TW201421654A - 用於作爲周遭光感應器的光偵測器及用於製造其之方法 - Google Patents
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Abstract
本文描述光偵測器、用於製造光偵測器之方法及包括光偵測器之系統。在一具體實例中，一光偵測器包括複數個光電二極體區，其中至少一些經一光學濾光片覆蓋。複數個金屬層位於該等光電二極體區與該光學濾光片之間。該等金屬層包括最接近於該光學濾光片之一最上金屬層及最接近於該等光電二極體區之一最下金屬層。一或多個層間介電層將該等金屬層彼此隔開。該等金屬層中之每一者包括一或多個金屬部分及一或多個介電部分。最上金屬層不含任何金屬部分下伏於該光學濾光片。
Description
本申請案主張2012年11月21日申請之美國臨時專利申請案第61/729,239號及2012年12月17日申請之美國非臨時專利申請案第13/717,080號之優先權。
本發明之具體實例大體上係關於可用作周遭光感應器(ambient light sensor；ALS)之光偵測器、產生該等光偵測器之方法及包括該等光偵測器之系統。
光偵測器可用作周遭光感應器(ALS)，例如用作顯示器之節能光感應器，用於在諸如行動電話及膝上型電腦之便攜式裝置中控制背光，及用於各種其他類型之光位準量測及管理。舉更特定實例而言，周遭光感應器可用於藉由偵測明亮及暗淡的周遭光條件作為控制顯示器及/或小鍵盤背光之方式來降低整個顯示系統功率消耗且延長液晶顯示器(Liquid Crystal Display；LCD)壽命。在無周遭光感應器之情況下，LCD顯示器背光控制典型地手動進行，藉此當周遭環境變得較明亮時，使用者將提高LCD之強度。在使用周遭光感應器之情況下，使用者可調整LCD亮度至其偏好，
且當周遭環境變化時，顯示器亮度調整以使得顯示器在同樣感覺位準下呈現均一；此延長電池組壽命，減少使用者眼睛疲勞，且延長LCD壽命。類似地，在無周遭光感應器之情況下，小鍵盤背光之控制在很大程度上視使用者及軟體而定。舉例而言，小鍵盤背光可藉由觸發器(其可藉由按壓小鍵盤觸發)或計時器打開10秒。在使用周遭光感應器之情況下，小鍵盤背光可僅在周遭環境暗淡時打開，此將延長電池組壽命。為達成更佳的周遭光感應，周遭光感應器較佳具有接近於人眼響應之光譜響應且具有極佳的紅外(IR)雜訊抑制。
圖1顯示在無任何光譜響應整形(例如使用覆蓋偵測器之濾光片)的情況下，光偵測器之例示性光譜響應。圖2展示典型人眼之光譜響應，其亦稱為明視覺響應(photopic response)。如自圖1及圖2可瞭解，使用光偵測器作為周遭光感應器之問題為其偵測可見光與非可見光，諸如始於約700nm之IR光。相比之下，自圖2注意到，人眼不偵測IR光。因此，光偵測器之響應可顯著不同於人眼之響應，尤其當光由產生大量IR光之白熾燈產生時。若使用光偵測器作為周遭光感應器，例如用於調整背光或其類似者，則此將提供顯著不太理想之調整。
使用光偵測器作為周遭光感應器之另一問題為光偵測器將產生相對較小之電流，即使無光入射於光偵測器上時。此電流常稱為暗電流或漏電流，係由於裝置之空乏區內隨機產生電子及電洞，且隨後藉由高電場掃除而產生。當存在極低光位準時，此漏電流或暗電流亦不利地影響光偵測器輸出。
圖3A展示根據一具體實例之光偵測器302之俯視圖。在所示之例示性具體實例中，光偵測器302包括8×6光電二極體區303之陣列，其由圖3A中之四十八個同等尺寸的正方形表示。光電二極體區303可個別地稱作光電二極體區303，且統稱為光電二極體區303。6×6光電二極體區303之子陣列經光學濾光片318覆蓋。更特定言之，6×6光電二極體區303之子陣列之一半經光學濾光片318以及光阻擋材料316覆蓋，而6×6光電二極體區303之子陣列之另一半經光學濾光片318但未經光阻擋材料316覆蓋。剩餘的兩個1×6光電二極體區303之子陣列(顯示在圖3A之左側及右側以及下文所討論之圖3B之左側及右側)未經光學濾光片318覆蓋且未經光阻擋材料316覆蓋，且因此可稱為未覆蓋之光電二極體區或裸光電二極體區。此等陣列及子陣列之尺寸為例示性的，且可改變，但仍在具體實例之範疇內。經光學濾光片318覆蓋但未經光阻擋材料316覆蓋之光電二極體區標記為303a。經光學濾光片318及光阻擋材料316覆蓋之光電二極體區標記為303b。裸光電二極體區標記為303c。在替代性具體實例中，光電二極體區303的尺寸不全相同，例如，裸光電二極體區303c可小於光電二極體區303a及303b。
圖3B展示光偵測器302沿圖3A中所示之線3B-3B之截面。參看圖3B，光偵測器302形成於基板(例如矽晶圓)上或其內。在所示具體實例中，光偵測器302包括複數個植入P-型磊晶(P- epi)區306中之N+型區304，P-型磊晶區306生長於P型基板310上。複數個光電二極體區303(圖3A之實施例中之四十八個光電二極體區及圖3C之實施例中之四十個光電二極體區)中之每一者藉由單獨的PN接面形成，各自反向偏置，從而形
成單獨的空乏區308。較佳地，P-型磊晶區306極輕微摻雜。相比於將N+型區304直接置放於P型基板310中，將N+型區304置放於P-型磊晶區306中可提高量子效率。雖然並非較佳的，但N+型區304可替代性地直接置放在P型基板中。亦注意到，光電二極體區中之每一者可替代性地藉由類似於PN接面之PIN接面形成，但在N型與P型區域/基板之間包括輕微摻雜之本質半導體區。光電二極體區可以其他方式形成，諸如(但不限於)使用在N-型磊晶區中或在N型基板中之P+型區形成。
依舊參看圖3B，N+型區304a及更一般而言光檢測器303a經光學濾光片318覆蓋。N+型區304b及更一般而言光偵測器303b經光阻擋材料316及光學濾光片318覆蓋。N+型區304c及更一般而言光偵測器303c既未經光阻擋材料316覆蓋亦未經光學濾光片318覆蓋，且因此可稱為未覆蓋之光電二極體區或裸光電二極體區。如下文所討論，在某些具體實例中，可使用金屬孔來限制入射於裸光電二極體區上之光的量。亦顯示薄氧化物層324，例如二氧化矽(SiO2)，其覆蓋N+型擴散區304。
302‧‧‧光偵測器
303‧‧‧光電二極體區
303a‧‧‧經光學濾光片318覆蓋但未經光阻擋材料316覆蓋之光電二極體區
303b‧‧‧經光學濾光片318及光阻擋材料316覆蓋之光電二極體區
303c‧‧‧裸光電二極體區
304‧‧‧N+型區
304a‧‧‧N+型區
304b‧‧‧N+型區
304c‧‧‧N+型區
306‧‧‧P-型磊晶區
308‧‧‧空乏區
308a‧‧‧空乏區
308b‧‧‧空乏區
310‧‧‧P型基板
316‧‧‧光阻擋材料
318‧‧‧光學濾光片
319‧‧‧有機透明塗層
320‧‧‧鈍化層
322‧‧‧金屬層
322(n)‧‧‧金屬層
322(n-1)‧‧‧金屬層
322(n-2)‧‧‧金屬層
322(n-3)‧‧‧金屬層
323‧‧‧層間介電(ILD)層
324‧‧‧薄氧化物層
325‧‧‧金屬通孔插塞
410‧‧‧圖之一部分
510‧‧‧圖之一部分
614‧‧‧定標器
702‧‧‧步驟
704‧‧‧步驟
706‧‧‧步驟
800‧‧‧系統
804‧‧‧比較器及/或處理器
806‧‧‧子系統
I 1 ‧‧‧第一電流
I 2 ‧‧‧第二電流
I 3 ‧‧‧第三電流
I 1 -I 2 ‧‧‧第一電流(I 1 )減去第二電流(I 2 )
I 1 -I 2 -k*I 3 ‧‧‧第一電流(I 1 )減去第二電流(I 2 )減去第三電流(I 3 )之比例型式
k*I 3 ‧‧‧第三電流(I 3 )之比例型式
圖1展示無任何光譜響應整形之光偵測器之例示性光譜響應。
圖2展示典型人眼之光譜響應，其亦稱為明視覺響應。
圖3A展示根據一具體實例之光偵測器之俯視圖。
圖3B展示圖3A之光偵測器沿線3B-3B之截面。
圖3C展示根據另一具體實例之光偵測器之俯視圖。
圖4A為展示可使用圖3A及3B之光偵測器或圖3C之光偵測器達成之
例示性光譜響應的圖。
圖4B為展示圖4A之圖之一部分的附加詳情之圖。
圖5A為展示可使用圖3A及3B之光偵測器或圖3C之光偵測器達成之例示性光譜響應的另一圖。
圖5B為展示圖5A之圖之一部分的附加詳情之圖。
圖6為用於說明根據特定具體實例可如何合併電流及/或其他信號之高階圖。
圖7為用於概述適用於製造根據特定具體實例之光偵測器之方法的高階流程圖。
圖8為包括根據本發明具體實例之光偵測器之系統的高階方塊圖。
如圖3B中可見，在光電二極體區303與光學濾光片318之間存在複數個金屬層322及複數個層間介電(ILD)層323，其中該等層322及323在後段製程(back end of line；BEOL)過程期間形成。關於圖3B中之具體實例，假定在產生光偵測器302時所用之BEOL過程支撐四個金屬層322，該四個金屬層藉由三個ILD層323彼此隔開。最上金屬層稱為金屬層322(n)，低於該最上層之層稱為金屬層322(n-1)、322(n-2)及322(n-3)，其中n係指金屬層之總數。因此，當存在四個金屬層，n=4時，最上層可稱為金屬層322(4)(或簡稱為「金屬-4」)，且最下金屬層可稱為金屬層322(1)(或簡稱為「金屬-1」)。在替代性具體實例中，可存在四個以上或以下金屬層322及三個以上或以下ILD層323。金屬層322中之每一者可具有約0.5至1.5微米(亦即0.5μ至1.5μ，其中微米(micron)亦稱為微米(micrometer)，
且等於10,000埃)之厚度，但不限於此。ILD層323中之每一者可具有約1μ之厚度，但不限於此。
最上金屬層322(n)經鈍化層320覆蓋，鈍化層可包括(但不限於)氮化矽(SiN)及/或氧化物。鈍化層320可具有約0.3μ之厚度，但不限於此。視情況選用之有機透明塗層319顯示為覆蓋光學濾光片318以及鈍化層320之未經光學濾光片318覆蓋之部分。光學濾光片318之一例示性厚度為4μ，且更一般而言為3μ至5μ，但不限於此。
典型地使用金屬層322來產生導電跡線用於在裝置之間發送電信號，分配電力或提供與地面之電連接。使用金屬通孔插塞325電連接在不同平面上之金屬層322。在圖3B中，各金屬層322之金屬部分由自左至右斜向下之對角填充線表示。如自圖3B可瞭解，各金屬層並不全為金屬。確切地說，各金屬層之部分包含金屬間介電(inter-metal dielectric；IMD)，其表示為各金屬層322之不包括自左至右斜向下之對角填充線的部分。換言之，金屬層322之白色部分對應於金屬層322之介電部分。IMD材料及ILD材料典型地均包含相同介電材料，且因此，術語IMD與ILD通常可互換使用。該等IMD及ILD介電材料典型地為氧化物，諸如(但不限於)二氧化矽。
如圖3B中可見，標記為316之金屬部分為兩個最下金屬層322(n-2)及322(n-3)(其在此實施例中為金屬-1層及金屬-2層)之部分，為光偵測器302提供光阻擋材料316。如將在下文中另外詳細描述，經金屬光阻擋材料316覆蓋之光電二極體區303用於補償漏電流。在某些具體實例中，一或多個金屬層322之金屬部分亦可用於形成裸光電二極體區303c之
孔，其中該等金屬孔可用於限制(例如按比例減少)由裸光電二極體區303c所偵測之光的量。舉一實例，各裸光電二極體區可為約20μ×20μ，且相應金屬孔可為8μ×8μ。此僅為一實例，其不意欲涵蓋所有。另外，應注意形成光阻擋材料316及/或孔之金屬層322之部分亦可用於形成在裝置之間傳輸電信號、分配電力或提供與地面之電連接的導電跡線部分。
根據一具體實例，光學濾光片318為介電反射性光學塗層濾光片。介電反射性光學塗層濾光片可自諸如(但不限於)硫化鋅、氟化鎂、氟化鈣及各種金屬氧化物(例如二氧化鈦)之材料薄層構築，該等材料薄層沉積於下伏基板上。藉由謹慎選擇此等層之精確組成、厚度及數目，可修整濾光片318之反射率及透射率以產生幾乎任何所需光譜特性。舉例而言，可增加反射率至99.99%以上，產生高反射(high-reflector；HR)塗層。亦可將反射率位準調節至任何特定值，例如以產生使落於上面的在一些波長範圍內之光反射90%且透射10%的鏡面。該等鏡面通常已用作雷射器中之光束分離器及輸出耦合器。或者，可設計濾光片318以使得該鏡面僅反射在窄波長帶內之光，產生反射性光學濾光片。
高反射塗層以與抗反射塗層相反之方式起作用。一般而言，高折射率材料層與低折射率材料層彼此交替。例示性高折射率材料包括硫化鋅(折射率=2.32)及二氧化鈦(折射率=2.4)，且例示性低折射率材料包括氟化鎂(折射率=1.38)及二氧化矽(折射率=1.49)。此週期性或交替性結構顯著增強表面在稱作帶阻之一定波長範圍內之反射率，其寬度僅由所用兩個折射率之比率確定(適用於四分之一波長系統)，而在堆疊中有多個層之情況下，最大反射率幾乎增加至100%。層之厚度通常為四分之一波長(則
其相比於由相同材料構成之非四分之一波長系統產生最寬之高反射帶)，如此設計以便反射光束建設性地彼此干擾，從而使反射達到最大且透射降到最小。使用上述結構，高反射性塗層可在寬波長範圍內(在可見光譜範圍中之數十奈米)達成極高(例如99.9%)反射率，且在其他波長範圍內之反射率較低，從而達成所需光譜響應。藉由操控反射性堆疊中之層的精確厚度及組成，可將反射特性調節至所需光譜響應，且可合併高反射與抗反射波長區。可將塗層設計為長波通或短波通濾光片、帶通或陷波濾光片或具有特定反射率之鏡面。
假定光學濾光片318為介電反射性光學塗層濾光片，一種沉積其之方式為使用濺鍍沉積。濺鍍沉積為藉由濺鍍來沉積薄膜之物理氣相沉積(physical vapor deposition；PVD)法，其涉及自來源「目標」噴射材料至「基板(substrate)」上，諸如矽晶圓。存在各種不同類型之濺鍍沉積技術，包括(但不限於)離子束濺鍍(ion-beam sputtering；IBS)、反應性濺鍍及離子輔助濺鍍(ion-assisted sputtering；IAD)。使用濺鍍沉積之益處為所得光學濾光片318實體上為硬的且對濾光片下面之金屬圖案中之不規則性不太敏感。然而，使用濺鍍沉積之缺點為濺鍍製程進行圖案化極慢，困難且昂貴。濺鍍沉積極慢係由於進行在使光學濾光片318圖案化時所用之剝離製程需要相對較長的時間量。典型地，沉積製程愈長愈昂貴。另外，由於其困難性，所以能夠使用濺鍍沉積生產濾光片之供應商極少，此進一步提高了成本，因為競爭減少，以及因為可能需要自一個供應商運輸晶圓至另一個，其中供應商彼此之間的地理位置可較遠。
根據特定具體實例，使用蒸發沉積替代濺鍍沉積。使用蒸發
沉積製程之益處為其比濺鍍沉積顯著更快，更容易且更廉價。另外，相比於濺鍍沉積，可使用蒸發沉積達成實質上相同之光學效能。然而，使用蒸發沉積產生之光學濾光片(且更一般而言為塗層)可能不如使用濺鍍沉積製程產生之光學濾光片(且更一般而言為塗層)一般堅固用來製造及處理。舉例而言，試驗已證明，當使用蒸發沉積來產生光學濾光片318時，若光偵測器不以防止破裂之方式佈置，則光學濾光片318及鈍化層320易於發生此類破裂。不利的是，此類破裂可造成光偵測器效能較差，且可向下蔓延穿過鈍化層320，從而降低光偵測器之可靠性及使用壽命。
某些具體實例係有關避免此類破裂之技術，及使用該等技術產生之光偵測器。諸位發明人已發現，此類破裂之原因為金屬與光學濾光片318相對較為接近。更特定言之，溫度循環引起金屬膨脹及收縮，導致光學濾光片318及鈍化層320破裂。諸位發明人亦發現，藉由在光學濾光片318下方之最上金屬層322(n)(其在圖3B中為金屬-4層)中不直接具有任何金屬，可防止前述破裂。此顯示在圖3B中，其顯示在下伏於光學濾光片318之最上金屬層322(n)之部分中不存在金屬。為進一步降低此類破裂之可能性，在下伏於光學濾光片318之第二最高金屬層322(n-1)(其在圖3B中為金屬-3層)之部分中亦不存在金屬。另外，為進一步降低光學濾光片318破裂之可能性，最上金屬層322(n)中所包括之任何金屬距光學濾光片318之周邊至少預定距離「d」，其中d為約20微米(亦即20μ，其中微米(micron)亦稱為微米(micrometer)，且等於10,000埃)。在以上所提及之具體實例中，最上金屬層322(n)及可能第二最上層322(n-1)之IMD充當緩衝層，降低來自兩個最下金屬層322(n-2)及322(n-3)之下伏金屬部分熱膨脹的應力。
在圖3B中，使用金屬層322(n-2)及322(n-3)(其為最下及第二最下金屬層)之金屬部分(標記為316)提供光阻擋材料316。或者，可僅使用層322(n-2)或322(n-3)中之一者的金屬部分來提供光阻擋材料316。
諸位發明人亦發現，在光學濾光片318之外部周邊中避免使用90度角亦降低光學濾光片318破裂之可能性。可如何進行此之一實施例顯示在圖3C中。更一般而言，希望光學濾光片318之外部周邊之所有角度均為鈍角，亦即大於90度。此為有利的，因為角度相對尖銳之周邊角(亦即，角度為90度或90度以下之周邊角)已顯示引起光學濾光片318破裂。圖3C亦顯示，在一替代性具體實例中，裸光電二極體區303c可僅位於光偵測器302之四個角。圖3C中所示之光學濾光片318之斜周邊使得在該等角處包括裸光電二極體區為切實可行的。此組態相比於圖3A中之組態亦更緊密，因為其減少裸光電二極體區之專用模面積。
諸位發明人亦發現，在使光學濾光片318圖案化時較佳使用負極性遮罩，因為使用負極性遮罩進行剝離製程達成更平滑的表面，若產生光偵測器302之模亦將包括有機濾光片則尤其有利。舉例而言，該模亦可包括用於光學接近感應之附加光偵測器，其將經有機濾光片覆蓋。
根據特定具體實例，如此設計光偵測器302以便其輸出具有類似於如上文所提及稱為明視覺響應之典型人眼響應(圖2中所示)的光譜響應。關於本討論之其餘部分，除非另外說明，否則將假定如此設計光偵測器302以便其輸出具有類似於圖2中所示之明視覺響應之光譜響應。
雖然未具體顯示，但經光學濾光片318覆蓋(但未經光阻擋材料316覆蓋)之N+型區304a在一具體實例中電連接在一起且產生第一電
流(I 1 )，其指示入射在N+型區304a上之光(若存在)及漏電流。根據一具體實例，光學濾光片318經設計，通過可見光且抵擋(例如反射)IR光。然而，一些IR光仍將通過光學濾光片318。因此，當包括可見光及IR光之光入射在光偵測器302上時，入射在N+型區304a上之光部分將包括可見光以及通過光學濾光片318之一些IR光。因此，當包括可見光及IR光之光入射在光偵測器302上時，第一電流(I 1 )將指示可見光、通過光學濾光片318之一小部分IR光及少量漏電流。
雖然未具體顯示，但經光阻擋材料316與光學濾光片318覆蓋之N+型區304b在一具體實例中電連接在一起且產生第二電流(I 2 )，其指示如將在下文中更詳細解釋之深入穿透至P-型磊晶區306中之IR光(若存在)的一部分及少量漏電流。此第二電流(I 2 )實質上不受可見光影響。
當包括可見光及IR光之光入射在光偵測器上時，一或多個裸N+型區304c產生第三電流(I 3 )，其指示可見光、IR光及少量漏電流。
現提供第一及第二電流(I 1 及I 2 )如何產生及可如何使用其之附加詳情。此後，提供第三電流(I 3 )如何產生及可如何使用其之附加詳情。
仍參看圖3B，當光入射在光偵測器302上時，在對應於經光阻擋材料316與反射性濾光片318覆蓋之N+304b區之空乏區308b中未產生載流子，因為沒有光入射在經光阻擋材料316覆蓋之N+型區304b上。入射在經反射性濾光片318覆蓋(但未經光阻擋材料316覆蓋)之N+型區304a上之光在相應空乏區308a中產生載流子，其迅速捕獲於電連接在一起之N+型區304a中。然而，在空乏區308a下方產生之慢載流子(由於深入穿透至P-型磊晶區306中之長波長IR光)在最終進入電場且隨後遭到捕獲之前徘
徊一會。在徘徊(例如沿左或右方向)之後，一些慢載流子最終將由經光阻擋材料316覆蓋之N+型區304b中之一者捕獲。實際上，約一半慢載流子最終由經光阻擋材料316覆蓋之N+型區304b捕獲且另一半由未經光阻擋材料316覆蓋之N+型區304a捕獲。此一半與一半之捕獲係歸因於慢載流子之實質上隨機行為，各N+型區304a及304b之類似形狀，與N+型區304a相關之佈置面積實質上等於與N+型區304b相關之佈置面積，以及各PN接面之偏置實質上相同。
由僅經光學濾光片318覆蓋(但未經光阻擋材料316覆蓋)之N+型區304a捕獲之載流子產生第一電流(I 1 )，其大部分藉由迅速捕獲之載流子(亦稱為快載流子)即刻產生。一小部分第一電流(I 1 )係由隨後捕獲之慢載流子引起，且另一小部分第一電流(I 1 )亦由漏電流引起。
由經光阻擋材料316與光學濾光片318覆蓋之N+型區304b捕獲之載流子產生第二電流(I 2 )，其一部分為由隨後(亦即延遲)捕獲之慢載流子產生之延遲電流，且其一部分為漏電流。
當光入射在光偵測器302上時，由漏電流產生之第一電流(I 1 )及第二電流(I 2 )之部分相比於由可見光及/或IR光產生之部分相對較小。然而，當光不入射(或僅入射極低位準之光)在光偵測器302上時，第一電流(I 1 )及第二電流(I 2 )之顯著部分主要指示漏電流。藉由自第一電流(I 1 )扣除第二電流(I 2 )，漏電流將彼此消除。
返回參看圖2，明視覺響應為對周遭光感應器之目標響應，為約400nm至約700nm，其中人眼之峰值光譜響應在約555nm下。圖4A為一例示性圖，其顯示當光入射在光偵測器302上時，對應於第一電流(I 1 )
之光譜響應以及對應於第一電流(I 1 )減去第二電流(I 2 )之光譜響應。圖4B為展示圖4A之圖之部分410的附加詳情之圖。比較圖4A及4B與圖2，可瞭解，當光入射在光偵測器302上時，對應於第一電流(I 1 )之光譜響應以及對應於第一電流(I 1 )減去第二電流(I 2 )之光譜響應受高於700nm之IR光影響。換言之，高於700nm，對應於第一電流(I 1 )之光譜響應以及對應於第一電流(I 1 )減去第二電流(I 2 )之光譜響應與圖2之目標光譜響應的不同超過所預期的。因為慢載流子將在自第一電流(I 1 )扣除第二電流(I 2 )時消除，所以自圖4B可瞭解，第一電流(I 1 )減去第二電流(I 2 )之響應比單獨第一電流(I 1 )之光譜響應略為更接近於所需光譜響應。
如現將解釋，根據特定具體實例，較接近於目標響應(例如明視覺響應)之光譜響應可藉由自第一電流(I 1 )減去第二電流(I 2 )，再扣除至少一部分第三電流(I 3 )來達成。
返回參看圖3A及3B，當光入射在光偵測器302上時，一或多個N+型區304c(其既不經光阻擋材料316覆蓋亦不經光學濾光片318覆蓋)產生第三電流(I 3 )，其指示可見光、IR光及少量漏電流。與第一及第二電流(I 1 及I 2 )之情況一樣，當光入射在光偵測器302上時，由漏電流產生之第三電流(I 3 )之部分極小。對應於第一電流(I 3 )之一例示性光譜響應為圖1中所示之光譜響應。自圖1注意到，對應於第一電流(I 3 )之光譜響應受高於700nm之IR光顯著影響。
圖5A為一例示性圖，其顯示當光入射在光偵測器302上時，對應於第一電流(I 1 )減去第二電流(I 2 )之光譜響應以及對應於第一電流(I 1 )減去第二電流(I 2 )減去第三電流(I 3 )之比例型式(例如k*I 3 )
的光譜響應。圖5B為展示圖5A之圖之部分510的附加詳情之圖。比較圖5A及5B與圖2，可瞭解，當光入射在光偵測器302上時，對應於第一電流(I 1 )減去第二電流(I 2 )減去第三電流(I 3 )之比例型式的光譜響應比對應於第一電流(I 1 )減去第二電流(I 2 )之光譜響應更接近圖2之目標響應。
圖5A及5B說明可顯著改善IR抵擋而不降低太多可見光響應，因為用於扣除之第三電流(I 3 )顯著小於第一電流(I 1 )。第三電流(I 3 )(或其比例型式)比扣除第三電流(I 3 )(或其比例型式)之第一電流(I 1 )(或其比例型式)小至少一個數量級，且較佳為至少兩個數量級。此顯著改善IR抵擋而不降低太多可見光響應。此亦意謂由漏電流引起之第三電流(I 3 )(或其比例型式)之部分相比於由漏電流引起之第一及第二電流(或其比例型式)之部分將極少，且因此，由漏電流引起之第三電流(I 3 )(或其比例型式)之部分因其如此無關緊要而可忽略不計。自第一電流(I 1 )(或其比例型式)扣除之第三電流(I 3 )之精確量可使用模擬及/或憑經驗確定。舉例而言，第三電流(I 3 )之比例因子(k)可使用模擬及/或憑經驗確定。
圖6為用於說明根據特定具體實例可如何合併電流及/或其他信號之高階圖。在圖6中，雖然顯示為「定標器(scaler)」之通用區塊614僅顯示在信號路徑中之一者中，但可在其他或替代性信號路徑中。此類定標器可用於微調或放大信號，如下文將更詳細解釋。在某些具體實例中，上文所討論之在裸光電二極體區303c上方之金屬孔可用於進行至少一部分按比例調整。存在可用於扣除電流及/或其他類型信號之各種類型的熟知電路。舉例而言，可使用微分輸入放大器來測定兩個信號之間的差異。另舉一例而言，可使用電流鏡進行扣除。此等僅為一些實施例，其不意欲為限
制性的。
參看圖6，一或多個光電二極體區303a由經組態以抵擋IR波長之光學濾光片318覆蓋且產生第一電流(I 1 )。返回參看圖3A-3C，圖6中之各光電二極體區303a可對應於由N+型擴散區304a及下伏P型表面區306所形成之PN接面，其中N+型擴散區304a經光學濾光片318覆蓋但不經光阻擋材料316覆蓋。再次參看圖6，一或多個光電二極體區303b由光阻擋材料316及經組態以抵擋IR波長之光學濾光片318覆蓋且產生第二電流(I 2 )。返回參看圖3A-3C，圖6中之各光電二極體區303b可對應於由N+型擴散區304b及下伏P型表面區306所形成之PN接面，其中N+型擴散區304b經光學濾光片318及光阻擋材料316覆蓋。再次參看圖6，一或多個光電二極體區303c未由光阻擋材料316覆蓋且未由經組態以抵擋IR波長之光學濾光片318覆蓋且產生第三電流(I 3 )。返回參看圖3A-3C，圖6中之各光電二極體區303c可對應於由N+型擴散區304c及下伏P型表面區306所形成之PN接面，其中N+型擴散區304c未經光學濾光片318覆蓋且未經光阻擋材料316覆蓋。
在上述具體實例中，經光阻擋材料316覆蓋之一或多個光電二極體區303b亦描述且顯示為由經組態以抵擋IR光之光學濾光片318覆蓋。如自圖3A-3C可瞭解，此為製造光偵測器302之切實可行的方式，尤其當光電二極體區303a及303b如圖3A中所示以棋盤圖案交錯時。然而，應注意，經光阻擋材料316覆蓋之光電二極體區303b不必亦經光學濾光片318覆蓋，因為對於此等光電二極體區303b，穿過濾光片318之光最終將受到光阻擋材料316阻擋且無論如何皆無法到達光電二極體區303b。光電二
極體區303亦有可能以除圖3A-3C中所示之通常棋盤圖案以外的其他方式佈置。
圖7為高階流程圖，其用於概述適用於製造包括使光偵測器之光譜響應整形的光學濾光片之光偵測器的方法。參看圖7，在步驟702，提供包括複數個光電二極體區之基板。參考圖3A-3C，光電二極體區之一例示性佈置描述在上文中。然而，其他佈置亦為可能的。因為熟知如何產生光電二極體區，故此步驟不必另外詳細描述。
在步驟704，在複數個光電二極體區上形成複數個金屬層。該複數個金屬層包括最接近於光電二極體區(且最遠離光學濾光片)之最下金屬層及最遠離光電二極體區(且最接近於光學濾光片)之最上金屬層。在圖3B之實施例中，最下金屬層為標記為322(n-3)之金屬-1層，且最上金屬層為標記為322(n)之金屬-4層。各金屬層包括一或多個金屬部分及一或多個介電部分。在圖3B之實施例中，各金屬層322之金屬部分由自左至右斜向下之對角填充線表示，且介電部分表示為不包括自左至右斜向下之對角填充線的各金屬層322之部分(亦即，各金屬層322之介電部分完全為白色)。為降低光學濾光片(在步驟706沉積)破裂之可能性，進行步驟704，使得最上金屬層不含在光學濾光片沉積(在步驟706)之後將下伏於其之任何金屬部分。
在步驟706，在至少一部分最上金屬層上形成光學濾光片。返回參看圖3B，光學濾光片標記為318，且可瞭解，最上金屬層322(n)不含在光學濾光片318沉積之後下伏於其之任何金屬部分。根據特定具體實例，光學濾光片為使用蒸發沉積製程沉積之介電反射性光學塗層。使用蒸發沉
積製程之優點已描述在上文中。如上文所解釋，介電反射性光學塗層型光學濾光片或替代類型之光學濾光片可經組態以抵擋IR光，且更特定言之，可經組態以提供明視覺響應。替代類型之響應亦為可能的且在具體實例之範疇內。
在特定具體實例中，沉積光學濾光片以便光學濾光片之外部周邊包括鈍角且不含等於或小於90度之任何角度。此類光學濾光片之一實施例顯示在圖3C中且參看圖3C描述。如上文參看圖3C所述，該等具體實例將會降低光學濾光片318破裂之可能性，因為已顯示，此類破裂典型地發生在角度相對尖銳之周邊角處(亦即，角度為90度或小於90度之周邊角)。
圖8為包括根據本發明一具體實例之光偵測器之系統的高階方塊圖。本發明具體實例之光偵測器可用於各種系統，包括(但不限於)行動電話及其他手持型裝置、電腦系統及/或其部分(例如顯示螢幕)。
參看圖8之系統800，舉例而言，可使用光偵測器302控制子系統806(例如顯示螢幕、觸控式螢幕、背光、虛擬滾輪、虛擬小鍵盤、導航墊等)啟用或停用，及/或調整子系統之亮度。舉例而言，由光偵測器302產生之電流可轉換為電壓(例如藉由轉換阻抗放大器)，且可將電壓提供給比較器及/或處理器804，其可例如比較該電壓與一或多個臨限值，從而確定啟用或停用子系統，或調整子系統806之亮度。轉換阻抗放大器、比較器及/或處理器804或其部分之功能亦有可能包括在光偵測器302及/或子系統806內。
根據特定具體實例，光學濾光片318為介電反射性光學塗層濾光片，其例示性詳情論述於上文中。或者或另外，光學濾光片318可為
(或包括)IR吸收型濾光片，其可包括一或多種著色劑，例如吸收IR光且通過可見光之顏料或/或染料。舉例而言，綠色顏料最接近標準人眼光譜響應，因為綠色在人類視覺中具優勢。已開發出通過可見光譜(例如約400nm至700nm)中之光且吸收IR光譜中之光的染料。已例如將該等染料添加至透明塑膠中以提供吸收IR光之透明信用卡，例如因此信用卡機器可使用IR光來確定信用卡是否已插入信用卡讀卡機。該等染料可購自例如Newark,New Jersey之Epolin公司。舉例而言，Epolight E8316為可購自Epolyn公司之一例示性染料。該等染料之例示性化學式揭示在例如均讓渡給Epolin公司之美國專利第5,656,639號及美國專利公開案第2009/0236571號中，該等專利均以引用之方式併入本文中。根據特定具體實例，將此類染料添加至載體材料中以提供用於提供光學濾光片318之光可圖案化之染色塗層。該染色塗層可包含添加有吸收IR光且通過可見光之染料的可見光通過載體材料。載體材料可為負型光阻材料、環氧樹脂材料或濾光片材料，但不限於此。此類載體材料可為透明的，但或者可包括著淡色。
在上述具體實例中，可在合併產生輸出(例如輸出電流)之前及/或之後按比例調整(例如放大或微調)所產生之各個電流。亦有可能在合併產生輸出之前將電流轉換為電壓且在電壓域中按比例調整信號，且隨後轉換回電流。或者，可在電壓域中合併信號。一般技術者應瞭解，用於調整電流及/或電壓之許多其他方法在具體實例之精神及範疇內。舉例而言，可使用可程式化裝置(例如可程式化數位/類比轉換器(digital-to-analog converter；DAC))恰當地調整電壓及/或電流。使用可程式化裝置之一優點為其可基於諸如溫度之其他變數選擇性調整適當的增益。亦注意到，可將
電流信號或電壓信號轉換到數位域中且此等信號之進一步處理(例如按比例調整一或多個信號且測定信號之間的差異)均可在數位域中，而非使用類比組件進行。此類數位域處理可使用專用數位硬體或在諸如微處理器之通用處理器上進行。
按比例調整電流之另一方式為以可程式化方式選擇性連接類似光電二極體區。舉例而言，並非使所有光電二極體區303c永久性連接在一起以產生第三電流(I 3 )，而是可使用個別交換器(例如使用電晶體實施)選擇個別光電二極體區303c，來促成第三電流(I 3 )。因此，若僅選擇光電二極體區303c中之一者來促成第三電流(I 3 )，則該第三電流(I 3 )將為選擇十二個光電二極體區303c來促成第三電流(I 3 )時之量值的約十二分之一。此提供一項相對於第一及第二電流(I 1 )及(I 2 )按比例調整第三電流(I 3 )之相對便宜且功率有效之技術。若需要，第一及第二電流(I 1 )及(I 2 )亦可以類似方式按比例調整。
因為使用一或多個裸光電二極體區303c產生之第三電流(I 3 )之量值應顯著小於第一電流(I 1 )，小至少一個數量級，且可能小至少兩個數量級，所以光偵測器302之專門產生第三電流(I 3 )之區域可顯著小於專門產生第一電流(I 1 )之區域。舉例而言，返回參看圖3A-3C，相比於N+型擴散區304a，可存在顯著較少之N+型擴散區304c。又，各N+型擴散區304c之尺寸可小於N+型擴散區304a之尺寸。
在上述具體實例中，目標響應通常描述為明視覺響應。然而，實際上無需如此。舉例而言，其他目標響應可用於可偵測特定顏色之光(諸如紅色、綠色或藍色)的光偵測器(或其部分)。可在例如數位攝影
機、彩色掃描器、彩色影印機及其類似裝置中使用該等光偵測器。在此等具體實例中，光學濾光片318可針對待偵測之特定顏色最佳化，且可單獨或與過濾掉偶然成功穿過光學濾光片318之IR光之各種技術組合使用。舉例而言，可使一或多個光電二極體區最佳化以偵測綠光，可使一或多個其他光電二極體區最佳化以偵測紅光，且可使一或多個其他光電二極體區最佳化以偵測藍光。使用上述技術，例如使用經光阻擋材料覆蓋之光電二極體區及/或未經光學濾光片覆蓋且未經光阻擋材料覆蓋之光電二極體區，可實質上消除由該等區偵測到之漏電流及/或IR光。
在上述具體實例中，N型區描述為被植入P型區中。舉例而言，將N+型擴散區304植入P-區306中以形成光電二極體區。在替代性具體實例中，使半導體導電材料顛倒。亦即，可將P型區植入N型區。舉一特定實例，將嚴重摻雜之P+型區植入輕微摻雜之N-型區，以形成光電二極體區303之替代類型。
某些具體實例亦關於產生光電流之方法，光電流主要指示目標光波長(例如可見光之波長)。換言之，具體實例亦關於提供具有目標光譜響應(諸如類似於人眼響應之響應)之光偵測器的方法。另外，具體實例亦關於上述光偵測器之使用方法。
雖然各個具體實例已描述在上文中，但應瞭解，其以實施例之方式來呈現，且並非限制性的。熟習相關技術者將顯而易知，在不背離本發明之精神及範疇之情況下可在形式及細節方面進行各種變化。
本發明之廣度及範疇不應由上述例示性具體實例中之任一者限制，而應僅根據以下申請專利範圍及其等效物進行界定。
302‧‧‧光偵測器
303a‧‧‧經光學濾光片318覆蓋但未經光阻擋材料316覆蓋之光電二極體區
303b‧‧‧經光學濾光片318及光阻擋材料316覆蓋之光電二極體區
303c‧‧‧裸光電二極體區
304a‧‧‧N+型區
304b‧‧‧N+型區
304c‧‧‧N+型區
306‧‧‧P-型磊晶區
308a‧‧‧空乏區
308b‧‧‧空乏區
308c‧‧‧空乏區
310‧‧‧P型基板
316‧‧‧光阻擋材料
318‧‧‧光學濾光片
319‧‧‧有機透明塗層
320‧‧‧鈍化層
322(n)‧‧‧金屬層
322(n-1)‧‧‧金屬層
322(n-2)‧‧‧金屬層
322(n-3)‧‧‧金屬層
323‧‧‧層間介電(ILD)層
324‧‧‧薄氧化物層
325‧‧‧金屬通孔插塞
Claims (20)
- 一種光偵測器，其包含：複數個光電二極體區；一光學濾光片，其覆蓋該等光電二極體區中之一或多者；複數個金屬層，其位於該等光電二極體區與該光學濾光片之間，其中該複數個金屬層包括最接近於該光學濾光片之一最上金屬層及最接近於該等光電二極體區之一最下金屬層；及一或多個層間介電層，其將該等金屬層彼此隔開；其中該等金屬層中之每一者包括一或多個金屬部分及一或多個介電部分；且其中該最上金屬層不含任何金屬部分於該光學濾光片之下。
- 如申請專利範圍第1項之光偵測器，其中該等光電二極體區中之一或多者未經該光學濾光片覆蓋。
- 如申請專利範圍第1項之光偵測器，其中不含任何金屬部分於該光學濾光片之該最上金屬層之部分之下，該最上金屬層之部分由該最上金屬層之介電部分組成。
- 如申請專利範圍第1項之光偵測器，其中該光學濾光片之周邊與該最上金屬層之最接近金屬部分之間的距離為至少20微米。
- 如申請專利範圍第1項之光偵測器，其中：該複數個光電二極體區包括一或多個經該光學濾光片覆蓋之第一光電二極體區，及一或多個經光阻擋材料覆蓋之第二光電二極體區；且該光阻擋材料包含除該最上金屬層以外之該等金屬層中之一或多者的一 或多個金屬部分。
- 如申請專利範圍第5項之光偵測器，其中經該光阻擋材料覆蓋之該一或多個第二光電二極體區亦經該光學濾光片覆蓋。
- 如申請專利範圍第5項之光偵測器，其中該光阻擋材料包含該最下金屬層之一或多個金屬部分。
- 如申請專利範圍第5項之光偵測器，其中：位於該等光電二極體區與該光學濾光片之間的該複數個金屬層包含至少四個金屬層；該光阻擋材料包含最接近於該等光電二極體區之該兩個金屬層中之至少一者的一或多個金屬部分；且最接近於該光學濾光片之該兩個金屬層各自不含任何金屬部分於該光學濾光片之下。
- 如申請專利範圍第1項之光偵測器，其中該光學濾光片之外部周邊包括鈍角且不含等於或小於90度之任何角度。
- 如申請專利範圍第1項之光偵測器，其中該光學濾光片包含經組態以抵擋紅外(IR)光之介電反射性光學塗層濾光片。
- 如申請專利範圍第1項之光偵測器，其中：該複數個光電二極體區包括一或多個經該光學濾光片覆蓋之第一光電二極體區，一或多個經光阻擋材料覆蓋之第二光電二極體區，及一或多個未經該光學濾光片覆蓋且未經該光阻擋材料覆蓋之第三光電二極體區；且該光阻擋材料包含除該最上金屬層以外之該等金屬層中之一或多者的一 或多個金屬部分。
- 一種用於製造光偵測器之方法，該光偵測器包括使該光偵測器之光譜響應整形之一光學濾光片，該方法包含：(a)在複數個光電二極體區上形成複數個金屬層，其中該複數個金屬層包括最接近於該等光電二極體區之一最下金屬層及最遠離該等光電二極體區之一最上金屬層，且其中該等金屬層中之每一者包括一或多個金屬部分及一或多個介電部分；及(b)將一光學濾光片沉積於該最上金屬層之至少一部分上以使得該光學濾光片覆蓋該等光電二極體區中之一或多者；其中進行步驟(a)以使得於步驟(b)沉積之後該最上金屬層不含任何金屬部分將於該光學濾光片之下。
- 如申請專利範圍第12項之方法，其中步驟(a)包含形成該複數個金屬層以使得除該最上金屬層以外之該等金屬層中之一或多者的該等金屬部分中之一或多者阻擋光到達該等光電二極體區中之一或多者。
- 如申請專利範圍第12項之方法，其中步驟(b)包含沉積該光學濾光片以使得該光學濾光片之外部周邊包括鈍角且不含等於或小於90度之任何角度。
- 如申請專利範圍第12項之方法，其中步驟(b)包含沉積經組態以擋阻紅外(IR)光之介電反射性光學塗層濾光片。
- 如申請專利範圍第12項之方法，其中步驟(b)包含使用蒸發沉積製程沉積介電反射性光學塗層。
- 一種系統，其包含：一光偵測器，其經組態以產生指示周遭可見光之電流；及一子系統，其依賴於由該光偵測器產生之電流而調整；其中該光偵測器包括複數個光電二極體區；一光學濾光片，其覆蓋該等光電二極體區中之一或多者；複數個金屬層，其位於該等光電二極體區與該光學濾光片之間，其中該複數個金屬層包括最接近於該光學濾光片之一最上金屬層及最接近於該等光電二極體區之一最下金屬層；及一或多個層間介電層，其將該等金屬層彼此隔開；其中該等金屬層中之每一者包括一或多個金屬部分及一或多個介電部分；且其中該最上金屬層不含任何金屬部分於該光學濾光片之下。
- 如申請專利範圍第17項之系統，其進一步包含：至少一個處理器或比較器，其經組態以比較指示周遭可見光之電流或自該電流產生之電壓與一或多個臨限值，以確定啟用、停用還是調整該子系統之亮度。
- 如申請專利範圍第17項之系統，其中：該光偵測器之該複數個光電二極體區包括一或多個經該光學濾光片覆蓋之第一光電二極體區，及一或多個經光阻擋材料覆蓋之第二光電二極體區；且該光偵測器之該光阻擋材料包含除該最上金屬層以外之該等金屬層中之 一或多者的金屬部分。
- 如申請專利範圍第17項之系統，其中該光偵測器之該光學濾光片之外部周邊包括鈍角且不含等於或小於90度之任何角度。
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