CN117673104A - 图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及图像传感器。本说明书涉及一种形成在半导体衬底内部和顶部上的图像传感器，该传感器包括多个像素，每个像素包括形成在衬底中的光电检测器，该传感器包括至少第一和第二二维超颖表面，第一和第二二维超颖表面在所述多个像素前侧按此顺序堆叠，每个超颖表面由垫片的二维阵列形成，第一超颖表面具有第一光学功能，第二超颖表面具有不同于第一光学功能的第二光学功能。
Description
技术领域
本公开涉及图像传感器。
背景技术
图像传感器通常包括多个像素(像素电路)，例如以行和列的阵列布置，集成在半导体衬底的内部和顶部。每个像素通常包括形成在半导体衬底中的光电检测器，例如光电二极管。
对于某些应用，光学元件可以放置在光电检测器的前侧，例如聚焦元件、波长过滤元件、或者还有偏振过滤元件。
至少部分地改善已知图像传感器的某些方面是需要的。
发明内容
为此目的，实施例提供了一种形成在半导体衬底内部和顶部上的图像传感器，该传感器包括多个像素，每个像素包括形成在衬底中的光电检测器，该传感器包括至少第一二维超颖表面(bidimensional metasurface)和第二二维超颖表面，以第一二维超颖表面和第二二维超颖表面的顺序堆叠在所述多个像素前侧，每个超颖表面由二维的垫片(pad)阵列形成，第一超颖表面具有第一光学功能，并且第二超颖表面具有不同于第一光学功能的第二光学功能。
根据一个实施例，第一和第二超颖表面距半导体衬底的距离短于500μm，例如短于100μm。
根据一个实施例，第一超颖表面距半导体衬底的距离在1至50μm的范围内，并且第二超颖表面距第一超颖表面的距离在1至50μm的范围内。
根据一个实施例，第一超颖表面的垫片和第二超颖表面的垫片由非晶硅制成。
根据一个实施例，第一超颖表面的垫片和第二超颖表面的垫片被氧化硅横向包围。
根据一个实施例，第一和第二超颖表面的垫片具有亚波长的横向尺寸。
根据一个实施例，第一光学功能是根据入射光的偏振状态对入射光进行路由的功能，并且第二光学功能是将光朝向下伏的像素的所述光电检测器进行聚焦的功能。
根据一个实施例，传感器包括在第一超颖表面和衬底之间的滤色器层。
根据一个实施例，传感器包括在第二超颖表面上方的滤色器层。
根据一个实施例，传感器包括在第二超颖表面上方的第三超颖表面，第三超颖表面适于实现根据入射光的波长对入射光进行路由的光学功能。
根据一个实施例，第一光学功能是根据入射光的偏振状态对所述入射光进行路由的功能，并且第二光学功能是根据入射光的波长将所述入射光朝向下伏的像素的光电检测器进行路由和聚焦的功能。
根据一个实施例，在顶视图中，第一超颖表面的垫片和/或第二超颖表面的垫片具有不对称形状，例如矩形或椭圆形。
附图说明
前述特征和优点以及其它特征和优点将参照附图在以说明而非限制的方式给出的具体实施例的公开的其余部分中详细描述，其中：
图1A和图1B分别是根据实施例的图像传感器的示例的分解透视图和截面图；
图2A和图2B分别是根据实施例的图像传感器的另一示例的分解透视图和截面图；
图3A和图3B分别是根据实施例的图像传感器的另一示例的分解透视图和截面图；
图4是根据实施例的图像传感器的另一示例的截面图；
图5是根据实施例的图像传感器的另一示例的截面图；以及
图6A、图6B、图6C、图6D、图6E和图6F是示意性地且部分地示出根据实施例的制造图像传感器的方法的示例的步骤的截面图。
具体实施方式
在各个附图中，相同的特征由相同的附图标记表示。特别地，在各个实施例中共同的结构和/或功能特征可以具有相同的附图标记并且可以设置相同的结构，尺寸和材料特性。
为了清楚起见，仅示出和详细描述了对理解本文所述的实施例有用的步骤和元件。特别地，用于控制所述图像传感器的光电检测器和电子电路没有详细描述，所述实施例与这些元件的通常实施例兼容。此外，没有详细描述所述图像传感器的可能应用。
除非另有说明，当提及连接在一起的两个元件时，这表示除了导体之外没有任何中间元件的直接连接，并且当提及耦接在一起的两个元件时，这表示这两个元件可以被连接或者它们可以经由一个或多个其它元件被耦合。
在以下公开内容中，当提及绝对位置限定词时，例如术语“前”，“后”，“顶”，“底”，“左”，“右”等，或提及相对位置限定词时，例如术语“之上”，“之下”，“以上”，“以下”等，或提及方向限定词时，例如“水平”，“竖直”等，除非另有说明，否则参照附图的方向。
除非另有说明，表述“约”，“大约”，“基本上”和“以…量级”表示在10％以内，优选在5％以内。
根据所述实施例的一个方面，提供了一种形成在半导体衬底内部和顶部上的图像传感器，该图像传感器例如由硅(例如单晶硅)制成。该传感器包括例如以行和列的阵列布置的多个像素，每个像素包括形成在衬底中的光电检测器。
该传感器包括在所述多个像素前侧的至少第一和第二堆叠的二维(2D)超颖表面。每个超颖表面由被第二材料横向包围的、第一材料的垫片的二维阵列形成。每个超颖表面的垫片具有亚波长的横向尺寸，即，每个垫片的最大横向尺寸小于旨在由下伏的像素测量的主波长，即，像素的量子效率最大的波长。例如，对于旨在测量可见或近红外辐射(例如波长小于1μm的辐射)的像素，每个垫片的最大尺寸在10至500nm的范围内，例如30至300nm。
第一和第二超颖表面适于实现不同的光学功能。例如，第一超颖表面适于实现第一光学路由、滤波或聚焦功能，而第二超颖表面适于实现不同于第一功能的第二光学路由、滤波或聚焦功能。
实际上，每个超颖表面在每个像素的前侧包括多个横向尺寸变化的垫片。垫片的尺寸和布置根据期望执行的光学功能来限定。例如，为了实现偏振路由、路由、或偏振光聚焦功能，可以提供在顶视图中具有不对称的形状(例如矩形或椭圆形)的垫片。每个超颖表面的图案可以借助于电磁模拟工具来限定，例如通过使用逆设计方法，例如在Zhu，R.，Qiu，T.，Wang.J等人在题为“Phase-to-pattern inverse design paradigmfor fastrealization of functional metasurfaces via transfer learning”的文章(Natcommun 12，2974(2021))，或在Rubin等人在题为“Matrix fourier optics enables acompact full-stokes polarization camera”的文章(SCIENCE－第365卷－第6448期－2019年7月5日)中描述的类型。
每个超颖表面的垫片优选地都具有相同的高度，例如小于每个像素要测量的主波长，例如对于波长小于1μm的辐射在50至500nm的范围内。在传感器的整个表面上提供恒定高度的垫片能够有利地简化超颖表面的制造。
应当注意，已经提供了在远场中在图像前侧布置超颖表面，其与传感器的半导体衬底的照明表面相距相对大的距离，以实现传输到传感器的光线的光学处理功能，例如路由或聚焦。然后在与传感器的半导体衬底不同的特定衬底上与传感器分离地制造超颖表面。然后，在组装阶段，将超颖表面集成到布置在传感器前侧的光学系统上。在这种情况下，超颖表面制造的限制条件，特别是相对于超颖表面的垫片的尺寸和位置的限制条件，与图像传感器制造的限制条件无关。
根据所述实施例的一个方面，在此提供的是将至少两个堆叠的超颖表面以传感器像素的比例集成到图像传感器。换言之，在所描述的实施例中，在传感器的半导体衬底上，在距衬底照明表面相对短的距离处，例如在距衬底照明表面短于100μm，优选地短于100μm，优选地短于10μm的距离处形成超颖表面。作为一个实例，该第一超颖表面被布置在与该衬底照明表面相距从1μm至10μm的范围内(例如在4μm的量级上)的距离处，并且该第二超颖表面被布置在第一超颖表面的与该衬底相对的一侧上，例如在与该第一超颖表面相距从1μm至10μm的范围内(例如在4μm的量级上)的距离处。
将期望的一般光学功能分解成分别由多个堆叠的超颖表面实现的多个不同的基本光学功能，使得能够相对于实现复杂光学功能的单个超颖表面简化超颖表面的设计和制造。这尤其允许在传感器像素的尺度上直接在传感器的半导体衬底上集成超颖表面。特别地，这能够使超颖表面的集成与通常用于制造图像传感器的微电子方法的约束相兼容。
由此改善了通过传感器获取的图像的质量和/或由此简化了例如传感器在最终器件中的组装。特别地，这例如能够降低布置在传感器前侧的可能的光学远场光学系统的复杂性。
图1A和图1B分别是示意性地且部分地示出根据一个实施例的图像传感器100的示例的分解透视图和截面图。
传感器100包括半导体衬底101(图1B)，该半导体衬底101具有在其内部和顶部形成的多个像素P。衬底101例如由硅制成，例如由单晶硅制成。然而，所描述的实施例不限于该特定示例。作为变型，传感器100可以基于由III－V型半导体材料制成的衬底，在量子膜上，或在任何已知的有机或无机光敏材料上形成。
每个像素包括形成在衬底101中的光电检测器103，例如光电二极管。
在所示的示例中，在衬底101中竖直延伸的绝缘沟槽或壁105在电学上和/或光学上彼此横向分离像素的光电检测器103。
在该示例中，传感器100包括层107，例如绝缘钝化层，其布置在衬底的上表面之上并与衬底的上表面接触。
在该示例中，传感器100是后侧照明传感器或BSI传感器，即，源自要成像的场景的光线在衬底101的后侧到达衬底101，即，其与包括传感器像素的互连元件的互连堆叠(在附图中不可见)相对的表面，即，其在附图方向上的上表面。然而，所描述的实施例也适用于前侧照明传感器或FSI传感器，即，其中衬底旨在在其与互连堆叠接触的表面上被照明的传感器。
为了简化，在图1A中仅示出了像素P的光电检测器103。在此示例中，像素P布置成行和列的阵列。传感器的像素P例如在制造色散范围内都是相同的、或类似的。
图1A的传感器100包括两个超颖表面MS1和MS2，以超颖表面MS1和MS2的顺序堆叠在像素P阵列前侧。
在该示例中，离衬底101最远的超颖表面MS2具有偏振路由功能，即偏振分类功能，而位于超颖表面MS2与衬底101之间的超颖表面MS1具有将朝向传感器的光电检测器103聚焦的功能。
在该示例中，传感器100是偏振式传感器，其适于通过不同的像素P测量根据不同偏振接收的光辐射的强度。
更具体地，在该示例中，传感器的像素P被分成宏像素M，每个宏像素M由2×2个相邻像素P的子阵列形成。传感器宏像素M例如在制造色散范围内都是相同的或相似的。
在该示例中，同一宏像素M的四个像素P旨在测量分别根据四个不同偏振方向接收的光辐射强度，例如，分别根据相对于参考方向分别形成0°，90°，+45°和－45°角的四个方向的线性偏振。由每个宏像素的四个像素P分别测量的偏振状态在此称为PS1，PS2，PS3和PS4。
与每个宏像素M竖直对齐的超颖表面MS2的部分MS2M呈现适于实现根据四个偏振状态PS1、PS2、PS3和PS4将接收的光线分别路由到宏像素的四个像素P(1)、P(2)、P(3)和P(4)的功能的图案。通过路由(也称为分类，sorting)功能，这里意味着由超颖表面MS2的部分MS2M接收的全部光通量分别根据四个偏振状态PS1、PS2、PS3和PS4被分类，所述超颖表面MS2的部分MS2M具有基本上等于宏像素M的总表面积的表面积。根据PS1、PS2、PS3和PS4偏振状态的入射通量的分量分别向宏像素的像素P(1)、P(2)、P(3)和P(4)偏移。例如，根据两个正交的偏振状态对接收的光通量进行分类，分别为PS1和PS2或PS3和PS4。然后，到达P(1)/P(2)上方的光子将被分类到PS1或PS2中，到达P(3)/P(4)上方的光子将被分类到PS3或PS4中。
与基于偏振滤光器的偏振式传感器相比，这能够有利地改善传感器的量子效率，因为在每个宏像素M前侧收集的全部通量被传输到宏像素的四个像素P(1)、P(2)、P(3)和P(4)。
在所有传感器宏像素M前侧，可以相同地重复超颖表面MS2的部分MS2M的图案(在制造色散范围之内)。作为变型，部分MS2M的图案可以根据传感器上的宏像素的位置从一个宏像素M到另一个宏像素M变化，以特别地考虑从要成像的场景到达超颖表面MS2上的光线的主入射方向。
与每个像素P竖直对齐的超颖表面MS1的部分MS1P呈现适于实现将接收到的光线朝向下伏的像素的光电检测器103聚焦的功能的图案。换句话说，与每个像素P竖直对齐的超颖表面MS1的部分MS1P起到微透镜的作用，该微透镜将由超颖表面MS2的部分MS2M传输的、覆盖像素所属的宏像素M的光线朝向像素的光电检测器103聚焦。
在传感器的所有像素P前侧，超颖表面MS1的部分MS1P的图案可以相同地重复(在制造色散范围之内)。作为变型，根据传感器上的宏像素的位置，部分MS2M的图案可以从一个像素P到另一个像素P变化，以考虑例如从超颖表面MS2到达超颖表面MS1的光线的主入射方向，和/或期望通过像素P测量的偏振状态。
各个超颖表面MS1，MS2由第一材料的垫片1091，1092的二维阵列形成，分别由填充材料1111，1112横向围绕。垫片1091和/或1092例如由对要测量的辐射不透明的材料制成，例如金属。作为变型，垫片1091和/或1092由对于待测量的辐射透明或部分透明的材料制成，例如非晶硅或氮化硅。填充材料1111和/或1112例如是透明材料，例如折射率分别小于垫片1091，1092的材料的折射率的透明材料。填充材料1111和/或1112例如是氧化硅。作为变型，填充材料1111和/或1112是气态的，例如空气或真空。超颖表面MS1和MS2的垫片1091和1092可以由相同的材料或不同的材料制成。类似地，超颖表面MS1和MS2的填充材料1111和1112可以相同或不同。
在这个示例中，超颖表面MS1的垫片1091都具有相同的高度，并且超颖表面MS2的垫片1092都具有相同的高度，等于垫片1091的高度或不同于垫片1091的高度。
在图1A的示例中，下超颖表面MS1通过透明层113与层107的上表面分离，透明层113例如由与超颖表面MS1的填充材料相同的材料制成。层113具有光学间隔功能。根据由超颖表面MS1和/或超颖表面MS2执行的光学功能来选择层113的厚度，以获得将光线聚焦到像素的光电检测器103之中或之上的期望效果。作为示例，层113的厚度小于100μm，优选地小于10μm，优选地在从1μm至10μm的范围内，例如在4μm的量级。例如，超颖表面MS1的垫片1091通过其下表面与层113的上表面接触。层113例如通过其下表面与层107的上表面接触。
在图1A的示例中，下超颖表面MS1通过透明层115与上超颖表面MS2分离，透明层115例如由与超颖表面MS1的填充材料相同的材料或与超颖表面MS2的填充材料相同的材料制成。层115具有光学间隔功能。根据由超颖表面MS1和/或超颖表面MS2执行的光学功能来选择层115的厚度，以根据它们的偏振状态获得将光线路由到像素的光电检测器103中或上的期望效果。作为示例，层115的厚度小于100μm，优选地小于10μm，优选地在从1μm至10μm的范围内，例如在4μm的量级。例如，超颖表面MS1的垫片1091通过其上表面与层115的下表面接触。超颖表面MS2的垫片1092例如通过其下表面与层115的上表面接触。
在所示的例子中，传感器包括透明层117，例如由与超颖表面MS2的填充材料相同的材料制成，覆盖超颖表面MS2的上表面。层117例如通过其下表面与超颖表面MS2的垫片1092的上表面接触。层117例如具有保护超颖表面MS2的功能。
图1A和图1B的示例的传感器100是单色传感器，即，传感器100的所有像素P的光电检测器103被配置为测量相同波长范围内的光线。
图2A和图2B分别是示意性地且部分地示出根据一个实施例的图像传感器200的示例的分解透视图和截面图。
图2A和2B的传感器200具有与图1A和1B的传感器100相同的元件。这些元件将不再详细描述，下文将仅突出与图1A和1B的传感器100的差异。
传感器200与传感器100的主要区别在于，当传感器100是单色传感器时，图2A和2B的传感器200是多光谱传感器，即适于测量不同波长范围内的辐射。
为此目的，在传感器200中，每个像素P包括多个光检测器103，其被布置成分别测量不同波长范围内的光线。如在图1A和1B的例子中，光电检测器103通过绝缘沟槽或壁105彼此横向绝缘。
更具体地，在所示的例子中，传感器200的每个像素P包括四个相邻的光电检测器103(R)、103(G)、103(B)、103(IR)，它们被设置成分别主要测量红光、绿光、蓝光和红外光辐射。为此目的，每个光电检测器103的顶部具有适合于基本上让待测量波长范围的光通过的滤色器201。例如，在每个像素P中，光电检测器103(R)、103(G)、103(B)、103(IR)分别在顶部具有滤光器201(R)、201(G)、201(B)、201(IR)，其适于分别让主要的红光、主要的绿光、主要的蓝光和主要的红外光通过。本领域技术人员当然能够将图2A和2B的实施例适用于测量光的其它光谱分解。
滤色器201例如包括由有色树脂制成的滤色器和/或干涉滤色器。
作为示例，滤色器201一起形成涂覆衬底101的上表面的滤色层。
透明层113例如通过其下表面与过滤层201的上表面接触。
在图2A和2B所示的示例中，没有示出图1A和1B的示例中的层107。例如，图2A和2B的传感器200是后侧照明传感器。在这种情况下，互连堆叠可以设置在衬底101的表面的与传感器照明表面相对的一侧上，即，在图2B的取向中设置在衬底101的下表面的一侧上。作为变型，传感器200是前侧照明传感器。在这种情况下，互连堆叠可以设置在衬底101的上表面和过滤层201的下表面之间。
在该示例中，与每个像素P竖直对齐的超颖表面MS1的部分MS1P呈现适于实现将接收到的光线朝向下伏的像素的四个光电检测器103(R)、103(G)、103(B)、103(IR)聚焦的功能的图案。换句话说，与每个像素P竖直对齐的超颖表面MS1的部分MS1P表现为四个微透镜的阵列、其将由覆盖像素所属的宏像素M的超颖表面MS2的部分MS2M传输的光线朝向像素的光电检测器103(R)、103(G)、103(B)、103(IR)聚焦。
在传感器的所有像素P前侧，超颖表面MS1的部分MS1P的图案可以相同地重复(在制造色散范围之内)。作为变型，根据传感器上的宏像素的位置，部分MS1P的图案可以从一个像素P到另一个像素P变化，以特别地考虑从超颖表面MS2到达超颖表面MS1的光线的主入射方向和/或偏振状态。
图3A和图3B分别是示意性地且部分地示出根据实施例的图像传感器300的示例的分解透视图和截面图。
图3A和3B的传感器300具有与图2A和2B的传感器200相同的元件。这些元件将不再详细描述，下文将仅突出与图2A和2B的传感器200的差异。
以与图2A和2B的传感器200相同的方式，图3A和3B的传感器300是多谱传感器，即适于测量不同波长范围内的辐射。
然而，与传感器200相对，图3A和3B的传感器300不包括滤光器201。
作为替代，在图3A和3B的例子中，超颖表面MS1具有根据其波长将入射光分别朝向下伏的像素的不同光电检测器103路由和聚焦的功能。
更具体地，在附图所示的示例中，与每个像素P竖直对齐的超颖表面MS1的部分MS1P呈现出适于实现路由和聚焦功能的图案：
红色光朝向像素的光电检测器103(R)，
绿色光朝向像素的光电检测器103(G)，
蓝光朝向像素的光电检测器103(B)，以及
红外光朝向像素的光电检测器103(IR)。
换句话说，由具有基本上等于像素P的总表面积的超颖表面MS1的部分MS1P接收的全部光通量按波长范围分类。根据所考虑的波长入射光通量的分量分别向像素的光电检测器103(R)、103(G)、103(B)和103(IR)偏移。与诸如结合图2A和2B描述的基于滤色器的多光谱滤光器相比，这能够有利地改善传感器的量子效率，因为在每个像素前侧收集的全部通量朝向像素的四个光电检测器103(R)、103(G)、103(B)和103(IR)传输。
在传感器的所有像素P前侧，超颖表面MS1的部分MS1P的图案可以相同地重复(在制造色散范围之内)。作为变型，根据传感器上的宏像素的位置，部分MS1P的图案可以从一个像素P到另一个像素P变化，以特别地考虑从超颖表面MS2到达超颖表面MS1的光线的主入射方向和/或偏振状态。
本领域的技术人员能够将图3A和3B的实施例适用于测量光的其它光谱分解。
图4是根据一个实施例的图像传感器400的示例的横截面图。
图4的传感器400具有与图1A和1B的传感器100相同的元件，基本上以相同的方式布置。
图4的传感器400与图1A和1B的传感器100的不同之处在于，其还包括设置在上超颖表面MS2上方的滤色器或光谱滤色器401，例如，设置在透明保护层117的顶部并与透明保护层117接触。
更具体地，在该示例中，传感器的每个宏像素M的顶部具有滤波器401，该滤波器401适于基本上让待测量的波长范围的光通过。因此，在该示例中，相同宏像素M的所有像素P测量相同波长范围内的光辐射，而相邻宏像素M的像素P测量不同波长范围内的辐射。例如，宏像素M聚集成2×2个相邻的宏像素M的组，它们分别涂有四个不同的滤色器401，分别适于让主要是红光，主要是绿光，主要是蓝光和主要是红外光通过。
彩色滤光器401例如包括由彩色树脂制成的滤光器和/或干涉滤光器。
作为变型，滤色器401的层可以布置在上超颖表面MS2和下超颖表面MS1之间，或在超颖表面MS1和衬底101之间。
图5是根据一个实施例的图像传感器500的示例的横截面图。
图5的传感器500具有与图4的传感器400相同的元件。这些元件将不再详细描述，并且在下文中将仅突出与传感器400的差异。
图5的传感器500与图4的传感器400的不同之处主要在于，在传感器500中，省略了滤色器层401，并用第三超颖表面MS3代替，第三超颖表面MS3设置在超颖表面MS2之上，例如在透明层117的上表面之上并与透明层117的上表面接触，适合于实现入射光根据其波长分别朝向传感器的不同宏像素M路由的功能。
例如，宏像素M被聚集成2×2个相邻宏像素M的组。与每组2×2宏像素竖直对齐的超颖表面MS3的部分具有例如适于实现路由和聚焦功能的图案：
红色光朝向组中的第一宏像素，
绿色光朝向组中的第二宏像素，
蓝色光朝向组中的第三个宏像素
红外光朝向该组中的第四宏像素。
换句话说，由具有基本上等于2×2宏像素组M的总表面积的表面积的超颖表面MS3的部分接收的全部光通量按波长范围分类。根据所考虑的波长的入射通量的分量分别向组中的四个宏像素M偏移。
与诸如结合图4所述的基于滤色器的多光谱传感器相比，这能够有利地改善传感器的量子效率，因为在每组2×2宏像素前侧收集的全部通量被传输到该组的四个宏像素。
覆盖一组2×2宏像素的超颖表面MS3的一部分的图案可以在所有传感器宏像素组前侧相同地重复(在制造色散范围之内)。作为变型，根据宏像素在传感器上的位置，图案可以从一组宏像素到另一组宏像素变化，以特别地考虑从要成像的场景到达超颖表面MS3的光线的主入射方向。
图6A、图6B、图6C、图6C、图6E和图6F是示意性地且部分地示出根据一个实施例的图像传感器(例如，关于图1A和1B描述的类型的传感器)的制造方法的示例的步骤的截面图。
图6A示出了包括半导体衬底101的中间结构，在半导体衬底101的内部和顶部形成有多个像素P(图中未详细示出)。
图6A更具体地示出了在衬底101的上表面上形成钝化涂层601的步骤结束时获得的结构。钝化涂层601例如包括氧化硅层，二氧化铪层(HfO2)，氧化铝层(Al2O3)或能够实现抗反射功能的不同材料的多个层的堆叠，其基本上延伸跨过传感器的整个表面。作为示例，钝化涂层601包括形成在互连堆叠107的上表面之上并与其接触的氧化硅层601a，以及形成在层601a的上表面之上并与其接触的氮化硅层601b。层601a和601b例如连续地延伸并且在传感器的整个上表面上具有基本均匀的厚度。层601a的厚度例如在1nm至100nm的范围内，例如在10nm的量级。层601b的厚度例如在10nm至200nm的范围内，例如在100nm的量级。
图6B示出了在钝化涂层601的上表面上形成光学间隔层113的步骤结束时获得的结构，例如与层601b的上表面接触。
层113的厚度例如可小于500μm，优选小于100μm。作为示例，层113的厚度在从1μm至50μm的范围内，例如，在4μm的量级。
层113例如由氧化硅构成。
例如，层113具有在传感器的整个上表面上延伸的平坦上表面。
图6C示出了在沉积步骤结束时在层113的上表面(例如与层113的上表面接触)上获得的由用于形成传感器的下超颖表面MS1的垫片1091的材料制成的层109的结构。
层109例如在传感器的整个上表面上以均匀的厚度连续延伸。层109的厚度例如在50至500nm的范围内，例如在350nm的量级。
层109例如由非晶硅制成。
图6D示出了在层109的整个厚度上局部蚀刻(例如通过光刻和蚀刻)以限定超颖表面MS1的垫片1091的步骤结束时获得的结构。例如，在该步骤中，在层113的上表面上中断蚀刻。
图6E示出了在利用超颖表面MS1的填充材料1111(例如氧化硅)填充垫片1091之间的横向空间的步骤结束时获得的结构。作为变型，填充材料1111可具有大于垫片1091的厚度且覆盖垫片1091的上表面。
图6F示出了在超颖表面MS1的上表面上形成抗反射结构603的步骤结束时获得的结构，例如与垫片1091的上表面和填充材料的上表面接触。结构603可以由一个或多个介电层的堆叠形成。抗反射结构603的厚度例如在100到500nm的范围内，例如在200nm的量级。
图6B，6C，6D，6E和6F的步骤可以重复一次或多次，以在超颖表面603上形成一个或多个附加超颖表面。
还可以提供在衬底101上形成的堆叠的局部蚀刻步骤，以形成一个或多个接触通孔。
已经描述了各种实施例和变型。本领域技术人员能够理解，这些各种实施例和变型的某些特征可以组合，并且本领域技术人员能够想到其它变型。特别地，所描述的实施例不限于本公开中提到的用于形成超颖表面的尺寸和材料的示例。
此外，所描述的实施例不限于由超颖表面实现的上述光学功能的示例。
此外，所述实施例不限于应用于可见光或近红外传感器的上述示例。其它波长范围可以利用堆叠在传感器照明表面一侧上的超颖表面在像素尺度上的集成。例如，所描述的实施例可以适用于红外传感器，该红外传感器旨在测量波长在从1μm至2μm的范围内的辐射，例如，基于砷化铟镓或基于锗。
在半导体衬底(101)的内部和顶部形成的图像传感器(100；200；300；400；500)可以概括为包括多个像素(P)，每个像素包括在衬底中形成的光电检测器(103)，传感器包括至少第一(MS1)和第二(MS2)二维超颖表面，以第一(MS1)和第二(MS2)二维超颖表面的顺序堆叠在所述多个像素前侧，每个超颖表面由垫片(1091，1092)的二维阵列形成，第一超颖表面具有第一光学功能，第二超颖表面具有不同于第一光学功能的第二光学功能。
第一(MS1)和第二(MS2)超颖表面与半导体衬底(101)的距离可以短于500μm，例如短于100μm。
第一超颖表面(MS1)与半导体衬底(101)的距离可以在1至50μm的范围内，并且第二超颖表面(MS2)与第一超颖表面(MS1)的距离可以在1至50μm的范围内。
第一超颖表面(MS1)的垫片(1091)和第二超颖表面的垫片(1092)可以由非晶硅制成。
第一超颖表面(MS1)的垫片(1091)和第二超颖表面的垫片(1092)可以被氧化硅横向包围。
第一(MS1)和第二(MS2)超颖表面的垫片(1091，1092)可以具有亚波长的横向尺寸。
第一光学功能可以是根据入射光的偏振状态对其进行路由的功能，而第二光学功能可以是将光朝向下伏的像素(P)的光电检测器(103)进行聚焦的功能。
图像传感器(200)可以包括在第一超颖表面(MS1)和衬底(101)之间的滤色器层(201)。
图像传感器(400)可以包括在第二超颖表面(MS2)上的一层滤色器(401)。
图像传感器(500)可以包括在第二超颖表面(MS2)之上的第三超颖表面(MS3)，该第三超颖表面(MS3)适于实现入射光根据其波长进行路由的光学功能。
第一光学功能可以是根据入射光的偏振状态对入射光进行路由的功能，并且第二光学功能可以是根据入射光的波长对入射光朝向下伏的像素(P)的光电检测器(103)进行路由和聚焦的功能。
在顶视图中，第一超颖表面(MS1)的垫片(1091)和/或第二超颖表面(MS2)的垫片(1092)可以具有不对称形状，例如矩形或椭圆形。
上述各种实施例可以组合以提供另外的实施例。如果需要，可以修改实施例的各方面以采用各种专利、申请和出版物的概念来提供另外的实施例。
根据上述详细描述，可以对实施例进行这些和其它改变。通常，在下面的权利要求中，所使用的术语不应该被解释为将权利要求限制到在说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应该被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求有权享有的全部等同物的范围。因此，权利要求不受本公开的限制。
Claims (20)
1.一种器件，包括：
图像传感器，在半导体衬底内部和顶部上，所述传感器包括：
多个像素，每个像素包括形成在所述衬底中的光电检测器；
至少第一二维超颖表面和第二二维超颖表面，以所述第一二维超颖表面和所述第二二维超颖表面的顺序堆叠在所述多个像素的前侧，每个超颖表面是二维的垫片阵列，所述第一超颖表面具有第一光学功能，并且所述第二超颖表面具有不同于所述第一光学功能的第二光学功能。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一超颖表面和所述第二超颖表面距所述半导体衬底的距离短于500μm，例如短于100μm。
3.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一超颖表面距所述半导体衬底的距离在1至50μm的范围内，并且所述第二超颖表面距所述第一超颖表面的距离在1至50μm的范围内。
4.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一超颖表面的垫片和所述第二超颖表面的垫片由非晶硅制成。
5.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一超颖表面的垫片和所述第二超颖表面的垫片被氧化硅横向包围。
6.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一超颖表面的垫片和所述第二超颖表面的垫片具有亚波长的横向尺寸。
7.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一光学功能是根据入射光的偏振状态对所述入射光进行路由的功能，并且所述第二光学功能是将光朝向下伏的所述像素的所述光电检测器进行聚焦的功能。
8.根据权利要求7所述的器件，包括在所述第一超颖表面与所述衬底之间的滤色器层。
9.根据权利要求7所述的器件，包括在所述第二超颖表面上方的滤色器层。
10.根据权利要求7所述的器件，包括在所述第二超颖表面上方的第三超颖表面，所述第三超颖表面适于实现根据入射光的波长对所述入射光进行路由的光学功能。
11.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一光学功能是根据入射光的偏振状态对所述入射光进行路由的功能，并且所述第二光学功能是根据所述入射光的波长将所述入射光朝向下伏的所述像素的所述光电检测器进行路由和聚焦的功能。
12.根据权利要求1所述的器件，其中在顶视图中，所述第一超颖表面的垫片和/或所述第二超颖表面的垫片具有不对称形状，例如矩形或椭圆形。
13.一种器件，包括：
衬底；
多个像素，在所述衬底上；
第一超颖表面，在所述多个像素上，所述第一超颖表面具有与所述多个像素对齐的多个单元；以及
第二超颖表面，在所述第一超颖表面上，所述第二超颖表面具有多个部分，每个部分与所述多个单元中的一组单元对齐。
14.根据权利要求13所述的器件，其中所述第一超颖表面包括透明材料，所述透明材料包括多个垫片。
15.根据权利要求14所述的器件，其中所述多个垫片由非晶硅制成。
16.根据权利要求14所述的器件，其中所述多个垫片由氮化硅制成。
17.一种器件，包括：
衬底；
第一像素，在所述衬底上；
第二像素，在所述衬底上；
第一超颖表面，在所述第一像素和所述第二像素上，所述第一超颖表面包括在所述第一像素上的第一部分和在所述第二像素上的第二部分；
第二超颖表面，在所述第一超颖表面上，所述第二超颖表面包括围绕垫片图案的透明材料。
18.根据权利要求17所述的器件，其中所述多个垫片对由所述第一像素和所述第二像素测量的辐射是非透明的。
19.根据权利要求18所述的器件，其中所述多个垫片由非晶硅制成。
20.根据权利要求18所述的器件，其中所述多个垫片由氮化硅制成。
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