TWI460848B - 影像感測反射器 - Google Patents

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TWI460848B
TWI460848B TW098101078A TW98101078A TWI460848B TW I460848 B TWI460848 B TW I460848B TW 098101078 A TW098101078 A TW 098101078A TW 98101078 A TW98101078 A TW 98101078A TW I460848 B TWI460848 B TW I460848B
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Description

影像感測反射器
本發明一般係關於影像電路，更具體而言，但不限於，關於影像感測器。
積體電路已被研發以減小用於實施電路系統之元件的尺寸。舉例來說，積體電路利用越來越小的設計特徵，其能減少用於實施該電路系統的面積，使得現在該等設計特徵正好在可見光之波長中。由於影像感測器及作為一感測陣列之部分的個別像素的不斷縮小之尺寸，重要的係更有效地擷取照射該感測陣列的入射光。因此，更有效地擷取入射光有助於維持或改善由不斷縮小尺寸之該等感測陣列擷取的電子影像之品質。
本文描述一種影像感測反射器之實施例。在如下描述中提到多個具體細節以提供該等實施例之一透徹的理解。然而，熟習相關技術者將瞭解此處描述之該等技術可被實踐而不具有一個或更多個該等具體細節，或具有其他方法、元件、材料等。在其他情況下，熟知的結構、材料或操作未被詳細顯示或描述以避免混淆某些態樣。
貫穿此說明書，對「一個實施例」或「一實施例」的引用意為一種聯繫該實施例而描述的特定特徵、結構、或特性被包含於本發明之至少一個實施例中。因此，在此說明的多個地方，用語「在一個實施例中」或「在一實施例中」的出現不必都涉及該相同的實施例。此外，在一個或更多個實施例中，該等特定的特徵、結構或特性可以任何適當之方式組合。使用於此之術語「或」通常意為包含一種包含性功能的意思，例如「及/或」。
總體而言，積體電路包括用於多種應用的電路系統。該等應用使用多種裝置，例如邏輯裝置、成像器(包含CMOS及CCD成像器)及記憶體(例如DRAM以及基於NOR及NAND的快閃記憶體裝置)。此等裝置通常利用電晶體以發揮多種功能，包含信號之切換及放大。
電晶體通常藉由執行於一矽基板上的光刻製程而形成於積體電路中。該等製程包含諸如將一光阻層施加至該基板、使用光(包含深紫外波長)將該光阻層曝光至一圖案、藉由蝕刻移除該光阻層之該曝光部分(或非曝光部分，仰賴於所使用的正光阻或負光阻)及例如藉由沈積或植入附加材料而修改曝光結構的步驟以形成多種用於電子元件(包含電晶體)之結構。
術語「基板」包含使用基於矽、鍺化矽、鍺、砷化鎵及類似物之半導體形成的基板。術語基板亦可涉及已被執行於該基板上以在該基板中形成區域及/或接面的先前製程步驟。術語基板亦可包含多種技術，例如摻雜及未摻雜半導體、矽之外延層及形成於該基板上的其他半導體結構。
化學機械平坦化(CMP)可被執行以提供適於形成附加結構之被修改基板的表面。該等附加結構可藉由執行諸如上述列出的製程步驟而被添加至該基板。
由於作為一感測陣列之部分的個別像素中之該等影像感測器之尺寸日益變小，多種設計嘗試更有效地捕獲照射該感測陣列的入射光。舉例來說，一像素之光感測元件(例如一光電二極體)之面積通常藉由在各個像素上(或之下)配置一微透鏡而被最大化，使得該入射光被更好地聚焦於該光感測元件上。光藉由該微透鏡之聚焦嘗試捕獲通常入射於該像素被該感光元件佔據之該區域之外的一部分上的光(並因此消失及/或「洩露」至其他非目的像素)。
另一種可使用之方法係自該CMOS影像感測器(例如之下)的「背側」收集光。使用該影像感測器之該背側允許光子被收集於一區域中，該區域相對而言未被許多通常用於形成一典型之影像感測器的介電及金屬層阻擋。一種背照式(BSI)影像感測器可藉由使該影像感測器之該矽基板變薄而製成，其可降低入射光在遇到該影像感測器之感測區域之前所穿越的矽之分量。
然而，在使該影像感測器之該基板變薄時，將遭遇在該像素之感光度與(與相鄰像素的)串擾之間做出權衡。舉例來說，當較少地薄化時(其導致較厚的剩餘矽基板)，可提供一用於將光轉換為電子-電洞對的光電二極體之一較大的(體積)區域。當該等電子-電洞對形成(在提供的該較大區域中)為相對遠離該光電二極體空乏區時，形成的該等電子-電洞對更易於由相鄰的光電二極體捕獲。由相鄰光電二極體對形成之該等電子-電洞對的捕獲通常係一種被稱為輝散現象的非所需效應(其導致相鄰的像素看起來比「真實」值更亮)。因此，輝散現象之機率隨著該矽基板之厚度而增加，而感光度隨著較薄之矽基板的使用而減小。
在電子成像器中，來自一被成像之被照明物體的光可自該成像裝置之前側(FSI)或背側(BSI)進入。在該成像裝置的各個像素內，一些入射光係在到達該像素之主動光電二極體之前被吸收，而一些入射光穿透過而不被吸收於該光電二極體中。一反射器有助於將未被吸收之入射光朝該光電二極體重定向。朝該光電二極體反射未被吸收光增加該光電二極體之感光度並降低串擾及輝散現象效應。
根據本發明，一像素陣列利用一基板形成，其中各個像素具有一光電二極體及一用於反射最初未被該光電二極體吸收之入射光。該反射器被定形為具有多個反射角使得最初未被該光電二極體吸收之入射光被聚焦並朝該光電二極體反射。
爲達例示之目的，圖1為一根據本發明之教示的樣本前照式(FSI)影像感測器100之一側視圖。為簡明地顯示，本圖未按比例繪製。總體而言，該影像感測器100包含多個感光元件，該等感光元件係以一個二維列及行的陣列被配置跨過一基板101。該圖顯示三個感光元件102、104及106，其等被顯示為光電二極體102、104、106。該陣列可包含數百或數千個列及/或行，或更多。此外，該陣列可具有一種非直線行及列的配置。
該基板101可為一半導體基板。對於許多實施例來說，該基板101為一種其中形成有感光元件的摻雜矽基板。各個感光元件102、104及106通常將光轉換為與被檢測之光的強度成比例的電信號。各個感光元件可為一光電二極體或其他固態裝置。亦可使用其他感光元件。所得之該等像素可包含例如放大及讀取電路，諸如一個或更多個CMOS電晶體(未顯示)。為清晰明瞭之目的，只有感光元件102、104及106之參考數字被顯示。該等感光元件102、104及106可以任何適當的熟知方式配置於該基板101中。
在該影像感測器100中，一典型的個別像素可包含多個層之一堆疊，該等層包含金屬層、平坦化層及類似物。如圖所示，該影像感測器100包含一第一金屬層，該金屬層具有配置於一介電材料108中的M1導體。對於一些實施例來說，該第一金屬層可被蝕刻成該等M1金屬導體之形狀，且該等M1導體可藉由拋光而平坦化。該介電材料108可被沈積及/或成長以填充該等M1導體間的該等縫隙。該介電材料108可將該等M1導體絕緣於該基板101。該介電材料108可為任何絕緣體，例如氧化物。對於一些實施例而言，該介電材料可為氧化矽。該等M1導體可為銅、鋁、銅鋁混合物或其他適於運送一信號的材料(例如多晶矽)。
如圖所示，該影像感測器100包含一第二金屬層，其具有配置於一介電材料110中的M2導體。對於一些實施例來說，該第二金屬層可被蝕刻成該等M2導體之形狀，且該等M2導體可藉由拋光而平坦化。該介電材料110可被沈積及/或成長以填充該等M2導體間的該等縫隙。該介電材料110可將該等M1金屬導體絕緣於該等M2金屬導體。該介電材料110可為任何絕緣體，例如氧化物。對於一些實施例來說，該介電材料可為氧化矽。該等M2導體可由一種適用於導體M1的材料製成。
此外，濾光器被配置於由介電材料110界定的層之上。該等濾光器可與感光元件對齊使得一濾光器116與感光元件102對齊，一濾光器118與感光元件104對齊，一濾光器120與感光元件106對齊。該等虛線130指示該等濾光器與該等感光元件的對齊。
該等彩色濾光器116、118及120可由任何適用之材料製成。一適用之材料係一種已被上色或染色的丙烯酸，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PGMA)。其他可被上色或染色的光阻型材料亦可被用於彩色濾光器。
在一些實施例中，若干微透鏡被配置於該等濾光器之上。如圖顯示，一微透鏡122被配置於該濾光器116之上，一微透鏡124被配置於該濾光器118之上，且一微透鏡126被配置於該濾光器120之上。該等微透鏡係經配置以將入射光聚焦於該等感光元件上，使得該微透鏡122將入射光聚焦於該感光元件102上，該微透鏡124將入射光聚焦於該感光元件104上，且該微透鏡126將入射光聚焦於該感光元件106上。該等微透鏡、濾光器及其它層可利用適當的沈積、蝕刻、遮罩技術以及平坦化、加熱、回焊、化學汽相沈積(CVD)、電漿增強化學汽相沈積(PECVD)或其他適當技術而配置。
習知上，影像感測器係使用該像素堆疊中大體平坦的層而被製成。根據本發明，一反射器具有一複合形狀(例如凹形、凸形或梯形形狀)，其具有多個將入射光朝該感光元件反射及聚焦的反射角。反射器140朝光電二極體102反射光，反射器142朝光電二極體104反射光，及反射器144朝光電二極體106反射光。
爲達例示之目的，未被光電二極體102吸收之入射光150撞擊反射器140並被向上反射使得該入射光再一次進入光電二極體102以提高該光將被吸收的機率。該反射器之複合形狀具有多個反射角因此該光被更普遍地朝該光電二極體之一中間部位反射。光第二次進入該光電二極體中的潛在路徑大體上長於該光在第一次穿越時的路徑(因此甚至進一步提高吸收機會)。
雖然該反射器可被例如描述為具有凸形截面形狀，但應理解一彎曲凸形形狀可利用複數個平坦表面(例如藉由一梯形截面)而被模擬。該反射器之形成及操作引用如下該等圖式而被更詳細地描述於下。
圖2為一影像感測器之一背照式(BSI)像素之一樣本感測器陣列之一截面圖。陣列200包含像素210、220及230。結構200通常含有至少數千個像素且通常含有多於一百萬個像素。為了顯示的清晰性，三個像素被顯示。各個像素可藉由例如一淺槽隔離(STI)結構205而與其他像素區分開。
各個像素包含藉由介電層分離的金屬化層。一主要介電層包括該等反射器270。該等反射器270可使用描述於下的前側或背側製程(參考圖3-圖5)而形成。其他(中間層)介電層包含例如三個金屬化層用於電連通。
該像素陣列200通常係以一個二維陣列被配置使得一電子影像可回應由各個像素中的光電二極體207捕獲的入射光(240)而形成。各個像素可具有一濾光器250(包含彩色濾光器及紅外線濾光器)使得該電子影像可被用以捕獲彩色影像或增加該像素對例如某個波長之光的感光度。
各個像素亦可具有一與各個像素關聯的微透鏡260，使得該入射光被更直接地引導至該像素中。如圖所示，入射光240(其從背側照明像素220)穿越該微透鏡260及一彩色濾光器250，該彩色濾光器250允許該選定顏色的光穿透過。該光穿越該像素之基板209並進入光電二極體207。在該實例中，該光不被光電二極體207吸收且進入層202，在該層202處該光被反射器270反射。該光係朝向光電二極體207以便被吸收(例如被檢測)。
圖3係一種在一凹形(陰)表面中形成一反射器之樣本方法之截面圖。圖3A包含一基板310，一遮罩320被圖案化於其上。一種濕式蝕刻(例如緩衝氫氟酸)可被使用以等向性蝕刻基板310(例如一矽基板)。該等向性蝕刻導致一具有圓形側壁的凹形表面330。該遮罩320可利用對該遮罩具選擇性的一種蝕刻而移除。
圖3B顯示形成於基板310內的凹形表面330。一反射性層340係跨過該凹形表面330之表面而保形沈積。該反射性層340通常為一種例如鋁或鎢的反射性金屬。該反射性層340可經圖案化及蝕刻以選擇性地導電(例如在一接地平面中)。
圖3C顯示一在其中形成有光電二極體360的沈積層350(例如多晶矽)。如圖所示，入射光370穿透過感光二極體360而不被吸收。該入射光370遇到該反射性層340並朝該光電二極體360反射以被該光電二極體360吸收。
可見上述該方法可利用「前側」處理執行，其中該反射器係形成於該光電二極體之該「背側」上(如圖1之元件140所示)。該方法可利用「背側」處理執行，其中該反射器係形成於該光電二極體之上(例如在前側上)(如圖2之元件270所示)。
圖4係一種在一凹形梯形腔中形成一反射器之樣本方法之截面圖。圖4A包含一基板410，一遮罩420係圖案化於其上。一各向異性濕式蝕刻(例如四甲基氫氧化銨)可被使用以各向異性地蝕刻基板410(例如一矽基板)，其導致一梯形腔430(因為對該矽晶基板之不同方向性的蝕刻率)。該遮罩420可利用對該遮罩具選擇性的一種蝕刻而移除。
圖4B顯示形成於基板410內的梯形腔430。一反射性層440係跨過該梯形腔430之表面而保形沈積。該反射性層440通常為一種例如鋁或鎢的反射金屬。該反射性層440可經圖案化及蝕刻以選擇性地導電(例如在一接地平面中)。
圖4C顯示一在其中形成有光電二極體460的沈積層450(例如多晶矽)。如圖，入射光470穿透過光電二極體460而不被吸收。該入射光470遇到該反射性層440並朝該光電二極體460反射以被該光電二極體460吸收。
可見上述該方法可利用「前側」處理執行，其中該反射器係形成於該光電二極體之該「背側」上(如圖1之元件140所示)。該方法可利用「背側」處理執行，其中該反射器係形成於該光電二極體上(例如在前側上)(如圖2之元件270所示)。
圖5係一種在一凸形(陽)表面上形成一反射器的樣本方法之圖。圖5A為一截面圖，其包含一基板510，一遮罩520被圖案化於其上。圖5F為圖5A之一俯視圖，其顯示孔530為一例如環形(「跑道」)的。一濕式蝕刻(例如緩衝氫氟酸)可被使用以等向性蝕刻基板510(例如一矽基板)，其導致一具有圓形側壁的凹形表面530。該遮罩520可利用對該遮罩具選擇性的一種蝕刻而移除，其以截面顯示一表面，該表面具有一具有相對銳利之邊緣的中間部位，如圖5B之截面圖所示。
在圖5C中，一蝕刻被施加至圖5B之該基板之該表面上。該蝕刻「修圓」該表面之該等相對銳利的邊緣，導致一磨圓的凸形表面535。一反射性層540可跨過該凸形表面535之表面而被非保形地沈積。該反射性層540通常為一種例如鋁或鎢的反射金屬。該反射性層540可經圖案化及蝕刻以選擇性地導電(例如在一接地平面中)。
圖5D顯示該凸反射器之操作。如圖所示，入射光570穿透過光電二極體560而不被吸收。該入射光570被該反射性層540反射回來朝向該光電二極體560以便被該光電二極體560檢測。
在另一實施例中，該反射性層可經保形塗佈。圖5E顯示一跨過凸形基板之表面保形沈積的反射性層580。可增加一平坦化層590以平坦化該所得結構之表面並絕緣該反射性層之金屬。經保形塗佈反射性層580而形成的該反射器可發揮類似於圖5D所描述之該反射器的功能。
可見上述該方法可利用「前側」處理執行，但其中該像素係從該光電二極體之該「背側」照明(如圖2之元件270所示)。該方法可利用「背側」處理執行，其中該像素從該光電二極體之該前側照明(如圖1之元件140所示)。
本發明繪示的實施例之以上描述，包含摘要中描述之內容，並非意圖其為詳盡或將本發明限制為所揭示的精確形式。雖然本發明之具體實施例及實例以說明之目的描述於此，但熟習相關技術者可發現多種修改可在本發明之範圍內。
鑒於如上之詳細描述，可對本發明做出此等修改。以下該等申請專利範圍中使用的該等術語不應被理解為將本發明限制為在本說明書中揭示的該等特定實施例。而本發明之範圍將完全由以下該等申請專利範圍所確定，其等應根據已確立的申請專利範圍解讀原理而被理解。
100．．．影像感測器
101．．．基板
102．．．感光元件
104．．．感光元件
106．．．感光元件
108．．．介電材料
110．．．介電材料
116．．．濾光器
118．．．濾光器
120．．．濾光器
122．．．微透鏡
124．．．微透鏡
126．．．微透鏡
130．．．虛線
140‧‧‧反射器
142‧‧‧反射器
144‧‧‧反射器
200‧‧‧像素陣列
205‧‧‧淺槽隔離結構
207‧‧‧光電二極體
209‧‧‧基板
210‧‧‧像素
220‧‧‧像素
230‧‧‧像素
240‧‧‧入射光
250‧‧‧濾光器
260‧‧‧微透鏡
270‧‧‧反射器
310‧‧‧基板
320‧‧‧遮罩
330‧‧‧表面
340‧‧‧反射性層
350‧‧‧沈積層
360‧‧‧光電二極體
370‧‧‧入射光
410‧‧‧基板
420‧‧‧遮罩
430‧‧‧梯形腔
440‧‧‧反射性層
450‧‧‧沈積層
460‧‧‧光電二極體
470‧‧‧入射光
510‧‧‧基板
520‧‧‧遮罩
530‧‧‧表面
535‧‧‧表面
540‧‧‧反射性層
560‧‧‧光電二極體
570‧‧‧入射光
580‧‧‧反射性層
590‧‧‧平坦化層
M1‧‧‧導體
M2‧‧‧導體
圖1為一樣本前照式(FSI)影像感測器100之一側視圖。
圖2為一影像感測器之一背照式(BSI)像素之一樣本感測器陣列之一截面圖。
圖3，包含圖3A、3B、3C，其等係在一凹形表面中形成一反射器之樣本方法之截面圖。
圖4，包含圖4A、4B、4C，其等係在一凹形梯形腔中形成一反射器之樣本方法之截面圖。
圖5，包含圖5A到5F，其等係在一凸形表面上形成一反射器的樣本方法之圖。
100．．．影像感測器
101．．．基板
102．．．感光元件
104．．．感光元件
106．．．感光元件
108．．．介電材料
110．．．介電材料
116．．．濾光器
118．．．濾光器
120．．．濾光器
122．．．微透鏡
124．．．微透鏡
126．．．微透鏡
130．．．虛線
140．．．反射器
142．．．反射器
144．．．反射器
M1．．．導體
M2．．．導體

Claims (11)

  1. 一種前側照明影像感測器，其包括：一摻雜矽基板層，其具有一複合形狀表面；複數個金屬層之一堆疊，其沈積於該摻雜矽基板層上；一矽層，其沈積於該摻雜矽基板層與複數個金屬層之該堆疊之間，該矽層具有面向複數個金屬層之該堆疊之一光入射側及面對該摻雜矽基板層之一反向側，該矽層沈積於該摻雜矽基板層之該複合形狀表面上且為不同於該摻雜矽基板層之一單一層；複數個感光區域，其沈積於該矽層之內；及複數個反射器，其沈積於位於該複合形狀表面之該摻雜矽基板層與該矽層之間的一界面，其中該等反射器層之至少一側與該摻雜矽基板層之該複合形狀表面一致，其中該等反射器如該光入射側沈積於該矽層之該反向側，其中該複合形狀表面係經定位，俾使光在通過複數個金屬層之該堆疊之後入射該等反射器之該複合形狀表面且該等感光區域係反射回來朝向該該等感光區域。
  2. 如請求項1之前側照明影像感測器，其中該複合形狀表面為凸形。
  3. 如請求項1之前側照明影像感測器，其中該複合形狀表面為凹形。
  4. 如請求項1之前側照明影像感測器，其中該複合形狀表面為梯形。
  5. 如請求項1之前側照明影像感測器，其中該等反射器在形成該感光區域之前形成。
  6. 如請求項1之前側照明影像感測器，其中該等感光區域在形成該等反射器之前形成。
  7. 如請求項1之前側照明影像感測器，其中該等反射器各具有一在該等感光區域之前形成的凸形複合形狀表面。
  8. 如請求項1之前側照明影像感測器，其中該等反射器各具有一在該等感光區域之前形成的凹形複合形狀表面。
  9. 如請求項1之前側照明影像感測器，其中該等反射器各具有一在該等感光區域之前形成的梯形複合形狀表面。
  10. 如請求項1之前側照明影像感測器，其中該等反射器各具有一在前側處理期間形成的凹形複合形狀表面。
  11. 如請求項1之前側照明影像感測器，其中該複合形狀表面在背側處理期間形成。
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