TWI626736B - 具有內埋光屏蔽件及垂直閘之影像感測器 - Google Patents

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Abstract

一影像感測器中之一像素可包括安置於一個基板中之一光電偵測器及一儲存區，或安置於一個基板中之一光電偵測器及安置於另一基板中之一儲存區。一內埋光屏蔽件安置於該光電偵測器與該儲存區之間。諸如一浮動擴散區之一感測區可鄰近於該儲存區，其中該內埋光屏蔽件安置於該光電偵測器與該儲存區及該感測區之間。當該光電偵測器及該儲存區安置於單獨基板中時，一垂直閘可穿過該內埋光屏蔽件而形成且用以起始電荷自該光電偵測器及該儲存區之轉移。鄰近於或圍繞該垂直閘形成之一轉移通道提供該電荷自該光電偵測器轉移至該儲存區之一通道。

Description

具有內埋光屏蔽件及垂直閘之影像感測器
本發明大體而言係關於電子裝置，且更具體言之，係關於用於電子裝置之影像感測器。
攝影機及其他影像記錄裝置常常利用一或多個影像感測器(諸如，電荷耦合裝置(CCD)影像感測器或互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器)來俘獲影像。藉由將光轉換成電信號來俘獲影像。光電偵測器之陣列回應於光照射光電偵測器而積聚光生電荷(例如，電子)。每一光電偵測器所積聚的電荷之量表示彼光電偵測器所接收的光之強度。所有光電偵測器中所積聚之電荷共同形成影像。
CMOS影像感測器可組態為前照式(FSI)或背照式(BSI)影像感測器。FSI影像感測器將一或多個經圖案化金屬層定位在含有光電偵測器之陣列之基板上方。金屬層包括將像素中之各種電組件連接至位於陣列外的操作及電源供應電路系統的信號線。然而，FSI組態意謂光必須首先通過金屬層，而後才被光電偵測器偵測。金屬層可藉由在光通過金屬層時反射光之一些而干擾光透射，此可減少由光電偵測器偵測到的光之量。
BSI影像感測器將金屬層與含有光電偵測器之陣列之基板翻轉，使得光電偵測器之陣列定位於金屬層之上。光不必通過金屬層即由光 電偵測器接收。利用BSI影像感測器，影像品質可得到改良，此係因為光電偵測器可偵測更多入射光。
滾動快門及全域快門係影像感測器用來俘獲影像之兩種不同方法。利用滾動快門，影像感測器中之所有光電偵測器並不同時俘獲影像。實情為，影像感測器之不同部分在不同時間點俘獲影像。舉例而言，一個列中之所有光電偵測器可在同一時間段期間積聚電荷以俘獲影像，但每一列之積聚週期在稍不同之時間開始及結束。舉例而言，光電偵測器之頂部列可為開始積聚電荷之第一列及停止之第一列，其中開始時間及停止時間針對光電偵測器之每一後續列稍有延遲。用滾動快門俘獲之影像可經受諸如擺動、歪斜及部分曝光之運動假影，此係因為光電偵測器之列在稍不同之時間俘獲影像。
利用全域快門，所有像素在同一時間積聚電荷。在全域快門操作期間，光電偵測器中之積聚電荷在自影像感測器讀出之前被同時轉移至位於像素中之儲存區。通常，一次一列地自像素讀出電荷。如此將電荷儲存於儲存區中允許光電偵測器在自影像感測器讀出儲存區中之電荷的同時開始俘獲下一影像。
圖1描繪根據先前技術之背照式CMOS全域快門影像感測器中的簡化像素。像素100包括含有光電偵測器104及儲存區106之感測層102。金屬層108位於載體晶圓110與感測層102之間。金屬層108中之信號線係形成於介電材料中，使得信號線彼此電隔離。微透鏡116將光118聚焦至光電偵測器104上。層112中之光屏蔽件114經定位以使儲存區106屏蔽光118從而防止儲存區106中之電荷積聚。然而，儲存區106與光屏蔽件114之間的距離可為兩微米至三微米或更大。此距離意謂以特定角度進入之光仍可照射儲存區且導致不必要電荷積聚在儲存區106中。此不必要電荷係在光電偵測器104中之積聚的光生電荷在全域快門操作期間轉移至儲存區106時添加至光生電荷。額外的不必要 電荷可造成影像假影，且可導致成像場景之不準確影像俘獲或表示。
在一個態樣中，一影像感測器中之至少一個像素可包括：一光電偵測器，其鄰近於一基板之一第一表面而安置於該基板中；及一儲存區，其鄰近於該基板之一第二表面而安置於該基板中。該第二表面可與該第一表面對置。舉例而言，該第一表面可為該基板之一背側表面且該第二表面為該基板之前側表面。一內埋光屏蔽件安置於該光電偵測器與該儲存區之間。諸如一浮動擴散區之一感測區可鄰近於該儲存區，其中該內埋光屏蔽件安置於該光電偵測器與該儲存區及該感測區之間。
在另一態樣中，一種用於生產一影像感測器中之一像素的方法可包括：鄰近於一第一基板之一第一表面在該第一基板中提供一光電偵測器；及鄰近於一第二基板之一第二表面在該第二基板中提供一儲存區。該第二表面為可與該第一表面對置之一表面。舉例而言，該第一表面可為該第一基板之一背表面且該第二表面可為該第二基板之一前表面。在該第一基板與該第二基板之間提供一內埋光屏蔽件。
在另一態樣中，一種用於製造一背照式影像感測器中之一像素的方法可包括：在一第一基板之一前側表面上方形成一內埋光屏蔽件；及將一第二基板附接至該內埋光屏蔽件之一前側表面。接著穿過該第二基板且穿過該內埋光屏蔽件形成一第一渠溝。在該第一渠溝中形成一磊晶層。接著穿過該磊晶層形成一第二渠溝以沿著該第一渠溝之側壁產生磊晶材料之一轉移通道。用一導電材料填充該第二渠溝且在該經填充渠溝上方形成一導電閘。該經填充渠溝及該導電閘形成該像素中之一垂直閘。在該第一半導體基板中形成一光電偵測器，且在該第二半導體基板中形成一儲存區。磊晶材料之該轉移通道為電荷提供自該光電偵測器轉移至該儲存區之一通道。
在又一態樣中，一種用於在一基板中形成一內埋光屏蔽件之方法可包括在該基板中形成一植入區，及在該基板中形成至該植入區之一渠溝。接著藉由經由該渠溝移除該植入區而在該基板中形成一空隙。用一材料填充該空隙，該材料阻止光透射穿過該經材料填充之空隙。舉例而言，可用一光反射材料或用一光吸收材料來填充該空隙。
且在又一態樣中，背照式影像感測器中之至少一個像素可包括：一光管之一第一級，其安置於一第一基板中；及一光電偵測器，其安置於一第二基板中。該光電偵測器可為該光管之一第二級。一儲存區亦安置於該第二基板中。儲存節點可鄰近於該第二基板之一前側表面而安置。該光管之該第一級將光引導至該光電偵測器而不引導至該儲存區。
100‧‧‧像素
102‧‧‧感測層
104‧‧‧光電偵測器
106‧‧‧儲存區
108‧‧‧金屬層
110‧‧‧載體晶圓
112‧‧‧層
114‧‧‧光屏蔽件
116‧‧‧微透鏡
118‧‧‧光
200‧‧‧電子裝置
202‧‧‧第一攝影機
204‧‧‧第二攝影機
206‧‧‧罩殼
208‧‧‧輸入/輸出(I/O)部件
210‧‧‧顯示器
212‧‧‧閃光燈
300‧‧‧處理器
302‧‧‧影像感測器/儲存或記憶體組件/記憶體
304‧‧‧輸入/輸出介面/輸入/輸出(I/O)部件
306‧‧‧電源
308‧‧‧感測器
310‧‧‧系統匯流排
400‧‧‧成像級
402‧‧‧影像感測器
404‧‧‧光/成像區域
406‧‧‧支撐結構
500‧‧‧影像感測器
502‧‧‧影像處理器
504‧‧‧成像區域
506‧‧‧像素
508‧‧‧行選擇件
510‧‧‧行線/輸出線
512‧‧‧列選擇件
514‧‧‧列線
600‧‧‧像素
602‧‧‧光電偵測器
604‧‧‧第一轉移電晶體
606‧‧‧儲存區
608‧‧‧第二轉移電晶體
610‧‧‧感測區
612‧‧‧重設(RST)電晶體
614‧‧‧讀出電晶體
616‧‧‧列選擇(RS)電晶體
618‧‧‧抗散輝電晶體
700‧‧‧像素
702‧‧‧感測層
704‧‧‧金屬層
706‧‧‧載體晶圓
708‧‧‧光電偵測器
710‧‧‧內埋光屏蔽件
712‧‧‧儲存區
714‧‧‧垂直閘
716‧‧‧感測區
718‧‧‧接觸墊
720‧‧‧第一介電層
722‧‧‧不透明屏蔽層
724‧‧‧第二介電層
726‧‧‧抗反射塗層(ARC)層
728‧‧‧第二金屬層
730‧‧‧光屏蔽件
732‧‧‧濾光片元件
734‧‧‧微透鏡
736‧‧‧光
738‧‧‧第一基板層
740‧‧‧第二基板層
742‧‧‧隔離渠溝
744‧‧‧轉移通道
746‧‧‧閘
800‧‧‧第一半導體基板之前側表面
802‧‧‧第一半導體基板
900‧‧‧第一介電層之前側表面
1000‧‧‧不透明屏蔽層之前側表面
1100‧‧‧第二半導體基板
1102‧‧‧第二介電層之前側表面
1300‧‧‧渠溝
1400‧‧‧第三介電層
1402‧‧‧第二基板層之前側表面
1600‧‧‧磊晶層
2000‧‧‧渠溝
2100‧‧‧第四介電層
2200‧‧‧導電材料
2202‧‧‧第四介電層之前側表面
2204‧‧‧接觸墊
2400‧‧‧第四介電層之前側表面
2500‧‧‧金屬層之前側表面
2700‧‧‧感測層之背側表面
2702‧‧‧感測層之前側表面
2900‧‧‧像素
2902‧‧‧感測層
2904‧‧‧金屬層
2906‧‧‧光電偵測器
2908‧‧‧儲存區
2910‧‧‧感測區
2912‧‧‧內埋光屏蔽件
2914‧‧‧像素隔離區
2916‧‧‧閘
2918‧‧‧閘
3000‧‧‧植入區
3100‧‧‧渠溝
3200‧‧‧空隙
3400‧‧‧全域快門像素
3402‧‧‧第一基板之背側表面
3404‧‧‧第一基板
3406‧‧‧光管之第一級
3408‧‧‧光管
3410‧‧‧光管之第二級/光電偵測器
3412‧‧‧第二基板
3414‧‧‧儲存區
3416‧‧‧第二基板之前側表面
3418‧‧‧光
3420‧‧‧閘
VDD‧‧‧供電電壓
W‧‧‧像素之寬度
將參看以下圖式更好地理解本發明之實施例。圖式之元件未必相對於彼此按比例繪製。已在可能情況下使用相同參考數字來指示諸圖共有之相同特徵。
圖1描繪根據先前技術之背照式影像感測器中的簡化像素；圖2A說明包括一或多個攝影機之電子裝置的前視透視圖；圖2B描繪圖2A之電子裝置的後視透視圖；圖3說明圖2之電子裝置的簡化方塊圖；圖4描繪沿著圖2A中之線4-4截取的電子裝置200之橫截面圖；圖5說明適合於用作影像感測器402的影像感測器之一項實例的簡化方塊圖；圖6描繪適合用於背照式影像感測器中的全域快門像素之一項實例的簡化示意圖；圖7說明適合用於背照式影像感測器中的具有內埋光屏蔽件之全域快門像素的簡化實例； 圖8至圖28描繪製造包括圖7所展示之像素700之背照式影像感測器的實例方法；圖29說明適合用於背照式影像感測器中的具有內埋光屏蔽件之全域快門像素的另一實例；圖30至圖33描繪製造圖29所展示之內埋光屏蔽件2912的實例方法；及圖34說明適合用於背照式影像感測器中的具有內埋光屏蔽件之全域快門像素的另一實例。
本文中所描述之實施例包括全域快門影像感測器，其在至少一個像素中包括內埋光屏蔽件以屏蔽儲存區。在一項實施例中，儲存區鄰近於基板之一個表面而安置於基板中，而光電偵測器鄰近於基板之對置表面而安置於基板中。內埋光屏蔽件安置於光電偵測器與儲存區之間。
在另一實施例中，光電偵測器係鄰近於第一基板之第一表面而安置，而儲存區鄰近於第二單獨基板之第二表面。第二表面係與第一表面對置之表面。舉例而言，第一表面可為第一基板的背表面且第二表面為第二基板的前表面。內埋光屏蔽件安置於第一基板與第二基板之間，使得內埋光屏蔽件係定位於光電偵測器與儲存區之間。垂直閘係穿過第二基板及內埋光屏蔽件至含有光電偵測器之第一基板而形成。鄰近於或圍繞垂直閘形成之轉移通道為電荷提供自第一基板中之光電偵測器轉移至第二基板中之儲存區的通道。
在一些實施例中，可使用光管將光引導至光管光電偵測器。具有孔隙之內埋光屏蔽件可形成於基板中。光管可鄰近於基板之背面且延伸穿過內埋光屏蔽件中之孔隙。光管光電偵測器可以操作方式與光管連接。光管光電偵測器可形成於具有低折射率之材料中以將光限定 至光管光電偵測器之較小區中。儲存區可鄰近於光電偵測器而安置。在一項實施例中，儲存區係鄰近於基板之前側表面而形成於光電偵測器中。
參考所描述之圖式之定向來使用方向術語，諸如「頂部」、「底部」、「前部」、「背部」、「前導」、「尾隨」等。因為各種實施例中之組件可以許多不同定向定位，所以方向術語僅用於說明目的且絕非限制性的。當結合影像感測器晶圓、影像感測器晶粒或對應影像感測器之多個層使用時，方向術語意欲廣義地進行解釋，且因此不應解譯為排除一或多個介入層或其他介入影像感測器特徵或元件之存在。因此，本文中經描述為形成於另一層上、形成於另一層上方、安置於另一層上或安置於另一層上方的給定層可藉由一或多個額外層而與該另一層分離。
現參看圖2A至圖2B，展示包括一或多個攝影機之電子裝置的前視透視圖及後視透視圖。電子裝置200包括第一攝影機202、第二攝影機204、罩殼206、顯示器210、輸入/輸出(I/O)部件208及用於該一或多個攝影機的閃光燈212或光源。電子裝置200亦可包括運算或電子裝置所典型的一或多個內部組件(未圖示)，諸如一或多個處理器、記憶體組件、網路介面等。
在所說明實施例中，電子裝置200實施為智慧型電話。然而，其他實施例不限於此構造。其他類型之運算或電子裝置可包括一或多個攝影機，包括(但不限於)迷你筆記型電腦或膝上型電腦、平板電腦、數位攝影機、印表機、掃描器、視訊記錄器及影印機。
如圖2A至圖2B中所展示，罩殼206可形成電子裝置200之內部組件的外表面或部分外表面及保護性外殼，且可至少部分地圍繞顯示器210。罩殼206可由可操作地連接在一起的一或多個組件(諸如，前部片件及背部片件)形成。或者，罩殼206可由可操作地連接至顯示器 210之單一片件形成。
I/O部件208可用任何類型之輸入或輸出部件來實施。僅舉例而言，I/O部件208可為開關、按鈕、電容性感測器或其他輸入機構。I/O部件208允許使用者與電子裝置200互動。舉例而言，I/O部件208可為用以更改音量、返回主畫面及進行類似操作的按鈕或開關。電子裝置可包括一或多個輸入部件或輸出部件，且每一部件可具有單一I/O功能或多個I/O功能。
顯示器210可以操作或通信方式連接至電子裝置200。顯示器210可用任何類型之合適顯示器來實施，諸如視網膜顯示器(retina display)或主動式矩陣彩色液晶顯示器。顯示器210可提供電子裝置200之視覺輸出或用以接收至電子裝置之使用者輸入的功能。舉例而言，顯示器210可為可偵測一或多個使用者輸入的多點觸控式電容性感測觸控螢幕。
電子裝置200亦可包括數個內部組件。圖3說明電子裝置200之簡化方塊圖的一項實例。電子裝置可包括一或多個處理器300、儲存或記憶體組件302、輸入/輸出介面304、電源306及感測器308，其中之每一者將依次在下文予以論述。
一或多個處理器300可控制電子裝置200之操作的一些或全部。處理器300可直接地或間接地與電子裝置200之實質上所有組件通信。舉例而言，一或多個系統匯流排310或其他通信機構可提供處理器300、攝影機202、204、顯示器210、I/O部件304或感測器308之間的通信。處理器300可實施為能夠處理、接收或傳輸資料或指令之任何電子裝置。舉例而言，一或多個處理器300可為微處理器、中央處理單元(CPU)、特殊應用積體電路(ASIC)、數位信號處理器(DSP)或多個此等裝置之組合。如本文中所描述，術語「處理器」意欲涵蓋單一處理器或處理單元、多個處理器、多個處理單元或其他經合適組態之運 算元件。
記憶體302可儲存可由電子裝置200使用之電子資料。舉例而言，記憶體302可儲存諸如音訊檔案、文件檔案、時序信號及影像資料之電資料或內容。記憶體302可組態為任何類型之記憶體。僅舉例而言，記憶體302可以任何組合實施為隨機存取記憶體、唯讀記憶體、快閃記憶體、可卸除式記憶體或其他類型之儲存元件。
輸入/輸出介面304可自使用者或一或多個其他電子裝置接收資料。另外，輸入/輸出介面304可促進資料至使用者或至其他電子裝置之傳輸。舉例而言，在電子裝置200為智慧型電話之實施例中，輸入/輸出介面304可經由無線或有線連接自網路接收資料或發送並傳輸電子信號。無線及有線連接之實例包括(但不限於)蜂巢式、WiFi、藍芽及乙太網路。在一或多項實施例中，輸入/輸出介面304支援多個網路或通信機制。舉例而言，輸入/輸出介面304可經由藍芽網路而與另一裝置配對以在同時自WiFi或其他有線或無線連接接收信號時將信號傳送至另一裝置。
電源306可用能夠提供能量至電子裝置200之任何裝置來實施。舉例而言，電源306可為電池組，或將電子裝置200連接至諸如壁式插座之另一電源的連接纜線。
感測器308可用任何類型之感測器來實施。感測器之實例包括(但不限於)音訊感測器(例如，麥克風)、光感測器(例如，環境光感測器)、迴轉儀及加速度計。感測器308可用以提供資料至處理器300，其可用以增強或改變電子裝置之功能。
如參看圖2A及圖2B所描述，電子裝置200包括一或多個攝影機202、204且視情況包括用於該一或多個攝影機之閃光燈212或光源。圖4為沿著圖2A中之線4-4截取的攝影機202之簡化橫截面圖。雖然圖4說明第一攝影機202，但熟習此項技術者將認識到，第二攝影機204可 實質上類似於第一攝影機202。在一些實施例中，一個攝影機可包括全域快門組態之影像感測器，且一個攝影機可包括滾動快門組態之影像感測器。在其他實例中，一個攝影機可包括解析度高於其他攝影機中之影像感測器的影像感測器。
攝影機202、204包括與影像感測器402光學通信之成像級400。成像級400以操作方式連接至罩殼206且定位在影像感測器402前面。成像級400可包括習知元件，諸如透鏡、濾光片、光圈(iris)及快門。成像級400將在其視野內的光404引導、聚焦或傳輸至影像感測器402上。影像感測器402藉由將入射光轉換成電信號來俘獲主題場景之一或多個影像。
影像感測器402係由支撐結構406支撐。支撐結構406可為基於半導體之材料，包括(但不限於)矽、絕緣體上矽(SOI)技術、藍寶石上矽(SOS)技術、經摻雜及經摻雜半導體、形成於半導體基板上之磊晶層、形成於半導體基板中之井區或內埋層及其他半導體結構。
成像級400或影像感測器402之各種元件可由自處理器或記憶體(諸如，圖3中之處理器300)供應之時序信號或其他信號控制。成像級400中之元件中之一些或全部可整合成單一組件。另外，成像級400中之元件中之一些或全部可與影像感測器402且可能與電子裝置200之一或多個額外元件整合以形成攝影機模組。舉例而言，在諸實施例中，處理器或記憶體可與影像感測器402整合。
現參看圖5，展示適合於用作影像感測器402的影像感測器之一項實例的俯視圖。影像感測器500可包括影像處理器502及成像區域504。成像區域504係實施為包括多個像素506之像素陣列。在所說明實施例中，像素陣列係以列及行配置組態。然而，其他實施例不限於此組態。像素陣列中之像素可以任何合適組態(諸如，六邊形組態)配置。
成像區域504可經由一或多個行線510與行選擇件508通信且經由一或多個列線514與列選擇件512通信。僅舉例而言，列選擇件512可包括針對每一像素506產生列選擇信號、轉移信號及全域快門信號的電路系統。可使用佈線至每一像素之一或多個列線將列選擇信號、轉移信號及全域快門信號傳輸至每一像素。列選擇信號選擇性地啟動特定像素506或像素群組，諸如某一列中之所有像素506。行選擇件508選擇性地接收自選擇像素506或像素群組(例如，特定行之所有像素)輸出的資料。
列選擇件512及/或行選擇件508可與影像處理器502通信。影像處理器502可處理來自像素506之資料且將彼資料提供至處理器300及/或電子裝置200之其他組件。應注意，在一些實施例中，影像處理器502可併入至處理器300中或與該處理器分離。
如先前所論述，影像感測器可使用全域快門來俘獲影像。通常，在整合(亦即，電荷積聚)之前重設像素以移除像素中之任何殘餘電荷。在整合週期期間，對於所有像素，光收集在完全相同時間開始及結束。在整合週期結束時，所有電荷被同時轉移至影像感測器中之光屏蔽儲存區。光屏蔽件防止不必要電荷在整合週期期間積聚在儲存區中，且進一步可防止電荷在讀出程序期間的積聚。
圖6描繪適合於在背照式影像感測器中使用的全域快門像素之一項實例的簡化示意圖。像素600可包括光電偵測器602、第一轉移電晶體604、儲存區606、第二轉移電晶體608、感測區610、重設(RST)電晶體612、讀出電晶體614、列選擇(RS)電晶體616及抗散輝(anti-blooming)電晶體618。在所說明實施例中將儲存區606及感測區610表示為電容器，此係因為儲存區606及感測區610可各自暫時地儲存自光電偵測器602接收之電荷。如下文所描述，在電荷自光電偵測器602轉移之後，可將電荷儲存於儲存區606中，直至第二轉移電晶體608之閘 極被施加脈衝為止。
第一轉移電晶體604之一個端子連接至光電偵測器602，而另一端子連接至第二轉移電晶體608之一個端子且連接至儲存區606。第二轉移電晶體608之另一端子連接至感測區610、重設電晶體612之端子及讀出電晶體614之閘極。重設電晶體612之另一端子及讀出電晶體614之一個端子連接至供電電壓VDD。讀出電晶體614之另一端子連接至列選擇電晶體616之端子。列選擇電晶體616之另一端子連接至輸出線510。抗散輝電晶體618之一個端子連接至光電偵測器602，而另一端子連接至供電電壓VDD。
僅舉例而言，在一項實施例中，將光電偵測器602實施為光電二極體或釘紮光電二極體(pinned photodiode)，將感測區606實施為浮動擴散區，且將讀出電晶體614實施為源極隨耦器電晶體。光電偵測器602可為基於電子之光電二極體或基於電洞之光電二極體。應注意，如本文中所使用之術語光電偵測器意欲涵蓋實質上任何類型之光子或光偵測組件，諸如光電二極體、釘紮光電二極體、光閘(photogate)或其他光子敏感區。另外，如本文中所使用之術語儲存區及感測區意欲涵蓋實質上任何類型之電荷儲存區。
熟習此項技術者將認識到，像素600在其他實施例中可用額外或不同組件來實施。舉例而言，可省略列選擇電晶體，且用以選擇像素、感測區之脈衝式電力供應模式可由多個光電偵測器及轉移電晶體共用，或重設電晶體及讀出電晶體可由多個光電偵測器、轉移閘及感測區共用。另外或替代地，抗散輝電晶體在其他實施例中可自像素省略。
當即將俘獲影像時，像素陣列中之所有像素之整合週期開始且光電偵測器602回應於入射光而積聚光生電荷。當整合週期結束時，影像感測器中之所有光電偵測器602中之積聚電荷係藉由用全域快門 信號(GS)對第一轉移電晶體604之閘極施加脈衝而同時轉移至各別儲存區606。光電偵測器602可接著開始積聚電荷以俘獲另一影像。當將自像素讀出電荷時，儲存區606中之電荷可藉由用轉移信號(TX)對第二轉移電晶體608之閘極施加脈衝而轉移至感測區610。
通常，重設電晶體612用以在電荷自儲存區606轉移至感測區610之前將感測區610上之電壓重設至預定位準。當將自像素讀出電荷時，經由各別列選擇線514對列選擇電晶體之閘極施加脈衝以選擇用於讀出之像素(或像素列)。讀出電晶體614感測感測區610上之電壓且列選擇電晶體616將該電壓傳輸至輸出線510。輸出線510經由輸出線510及行選擇件508連接至讀出電路系統(且視情況連接至影像處理器)。
通常，光電偵測器602對其可積聚之電荷之量具有限制。光電偵測器在積聚電荷之量達到彼極限或容量時飽和。在飽和之後積聚的任何額外電荷可自光電偵測器溢流且溢出至鄰近光電偵測器中。自光電偵測器溢流之此過量電荷被稱為散輝。抗散輝電晶體618可藉由允許過量電荷自光電偵測器602排出來防止散輝。可選擇性地對抗散輝電晶體618之閘極施加脈衝以啟用或接通抗散輝電晶體618且為過量電荷提供自光電偵測器602排出的電路徑。在一些實施例中，抗散輝閘亦可充當光電偵測器重設電晶體。光電偵測器602可在影像俘獲之前重設至已知電位。
在一些實施例中，諸如攝影機之影像俘獲裝置在透鏡上方可能不包括快門，且因此，影像感測器可始終曝露於光。在此等實施例中，光電偵測器可能必須在將俘獲所要影像之前重設或耗乏。一旦來自光電偵測器之電荷已耗乏，第一轉移電晶體及第二轉移電晶體之閘極以及重設電晶體之閘極即斷開，從而隔離光電偵測器。光電偵測器可接著開始整合及收集光生電荷。
現參看圖7，展示背照式影像感測器中的包括內埋光屏蔽件之全域快門像素的一項實例。像素700包括感測層702及金屬層704。在所說明實施例中，感測層702為矽基板，但在其他實施例中可使用不同類型之基板。如本文中所使用，術語「晶圓」及「基板」應理解為基於半導體之材料，包括(但不限於)矽、絕緣體上矽(SOI)技術、藍寶石上矽(SOS)技術、經摻雜及未經摻雜半導體、形成於半導體基板上之磊晶層或井區及其他半導體結構。
金屬層704定位於感測層702與載體晶圓706之間。金屬層704可包括電晶體及形成於介電材料中之信號線佈線。感測層702可包括光電偵測器708、內埋光屏蔽件710、儲存區712、垂直閘714及感測區716。垂直閘714係自光電偵測器708穿過內埋光屏蔽件710至金屬層704中之接觸墊718而形成。垂直閘714可用以重設光電偵測器708、自光電偵測器708轉移電荷且用於抗散輝操作。垂直閘714可由諸如多晶矽之任何合適的導電材料製成。
在所說明實施例中，內埋光屏蔽件710包括第一介電層720、不透明屏蔽層722及第二介電層724。僅舉例而言，第一及第二介電層可為氧化物層，且不透明屏蔽層可為金屬層，諸如鎢。在其他實施例中，可使用不同介電質及/或金屬。另外或替代地，第一介電層720及第二介電層724可由相同介電質或不同介電質製成。
感測層702之背側表面上方沈積有可選抗反射塗層(ARC)層726。歸因於自光電偵測器708之表面的反射，ARC層726可減少入射光之損失。具有光屏蔽件730之第二金屬層728係形成於ARC層726上方。光屏蔽件730可藉由覆蓋相鄰光電偵測器之間的區來減少像素之間的光學串擾。
濾光片元件732可安置於第二金屬層728上方，且微透鏡734可定位於濾光片元件732上方。濾光片元件732為安置於像素陣列中之所有 像素上方的彩色濾光片陣列之部分。彩色濾光片陣列為濾光片元件之鑲嵌體，其中每一濾光片限制照射像素之光之波長。光波長可由色彩來限制。舉例而言，一個濾光片元件可透射與紅色相關聯之光波長，另一彩色濾光片元件可透射與綠色相關聯之光波長，且另一彩色濾光片元件可透射與藍色相關聯之光波長。拜耳彩色濾光片圖案(Bayer color filter pattern)為包括紅色、綠色及藍色濾光片元件之已知彩色濾光片陣列。其他彩色濾光片陣列可過濾不同光波長。僅舉例而言，彩色濾光片陣列可包括青色、洋紅色及黃色濾光片元件。
內埋光屏蔽件710將感測層702分成第一基板層738及第二基板層740。感測區716、儲存區712及像素電晶體可在第二基板層740中，而光電偵測器708存在於第一基板層738中。光電偵測器708為電晶體源極，且感測區及儲存區為電晶體汲極。隔離渠溝742在第一基板層738中將光電偵測器708與鄰近光電偵測器電隔離。當光736照射光電偵測器708時，電荷積聚在該光電偵測器中。內埋光屏蔽件710防止儲存區712中及感測區716中的不必要電荷積聚。當對垂直閘714施加脈衝時，光電偵測器708中之積聚電荷使用形成於垂直閘714周圍之轉移通道744而轉移至儲存區712。在所說明實施例中，轉移通道744為電連接第一基板層738及第二基板層740之矽轉移通道。轉移通道744提供光電偵測器708與儲存區712之間的用於電荷轉移之電路徑。當對閘746施加脈衝時，電荷自儲存區712轉移至感測區716。
圖8至圖28說明製造包括圖7中所展示之像素之背照式影像感測器的實例方法。雖然結合僅一個像素之構造來描述製程，但熟習此項技術者將認識到，該方法同時製造影像感測器中之所有像素。最初，在第一半導體基板802之前側表面800上方形成第一介電層720(圖8)。第一介電層可(例如)為生長或沈積於第一基板802上之氧化物層。
接著在第一介電層720之前側表面900上方形成不透明屏蔽層722 (圖9)。不透明屏蔽層722可為沈積於第一介電層上方之金屬層。在一些實施例中，不透明屏蔽層722可跨影像感測器或影像感測器之成像區域(例如，圖4中之成像區域404)延伸。其他實施例可圖案化不透明屏蔽層722。不透明屏蔽層可經圖案化以自影像感測器之周邊區域(鄰近於成像區域之區域)移除不透明屏蔽層。另外或替代地，可自陣列像素凹陷閘區(例如，區714及744)移除不透明屏蔽層722。
接下來，如圖10中所展示，在不透明屏蔽層722之前側表面1000上方形成第二介電層724。類似於第一介電層720，第二介電層724可為生長或沈積於不透明屏蔽層722上方之氧化物層。在所說明實施例中，第一介電層720、不透明屏蔽層722及第二介電層724之組合形成內埋光屏蔽件710。
接下來，如圖11中所展示，將第二半導體基板1100晶圓接合至第二介電層724之前側表面1102。接著使用任何合適技術來薄化第二半導體基板1100(圖12)。僅舉例而言，可以任何組合使用研磨、拋光或蝕刻技術來薄化第二半導體基板1100。經薄化的第二半導體基板為圖7中所展示之第二基板層740。
接著蝕刻第二基板層740、第二介電層724、不透明屏蔽層722及第一介電層720以形成穿過層740、724、722、720至第一基板802之渠溝1300(圖13)。接下來，如圖14中所展示，在第二基板層740之前側表面1402、渠溝1300之側壁及渠溝1300之底部表面上方形成第三介電層1400。舉例而言，可在像素之成像區域上方沈積保形氮化矽層。接著移除覆疊渠溝1300之底部表面之第三介電層1400，且在渠溝1300中生長選擇性磊晶層1600(圖15及圖16)。磊晶層1600可生長為與第二介電層724一樣高，或具有部分地在第二基板層740之厚度內之高度。
接著移除曝露於渠溝1300中的第三介電層1400之部分(圖17)且生長磊晶層1600至第二基板層740之前側表面1402(圖18)。磊晶層1600 填滿由渠溝留下之空隙以使跨像素之寬度「W」(例如，水平方向)的第二基板層740之至少一部分連續且不中斷。
移除第二基板層740之前側表面1402上方之第三介電層1400(圖19)且穿過磊晶層1600至第一基板802中而形成渠溝2000(圖20)。舉例而言，可蝕刻磊晶層1600以形成渠溝2000。形成渠溝2000，使得轉移通道744作為鄰近於渠溝2000的第三介電層1400之剩餘區段之側壁的內襯，且將第一基板802連接或接合至第二基板層740。
接下來，如圖21中所展示，在第二基板層740之前側表面1402、渠溝2000之側壁及渠溝2000之底部表面上方形成第四介電層2100。僅舉例而言，可在第二基板層740、渠溝2000之側壁及渠溝2000之底部表面上方生長閘極氧化物層。接著在第四介電層2100之前側表面2202上方形成導電材料2200且該導電材料填充渠溝2000(圖22)。圖案化該導電材料以在第四介電層2100之前側表面2202上形成接觸墊718、2204。垂直閘714係藉由渠溝中之導電材料與接觸墊718之組合產生。導電材料可為(例如)多晶矽。可使用任何合適的圖案化製程來圖案化導電材料。舉例而言，可在像素上方形成遮罩層且對其圖案化，且可基於遮罩層中之圖案來移除導電材料。可在導電材料已圖案化之後移除遮罩層。
可接著在第二基板層740中形成感測區716及儲存區712(圖23)。除產生感測區716及儲存區712外，亦可執行額外的前段(front end of line，FEOL)製程。實例FEOL製程包括(但不限於)淺渠溝隔離、P井及N井製程、針對其他電晶體之額外閘極處理、電晶體通道及暈圈植入以及輕微摻雜汲極(LDD)及源極/汲極植入。
任何合適方法可用以形成感測區及儲存區。舉例而言，可在像素上方形成另一遮罩層且對其圖案化，且可基於該遮罩層中之圖案將各別n型或p型摻雜劑植入至第二基板層740中以產生感測區及儲存 區。可在感測區及儲存區已形成之後移除該遮罩層。其他實施例可以不同方式形成感測區及儲存區。舉例而言，可藉由使摻雜劑擴散至第二基板層中來形成感測區及儲存區。
接著使用任何一或多種已知方法在接觸墊718、2204及第四介電層2100之前側表面2400上方形成金屬層704(圖24)。亦可執行其他後段製程，諸如接點、金屬、平坦化以及介電及鈍化製程。接著將載體晶圓706晶圓接合至金屬層704之前側表面2500(圖25)，且薄化第一基板802(圖26)。請注意，圖26至圖28展示相對於圖8至圖25中之像素之定向旋轉180度的像素。可以任何組合使用任何已知技術(諸如，研磨、拋光或蝕刻技術)來薄化第一基板802。經薄化的第一基板變為感測層738。
可接著使用任何合適方法自感測層738之背側表面2700穿過感測層738至感測層738之前側表面2702而形成隔離渠溝742(圖27)。舉例而言，可在感測層738之背側表面2700上方形成遮罩層且對其圖案化，且蝕刻該感測層以產生隔離渠溝742。其他實施例可以不同方式隔離像素。舉例而言，植入區或介電區可用以將光電偵測器彼此電隔離。
最後，如圖28中所展示，使用此項技術中已知的技術來形成ARC層726、具有光屏蔽件730之第二金屬層728、濾光片元件732及微透鏡734。
用於光電偵測器之摻雜劑可在製造製程開始時(例如，在圖8處)存在於基板802(經預摻雜之基板)中，或用於光電偵測器之摻雜劑可在ARC層726形成之前植入或擴散至感測層738中。當感測層738係在ARC層726形成之前摻雜時，可執行低溫摻雜劑活化，從而不會對已形成於晶圓上之金屬有不利影響。
現參看圖29，展示適合用於背照式影像感測器中的具有內埋光 屏蔽件之全域快門像素之另一實例。像素2900包括感測層2902及金屬層2904。該感測層包括光電偵測器2906、儲存區2908及鄰近感測層2902之前側表面之感測區2910。內埋光屏蔽件2912係在光電偵測器2906與儲存區2908之間安置於感測層2902中。內埋光屏蔽件2912可由光吸收材料或光阻斷材料製成。舉例而言，內埋光屏蔽件2912可將光反射回至光電偵測器2906中。
像素隔離區2914在感測層2902中電隔離光電偵測器2906與鄰近光電偵測器。在全域快門操作期間用全域快門信號對閘2916施加脈衝以將積聚電荷自光電偵測器2906轉移至儲存區2908。可選擇性地對閘2918施加脈衝以將電荷自儲存區2908轉移至感測區2910。
圖30至圖33說明製造圖29中所展示之內埋光屏蔽件2912的實例方法。可將合適的n型或p型摻雜劑植入至感測層2902中以形成植入區3000(圖30)。接著蝕刻感測層2902以形成穿過感測層2902至植入區3000的渠溝3100(圖31)。該渠溝可(例如)藉由乾式蝕刻感測層2902來形成。
接下來，如圖32中所展示，使用(例如)選擇性濕式蝕刻而經由渠溝3100移除植入區3000。空的植入區3000及渠溝共同形成感測層2902中之空隙3200。接著用光吸收材料或光阻斷材料填充空隙3200以形成內埋光屏蔽件2912(圖33)。在其他實施例中，可用具有不同於感測層2902中之材料之折射率的折射率之材料來填充空隙3200。僅舉例而言，可使用諸如銅、鋁、鎢之金屬及/或類似氧化物、氮化物及空氣之介電質，此係因為此等材料具有不同於包括於感測層2902中之矽或其他半導體材料之折射率。光在具有不同折射率之材料之間的界面處將反射。因此，折射率差可用以使光反射離開儲存區2908。在一些實施例中，將光吸收材料之使用與具有不同折射率之材料之使用組合，此係因為不同折射率(亦即，光反射)可能不能完全阻斷光。
可在CMOS影像感測器之製造製程期間的任何合適時間用光阻斷材料、光吸收材料或具有不同折射率之材料來填充空隙。舉例而言，一些材料可承受較高溫度，因此，可在製造製程中較早地用此等材料來填充空隙。不能承受較高溫度之材料可用以在製造製程之稍後階段填充空隙。
在其他實施例中，可使用光管來替代內埋光屏蔽件，從而將光引導離開儲存區。圖34說明適合用於背照式影像感測器中的全域快門像素3400之另一實例。微透鏡734及彩色濾光片層732安置於第一基板3404之背側表面3402上方。第一基板3404可為任何合適介電材料，諸如氧化物。
光管3408之第一級3406穿過第一基板3404而形成以與該光管之第二級3410連接。第二級3410可安置於第二基板3412中。第二基板3412可為任何合適介電材料，諸如氧化物。在所說明實施例中，第二級3410為形成為比習知光電偵測器窄的光電偵測器。
儲存區3414係鄰近於第二基板3412之前側表面3416而形成。在一些實施例中，儲存區3414可駐留於光電偵測器中，諸如在靠近鄰近像素之光電偵測器3410之周邊中。
第一級3406及光電偵測器3410各自具有分別比第一基板3404及第二基板3412中之材料高的折射率。光管3408之第一級3406將自微透鏡734及彩色濾光片層732接收之光3418限定至光電偵測器3410之表面上的較小區。光管3408僅將光3418引導或導引至光電偵測器3410中而不引導或導引至儲存區3414中。當已積聚於光電偵測器3410中之電荷將轉移至儲存區3414時，可用全域快門信號對閘3420施加脈衝。
在一些實施例中，第一基板3404及第二基板3412為單一基板。在其他實施例中，光管3408之第一級3406及/或該光管之第二級3410(亦即，光電偵測器)可形成以具有不同形狀或尺寸。另外或替代地， 光電偵測器可與光管之第二級3410分離。
已特定參考各種實施例之某些特徵詳細地描述各種實施例，但將理解，在本發明之精神及範疇內可實現變化及修改。舉例而言，圖7至圖28之實施例包括不透明層在兩個介電層之間的內埋光屏蔽件。替代不透明層722及介電層720、724，其他實施例可使用絕緣體上矽(SOI)層作為內埋光屏蔽件。另外，已將本文中之實施例描述為具有內埋光屏蔽件之背照式影像感測器。其他實施例可包括前照式影像感測器中的如結合圖7、圖29及圖34所描述之感測層。
儘管本文中已描述特定實施例，但應注意，本申請案不限於此等實施例。詳言之，在相容之情況下，關於一項實施例所描述之任何特徵亦可用於其他實施例中。同樣地，在相容之情況下，不同實施例之特徵可交換。

Claims (20)

  1. 一種影像感測器，其包含：一第一基板層，其包含：一光電偵測器，其安置於該第一基板層之一第一表面上(on)；一第二基板層，其包含：一第一儲存區，其鄰近於該第二基板層之一第二表面而安置，該第二表面與該第一表面對置；一第二儲存區，其安置於該第二基板層中；及一內埋光屏蔽件，其安置於該第一基板層及該第二基板層之間，其中該內埋光屏蔽件係在該第一儲存區及該第二儲存區之上方(over)且係可操作以阻擋來自該第一儲存區及該第二儲存區之光。
  2. 如請求項1之影像感測器，其進一步包含：一垂直閘，其自該第一基板層延伸穿過該內埋光屏蔽件至該第二基板層；一轉移通道，其鄰近於該垂直閘而安置，該轉移通道可操作以提供電荷自該光電偵測器轉移至該第一儲存區之一通道；及一介電材料，其形成於該轉移通道之上。
  3. 如請求項2之影像感測器，其中該轉移通道包含一矽轉移通道。
  4. 如請求項1之影像感測器，其中該內埋光屏蔽件包含安置於一第一介電層與一第二介電層之間的一不透明屏蔽層。
  5. 如請求項1之影像感測器，其中該內埋光屏蔽件包含一光阻斷材料及一光吸收材料中之一者。
  6. 如請求項1之影像感測器，其中該內埋光屏蔽件包含一具有不同 於該第一基板層中之一材料之折射率的折射率之材料。
  7. 如請求項1之影像感測器，其中該內埋光屏蔽件包含一絕緣體上矽(silicon-on-insulator)層。
  8. 如請求項1之影像感測器，其中該影像感測器為一背照式影像感測器，且該光電偵測器係鄰近於該第一基板層之一背側表面，且該第一儲存區及該第二儲存區係鄰近於該第二基板層之一前側表面。
  9. 如請求項8之影像感測器，其進一步包含：一抗反射塗層，其形成於該第一基板層之該背側表面之上；及至少一光屏蔽件，其形成於該抗反射塗層之上。
  10. 一種影像感測器，其包含：一感測層，其形成於一第一基板中，該感測層包含：一光電偵測器；一儲存區；及一內埋光屏蔽件，其安置於該光電偵測器之下及該儲存區之上；一第二基板，其附接至該第一基板，該第二基板包含一接觸墊；一垂直閘，其在該第一基板之間延伸穿過該內埋光屏蔽件至該接觸墊；及一轉移通道，其鄰近於該垂直閘而安置且操作地將該光電偵測器連接至該儲存區並提供一電荷轉移路徑(charge transfer path)於該光電偵測器及該儲存區之間。
  11. 如請求項10之影像感測器，其進一步包含形成於該轉移通道之上之一介電材料。
  12. 如請求項10之影像感測器，其中該內埋光屏蔽件將該第一基板劃分成一第一基板層及一第二基板層，且其中該光電偵測器安置於該第一基板層中且該儲存區安置於該第二基板層中。
  13. 如請求項12之影像感測器，其中該儲存區包含一第一儲存區且該影像感測器進一步包含一第二儲存區，該第二儲存區係安置於該第二基板層中鄰近於該第一儲存區且在該內埋光屏蔽件之下(below)。
  14. 如請求項10之影像感測器，其中該影像感測器包含一背照式影像感測器，且該光電偵測器係鄰近於該第一基板之一背側表面，且該第一儲存區及該第二儲存區係鄰近於該第一基板之一前側表面。
  15. 如請求項14之影像感測器，其進一步包含：一抗反射塗層，其形成於該第一基板之該背側表面之上；及至少一光屏蔽件，其形成於該抗反射塗層之上。
  16. 如請求項10之影像感測器，其中該內埋光屏蔽件包含安置於一第一介電層與一第二介電層之間的一不透明屏蔽層。
  17. 如請求項10之影像感測器，其中該內埋光屏蔽件包含一光阻斷材料及一光吸收材料中之一者。
  18. 如請求項10之影像感測器，其中該內埋光屏蔽件包含一具有不同於該第一基板中之一材料之折射率的折射率之材料。
  19. 如請求項10之影像感測器，其中該內埋光屏蔽件包含一絕緣體上矽層。
  20. 如請求項10之影像感測器，其進一步包含附接至該第二基板之一載體晶圓。
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