TW202224167A - 形成用於hdr影像感測器之led閃爍降低（lfr）膜之方法及具有其之影像感測器 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種用於一高清晰度(HD)影像感測器之像素陣列。該像素陣列包含數個分離式像素單元，各分離式像素單元包含一第一光電二極體及比該第一光電二極體對入射光更敏感之一第二光電二極體。該第一光電二極體可用於感測明亮或高強度光條件，而該第二光電二極體可用於感測低至中強度光條件。在該所揭示像素陣列中，藉由在各分離式像素單元之該第一光電二極體上方施加一光衰減層來降低一或多個光電二極體之敏感度。根據本發明之方法，可在形成一金屬光學隔離柵格結構之前形成該光衰減層。此可能導致更好地控制該光衰減層之厚度及均勻性。

Description

形成用於HDR影像感測器之LED閃爍降低（LFR）膜之方法及具有其之影像感測器
本發明大體上係關於影像感測器，且特定而言但不排他地，係關於採用具有降低的LED閃爍之分離式像素設計之影像感測器，諸如高動態範圍(HDR)影像感測器。
CMOS影像感測器(CIS)已經無處不在。其等被廣泛用於數位靜態相機、蜂巢電話、監控攝影機以及醫療、汽車及其他應用中。典型的影像感測器回應於自一外部場景反射之影像光入射於該影像感測器上而操作。該影像感測器包含具有光敏元件(例如，光電二極體)之一像素陣列，該等光敏元件吸收入射影像光之一部分且在吸收該影像光後產生影像電荷。可將該等像素之各者之影像電荷量測為各光敏元件之一輸出電壓，該輸出電壓隨入射影像光而變動。換言之，經產生影像電荷之量與影像光之強度成比例，該影像電荷用於產生表示外部場景之一數位影像(即，影像資料)。
典型的影像感測器如下般操作。來自一外部場景之影像光入射於該影像感測器上。該影像感測器包含複數個光敏元件使得各光敏元件吸收入射影像光之一部分。包含於該影像感測器中之光敏元件，諸如光電二極體，在吸收影像光後各產生影像電荷。經產生影像電荷之量與影像光之強度成比例。經產生影像電荷可用於產生表示外部場景之影像。
尤其是隨著對更高解析度及更低功率消耗之需求不斷地在持續，用於影像感測器之積體電路(IC)技術不斷地予以改良。此等改良通常涉及縮小裝置之幾何尺寸以達成更低製造成本、更高裝置積體密度、更高速度及更好效能。
但是，隨著影像感測器之小型化之進展，影像感測器架構內之缺陷變得更加顯而易見且可能降低影像之影像品質。例如，影像感測器之特定區內之過多電流洩漏可能致使高暗電流、感測器雜訊、白色像素缺陷及類似者。此等缺陷可能使來自影像感測器之影像品質顯著地劣化，此可能導致降低的良率及更高的生產成本。
高動態範圍(HDR)影像感測器可能提出其他挑戰。例如，一些HDR影像感測器佈局並非空間高效的且難以小型化為更小節距以達成更高解析度。另外，歸因於諸多此等HDR影像感測器之非對稱佈局，減小像素之大小及節距以實現高解析度影像感測器會導致串擾或其他不良副作用，諸如隨著節距減小而可能在此等影像感測器中出現之對角光斑。此外，諸多HDR影像感測器需要具有非常大的全阱容量(FWC)之結構以適應大動態範圍。然而，較大FWC要求致使滯後、白色像素(WP)、暗電流(DC)及其他不必要的問題。
提供具有帶有一光衰減層之一分離式像素單元之一設備之實例。亦提供製造此一設備之方法。因此，在以下描述中，闡述眾多特定細節以提供對該等實例之一透徹理解。熟習相關技術者將認知；然而，本文中所描述之技術可在沒有該等特定細節之一或多者之情況下或利用其他方法、組件、材料等實踐。在其他實例中，未詳細地展示或描述熟知結構、材料或操作以避免混淆特定態樣。
本說明書通篇對「一項實例」或「一項實施例」之引用意謂結合該實例所描述之一特定特徵、結構或特性被包含於本發明之至少一項實例中。因此，本說明書通篇出現之片語「在一項實例中」或「在一項實施例中」不一定全部指代同一實例。此外，在一或多項實例中可以任何合適方式組合特定特徵、結構或特性。
為了便於描述，在本文中可使用空間相對術語，諸如「在...下面」、「在...下方」、「在...之下」、「在...下」、「在...上方」、「在...之上」及類似者來描述一個元件或特徵與另一(些)元件或特徵之關係，如圖中所繪示。將理解，除圖中所描繪之定向以外，空間相對術語亦意欲於涵蓋裝置在使用或操作中之不同定向。例如，若圖中之裝置被翻轉，則被描述為「在其他元件或特徵下方」、「在其他元件或特徵下面」或「在其他元件或特徵下」之元件將被定向為「在其他元件或特徵上方」。因此，實例性術語「在...下方」及「在...下」可涵蓋在...上方及在...下方兩個定向。裝置可以其他方式定向(旋轉90度或按其他定向)且據此解釋本文中所使用之空間相對描述語。
另外，亦將理解，當一層被稱為「在兩個層之間」時，其可為兩個層之間的唯一層，或亦可存在一或多個中介層。類似地，將理解，當一元件被稱為「連接」或「耦合」至另一元件時，其可直接連接或耦合至另一元件，或可存在中介元件。相比之下，當一元件被稱為「直接連接」或「直接耦合」另一元件時，不存在中介元件。應以一類似方式解釋用於描述元件或層之間的關係之其他詞語(例如，「在...之間」與「直接在...之間」、「鄰近」與「直接鄰近」、「在...上」與「直接在...上」)。
貫穿說明書，使用若干技術術語。此等術語應具有其等所屬技術之普通含義，除非本文中明確地定義或其等使用脈絡另有明確地指示。應注意，貫穿本文獻，元素名稱及符號可互換地使用(例如，Si與矽)；然而，兩者具有相同含義。
本文中可參考作為實例實施例之理想化實施例(及中間結構)之示意性圖解之橫截面圖解來描述實例實施例。因而，預期由於例如製造技術及/或容限所致之圖解之形狀變動。因此，實例實施例不應被解釋為限於本文中所繪示之區之特定形狀，而是包含例如起因於製造之形狀偏差。例如，被繪示為一矩形之一植入區可在其邊緣處具有圓形或彎曲特徵及/或一植入濃度梯度，而非自植入區至非植入區之一二元變化。同樣地，藉由植入形成之一掩埋區可能導致在掩埋區與透過其發生植入之表面之間的區中之一定植入。因此，圖中所繪示之區本質上係示意性的且其等形狀並非意欲於繪示一裝置之一區之實際形狀且並非意欲於限制實例實施例之範疇。
如將展示，揭示用於高動態範圍成像之像素單元之實例。在各項實例中，一實例分離式像素單元包含數個光電二極體區(例如，四個、九個、十六個及類似者)。在一實例中，至少一個光電二極體區經組態以形成一小光電二極體且環繞小光電二極體之數個光電二極體區(例如，剩餘光電二極體區)經組態以形成一大光電二極體。在一些實例中，小光電二極體可用於感測明亮或高強度光條件，而大光電二極體可用於感測低至中強度光條件。此等實例像素單元之一或多者可經配置於一像素陣列中且例如用於高動態範圍成像。在一些實例中，像素陣列之像素單元可採用3T、4T或5T像素架構。在一些實例中，採用一共用像素單元架構，其中光電二極體經由數個轉移閘耦合至一共同浮動擴散區。
在汽車行業中，影像感測器用於倒車攝影機、高級駕駛輔助系統(ADAS)、基於攝影機之鏡子，有時被稱為電子後視鏡等。隨著LED照明在車輛中之普及，需要具有低LED閃爍之一HDR影像感測器。通常，歸因於LED光產生之開/關特性，在人眼看來連續之LED光可能在由採用HDR影像感測器之攝影機捕獲之影像中看起來閃爍。由此等系統之一或多者呈現給一駕駛員之影像中之閃爍的LED可能致使駕駛員困惑、駕駛員注意力分散等。
已提出用於解決影像捕獲等中之LED閃爍之技術。例如，皆讓渡給豪威科技公司(Omnivision Technologies Inc)之美國專利第9,590,005號及美國專利公開案第2018/0366513號採用定位於一分離式像素單元之小光電二極體上方之一光衰減層。光衰減層降低光電二極體之敏感度，此可允許小光電二極體之更長積分時間，防止積分期間之飽和等。
然而，對具有低功率消耗之更高解析度影像感測器之持續需求導致不斷減小的像素大小。隨著像素大小減小，自分離式像素單元之大光電二極體移除光衰減層變得更具挑戰性。例如，當前處理方案難以清楚地蝕刻掉光學隔離柵格中與大光電二極體相關聯之窄空間中之光衰減層。另外，當前處理方案難以在通常由此等感測器類型採用之窄間隔光學隔離柵格結構之間均勻地沈積光衰減層。
本發明之方法及技術尋求解決與例如在汽車環境等中採用之分離式像素單元相關聯之此等問題。例如，所揭示標的物之實例旨在藉由降低例如一3T、4T或5T像素單元(包含一分離式像素設計之彼等像素單元)之一或多個光電二極體之敏感度使得可實現更長積分時間，防止積分期間之飽和等以便提高影像感測器之動態範圍來降低HDR影像感測器中相關聯之LED閃爍。在一些實例中，藉由在分離式像素單元之小光電二極體上方施加一光衰減層來降低一或多個光電二極體之敏感度。根據本發明之方法，可在形成金屬光學隔離柵格結構之前形成光衰減層。藉由在形成金屬光學隔離柵格結構之前形成光衰減層，光衰減層不會形成於金屬光學隔離柵格結構上(此會使後續微影程序降級)且可更好地控制光衰減層之厚度。
如下文將更詳細地描述，在實例實施例中，像素單元之電晶體可為N通道金屬氧化物半導體(NMOS)類型，其中金屬可為多晶矽(poly-Si)、鎢(W)及類似者，氧化物可為介電質，諸如SiO 2(例如，熱生長或沈積於半導體材料上)，且半導體可對應於半導體材料之一部分，諸如矽(例如，單晶或多晶Si)、絕緣體上矽(SOI)等。
為了繪示，圖1示出繪示根據本發明之技術及方法之使用具有例如分離式像素單元之一像素陣列來偵測低/中及高強度照明之一實例影像感測器100之方塊圖。影像感測器100可被實施為互補金屬氧化物半導體(「CMOS」)影像感測器。如圖1中所繪示之實例中所展示，影像感測器100包含耦合至控制電路系統108及讀出電路系統104之像素陣列102，該讀出電路系統104經耦合至功能邏輯106。
像素陣列102之所繪示實施例係成像感測器或像素單元110 (例如，像素單元P1、P2、...、Pn)之一二維(「2D」)陣列。在一項實例中，根據本發明之技術及方法，各像素單元包含可用於成像之一或多個子像素或像素區。如所繪示，各像素單元110經配置成一列(例如，列R1至Ry)及一行(例如，行C1至Cx)以獲取一人、地方或物件等之影像資料，接著可使用該影像資料來再現人、地方或物件等之一影像。如下文將更詳細地描述，根據本發明之技術及方法，各像素單元110 (例如，像素單元P1、P2、...、Pn)可包含例如鄰近於一或多個大光電二極體之一小光電二極體，其中一光衰減層經放置於小光電二極體上方。
在一項實例中，在各像素單元110已獲取其影像資料或影像電荷之後，影像資料由讀出電路系統104透過讀出行位元線112讀出且接著轉移至功能邏輯106。在各項實例中，讀出電路系統104可包含放大電路系統(未繪示)、包含類比至數位轉換(ADC)電路系統之一行讀出電路或其他電路系統。功能邏輯106可簡單地存儲影像資料或甚至藉由施加後期影像效應(例如，裁剪、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或以其他方式)來操縱影像資料。在一項實例中，讀出電路系統104可沿著讀出行線一次讀出一列影像資料(所繪示)或可使用多種其他技術來讀出影像資料(未繪示)，諸如串列讀出或同時完全並行讀出所有像素。
在一項實例中，控制電路系統108經耦合至像素陣列102以控制像素陣列102之操作特性。例如，在一項實例中，控制電路系統108產生轉移閘信號及其他控制信號以控制影像資料自像素陣列102之共用像素單元110之子像素或像素區之轉移及讀出。另外，控制電路系統108可產生用於控制影像獲取之一快門信號。在一項實例中，快門信號係用於同時啟用像素陣列102內之所有像素以在單個獲取視窗期間同時捕獲其等各自影像資料之一全域快門信號。在另一實例中，快門信號係一捲動快門信號使得在連續獲取視窗期間循序地啟用各列像素、各行像素或各群組像素。快門信號亦可確立一曝光時間，該曝光時間係快門保持打開之時間長度。在一項實施例中，將曝光時間設定為對於該等圖框之各者相同。
在一項實例中，控制電路系統108可控制提供至像素單元110之各種控制信號之時序以減少與像素單元110之各者之浮動擴散區相關聯之暗電流。在一些非限制性實施例，像素單元110可為所謂4T像素單元，例如，四電晶體像素單元。在其他非限制性實施例中，像素單元110可為所謂3T像素單元，例如，三電晶體像素單元。在其他非限制性實施例中，像素單元110可為所謂5T像素單元，例如，五電晶體像素單元。在一些其他非限制性實施例中，無論電晶體數目如何(例如，3個、4個、5個等)，像素單元皆係分離式像素類型。
在一項實例中，影像感測器100可被包含於一數位相機、行動電話、膝上型電腦或類似者中。另外，影像感測器100可經耦合至其他硬體，諸如一處理器(通用或其他)、記憶體元件、輸出(USB埠、無線傳輸器、HDMI埠等)、照明裝置/閃光燈、電輸入(鍵盤、觸控顯示器、觸控板、滑鼠、麥克風等)及/或顯示器。其他硬體可將指令遞送至影像感測器100，自影像感測器100提取影像資料，或操縱由影像感測器100供應之影像資料。
圖2係根據本發明之教示之具有一分離式像素設計之一實例像素單元210之一繪示性示意圖。然而，應明白，本發明之實施例不限於圖2之像素架構；相反，受益於本發明之技術之一般技術人員將理解，本教示亦適用於3T設計、5T設計、共用及非共用像素設計以及各種其他像素架構。
應明白，圖2之像素單元210可為圖1之一像素單元110之一實例，且下文所引用之類似命名及編號元件可與上文所描述般類似地耦合及起作用。例如，像素單元210可經耦合至一位元線(例如，讀出行)，該位元線可將影像資料提供至諸如讀出電路系統104之讀出電路系統，且像素單元210可自諸如控制電路系統108之控制電路系統接收控制信號，以控制像素單元210之各種電晶體之操作。控制電路系統108可以相對時序控制該電晶體以所要序列之操作以便例如將像素重設為一暗狀態，且例如在一積分之後讀出影像資料。
像素單元210之所繪示實例包含一第一光電轉換元件或光電二極體區212，諸如一小光電二極體(PD l)，及共同形成一大光電二極體(PD 2至PD 4)之數個(被展示為三個)第二光電轉換元件或光電二極體區214、216、218。像素單元210之所繪示實例可被稱為4C像素單元。在操作中，小光電二極體(PD 1)及大光電二極體(PD 2至PD 4)經耦合以回應於入射光而光生影像電荷。在一實施例中，大及小光電二極體可用於提供一高動態範圍(HDR)影像之影像資料。例如，小光電二極體(PD 1)可用於感測明亮或高強度光條件，而大光電二極體(PD 2至PD 4)可用於感測較昏暗的低至中強度光條件以提供一高動態範圍(HDR)影像之影像資料。
在一實例實施例中，由光電二極體區214、216、218共同形成之大光電二極體具有大於小光電二極體(例如，光電二極體區212)之曝光區域之一曝光區域。在另一實例實施例中，小光電二極體具有小於大光電二極體(例如，光電二極體區214、216、218之組合全阱容量)之一全阱容量(FWC)。在另一實例實施例中，小光電二極體包含一短積分，而大光電二極體包含一長積分。在另一實例實施例中，大光電二極體包含一長積分且小光電二極體包含一甚至更長的積分以確保例如每個圖框中之LED捕獲。
在一項實例實施例中，如下文將更詳細地描述，一LED閃爍降低(LFR)膜或光衰減層僅經安置於小光電二極體(PD l)上方以降低小光電二極體(PD l)之敏感度，而大光電二極體(PD 2-4)之敏感度保持不變。因此，大光電二極體之光電二極體區214、216、218對入射光具有更高敏感度且因此可用於更低光強度感測。另一方面，由於小光電二極體(PD 1)具有例如更小曝光面積、一更小FWC或類似者，且由於存在安置於小型光電二極體(PD 1)上方之一光衰減層，因此其與大光電二極體(PD 2-4)相較對高強度光不太敏感且因此用於更高光強度感測。藉由在一像素單元210中利用大及小光電二極體兩者，實現HDR成像感測。如下文將更詳細地描述，例如，降低敏感度之小光電二極體可能導致飽和之前的積分時間增加。
像素單元210亦包含：一第一轉移電晶體之一第一轉移閘220，其與小光電二極體212相關聯；一第二、第三及第四轉移電晶體之第二至第四轉移閘222、224、226，其等分別與大光電二極體之光電二極體214、216、218相關聯；及一浮動擴散區(FD) 228。第一轉移閘220經耦合以回應於一控制信號TX 1而將影像電荷自小光電二極體212轉移至浮動擴散區228。第二、第三及第四轉移閘222、224、226經耦合以回應於控制信號TX 2、TX 3、TX 4而將影像電荷自各自大光電二極體214、216、218轉移至浮動擴散區228。在所描繪配置中，浮動擴散區228係光電二極體212、214、216、218共有的且可被稱為共同浮動擴散區228。
一重設電晶體230經耦合至共同浮動擴散區228以回應於一重設信號RST而重設像素單元210 (例如，將光電二極體區212、214、216、218及浮動擴散區228放電或充電至一預設電壓)。一放大器電晶體232之閘極端子亦經耦合至浮動擴散區228以回應於浮動擴散區228中之影像電荷而產生一影像資料信號。在所繪示實例中，放大器電晶體232經耦合為一源極隨耦器(SF)耦合電晶體。一列選擇電晶體234經耦合至放大器電晶體SF 232以回應於一列選擇信號SEL而將影像資料信號輸出至一輸出位元線，該輸出位元線經耦合至諸如圖1之讀出電路系統104之讀出電路系統。
控制信號TX l及TX 2-4使轉移閘220、222、224、226能夠將電荷自光電二極體區212、214、216、218轉移至共同浮動擴散區228。自光電二極體轉移至浮動擴散區228之電荷量可取決於像素單元210之一當前操作。例如，在一重設操作期間，電荷可為在(若干)光電二極體之一暗狀態下產生之電荷，但在一積分期間，電荷可為經光生影像電荷。在一積分結束時，可將影像電荷讀出兩次以執行相關雙重取樣(CDS)，其中在兩次讀出之間出現一或多個暗讀數。
圖3係根據本發明之技術及方法之包括一或多個像素單元310A至310N之一實例像素陣列302之一部分之一佈局示意性視圖或俯視示意性視圖。應明白，圖3之像素單元310可為圖2之像素單元210之實例，或圖1之像素單元110之實例，且下文所引用之類似命名及編號元件可與上文所描述般類似地耦合及起作用。
為了簡潔及清楚起見，現在將更詳細地描述像素陣列302之像素單元310B。將明白，像素陣列302之其他像素單元310與像素單元310B實質上相同地建構，且因此將不單獨地進行描述。
在圖3之實例實施例中，像素單元310B包含一第一光電二極體區312，該第一光電二極體區312經組態以鄰近經組態以共同形成一大光電二極體之數個光電二極體區314、316、318形成一小光電二極體。因而，一像素陣列，諸如像素陣列302，包含具有複數個小光電二極體，諸如光電二極體區312之一半導體基板338，該複數個小光電二極體之各者被一大光電二極體之複數個光電二極體區314、316、318環繞。像素單元之各光電二極體經調適以回應入射光而光生影像電荷。當然，根據本發明之實施例，像素單元310B或像素陣列302可具有其他光電二極體佈局。包含多於一個光電二極體或子像素區之像素單元310之實施例「共用」像素單元310B之像素電晶體區(未展示)，且因此，可被稱為共用像素單元。
在所繪示實例中，一大光電二極體之光電二極體區314、316、318 (為了簡潔起見稱為大光電二極體區314、316、18)對入射光具有比一小光電二極體之光電二極體區312 (為了簡潔起見稱為小光電二極體區312)大之敏感度。例如，在圖3中所描繪之實例中，一光衰減層340，諸如一金屬膜層(例如，Ti/TiN堆疊)經安置於半導體基板338之一表面上方。在一實例實施例中，光衰減層340與小光電二極體區312光學對準，使得其阻擋或衰減引導至小光電二極體區312上之一些傳入入射光。例如，應明白，在光衰減層340沿著入射光368 (圖4)至像素單元310之小光電二極體區312之光學路徑安置之情況下，進一步降低小光電二極體區312之光敏度。藉由衰減傳入入射光來降低小光電二極體之光敏度可防止小光電二極體在積分期間飽和。防止在積分期間飽和可導致更長積分時間，此可解決例如LED閃爍問題。
在一項實例實施例中，小光電二極體區312之光吸收可藉由光衰減層340減少，例如，減少至1/10或更少。入射光368 (圖4)穿過光衰減層340之透射率係回應於光衰減層340之一厚度。因此，可藉由控制光衰減層340之厚度來調整入射光至小光電二極體區312中之透射率。實際上，光衰減層340之最終厚度可基於一透明度與厚度圖來選擇。如下文將更詳細地描述，可經由本發明之方法更好地控制光衰減層340之厚度。
根據本發明之教示，像素陣列302亦包含鄰近半導體基板338之複數個光電二極體安置之一光學隔離柵格結構344，諸如一光障壁柵格。光學隔離柵格結構344界定安置於半導體基板338之光電二極體上方之複數個開口。在一項實例中，光學隔離柵格結構344可由鋁、氮化鈦或另一其他合適材料組成以製造一金屬柵格以引導入射光368 (圖4)穿過複數個開口至半導體基板338中之各自光電二極體中。
如下文將更詳細地描述，光學隔離柵格結構344經放置於鄰近彩色濾光器(未展示)之間以抑制光在鄰近彩色濾光器之間的透射。將明白，在缺少光學隔離柵格結構344之情況下，來自一場景之光可進入與像素陣列302之一個子像素相關聯之一個彩色濾光器且在到達光電二極體之光接收表面之前傳播至一鄰近彩色濾光器。此程序引起鄰近子像素之間的串擾(諸如光學串擾)。因此，一般而言，提供光學隔離柵格結構344以用於抑制此串擾以提供改良的色彩清晰度及解析度。
如下文將更詳細地描述，可利用多種材料及製造技術來形成像素陣列302。半導體基板338可具有Si (例如，單晶或多晶Si)之一組合物。閘極可具有包含鎢或多晶矽之一組合物。介電質層(未展示)可具有SiO 2、HfO 2或一般技術者已知之任何其他合適介電介質之一組合物。接觸件可由具有低歐姆電阻之任何摻雜材料構成。其他金屬、半導體及絕緣材料亦可用於像素陣列302，如一般技術者已知。半導體材料之摻雜區可藉由植入、熱擴散及類似者而形成。將明白，繪示性實施例中之摻雜極性或摻雜類型(P型、N型等)可在替代實施例中顛倒。如一般技術者已知，可利用諸如光微影、遮蔽、化學蝕刻、離子植入、熱蒸鍍、電漿氣相沈積、化學氣相沈積、原子層沈積、濺射及類似者之製造技術來製造像素單元310、像素陣列302及/或影像感測器100。
圖4係沿著圖3之線4-4截取之一像素陣列，諸如像素陣列302之一部分橫截面視圖。像素陣列302由配置成列及行之複數個像素單元，諸如像素單元310組成。應明白，像素陣列302係出於解釋目的而提供且因此僅表示用於實施一像素陣列之一個可能的橫截面圖解，且根據本發明之教示之實例不限於如所展示之特定像素陣列橫截面圖解實例。
在圖4中所繪示之實施例中，像素陣列302包含具有一第一或光接收表面354 (例如，背側354)及一相對的第二表面356 (例如，前側356)之一半導體基板338。一彩色濾光器層360經安置於半導體基板338之光接收表面354上。半導體基板338包含光電二極體(PD)之一陣列，該等光電二極體之各者回應於入射光368而產生電荷。在一實例實施例中，彩色濾光器層360包含藉由光學隔離柵格結構344 (被展示為柵格區段344A、344B)而分開之彩色濾光器364 (被展示為彩色濾光器364A、364B、364C)之一陣列。彩色濾光器364之陣列可經配準至光電二極體(PD)之陣列，使得各彩色濾光器364與一對應光電二極體協作以形成一彩色子像素，即，對一特定波長範圍內之光敏感之一子像素。
光電二極體(PD)之陣列包含由光電二極體區312形成、鄰近一各自的鄰近大光電二極體之一或多個光電二極體區316安置之一小光電二極體(PD l)。在一實例實施例中，大光電二極體之光電二極體區316相對於小光電二極體之光電二極體區312呈一環繞關係。在所繪示實例中，大光電二極體區316對入射光具有比小光電二極體區312高之敏感度。
在圖4中所描繪之實施例中，各光電二極體區312、316至少部分地藉由溝渠隔離結構，諸如深溝渠隔離(DTI)結構374而分開。深溝渠隔離結構374經安置於形成於半導體基板338之背側或光接收表面354中之溝渠內。例如，深溝渠隔離結構374可用於藉由將光反射回至光電二極體中及防止電荷行進穿過半導體基板338及在半導體基板338之表面上行進至其他光電二極體中來電及/或光學隔離光電二極體。
在一實例實施例中，深溝渠隔離結構374包含沈積至形成於半導體基板338中之溝渠中之一介電質填充材料(例如，氧化矽)。在一些實施例中，可提供內襯溝渠之側及底部之一介電質層(未展示)。例如，一高k襯墊氧化物或類似者(例如，氧化鉿、氧化矽等)可在經沈積介電質填充材料(例如，氧化矽)與光電二極體區312、316等之間產生一介面。在一些實例實施例中，深溝渠隔離結構374可代替地包含被高k襯墊氧化物環繞之一金屬芯。
在圖4中所描繪之實施例中，一鈍化層348可經設置於深溝渠隔離結構374上方且靠近半導體基板338之光接收表面354。彩色濾光器層360亦靠近半導體基板338之光接收表面354安置且與鈍化層348介接。鈍化層348可為例如氧化矽膜層或類似者。在實例實施例中，像素陣列302進一步包含安置於彩色濾光器陣列360上之微透鏡370之一陣列以輔助將入射光368聚焦於光電二極體上。
如上文簡要地描述，像素陣列302進一步包含安置於鈍化層348上方且將彩色濾光器陣列360分成彩色濾光器364A、364B、364C之光學隔離柵格結構344，被展示為柵格區段344A、344B。光學隔離柵格結構344可例如包含可將光反射至恰當光電二極體中之一反射材料，諸如一金屬。例如，在一項實例實施例中，光學隔離柵格結構344可由鋁、氮化鈦或另一其他合適材料組成以製造一金屬柵格以將入射光368引導至半導體基板338中之各自光電二極體中。在一些實施例中，光學隔離柵格結構344與深溝渠隔離結構374大體上對準(例如，垂直對準)。在所繪示實施例中，光學隔離柵格結構344與深溝渠隔離結構374實質上對準(例如，光學對準)。在一些實例實施例中，可在一自對準程序中形成光學隔離柵格結構344。在一些實施例中，光學隔離柵格結構344之各柵格區段344A、344B與對應深溝渠隔離結構374垂直對準。
根據本發明之一態樣，像素陣列302進一步包含一光衰減層340，該光衰減層340僅與小光電二極體區312光學對準且在光學隔離柵格結構344之柵格區段344A、344B之間使得其阻擋或衰減進入至小光電二極體區312中之一些傳入入射光368，由此降低小光電二極體區312之敏感度。為了清楚起見，光衰減層340僅覆蓋像素陣列302之小光電二極體區312之曝光區域且不覆蓋像素陣列302之鄰近的大光電二極體(即，光衰減層340不覆蓋光電二極體區314、316、318 (亦參見圖3))，從而降低由小光電二極體接收之光強度。
在圖4中所描繪之實例中，光衰減層340經安置於彩色濾光器364B與鈍化層(例如，氧化物層) 348之間，且緊靠(例如，直接鄰近)光學隔離柵格結構344之柵格區段344A、344B之內壁。在一項實例實施例中，根據本發明之教示，光衰減層340可由鋁、鎢、鈦、氮化鈦、其等組合，諸如Ti/TiN，或另一合適的薄金屬層膜組成以調整入射光368之透射率。
在一實例實施例中，與小光電二極體區312相關聯之各柵格區段，諸如柵格區段334A、344B之底部與光衰減層340對準(例如，水準、齊平等)，此可例如提供改良的光學效能(例如，更好地掩蔽大入射角等)。在實施例中，柵格區段334A、344B經安置於光電二極體區312、314、316、318上方且包圍小光電二極體區312之曝光區域。在另一實例實施例中，光學隔離柵格結構344及光衰減層340歸因於一實例形成方法而針對每個像素在結構上連接，如下文將更詳細地描述，且因此在考量該等像素之主光線角時可一起偏移。
像素陣列302進一步包含直接安置於光學隔離柵格結構344之柵格區段344A、344B之側壁表面上之障壁膜378，諸如氮化鈦膜。在一實例實施例中，障壁膜378直接安置於光學隔離柵格結構344之柵格區段344A、344B之整個內及外側壁表面上。在所繪示實施例中，障壁膜378亦直接安置於柵格區段344A、344B之底表面與半導體基板338之光接收表面354 (例如，鈍化層348)之間。替代地，在一些實例實施例中，光衰減層340可在光學隔離柵格結構344之前形成，且因此光衰減層340可代替障壁膜378在柵格區段344A、344B之底表面下方延伸且直接接觸該底表面。
在一實例實施例中，障壁膜378之厚度係光衰減層340之厚度之近似一半。在一實例實施例中，障壁膜378及光衰減層340皆未形成於光學隔離結構344之面向外(例如，入射光)表面上或以其他方式與該面向外表面直接接觸。障壁膜378或光衰減層340在柵格區段344A、344B之頂部上之此一缺少使光學隔離柵格結構344能夠具有實質上平坦的頂表面，改良像素單元310之製造期間之任何後續微影程序。
在一些實例實施例中，氧化物層380包圍光學隔離柵格結構344之頂(例如，面向入射光)表面，例如整個頂表面，以在光學隔離柵格結構344之柵格區段344A、344B與彩色濾光器陣列360之彩色濾光器364之間提供隔離。在圖4中所描繪之實例中，氧化物層380亦經形成於光學隔離柵格結構344之其他部分，包含障壁膜378上方，且經形成於光衰減層340上方。在一些實例實施例中，氧化物層380亦可經形成於鈍化層348上方以便增加彩色濾光器陣列360與半導體基板338之間的緩衝區之厚度。
像素陣列302可進一步包含將大及小光電二極體連接至讀出電子裝置，諸如讀出電路系統104之電連接(未展示)。電連接在光電二極體之與光接收表面354相對之側上，使得自一場景朝向光電二極體傳播之入射光368不穿過電連接層。
在圖4中所描繪之實例中，光電二極體區PD 1、PD 3經形成於半導體基板338之背側上，且因此，像素陣列302可被稱為背照式(BSI)像素陣列。雖然本文中已關於一影像感測器之一背照式(BSI)像素單元或像素陣列描述實例，但同樣可在影像感測器之前照式(FBI)像素單元或像素陣列等中採用本發明之方法及技術。
圖5係繪示根據本發明之教示之用於製造一像素陣列，諸如像素陣列302之方法之一項實例之一流程圖。將明白，可以任何順序或同時實行以下方法步驟，除非以一明確方式闡述或鑑於(若干)各種操作之脈絡來理解順序。亦可實行額外程序步驟，包含化學機械拋光、遮蔽、額外摻雜等。當然，在實例實施例中可組合或省略一些方法步驟。為了輔助描述圖5中所闡述之方法之一或多個步驟，將參考圖6A至圖6H。
在製造程序開始時，設置一半導體基板，諸如半導體基板338，其具有複數個第一光電二極體，諸如小光電二極體區312，及複數個第二光電二極體，諸如由光電二極體區314、316、318共同形成之大光電二極體。在一些實例實施例中，設置有半導體基板之第一光電二極體經配置以被第二光電二極體之區環繞。在一實例實施例中，第一複數個光電二極體(例如，小光電二極體)對入射光具有比第二複數個光電二極體(例如，大光電二極體)小之敏感度。
接著，可在半導體基板338之一表面上形成一鈍化層(例如，平坦化層)。在一實例實施例中，在半導體基板338之背側上且在複數個第一及第二光電二極體上方形成鈍化層，諸如鈍化層348。鈍化層由諸如氧化矽之氧化物材料形成。一旦形成鈍化層348，便在該鈍化層上形成一光衰減層(LAL)，如圖6A中所展示。在一些實例實施例中，光衰減層LAL可為單層或多層堆疊且包含選自鋁、鎢、鈦、氮化鈦等之一材料或若干材料。在一實施例中，光衰減層經形成為鈦/氮化鈦堆疊。因為光衰減層LAL直接形成於平坦鈍化層348上，所以可控制光衰減層LAL之厚度且可更均勻地沈積光衰減層LAL。
在光衰減層LAL上沈積一犧牲材料層SML (例如，非晶矽)，如圖6A中所展示，接著圖案化及蝕刻該犧牲材料層SML以形成在複數個第一與第二光電二極體之間直接鄰近鈍化層348延伸之開口，如圖6B中所展示。在另一實例實施例中，開口延伸至鈍化層348中達一深度使得開口之底部在光衰減層LAL下面。在一替代實施例中，開口延伸至光衰減層LAL中但不完全延伸以便不露出鈍化層348。可有利地採用非晶矽，因為其與氧化矽相較展現一高蝕刻選擇性。在一實例性實施例中，在約390攝氏度之一低溫下沈積非晶矽，使得該步驟不會致使對已形成結構之損壞，例如金屬互連結構、高k襯墊氧化物中固有之負電荷或類似者。
在實例實施例中，亦在深溝渠隔離溝渠結構，諸如深溝渠隔離溝渠結構374上方安置開口，該深溝渠隔離溝渠結構可在沈積鈍化層之前設置有半導體基板338。如下文將更詳細地描述，形成於鈍化層中之開口隨後將用於光學隔離柵格形成。
接下來，在先前程序中形成之開口之側壁上沈積一障壁膜，諸如障壁膜378，如圖6B中所展示。在其中開口延伸至鈍化層之實例實施例中，亦在開口之底部上(例如，直接在鈍化層上)沈積障壁膜。在一實例實施例中，障壁膜係非矽基膜，諸如氮化鈦膜。類似於非晶矽，可有利地採用氮化鈦(TiN)，因為其與氧化矽相較展現一高蝕刻選擇性。在一實例實施例中，沈積障壁膜使得其厚度小於或等於光衰減層之厚度之約一半(1/2)。
接著，將一金屬柵格材料，諸如鎢等沈積至開口中，如圖6C中所展示。亦沈積金屬柵格材料以便覆蓋任何經暴露犧牲材料。在金屬柵格材料沈積之後，可對經沈積金屬柵格材料實行化學機械拋光。
該製造方法進一步包括對金屬柵格材料進行圖案化及蝕刻程序以形成光學隔離障壁柵格結構，諸如光學隔離障壁柵格結構344。例如，該程序首先將金屬柵格材料移除至犧牲材料之水平面(例如，高度)。該程序接著移除犧牲材料以暴露光衰減層及障壁膜兩者(在金屬柵格材料之內及外側壁上)，如圖6D中所展示。在一實例實施例中，氫氧化銨(NH 4OH)可用於犧牲材料移除程序中。在一實例實施例中，由於首先沈積光衰減層LAL，因此可在一自對準程序中形成光學隔離柵格結構。由於實例方法，在結構上連接光學隔離柵格結構及光衰減層。在一實例中，考量到主光線角，光學隔離柵格結構及光衰減層可取決於像素陣列中之像素位置一起偏移。
一旦例如藉由光阻劑及蝕刻程序移除犧牲材料以暴露光衰減層LAL，便移除安置於第二光電二極體(例如，大光電二極體)之區上方之光衰減層之彼等部分，如圖6F中所展示。當然，可使用一光阻劑PR來保護安置於複數個第一光電二極體(例如，小光電二極體)上方之光衰減層(例如，光衰減層340)，如圖6E中所展示。
該方法亦可包含其他程序步驟。例如，可形成額外介電質緩衝層，諸如氧化物層380以包圍金屬柵格材料，諸如光學隔離柵格結構344之經暴露表面，如圖6G中所展示。此包含在直接在障壁膜378上方之光學隔離柵格結構之側壁上形成額外緩衝氧化物層。亦在保留的光衰減層340 (即，小光電二極體上方之光衰減層)上方形成額外緩衝氧化物層。在一些實例實施例中，緩衝層亦可經形成於鈍化層348上方且耦合至鈍化層348以便增加光電二極體與像素單元之其他結構之間的緩衝厚度。可實行其他程序步驟，諸如彩色濾光器陣列形成及微透鏡形成，其結果在圖6H中展示。在一些實例實施例中，緩衝層及鈍化層可由例如二氧化矽之相同材料形成。
本申請案可引用數量及數目。除非具體地陳述，否則此等數量及數目不應被視為係限制性的，而是例示與本申請案相關聯之可能數量或數目。此外，在此方面，本申請案可使用術語「複數個」來指代數量或數目。在此方面，術語「複數個」意指大於一個之任何數目，例如，兩個、三個、四個、五個等。術語「約」、「近似」、「接近」等意謂所陳述值之正或負5%。出於本發明之目的，片語「A、B及C之至少一者」例如意謂(A)、(B)、(C)、(A及B)、(A及C)、(B及C)或(A、B及C)，包含列出大於三個元件時之所有進一步可能排列。且如本文中所使用，術語「及/或」包含相關聯所列項目之一或多者之任何及所有組合。
本發明之所繪示實例之以上描述，包含摘要中所描述之內容並非意欲於係詳盡性的或為對所揭示精確形式之一限制。雖然本文中出於闡釋性目的而描述本發明之特定實施例及實例，但在不背離如所主張之本發明之更廣泛精神及範疇之情況下，各種等效修改係可能的。實際上，應明白，特定實例電壓、電流、頻率、功率範圍值、時間等係出於解釋目的而提供且在根據本發明之教示之其他實施例及實例中亦可採用其他值。
鑑於以上詳細描述，可對所揭示標的物之實例進行此等修改。以下發明申請專利範圍中所使用之術語不應被解釋為將所主張標的物限於本說明書及發明申請專利範圍中所揭示之特定實施例。相反，範疇將完全由以下發明申請專利範圍判定，以下發明申請專利範圍將根據請求項解釋之既定原則來解釋。本說明書及圖據此被認為係闡釋性的而非限制性的。
100:影像感測器 102:像素陣列 104:讀出電路系統 106:功能邏輯 108:控制電路系統 110:成像感測器或像素單元 112:讀出行位元線 210:像素單元 212:第一光電轉換元件或光電二極體區 214:第二光電轉換元件或光電二極體區 216:第二光電轉換元件或光電二極體區 218:第二光電轉換元件或光電二極體區 220:第一轉移閘 222:第二轉移閘 224:第三轉移閘 226:第四轉移閘 228:浮動擴散區(FD) 230:重設電晶體 232:放大器電晶體 234:列選擇電晶體 302:像素陣列 310A-310N:像素單元 312:第一光電二極體區/小光電二極體區 314:光電二極體區/大光電二極體區 316:光電二極體區/大光電二極體區 318:光電二極體區/大光電二極體區 338:半導體基板 340:光衰減層 344:光學隔離柵格結構 344A:柵格區段 344B:柵格區段 348:鈍化層 354:第一或光接收表面/背側 356:第二表面/前側 360:彩色濾光器層/彩色濾光器陣列 364A:彩色濾光器 364B:彩色濾光器 364C:彩色濾光器 368:入射光 370:微透鏡 374:深溝渠隔離(DTI)結構 378:障壁膜 380:氧化物層 C1-Cx:行 LAL:光衰減層 P1-Pn:像素單元 PR:光阻劑 R1-Ry:列 RST:重設信號 SEL:列選擇信號 SML:犧牲材料層 TX 1:控制信號 TX 2:控制信號 TX 3:控制信號 TX 4:控制信號
圖1繪示根據本發明之一實施例之一影像感測器之一項實例。
圖2係根據本發明之一實施例之一像素單元之一項實例之一繪示性示意圖。
圖3係根據本發明之一實施例之一像素陣列之一項實例之一俯視示意性部分視圖。
圖4係沿著線4-4截取之圖3之像素陣列之示意性橫截面視圖。
圖5係根據本發明之一實施例之用於製造圖3之像素陣列之一實例流程圖。
圖6A至圖6H係根據一種製造程序，諸如圖5之製造程序之一像素陣列之示意性部分視圖。
貫穿圖式之若干視圖，對應元件符號指示對應組件。熟習此項技術者將明白，圖中之元件係為了簡單及清楚起見而繪示且不一定按比例繪製。例如，圖中之一些元件之尺寸可能相對於其他元件被放大以幫助改良對本發明之各項實施例之理解。再者，通常未描繪在商業上可行的實施例中有用或必需之常見但易於理解之元件以便促進對本發明之此等各項實施例之一更清晰觀察。
302:像素陣列
312:第一光電二極體區/小光電二極體區
316:光電二極體區/大光電二極體區
338:半導體基板
340:光衰減層
344A:柵格區段
344B:柵格區段
348:鈍化層
354:第一或光接收表面/背側
356:第二表面/前側
360:彩色濾光器層/彩色濾光器陣列
364A:彩色濾光器
364B:彩色濾光器
364C:彩色濾光器
368:入射光
370:微透鏡
374:深溝渠隔離(DTI)結構
378:障壁膜
380:氧化物層

Claims (22)

  1. 一種分離式像素單元，其包括： 一半導體基板，其具有一光接收表面； 一第一光電二極體，其經安置於該半導體基板中且回應於入射光而光生影像電荷； 一第二光電二極體，其鄰近該第一光電二極體安置於該半導體基板中，該第二光電二極體回應於入射光而光生影像電荷，其中該第二光電二極體比該第一光電二極體對入射光更敏感； 一第一及一第二光學隔離柵格區段，其等經安置於該半導體基板之該光接收表面上，包圍該第一光電二極體之一曝光區域，該等第一及第二光學隔離柵格區段具有面向該入射光之頂表面，以及內及外側壁； 一光衰減層，其鄰近該等第一及第二光學隔離柵格區段之該等內側壁安置且與該第一光電二極體光學對準；及 一障壁膜，其直接安置於該等第一及第二光學隔離柵格區段之該等內或外側壁上。
  2. 如請求項1之分離式像素單元，其進一步包括安置於該半導體基板之該光接收表面上之一彩色濾光器層，其中該等第一及第二光學隔離柵格區段將該彩色濾光器層分成複數個彩色濾光器。
  3. 如請求項1之分離式像素單元，其進一步包括在該半導體基板中安置於該第一光電二極體與該第二光電二極體之間的一第一及一第二溝渠隔離結構，其中該等第一及第二光學隔離柵格區段與該等第一及第二溝渠隔離結構大體上對準。
  4. 如請求項1之分離式像素單元，其中該光衰減層緊靠該等第一及第二光學隔離柵格區段之該等內側壁，且該光衰減層在結構上與該等第一及第二光學隔離柵格區段連接，覆蓋該第一光電二極體之該曝光區域。
  5. 如請求項4之分離式像素單元，其中該障壁膜直接安置於該等第一及第二光學隔離柵格區段之該等內側壁上，且其中該分離式像素單元包含直接安置於該等第一及第二光學隔離柵格區段之該等外側壁上之一第二障壁膜。
  6. 如請求項5之分離式像素單元，其進一步包括安置於該等第一及第二光學隔離柵格區段以及該光衰減層上方之一緩衝層，其中該緩衝層直接安置於該等第一及第二光學隔離柵格區段之該等頂表面上。
  7. 如請求項1之分離式像素單元，其中該障壁膜及該光衰減層包含鈦或氮化鈦。
  8. 如請求項6之分離式像素單元，其進一步包括直接安置於該半導體基板之該光接收表面上之一鈍化層，該鈍化層之一區段經安置於該第一光電二極體與該光衰減層之間，其中該鈍化層經耦合至該緩衝層。
  9. 如請求項1之分離式像素單元，其進一步包括安置於該第一光電二極體與該光衰減層之間的一鈍化層。
  10. 如請求項1之分離式像素單元，其進一步包括複數個光電二極體區，其中該等光電二極體區之一者經組態為該第一光電二極體且其餘光電二極體區經組態為該第二光電二極體，其中該第二光電二極體具有大於該第一光電二極體之全阱容量之一全阱容量。
  11. 如請求項10之分離式像素單元，其中該第二光電二極體之該等光電二極體區經配置以環繞該第一光電二極體之該光電二極體區。
  12. 如請求項1之分離式像素單元，其進一步包括安置於該半導體基板之該光接收表面上之一彩色濾光器層，其中該等第一及第二光學隔離柵格區段將該彩色濾光器層分成複數個彩色濾光器， 其中該光衰減層在該等第一及第二光學隔離柵格區段下面且緊靠該等第一及第二光學隔離柵格區段之該等內側壁， 其中該障壁膜緊靠該等第一及第二光學隔離柵格區段之整個內側壁及外側壁，且 其中一緩衝層進一步直接安置於該障壁膜上方且於該等第一及第二光學隔離柵格區段之頂表面上方。
  13. 一種用於製造一影像感測器之方法，其包括： 設置具有複數個第一光電二極體及複數個第二光電二極體之一半導體基板，其中該等第一光電二極體之各者經配置以被該等第二光電二極體環繞，其中該第二複數個光電二極體之各者對入射光具有大於該第一複數個光電二極體之敏感度； 在該半導體基板之一第一表面上方形成一光衰減層，該光衰減層跨該複數個第一光電二極體及該複數個第二光電二極體覆蓋該第一表面；此後 在該半導體基板上方形成一光學隔離柵格結構，該光學隔離柵格結構經安置於該複數個第一光電二極體及複數個第二光電二極體之各光電二極體上方及之間，該光學隔離柵格結構界定各具有一頂表面以及內及外側壁之複數個光學隔離柵格區段；此後 移除該複數個第二光電二極體上方之該光衰減層之區段，由此留下僅在該複數個第一光電二極體上方之該光衰減層之第一光電二極體區段； 在該光學隔離柵格結構及該光衰減層之該等第一光電二極體區段上方形成一緩衝層，其中該緩衝層直接安置於該等光學隔離柵格區段之該等頂表面上。
  14. 如請求項13之方法，其進一步包括 在該在該半導體基板之該第一表面上方形成該光衰減層之前，在該半導體基板之該第一表面上形成一鈍化層。
  15. 如請求項14之方法，其中該在該半導體基板上方形成一光學隔離柵格結構包含 在該光衰減層上沈積一犧牲材料層； 在該犧牲材料中形成一開口，該開口經定位於該複數個第一光電二極體及該複數個第二光電二極體之各光電二極體之上方及之間； 將光學隔離柵格材料沈積至該等開口中；及 移除該犧牲材料層。
  16. 如請求項15之方法，其中該在該半導體基板上方形成一光學隔離柵格結構進一步包含 在該光學隔離柵格材料之沈積之前，在該開口之側壁及一底部上沈積一障壁膜。
  17. 如請求項15之方法，其中該等開口直接鄰近該鈍化層朝向該半導體基板之該第一表面延伸。
  18. 如請求項15之方法，其中該等開口延伸至該鈍化層中達深度D。
  19. 如請求項13之方法，其中該半導體基板包含安置於該複數個第一光電二極體之各光電二極體與該複數個第二光電二極體之各者之間的一深隔離溝渠結構。
  20. 如請求項19之方法，其中該複數個光學隔離柵格區段與該深溝渠隔離結構光學對準。
  21. 如請求項13之方法，其進一步包括 在該光學隔離柵格結構之該複數個光學隔離柵格區段之間形成一彩色濾光器陣列；及 在該彩色濾光器陣列上形成複數個微透鏡。
  22. 如請求項13之方法，其中該光衰減層包括鈦及氮化鈦之至少一者。
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