TWI624042B - 具有多步蝕刻之光通道 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種影像感測器，其包含安置在一半導體層中之複數個光電二極體、一第一隔離層及一介電質填充物。該介電質填充物安置在該第一隔離層中之一溝渠中，且該第一隔離層安置在該半導體層與該介電質填充物之間。至少一額外隔離層安置成靠近該第一隔離層，且該至少一額外隔離層中之複數個光通道延伸通過該至少一額外隔離層至該介電質填充物。該複數個光通道經安置以將光引導至該複數個光電二極體中。
Description
本發明大體上係關於影像感測器，且特定言之(但非排他地)係關於影像感測器中之光通道之建構。
影像感測器已變得普遍存在。影像感測器在數位相機、蜂巢式電話、安全相機以及醫學、汽車及其他應用中廣泛使用。用於製造影像感測器之技術持續以迅猛速度發展。例如，對更高解析度及更低功耗之需求鼓勵進一步微型化及整合此等裝置。
影像感測器效能直接與到達包含在影像感測器中之光電二極體(且由光電二極體吸收)之光子之數目有關。通常，光電二極體被埋藏在裝置架構之許多層下方。光源與光電二極體之間之額外層可導致入射在影像感測器上之光子散射並阻止光到達光電二極體。因此，在具有裝置架構之許多層之影像感測器中，比最優數目少之光子可到達光電二極體且導致影像品質降級；此係由現代光電二極體之逐漸縮減橫截面面積進一步加劇之問題。
解決此問題之一種方式涉及在影像感測器之表面上形成額外結構以將光引導至光電二極體中。然而，用於製造此等結構之額外處理步驟可導致對下伏電子裝置之損壞或需要許多額外程序步驟。
100‧‧‧影像感測器
101‧‧‧半導體層
103‧‧‧光電二極體
105‧‧‧電隔離結構
107‧‧‧電隔離結構
111‧‧‧第一隔離結構/第一隔離層
113‧‧‧介電質填充物
115‧‧‧轉移閘
117‧‧‧金屬互連件
119‧‧‧額外隔離層
121‧‧‧介電質層
123‧‧‧介電質層
200‧‧‧成像系統
205‧‧‧像素陣列
211‧‧‧讀出電路
215‧‧‧功能邏輯
221‧‧‧控制電路
300‧‧‧程序
301‧‧‧半導體層
303‧‧‧光電二極體
305‧‧‧電隔離結構
307‧‧‧電隔離結構
311‧‧‧第一隔離層
315‧‧‧轉移閘
317‧‧‧金屬電路
319‧‧‧額外隔離層
321‧‧‧層
323‧‧‧層
C1‧‧‧行
C2‧‧‧行
C3‧‧‧行
C4‧‧‧行
C5‧‧‧行
Cx‧‧‧行
P1‧‧‧像素
P2‧‧‧像素
P3‧‧‧像素
Pn‧‧‧像素
R1‧‧‧列
R2‧‧‧列
R3‧‧‧列
R4‧‧‧列
R5‧‧‧列
Rn‧‧‧列
參考以下圖式描述本發明之非限制及非詳盡實例，其中除非另有規定，否則相同參考符號貫穿各個視圖指代相同部分。
圖1係根據本發明之教示之具有光通道之一影像感測器之一實例之一橫截面圖。
圖2係圖解說明根據本發明之教示之包含圖1之具有光通道之影像感測器之一成像系統之一實例之一方塊圖。
圖3A至圖3E展示根據本發明之教示之用於形成具有光通道之一影像感測器之一程序之一實例。
對應參考符號指示圖式之若干視圖中之對應組件。習知此項技術者將明白，圖中之元件係為了簡單清楚起見而圖解說明且不一定按比例繪製。例如，圖中之一些元件之尺寸可相對於其他元件誇大以幫助改良對本發明之各個實施例之理解。並且，商業上可行的實施例中有用或必需之常見但熟知的元件通常並未描繪以促進更容易地查看本發明之此等各個實施例。
本文描述了用於具有光通道之一影像感測器之一設備及方法之實例。在以下描述中，陳述數種特定細節以提供對實例之一徹底理解。然而，習知此項技術者將認識到，本文中描述之技術可在無特定細節中之一或多者之情況下或利用其他方法、組件、材料等來實踐。在其他例項中，並未詳細展示或描述熟知的結構、材料或操作以避免使某些方面模糊。
貫穿本說明書對「一實例」或「一實施例」之引用意謂結合實例描
述之一特定特徵、結構或特性包含在本發明之至少一實例中。因此，「在一實例中」或「在一實施例中」之片語在貫穿本說明書中之各個位置中之出現不一定全部係指相同實例。此外，特定特徵、結構或特性可以任何合適方式組合在一或多個實例中。
貫穿本說明書，使用若干技術術語。此等術語具有其等所處領域中之一般含義，除非在本文中具體定義或其等使用背景另有明確指示。應注意，元件名稱及符號在本文件中係可互換使用的(例如，矽(Si)對矽(silicon))；然而，其等兩者皆具有相同含義。
圖1係具有光通道之一影像感測器100之一實例之一橫截面圖。具有光通道之影像感測器100包含：半導體層101、複數個光電二極體103、第一隔離結構111、介電質填充物113及至少一額外隔離層119。圖1中亦描繪了電隔離結構105及107、轉移閘115、金屬互連件117及至少一額外隔離層119中之個別介電質層121及123。在所描繪之實例中，複數個光電二極體103安置在半導體層101中。介電質填充物113安置在第一隔離層111中之一溝渠中，且第一隔離層111安置在半導體層101與介電質填充物113之間。介電質填充物113與複數個光電二極體103光學地對準。至少一額外隔離層119安置在第一隔離層111上，使得第一隔離層111安置在至少一額外隔離層119與半導體層101之間。在未描繪之一實例中，介電質填充物113可接觸半導體層101及至少一額外隔離層119兩者，使得第一隔離層111並未安置在半導體層101與介電質填充物113之間。複數個光通道被蝕刻在至少一額外隔離層119中，其中複數個光通道延伸通過至少一額外隔離層119至介電質填充物113。在一實例中，複數個光通道經安置以將光引導至複數個光電二極體103中，且介電質填充物113係光學透明的以容
許光穿過介電質填充物113進入複數個光電二極體103中。在另一或相同實例中，介電質填充物113包含一高k介電質材料，且具有比至少一額外隔離層119慢之一蝕刻速率。
在所描繪之實例中，至少一額外隔離層119包含複數個隔離層(諸如個別介電質層121/123)以及金屬互連件117。然而，在另一實例中，至少一額外隔離層119僅包含一單一隔離層而無金屬互連件117。在一實例中，至少一額外隔離層119包含介電質材料，且至少一額外隔離層119之介電常數(k)低於介電質填充物113之一介電常數。
圖1中之實例展示了複數個光通道經光學地對準以將光引導至複數個光電二極體103中。在一實例中，複數個光通道之橫截面面積沿介電質填充物113之方向降低。在此組態中，光進入複數個光通道、自至少一額外隔離層119之側壁反射、透射通過介電質填充物113及第一隔離層111，且由複數個光電二極體103吸收。因此，光通道可幫助將入射光自影像感測器100之表面導引到複數個光電二極體103中，此可改良裝置之效率。
圖2係圖解說明包含影像感測器100(參見圖1)之一成像系統之一實例之一方塊圖。成像系統200包含像素陣列205、控制電路221、讀出電路211及功能邏輯215。在一實例中，影像感測器100包含在一成像系統200中。在一實例中，像素陣列205係光電二極體或影像感測器像素(例如，像素P1、P2、……、Pn)之二維(2D)陣列。如所圖解說明，光電二極體被配置成列(例如，列R1至Ry)及行(例如，行C1至Cx)以獲取一人物、地點、對象等之影像資料，該影像資料可接著用於呈現人物、地點、對象等之一2D影像。
在一實例中，在像素陣列205中之各影像感測器光電二極體/像素獲
取其影像資料或影像電荷之後，影像資料由讀出電路211讀出且接著被轉移至功能邏輯215。讀出電路211可經耦合以自像素陣列205中之複數個光電二極體讀出影像資料。在各個實例中。讀出電路211可包含放大電路、類比轉數位(ADC)轉換電路或其他電路。功能邏輯215可僅僅存儲影像資料或甚至藉由施加後影像效果(例如，裁剪、旋轉、去除紅眼、調整亮度、調整對比度或以其他方式)操縱影像資料。在一實例中，讀出電路211可沿讀出行線一次讀出一列影像資料(所圖解說明)或可使用各種其他技術來讀出影像資料(未圖解說明)，例如串列讀出或同時完全並行讀出所有像素。
在一實例中，控制電路221耦合至像素陣列205以控制像素陣列205中之複數個光電二極體之操作。控制電路221可經組態以控制像素陣列205之操作。例如，控制電路221可產生一快門信號用於控制影像獲取。在一實例中，快門信號係用於同時啟用像素陣列205內之所有像素以在一單一獲取窗期間同時捕捉其等各自影像資料之一全域快門信號。在另一實例中，快門信號係一捲動快門信號使得在連續獲取窗期間循序地啟用各列像素、各行像素或各組像素。在另一實例中，使影像獲取與諸如一閃光之照明效果同步。
在一實例中，成像系統200可包含在一數位相機、蜂巢式電話、膝上型電腦等中。此外，成像系統200可耦合至其他硬體塊，諸如處理器、記憶體元件、輸出(USB埠、無線發射器、HDMI埠等)、照明設備/閃光燈、電輸入(鍵盤、觸摸式顯示器、軌道墊片、滑鼠、麥克風等)及/或顯示器。其他硬體塊可將指令傳送至成像系統200、自成像系統200擷取影像資料或操縱由成像系統200供應之影像資料。
圖3A至圖3E展示了用於形成具有光通道之一影像感測器(例如，具有光通道之影像感測器100)之一程序300之一實例。圖3A至圖3E中之一些或全部出現在程序300中之次序不應被視為限制。實情係，獲益於本發明之一般技術者將瞭解，一些程序可以未圖解說明之各種次序執行或甚至並行執行。
圖3A圖解說明在半導體層301上形成第一隔離層311。在所描繪之實例中，半導體層301已經含有複數個光電二極體303、電隔離結構305/307及轉移閘315。應注意，第一隔離層311可透過包含原子層沈積、化學氣相沈積或分子束磊晶之各種技術形成。在一實例中，電隔離結構305及307可安置在半導體層301中且至少部分包圍複數個光電二極體303中之個別光電二極體。此可防止洩漏電流在複數個光電二極體303中之個別光電二極體之間流動。此外，一浮動擴散區可容置在電隔離結構307內，因此轉移閘315可經定位以將影像電荷自複數個光電二極體303轉移至電隔離結構307中之浮動擴散區中。
圖3B圖解說明蝕刻部分延伸至第一隔離層311中之溝渠，其中溝渠安置在第一隔離層311內靠近複數個光電二極體303。在形成介電質填充物313之準備當中完成蝕刻。蝕刻程序取決於所採用之材料、期望幾何形狀及其他考慮/限制可為乾式或濕式的。
圖3C圖解說明在第一隔離層311中形成介電質填充物313，其中第一隔離層311安置在介電質填充物313與半導體層301之間。介電質填充物313可經由包含化學氣相沈積、分子束磊晶等之數種程序沈積。在未展示之一實例中，經由化學機械拋光等自第一隔離層311之表面去除殘餘介電質填充物313。在一實例中，介電質填充物313係光學透明的且具有高於
第一隔離層311之一介電常數(k)。
第一隔離層311中之介電質填充物313及溝渠可呈現許多形狀/形式。在所描繪之實例中，介電質填充物313之橫截面在第一隔離層311內呈梯形居中於複數個光電二極體303上方。此外，介電質填充物313之最大邊緣大於光溝渠之最窄部分。然而在不同實例中，介電質填充物313之最寬部分可與光溝渠之最窄部分共同延伸。在另一實例中，介電質填充物313之最寬部分可與複數個光電二極體303中之一光電二極體之直徑共同延伸。此可防止對複數個光電二極體303之意外蝕刻損壞。在一實例中，介電質填充物313可延伸越過複數個光電二極體303中之一個別光電二極體及轉移閘315兩者。此組態可容許介電質填充物313防止對光電二極體及轉移閘315兩者之意外蝕刻損壞。在另一實例中，介電質填充物313可延伸越過複數個光電二極體303中之一個別光電二極體、轉移閘315及電隔離結構305/307。換言之，在此實例中，介電質填充物313之最寬長度大於或等於電隔離結構305/307之外側邊緣。
圖3D圖解說明形成至少一額外隔離層319，其中第一隔離層311安置在至少一額外隔離層319與半導體層301之間。在一實例中，形成至少一額外隔離層319包含形成多個循序添加之個別隔離層及/或介電質層321/323。在此實例中，可沈積層321接著沈積層323，且可在層321/323中蝕刻光通道。此程序可重複若干次以形成實際大小之光通道。繼各層沈積之後之蝕刻可容許更好地控制光通道幾何形狀。此外，金屬電路317可連同圖3D中描繪之實例中未展示之其他裝置架構塊一起形成在至少一額外隔離層319中。
圖3E圖解說明在至少一額外隔離層319中蝕刻複數個光通道，其中光
通道延伸通過至少一額外隔離層319至介電質填充物313。換言之，光通道自介電質填充物313延伸通過至少一額外隔離層319。在一實例中，在至少一額外隔離層319中蝕刻複數個光通道包含在各循序添加之額外隔離層(例如，層321/323)中個別地蝕刻複數個光通道。在所描繪之實例中，介電質填充物313具有比至少一額外隔離層319慢之一蝕刻速率。此外，至少一額外隔離層319中之複數個光通道與介電質填充物313及複數個光電二極體303光學地對準，使得光可進入光通道且穿過介電質填充物313並進入複數個光電二極體303。在一實例中，光通道可具有基本上垂直之側或替代地具有具備淺角(例如，與表面法線所成角>20°)之側。
雖然圖3A至圖3E中未描繪，但是在一實例中，光通道可回填有一透明材料。在一實例中，透明材料具有不同於至少一額外隔離層319之一折射率。此可容許在至少一額外隔離層319之表面上製造諸如彩色濾光器層或微透鏡層之裝置架構之額外層。在一實例中，彩色濾光器層包含紅色、綠色及藍色濾光器，其等可被配置為一拜耳(Bayer)圖案、EXR圖案、X變換圖案等。然而，在不同或相同實例中，彩色濾光器層可包含紅外線濾光器、紫外線濾光器或隔離EM光譜之不可見部分之其他彩色濾光器。
在相同或不同實例中，一微透鏡層形成在彩色濾光器層上。微透鏡層可由圖案化在彩色濾光器層之表面上之一光敏聚合物製成。一旦聚合物之矩形塊圖案化在彩色濾光器層之表面上，該等塊就可經熔化(或回流)以形成微透鏡之圓頂狀結構特性。
本發明之所圖解說明實例之以上描述(包含發明摘要中描述之內容)不旨在為詳盡的或將本發明限於所揭示之精確形式。雖然本文中出於闡釋性目的而描述了本發明之具體實例，但是各種修改在本發明之範疇內係可行
的，如習知此項技術者將認識到。
鑑於以上詳細描述可對本發明進行此等修改。所附申請專利範圍中使用之術語不應被解釋為將本發明限於說明書中揭示之具體實例。實情係，本發明之範疇應完全由所附申請專利範圍決定，所附申請專利範圍應根據解釋請求項之既定規則來理解。
Claims (25)
- 一種影像感測器，該影像感測器包括：複數個光電二極體，其等安置在一半導體層中；一第一隔離層及一介電質填充物，其中該介電質填充物安置在該第一隔離層中之一溝渠中，且其中該第一隔離層安置在該半導體層與該介電質填充物之間；至少一額外隔離層，其中該第一隔離層安置在該至少一額外隔離層與該半導體層之間；及該至少一額外隔離層中之複數個光通道，其中該複數個光通道延伸通過該至少一額外隔離層至該介電質填充物，且其中該複數個光通道經安置以將光引導至該複數個光電二極體中，其中該介電質填充物包含一高k介電質材料，且其中該介電質填充物具有比該至少一額外隔離層慢之一蝕刻速率。
- 如請求項1之影像感測器，其中該介電質填充物係光學透明的，且其中該介電質填充物經安置以容許光穿過該介電質填充物進入該複數個光電二極體中。
- 如請求項1之影像感測器，其中該複數個光電二極體、該介電質填充物及該複數個光通道經光學對準以將光引導至該複數個光電二極體中。
- 如請求項1之影像感測器，其中該至少一額外隔離層包含複數個隔離 層。
- 如請求項1之影像感測器，其中該複數個光通道之一橫截面面積沿該介電質填充物之方向降低。
- 如請求項1之影像感測器，其中該至少一額外隔離層包含介電質材料，且其中該至少一額外隔離層之一介電常數(k)低於該介電質填充物之一介電常數。
- 如請求項1之影像感測器，其進一步包括控制電路及讀出電路，其中該控制電路控制該複數個光電二極體之操作且該讀出電路自該複數個光電二極體讀出影像電荷。
- 一種光電偵測器，該光電偵測器包括：一或多個光電二極體，其等安置在一半導體層中；一第一介電質層及一週期性(periodic)之第二介電質層，其中該第一介電質層安置在該第二介電質層與該一或多個光電二極體之間，且其中該第二介電質層與該一或多個光電二極體光學地對準；及一第三介電質層，其中該第一介電質層及該週期性之第二介電質層安置在該第三介電質層與該半導體層之間，且其中該第三介電質層由自該第二介電質層延伸通過該第三介電質層之光通道中斷(punctuated)。
- 如請求項8之光電偵測器，其中該週期性之第二介電質層安置在該第一介電質層中之溝渠中。
- 如請求項8之光電偵測器，其中第三介電質層包含複數個個別介電質層及金屬互連件。
- 如請求項8之光電偵測器，其中該第二介電質層具有高於該第一介電質層之一介電常數(k)，且其中該第二介電質層係光學透明的。
- 如請求項8之光電偵測器，其中該第三介電質層中之該複數個光通道與該第二介電質層及該一或多個光電二極體光學地對準，使得光可進入該光通道且穿過該第二介電質層並進入該一或多個光電二極體。
- 一種影像感測器製造方法，該方法包括：在一半導體層上形成一第一隔離層，其中該半導體層含有複數個光電二極體；在該第一隔離層中形成一介電質填充物，其中該第一隔離層安置在該介電質填充物與該半導體層之間；自該第一隔離層之表面移除實質上所有殘餘介電質填充物；形成至少一額外隔離層，其中該第一隔離層安置在該至少一額外隔離層與該半導體層之間；及在該至少一額外隔離層中蝕刻複數個光通道，其中該等光通道延伸通過該至少一額外隔離層至該介電質填充物。
- 如請求項13之方法，其中在該第一隔離層中形成該介電質填充物包含：在該第一隔離層中蝕刻複數個溝渠，其中該複數個溝渠安置成靠近該複數個光電二極體；及將該介電質填充物沈積在該複數個溝渠中。
- 如請求項13之方法，其中形成該至少一額外隔離層包含形成多個循序添加之額外隔離層。
- 如請求項15之方法，其中在該至少一額外隔離層中蝕刻該複數個光通道包含在各循序添加之額外隔離層中個別地蝕刻複數個光通道。
- 如請求項13之方法，其進一步包括在該至少一額外隔離層中形成金屬電路。
- 如請求項13之方法，其中該介電質填充物具有比該至少一額外隔離層慢之一蝕刻速率。
- 如請求項13之方法，其中蝕刻該複數個光通道包含蝕刻該複數個光通道使得該複數個光通道之一橫截面面積(cross sectional area)沿該介電質填充物之一方向減小。
- 如請求項19之方法，其中該複數個光通道之該橫截面面積以與表面法線(surface normal)呈大於20度之一角度沿該介電質填充物之該方向降低。
- 如請求項19之方法，其中該介電質填充物之該橫截面實質上係梯形，且該介電質填充物之一最寬截面大於在該複數個光通道中個別光通道之一最窄截面，且其中該介電質填充物相對於該複數個光電二極體及該複數個溝渠而光學居中(optically centered)。
- 如請求項19之方法，其中該介電質填充物具有較高於該第一隔離層之一介電質常數且具有較慢於該第一隔離層之一蝕刻速率。
- 如請求項22之方法，其進一步包括在該半導體材料中形成複數個電隔離結構而至少部分圍繞該複數個光電二極體中之個別光電二極體，以防止洩漏電流在該複數個光電二極體中之該等個別光電二極體之間流動。
- 如請求項23之方法，其進一步包括形成浮動擴散區，該等浮動擴散區安置於該複數個電隔離結構之某些(some)個別電隔離結構中。
- 如請求項23之方法，其進一步包括形成複數個轉移閘，該複數個轉移閘經定位以將影像電荷自該複數個光電二極體中之若干個別光電二極體轉移至安置於該複數個電隔離結構之某些電隔離結構中之該複數個浮動擴散區中。
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