤光器堆栈136中，光导层184由光学吸收材料构成。光学吸收材料可为例如与用于填充图像传感器结构100-400中的光导管腔体124的滤光器材料134相同的材料。光学吸收材料可具有例如在约1.5至1.8之间的范围内的折射率。
滤光器材料184可包含或为例如染料-聚合物共混物，其中该染料可具有低荧光。例如，该染料可包含或为金属化偶氮染料复合物类别的成员，诸如奥丽素橙型染料、奥丽素黄型染料、溶剂黄型染料、溶剂橙型染料或溶剂红型染料。该聚合物可包含或为例如乙酸丁酸纤维素。
此外，与具有设置在其光导管腔体124中的滤光器材料134的先前图像传感器结构100-400不同，光学透明材料186设置在图像传感器结构500的光导管腔体124中。透明材料186可例如由五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化钛(TiO2)或氮化硅(SiN)构成。
光学透明材料186具有大于光学吸收材料184的折射率的折射率。透明材料186的折射率可具有在约1.8至2.7之间的范围内的折射率。
构成光导层184的光学吸收材料与设置在光导管腔体124中的光学透明材料186之间的折射率差异显著减少了光导管腔体124之间的串扰并且有助于引导发射光158穿过光导管腔体并到达图像堆栈102中的光检测器114上。同时，光学吸收材料吸收激发光156的主要部分并且起到显著减少或防止激发光156到达光检测器114的作用。
光导管腔体124的高度H与光导管腔体的最大宽度W的比率(即，光导管腔体的实际纵横比AR)越大，可被光导层184中的光学吸收材料吸收的激发光156的量越大。因此，纵横比可较高。例如，光导管腔体的纵横比可为约2.5:1或更大、5:1或更大、10:1或更大、15:1或更大、或20:1或更大，以便优化激发光156的吸收。
然而，如本文先前讨论，侧壁角度θ可在使光导管腔体能够合理地制造的范围内。例如，侧壁角度可在约1.2度至约11度、约1.2度至约6度、约1.2度至约3度、约1.5度至约11度、约1.5度至约6度、或约1.5度至约3度的范围内。
此外，重要的是，构成光导层184的光学吸收材料在光导管腔体的侧壁130处与设置在光导管腔体124中的光学透明材料186直接接触。由于直接接触，邻接光学吸收材料与光学透明材料186之间的折射率差异有助于将发射光158向下引导到光检测器114。另外，由于光学吸收材料和光学透明材料直接接触，更少激发光156可在这两种材料之间辐射并且意外到达光检测器114。
滤光器堆栈136还包括设置在光导管腔体124之间的光导层184中的金属串扰帘幕188。串扰帘幕188从滤光器堆栈136的顶表面向下延伸到光导层184中。串扰帘幕188起到进一步减少光导管腔体124之间的串扰的作用。串扰帘幕188可与串扰层180协作以帮助将光导管腔体124之间的任何串扰减少到无关紧要的水平。
另外，与串扰层180一样，串扰帘幕188也可用于任何图像传感器结构上。例如，串扰帘幕可用于图像传感器结构100-400上。
串扰帘幕188可由金属材料构成。例如，串扰帘幕188可由W、Al、AlSi、Cu、Ta或其他CMOS相容金属构成。
尽管串扰帘幕188是在图像传感器结构500的该示例中示出的，但是串扰帘幕188也可用于其他图像传感器结构中。例如，串扰帘幕188可用于图像传感器结构100、200、300或400的任何示例中。
图像传感器结构500的滤光器堆栈136还可包括光导管延伸部190，所述光导管延伸部可设置在光导管腔体124的底部处并且可穿透漫射层182。光导管延伸部190可由氮化物诸如氮化硅(SiN)构成，该SiN具有约1.7至2.1之间的折射率。
光导管延伸部190具有大于漫射层182的折射率的折射率。例如，漫射层182可由具有约1.4至1.55之间的折射率的SiO2构成。如果是这样，则包含氮化硅(SiN)的光导管延伸部190可为适当的，因为SiN具有约1.7至2.1之间的折射率。与发射光穿过漫射层182而不是光导管延伸部190的情况相比，光导管延伸部190的折射率大于漫射层182的折射率有助于将发射光158更好地聚焦到光检测器114上。
尽管光导管延伸部190是在图像传感器结构500的该示例中示出的，但是光导管延伸部190也可用于其他图像传感器结构中。例如，光导管延伸部190可用于图像传感器结构100、200、300或400的任何示例中。
应当理解，前述概念和本文更详细讨论的附加概念(假设此类概念不相互矛盾)的所有组合都被设想为是本文所公开的发明主题的一部分并且目的是实现如本文所述的益处和优点。具体地讲，出现在本公开末尾的要求保护的主题的所有组合都被设想为是本文所公开的发明主题的一部分。
尽管已通过参考特定示例描述了本发明，但是应当理解，可在所述的发明概念的精神和范围内作出许多改变。因此，意图是本公开不限于所述的示例，而是其具有由以下权利要求的语言限定的全部范围。

Claims (50)

1.一种图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
设置在设备堆栈上方的图像堆栈，所述图像堆栈包括多个光检测器；
设置在所述图像堆栈上方的第一滤光器堆栈，所述第一滤光器堆栈包括：
光导层，
设置在所述光导层中的光导管腔体，每个光导管腔体与所述多个光检测器中的光检测器相关联并且每个光导管腔体具有大于约2.5:约1的纵横比，以及
设置在所述第一滤光器堆栈上方的纳米孔层；以及
设置在所述纳米孔层中的多个纳米孔，每个纳米孔与所述多个光检测器中的光检测器相关联。
2.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其中所述光导管腔体具有在约11度至约1.2度范围内的侧壁角度。
3.根据权利要求1所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括设置在所述光导管腔体中的滤光器材料，所述滤光器材料在所述光导管腔体的侧壁处与所述光导层直接接触。
4.根据权利要求1所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
设置在所述第一滤光器堆栈上方的第二滤光器堆栈；
其中所述第一滤光器堆栈和所述第二滤光器堆栈具有大于所述第一滤光器堆栈和所述第二滤光器堆栈中的任一者的总纵横比。
5.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其中所述光导层由聚合物材料、半导体材料和电介质材料中的一者构成。
6.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其中所述第一滤光器堆栈包括：
设置在所述图像堆栈上方的中间层；以及
设置在所述中间层上方的所述光导层；
其中所述光导层是设置在所述光导管腔体的所述侧壁上并且不设置在所述光导管腔体的底表面上的金属层；并且
其中所述光导层具有约100纳米或更小的厚度。
7.根据权利要求6所述的图像传感器结构，其中所述图像堆栈包括：
设置在所述多个光检测器上方的基底层，所述基底层用于透过发射光和激发光；
设置在所述基底层中的多个隔离沟槽，每个隔离沟槽设置成与所述多个光检测器中的光检测器相邻；以及
设置在每个隔离沟槽中的电介质材料，所述电介质材料用于电隔离所述多个光检测器中的每个光检测器。
8.根据权利要求7所述的图像传感器结构，其中设置在所述第一滤光器堆栈中的所述中间层和所述图像堆栈的所述基底层由相同材料构成。
9.根据权利要求8所述的图像传感器结构，其中所述中间层和所述基底层由硅构成。
10.根据权利要求1所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
由光学吸收材料构成的所述光导层；以及
设置在所述光导管腔体中的光学透明材料，所述光学透明材料所具有的折射率大于所述光学吸收材料的折射率。
11.根据权利要求1所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
串扰层，所述串扰层设置在所述滤光器堆栈的顶表面上方并位于所述光导管腔体中的一个或多个光导管腔体之间；
串扰帘幕，所述串扰帘幕在所述光导管腔体的一个或多个光导管腔体之间从所述滤光器堆栈的所述顶表面向下延伸；
漫射层，所述漫射层设置在所述滤光器堆栈与所述图像堆栈之间；以及
光导管延伸部，所述光导管延伸部设置在所述光导管腔体中的一个或多个光导管腔体的底部处，所述光导管延伸部延伸穿过所述漫射层。
12.根据权利要求3至11中任一项所述的图像传感器结构，其中所述光导管腔体具有在约11度至约1.2度范围内的侧壁角度。
13.根据权利要求4至11中任一项所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括设置在所述光导管腔体中的滤光器材料，所述滤光器材料在所述光导管腔体的侧壁处与所述光导层直接接触。
14.根据权利要求5至11中任一项所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
设置在所述第一滤光器堆栈上方的第二滤光器堆栈；
其中所述第一滤光器堆栈和所述第二滤光器堆栈具有大于所述第一滤光器堆栈和所述第二滤光器堆栈中的任一者的总纵横比。
15.根据权利要求6至11中任一项所述的图像传感器结构，其中所述光导层由聚合物材料、半导体材料和电介质材料中的一者构成。
16.根据权利要求7所述的图像传感器结构，其中所述中间层和所述基底层由硅构成。
17.根据权利要求11所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
由光学吸收材料构成的所述光导层；以及
设置在所述光导管腔体中的光学透明材料，所述光学透明材料所具有的折射率大于所述光学吸收材料的折射率。
18.根据权利要求6至9中任一项所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
串扰层，所述串扰层设置在所述滤光器堆栈的顶表面上方并位于所述光导管腔体中的一个或多个光导管腔体之间；
串扰帘幕，所述串扰帘幕在所述光导管腔体的一个或多个光导管腔体之间从所述滤光器堆栈的所述顶表面向下延伸；
漫射层，所述漫射层设置在所述滤光器堆栈与所述图像堆栈之间；以及
光导管延伸部，所述光导管延伸部设置在所述光导管腔体中的一个或多个光导管腔体的底部处，所述光导管延伸部延伸穿过所述漫射层。
19.一种图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
设置在设备堆栈上方的图像堆栈，所述图像堆栈包括多个光检测器；
设置在所述图像堆栈上方的第一滤光器堆栈，所述第一滤光器堆栈包括：
光导层，
设置在所述光导层中的光导管腔体，每个光导管腔体与所述多个光检测器中的光检测器相关联，以及
设置在所述光导管腔体中的滤光器材料，所述滤光器材料在所述光导管腔体的所述侧壁处与所述光导层直接接触；
设置在所述第一滤光器堆栈上方的纳米孔层；以及
设置在所述纳米孔层中的多个纳米孔，每个纳米孔与所述多个光检测器中的光检测器相关联。
20.根据权利要求19所述的图像传感器结构，其中所述光导管腔体具有大于约2.5:约1的纵横比。
21.根据权利要求20所述的图像传感器结构，其中所述光导管腔体具有在约11度至约1.2度范围内的侧壁角度。
22.根据权利要求19所述的图像传感器结构，其中所述光导层包含聚合物材料、半导体材料和电介质材料中的一者。
23.根据权利要求19所述的图像传感器结构，其中所述第一滤光器堆栈包括：
设置在所述图像堆栈上方的中间层；以及
设置在所述中间层上方的所述光导层；
其中所述光导层是设置在所述光导管腔体的所述侧壁上并且不设置在所述光导管腔体的底表面上的金属层；并且
其中所述光导层具有约100纳米或更小的厚度。
24.根据权利要求23所述的图像传感器结构，其中所述图像堆栈包括：
设置在所述多个光检测器上方的基底层，所述基底层用于透过发射光和激发光；
设置在所述基底层中的多个隔离沟槽，每个隔离沟槽设置成与所述多个光检测器中的光检测器相邻；以及
设置在每个隔离沟槽中的电介质材料，所述电介质材料用于电隔离所述多个光检测器中的每个光检测器。
25.根据权利要求24所述的图像传感器结构，其中设置在所述第一滤光器堆栈中的所述中间层和设置在所述图像堆栈中的所述基底层由相同材料构成。
26.根据权利要求19所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
设置在所述第一滤光器堆栈上方的第二滤光器堆栈；
其中所述第一滤光器堆栈和所述第二滤光器堆栈具有大于所述第一滤光器堆栈和所述第二滤光器堆栈中的任一者的总纵横比。
27.根据权利要求19所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
串扰层，所述串扰层设置在所述滤光器堆栈的顶表面上方并位于所述光导管腔体中的一个或多个光导管腔体之间；
串扰帘幕，所述串扰帘幕在所述光导管腔体的一个或多个光导管腔体之间从所述滤光器堆栈的所述顶表面向下延伸；
漫射层，所述漫射层设置在所述滤光器堆栈与所述图像堆栈之间；以及
光导管延伸部，所述光导管延伸部设置在所述光导管腔体中的一个或多个光导管腔体的底部处，所述光导管延伸部延伸穿过所述漫射层。
28.根据权利要求21至27中任一项所述的图像传感器结构，其中所述光导管腔体具有大于约2.5:约1的纵横比。
29.根据权利要求22至27中任一项所述的图像传感器结构，其中所述光导管腔体具有在约11度至约1.2度范围内的侧壁角度。
30.根据权利要求26或27中任一项所述的图像传感器结构，其中所述光导层包含聚合物材料、半导体材料和电介质材料中的一者。
31.根据权利要求26或27中任一项所述的图像传感器结构，其中所述第一滤光器堆栈包括：
设置在所述图像堆栈上方的中间层；以及
设置在所述中间层上方的所述光导层；
其中所述光导层是设置在所述光导管腔体的所述侧壁上并且不设置在所述光导管腔体的底表面上的金属层；并且
其中所述光导层具有约100纳米或更小的厚度。
32.根据权利要求22至23、26或27中任一项所述的图像传感器结构，其中所述图像堆栈包括：
设置在所述多个光检测器上方的基底层，所述基底层用于透过发射光和激发光；
设置在所述基底层中的多个隔离沟槽，每个隔离沟槽设置成与所述多个光检测器中的光检测器相邻；以及
设置在每个隔离沟槽中的电介质材料，所述电介质材料用于电隔离所述多个光检测器中的每个光检测器。
33.根据权利要求25或27中任一项所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
设置在所述第一滤光器堆栈上方的第二滤光器堆栈；
其中所述第一滤光器堆栈和所述第二滤光器堆栈具有大于所述第一滤光器堆栈和所述第二滤光器堆栈中的任一者的总纵横比。
34.根据权利要求25所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
串扰层，所述串扰层设置在所述滤光器堆栈的顶表面上方并位于所述光导管腔体中的一个或多个光导管腔体之间；
串扰帘幕，所述串扰帘幕在所述光导管腔体的一个或多个光导管腔体之间从所述滤光器堆栈的所述顶表面向下延伸；
漫射层，所述漫射层设置在所述滤光器堆栈与所述图像堆栈之间；以及
光导管延伸部，所述光导管延伸部设置在所述光导管腔体中的一个或多个光导管腔体的底部处，所述光导管延伸部延伸穿过所述漫射层。
35.一种图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
设置在设备堆栈上方的图像堆栈，所述图像堆栈包括多个光检测器；
设置在所述图像堆栈上方的第一滤光器堆栈，所述第一滤光器堆栈包括：
由光学吸收材料构成的光导层，
设置在所述光导层中的光导管腔体，每个光导管腔体与所述多个光检测器中的光检测器相关联，以及
设置在所述光导管腔体中的光学透明材料，所述光学透明材料所具有的折射率大于所述光学吸收材料的折射率；
设置在所述第一滤光器堆栈上方的纳米孔层；以及
设置在所述纳米孔层中的多个纳米孔，每个纳米孔与所述多个光检测器中的光检测器相关联。
36.根据权利要求35所述的图像传感器结构，其中所述光导管腔体具有在约11度至约1.2度范围内的侧壁角度以及大于约2.5:约1的纵横比。
37.根据权利要求35所述的图像传感器结构，其中所述光学吸收材料在所述光导管腔体的侧壁处与所述光学透明材料直接接触。
38.根据权利要求35所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
串扰层，所述串扰层设置在所述滤光器堆栈的顶表面上方并位于所述光导管腔体中的一个或多个光导管腔体之间；
串扰帘幕，所述串扰帘幕在所述光导管腔体的一个或多个光导管腔体之间从所述滤光器堆栈的所述顶表面向下延伸；
漫射层，所述漫射层设置在所述滤光器堆栈与所述图像堆栈之间；以及
光导管延伸部，所述光导管延伸部设置在所述光导管腔体中的一个或多个光导管腔体的所述底部处，所述光导管延伸部延伸穿过所述漫射层。
39.根据权利要求37或38中任一项所述的图像传感器结构，其中所述光导管腔体具有在约11度至约1.2度范围内的侧壁角度以及大于约2.5:约1的纵横比。
40.根据权利要求36或38中任一项所述的图像传感器结构，其中所述光学吸收材料在所述光导管腔体的侧壁处与所述光学透明材料直接接触。
41.根据权利要求36或37中任一项所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
串扰层，所述串扰层设置在所述滤光器堆栈的顶表面上方并位于所述光导管腔体中的一个或多个光导管腔体之间；
串扰帘幕，所述串扰帘幕在所述光导管腔体的一个或多个光导管腔体之间从所述滤光器堆栈的所述顶表面向下延伸；
漫射层，所述漫射层设置在所述滤光器堆栈与所述图像堆栈之间；以及
光导管延伸部，所述光导管延伸部设置在所述光导管腔体中的一个或多个光导管腔体的所述底部处，所述光导管延伸部延伸穿过所述漫射层。
42.一种形成图像传感器结构的方法，所述方法包括：
将图像堆栈设置在设备堆栈上方，所述图像堆栈包括多个光检测器；
将光导层设置在所述图像堆栈上方；
将多个光导管腔体蚀刻在所述光导层中，每个光导管腔体与所述多个光检测器中的光检测器相关联，所述光导管腔体具有大于约2.5:约1的纵横比以及在约11度至约1.2度范围内的侧壁角度；
将纳米孔层设置在所述光导层上方；以及
将多个纳米孔设置在所述纳米孔层中，每个纳米孔与所述多个光检测器中的光检测器相关联；
其中所述光导层和所述多个光导管腔体包括设置在所述图像堆栈上方的第一滤光器堆栈。
43.根据权利要求42所述的方法，所述方法包括：
将中间层设置在所述图像堆栈上方；以及
将所述光导层设置在所述中间层上方；
其中所述光导层是设置在所述光导管腔体的所述侧壁上并且不设置在所述光导管腔体的底表面上的金属层；并且
其中所述光导层具有约100纳米或更小的厚度。
44.根据权利要求42所述的方法，所述方法包括：
将滤光器材料设置在所述光导管腔体中，所述滤光器材料在所述光导管腔体的侧壁处与所述光导层直接接触。
45.根据权利要求42所述的方法，所述方法包括：
将第二滤光器堆栈设置在所述第一滤光器堆栈上方；
其中所述第一滤光器堆栈和所述第二滤光器堆栈具有大于所述第一滤光器堆栈和所述第二滤光器堆栈中的任一者的总纵横比。
46.根据权利要求42所述的方法，所述方法包括：
其中所述光导层由光学吸收材料构成；以及
将光学透明材料设置在所述光导管腔体中，所述光学透明材料所具有的折射率大于所述光学吸收材料的折射率。
47.根据权利要求44至46中任一项所述的方法，所述方法包括：
将中间层设置在所述图像堆栈上方；以及
将所述光导层设置在所述中间层上方；
其中所述光导层是设置在所述光导管腔体的所述侧壁上并且不设置在所述光导管腔体的底表面上的金属层；并且
其中所述光导层具有约100纳米或更小的厚度。
48.根据权利要求43、45或46中任一项所述的方法，所述方法包括：
将滤光器材料设置在所述光导管腔体中，所述滤光器材料在所述光导管腔体的侧壁处与所述光导层直接接触。
49.根据权利要求43、44或46中任一项所述的方法，所述方法包括：
将第二滤光器堆栈设置在所述第一滤光器堆栈上方；
其中所述第一滤光器堆栈和所述第二滤光器堆栈具有大于所述第一滤光器堆栈和所述第二滤光器堆栈中的任一者的总纵横比。
50.根据权利要求43至45中任一项所述的方法，所述方法包括：
其中所述光导层由光学吸收材料构成；以及
将光学透明材料设置在所述光导管腔体中，所述光学透明材料所具有的折射率大于所述光学吸收材料的折射率。
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