TWI404201B

TWI404201B - 具有電子透鏡之光偵測器陣列

Info

Publication number: TWI404201B
Application number: TW098144249A
Authority: TW
Inventors: Vincent Venezia; Duli Mao; Dyson Tai; Yin Qian
Original assignee: Omnivision Tech Inc
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2013-08-01
Also published as: CN102054848A; US20110101201A1; TW201117363A

Description

具有電子透鏡之光偵測器陣列

影像感測器係流行的。影像感測器可用於各種各樣之應用中，例如數位照相機、蜂巢式電話、數位相機電話、安全相機、光學滑鼠以及各種其他醫學、汽車、軍事或其他應用。

串擾係諸多影像感測器遇到之一個挑戰。兩種常見之串擾形式係電串擾及光學串擾。

電串擾可在(例如)對應於一個光敏區域之區域中所產生之一電子擴散、橫向漂移或以其他方式遷移或移動至一相鄰光敏區域且由該相鄰光敏區域收集時發生。該等電子可最終由該相鄰光敏區域收集。

光學串擾可在(例如)入射於對應於一個光敏區域之一表面上之光折射、反射、散射或以其他方式引導至一相鄰光敏區域時發生。該光可最終由該相鄰光敏區域偵測。

此串擾往往係不合意的，此乃因其往往可使影像模糊，引入瑕疵或以其他方式降低影像品質。另外，此串擾往往可隨著影像感測器及其像素之大小繼續減小而變成一更大之挑戰。

具有減小之光學及/或電串擾之影像感測器將提供某些優點。

本發明之一較佳實施例提供一種設備，其包括：一表面，其用以接收光；一光敏區域，其安置於一基板內；一材料，其耦合於該表面與該光敏區域之間，該材料用以接收該光，該光中之至少某些光用以釋放該材料中之電子；及一電子透鏡，其耦合於該表面與該材料之間，該電子透鏡用以朝向該光敏區域聚焦該材料中之該等電子。

本發明之另一較佳實施例提供一種設備，其包括：一表面，其用以接收光；一光敏區域，其安置於一基板內；一材料，其耦合於該表面與該光敏區域之間，該材料用以接收該光，該光中之至少某些光用以釋放該材料中之電子；及一光學與電子透鏡，其耦合於該表面與該材料之間，該光學與電子透鏡用以朝向該光敏區域聚焦該材料中之該光及該等電子。

本發明之另一較佳實施例提供一種方法，其包括：提供具有一前側部分及一後側部分之一基板，該前側部分具有安置於其中之一光敏區域陣列；在該背側部分處形成一不平表面，該不平表面具有一凸起部陣列，該等凸起部中之每一者對應於該等光敏區域中之一各別一者且遠離該各別一者凸出；在該凸起部陣列上方形成一不平層，該不平層具有一凹入部分陣列，該等凹入部分中之每一者對應於該等光敏區域中之一各別一者且遠離該各別一者後退，該不平層能夠在該凸起部陣列中產生一電場。

本發明之另一較佳實施例提供一種方法，其包括：在一表面處接收光；朝向一光敏區域傳輸該光；藉助該光釋放一材料中之電子；朝向該光敏區域聚焦該材料中之該等電子；及在該光敏區域處接收該等電子。

在以下說明中，陳述了大量具體細節。然而，應理解，可在無此等具體細節之情形下實踐本發明之實施例。在其他實例中，為不模糊對本說明之理解，未詳細顯示眾所周知之電路、結構及技術。

圖1係根據本發明實施例之一光偵測器100之一剖面側視圖。在各種實施例中，該光偵測器可包含一光偵測器陣列或一影像感測器。

該光偵測器包含一光收集表面102，例如一個或多個透鏡之一表面。在運作期間，該光收集表面可接收光103。

該光感測器亦包含一光敏區域104。該光敏區域係安置於一基板106內。如本文中所使用，安置於一基板內之一光敏區域欲囊括形成於該基板內之一光敏區域、形成於該基板上方之一光敏區域或部分形成於該基板內且部分形成於該基板上方之一光敏區域。通常，該光敏區域係安置於該基板之一半導體材料內。該基板亦可包含除半導體材料之外的其他材料，例如有機材料、金屬及非半導體電介質，此僅為幾個實例。

適合之光敏區域之代表性實例包含但不限於光二極體、電荷耦合裝置(CCD)、量子裝置光學偵測器、光電門、光電晶體及光導體。相信用於互補金屬氧化物半導體(CMOS)主動像素感測器(APS)中之光敏區域類型尤其適合。在一個實施例中，該光敏區域係一光二極體。適合之光二極體之代表性實例包含但不限於P-N光二極體、PIN光二極體及崩潰光二極體。

再次參照圖1，該光二極體亦包含一材料108。該材料耦合於光收集表面102與光敏區域104之間。在一個或多個實施例中，該材料可包含一半導體材料。在運作期間，該材料用以接收由光收集表面102接收之光。該材料可至少部分地朝向光敏區域104傳輸該光。以虛線顯示該光之可能之路徑。該光可或可不完全去至該光敏區域，此取決於材料、該材料之厚度及光之波長。

假設該材料具有充足厚度，則該光中之至少某些光往往可釋放該材料中之電子(e^- )，例如光電子。舉例而言，由於光電效應，電子可在例如一半導體材料之一材料中產生或釋放。為被偵測，該等電子(e^- )應朝向光敏區域移動。然而，該等電子中之某些電子往往可擴散、橫向漂移或以其他方式移動遠離該光敏區域。可未偵測到此等電子，此往往可降低光偵測器100之效率。

應注意，根據本發明之實施例，該光偵測器亦包含一電子透鏡110。該電子透鏡耦合於光收集表面102與材料108之間。該電子透鏡可包含一電子聚焦或會聚元件、結構、不平層部分、一不平表面之凹入部分、凹部、成形之材料或用於聚焦或會聚電子之其他構件。該電子透鏡可運作以朝向光敏區域104聚焦材料108中之電子(e^- )。

在各種實施例中，該電子透鏡可表示材料108之一經修改部分或形成於材料108上方之一材料。舉例而言，在一個或多個實施例中，該電子透鏡可包含一摻雜程度較輕之經摻雜(例如，一p-型)半導體材料108之一較重摻雜區域(例如，一p+摻雜區域)。作為另一實例，在一個或多個實施例中，該電子透鏡可包含形成於材料108上方之一薄金屬層，其中該金屬層可運作以在材料108之一毗鄰部分中形成一電洞累積區域(例如，一金屬閃鍍閘極)。

所圖解說明之電子透鏡具有較靠近該光敏區域之一第一主表面114及距該光敏區域較遠之第二主表面116。在本發明之實施例中，該電子透鏡之至少一個主表面係不平的。在所圖解說明之電子透鏡中，第一主表面114係不平的且包含遠離該光敏區域後退之凹入表面。如圖所示，該凹入表面可包含面向光敏區域之一凹表面。該凹表面可係面向該光敏區域之一半球體形表面。該半球體形表面可類似或近似半球但未必係一半球。在該所圖解說明之電子透鏡中，第二主表面116亦係不平的，且背對該光敏區域凸起。亦即，該所圖解說明之電子透鏡具有一凸-凹形狀，其包含面向光敏區域之凹表面114及面向用以接收光之光收集表面102之一凸表面116。

在運作期間，該電子透鏡可產生一電場。該電場導致可運作而作用於一電子上之會聚力線112。該等會聚力線被圖解說明為若干短箭頭，其中尾部在電子透鏡處起始且其中頭部大體向內指。該電場之力線大體朝向該光敏區域聚焦或會聚。

該電子透鏡可具有針對電子之一焦點。該焦點(focus)可表示一焦點(focal point)或一焦點區域(focus region)。該焦點可接近該光敏區域。如本文中所使用，對於一2.0微米(μm)或更小之像素，「接近」該光敏區域意指在該光敏區域內或在該光敏區域之0.5μm內。對於較大之像素，可應用較大之距離。在各種實施例中，該焦點可在該光敏區域內或在該光敏區域之0.3μm內(舉例而言，在電子透鏡與光敏區域之間的材料中之該光敏區域前方，或在該光敏區域後方)。

由該電子透鏡產生之電場可運作以朝向該焦點及/或朝向光敏區域104聚焦或會聚材料108中之電子。該電場可排斥該等電子或將其驅離。由於該電場係向內且大體朝向該光敏區域引導，因此該電場可迫使或鼓勵該等電子向內且大體朝向該光敏區域移動。該等電子向內聚焦且垂直且在三個維度上朝向該光敏區域聚焦。電子之此聚焦可有助於增加光敏區域所收集電子之數目及/或偵測之效率。若該電子透鏡僅係一平結構，則該電場將係平行且將不聚焦或會聚該等電子。

圖2係根據本發明之實施例使用一光偵測器之一方法200之一方塊流程圖。藉由舉例之方式，可使用圖1中所示之光偵測器100或一個類似光偵測器執行該方法。

在區塊221處，該方法包含在光偵測器之一光收集表面處接收光。在一個或多個實施例中，該光偵測器可係用作一影像感測器之一光偵測器，且該光可係由正被成像之一物件或表面反射之光，此可用於產生該物件或表面之一影像。

在區塊222處，可透過一材料朝向一光敏區域傳輸該光。在區塊223處，可藉助該光釋放該材料中之電子。舉例而言，由於光電效應，該材料中之光電子可由該光釋放。

在區塊224處，可朝向該光敏區域聚焦該材料中之該等電子。在一個或多個實施例中，可藉助一電場在三個維度上朝向該光敏區域聚焦該等電子，該電場驅動電子在三個維度上朝向該光敏區域會聚。如先前所論述，該電子會聚電場可由一不平的凹入表面提供，該不平的凹入表面遠離該光敏區域後退。

在區塊225處，可在該光敏區域處接收該等電子。亦可在該光敏區域處接收任何剩餘之光。

眾所周知，該光敏區域可產生表示所收集之電子及光之量之一類比信號。該類比信號可用於各種用途。在某些情形中，該光偵測器可係用作一影像感測器之一光偵測器陣列且該等類比信號可用於產生一影像。

為更好地圖解說明某些概念，下文將闡述併入至光偵測器陣列之特定實例中之電子透鏡之數個實例。此等特定光偵測器陣列係具有一特定組態及特定組件之背側照明式(BSI)光偵測器陣列。然而，應瞭解，本發明之範疇並不限於此等特定光偵測器陣列。

圖3係根據本發明之一個或多個實施例之一光偵測器陣列300之一剖面側視圖。該光偵測器陣列係一BSI光偵測器陣列。

今天，諸多光偵測器陣列係前側照明式(FSI)。此等FSI光偵測器陣列在一基板之前側處包含一光偵測器陣列，且在運作期間該光偵測器陣列自該前側接收光。然而，FSI光偵測器陣列具有某些缺點，例如一有限之填充因子。

BSI光偵測器陣列係FSI光偵測器陣列之一替代方案。BSI光偵測器陣列在一基板之前側處包含一光偵測器陣列，且在運作期間該光偵測器陣列自該基板之背側接收光。

再次參照圖3，BSI光偵測器陣列包含一前側表面303及一背側表面302A、302B。圖3中之上側及下側分別被視為影像感測器300之前側及背側。在運作期間，可在背側表面處接收光303。

在一個或多個實施例中，一可選微透鏡330A、330B陣列可提供該背側表面。該等微透鏡具有小於10μm之直徑。該等微透鏡對準以便以光學方式朝向對應光敏區域304A、304B聚焦在該背側表面處所接收之光。該等微透鏡有助於改良敏感性且減少光學串擾。然而，該等微透鏡係可選，且不作要求。

該光偵測器陣列亦包含一光敏區域304A、304B陣列。該光敏區域陣列係安置於一基板306內。先前所闡述之光敏區域即適合。

該光偵測器陣列亦包含一材料308A、308B，例如矽或另一半導體材料，其耦合於該背側表面與該光敏區域304A、304B陣列之間。可朝向該等光敏區域陣列將該光傳輸至該材料中。

假設該材料具有充足厚度，則該光中之至少某些光往往可釋放該材料中之電子(e^- )。為被偵測，該等電子(e^- )應向該等光敏區域移動。另外，材料308A中所產生之電子應較佳朝向對應光敏區域304A移動，且材料308B中所產生之電子應較佳朝向對應光敏區域304B移動。然而，該等電子中之某些電子存在擴散、橫向漂移或以其他方式遷移或移動遠離其對應光敏區域之一趨勢，且在某些情形中可由一相鄰光敏區域收集。在邊緣附近產生之電子往往比在中心附近產生之電子具有遷移至一相鄰光敏區域之一更高可能性。此電串擾可導致模糊、不良色彩效能或其他影像瑕疵且通常為不合意。如下文所論述，該光偵測器陣列具有電子透鏡以減少此串擾。

一半球體形凸起部或凸面309A、309B陣列形成於該材料中。該等凸面或半球體形凸起部中之每一者對應於該等光敏區域中之一各別一者且遠離該各別一者凸出。在二維剖面圖中顯示該等凸起部或凸面，但應理解，該等凸面或半球體形凸起部具有背對對應光敏區域之三維凸起部或半球體形表面。

該光偵測器陣列亦包含一不平層310。不平層310耦合於背側表面302A、302B與半球體形凸起部或凸面309A、309B陣列之間。在該圖解說明中，該不平層係直接在該半球體形凸起部或凸面陣列上形成。

該不平層具有一凹入部分310A、310B陣列。凹入部分310A、310B中之每一者對應於光敏區域304A、304B陣列中之一各別一者且遠離該各別一者後退。此外，凹入部分310A、310B中之每一者對應於且等形於半球體形凸起部或凸面309A、309B中之一各別一者。

不平層310之凹入部分310A、310B表示對應光敏區域304A、304B之各別電子透鏡310A、310B。電子透鏡310A具有一凹-凸形狀，包含面向光敏區域304A之一凹表面314及面向微透鏡302A之一凸表面316。

電子透鏡310A用以朝向對應光敏區域304A聚焦或會聚材料308A中之電子。同樣，電子透鏡310B用以朝向對應光敏區域304B聚焦或會聚材料308B中之電子。此可有助於減小一電子將遷移至一相鄰光敏區域之可能性及/或有助於減小電串擾。

該不平層能夠在該半球體形凸起部或凸面陣列中產生一電子聚焦或會聚電場。該圖解說明之右手側顯示電子透鏡310B之電場之代表性電子會聚或聚焦力線312B。一類似之電子會聚或聚焦電場將由電子透鏡310A產生。

該不平層亦能夠以光學方式聚焦光。換言之，該等電子透鏡亦係會聚光學透鏡。該圖解說明之左手側顯示箭頭所表示之光303如何可由電子透鏡310A以光學方式聚焦。該光在其自電子透鏡310A傳遞至材料308A中時可朝向光敏區域304A之中心彎曲。舉例而言，其可係由電子透鏡310A之形狀及電子透鏡310A與平坦化層336之間的折射指數差所導致。此光學聚焦可有助於減少光學串擾。

不同類型之層能夠在該材料中產生一電場。在一個或多個實施例中，不平層310可包含一重摻雜半導體材料，且材料308A、308B可包含摻雜程度較輕之經摻雜半導體材料。

眾所周知，可用一摻雜劑摻雜一半導體以更改其電性質。摻雜劑可係受體或施主。

受體摻雜劑元素在半導體中產生過量電洞，其藉由接受來自彼等半導體原子之電子來取代其原子。矽之適合受體包含硼、銦、鎵、鋁及其組合。

施主摻雜劑元素在半導體中產生過量電子，其藉由將電子捐贈給半導體原子來取代其原子。矽之適合施主包含磷、砷、銻及其組合。

一「p-型半導體」、一「p-型傳導率半導體」或類似物指代摻雜有一受體且其中電洞之濃度大於自由電子之濃度之一半導體。該等電洞係多數載流子且支配傳導率。

一「n-型半導體」、一「n-型傳導率半導體」或類似物指代摻雜有一施主且其中自由電子之濃度大於電洞之濃度之一半導體。該等電子係多數載流子且支配傳導率。

p-型及n-型半導體一般係以輕微至中等摻雜劑濃度摻雜。在一個或多個實施例中，p-型及n-型半導體具有小於約1×10¹⁵ 摻雜劑/cm³ 之摻雜劑濃度。

一「p+半導體」、一「p+摻雜半導體」、一「p+傳導率半導體」或類似物指代重摻雜有施主元素之一重摻雜p-型半導體。一「n+半導體」、一「n+摻雜半導體」、一「n+傳導率半導體」或類似物指代重摻雜有受體元素之一重摻雜n-型半導體。在一個或多個實施例中，p+摻雜半導體及n+摻雜半導體具有大於約1×10¹⁵ 摻雜劑/cm³ ，有時大於約1×10¹⁶ 摻雜劑/cm³ 之摻雜劑濃度。

在一個或多個實施例中，不平層310可包含一重摻雜半導體材料，且材料308A、308B可包含一輕微至中等摻雜之半導體材料。舉例而言，不平層310可包含一p+摻雜半導體材料，且材料308A、308B可包含一p-型半導體材料。在此一實例中，光敏區域304A、304B可係n-型。相反之極性組態亦適合。舉例而言，不平層310可包含一n+摻雜半導體材料，材料308A、308B可包含一n-型半導體材料，且光敏區域304A、304B可係p-型。

重摻雜半導體材料層之一厚度可介於自約10奈米(nm)至約400nm之範圍。在某些情形中，該厚度可介於自約50nm至約200nm之範圍。

在本發明之一個或多個實施例中，跨越不平層之厚度可存在一可選摻雜濃度梯度或坡度。舉例而言，該不平層可在其一背側部分(例如，316)處具有一較大之摻雜劑濃度且在其一前側部分(例如，314)處具有一較小之摻雜劑濃度。在一個或多個實施例中，該背側部分處之較大摻雜劑濃度範圍可自約1×10¹⁷ 摻雜劑/cm³ 至約1×10²⁰ 摻雜劑/cm³ 。在一個或多個實施例中，該前側部分處之較小摻雜劑濃度範圍可自約1×10¹⁴ 摻雜劑/cm³ 至約2×10¹⁵ 摻雜劑/cm³ 。一相對陡峭之濃度梯度往往工作良好。

該光偵測器陣列亦包含一第一可選平坦化層336，其耦合於微透鏡330A、330B陣列與不平層310之間。該第一平坦化層之前側等形於不平表面(例如316)。該第一平坦化層具有平坦或平之一背側表面。該等電子透鏡安置於材料308A、308B與平坦化層336之間。

該光偵測器陣列亦包含一可選不同濾色器334A、334B陣列，其耦合於電子透鏡310A、310B陣列與光學微透鏡330A、330B陣列之間。特定而言，該等濾色器耦合於該平坦化層之平表面與該等光學微透鏡之間。濾色器334A可運作以過濾與濾色器334B不同之一色彩。此等濾色器為可選且不作要求。舉例而言，可在一黑白影像感測器之情形中省略此等濾色器。

該光偵測器陣列亦包含一第二可選平坦化層332，其耦合於該濾色器陣列與該光學微透鏡陣列之間。然而，該第二平坦化層為可選且不作要求。

該光偵測器陣列在其前側處包含一互連部分342。該互連部分可包含安置於介電材料內之一個或多個習用金屬互連層。可選淺溝槽隔離(STI)338包含於毗鄰光敏區域之間，但不對該STI作要求。可選釘紮層340(例如，n-型光敏區域情形中之p+摻雜區域)安置於該等光敏區域中之每一者之前表面上。

圖4係根據本發明之一個或多個實施例之另一光偵測器陣列400之一剖面側視圖。該光偵測器陣列係一BSI光偵測器陣列。

圖4中所示之光偵測器陣列400具有與圖3中所示之光偵測器陣列300共有之某些特徵。當考量恰當時，圖4中之某些組件或結構已標記有來自圖3之先前參考編號。除非另外說明，否則此指示此等組件或結構可視情況具有先前所闡述之特性或屬性中之某一些或全部。為避免模糊某些概念，以下闡述將主要聚焦於圖4中所示之光偵測器陣列400之不同結構及特性。

光偵測器陣列400與先前所闡述之光偵測器陣列300之間的一顯著差異係凸起部409A、409B陣列、不平層410及電子透鏡410A、410B之形狀。

該光偵測器陣列包含形成於材料308A、308B中之一凸起部409A、409B陣列。在一個或多個實施例中，該等凸起部中之每一者具有一截頭錐形狀。該截頭錐可表示具有(例如)一角錐或平截角錐形狀之一凸起部。藉由舉例之方式，該角錐可具有三個或四個側。

該光偵測器陣列亦包含不平層410。該不平層係直接在該凸起部陣列上形成。該不平層具有一凹入部分410A、410B陣列。凹入部分410A、410B中之每一者對應於且等形於凸起部409A、409B中之一各別一者。此外，凹入部分410A、410B中之每一者對應於光敏區域304A、304B陣列中之一各別一者且遠離該各別一者後退。

凹入部分410A、410B表示對應光敏區域304A、304B之各別電子透鏡410A、410B。電子透鏡410A具有面向光敏區域304A之一凹入表面414。該凹入表面包含大致等形於具有一截頭錐形狀之對應凸起部409A之有角側壁之有角側壁。

針對電子透鏡410B顯示一電場之一代表性電子會聚或聚焦力線412B。電子力線412B自電子透鏡410B之凹入表面之有角側壁向內引導。該電場驅動電子在三個維度上朝向光敏區域304B向內聚焦或會聚。一類似之電場將由電子透鏡410A產生。

不平層之其他態樣(例如，材料(例如，一重摻雜半導體材料)、厚度、摻雜梯度及類似態樣)可視情況如先前所闡述一般。

圖5係根據本發明之一個或多個實施例之再一光偵測器陣列500之一剖面側視圖。該光偵測器陣列係一BSI光偵測器陣列。

圖5中所示之光偵測器陣列500具有與圖3中所示之光偵測器陣列300及/或圖4中所示之光偵測器陣列400共有之某些特徵。應注意，圖5之光偵測器陣列500中之凸起部陣列及不平層之形狀類似於圖4之光偵測器陣列400之凸起部陣列及不平層之形狀。當考量恰當時，圖5中之某些組件或結構已標記有來自圖3或圖4之先前參考編號。除非另外說明，否則此等組件或結構可視情況具有先前所闡述之特性或屬性中之某一些或全部。為避免模糊某些概念，以下闡述將主要聚焦於圖5中所示之光偵測器陣列500之不同結構及特性。

光偵測器陣列500與先前所闡述之光偵測器陣列300及400之間的一個顯著差異係用於不平層510及/或電子透鏡510A、510B之材料。另一差異係電子透鏡產生用於朝向光敏區域聚焦或會聚電子之電場之方式。

光偵測器陣列500包含不平層510。該不平層係在形成於一材料308A、308B中之一凸起部409A、409B陣列上方形成。如前文所述，該等凸起部中之每一者可具有一角錐或其他截頭錐形狀。該不平層具有凹入部分510A、510B。此等凹入部分表示對應光敏區域304A、304B之各別電子透鏡510A、510B。

在本發明之一個或多個實施例中，不平層510可包含一薄金屬層。該層可係足夠薄以允許光穿過該層。該層可運作以在材料409A、409B之毗鄰部分中形成一電洞累積區域。舉例而言，層510可包含具有足夠高之功函數以形成該電洞累積區域之一金屬。鉑係可運作以在一毗鄰矽材料中形成一電洞累積區域之一金屬之一個具體實例。在一個或多個實施例中，不平層510可包含一閃鍍閘極。可視情況負性偏壓該閃鍍閘極或薄金屬膜以進一步用電洞填充毗鄰材料。閃鍍閘極在光偵測器技術中為已知，例如與CCD結合。

再次參照圖5，在材料409A、409B中形成一電洞累積區域544。在材料409A、409B中形成之電洞累積區域544具有比材料409A、409B體大之一電洞濃度。此較大電洞濃度可在該材料中形成一電場。針對電子透鏡510B顯示一電場之一代表性電子會聚或聚焦力線512B。一類似之電子會聚或聚焦電場將由電子透鏡510A產生。

閃鍍閘極或其他薄金屬層亦可視情況用於如圖3之凸起部及電子透鏡一般成形之凸起部及電子透鏡。

另外其他材料亦適合於該等電子透鏡。在一個或多個實施例中，該等電子透鏡可包含一透明導電氧化物(TCO)及一透明導電塗層(TCC)中之一者或多者。適合之TCO之實例包含但不限於與錫氧化物組合之銦氧化物(例如，氧化銦(III)(In₂ O₃ )加氧化錫(IV)(SnO₂ ))、與鋁氧化物組合之鋅氧化物(例如，氧化鋅(ZnO)加氧化鋁(Al₂ O₃ ))、與鎵氧化物組合之鋅氧化物(例如，氧化鋅(ZnO)加氧化鎵(III)(Ga₂ O₃ ))及錫氧化物(例如，氧化錫(SnO₂ ))，此僅為幾個實例。適合之TCC之實例包含但不限於一薄金膜、一抗熱導電塑膠及包含碳奈米管之層，此僅為幾個實例。

當電子透鏡經電負性偏壓時，材料409A/409B中之電洞可朝向電子透鏡510A/510B引導。此可在該材料中產生電洞累積區域，此又可在材料409A/409B中形成電場。在一個或多個實施例中，可視情況將一薄半導體氧化物膜安置於不平層510與在材料409A、409B中形成之電洞累積區域544之間。在一個態樣中，此氧化物膜可包含一矽氧化物，例如二氧化矽(SiO₂ )。當電子透鏡經負性偏壓時，該薄半導體氧化物膜可有助於改良裝置可靠性及/或有助於減少安置於基板之光偵測部分中之裝置中之故障。

在光偵測器陣列中，光之入射角度可自陣列之中心(零度入射角度)向該陣列之週邊逐漸增加。在一個或多個實施例中，光學微透鏡及/或電子透鏡可視情況基於入射光之角度在該陣列之週邊區域中按比例縮放或偏移。舉例而言，朝向該陣列之中心之光學微透鏡及/或電子透鏡可相對地直接在其對應光敏區域上方或下方對準，而該陣列之週邊區域中之光學微透鏡及/或電子透鏡可朝向該陣列之中心稍微向內移位以計及不同角度之入射光。此可有助於改良成像，但此為可選且不作要求。

圖6係根據本發明之實施例之製造或製作一光偵測器陣列之一方法650之一方塊流程圖。可執行方法650以製作圖1、3、4或5中所示之光偵測器或光偵測器陣列中之任一者或完全不同之其他光偵測器陣列。圖7A至7E圖解說明在實施方法650時可形成之各種結構。為清晰起見，將聯繫圖7A至7E中所示之結構闡述圖6之方法650。

方法650包含在區塊651處提供一基板。如本文中所使用，術語「提供」意欲廣泛地囊括至少製作、自另一者獲得、購買、進口及以其他方式獲取該基板。該基板具有一前側部分及一背側部分，該前側部分具有安置於其中之一光敏區域陣列。

在區塊652處，可在該基板之該背側部分處形成一不平表面。該不平表面可具有一凸起部陣列。該等凸起部中之每一者可對應於該等光敏區域中之一各別一者且可遠離該各別一者凸出。

存在形成此一不平表面之不同方式。圖7A至7D係圖解說明利用一可回流材料形成該不平表面之一個實例性方式之基板剖面側視圖。

圖7A顯示在一基板700A之背側半導體部分706上方沈積一可回流材料之一層756。該基板亦具有一前側互連部分342、具有安置於其中之一光敏區域304A、304B陣列之一前側半導體部分、STI 358及背側半導體部分706。此等組件可大致如先前所闡述一般。在一個實施例中，該可回流材料可包括一聚乙烯甲基丙烯酸甲酯材料，但對此不作要求。

圖7B顯示包含一經圖案化層之一基板700B，該經圖案化層包含藉由將基板700A之可回流材料層756圖案化而形成之一可回流材料部分758A、758B陣列。可藉由微影及顯影來執行該圖案化。該等可回流材料部分中之每一者對應於光敏區域304A、304B中之一各別一者。

圖7C顯示包含一半球體形可回流材料凸起部760A、760B陣列之一基板700C，該陣列係藉由使基板700B之可回流材料部分758A、758B陣列回流而形成。此可藉由將該材料加熱至高於其回流溫度之溫度來完成。

圖7D顯示具有一不平背側表面之一基板700D，該不平背側表面包含在基板700C之背側半導體部分706中蝕刻之一半球體形凸起部309A、309B陣列。穿過基板700C之半球體形可回流材料凸起部760A、760B陣列來執行至背側半導體部分706中之蝕刻。以此方式，該等半球體形可回流材料凸起部之不平表面係轉印為背側半導體部分706中之一略微等形之不平表面。由於經回流彎月面及材料之間的蝕刻速率中之可能差異，該等表面可不係精確地半球體形，但術語「半球體形」意欲囊括此等偏差。

圖7A至7D圖解說明用於形成該不平表面之一個實例性方法。作為另一實例，可藉助使用灰階遮罩來形成一不平表面。作為再一選項，可視情況利用沿晶面之定向矽蝕刻。

再次參照圖6，在於區塊652處形成該不平表面之後，可在區塊653處於該凸起部陣列上方形成一不平層。該不平層能夠在該凸起部陣列中產生一電場。該不平層可具有一凹入部分陣列。該等凹入部分中之每一者可對應於該等光敏區域中之一各別一者且可遠離該各別一者後退。該等凹入部分中之每一者可表示一電子透鏡。

圖7E顯示具有在半球體形凸起部309A、309B陣列上方之一不平層310A、310B之一基板700E。第一凸起部309A上方之該層之一第一部分可表示一第一電子透鏡310A且第二凸起部309B上方之該層之一第二部分可表示一第二電子透鏡310B。

在一個或多個實施例中，該不平層可係一重摻雜層，例如一p+摻雜層或一n+摻雜層。可藉由摻雜形成此一層。可藉由離子植入或擴散來執行該摻雜。可使用退火。在一個或多個實施例中，該重摻雜層可經形成而具有介於自約10nm至約400nm在某些情形中自約80nm至約200nm之範圍之一厚度。如先前所闡述，在本發明之一個或多個實施例中，跨越該不平層之厚度可存在一摻雜濃度梯度或坡度。

另一選擇為，在一個或多個實施例中，該不平層可包含一金屬閃鍍閘極或其他薄金屬膜。在一個或多個實施例中，可藉由閃鍍自約3埃至約20埃之鉑或另一適合金屬來形成該金屬閃鍍閘極或薄金屬膜。可視情況負性偏壓該閃鍍閘極或薄金屬膜以進一步用電洞填充毗鄰半導體。

亦涵蓋如圖6中所示製造或製作一光偵測器陣列之方法650之其他實施例。圖8A至8E圖解說明在實施圖6之方法之一個或多個其他實施例時所形成之各種結構。應注意，圖8A至8E顯示用於在一基板之一背側部分處形成一不平表面之一不同方法。

圖8A顯示在一基板800A之一背側半導體部分806上方沈積一遮罩層890(例如光阻劑)。舉例而言，可藉由沈積並旋塗一光阻劑來形成遮罩層890。該基板亦具有一前側互連部分342、具有安置於其中之一光敏區域304A、304B陣列之一前側半導體部分、STI 358及背側半導體部分806。此等組件可大致如先前所闡述一般。

圖8B顯示包含一經圖案化遮罩層891A、891B之一基板800B，該經圖案化遮罩層係藉由將基板800A之遮罩層890圖案化而形成。可藉由微影及顯影來執行該圖案化。該經圖案化遮罩層包含一遮罩部分891A、891B陣列。該等遮罩部分中之每一者對應於光敏區域304A、304B中之一各別一者。如圖所示，遮罩部分891A、891B陣列之間存在一間隙。

圖8C顯示包含在基板800B之背側部分806中蝕刻之凹槽892A、892B、892C之一基板800C。可藉由穿過該經圖案化遮罩層蝕刻至該背側部分中來形成該等凹槽。在一個或多個實施例中，該等凹槽可具有自約0.1至約0.5微米之一深度範圍。具有對於背側部分806相對於該遮罩層之選擇性之各種蝕刻為適合。

圖8D顯示具有一不平背側表面之一基板800D，該不平背側表面包含由基板800C之經蝕刻背側部分806形成之一半球體形凸起部309A、309B陣列。首先，可藉由(例如)剝離來移除該經圖案化遮罩層891A、891B。然後，可藉由將剩餘背側半導體部分806之一表面部分加熱至高於其熔點之一溫度來使該表面部分熔化並回流。在一個或多個實施例中，所熔化之該表面部分包含矽或另一半導體材料。在一個或多個實施例中，可藉由雷射退火至足以熔化矽之一溫度來執行此加熱。該等溝槽之間的所熔化表面部分可回流以形成一大體半球體形凸起部陣列，該等凸起部每一者對應於光敏區域中之一者。

圖8E顯示具有在基板800D之半球體形凸起部309A、309B陣列上方形成之一不平層310A、310B之一基板800E。第一凸起部309A上方之該層之一第一部分可表示一第一電子透鏡310A且第二凸起部309B上方之該層之一第二部分可表示一第二電子透鏡310B。可如先前所闡述形成此不平層310A、310B。

圖9係圖解說明根據本發明之一個或多個實施例之一光偵測器陣列之兩個四-電晶體(4T)像素之實例性像素電路962之一電路圖。該像素電路係實施此兩個像素之一個可能方式。然而，本發明之實施例並不限於4T像素架構。而是，3T設計、5T設計及各種其他像素架構亦適合。

在圖9中，像素Pa及Pb配置成兩個列及一個行。每一像素電路之所圖解說明之實施例包含一光二極體PD、一轉移電晶體T1、一重置電晶體T2、一源極隨耦器(SF)電晶體T3及一選擇電晶體T4。在運作期間，轉移電晶體T1可接收一轉移信號TX，該轉移信號可將光二極體PD中所累積之電荷轉移至一浮動擴散節點FD。在一個實施例中，浮動擴散節點FD可耦合至用於臨時儲存影像電荷之一儲存電容器。

重置電晶體T2耦合於一電源導軌VDD與該浮動擴散節點FD之間以在一重置信號RST之控制下重置像素(例如，將該FD及該PD放電或充電至一預置電壓)。該浮動擴散節點FD經耦合以控制SF電晶體T3之閘極。SF電晶體T3耦合於該電源導軌VDD與選擇電晶體T4之間。SF電晶體T3作為向該浮動擴散FD提供一高阻抗連接之一源極隨耦器運作。選擇電晶體T4在一選擇信號SEL之控制下選擇性地將像素電路之輸出耦合至讀出行線。

在一個實施例中，該TX信號、該RST信號及該SEL信號由控制電路產生。在其中光偵測器陣列與一全域快門一同運作之一實施例中，全域快門信號耦合至整個陣列中之每一轉移電晶體T1之閘極以同時開始電荷自每一像素之光二極體PD之轉移。另一選擇為，滾動快門信號可施加至轉移電晶體T1群組。

圖10係圖解說明根據本發明之一個或多個實施例之一背側照明式影像感測器單元1000之一方塊圖。該影像感測器單元包含一像素陣列1064、讀出電路1066、控制電路1068及功能邏輯1070。在替代實施例中，功能邏輯1070及控制電路1068中之一者或兩者可視情況包含於影像感測器單元之外側。

該像素陣列係一二維(2D)背側照明式像素(例如，像素P1,P2,…Pn)陣列。在一個實施例中，每一像素係一主動像素感測器(APS)，例如一互補金屬氧化物半導體(CMOS)成像像素。如所圖解說明，每一像素配置成一列(例如，列R1至Ry)及一行(例如，行C1至Cx)以獲取一人、地方或物件之影像資料，然後可使用該等影像資料再現該人、地方或物件之一2D影像。

在每一像素已獲取其影像資料或影像電荷之後，該等影像資料由讀出電路1066讀出且轉移至功能邏輯1070。該讀出電路可包含放大電路、類比至數位轉換電路或其他電路。該功能邏輯可僅儲存該等影像資料或甚至藉由應用後影像效果(例如，修剪、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整反差或其他)來操縱該等影像資料。如圖所示，在一個實施例中，該讀出電路可沿讀出行線一次讀出一列影像資料。另一選擇為，該讀出電路可使用各種其他技術(例如，一串列讀出或所有像素同時之一完全並行讀出)來讀出該等影像資料。

控制電路1068耦合至該像素陣列以控制該像素陣列之運作特性。舉例而言，該控制電路可產生用於控制影像獲取之一快門信號。

圖11係圖解說明根據本發明之一個或多個實施例併入有一影像感測器單元1100之一照明與影像捕獲系統1180之一方塊圖。在各種實施例中，該系統可表示或併入於一數位相機、一數位相機電話、一網路相機、一安全相機、一光學滑鼠、一光學顯微鏡或一掃描儀內，此僅為幾個實例。

該系統包含一光源1182，例如多色發光二極體(LED)或其他半導體光源。該光源可向正被成像之一物件1183傳輸光。

由該物件反射之至少某些光可透過一外殼1186之一窗1184到達影像感測器單元1100而返回至該系統。該窗應被廣義地理解為一透鏡、蓋或該外殼之其他透明部分。該影像感測器單元可感測該光且可輸出表示該光或影像之類比影像資料。

一數位處理單元1170可接收該等類比影像資料。該數位處理單元可包含類比至數位(ADC)電路以將該等類比影像資料轉換為對應之數位影像資料。

該等數位影像資料隨後可由軟體/韌體邏輯1188儲存、傳輸或以其他方式操縱。該軟體/韌體邏輯可位於該外殼內或如圖所示位於該外殼外部。

在以上說明中且在申請專利範圍中，術語「耦合」可意指兩個或兩個以上元件直接物理接觸或電接觸。然而，「耦合」可替代地意指兩個或兩個以上元件彼此不直接接觸，但仍(例如)透過一個或多個介入組件或結構共同運作或彼此互動。舉例而言，一電子透鏡可藉助一個或多個介入材料(例如，一平坦化層、一濾色器等)耦合於一表面與一材料之間。

在以上說明中，出於解釋之目的，陳述了大量具體細節以提供對本發明實施例之一透徹理解。然而，熟習此項技術者將明瞭，可在無此等具體細節中之某些細節之情形下實踐其他實施例。提供所闡述之特定實施例並非為了限制本發明而是對其進行圖解說明。本發明之範疇將不由上文提供之具體實例確定而僅由下文申請專利範圍確定。在其他實例中，已以方塊圖形式或未詳細顯示眾所周知之電路、結構、裝置及運作以避免模糊對該說明之理解。

舉例而言，整個本說明書中對「一個實施例(one embodiment)」、「一實施例(an embodiment)」或「一個或多個實施例(one or more embodiments)」之提及意指可包含於本發明之實踐中之一特定特徵。類似地，在本說明中，出於簡化本發明及幫助理解各種發明性態樣之目的，有時在一單個實施例、圖或其闡述中將各種特徵分組在一起。然而，本發明之此方法不應被理解為反映以下之一意圖：本發明要求比每一技術方案中所明確陳述之特徵更多之特徵。而是，如以下申請專利範圍所反映，發明性態樣可在於少於一單個所揭示實施例之所有特徵。因此，具體實施方式之後的申請專利範圍在此明確併入本具體實施方式中，其中每一技術方案獨立地作為本發明之一單獨實施例。

100．．．光偵測器

102．．．光收集表面

103．．．光

104．．．光敏區域

106．．．基板

108．．．材料

110．．．電子透鏡

112．．．力線

114．．．第一主表面

116．．．第二主表面

300．．．光偵測器陣列

302A．．．背側表面

302B．．．背側表面

303．．．前側表面

304A．．．光敏區域

304B．．．光敏區域

306．．．基板

308A．．．材料

308B．．．材料

309A．．．半球體形凸起部或凸面

309B．．．半球體形凸起部或凸面

310A．．．凹入部分/電子透鏡

310B．．．凹入部分/電子透鏡

310．．．不平層

314．．．凹表面

316．．．凸表面

330A．．．微透鏡

330B．．．微透鏡

332．．．平坦化層

334A．．．濾色器

334B．．．濾色器

336．．．平坦化層

338．．．淺溝槽隔離

340．．．釘紮層

342．．．前側互連部分

358．．．STI(淺溝槽隔離)

400．．．光偵測器陣列

409A．．．凸起部

409B．．．凸起部

410A．．．凹入部分/電子透鏡

410B．．．凹入部分/電子透鏡

410．．．不平層

414．．．凹入表面

500．．．光偵測器陣列

510A．．．凹入部分/電子透鏡

510B．．．凹入部分/電子透鏡

510．．．不平層

544．．．電洞累積區域

700A．．．基板

700B．．．基板

700C．．．基板

700D．．．基板

700E．．．基板

756．．．層

758A．．．可回流材料部分

758B．．．半球體形可回流材料部分

760A．．．半球體形可回流材料凸起部

760B．．．半球體形可回流材料凸起部

800A．．．基板

800B．．．基板

800C．．．基板

800D．．．基板

800E．．．基板

806．．．背側部分

890．．．遮罩層

891A．．．經圖案化遮罩層

891B．．．經圖案化遮罩層

892A．．．凹槽

892B．．．凹槽

892C．．．凹槽

962．．．像素電路

1000．．．背側照明式影像感測器單元

1064．．．像素陣列

1066．．．讀出電路

1068．．．控制電路

1070．．．功能邏輯

1100．．．影像感測器單元

1170．．．數位處理單元

1180．．．照明與影像捕獲系統

1182．．．光源

1183．．．物件

1184．．．窗

1186．．．外殼

1188．．．軟體/韌體邏輯

參照以上說明及以下附圖可最好地理解本發明，下列附圖用於圖解說明本發明之實施例。圖式中：

圖1係根據本發明實施例之光偵測器之一剖面側視圖；

圖2係根據本發明實施例之使用一光偵測器之一方法之一方塊流程圖；

圖3係根據本發明之一個或多個實施例之一光偵測器陣列之一剖面側視圖；

圖4係根據本發明之一個或多個實施例之另一光偵測器陣列之一剖面側視圖；

圖5係根據本發明之一個或多個實施例之再一光偵測器陣列之一剖面側視圖；

圖6係根據本發明實施例之製造或製作一光偵測器陣列之一方法之一方塊流程圖；

圖7A至7E圖解說明根據本發明之一個或多個實施例實施圖6之方法時所形成之各種結構；

圖8A至8E圖解說明根據本發明之一個或多個其他實施例實施圖6之方法時所形成之各種結構；

圖9係圖解說明根據本發明之一個或多個實施例之一光偵測器陣列之兩個像素之實例性像素電路之一電路圖；

圖10係圖解說明根據本發明之一個或多個實施例之一影像感測器單元之一方塊圖；及

圖11係圖解說明根據本發明之一個或多個實施例之併入有一影像感測器之一照明與影像捕獲系統之一方塊圖。