TW201703242A - 具有介電層反射環之背照式影像感測器像素 - Google Patents
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Abstract
一種影像感測器包含接近於半導體材料之前側以累積影像電荷之光電二極體。金屬層反射體結構接近於該半導體材料之該前側而安置於介電層中。觸點反射環結構安置於該介電層中在該金屬層反射體結構與觸點蝕刻停止層之間，該觸點蝕刻停止層安置於該半導體材料之該前側上方。該觸點反射環結構在該介電層中界定光導之一部分，使得被引導穿過該半導體材料之背側、穿過該光電二極體且自該金屬層反射體結構往回反射穿過該光電二極體之光在通過該光電二極體與該金屬層反射體結構之間的該介電層時經侷限以保持於該觸點反射環結構之內部中。
Description
本發明一般而言係關於影像感測器，且更具體而言，本發明針對於近紅外線影像感測器。
影像感測器已變得無所不在。其廣泛用於數位靜態相機、蜂巢式電話、安全攝影機以及醫學、汽車及其他應用中。用於製造影像感測器且特定而言互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器(CIS)之技術一直持續快速地發展。舉例而言，對較高解析度及較低電力消耗之需求已促進了此等影像感測器之進一步小型化及整合。
其中大小及影像品質尤其重要的兩個應用領域係安全及汽車應用。對於此等應用，影像感測器晶片通常必須在可見光譜中提供一高品質影像且尤其在光譜之紅色及近紅外線部分中具有經改良敏感度、量子效率及經減小串擾。
100‧‧‧像素單元
102‧‧‧實例性增強背照式近紅外線影像感測器/影像感測器
104‧‧‧光電二極體
106‧‧‧轉移電晶體
108‧‧‧重設電晶體
110‧‧‧浮動擴散部
112‧‧‧源極隨耦器電晶體
114‧‧‧選擇電晶體
116‧‧‧讀出行位元線
202‧‧‧實例性增強背照式近紅外線影像感測器晶片/影像感測器晶片/影像感測器
204‧‧‧光電二極體
204A‧‧‧P+層
204B‧‧‧N型光電二極體植入物
204C‧‧‧pn接面
217‧‧‧淺溝渠隔離結構
218‧‧‧半導體材料層/半導體材料/半導體基板
222‧‧‧背側
224‧‧‧光/入射光
228‧‧‧深溝渠隔離結構
229‧‧‧介電材料薄層
234‧‧‧彩色濾光器陣列層
238‧‧‧微透鏡陣列
242‧‧‧觸點反射環結構
250‧‧‧觸點蝕刻停止層
254‧‧‧金屬層反射體結構/金屬層反射體
256‧‧‧金屬導體
258‧‧‧觸點
260‧‧‧閘極結構
302‧‧‧增強背照式近紅外線影像感測器/影像感測器
316‧‧‧讀出行位元線
343‧‧‧成像系統
344‧‧‧讀出電路
346‧‧‧功能邏輯
348‧‧‧控制電路
C1-Cx‧‧‧行
M1‧‧‧金屬層
P1-Pn‧‧‧像素單元
R1-Ry‧‧‧列
RST‧‧‧重設信號/信號
SEL‧‧‧選擇信號/信號
T1‧‧‧轉移電晶體
T2‧‧‧重設電晶體
T3‧‧‧源極隨耦器電晶體
T4‧‧‧選擇電晶體
TX‧‧‧轉移信號/信號
VDD‧‧‧電源軌
參考以下圖闡述本發明之非限制性及非窮盡性實施例，其中除非另有規定，否則貫穿各個視圖，相似元件符號係指相似部件。
圖1係根據本發明之教示之圖解說明可包含於一實例性增強背照式近紅外線影像感測器中之像素單元之一項實例的一示意圖。
圖2係根據本發明之教示之圖解說明一實例性增強背照式近紅外
線影像感測器之一項實例之一部分之一剖面圖的一剖面圖。
圖3係根據本發明之教示之圖解說明包含包括一像素陣列之一實例性增強背照式近紅外線影像感測器之一成像系統之一項實例的一圖式。
在圖式之所有數個視圖中，對應元件符號指示對應組件。熟習此項技術者將瞭解，圖中之元件係為簡單及清晰起見而圖解說明的，且未必按比例繪製。舉例而言，為幫助改良對本發明之各種實施例之理解，各圖中之元件中之某些元件之尺寸可能相對於其他元件而被放大。此外，通常不繪示在一商業上可行之實施例中有用或必需的常見而眾所周知之元件以便促進對本發明之此等各種實施例之一較不受阻礙之觀看。
在以下說明中，陳述眾多特定細節以便提供對本發明之一透徹理解。然而，熟習此項技術者將明瞭，無需採用特定細節來實踐本發明。在其他例項中，未詳細闡述眾所周知之材料或方法以便避免使本發明模糊。
在本說明書通篇中對「一項實施例」、「一實施例」、「一項實例」或「一實例」之提及意指結合該實施例或實例所闡述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實施例中。因此，在本說明書通篇之各個位置中片語「在一項實施例中」、「在一實施例中」、「一項實例」或「一實例」之出現未必全部係指同一實施例或實例。此外，該特定特徵、結構或特性可在一或多項實施例或實例中以任何適合組合及/或子組合而組合。特定特徵、結構或特性可包含於一積體電路、一電子電路、一組合邏輯電路或提供所闡述功能性之其他適合組件中。另外，應瞭解，隨本文提供之各圖係出於向熟習此項技術者闡釋之目的且圖式未必按比例繪製。
在一典型背照式(BSI)影像感測器中，進入半導體材料(舉例而言，諸如矽)之背側之紅色或近紅外線光之一顯著部分(舉例而言，諸如具有約850nm之一較長波長之光)傳播穿過半導體材料而不被吸收。因此，需要較厚矽以便吸收較多入射紅色或近紅外線光。然而，一典型背照式影像感測器之半導體材料通常經薄化以便改良可見光效能，此使影像感測器之紅色或近紅外線效能降級。
因此，如下文將闡述，根據本發明之教示之一實例性背照式影像感測器以一光反射圓柱型形狀為特徵，該光反射圓柱型形狀結合一反射體在一像素單元之光電二極體後面添加至前側以將較長波長紅色及近紅外線光侷限以免在像素單元之間洩漏且導致較多光往回反射至光電二極體中而被吸收，此因此改良紅色或近紅外線敏感度，以及減小根據本發明之教示之一影像感測器中之光學串擾。舉例而言，在一項實例中，將金屬層反射體定位於光電二極體後面之介電層中。在實例中，將一觸點反射環結構定位於像素前側金屬層反射體下方以防止光損失及穿過觸點介電質之串擾。在一項實例中，觸點反射環結構可在觸點蝕刻程序期間形成且使用觸點蝕刻停止層來防止觸點反射環結構到達像素單元之半導體基板。在一項實例中，根據本發明之教示，在觸點蝕刻程序期間形成之溝渠可填充有一光反射材料(舉例而言，諸如鎢)以形成觸點反射環結構，該觸點反射環結構將光侷限以保持於像素單元內以改良量子效率且防止光穿過介電層偏離至相鄰像素單元中。
為圖解說明，圖1係根據本發明之教示之圖解說明可包含於一實例性增強背照式近紅外線影像感測器102中之像素單元100之一項實例的一示意圖。在所繪示實例中，根據本發明之教示，像素單元100圖解說明為包含於影像感測器102中之一個四電晶體(「4T」)像素單元。應瞭解，像素單元100係用於實施圖1之影像感測器102之像素陣
列內之每一像素單元之像素電路架構之一項可能實例。然而，應瞭解，根據本發明之教示之其他實例未必限於4T像素架構。受益於本發明之熟習此項技術者將理解，根據本發明之教示，本發明教示亦適用於3T設計、5T設計及各種其他像素架構。
在圖1中所繪示之實例中，像素單元100包含用以累積影像電荷之一光電二極體(「PD」)104、一轉移電晶體T1 106、一重設電晶體T2 108、一浮動擴散部(「FD」)110、一源極隨耦器(「SF」)電晶體T3 112及一選擇電晶體T4 114。在操作期間，轉移電晶體T1 106接收將光電二極體PD 104中所累積之影像電荷轉移至浮動擴散部FD 110之轉移信號TX。在一項實例中，浮動擴散部FD 110可耦合至用於暫時儲存影像電荷之一儲存電容器。在一項實例中且如下文將進一步詳細論述，根據本發明之教示，一觸點環反射結構形成於介電層中在介電層中之一金屬層反射體與光電二極體104之間以將光侷限以保持於像素單元100內。如此，根據本發明之教示提供經改良紅色或近紅外線敏感度以及經減小光學串擾。如所圖解說明實例中所展示，重設電晶體T2 108耦合於一電源軌VDD與浮動擴散部FD 110之間以回應於一重設信號RST而將像素單元100重設(例如，將浮動擴散部FD 110及光電二極體PD 104放電或充電至一預設定電壓)。浮動擴散部FD 110經耦合以控制SF電晶體T3之閘極。SF電晶體T3耦合於電源軌VDD與選擇電晶體T4之間。SF電晶體T3操作為提供至浮動擴散部FD 110之一高阻抗連接之一源極隨耦器放大器。選擇電晶體T4114回應於一選擇信號SEL而將像素單元100之輸出選擇性地耦合至讀出行位元線116。
在一項實例中，TX信號、RST信號、SEL信號及讀出脈衝電壓由控制電路產生，下文將進一步詳細闡述該控制電路之一實例。在其中影像感測器102藉助一全域快門而操作之一實例中，該全域快門信號耦合至影像感測器102中之每一轉移電晶體T1 106之閘極以同時開始
自每一像素之光電二極體PD 104之電荷轉移。另一選擇係，根據本發明之教示，可將滾動快門信號施加至轉移電晶體T1 106之群組。
圖2係根據本發明之教示之圖解說明一實例性增強背照式近紅外線影像感測器晶片202之一項實例之一部分之一剖面圖之一剖面圖。應瞭解，圖2之影像感測器晶片202可係圖1之影像感測器102之一實施方案之一項實例，且下文所提及之類似命名及編號之元件類似於如上文所闡述而耦合及起作用。注意，圖2中未詳細展示圖1中所展示之影像感測器102之其他電路元件(舉例而言，諸如各種電晶體及其相關聯擴散部及經摻雜區域)以便不使本發明之教示模糊。
返回參考圖2所圖解說明之實例，影像感測器晶片202包含一光電二極體204，該光電二極體接近於影像感測器晶片202之一前側220而安置於一半導體材料層218中以回應於光224而累積影像電荷，該光穿過半導體材料218之一背側222且穿過光電二極體204而被引導至半導體材料218中，如所展示。在所繪示實例中，光電二極體204包含形成於一P+層204A與一N型光電二極體植入物204B之間的一界面處之一pn接面204C。在一項實例中，半導體材料218包含矽、多晶矽或另一適合半導體材料。在一項實例中，亦將半導體材料218薄化以便提供影像感測器晶片202之經改良可見光效能。在一項實例中，光224包含紅色或近紅外線光。舉例而言，在一項實例中，光224可具有約850nm之一波長。
在一項實例中，影像感測器晶片202包含一金屬層(M1)反射體結構254，該金屬層(M1)反射體結構接近於半導體材料218之前側220而安置於一介電層252中，使得被引導穿過半導體材料218之背側222且穿過光電二極體204之光224自金屬層反射體結構254往回反射穿過光電二極體204。如實例中所展示，一觸點蝕刻停止層250安置於半導體材料218之前側220上方在介電層252與半導體材料218中之光電二極體
204之間。
在一項實例中，影像感測器晶片202包含一觸點反射環結構242，該觸點反射環結構安置於介電層252中在金屬層反射體結構254與觸點蝕刻停止層250之間。在一項實例中，根據本發明之教示，觸點反射環結構242具有一圓柱型形狀且反射入射光224，該圓柱型形狀將光224侷限以免在像素單元之間洩漏。如實例中所展示，觸點反射環結構242在介電層252中於金屬層反射體結構254與光電二極體204之間封圍或界定一光學波導或光導230之一部分。如此，根據本發明之教示，被引導穿過半導體材料218及光電二極體204之光224自金屬層反射體結構254往回反射，且在通過光電二極體204與金屬層反射體結構254之間的介電層252時經侷限以保持於觸點反射環結構242之一內部中。
在一項實例中，觸點反射環結構242形成於介電層252中在影像感測器晶片202之觸點蝕刻處理期間所蝕刻之一溝渠中。如實例中所展示，該溝渠填充有一反射性材料以在金屬層反射體254與觸點蝕刻停止層250之間形成觸點反射環結構242。在一項實例中，用以形成觸點反射環結構242之反射性材料包含鎢。觸點蝕刻停止層250防止對用於觸點反射環結構242之溝渠之蝕刻到達半導體基板218及光電二極體204。在一項實例中，應瞭解，用於觸點反射環結構242之溝渠可與在影像感測器晶片202中形成之其他觸點同時進行蝕刻，且可填充有相同材料(例如，鎢)。
舉例而言，在所繪示實例中，影像感測器晶片202亦包含接近於光電二極體204而安置於半導體材料218之前側220上方之一閘極結構260，如所展示。在一項實例中，閘極結構260由多晶矽或其他適合導電材料製成。在實例中，一觸點258耦合於安置於介電層252中之一閘極結構260與一金屬導體256之間。在一項實例中，觸點258形成於介
電層252中在亦於影像感測器晶片202之觸點蝕刻處理期間在金屬導體256與閘極結構260之間、與蝕刻用於觸點反射環結構242之溝渠同時蝕刻之一溝渠中。在一項實例中，用於觸點258之溝渠亦填充有一導電材料(舉例而言，諸如鎢)。
在一項實例中，影像感測器晶片202亦可包含接近於光電二極體204而安置於半導體材料218中以隔離半導體材料218中之光電二極體204的淺溝渠隔離結構217。如所繪示實例中所展示，淺溝渠隔離結構217自半導體材料218之前側220朝向半導體材料218之背側222延伸。在一項實例中，根據本發明之教示，影像感測器晶片202亦可包含安置於半導體材料218中之深溝渠隔離(DTI)結構228，該深溝渠隔離(DTI)結構隔離半導體材料218中之光電二極體204，以及界定光導230之一部分以供光224穿過半導體材料218傳播至光電二極體204，如所展示。在一項實例中，存在安置於DTI結構228中之每一者與半導體材料218之間的一介電材料薄層229。在一項實例中，根據本發明之教示，DTI結構228中之每一者沿著光導230之一實質部分延伸穿過半導體材料218且自半導體材料218之背側222延伸至淺溝渠隔離結構217中之一對應者。在一項實例中，亦存在安置於半導體材料218中在影像感測器晶片202之光電二極體204之間的P井。
在圖2中所繪示之實例中，影像感測器晶片202亦可包含接近於半導體材料218之背側222安置之一彩色濾光器陣列層234。在一項實例中，彩色濾光器陣列層234中之彩色濾光器包含紅色、綠色、藍色彩色濾光器。在一項實例中，影像感測器晶片202可進一步包含接近於半導體材料218之背側222安置之一微透鏡陣列238，如所展示。
圖3係根據本發明之教示之圖解說明包含一增強背照式近紅外線影像感測器302之一成像系統343之一項實例的一圖式。如所繪示實例中所展示，成像系統343包含耦合至控制電路348及讀出電路344之影
像感測器302，該讀出電路耦合至功能邏輯346。
在一項實例中，影像感測器302包含係像素單元(例如，像素單元P1、P2、…、Pn)之一個二維(2D)陣列之一像素陣列。在一項實例中，每一像素單元係一CMOS成像像素。注意，影像感測器302中之像素單元P1、P2、…Pn可係圖1之像素單元100及/或圖2之影像感測器202中所圖解說明之每一像素單元的實例，且下文所提及的類似命名及編號之元件類似於如上文所闡述而耦合及起作用。如所圖解說明，每一像素單元配置至一列(例如，列R1至Ry)及一行(例如，行C1至Cx)中以獲取一人、地方、物件等之影像資料，接著可使用該影像資料再現該人、地方、物件等之一2D影像。
在一項實例中，在每一像素單元已累積其影像資料或影像電荷之後，該影像資料由讀出電路344透過讀出行位元線316讀出且接著傳送至功能邏輯346。在各種實例中，讀出電路344可包含放大電路、類比轉數位(ADC)轉換電路或其他。功能邏輯346可簡單地儲存該影像資料或甚至藉由應用後影像效應(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。在一項實例中，讀出電路344可沿著讀出行位元線316(所圖解說明)一次讀出一列影像資料或可使用多種其他技術(未圖解說明)讀出該影像資料，諸如一串列讀出或同時對所有像素之一全並列讀出。
在一項實例中，控制電路348耦合至影像感測器302以控制影像感測器302之操作特性。舉例而言，控制電路348可產生用於控制影像獲取之一快門信號。在一項實例中，該快門信號係用於同時啟用影像感測器302內之所有像素單元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。在另一實例中，快門信號係一滾動快門信號，使得在連續獲取窗期間順序地啟用像素之每一列、行或群組。
包含發明摘要中所闡述內容的本發明之所圖解說明實例之以上
說明並非意欲係窮盡性的或限制於所揭示之精確形式。雖然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，但可在不背離本發明之較寬廣精神及範疇之情況下做出各種等效修改。
鑒於上文詳細說明，可對本發明之實例做出此等修改。隨附申請專利範圍中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，該範疇將完全由隨附申請專利範圍來判定，該申請專利範圍將根據所創建之申請專利範圍解釋原則來加以理解。因此，本說明書及各圖應視為說明性的而非限制性的。
202‧‧‧實例性增強背照式近紅外線影像感測器晶片/影像感測器晶片/影像感測器
204‧‧‧光電二極體
204A‧‧‧P+層
204B‧‧‧N型光電二極體植入物
204C‧‧‧pn接面
217‧‧‧淺溝渠隔離結構
218‧‧‧半導體材料層/半導體材料/半導體基板
222‧‧‧背側
224‧‧‧光/入射光
228‧‧‧深溝渠隔離結構
229‧‧‧介電材料薄層
234‧‧‧彩色濾光器陣列層
238‧‧‧微透鏡陣列
242‧‧‧觸點反射環結構
250‧‧‧觸點蝕刻停止層
254‧‧‧金屬層反射體結構/金屬層反射體
256‧‧‧金屬導體
258‧‧‧觸點
260‧‧‧閘極結構
M1‧‧‧金屬層
Claims (21)
- 一種影像感測器，其包括：一光電二極體，其接近於半導體材料之一前側而安置於該半導體材料中以回應於被引導穿過該半導體材料之一背側且穿過該光電二極體之光而累積影像電荷；一金屬層反射體結構，其接近於該半導體材料之該前側而安置於一介電層中，使得被引導穿過該半導體材料之該背側且穿過該光電二極體之該光自該金屬層反射體結構往回反射穿過該光電二極體；一觸點蝕刻停止層，其安置於該半導體材料之該前側上方在該介電層與該半導體材料中之該光電二極體之間；及一觸點反射環結構，其安置於該介電層中在該金屬層反射體結構與該觸點蝕刻停止層之間，其中該觸點反射環結構在該介電層中於該金屬層反射體結構與該半導體材料中之該光電二極體之間界定一光導之一部分，使得被引導穿過該光電二極體且自該金屬層反射體結構往回反射穿過該光電二極體之光在通過該光電二極體與該金屬層反射體結構之間的該介電層時經侷限以保持於該觸點反射環結構之一內部中。
- 如請求項1之影像感測器，其中該觸點反射環結構包括在該介電層中於該金屬層反射體結構與該觸點蝕刻停止層之間蝕刻之一填充有鎢之溝渠。
- 如請求項1之影像感測器，其進一步包括接近於該光電二極體而安置於該半導體材料中以隔離該半導體材料中之該光電二極體之淺溝渠隔離結構，其中該等淺溝渠隔離結構自該半導體材料之該前側朝向該半導體材料之該背側延伸。
- 如請求項3之影像感測器，其進一步包括安置於該半導體材料中之深溝渠隔離結構，其中該等深溝渠隔離結構中之每一者自該半導體材料之該背側延伸至該淺溝渠隔離結構中之一對應者。
- 如請求項4之影像感測器，其中被引導穿過該半導體材料之該背側且穿過該光電二極體之該光在通過該半導體材料到達該光電二極體時經侷限以保持於該等深溝渠隔離結構之間及該等淺溝渠隔離結構之間。
- 如請求項3之影像感測器，其進一步包括安置於該等深溝渠隔離結構與該半導體材料之間的介電材料。
- 如請求項1之影像感測器，其進一步包括接近於該光電二極體而安置於該半導體材料之該前側上方之一閘極結構。
- 如請求項7之影像感測器，其進一步包括耦合於安置於該介電層中之一閘極結構與一金屬導體之間的一觸點。
- 如請求項8之影像感測器，其中該觸點包括在該介電層中於安置於該介電層中之該閘極結構與該金屬導體之間蝕刻之一填充有鎢之溝渠。
- 如請求項1之影像感測器，其中該光電二極體包含接近於該半導體材料之該前側而界定於該半導體材料中之一pn接面。
- 如請求項1之影像感測器，其進一步包括接近於該半導體材料之該背側而安置之一彩色濾光器陣列層。
- 如請求項1之影像感測器，其進一步包括接近於該半導體材料之該背側而安置之一微透鏡陣列。
- 一種成像系統，其包括：一像素陣列，其具有安置於半導體材料中之複數個像素單元，其中該複數個像素單元中之每一者包含：一光電二極體，其接近於該半導體材料之一前側而安置於 該半導體材料中以回應於被引導穿過該半導體材料之一背側且穿過該光電二極體之光而累積影像電荷；一金屬層反射體結構，其接近於該半導體材料之該前側而安置於一介電層中，使得被引導穿過該半導體材料之該背側且穿過該光電二極體之該光自該金屬層反射體結構往回反射穿過該光電二極體；一觸點蝕刻停止層，其安置於該半導體材料之該前側上方在該介電層與該半導體材料中之該光電二極體之間；及一觸點反射環結構，其安置於該介電層中在該金屬層反射體結構與該觸點蝕刻停止層之間，其中該觸點反射環結構在該介電層中於該金屬層反射體結構與該半導體材料中之該光電二極體之間界定一光導之一部分，使得被引導穿過該光電二極體且自該金屬層反射體結構往回反射穿過該光電二極體之光在通過該光電二極體與該金屬層反射體結構之間的該介電層時經侷限以保持於該觸點反射環結構之一內部中；控制電路，其耦合至該像素陣列以控制該像素陣列之操作；及讀出電路，其耦合至該像素陣列以自該複數個像素單元讀出影像資料。
- 如請求項13之成像系統，其進一步包括耦合至該讀出電路以儲存自該複數個像素單元讀出之該影像資料之功能邏輯。
- 如請求項13之成像系統，其中該觸點反射環結構包括在該介電層中於該金屬層反射體結構與該觸點蝕刻停止層之間蝕刻之一填充有鎢之溝渠。
- 如請求項13之成像系統，其中該複數個像素單元中之每一者進一步包含接近於該光電二極體而安置於該半導體材料中以隔離該半導體材料中之該光電二極體之淺溝渠隔離結構，其中該等 淺溝渠隔離結構自該半導體材料之該前側朝向該半導體材料之該背側延伸。
- 如請求項16之成像系統，其中該複數個像素單元中之每一者進一步包含安置於該半導體材料中之深溝渠隔離結構，其中該等深溝渠隔離結構中之每一者自該半導體材料之該背側延伸至該淺溝渠隔離結構中之一對應者。
- 如請求項17之成像系統，其中被引導穿過該半導體材料之該背側且穿過該光電二極體之該光在通過該半導體材料到達該光電二極體時經侷限以保持於該等深溝渠隔離結構之間及該等淺溝渠隔離結構之間。
- 如請求項13之成像系統，其中該複數個像素單元中之每一者進一步包含接近於該光電二極體而安置於該半導體材料之該前側上方之一閘極結構。
- 如請求項19之成像系統，其中該複數個像素單元中之每一者進一步包含耦合於安置於該介電層中之一閘極結構與一金屬導體之間的一觸點。
- 如請求項20之成像系統，其中該觸點包括在該介電層中於安置於該介電層中之該閘極結構與該金屬導體之間蝕刻之一填充有鎢之溝渠。
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