TWI419311B - 影像感測器之自校濾波器 - Google Patents
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Description
本發明之實施例係關於影像感測器，且特定而言係關於用於影像感測器之色彩濾波器。
一般而言，習用影像感測器在產生影像方面功能優良。可使用一互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術來製造一典型影像感測器。電荷耦合裝置(CCD)技術亦適合於製造一典型影像感測器。
然而，習用影像感測器遭受某些限制。當該影像感測器具有一相對低靈敏度時，該影像感測器不收集足夠的光。結果係經再現影像可能太暗。當裝置按比例縮小得越來越小時低靈敏度尤其麻煩。一個低靈敏度源係在具有較小像素之裝置中，其可難於使光進入至該等較小像素中。
影像感測器之另一限制係關於串擾。當為一個像素指定的光進入一毗鄰像素時發生串擾。例如，來自一紅色像素的光可耦合至一綠色像素或一藍色像素中。類似地，為一白色像素指定之光可耦合至一黑色像素中。其結果係可致使一降格之影像再現之雜訊。
在以下闡述中，呈現(舉例而言)諸如特定製程、材料、裝置等之大量具體細節以提供對本發明之實施例之一透徹理解。然而，熟習相關技術者應認識到，可在不具有一個或多個該等具體細節之情形下或用其他方法、組件等實踐本發明之實施例。在其他實例中，不顯示或詳細闡述結構或作業以避免使對此闡述之理解模糊。
整個此說明書中凡提及「一個實施例」或「一實施例」皆意指結合一實施例所述之一特定特徵、結構、製程、區塊或特性包含於本發明之至少一個實施例中。因此，整個此說明書中多處出現之「在一個實施例中」或「在一實施例中」等詞組未必均意指該等詞組全部係指同一實施例。特定特徵、結構或特性可以任一適合方式組合在一個或多個實施例中。
根據本發明之某些實施例，一影像感測器可具有至少一個設置在一半導體基板中之光敏元件。複數個金屬導體可設置在該半導體基板上。一濾波器可設置在該複數個金屬導體中之至少兩者之間且一微透鏡可設置在該濾波器上。可在該複數個金屬導體與該半導體基板之間及/或在該複數個金屬導體中之兩者之間設置絕緣體材料。可將該複數個金屬導體之間的絕緣體材料移除以使得該濾波器可設置在該複數個金屬導體之間。該濾波器可大致延伸至該半導體基板之表面。在該複數個金屬導體與該濾波器之間亦可存在一鈍化層。所得像素可具有在該影像感測器製造期間在光敏元件上方自校之濾波器。
影像感測器可如下運作。微透鏡可將光聚焦至設置在該複數個金屬導體之間的濾波器。濾波器可大致濾除掉具有在其光譜範圍外部之波長的光。光敏元件可偵測來自濾波器的光，其可將該光轉變為一電信號。
對於某些實施例，濾波器可係一色彩濾波器、一黑色濾波器、一白色濾波器等。半導體基板可係一矽基板。絕緣體材料可係氧化矽。鈍化層可係氮化矽。
本發明之實施例之一個優點在於：由於濾波器在光敏元件上方自校，因此可降低像素間之串擾。本發明之實施例之另一優點在於：由於濾波器係放置在金屬導體之間而非放置在金屬導體或構成影像感測器之其他層之表面上，因此可在不增加像素堆疊之整體高度之情況下使用一較厚濾波器。即，可增加構成像素之材料層之高度而不增加微透鏡與基板表面之間的距離。本發明之其他特徵及優點自所附圖式及自以下詳細闡述將顯而易見。
圖1係一圖解說明根據本發明之一實施例以一圖案配置在一影像感測器100中一光敏元件陣列上方之自校濾波器之側視圖。一般而言，影像感測器100包含在一基板101中配置成一二維列及行陣列之數個光敏元件。在所圖解說明之實施例中，存在三個光敏元件102、104及106，其顯示為光電二極體102、104及106。當然，該陣列可包含多於數千個列及/或行，或更多。類似地，該陣列可具有一除行及列以外之配置。
基板101可係一半導體基板。對於某些實施例，基板101係一經摻雜矽基板。
每一光敏元件102、104及106通常將光轉變成一與所偵測之光的強度成比例之電信號。該光敏元件可係一光電二極體或其他固態裝置。同樣亦可利用其他光敏元件。所得像素可包含諸如(例如)一個或多個CMOS電晶體(未顯示)之放大及讀出電路。所得像素可係具有大約1.75微米或更小之大小的裝置。另一選擇為，所得像素可較大。出於清楚之目的，僅圖解說明用於光敏元件102、104及106之參考編號。可以任一適合已知方式將光敏元件102、104及106設置在基板101中。
一般而言，影像感測器100中之一個別像素可包含一包含金屬層、平面化層等之多個層堆疊。在所圖解說明之實施例中，影像感測器100包含一具有設置在一介電材料108中之M1金屬導體之第一金屬層。可沈積及/或生長介電材料108以填充M1金屬導體之間的間隙，且可向下拋光介電材料108至M1金屬導體。介電材料108可使M1金屬導體與基板101絕緣。
介電材料108可係諸如一氧化物之任一絕緣體。對於某些實施例，該介電材料可係一氧化矽。
M1金屬導體可係銅、鋁、一鋁銅混合物、鎢或適合於傳送一信號之其他金屬。
在所圖解說明之實施例中，影像感測器100包含一具有設置在一介電材料110中之M2金屬導體之第二金屬層。可沈積及/或生長介電材料110以填充M2金屬導體之間的間隙，且可向下拋光介電材料110至M2金屬導體。介電材料110可使M1金屬導體與M2金屬導體絕緣。
介電材料110可係諸如一氧化物或一氮化物之任一絕緣體。對於某些實施例，該介電材料可係一氧化矽、一氮化矽或其他無機介電材料。對於其他實施例，可使用諸如有機電介質之有機介電材料低k電介質。
M2金屬導體可係銅、鋁、一鋁銅混合物或適合於傳送一信號之其他金屬，諸如鎢。
在所圖解說明之實施例中，影像感測器100包含一具有設置在一介電材料112中之M3金屬導體之第三金屬層。對於某些實施例，可沈積及/或生長介電材料112以填充M3金屬導體之間的間隙，且可向下拋光介電材料110至M3金屬導體。介電材料110可使M3金屬導體與M2金屬導體絕緣。
介電材料110可係諸如一氧化物或一氮化物之任一絕緣體。對於某些實施例，該介電材料可係一氧化矽、氮化矽或其他無機介電材料。對於其他實施例，可使用諸如有機電介質之有機介電材料低k電介質。
M3金屬導體可係銅、鋁、一鋁銅混合物、鎢或適合於傳送一信號之其他金屬。
對於某些實施例，可將金屬導體之間的介電材料移除並可將濾波器設置在該等金屬導體之間。在所圖解說明之實施例中，移除M3金屬導體之間的介電材料112。在M3金屬導體及剩餘介電材料112上設置一鈍化層114。同樣在所圖解說明之實施例中，在M3金屬導體之間於鈍化層114上設置濾波器。可使濾波器與光敏元件對準以使得一濾波器116與光敏元件102對準、一濾波器118與光敏元件104對準且一濾波器120與光敏元件106對準。點線130指示該等濾波器與該等光敏元件之對準。
鈍化層114可係一氮化物、一氧化物或適合於保護M3金屬導體之其他材料。對於某些實施例，鈍化層可係一氮化矽。
可將濾波器116、118及120配置成任一適合圖案。在一其中濾波器116、118及120係色彩濾波器之實施例中，可將濾波器116、118及120配置成一拜耳(Bayer)圖案。在所圖解說明之實施例中，濾波器116係一藍色濾波器，其中大致允許藍色光穿過但阻擋可見光譜中之大致所有其他光；濾波器118係一綠色濾波器，其中大致允許綠色光穿過但阻擋可見光譜中之大致所有其他光；且濾波器120係一紅色濾波器，其中大致允許紅色光穿過但阻擋可見光譜中之大致所有其他光。對於其他實施例，該等濾波器可係藍綠色、紅紫色、黃色或其他適合濾波器。
濾波器116、118及120可由任一適合材料製成。一種適合材料係丙烯酸樹脂。經著色或染色之聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PGMA)適合於其中濾波器係色彩濾波器之實施例。其他可染色或著色之光阻劑類材料亦可用於其中濾波器係色彩濾波器之實施例。
對於某些實施例，可增加鈍化層114之厚度以使用於濾波器之區域較淺從而濾波器可係較薄。另一選擇為，可較深地蝕刻介電層112以使用於濾波器之區域較深從而濾波器可係較厚。
對於某些實施例，將微透鏡設置在該等濾波器上。在所圖解說明之實施例中，在濾波器116上設置一微透鏡122，在濾波器118上設置一微透鏡124且在濾波器120上設置一微透鏡126。微透鏡使入射光聚焦在光敏元件上以使得微透鏡122使入射光聚焦至光敏元件102、微透鏡124使入射光聚焦至光敏元件104且微透鏡126使入射光聚焦至光敏元件106。可使用任一適合沈積、蝕刻或遮蔽技術，以及平面化、加熱、回流、化學氣相沈積(CVD)、電漿加強化學氣相沈積(PECVD)或其他適合技術等來設置微透鏡以及濾波器及鈍化層。
在習用影像感測器中，像素堆疊中之多個層係大致平坦且將濾波器設置在該平坦部分上。使濾波器設置在金屬導體之間之一個優點在於：入射光必須傳播到達光敏元件之距離小於習用影像感測器之距離。在根據本發明之實施例移除介電材料之金屬導體之間的部分之情形下，濾波器離基板之表面更近且光自濾波器傳播至基板之距離因此更小。
在所圖解說明之實施例中，將濾波器顯示為設置在第三金屬層上之M3金屬導體之間。然而，根據本發明之實施例，可將濾波器設置在任一金屬層上之金屬導體之間，舉例而言，諸如離基板最近之金屬層。即，根據本發明之實施例，可將濾波器設置在第一金屬層上之M1金屬導體之間。另一選擇稱，第一及第二金屬層係任選，且影像感測器可僅具有一單個金屬層，其中一個或多個濾波器設置在金屬導體之間。
注意，在圖1中濾波器與鈍化層114之表面齊平。圖2係一圖解說明根據本發明之一替代實施例以一圖案配置在一影像感測器200中一光敏元件陣列上方之自校濾波器的側視圖，其中該等濾波器具有設置在鈍化層114上之凸緣。在所圖解說明之實施例中，影像感測器200包含如上文所述之介電材料108、基板101、介電材料110、介電材料112、M1金屬導體、M2金屬導體、M3金屬導體及鈍化層114。同樣如上文所述，可移除M3金屬導體之間的介電材料112，且可在M3金屬導體及剩餘介電材料112上設置鈍化層114。在M3金屬導體之間將濾波器設置在鈍化層114上並使其與光敏元件對準以使得濾波器116與光敏元件102對準、濾波器118與光敏元件104對準且濾波器120與光敏元件106對準。
在圖2中所圖解說明之實施例中，濾波器116具有一凸緣217，濾波器118具有一凸緣219且濾波器120具有一凸緣221。該等凸緣設置在設置於M3金屬導體上之鈍化層114之部分上。
對於某些實施例，濾波器可延伸至金屬3層與基板101之表面之間的任一點，諸如其可延伸至金屬2層或至金屬1層。另一選擇為，濾波器可延伸遠至基板101之表面。
圖3係一圖解說明根據本發明之一實施例以一圖案配置在一影像感測器300中一光敏元件陣列上方之自校濾波器的側視圖，其中該等濾波器大致延伸至基板101之表面。在所圖解說明之實施例中，影像感測器300包含如上文所述之介電材料108、基板101、介電材料110、介電材料112、M1金屬導體、M2金屬導體、M3金屬導體及鈍化層114。同樣如上文所述，可移除M3金屬導體之間的介電材料112，且可在M3金屬導體及剩餘介電材料112上設置鈍化層114。
在M3金屬導體之間將濾波器設置於鈍化層114上並使其與光敏元件對準以使得一濾波器316與光敏元件102對準、一濾波器318與光敏元件104對準且一濾波器320與光敏元件106對準。在圖3中所圖解說明之實施例中，濾波器316、318及320大致延伸至半導體基板101之表面。
對於某些實施例，具有凸緣之濾波器可延伸至金屬3層與基板101之表面之間的任一點，諸如其可延伸至金屬2層或至金屬1層。另一選擇為，濾波器可延伸遠至基板101之表面。
圖4係一圖解說明根據本發明之一實施例以一圖案配置在一影像感測器400中一光敏元件陣列上方之自校濾波器的側視圖，其中該等濾波器具有凸緣且該等濾波器大致延伸至基板101之表面。在所圖解說明之實施例中，影像感測器400包含如上文所述之介電材料108、基板101、介電材料110、介電材料112、M1金屬導體、M2金屬導體、M3金屬導體及鈍化層114。同樣如上文所述，可移除M3金屬導體之間的介電材料112，且可在M3金屬導體及剩餘介電材料112上設置鈍化層114。
在M3金屬導體之間將濾波器設置於鈍化層114上並使其與光敏元件對準以使得具有一凸緣417之一濾波器416與光敏元件102對準、具有一凸緣419之一濾波器418與光敏元件104對準且具有一凸緣421之一濾波器420與光敏元件106對準。在圖3中所圖解說明之實施例中，濾波器416、418及420大致延伸至半導體基板101之表面。
圖5係一圖解說明根據本發明之一替代實施例以一圖案配置在一影像感測器500中一光敏元件陣列上方之自校色彩濾波器的側視圖，其中該等濾波器在第三金屬層上方設置於M3金屬導體之間的一間隙中。在所圖解說明之實施例中，將介電材料108設置在基板101上，將介電材料110設置在介電材料108上且將介電材料112設置在介電材料110上。同樣在所圖解說明之實施例中，將M1金屬導體設置在介電材料108中且將2金屬導體設置在介電材料110中。
在所圖解說明之實施例中，將一介電材料512設置在M3金屬導體上及介電層110上。對於某些實施例，可使用氧化矽(SiO2
)之高密度電漿(HDP)化學氣相沈積(CVD)將介電材料512設置在M3金屬導體上。高密度電漿(HDP)化學氣相沈積(CVD)可將矽烷(SiH4
)氣體及氧氣體作為反應物用於一氬濺射。沈積及濺射蝕刻可同時發生。所得的M3金屬導體上之介電材料512之橫截面可係一三角形或梯形形狀540、542及544，且沈積在M3金屬導體之間的介電材料512可係大致平坦或平面。沈積厚度或沈積/濺射比率將確定介電材料512之剖面。在所圖解說明之實施例中，在M3金屬導體之間的介電材料512中存在一微小凹陷。可使用更多濺射以達成M3金屬導體之間的介電材料512之該凹陷部分。
在所圖解說明之實施例中，一鈍化層514設置在介電材料512之三角形/梯形540、542及544上。鈍化層還設置在介電材料512之位於M3金屬導體之間的平面部分上。鈍化層514可係氮化矽(Si2
N3
)或適合於鈍化之其他材料。
在所圖解說明之實施例中，將一濾波器516及一微透鏡520設置在由介電材料512之三角形/梯形540及鈍化層514形成之一峰550與由介電材料512之三角形/梯形542及鈍化層514形成之一峰552之間。濾波器516(及微透鏡520)在光敏元件104上方自校。對於某些實施例，濾波器516之形狀用於使入射光更轉向光敏元件104。此外，鈍化層514可具有一高於濾波器516之折射率之折射率。折射率差異亦可有助於使光進一步轉向光敏元件104。微透鏡522可使入射光聚焦在濾波器516上且向下到達光敏元件104。
在所圖解說明之實施例中，將一濾波器518及一微透鏡522設置在由介電材料512之三角形/梯形542及鈍化層514形成之一峰552與由介電材料512之三角形/梯形544及鈍化層514形成之一峰554之間。濾波器518(及微透鏡522)在光敏元件106上方自校。對於某些實施例，濾波器518之形狀用於使入射光更轉向光敏元件106。此外，鈍化層514可具有一高於濾波器518之折射率之折射率。折射率差異亦可有助於使光進一步轉向光敏元件106。微透鏡522可使入射光聚焦在濾波器518上且向下到達光敏元件106。
當然，影像感測器500可具有其他峰，諸如峰549。可將一濾波器515及一微透鏡519設置在峰549與峰550之間。
對於某些實施例，影像感測器500可具有一設置在該等峰之間的微透鏡上的墊氧化物材料530。可使用化學機械平面化(CMP)技術來使影像感測器500表面平面化。
使濾波器設置在峰之間並在其相應光敏元件上方對準之一優點係藉由峰產生之漏斗狀間隙可形成入射光之一更大開口。此可導致改良影像感測器500之光收集及靈敏度。
可使用硬體、軟體或其一組合實施本發明之實施例。在使用軟體之實施方案中，可將軟體或機器可讀資料儲存在一機器可存取媒體上。該機器可讀資料可用於致使一(舉例而言)諸如一處理器(未顯示)之機器執行本文中之方法及製程。一機器可讀媒體包含可適於以一機器(例如，一電腦、網路裝置、個人數位助理、製造工具、任一具有一組一個或多個處理器的裝置等)可存取之形式儲存及/或傳輸資訊之任一機構。舉例而言，一機器可讀媒體包含可緑式及不可緑式媒體(例如，唯讀(ROM)、隨機存取(RAM)、磁碟儲存媒體、光儲存媒體、快閃裝置等)。
不應將下文申請專利範圍中所用術語解釋為將本發明之實施例限定於說明書及申請專利範圍中所揭示之具體實施例。相反，本發明之實施例之範疇將完全由下文申請專利範圍來確定，而申請專利範圍應根據申請專利範圍詮釋所確立的原則來加以解釋。
100．．．影像感測器
101‧‧‧基板
102‧‧‧光敏元件
104‧‧‧光敏元件
106‧‧‧光敏元件
108‧‧‧介電材料
110‧‧‧介電材料
112‧‧‧介電材料
114‧‧‧鈍化層
116‧‧‧濾波器
118‧‧‧濾波器
120‧‧‧濾波器
122‧‧‧微透鏡
124‧‧‧微透鏡
126‧‧‧微透鏡
M1‧‧‧金屬導體
M2‧‧‧金屬導體
M3‧‧‧金屬導體
200‧‧‧影像感測器
217‧‧‧凸緣
219‧‧‧凸緣
221‧‧‧凸緣
300‧‧‧影像感測器
316‧‧‧濾波器
318‧‧‧濾波器
320．．．濾波器
400．．．影像感測器
416．．．濾波器
417．．．凸緣
418．．．濾波器
419．．．凸緣
420．．．濾波器
421．．．凸緣
500．．．影像感測器
512．．．介電材料
514．．．鈍化層
515．．．濾波器
516．．．濾波器
518．．．濾波器
519．．．微透鏡
520．．．微透鏡
522．．．微透鏡
530．．．墊氧化物材料
549．．．峰
550．．．峰
552．．．峰
554．．．峰
在圖式中，相同參考編號一般而言指示相同、功能類似及/或結構等效之元件。一元件首先出現的圖式由參考編號中最左邊的一個或多個數位指示，其中：
圖1係一圖解說明根據本發明之一實施例以一圖案配置在一影像感測器中一光敏元件陣列上方之自校色彩濾波器之側視圖，其中該等濾波器與鈍化層齊平；
圖2係一圖解說明根據本發明之一實施例以一圖案配置在一影像感測器中一光敏元件陣列上方之自校濾波器之側視圖，其中該等濾波器具有設置在鈍化層上之凸緣；
圖3係一圖解說明根據本發明之一實施例以一圖案配置在一影像感測器中一光敏元件陣列上方之自校濾波器之側視圖，其中該等濾波器大致延伸至半導體基板並具有設置在鈍化層上之凸緣；
圖4係一圖解說明根據本發明之一實施例以一圖案配置在一影像感測器中一光敏元件陣列上方之自校濾波器之側視圖，其中該等濾波器與鈍化層齊平且大致延伸至基板；且
圖5係一圖解說明根據本發明之一替代實施例以一圖案配置在一影像感測器中一光敏元件陣列上方之自校濾波器之側視圖，其中該等濾波器係設置在設置於金屬導體上的峰之間的一間隙中。
100．．．影像感測器
101．．．基板
102．．．光敏元件
104．．．光敏元件
106．．．光敏元件
108．．．介電材料
110．．．介電材料
112．．．介電材料
114．．．鈍化層
116．．．濾波器
118．．．濾波器
120．．．濾波器
122．．．微透鏡
124．．．微透鏡
126．．．微透鏡
M1．．．金屬導體
M2．．．金屬導體
M3．．．金屬導體
Claims (10)
- 一種影像感測器，其包括：一半導體基板，其具有至少一設置在其中之光敏元件；複數個金屬導體，其設置在該半導體基板上；一色彩濾波器，其設置在該複數個金屬導體中之至少兩者之間，以使該色彩濾波器之一部分延伸於該複數個金屬導體之至少一者之一最上層表面之下；及一鈍化層，其設置在該複數個金屬導體上，其中該色彩濾波器包含一凸緣，該凸緣直接設置在該鈍化層上，其中該凸緣之一頂表面或底表面之任何部分皆未接觸該影像感測器之一相鄰色彩濾波器之一凸緣之一頂表面或底表面，且其中在該凸緣處的該色彩濾波器之一厚度小於直接在該光敏元件之上的該色彩濾波器之一厚度。
- 如請求項1之影像感測器，其中該濾波器包括一色彩濾波器。
- 如請求項1之影像感測器，其進一步包括一設置在該濾波器與該介電材料與該複數個金屬導體之間的鈍化層，其中該鈍化層包括一氮化物、一氧化物及氮化矽中之一被選擇者。
- 如請求項3之影像感測器，其中該間隙延伸至該半導體基板之一表面，且其中該鈍化層延伸至該間隙中至該基板之該表面以使得該濾波器僅藉由該鈍化層與該光敏元件分離。
- 如請求項1之影像感測器，其進一步包括一設置在該濾波器上之微透鏡。
- 如請求項1之影像感測器，其進一步包括一峰，該峰形成於該複數個金屬導體中之該至少兩者之每一者上以使得該間隙且因此該濾波器根據該峰形成角度。
- 一種製造一影像感測器之方法，其包括：在一半導體基板中形成至少一光敏元件；在該半導體基板上沈積複數個金屬導體；在該複數個金屬導體中之至少兩者之間沈積一色彩濾波器，以使該色彩濾波器之一部分延伸於該複數個金屬導體之至少一者之一最上層表面之下；及設置一在該複數個金屬導體上之鈍化層，其中該色彩濾波器包含一凸緣，該凸緣直接設置在該鈍化層上，其中該凸緣之一頂表面或底表面之任何部分皆未接觸該影像感測器之一相鄰色彩濾波器之一凸緣之一頂表面或底表面，且其中在該凸緣處的該色彩濾波器之一厚度小於直接在該光敏元件之上的該色彩濾波器之一厚度。
- 如請求項7之方法，其進一步包括在該濾波器上形成一微透鏡。
- 如請求項7之方法，其進一步包括在該複數個金屬導體中之該至少兩者之每一者上形成一峰以使得該間隙且因此該濾波器根據該峰形成角度。
- 如請求項9之方法，其中形成該峰包括使用高密度電漿化學氣相沈積來沈積一介電材料。
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