TWI324824B - Backside silicon wafer design reducing image artifacts from infrared radiation - Google Patents

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TWI324824B
TWI324824B TW095128433A TW95128433A TWI324824B TW I324824 B TWI324824 B TW I324824B TW 095128433 A TW095128433 A TW 095128433A TW 95128433 A TW95128433 A TW 95128433A TW I324824 B TWI324824 B TW I324824B
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imager
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Gennadiy A Agranov
Igor Karasev
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Aptina Imaging Corp
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Description

1324824 九、發明說明： 【先前技術】 半導體工業目前使用不同類型之基於半導體之成像器， 諸如電荷耦合裝置（CCD)、互補型金屬氧化物半導體 (CMOS)裝置、光電二極體陣列、電荷注入裝置及混合焦平 面陣列。 在20世紀60年代晚期及20世紀70年代早期開發固態影像 感應器（亦稱作成像器），其主要用於電視影像獲取、傳輸及 ‘'、頁不。一成像吸收一特定波長（諸如光量子、X射線或复 類似物）之入射輻射且產生一對應於吸收輻射之電信號。存 在許多不同類型之基於半導體之成像器，包括CcD、光電 二極體陣列' 電荷注入裝置（CID)、混合焦平面陣列及CM〇s 成像器。固態成像器之當前應用包括相機、掃描器、機器 視覺系統、車輛導航系統、視訊電話、電腦輸入裝置、監 視系統、自動對焦系統、星體追蹤儀、移動偵測器系統、 影像穩定系統及基於其他影像之系統。 此等成像器通常由一陣列之含有光感應器之像素單元組 成’其中每一像素單元在一影像聚焦於該陣列上時產生一 對應於照射於該元件上之光之強度的信號。接著此等信號 可用以（例如）顯示在一監視器上之一相應影像或在其他方 面用以提供關於光學影像之資訊。光感應器通常為光閘、 光電晶體、光導體或光電二極體，其中光感應器或儲存於 一擴散區中之電荷的傳導率對應於照射於光感應器上之光 的強度。因此，由每一像素單元產生之訊號量值與照射於 113439.doc 光感應器上之光量成比例。 主動像素感應器（APS)成像裝置f 置（例如）在美國專利第 5,471，515號中予以描述，該案以引用的方式併入本文中。 此等成像裝置包括以列及行排列之—陣列的像素單元，該 等成像裝置可將光能轉換成電信號 1 母一像素包括一光偵
測器及一或多個主動電晶體。該等雷B ^ 一 哥冤曰曰體通常提供除自該 單元產生電信號輸出外之放大、讀出括 貝出控制及重設控制0 儘管CCD技術具有廣泛用途M曰由 i田於成像裝置之低成 本，因此正曰益使用CMOS成像器。传—與你b± ， 便影像陣列能夠與相 關處理電路較高水平整合之完全相 伯谷的CMOS感應器技術 將有益於許多數位成像器應用。 。。一 CMOS成像器電路包括—焦平面陣列之像素單元，該等 單元中之每-者包括-光轉換裝置’例如—光閘、光導體、 光電晶體’或-用於在基板之一部分中積聚光生電荷的光 電二極體。一讀出電路連接至每—像素單元且包括至少一 個輸出電晶體，該輸出電晶體自一摻雜擴散區接收光生電 荷且產生一輸出信號，該輸出信號經由一像素存取電晶體 得以週期性地讀出。該成像器可視情況包括一用於將電荷 自該光轉換裝置轉移至該擴散區之電晶體，或該擴散區可 直接連接至光轉換裝置或為光轉換裝置之部分。通常亦提 供一電晶體而得以在其接收光轉換之電荷前將擴散區重設 至一預定電荷量。 在一 CMOS成像器中，一像素單元之主動元件執行下列必 需功能：（1)光子至電荷之轉換；（2)影像電荷之積聚； 113439.doc 1324824 電荷轉移至一浮動擴散區，同時電荷放大；（4)將該浮動擴 散區重設至一已知狀態；（5)選擇一用於讀出之像素單元； 及（6)輸出及放大一代表像素單元電荷之信號。當光電荷自 初始電荷積聚區移動至浮動擴散區時，可放大光電荷。在 浮動擴散區處之電荷通常藉由一源極隨耦器輸出電晶體轉 換成一像素輸出電壓。
每一像素單元經由一或多個微型透鏡接收聚焦之光。在 一 CMOS成像器上之微型透鏡有助於增加光學效率且減少 像素單it之間的串話。像素單元之尺寸的減少慮及較大量 之像素單元以-特騎素單元陣賴列，藉此増加該陣列 之解析度。在-形成微型透鏡之方法中，每—微型透鏡之 半徑與像素單元之尺寸相關H當像素單元之尺寸減 少時，每一微型透鏡之半徑亦減少。 …^ % π 土兀蛾源裔险域，藉此辦
2達光感應H之光量。微型透鏡陣列之其他用途包括二 =-非發光顯示裝置(諸如一液晶顯示裝置)之像素單元 上的照明光以增力α gg干g *，.Ή '與-相機相關聯之顯示器的亮 列印於—⑨晶或I光二極體印表機中之聲 像’及作為聚隹椹杜 例r之影 至-光纖發光裝置或—接收裝置輕合 裝置之一個問題為假影之 板之穿透可在里 玍、.工外線UR)輻射對基 #^ 〜像感應器中引起假影。現代影像裝置诵a 使用所謂之，，暗像素"，此等，，暗 像裝置通常 视平校準、暗電流減少及以 …色 ’ 之雜訊校正的參考像 】】3439.doc * 8 - 1324824 素。在約800 nm至約1150 nm之光譜範圍中的ir輻射（其在 基板中具有非常少之吸收）可穿透整個基板，自晶圓之背部 (以及自晶粒下之反射表面）反射，且到達"暗像素、在現代 影像裝置中’儘管事實為吸收自身在此光譜範圍中為非常 之少’但經反射之IR輻射由暗像素的吸收可引起影像假 影。因為少量暗像素用以計算參考信號（通常藉由取32或64 暗像素之平均值計算出該暗參考信號），所以來自暗像素之 信號的微小變化可引起較大之影像假影。經反射之IR輻射 或穿透晶圓背部之IR輻射亦可引起一般之影像假影。 參看圖1，其圖解說明先前技術之一固態成像器1〇且說明 在暗像素中積聚經反射IR輻射之問題。該成像器1〇包括主 動像素12及暗像素11。經由一微型透鏡13將爪輻射ι〇1聚焦 至主動像素12。一些輻射101穿過基板丨8且自基板18之背部 反射為經反射之輻射103且積聚於暗像素π中。如上文所 述’在現代影像裝置中，儘管事實為吸收自身在此光譜範 圍令為非常之少，但經反射之IR輻射由暗像素丨丨之吸收可 引起影像假影。 對於較薄之背景晶圓’由於到達暗像素之IR輻射之較小 總體光學路徑而增加在8〇〇 nm至11 50 nm範圍中之經反射 IR轄射的問題。因此’更多具有較短波長之IR輻射可因在 基板較薄時自基板之背部反射而到達"暗像素"。 本發明揭示一種基板，該基板大體上在一影像感應器中 自穿透至基板中之IR輻射減少影像假影。本發明改良在極 鈿光條件下之影像品質，顯著地減少由經反射IR光與暗像 113439.doc 1324824 素之相互作用而引起之影像假影，且允許使用具有較薄基 板之成像裝置》 【發明内容】 本發明k供具有藉由顯著地減少或重定向穿透至成像器 基板中之IR輻射且因此減少IR與暗像素之接觸而減少之影 像假影的成像裝置。詳言之，本發明可應用於需要高品質
微型透鏡之任何微電子或微光學裝置，例如CCD成像器及 CMOS成像器》 本發明提供一種用於在一具有一像素單元陣列之因態成 像器中減少影像假影的方法，其中藉由顯著地減少或重定 向穿透至成像器基板中之IR輻射來減少影像假影。本發明 亦藉由顯著地減少或重定向穿透至基板f部之職射來減 少一固態成像器中的影像假影❶在本發明之一實施例中， 藉由將一抗反射塗層及/或一⑨收層-塗覆至該成㈣基板 之背部來顯著地減少或重定向IR輻射。
在本發明之另-實施例中’藉由調節成像器基板之背部 表面來顯著地減少或重定向IR輻射。 在本發明之另-實施例中’藉由調節主動像素與暗像素 在成像器中之mg來顯著地減少或重定向设輻射。亦提供 用於形成本發明之具有減少之影像假影之成像裝置的^ 法。 下實施方式及說明本發 本發明之另外優勢及特徵將因以 明之較佳實施例的諸圖而顯而易見 【實施方式】 113439.doc 1324824 在以下實施方式中，提及形成其一部分且藉由說明可實 施本發明之具體實施例而展示的附圖。足夠詳細地描述此 等實施例以使熟習此項技術者能夠實施本發明，且應瞭解 可利用其他實施例，且在不脫離本發明之精神及範疇的情 況下可進行結構、邏輯及電變化。所描述之處理步驟的進 行為本發明之例示性實施例；然而，步驟之順序並不限於 本文中所陳述之順序且可如此項技術中已知而改變，必要 地以某一次序發生之步驟除外。 應瞭解’術語"晶圓"及"基板"包括矽、絕緣體上矽（s〇i) 或藍寶石上矽（s〇s)技術、摻雜及無摻雜半導體、由一基底 半導體基座支撐之矽的磊晶層及其他半導體結構。此外， 當在以下描述中提及”晶圓"及"基板"時，可利用先前處理步 驟在該基底半導體結構或基座中形成區域或接面。另外， 該半導體並不需要基於矽，而可基於矽_鍺、鍺、砷化鎵 其他半導體材料。 5 術》。像素或像素單元"係指一含有一用於將電磁輻射 轉換成-電信號之光轉換裝置的像元單位晶胞。通常 一影像感應器中所右後gg - >在，丨、α 有像素單兀之製k將以一類似方式 進行。 吁 最後，儘管表者— 一考CMOS成像器來描述本發明，但 本發明可應用於需+ 應瞭解
微電子或微光學；=優Si品^型透鏡的任何 及顯示器。$置中。其他適合之微光學裝置包括CCD 現參看諸圖’其中相同元件由相同參考數字表示。現參 H3439.doc 1324824 看圖2，其圖解展示根據本發明之第一實施例的一固態成像 器20。該成像器20包含一彩色濾光片層ι〇〇及一形成於一作 為相同基板30之部分之像素單元陣列26上的分隔層25，該 基板30可為上述任何類型之基板。一微型透鏡陣列7〇形成 於該彩色濾光片層1 〇〇及該分隔層25上《該像素單元陣列26 包含複數個形成於基板30之一第一表面中及其上的像素感 應器單元28 ’且由一保護層24覆蓋，該保護層24包括成像 器20之一鈍化及平坦化層以及用於連接之各種金屬化層。 包括於保護層24中之該鈍化層可為一層BPSG、PSG、BSG、 二氧化矽、氮化矽、聚醯亞胺或其他熟知透光絕緣體。該 金屬化層及相關介電層（其為保護層24之部分）可由此項技 術中已知之任何習知材料形成。 由於大部分經反射IR輻射起源於矽基板與晶粒下空氣 (或環氧層）之間之折射率的差異’因此成像器2〇進一步包含 一形成於基板30之一第二表面32上的抗反射層80。如下文 所陳述’該抗反射層8〇可由一般熟習此項技術者所瞭解之 任何適合材料形成。一吸收層82形成於抗反射層8〇上。該 吸收層82可由吸收波長在約800 nm至約1150 nm之間之IR 轄射的任何適合材料形成。此外，應瞭解本發明亦自穿過 基板30之背部的IR輻射減少影像假影。儘管圖2展示一抗反 射層80與一吸收層82，但應瞭解該裝置可僅用吸收層82來 製造。 當基板30之厚度減少時，增加經反射IR輻射之問題。舉 例而言’到達暗像素之波長為1 〇〇〇 nm之光子數量因在一 113439.doc 1324824 67 —厚基板中自晶圓背部反射’導致3個電子自成像器2〇 最初曝露於1〇〇,〇〇〇個光子而積聚於暗像素中。此積聚將導 致在暗信號中1最低有效位元（LSB)之變化。比較起來，對 於一 100 jxm厚之基板30而言，反射及到達暗像素之光子數 量增加至多於積聚於暗像素中導致142 LSB之暗信號變化 的473個電子》 任何抗反射層80可用於成像請中。抗反射層8G應經設 計以有效地減少光子自基板3〇之背部的内反射。一般熟習 此項技術者將瞭解用於抗反射層80之材料的類型。用於抗 反射層80之適合材料的實例包括已沈積於基板3〇之表面32 上的各種抗反射層塗層。一沈積抗反射塗層（DARC)為適合 之抗反射層80之一實例。沈積抗反射塗層通常將包含矽及 氮，且可（例如）包含矽、氮且視情況可包含氫。或者，DAR(： 可包含矽、氧，且在一些狀況下包含氫。用於形成抗反射 層80之其他適合材料包括氮化鈦及鋁之層化結構，諸如 TiN/Al/TiN之堆疊層。用於抗反射層80之另一適合材料包括 Ti〇2。抗反射層80之厚度應足夠大以阻止穿過基板3〇2IR 光子的反射。較佳地，抗反射層80具有約0.1 μΐΏ至約5 μιη 之厚度，車父佳約0.1 μηι至約2.5 μηι ’最佳約〇. 1 pm至約0 · 5 μπι。可使用之抗反射材料的實例係於美國專利第 6,887,648 ； 6,444,588 ； 6,713,404 ； 6,869,747 ； 6,767,689 ； 6,753,5 84 ;及6,614,085號中予以揭示，該等案中每一者之 揭示内容以引用的方式併入本文中。儘管抗反射層8〇以一 單層說明，但應瞭解該抗反射層可由複數個由相同或不同 H3439.doc 13 材料形成之層形成。 一吸收層82可沈積於抗反射層80上❶該吸收層82吸收在 約800 nm至約1150 nm之光譜範圍中的IR輻射。吸收層82 可由吸收IR輻射之許多不同材料中的一或多者形成。吸收 層82可（例如）由鍺（Ge)形成。然而，可形成吸收層82之其他 材料包括SiGe、SiC或其類似物❶吸收層82之厚度應足夠大 以吸收穿過基板30之所有IR光子。較佳地，吸收層82具有 約0.5 μηι至約8 μηι之厚度，較佳約1 μπι至約6 μιη，最佳約2 μηι至約5 μηι。儘管吸收層82以一單層說明，但應瞭解吸收 層82可由複數個層形成且可由相同或不同材料形成。 現參看圖3 ’其圖解說明本發明之第二實施例的固態成像 器20。所說明之圖3實施例包含一形成於一彩色濾光片層 100及一分隔層25上之微型透鏡陣列70，該彩色濾光片層 100及该分隔層25形成於一像素單元陣列26上，該像素單元 陣列26形成於基板30之一第一表面中及/或其上，該基板3〇 可為上述任何類型之基板。成像器20進一步包含一形成於 基板30之一第二表面32上的吸收層84。該吸收層84可由吸 收波長在約800 nm至約1150 nm之間之IR輻射的任何適合 材料形成。較佳地，吸收層84由Ge、SiGe、SiC或其類似物 形成。最佳地，吸收層84由鍺形成，因為用於此等目的之 鍺可藉由使用標準真空沈積技術沈積於基板30之表面上。 儘管吸收層84以一單層說明，但應瞭解吸收層84可由複數 個層形成且可由相同或不同材料形成。 如所述，在一最佳實施例中吸收層84由鍺（Ge)形成。儘 I I3439.doc 管不希望受理論限制，但咸信自基板/吸收層之Si/Ge邊界的 内反射小於3°/。，此使反射光之量減少成像器之1 0倍以上及 封裝/模組設計之20倍以上。藉由將吸收層84沈積於基板30 之第二表面32上，咸信對於1〇〇 μηι厚之基板，積聚電荷之 所得數量將不會超過44 e，其中暗信號之相應變化在最高增 益處將不會大於13 LSB。 現參看圖4，其圖解說明本發明之第三實施例的固態成像 器20 ^所說明之實施例包含一成像裝置，該成像裝置具有 一形成於一彩色濾光片層1〇〇及一分隔層25上之微型透鏡 陣列70 ’該彩色濾光片層ι〇〇及該分隔層25形成於一像素單 凡陣列26上’該像素單元陣列26形成於基板3〇之一第一表 面中及/或其上。該成像器2〇進一步包含一粗化第二基板表 面85。 在垂直方向上相對於第二表面32之第二基板表面85的粗 化提供IR輻射之散射而非直接反射至暗像素。因此，藉由 散射光子104遠離暗像素可減少到達暗像素之光子ι〇ι的數
拋光製程期間’旋轉該墊， 已知方法（例如化學機械拋光技 典型化學機械平坦化（CMP)製程 t放與一旋轉式拋光墊接觸。在 同時將一向下力維持在基板上。 113439.doc 1324824 將拋光組合物塗覆至拋光墊與經拋光之基板表面之間的界 面。藉由將該拋光組合物塗覆至拋光墊表面、塗覆至經拋 光之基板表面，或兩者，可將拋光組合物塗覆至界面。可 間歇地或連續地將拋光組合物塗覆至界面且拋光組合物之 塗覆可在將拋光墊開始與經拋光之基板表面接觸之前或之 後開始。 該拋光製程進一步需要一研磨材料以參與移除基板表面 φ 之一部分以形成粗化第二表面該研磨劑可併入拋光墊 中，諸如美國專利第6,121，143中所揭示之拋光墊，該案以 引用的方式併入本文中，研磨劑可併入拋光組合物中，或 兩者。拋光組合物或研磨漿中之成份藉由與經拋光之基板 表面上的材料發生化學反應來起始該拋光製程。因為對基 板/塾界面k供化學反應性拋光組合物或研磨榮，所以藉由 該墊相對於基板之移動促進拋光製程。以此方式繼續拋光 直至達成粗化第二表面85之所需粗化程度。 • 拋光墊相對於基板之移動可視粗化第二表面85之所需拋 光工段結果而變化。通常，旋轉拋光墊基板，而經拋光之 基板表面保持固定。或者，拋光墊及經拋光之基板皆可相 對於彼此移動。拋光基板且尤其本發明之拋光墊可以一線 性方式移動，其可以一軌道或一旋轉方式移動或其可以方 向之組合移動。 拋光組合物經配製以包括與其反應且軟化經拋光之材料 表面的化學製品。拋光組合物或研磨漿之選擇在CMp步驟 中為一重要因素。視諸如氧化劑、酸、驗、界面活性劑、 H3439.doc 1324824 錯合劑、研磨劑及其他適用添加劑之成份的選擇而定，拋 光研磨漿可經定製以在所需拋光速率下提供基板層之有效 拋光。此外，拋光組合物可經選擇以對基板提供受控之拋 光選擇性。 CMP拋光組合物及研磨漿之實例在美國專利第 6,068,787 ； 6,063,306 ； 6,033,596 ； 6,039,891 ； 6,015,506 ； 5,954,997 ； 5,993,686 ； 5,783,489 ； 5,244,523 ； 5,209,816 ； 5,340,370 ； 4,789,648 ； 5,391,258 ； 5,476,606 ； 5,527,423 ； 5,354,490; 5，157,876; 5，137,544;及 4,956,313 號中有所揭 示’該等案中每一者之說明書以引用的方式併入本文中。 現參看圖6，其圖解說明本發明之第四實施例的固態成像 器20。如上文參看圖2_4所陳述，所說明之實施例包含一成 像裝置’該成像裝置具有一形成於一彩色濾光片層1〇〇及一 分隔層25上之微型透鏡陣列70，該彩色濾光片層1〇〇及該分 隔層25形成於一像素單元陣列26上，該像素單元陣列26形 成於基板30之一第一表面中及/或其上。成像器2〇進一步包 含形成於基板30之一第二表面上的至少一種成形格栅86。 圖6說明若干成形格柵86。該等成形格栅％較佳與基板3〇之 第二表面32成一角度β對準。藉由經選擇以反射光子遠離暗 像素之成形格栅的角度及定向，成形格栅86減少積聚於暗 像素中之IR光子量。 可藉由在此項技術中已知之任何化學或機械方法（例如 上述化學機械拋光）形成成形格栅86。如上文所論述，該拋 光經選擇以對表面提供受控之拋光選擇性以形成所需角度 ϊ 13439.doc •17· 1324824 之成形格柵86以反射汛輻射遠離暗像素。成形格柵％較佳 與基板30之第二表面32成一角度p對準，其中該角度β較佳 為約10至約75度，更佳約20至約55度，最佳約35至約45度。 因此，穿透基板30之光子1〇〗反射回1〇3遠離暗像素。因此， 成形格柵86減少光子在暗像素中之積聚。 現參看圖7,其圖解說明本發明之第五實施例的固態成像 器20。根據本發明，已發現在成像器2〇中在主動像素陣列 27與暗像素29之間提供一間隔Χ可減少接觸暗像素29之汉 輻射量。在主動像素陣列27與暗像素29之間的該間隔χ較佳 由吸收層83及一非透明層85覆蓋。該吸收層μ可由（例 如）Ge、SiGe、SiC或其類似物形成。吸收層83之厚度應足 夠厚以吸收經反射之輻射1 03且較佳地具有約〇 5 μπι至約8 μιη之厚度，較佳約1 μιη至約6 μηι ,最佳約2 至約5 。 該非透明層85可為用以防止輻射ι〇1穿透至基板中之任何 適合的非透明層材料，例如金屬’諸如鎢、鋁或其類似物。 吸收層83及非透明層85防止光及IR輻射穿透至基板中。吸 收層83進一步防止IR光子隨後反射回至基板且進入暗像素 29中。在成像器中在主動像素陣列27與暗像素29之間之間 隔X的寬度可由下列公式計算： X=2-D-tan(a) 其中D為晶圓之厚度且《為汛輻射在基板中之射線的最大 角度。 現參看圖8-17。圖8展示上文所論述之固態成像器的擴大 113439.doc 1324824 圖。在圖2-4及圖ό-7中所展示之像素陣列26包含複數個形成 於基板30中及其上之像素感應器單元28，且由一充當成像 器20之一鈍化、平坦化及金屬化層的保護層以覆蓋。層24 可包括一或多個鈍化層及金屬化層。該保護層24之鈍化部 分可為一層BPSG、PSG、BSG、二氧化矽、氮化矽、聚醯 亞胺或其他熟知透光絕緣體。 彩色據光片層1 00形成於保護層24上。彩色滤光片層1 〇〇 包含一陣列之紅色、藍色及綠色敏感元素，其可以一由一 般沾習此項技術者瞭解之圖案排列，如由美國專利第 6,783,900及3,971，065號所例示，該案以引用的方式併入本 文中。 如圖8-9中所示，每一像素感應器單元包含一光感應器 34，其可為一光電二極體、光閘或其類似物。在圖中描 繪一光閘光感應器34。將一控制信號Ρ(3施加於該光閘34以 致在輻射101以光子之形式通過彩色濾光片層1〇〇及到達光 感應器34時，光生電子積聚於光感應器34下之摻雜區域艽 中。一轉移電晶體42與光感應器34鄰接，且具有源極區36 及汲極區40及一受一轉移信號ΤΧ控制之閘極堆疊43。該汲 極區40亦稱作一浮動擴散區，且其傳遞自光感應器“接收 之電荷以輸出電晶體44、46且接著讀出電路48。一包含摻 雜區域40、52及閘極堆疊54之重設電晶體5〇受一重設信號 RST控制，該重設信號RST促使剛好在信號讀出之前將浮動 擴散區40重設至一預定初始電壓。一像素感應器單元之上 述元件之形成及功能的詳細說明可在（例如）美國專利第 113439.doc •19· ^24824 M7M68及6,333,2〇5號中找到’該案之揭示内容以引用的 方式併入本文中。 如圖8中所示，轉移電晶體42及重設電晶體5〇之閘極堆叠 43、54包括一位於基板3〇(在該實例中其為一P型基板）上之 二氧化矽或氮化矽絕緣體56,一位於絕緣層56上之摻雜多 晶矽、鎢或其他適合材料的導電層，及一（例如）二氧化矽、 氮化矽或ΟΝΟ(氧化物-氮化物-氧化物）之絕緣頂蓋層6〇。必 要時，可在該多晶矽層58與該頂蓋層6〇之間使用一矽化物 層59。絕緣側壁62亦形成於閘極堆疊42、54之側上。此等 側壁62可由（例如）二氧化矽、氮化矽或〇Ν〇形成。在像素 感應器單元28周圍之一場氧化層64用以將其與陣列中之其 他像素單元隔離。一第二閘極氧化層57可形成於矽基板3〇 上且光閘半透明導體66自該層圖案化。在光感應器為一光 電二極體之狀況下，並不需要該第二閘極氧化層57及該光 閘半透明導體66 ^此外，轉移電晶體42為可選，在該狀況 下擴散區36及40連接在一起。 經由如下描述之製程來製造上文參看圖2_4及圖6_7描述 之影像裝置20，且在圖1 〇· 17中說明。 現參看圖10,提供一具有一像素單元陣列26、周邊電路、 接點及由熟知方法形成於上之線路的基板3〇，該基板可為 上述任何類型之基板。BPSG、BSG、pSG、二氧化矽氮 化矽或其類似物之一保護層24形成於像素單元陣列％上以 使其鈍化且提供一平坦化表面。 亦如圖11中所示，—彩色濾光片層100形成於該保護層24 113439.doc -20· 上 上。該彩色渡光片層100可由一用作透光材料之彩色抗蝕劑 或丙稀酸材料形成。舉例而言，彩色濾光片層100可由複數 個彩色濾光片層形成’由紅色濾光片區域（未圖示）、綠色濾 光片區域（未圖示）及藍色濾光片區域（未圖示）組成之該複 數個彩色據光片層中之每一者由（例如）各個彩色過濾品質 之抗蝕劑或丙烯酸材料形成。同樣地，可使用紅色敏感抗 姓劑材料、藍色敏感抗蝕劑材料及綠色敏感抗蝕劑材料形 成該複數個彩色濾光片層（其形成彩色濾光片層100)中之每 一者的紅色、藍色及綠色敏感元素。可以熟習此項技術者 所已夫之任何圖案形成此等紅色、藍色及綠色元素。其他 貫施例可使用此項技術中已知之其他有色材料，諸如顏料 或染料。藉由（例如）習知沈積或旋塗方法，彩色濾光片層1〇〇 可形成於保護層24上。 如圖11中所示，一間隔層25形成於彩色濾光片層ι00上。 如圖12中所示，接著，透鏡7〇可由一（例如）形成層的之透鏡 形成以致每一透鏡70覆蓋在一像素單元28上。本發明亦包 3替代構造，在該等構造中一透鏡7〇覆蓋在複數個像素單 元28上》亦應瞭解前述實例論述本發明之一實施例。當然， 應瞭解可類似地製造本發明之其他實施例，如參看圖2_4及 圖6-7所論述。 儘管該等製程已參考一 CMOS成像器裝置加以描述，但應 瞭解該製程亦可與其他類型之成像器的像素單元一起使 用，例如與一 CCD成像器一起使用。因此，可在CCD影像 感應器以及CMOS影像感應器令使用如上文描述所形成之 113439.doc 像素單元。本發明之成像器裝置亦可形成為不同尺寸之兆 像素成像器，例如具有在約〇.丨兆像素至約2〇兆像素之範圍 中之陣列的成像器。 如圖13中所示，一抗反射層80形成於基板30之第二表面 32上。該抗反射層80經設計以減少光子自基板30之背部32 的内反射。用於抗反射層80之適合材料的實例包括各種抗 反射塗層’例如一沈積抗反射塗層（DARC)。沈積抗反射塗 層通常將包含矽及氮’且可（例如）包含矽、氮且視情況可包 含氫。或者’ DARC可包含矽、氧，且在一些狀況下包含氫。 用於形成抗反射層80之其他適合材料包括氮化鈦及鋁之層 化結構’諸如TiN/Al/TiN之堆疊層。用於抗反射層80之另一 適合材料包括Ti02。抗反射層80之厚度應足夠大以阻止穿 過基板30之IR光子的反射。較佳地，抗反射層80具有約01 μιη至約5 μιη之厚度，較佳約0.1 μπι至約2·5 μπι，最佳約0.1 μηι至約 0.5 μιη。 如圖14中所示，一吸收層82形成於抗反射層80上。該吸 收層82可由吸收IR輻射之許多不同材料（例如Ge、SiGe、SiC 或其類似物）中的一或多者形成。吸收層82之厚度應足夠大 以吸收穿過基板30之所有IR光子。較佳地，吸收層82具有 約0.5 μιη至約8 μηι之厚度，較佳約1 μιη至約6 μπι，最佳約2 μιη至約 5 μηι。 圖1 5說明根據本發明之第二實施例處於圖12中所示之處 理階段後之處理階段的成像器。一吸收層84形成於基板30 之一第二表面32上。該吸收層84可由吸收波長在約800 nm 113439.doc -22- 至約1150 nm之間之IR輻射的任何適合材料形成。吸收層84 較佳由Ge、SiGe、SiC或其類似物形成。吸收層84最佳由鍺 形成，因為用於此等目的之鍺可藉由使用標準真空沈積技 術沈積於基板30之表面上。較佳地’吸收層84具有約〇.5 μηι 至約8 μπι之厚度，較佳約0.5 μιη至約3.5 μηι 〇 圖16說明根據本發明之第三實施例處於圖12中圖示之處 理階段後之處理階段的成像器。使基板之第二表面32粗化 以形成一粗化第二表面85。該粗化第二表面85係藉由已知 方法（例如化學機械拋光技術）形成。在一典型化學機械平坦 化（CMP)製程中’將經拋光之基板表面置放與一旋轉式拋光 墊接觸。將一拋光組合物塗覆至拋光墊與經拋光之基板表 面之間的界面。可添加一研磨材料以參與移除基板表面之 一部分以形成粗化第二表面85。因為對基板/墊界面提供化 學反應性拋光組合物或研磨敷’所以藉由該塾相對於基板 之移動促進拋光製程。以此方式繼續拋光直至達成粗化第 二表面85之所需粗化程度。 圖17說明根據本發明之第四實施例處於圖12中圖示之處 理階段後之處理階段的成像器。成像器20進一步包含形成 於基板30之第二表面32上的至少一種成形格柵86。圖17說 明若干格柵86。成形格栅86較佳與基板30之第二表面32成 一角度β對準。藉由反射光子遠離暗像素，成形格柵86減少 積聚於暗像素中之IR光子量。 可藉由在此項技術中已知之任何化學或機械方法（例如 上述化學機械拋光）形成成形格柵86。如上文論述，該拋光 H3439.doc -23- 經選擇以對表面提供受控之拋光選擇性以形成所需角度之 成形格栅86以反射ir輻射遠離暗像素。成形格柵86較佳與 基板30之第二表面32成一角度β對準，其中該角度β較佳為 約10至約75度’更佳約20至約55度，更佳約35至約45度。 圖1 8說明一可利用本發明之任何實施例的例示性成像器 7〇〇。該成像器700具有一像素陣列705，該像素陣列705包 含如上文參看圖2-4及圖5-17描述而建構之像素。回應於列 位址解碼器720，列線由一列驅動器71 〇選擇性地啟動。一 行驅動器760及行位址解碼器770亦包括於成像器700中。成 像器700由控制該等位址解碼器72〇、770之計時及控制電路 75 0操作。該控制電路750亦控制該列驅動電路710及該行驅 動電路760 » 一與行驅動器760相關聯之取樣保持電路76 1讀取所選像 素之一像素重設信號Vrst及一像素影像信號Vsig0對於每_ 像素而言，一微分信號（Vrst-Vsig)由微分放大器762放大且 由類比數位轉換器775 ADC)進行數位化。該類比數位轉換 器775將經數位化之像素信號供應至一形成一數位影像之 影像處理器780。 必要時，成像器20可與一處理器組合，諸如一 cpu、數 位信號處理器或微處理器。成像器20及該微處理器可形成 於一單一積體電路中。在圖19中說明根據本發明使用一具 有.一滤光片陣列之CMOS成像器的例示性處理器系統4〇〇。 一基於處理器之系統為一具有數位電路之系統的例示，其 可包括CMOS或其他成像器裝置。無需限制，此系統可包括 113439.doc •24· 電腦系統、相機系統、掃描器、機器視覺系統、車輛導 航系統、視訊電話、監視系、統、自動對焦系統、星體追蹤 移動偵測系統、影像穩定系統及其他影像處理系統。 a如圖19中所示’一例示性處理器系統400(例如-相機）通 :包含-中央處理單元(CPU)444，例如一微處理器，其在 —匯流排452上與一輸入/輸出⑽)裝置446通信。成像器20 亦在匯流排452上與系統通信。該電腦系統400亦包括隨機 存取記憶體（RAM)448，且可包括周邊裝置（諸如軟碟機 緊社光碟（CD) OM驅動器456或快閃記憶體458)，其亦 可在匯机排452上與〇?11 444通信。該軟碟454、該(：]〇11〇]^ 456或快閃記龍458儲存由成像㈣俘獲之影像。如先前 ^看圖2·4及圖5· 17所描述，成像器2G較佳可建構為一具有 或不具有記憶體儲存器之積體電路。 儘管已結合當時已知之例示性實施例來詳細描述本發 明，但應不難瞭解本發明不限於此等所揭示之實施例。更 確切地說，可修改本發明以彳并入迄今未加以描述之任何數 目的變更、變化、替代或等效配置，但其必須與本發明之 精神及範疇相稱。因此，不應將本發明視作受以上描述限 制，但僅受附加申請專利範圍之範疇限制。 【圖式簡單說明】 圖1為說明先前技術之一固態成像器的側視橫截面圖。 圖2為說明根據本發明之一例示性實施例之一固態成像 器之主要元件的側視橫截面圖，該固態成像器在基板之背 部上具有一抗反射層及一吸收層。 113439.doc •25· 圖3為說明根據本發明之一例示性實施例之一固態成像 器之主要元件的侧視橫截面圖，該固態成像器在基板之背 上具有—吸收層。 圖4為說明根據本發明之一例示性實施例之一固態成像 器之主要元件的侧視橫截面圖，該固態成像器具有基板之 一磨損背部。 圖5A為用根據先剛技術之一具有—拋光背部表面之成像 裝置所取的影像。圖5B為用根據本發明之一具有一粗化背 部表面之成像裝置所取的影像。 圖6為說明根據本發明之一例示性實施例之一固態成像 裔之主要元件的側視橫截面圖，該固態成像器具有基板之 一磨損背部。 圖7為說明根據本發明之一例示性實施例之一固態成像 之主要元件的側視橫截面圖，該固態成像器具有與主動 像素分離之暗像素。 圖8說明根據本發明之一例示性實施例建構的一具有一 彩色濾光片陣列之CMOS成像器像素單元的示意性橫截面 圖。 圖9為圖8之該CMOS成像器像素單元的代表圖。 圖10說明經歷形成根據本發明之一例示性實施例之成像 器裝置的方法之一半導體晶圓的橫截面圖。 圖11說明處於圖10中所示之處理階段後之處理階段之圖 10的半導體晶圓。 圖12說明處於圖1!中所示之處理階段後之處理階段之圖 113439.doc -26- 1324824 ίο的半導體晶圓。 圖13說明處於圖12中所示之處理階段後之處理階段之圖 10的半導體晶圓。 圖I4說明處於圖13中所示之處理階段後之處理階段之圖 10的半導體晶圓。 圖15說明根據本發明之另一實施例之處於圖丨2中所示之 處理階段後的處理階段之圖1 〇之半導體晶圓。 圖16說明根據本發明之另一實施例之處於圖丨2中所示之 處理階段後的處理階段之圖1 〇之半導體晶圓。 圖17說明根據本發明之另一實施例之處於圖丨2中所示之 處理階段後的處理階段之圖1 〇之半導體晶圓。 圖1 8展示根據本發明之一實施例建構的成像器。 圖19為根據本發明之一例示性實施例之一成像系統的圖 解’該成像系統具有一具減少之影像假影之成像器。 【主要元件符號說明】 10 固態成像器 11 暗像素 12 主動像素 13 微型透鏡 18 基板 20 固態成像器/成像器 24 保護層/層 25 分隔層 26 像素單元陣列/像素陣列 113439.doc -27- 1324824 27 主動像素陣列 28 像素感應器單元/像素單元 29 暗像素 30 基板 32 第二表面 34 光感應器 36 源極區/摻雜區域/擴散區 40 >及極區/推雜區域/浮動擴散區 42 轉移電晶體 43 閘極堆疊 44 電晶體 46 電晶體 48 讀出電路 50 重設電晶體 52 摻雜區域 54 閘極堆疊 56 二氧化矽或氮化矽絕緣體八絕, 57 第二閘極氧化層 58 多晶碎層 59 石夕化物層 60 絕緣頂蓋層/頂蓋層 62 絕緣側壁/側壁 64 場氧化層 66 光閘半透明導體 113439.doc -28- 1324824 70 80 82 83 84 85
86 100 101 微型透鏡陣列/透鏡 抗反射層 吸收層 吸收層 吸收層 粗化第二基板表面/第二基板表面/粗化第 二表面/非透明層 成形格栅 彩色濾光片層 IR輻射/輻射/光子 103 經反射之輻射 104 400 444 446 448 452 454 456 458 700 705 710 720 光子 處理器系統/電腦系統 中央處理單元（CPU)/CPU 輸入/輸出（I/O)裝置 隨機存取記憶體（RAM) 匯流排 軟碟機 緊密光碟ROM驅動器/CD ROM 快閃記憶體 成像器 像素陣列 列驅動器/列驅動電路 列位址解碼器/位址解碼器 113439.doc •29· 1324824 750 計時及控制電路/控制電路 760 行驅動器/行驅動電路 761 取樣保持電路 微分放大器
762 770 775 780 X α 行位址解碼器/位址解碼器 類比數位轉換器 影像處理器 晶圓之厚度 間隔 最大角度 β 角度
-30- 113439.doc

Claims (1)

1324824 第095128433號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(98年7月） - 十、申請專利範圍： - 1· 一種成像器，其包含： -具有-第-表面及一第二表面之半導體基板；及 -陣列之像素感應ϋ單元’其包含複數個形成於該基 板之該第-表面處的像素單元，該等像素單元包括成像 像素單元及暗電流像素單元； 其中該第二表面具有形成於其中之表面磨損以用於減 少自该第二表面反射回至該等暗電流像素單元之光量。 2. 如請求項1之成像器，其中該等表面磨損包括垂直粗化。 3. —種成像器，其包含： -具有-第-表面及一第二表面之半導體基板；及 -陣列之像素感應器單元，其包含複數個形成於該基 板之該第—表面處的像素單元，該等像素單S包括成像 像素單元及暗電流像素單元； 其中該第二表面具有成形於其中之表面磨損，其包括 成形格栅，用於減少自該第二表面反射回至該等暗電流 像素單元之光量。 4. 如叫求項3之成像器，其中該等成形格柵經形成與該第二 表面成一約1 〇至約7 5度之角度。 5. 如吻求項3之成像器，其中該等成形格柵經形成與該第二 表面成一約20至約55度之角度。 6. —種成像器，其包含： 一陣列之像素感應器單元，其包含複數個形成於一基 板之一第一表面處的主動像素單元及暗電流像素單元， 113439-980720.doc 其中該等主動像素單元及該等暗電流像素單元在該基板 中由預定距離分隔，其中該預定距離使得自該基板之 S亥第二表面反射回至該等暗電流像素單元之一光量減 少〇 7.如請求項6之成像器，其中該預定距離由下列公式計算： 2.D_tan(a) 其中D為該基板之厚度且a為該紅外線輻射進入該基板 中之最大角度。 8·如明求項7之成像器，其進一步包含一形成於該等暗像素 及該分隔距離上之吸收層。 9. 如凊求項8之成像器，其中該吸收層由選自由Ge、siGe及 SiC組成之群的材料形成。 10. 如晴求項8之成像器，其進一步包含一形成於該吸收層上 之非透明層。 u·如請求項10之成像器，其中該非透明層由金屬形成。 如請求項1丨之成像器，其中該金屬係選自由鎢及鋁組成 之群。 H 一種處理器系統，其包含： 一具有一第一表面及一第二表面之半導體基板； 一陣列之像素感應器單元，其包含複數個形成於該基 板之該第一表面處的像素單元，該等像素單元包括成像 像素單元及暗電流像素單元； 其中該第二表面具有形成於其中之表面磨損以用於 減少自該第二表面反射回至該等暗電流像素單元之光 113439-980720.doc 1324824 - 量；及 ' -用於接收及處理表示影像之資料的處理器。 14·如請求項13之處理_u 态糸統，其中該等陣列及該處理器形 成於一單一基板上。 15·如請求項13之處理器系統，其中該等表面磨損包括垂直 粗化。 1 6 · 種處理斋糸統，其包括： —具有一第一表面及一第二表面之半導體基板；及 陣歹j之像素感應③單元，其包含複數個形成於該基 板之該第-表面處㈣素單元，料像素單元包括成像 像素單元及暗電流像素單元； 其中該第二表面具有成形於其中之表面磨損，其包括 成形格柵，用於減少自該第二表面反射回至該等暗電流 像素單元之光量；及 用於接收及處理表示該影像之資料的處理器。 φ Ή求項16之處理器系統，其中該等成形格栅經形成與 該第二表面成一約10至約75度之角度。 18. 如，求項16之處理μ統，其中該等成形格柵經形成與 該第二表面成一約35至約45度之角度。 19. 一種處理器系統，其包含： 陣列之像素感應器單元，其包含複數個形成於一基 板之一第一表面處的主動像素單元及暗像素單元，其中 "亥等主動像素單元及該等暗像素單元在該基板中由一預 定距離分隔，其中該預定距離使得自該基板的一第二表 113439-980720.doc 面反射回至該等暗電流像素單元之—光量減少；及 -用於接收及處理表示影像之資料的處理器。 20. 如請求項19之處理哭系铋甘 外I ™糸統，其中該等陣列及該處理器形 成於一單一基板上。 21. 如明求項20之處理器系統，其中該預定距離由下列公式 計算： 2-D-tan(a) 其中D為該基板之厚度且a為該紅外線輻射進人該基板 中之最大角度。 ‘ A明求項19之處理器系統’其進—步包含—形成於該等 暗像素及該分隔距離上之吸收層。 如。月长項22之處理器系統，其進—步包含—形成於該吸 收層上之非透明層。 24. -種在一成像裝置中減少影像假影之方法，該方法包含 下列步驟： 最小化穿透該成像裝置之該基板且反射至該成像裝置 中之暗像素之该紅外線輻射量以減少該成像器中之影像 假影； 其中藉由提供一具有一第一表面及一第二表面、具有 車歹·!之像素感應器單元的基板來最小化紅外線輻射， 。亥陣列之像素感應器單元包含複數個形成於該基板之該 第一表面處的像素單元，其中該第二表面具有形成於其 中之表面磨損。 25. 如吻求項24之方法，其中該等表面磨損包括 垂直粗化。 H3439-980720.doc 26·:凊求項25之方法，其中該等表面磨損由c，形成。 .種在一成像裝置中減少影像假影之方法 下列步驟： :化穿透》亥成像裝置之該基板且反射至該成像裝置 之暗像素之該紅外線輻射量，以減少該成像器中之影 像假影； 一其中藉由提供一具有一第一表面及一第二表面、具有 +車歹i之像素感應單元的基板來最小化紅外線輕射， 邊陣列之像素感應n單元包含複數個形成於該基板之該 第-表面處的像素單元’其中該第二表面具有形成於其 中之表面磨損， 一其中藉由提供一具有一第一表面及一第二表面、具有 ^一陣列之像素感應器單元的基板來最小化紅外線輕射， "亥陣列之像素感應II單元包含複數個形成於該基板之該 第一表面處的像素單元，其中該第二表面具有形成於其 中之表面磨損，其中該等表面磨損包括成形格棚。 28· —種在一成像裝置中減少影像假影之方法，該方法包含 下列步驟： 最小化穿透該成像裝置之該基板且反射至該成像裝置 中之暗像素之該紅外線輻射量，以減少該成像器中之影 像假影； 其中藉由提供一具有一陣列之像素感應器單元的成像 器來最小化紅外線輻射，該陣列之像素感應器單元包含 複數個形成於一基板之一第一表面處的主動像素單元及 113439-980720.doc 1324824 暗像素單元，其φ·^笙+ A _ 、中違專主動像素單元及該等暗像素單元 在該基板中由一箱中、 頂疋距離分隔，其中該預定距離使得自 該基板的一第二表而浔紅 衣面反射回至該等暗電流像素單元之一 光量減少。 29. 如請求項28之方法，复 其中该距離由下列公式計算： 2-D.tan ⑹ 其中D為該基板之厚许 &且α為该紅外線輻射進入該基板 中之最大角度。 113439-980720.doc 6·
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