TWI415254B - 具有矽化物光反射層之背面受光成像感測器 - Google Patents
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Description
本發明大體係關於成像感測器，雖不限於，但特定言之，本發明係關於背面受光成像感測器。
本申請案主張2008年2月8日申請之美國臨時申請案第61/027,364號之權利，該案以引用的方式併入本文中。
當今，許多半導體成像感測器是正面受光。亦即，其等包含構建在一半導體晶圓之正面的成像陣列，其中光係自該相同正面接收於成像陣列。然而，正面受光成像感測器有許多缺點，缺點之一是有限的填充因數。
背面受光成像感測器是正面受光成像感測器之一替代物，其解決與正面受光相關之填充因數問題。背面受光成像感測器包含構建在半導體晶圓之正面之成像陣列，但是透過該晶圓之背面接收光。然而，為偵測來自背面的光，晶圓必須非常地薄。為了改良背面受光感測器之靈敏度，彩色濾光器及微透鏡可被納入該晶圓之背面。為了改良靈敏度及減少串擾，晶圓之厚度可被最優化。然而，一般而言，靈敏度愈高導致串擾愈高。亦即，隨著增加最終半導體晶圓厚度，光可藉由晶圓更有效地收集。同時，期望用於一像素之光可能具有到達不期望接收該光之其他像素之較高可能性(或較大機會)。因此，存在需要一具有改良靈敏度之背面受光裝置，其減少串擾。
參考下述圖式描述本發明之非限制及非窮舉實施例，其中除非另有規定，全篇各種視圖中同一參考數字是指同一部分。
本文描述一具有矽化物光反射層之背面受光成像感測器之實施例。在下述描述中陳述大量特定詳細資料以提供實施例之全面理解。然而，熟悉此相關技術者應認識到，可在不使用特定詳細資料之一或多個，或在使用其他方法、組件、材料等等下，實施本文描述之技術。在其他實例中，為了避免某些態樣失焦，並未繪示或詳細描述已熟知之結構、材料或操作。
此說明書中全篇參考「一個實施例」或「一實施例」意旨結合該實施例描述的一特定特徵、結構或特性係包括於本發明的至少一個實施例中。因此，此說明書之全篇各處出現的片語「在一個實施例中」或「在一實施例中」未必都是指同一實施例。而且，特定特徵、結構或特性可以任一適合方式組合在一或多個實施例中。
圖1係根據本發明之實施例繪示一背面受光成像感測器100之方塊圖。成像感測器100之繪示實施例包含一像素陣列105、讀出電路110、功能邏輯115及控制電路120。
像素陣列105是背面受光成像感測器或像素(例如，像素P1,P2...,Pn)之二維("2D")陣列。在一實施例中，每一像素是一主動式像素感測器("APS")，諸如一互補金屬氧化物半導體("CMOS")成像像素。如繪示之，每一像素被配置成一列(例如，列R1至Ry)及一行(例如，行C1至Cx)以獲取人物、位置或物件之影像資料，然後其等可用以呈現人物、位置或物件之2D影像。
在每一像素已獲取其影像資料或影像電荷之後，影像資料被讀出電路110讀出且傳輸至功能邏輯115。讀出電路110可包含放大電路、類比轉數位轉換電路或其他。功能邏輯115可簡單儲存影像資料或甚至藉由應用後置影像效果操縱該影像資料(例如，裁剪、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)。在一實施例中，讀出電路110可沿著(繪示之)讀出行線一次讀出一列影像資料或可使用各種其他技術(沒有繪示)讀出影像資料，諸如同時串行讀出或完全並行讀出全部像素。
控制電路120被耦合至像素陣列105以控制像素陣列105之運行特性。例如，控制電路120可產生一快門訊號用以控制影像擷取。
圖2是一背面受光成像感測器之成像像素200之截面圖。成像像素200之繪示實施例包含一半導體層(亦即，半導體基板205)、一彩色濾光器210、一微透鏡215、一保護氧化物220、一層間電介質225，及一金屬堆疊230。半導體基板205繪示為包含淺渠溝隔離("STI")、光電二極體區域235、一浮動擴散("FD")，及一釘紮層240。金屬堆疊230繪示為包含金屬互連層M1及M2，及金屬間介電層245及250。圖2中亦繪示一傳輸閘極255，側壁間隔物260及一閘極氧化物265已被耦合至傳輸閘極255。
在圖2繪示之實施例中，光電二極體區域235被形成在半導體基板205之正面207上且經組態以接收來自背面209之光。光電二極體區域235被繪示作為經由選用釘紮層240之一釘紮光電二極體。在一實施例中，光電二極體區域235可為一非釘紮光電二極體或一部分釘紮光電二極體。此外，光電二極體區域235可為任一光敏元件，諸如一光閘或光電容器。而且，本文使用之術語像素意指包含所有像素設計，包含CCD像素。
耦合至背面209的是一選用彩色濾光器210以實施彩色感測器及微透鏡215，以使光聚焦到光電二極體區域235上。耦合至正面207的是保護氧化物220及層間電介質225。在一實施例中，層間電介質225是二氧化矽。亦被納入成像像素200中的是傳輸閘極255，傳輸閘極255被耦合以傳輸累積在光電二極體區域235之電荷至浮動擴散ED。在一實施例中，傳輸閘極255是一多晶矽結構。
如圖2中繪示，成像像素200包含金屬堆疊230。金屬堆疊230之繪示實施例包含藉由金屬間介電層245及250分離之兩個金屬層M1及M2。儘管圖2繪示兩層金屬堆疊，但是金屬堆疊230可包含更多或更少金屬層用於路由訊號至基板205之正面207上。在一實施例中，金屬互連層M1及M2是一金屬諸如鋁、銅或其他合金。在一實施例中，經由濺鍍、準直濺鍍、低壓濺鍍、反應性濺鍍、電鍍、化學氣相沈積或蒸發而形成金屬互連層M1及M2。在一實施例中，傳輸閘極255及浮動擴散FD經過一洞、通孔或其他連接構件(沒有顯示)透過保護氧化物220及層間電介質225被電耦合至一或多個金屬互連層M1及M2。在一實施例中，一鈍化層(沒有顯示)被沈積在金屬堆疊230上。
操作期間，微透鏡215接收入射光，其透過彩色濾光器210使光聚焦至背面209且透過基板205藉由光電二極體區域235接收光。回應於接收的光而產生電子電洞對。然後，電子被收集在光電二極體區域235，傳輸至浮動擴散(FD)，且轉換成電訊號。然而，從圖2可見，在光電二極體區域235接收的光之一部分可透過基板205之正面207繼續傳播。在一些實例中，此光繼續進入一或多個金屬間介電層(例如，245及250)且藉由金屬層(例如，M1及M2)反射回來朝向不同(例如，鄰近)像素，其中回應於此不同像素中的反射光於產生一電訊號。光以此方式反射回至一鄰近或不同像素，此處稱為「光串擾」且增加雜訊及降低由一像素陣列產生之合成影像中之品質。
在一實例中，像素200經組態以經由彩色濾光器210實質上僅接收紅色頻率範圍的光，該彩色濾光器210是一紅色彩色濾光器。一鄰近像素(沒有顯示)可經類似組態以經由一綠色彩色濾光器實質上僅接收綠色頻率範圍的光。在此實例中，光被接收在微透鏡215，然後藉由彩色濾光器210過濾成紅色光，然後其中紅色光透過基板205傳播至光電二極體區域235。然後，在光電二極體區域235產生一代表接收之紅色光之電訊號。然後，紅色光之一部分透過正面207繼續傳播且被反射離開金屬互連層M1朝向鄰近像素。現在，在鄰近像素中，不僅回應於通過對應綠色彩色濾光器之綠色光，而且亦回應於自像素200反射之紅色光，而產生電訊號。因此，藉由像素陣列產生之合成影像可能具有由於此光串擾而產生之不準確的色值。亦即，鄰近像素由於組合的綠色光及反射的紅色光可輸出一較高值。額外光串擾可能是由光被反射離開其他金屬互連層，諸如M2而產生。
圖3是根據本發明之實施例之背面受光成像感測器之成像像素300之截面圖。成像像素300是圖1顯示之像素陣列105之至少一像素之一可能實現。成像像素300之繪示實施例包含半導體基板205、彩色濾光器210、微透鏡215、保護氧化物220、層間電介質225、金屬堆疊230，及一矽化物光反射層305。
如圖3所顯示，成像像素300包含沈積在金屬堆疊230與半導體基板205之正面207之間的矽化物光反射層305。為了減少光串擾，矽化物光反射層305係經組態以將透過光電二極體區域235繼續傳播之光反射回後到達同一光電二極體區域235上。在一實施例中，矽化物光反射層305被沈積在保護氧化物220之上。保護氧化物220可被事先形成為一相對薄的厚度，使得矽化物光反射層305非常接近光電二極體區域235以便確保透過光電二極體區域235傳播之光被反射回到同一光電二極體區域235上而不反射到鄰近像素上。在一實施例中，矽化物光反射層305被沈積在光電二極體區域235之上而不是沈積在浮動擴散FD或傳輸閘極255之上。
在一實施例中，矽化物光反射層305是一層矽化物。在此實施例，矽化物層係在保護氧化物220沈積到半導體基板205之正面207上之後形成。首先，一薄層多晶矽被沈積在保護氧化物220上。在一實施例中，多晶矽層之厚度在10奈米與100奈米之間。在一實施例中，然後執行光蝕刻步驟以自除光電二極體區域235上外之其他各處移除多晶矽層。
在一實施例中，多晶矽層之沈積係經組態以減少沿著電晶體間隔物側壁(例如，間隔物260)之多晶矽沈積。例如，多晶矽層之沈積可被組態成更多各向異性而不是各向同性，且後續選擇性蝕刻可包含大量過度蝕刻。保護氧化物220可充作多晶矽層蝕刻之蝕刻停止層。因此，保護氧化物220之厚度可能需要經組態以調節多晶矽層之此過度蝕刻。
在多晶矽層之圖案化之後，保護氧化物220可被圖案化及蝕刻以用於成像像素300之可能期望被矽化之其他區域。然後，繼一典型CMOS處理流程之後形成矽化物。例如，可藉由共同蒸發、濺鍍或真空沈積緊接著熱退火之方法而形成或沈積該矽化物。此等方法可產生一矽化物光反射層305，其是自一金屬與多晶矽反應產生以形成矽化物，或另一選擇為，矽化物光反射層305可為共同沈積之金屬及矽之混合物。在一實例中，矽化物光反射層305可藉由矽化物化(salicidation)之自對準方法形成。
在一實施例中，矽化物光反射層305是一層矽化鎢。在此實施例中，矽化鎢層經由一物理氣相沈積方法非等形地(nonconformally)沈積在保護氧化物220上。因此，在此實施例中，矽化物光反射層305可在典型之矽化物化步驟之後沈積，為成像像素300之製造方法提供更多彈性。在其他實施例中，矽化物光反射層305是一層矽化鈦或矽化鈷。
在成像像素300之操作中，微透鏡215接收入射光，微透鏡215使光穿過彩色濾光器210而聚焦至背面209且該光將穿過基板205而由光電二極體區域235予以接收。然後，回應於接收的光而在光電二極體區域235中產生電訊號，其中此等電訊號係透過金屬堆疊230之一或多個金屬層路由。如先前實例，光電二極體區域235接收的光之一部分可透過基板205之正面207繼續傳播。然而，因為包含矽化物光反射層305，光被反射回至同一光電二極體區域235而不是一鄰近像素。然後，回應於此反射光而在同一光電二極體區域235產生電訊號。因此，在緊密接近半導體基板之正面207處包含矽化物光反射層305實質上防止在一光電二極體區域接收的光反射到另一光電二極體區域，藉此減少上文討論之光串擾。此外，矽化物光反射層305可藉由將已經通過光電二極體區域235之光反射回至同一光電二極體區域而增加光電二極體區域235之靈敏度。
本發明之繪示實施例之上述描述，包含摘要中之描述，不期望窮舉或將本發明限於揭示之精確形式。同時，本文描述之本發明之特定實施例及實例是為說明之目的，熟悉相關技術者應認識到在不脫離本發明之範圍內可進行各種修改。
根據上述詳細描述，可對本發明進行此等修改。用於下述請求項中的術語不應看作將本發明限於說明書中揭示之特定實施例。確切而言，本發明之範圍全部藉由下述請求項決定，應根據申請專利範圍之解釋的建立原則解讀該等請求項。
100．．．背面受光成像感測器
105．．．像素陣列
110．．．讀出電路
115．．．功能邏輯
120．．．控制電路
200．．．成像像素
205．．．半導體基板
207．．．正面
209．．．背面
210．．．彩色濾光器
215．．．微透鏡
220．．．保護氧化物
225．．．層間電介質
230．．．金屬堆疊
235．．．光電二極體區域
240．．．釘紮層
245．．．金屬間介電層
250．．．金屬間介電層
255．．．傳輸閘極
260．．．間隔物
265．．．閘極氧化物
300．．．成像像素
305．．．矽化物光反射層
圖1係根據本發明之實施例繪示一背面受光成像感測器之方塊圖；
圖2是一背面受光成像感測器之成像像素之截面圖；及
圖3是根據本發明之實施例之一背面受光成像感測器之一成像像素之截面圖。
205．．．半導體基板
207．．．正面
209．．．背面
210．．．彩色濾光器
215．．．微透鏡
220．．．保護氧化物
225．．．層間電介質
230．．．金屬堆疊
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240．．．釘紮層
245．．．金屬間介電層
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255．．．傳輸閘極
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300．．．成像像素
305．．．矽化物光反射層
Claims (20)
- 一種背面受光成像感測器，其包含：一半導體層，其具有一正面及一背面，該半導體層具有一成像像素，該成像像素包含形成在該半導體層內的一光電二極體區域；一金屬互連層，其電耦合至該光電二極體區域；一矽化物光反射層，其配置在該金屬互連層與該半導體層之該正面之間，其中該光電二極體區域接收來自該半導體層之該背面之光，其中該接收光之一部分透過該光電二極體區域傳播至該矽化物光反射層，其中該矽化物光反射層係經組態以反射來自該光電二極體區域的該接收光部分；及一保護氧化物，該保護氧化物沈積在該矽化物光反射層與該半導體層之該正面之間。
- 如請求項1之背面受光成像感測器，其中該矽化物光反射層被直接沈積在該保護氧化物之上，其中該矽化物光反射層接近該光電二極體區域以將來自該光電二極體區域的該接收光部分反射回至該光電二極體區域上。
- 如請求項1之背面受光成像感測器，其中該矽化物光反射層經組態以實質上防止來自該光電二極體的該接收光部分反射到一鄰近光電二極體區域上。
- 如請求項1之背面受光成像感測器，其進一步包含一介電層，該介電層沈積在該矽化物光反射層與該金屬互連層之間。
- 如請求項1之背面受光成像感測器，其中該成像像素進一步包含：一浮動擴散區域，其形成在該半導體層之一正面上；及一傳輸閘極，其耦合在該光電二極體區域與該浮動擴散之間；其中該矽化物光反射層被沈積在該光電二極體區域之上而不沈積在該浮動擴散與傳輸閘極之上。
- 如請求項1之背面受光成像感測器，其中該矽化物光反射層是一層矽化鎢。
- 如請求項1之背面受光成像感測器，其中該成像像素是一互補金屬氧化物半導體("CMOS")背面受光成像像素。
- 如請求項1之背面受光成像感測器，其中該矽化物光反射層是一層多晶矽之矽化物。
- 如請求項1之背面受光成像感測器，其中該矽化物光反射層是一層材料，該材料是選自由矽化鈦及矽化鈷組成之群組。
- 如請求項1之背面受光成像感測器，其進一步包含：一微透鏡，其沈積在該半導體層之該背面在該光電二極體區域之下且經光學對準以使光透過該半導體層之該背面聚焦到該光電二極體區域上；及一彩色濾光器，其沈積在該微透鏡與該光電二極體區域之間以過濾該光。
- 如請求項1之背面受光成像感測器，其中該矽化物光反射層是矽化物之一自對準層。
- 一種用於感測影像之方法，其包含： 在一半導體層之一背面接收一光學訊號；透過該半導體層傳輸該光學訊號至在該半導體層內形成的一成像像素之一光電二極體區域；運用該光電二極體區域回應於該光學訊號而產生電訊號，其中該光學訊號之一部分係透過該光電二極體區域傳播至該半導體層之一正面；及使用配置在一金屬互連層與該半導體層之該正面之間的一矽化物光反射層，反射透過該光電二極體區域傳播之該光學訊號之該部分，其中一保護氧化物被配置在該矽化物光反射層與該半導體層之該正面之間。
- 如請求項12之方法，其中使用該矽化物光反射層反射該光學訊號之該部分包含：將該光學訊號之該部分反射到該光電二極體區域上。
- 如請求項12之方法，其中該成像像素是一像素陣列之複數個成像像素之一者，其中每一成像像素包含一光電二極體區域，其中該矽化物光反射層經組態以實質上防止接收自一光電二極體區域之該光學訊號之該部分反射到另一光電二極體區域上。
- 如請求項14之方法，其中該矽化物光反射層是一層多晶矽之矽化物。
- 一種成像感測器，其包含：一半導體層，其具有一正面及一背面，該半導體層具有一背面受光成像像素陣列，其中每一成像像素包含： 一光電二極體區域，其形成在該半導體層內；一金屬互連層，其電耦合至該光電二極體區域一矽化物光反射層，其配置在該金屬互連層與該半導體層之該正面之間，其中該光電二極體區域接收來自該半導體層之該背面之光，其中該接收光之一部分透過該光電二極體區域傳播至該矽化物光反射層，其中該矽化物光反射層係經組態以反射來自該光電二極體區域的該接收光部分；及一保護氧化物，該保護氧化物配置在該矽化物光反射層與該半導體層之該正面之間。
- 如請求項16之成像感測器，其進一步包含一介電層，該介電層配置在該矽化物光反射層與該金屬互連層之間。
- 如請求項16之成像感測器，其中每一成像像素進一步包含：一浮動擴散區域，其形成在該半導體層之該正面上；及一傳輸閘極，其耦合在該光電二極體區域與該浮動擴散之間；其中該矽化物光反射層被配置在該光電二極體區域之上而不是配置在該浮動擴散與傳輸閘極之上。
- 如請求項16之成像感測器，其中每一成像像素是一互補金屬氧化物半導體("CMOS")背面受光成像像素。
- 如請求項16之成像感測器，其中該矽化物光反射層是一層多晶矽之矽化物。
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