TW201332091A - 具有光導之背側照射像素 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一像素之實施方案，該像素包含：一基板，其具有一前側、一背側及形成於該前側上或其附近之一光敏區；一介電層，其形成於該前側上；及一金屬堆疊，其具有一底部側及一頂部側，該底部側在該介電層上。一光導形成於該介電層及該金屬堆疊中且自該基板之該前側延伸至該金屬堆疊之該頂部側，該光導具有等於或大於該基板之折射率之一折射率。本發明亦揭示且主張其他實施方案。
Description
所揭示之實施例一般而言係關於影像感測器，且特定而言(但非排他地)係關於包含一光導之背側照射像素。
一典型影像感測器包含具有多個像素之一像素陣列，每一像素具有一光敏區域及支援電路。在像素當中及之間載運電信號之導電線通常形成於該像素之前側上方之介電層中。在前側照射(FSI)像素中，該等導電線可減少到達每一像素之入射光之量。背側照射(BSI)影像感測器係其中來自待擷取之影像之光入射於影像感測器之像素陣列之背側而非前面上之影像感測器。BSI影像感測器之優勢中之一者係入射光可在不必橫穿像素陣列之前側上之導電線之間的空間之情形下到達每一像素之光敏區域。
已在BSI影像感測器中觀察到之一種現象係可由構成影像感測器之基板及介電質之各種層之間的界面反射以及由導電線本身反射穿過背側到達像素之光。除其他之外，此現象亦可在由影像感測器擷取之影像中致使不必要及不期望之「重影」。該現象可在任何波長下發生，但對於較長波長(諸如，在光譜之紅色部分中之波長)而言較為明顯。
參考以下圖闡述本發明之非限制性及非窮盡性實施例，其中除非另外規定，否則在所有各個視圖中相同元件符號指代相同部件。
本發明闡述用於包含一前側光導之背側照射像素之一設備、系統及方法之實施例。闡述眾多特定細節以提供對本發明之實施例之一透徹理解，但熟習此項技術者將認識到，可在不含所闡述細節中之一或多者之情形下或者藉助未闡述之其他方法、組件、材料等來實踐本發明。在某些例項中，未詳細展示或闡述眾所周知之結構、材料或操作，但儘管如此其仍歸屬於本發明之範疇內。
本說明書通篇中對「一項實施例」或「一實施例」之提及意指與該實施例一起闡述之一特定特徵、結構或特性包含於至少一項所闡述實施例中。因此，在本說明書中出現之短語「在一項實施例中」或「在一實施例中」未必全部指代同一實施例。此外，可以任何適合方式將該等特定特徵、結構或特性組合於一或多項實施例中。
圖1圖解說明一背側照射互補金屬氧化物半導體(CMOS)像素100之一實施例。像素100包含具有一前側104及一背側106之一基板102。一光敏區108形成於前側104上或其附近；在一項實施例中，光敏區108可在前側104上，但在其他實施例中，光敏區108可在前側104下方，舉例而言，在其中一釘紮層定位於光敏區108與表面104之間的實施例中。毗鄰於光敏區108之一浮動擴散部109及一對淺溝渠隔離(STI)區110亦形成於基板102上前側104上或其附近。
一介電層112形成於前側104上，且具有一頂部側115及一底部側117之一金屬堆疊114形成於介電層112之頂部上，使得底部側117在該介電層上。在所圖解說明之實施
例中，金屬堆疊114包含兩個金屬層M1及M2，但在其他實施例中，金屬堆疊114可包含較大或較小數目個層。金屬堆疊M1及M2如此稱謂此乃因其包含將信號載運至像素及自像素載運信號之金屬互連件。舉例而言，金屬層M2包含嵌入於一介電材料116中之導電跡線118。金屬層M1類似於金屬層M2，但在任何既定實施例中，金屬堆疊114中之個別金屬層不需要具有相同建構或由相同材料製成。
一彩色濾光器120形成於基板102之背側106上。在不同實施例中，彩色濾光器120可具有不同色彩。舉例而言，在使用一紅-綠-藍(RGB)彩色濾光器陣列之一像素陣列中，用於一既定像素100之彩色濾光器120可係紅色、綠色或藍色的。一微透鏡122可形成於彩色濾光器120上以幫助將入射光聚焦至光敏區108上。
在像素100之操作中，光入射於像素之背側上。藉由照射像素100之背側，金屬堆疊114中之金屬互連線不遮掩正成像之物件與光敏區108之間的路徑，從而導致由光敏區進行之較大信號產生。微透鏡122將入射光聚焦在彩色濾光器120上，彩色濾光器120濾除入射光之分量中之一者-舉例而言，紅色。來自紅色光之光子照射在光敏區108上且產生電荷，但在經濾光之入射光照射在光敏區108上之後，其亦照射在基板102與介電質112之間的界面上。
通常，介電質112之折射率低於基板102之折射率。在基板-介電質界面處折射率之此失配導致在該界面處之某一反射，以使得光自該界面往回反射，如圖中所展示。可在
其他界面(諸如，介電質112與金屬堆疊114之間的界面、個別金屬堆疊M1與M2之間的界面及導電跡線與環繞其之介電質之間的界面)處發生額外反射。此等反射降低光敏區108之光收集效率且在較長波長(諸如紅色光之波長)下可能尤其麻煩。
圖2圖解說明一背側照射CMOS像素200之一替代實施例之一剖面。像素200具有在大多數方面類似像素100之建構之一建構。像素200與像素100之建構之間的主要差異在於像素200包含形成於該像素之前側上介電層112及金屬堆疊114中之一光導202。光導202自基板102之前側104延伸至金屬堆疊114之頂部側115且具有在表面104處之一寬度W2及在表面115處之一寬度W3。在此實施例中，光導202具有自前側104至頂部側115之一倒錐形-亦即，W3大於W2，使得該光導在頂部側115處比在前側104處寬。在所圖解說明之實施例中，前側104處之寬度W2小於光敏區108之寬度W1，但在其他實施例中，W2可等於或大於W1。
光導202由具有大於或等於基板102之折射率之一折射率之一材料形成。藉由使用具有相等或較高折射率之一材料，可實質上減少或消除基板102與介電層112之間的界面處之反射。亦可使用光導202實質上減少或消除其他界面(諸如，介電質112與金屬堆疊114之間的界面、個別金屬堆疊M1與M2之間的界面及導電跡線118與環繞其之介電質之間的界面)處之反射。
可使用習用技術來構建像素200直至形成金屬堆疊114為止。在形成金屬堆疊之後，圖案化一開口且將其蝕刻至金屬堆疊114及介電層112中、向下至基板102之頂部表面104。一旦穿過介電質112及金屬堆疊114形成該開口，即可用具有所需折射率之一適合材料來填充該開口以形成光導202。可用於光導202之材料之實例包含在所期望波長範圍內為實質上光學透明之材料，諸如，光學級丙烯酸樹脂、聚碳酸酯、玻璃等。
在像素200之操作中，光入射於像素之背側上，在該背側處該光由微透鏡122聚焦、由彩色濾光器120濾光且然後行進穿過基板102並照射在光敏區108上。由於光導202，因此在頂部表面104與介電質112之間的界面處，不再存在該界面處致使光沿入射方向往回反射之折射率之一降低。而是，由於折射率失配使得光導202之折射率等於或大於基板102之折射率，因此光通過該界面而非被反射，且行進穿過光導202，如圖中所展示。
光導202之存在亦防止來自材料之間的其他界面(諸如，介電質112與金屬堆疊114之間的界面、單獨層與金屬堆疊之間的界面或金屬層中之介電質中之電跡線之間的界面)之反射。由於頂部表面104與介電質112之間的界面處之反射在較高波長輻射(諸如，紅色光)之情形下最明顯，因此在一項實施例中，彩色濾光器120係紅色的，但在其他實施例中，光導202可與其他色彩(諸如，藍色、綠色、洋紅色、青色、黃色或全色(白色)像素)之彩色濾光器一起使
用。
圖3圖解說明一CMOS像素300之另一實施例。CMOS像素300之建構在大多數方面類似於像素200之建構。像素300與像素200之間的主要差異在於像素300包含光導302。光導302在建構上類似於光導202，惟光導302具有在前側104與頂部表面115之間的一正錐形。換言之，光導302具有在表面104處之尺寸W2及表面115處之尺寸W3，但在此實施例中，W2大於W3，從而導致表面104與表面115之間的一錐形。與像素200一樣，在所圖解說明之實施例中，W2小於W1(光敏區108之尺寸)，但在其他實施例中，W2可大於或等於W1。光導302另外在建構及操作兩者上皆類似於光導202。
圖4圖解說明一CMOS像素400之一替代實施例。像素400在大多數方面類似於像素200。像素400與200之間的主要差異在於在像素400中包含在光導202之出口處之一高吸收濾光器402。高吸收濾光器402形成於頂部側115上且具有實質上等於或大於在表面115處的光導202之寬度W3之一寬度。高吸收濾光器402可吸收行進穿過光導202之輻射或光以使得其不會射出像素400之前側。在其中彩色濾光器120為紅色之一項實施例中，高吸收濾光器402可由在光譜之紅色部分中高度吸收之一材料製成，但在其他實施例中，其可由其他材料製成。在一項實施例中，可藉由在表面115上沈積一適合材料層、藉由諸如旋轉塗佈之技術攤鋪該層且然後圖案化及蝕刻該層以將其寬度限制於實質上
寬度W3來形成高吸收濾光器402。在其他實施例中，亦可以一粗糙方式對層402進行化學機械拋光以使得其產生一漫射表面。
圖5圖解說明一成像系統500之一實施例。可包含折射、繞射或反射光學器件或此等光學器件之組合之光學器件501耦合至包含一像素陣列504、一控制電路509及一信號讀取與處理電路510之影像感測器502。光學器件501將一影像聚焦至像素陣列504中之像素上。該像素陣列然後擷取該影像且成像系統500之其餘部分處理來自該影像之像素資料。
像素陣列504係背側照射成像感測器或像素之一個二維(「2D」)陣列。在一項實施例中，每一像素係一互補金屬氧化物半導體(「CMOS」)成像像素，且該陣列中之至少一個像素可係圖2至圖4中所展示之BSI像素實施例中之一者。當將個別像素形成為一像素陣列時，亦可將諸如彩色濾光器及微透鏡之支援元件形成為陣列。如所解說明，該陣列中之每一像素被配置至列506及行508中以獲取一人、地點或物件之影像資料，然後可使用該影像資料再現人、地點或物件之一2D影像。所圖解說明之像素陣列504係規則形狀的，但在其他實施例中，該陣列可具有不同於所展示之一規則或不規則配置且可包含比所展示之更多或更少之像素、列及行。此外，在不同實施例中，像素陣列504可係包含紅色、綠色及藍色像素之一彩色影像感測器或可係一洋紅-青-黃影像感測器。在使用一個以上像素(諸如，
圖2至圖4中所圖解說明之像素)之像素陣列504之某些實施例中，光導之尺寸W2及W3可跨越像素陣列而變化以校正色彩發暗效能。因此，一像素之光導之尺寸及/或形狀可跨越像素陣列而變化。舉例而言，在一項實施例中，光導之尺寸及/或形狀可自陣列之中心至邊緣徑向變化，但在另一實施例中，光導之尺寸及/或形狀可自陣列之中心至左邊緣及右邊緣變化。在其他實施例中，可能存在其他變化。
在像素陣列504擷取一影像之操作期間，像素陣列504中之每一像素在一特定曝光週期期間擷取入射光(亦即，光子)且將所收集光子轉換成一電荷。可將由每一像素產生之電荷讀出為一類比信號，且該類比信號之一特性(諸如，其電荷、電壓或電流)將表示在曝光週期期間入射於像素上之光之強度。
控制電路509耦合至像素陣列504以控制該像素陣列內之一或多個像素之操作特性。舉例而言，控制電路509可產生用於控制影像獲取之一快門信號。在一項實施例中，該快門信號係用於啟用像素陣列504內之所有像素以在一單個獲取窗期間同時擷取其各別影像資料之一全域快門信號。在一替代實施例中，快門信號係藉此在連續獲取窗期間順序地讀出每一像素列、每一像素行或每一像素群組之一滾動快門信號。
影像感測器502包含信號讀取與處理電路510。雖然在圖式中展示為與像素陣列504分離之元件，但在某些實施例
中，控制電路509及/或信號讀取與處理電路510可與像素陣列504整合在同一基板上或可包括嵌入於像素陣列內之電路及邏輯。然而，在其他實施例中，信號讀取與處理電路510可係在像素陣列504外部之一元件，如圖式中所展示。在又一些實施例中，讀取與處理電路510可係不僅在像素陣列504外部而且亦在影像感測器502外部之一元件。
除其他之外，信號讀取與處理電路510亦可包含自每一像素有條理地讀取類比信號、濾光此等信號、校正有缺陷像素等等之電路與邏輯。在其中信號讀取與處理電路510僅執行某些讀取與處理功能之一實施例中，可由諸如信號調節器512或DSP 516之一或多個其他組件執行功能之其餘部分。在一項實施例中，信號讀取與處理電路510可沿讀出行線一次讀出一行影像資料或可使用各種其他技術(諸如，一串列讀出或同時對所有像素之一全並行讀出)來讀出影像資料。
信號調節器512耦合至影像感測器502以自像素陣列504及讀取與處理電路510接收類比信號且調節該等類比信號。在不同實施例中，信號調節器512可包含用於調節類比信號之各種組件。可存在於信號調節器中之組件之實例包含濾光器、放大器、偏移電路、自動增益控制件等。在其中信號調節器512包含此等元件中之僅某些元件且執行僅某些調節功能之一實施例中，可由諸如電路510或DSP 516之一或多個其他組件執行其餘功能。類比轉數位轉換器(ADC)514耦合至信號調節器512以自信號調節器512接
收對應於像素陣列504中之每一像素之經調節類比信號且將此等類比信號轉換成數位值。
數位信號處理器(DSP)516耦合至類比轉數位轉換器514以自ADC 514接收經數位化像素資料且處理該數位資料以產生一最終數位影像。DSP 516可包含一處理器及該處理器可在其中儲存且擷取資料之一內部記憶體。DSP 516內之功能邏輯可僅儲存該影像資料或甚至藉由應用影像後效應(例如，剪裁、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)來操縱該影像資料。在由DSP 516處理該影像之後，可將該影像輸出至一儲存單元518(諸如，一快閃記憶體或者一光學或磁性儲存單元)及一顯示單元520(諸如，一LCD螢幕)中之一者或兩者。
包含以下發明摘要中所闡述內容之本發明之所圖解說明實施例之上文說明並非意欲係窮盡性的或將本發明限制於所揭示之精確形式。儘管出於說明性目的而在本文中闡述本發明之特定實施例及實例，但如熟習此項技術者將認識到，可在本發明之範疇內做出各種等效修改。可根據上文詳細說明對本發明做出此等修改。
以下申請專利範圍中所使用之術語不應理解為將本發明限制於說明書及申請專利範圍中所揭示之特定實施例。而是，將完全由以下申請專利範圍判定本發明之範疇，該等申請專利範圍將根據所創建之請求項解釋原則來加以理解。
100‧‧‧背側照射互補金屬氧化物半導體像素/像素
102‧‧‧基板
104‧‧‧前側/頂部表面/表面
106‧‧‧背側
108‧‧‧光敏區
109‧‧‧浮動擴散部
110‧‧‧淺溝渠隔離區
112‧‧‧介電層/介電質
114‧‧‧金屬堆疊
115‧‧‧頂部側/頂部表面/表面
116‧‧‧介電材料
117‧‧‧底部側
118‧‧‧導電跡線
120‧‧‧彩色濾光器
122‧‧‧微透鏡
200‧‧‧背側照射互補金屬氧化物半導體像素/像素
202‧‧‧光導
300‧‧‧互補金屬氧化物半導體像素/像素
302‧‧‧光導
400‧‧‧互補金屬氧化物半導體像素/像素
402‧‧‧高吸收濾光器/層
500‧‧‧成像系統
501‧‧‧光學器件
502‧‧‧影像感測器
504‧‧‧像素陣列
506‧‧‧列
508‧‧‧行
509‧‧‧控制電路
510‧‧‧信號讀取與處理電路/讀取與處理電路/電路
512‧‧‧信號調節器
514‧‧‧類比轉數位轉換器
516‧‧‧數位信號處理器
518‧‧‧儲存單元
520‧‧‧顯示單元
M1‧‧‧金屬層/金屬堆疊
M2‧‧‧金屬層/金屬堆疊
W1‧‧‧寬度/尺寸
W2‧‧‧寬度/尺寸
W3‧‧‧寬度/尺寸
圖1係一背側照射(BSI)CMOS像素之一實施例之一剖面圖式。
圖2係一背側照射(BSI)CMOS像素之一替代實施例之一剖面圖式。
圖3係一背側照射(BSI)CMOS像素之另一替代實施例之一剖面圖式。
圖4係一背側照射(BSI)CMOS像素之又一替代實施例之一剖面圖式。
圖5係一成像系統之一實施例之一方塊圖。
102‧‧‧基板
104‧‧‧前側/頂部表面/表面
106‧‧‧背側
108‧‧‧光敏區
109‧‧‧浮動擴散部
110‧‧‧淺溝渠隔離區
112‧‧‧介電層/介電質
114‧‧‧金屬堆疊
115‧‧‧頂部側/頂部表面/表面
117‧‧‧底部側
120‧‧‧彩色濾光器
122‧‧‧微透鏡
200‧‧‧背側照射互補金屬氧化物半導體像素/像素
202‧‧‧光導
W1‧‧‧寬度/尺寸
W2‧‧‧寬度/尺寸
W3‧‧‧寬度/尺寸
Claims (25)
- 一種像素，其包括：一基板，其具有一前側、一背側及形成於該前側上或其附近之一光敏區；一介電層，其形成於該前側上；一金屬堆疊，其具有一底部側及一頂部側，該底部側在該介電層上；及一光導，其形成於該介電層及該金屬堆疊中且自該基板之該前側延伸至該金屬堆疊之該頂部側，該光導具有等於或大於該基板之折射率之一折射率。
- 如請求項1之像素，其中該金屬堆疊包括一或多個金屬層，每一金屬層包含形成於一介電質中之導電路徑。
- 如請求項1之像素，其進一步包括放置於該光導上方該金屬堆疊之該頂部側上之一高吸收濾光器。
- 如請求項1之像素，其進一步包括形成於該像素之該背側上方之一彩色濾光器。
- 如請求項4之像素，其中該彩色濾光器係紅色的。
- 如請求項4之像素，其進一步包括形成於該彩色濾光器上方之一微透鏡。
- 如請求項1之像素，其中該光導包括：一孔，其蝕刻於該介電層及該金屬堆疊中該基板之前表面與該金屬堆疊之頂部表面之間；及一光導材料，其填充該孔。
- 如請求項1之像素，其中該光導材料包括一光學透明材 料。
- 一種系統，其包括：一像素陣列，該像素陣列在其中包含一或多個像素，該等像素包括：一基板，其具有一前側、一背側及形成於該前側上或其附近之一光敏區，一介電層，其形成於該前側上，一金屬堆疊，其具有一底部側及一頂部側，該底部側在該介電層上，及一光導，其形成於該介電層及該金屬堆疊中且自該基板之該前側延伸至該金屬堆疊之該頂部側，該光導具有等於或大於該基板之折射率之一折射率；及控制電路與處理電路，其耦合至該像素陣列以自該像素陣列中之該一或多個像素讀出一信號並處理該信號。
- 如請求項9之系統，其中該像素陣列中之該等像素包含具有變化之尺寸及/或形狀之光導。
- 如請求項9之系統，其進一步包括形成於該像素陣列之背側上方之一彩色濾光器陣列使得每一像素光學地耦合至一彩色濾光器。
- 如請求項11之系統，其中該彩色濾光器陣列包含紅色濾光器。
- 如請求項12之系統，其中具有光導之該像素陣列中之該等像素係光學地耦合至紅色濾光器之該等像素。
- 如請求項11之系統，其進一步包括形成於該彩色濾光器 陣列上方之一微透鏡陣列。
- 如請求項9之系統，其進一步包括放置於每一光導上方該金屬堆疊之該頂部側上之高吸收濾光器。
- 如請求項9之系統，其中該光導包括：一孔，其蝕刻於該金屬堆疊中該基板之前表面與該金屬堆疊之頂部表面之間；及一光導材料，其填充該孔。
- 如請求項16之系統，其中該光導材料包括一光學透明材料。
- 一種方法，其包括：在具有一前側及一背側之一基板中形成一或多個像素，該一或多個像素形成於該前側上或其附近；在一前側上形成一介電層；在該介電層上方形成一金屬堆疊，該金屬堆疊具有一頂部側及一底部側，該底部側在該介電層上；及在該金屬堆疊中形成一光導，該光導自該基板之該前側延伸至該金屬堆疊之該頂部側且該光導具有等於或大於該基板之折射率之一折射率。
- 如請求項18之方法，其中該金屬堆疊包括一或多個金屬層，每一金屬層包含形成於一介電質中之導電路徑。
- 如請求項18之方法，其進一步包括：在該光導上方該金屬堆疊之該頂部側上形成一高吸收濾光器。
- 如請求項18之方法，其進一步包括形成於該像素之背側上方之一彩色濾光器。
- 如請求項21之方法，其中該彩色濾光器係紅色的。
- 如請求項21之方法，其進一步包括：在該彩色濾光器上方形成一微透鏡。
- 如請求項18之方法，其中形成該光導包括：在該介電層及該金屬堆疊中該基板之該前側與該金屬堆疊之該頂部側之間蝕刻一孔；及用一光導材料填充該孔。
- 如請求項24之方法，其中該光導材料包括一光學透明材料。
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