CN117896632A - 用于采集场景的2d图像和深度图像的设备 - Google Patents

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弗朗索瓦·德诺维尔
克莱曼斯·雅明
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Abstract

本说明书涉及一种用于采集场景的2D图像和深度图像的设备，包括：‑第一传感器(C1)，形成在第一半导体基板(100)中和其上且包括材料不同于基板材料的区域(50)，该区域位于与第一r传感器的2D图像像素(P1′)成直线的互连堆叠(110)中；以及‑与第一传感器(C1)邻接的第二传感器(C2)，其形成在第二半导体基板(130)中和其上并且包括位于与第一传感器(C1)的区域(50)相对的多个深度像素(P2)，其中，每个区域(50)包括在俯视图中具有比第二部分(50b)的表面积更小的表面积的第一部分(50a)，区域(50)的材料的光学指数大于或等于基板(100)的材料的光学指数。

Description

用于采集场景的2D图像和深度图像的设备
技术领域
本申请涉及图像采集设备领域，并且更具体地，涉及适于采集场景的2D可见光图像和深度图像的图像采集设备。
背景技术
已经提出了能够采集深度信息的图像采集设备。例如，飞行时间(ToF)探测器用于向场景发射光信号，然后检测场景中物体反射回来的光信号。通过计算光信号的飞行时间，能够估计采集设备与场景中物体之间的距离。作为另一示例，有基于“结构光”原理的传感器。这些传感器向场景中的物体投射图案(诸如条纹或网格)，并捕捉该图案因物体的凹凸而变形的至少一个图像。对一个或多个图像的处理提供了对采集设备和场景中的物体之间的距离的估计。
在一些应用中，期望能够同时采集同一场景的可见光2D图像和深度图像。
虽然实现该目的的一种解决方案是使用单独的图像传感器来捕捉2D图像和深度图像，但是这种解决方案不是最优的，因为这些传感器具有对场景具有不同的视角，导致对应图像的像素之间的未对准。此外，使用两个传感器增加了设备的大小和成本。
另一种解决方案是将2D图像像素和深度像素集成在同一探测器阵列中。然而，一个困难是深度像素通常具有比2D图像像素大得多的尺寸和/或比2D图像像素高得多的电源电压，使得这种集成复杂。
申请人先前提交的专利申请EP 3503192和US2021/0305206各自描述了一种用于采集场景的2D图像和深度图像的设备，该设备包括第一和第二叠加传感器，第一传感器包括多个2D像素和多个透射窗，并且第二传感器包括分别与第一传感器的透射窗相对布置的多个深度像素。
期望具有一种用于采集场景的2D图像和深度图像的设备，其将至少部分地克服已知设备的一个或多个缺点。
发明内容
为此，一个实施例提供了一种用于采集2D图像和深度图像的设备，包括：-第一传感器，其形成在具有正面和背面的第一半导体基板中和其上，第一传感器包括：多个2D图像像素、位于第一基板的正面侧并且在电连接轨道和/或端子被形成在其中的互连堆叠，以及位于与2D图像像素成直线的互连堆叠中的材料不同于基板的材料的区域；以及
-第二传感器，在第一基板的正面侧上邻接第一传感器，该第二传感器形成在第二半导体基板中和其上并且包括位于与第一传感器的区域相对的多个深度像素，其中，每个区域包括：从互连堆叠的面向第一基板的第一面延伸到互连堆叠中的第一部分，以及从互连堆叠的面向第二基板的第二面、从互连堆叠的与第一基板相对的第二面延伸到第一部分的第二部分，第一部分在俯视图中具有比第二部分更小的表面积，区域的材料在第二传感器的工作波长范围内的光学指数大于或等于基板材料的光学指数。
根据一个实施例，区域的材料还具有小于或等于10-3的吸收系数。
在一个实施例中，区域的材料具有大于或等于3.5的光学指数。
根据一个实施例，区域的材料是非晶硅。
在一个实施例中，电连接轨道和/或端子穿透每个区域的第一部分。
在一个实施例中，每个区域围绕其整个外围和在其整个高度上方由折射率低于该区域中的材料的折射率的介电材料来横向界定。
在一个实施例中，该区域在基本上等于互连堆叠的厚度的厚度上方延伸，并且和互连堆叠的与第一半导体基板相对的面齐平。
在一个实施例中，第一传感器是色彩图像传感器，其中每个2D图像像素都包括优先透射红光、绿光或蓝光的滤色器。
在一个实施例中，区域仅被定位为与包括滤色器的2D图像像素成直线，滤色器优先透射蓝光。
根据一个实施例，区域被定位为与传感器的每个2D图像像素成直线。
在一个实施例中，被定位为区域正上方的像素以四个相邻像素的群组被分组在一起。
在一个实施例中，对于每组的四个相邻像素，该区域对于所有四个像素是公共的。
根据一个实施例，该设备还包括，在第一传感器的每个区域和第二传感器的对应深度像素之间，交替具有不同折射率的介电层，从而形成抗反射堆叠以用于光线在所述深度像素的方向上穿越所述区域。
在一个实施例中，第二传感器在第二半导体基板的背侧包括互连堆叠，在其中电连接轨道和/或端子被形成。
在一个实施例中，第二传感器的每个深度像素包括SPAD光电二极管。
根据一个实施例，第二传感器的每个深度像素包括耦合到单个检测区的多个存储区，并且测量由设备的光源所发射的调幅的光信号与由像素的光电检测区在从要采集图像的场景反射之后接收的光信号之间的相移。
在一个实施例中，第一和第二半导体基板由单晶硅制成。
一个实施例提供了一种制造2D图像和深度图像采集设备的方法，该方法包括以下连续步骤：
a)在第一半导体基板中和其上形成具有正面和背面的第一传感器，第一传感器包括：多个2D图像像素、位于第一基板的正面侧并且电连接轨道和/或端子被形成在其中的互连堆叠、以及与位于2D图像像素成直线的互连堆叠中的材料不同于基板材料的区域；以及
b)在第二半导体基板中和其上形成第二传感器，第二传感器包括位于与第一传感器的区域相对的多个深度像素；以及
c)在第一基板的正面侧上将第二传感器结合到第一传感器，
其中，每个区域包括从互连堆叠的面向第一基板的第一面延伸到互连堆叠中的第一部分，以及从互连堆叠的面向第二基板的第二面、从互连堆叠的与第一基板相对的第二面延伸到第一部分的第二部分，第一部分在俯视图中具有比第二部分更小的表面积，区域的材料在第二传感器的工作波长范围内的光学指数大于或等于基板材料的光学指数。
根据一个实施例，该方法包括以下连续步骤：
形成互连堆叠的第一部分；
形成区域的第一部分；
形成互连堆叠的第二部分；以及
形成该区域的第二部分。
在一个实施例中，区域的第一部分和第二部分是在互连堆叠完成之后形成的。
附图说明
上述特征和优点以及其他特征和优点将在以下说明而非限制的方式给出的具体实施例的描述中参考附图进行详细描述，其中：
图1是示意性且部分示出2D图像和深度图像采集设备示例的截面图；
图2是示意性且部分示出图1所示设备的俯视图；
图3A、图3B、图3C、图3D、图3E、图3F、图3G和图3H是示意性示出关于图1所述类型的2D图像和深度图像采集设备的制造方法的示例中的步骤的截面图；
图4A和4B是示意性示出图3A至3H中所述方法的变体中的步骤的截面图；
图5是示出了图1所示设备中2D像素和深度像素的布置示例的局部示意俯视图；
图6是示出了2D图像和深度图像采集设备示例中2D像素和深度像素的布置的另一示例的局部示意俯视图；和
图7是示出了关于图6中所述类型的2D图像和深度图像采集设备的一组像素的局部示意俯视图。
具体实施方式
在各个附图中，类似的特征已经通过类似的附图标记来指定。特别地，各种实施例常见的结构元件和/或功能元件可以具有相同的附图标记，并且可以具有相同的结构特性、尺寸特性和材料特性。
为了清楚起见，仅详细示出和描述了对理解所描述的实施例有用的那些步骤和元件。特别地，没有详细描述用于2D图像像素和深度像素的光电二极管和控制电路的设计，因为根据本说明书的指示，这种像素的设计在本领域技术人员的能力范围内。
除非另有规定，当提到两个元件彼此连接时，这意味着除导体之外没有任何中间元件的直接连接，并且当提到两种元件彼此耦合时，这意味着这两种元件可以连接或者可以经由一个或多个其他元件连接。
在以下描述中，当参考绝对位置限定词(诸如“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等)，或相对位置限定词(诸如“顶部”，“底部”，“上方”和“下方”等)，或取向限定词(诸如“水平”、“垂直”等)时，除非另有规定，否则参考图的取向。
除非另有规定，否则“大约”、“大致”、“实质上”和“约”表示在10％以内，优选在5％以内。
图1是示意性且部分示出用于采集场景的2D图像和深度图像的设备的示例的截面图。
如图1所示的设备包括：
-在第一半导体基板100(例如单晶硅基板)中和其上形成的第一传感器C1，该传感器C1包括多个2D图像像素P1和P1′以及材料不同于基板100的材料的区域50，该区域50位于与2D图像像素P1′成直线的互连堆叠110中；和-第二传感器C2，其形成在第二半导体基板130(例如单晶硅基板)中和其上，传感器C2被附接到传感器C1的正面并且包括位于与传感器C1的区域50相对的多个深度像素P2，每个区域50包括从互连堆叠110的面向第一基板100的第一面延伸到互连堆叠110中的第一部分50a和从互连堆叠110的与第一基板100相对的第二面延伸到第一部分50a的第二部分50b。
应当注意，在本说明书中，基板的正面被认为是指其上形成有与形成在基板中的元件相关联的互连堆叠的基板的面，并且基板的背面被认为是与基板的正面相对的基板的面。在图1所示的示例中，基板100的正面和背面分别是其底面和顶面。
在实践中，图1所示的设备旨在与在传感器C2的深度像素所检测到的波长范围内发射的光源(例如红外源)结合使用。
例如，在飞行时间深度测量的情况下，光源例如是以特定波长或特定波长范围发射的光的激光源，优选窄波长范围，例如半值宽度小于3nm的范围，例如具有约940nm的中心发射波长的光源。举例来说，光源的发射波长范围位于可见光范围之外，例如在近红外范围内，例如在700nm至1.5μm范围内。在操作中，由光源产生的光信号以光脉冲(例如周期性脉冲)的形式朝向场景发射(例如，经由一个或多个透镜)。由场景反射的返回光信号由传感器C2的P2深度像素拾取，以测量光信号在场景中不同点处的飞行时间，并推断在场景中的不同点处到采集设备的距离。对于传感器C1的像素P1和P1′而言，能够捕捉由场景所发射的可见光，以形成场景的2D图像。
可替选地，在结构化光深度测量的情况下，例如，光源能够具有约940nm、1140nm或1400nm的中心发射波长。
在所示的示例中，传感器C1的每个像素P1、P1′包括光电二极管101，光电二极管101包括形成在半导体基板100中的一个或多个局部注入区域。在该示例中，光电二极管101的一个或多个注入区域被布置在基板100的前侧上。每个像素P1、P1′还可以包括一个或多个附加部件(未示出)，例如控制晶体管，形成在基板100的前侧上，例如在基板100中和基板100的前侧上。传感器C1还包括互连堆叠110，互连堆叠110由交替涂覆基板100的正面的电介质层和导电层组成，其中形成了将传感器C1的像素P1和P1′连接到未示出的外围控制和供电电路的电连接轨道和/或端子111。
在所示的示例中，传感器C1包括垂直绝缘壁103，该垂直绝缘壁103穿过基板100的整个厚度并且界定基板的与传感器C1的各个像素P1和P1′分别对应的部分。特别地，垂直绝缘壁103实现光学绝缘功能，并且还可以具有电绝缘功能。例如，垂直绝缘壁103由诸如氧化硅的介电材料制成。
根据图1所示实施例的一个方面，互连堆叠110在每个像素P1′的对面被中断。区域50分别位于互连堆叠110的中断区中。例如，每个区域50基本上在互连堆叠110的整个厚度上延伸。区域50的厚度例如与互连堆叠110的厚度基本相同，例如在3至15μm之间，例如在5至10μm之间。
例如，区域50的材料在第二传感器C2的工作波长范围内具有大于或等于硅的光学指数n，例如大于或等于3.5。此外，区域50的材料例如在该波长范围内是非吸收性的。更具体地，区域50的材料在第二传感器C2的工作波长范围内具有小于或等于10-3的光学吸收系数k，例如小于或等于10-4。区域50的材料也被选择为能够填充互连堆叠110的中断区。例如，区域50由非晶硅制成。
优选地，当区域50由非晶硅制成时，区域50围绕其整个外围并基本上在其整个高度上与折射率比区域50的材料低的材料接触，例如氧化硅。以这种方式，来自基板100的背面的光被垂直地引导朝向底层像素P2。换句话说，区域50充当波导，使得从基板100的后侧照射设备的光能够以最小的损耗传输到像素P2。
基板100的厚度例如在2至10μm之间，例如在3至5μm之间。
例如，当从上方观察时，区域50的每个部分50b的尺寸与传感器C1的像素P1′的尺寸基本相同。举例来说，在俯视图中，传感器C1的每个像素P1′的最大尺寸小于10μm，例如小于5μm，例如小于2μm，例如约为1μm。举例来说，像素P1′在俯视图中的尺寸与像素P1的尺寸基本相同，以在制造偏差内。
在所示的示例中，基板100的背面涂覆有钝化层115，例如氧化硅层、二氧化铪(HfO2)层、氧化铝(Al2O3)层、或者能够单独执行钝化之外的功能(抗反射、过滤、粘合等)的若干层的不同材料的堆叠，基本上在传感器的整个表面上延伸。例如，层115被布置在基板100的背面上并且与之接触。
在图1所示的示例中，传感器C1是2D色彩图像传感器，即它包括不同类型的像素P1和P1′，适用于测量不同可见光波长范围内的光强度。为此，每个像素P1、P1′包括滤色器118，例如色彩树脂层，其布置在基板100的后侧上。举例来说，传感器C1包括三种类型的像素P1。例如，传感器C1包括被称为蓝色像素的第一像素P1(其滤色器118优先透射蓝光)、被称为红色像素的第二像素P1(其滤色器118优先透射红光)和被称为绿色像素的第三像素P1(其滤色器118优先透射绿光)。可替选地，传感器C1仅包括两种类型的像素P1，例如红色像素和绿色像素，或者蓝色像素和绿色像素，或者红色像素和蓝色像素。在图1中，不同类型的像素P1没有进行区分。此外，传感器C1包括例如单一类型的像素P1′。举例来说，像素P1′的滤色器118除了与设备相关联的光源所发射的辐射之外，还优先透射绿光、蓝光或红光，优选蓝光，传感器C1例如仅包括红色像素和绿色像素P1。
尽管在图1中没有详细说明，但层或堆叠层115可以包括由光学指数介于基板材料100的光学指数和滤色器材料118的光学指数之间的材料(例如五氧化二钽(Ta2O5))制成的抗反射层或堆叠层。此外，抗反射层或堆叠层可以是结构化的，该结构化随像素而变化。
在图1所示的示例中，每个像素P1还包括红外陷波滤波器120，例如红外树脂。滤波器120适于例如透射除以光源的发射波长范围为中心的波长范围之外的所有波长的光。在该示例中，滤波器120被布置在基板100的后侧上，例如布置在钝化层115的与基板100相对的一侧上并与之接触，并且基本上在每个像素P1的整个表面上延伸。滤色器118例如被布置在滤波器120的正面上并与之接触。滤波器120防止来自光源的由场景反射的光被像素P1检测到并且降低由像素P1所采集的2D图像的质量。更一般地，滤波器120阻挡红外辐射以改善2D图像的色彩呈现。
图1示出了一个示例，其中，对于每个像素P1，滤波器120介于层115和滤色器118之间。然而，该示例不是限制性的，因为滤色器118能够替代地介于层115和滤波器120之间。
在所示的示例中，相对于像素P1，传感器C1的每个像素P1′都没有滤波器120。在该示例中，每个像素P1′具有涂覆像素P1′的滤色器118的顶面的区域121，并且区域121与像素P1的滤色器118的顶面齐平。区域121补偿传感器C1的像素P1和像素P1′之间的厚度差或高度差。
可替选地，传感器C1可以是单色2D图像传感器，在这种情况下能够省略滤色器118。
传感器C1的每个像素P1、P1′还可以包括微透镜122，微透镜122布置在基板100的后侧上，例如布置在像素的滤色器118上并与之接触，适于将入射光聚焦到底层像素P1或P1′的光电二极管101上。举例来说，传感器C1的像素P1′的区域121由与微透镜122相同的材料制成。
尽管图1中未示出，但能够在基板100的后侧上，例如在微透镜122上提供所谓的“双频带”滤波器，例如树脂滤波器和/或干涉滤波器，适于透射光源的发射波长范围和可见光谱的波长范围内的光。更准确地说，双频带滤波器例如适于透射以系统光源的发射波长范围为中心的第一相对窄的波长频带中的光(例如其中半高宽度值小于30nm、例如小于20nm、例如小于10nm的波长范围)，以及在400和650nm之间的第二波长频带中的光。双频带滤波器防止或限制在非源自系统光源的光辐射的影响下在底层像素P2的光电二极管中光生电荷。双频带滤波器例如位于传感器外部。
在该示例中，传感器C1通过分子键合而结合到传感器C2。为此，传感器C1包括层126a，例如由氧化硅制成，位于面向基板100的正面的一侧上。此外，传感器C2包括与层126a性质相同的层126b，例如由氧化硅制成，位于面向基板130的背面的一侧。使层126a的背离基板100的一侧与层126b的背离基板130的一侧接触，以实现传感器C2与传感器C1的分子键合。例如，层126a、126b基本上分别在传感器C1、C2的整个表面上连续延伸。
在所示的示例中，传感器C1还包括在基板100的前侧上，介于互连堆叠110和层126a之间，折射率不同于层126a和126b的折射率的材料层128，例如折射率高于层126a、126b的折射率的材料，诸如氮化硅。举例来说，层128基本上在传感器C1的整个表面上连续地延伸。例如，层126a在其面向基板100的一侧上与层128接触。
此外，在该示例中，传感器C2还包括在基板130的背面的一侧上，介于基板130和层126b之间，折射率不同于层126a和126b的折射率的材料的层132，例如与层128相同材料的层。层132例如具有钝化功能和抗反射功能。层132例如与层115相同或相似。层132例如是氧化铝或氧化钽的层，或者这些材料的若干层的堆叠，并且该层或层的堆叠也能够是结构化的。举例来说，层132基本上在传感器C2的整个表面上连续地延伸。例如，层126b在其面向基板130的一侧上与层132接触。
尽管图1中未示出，但可以在基板130中提供高量子效率(HQE)衍射结构。
在该示例中，层128-126a-126b-132的堆叠形成抗反射堆叠，有利于光从每个像素P1′通过到底层像素P2的光敏区域。层128、126a、126b、132的厚度能够根据光源的发射波长被选择函数，以便有利于在光源的发射波长处堆叠的抗反射功能，例如使得堆叠在光源的发射波长处的反射系数小于6％。作为非限制性示例，对于工作波长为940nm的光源，并且在层128由氮化硅制成的情况下，层132类似于层115，并且层126a和126b由氧化硅制成，层128和132可以各自具有约119nm的厚度，并且层126a与126b的厚度之和可以约为200nm。
传感器C2的每个像素P2包括形成在基板130中的与传感器C1区域50相对的光电二极管133。光电二极管133包括形成在半导体基板130中的一个或多个局部半导体区域。例如，每个光电二极管133包括光敏区域，如果光源具有约940nm的中心发射波长，则光敏区域优选地由硅制成。可替选地，每个光电二极管133的光敏区域可以基于砷化镓铟(InGaAs)、锗(Ge)或至少一种有机半导体材料，诸如聚合物。每个光电二极管133的光敏区域可以包括量子点，例如包括半导体纳米晶体。
P2深度像素能够使用适合于距离测量的任何技术来产生。例如，像素P2的光电二极管133可以是SPAD(单光子雪崩二极管)或适合于使用结构光进行距离测量的光电二极管。可替选地，像素P2可以是“锁定”类型，如申请人先前提交的法国专利申请N°16/62341和N°16/62340中所述，即包括耦合到单个检测区的多个存储区的像素，以及使得能够测量由光源所发射的调幅的光信号与由像素的光电检测区在从场景反射之后接收的光信号之间的相移。
每个像素P2还可以包括一个或多个附加部件(未示出)，例如控制晶体管，形成在基板130的前侧上，例如在基板130中和基板130的前侧上。传感器C2还包括互连堆叠140，互连堆叠140由交替涂覆基板130的正面的电介质层和导电层组成，其中形成将传感器像素P2连接到未示出的外围控制和供电电路的电连接轨道和/或端子141。
在所示的示例中，在传感器C2的每个像素P2中，像素的光电二极管133被在其整个厚度上穿过基板130的垂直绝缘壁135完全包围。特别地，壁135执行光学绝缘功能，并且还可以具有电绝缘功能。例如，垂直绝缘壁135由诸如氧化硅之类的介电材料制成。可替选地，垂直绝缘壁135是多层壁，其包括介电材料(例如氧化硅)的内层、包括至少一个金属层的一个或多个中间层、以及介电材料(例如氧化硅)的外层。
在所示的示例中，像素P2的检测区的横向尺寸(由壁135界定)大于像素P1′的检测区的横向尺寸(由壁103界定)，这使得在组装传感器C1和C2时可以放松对准约束。举例来说，传感器C1的2D图像像素P1和P1′的节距小于2μm，例如约为1μm，并且传感器C2的深度像素P2的间距小于4μm，例如基本上等于2D图像像素P1和P1′的节距的两倍，例如约为2μm。然而，所描述的实施例不限于这种特定情况。可替选地，像素P2的检测区的横向尺寸与像素P1′的横向尺寸基本相同。在这种情况下，像素P2的垂直绝缘壁135可以与围绕底层像素P1′的检测区的垂直绝缘壁103基本上成直线。
壁103和135，以及通过区域50的垂直引导，限制了由邻接像素P1′的像素P1接收的光线激活对应像素P2的光电二极管的风险，这可能导致错误的深度测量。
尽管图1中未示出，但传感器C2也可替选地包括金属屏蔽，该金属屏蔽基本上覆盖基板130的整个背面，除了基板130的位于壁135内的部分(对应于像素P2的光电检测区)。金属屏蔽被布置在例如基板130和介电层132之间。这里，金属屏蔽的功能是光学隔离之一，其被设计用于防止由与像素P1′相邻的像素P1接收的光线激活对应像素P2的光电二极管。可替选地，金属屏蔽不是连续的，而是由多个不相交的环组成，在俯视图中，这些环分别围绕各个传感器像素P2的光电检测区。有利地，这限制了光从金属屏蔽朝向传感器C1的像素P1′的寄生反射。
基板130的厚度例如在5至50μm之间，例如在8至20μm之间。
在所示的示例中，传感器C2通过其正面附接到支撑基板150，例如硅基板。可替选地，支撑基板150能够由形成在第三半导体基板中和其上的附加控制和处理电路(未示出)代替，例如，如结合上述EP 3503192专利申请的图1所述。
图1所示设备的一个优点是，传感器C1的像素矩阵P1和P1′没有孔口或透射窗，例如，上述专利申请EP3503192和US2021/0305206的设备中的孔口或透射窗。这限制或避免了尽管存在传感器C2的情况下传感器C1的分辨率的损失。
图2是示意性且部分示出图1所示设备的部分的俯视图。例如，图1对应于图2中沿平面AA的截面图。
更准确地说，图2在俯视图中示出了像素P1′。为了不使图纸过载，图2中未示出微透镜122、滤色器118和基板100，并且光电二极管101由虚线矩形表示。
在所示的示例中，互连堆叠110的电连接轨道和/或端子111在像素P1′的光电二极管101下方延伸。这些轨道和/或端子111穿透区域50的部分50a内部，其中区域50的部分50a围绕轨道和/或者端子111。轨道和/或端子111例如与区域50电绝缘，例如通过涂覆在区域50的部分50a的侧面的氧化硅。在图2所示的示例中，像素P1′包括三个轨道111，可以理解，在实践中，像素P1′可以包括任何数量的轨道和/或端子111。在该示例中，像素P1′的轨道111例如分别连接到基板100、转移栅极和像素P1′的读取节点，图2中未详细说明。
根据一个实施例，区域50的部分50a在俯视图中面积小于区域50的部分50b，其中区域50的部分50b在俯视图中面积基本上等于图2中正方形象征像素P1′的面积。与区域50的部分50a不同，互连堆叠110的连接轨道或端子111没有穿透区域50的部分50b内部。举例来说，像素P1′的连接轨道和/或端子111被布置为使区域50的部分50a的表面积最大。
尽管图2示出了从上方观察时像素P1′具有大致正方形的情况，但在实践中，像素P1′能够具有任何形状，例如矩形、六边形或圆形。
图3A、图3B、图3C、图3D、图3E、图3F、图3G和图3H是示意性示出关于图1描述类型的2D图像和深度图像采集设备的制造方法的示例中的步骤的截面图。
更具体地说，图3A至3E是示出图1所示设备的传感器C1的实现示例的截面图，图3F和3G是示出了图1所述设备的传感器C2的实现示例，并且图3H是示出使传感器C1结合到传感器C2的步骤的截面图。
图3A示出了图1所示设备的2D图像传感器C1的制造步骤。
传感器C1的实现从相对厚的半导体基板100开始，例如几百微米厚。
光电二极管101的注入区域和传感器的像素P1和P1′的任何控制部件从基板100的第一面形成，即其在图3A的取向上为顶面。在俯视图中，界定传感器的像素P1和P1′的垂直绝缘壁103进一步从基板100的顶面形成。
图3B示出了在基板100的上表面上形成传感器C1的互连堆叠110的一部分的后续步骤。
在该示例中，如图3B所示，互连堆叠110的金属层(例如互连堆叠110中最靠近基板100顶面的金属层)形成在基板100的顶面侧。在所示的示例中，形成在第一金属层中的电连接轨道和/或端子111与像素P1′的光电检测区相对地延伸。在这个示例中，最靠近基板100的互连堆叠110的金属层被插入在同一步骤期间形成的介电层之间，图3B中没有详细说明。
图3B进一步示出了从结构的顶面形成孔口201的步骤，孔口201垂直穿过先前形成的互连堆叠110的部分并开口于半导体基板100的顶面上。开口201仅在像素P1′的光电检测区的表面的一部分上方延伸。孔口201例如通过光刻法和随后的蚀刻来产生。
然后用来自区域50的材料填充开口201，从而形成区域50的部分50a。在所示的示例中，区域50材料填充开口201并且与先前制造的互连堆叠部分110的顶面齐平。
图3C示出了完成互连堆叠110的后续步骤。具体地，在该步骤中，在结构的顶侧上形成没有穿透到互连堆叠110的区域50中的另外的金属层和介电层。在所示的示例中，形成堆叠层110的介电层的材料涂覆了区域50的部分50a的侧面和顶面，并且将部分50a与电连接轨道和/或端子111电绝缘。
图3D示出了从结构的顶面形成另一孔口203的进一步步骤，该孔口从互连堆叠110的与基板100相对的面垂直延伸到区域50的部分50a。在所示的示例中，区域50的部分50a与开口203的底部齐平。孔口203在像素P1′的整个表面上方横向延伸。孔口203例如通过光刻法和随后的蚀刻来产生。
图3E示出了用区域50材料填充开口203从而形成区域50的部分50b的后续步骤。在所示的示例中，区域50材料填充开口203并且与先前生产的互连堆叠110的顶面齐平。
图3E还示出了在互连堆叠110的顶面上沉积介电层128的后续步骤，随后是沉积传感器C1的结合层126a的步骤。在该示例中，层128、126a中的每一个在传感器C1的整个表面上方连续地延伸。更具体地，在该示例中，层128经由其下面与互连堆叠110的上面和区域50接触。就其本身而言，层126a的下面与层128的上面接触。
图3F示出了实现该设备的传感器C2的并行步骤。
传感器C2基于相对较厚的半导体基板130，例如几百微米厚。
光电二极管133的注入区域和传感器像素P2的任何控制部件均由基板的第一面(即图3F所示取向的其顶面)形成。横向界定像素P2的垂直绝缘壁135也由基板130的顶面形成。
然后在基板130的顶面上形成传感器C2的互连堆叠140。
图3G示出了在背离互连堆叠140的一侧上减薄传感器C2的基板130的后续步骤。
为了实现这一点，将支撑基板150附接到互连堆叠140的与基板130相对的一侧。然后，例如通过研磨和/或化学机械抛光(CMP)，基板130使用支撑基板150作为手柄在背离互连堆叠140的一侧上进行减薄。
请注意，在图3G中，传感器C2的取向与图3F相反。
减薄在垂直绝缘壁135的与互连堆叠140相对的面处被中断。在该示例中，在减薄步骤结束时，壁135和基板130的与互连堆叠140相对的面齐平，即，在图3G所示的取向上与基板130顶面齐平。
图3G进一步示出了在减薄基板130的上表面上沉积一个或多个钝化层132的后续步骤，随后是沉积传感器C2的结合层126b的步骤。在该示例中，层132、126b中的每一个在传感器C2的整个表面上方连续地延伸。更具体地，在该示例中，层132通过其下面与减薄基板130的上面和垂直绝缘壁135接触。层126b的下面与层132的上面接触。
图3H示出了将传感器C1转移到传感器C2的后续步骤。传感器C1能够翻转并附接到传感器C2的上面，是通过层126a的与基板100相对的面和层126b的与基板130相对的面的直接结合或分子结合。
设备制造方法的以下步骤未示出，因为根据本说明书的指示，这些步骤在本领域技术人员的能力范围内。例如，传感器C1的基板100在背离互连堆叠110的一侧进行减薄，例如通过研磨和/或CMP，使用支撑基板150作为手柄。例如，减薄在垂直绝缘壁103的与互连堆叠110相对的面处被中断，使得在减薄步骤结束时，壁103和基板100的与互连堆叠110相对的面齐平。图1所示设备的顶部元件，特别是层115、滤波器120和118以及微透镜122，然后能够形成在基板100的与互连堆叠110相对的一侧上。
图4A和图4B是示意性示出了图3A至图3H所示方法变体中的步骤的截面图。
更准确地说，图4A示出了基于先前关于图3A描述的结构的传感器C1的互连堆叠110的完整实施方式。
图4B示出了在互连堆叠110中形成通孔401的进一步步骤。例如，孔口401的形状类似于孔口201和203的组合的形状。开口401例如通过执行所谓的“双镶嵌”工艺的步骤来获得。更准确地说，在互连堆叠110的整个高度上方延伸并且表面积与区域50的部分50a的表面积基本相等的第一开口例如首先形成，例如通过光刻然后蚀刻。然后，例如通过光刻随后蚀刻，形成从互连堆叠110的与基板100相对的一侧延伸至深度小于第一孔口的第二孔口，以扩大第一孔口的上部，从而能够随后形成区域50的部分50b。
设备制造方法的变体中的以下步骤未示出，因为根据本说明书中的指示，这些步骤在本领域技术人员的能力范围内。开口401被填充，例如，以形成区域50。随后的平坦化步骤然后能够确保区域50和互连堆叠110的与基板100相对的面齐平。然后，图1设备的制造能够如先前关于图3E至3H所述的继续进行。
图5是示出了图1所示设备中2D像素P1和P1′以及深度像素P2的布置示例的局部示意俯视图。
在该示例中，传感器C1是色彩传感器，其仅包括两种不同类型的像素P1，即红色像素(R)和绿色像素(G)，以及仅一种类型的像素P1′(B+Z)，即像素P1′，其滤色器118除了与设备相关联的光源发射的红外辐射之外，还优先透射蓝光。可替选地，传感器C1可以仅包括蓝色像素P1和绿色像素P1，其中像素P1′的滤色器118除了红外辐射之外还优先透射红光。像素P1和P1′在行和列中以矩阵形式布置，例如以拜耳图案布置。在所示的示例中，在行方向上每隔一个像素和列方向上每隔一个像素都是在传感器C2的像素P2之上的像素P1′。界定每个像素P2的检测区的垂直绝缘壁135在图5中示出为虚线。在该示例中，当从上方观察时，传感器C2的像素P2的检测区的尺寸大于传感器C1的像素P1′的尺寸。这使得在构建设备时更容易将传感器C1与传感器C2对准。
可替选地，传感器C1能够是包括三种不同类型的像素P1(即红色像素、蓝色像素和绿色像素)和单一类型的像素P1′的色彩传感器，即，其滤色器118除了与设备相关联的光源发射的红外辐射之外还优先透射绿光的像素P1′。
可替选地，传感器C1没有像素P1并且仅包括像素P1′，更确切地说，包括三种不同类型的像素P1′，即其滤色器118除了与设备相关联的光源发射的红外辐射之外，还优先透射绿光、蓝光或红光的像素P1′。
然而，本申请不限于所描述的滤色器类型118的组合的示例。一般来说，传感器C1的每个像素P1、P1′可以无差别地与优先透射蓝光、绿光或红光的滤色器118相关联。
在图1所示的设备中，深度像素P2能够单独控制，以产生其分辨率等于传感器C2上像素P2数量的深度图像。
可替选地，像素P2能够被耦合在几个相邻像素的块中，例如三乘三的相邻像素P2的块，以创建例如SIPM类型的光电倍增器。在这种情况下，只保留每个块内的相关事件。换句话说，只有由块中的几个像素同时检测到的事件才会被保留以构建深度图像。这样深度图像的分辨率就会低于传感器C2的像素P2数量，但是深度图像传感器的抗噪声性得到了改善。
应当注意，取决于所讨论的应用，由传感器C1采集2D图像的速率可以不同于由传感器C2采集深度图像的速率。
图6是示出了用于采集2D图像和深度图像的设备(例如类似于图1中的设备的设备)的实施例的示例中的2D像素P1和P1′以及深度像素P2的布置的另一示例的示意性局部俯视图。
在该示例中，传感器C1是色彩传感器，其仅包括两种不同类型的像素P1，即红色像素(R)和绿色像素(G)，以及仅一种类型的像素P1′(B+Z)，即滤色器118除了与设备相关联的光源发射的红外辐射之外，还优先透射蓝光的像素P1′。可替选地，传感器C1可以仅包括蓝色像素P1和绿色像素P1，其中像素P1′的滤色器118除了红外辐射之外还优先透射红光。像素P1和P1′在行和列中以矩阵形式布置，例如以所谓的“四拜耳”图案布置。与图5中的布置相比，图6中的布置提供了将绿色像素P1、红色像素P1、绿色像素P1和像素P1′中的每种类型的像素分组为四个相邻像素的群组。举例来说，相同类型的每组四个像素P1或P1′可以共享相同的滤色器118和相同的滤波器120。界定每个像素P2的检测区的垂直绝缘壁135在图6中示出为虚线。在该示例中，当从上方观察时，传感器C2的像素P2的检测区的尺寸大于传感器C1的四个像素P1′群组的尺寸。这使得在构建设备时更容易将传感器C1与传感器C2对准。
可替选地，传感器C1能够是包括三种不同类型的像素P1(即红色像素、蓝色像素和绿色像素)和单一类型的像素P1′的色彩传感器，像素P1′即，其滤色器118除了与设备相关联的光源发射的红外辐射之外还优先透射绿光的像素P1′。
可替选地，传感器C1没有像素P1并且仅包括像素P1′，更确切地说，包括三种不同类型的像素P1′，即其滤色器118除了与设备相关联的光源发射的红外辐射之外，还优先透射绿光、蓝光或红光的像素P1′。
在图6所示的设备中，同一类型的每组四个像素中的像素P1或P1′可以单独或同时控制，这取决于预期应用。例如，能够对来自相同类型的每组像素中的四个像素P1或P1′的信号进行累积。例如，与像素将占据基本上等于相同类型的每组四个像素P1或P1′所占据的面积的传感器相比，这允许降低噪声。可替选地，在相同类型的每组像素P1或P1′中，两个像素能够被用于在短曝光时间期间捕捉第一2D图像，另外两个像素被用于在长曝光时间期间(大于第一图像的曝光时间)捕捉第二2D图像。例如，第一和第二图像被同时捕捉，并且然后被组合以创建高动态范围(HDR)图像。
图7是结合图6描述类型的2D图像和深度图像采集设备的一组四个像素P1′的示意性局部俯视图。为了不使图纸过载，图7中未示出微透镜122、滤色器118和光电二极管101。在图7中示出了界定了基板100的分别对应于与一组四个像素P1′中的不同像素P1′的部分的垂直绝缘壁103。
在图示的示例中，互连堆叠110的电连接轨道和/或端子111在每个像素P1′的光电二极管101下方延伸。这些轨道和/或端子111穿透区域50的部分50a内部，其中区域50的部分50a围绕轨道和/或者端子111。在图6所示的示例中，每个像素P1′包括三个轨道111，应理解，在实践中，像素P1′可以包括任何数量的轨道和/或端子111。在该示例中，例如，每个像素P1′的轨道111分别连接到基板100、转移栅极701和像素P1′的读取节点(未示出)。例如，如图7所示，转移栅极701布置在由一组四个像素P1′所形成的正方形的四个角处。转移栅极701可以是平行于基板100的正面延伸的平面栅极，或者是垂直栅极，即从基板100的正面垂直延伸穿过基板100的厚度。
在所示的示例中，该组中的四个像素P1′共享公共区域50。这样具有的优点是当光穿过区域50时限制衍射现象。它还可以减少区域50和垂直绝缘壁103之间的接触表面，在图7所示的示例中，其中每个区域50只有两个侧壁与壁103接触，而不是在图5所示的实例中有四个侧壁。结果是区域50和壁103之间的界面处的泄漏现象减少，并且因此透射到第二传感器C2的红外光通量增加。
已经描述了各种实施例和变体。本领域技术人员将理解，这些不同实施例和变体的某些特征可以被组合，并且其他变体对于本领域技术技术人员将变得显而易见。特别地，已经描述了传感器C2通过其背面结合到传感器C1的正面的示例。可替选地，传感器C2的前部能够被结合到传感器C1的前部。在这种情况下，开口能够形成在传感器C1的互连堆叠140中，例如，与区域50成直线。类似于传感器C1的区域50的区域也可以形成在传感器C2的互连堆叠140中。
此外，尽管已经结合图3A至3H描述了用于制造包括仅与特定像素成直线的区域50的2D图像和深度图像采集设备的方法的示例，但是本领域技术人员可将该方法适用于区域50与第一传感器C1的每个2D图像像素成直线形成的情况。
最后，基于以上给出的功能指示，所描述的实施例和变体的实际实施方式在本领域技术人员的能力范围内。特别地，尽管已经描述了其传感器C1包括四倍于像素P1′的像素P1的设备，但是根据本说明书的指示，本领域技术人员能够实现其传感器C1包括任意比例的像素P1′与像素P1的设备。

Claims (20)

1.一种用于采集2D图像和深度图像的设备，包括：
-第一传感器(C1)，形成在具有正面和背面的第一半导体基板(100)中和其上，所述第一传感器(C1)包括：多个2D图像像素(P1,P1′)、位于所述第一基板(100)的正面侧并且电连接轨道和/或端子(111)被形成在其中的互连堆叠(110)，以及与位于与2D图像像素(P1′)成直线的互连堆叠(110)中的材料不同于基板材料的区域(50)；以及
-第二传感器(C2)，在所述第一基板(100)的正面侧上邻接所述第一传感器(C1)、形成在第二半导体基板(130)中和其上，并且包括位于与所述第一传感器(C1)的区域(50)相对的多个深度像素(P2)，
其中，每个区域(50)包括：从所述互连堆叠(110)的面向所述第一基板(100)的第一面延伸到所述互连堆叠(110)中的第一部分(50a)；以及从所述互连堆叠(110)的面向所述第二基板(100)的第二面、从所述互连堆叠(110)的与所述第一基板(100)相对的第二面延伸到所述第一部分(50a)的第二部分(50b)，所述第一部分(50a)在俯视图中具有比所述第二部分(50b)更小的表面积，所述区域(50)的材料在所述第二传感器(C2)的工作波长范围内的光学指数大于或等于所述基板(100)的材料的光学指数。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述区域(50)的材料还具有小于或等于10-3的吸收系数。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述区域(50)的材料具有大于或等于3.5的光学指数。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述区域(50)的材料为非晶硅。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述电连接轨道和/或端子(111)穿透每个区域(50)的第一部分(50a)内部。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，每个区域(50)在其整个外围和高度上方由折射率低于所述区域(50)的材料的折射率的介电材料来横向界定。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述区域(50)在基本上等于所述互连堆叠(110)的厚度的厚度上方延伸，并且和所述互连堆叠(110)的与所述第一半导体基板(100)相对的面齐平。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其中，所述第一传感器(C1)是色彩图像传感器，每个2D图像像素(P1,P1′)包括优先透射红光、绿光或蓝光的滤色器(118)。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述区域(50)仅被定位为与所述2D图像像素(P1′)成直线，所述2D图像像素(P1′)包括优先透射蓝光的滤色器(118)。
10.根据权利要求8所述的设备，其中，所述区域(50)被定位为与所述传感器的每个2D图像像素(P1,P1′)成直线。
11.根据权利要求8或9所述的设备，其中被定位为与所述区域(50)成直线的像素(P1′)以四个相邻像素(P1′)的群组进行分组。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，对于每组的四个相邻像素(P1′)，所述区域(50)对于所有四个像素(P1′)是公共的。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的设备，还包括在所述第一传感器(C1)的每个区域(50)和所述第二传感器(C2)的对应深度像素(P2)之间，交替具有不同折射率的介电层(128、126a、126b、132)，从而形成抗反射堆叠以用于光线在所述深度像素(P2)的方向上穿过所述区域(50)。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的设备，其中，所述第二传感器(C2)在面向所述第二半导体基板(130)的背部的一侧上包括互连堆叠(140)，在所述互连堆叠中电连接轨道和/或端子(141)被形成。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的设备，其中，所述第二传感器(C2)的每个深度像素(P2)包括SPAD型光电二极管(133)。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的设备，其中，所述第二传感器(C2)的每个深度像素(P2)包括耦合到同一检测区的多个存储区，并且能够测量由所述设备的光源所发射的调幅光信号与由所述像素的光电检测区在要采集图像的场景上反射之后所接收的光信号之间的相移。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的设备，其中，所述第一半导体基板和第二半导体基板(100、130)由单晶硅制成。
18.一种制造用于采集2D图像和深度图像的设备的方法，所述方法包括以下连续步骤：
a)在第一半导体基板(100)中和其上形成具有正面和背面的第一传感器(C1)，所述第一传感器(C1)包括：多个2D图像像素(P1,P1′)、位于所述第一基板(100)的正面侧并且电连接轨道和/或端子(111)被形成在其中的互连堆叠(110)、以及与位于与2D图像像素(P1,P1′)成直线的所述互连堆叠(110)中的材料不同于基板材料的区域(50)；以及
b)在第二半导体基板(130)中和其上形成第二传感器(C2)，所述第二传感器包括位于与所述第一传感器(C1)的区域(50)相对的多个深度像素(P2)；以及
c)在所述第一基板(100)的正面侧上将所述第二传感器(C2)接合到所述第一传感器(C1)，
其中，每个区域(50)包括从所述互连堆叠(110)的面向所述第一基板(100)的第一面延伸到所述互连堆叠(110)中的第一部分(50a)，以及从所述互连堆叠(110)的与所述第一基板(100)相对的第二面延伸到所述第一部分(50a)的第二部分(50b)，所述第一部分(50a)在俯视图中具有比所述第二部分(50b)更小的表面积，所述区域(50)的材料在所述第二传感器(C2)的工作波长范围内的光学指数大于或等于所述基板(100)的材料的光学指数。
19.根据权利要求18所述的方法，包括以下连续步骤：
形成所述互连堆叠(110)的第一部分；
形成所述区域(50)的第一部分(50a)；
形成所述互连堆叠(110)的第二部分；以及
形成所述区域(50)的第二部分(50b)。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述区域(50)的所述第一部分和所述第二部分(50a,50b)是在完成所述互连堆叠(110)之后形成的。
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