TW201205794A - Image sensor having dark sidewalls between color filters to reduce optical crosstalk - Google Patents

Description

201205794 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體上係關於影像感測器，且詳言之，係關於影 像感測器之濾光器。 【先前技術】 影像感測器已變得普遍存在。影像感測器廣泛地用在數 位靜態相機、蜂巢式電話、安全相機、醫學器件' 汽車及 其他應用中。用以製造影像感測器（且詳言之，互補金氧 半導體（「CMOS」）影像感測器（「CIS」）)之技術已持續大 步前進。舉例而言，對較高解析度及較低電力消耗之需求 已鼓勵了景像感測器之進一步小型化及整合。因此，影像 感測器之像素陣列中之像素的數目已增加，而每一像素單 元之大小已減小。 典型影像感測器内之單一像素如下操作。光入射於微透 鏡上。微透鏡經由濾光器將光聚焦至感光元件上。感光元 件將經濾光之光轉換成與入射光之強度及曝露持續時間成 比例的電信號。該電信號可耦合至放大及讀出電路。藉由 俘獲並自像素陣列讀出影像資料來產生整個影像。 習知影像感測器遭受到各種限制。在使用前側照明 (「FSI」）之影像感測器中’金屬層、多晶矽層、擴散層等 安置於微透鏡與感光元件之間。在使用FSI技術之影像感 測器之製造期間’因此形成一通道以供光自微透鏡行進至 感光兀件以期避開金屬、多晶矽、擴散區等。此等通道限 制可使用FSI技術俘獲之影像的品質。 155892.doc 201205794 一個解決方案係使用背側照明（「⑽」）。在使用BSI之 影像感測H巾’金制Hn散層等係在基板之 前側（感光元件整合於其中）上 ; 而先係自基板之背側入 射。因此，無需為了避開金屬、多晶石夕、擴散區等而形成 至感光元件之限制路徑。實情為，入射於背側微透鏡上之 光具有自微透鏡經由滤光器層至感光元件之直接、無約束 路徑。 然而，BSI影像感測器亦遭受到限制。舉例而言，隨著 BSI影像感測器之像素大小變小，微透鏡可能難以將入射 光聚焦至感光元件上。結果，像素間可存在串擾。串擾在 影像感測器中產生非所要之雜訊。另外，不存在金屬堆 疊，此可幫助阻擋意欲用於給定像素之光進入鄰近像素。 此外，隨著像素大小或微透鏡直徑接近或變得小於可見光 之波長，聚焦入射光由於光之「繞射極限」而變得更難。 用於減少串擾之一種技術為增加彩色濾光器之厚度。咸 信此種技術能減少光串擾之發生。然而，此種解決方案亦 降低像素單元之量子效率（「QE」）。另一種技術包括自像 素陣列之每隔一行開始蝕刻碳層110(見圖1}。側壁121及 122形成於經蝕刻之碳層11〇上。在形成側壁^及122之 後’在側壁121與12 2之間沈積彩色渡光器陣列之前移除經 蝕刻碳層11 〇。此種方法之缺點包括在可沈積彩色渡光器 陣列之前製造經蝕刻碳層110及側壁121及122所需的額外 製造步驟及遮罩的數目。藉由此種方法產生之側壁較寬， 其中如圖1中所見，側壁寬度W之最寬部分位於保護層ι〇1 155892.doc 201205794 之表面處。隨著像素單元及彩色濾光器之大小減小，側壁 121及122之寬度變成較大之問題且干擾入射光之路徑及量 子效率。又，在移除經蝕刻碳層11〇之後，側壁ΐ2ι及ι22 並無任何結構支撐直至沈積彩色濾光器陣列為止，且可能 易於受損，因此較薄之側壁可能並非實用之解決方案。 【實施方式】 ' 參看以下圖式描述本發明之非限制性及非詳盡實施例， 其中除非另有指定，否則貫穿各個視圖，相同參考數字指 代相同部分。 本文中描述用於具有減少之串擾的影像感測器之裝置及 系統的實施例。在以下描述中，陳述眾多具體細節以提供 對該等實施例之透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識 到’本文中所描述之技術可在無該等具體細節中之一或多 者的情況下加以實踐或以其他方法、組件、材料等來加以 實踐。在其他情況下，不詳細展示或描述熟知結構、材料 或操作以避免混淆某些態樣。 遍及本說明書對「一實施例」之參考意謂結合該實施例 所描述之特定特徵、結構或特性包括於本發明之至少一實 施例中。因此，在本說明書全文各處之片語「在一實施例 中」的出現未必均指同一實施例。此外，可在一或多個實 施例中以任何合適方式組合特定特徵、結構或特性。 圖2為說明根據本發明之實施例之成像系統2〇〇的方塊 圖。成像系統200之所說明實施例包括像素陣列2〇5、讀出 電路210、功能邏輯215及控制電路220。 155892.doc 201205794 像素陣列205為影像感測器或像素（例如，像素pi、 P2、…、pn)之二維（「2D」）陣列。在一實施例中，每一 像素為互補金氧半導體（「CMOS」）成像像素》如所說 明，將每一像素配置成列（例如’列R1至Ry)及行（例如， 行C1至Cx)以獲取人、地點或物件之影像資料，該影像資 料接著可用來呈現人、地點或物件之2D影像。在一實施例 中’像素陣列205為背側照明（「BSI」）影像感測器，在一 實施例中’像素陣列205為前側照明（「FSI」）影像感測 器。在一實施例中，像素陣列205包括安置於陣列之背側 之上的彩色渡光器型樣，諸如拜耳（Bayer)型樣、馬赛克順 序型樣或其他型樣。拜耳濾光器型樣係按交替紅色濾光器 與綠色濾光器、接著綠色濾光器與藍色濾光器之連續列來 排序-拜耳濾光器型樣所具有之綠色濾光器為紅色濾光器 或藍色濾光器之兩倍。 ° 在每一像素已獲取其影像資料或影像電荷之後，藉由讀 出電路21G來讀出影像f料，且將該影像f料傳送至功能 、「輯215。讀出電路21〇可包括放大電路、類比轉數位 (ADC」）轉換電路或其他電路。功能邏輯Μ〗可僅儲存影 像資料或甚至藉由應用後期影像效果（例如，修剪、旋 :象ίΓ在調：亮度、調整對比度或其他操作)來操縱 象資枓。在-實施例中，冑出電路加可沿著讀出行線 術來二影像資料(經說明)，或可使用各種其他技 所有像素之完全並行讀出。 時對 I55892.doc 201205794 控制電路220耦合至像素陣列205以控制像素陣列2〇5之 操作特性。舉例而言，控制電路220可產生用於控制影像 獲取之快門信號。在一實施例中，該快門信號為用於同時 使像素陣列205内之所有像素能夠在單一獲取窗期間同時 俘獲其各別影像資料的全域快門信號。在一替代實施例 中該快門信號為一滾動快門信號，藉此在連續獲取窗期 間依序地啟用每一列、每一行或每一群像素。 圖3為說明根據本發明之實施例之像素陣列内之兩個四 電晶體（「4T」）像素之像素電路3〇〇的電路圖。像素電路 3 〇 〇為用於實施圖2之像素陣列2 〇 5内之每一像素的一個可 能的像素電路架構。然而，應瞭解’本發明之實施例並不 限於4T像素架構；實情為，受益於本發明之一般熟習此項 技術者將理解，本發明之教示亦適用於3T設計、5丁設計及 各種其他像素架構。在圖3中，像素以及pb配置成兩列及 一行。每一像素電路300之所說明實施例包括一光二極體 叩、-傳送電晶ϋΤ1、一重設電晶體丁2、一源極隨輕器 (SF」）電3Θ體Τ3及一選擇電晶體Τ4。在操作期間，傳送 電晶體η接收一傳送信㈣，該傳送信號τχ將光二極體 PD中累積之電荷傳送至浮動擴散節點。在一實施例 中，浮動擴散節點FD可耦合至用於臨時儲存影像電荷之儲 存電容器。重設電晶體Τ2麵合於電力軌VDD與浮動擴散節 點FD之間以在重設信號纽之控制下重設（例如，對印放 電或充電至預設電壓）。浮動擴散節點FD經輕合以控制SF 電晶體T3H SFf晶體㈣合於電力軌vdd盘選擇 155892.doc 201205794 電晶體T4之間。SF電晶體T3用作提供自像素輸出之高阻 抗的源極隨耦器。最後，選擇電晶體Τ4在選擇信號SEL之 控制下選擇性地將像素電路300之輸出耦合至讀出行線。 在一實施例中，藉由控制電路220產生ΤΧ信號、RST信號 及SEL信號。 圖4為根據本發明之實施例的BSI影像感測器400之一部 分的橫截面圖。圖4說明BSI影像感測器400内之三個鄰近 像素。BSI影像感測器400之像素為圖2中之像素陣列205内 之像素PI、Ρ2、…、Ρη之一個可能實施方案。BSI影像感 測器400之所說明實施例包括基板401、釘紮區402Α至 402C(統稱402)、感光區403A至403C(統稱403)、背側捧雜 層404、像素電路區405 A至405C(統稱405)、淺溝槽隔離 (「STI」）407、金屬堆疊410、抗反射（「AR」）層430、彩 色渡光器440A至440E(統稱440)、暗側壁膜445A至445D(統 稱445)及微透鏡450A至450C(統稱450)。 術語基板在本文中按廣義使用且包括半導體塊狀晶圓層 以及形成於塊狀晶圓層上之蟲晶層。在一些實施例中，基 板層401為半導體（例如，^夕）磊晶層。像素電路405a、 405B及405C可各自包括傳送電晶體丁丨、重設電晶體T2、 源極隨耦電晶體SF及選擇電晶體Τ4 ;然而，為免弄亂圖 4，此等元件以虛線框表示。金屬堆疊41〇安置於基板4〇1 之前側上，且包括藉由介層孔連接且藉由金屬間介電層 412分離的金屬層Μ1及M2。雖然所說明之實施例說明了兩 個金屬層，但應瞭解，實施例可包括藉由金屬間介電層分 155892.doc •10- 201205794 離之更多或更少之金屬層。釘紮區4〇2位於基板4〇ι之前側 表面處或附近、在感光區403之下，但在其他實施例中， 釘紮區可位於他處或甚至完全省略。在一實施例中，基板 401為P型摻雜矽，感光區4〇3為形成光二極體之n型摻雜 區，且背側摻雜層404為具有比基板401高之摻雜劑濃度的 ρ型摻雜層。背側摻雜層404具有增強感光區4〇3中之電荷 收集的效應，且減少基板401之背側表面處之暗電流產 生。 微透鏡450安置於彩色濾光器44〇之背側上。在操作期 間，微透鏡450經由其各別彩色濾光器44〇將背側入射光引 向其各別感光區403。彩色濾光器對光濾光以產生彩色影 像。光之到達感光區403之部分轉換成被收集且赌存為電 信號的光生電荷載流子。 若光以相對於法線足夠大之角度入射於微透鏡45〇上， 則其可自一個彩色濾光器440進入鄰近彩色濾光器44〇中且 被錯誤之感光元件403收集。此形式之串擾稱作色彩串 擾’且可有害地影響影像品質及影像資料之色彩品質。因 此’本發明之實施例包括安置於鄰近彩色濾光器44〇之間 的暗側壁膜445。在一實施例中’暗側壁膜445由以下材料 形成.黑色材料（或因其他原因為暗、不透明或部分不透 明的材料）或含有黑色/暗染料、顏料染色或諸如碳、石墨 或Cr〇3之物質且給予暗或黑色顏料染色以吸收離軸或斜射 光（見光線460)的材料。因此，像素之間的色彩串擾減少， 此係因為進入給定彩色濾光器440中之光在側向上被阻 155892.doc 201205794 擋。在一實施例中，暗側壁膜445實質上或幾乎為不透明 的。歸因於在下文結合圖5A至圖5D描述之製造技術，暗 侧壁膜445相對較窄’且因此對每一彩色濾光器44〇之總體 孔徑寬度W具有很少影響◎在一實施例中，每一彩色濾光 器440之孔徑寬度W約1.4 μπι ’而高度Η大致介於600 nm至 800 nm之間。在一實施例中，暗側壁膜445之厚度小於孔 徑寬度W之1 0°/。。在一實施例中，暗側壁膜445與彩色濾光 器440延行相同之高度Η ’藉此沿彩色遽光器440之整個側 面隔離鄰近之彩色遽光器440。在一實施例中，每一暗側 壁膜445位於鄰近微透鏡450下方且在鄰近微透鏡450之轉 角之間對準。 圖5 Α至圖5D說明根據本發明之實施例的用於製造包括 暗側壁膜445之影像感測器400的技術。圖5A為直至形成綠 色濾光器陣列為止的部分製造好之BSI影像感測器400的橫 截面圖。注意，金屬堆疊410未說明於圖5A(或剩餘之圖5B 至圖5D)中僅係為了簡化圖式，但其通常係在像素電路405 之製造之後且在彩色濾光器440之背側處理之前的前側處 理期間製造。在拜耳濾光器型樣中，彩色濾光器係按交替 紅色濾光器與綠色濾光器、接著綠色濾光器與藍色濾光器 之連續列來排序。綠色濾光器之數目為紅色濾光器或藍色 濾光器之兩倍。綠色濾光器在彩色濾光器陣列上形成棋盤 型樣。在所說明之實施例中，綠色濾光器440C沈積於影像 感測器400之背側上並使用光微影技術來圖案化。 在綠色濾光器440形成於影像感測器400之背側之上之 155892.doc 12 201205794 後，暗保形塗層560沈積於綠色濾光器

亍y』I上，如圖5B 中所見。暗保形塗層560可由各種材料製成，包括：黑色 材料（或因其他原因為暗、不透明或部分不透明的材料、)或 含有黑色/暗染料、顏料染色或諸如碳、石墨或心〇3之物 質的材料’且具有實質上均一之厚度。在—實施例中厚 度小於像素大小之1 〇%。 圖5C說明對BSI影像感測器4〇〇之背側執行的各向異性蝕 刻。蝕刻製程自水平表面(例如，綠色璩光器陣列之頂 側’及BS!影像感測器彻之背側的暴露水平部分）移除暗 保形塗層560，使得每一綠色濾光器44〇A、44〇c、柄肫之 側面仍塗佈有暗側壁膜445。剩餘暗側壁膜州充當鄰近彩 色遽光器之間的光學側壁障壁以減小鄰近像素之間的串/ 擾。暗側壁膜445分離諸個彩色濾光器44〇，如圖5d中所說 明。 。 由於暗側壁膜445由單一保形塗層形成，因此其與彩色 遽光器450自身之寬度相比可能相對較薄，且將不會顯著 地減少每-像素之孔徑大小。因&，暗側壁膜州減少色 彩串擾’同時保持BSI影像感；則器4〇〇之量子效率（撞擊像 素陣列2 G 5之背側的光子作為影像電荷收集於感光區4 〇 $内 的百分數）。暗側壁膜445之厚度自彩色濾光器之頂部至底 部實質上均…形成暗側壁膜州之上述技術為自對準製 程，具有很少或無覆疊控制問題。此外，了用以形成彩 色濾光器之遮罩之外，不要求額外遮罩。 在圖5D中，形成剩餘之彩色濾光器54〇]8及54此，在拜 155892.doc 201205794 耳型樣濾光器陣列之情況下’其取決於特定列而為兩個紅 色滤光器或是兩個藍色滤光器。 應注意，上述描述假定使用紅色、綠色及藍色感光元件 來實施影像感測器。受益於本發明的熟習此項技術者將瞭 解’該描述亦適用於其他原色據光器或補色滤力器。舉例 而。，洋紅色、黃色及青藍色為可用以產生彩色影像的一 組常見之替代補色。若在彩色濾光器型樣中使用四種色彩 (諸如’青藍色、黃色、綠色及洋紅色遽光器型樣），則首 先可圖案化兩個彩色濾光器以在沈積暗保形塗層之前在影 像感測器之背側上形成棋盤型樣。另外，使一組綠色感光 元件與交替之紅色及藍色感光元件交錯或穿插亦並非必要 的，但此等組態為常見的，此係因為人類視覺系統對綠波 段中之色彩比對可見光譜中之其他色彩更敏感。 所說明之實施例為BSI影像感測器；然而，應瞭解，本 發明之實施例亦可應用於前側照明（FSI)影像感測器。安置 於鄰近彩色濾光器之間的暗側壁膜可廣泛地用以減小像素 之間的串擾。 本發明之所說明實施例之以上描述（包括在摘要中所描 述之内容）不意欲為詳盡的或將本發明限於所揭示之精確 形式。如熟習相關技術者將認識到，雖然在本文中出於說 明性目的而描述本發明之具體實施例及實例，但在本發明 之範"#内各種修改係可能的。 可根據以上詳細描述而對本發明進行此等修改。在以下 申請專利範圍中所使用之術語不應被理解為將本發明限於 155892.doc 201205794 本說明書中所揭示之具體實施例。實情為，本發明之範嘴 將完全藉由以下申請專利範圍確定，以下申請專利範圍將 根據請求項解釋之既定準則加以理解。 【圖式簡單說明】 圖1 (先前技術）為側壁環繞個別彩色濾光器之影像感測 • 器的一部分的橫截面圖； 圖2為說明根據本發明之實施例之成像系統的方塊圖； 圖3為說明根據本發明之實施例的一成像系統内之兩個 4T像素之像素電路的電路圖； 圖4為根據本發明之實施例的BSI影像感測器之一部分的 橫截面圖； 圖5 A為根據本發明之實施例的直至形成綠色濾光器陣列 為止所製造的部分製造好之BSI成像感測器的橫截面圖； 圖5B為說明根據本發明之實施例的綠色濾光器陣列之上 的保形塗層的部分製造好之BSI成像感測器的橫截面圖； 圖5C為說明根據本發明之實施例的各向異性隔片蝕刻的 部分製造好之BSI成像感測器的橫截面圖；及 圖5D為說明根據本發明之實施例的彩色濾光器陣列之剩 ： 餘部分之形成的部分製造好之BSI成像感測器的橫截面 * 圖。 【主要元件符號說明】 101 保護層 110 碳層 121 側壁 155892.doc 15 201205794 122 側壁 200 成像系統 205 像素陣列 210 讀出電路 215 功能邏輯 220 控制電路 300 像素電路 400 BSI影像感測器 401 基板 402A 釘紮區 402B 釘紫區 402C 釘紮區 403A 感光區 403B 感光區 403C 感光區 404 背側摻雜層 405A 像素電路區 405B 像素電路區 405C 像素電路區 407 淺溝槽隔離 410 金屬堆疊 412 金屬間介電層 430 抗反射（「AR」 440A 彩色濾光器 -16- 155892.doc 201205794 440B 彩色濾光器 440C 彩色濾光器 440D 彩色濾光器 440E 彩色濾光器 445A 暗側壁膜 445B 暗側壁膜 445C 暗側壁膜 445D 暗側壁膜 450A 微透鏡 450B 微透鏡 450C 微透鏡 460 光線 540B 彩色濾光器 540C 彩色濾光器 560 暗保形塗層 Cl-Cx 行 FD 浮動擴散節點 Ml 金屬層 M2 金屬層 Pl-Pn 像素 Pa 像素 Pb 像素 PD 光二極體 Rl-Ry 列 -17- 155892.doc 201205794 SF 源極隨耦器 ΤΙ 傳送電晶體 T2 重設電晶體 Τ3 源極隨輛電晶體 Τ4 選擇電晶體 VDD 電力軌 155892.doc - 18-

Claims (1)

1. 201205794 七、申請專利範圍： 1. -種影像感測器’其包括安置於一基板層中之一像素陣 列，該影像感測器包含： 一感光元件陣列，其安置於該基板層中； 一彩色濾光器陣列（「CFA」），其包括具有至少兩種 不同色安置於该基板層之一光入射侧之上的CFA元 件； 一微透鏡陣列，其安置於該CFA之上’其中每一微透 鏡k對準m由-相應CFA元件將人射於該影像感測器 之該光入射側上的光指引至一相應感光元件；及 暗側壁膜’其安置於該等CFA元件之側面上且分離該 等CFA元件中之具有不同色彩之鄰近者。 2. 如明求項1之影像感測器，其中該等暗側壁膜實質上不 透明。 3. A凊求項1之影像感測器，其中該等暗側壁膜包含用 石反石墨或Cr〇3中之至少一者染色的一暗材料。 4·如咕求項1之影像感測器，其中該等暗側壁膜中之每一 者具有一實質上均—之厚度。 5 · 女口言青工音1 • 一貝1之影像感測器，其中該等暗側壁膜接觸鄰近 C A元件，且界定該等鄰近CFA元件之間的一邊界。 6. 如請求jg，> & & 崎1之衫像感測器，其中該影像感測器包含一背 側照明> 〈互補金氧半導體（r CMOS」）影像感測器，且该 基板層包含一磊晶矽層。 7. 如請求項< ^ 埸6之影像感測器，其進一步包含一金屬堆疊， 155S92.doc 201205794 該金屬堆疊包括藉由絕緣介電層分離的一或多個金屬 層’该等絕緣介電層安置於該像素陣列之一前側上用於 在該像素陣列之該前側之上投送信號。 8. 如請求項7之影像感測器，其進一步包含： 一背側摻雜層’其具有比該基板層高之一摻雜劑濃 度、安置於該基板層與該CFA之間；及 一抗反射層，其安置於該背側掺雜層與該CFA之間。 9. 如凊求項1之影像感測器，其中該影像感測器包含一前 側照明之互補金氧半導體（「CM〇s」）影像感測器，且該 基板層包含一磊晶矽層。 10· —種製造一影像感測器之方法，該方法包含： 在一半導體層内形成一感光元件陣列； 在該感光元件陣列之上形成一彩色濾光器陣列 (「CFA」）之一第一色彩元件陣列； 在該第一色彩元件陣列之上形成一暗塗層； 移除該暗塗層之第-部分，同時保持該暗塗層的在該 等第—色彩元件之側面上的第二部分作為暗側壁膜；及 形成該CFA之與該第一色彩元件陣列穿插的一第二色 彩元件陣列，其中該等暗側壁膜將該等第—色彩元件與 該專第二色彩元件分離。 、 11. 12. 如請求項10之方法，其中移除該暗塗層之該等第一部分 包含：對該暗塗層之一各向異性蝕刻。 如請求項10之方法’其令該暗塗層包含具有一實質上均 -厚度的-暗保形塗層，且其中該等暗側壁膜具有一實 155892.doc 201205794 ^ · 質上均一之厚度。 13. 如請求項1〇之方法，其中該等暗側壁膜對可見光不透明 或實質上不透明。 14. 如睛求項1〇之方法，其中該暗塗層包含用碳、石墨或 Cr〇3中之至少一者染色的一暗材料。 15. 如請求項10之方法，其中形成該CFA之該第一色彩元件 陣列包含： 將該CFA之一第一彩色層安置於該感光元件陣列之 上；及 將該第一彩色層圖案化至該CFA之該第一色彩元件陣 列中。 16. 如晴求項1 〇之方法，其進一步包含： 形成該CFA之與該第一色彩元件陣列及該第二色彩元 件陣列穿插的一第三色彩元件陣列，其中安置於該等第 一色彩元件之該等側面上的該等暗側壁膜使該等第一色 彩元件、該等第二色彩元件及該等第三色彩元件彼此分 離。 17. 如請求項16之方法，其中該CFA包含一拜耳型樣CFA， ’ 且其中該等第一色彩元件包含綠色元件。 • 18.如請求項10之方法，其中該影像感測器包含一互補金氧 半導體（「CMOS」）影像感測器。 19.如請求項18之方法，其中該CMOS影像感測器包含一背 側照明影像感測器，其中CFA形成於該CMOS影像感測 器之一背側上，該方法進一步包含： 155892.doc 201205794 形成一金屬堆叠，該金屬堆疊包括藉由絕緣介電層分 離的一或多個金屬層，該等絕緣介電層安置於該CMOS 影像感測器之一前側上用於在該感光元件陣列之該前側 之上投送信號。 155892.doc